KR20190081237A

KR20190081237A - 배터리 충전 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20190081237A
Application number: KR1020170183621A
Authority: KR
Inventors: 오덕진; 성영훈; 임주완; 정대룡
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-07-09
Also published as: KR102563753B1; US20210053450A1; EP3506452A1; US10857895B2; EP3506452B1; US20190202299A1; US11637330B2; CN109994792A

Abstract

배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치가 개시된다. 일실시예에 따른 배터리 충전 장치는 배터리의 전압에 대한 SOC(State Of Charge) 또는 전하량의 미분값을 전압 또는 SOC에 따라 나타내는 곡선을 획득하고, 획득된 곡선을 분석하여 배터리의 충전을 위한 충전 스텝들을 결정하고, 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성할 수 있다.

Description

배터리 충전 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR BATTERY CHARGING}

아래 실시예들은 배터리 충전 기술에 관한 것이다.

배터리는 모바일 기기 및 전기자동차 등의 전력원으로 사용되는데, 배터리를 충전하기 위한 다양한 방식들이 제안되고 있다. 특정 전압까지 정전류로 충전한 뒤 미리 설정된 낮은 전류에 도달할 때까지 정전압으로 충전하는 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 충전 방식은 보편적으로 이용되고 있다. 이 외에, 고전류에서 저전류로 여러 단계의 CC(Constant Current)로 충전하는 방식인 멀티-스텝(multi-step) 충전 방식과 짧은 시간 단위로 펄스 전류(pulse current)를 반복적으로 인가하는 펄스 충전 방식이 이용되고 있다.

CC-CV 충전 방식은 CV 조건에서 많은 시간이 소요되므로 급속 충전에는 부적합하다. 멀티-스텝 충전 방식과 펄스 충전 방식은 급속 충전에 따른 배터리의 열화가 수반된다. 배터리의 내부 상태의 고려 없이 경험을 기반으로 한 충전 방식들은 배터리의 열화 제어에 한계가 있고, 충전 시간 단축 효과가 제한적이다. 배터리가 탑재된 전기자동차 또는 모바일 기기의 사용자가 많아지면서 급속 충전의 요구가 커지고 있다. 급속 충전을 제공하면서 수명 특성이 우수한 배터리 충전 기술의 개발이 필요하다.

일실시예에 따른 배터리 충전 방법은 배터리의 전압에 대한 SOC(State Of Charge) 또는 전하량의 미분값을 전압 또는 SOC에 따라 나타내는 곡선을 획득하는 단계; 상기 곡선을 분석하여 상기 배터리의 충전을 위한 충전 스텝들을 결정하는 단계; 및 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성하는 단계를 포함한다.

일실시예에 따르면, 상기 곡선은 상기 배터리를 충전시킴에 따라 커지는 전압 또는 SOC와 상기 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 상기 미분값의 대응 관계를 표현할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 곡선의 가로축은 상기 배터리를 충전시킴에 따라 커지는 전압 또는 상기 배터리를 충전시킴에 따라 커지는 전압으로부터 매핑된 SOC이고, 상기 곡선의 세로축은 상기 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 상기 미분값일 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 충전 스텝들을 결정하는 단계는 상기 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 주요 전기화학 반응들 별로 상기 곡선을 구분하는 단계; 및 상기 곡선을 구분하는 구간들에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계를 포함하고, 주요 전기화학 반응은 상기 배터리를 충전시킴에 따라 발생하는 전기화학 반응들에 기초하여 결정될 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 충전 스텝들을 결정하는 단계는 상기 곡선 상에서 상기 미분값이 커지다가 작아지는 구간들 별로 상기 곡선을 구분하는 단계; 및 상기 곡선을 구분하는 구간들에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 충전 스텝들을 결정하는 단계는 상기 곡선 상의 적어도 하나의 피크(peak)를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 피크에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 검출된 피크에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계는 상기 곡선 상의 제1 음의 피크를 기준으로 제1 충전 스텝의 시작에 대응하는 전압 또는 SOC를 결정하는 단계; 및 상기 제1 음의 피크 다음에 검출되는 제2 음의 피크를 기준으로 상기 제1 충전 스텝의 종료와 제2 충전 스텝의 시작에 대응하는 전압 또는 SOC를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 제1 음의 피크 및 상기 제2 음의 피크는 상기 미분값이 작아지다가 커지는 지점일 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 검출된 피크에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계는 상기 검출된 피크에 기초하여 충전 스텝 수를 결정하는 단계; 및 상기 충전 스텝 수에 대응하는 충전 스텝들을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 충전 프로파일을 생성하는 단계는 상기 충전 스텝들에 대응하는 전기화학 특성들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류 비율들을 결정하는 단계; 및 상기 충전 전류 비율들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 충전 전류 비율들을 결정하는 단계는 상기 충전 스텝들에 대응하는 주요 전기화학 반응들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별로 임피던스들을 획득하는 단계; 및 상기 임피던스들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류 비율들을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 충전 전류 비율들을 결정하는 단계는 임피던스가 커짐에 따라 충전 전류 비율을 작게 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 임피던스들을 획득하는 단계는 상기 충전 스텝들 별로 EIS(Electrical Impedance Spectroscopy) 분석을 수행하여 임피던스들을 추정하는 단계; 및 상기 충전 스텝들에 대응하는 DCIR(Direct Current Internal Resistance)들에 기초하여, 임피던스들을 추정하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 충전 전류들을 결정하는 단계는 요구 충전 시간, 요구 충전량 및 적어도 하나의 내부 상태 제한 조건을 포함하는 충전 조건을 획득하는 단계; 및 상기 충전 전류 비율들 및 상기 충전 조건에 기초하여, 전기화학 모델로부터 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 전기화학 모델로부터 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계는 상기 요구 충전 시간 및 상기 요구 충전량에 기초하여, 상기 충전 전류 비율들에 따른 상기 충전 스텝들 별 초기 충전 전류들을 결정하는 단계; 상기 전기화학 모델을 이용하여, 상기 초기 충전 전류들이 인가된 상기 배터리의 상기 충전 스텝들 별 적어도 하나의 내부 상태를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 내부 상태가 상기 충전 스텝들 별 적어도 하나의 내부 상태 제한 조건에 도달하는지 여부에 따라 상기 초기 충전 전류들을 조정하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 전기화학 모델로부터 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계는 상기 충전 전류 비율들 및 상기 충전 조건에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 구간들을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 내부 상태 제한 조건은 음극(anode) 과전위(overpotential) 조건, 양극(cathode) 과전위 조건, 음극 활물질 표면 리튬이온 농도 조건, 양극 활물질 표면 리튬이온 농도 조건, 셀 전압 조건, SOC(State Of Charge) 조건 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 곡선을 획득하는 단계는 상기 배터리의 SOH(State Of Health) 및 온도 중 적어도 하나를 획득하는 단계; 및 상기 획득된 SOH 및 온도 중 적어도 하나에 기초하여, 곡선을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 배터리 충전 방법은 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 주요 전기화학 반응들 별로 충전 스텝들을 결정하는 단계; 상기 충전 스텝들에 대응하는 전기화학 특성들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류 비율들을 결정하는 단계; 및 상기 충전 전류 비율들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성하는 단계를 포함한다.

일실시예에 따른 장치는 하드웨어와 결합되어 상술한 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 제어될 수 있다.

일실시예에 따른 배터리 충전 장치는 배터리의 전압에 대한 SOC(State Of Charge) 또는 전하량의 미분값을 전압 또는 SOC에 따라 나타내는 곡선을 획득하고, 상기 곡선을 분석하여 상기 배터리의 충전을 위한 충전 스텝들을 결정하고, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성하는 프로세서를 포함한다.

일실시예에 따른 배터리 충전 장치는 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 주요 전기화학 반응들 별로 충전 스텝들을 결정하고, 상기 충전 스텝들에 대응하는 전기화학 특성들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류 비율들을 결정하고, 상기 충전 전류 비율들에 기초하여 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성하는 프로세서를 포함한다.

도 1은 일실시예에 따른 배터리 충전 방법을 설명하기 개략도이다.
도 2는 일실시예에 따른 배터리 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 일실시예에 따른 충전 스텝들을 결정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 일실시예에 따른 충전 스텝들을 결정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 일실시예에 따른 배터리 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10은 일실시예에 따른 충전 프로파일과 배터리의 내부 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12은 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구성의 예시도이다.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 배터리를 충전시킴에 따라 발생하는 전기화학 반응에 기초하여, 배터리를 급속으로 충전시키면서 배터리의 열화를 방지하기 위한 충전 프로파일을 생성할 수 있다. 배터리 충전 장치는 주어진 충전 시간 내에서 배터리를 충전시키면서 급속 충전으로 인한 배터리의 열화를 최소화하기 위해, 배터리의 전기화학 반응과 전기화학 특성을 이용하여 충전 프로파일을 생성할 수 있다. 충전 프로파일은 충전을 위해 전류를 공급하는 정책을 의미하는데, 예를 들어 충전을 위한 C-rate들의 시퀀스로 표현될 수 있다(C-rate의 정의는 후술하겠다). 배터리 충전 장치는 생성된 충전 프로파일을 이용하여 배터리를 충전시킬 수 있다.

배터리 충전 장치는 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 주요 전기화학 반응들 별로 충전 스텝들을 결정할 수 있다. 전기화학 반응들은 배터리가 충전되는 동안 진행되는 전기화학 반응이다. 예를 들어, 전기화학 반응은 배터리의 양극과 음극 사이를 이동하는 리튬 이온과 전자에 의해 발생할 수 있고, 서로 다른 유형의 전기화학 반응들이 배터리 내부에서 복합적으로 발생할 수 있다. 전기화학 반응의 양상은 배터리의 전류, 전압, 온도, SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health) 등에 의해 영향을 받을 수 있다(SOC 및 SOH의 정의는 후술하겠다). 전기화학 반응의 종류는 배터리를 구성하는 양극, 음극, 전해질, 분리막 등의 소재에 의해 달라질 수 있다.

예를 들어, 배터리가 충전됨에 따라 발생하는 전기화학 반응들 중 지배적인 전기화학 반응은 배터리가 충전됨에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 배터리에서 발생하는 전기화학 반응들 중 지배적인 전기화학 반응을 주요 전기화학 반응이라 지칭한다. 전기화학 반응이 지배적인지 여부는 반응의 양, 배터리의 물리화학적 양 등에 의해 평가될 수 있다. 예를 들어, 배터리를 충전시킴에 따라 SOC(또는 전압)가 변화하고, 변화하는 SOC(또는 전압)에 대응하는 주요 전기화학 반응은 전압에 대한 전하량(또는 SOC)의 미분값에 의해 결정될 수 있다. 배터리 충전 장치는 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 주요 전기화학 반응들 별로 SOC(또는 전압) 구간을 분할하여, 분할된 SOC(또는 전압) 구간들에 대응하는 충전 스텝들을 결정할 수 있다.

배터리 충전 장치는 충전 스텝들에 대응하는 전기화학 특성들에 기초하여 충전 스텝들 별 충전 전류 비율들을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 주요 전기화학 반응들 별로 결정된 충전 스텝들에 대응하는 전기화학 특성들을 식별할 수 있다. 전기화학 반응들에 의해 기초하여 결정된 충전 스텝들은 배터리의 충전에 영향을 주는 전기화학 특성들이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 충전 스텝들에 대응하는 전기화학 특성들은 충전 스텝들에 대응하는 주요 전기화학 반응들에 기초하여, 충전 스텝들에 대응하는 임피던스들로 표현될 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 스텝들 별로 식별된 전기화학 특성들에 기초하여 충전 전류 비율들을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 전류 비율들에 기초하여, 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성할 수 있다.

일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 전기화학 모델에 기초하여 배터리의 내부 상태를 추정하고, 추정된 내부 상태를 이용하여 배터리의 충전을 제어할 수 있다. 사용자가 원하는 충전 시간이 입력된 경우, 배터리 충전 장치는 요구 충전량에 기초하여, 입력된 충전 시간 내 충전의 가능 여부를 판단할 수 있다. 요구 충전량은 충전이 요구되는 양으로서, 예를 들어 SOC로 표현될 수 있다. 배터리 충전 장치는 추정된 배터리의 내부 상태와 경계 조건에 기초하여, 사용자로부터 입력된 충전 시간을 충족시키면서 배터리 수명 특성이 우수한 충전 프로파일을 도출할 수 있다. 여기서, 주어진 충전 시간은 요구 충전 시간으로 지칭되고, 경계 조건은 내부 상태 제한 조건으로 지칭된다.

요구 충전 시간은 사용자 또는 관리자에 의해 입력 또는 설정될 수 있고, 배터리의 충전 시스템에 의해 자체적으로 설정될 수 있으며 설계 의도에 따라 미리 설정될 수 있다. 예를 들어, 배터리의 급속 충전 모드에 대응하는 요구 충전 시간은 충전을 완료하도록 미리 설정된 시간일 수 있으며, 배터리 충전 장치는 급속 충전 모드에 응답하여 자동으로 미리 설정된 시간 내에 배터리의 충전 가능 여부를 판단하거나 충전 프로파일을 생성하여 배터리를 충전시킬 수 있다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 일실시예에 따른 배터리 충전 방법의 전반적인 내용이 설명된다. 도 3을 참조하여 일실시예에 따른 충전 프로파일의 생성과 관련된 내용이 설명된다. 도 4a 및 도 4b를 참조하여 일실시예에 따른 충전 스텝들을 결정하는 동작과 관련된 내용이 설명된다. 도 5를 참조하여 일실시예에 따른 충전 전류들을 결정하는 동작과 관련된 내용이 설명된다. 도 6a 및 도 6b를 참조하여 일실시예에 따른 충전 전류들을 결정하는 동작과 관련된 내용이 설명된다. 도 7을 참조하여 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하기 위한 정보와 관련된 내용이 설명된다. 도 8을 참조하여 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하기 위한 방법이 설명된다. 도 9를 참조하여 일실시예에 따른 배터리 충전 방법이 설명된다. 도 10을 참조하여 일실시예에 따른 배터리의 내부 상태와 관련된 내용이 설명된다. 도 11을 참조하여 일실시예에 따른 배터리 충전 방법의 적용례가 설명되고, 도 12를 참조하여 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구성이 설명된다.

도 1은 일실시예에 따른 배터리 충전 방법을 설명하기 개략도이고, 도 2는 일실시예에 따른 배터리 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

배터리 충전 장치는 배터리의 전압에 대한 SOC 또는 전하량의 미분값을 전압 또는 SOC에 따라 나타내는 곡선(101)을 획득할 수 있다(201). 여기서, 곡선을 획득한다는 것은 주어진 정보를 이용하여 곡선을 생성하거나, 내부 또는 외부의 데이터베이스화된 메모리 또는 서버로부터 곡선을 획득 또는 수신하는 개념을 포함한다. 데이터베이스는 배터리 충전 장치에 포함된 메모리로 구현되거나 배터리 충전 장치와 유선, 무선, 또는 네트워크 등으로 연결 가능한 서버 등의 외부 장치(도면 미 표시)로 구현될 수 있다. 곡선(101)은 반드시 굴곡진 외형의 그래프로만 표현되어야 하는 것은 아니고, 실험적인 측정 또는 모의적인 추정에 의해 불연속점, 미분 불가능한 지점, 기울기가 일정한 구간 등도 부분적으로는 포함할 수 있다.

SOC(State Of Charge)는 배터리의 충전 상태를 나타내는 파라미터이다. SOC는 배터리에 저장된 에너지가 어느 정도인지 나타내므로, 퍼센트(%) 단위를 사용하여 0~100 %로 그 양이 표시될 수 있다. 예를 들면, 0%는 완전방전상태이고, 100%는 완전충전상태를 의미할 수 있는데, 이러한 표현 방식은 설계의도나 실시예에 따라 다양하게 변형되어 정의될 수 있다. SOC를 추정 또는 측정하는 방식에는 다양한 기법들이 채용될 수 있다.

일실시예에 따른 곡선(101)은 배터리를 충전시킴에 따라 커지는 전압(V) 또는 SOC와 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 미분값(dSOC/dV)의 대응 관계를 표현할 수 있다. 여기서, 미분값은 전압에 대한 전하량의 미분값(dQ/dV)로 대체될 수 있다. 곡선(101)의 가로축은 배터리를 충전시킴에 따라 커지는 전압 또는 배터리를 충전시킴에 따라 커지는 전압으로부터 매핑된 SOC이고, 곡선(101)의 세로축은 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 미분값(dSOC/dV 또는 dQ/dV)이다. 이하, 곡선(101)의 가로축은 SOC(또는 전압)이고, 곡선(101)의 세로축은 dSOC/dV(또는 dQ/dV)인 실시예를 중심으로 설명하겠지만, 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 전기화학 반응들을 설명하는 곡선은 다양한 방식으로 정의 또는 설계될 수 있다.

배터리 충전 장치는 충전시키고자 하는 배터리의 특성, 온도 및 SOH에 기초하여, 미리 저장된 곡선들 중 충전시키고자 하는 배터리에 대응하는 곡선을 획득하거나 배터리를 직접 충전시키거나 시뮬레이션을 통해 곡선을 생성할 수 있다. 배터리 충전 장치는 미리 설정된 정전류(constant current)로 배터리를 충전시켜, 전압의 변화에 따른 SOC의 변화를 측정 또는 추정하고, 해당 배터리에 대응하는 곡선을 생성할 수 있다. 배터리에 대응하는 dSOC/dV(또는 dQ/dV)을 표현하는 곡선은 다양한 기법을 통해 획득될 수 있다.

SOH는 열화(aging) 효과로(열화 현상으로) 인한 배터리의 특성 변화를 정량적으로 나타내주는 파라미터로서, 배터리의 용량이 어느 정도 퇴화되었는지를 나타낸다. SOH를 추정 또는 측정하는 방식에는 다양한 기법들이 채용될 수 있다. 배터리의 SOH가 달라짐에 따라 곡선(101)은 변형될 수 있다.

배터리 충전 장치는 배터리의 충전과 관련된 정보를 처리하는 장치로서, 소프트웨어 모듈, 하드웨어 모듈 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 충전 장치는 BMS(Battery Management System)에 의해 구현될 수 있다. BMS는 배터리를 관리하는 시스템으로서, 예를 들어 배터리의 상태를 모니터링하고, 배터리가 동작하는 최적화된 조건을 유지하고, 배터리의 교체시기를 예측하며, 배터리의 문제를 발견하고, 배터리와 관련된 제어 또는 명령 신호를 생성하여 배터리의 상태 또는 동작을 제어할 수 있다.

배터리는 충전에 의해 전력을 저장하는 축전기 또는 2차 전지를 포함하고, 배터리를 채용한 장치는 배터리로부터 부하로 전력을 공급할 수 있다. 부하는 전력을 소비하는 주체로서, 외부로부터 공급되는 전력을 소모할 수 있고, 예를 들어 특정 전압에서 전류가 흐르는 회로를 이용하여 전력을 소비하는 전열기, 전등, 전기자동차의 모터 등을 포함한다.

배터리 충전 장치는 곡선(101)을 분석하여 배터리의 충전을 위한 충전 스텝들(도 1의 #S1, #S2, #S3, ...)을 결정할 수 있다(202). 배터리 충전 장치는 곡선(101)의 외형에 기초하여 곡선(101)을 구분하고, 곡선(101)을 구분하는 구간들에 기초하여 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, ...)을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 곡선(101) 상의 피크들을 검출하고, 검출된 피크들에 기초하여 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, ...)을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 검출된 피크들의 수에 기초하여, 충전 스텝 수를 결정하고, 결정된 충전 스텝 수에 대응하는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, ...)을 결정할 수 있다. 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, ...)의 결정과 관련된 자세한 내용은 후술된다.

배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, ...) 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일(102)을 생성할 수 있다(203). 충전 프로파일(102)은 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, ...) 별 충전 전류들의 시퀀스로 표현될 수 있고, 충전 스텝들((#S1, #S2, #S3, ...)은 SOC 또는 전압에 따른 구간들로 각각 표현될 수 있다. 예를 들어, 충전 프로파일(102)은 #S1에서 0부터 A의 SOC(또는 전압) 구간 동안 I1으로 배터리를 충전시키고, #S2에서 A부터 B의 SOC(또는 전압) 구간 동안 I2로 배터리를 충전시키고, #S3에서 B부터 C의 SOC(또는 전압) 구간 동안 I3로 배터리를 충전시키는 동작들 등의 시퀀스들로 표현될 수 있다. 충전 전류는 A, mA 및 C-rate 등 다양하게 표현될 수 있다. C-rate은 배터리 정격용량에 따른 전류의 충방전율을 나타내는 배터리 관련 특성을 의미한다. 예를 들어, 배터리의 용량(1시간 동안 사용할 수 있는 전류량)이 1000 mAh이고, 충방전 전류가 1 A인 경우, C-rate은 1 C = 1 A / 1000 mAh 가 된다. 따라서, 충전 프로파일(102)은 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, ...) 별 C-rate들의 시퀀스로 표현될 수 있다. 충전 프로파일(102)의 생성과 관련된 자세한 내용은 후술된다.

도 3은 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 배터리 충전 장치는 곡선(301)을 분석하여 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...)을 결정할 수 있다. 여기서, 곡선(301)의 가로축은 SOC이고, 곡선(301)의 세로축은 dSOC/dV이다. 곡선(301)이 내포하는 정보는 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 SOC와 dSOC/dV 사이의 대응 관계 또는 함수로 표현될 수 있다.

일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 주요 전기화학 반응들 별로 곡선(301)을 구분할 수 있다. 배터리가 충전됨에 따라 전기화학 반응들은 복합적으로 발생하는데, 배터리 충전 장치는 곡선(301)의 외형에 기초하여, 전기화학 반응들 중 주요 전기화학 반응에 대응하는 SOC 구간을 곡선(301)으로부터 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 주요 전기화학 반응은 배터리를 충전시킴에 따라 발생하는 전기화학 반응들 중 지배적인 전기화학 반응이다. 주요 전기화학 반응들은 곡선(301) 상에서 특정 패턴으로 표현될 수 있다. 주요 전기화학 반응들이 곡선(301) 상에서 표현되는 패턴은 실험적으로 또는 모의적으로 획득될 수 있다. 배터리 충전 장치는 곡선(301) 상에서 주요 전기화학 반응들이 표현되는 패턴을 획득하고, 곡선(301)으로부터 주요 전기화학 반응들에 대응하는 부분들을 식별할 수 있다.

배터리 충전 장치는 곡선(301) 상에서 주요 전기화학 반응들에 대응하는 SOC 구간들을 식별하고, 식별된 SOC 구간들 별로 곡선(301)을 구분할 수 있다. 배터리 충전 장치는 곡선(301)을 구분하는 SOC 구간들 별로 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...)을 결정할 수 있다. 곡선(301)을 분석하는 실시예는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 후술된다.

일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...)에 대응하는 전기화학 특성들에 기초하여, 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 충전 전류 비율들을 결정할 수 있다. 예를 들어, 특정 충전 스텝의 전기화학 특성은 특정 충전 스텝의 주요 전기화학 반응에 대응하는 임피던스로 표현될 수 있다.

일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...)에 대응하는 주요 전기화학 반응들에 기초하여, 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별로 임피던스들을 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치는 획득된 임피던스들에 기초하여 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 충전 전류 비율들을 결정할 수 있다.

일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별로 EIS(Electrical Impedance Spectroscopy) 분석을 수행하여 임피던스들을 추정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...)에 대응하는 DCIR(Direct Current Internal Resistance)들에 기초하여, 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별로 임피던스들을 추정할 수 있다. 도 3을 참조하면, 배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...)에 대응하는 DCIR들(302)을 획득할 수 있고, 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 임피던스들은 DCIR들(302)에 의해 표현될 수 있다.

배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 임피던스들에 기초하여, 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 충전 전류 비율들을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 임피던스가 커짐에 따라 충전 전류 비율을 작게 설정하여, 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 충전 전류 비율들을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 전류 비율들을 결정하기 위해 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...)에 대응하는 전기화학 특성들(예를 들어, 임피던스들)을 고려하므로, 배터리의 충전 시간을 단축시키면서 배터리의 열화를 방지할 수 있다.

배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 충전 전류 비율들에 기초하여, 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 충전 전류들을 결정하고, 충전 프로파일(303 및 304)을 생성할 수 있다. 배터리 충전 장치는 요구 충전 시간, 요구 충전량 및 적어도 하나의 내부 상태 제한 조건을 포함하는 충전 조건을 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치는 요구 충전량과 요구 충전시간에 기초하여, 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 충전 전류들을 초기화할 수 있다.

배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 충전 전류 비율들에 기초하여, 초기화된 충전 전류들을 조정할 수 있다. 구체적으로, 배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...)에 대응하는 대표 DCIR들을 획득하고, 대표 DCIR이 커질수록 충전 전류 비율을 작게 설정하여, 충전 전류들을 조정할 수 있다. 대표 DCIR은 SOC 구간에 대응하는 DCIR의 평균, 대표값 등 다양한 통계 기법에 의해 계산될 수 있다. 배터리 충전 장치는 내부 상태 제한 조건에 기초하여, 충전 스텝들(#S1, #S2, #S3, #S4, #S5, #S6, ...) 별 충전 전류들을 최적화할 수 있다. 배터리 충전 장치는 최적화된 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일(303 및 304)을 생성할 수 있다. 내부 상태 제한 조건에 기초한 충전 전류의 최적화 동작은 후술된다.

도 3을 참조하여, 가로축이 SOC이고, 세로축이 dSOC/dV인 실시예가 설명되었지만, 상술한 바와 같이 가로축은 V일 수 있고, 세로축은 dQ/dV일 수 있다.

도 4a는 일실시예에 따른 충전 스텝들을 결정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 배터리를 충전시킴에 따라 발생하는 전기화학 반응들 중 주요 전기화학 반응은 곡선 상에서 dSOC/dV이 위로 볼록한 SOC(또는 전압) 구간으로 표현될 수 있다. 지배적인 전기화학 반응들은 곡선 상에서 dSOC/dV이 위로 볼록한 부분들에 각각 대응하므로, 해당 SOC(또는 전압) 구간들 별로 전기화학 특성들이 변화할 수 있다. 배터리 충전 장치는 곡선 상에서 dSOC/dV이 위로 볼록한 SOC(또는 전압) 구간들을 식별하고, 식별된 SOC(또는 전압) 구간들 별로 곡선을 구분할 수 있다. 일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 곡선 상에서 dSOC/dV이 커지다가 작아지는 SOC(또는 전압) 구간들(M₁, M₂, ...)을 식별하고, 식별된 SOC(또는 전압) 구간들(d₁, d₂, ...) 별로 곡선을 구분할 수 있다. 배터리 충전 장치는 곡선을 구분하는 SOC(또는 전압) 구간들(d₁, d₂, ...) 별로 충전 스텝들을 결정할 수 있다.

도 4a를 참조하면, 배터리 충전 장치는 곡선 상에서 dSOC/dV이 커지다가 작아지는 SOC(또는 전압) 구간들(M₁, M₂, ...)을 식별하고, 식별된 구간들의 수에 기초하여 충전 스텝 수를 결정할 수 있다. 충전 스텝 수는 충전 스텝들의 수이다. 배터리 충전 장치는 충전 스텝 수에 대응하는 충전 스텝들을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 곡선을 분석하여 충전 스텝들의 수를 결정하고, 충전 스텝들의 구간들을 초기화하고, 배터리의 내부 상태를 고려하여 충전 스텝들의 구간들을 조정할 수 있다.

도 4b는 일실시예에 따른 충전 스텝들을 결정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 4b를 참조하면, 배터리를 충전시킴에 따라 발생하는 전기화학 반응들 중 주요 전기화학 반응은 곡선 상의 피크(peak)들(P₁, P₂, P₃, P₄, P₅, ...)에 기초하여 표현될 수 있다. dSOC/dV이 커지다가 작아지는 지점인 P₂ 및 P₄는양의 피크이고, dSOC/dV이 작아지다가 커지는 지점인 P₁, P₃ 및 P₅는음의 피크이다. 일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 곡선 상의 피크들(P₁, P₂, P₃, P₄, P₅, ...)을 검출하고, 검출된 피크들(P₁, P₂, P₃, P₄, P₅, ...)에 기초하여 충전 스텝들을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 곡선 상의 음의 피크들(P₁, P₃ 및 P₅)에 따라 곡선을 구분하고, 곡선을 구분하는 SOC(또는 전압) 구간들(d₁₃, d₃₅, ...) 별로 충전 스텝들을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 곡선 상의 음의 피크들(P₁, P₃ 및 P₅)을 순차적으로 검출하고, 검출된 음의 피크들(P₁, P₃ 및 P₅)을 기준으로 충전 스텝의 시작과 종료에 대응하는 SOC(또는 전압)를 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 결정된 SOC(또는 전압)에 기초하여 충전 스텝에 대응하는 SOC(또는 전압) 구간을 결정할 수 있다.

도 4b를 참조하면, 배터리 충전 장치는 곡선 상에서 검출된 피크들(P₁, P₂, P₃, P₄, P₅, ...) 또는 피크들(P₁, P₂, P₃, P₄, P₅, ...)의 수에 기초하여, 충전 스텝 수를 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 스텝 수에 대응하는 충전 스텝들을 결정할 수 있다. 예를 들어, 배터리 충전 장치는 음의 피크들(P₁, P₃ 및 P₅)의 수에 기초하여, 충전 스텝 수를 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 스텝들의 수를 결정하고, 충전 스텝들의 구간들을 초기화하고, 배터리의 내부 상태를 고려하여 충전 스텝들의 구간들을 조정할 수 있다.

다만, 곡선을 분석하여 지배적인 전기화학 반응들을 식별하는 기법은 도 4a와 도 4b를 참조하여 설명된 실시예에 제한되지 않고, 다양한 방식들이 채용되어 응용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 4a와 도 4b의 곡선의 세로축은 dQ/dV일 수 있다.

도 5는 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 배터리 충전 장치는 충전 스텝들(#S₁, #S₂, ... ,#S_N)에 대응하는 충전 전류 비율들(501)에 기초하여 충전 프로파일(502 및 503)을 생성할 수 있다. 배터리 충전 장치는 요구 충전 시간 내에 요구 충전량에 대응하는 충전을 완료할 수 있는지 여부를 판단하고, 충전 완료가 가능하다고 판단된 경우 충전 프로파일(502 및 503)을 생성할 수 있다.

배터리 충전 장치는 요구 충전 시간과 요구 충전량에 기초하여, 충전 전류 비율들(501)에 대응하는 충전 프로파일(502 및 503)을 생성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 배터리 충전 장치는 요구 충전 시간과 요구 충전량에 기초하여 충전 전류들을 초기화하고, 초기화된 충전 전류들과 충전 전류 비율들(501)에 기초하여 충전 프로파일(502 및 503)을 생성할 수 있다. 충전 프로파일의 충전 전류들은 요구 충전 시간이 작아질수록 커지고, 요구 충전 시간이 커질수록 작아지고, 요구 충전량이 작아질수록 작아지고, 요구 충전량이 커질수록 작아질 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 전류 비율들(501)뿐만 아니라 요구 충전 시간 및 요구 충전량을 고려하여 충전 프로파일(502 및 503)을 생성하므로, 충전 프로파일(503)의 C-rate들은 충전 프로파일(502)의 C-rate들보다 전체적으로 크게 결정될 수 있다.

도 6a는 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

배터리 충전 장치는 요구 충전 시간, 요구 충전량 및 적어도 하나의 내부 상태 제한 조건을 포함하는 충전 조건을 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 전류 비율들 및 충전 조건에 기초하여, 전기화학 모델로부터 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정할 수 있다.

배터리는 리튬이온(Li⁺)이 삽입/탈리(intercalation/de-intercalation)될 수 있는 두 개의 전극(양극(cathode) 및 음극(anode)), 리튬이온(Li⁺)이 이동할 수 있는 매질인 전해질(electrolyte), 양극과 음극을 물리적으로 분리하여 전자가 직접 흐르지 않도록 하고 이온은 통과시키는 분리막(separator), 전기화학 반응에 의해 생성된 전자를 모으거나 전기화학 반응에 필요한 전자를 공급하는 집전체(collector)로 구성될 수 있다. 양극은 양극의 활물질을 포함하고, 음극은 음극의 활물질을 포함할 수 있는데, 예를 들어 양극의 활물질로서 LiCoO₂가 사용되고, 음극의 활물질로서 흑연(C₆)이 사용될 수 있다. 배터리의 충전 시에는 양극으로부터 음극으로 리튬이온(Li⁺)이 이동하고, 배터리의 방전 시에는 음극으로부터 양극으로 리튬이온(Li⁺)이 이동하므로, 충방전에 따라 양극의 활물질에 포함된 리튬이온(Li⁺)의 농도 및 음극의 활물질에 포함된 리튬이온(Li⁺)의 농도가 변화하게 된다.

이러한 배터리의 내부 상태를 표현하기 위하여 전기화학 모델이 다양한 방식으로 채용될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 모델에는 단일 입자 모델(Single Particle Model; SPM)뿐만 아니라 다양한 응용 모델이 채용될 수 있으며, 전기화학 모델을 정의하는 파라미터들도 설계 의도에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 내부 상태 제한 조건은 배터리의 전기화학 모델로부터 도출될 수 있고, 실험적으로 또는 경험적으로 도출될 수도 있으며, 여기서 내부 상태 제한 조건을 정의하는 기법에는 다양한 방식들이 응용될 수 있다.

내부 상태 제한 조건은 배터리의 열화에 영향을 미치는 적어도 하나의 내부 상태에 기초하여 전기화학 모델로부터 정의될 수 있다. 내부 상태 제한 조건은 배터리의 음극(anode) 과전위(overpotential) 조건, 양극(cathode) 과전위 조건, 음극 활물질 표면 리튬이온 농도 조건, 양극 활물질 표면 리튬이온 농도 조건, 셀 전압 조건, SOC 조건 중 적어도 하나를 포함한다. 과전위(overpotential)는 배터리의 각 전극에서 삽입/탈리 반응과 관련된 평형 전위와 전류가 흐를 때 변화한 전극 전위의 차이이다. 상술한 리튬이온 농도는 배터리의 각 전극의 활물질(active material) 내 물질이 리튬이온(Li⁺)인 경우의 농도이고, 활물질(active material) 내 물질에는 리튬이온 외에 다른 물질도 채용될 수 있다.

배터리가 충전됨에 따라 배터리의 내부 상태가 내부 상태 제한 조건들 중 어느 하나에 도달하게 되면, 배터리는 열화에 노출될 수 있다. 배터리 충전 장치는 내부 상태 제한 조건들을 고려하여 충전 프로파일을 생성하거나 배터리의 충전을 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 음극 과전위가 0.05 V 이하로 떨어지는 경우 배터리의 열화가 발생하는 것으로 판단된다면, 음극 과전위 조건은 0.05 V에 기초한 과전위 값에 의해 정의될 수 있다. 다만, 내부 상태 제한 조건은 위의 예시들에 제한되지 않고, 배터리의 열화에 영향을 미치는 내부 상태를 정량화한 다양한 표현들이 채용될 수 있다.

배터리 충전 장치는 요구 충전 시간 및 요구 충전량에 기초하여, 충전 전류 비율들에 따른 충전 스텝들 별 충전 전류들을 초기화할 수 있다. 여기서, 초기화된 충전 전류들은 초기 충전 전류들로 지칭된다. 배터리 충전 장치는 전기화학 모델을 이용하여 초기 충전 전류들이 인가된 배터리의 충전 스텝들 별 적어도 하나의 내부 상태를 추정할 수 있다.

배터리 충전 장치는 추정된 내부 상태가 충전 스텝들 별 적어도 하나의 내부 상태 제한 조건에 도달하는지 여부에 따라 초기 충전 전류들을 조정하여, 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 요구 충전 시간 동안 요구 충전량의 충전을 완료하면서 배터리의 열화를 방지하기 위해, 내부 상태 제한 조건에 기초하여 충전 전류 비율들에 따른 충전 전류들을 반복적으로 조정하고, 최적화할 수 있다.

일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 전기화학 모델에 기초하여 초기 충전 전류들이 인가된 배터리의 충전 스텝들 별 적어도 하나의 내부 상태를 추정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 스텝들 별로 추정된 내부 상태가 내부 상태 제한 조건에 도달하는지 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여 초기 충전 전류들을 최적화할 수 있다.

도 6a를 참조하면, 배터리 충전 장치는 초기 충전 전류들을 조정하여 초기 충전 전류들의 충전 프로파일(601)을 최적화하고, 최적화 결과에 따른 충전 프로파일(602)을 생성할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 스텝 #S_N에 대응하는 내부 상태가 내부 상태 제한 조건에 도달하는 것으로 판단할 수 있고, 판단 결과에 기초하여 충전 스텝 #S_N에 대응하는 초기 충전 전류를 줄일 수 있다. 요구 충전 시간 동안 요구 충전량의 충전을 완료하기 위해, 배터리 충전 장치는 #S_N과 구별되는 제2 충전 스텝에 대응하는 초기 충전 전류를 높이더라도 제2 충전 스텝에 대응하는 내부 상태가 내부 상태 제한 조건에 도달하지 않는다면, 제2 충전 스텝에 대응하는 초기 충전 전류를 높일 수 있다.

도 6b는 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 6b를 참조하면, 배터리 충전 장치는 충전 조건에 기초하여, 충전 스텝들 별 구간들을 조정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 스텝들 별 구간들을 조정하여 충전 프로파일(603)을 최적화하고, 최적화 결과에 따른 충전 프로파일(604)을 생성할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 스텝 #S_N에 대응하는 내부 상태가 내부 상태 제한 조건에 도달하는 것으로 판단할 수 있고, 판단 결과에 기초하여 충전 스텝 #S_N의 구간을 줄일 수 있다. 요구 충전 시간 동안 요구 충전량의 충전을 완료하기 위해, 배터리 충전 장치는 #S_N과 구별되는 제2 충전 스텝의 구간을 늘리더라도 제2 충전 스텝에 대응하는 내부 상태가 내부 상태 제한 조건에 도달하지 않는다면, 제2 충전 스텝의 구간을 늘릴 수 있다.

도 7은 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 배터리의 전압에 대한 SOC(또는 전기량)의 미분값을 전압(또는 SOC)에 따라 나타내는 곡선들(701)은 배터리의 온도들 및 SOH들에 매핑되어 데이터베이스화될 수 있다. 배터리 충전 장치는 배터리의 온도들 및 SOH들에 대응하는 곡선들(701) 중 충전시키고자 하는 배터리에 대응하는 곡선(702)을 획득할 수 있다.

배터리 충전 장치는 충전시키고자 하는 배터리의 온도 및 SOH를 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치는 배터리의 온도 및 SOH를 추정 또는 측정할 수 있고, 배터리의 온도 및 SOH를 추정 또는 측정하는 동작에는 다양한 기법들이 채용될 수 있다. 배터리 충전 장치는 획득된 SOH 및 온도에 기초하여 곡선(702)을 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전시키고자 하는 배터리의 전류 및 전압을 획득할 수 있고, 획득된 전류 및 전압을 고려하여, 충전시키고자 하는 배터리에 대응하는 곡선(702)을 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치는 곡선(702)을 이용하여 충전 프로파일을 생성할 수 있다.

도 8은 일실시예에 따른 충전 프로파일을 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 배터리의 충전 프로파일을 생성하기 위한 충전 전류 비율 세트들(801)은 배터리의 온도들 및 SOH들에 매핑되어 데이터베이스화될 수 있다. 충전 전류 비율 세트들(801)은 배터리의 전압에 대한 SOC(또는 전기량)의 미분값을 전압(또는 SOC)에 따라 나타내는 곡선들의 분석 결과에 기초하여, 배터리의 온도들 및 SOH들에 매핑될 수 있다. 배터리 충전 장치는 배터리의 온도들 및 SOH들에 대응하는 충전 전류 비율 세트들(801) 중 충전시키고자 하는 배터리에 대응하는 충전 전류 비율 세트(802)를 획득할 수 있다.

배터리 충전 장치는 충전시키고자 하는 배터리의 온도 및 SOH를 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치는 획득된 SOH 및 온도에 기초하여 충전 전류 비율 세트(802)를 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전시키고자 하는 배터리의 전류 및 전압을 획득할 수 있고, 획득된 전류 및 전압을 고려하여, 충전시키고자 하는 배터리에 대응하는 충전 전류 비율 세트(802)를 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치는 충전 전류 비율 세트(802)를 이용하여 충전 프로파일(803)을 생성할 수 있다.

도 9은 일실시예에 따른 배터리 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 9를 참조하면, 배터리 충전 장치는 배터리의 전압(또는 SOC)에 대한 SOC(또는 전기량)의 미분값을 획득할 수 있다(901). 배터리 충전 장치는 dQ/dV 또는 dSOC/dV를 상술한 곡선 또는 대응 관계로 획득할 수 있다.

배터리 충전 장치는 획득된 정보에 기초하여 충전 스텝들의 개수를 결정할 수 있다(902). 상술한 바와 같이, 배터리 충전 장치는 곡선을 분석하여, 충전 스텝들의 구간들 또는 충전 스텝들의 개수를 결정할 수 있다.

배터리 충전 장치는 충전 스텝들 별로 DCIR들을 획득할 수 있다(903). 배터리 충전 장치는 충전 스텝들 별로 획득된 DCIR들에 기초하여, 충전 스텝들 별로 충전 전류 비율들 획득할 수 있다(904). 배터리 충전 장치는 요구 충전 시간, 요구 충전량 및 적어도 하나의 내부 상태 제한 조건을 포함하는 충전 조건을 획득할 수 있다(905). 배터리 충전 장치는 전기화학모델로부터 충전 프로파일을 생성할 수 있다(906).

배터리 충전 장치는 생성된 충전 프로파일이 충전 조건을 충족하는지 여부를 판단할 수 있다(907). 배터리 충전 장치는 생성된 충전 프로파일에 기초하여, 충전 스텝들 별 내부 상태들이 내부 상태 제한 조건들에 도달하는지 여부를 판단할 수 있다. 배터리 충전 장치는 생성된 충전 프로파일에 기초하여, 요구 충전 시간 내에 요구 충전량을 충전시킬 수 있는지 여부를 판단할 수 있다.

배터리 충전 장치는 생성된 충전 프로파일이 충전 조건을 충족하는 것으로 판단되면, 생성된 충전 프로파일로 배터리를 충전시킬 수 있다(908). 배터리 충전 장치는 배터리를 충전시킴에 따라 배터리의 내부 상태를 전기화학 모델을 이용하여 추정하고, 추정된 내부 상태와 내부 상태 제한 조건에 기초하여 충전 스텝들의 구간들 또는 충전 전류들을 조정할 수 있다.

배터리 충전 장치는 생성된 충전 프로파일이 충전 조건을 충족하지 못하는 것으로 판단되면, 요구 충전 시간 내 최대 충전량으로 배터리를 충전시킬 수 있다(909). 이 경우, 배터리는 요구 충전량에 미달된 충전량만큼 충전될 수 있다. 일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치는 요구 충전 시간 및 요구 충전량 중 적어도 하나의 재입력을 요청할 수 있다. 배터리 충전 장치는 요청에 따라 수신된 요구 충전 시간 및 요구 충전량에 기초하여, 충전 프로파일을 생성하고, 생성된 충전 프로파일이 충전 조건을 충족하는지 여부를 판단하는 동작을 반복할 수 있다.

배터리 충전 장치는 배터리를 충전시키고, 배터리의 SOH의 변화량을 추정할 수 있다(910). 배터리 충전 장치는 배터리를 충전시키면서 배터리의 SOH뿐만 아니라 배터리의 내부 상태를 추정할 수 있다.

배터리 충전 장치는 △SOH(SOH의 변화량)이 SOH1보다 큰지 여부를 판단하고(911), △SOH(SOH의 변화량)이 SOH1보다 큰 경우 배터리의 내부 상태를 갱신할 수 있다(912). SOH1은 배터리의 내부 상태 갱신의 기준이 되는 임계값이다. 갱신된 내부 상태는 배터리의 충전 프로파일을 생성하는데 채용될 수 있다.

도 10은 일실시예에 따른 충전 프로파일과 배터리의 내부 상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하면, 배터리 충전 장치는 상술한 방식에 따른 충전 프로파일을 이용하여 배터리를 충전시키고, 충전에 따른 배터리의 내부 상태를 추정할 수 있으며, 예를 들어 배터리의 전압, 과전위, SOC, 양극 리튬이온 농도 및 음극 리튬이온 농도를 추정할 수 있다. 배터리 충전 장치는 추정된 배터리의 내부 상태와 충전 제한 조건을 이용하여 배터리의 충전을 제어할 수 있다.

도 11은 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 11을 참조하면, 배터리 충전 장치(1101)는 차량의 배터리(1102)의 충전을 제어할 수 있다. 배터리 충전 장치(1101)는 추정기(1103)를 이용하여 배터리(1102)의 상태를 추정하고, BMS(1104)를 이용하여 배터리의 충전을 제어할 수 있다. 배터리 충전 장치(1101)는 디스플레이(1105)를 통해 배터리(1102)의 충전을 위한 유저 인터페이스를 제공할 수 있다. 일실시예에 따르면, 배터리 충전 장치(1101)는 유저 인터페이스를 통한 입력에 기초하여 요구 충전 시간을 획득할 수 있다. 배터리 충전 장치(1101)는 디스플레이(1105)를 통해 배터리(1102)의 충전과 관련된 정보를 표시할 수 있다.

도 12은 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구성의 예시도이다.

도 12를 참조하면, 배터리 충전 장치(1201)는 프로세서(1202) 및 메모리(1203)를 포함한다. 프로세서(1202)는 도 1 내지 도 11를 통하여 전술한 적어도 하나의 장치들을 포함하거나, 도 1 내지 도 11를 통하여 전술한 적어도 하나의 방법을 수행할 수 있다. 메모리(1203)는 배터리 충전 방법이 구현된 프로그램, 충전 프로파일을 생성하는데 필요한 정보를 저장할 수 있다. 메모리(1203)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다.

프로세서(1202)는 프로그램을 실행하고, 배터리 충전 장치(1201)를 제어할 수 있다. 프로세서(1202)에 의하여 실행되는 프로그램의 코드는 메모리(1203)에 저장될 수 있다. 배터리 충전 장치(1201)는 입출력 장치(도면 미 표시)를 통하여 외부 장치(예를 들어, 퍼스널 컴퓨터 또는 네트워크)에 연결되고, 데이터를 교환할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

배터리의 전압에 대한 SOC(State Of Charge) 또는 전하량의 미분값을 전압 또는 SOC에 따라 나타내는 곡선을 획득하는 단계;
상기 곡선을 분석하여 상기 배터리의 충전을 위한 충전 스텝들을 결정하는 단계; 및
상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성하는 단계
를 포함하는
배터리 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 곡선은 상기 배터리를 충전시킴에 따라 커지는 전압 또는 SOC와 상기 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 상기 미분값의 대응 관계를 표현하는,
배터리 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 곡선의 가로축은 상기 배터리를 충전시킴에 따라 커지는 전압 또는 상기 배터리를 충전시킴에 따라 커지는 전압으로부터 매핑된 SOC이고,
상기 곡선의 세로축은 상기 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 상기 미분값인,
배터리 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 충전 스텝들을 결정하는 단계는
상기 배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 주요 전기화학 반응들 별로 상기 곡선을 구분하는 단계; 및
상기 곡선을 구분하는 구간들에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계
를 포함하고,
주요 전기화학 반응은 상기 배터리를 충전시킴에 따라 발생하는 전기화학 반응들에 기초하여 결정되는,
배터리 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 충전 스텝들을 결정하는 단계는
상기 곡선 상에서 상기 미분값이 커지다가 작아지는 구간들 별로 상기 곡선을 구분하는 단계; 및
상기 곡선을 구분하는 구간들에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 충전 스텝들을 결정하는 단계는
상기 곡선 상의 적어도 하나의 피크(peak)를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 피크에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제6항에 있어서,
상기 검출된 피크에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계는
상기 곡선 상의 제1 음의 피크를 기준으로 제1 충전 스텝의 시작에 대응하는 전압 또는 SOC를 결정하는 단계; 및
상기 제1 음의 피크 다음에 검출되는 제2 음의 피크를 기준으로 상기 제1 충전 스텝의 종료와 제2 충전 스텝의 시작에 대응하는 전압 또는 SOC를 결정하는 단계
를 포함하고,
상기 제1 음의 피크 및 상기 제2 음의 피크는 상기 미분값이 작아지다가 커지는 지점인,
배터리 충전 방법.
제6항에 있어서,
상기 검출된 피크에 기초하여 충전 스텝들을 결정하는 단계는
상기 검출된 피크에 기초하여 충전 스텝 수를 결정하는 단계; 및
상기 충전 스텝 수에 대응하는 충전 스텝들을 결정하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 충전 프로파일을 생성하는 단계는
상기 충전 스텝들에 대응하는 전기화학 특성들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류 비율들을 결정하는 단계; 및
상기 충전 전류 비율들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제9항에 있어서,
상기 충전 전류 비율들을 결정하는 단계는
상기 충전 스텝들에 대응하는 주요 전기화학 반응들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별로 임피던스들을 획득하는 단계; 및
상기 임피던스들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류 비율들을 결정하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제10항에 있어서,
상기 충전 전류 비율들을 결정하는 단계는
임피던스가 커짐에 따라 충전 전류 비율을 작게 설정하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제10항에 있어서,
상기 임피던스들을 획득하는 단계는
상기 충전 스텝들 별로 EIS(Electrical Impedance Spectroscopy) 분석을 수행하여 임피던스들을 추정하는 단계; 및
상기 충전 스텝들에 대응하는 DCIR(Direct Current Internal Resistance)들에 기초하여, 임피던스들을 추정하는 단계
중 적어도 하나를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제9항에 있어서,
상기 충전 전류들을 결정하는 단계는
요구 충전 시간, 요구 충전량 및 적어도 하나의 내부 상태 제한 조건을 포함하는 충전 조건을 획득하는 단계; 및
상기 충전 전류 비율들 및 상기 충전 조건에 기초하여, 전기화학 모델로부터 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제13항에 있어서,
상기 전기화학 모델로부터 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계는
상기 요구 충전 시간 및 상기 요구 충전량에 기초하여, 상기 충전 전류 비율들에 따른 상기 충전 스텝들 별 초기 충전 전류들을 결정하는 단계;
상기 전기화학 모델을 이용하여, 상기 초기 충전 전류들이 인가된 상기 배터리의 상기 충전 스텝들 별 적어도 하나의 내부 상태를 추정하는 단계; 및
상기 추정된 내부 상태가 상기 충전 스텝들 별 적어도 하나의 내부 상태 제한 조건에 도달하는지 여부에 따라 상기 초기 충전 전류들을 조정하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제13항에 있어서,
상기 전기화학 모델로부터 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 결정하는 단계는
상기 충전 전류 비율들 및 상기 충전 조건에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 구간들을 조정하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제13항에 있어서,
상기 내부 상태 제한 조건은 음극(anode) 과전위(overpotential) 조건, 양극(cathode) 과전위 조건, 음극 활물질 표면 리튬이온 농도 조건, 양극 활물질 표면 리튬이온 농도 조건, 셀 전압 조건, SOC(State Of Charge) 조건 중 적어도 하나를 포함하는,
배터리 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 곡선을 획득하는 단계는
상기 배터리의 SOH(State Of Health) 및 온도 중 적어도 하나를 획득하는 단계; 및
상기 획득된 SOH 및 온도 중 적어도 하나에 기초하여, 곡선을 획득하는 단계
를 포함하는,
배터리 충전 방법.
배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 주요 전기화학 반응들 별로 충전 스텝들을 결정하는 단계;
상기 충전 스텝들에 대응하는 전기화학 특성들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류 비율들을 결정하는 단계; 및
상기 충전 전류 비율들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성하는 단계
를 포함하는
배터리 충전 방법.
하드웨어와 결합되어 제1항 내지 제18항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위하여 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
배터리의 전압에 대한 SOC(State Of Charge) 또는 전하량의 미분값을 전압 또는 SOC에 따라 나타내는 곡선을 획득하고, 상기 곡선을 분석하여 상기 배터리의 충전을 위한 충전 스텝들을 결정하고, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성하는 프로세서
를 포함하는
배터리 충전 장치.
배터리를 충전시킴에 따라 변화하는 주요 전기화학 반응들 별로 충전 스텝들을 결정하고, 상기 충전 스텝들에 대응하는 전기화학 특성들에 기초하여, 상기 충전 스텝들 별 충전 전류 비율들을 결정하고, 상기 충전 전류 비율들에 기초하여 상기 충전 스텝들 별 충전 전류들을 포함하는 충전 프로파일을 생성하는 프로세서
를 포함하는
배터리 충전 장치.