KR20210045706A - 충전 프로파일을 이용한 인텔리전트 배터리 충방전 장치 및 방법 - Google Patents

충전 프로파일을 이용한 인텔리전트 배터리 충방전 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전 프로파일을 이용한 인텔리전트 배터리 충방전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬이온 배터리의 양극에서 양이온이 일정량 이상 이동하는 경우에 발생하는 양극 표면의 층간 구조 손상과 관련된 요소를 수치화한 충전 프로파일을 결정하고, 충전 프로파일 하에서 양극의 층간 구조 손상이 억제되는 충전이 이루어지도록 제어하는 배터리 충방전 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 장치는 충전용 배터리의 전극 표면에 덴드라이트(dendrite)가 형성되기 시작하는 충전 조건인 임계 프로파일 정보가 저장되는 데이터 저장장치와; 외부에서 공급되는 전원을 충전용 전원으로 변환하여 상기 충전용 배터리를 충전하는 충전 회로와; 상기 임계 프로파일 정보를 참조하여 상기 덴드라이트의 발생이 억제되는 충전 프로파일에 따라 상기 충전 회로를 제어하는 충전 컨트롤러; 및 상기 충전 컨트롤러의 제어하에 상기 충전 회로로부터 공급되는 충전용 전원을 상기 충전용 배터리에 공급하는 충전 단자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

충전 프로파일을 이용한 인텔리전트 배터리 충방전 장치 및 방법{INTELLIGENT APPARATUS AND METHOD OF BATTERY CHARGE/DISCHARGE USING CHARGING PROFILE}
본 발명은 충전 프로파일을 이용한 인텔리전트 배터리 충방전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬이온 배터리의 양극에서 양이온이 일정량 이상 이동하는 경우에 발생하는 양극 표면의 층간 구조 손상과 관련된 요소를 수치화한 충전 프로파일을 결정하고, 충전 프로파일 하에서 양극의 층간 구조 손상이 억제되는 충전이 이루어지도록 제어하는 배터리 충방전 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 리튬이온 배터리(이차전지)는 양극, 음극 및 이들 전극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되고, 그 내부에는 전해액이 주입된다.
이때, 리튬이온 배터리의 구동 시 전자(electron)는 일방향의 흐름으로 이동하며, 이로 인해 전극 표면상에서 전자밀도의 불균일화시 도 1의 (a) 및 (b)와 같이 덴드라이트(dendrite)가 점차 성장할 수 있다.
이러한 덴드라이트는 특히 과충전 등에 의해 리튬 이온이 양극 표면에 고르게 분포되지 않을 때 양극 위에 연속하여 쌓여 돌기 형상을 이루며, 종국적으로는 분리막을 통과하여 반대의 전극까지 자라게 된다.
따라서, 이온 덴드라이트의 생성은 분리막의 손상 및 리튬이온 배터리의 단락을 발생시킬 수 있으며, 리튬이온 배터리 안전성은 물론 수명이나 성능 저하를 유발하게 된다.
대한민국 공개특허 제2017-0011357호 대한민국 공개특허 제2013-0011670호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 리튬이온 배터리의 양극에서 양이온이 일정량 이상 이동하는 경우에 발생하는 양극 표면의 층간 구조 손상과 관련된 요소를 수치화한 충전 프로파일을 결정하고, 충전 프로파일 하에서 양극의 층간 구조 손상이 억제되는 충전이 이루어지도록 제어하는 배터리 충방전 장치 및 방법을 제공함에 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 장치는 충전용 배터리의 전극 표면에 덴드라이트(dendrite)가 형성되기 시작하는 충전 조건인 임계 프로파일 정보가 저장되는 데이터 저장장치와; 외부에서 공급되는 전원을 충전용 전원으로 변환하여 상기 충전용 배터리를 충전하는 충전 회로와; 상기 임계 프로파일 정보를 참조하여 상기 덴드라이트의 발생이 억제되는 충전 프로파일에 따라 상기 충전 회로를 제어하는 충전 컨트롤러; 및 상기 충전 컨트롤러의 제어하에 상기 충전 회로로부터 공급되는 충전용 전원을 상기 충전용 배터리에 공급하는 충전 단자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 데이터 저장장치에 저장되는 임계 프로파일 정보는 각각의 충전용 배터리마다 실험을 통해 특정된 충전용 전압, 전류, 시간 및 온도 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 각각 서로 다른 테스트용 충전 프로파일과 상기 테스트용 충전 프로파일에 따른 충전 상태를 분석하고, 상기 테스트용 충전 프로파일들 중 덴드라이트가 억제되는 테스트용 충전 프로파일로 상기 임계 프로파일 정보를 생성하는 프로파일 생성기;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 프로파일 생성기는 상기 충전용 배터리의 사용에 따른 성능 변화에 대응하도록 설정된 시간마다 반복하여 임계 프로파일 정보를 업데이트하는 것이 바람직하다.
한편, 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 방법은 충전용 배터리의 전극 표면에 덴드라이트가 형성되기 시작하는 충전 조건인 임계 프로파일 정보를 데이터 저장장치에 저장하는 임계값 설정 단계와; 충전 컨트롤러에서 상기 임계 프로파일 정보를 참조하여 상기 덴드라이트의 발생이 억제되는 충전 프로파일을 결정하는 충전 프로파일 선택 단계와; 충전 회로에서 상기 결정된 충전 프로파일에 따라 외부에서 공급되는 전원을 충전용 전원으로 변환하여 공급하는 충전 전원 공급단계; 및 충전 단자를 통해 상기 충전 회로로부터 공급되는 충전용 전원을 상기 충전용 배터리에 공급하는 배터리 충전 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 임계값 설정 단계는 각각의 충전용 배터리마다 실험을 통해 특정된 충전용 전압, 전류, 시간 및 온도 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 임계 프로파일 정보를 저장하는 단계인 것이 바람직하다.
또한, 상기 임계값 설정 단계는 프로파일 생성기에 의해 각각 서로 다른 테스트용 충전 프로파일과 상기 테스트용 충전 프로파일에 따른 충전 상태를 분석하고, 상기 테스트용 충전 프로파일들 중 덴드라이트가 억제되는 테스트용 충전 프로파일로 상기 임계 프로파일 정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 임계값 설정 단계는 상기 충전용 배터리의 사용에 따른 성능 변화에 대응하도록 설정된 시간마다 반복하여 임계 프로파일 정보를 업데이트하는 단계인 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 서로 다른 특성의 리튬이온 배터리별로 전극에 덴드라이트가 생성되는 충전 프로파일을 결정하고, 그에 따라 덴드라이트가 억제되는 충전 프로파일 하에서의 충전이 이루어지도록 한다. 따라서, 충전시 덴드라이트의 생성을 방지하여 배터리의 성능 저하나 파손을 방지한다.
도 1은 리튬이온 배터리의 전극에 덴드라이트가 생성 및 성장되는 상태를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 덴드라이트가 억제되는 충전 프로파일을 결정하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 상기 도 3의 칼만 필터를 이용한 선형 예측 상태를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 충전 프로파일을 이용하여 배터리의 손상을 최소화하는 충/방전 흐름을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 장치는 전동 스쿠터와 같은 퍼스널 모빌리티(PM)나 전기 자동차(EV) 등의 각종 충전 부하 충전시 리튬이온 배터리에서의 덴드라이트(dendrite) 생성을 방지한다.
덴드라이트의 생성을 억제시키기 위한 충전용 배터리는 대표적으로 리튬이온 배터리 혹은 셀(cell)이 있으며, 이러한 충전용 배터리는 상기 충전 부하에 탑재된 것은 물론, ESS와 같이 부하를 충전하기 위한 것도 있다.
또한, 퍼스널 모빌리티나 전기 자동차와 같은 충전 부하의 충전은 전기 충전소와 같이 비교적 큰 규모는 물론 가정용의 소형 충전도 포함하는 개념이며, 단일의 소용량 배터리 및 대용량의 배터리 스택도 포함한다.
도 2와 같이, 본 발명에 따른 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 장치는 데이터 저장장치(11), 충전 회로(12), 충전 컨트롤러(13) 및 충전 단자(14)를 포함한다. 바람직하게는 프로파일 생성기(10) 및 온도계(13a)를 더 포함한다.
이러한 본 발명은 배터리(셀)에서 덴드라이트가 생성되는 충전 프로파일을 결정하여 데이터 저장장치(11)에 기록하고, 충전 회로(12) 및 충전 컨트롤러(13)를 통해 덴드라이트가 억제되는 충전 프로파일 하에서의 충전이 이루어지도록 한다.
덴드라이트는 통상 배터리 구동 시 전극 표면상에서 전자밀도의 불균일화가 발생하게 됨에 따라 형성되는 것으로, 특히 과충전 등에 의해 리튬 이온이 양극(+극) 표면에 고르게 분포되지 않을 때 생성된다.
위와 같은 덴드라이트는 전극 위에 이온(리튬)이 연속하여 쌓여 돌기 형상을 이루며, 종국적으로는 분리막을 통과하여 반대의 전극까지 자라게 되므로, 본 발명은 덴드라이트의 생성을 방지하여 배터리의 성능 저하를 방지하도록 한다.
여기서, 상기한 데이터 저장장치(11)는 충전용 배터리의 전극 표면에 덴드라이트(dendrite)가 형성되기 시작하는 충전 조건인 임계 프로파일 정보가 저장되는 것으로, 충전기 내에 탑재된 반도체 메모리 등으로 구성된다.
임계 프로파일 정보는 충전용 배터리인 리튬이온 배터리마다 스펙 및/또는 테스트를 통해 결정된다. 즉, 서로 다른 스펙을 갖는 리튬이온 배터리의 용량, 전극 재질이나 구조, 전해질의 종류 및 배터리 구조 등에 따라 결정된다.
또한, 전류/전압 변화에 따른 충전용 배터리의 온도(양극, 음극, 몸체) 변화, 온도 변화에 따른 충전 효율의 변화 및 충/방전의 반복에 따른 충전율 감소 여부를 전류, 전압, 온도 변화 등을 통해 데이터 수집 및 분석하여 결정된다.
덴드라이트가 생성되는 조건을 파악하기 위해 반영되는 온도 변화는 일 예로 온도계(13a)를 통해 검측된 값을 프로파일 생성기(10)에 제공함으로써, 임계 프로파일 정보를 생성하는데 사용된다.
위와 같이 결정된 임계 프로파일 정보는 리튬이온 배터리의 전극에 덴드라이트가 생성되기 시작하는 충전 프로파일이므로, 배터리 충전시 이를 초과(허용되 오차 범위 포함)하지 않는 상태로 충전이 이루어지게 하는 기준을 제공한다.
이때, 데이터 저장장치(11)에 저장되는 임계 프로파일 정보는 각각의 충전용 배터리마다 실험을 통해 특정된 충전용 전압, 전류, 시간 및 온도 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한다. 바람직하게는 이들 모두를 특정한다.
따라서, 덴드라이트 생성 현상과 연관된 과충전이나 국부 온도 상승 등을 제한하는 상태로 충전이 이루어질 수 있게 하므로, 충전 사용중 덴드라이트의 생성을 억제함은 물론 덴드라이트 생성 후 사고 역시 방지한다.
충전 회로(12)는 전력망으로부터 공급되는 상용 전원이나 신재생 에너지 등과 같이 외부에서 공급되는 전원을 충전용 전원으로 변환하여 충전용 배터리를 충전하는 충전부를 구성한다.
이러한 충전 회로(12)는 외부 전원 입력단과 배터리 사이에 설치되며, 공지의 변압부, 전원 안정부 및 과충전 보호회로 등을 포함한다. 또한, 입력 제어신호와 출력값을 비교하여 전원 공급을 제어하는 피드백 회로 등도 포함할 수 있다.
충전 컨트롤러(13)는 데이터 저장장치(11)에 저장된 임계 프로파일 정보를 참조하여 덴드라이트의 발생이 억제되는 충전 프로파일에 따라 충전 회로(12)를 제어한다. 이를 위해 데이터 저장장치(11)로부터 임계 프로파일 정보를 입력받아 분석한다.
또한, 임계 프로파일 정보를 입력받은 충전 컨트롤러(13)는 해당 충전용 배터리(리튬이온 배터리)의 충전시 사용될 충전 프로파일을 결정 후, 그 결정된 프로파일에 따라 충전 회로(12)의 제어에 이용되는 신호를 생성한다.
따라서, 충전 컨트롤러(13)는 데이터 저장장치(11)에 저장된 임계 프로파일 정보에 따라 덴드라이트가 억제되는 충전 프로파일에 따라 충전 회로(12)를 제어하고, 충전 회로(12)는 그 제어에 따라 충전용 배터리를 충전시킬 수 있게 한다.
충전 단자(14)는 충전 컨트롤러(13)의 제어하에 충전 회로(12)로부터 공급되는 충전용 전원을 충전용 배터리에 공급하는 것으로, 그 출력단에는 퍼스널 모빌리티(PM)나 전기 자동차(EV) 등을 위한 충전용 배터리가 연결된다.
이러한 충전 단자(14)는 일 예로 완속 충전단(standard charger)과, 상기 완속 충전단보다 충전 용량이 큰 고속 충전단(quick charger) 및 상기 고속 충전단보다 충전 용량이 큰 초고속 충전단(flash charger)을 포함할 수 있다.
한편, 프로파일 생성기(10)는 상술한 데이터 저장장치(11)에 저장되는 임계 프로파일 데이터를 생성한다.
이를 위해 프로파일 생성기(10)는 각각 서로 다른 테스트용 충전 프로파일과 그에 따른 충전 상태를 분석하고, 테스트용 충전 프로파일들 중 덴드라이트가 억제되는 테스트용 충전 프로파일로 임계 프로파일 정보를 생성한다.
즉, 시험 대상 충전용 배터리(리튬이온 배터리)에 대해 서로 다른 조건의 충전 프로파일로 충전 시험을 하여 덴드라이트로 인해 성능이 저하되거나 전극간 단락이 발생하는 충전 프로파일을 확인하여 이를 임계값으로 제공한다.
프로파일 생성기(10)에서 생성 및 제공되는 임계값은 상술한 바와 같이 데이터 저장장치(11)에 임계 프로파일 정보로서 저장되었다가 덴드라이트 억제 충전 제어를 위해 충전 컨트롤러(13)에 제공된다.
이러한 프로파일 생성기(10)는 해당 충전기 내에 일체로 탑재되거나 별도의 장소(실험실이나 관리소측)에 설치될 수 있다. 예컨대, 소형의 가정용 충전기의 경우는 별도로 설치되고 충전소의 대형에는 그 내부에 일체로 설치될 수 있다.
또한, 프로파일 생성기(10)는 충전용 배터리의 초기 제작(혹은 출하) 상태의 임계 프로파일 정보를 제공하는 것을 기본으로 하지만, 더 나아가 충전용 배터리의 사용에 따른 성능 변화에 대응하도록 테스트 후 임계 프로파일 정보를 업데이트할 수 있다.
충전용 배터리의 사용에 따라 반복하여 임계 프로파일 정보를 업데이트하는 경우에는 충전용 배터리의 충전 상태(SoC: State of Charge)나 성능/노화 상태(SoH: State of Health)를 고려할 수 있다.
따라서, 본 발명은 충전용 배터리의 초기 사용시부터 전극에 덴드라이트가 생성되는 임계값 이하에서 충전이 진행될 수 있도록 하고, 장시간 사용 후에도 최적의 배터리 컨디션을 유지할 수 있게 한다.
도 3에는 상술한 프로파일 생성기(10)의 일 실시예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 프로파일 생성기(10)는 임계값 DB(10a), 선형 예측부(10b), 측정부(10c) 및 보상부(10d)를 포함한다. 바람직하게는 고속 충전부(10e) 및 셀 밸런스부(10f)를 더 포함한다.
여기서, 임계값 DB(10a)는 충전용 배터리의 셀 특성에 따라 측정된 충전 임계값을 저장하고, 선형 예측부(10b)는 임계값을 기초로 배터리 사용 시간의 변화에 따른 선형 예측값을 산출한다.
이러한 임계값 DB(10a)는 도 2를 참조하여 설명한 데이터 저장장치(11)를 그대로 이용하거나 동일한 반도체 메모리 패키지에 일체로 탑재된 것일 수 있다. 물론, 필요에 따라서는 별도로 구비될 수도 있다.
도 4와 같이, 선형 예측은 칼만 필터(Kalman Filter)를 적용할 수 있으며, 선형 예측된 임계값(즉, 임계 충전 프로파일)은 측정부(10c)에 제공됨에 따라 실제 충전용 배터리의 충전 상태와 선형 예측값을 대비하게 된다.
이와 같은 대비 결과는 보상부(10d)에 제공됨에 따라 만약 실제값과 예측값에 차이가 있으면 이를 보상/수정한 후, 그 실제값을 기준으로 충전 프로파일을 생성하여 임계값 DB(10a)에 저장 및 업데이트하는 싸이클을 반복한다.
고속 충전부(10e)는 임계 충전 프로파일을 결정시 충전용 배터리의 충전을 제어하여 실제 충전된 상태를 측정할 수 있게 한다.
셀 밸런스부(10f)는 충전용 배터리가 다수의 셀로 구성된 경우 충전기와 직접 정보를 교환하며 셀간 불균형이 제거되도록 제어하는 옵션 사항으로, 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 전압 불균형 편차를 줄이는데 소요되는 시간의 증감 상태 데이터 등을 감시한다. 또한, 전압 불균형 편차가 발생하는 빈도 증감 데이터 및 전압 불균형이 자주 발생되는 특정 셀을 확인 및 관리한다.
도 5에는 충전 프로파일을 이용하여 배터리의 손상을 최소화하는 충/방전 흐름이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명은 충전 프로파일을 적용한 충전 데이터를 임계값 DB(10a)에 저장(도 5의 'D')한다.
또한, 고속 충전부(10e)(도 5의 'B')는 설정된 충전 프로파일에 따라 충전용 배터리를 충전하여 그 결과값을 각각 충전 업데이트(도 5의 'A') 및 셀 밸런스 조정(도 5의 'C')을 위한 목적으로 각각 제공한다.
이때, 고속 충전부(10e)로부터 충전 특성에 대한 결과값을 제공받은 셀 밸런스부(10f)는 충전 상태에 따른 셀들 간 밸런스 값을 측정하여 이들 데이터(A+C)를 제공한다. 따라서, 덴드라이트가 억제되면서도 셀 밸런스가 유지되는 충전 프로파일을 제공한다.
물론, 셀 밸런스 유지 기능을 제공하지 않는다면 덴드라이트가 억제되는 충전 프로파일 데이터(A)만을 임계값 DB(10a)에 저장 및 업데이트하여, 충전시 이를 기초로 덴드라이트가 억제되는 충전이 이루어지게 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 방법에 대해 설명한다. 다만, 이하에서는 가급적 중복적인 설명은 생략한다.
도 6과 같이, 본 발명에 따른 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 방법은 임계값 설정 단계(S10)와, 충전 프로파일 선택 단계(S11)와, 충전 전원 공급단계(S12) 및 배터리 충전 단계(S13)를 포함한다.
이때, 상기한 임계값 설정 단계(S10)에서는 충전용 배터리의 전극 표면에 덴드라이트가 형성되기 시작하는 충전 조건인 임계 프로파일 정보를 데이터 저장장치(11)에 저장한다.
임계 프로파일 정보는 충전용 배터리인 리튬이온 배터리마다 테스트를 통해 결정된다. 즉, 서로 다른 스펙을 갖는 리튬이온 배터리의 용량, 전극 재질이나 구조, 전해질의 종류 및 배터리 구조 등에 따라 결정된다.
또한, 전류/전압 변화에 따른 충전용 배터리의 온도(양극, 음극, 몸체) 변화, 온도 변화에 따른 충전 효율의 변화 및 충/방전의 반복에 따른 충전율 감소 여부를 전류, 전압, 온도 변화 등을 통해 데이터 수집 및 분석하여 결정된다.
위와 같이 결정된 임계 프로파일 정보는 리튬이온 배터리의 전극에 덴드라이트가 생성되기 시작하는 충전 프로파일이므로, 충전시 이를 초과(허용되 오차 범위 포함)하지 않는 상태로 충전이 이루어지는 기준을 제공한다.
임계값 설정 단계(S10)에서 저장되는 임계 프로파일 정보는 각각의 충전용 배터리마다 실험을 통해 특정된 충전용 전압, 전류, 시간 및 온도 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한다. 바람직하게는 이들 모두를 특정한다.
다음, 충전 프로파일 선택 단계(S11)에서는 일종의 충전 제어 프로세서 장치에 해당하는 충전 컨트롤러(13)에서 상기한 임계 프로파일 정보를 참조하여 덴드라이트의 발생이 억제되는 충전 프로파일을 결정한다.
즉, 충전 컨트롤러(13)는 데이터 저장장치(11)에 저장된 임계 프로파일 정보를 참조하여 덴드라이트의 발생이 억제되는 충전 프로파일을 결정한다. 이를 위해 충전 컨트롤러(13)는 데이터 저장장치(11)로부터 임계 프로파일 정보를 입력받아 분석한다.
또한, 충전 프로파일 선택 단계(S11)에서 충전 컨트롤러(13)는 해당 충전용 배터리(리튬이온 배터리)의 충전시 사용될 충전 프로파일을 결정 후, 그 결정된 프로파일에 따라 충전 회로(12)의 제어에 이용되는 신호를 생성한다.
다음, 충전 전원 공급단계(S12)는 충전 회로(12)에서 충전용 전원을 공급하는 단계로, 위와 같이 충전 컨트롤러(13)에 의해 결정된 충전 프로파일에 따라 외부에서 공급되는 전원을 충전용 전원으로 변환하여 공급한다.
충전 회로(12)는 전력망으로부터 공급되는 상용 전원이나 신재생 에너지 등과 같이 외부에서 공급되는 전원을 충전용 전원으로 변환하여 충전용 배터리를 충전하는 충전부를 구성한다.
이러한 충전 회로(12)는 외부 전원 입력단과 배터리 사이에 설치되며, 공지의 변압부, 전원 안정부 및 과충전 보호회로 등을 포함한다. 또한, 입력 제어신호와 출력단을 비교하여 전원 공급을 제어하는 피드백 회로 등도 포함할 수 있다.
따라서, 충전 컨트롤러(13)는 데이터 저장장치(11)에 저장된 임계 프로파일 정보에 따라 덴드라이트가 억제되는 충전 프로파일에 따라 충전 회로(12)를 제어하고, 충전 회로(12)는 그 제어에 따라 충전용 배터리를 충전시킬 수 있게 한다.
다음, 배터리 충전 단계(S13)에서는 충전기나 충전소 등에 구비된 충전 단자(14)를 통해 충전 회로(12)로부터 공급되는 충전용 전원을 충전용 배터리에 공급하여, 덴드라이트가 억제되는 충전 프로파일로 충전이 이루어지게 한다.
충전 단자(14)는 충전 컨트롤러(13)의 제어하에 충전 회로(12)로부터 공급되는 충전용 전원을 충전용 배터리에 공급하므로, 그 출력단에는 퍼스널 모빌리티(PM)나 전기 자동차(EV) 등에 이용되는 충전용 배터리가 연결된다.
이러한 충전 단자(14)는 일 예로 완속 충전단과, 상기 완속 충전단보다 충전 용량이 큰 고속 충전단 및 상기 고속 충전단보다 충전 용량이 큰 초고속 충전단을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 임계값 설정 단계(S10)에서 프로파일 생성기(10)를 이용하여, 상술한 데이터 저장장치(11)에 저장되는 임계 프로파일 데이터를 생성할 수 있다.
이를 위해 프로파일 생성기(10)는 각각 서로 다른 테스트용 충전 프로파일과 그에 따른 충전 상태를 분석하고, 테스트용 충전 프로파일들 중 덴드라이트가 억제되는 테스트용 충전 프로파일로 임계 프로파일 정보를 생성한다.
즉, 시험 대상 충전용 배터리(리튬이온 배터리)에 대해 서로 다른 조건의 충전 프로파일로 충전을 시험하여 덴드라이트로 인해 성능이 저하되거나 전극간 단락이 발생하는 충전 프로파일을 확인하여 이를 임계값으로 제공한다.
프로파일 생성기(10)에서 생성 및 제공되는 임계값은 상술한 바와 같이 데이터 저장장치(11)에 임계 프로파일 정보로서 저장되었다가 덴드라이트 억제 충전 제어를 위해 충전 컨트롤러(13)에 제공된다.
이러한 프로파일 생성기(10)는 해당 충전기 내에 일체로 탑재되거나 별도의 장소(실험실이나 관리소측)에 설치될 수 있다. 예컨대, 소형의 가정용 충전기의 경우는 별도로 설치되고 충전소의 대형에는 그 내부에 일체로 설치될 수 있다.
또한, 프로파일 생성기(10)는 충전용 배터리의 초기 제작(혹은 출하) 상태의 임계 프로파일 정보를 제공하는 것을 기본으로 한다. 나아가 충전용 배터리의 사용에 따른 성능 변화에 대응하도록 설정된 시간마다 반복하여 임계 프로파일 정보를 업데이트할 수 있다.
충전용 배터리의 사용에 따 반복하여 임계 프로파일 정보를 업데이트하는 경우에는 충전용 배터리의 충전 상태(SoC: State of Charge)나 성능/노화 상태(SoH: State of Health)를 고려하여 임계 충전 프로파일을 결정할 수 있다.
따라서, 본 발명은 충전용 배터리의 초기 사용시부터 전극에 덴드라이트가 생성되는 임계값 이하에서 충전이 진행될 수 있도록 하고, 장시간 사용 후에도 최적의 배터리 컨디션을 유지할 수 있게 한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였는바, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
10: 프로파일 생성기
11: 데이터 저장장치
12: 충전 회로
13: 충전 컨트롤러
13a: 온도계
14: 충전 단자온도계

Claims (5)

  1. 충전용 배터리의 전극 표면에 덴드라이트(dendrite)가 형성되기 시작하는 충전 조건인 임계 프로파일 정보가 저장되는 데이터 저장장치(11)와;
    외부에서 공급되는 전원을 충전용 전원으로 변환하여 상기 충전용 배터리를 충전하는 충전 회로(12)와;
    상기 임계 프로파일 정보를 참조하여 상기 덴드라이트의 발생이 억제되는 충전 프로파일에 따라 상기 충전 회로(12)를 제어하는 충전 컨트롤러(13); 및
    상기 충전 컨트롤러(13)의 제어하에 상기 충전 회로(12)로부터 공급되는 충전용 전원을 상기 충전용 배터리에 공급하는 충전 단자(14);를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 저장장치(11)에 저장되는 임계 프로파일 정보는,
    각각의 충전용 배터리마다 실험을 통해 특정된 충전용 전압, 전류, 시간 및 온도 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    각각 서로 다른 테스트용 충전 프로파일과 상기 테스트용 충전 프로파일에 따른 충전 상태를 분석하고,
    상기 테스트용 충전 프로파일들 중 덴드라이트가 억제되는 테스트용 충전 프로파일로 상기 임계 프로파일 정보를 생성하는 프로파일 생성기(10);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 장치.
  4. 충전용 배터리의 전극 표면에 덴드라이트가 형성되기 시작하는 충전 조건인 임계 프로파일 정보를 데이터 저장장치(11)에 저장하는 임계값 설정 단계(S10)와;
    충전 컨트롤러(13)에서 상기 임계 프로파일 정보를 참조하여 상기 덴드라이트의 발생이 억제되는 충전 프로파일을 결정하는 충전 프로파일 선택 단계(S11)와;
    충전 회로(12)에서 상기 결정된 충전 프로파일에 따라 외부에서 공급되는 전원을 충전용 전원으로 변환하여 공급하는 충전 전원 공급단계(S12); 및
    충전 단자(14)를 통해 상기 충전 회로(12)로부터 공급되는 충전용 전원을 상기 충전용 배터리에 공급하는 배터리 충전 단계(S13);를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 임계값 설정 단계(S10)는,
    각각의 충전용 배터리마다 실험을 통해 특정된 충전용 전압, 전류, 시간 및 온도 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 임계 프로파일 정보를 저장하는 단계인 것을 특징으로 하는 충전 프로파일을 이용한 배터리 충방전 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023059165A1 (ko) * 2021-10-07 2023-04-13 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리의 충전 프로파일 결정 방법 및 이를 이용한 배터리 충전 시스템

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012016263A (ja) * 2010-06-03 2012-01-19 Nissan Motor Co Ltd 電池の充電装置および電池の充電方法
KR20130011670A (ko) 2011-07-22 2013-01-30 주식회사 엘지화학 전기적 안전성이 향상된 리튬 이차전지
KR20170011357A (ko) 2015-07-22 2017-02-02 주식회사 엘지화학 다공성 리튬전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 리튬 이차전지
KR20170023583A (ko) * 2015-08-24 2017-03-06 주식회사 엘지화학 리튬 석출 탐지 방법, 이를 이용한 이차전지 충전 방법과 장치 및 이차전지 시스템

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012016263A (ja) * 2010-06-03 2012-01-19 Nissan Motor Co Ltd 電池の充電装置および電池の充電方法
KR20130031858A (ko) * 2010-06-03 2013-03-29 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 배터리 충전 장치 및 배터리 충전 방법
KR20130011670A (ko) 2011-07-22 2013-01-30 주식회사 엘지화학 전기적 안전성이 향상된 리튬 이차전지
KR20170011357A (ko) 2015-07-22 2017-02-02 주식회사 엘지화학 다공성 리튬전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 리튬 이차전지
KR20170023583A (ko) * 2015-08-24 2017-03-06 주식회사 엘지화학 리튬 석출 탐지 방법, 이를 이용한 이차전지 충전 방법과 장치 및 이차전지 시스템

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023059165A1 (ko) * 2021-10-07 2023-04-13 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리의 충전 프로파일 결정 방법 및 이를 이용한 배터리 충전 시스템

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