KR20220007580A - 배터리 충전 장치 - Google Patents

Abstract

개시된 본 발명에 따른 배터리 충전 장치는, 배터리, 공급된 교류전력을 이용하여 직류전력의 상기 배터리를 정전류 모드로 충전하기 위해 공급하는 정류기, 및 일정 시간 동안 상기 정류기에서 출력되는 전류 및 전압을 이용하여 상기 배터리를 제1 정전류 모드로 충전시키고, 상기 정류기로 공급되는 전류 및 전압과 상기 정류에서 상기 배터리로 공급되는 전류 및 전압의 이용하여 상기 배터리를 제2 정전류 모드로 충전시키기 위해 상기 배터리의 직류 등가저항을 추정하는 정전류 제어기를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 정전류 모드는, 상기 배터리의 전압을 높여 상기 배터리를 충전하는 모드이고, 상기 제2 정전류 모드는, 상기 제1 정전류 모드보다 낮은 전압으로 상기 배터리를 충전할 수 있다.

Description

배터리 충전 장치{BATTERY CHARGING DEVICE}

본 발명은 배터리 충전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리의 충전 상태를 추정할 수 있는 배터리 충전 장치에 관한 것이다.

최근 휴대폰 등 휴대용 DC 가전기기, 전기 자동차에 대한 수요가 많아지고 있으며, 그에 따라 휴대용 DC 가전기기 및 전기 자동차에 전원을 공급하기 위한 에너지 저장장치의 수요도 증가한다. 이러한 에너지 저장장치의 대표적인 것인 배터리이다. 그런데 배터리는 과충전되는 경우, 폭발하는 등의 위험이 발생할 수 있어, 이런 위험성을 방지하면서 배터리의 충전 효율을 높이기 위한 배터리 충전 방법에 대한 연구가 활발하게 연구가 이루어지고 있다.

그 중 대표적인 배터리 충전 방법은, 정전류-정전압 충전 방법을 이용한다. 정전류-정전압 충전 방법은, 초기에 정전류로 충전하여 배터리의 충전시간을 단축시키고, 충전이 완료되는 시점에 정전압 충전을 수행하여 배터리의 과충전을 방지한다. 정전압 충전은 공급전압과 배터리 전압 및 배터리의 내부 임피던스에 의해 결정된 전류를 이용하여 배터리를 충전한다. 그에 따라 공급전압과 배터리 전압의 차가 작을 때 동작하여, 95% 이상 충전할 수 있다. 그렇지만, 정전압 충전할 때, 배터리에 공급되는 전력이 작기 때문에 완충되는 시점까지의 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2017-0062133호 (2017.06.07)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 충전 시간이 많이 소요되는 정전압 충전 과정을 제거하여 배터리의 충전 속도를 높이면서, 배터리의 과충전을 방지할 수 있는 배터리 추정을 이용한 배터리 충전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치는, 배터리; 공급된 교류전력을 이용하여 직류전력의 상기 배터리를 정전류 모드로 충전하기 위해 공급하는 정류기; 및 일정 시간 동안 상기 정류기에서 출력되는 전류 및 전압을 이용하여 상기 배터리를 제1 정전류 모드로 충전시키고, 상기 정류기로 공급되는 전류 및 전압과 상기 정류에서 상기 배터리로 공급되는 전류 및 전압의 이용하여 상기 배터리를 제2 정전류 모드로 충전시키기 위해 상기 배터리의 직류 등가저항을 추정하는 정전류 제어기;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 정전류 모드는, 상기 배터리의 전압을 높여 상기 배터리를 충전하는 모드이고, 상기 제2 정전류 모드는, 상기 제1 정전류 모드보다 낮은 전압으로 상기 배터리를 충전하는 모드일 수 있다.

본 발명에 의하면, 정전압 충전모드로 충전하는 속도에 비해 상대적으로 충전 속도가 빠른 정전류 모드를 이용하여 배터리를 충전함에 따라 배터리의 충전효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 배터리의 내부 전압을 실시간으로 추정하여 배터리를 충전함에 따라 배터리가 과충전되는 것을 방지할 수 있어, 안전하게 배터리를 충전할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 정전류 충전을 위한 랜들스 모델을 도시한 도면이다.
도 2는 정전류 충전을 위한 간략화한 랜들스 모델을 도시한 도면이다.
도 3은 정전류 충전 시 내부 전압을 추정하기 위한 등가회로를 도시한 도면이다.
도 4는 일반적인 배터리의 방전 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
도 5는 배터리의 정전류 충전 및 정전압 충전의 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
도 6은 배터리의 정전류 충전의 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
도 7은 직렬 커패시터 컨버터의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 가변되는 입력 전압과 배터리의 전압의 크기에 따라 도통되거나 도통되지 않는 것을 각각 나타낸 도면이다.
도 9는 직렬 커패시터 배터리 충전기의 출력 파형을 나타낸 도면이다.
도 10은 2레벨 단일 정전류 충전 모드를 갖는 충전기 시스템 구성도를 도시한 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 2레벨 단일 정전류 충전 모드를 갖는 충전기 시스템의 예들을 도시한 도면이다.
도 12a 내지 도 12g는 도 11a 내지 도 11c의 예들에 따라 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.

도 1은 정전류 충전을 위한 랜들스 모델을 도시한 도면이다.

배터리를 충전하기 위한 모델링은 그 중요성 때문에 퍼지 이론을 적용한 모델링부터 다양한 모델링이 존재한다. 그 중 간략화된 랜들스(Randlles) 모델링을 기반으로 하여 정전류 충전용 모델링에 대해 설명한다. 랜들스 모델링은 도 1에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 배터리의 전해액 저항(R_s), 병렬로 연결된 전하 이중층(C_dl), 유도 반응에 의한 임피던스를 나타내는 전하 전달 저항(R_ct) 및 확산(Z_w) 등을 전기회로로 등가화시켜 만들 모델이다.

이러한 랜들스 모델은 전기화학적 임피던스 분광법(EIS : Electrochemical impedance spectroscopy)과 함께 배터리의 구성 요소별 특성을 전기화학 반은 매커니즘으로 분석할 수 있는 등가회로를 제공하는 형태로 주로 사용된다.

용액(solution) 저항(R_s)은 배터리 내부에 전류가 흐를 때 방해요소를 등가화한 것이며, 노화될수록 전극의 화학반응이 잘 일어나지 않아 전하의 이동이 저하된다. 이러한 용액 저항은 배터리 내부의 전해질 이온 농도에 의해 그 특성이 다르므로 이를 정확하게 파악하는 것이 쉽지 않다. 특히, 용액 저항 값은 시간 경과에 의한 변동이 일률적이지 않고 배터리마다 그 특성이 다르다. 더욱이, 제조사에서 시간 경과에 따른 데이터를 제공하지 않기 때문에 배터리의 내부 저항 및 특성을 파악하는 것이 쉽지 않다.

전하 전달 저항(R_ct)은 배터리의 전기화학적 반응에서 나타나는 전위 손실을 의미한다. 배터리가 초기 방전 시 전기화학 반응은 전하 이중층을 형성하여 과전위가 형성되기 이전 단계까지 급격하게 저항이 증가되고, 충분한 전위 이상으로 산화 반응이 진행되며 전자의 이동이 활발하게 이루어져 전하 전달 저항은 감소한다. 그러므로 전하 전달 저항은 고정적인 값이 아닌, 가변 저항과 같은 기호 형태로 표현할 수 있다. 전하 전달 저항은 급속 충전 또는 방전량이 큰 경우에 손실에 대해 충분히 고려할 필요가 있다.

전기 이중층(C_dl)은 산화환원 반응이 시작되면 전극과 전해액 사이에 계면이 생긴다. 이러한 계면은 층을 이루어 확장될 수 있다. 이렇게 전극과 전해액 사이에 커패시터와 같은 전기적 구조가 나타나며, 이를 전기 이중층이라 정의한다. 전극의 형태에 따라 커패시터 또는 커패시터와 저항 성분이 합쳐진 형태로 특성이 나타날 수 있다.

배터리의 충방전 시 전기화학 반응은 전극 표면에서부터 발생한다. 즉, 도선이 연결된 전극에서부터 산화화원 반응이 시작되어 주변으로 확산(Z_n)되어 산화환원 반응이 계속된다. 하지만, 이러한 확산 역시 전해질의 농도가 일정하지 않으며 약간의 편차를 보이며, 이때 외부 단자 전압은 감소하는 현상이 나타난다. 여기서, 충전 및 방전 후 외부 단자 전압을 측정할 경우, 정확하지 않고 계속 상승하거나 떨어지는 현상이 나타나는데, 이 현상이 확산에 의해 나타나는 현상이다.

이러한 확산은 최소한 10분에서 1시간 이상 경과되어야 안정화되며, OCV(open circuit voltage) 방법으로 외부 단자 전압을 정확하게 측정할 수 있다.

도 2는 정전류 충전을 위한 간략화한 랜들스 모델을 도시한 도면이다.

랜들스 모델은 복잡하여 실시간 파라미터 추정이 쉽지 않다. 그에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 간략화한 랜들스 모델을 배터리 등가 모델로 사용할 수 있다. 내부 저항과 전하 전달을 통합하여 새로운 등가 저항(R_i)로 설정하고, 확산모델은 RC 병렬회로로 간략화할 수 있다.

그러나 배터리 내부 전압과 직렬 임피던스 성분은 온도 특성을 포함하므로, 배터리를 충전할 때, 일정한 값으로 설정할 수 없다. 도 2에 도시된 배터리 등가모델은 방전 초기에 커패시턴스(C_d) 성분에 의해 커패시턴스 단은 단락되어 저항(R_i)만으로 동작한다. 정전류 모드의 정상상태에서 커패시턴스는 개방된 것으로 볼 수 있으므로, 저항(R_i)과 저항(R_d)의 합으로 동작하며, 커패시터(C_d)는 시상수로부터 계산할 수 있다. 따라서 정전류 충전 시 배터리 모델을 위한 필요한 정보는 내부 전압과 저항들(R_i, R_d)의 합으로 해결할 수 있다.

도 3은 정전류 충전 시 내부 전압을 추정하기 위한 등가회로를 도시한 도면이다.

배터리 내부전압(V_ocv)과 SoC는 서로 선형 관계가 있으며, 정전류 충전시 내부전압 추정을 위한 등가회로는 도 3에 도시된 바와 같은, 간략화 모델로 사용할 수 있다. 이때, 도 3에 도시된 배터리 내부 등가저항(R_T)은 도 2에 도시된 저항들(R_i, R_d)의 합일 수 있다.

도 3에 도시된 내부 등가저항은 직류 성분에 대한 저항 값이다. 충전모드에서 배터리의 내부전압을 추정하기 위해서는 저항(R_T)에 대한 정보만 있으면 단자전압과 전류검출에 의해 내부 전압 값을 계산할 수 있다.

본 실시예에서, 배터리 저항(R_T) 값과 내부전압 값에 대한 정보를 얻기 위해서는 2레벨의 정전류 모드 기법을 이용한다. 여기서, 2레벨 정전류 모드에서 각각의 단자전압 및 전류에 대한 저항(R_T)은 수학식 1과 같이 정의된다.

[수학식 1]

이때, 배터리 내부전압은 수학식 2와 같이 정의 된다.

[수학식 2]

2레벨 정전류 충전모드에서 레벨 1은 기존 정전류 충전과 같으며, 레벨 2는 배터리의 파라미터를 실시간으로 추정하기 위해 추가된 모드이다. 각 모드의 지속 시간은 도 2에 도시된 시상수 보다 클 수 있다.

도 4는 일반적인 배터리의 방전 특성 곡선을 나타낸 도면이다.

배터리는 본연의 수명을 유지하기 위해 적절한 충방전 제어가 필요하다. 배터리는 과충전 시 폭발의 위험이 있고, 과방전시 수명을 다하기 때문에 이에 대한 보호 기능이 필요하다. 도 4에는 일반적인 배터리의 방전 특성 곡선을 도시한다. 완전 충전된 배터리에 부하를 연결하여 일정한 전류로 방전하면 초기에는 급격히 배터리 단자 전압이 떨어진다.

이렇게 배터리의 단자 전압이 떨어지는 영역은 지수영역(exponential area)이라 하고, 그 이후에 배터리 단자 전압이 조금씩 떨어지는 영역은 정상영역(nominal area)이라 한다. 이때, 정상영역이 실제 배터리의 동작 영역이다. 배터리의 잔존 용량이 없어지면 단자전압은 급격히 하강한다. 그리고 방전이 계속 진행되면 방전종지전압(Cut-off volatage) 이하로 방전되어 배터리의 특성이 나빠져 수명이 줄어들 수 있다.

도 5는 배터리의 정전류 충전 및 정전압 충전의 특성 곡선을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 정전류-정전압 충전에 대해 설명한다. 정전류-정전압 충전은 배터리의 성능에 나쁜 영향은 없으면서 과충전을 방지하기 위해 이용된다. 이러한 정전류-정전압 충전 방식은, 초기에 정전류 충전을 하면서 배터리의 충전시간을 단축시키고, 충전 말기에 정전류 충전 모드에서 정전압 충전 모드로 전환한다.

배터리 충전과정은 단계 1에서 정전류(CC: Constant current) 충전으로 배터리의 전압을 높인다. 이 과정에서 배터리는 약 70% 정도까지 충전된다. 다음 정전압(CV: Constant Voltage) 충전을 통해 배터리가 포화 상태가 되면서 충전 전류는 서서히 감소할 수 있다. 전압이 한계점에 다다르고, 전류가 정격 전류의 3% 이하로 덜어지거나 수평을 유지할 수 있다.

도 6은 배터리의 정전류 충전의 특성 곡선을 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 정전류 충전 방법은 일반 충전 방법과 급속 충전 방법으로 분류할 수 있다. 일반 충전 방법은 배터리를 낮은 전류로 장시간 충전하는 방법이며, 급속 충전 방법에 비해 충전 효율이 좋고, 충전 전류는 배터리 용량(Ah)의 0.1[C] ~ 0.2[C] 사이로 선택하는 것이 좋다. 급속 충전법은 높은 전류로 단시간에 배터리를 충전하는 방식으로, 충전 효율이 낮고, 배터리에 손상을 줄 수 있어, 제한적인 경우에만 사용한다.

도 7은 직렬 커패시터 컨버터의 등가 회로를 나타낸 도면이다. 그리고 도 8a 및 도 8b는 가변되는 입력 전압과 배터리의 전압의 크기에 따라 도통되거나 도통되지 않는 것을 각각 나타낸 도면이다. 도 9는 직렬 커패시터 배터리 충전기의 출력 파형을 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 직렬 커패시터 컨버터의 등가회로를 나타낸 것으로, 입력 전압원과 직렬로 연결된 커패시터 및 정류기를 통하는 간단한 구조이다. 이러한 직렬 커패시터 컨버터는 도 8a에 도시된 바와 같이, 가변되는 입력전압이 배터리의 전압보다 크면 도통되어 전류가 흐른다. 그런데, 가변되는 입력전압보다 배터리의 전압이 크면 도 8b에 도시된 바와 같이, 도통되지 않는 불연속 구간이 발생한다.

이렇게 직렬 커패시터 배터리 충전기의 출력 파형은 도 9에 도시된 바와 같이 나타난다. 도 9를 참고하면, 모드 1 및 모드 3은 불연속 구간이 나타나고, 모드 2 및 모드 4는 연속구간이 나타난다.

이렇게 도 9에 도시된 출력 파형에 해당하는 전압 방정식은 수학식 3과 같다.

[수학식 3]

이때, 직렬 커패시터를 통해 입력 전원에서 배터리 측으로 흐르는 전류는 수학식 4와 같다.

[수학식 4]

여기서, 브리지 다이오드의 입력전압(V_f)은 브리지 다이오드의 전류방향에 따라 정 또는 부의 배터리 내부 전압이다. 그에 따라 브리지 다이오드의 입력전압의 미분 항은 0(zero)이 되어 직렬 커패시터에 흐르는 전류(i_c)는 수학식 5와 같이 정의 될 수 있다.

[수학식 5]

그리고 브라지 다이오드의 도통구간은 입력전압의 피크치와 배터리 전압(V₀)에 의해 결정되고, 수학식 6과 같이 정의된다.

[수학식 6]

수학식 6으로부터 배터리 쪽으로 유입되는 정격 평균전류는 수학식 7과 같다.

[수학식 7]

따라서 배터리의 외부단자 전압과 정격평균 전류가 주어지면 커패시터 용량은 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다.

[수학식 8]

도 10은 2레벨 단일 정전류 충전 모드를 갖는 충전기 시스템 구성도를 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 그리드 전압영점을 계측하여 배터리에 인가되는 전압 전류를 윈도우 필터를 사용하여 리플을 제어한다. 그리고 제2 타이머(Timer2)를 이용하여 2레벨 정전류 제어기를 구성할 수 있고, 딜레이 함수에 의해 전류 레벨 변동 시 콘덴서의 영향을 제거할 수 있다. 그리고 수학식 1 및 수학식 2에 의해 추정된 배터리 내부 전압과 설정된 내부전압이 일치하는 경우에 전원을 분리한다.

이를 위해, 충전기 시스템은, 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기가 포함된다. 그리고 정류기에 공급되는 전압 값을 수신하고, 정류기에서 출력되어 배터리로 공급되는 전압 값 및 전류 값을 수신하여, 배터리 내부 전압을 추정하는 정전류 제어기를 포함한다. 정전류 제어기는 내부에 정류기로 공급되는 전압을 수신하는 제1 타이머(Timer1)를 포함한다.

도 11a 내지 도 11c는 2레벨 단일 정전류 충전 모드를 갖는 충전기 시스템의 예들을 도시한 도면이다. 그리고 도 12a 내지 도 12g는 도 11a 내지 도 11c의 예들에 따라 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 11a는 저가형으로 제작한 2레벨 정전류 충전기를 도시한 도면이고, 도 11b는 배터리의 등가회로를 도시한 도면이다. 그리고 도 11c는 스위칭 알고리즘을 구현하기 위한 DLL파일의 인터페이스부를 도시한 도면이다.

이렇게 도 11a 내지 도 11c에 도시된 회로들을 이용하여 시뮬레이션한 결과가 도 12a 내지 도 12g에 도시된다. 도 12a는 배터리 단자에 입력되는 전압(V_rec) 및 윈도우 필터를 통과한 전압 값(OUT_V)을 나타낸 도면이고, 도 12b는 배터리 단자에 입력되는 전류(I_bat) 및 윈도우 필터를 통과한 전류 값(OUT_I)을 나타낸 도면이다. 그리고 도 12c는 2레벨 정전류 모드로 배터리를 충전할 때, 배터리 단자에 입력되는 전압 차(Vdif)를 나타낸 도면이며, 도 12d는 2레벨 정전류 모드로 배터리를 충전할 때, 배터리 단자에 입력되는 전류 차(Idif)를 나타낸 도면이다. 또한, 도 12e는 추정한 저항 값(EST_R)이 실제 설정한 4[Ω]과 일치한 것을 나타낸 도면이며, 도 12f는 배터리 내부 전압(V_bat)과 추정한 전압(EST_V_Bat)을 이용하여 모드를 전환할 때마다 양호하게 추정이 이루어지는 것을 나타낸 도면이다. 도 12g는 타이머에 의해 스위치(C_SW)가 전환되어 모드 변동이 이루어지는 모드 변동 신호를 도시한 도면이다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (2)

1. 배터리;
   공급된 교류전력을 이용하여 직류전력의 상기 배터리를 정전류 모드로 충전하기 위해 공급하는 정류기;
   일정 시간 동안 상기 정류기에서 출력되는 전류 및 전압을 이용하여 상기 배터리를 제1 정전류 모드로 충전시키고, 상기 정류기로 공급되는 전류 및 전압과 상기 정류에서 상기 배터리로 공급되는 전류 및 전압의 이용하여 상기 배터리를 제2 정전류 모드로 충전시키기 위해 상기 배터리의 직류 등가저항을 추정하는 정전류 제어기를 포함하며,
   상기 제1 정전류 모드는, 상기 배터리의 전압을 높여 상기 배터리를 충전하는 모드이고,
   상기 제2 정전류 모드는, 상기 제1 정전류 모드보다 낮은 전압으로 상기 배터리를 충전하는 모드인 배터리 충전 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 정전류 모드는, 상기 제1 정전류 모드에 비해 상대적으로 상기 배터리를 충전하는 속도가 작고,
   상기 제2 정전류 모드는, 상기 배터리의 내부 전압을 추정하여 상기 추정된 내부 전압이 설정된 전압에 도달하면, 상기 배터리의 충전을 중지하는 배터리 충전 장치.
   

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