KR20220062075A

KR20220062075A - 급속 충전 방법

Info

Publication number: KR20220062075A
Application number: KR1020227012044A
Authority: KR
Inventors: 시몬 뉘른베르거; 얀 필립 슈미트
Original assignee: 바이에리쉐 모토렌 베르케 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2022-05-13
Also published as: WO2021083587A1; DE102019129468A1; JP2023500449A; US20220385095A1; CN114556738A

Abstract

본 발명은, 복수의 리튬 이온 셀을 포함하는 배터리 시스템을 초기 충전 상태(SOC₀)로부터 최적화된 급속 충전 조건이 임피던스 측정 또는 임피던스 분광법(EIS)을 사용하여 결정되는 미리 결정된 목표 충전 상태(SOC_Ziel)로 급속 충전하기 위한 방법에 관한 것이며, 이 경우에는 개별 셀로 이루어진 또는 병렬 접속된 셀의 블록으로 이루어진 유닛이 직렬로 접속되어 있으며, 그리고 상기 셀 유닛의 임피던스의 하나 이상의 성분 및 전압을 측정하기 위한 수단이 더 제공되어 있다. 본 발명의 또 다른 일 양태는, 상기 방법이 구현되어 있는 배터리 시스템과 관련이 있다.

Description

급속 충전 방법

본 발명은, 임피던스 측정 또는 임피던스 분광법의 도움으로, 일 리튬 이온 셀을 급속 충전하기 위한 또는 복수의 리튬 이온 셀을 포함하는 배터리 시스템을 급속 충전하기 위한 방법에 관한 것이다.

자동차에 적용하기 위한 배터리 시스템, 특히 순전히 전기식으로 작동되는 차량용 배터리 시스템의 경우에, 급속 충전 능력은 하나의 특별한 도전이다. 실용적인 관점에서는, 배터리 시스템의 충전이 연소 기관으로 작동되는 차량에서의 연료 보급 과정보다 훨씬 더 오래 걸리지 않는 것이 바람직할 것이다.

이와 같은 상황에 도달하기 위해서는, 예를 들어 2C 이상의 범위 안에 있는 높은 충전 전류가 필요하다. 하지만, 이와 같은 충전 전류는 강한 자체 발열을 야기할 수 있으며, 이로써 전해질의 열화를 증가시킬 수 있고, 배터리의 노화를 가속할 수 있다. 더욱이, 고전류에서는, 중간 삽입(intercalation) 외에 또한 금속 리튬이 음극에 증착(Li-도금) 될 위험도 존재하며, 이와 같은 위험 상황은 재차 내부 단락을 야기할 수 있다.

적합한 급속 충전 조건이 재차 통상적으로는 셀의 노화 상태(State-of-Health, SOH)에 따라 달라진다는 사실도 악화적으로 추가된다. 이로써, 새로운 셀을 참조하여 최적화된 소정의 급속 충전 조건이 불량 SOH를 갖는 셀에서 문제점을 야기하는 상황도 발생할 수 있다.

현재, OEM 및 셀 제조업체에서는 최대 350㎾의 충전 용량을 갖는 자동차에 적용하기 위한 급속 충전 전략이 개발/조사되고 있다. 급속 충전이 노화에 미치는 영향에 관한 정보의 부족으로 인해 그리고 충전 용량이 최대 350㎾인 이와 같은 사용 사례에 대한 현장 데이터의 부족으로 인해, 충전 전략은, 셀의 노화가 진행되는 경우에도 계속해서 기능을 하기 위하여, 다만 대형 버퍼를 사용하는 경우에만 매우 보수적으로 설계될 수 있다.

종래 기술에 따른 현재의 급속 충전 방법에서는, 충전 조건이 통상적으로 재차 셀 전압(무부하 전압)으로부터 결정되는 SOC를 참조해서 조정된다. 예를 들어, SOC가 낮은 경우에는 먼저 일정한 충전 전류(constant current: CC)로 충전될 수 있고, 일 한계값을 초과하는 경우에는 CC-충전이 더 낮은 충전 전류로써 속행되며, 그리고 또 다른 일 한계값이 초과하는 경우에는 특정 목표-SOC(다시 말해 특정 목표 전압)에 도달할 때까지 CC-충전이 일정한 전압(constant voltage: CV)으로써 계속 충전된다. 하지만, 셀 전압은 SOC에 의해서만 결정되는 것이 아니라 온도 및 노화 상태에도 의존할 수 있는데, 다시 말하자면 전압만이 절대적으로 SOC에 대한 신뢰할 수 있는 척도가 되는 것이 아니다.

그 외에, 급속 충전 조건을 온도에 따라 특정하는 것도 바람직할 수 있는데, 왜냐하면 고온에서는 높은 충전 전류와 관련하여 전해질-열화가 촉진될 수 있는 한편, 저온에서는 Li-도금이 발생할 수 있기 때문이다. 하지만, 여기에서는, 예를 들어 배터리 시스템 또는 셀의 하우징에 부착된 센서에 의해서 측정되는 주변 온도가 셀 내부 온도로부터 벗어날 수 있다는 어려움이 생긴다. 마지막으로는, 특히 최대 충전 전류 또는 최대 충전 속도에 대한 제한 요소로서의 건강 상태(SOH)의 영향도 고려되어야만 한다.

요약하자면, 리튬 이온 셀의 이상적인 급속 충전 조건은 특히 온도, SOC 또는 셀 전압 및 SOH에 의존한다. 따라서, 이와 같은 문제점을 고려할 때, 이와 같은 의존성을 고려함으로써 한 편으로는 가급적 짧은 충전 시간을 가능하게 하고 다른 한 편으로는 조기 노화 또는 셀 손상을 피할 수 있는 급속 충전 방법을 개발하는 과제가 설정된다.

상기 과제 설정과 관련하여, 본 발명은, 최적화된 급속 충전 조건이 임피던스 측정 또는 임피던스 분광법(EIS)을 사용하여 셀 온도(T), SOC 및 SOH 중 하나 이상에 따라 결정되는, 배터리 시스템을 급속 충전하기 위한 방법을 제공한다.

특별히, 본 발명은, 복수의 리튬 이온 셀을 포함하는 배터리 시스템을 초기 충전 상태(SOC₀)로부터 미리 결정된 목표 충전 상태(SOC_Ziel)로 급속 충전하기 위한 방법과 관련이 있으며, 이 경우에는 개별 셀로 이루어진 또는 병렬 접속된 셀의 블록으로 이루어진 유닛이 직렬로 접속되어 있으며, 그리고 상기 셀 유닛의 임피던스의 하나 이상의 성분 및 전압을 측정하기 위한 수단이 더 제공되어 있으며,

이 경우 상기 방법은:

목표 충전 상태(SOC_Ziel)에 도달했거나, 충전 과정이 중단될 때까지,

- 셀 유닛의 셀 전압 및 임피던스 값을 연속적으로 또는 간헐적으로 결정하는 단계로서, 여기에서 임피던스 값은 하나 또는 복수의 주파수에서 임피던스의 하나 또는 복수의 성분을 포함하는 단계;

- 셀 전압으로부터 그리고 선택적으로는 결정된 임피던스 값으로부터 배터리 시스템의 충전 상태(SOC)를 결정하는 단계;

- 결정된 임피던스 값으로부터 개별 셀 유닛의 온도(T_1...N)를 결정하는 단계;

- 적어도 용량과 관련된 노화 상태(SOH_C_1...N) 및 바람직하게는 또한 결정된 임피던스 값으로부터의 내부 저항과 관련된 특정 노화 상태(SOH_R_1...N)를 포함하는 개별 셀 유닛의 노화 상태(SOH_1...N)를 결정하는 단계;

- 제1 충전 상태 한계값(SOC₁)에 도달했거나, 셀 유닛들 중 하나 내에서 미리 결정된 최대 온도(T_max)가 초과되거나 최소 온도(T_min)가 미달될 때까지, SOC₀에 대해 그리고 T_1...N및 SOH_1...N에 대해 수집된 값을 참조해서 선택되는 제1 충전 프로파일(P₁)로써 배터리 시스템을 충전하는 단계,

- 개별 충전 프로파일에 대해 상응하는 충전 상태 한계값(SOC_1...N)에 도달했거나, 셀 유닛들 중 하나 내에서 미리 결정된 최대 온도(T_{max, 2...M})가 초과되거나 최소 온도(T_{min, 2...M})가 미달될 때까지, SOC에 대해 그리고 T_1...N및 SOH_1...N에 대해 각각 수집된 값을 참조해서 선택되는 하나 또는 복수의 또 다른 충전 프로파일(P_2...M)로써 배터리 시스템을 충전하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 일 양태는, 급속 충전 방법을 실행하도록 설계된 배터리 시스템과 관련이 있다.

배터리 시스템

본 발명에 따른 급속 충전 방법은, 복수의 리튬 이온 셀을 포함하는 배터리 시스템을 충전하기 위해 사용된다. 셀은, 전기식으로 구동되는 차량 또는 (플러그-인) 하이브리드 전기 차량에 사용하기 위해 통상적으로 필요한 200 내지 500 볼트의 총 전압을 제공하기 위하여, 개별적으로 또는 병렬 접속된 셀로 이루어진 블록 내에서 행 방식으로 직렬로 접속되어 있다. 병렬 접속된 개별 셀로 이루어진 블록은 상응하게 더 큰 용량을 갖는 단일 셀처럼 전기적으로 동작한다. 이하에서, 배터리 시스템 내에 직렬로 접속되어 있는 개별 셀 또는 병렬 블록은 셀 유닛으로서 통칭된다.

전압을 모니터링하기 위한 그리고 임피던스의 하나 이상의 성분을 측정하기 위한 수단이 각각의 셀 유닛을 위해 제공되어 있으며, 이 경우 이와 같은 수단의 구현은 특별히 제한되어 있지 않다. 가능한 일 실시예에서, 각각의 셀 유닛에는 적어도 전압을 측정하도록 설계된, 셀을 모니터링하기 위한 제어 장치(Cell Supervision Circuit: CSC)가 제공될 수 있다. 이 CSC는 재차 배터리 관리용 중앙 제어 장치(Battery management unit: BMU)와 연결되어 있다. 바람직하게, 측정된 전압 데이터는 동시에 임피던스를 결정하기 위해서도 이용되며, 이 경우 임피던스 계산은 선택적으로 CSC 내에서 또는 BMU 내에서 이루어질 수 있다. 전압 데이터에 의해 통신 채널에 과도한 부하가 걸리는 것을 피하기 위하여, CSC에 의한 계산이 선호된다.

더욱이, 복수의 셀 유닛을 동시에 모니터링하는 CSC도 사용될 수 있거나, 모든 셀 유닛의 모니터링 기능이 단일 제어 유닛으로서의 BMU 내에 통합될 수도 있다.

급속 충전 방법의 제어는, 통상적으로 개별 셀 유닛의 전압 데이터 및 임피던스 데이터를 고려하여 BMU에 의해서 이루어진다. 이 목적을 위해, BMU가 예를 들어 CAN-버스와 같은 적합한 데이터 연결부를 통해 충전 장치와 연결되어 있음으로써, 결과적으로 제공되는 충전 전류 또는 인가 전압이 상응하게 조절될 수 있다.

충전 전류를 제공하는 충전 장치가 배터리 시스템 내에 또는 배터리 시스템이 설치되어 있는 차량 내에 영구적으로 통합될 수 있거나, 다만 충전 과정의 수행을 위해서만 배터리 시스템과 연결되는 외부 충전기가 사용될 수 있다.

임피던스 측정

본 발명에 따른 급속 충전 방법에서, 임피던스 측정 또는 임피던스 분광법은 특히 다음과 같은 목적들 중 하나 또는 다수를 위해 이용된다:

- 셀 온도(T)의 결정; 임피던스를 참조하여, 셀 내부의 온도가 개별 시점에 직접적으로 결정될 수 있다; 종래의 온도 센서에서와 같이 복수의 셀을 통한 시간적 관성 효과 또는 공간적 평균화가 피해질 수 있다.

- SOC 결정의 개선; 종래 방식에서는 SOC가 무부하 전압을 참조해서 결정되지만, 이 무부하 전압은 상황에 따라서는 또한 노화 상태에도 의존하고 이로써 SOC를 불충분하게 반영할 수 있다;

- SOH의 결정; 임피던스 스펙트럼은 전해질 전도도의 결정을 가능하게 하고, 전극에서의 리튬-인터칼레이션/디인터칼레이션의 동역학에 대한 추론을 허용한다; 이로써 재차 전해질 및 전극의 노화 상태가 추정될 수 있다.

- 리튬-도금-한계의 결정; 최적화된 온도 한계값이 결정될 수 있으며, 이 온도 한계값에 미달하는 경우에는 충전 전류가 감소되거나 충전이 중단되어야만 한다.

일반적으로, 임피던스는, 발진 전류 신호{(I(t), 정전류식) 또는 전압 신호(U(t), 정전압식)}가 여기 신호로서 셀에 인가되고, 상응하는 응답 신호{U(t) 또는 I(t)}가 측정됨으로써 측정될 수 있다. 여기서, 임피던스는 U(t)/I(t)로서 계산될 수 있고, 일반적으로는 복잡하다.

바람직하게, 본 발명에 따른 방법에서는, 예를 들어 충전 전류에 인가될 수 있는 전류 신호가 여기 신호로서 사용되며, 개별 셀 유닛을 위해 제공된 전압 측정 수단은 동시에 응답 신호를 검출하기 위해 사용된다.

여기 신호는 단 하나의 주파수 또는 복수의 주파수의 중첩을 포함할 수 있으며, 그리고 연속적으로 또는 펄스 방식으로 셀에 인가될 수 있다. 주파수는 특별히 제한되어 있지 않으며, 예를 들어 10 ㎐ 내지 10 ㎑, 바람직하게는 100 ㎐ 내지 5 ㎑ 범위 안에 놓일 수 있다. 원칙적으로는, 단 하나의 여기 주파수를 사용하는 것으로 충분하다. 대안적으로는, 2개 이상의 여기 주파수가 교대로 또는 중첩된 상태로 사용될 수 있거나, 스펙트럼을 기록하기 위하여 여기 주파수에서 미리 결정된 대역 폭이 통과될 수 있다. 또 다른 가능성으로서, 여기가 펄스 방식으로, 예를 들어 다수의 주파수의 중첩을 나타내는 펄스의 형태로 이루어질 수 있으며, 측정된 신호는 푸리에 변환을 이용해서 분석된다. 이와 같은 방식으로 얻어지는 스펙트럼은 추후에 마찬가지로 임피던스 스펙트럼을 얻기 위하여 여기 펄스의 스펙트럼과 상관 관계를 맺는다.

일반적으로, 주파수는, 응답 신호에 기여하는 셀의 프로세스에 영향을 미친다. 고주파수(예를 들어 1 ㎑)의 경우에는 임피던스가 주로 전해질 내에서 그리고 전극 및 어레스터(arrester) 내에서 이온 및 전자 저항 성분에 의해 이루어지는 한편, 저주파수의 경우에는 고체 확산 또는 전하 통과 반응과 같은 상대적으로 느린 타임 스케일(time scale)을 갖는 프로세스에서 기인할 수 있는 또 다른 기여도가 부가된다.

또한, 저주파수에서는, 특히 셀의 충전 상태(SOC) 및 노화 상태(SOH)와 같은 다른 요인에 대한 의존성도 증가한다. 그와 달리, 더 높은 주파수에서는 주로, 실질적으로 온도 및 노화 상태에 의존하는 전해질 저항의 영향이 작용한다.

임피던스에 미치는 온도, SOC 및 SOH의 영향의 상이한 주파수 의존성으로 인해서는(이 경우에는 또한 실수부 또는 허수부에 대한 영향도 상이할 수 있음), 그와 반대로 복수의 상이한 주파수에서의 임피던스 측정에 의해 온도, SOC 및 SOH가 결정될 수 있다.

임피던스를 참조하여 T, SOC 및 SOH를 결정하기에 적합한 방법은 원칙적으로 종래 기술에 공지되어 있고, 본 발명에 따른 방법을 위해 사용될 수 있다. DE 10 2013 103 921호는 예를 들어 인버터에 의해 사전 설정된 AC 전압 신호를 토대로 하여 셀 임피던스를 결정함으로써 전기식으로 작동되는 차량의 리튬 배터리 시스템 내에서의 셀 온도 측정 및 열화 측정을 설명한다. 이 방법에는, 임피던스 대 신호 주파수의 플로팅(plotting) 파형이 온도 의존적이라는 관찰이 토대가 된다.

Li-도금-한계의 검출은, 예를 들어 SOH_R의 결정을 위해 내부 저항을 측정할 때에 음극 과전압을 추정함으로써 이루어질 수 있다.

가능한 일 실시예에서는, 셀이 미리 결정된 온도(T)-값 및 SOC-값으로 되고, 임피던스를 T, SOC 및 f의 함수로서 얻기 위하여 복수의 주파수(f)에서 임피던스가 측정됨으로써, 기준 데이터가 결정될 수 있다. 그 다음에, 이 데이터로부터 예를 들어 룩업-테이블이 생성될 수 있다. 본 발명에 따른 급속 충전 방법을 실행하는 경우에는, 다양한 측정 주파수에서 측정된 임피던스 값을 입력할 때에 상기 테이블로부터 예를 들어 T 및 SOC에 상응하는 값이 판독 출력되거나 보간될 수 있다. 추가로는, SOH의 영향을 결정하기 위하여, 사이클 수 및/또는 셀의 수명에 따른 데이터의 변화도 조사될 수 있다.

바람직하게, 이 경우에는 특히 셀 전압 및 하우징 온도와 같은 또 다른 파라미터가 추가로 고려될 수 있다. 이로써, 예를 들어 셀 전압은 SOC에 대한 추가 입력 파라미터로서 이용될 수 있으며, 이로 인해서는 자유도가 감소할 수 있고, T 및 SOH와 같은 나머지 파라미터를 결정할 때에 정밀도가 향상된다. 하우징 온도는 예를 들어 결과의 타당성을 확인하기 위해 이용될 수 있으며, 또한 예컨대 편차는 예를 들어 초기 단락과 같은 이례적 상황에 대한 징후일 수도 있으며, 이와 같은 상황은 충전 과정의 중단 또는 경고 메시지의 출력과 같은 또 다른 조치가 필요하게끔 할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 셀은 전해질 저항을 나타내는 직렬 저항(R_S), 및 필요에 따라 바르부르크(Warburg)-요소에 의해 보완된 하나 이상의 RC-부재를 갖는 등가 회로도에 의해서 전극 내부로의 고체 확산을 도시하기 위해 모델링될 수 있으며, 여기서 R은 관통 저항을 나타내고, C는 전하 이중 층의 용량을 나타낸다. 이어서, 등가 회로도의 파라미터가 임피던스 측정으로부터 결정되고, T 그리고 SOC 및 SOH와 상관 관계를 맺게 된다.

R_S는 실질적으로 전해질의 온도 및 노화 상태에 의존한다. 그와 달리, R 및 C는 SOC, T 및 경우에 따라서는 또한 전극의 노화 상태에도 의존하지만, 이 경우 온도 의존성은 R_S의 온도 의존성과 상이하고, 거의 아레니우스(Arrhenius)-거동을 갖는다. 등가 회로도의 파라미터의 SOC-, SOH- 및 T-의존성에 대해 재차 기준 데이터가 생성될 수 있으며, 이 기준 데이터로부터 추후에 본 발명에 따른 방법을 실행할 때에 필요에 따라 셀 전압 및 외부 온도를 고려하여 SOC, SOH 및 T가 결정된다.

충전 방법

본 발명에 따른 방법은, 초기 충전 상태(SOC₀)로부터 미리 결정된 목표 충전 상태(SOC_Ziel)까지 배터리 시스템을 급속 충전하기 위해 이용된다.

일반적으로는, 필요한 외부 전류 공급에 따라 교류 충전(AC-충전)과 직류 충전(DC-충전)으로 구분된다. AC-충전의 경우, 배터리 시스템에는 배터리 시스템을 충전하는 데 필요한 직류를 제공하기 위하여 AC 그리드에 연결되는, 차량 내부에 통합된 충전 장치(통상적으로는 < ll㎾)가 제공되어 있다. 그와 달리, DC-충전의 경우에는 충전 전류를 제공하는 외부 충전 장치(> 50㎾, 최대 350㎾)가 사용된다. 급속 충전을 위해 필요한 것과 같은 높은 충전 전류를 위해서는 현재 대부분 DC-충전이 사용된다. 본 발명에 따른 방법은 AC-충전 및 DC-충전 모두와 관련하여 사용될 수 있다.

초기 SOC(SOC₀)는 특별히 한정되어 있지 않다. 하지만, 실제로 급속 충전은 특히 배터리 시스템이 이미 대체로 방전되어 있고 짧은 시간 내에 재차 가급적 폭넓게 충전되어야만 하는 경우에 사용되는데, 예를 들면 전기식으로 작동되는 차량으로 주행하는 동안 충전소에서의 "주유 중지"가 삽입되어야만 하고 그 다음에 주행이 속행되어야만 하는 경우에 고려된다. 그렇기 때문에, SOC₀는 통상적으로 총 용량의 50% 미만, 예를 들어 대략 10 내지 30%이다.

조기 노화를 피하기 위해, 목표 충전 상태(SOC_Ziel)는 바람직하게 총 용량의 100% 미만이고, 예를 들어 60 내지 80%이다. 이것은, 급속 충전과 관련하여 배터리 시스템이 특정화되어 있는 미리 결정된 최대-SOC일 수 있다. 대안적으로, 적용예에 따라서는 원하는 더 낮은 목표-SOC가 사전에 설정될 수 있는데, 이와 같은 더 낮은 목표-SOC는 예를 들어 전기식으로 작동되는 차량으로 아직 주행해야 할 구간을 고려하여 선택되었다. 또 다른 대안으로서, 이용 가능한 충전 시간이 사전에 설정될 수 있고, 이 시간에 도달할 수 있는 목표-SOC가 배터리 관리 시스템에 의해서 계산된다.

현재의 SOC의 결정은 적어도 충전 동안 각각의 셀에 대해 모니터링되는 무부하 전압(셀 전압)을 참조해서 이루어진다. SOC와 셀 전압 사이의 상관관계가 예를 들어 특성 곡선을 기록함으로써 사전에 공지되어 있고, 참조 데이터의 형태로 배터리 관리 시스템 내에 저장되어 있음으로써, 결과적으로 측정된 셀 전압으로부터 SOC가 도출될 수 있다.

하지만, 셀 전압은 또한 예를 들어 온도(T) 및 용량과 관련된 노화 상태(SOH_C)와 같은 다른 영향 요인에도 의존할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서, 이와 같은 추가의 영향은 바람직하게 마찬가지로, 예를 들어 임피던스 측정을 참조한 SOC의 추가 결정 및 경우에 따라서는 셀 전압으로부터 결정된 SOC-값의 보정에 의해서도 고려된다. 그 외에, SOC-기준 데이터도 T-의존성 또는 SOH-의존성을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 사용된 임피던스 측정을 참조해서는 T 및 SOH가 결정되어 SOC의 결정에 포함될 수 있다. SOH의 결정은, 필요에 따라 특히 셀의 수명, 충전 사이클 수 및/또는 소모되었거나 충전되어 배터리 관리 시스템 내에 기록되어 있는 총 에너지량과 같은 또 다른 SOH 관련 파라미터를 고려해서 이루어진다.

충전 프로파일(P_1...P_N)은 특히 정전류(CC)를 갖는 충전 프로파일 또는 정전압(CV)을 갖는 충전 프로파일일 수 있다. CC-충전의 경우에는 전류는 일정하게 유지되며, SOC가 증가함에 따라 전압이 증가하는 한편, CV-충전의 경우에는 전압은 일정하게 유지되며, SOC가 증가함에 따라 전류가 감소한다. 그 외에, 전류와 전압의 곱이 일정하게 유지되는 일정한 전력을 갖는 충전 프로파일도 가능하다. 예를 들어 직사각형 펄스로서의 전류 펄스가 일시 중지된 후에 공급되는 펄스 충전도 마찬가지로 고려된다. 펄스는 재차 일정한 전류 진폭 또는 일정한 전압을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서, 바람직하게 제1 충전 프로파일(P₁)로서는 CC-충전 프로파일이 사용되고, 목표-SOC에 도달하기 전의 마지막 충전 프로파일(P₂ 또는 P_N)로서는 CV-충전 프로파일이 사용된다. 그 사이에, 특정 SOC-임계값(SOC_1...SOC_N-1)에 도달한 경우 충전 프로파일은 예를 들어 충전 전류가 감소된 또 다른 CC-충전 프로파일로 교체될 수 있다.

충전 프로파일 내에서 선택된 충전 전류는 통상적으로 SOC가 증가함에 따라 감소하는데, 다시 말해 전류는 통상적으로 제1 충전 프로파일(P₁)에서 가장 크며, 이 경우 선택된 값은 적어도 초기-SOC 및 경우에 따라서는 온도 및 SOH에 의존한다. 배터리 시스템의 충전 전류 또는 방전 전류는, 일반적으로 배터리 시스템의 용량과 관련하여 최대 전류와 (공칭) 용량의 몫으로 정의된 소위 C-레이트로서 지시된다. 예를 들어 1 Ah의 공칭 용량을 갖는 배터리 시스템에서 1에 해당하는 C-레이트는 1 A의 전류로써 1시간에 걸쳐 충전 또는 방전하는 것을 의미한다. 급속 충전의 경우에는 30분 미만의 충전 시간, 예를 들어 대략 10 내지 15분의 충전 시간이 바람직하며, 그에 상응하게 이와 같은 상황은 대략 2.0 내지 6.0 C의 이론적인 충전 전류에 해당한다. 하지만, 초기-SOC는 통상적으로 0%보다 크고, 목표-SOC는 100% 미만인데, 다시 말하자면 공급될 전하가 공칭 용량보다 작음으로써 결과적으로는 더 낮은 충전 전류도 고려된다. 다른 한 편으로, 충전 전류는 통상적으로 SOC에 따라 선택되며, 초기에는 더 높을 수 있고 SOC가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 따라서, 대략 10 내지 30%의 초기 SOC 범위에서 충전 전류는 예를 들어 2.0 내지 10.0 C, 바람직하게는 2.5 내지 5.0 C일 수 있다. 그 다음에는, SOC가 증가함에 따라 30 내지 50의 SOC에 대해 더 낮은 충전 전류로, 예를 들어 1.0 내지 5.0 C, 바람직하게는 1.5 내지 3.0 C로 전환될 수 있으며, 이어서 전류는 계속해서 감소하거나 정전력 또는 정전압을 갖는 충전 프로파일로 교체될 수 있다.

경우에 따라서는, 예를 들어 저온에서 Li-도금의 위험을 예방하기 위하여, 먼저 P₁에 대해 더 낮은 전류를 갖는 충전 프로파일을 선택하는 것도 필요할 수 있다. 충전하는 동안 셀이 가열되어 결과적으로 특정의 온도 한계값에 도달하면 더 높은 전류를 갖는 충전 프로파일로 교체될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서는, 충전 프로파일을 온도에 맞추어 조정하기 위하여, 개별 셀에 대한 임피던스 데이터로부터 셀 온도가 결정된다. 예를 들어 50℃를 초과하는 지나치게 높은 온도에서는 조기 노화의 위험이 존재하는 한편, 예를 들어 10℃ 미만의 지나치게 낮은 온도에서는 특히 큰 충전 전류와 관련하여 Li-도금이 발생할 수 있다.

그렇기 때문에, 셀 온도가 특정의 온도 한계값(T_max 또는 T_min)을 초과하거나 그 아래로 떨어지면, 감소된 충전 전류를 갖고 상응하게 조정된 충전 프로파일로 교체될 수 있거나, 먼저 냉각 또는 가열에 의해서 셀을 설정 온도로 만들기 위하여 급속 충전이 중단될 수 있다. 복수의 온도 한계값(T_max,1...N 또는 T_min,1...N)도 선택될 수 있으며, 이 경우 셀 온도가 이 온도 한계값을 초과하거나 그 아래로 떨어지면 먼저 각각 충전 전류의 연속적인 감소가 이루어지고, 최종적으로는 충전 과정의 중단이 이루어진다.

SOH는 셀의 노화 상태를 재현한다. 셀의 수명이 증가함에 따라, 시간적으로 뿐만 아니라 사이클 수 및 변환된 총 에너지량과 관련해서도, 특히 전해질 분해, 리튬 손실, 활성 물질의 열화 또는 부식 효과와 같은 비가역적인 열화 과정이 발생할 수 있다. 이와 같은 열화 과정은 내부 저항의 증가 및 최초의 공칭 용량에 비해 가용 용량의 손실을 야기한다. 그에 상응하게, 용량과 관련된 SOH(SOH_C) 및 저항과 관련된 SOH(SOH_R)가 구분된다.

SOH_C는 용량 손실에 의해서, 예를 들어 최초의 공칭 용량에 대한 가용 용량의 비율로서 특징화될 수 있다. 가용 용량은, 소모된 또는 충전 중 공급된 충전량과 더불어 배터리 관리 시스템에 의해 결정된 SOC-데이터로부터 결정될 수 있으며, 각각의 셀 유닛에 대해 배터리 관리 시스템의 메모리 내에 저장되고, 작동 중에 지속적으로 업데이트된다.

SOH_R은, 전해질의 노화에 의한 내부 저항의 증가를 반영하고, 임피던스 데이터로부터 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 SOH의 결정은 적어도 SOH_C의 결정이며, 바람직하게는 SOH_C의 결정뿐만 아니라 SOH_R의 결정이기도 하다. 그 외에, 예를 들어 셀의 수명, 충전 사이클 수 또는 변환된 총 에너지량과 같은 또 다른 기준도 SOH의 결정에 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서, SOH가 불량인 경우에는 더 낮은 충전 전류를 갖는 충전 프로파일이 선택된다. 그 외에, 셀(들)의 온도를 조절하기 위하여 충전 프로파일이 교체되거나 충전이 중단되는 온도 한계값(T_max 또는 T_min)이 SOH에 따라 확정될 수 있음으로써, 결과적으로 SOH가 불량인 셀의 경우에는 노화의 추가 촉진을 예방하고 손상 가능성을 방지하기 위하여 더 좁은 한계값이 적용된다.

따라서, 충전 프로파일(P_1...N)의 선택은 적어도 배터리 시스템의 SOC에 따라 그리고 셀 유닛의 T 및 SOH에 따라 이루어진다. 하지만, 이와 같은 선택은 예를 들어 사용 가능한 충전 시간에 대한 사전 설정과 같은 또 다른 외부 조건을 고려해서도 이루어질 수 있다. 충분한 시간을 사용할 수 있는 경우에는, 배터리 시스템의 조기 노화를 예방하기 위하여, 필요에 따라 더 낮은 충전 전류를 갖는 더욱 보수적인 충전 프로파일이 선택될 수 있다.

그외에, 예를 들어 셀들 중 일 셀 내에서 비정상적인 작동 상태(예를 들어 강한 온도 증가)가 검출될 때에 손상을 방지하기 위하여, 충전은 목표-SOC에 도달하기 전에도 예를 들어 사용자 입력에 의해서 또는 배터리 관리 시스템에 의해서도 중단될 수 있다.

Claims

복수의 리튬 이온 셀을 포함하는 배터리 시스템을 초기 충전 상태(SOC₀)로부터 미리 결정된 목표 충전 상태(SOC_Ziel)로 급속 충전하기 위한 방법으로서, 개별 셀로 이루어진 또는 병렬 접속된 셀의 블록으로 이루어진 유닛이 직렬로 접속되어 있으며, 그리고 상기 셀 유닛의 임피던스의 하나 이상의 성분 및 전압을 측정하기 위한 수단이 더 제공되어 있으며,
상기 방법은,
목표 충전 상태(SOC_Ziel)에 도달했거나, 충전 과정이 중단될 때까지,
- 셀 유닛의 셀 전압 및 임피던스 값을 연속적으로 또는 간헐적으로 결정하는 단계로서, 여기에서 임피던스 값은 하나 또는 복수의 주파수에서 임피던스의 하나 또는 복수의 성분을 포함하는 단계;
- 셀 전압으로부터 그리고 선택적으로는 결정된 임피던스 값으로부터 배터리 시스템의 충전 상태(SOC)를 결정하는 단계;
- 결정된 임피던스 값으로부터 개별 셀 유닛의 온도(T_1...N)를 결정하는 단계;
- 적어도 용량과 관련된 노화 상태(SOH_C_1...N) 및 바람직하게는 또한 결정된 임피던스 값으로부터의 내부 저항과 관련된 특정 노화 상태(SOH_R_1...N)를 포함하는 개별 셀 유닛의 노화 상태(SOH_1...N)를 결정하는 단계;
- 제1 충전 상태 한계값(SOC₁)에 도달했거나, 셀 유닛들 중 하나 내에서 미리 결정된 최대 온도(T_max,1)가 초과되거나 최소 온도(T_min,1)가 미달될 때까지, SOC₀에 대해 그리고 T_1...N및 SOH_1...N에 대해 수집된 값을 참조해서 선택되는 제1 충전 프로파일(P₁)로써 배터리 시스템을 충전하는 단계,
- 개별 충전 프로파일에 대해 상응하는 충전 상태 한계값(SOC_1...N)에 도달했거나, 셀 유닛들 중 하나 내에서 미리 결정된 최대 온도(T_{max, 2...M})가 초과되거나 최소 온도(T_{min, 2...M})가 미달될 때까지, SOC에 대해 그리고 T_1...N및 SOH_1...N에 대해 각각 수집된 값을 참조해서 선택되는 하나 또는 복수의 또 다른 충전 프로파일(P_2...M)로써 배터리 시스템을 충전하는 단계
를 포함하는, 급속 충전 방법.
제1항에 있어서, 상기 충전 프로파일(P_1...N)이 정전류를 갖는 충전 프로파일, 정전압을 갖는 충전 프로파일, 정전력을 갖는 충전 프로파일 및 이들의 조합으로부터 선택된, 급속 충전 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 충전이 펄스 방식으로 이루어지는, 급속 충전 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, SOC₀는 용량의 10 내지 30%이며, P₁은 2.0 내지 10.0 C의 범위 안에 있는 일정한 충전 전류를 갖는 충전 프로파일인, 급속 충전 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, SOC_Ziel에 도달하기 전의 상기 최종 충전 프로파일(P₂ 또는 P_N)은 정전압을 갖는 충전 프로파일인, 급속 충전 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, SOC_Ziel이 60 내지 80%인, 급속 충전 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임피던스 값이 2개 이상의 다양한 주파수에서 실수부 및 허수부를 포함하는, 급속 충전 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법이, T_max,1또는 T_max,2가 초과된 경우 또는 T_min,1또는 T_min,2가 미달된 경우에는, 충전 과정을 중단하고, 충전 과정이 속행되기 전에 배터리 시스템의 온도를 설정 온도로 조절하는 단계를 더 포함하는, 급속 충전 방법.
제1항 내지 제8항 중 하나 이상의 항에 따른 방법을 실행하도록 설계된, 배터리 시스템으로서,
- 개별 셀로 이루어진 복수의 셀 유닛 또는 각각 서로 직렬로 연결되어 있는 병렬 접속된 복수의 블록;
- AC 신호를 여기 신호로서 모든 셀 또는 블록에 공동으로 인가하도록 설계된 신호 발생기, 또는 상기 여기 신호를 셀 또는 블록에 인가하기 위한 하나 또는 복수의 신호 발생기,
- 전체 셀 전압(U) 및 교류 전압 비율을 측정하도록 설계된, 각각의 셀 또는 각각의 블록을 위한 하나 이상의 전압 측정 장치;
- 상기 여기 신호 및 상기 셀 전압의 교류 전압 비율로부터 임피던스 값을 결정하도록 설계된, 하나 또는 복수의 제어 장치; 및
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하도록 설계된, 충전 과정을 제어하기 위한 배터리 관리-제어 장치
를 포함하는, 배터리 시스템.