KR20220094905A

KR20220094905A - 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법

Info

Publication number: KR20220094905A
Application number: KR1020200186605A
Authority: KR
Inventors: 신치범; 이동철; 김병묵
Original assignee: 아주대학교산학협력단
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-07-06
Also published as: KR102511976B1

Abstract

본 발명은 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법은, 배터리 셀의 기초 성능 테스트와 모델링 파라미터 추출을 위한 충전 특성 테스트를 수행하는 단계와; 테스트 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터를 추출하는 단계와; 충전 전하량에 따른 전압곡선의 변곡점을 dV/dQ 곡선을 이용하여 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출이 발생하는 지점으로 판단하는 단계; 및 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 충전이 진행되는 SOC 구간에서 리튬 석출 라인을 도출하고, 도출된 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행함으로써 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명을 연장하고 안전성을 확보하며, 주어진 작동 조건과 특정한 안전 마진에 대하여 최대의 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법{Fast charge method to prevent lithium plating in an electric vehicle lithium-ion battery}

본 발명은 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법에 관한 것이다.

온실가스 감축목표 달성을 위해 국내·외의 전기자동차 시장의 확대와 관련 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기자동차의 보급 및 확산에 가속을 더하려면 주행거리 연장과 충전시간 단축이 가능한 급속 충전 기술의 발전이 뒷받침 되어야 한다. 그러나 충전율이 너무 높은 경우 리튬이온이 음극 내부에 삽입되지 못하고 표면에서 석출되는 리튬 플레이팅(plating) 현상이 발생한다. 이는 리튬이온전지의 열화와 부식을 촉진시켜 전지의 용량 감소와 성능 저하를 야기하며, 안전성 문제도 초래할 수 있다. 따라서 리튬 플레이팅 현상이 발생하지 않는 조건 하에서 최적의 급속 충전 프로토콜(protocol)을 찾는 것이 중요하며, 합리적인 에너지 저장시스템 설계를 위해서는 급속 충전이 리튬이온전지의 전기적 및 열적 거동에 미치는 영향을 예측하는 것이 필수적이다.

급속 충전은 일반 충전에 비하여 높은 전류를 인가하기 때문에, 전극 내 리튬 이온의 인터컬레이션(intercalation)과 디인터컬레이션(deintercalation) 속도가 인가된 전류를 충분히 따라가지 못한다. 이로 인해 전극 물질을 열화(劣化)시키는 부반응(side reaction) 속도를 높이게 되고, 이는 리튬 이차전지의 저항을 증가시켜 충전 시 온도가 과도하게 상승하게 되어 리튬 이차전지의 사이클 수명이 상대적으로 급격히 감소하게 된다.

따라서, 리튬 이차전지의 온도 상승을 줄이고 충전 시간을 단축할 수 있는 최적 충전 조건의 연구는 실제로 사용되는 모든 분야에서 리튬 이차전지의 수명을 최대화하기 위하여 반드시 필요하다.

한편, 한국 공개특허공보 제10-2017-0021630호(특허문헌 1)에는 "전지 충전 한계 예측 방법과 이를 이용한 전지 급속 충전 방법 및 장치"가 개시되어 있는바, 이에 따른 전지 충전 방법은 단위전지와 기준전극을 구비하는 삼전극셀 실험을 통해 SOC(state of charge)에 따른 음극 전위를 서로 다른 충전율별로 측정하는 데이터 취득 단계; 상기 취득된 데이터로부터 상기 음극 전위가 떨어지지 않고 일정하게 되기 시작하는 지점을 Li-플레이팅의 발생지점으로 판단하여 충전 한계로 설정하여 충전율을 단계적으로 변경하는 프로토콜을 얻는 단계; 및 상기 프로토콜로 전지를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 음극 전위가 떨어지지 않고 일정하게 되기 시작하는 지점을 Li-플레이팅 발생 지점으로 판단하여 충전 한계로 설정하기 때문에 전지가 충전 중 Li-플레이팅 한계에 도달하는 위험에 노출될 수 있으며, 충전전류를 충전한계 지점에서 계단식(stepwise)으로 감소시키기 때문에 주어진 충전시간에 최대의 충전 효율을 달성하지 못하는 단점을 가지고 있다. 따라서 Li-플레이팅을 근원적으로 일어나지 않게 하는 안전 마진(margin of safety; MS)의 개념에 입각한 충전 방법의 도입이 필수적이며, 충전전류 역시 계단식이 아닌 연속적 감소에 의하여 주어진 충전 시간 내에 최대 효율을 달성할 필요가 있다.

한국 공개특허공보 제10-2017-0021630호(2017.02.28. 공개)

본 발명은 상기와 같은 사항을 종합적으로 감안하여 창출된 것으로서, 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 리튬 플레이팅이 근원적으로 일어나지 않도록 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 특정 안전 한계 라인을 설정하고, 그 라인을 따라 충전전류를 계단식이 아닌 연속적으로 감소시킴으로써 주어진 충전 시간 내에 최대 효율을 달성함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법은,

전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있도록 하는 급속 충전 방법으로서,

a) 배터리 셀의 기초 성능 테스트와 모델링 파라미터 추출을 위한 충전 특성 테스트를 수행하는 단계와;

b) 상기 테스트 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터를 추출하는 단계와;

c) 충전 전하량에 따른 전압곡선의 변곡점을 dV/dQ 곡선을 이용하여 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출(lithium plating)이 발생하는 지점으로 판단하는 단계; 및

d) 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 충전이 진행되는 SOC(state of charge) 구간에서 리튬 석출 라인을 도출하고, 도출된 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 단계 a)에서 배터리 셀의 기초 성능 테스트는 배터리 셀의 전압 특성 테스트, 전류 특성 테스트, 온도 특성 테스트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 b)에서 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터는 U와 Y를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 c)에서 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 선형 보간법(interpolation)과 보외법(extrapolation)을 이용하여 충전이 진행되는 구간에서 리튬 석출 라인을 설정할 수 있다.

또한, 상기 단계 d)에서 설정된 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행함에 있어서, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행할 수 있다.

또한, 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하기 위해 정량화된 지수인 MS(margin of safety)를 도입하여 MS 값의 대소에 따라 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 특정 충전 프로토콜의 효율을 나타내는 개념으로, 주어진 충전 SOC 범위내에서 특정 충전 프로토콜과 안전 한계 라인의 SOC에 대한 충전전류의 면적비로 정의되는 FF(fill factor)를 도입하여 충전 프로토콜의 효율성을 정량적으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 d)에서 설정된 안전 한계 라인을 따라 급속 충전을 수행함에 있어서, 시작 전류를 특정 전류값으로 고정하고, 이후 전류는 리튬 석출 라인에 대해 특정 마진(margin)을 가지는 안전 한계 라인을 따르는 VCP(variable current protocol)를 적용하여 급속 충전을 수행할 수 있다.

이때, 상기 특정 전류값은 130A, 특정 마진은 20%일 수 있다.

또한, 급속 충전 중 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용하여 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 예측함으로써 전지 전압과 전지 온도가 전지제조사가 권장하는 전지의 안전 작동 범위를 벗어나는지 판정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 급속 충전 중 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용한 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 결과와 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 실제로 테스트를 통해 측정한 결과와의 비교를 통해 모델링의 타당성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전을 수행함으로써 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명을 연장하고 안전성을 확보하며, 주어진 작동 조건과 특정한 안전 마진에 대하여 최대의 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 급속 충전 방법에 따라 배터리 셀의 기초 성능 테스트를 수행한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 급속 충전 방법에 따라 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터 추출을 나타낸 도면이다.
도 4는 충전 전류에 따른 전압곡선의 변곡점을 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출이 발생하는 지점으로 판단하는 개요를 나타낸 도면이다.
도 5는 MS를 이용하여 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하는 개요와, 마진 라인에 대한 설계 프로토콜의 효율성을 판단하는 개요를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 방법에 채용되는 안전 한계 라인의 특정 마진을 따르는 VCP(Variable Current Protocol) 급속 충전 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 7은 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용하여 급속충전 중의 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 예측하는 개요를 나타낸 도면이다.
도 8은 20% 마진, VCP 급속 충전 알고리즘의 모델링 결과와 시험 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 채용되는 VCP 급속 충전 알고리즘의 검증 결과를 나타낸 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법은, 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있도록 하는 급속 충전 방법으로서, 먼저 배터리 셀의 기초 성능 테스트와 모델링 파라미터 추출을 위한 충전 특성 테스트를 수행한다(단계 S101). 여기서, 배터리 셀의 기초 성능 테스트는, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 셀의 전압 특성 테스트(A), 전류 특성 테스트(B), 온도 특성 테스트(C)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 테스트 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터를 추출한다(단계 S102).) 여기서, 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터는, 도 3에 도시된 바와 같이, U와 Y를 포함할 수 있다. U와 Y는 모델링의 주요 파라미터로서 전류밀도(전극 단위면적당의 전류; 전극 단위면적당의 전기화학 반응속도)가 전극 전위차(Vp-Vn)에 선형적으로 관계하는 것을 나타내는 J=Y(Vp-Vn-U)의 수식에 들어가는 파라미터이다. U와 Y의 물리적 의미를 살펴보면, U는 전지의 평형 전위, Y는 전지 저항의 역수를 의미한다. U와 Y의 전지의 SOC에 따른 함수 관계를 알면, 전지의 전기적 거동 예측이 가능하다.

이렇게 하여 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터 추출이 완료되면, 그를 바탕으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 충전 대상 배터리 셀의 충전 전하량에 따른 전압곡선의 변곡점을 dV/dQ 곡선을 이용하여 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출(lithium plating)이 발생하는 지점으로 판단한다(단계 S103). 여기서, 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 선형 보간법(interpolation)과 보외법(extrapolation)을 이용하여 충전이 진행되는 구간에서 리튬 석출 라인을 설정할 수 있다.

그런 후, 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 충전이 진행되는 SOC (state of charge) 구간에서 리튬 석출 라인을 도출하고, 도출된 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행한다(단계 S104).

여기서, 상기 단계 S104에서 설정된 리튬 석출 라인을 따라서 급속 충전을 수행함에 있어서, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행할 수 있다.

또한, 상기 단계 S104에서 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하기 위해, 도 5의 (A)에 도시된 바와 같이, 정량화된 지수인 MS(margin of safety)를 도입하여 MS 값의 대소에 따라 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서 MS는 급속 충전 알고리즘이 리튬 석출 라인에 대해 가지는 여유 정도를 의미한다. 충전 범위에서 MS값이 최소인 지점인 MS_min의 값이 클수록 안전한 급속 충전 알고리즘으로 판단할 수 있다. 이때, MS_min의 값이 0보다 작거나 같으면 리튬 석출이 발생하는 안전하지 않은 알고리즘으로 판단할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법에서는 도 5의 (B)와 같이 특정 충전 프로토콜의 효율을 나타내는 개념으로, 주어진 충전 SOC 범위내에서 특정 충전 프로토콜과 안전 한계 라인의 SOC에 대한 충전전류의 면적비로 정의되는 FF(fill factor)를 도입하여 충전 프로토콜의 효율성을 정량적으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, FF 값이 1에 가까울수록 효율적인 프로토콜로 판단할 수 있다.

또한, 상기 단계 S104에서 설정된 안전 한계 라인을 따라 급속 충전을 수행함에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 시작 전류를 특정 전류값으로 고정하고, 이후 전류는 리튬 석출 라인에 대해 특정 마진(margin)을 따르는 VCP(variable current protocol)를 적용하여 급속 충전을 수행할 수 있다. 이때, 상기 특정 전류값은 130A, 특정 마진은 20%일 수 있다. 여기서, 시작 전류를 130A로 설정한 것은 전기자동차 충전기의 사양을 고려한 것이다. 또한, 리튬 석출 라인의 마진을 20%로 설정한 것은 반드시 이와 같이 20%로 한정되는 것을 의미하는 것은 아니며, 급속 충전의 설계 목적, 사용 환경, 배터리 전극의 종류와 조성에 따라 다른 값으로 설정될 수도 있다.

또한, 이상과 같은 본 발명의 급속 충전 방법은, 도 7에 도시된 바와 같이, 급속 충전 중 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용하여 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 예측함으로써 전지 전압과 전지 온도가 전지제조사가 권장하는 전지의 안전 작동 범위를 벗어나는지 판정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법은, 도 8에 도시된 바와 같이, 급속 충전 중 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용한 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 결과와 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 실제로 테스트를 통해 측정한 결과와의 비교를 통해 모델링의 타당성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다. 도 8의 예시는 20% 마진, VCP 급속 충전 알고리즘의 모델링 결과와 시험 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 도 8에서 (A)는 전압 특성 곡선 비교 결과, (B)는 전류 특성 곡선 비교 결과, (C)는 온도 특성 곡선 비교 결과를 각각 나타낸다.

또한, 본 발명의 방법은, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 10분 이내에 100km를 주행할 수 있는 전기에너지(셀: 60.74Wh)를 충전할 수 있는 급속 충전 알고리즘을 지향하기 때문에 본 발명에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증하는 것이다. 도 9에서 (A)는 VCP 급속 충전 알고리즘의 검증 결과를 특성 그래프로 나타낸 것이고, (B)는 인가 전류에 따른 충전 에너지(전력)의 도달 시간을 표로 나타낸 것이다.

아래의 표 1은 특정 안전 한계 라인을 따르는 동일한 MS_min 값을 가지는 다양한 급속충전 프로토콜로 충전했을 때 결과를 비교한 것이다. 표 1을 통해 FF 값이 가장 큰 값을 가지는 VCP가 충전시간이 가장 빠르고 최고전압은 가장 낮은 것을 알 수 있다. 최고출력과 최고온도는 같거나 비교적 높지만 배터리의 안전을 저해하지 않는 수준이다. 이는 FF 값이 가장 큰 VCP 급속 충전 알고리즘이 우수한 성능을 가진다는 것을 의미한다.

급속충전 프로토콜	충전시간 [s]	최고전압 [V]	최고출력 [W]	최고온도 [℃]	Li plating Factor		충전방법
급속충전 프로토콜	충전시간 [s]	최고전압 [V]	최고출력 [W]	최고온도 [℃]	MS_min	FF	충전방법
3 steps	630	3.96	507.9	30.1	0.25	0.88	Step charge
4 steps	615	3.95	507.9	30.3	0.25	0.90
5 steps	600	3.95	507.9	30.4	0.25	0.91
VC	579	3.94	507.9	31	0.25	0.94	VCP

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법은 전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행함으로써 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명을 연장하고 안전성을 확보하며, 주어진 작동 조건과 특정한 안전 마진에 대하여 최대의 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증함으로써, 본 발명에 따른 급속 충전 방법을 전기자동차용 배터리 셀에 적용할 시 빠른 시간 내에 안전하게 충전할 수 있는 장점이 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

전기자동차용 리튬이온전지의 급속 충전 시, 음극 표면에서 리튬이 석출되는 현상을 방지하여 배터리의 수명과 안전성을 확보할 수 있도록 하는 급속 충전 방법으로서,
a) 배터리 셀의 기초 성능 테스트와 모델링 파라미터 추출을 위한 충전 특성 테스트를 수행하는 단계와;
b) 상기 테스트 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터를 추출하는 단계와;
c) 충전 전하량에 따른 전압곡선의 변곡점을 dV/dQ 곡선을 이용하여 구하고, 그 변곡점을 리튬 석출(lithium plating)이 발생하는 지점으로 판단하는 단계; 및
d) 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 충전이 진행되는 SOC(state of charge) 구간에서 리튬 석출 라인을 도출하고, 도출된 리튬 석출 라인으로부터 일정한 안전 마진 값을 가지는 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행하는 단계를 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 a)에서 배터리 셀의 기초 성능 테스트는 배터리 셀의 전압 특성 테스트, 전류 특성 테스트, 온도 특성 테스트를 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 b)에서 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측을 위한 모델링 파라미터는 U와 Y를 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 c)에서 상기 리튬 석출이 발생하는 지점에 대해 선형 보간법(interpolation)과 보외법(extrapolation)을 이용하여 충전이 진행되는 구간에서 리튬 석출 라인을 설정하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 d)에서 설정된 안전 한계 라인을 따라서 급속 충전을 수행함에 있어서, 설정된 안전 한계 라인을 따라서 충전 시간 및 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 고려하여 급속 충전을 수행하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하기 위해 정량화된 지수인 MS(margin of safety)를 도입하여 MS 값의 대소에 따라 상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘의 안전한 정도를 판별하는 단계를 더 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제6항에 있어서,
특정 충전 프로토콜의 효율을 나타내는 개념으로, 주어진 충전 SOC 범위내에서 특정 충전 프로토콜과 안전 한계 라인의 SOC에 대한 충전전류의 면적비로 정의되는 FF(fill factor)를 도입하여 충전 프로토콜의 효율성을 정량적으로 판단하는 단계를 더 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 d)에서 설정된 안전 한계 라인을 따라 급속 충전을 수행함에 있어서, 시작 전류를 특정 전류값으로 고정하고, 이후 전류는 리튬 석출 라인의 특정 마진(margin)을 가지는 안전 한계 라인을 따르는 VCP(variable current protocol)를 적용하여 급속 충전을 수행하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제8항에 있어서,
상기 특정 전류값은 130A, 특정 마진은 20%인 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
급속 충전 중 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용하여 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 예측함으로써 전지 전압과 전지 온도가 전지제조사가 권장하는 전지의 안전 작동 범위를 벗어나는지 판정하는 단계를 더 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제10항에 있어서,
급속 충전 중 상기 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 모델을 이용한 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동 예측 결과와 배터리 셀의 전기적 및 열적 거동을 실제로 테스트를 통해 측정한 결과와의 비교를 통해 모델링의 타당성을 검증하는 단계를 더 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 안전 한계 라인에 따른 급속 충전 알고리즘으로 배터리 셀을 충전한 후, 방전 테스트를 통해 급속 충전 알고리즘의 정당성을 검증하는 단계를 더 포함하는 전기자동차 리튬이온전지의 리튬 석출을 방지하기 위한 급속 충전 방법.