KR20220111115A - 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20220111115A KR1020210014339A KR20210014339A KR20220111115A KR 20220111115 A KR20220111115 A KR 20220111115A KR 1020210014339 A KR1020210014339 A KR 1020210014339A KR 20210014339 A KR20210014339 A KR 20210014339A KR 20220111115 A KR20220111115 A KR 20220111115A
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Abstract

본 발명에서는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치에 있어서, 배터리(60); 상기 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100); 상기 배터리 충전장치(100)는 충전 시작과 함께, 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00196
) 및 제1 충전 기준전류(
Figure pat00197
)를 아래의 식 (1) 및 식 (2) 로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치를 제안한다.
Figure pat00198
식 (1)
Figure pat00199
식 (2)

Description

배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치 및 방법{Rapid charging apparatus and method for preventing battery-damage}
본 발명은 리튬-이온 배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-수소 배터리, 납축전지 등 다양한 2차전지의 급속충전을 위한 것이며, 특히 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치 및 방법을 제안하고자 한다. 무엇보다 급속충전에 있어서 충전전류 설정 레벨은 제1 전류변곡점(S1)을 바탕으로 급속충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 급속충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 지구온난화 방지를 위한 탄소배출 저감의 일종으로 전기자동차, 퍼스널 모빌리티 및 신재생에너지 분야의 관심은 증대되고 있으며, 무엇보다 배터리의 급속충전은 중요한 기술로서 다양한 발명 및 선행문헌이 제시되고 있다.
관련된 선행문헌으로 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0129317호, 공개일 2020. 11. 18.(이하, [특허문헌1]이라 함) 전기자동차의 급속충전 시스템 동작상태 진단장치를 제안하였다. 상기 [특허문헌1]에서는 릴레이제어부; 제1,2,3 기준전압 및 제1,2,3 출력전압을 비교하는 비교부; 급속충전 시스템의 동작상태를 진단하는 진단부를 포함하는 전기자동차의 급속충전 시스템 동작상태 진단장치를 공개하였다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0119778호, 공개일 2019. 10. 23.(이하, [특허문헌2]라 함)에서는 차량용 급속충전 시스템 및 방법을 제안하였다. 상기 [특허문헌2]에서는 차량 배터리를 충전시키기 위한 전력을 제공하는 송전부; 충전부; 입력전압 산출부; 입력전류 산출부; 송전 제어부; 충전제어부로 구성된 차량용 급속충전 시스템 및 방법을 공개하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1470254호, 공고일 2014. 12. 05.(이하, [특허문헌3]이라 함)에서는 친환경 자동차의 급속충전 릴레이 융착 검출 방법을 제안하였다. 상기 [특허문헌3]에서는 차량 제어기의 전원을 차단하기 전에 메인 릴레이를 온(On)으로 유지한 상태에서, (+) 파워 라인 급속충전 릴레이와 (-) 파워 라인 급속충전 릴레이 중 하나인 급속충전 릴레이2를 온(On) 상태로 유지한 뒤 다른 하나인 급속충전 릴레이1을 오프(Off) 제어하고, 상기 급속충전 릴레이1의 오프 제어 상태에서 상기 두 급속충전 릴레이의 후단 전압을 측정하여, 측정된 전압이 기준전압 이상일 경우, 급속충전 릴레이1의 융착 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 급속충전 릴레이 융착 방법을 공개하였다.
하지만, 상기 [특허문헌1] 내지 [특허문헌3]에서는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전에 대한 방법에 대해서 구체적으로 나타나지 못했다는 한계점이 있다.
특허문헌1 : 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0129317호, 공개일 2020. 11. 18. 특허문헌2 : 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0119778호, 공개일 2019. 10. 23. 특허문헌3 : 대한민국 등록특허공보 제10-1470254호, 공고일 2014. 12. 05.
본 발명은 단순한 급속충전을 수행하는 것이 아니라, 배터리의 손상 방지를 위한 급속충전 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치에 있어서, 배터리(60); 상기 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100); 상기 배터리 충전장치(100)는 충전 시작과 함께, 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00001
) 및 제1 충전 기준전류(
Figure pat00002
)를 아래의 식 (1) 및 식 (2) 로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치를 제안한다.
Figure pat00003
식 (1)
Figure pat00004
식 (2)
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따르는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치는, 배터리(60); 상기 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100); 상기 배터리 충전장치(100)는 충전 시작과 함께, 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00005
) 및 제1 충전 기준전류(
Figure pat00006
)를 아래의 식 (1) 및 식 (2) 로 설정하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00007
식 (1)
Figure pat00008
식 (2)
여기서,
Figure pat00009
: 제1 충전 기준전압
Figure pat00010
: 충전 이전의 배터리 전압
Figure pat00011
: 일정(一定) 상승 전압
Figure pat00012
: 제1 충전 기준전류
Figure pat00013
: 배터리 최대 충전전류
Figure pat00014
: 임의로 설정된 충전기의 전류 단계
바람직하게는, 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00015
) 및 상기 최초 배터리의 제1 충전 기준전류(
Figure pat00016
)를 상기 식 (1) 및 식 (2) 로 설정한 이후에 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압 및 전류를 관찰하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 상기 제1 충전 기준전류(
Figure pat00017
)가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제2 충전 기준전류(
Figure pat00018
)가 아래의 식 (3)으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00019
식 (3)
여기서,
Figure pat00020
: 제2 충전 기준전류
한층 더 바람직하게는, 상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 상기 제2 충전 기준전류(
Figure pat00021
)가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제3 충전 기준전류(
Figure pat00022
)가 아래의 식 (4)로 설정하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00023
식 (4)
여기서,
Figure pat00024
: 제3 충전 기준전류
또한, 바람직하게는, 상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 제n 충전 기준전류(
Figure pat00025
)가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제n+1 충전 기준전류(
Figure pat00026
)가 아래의 식 (5) 로 설정하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00027
식 (5)
여기서,
Figure pat00028
: 제n 충전 기준전류
Figure pat00029
: 제n+1 충전 기준전류
또한 바람직하게는, 상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하며, 제n 충전 기준전류(
Figure pat00030
)가 감소하는 경우, 상기 제n 충전 기준전류(
Figure pat00031
)를 상기 배터리 최대 충전전류(
Figure pat00032
)로 설정하는 것을 특징으로 한다.
가장 바람직하게는, 상기 최대 충전전류(
Figure pat00033
)의 약 1/2의 전류를 제1 전류변곡점(S1)으로 설정하거나,
상기 최대 충전전류(
Figure pat00034
)의 약 1/2의 전류를 급속충전에 있어서 배터리가 손상되지 않는 전류로 판단하고 이를
Figure pat00035
의 전류를 기준으로 급속충전하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따르는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치는, 배터리(60); 상기 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100); 상기 배터리 충전장치(100)는 제1 컨버터(101)와 병렬로 연결된 제2 컨버터(102); 상기 제1,2 컨버터(101,102)의 전단(前段)에 배치되며, 입력단 전원의 리플을 저감시키는 입력단 필터부(20); 상기 제1,2 컨버터(101,102)의 후단(後段)에 배치되며, 출력단 전압 및 전류를 검출하는 출력단 전압 및 전류 검출부(41); 상기 출력단 전압 및 전류 검출부(41)의 후단(後段)에 배치되며, 출력의 발생 여부를 결정하는 출력단 릴레이부(40); 상기 출력단 릴레이부(40)와 연결된 출력단 케이블(58); 상기 출력단 케이블(58)과 배터리(60)를 접촉시키는 배터리 접촉단자(56); 상기 배터리 충전장치(100)는 충전 시작과 함께, 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00036
) 및 제1 충전 기준전류(
Figure pat00037
)를 아래의 식 (1) 및 식 (2) 로 설정하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00038
식 (1)
Figure pat00039
식 (2)
여기서,
Figure pat00040
: 제1 충전 기준전압
Figure pat00041
: 충전 이전의 배터리 전압
Figure pat00042
: 일정(一定) 상승 전압
Figure pat00043
: 제1 충전 기준전류
Figure pat00044
: 배터리 최대 충전전류
Figure pat00045
: 임의로 설정된 충전기의 전류 단계
다른 한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제3 측면에 따르는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 방법은, 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100)에서 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00046
)을 아래의 식 (1)과 같이 설정하는 제1 단계; 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전류(
Figure pat00047
)를 아래의 식 (2)와 같이 설정하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00048
식 (1)
Figure pat00049
식 (2)
여기서,
Figure pat00050
: 제1 충전 기준전압
Figure pat00051
: 충전 이전의 배터리 전압
Figure pat00052
: 일정(一定) 상승 전압
Figure pat00053
: 제1 충전 기준전류
Figure pat00054
: 배터리 최대 충전전류
Figure pat00055
: 임의로 설정된 충전기의 전류 단계
바람직하게는, 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00056
) 및 상기 최초 배터리의 제1 충전 기준전류(
Figure pat00057
)를 상기 식 (1) 및 식 (2) 로 설정한 이후에 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압 및 전류를 관찰하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 상기 제1 충전 기준전류(
Figure pat00058
)가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제2 충전 기준전류(
Figure pat00059
)가 아래의 식 (3)과 같이 설정하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00060
식 (3)
여기서,
Figure pat00061
: 제2 충전 기준전류
본 발명에서 제안하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치 및 방법은 첫째, 급속 충전을 하는 것에 있어서 제1 충전 기준전압(
Figure pat00062
) 및 제1 충전 기준전류(
Figure pat00063
)를 바탕으로 제어하고, 둘째, 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압 및 전류를 관찰하고, 셋째, 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 제n 충전 기준전류(
Figure pat00064
)가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제n+1 충전 기준전류(
Figure pat00065
)를 설정하며, 넷째, 이러한 과정을 통하여 최대 충전전류(
Figure pat00066
)를 찾아내고, 상기 최대 충전전류(
Figure pat00067
)의 약 1/2의 전류를 급속충전에 있어서 배터리가 손상되지 않는 전류로 판단함을 통하여 배터리의 급속 충전시에 손상을 방지하는 상승된 효과가 있다.
한편, 본 발명의 추가적인 특징 및 장점들은 이하의 설명을 통해 더욱 명확히 될 것이다.
도 1은 리튬-이온 배터리 방전시 개념도이다.
도 2는 리튬-이온 배터리 충전시 개념도이다.
도 3(a)는 배터리 과전압 및 과전류 충전시 시간에 따른 충전전압 및 충전전류 개념도이며, 도 3(b)는 배터리 정상적인 충전시 시간에 따른 충전전압 및 충전전류 개념도이다.
도 4는 제안된 배터리 손상 방지를 위한 배터리 충전 전압 및 전류 제어 기반의 충전전압 및 충전전류 실시예이다.
도 5는 제안된 배터리 충전장치 제1 실시예의 구성도이다.
도 6은 제안된 배터리 충전장치 제2 실시예의 구성도이다.
도 7은 제안된 배터리 손상 방지를 위한 급속충전을 위한 제1,2 전류변곡점(S1,S2)을 계산하는 제1 실시예이다.
도 8은 제안된 배터리 손상 방지를 위한 급속충전을 위한 제1,2 전류변곡점(S1,S2)을 계산하는 제2 실시예이다.
도 9는 제안된 제1 전류변곡점(S1) 제어 기반의 배터리 손상 방지를 위한 급속충전을 위한 시간에 따른 전류파형이다.
도 10은 제안된 배터리 충전방법 구성도이다.
도 11은 제안된 배터리 충전방법 세부 구성도이다.
본 발명은 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
하지만, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정하여 해석되어서는 안 되며, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진자에게 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 리튬-이온 배터리 방전시 개념도이다. 상기 도 1에서는 리튬-이온 배터리의 양(+) 전극(14) 및 음(-) 전극(15)의 양단에 저항(21)을 연결하면, 상기 음(-) 전극(15)에 가까이 위치한 리튬(+) 이온(11)은 상기 양(+) 전극(14) 및 음(-) 전극(15) 사이의 분리막(18)을 통하여 상기 양(+) 전극(14)으로 이동하게 된다. 한편, 상기 전자(17)는 상기 음(-) 전극(15)에서 상기 양(+) 전극(14) 부분으로 이동하게 된다.
도 2는 리튬-이온 배터리 충전시 개념도이다. 상기 도 2에서 리튬-이온 배터리는 양(+) 전극(14) 및 음(-) 전극(15)의 양단에 배터리 충전장치(100)를 연결하면, 상기 양(+) 전극(14)에 상기 전자(17)는 상기 배터리 충전장치(100)에서 발생되는 전위차로 인하여 상기 음(-) 전극(15)으로 이동하게 된다. 한편 상기 양(+) 전극(14)에 가까이 위치한 리튬(+) 이온(11)은 상기 양(+) 전극(14) 및 음(-) 전극(15) 사이의 분리막(18)을 통하여 상기 음(-) 전극(15)으로 이동하게 된다.
무엇보다 리튬-이온 배터리에서는 상기 리튬(+) 이온(11)의 급격한 이동성으로 인하여, 상기 배터리 충전장치(100)를 통한 충전시 상기 전자(17)의 이동성이 다른 2차 전지인 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-수소 배터리 및 납축전지보다 더욱 우수하므로 에너지 저장 특성이 월등하게 우수한 것이 특징이다.
도 3(a)는 배터리 과전압 및 과전류 충전시 시간에 따른 충전전압 및 충전전류 개념도이며, 도 3(b)는 배터리 정상적인 충전시 시간에 따른 충전전압 및 충전전류 개념도를 나타낸다.
상기 도 3(a)에서 배터리에 과전압 및 과전류가 인가되는 경우, 무엇보다 충간 구간(D)[
Figure pat00068
]에서 배터리의 셀이 감당할 수 없게 급격하게 전압이 상승되며, 상기 배터리가 화재 및 폭발이 발생하는 위험성이 존재한다. 최근에 리튬-이온 배터리 및 에너지저장장치(ESS)는 다양한 폭발 및 화재가 다수 발생하며 그 이유는 무엇보다 배터리에 과전압 및 과전류가 인가되는 것이 주요 원인이라 할 수 있다.
상기 도 3(b)에서는 배터리 정상적인 충전시 시간에 따른 충전전압 및 충전전류 개념도를 살펴보면, 구간(C)[
Figure pat00069
]에서 천천히 전압상승이 발생하며 충전되며, 상기 도 3(a)의 구간(D)[
Figure pat00070
]와 같이 급격하게 전압이 상승하는 구간은 발생하지 않는다.
따라서 배터리의 안정적인 급속충전을 위해서는 배터리의 특성을 고려하여 급속충전을 위한 적절한 충전 기준전압 및 충전 기준전류 설정은 매우 필수적이다.
도 4는 제안된 배터리 손상 방지를 위한 배터리 충전 전압 및 전류 제어 기반의 충전전압 및 충전전류 실시예를 나타낸다. 본 발명에서 배터리의 손상을 방지하며 급속충전을 위한 가장 필수적인 제어방식을 나타낸다.
제안된 방법은 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치에 있어서, 배터리(60) 및 상기 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100)를 바탕으로 한다. 상기 배터리 충전장치(100)는 충전 시작과 함께, 상기 배터리(60)의 충전시작 시간(
Figure pat00071
)에서 제1 충전 기준전압(
Figure pat00072
) 및 제1 충전 기준전류(
Figure pat00073
)를 아래의 식 (1) 및 식 (2) 로 설정하는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
Figure pat00074
식 (1)
Figure pat00075
식 (2)
여기서,
Figure pat00076
: 제1 충전 기준전압
Figure pat00077
: 충전 이전의 배터리 전압
Figure pat00078
: 일정(一定) 상승 전압
Figure pat00079
: 제1 충전 기준전류
Figure pat00080
: 배터리 최대 충전전류
Figure pat00081
: 임의로 설정된 충전기의 전류 단계
상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00082
) 및 상기 최초 배터리의 제1 충전 기준전류(
Figure pat00083
)를 상기 식 (1) 및 식 (2) 로 설정한 이후에 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압 및 전류를 관찰한다. 상기 일정시간(t)이 지난 제1 전류제어 시간(
Figure pat00084
)에서 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 상기 제1 충전 기준전류(
Figure pat00085
)가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제2 충전 기준전류(
Figure pat00086
)가 아래의 식 (3)으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00087
식 (3)
여기서,
Figure pat00088
: 제2 충전 기준전류
상기 배터리(60)의 제2 충전 기준전류(
Figure pat00089
)를 상기 식 (3)으로 설정한 이후에 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압 및 전류를 관찰한다. 상기 일정시간(t)이 지난 제2 전류제어 시간(
Figure pat00090
)에서 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 상기 제2 충전 기준전류(
Figure pat00091
)가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제3 충전 기준전류(
Figure pat00092
)가 아래의 식 (4)로 설정하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00093
식 (4)
여기서,
Figure pat00094
: 제3 충전 기준전류
상기의 과정과 마찬가지로 제어하며, 상기 배터리(60)의 제n 충전 기준전류(
Figure pat00095
)를 설정한 이후에 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압 및 전류를 관찰한다. 상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 제n 충전 기준전류(
Figure pat00096
)가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제n+1 충전 기준전류(
Figure pat00097
)가 아래의 식 (5) 로 설정하는 것을 기술적 특징으로 한다.
Figure pat00098
식 (5)
여기서,
Figure pat00099
: 제n 충전 기준전류
Figure pat00100
: 제n+1 충전 기준전류
또한, 상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하며, 제n 충전 기준전류(
Figure pat00101
)가 감소하는 경우, 상기 제n 충전 기준전류(
Figure pat00102
)를 상기 배터리 최대 충전전류(
Figure pat00103
)로 설정하며, 상기 최대 충전전류(
Figure pat00104
)의 약 1/2의 전류를 제1 전류변곡점(S1)으로 설정하고, 배터리가 손상되지 않는 전류로 판단하고 이를
Figure pat00105
의 전류를 기준으로 상기 배터리를 급속충전하는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
기존까지는 배터리의 급속충전을 수행하는 것에 있어서 배터리의 상태를 전혀 고려하지 않으며, 특정(特定) 충전전압 및 충전전류를 바탕으로 제어하는 경우, 상기 배터리의 충전전압 및 충전전류가 낮은 경우, 배터리의 화재 및 폭발이 문제가 될 수 있지만, 제안된 방법은 배터리를 단계적으로 충전전압 및 충전전류를 설정하는 방식으로 보다 안정한 것이 가장 큰 효과이다.
도 5는 제안된 배터리 충전장치 제1 실시예의 구성도이며, 도 6은 제안된 배터리 충전장치 제2 실시예의 구성도를 나타낸다.
도 5에서 제안된 배터리 충전장치의 제1 실시예는 제1 컨버터(101)가 있으며, 입력단 전원의 리플을 저감시키는 입력단 필터부(20)는 상기 제1 컨버터의 전단(前段)에 배치되며, 출력단 전압 및 전류를 검출하는 출력단 전압 및 전류 검출부(41)는 상기 제1 컨버터의 후단(後段)에 배치되며, 출력단 전압 및 전류를 검출하는 출력단 전압 및 전류 검출부(41), 상기 출력단 전압 및 전류 검출부(41)의 후단(後段)에 배치되며, 출력의 발생 여부를 결정하는 출력단 릴레이부(40), 상기 출력단 릴레이부(40)와 연결된 출력단 케이블(58), 상기 출력단 케이블(58)과 배터리(60)를 접촉시키는 배터리 접촉단자(56)로 구성되어 있다.
도 6에서 제안된 배터리 충전장치의 제2 실시예는 제1,2 컨버터(101,102)가 병렬로 연결되어 있으며, 입력단 전원의 리플을 저감시키는 입력단 필터부(20)는 상기 제1,2 컨버터의 전단(前段)에 배치되며, 출력단 전압 및 전류를 검출하는 출력단 전압 및 전류 검출부(41)는 상기 제1,2 컨버터의 후단(後段)에 배치되며, 출력단 전압 및 전류를 검출하는 출력단 전압 및 전류 검출부(41), 상기 출력단 전압 및 전류 검출부(41)의 후단(後段)에 배치되며, 출력의 발생 여부를 결정하는 출력단 릴레이부(40), 상기 출력단 릴레이부(40)와 연결된 출력단 케이블(58), 상기 출력단 케이블(58)과 배터리(60)를 접촉시키는 배터리 접촉단자(56)로 구성되어 있다.
상기 도 5 및 도 6의 배터리 충전장치(100)에서 상기 도 4와 같은 배터리 손상 방지를 위한 배터리 충전 전압 및 전류 제어를 적용하는 것을 특징으로 한다.
도 7은 제안된 배터리 손상 방지를 위한 급속충전을 위한 제1,2 전류변곡점(S1,S2)을 계산하는 제1 실시예를 나타낸다. 상기 도 7은 40[Ah]의 배터리를 바탕으로 제안된 배터리 손상방지를 위하여 제1 충전 기준전압(
Figure pat00106
) 및 제1,2,3... 충전 기준전류(
Figure pat00107
)를 설정하고, 이를 바탕으로 상기 배터리 최대 충전전류(
Figure pat00108
)로 설정하며, 상기 최대 충전전류(
Figure pat00109
)의 약 1/2의 전류를 제1 전류변곡점(S1)을 계산한 것이다. 또한, 상기 배터리의 충전시 전류가 제2 번째로 기울기가 변화하는 제2 전류변곡점(S2)을 계산한 것이다. 상기 40[Ah]의 배터리의 경우 제1 전류변곡점(S1)은 17.4204[A]이며, 제2 전류변곡점(S2)은 15.2659[A]로 계산되며, 본 발명에서 제안하는 상기 40[Ah]의 배터리의 급속충전을 위한 기준전류는 17.4204[A]가 된다.
도 8은 제안된 배터리 손상 방지를 위한 급속충전을 위한 제1,2 전류변곡점(S1,S2)을 계산하는 제2 실시예이다. 상기 도 8은 62[Ah]의 배터리를 바탕으로 제안된 배터리 손상방지를 위하여 제1 충전 기준전압(
Figure pat00110
) 및 제1,2,3... 충전 기준전류(
Figure pat00111
)를 설정하고, 이를 바탕으로 상기 배터리 최대 충전전류(
Figure pat00112
)로 설정하며, 상기 최대 충전전류(
Figure pat00113
)의 약 1/2의 전류를 제1 전류변곡점(S1)을 계산한 것이다. 또한, 상기 배터리의 충전시 전류가 제2 번째로 기울기가 변화하는 제2 전류변곡점(S2)을 계산한 것이다. 상기 62[Ah]의 배터리의 경우 제1 전류변곡점(S1)은 22.5010[A]이며, 제2 전류변곡점(S2)은 17.3046[A]으로 계산되며, 본 발명에서 제안하는 상기 62[Ah]의 배터리의 급속충전을 위한 기준전류는 22.5010[A]가 된다.
도 7에서 상기 40[Ah]의 배터리는 급속충전시 항상 17.4204[A]로 충전하며, 도 8에서 상기 62[Ah]의 배터리는 항상 22.5010[A]로 급속충전하는 것을 의미하는 것이 아니다. 배터리는 용량, 충전정도, 충전전압에 따라서 항상 그 특성이 변경되는 것은 기본이다. 따라서 특정(特定) 배터리를 급속충전하는 경우, 급속충전의 기준전압은 항상 변경되므로 상기 도 7 및 도 8은 본 발명에서 제안된 방법으로 급속충전하는 경우, 40[Ah] 및 62[Ah] 배터리에서 실시예를 나타내는 경우에 불과하며, 일반적으로 상기 배터리의 충전전압이 낮은 경우, 상기 제1 전류변곡점(S1)의 전류는 높아지며, 상기 배터리의 충전전압이 높은 경우, 상기 제1 전류변곡점(S1)의 전류는 낮아지는 것이 일반적이다.
도 9는 제안된 제1 전류변곡점(S1) 제어 기반의 배터리 손상 방지를 위한 급속충전을 위한 시간에 따른 전류파형을 나타낸다. 제안된 배터리 손상 방지를 위한 급속충전은 기본적으로 상기 배터리 최대 충전전류(
Figure pat00114
)로 설정하며, 상기 최대 충전전류(
Figure pat00115
)의 약 1/2의 전류를 제1 전류변곡점(S1)을 급속충전을 위한 기준전류로 설정한다. 따라서 구간 A에서는 급속충전을 위한 기준전류인 제1 전류변곡점(S1)을 계산하며, 구간 B에서는 제1 전류변곡점(S1)의 전류를 상기 배터리 충전장치(100)의 기준전류로 설정하고 충전을 수행하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 10은 제안된 배터리 충전방법 구성도를 나타낸다. 배터리 손상방지를 위한 급속충전 방법은 배터리 전압을 측정하는 제1 단계(A1); 초기치 설정 및 상기 배터리 전압 및 최대 급속충전 전류를 설정하는 제2 단계(A2); 전류 변화를 분석하는 제3 단계(A3); 급속충전 전류값 최종 확정단계(A4); 급속충전을 실시하는 단계(A5)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 11은 제안된 배터리 충전방법 세부 구성도를 나타낸다. 상기 도 11은 상기 도 10의 과정을 보다 세부적으로 구현한 것이다. 시작단계(B1); 상기 배터리 전압 측정단계(B2); 초기치 설정, 배터리 전압, 충전 전류 C/k 설정단계(B3); 충전 전류의 감소를 판단하는 단계(S1); 상기 충전전류가 감소여부에 따라서 충전시간 경과여부를 판단하는 단계(S2)를 통하고 충전기 전류 + C/k를 재설정하거나 급속충전을 위한 최대전류가 설정되는 과정으로 이동하며; 전류감소폭을 계측하는 단계(B5); 상기 전류감소폭의 변화를 바탕으로 상기 최대 충전전류(
Figure pat00116
)의 약 1/2의 전류를 제1 전류변곡점(S1)으로 감소폭이 일정해지는 최대전류 설정단계(B6)를 통하여 급속충전을 수행하며; 급속충전 목표전압에 도달했는지 판단 단계(S8)를 통하여 충전 전압에 도달한 경우 충전을 종료하는 단계(B9)를 갖는 것을 세부적인 급속충전 방법으로 한다.
따라서 본 발명에서는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치에 있어서, 배터리(60); 상기 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100); 상기 배터리 충전장치(100)는 제1 컨버터(101)와 병렬로 연결된 제2 컨버터(102); 상기 제1,2 컨버터(101,102)의 전단(前段)에 배치되며, 입력단 전원의 리플을 저감시키는 입력단 필터부(20); 상기 제1,2 컨버터(101,102)의 후단(後段)에 배치되며, 출력단 전압 및 전류를 검출하는 출력단 전압 및 전류 검출부(41); 상기 출력단 전압 및 전류 검출부(41)의 후단(後段)에 배치되며, 출력의 발생 여부를 결정하는 출력단 릴레이부(40); 상기 출력단 릴레이부(40)와 연결된 출력단 케이블(58); 상기 출력단 케이블(58)과 배터리(60)를 접촉시키는 배터리 접촉단자(56); 상기 배터리 충전장치(100)는 충전 시작과 함께, 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00117
) 및 제1 충전 기준전류(
Figure pat00118
)를 아래의 식 (1) 및 식 (2) 로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 방법에 있어서, 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100)에서 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
Figure pat00119
)을 아래의 식 (1)과 같이 설정하는 제1 단계; 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전류(
Figure pat00120
)를 아래의 식 (2)와 같이 설정하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 방법을 제안한다.
Figure pat00121
식 (1)
Figure pat00122
식 (2)
즉, 이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.
11 : 리튬(+) 이온
14 : 양(+) 전극
15 : 음(-) 전극
17 : 전자
18 : 분리막
19 : 전해질
20 : 입력단 필터부
21 : 저항
30 : 주제어부
40 : 출력단 릴레이부
41 : 출력단 전압 및 전류 검출부
51 : 입력단 단자
52 : 디스플레이
53 : 교류전원 접속부
54 : 출력단 (-)단자
55 : 출력단 (+)단자
56 : 배터리 접촉단자
57 : 입력단 케이블
58 : 출력단 케이블
60 : 배터리
100 : 배터리 충전장치
101 : 제1 컨버터
102 : 제2 컨버터
201 : 입력단 가스켓(input gasket)
202 : 출력단 가스켓(output gasket)
203 : 측면 가스켓(side gasket)
Figure pat00123
: 배터리 최대 충전전류
Figure pat00124
: 임의로 설정된 충전기의 전류 단계
Figure pat00125
: 제1 충전 기준전류
Figure pat00126
: 제2 충전 기준전류
Figure pat00127
: 제3 충전 기준전류
Figure pat00128
: 제1 시간
Figure pat00129
: 제2 시간
Figure pat00130
: 제1 전류제어 시간
Figure pat00131
: 제2 전류제어 시간
Figure pat00132
: 제3 전류제어 시간
Figure pat00133
: 제4 전류제어 시간
Figure pat00134
: 충전시작 시간
Figure pat00135
: 충전시작 시간
Figure pat00136
: 일정(一定) 상승 전압
S1 : 제1 전류변곡점
S2 : 제2 전류변곡점
Figure pat00137
: 충전 이전의 배터리 전압
Figure pat00138
: 제1 충전 기준전압

Claims (12)

  1. 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치에 있어서,
    배터리(60);
    상기 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100);
    상기 배터리 충전장치(100)는 충전 시작과 함께, 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
    Figure pat00139
    ) 및 제1 충전 기준전류(
    Figure pat00140
    )를 아래의 식 (1) 및 식 (2) 로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치.
    Figure pat00141
    식 (1)
    Figure pat00142
    식 (2)
    여기서,
    Figure pat00143
    : 제1 충전 기준전압
    Figure pat00144
    : 충전 이전의 배터리 전압
    Figure pat00145
    : 일정(一定) 상승 전압
    Figure pat00146
    : 제1 충전 기준전류
    Figure pat00147
    : 배터리 최대 충전전류
    Figure pat00148
    : 임의로 설정된 충전기의 전류 단계
  2. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
    Figure pat00149
    ) 및 상기 최초 배터리의 제1 충전 기준전류(
    Figure pat00150
    )를 상기 식 (1) 및 식 (2) 로 설정한 이후에 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압 및 전류를 관찰하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치.
  3. 청구항 제2항에 있어서,
    상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 상기 제1 충전 기준전류(
    Figure pat00151
    )가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제2 충전 기준전류(
    Figure pat00152
    )가 아래의 식 (3)으로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치.
    Figure pat00153
    식 (3)
    여기서,
    Figure pat00154
    : 제2 충전 기준전류
  4. 청구항 제3항에 있어서,
    상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 상기 제2 충전 기준전류(
    Figure pat00155
    )가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제3 충전 기준전류(
    Figure pat00156
    )가 아래의 식 (4)로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치.
    Figure pat00157
    식 (4)
    여기서,
    Figure pat00158
    : 제3 충전 기준전류
  5. 청구항 제3항에 있어서,
    상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 제n 충전 기준전류(
    Figure pat00159
    )가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제n+1 충전 기준전류(
    Figure pat00160
    )가 아래의 식 (5) 로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치.
    Figure pat00161
    식 (5)
    여기서,
    Figure pat00162
    : 제n 충전 기준전류
    Figure pat00163
    : 제n+1 충전 기준전류
  6. 청구항 제3항에 있어서,
    상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하며, 제n 충전 기준전류(
    Figure pat00164
    )가 감소하는 경우, 상기 제n 충전 기준전류(
    Figure pat00165
    )를 상기 배터리 최대 충전전류(
    Figure pat00166
    )로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치.
  7. 청구항 제6항에 있어서,
    상기 최대 충전전류(
    Figure pat00167
    )의 약 1/2의 전류를 제1 전류변곡점(S1)으로 설정하는 것을 특징을 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치.
  8. 청구항 제6항에 있어서,
    상기 최대 충전전류(
    Figure pat00168
    )의 약 1/2의 전류를 급속충전에 있어서 배터리가 손상되지 않는 전류로 판단하고 이를
    Figure pat00169
    의 전류를 기준으로 급속충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치.
  9. 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치에 있어서,
    배터리(60);
    상기 배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100);
    상기 배터리 충전장치(100)는 제1 컨버터(101)와 병렬로 연결된 제2 컨버터(102);
    상기 제1,2 컨버터(101,102)의 전단(前段)에 배치되며, 입력단 전원의 리플을 저감시키는 입력단 필터부(20);
    상기 제1,2 컨버터(101,102)의 후단(後段)에 배치되며, 출력단 전압 및 전류를 검출하는 출력단 전압 및 전류 검출부(41);
    상기 출력단 전압 및 전류 검출부(41)의 후단(後段)에 배치되며, 출력의 발생 여부를 결정하는 출력단 릴레이부(40);
    상기 출력단 릴레이부(40)와 연결된 출력단 케이블(58);
    상기 출력단 케이블(58)과 배터리(60)를 접촉시키는 배터리 접촉단자(56);
    상기 배터리 충전장치(100)는 충전 시작과 함께, 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
    Figure pat00170
    ) 및 제1 충전 기준전류(
    Figure pat00171
    )를 아래의 식 (1) 및 식 (2) 로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 장치.
    Figure pat00172
    식 (1)
    Figure pat00173
    식 (2)
    여기서,
    Figure pat00174
    : 제1 충전 기준전압
    Figure pat00175
    : 충전 이전의 배터리 전압
    Figure pat00176
    : 일정(一定) 상승 전압
    Figure pat00177
    : 제1 충전 기준전류
    Figure pat00178
    : 배터리 최대 충전전류
    Figure pat00179
    : 임의로 설정된 충전기의 전류 단계
  10. 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 방법에 있어서,
    배터리(60)를 충전시키기 위한 배터리 충전장치(100)에서 상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
    Figure pat00180
    )을 아래의 식 (1)과 같이 설정하는 제1 단계;
    상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전류(
    Figure pat00181
    )를 아래의 식 (2)와 같이 설정하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 방법.
    Figure pat00182
    식 (1)
    Figure pat00183
    식 (2)
    여기서,
    Figure pat00184
    : 제1 충전 기준전압
    Figure pat00185
    : 충전 이전의 배터리 전압
    Figure pat00186
    : 일정(一定) 상승 전압
    Figure pat00187
    : 제1 충전 기준전류
    Figure pat00188
    : 배터리 최대 충전전류
    Figure pat00189
    : 임의로 설정된 충전기의 전류 단계
  11. 청구항 제10항에 있어서,
    상기 배터리(60)의 제1 충전 기준전압(
    Figure pat00190
    ) 및 상기 최초 배터리의 제1 충전 기준전류(
    Figure pat00191
    )를 상기 식 (1) 및 식 (2) 로 설정한 이후에 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압 및 전류를 관찰하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 방법.
  12. 청구항 제11항에 있어서,
    상기 일정시간(t) 동안 상기 배터리(60)의 전압이 설정 전압에 도달하지 않으며, 상기 제1 충전 기준전류(
    Figure pat00192
    )가 일정(一定)하게 유지되는 경우, 상기 배터리(60)의 충전 기준전류를 제2 충전 기준전류(
    Figure pat00193
    )가 아래의 식 (3)과 같이 설정하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 손상 방지를 위한 급속충전 방법.
    Figure pat00194
    식 (3)
    여기서,
    Figure pat00195
    : 제2 충전 기준전류
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KR20200129317A (ko) 2019-05-08 2020-11-18 한국단자공업 주식회사 전기자동차의 급속충전 시스템 동작상태 진단장치

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