KR20230050107A - 배터리의 충전 프로파일 결정 방법 및 이를 이용한 배터리 충전 시스템 - Google Patents

배터리의 충전 프로파일 결정 방법 및 이를 이용한 배터리 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 충전 프로파일 결정 방법 및 이를 이용한 배터리 충전 시스템을 개시한다. 본 발명에 따르면, 먼저 테스트 단위 셀의 CC(정전류) 충전을 통해 취득한 음극 표면전위 프로파일에서 리튬 석출 경계 전위에 대응되는 기준 충전상태(SOC)를 결정한다. 이어서, 상기 테스트 단위 셀에 대해, 상기 기준 SOC까지의 충전상태 구간에서는 CC 충전을, 상기 기준 SOC 이후의 충전상태 구간에서는 음극 단자 및 양극 단자 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV(정전압) 충전을 진행하여 제1충전 프로파일을 결정한다. 또한, 상기 테스트 단위 셀에 대해, 상기 기준 SOC까지의 충전상태 구간에서는 CC 충전을, 상기 기준 SOC 이후의 충전상태 구간에서는 음극 표면 및 양극 단자 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV 충전을 진행하여 제2충전 프로파일을 결정한다. 이어서, 복수의 셀을 포함하는 배터리에 대해 상기 기준 SOC까지 CC 충전을 진행하고 상기 기준 SOC 이후에 CV 충전을 진행하여 제3충전 프로파일을 결정하고, 상기 제1 및 제2충전 프로파일 사이의 차분을 이용하여 상기 제3충전 프로파일을 보정하여 배터리의 충전 프로파일을 결정한다.

Description

배터리의 충전 프로파일 결정 방법 및 이를 이용한 배터리 충전 시스템{Method for Determining Charging Profile of Battery and Battery Charging System Using the Same}
본 발명은 배터리의 충전 프로파일 결정 방법 및 이를 이용한 배터리 충전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극 표면 전위를 기준으로 한 배터리의 충전 프로파일 결정 방법과 이를 이용한 배터리 충전 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 화석연료의 환경 오염 문제가 심각해 짐에 따라 배터리를 동력원으로 사용하는 전기자동차가 주목을 받고 있다.
리튬 이차 배터리는 에너지 밀도와 용량이 높고, 출력이 우수하여 전기자동차용 배터리로 널리 사용되고 있다.
충전시간 단축은 전기자동차의 최대 관심사 중 하나이다. 급속충전은 짧은 시간 동안 대전류를 배터리에 공급한다. 리튬 이차 배터리를 급속 충전하면 음극 표면에서 리튬 석출을 일으킬 수 있다. 리튬이 석출되면, 전해액과 리튬 사이에서 발열을 수반하는 부반응이 격렬하게 일어나면서 배터리가 발화하거나 폭발할 수 있다.
이러한 점을 고려하여 급속 충전 시 적용되는 충전 프로파일은 보수적으로 설정하는 것이 일반적이다. 여기서, 충전 프로파일은 배터리의 충전상태(State Of Charge: SOC)에 따라 충전전류의 씨레이트(c-rate)를 정의한 것이다. 충전 프로파일의 대표적인 예로 스텝 충전 프로파일을 들 수 있다.
스텝 충전 프로파일에 있어서, 충전전류의 씨레이트는 배터리의 충전상태가 증가함에 따라 단계적으로 감소한다. 충전상태가 증가할수록 음극에 삽입된 리튬 량이 증가하여 그 만큼 리튬 석출 가능성이 증가하는 것을 고려한 충전 프로토콜이다. 충전전류의 씨레이트가 단계적으로 감소하면, 리튬이 음극 내부로 확산할 수 있는 시간을 확보하여 음극 표면에서 리튬 석출을 방지할 수 있다.
종래의 충전 프로파일은 리튬 석출의 방지에 초점이 맞추어져 있다. 따라서, 충전시간을 단축시키는데 한계가 있다. 즉, 음극에서 리튬 석출 가능성이 낮은 상태에서도 충전전류를 미리 감소시키므로 충전 후반부로 갈수록 단위 시간당 충전상태의 증가속도가 급격히 둔화된다.
따라서 본 발명이 속한 기술분야에서는 리튬 이차 배터리의 충전시 음극에서 리튬 석출을 유발하지 않으면서도 충전 후반부에서 충전시간을 보다 단축시킬 수 있는 충전 프로파일에 대한 요구가 많다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 음극에서 리튬 석출을 일으키지 않으면서 충전전류의 씨레이트를 종래보다 증가시켜 충전 후반부에서 충전속도를 증가시켜 완충까지 소요되는 충전시간을 단축시킬 수 있는 음극 표면 전위를 기준으로 한 충전 프로파일의 결정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명이 제공하는 음극 표면 전위를 기준으로 한 충전 프로파일을 이용하여 배터리를 충전할 수 있는 배터리 충전 시스템을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리의 충전 프로파일 결정 방법은, (a) 테스트 단위 셀에 대한 CC(정전류) 충전을 통해 취득한 충전상태에 따른 음극 표면전위 프로파일에서 리튬 석출 경계 전위에 대응되는 기준 충전상태(SOC)를 결정하는 단계; (b) 상기 테스트 단위 셀에 대해, 상기 기준 SOC까지의 충전상태 구간에서는 CC 충전을, 상기 기준 SOC 이후의 충전상태 구간에서는 음극 단자 및 양극 단자 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV(정전압) 충전을 진행하여 충전상태에 따른 제1충전 프로파일을 결정하는 단계; (c) 상기 테스트 단위 셀에 대해, 상기 기준 SOC까지의 충전상태 구간에서는 CC 충전을, 상기 기준 SOC 이후의 충전상태 구간에서는 음극 표면 및 양극 단자 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV(정전압) 충전을 진행하여 충전상태에 따른 제2충전 프로파일을 결정하는 단계; (d) 복수의 셀을 포함하는 배터리에 대해 상기 기준 SOC까지 CC 충전을 진행하고 상기 기준 SOC 이후에 음극 단자 및 양극 단자 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV 충전을 진행하여 충전상태에 따른 제3충전 프로파일을 결정하는 단계; 및 (e) 상기 제1 및 제2충전 프로파일 사이의 차분을 이용하여 상기 제3충전 프로파일을 보정하여 배터리의 충전 프로파일을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 테스트 단위 셀은 4극 셀일 수 있다. 상기 4극 셀은, 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극; 상기 음극의 표면 전위에 대한 기준 전위를 제공하는 기준전극; 및 상기 음극의 표면과 접촉하도록 배치된 음극표면전위 측정전극;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는, (a1) 상기 테스트 단위 셀에 대해 CC 충전을 진행하면서 상기 기준전극 및 상기 음극표면전위 측정전극을 통해 음극 표면 전위를 측정하여 충전상태에 따른 음극 표면전위 프로파일을 결정하는 단계; (a2) 상기 음극 표면전위 측정 경로에 존재하는 내부저항을 측정하는 단계; 및 (a3) 상기 내부저항에 따른 전압성분을 이용하여 상기 음극 표면전위 프로파일을 보정하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 내부저항은 EIS(Electrochemical impedance spectroscopy)법으로 결정할 수 있다.
바람직하게, 상기 (a3) 단계에서, 상기 음극 표면전위 프로파일로부터 상기 내부저항에 따른 전압성분을 감산하여 상기 음극 표면전위 프로파일을 보정할 수 있다.
바람직하게, 상기 (a) 단계에서, 상기 리튬 석출 경계 전위는 O 볼트일 수 있다.
바람직하게, 상기 (e) 단계에서, 상기 제3충전 프로파일에 있어서 상기 기준 SOC 이후의 프로파일에 상기 제1 및 제2충전 프로파일의 차분 프로파일을 더하여 상기 제3충전 프로파일을 보정할 수 있다.
바람직하게, 상기 (a) 내지 (e) 단계를, CC 충전의 충전전류 씨레이트와 충전온도 조건을 가변시키면서 반복적으로 진행함으로써, 복수의 충전전류 씨레이트 및 충전온도 조건 별로 충전 프로파일을 독립적으로 결정할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 충전 시스템은, 배터리의 온도를 측정하는 온도 센서; CC 충전의 충전전류 씨레이트와 충전온도에 따라 충전 프로파일을 저장하고 있는 저장매체; 및 상기 온도 센서 및 상기 저장매체와 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 온도 센서를 통해 측정된 배터리 온도를 충전온도로 설정하고, CC 충전의 충전전류 씨레이트를 설정하고, 미리 정의된 룩업 정보를 참조하여 상기 충전온도 및 상기 충전전류 씨레이트에 대응되는 리튬 석출 경계 전위에 대응되는 기준 SOC를 결정하고, 충전장치를 이용하여 상기 기준 SOC까지의 충전구간에서는 상기 충전전류 씨레이트 조건에서 배터리를 CC 충전하고, 상기 기준 SOC 이후의 충전구간에서는 양극 단자와 음극 표면 사이의 전압이 일정하게 유지되는 조건 하에서 미리 산출된 충전 프로파일에 따라 배터리를 충전하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 기준 SOC 이후의 충전구간에서 충전전류 씨레이트를 감쇄시키되, 양극 단자와 음극 단자 사이의 전압이 일정하게 유지되는 CV 충전조건이 적용될 때보다 충전전류 씨레이트의 감쇄 속도를 줄이도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 씨레이트의 감쇄 속도는 상기 배터리의 음극 표면 전위가 리튬 석출 경계 전위에 대응되도록 결정될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 배터리의 충전상태를 결정하고, 상기 충전 프로파일을 참조하여 상기 충전상태에 대응되는 충전전류 씨레이트를 결정하고, 상기 충전장치를 이용하여 결정된 충전전류 씨레이트에 상응하는 충전전류를 배터리에 인가하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 음극 표면 전위를 기준으로 충전 프로파일을 결정함으로써 리튬 석출을 일으키지 않으면서도 충전 후반부의 충전 속도를 증가시켜 완충까지 소요되는 충전시간을 종래보다 단축시킬 수 있다.
또한, 본 발명이 제공하는 충전 프로파일을 이용하여 배터리를 충전할 경우 음극에서 리튬 석출을 일으키지 않으면서도 종래보다 빠르게 배터리를 충전할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 표면 전위를 기준으로 한 배터리의 충전 프로파일 결정 방법에 관한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 4극 셀의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 단계 S40에서 결정한 충전상태(SOC)에 따른 음극 표면전위 프로파일(실선)과 단계 S60에서 내부저항에 따른 전압성분을 보정한 후의 음극 표면전위 프로파일(점선)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1충전 프로파일(점선)과 제2충전 프로파일(실선)의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2충전 프로파일(도 4의 실선)로부터 제1충전 프로파일(도 4의 점선)을 차감한 차분 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 배터리 셀의 CC-CV 충전을 통해 취득한 제3충전 프로파일과 차분 프로파일에 기초한 제3충전 프로파일의 보정을 통해 얻은 배터리의 충전 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 표면 전위를 기준으로 한 배터리의 충전 프로파일 결정 방법에 관한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 단계 S10에서, 테스트 단위 셀을 준비한다. 일 예에서, 테스트 단위 셀은 4극 셀일 수 있다. 4극 셀은 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막, 상기 음극 표면 전위에 대한 기준 전위를 제공하는 기준전극; 및 상기 음극의 표면과 직접 접촉하도록 배치된 음극표면전위 측정전극을 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 4극 셀(10)의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 4극 셀(10)은 양극(11), 음극(12) 및 2장의 분리막(13)을 포함한다.
양극(11)은 양극 집전판(11a), 양극 집전판(11a)의 표면에 코팅된 양극 활물질층(11b) 및 양극 탭(11c)을 포함한다. 음극(12)은 음극 집전판(12a), 음극 집전판(12a)의 표면에 코팅된 음극 활물질층(12b) 및 음극 탭(12c)을 포함한다.
일 예에서, 양극 집전판(11a)은 알루미늄 포일이고, 음극 집전판(12a)은 구리 포일일 수 있다. 양극 활물질층(11b)은 Ni, Co 및 Mn을 포함하는 리튬전이금속산화물의 코팅층일 수 있고, 음극 활물질층(12b)은 그라파이트의 코팅층일 수 있다. 분리막(13)은 다공성을 가진 절연 필름일 수 있다. 절연필름은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 계열의 필름일 수 있다. 분리막(13)의 표면에는 알루미나(Al2O3)와 같은 무기물 입자가 포함된 무기 코팅층이 형성될 수 있다.
분리막(13)은 양극(11)과 음극(12) 사이에 개재된 제1분리막(13a) 및 제2분리막(13b)을 포함한다. 제1분리막(13a)은 양극(11) 측에 배치되고, 제2분리막(13b)은 음극(12) 측에 배치된다.
4극 셀(10)은 또한 음극 표면 전위에 대한 기준 전위를 제공하기 위해 제1분리막(13a)과 제2분리막(13b) 사이에 삽입된 기준전극(14)과 음극 표면(음극 활물질층 12b)과 직접 접촉하도록 제2분리막(13b)과 음극 활물질층(13b)의 사이에 삽입된 음극표면전위 측정전극(15)을 포함한다.
일 예에서, 기준전극(14)은 Cu 재질의 다공성 와이어(14a)와 다공성 와이어(14a)의 단부에 소정 두께로 형성된 LTO(LiTiO2)막(14b)을 포함한다. 또한, 음극표면전위 측정전극(15)은 Cu 재질의 다공성 와이어(15a)와 다공성 와이어(15a)의 단부에 소정 두께로 형성된 Cu막(15b)을 포함한다.
4극 셀(10)의 부품들은 포장재(16)에 수납된 후 밀봉될 수 있다. 일 예에서, 포장재(16)는 파우치 필름일 수 있다. 이 경우, 포장재(16)의 테두리는 열융착될 수 있다.
4극 셀(10)의 양극 탭(11c), 음극 탭(12c), 기준전극(14)의 다공성 와이어(14a) 및 음극 표면전위 측정전극(15)의 다공성 와이어(15a)는 포장재(16)의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 포장재(16) 내에는 4극 셀(10)의 작동에 필요한 전해질(17)이 주입될 수 있다.
한편, 본 발명은 충전 프로파일을 결정하는데 특징이 있으므로 4극 셀(10)을 구성하는 부품이나 소재의 종류는 테스트 단위 셀의 종류에 따라 얼마든지 변경이 가능함은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
다시 도 1을 참조하면, 단계 S10 이후에 단계 S20이 진행된다. 단계 S20에서, 테스트 단위 셀을 충전 시험기에 장착한다.
바람직하게, 충전 시험기는 테스트 단위 셀의 온도를 설정된 온도로 유지할 수 있는 항온 다이를 포함하며, 항온 다이 상에 테스트 단위 셀이 장착될 수 있다.
이어서, 단계 S30에서, 테스트 단위 셀의 충방전 조건으로서 CC(정전류) 충전 시의 충전전류 씨레이트(Ik)와 충전온도(Tk)를 설정한다. 충전온도(Tk)는 테스트 단위 셀의 온도에 대응한다.
이어서, 단계 S40에서, 충전온도(Tk) 및 충전전류 씨레이트(Ik) 조건 하에서 테스트 단위 셀에 대한 CC 충전을 진행하면서 기준전극(14) 및 음극표면전위 측정전극(15)을 통해 음극 표면 전위를 측정하여 충전상태(SOC)에 따른 음극 표면전위 프로파일을 결정한다.
이어서, 단계 S50에서, 음극 표면전위 측정 경로에 존재하는 내부저항(Rk)을 결정한다. 내부저항(Rk)은 기준전극(14)의 다공성 와이어(14a)와 LTO막(14b)의 저항과 음극 표면전위 측정전극(15)의 다공성 와이어(15a)와 Cu막(15b)의 저항 등을 포함한다.
바람직하게, 내부저항(Rk)은 EIS(Electrochemical impedance spectroscopy)를 이용하여 결정할 수 있다. 내부저항(Rk)은 테스트 단위 셀에 대한 EIS 측정 결과에서 EIS 선도(곡선)가 x축과 만나는 지점의 저항에 해당한다.
테스트 단위 셀에 대한 내부저항(Rk)은 EIS 이외에도 다양한 공지의 방법으로 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명이 내부저항(Rk)의 측정 방법에 의해 한정되는 것은 아니다.
이어서, 단계 S60에서, 내부저항(Rk)에 따른 전압성분(Rk*Ik)을 이용하여 음극 표면전위 프로파일을 보정한다. 바람직하게, 음극 표면전위 프로파일로부터 내부저항(Rk)에 따른 전압성분(Rk*Ik)을 감산하여 음극 표면전위 프로파일을 보정할 수 있다.
이어서, 단계 S70에서, 내부저항(Rk)에 따른 전압성분(Rk*Ik)이 보정된 음극 표면전위 프로파일에서 리튬 석출 경계 전위에 대응되는 기준 SOC(SOCrefer,k)를 결정한다. 여기서, 리튬 석출 경계 전위는 0 볼트일 수 있다. 경우에 따라, 안전 마진을 고려하여 리튬 석출 경계 전위는 0 볼트보다 약간 높게 설정하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 단계 S40에서 결정한 충전상태(SOC)에 따른 음극 표면전위 프로파일(실선)과 단계 S60에서 내부저항(Rk)에 따른 전압성분(Rk*Ik)을 보정한 후의 음극 표면전위 프로파일(점선)을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 내부저항(Rk)에 따른 전압성분(Rk*Ik)을 보정한 음극 표면전위 프로파일(점선)은 보정 전의 음극 표면전위 프로파일(실선)보다 아래로 이동한다. 내부저항(Rk)에 따른 전압성분(Rk*Ik)에 해당하는 만큼 음극 표면전위가 낮아지기 때문이다.
또한, 음극 표면전위 프로파일(점선)에 있어서, 리튬 석출 경계 전위에 대응되는 기준 SOC(SOCrefer,k)는 음극 표면전위 프로파일(점선)과 직선 V=0 이 교차하는 점의 충전상태에 해당한다.
단계 S70 이후에 단계 S80이 진행된다.
단계 S80에서, 테스트 단위 셀을 방전한 다음 기준 SOC(SOCrefer,k)까지의 충전상태 구간에서는 설정된 충전전류 씨레이트(Ik)에 따른 CC 충전을, 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전상태 구간에서는 양극(11) 및 양극(12) 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV(정전압) 충전을 진행하여 충전상태에 따른 제1충전 프로파일을 결정한다. CV 충전의 제어를 위해 양극(11)의 양극 탭(11c)과 음극(12)의 음극 탭(12c)이 충전 시험기의 전압 검출 프로브에 연결될 수 있다. 충전 시험기는 양극 탭(11c)과 음극 탭(12c) 사이에 인가되는 전압이 일정하게 유지되는 조건 하에서 CV 충전을 진행한다. CV 충전이 진행되는 동안 테스트 단위 셀의 내부저항은 충전상태가 증가할수록 점차 증가하므로 충전전류는 오옴의 법칙(I=V/R, V는 일정함)에 따라 점차 감쇄된다.
이어서, 단계 S90에서, 테스트 단위 셀을 다시 방전한 후, 테스트 단위 셀에 대해, 기준 SOC(SOCrefer,k)까지의 충전상태 구간에서는 CC 충전을, 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전상태 구간에서는 양극(11) 및 음극 표면 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV 충전을 진행하여 충전상태에 따른 제2충전 프로파일을 결정한다. CV 충전의 제어를 위해 양극(11)의 양극 탭(11c)과 음극 표면전위 측정전극(15)이 충전 시험기의 전압 검출 프로브에 연결될 수 있다. 대안적으로, 기준전극(14)과 음극 표면전위 측정전극(15)이 충전 시험기의 전압 검출 프로브에 연결될 수 있다. 충전 시험기는 양극 탭(11c) 또는 기준전극(14)과 음극 표면전위 측정전극(15) 사이에 인가되는 전압이 일정하게 유지되는 조건 하에서 CV 충전을 진행한다. CV 충전이 진행되는 동안 테스트 단위 셀의 내부저항은 충전상태가 증가할수록 점차 증가하므로 충전전류는 오옴의 법칙(I=V/R, V는 일정함)에 따라 점차 감쇄된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1충전 프로파일(점선)과 제2충전 프로파일(실선)의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 제1충전 프로파일(점선)과 제2충전 프로파일(실선)은 기준 SOC(SOCrefer,k)까지의 충전구간에서는 실질적으로 동일하다. 따라서, 기준 SOC(SOCrefer,k)까지의 충전구간에서는 실선에 점선이 중첩되어 제1충전 프로파일(점선)과 제2충전 프로파일(실선)이 서로 구분되지 않는다. 하지만, 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전구간에서는 2개의 프로파일이 다른 변화 양상을 보인다. 즉, 제2충전 프로파일(실선)의 충전전류 씨레이트의 감쇄 속도가 제1충전 프로파일(점선)의 충전전류 씨레이트의 감쇄 속도보다 느리다. 그 이유는, 제2충전 프로파일(실선)은 양극(11)과 음극 표면(활물질층) 사이의 전압이 일정하게 유지되는 조건 하의 CV 충전을 통해 취득한 것이기 때문이다.
단계 S90 이후에 단계 S100이 진행된다.
단계 S100에서, 복수의 셀을 포함하는 배터리를 제작한다. 복수의 셀은 테스트 단위 셀과 동일한 소재로 제작된 것이다. 즉, 복수의 셀과 테스트 단위 셀은 양극 집전판, 음극 집전판, 양극 활물질, 음극 활물질, 분리막 및 전해질의 종류가 실질적으로 동일하다. 또한, 배터리는 테스트 단위 셀에서 사용된 것과 동일한 전해질을 포함한다.
배터리는 파우치 타입의 배터리일 수 있다. 복수의 셀은 파우치 필름으로 이루어진 포장재의 내부에 수납된다. 다른 예에서, 배터리는 각형이나 원통형 타입의 배터리로 제작될 수 있다. 배터리 내부에서 복수의 셀은 병렬로 연결될 수 있다.
복수의 셀 각각은 음극/분리막/양극이 라미네이트된 구조를 가진다. 복수의 셀들은 분리 필름에 일정한 간격으로 배열한 후 분리 필름을 일측에서 타측으로 권취하여 스택-폴딩형 구조의 전극 조립체를 구성할 수 있다.
전극 조립체의 구조는 다양한 변형이 가능하다. 일 예에서, 전극 조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극 조립체 또는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체일 수 있다. 그 이외에도 본 발명이 속한 기술분야에 널리 알려진 전극조립체 구조가 제한 없이 채용될 수 있음은 자명하다.
단계 S100 이후에 단계 S110이 진행된다.
단계 S110에서, 복수의 셀을 포함하는 배터리에 대해 기준 SOC(SOCrefer,k)까지 CC 충전을 진행하고 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전상태 구간에서는 배터리의 양극과 음극 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV 충전을 진행하여 충전상태에 따른 제3충전 프로파일을 결정한다. CC 충전시의 충전전류 크기는 설정된 충전전류 씨레이트(Ik)에 해당한다.
이어서, 단계 S120에서, 제1충전 프로파일 및 제2충전 프로파일 사이의 차분(difference)을 이용하여 제3충전 프로파일을 보정하여 배터리의 충전 프로파일을 결정한다.
바람직하게, 단계 S120에서 제3충전 프로파일을 보정함에 있어서 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 프로파일에 제1충전 프로파일 및 제2충전 프로파일의 차분 프로파일을 더하여 제3충전 프로파일을 보정함으로써 배터리의 충전 프로파일을 결정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2충전 프로파일(도 4의 실선)로부터 제1충전 프로파일(도 4의 점선)을 차감한 차분 프로파일을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 배터리의 CC-CV 충전을 통해 얻은 제3충전 프로파일과, 차분 프로파일을 이용하여 제3충전 프로파일을 보정함으로써 취득한 배터리의 충전 프로파일(fk)을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 차분 프로파일은 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전구간에서만 얻어진다. 기준 SOC(SOCrefer,k) 이전의 충전구간에서는 제1충전 프로파일과 제2충전 프로파일이 실질적으로 동일하기 때문이다.
도 6을 참조하면, 복수의 셀을 포함하는 배터리의 CC-CV 충전을 통해 얻은 제3충전 프로파일은 기준 SOC(SOCrefer,k)까지의 충전구간에서는 실선으로 도시하였고, 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전구간에서는 점선으로 도시하였다. 배터리의 충전 프로파일(fk)은 제3충전 프로파일의 전체 구간 중에서 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전구간에 대해서만 보정을 진행하여 얻는다. 즉, 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전구간에 대한 제3충전 프로파일(점선)에 도 5의 차분 프로파일을 가산함으로써 배터리의 충전 프로파일(fk)을 얻을 수 있다. 따라서, 배터리의 충전 프로파일(fk)은 기준 SOC(SOCrefer,k)까지의 충전 프로파일과 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 실선 프로파일을 포함하도록 구성된다.
배터리의 충전 프로파일(fk)은 도 6에 도시된 바와 같이 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전구간에서 충전전류 씨레이트의 감쇄 기울기가 통상적인 CV 충전 시 적용되는 충전전류 씨레이트의 감쇄 기울기보다 작다. 따라서, 충전 후반부에서도 음극에서의 리튬 석출을 방지하면서도 충전전류 씨레이트의 감쇄 속도를 종래보다 줄일 수 있어서 그 만큼 충전시간을 단축시킬 수 있다.
단계 S120 이후에 단계 S130이 진행된다.
단계 S130에서, 인덱스 k를 1증가시키고, 단계가 S30으로 복귀된다.
이에 따라, CC 충전의 충전전류 씨레이트 Ik 및 충전온도 Tk가 다른 조건으로 다시 설정되고, 단계 S40 내지 단계 S120 단계가 진행된다.
위와 같은 일련의 단계들을 반복해서 진행하면, 서로 다른 충전전류 씨레이트 Ik 및 서로 다른 충전온도 Tk의 조건 하에서 배터리의 충전 프로파일(fk)을 복수 개 결정할 수 있다.
하나의 테스트 단위 셀을 이용하여 반복적인 충전 테스트를 진행할 경우, 테스트 단위 셀이 퇴화되면서 충전 프로파일(fk)의 정확도가 떨어질 수 있다.
따라서, 테스트 단위 셀을 복수 개 제작하고 CC 충전의 충전전류 씨레이트 Ik 및 충전온도 Tk가 다른 조건으로 설정될 때마다 새로운 테스트 단위 셀을 이용하여 상술한 단계들을 진행하여 배터리의 충전 프로파일(fk)을 결정하는 것이 바람직하다.
CC 충전의 충전전류 씨레이트 Ik 및 충전온도 Tk에 대응되는 배터리의 충전 프로파일(fk)은 배터리를 충전하는데 다음과 같이 활용될 수 있다.
먼저, CC 충전의 충전전류 씨레이트 Ik 및 충전온도 Tk에 대응되는 배터리의 충전 프로파일(fk)은 룩업 정보로서 배터리 충전 시스템의 저장매체에 저장될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템(20)의 일 예를 나타낸 구성도이다.
도 7을 참조하면, 배터리 충전 시스템(20)은 배터리(21)의 충전 및 방전을 제어하고, 배터리(21)의 충전상태 및 퇴화도를 계산 및 관리하고, 배터리(21)의 과충전, 과방전, 과전류 등의 이상 상태를 검출하는 동작을 수행하는 컴퓨터 시스템이다.
바람직하게, 배터리 충전 시스템(20)은 배터리(21)가 탑재된 부하의 제어 시스템, 예컨대 전기자동차의 제어 시스템의 일부로 통합될 수 있다.
저장매체(22)는 데이터 및/또는 정보를 기록하고 소거할 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 저장매체(22)는 RAM, ROM, 레지스터, 플래쉬 메모리, 하드디스크, 또는 자기기록 매체일 수 있다.
저장매체(22)는 제어부(23)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 제어부(23)와 전기적으로 연결될 수 있다.
저장매체(22)는 제어부(23)가 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터, 및/또는 미리 설정된 데이터나 룩업 정보/테이블 등을 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송한다.
배터리(21)가 탑재된 부하 장치(예컨대, 전기자동차)가 충전을 위해 충전장치(30)에 연결되면, 제어부(23)는 온도 센서(24)를 통해 배터리(21)의 온도를 측정하고 측정된 온도를 충전온도(Tk)로 설정한다.
제어부(23)는 또한 배터리(21)의 CC 충전 시 적용할 충전전류 씨레이트(Ik)를 선택할 수 있다. 일 예에서, 제어부(23)는 배터리(21)의 퇴화도(State Of Health: SOH) 별로 CC 충전의 충전전류 씨레이트(Ik)를 정의한 룩업 정보를 참조하여 배터리(21)의 현재 퇴화도에 대응되는 CC 충전의 충전전류 씨레이트(Ik)를 선택할 수 있다. 퇴화도가 크면 충전전류 씨레이트(Ik)는 낮아지고, 퇴화도가 작으면 충전전류 씨레이트(Ik)는 커진다. 배터리(21)의 퇴화도는 미리 계산되어 저장매체(22)에 기록된 값을 참조할 수 있다.
다른 예에서, 제어부(23)는 충전장치(30)의 종류가 급속충전장치인지 아니면 완속충전장치인지 여부에 따라 CC 충전의 충전전류 씨레이트(Ik)를 선택할 수 있다.
충전장치(30)가 급속충전장치인 경우, 제어부(23)는 높은 충전전류 씨레이트(Ik)를 선택할 수 있다. 반대로, 충전장치(30)가 완속충전장치인 경우, 제어부(23)는 낮은 충전전류 씨레이트(Ik)를 선택할 수 있다.
제어부(23)는 CC 충전의 충전전류 씨레이트(Ik) 및 충전온도(Tk)가 결정되면, 저장매체(22)에 미리 저장된 룩업 정보를 참조하여, 충전온도(Tk) 및 충전전류 씨레이트(Ik)에 대응되는 기준 SOC(SOCrefer,k)와 배터리(21)의 충전 프로파일(fk)을 식별한다.
저장매체(22)에는 충전온도(Tk) 및 CC 충전의 충전전류 씨레이트(Ik) 별로 설정된 기준 SOC(SOCrefer,k)와 충전 프로파일(fk)이 룩업 정보로서 미리 저장되어 있을 수 있다.
충전 프로파일(fk)은 기준 SOC(SOCrefer,k)까지의 충전구간에서는 충전전류의 씨레이트가 일정한 CC 충전 구간과 기준 SOC(SOCrefer,k) 이후의 충전구간에서는 충전전류 씨레이트가 점진적으로 감소하는 씨레이트 감쇄 구간을 포함한다. 씨레이트 감쇄 구간에서는 음극 표면과 양극 사이의 전압이 일정하게 유지되는 충전구간이다.
제어부(23)는 기준 SOC(SOCrefer,k)와 충전 프로파일(fk)이 결정되면, 충전장치(30)를 이용하여 충전 프로파일(fk)의 CC 충전구간과 씨레이트 감쇄 구간에 따라 배터리(21)를 충전할 수 있다.
이를 위해, 제어부(23)는 충전전류 씨레이트(Ik)에 대응되는 충전전류의 크기를 포함하는 CC 충전 메시지를 충전장치(30)로 전송할 수 있다. CC 충전 메시지는 충전 케이블에 포함된 통신선로를 통해 전송될 수 있다. 충전장치(30)는 CC 충전 메시지를 수신하면, 충전전류 씨레이트(Ik)에 대응되는 충전전류를 배터리(21)에 인가할 수 있다.
제어부(23)는 CC 충전이 개시되면 전류 센서(25)를 이용하여 충전전류의 크기를 결정하고 암페어 카운팅법에 따라 충전전류를 적산하여 배터리(21)의 현재 충전상태를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(23)는 배터리(21)의 충전상태가 기준 SOC(SOCrefer,k)에 도달될 때까지 CC 충전 메시지를 충전장치(30) 측에 주기적으로 전송한다. 충전장치(30)는 CC 충전 메시지가 수신되는 동안 CC 충전 모드를 지속적으로 유지한다.
한편, 제어부(23)는 배터리(21)의 충전상태가 기준 SOC(SOCrefer,k)에 도달되면, 씨레이트 감쇄 모드로 전환하고 충전 프로파일(fk)을 참조하여 현재의 SOC에 대응되는 충전전류 씨레이트를 결정하고 결정된 충전전류 씨레이트에 대응되는 충전전류의 크기를 포함하는 CV 충전 메시지를 충전장치(30) 측에 전송한다. 충전장치(30)는 CV 충전 메시지가 전송되면, 메시지에 포함된 충전전류 크기를 식별하고 식별된 충전전류의 크기에 대응되는 충전전류를 배터리(21)에 인가한다.
제어부(23)는 씨레이트 감쇄 구간에서 배터리(21)의 충전이 진행되는 동안 충전전류를 계속 적산하여 현재의 충전상태를 다시 갱신하고, 충전 프로파일(fk)을 참조하여 현재의 충전상태에 대응되는 충전전류 씨레이트를 다시 결정하고 결정된 충전전류 씨레이트에 대응되는 충전전류의 크기를 포함하는 CV 충전 메시지를 충전장치(30) 측에 전송한다.
충전장치(30)는 CV 충전 메시지가 전송되면, 메시지에 포함된 충전전류 크기를 식별하고 식별된 충전전류의 크기에 대응되는 충전전류를 배터리(21)에 인가한다.
이러한 충전과정이 반복되면, 배터리(21)의 충전상태가 지속적으로 증가하고 충전전류 씨레이트는 점차 낮아진다. 제어부(23)는 충전 프로파일(fk)을 참조하여 결정되는 충전전류 씨레이트가 미리 설정된 값까지 낮아지면, 충전 종료 메시지를 충전장치(30) 측에 전송한다. 충전장치(30)는 충전종료 메시지가 수신되면, 충전전류를 배터리(21)에 더 이상 인가하지 않는다.
일 예에서, 제어부(23)는 현재의 충전상태에 대응되는 충전전류 씨레이트가 충전 종료 조건으로 미리 설정한 씨레이트까지 낮아졌을 때 충전을 종료할 수 있다.
다른 예에서, 제어부(23)는 전압 센서(26)를 이용하여 배터리(21)의 전압을 측정하고, 배터리(21)의 전압이 만충전 전압에 도달했을 경우 충전을 종료할 수 있다.
또 다른 예에서, 제어부(23)는 배터리(21)의 충전상태가 미리 설정된 수준에 도달되었을 때 충전을 종료할 수 있다.
제어부(23)는 상술한 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(23)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 저장매체(22)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
제어부(23)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (12)

  1. (a) 테스트 단위 셀에 대한 CC(정전류) 충전을 통해 취득한 충전상태에 따른 음극 표면전위 프로파일에서 리튬 석출 경계 전위에 대응되는 기준 충전상태(SOC)를 결정하는 단계;
    (b) 상기 테스트 단위 셀에 대해, 상기 기준 SOC까지의 충전상태 구간에서는 CC 충전을, 상기 기준 SOC 이후의 충전상태 구간에서는 음극 단자 및 양극 단자 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV(정전압) 충전을 진행하여 충전상태에 따른 제1충전 프로파일을 결정하는 단계;
    (c) 상기 테스트 단위 셀에 대해, 상기 기준 SOC까지의 충전상태 구간에서는 CC 충전을, 상기 기준 SOC 이후의 충전상태 구간에서는 음극 표면 및 양극 단자 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV(정전압) 충전을 진행하여 충전상태에 따른 제2충전 프로파일을 결정하는 단계;
    (d) 복수의 셀을 포함하는 배터리에 대해 상기 기준 SOC까지 CC 충전을 진행하고 상기 기준 SOC 이후에 음극 단자 및 양극 단자 사이의 전압을 일정하게 유지하는 CV 충전을 진행하여 충전상태에 따른 제3충전 프로파일을 결정하는 단계; 및
    (e) 상기 제1 및 제2충전 프로파일 사이의 차분을 이용하여 상기 제3충전 프로파일을 보정하여 배터리의 충전 프로파일을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 프로파일 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 테스트 단위 셀은 4극 셀이고,
    상기 4극 셀은,
    적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극;
    상기 음극의 표면 전위에 대한 기준 전위를 제공하는 기준전극; 및
    상기 음극의 표면과 접촉하도록 배치된 음극표면전위 측정전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 프로파일 결정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 상기 테스트 단위 셀에 대해 CC 충전을 진행하면서 상기 기준전극 및 상기 음극표면전위 측정전극을 통해 음극 표면 전위를 측정하여 충전상태에 따른 음극 표면전위 프로파일을 결정하는 단계;
    (a2) 상기 음극 표면전위 측정 경로에 존재하는 내부저항을 측정하는 단계; 및
    (a3) 상기 내부저항에 따른 전압성분을 이용하여 상기 음극 표면전위 프로파일을 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 프로파일 결정방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내부저항은 EIS(Electrochemical impedance spectroscopy)법으로 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 프로파일 결정 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 (a3) 단계에서, 상기 음극 표면전위 프로파일로부터 상기 내부저항에 따른 전압성분을 감산하여 상기 음극 표면전위 프로파일을 보정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 프로파일 결정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 리튬 석출 경계 전위는 O 볼트임을 특징으로 하는 배터리의 충전 프로파일 결정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서, 상기 제3충전 프로파일에 있어서 상기 기준 SOC 이후의 프로파일에 상기 제1 및 제2충전 프로파일의 차분 프로파일을 더하여 상기 제3충전 프로파일을 보정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 프로파일 결정방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 내지 (e) 단계를, CC 충전의 충전전류 씨레이트와 충전온도 조건을 가변시키면서 반복적으로 진행함으로써, 복수의 충전전류 씨레이트 및 충전온도 조건 별로 충전 프로파일을 독립적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 프로파일 결정방법.
  9. 배터리의 온도를 측정하는 온도 센서;
    CC 충전의 충전전류 씨레이트와 충전온도에 따라 충전 프로파일을 저장하고 있는 저장매체; 및
    상기 온도 센서 및 상기 저장매체와 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    온도 센서를 통해 측정된 배터리 온도를 충전온도로 설정하고,
    CC 충전의 충전전류 씨레이트를 설정하고,
    미리 정의된 룩업 정보를 참조하여 상기 충전온도 및 상기 충전전류 씨레이트에 대응되는 리튬 석출 경계 전위에 대응되는 기준 SOC를 결정하고,
    충전장치를 이용하여 상기 기준 SOC까지의 충전구간에서는 상기 충전전류 씨레이트 조건에서 배터리를 CC 충전하고, 상기 기준 SOC 이후의 충전구간에서는 양극 단자와 음극 표면 사이의 전압이 일정하게 유지되는 조건 하에서 미리 산출된 충전 프로파일에 따라 배터리를 충전하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 기준 SOC 이후의 충전구간에서 충전전류 씨레이트를 감쇄시키되, 양극 단자와 음극 단자 사이의 전압이 일정하게 유지되는 CV 충전조건이 적용될 때보다 충전전류 씨레이트의 감쇄 속도를 줄이도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 씨레이트의 감쇄 속도는 상기 배터리의 음극 표면 전위가 리튬 석출 경계 전위에 대응되도록 결정된 것임을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리의 충전상태를 결정하고,
    상기 충전 프로파일을 참조하여 상기 충전상태에 대응되는 충전전류 씨레이트를 결정하고, 상기 충전장치를 이용하여 결정된 충전전류 씨레이트에 상응하는 충전전류를 배터리에 인가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
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