KR20230098247A

KR20230098247A - 셀 배터리 고속 충전 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20230098247A
Application number: KR1020237017685A
Authority: KR
Inventors: 라치드 야자미
Original assignee: 야자미 아이피 피티이. 엘티디.
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2023-07-03
Also published as: WO2022090933A1; US20230411980A1; CN116670966A; EP4233147A1; WO2022090934A1; WO2022090932A1; CN117529864A; CN116746020A; WO2022090935A1; JP2023550541A; US20230369874A1; EP4233145A1; EP4233146A1; US20230402864A1

Abstract

유동 충전 전류 I(t)로 충전 전압 V(t)가 인가될 수 있는 충전/방전 단자들을 구비하는 배터리 셀(B)을 고속 충전하기 위한 방법은 상기 배터리 셀(B)의 단자들에 복수의 정전압 스테이지 V_j를 인가하는 단계 - V_j+1> V_j, j=1, 2..., k, 각각의 전압 스테이지는 간헐적인 n_j 개의 전압 평탄부(voltage plateau)를 포함함 -; 및 일 전압 스테이지 내의 두 개의 연속적인 전압 평탄부 사이에서, 휴지 기간[식(I)] 동안 상기 충전 전류가 휴지(rest)(I=0 A)되게 하는 단계를 포함한다. 상기 고속 충전 방법은 다음의 조건들 중 하나에 도달될 때까지 진행된다: - 사전 설정된 충전 용량 또는 충전 상태(state of charge: SOC)에 도달함, - 셀 온도 T(t)는 사전 설정된 제한 값 T _lim 을 초과함, 및 - 셀 전압 V(t)는 사전 설정된 한계값 V _lim 을 초과하였음.

Description

셀 배터리 고속 충전 방법 및 시스템

본 특허 출원은 2020년 10월 26일자로 출원된 싱가포르 특허 출원 제10202010561W호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 배터리 셀을 고속 충전하기 위한 방법 및 이러한 방법을 구현하는 고속 충전 시스템에 관한 것이다.

리튬 이온 배터리(lithium-ion battery: LIB)는, 알칼리성-전해질 및 산성-전해질 기반 배터리와 같은 주변 온도에서 작동되는 다른 충전식 배터리와 비교할 때, 에너지 밀도(E_d), 전력 밀도(P_d), 수명, 작동 온도 범위, 메모리 효과의 결여, 점점 더 낮아지는 비용 및 재활용 가능성의 관점에서 최고의 결합 성능을 보여준다.

LIB 시장은 다음 세 가지 주요 응용분야를 포괄하기 위해 기하급수적으로 확장되고 있다: a) 모바일 전자제품(mobile electronics: ME)(휴대폰, 휴대용 장치, 랩탑 PC,…), b) 전기모빌리티(electromobility: EM)(전기 자전거, 전기 자동차, 전기 버스, 드론, 항공우주, 보트,...), 및 c) 고정형 에너지 저장 시스템(stationary energy storage system: ESS)(발전소, 건물/주택, 클린 에너지(태양열, 풍력,...)), 산업, 통신….

LIB의 가장 빠르게 성장하는 시장 부분은 전기모빌리티 시장이다.

전기모빌리티에서, 에너지 밀도는 전기 자동차(electric vehicle: EV)의 작동 시간 및 주행 범위와 동반된다. 더 높은 E_d는, 고정된 중량(kg) 및 부피(l)의 배터리 팩을 사용할 때, 더 긴 주행 범위를 제공한다.

LIB의 에너지 밀도는 이의 상용화 이후 꾸준히 향상되고 있다. 그러나 최근 몇 년 동안 셀 수준에서 약 250 Wh/kg 및 700 Wh/l의 평탄부와 함께 E_d 증가가 둔화되었다.

E_d 및 P_d 제약으로 인해, 대부분 LIB로 구동되는 현재 EV는 완전 충전(full charge)당 약 250 km 내지 650 km의 주행 범위 및 60분 초과의 완전 충전 시간을 갖는다.

현재 내연기관 자동차는 5-10분 안에 탱크를 채울 수 있고, 최대 900 km의 주행 범위를 제공한다.

다가오는 에너지 전환에 대해 EV의 성공적인 대중 수용을 보장하기 위해, 오늘날 가장 중대한 옵션은 고속 충전이다. 현재 EV용 고속 충전소는 1) 과열(안전 온도 한계에 도달), 및/또는 2) 과충전(안전 전압 한계에 도달)과 같은 이유로 60분 미만으로 제한된 양의 충전을 제공한다.

리튬 이온 배터리를 위한 일반적인 충전 방법은, 종래기술의 도 1에 의해서 도시된 바와 같이, 문헌[Journal of Energy Storage 6(2016) 125-141]에 개시된다.

"전압 궤적" 방법을 제외하고, 다른 모든 LIB 충전 방법은 충전 프로세스의 적어도 한 단계에서 정전류 및/또는 정전압을 적용한다.

이러한 방법이 60분 미만(고속 충전)에 LIB의 0-100% 완전 충전을 위해 사용될 때의 셀의 주기 수명이나 셀의 온도 프로파일에 대한 언급이 없다. 진술된 방법이 모든 배터리의 화학에 적용된다는 언급이 없다.

종래기술의 도 2의 일반적인 정전류-정전압(Constant Current-Constant Voltage: CCCV) 충전 및 정전류 방전 프로파일을 참조하면, 정전류 단계 동안, 전압은 초기 값으로부터 설정 전압 값(최대 4.4 V)까지 증가한다. 정전압 단계 동안, 최대 4.4V까지, 전류가 설정 값(여기서, 0.05C 또는 C/20)으로 떨어진다.

휴지 시간 동안, 전류는 0이고, 전압은 떨어져 개방 회로 전압(open-circuit voltage: OCV)에 도달된다.

CC 방전 동안, 전류는 고정되고, 전압은 한계치(여기서, 2.5 V)로 떨어진다.

다음 휴지 시간 동안, 전류는 0이 되고, 전압은 새로운 OCV 값으로 증가한다.

다단계 정전류 충전 프로파일(Multistage constant current charge: MSCC)을 특징으로 하는 종래기술의 도 3을 참조하면, 2개의 충전 전류가 셀 I1 및 I2(일반적으로 I1 > I2)에 연속적으로 인가되었다.

I1은 전압이 제1 값 V1에 도달할 때까지 적용된다. 다음으로, I2는 전압이 V2의 값에 도달될 때까지 적용된다.

다른 전류 Ij는 전압 Vj가 도달될 때까지 적용될 수 있으며, 여기서 V1>V2>V3>...Vj>Vj+1이다.

MSCC 충전 프로세스는, 목표 용량이 도달되거나, 전압 상한이 도달되거나, 온도 한계치에 도달되면 종료된다.

CCCV 및 MSCC는 오늘날 리튬 이온 배터리에 사용되는 가장 대중적인 충전 방법이다. CCCV와 MSCC는, 완전 충전 시간이 2시간을 넘는 경우, 간단하고 편리한 방법이다.

CCCV와 MSCC는 둘 다, 사전 설정된 전압 한계치(들)까지 하나 또는 여러 개의 충전 정전류(들)(CC)를 적용하는 것에 기반하고, 다음으로, CCCV의 경우, 정전압(CV)을 적용한다.

CCCV와 MSCC는 다음과 같은 이유로 현실적으로 1시간 이내에 배터리를 충전하는 데 사용될 수 없다: 1) 과도한 열 발생, 2) 내부 단락 및 열 폭주 이벤트를 일으킬 수 있는 애노드(anode) 측의 리튬 금속 플레이팅, 3) 가속화된 노화로 인한 배터리 수명의 감소.

또한 CCCV는 직렬로 연결된 배터리 셀들을 충전하는 데 사용될 때, 예를 들어, 논문(문헌["Implementation of a LiFePO4 battery charger for cell balancing application", by Amin et al. / Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 9 (2018) 81-88])에서 논의된 것처럼 셀 밸런싱(cell balancing)을 필요로 하였다.

CCCV를 구현하는 고전력 응용분야에 요구되는 셀 밸런싱은 밸런싱 속도가 느려 시간이 오래 걸리고 스위칭 구조가 복잡하다는 단점이 있고, 다음 논문에서 제시되는 바와 같이, 스위치 동작을 위한 고급 제어 기술을 필요로 한다: 문헌["Lithium-Ion Battery Pack Robust State of Charge Estimation, Cell Inconsistency, and Balancing: Review" by Mina Naguib et al, published in IEEE Access VOLUME 9, 2021], 및 문헌["Review of Battery Cell Balancing Methodologies for Optimizing Battery Pack Performance in Electric Vehicles" by Zachary Bosire Omariba et al, published in IEEE Access VOLUME 7, 2019].

고속 충전(fast charging: FC) 프로토콜은 논문(문헌["Lithium-ion battery fast charging: a review" published in eTransportation 1 (2019) 100011])에서 검토되었다. 충전 시간이 1시간 미만인 고속 충전의 경우 다음의 고속 충전 문제가 발견된다: 열 발생, 리튬 플레이팅, 재료 열화, tch 내 한정된 전하 흡수(ΔSOC < 100%), 감소된 수명, 안전성, 및 열 폭주.

문헌[Journal of Energy Storage 29 (2020) 101342]의 논문은 고속 충전에서의 CCCV의 한계를 언급하고, 총 충전 시간(Total Charge Time: TCT)= CCCT+CVCT가 감소될 때 수명이 감소되는 것을 개시한다.

문헌[eTransportation 1 (2019) 100011]에서 언급된 바와 같이, 현재까지, 리튬 플레이팅 또는 기계적 균열과 같은 중요한 열화 현상의 발생을 검출할 수 있는 신뢰 가능한 온보드 방법은 존재하지 않는다. 특유의 전압 평탄부(voltage plateau)를 기반으로 리튬 플레이팅을 검출하기 위한 기술은 온라인 응용분야에 대해 유망하지만, 리튬 박리를 다른 평탄부 유발 현상과 구별하거나 평탄부가 관찰되지 않는 플레이팅을 검출하는 완전히 신뢰 가능한 방법은 아직 보고되지 않았다.

고속 충전 프로토콜에 대한 많은 연구는 경험적 또는 실험적 성격을 띠고 있고, 따라서 이들의 성과는 제한된 범위의 셀 화학(cell chemisty), 폼 팩터, 및 작동 조건에 대해서만 평가되었다. 이러한 결과는, 다른 저자에 의해서 보고되는 종종 상충되는 결과에 의해 뒷받침되는 것처럼, 다른 셀 유형이나 주변 온도로 쉽게 확장될 수 없다.

본 발명의 주요 목적은, 더 많은 수의 충전 사이클 동안 배터리 셀의 무결성을 유지하면서 충전 시간을 상당히 감소시키는 배터리 셀을 고속 충전하기 위한 새로운 방법을 제안함으로써 이러한 문제를 극복하는 것이다.

주요 기호 및 정의

i, I = 전류 강도 (A, mA...)

v, V = 셀 전압 (볼트, V)

Q_ch, q_Ch = 충전 용량 (Ah, mAh...)

Q_dis, q_dis = 방전 용량 (Ah, mAh...)

Q_nom = 셀의 공칭 용량 (Ah, mAh...)

C-rate = 충전 시간(단위: 시간)에 대한 전류 강도.

1C-rate는 1시간 내에 Q_nom을 달성하기 위해서 필요한 전류 강도이다.

2C-rate는 0.5시간 내에 Q_nom을 달성하기 위해서 필요한 전류 강도이다.

0.5C-rate는 2시간 내에 Q_nom을 달성하기 위해서 필요한 전류 강도이다.

SOC = Q_nom에 상대적인 충전 상태(%)

SOH = 잔존 수명(state of health)은 초기 Q_nom에 상대적인 셀의 실제 전용량(full capacity)이다.

SOS = 열폭주 위험의 추정된 안전 상태

A = 전압의 시간 미분 (V.s^-1에서

)

t_s = 단계 시간(초)

t_ch = 충전 시간(분)

이러한 목적은 유동 충전 전류로 충전 전압이 인가될 수 있는 충전/방전 단자들을 구비하는 배터리 셀을 고속 충전하기 위한 방법으로 달성되며, 상기 방법은,

- 상기 배터리 셀의 단자들에 복수의 정전압 스테이지 V_j를 인가하는 단계 - V_j+1> V_j, j= 1, 2..., k, 각각의 전압 스테이지는 간헐적인 n_j 개의 전압 평탄부(voltage plateau)를 포함함 -; 및

- 일 전압 스테이지 내의 두 개의 연속적인 전압 평탄부 사이에서, 휴지 기간

(1 ≤ p ≤ n_j) 동안 상기 충전 전류가 휴지(I = 0 A)되게 하는 단계를 포함하되,

- 상기 고속 충전 방법은 다음의 조건들 중 하나에 도달될 때까지 진행된다:

- 사전 설정된 충전 용량 또는 충전 상태(state of charge: SOC)에 도달함,

- 셀 온도가 사전 설정된 제한 값 T _lim 을 초과함, 및

- 셀 전압이 사전 설정된 한계값 V _lim 을 초과하였음.

(p=n_j)가 임계값

에 도달하면, 전압 스테이지 V_j로부터 이어지는 스테이지 V_j+1으로의 전이가 유리하게 시작된다.

본원의 고속 충전 방법은 상기 추종하는 스테이지 V_j+1을 = V_j + ΔV(j)으로서 계산하는 단계를 더 포함할 수 있으며, ΔV(j)는 전류 변화 ΔI(j) =

-

(p=n_j)에 관련될 수 있다.

본 발명의 고속 충전 방법은 다음 단계를 추가로 포함할 수 있다:

- 전압 스테이지 V_j 동안 상기 배터리 셀의 전류 강도(Io)를 측정하는 단계;

- 강도 변화(ΔI(j))를 ΔI(j) = Io - I_limit으로서 계산하는 단계 - I_limit는 미리 결정된 한계 전류에 의해 정의됨 -;

- 전압 변동(ΔV(j))을 ΔV(j) = K_n.ΔI(j)으로서 계산하는 단계 - K_n은 조정 가능한 계수로서 정의됨 -; 및

- 상기 배터리 셀(B)의 단자들에 새로운 전압 스테이지 V_j+1 =V_j+ΔV(j)를 인가하는 단계.

상기 연속적인 K-값 K_n-1 내지 K_n은 상기 배터리 셀의 충분한 충전을 유지하도록, 기계 학습 기술을 사용함으로써 결정될 수 있다.

전압 평탄부로부터 다른 전압 평탄부로의 이동은 사전 결정된 값보다 큰 전류 변동 ΔI를 검출함으로써, 또는 한계 C-rate보다 더 작은 전류를 검출함으로써 개시된다.

전압 평탄부로부터 다른 전압 평탄부로 이동되는 것을 허용하는 한계 C-rate가 C-Rate(1+α)로서 결정될 수 있고, 여기서, α는 두 개의 전압 평탄부 사이의 휴지 시간을 보상하기 위해 제공된 계수로서 정의된다.

임의의 본 발명의 고속 충전 방법은 다음 단계를 추가로 포함할 수 있다:

- 전압 스테이지 V_j 및 임박한 전압 평탄부(pending voltage plateau) 내의 두 개의 연속적인 전류 휴지 시간

와

사이에서, 초기 값

으로부터 떨어지는 유동하는 펄스형 전류가 최종 값

(1 ≤ p ≤ n_j)에 도달하는 것을 검출하는 단계;

- 상기 유동하는 펄스형 전류가 휴지 시간

동안 0으로 떨어지도록 상기 임박한 전압 평탄부를 종료하는 단계 - 상기 전압은 V_j로부터 벗어남 -; 및

- 상기 휴지 시간

경과 후, 상기 전압을 다시 V_j로 인가하는 단계.

본 발명의 고속 충전 방법은 C-rate, 전압, 및 충전 시간에 대한 충전 명령어를 포함하는 입력으로부터 초기 K-값 및 충전 단계를 결정하기 위한 초기 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 고속 충전 방법은, 비선형 전압 수식을 적용하고 K-값 및 ΔC-rate를 사용함으로써, 시프트 전압을 결정하기 위한 단계로 이어지는, C_Shift 임계값을 검출하기 위한 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 고속 충전 방법은 직렬 및/또는 병렬로 배열된 배터리 셀들의 조합에 적용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명에 따른 고속 충전 방법을 구현하는, 배터리 셀을 고속 충전하기 위한 시스템이 제안되며, 상기 시스템은, 전원에 연결되고 상기 배터리 셀의 단자들에 충전 전압을 인가하도록 설계된 전자 변환기를 포함하고, 상기 전자 변환기는 배터리 셀 유동 전류 및 셀 전압 측정값 및 충전 명령어 데이터를 처리하도록 설계된 충전 컨트롤러에 의해 제어되고, 상기 충전 컨트롤러는 상기 전자 변환기가,

- 상기 배터리 셀의 단자들에 복수의 정전압 스테이지 V_j를 인가하게 하고 - V_j+1> V_j, j = 1, 2..., k, 각각의 전압 스테이지는 간헐적인 n_j 개의 전압 평탄부를 포함함 -,

(1 ≤ p ≤ n_j) 동안 상기 충전 전류가 휴지(I=0 A)되게끔 제어하도록 추가로 설계되며,

상기 제어는 아래의 조건들 중 하나에 도달될 때까지 진행된다:

- 사전 설정된 충전 용량 또는 충전 상태(SOC)에 도달함,

- 셀 온도가 사전 설정된 제한 값 T _lim 을 초과함, 및

- 셀 전압 V(t)가 사전 설정된 한계값 V _lim 을 초과하였음.

상기 전자 변환기는 유리하게, (i) 인공 지능 방법의 구현 및 (ii) VSIP 데이터의 온라인 저장 및 계산을 가능하게 하는 처리 능력을 가진 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다.

본 발명은 다음으로 구성된 전압 스테이지형 간헐적 펄스 배터리 충전 방법 및 충전 시스템(Voltage Staged Intermittent Pulse: VSIP)을 개시한다:

완전히(100% ΔSOC) 충전하는 총 시간은 60분 미만 및 30분 미만이다.

복수의 정전압 스테이지 V_j를 인가하는 단계, 여기서 V_j+1> V_j(j=1, 2..., k).

각각의 전압 스테이지는 간헐적인 n_j 전압 평탄부들로 구성된다.

전압 스테이지가 있는 두 개의 연속적인 전압 평탄부 사이에서, 전류는 기간

(1 ≤ p ≤ n_j) 동안 휴지된다(I=0 A).

현재 휴지 기간

동안, 전압은 V_j에서로부터 벗어난다.

일 전압 스테이지 V_j 내의 두 개의 연속적인 전류 휴지 시간

와

사이에서, 유동하는 펄스형 전류는 초기 값

으로부터 최종 값

값(1 ≤ p ≤ n_j)으로 떨어진다.

에 도달하면, 휴지 시간

동안 전류가 휴지된다(0으로 떨어짐).

휴지 시간

이 경과한 후, 전압은 V_j로 되돌아간다.

전압 스테이지 V_j에서 다음 단계 V_j+1으로의 전환은,

(p = n_j)가 임계값

에 도달할 때 발생된다.

전압 단계 ΔV(j)= V_j+1 - V_j는 전류 변화 ΔI(j)=

-

(p = n_j)와 관련된다.

VSIP 충전 프로세스는 아래의 조건들 중 하나에 도달될 때까지 진행된다: 1) 사전 설정된 충전 용량 또는 충전 상태(SOC)에 도달함, 2) 셀 온도가 사전 설정된 제한 값 T _lim 을 초과함, 및 3) 셀 전압이 사전 설정된 한계값 V _lim 을 초과하였음.

VSIP 방법의 주요 특징은 아래에 있다:

VSIP는 30분 미만의 시간에 배터리를 완전히 충전한다(ΔSOC=100%).

충전 시간은, ΔSOC<100%(예를 들어 20으로부터 100%까지의 부분 충전, ΔSOC=80%)인 경우 훨씬 더 낮다.

VSIP 동안 셀 전압은 LIB에서 4.5V, 알칼리 셀에서 2V, 그리고 납전지에서 3V를 초과할 수 있다.

VSIP 동안, 전압 및 전류 중 어느 것도 3분보다 더 긴 기간 동안 일정하지 않다.

VSIP 동안 셀 온도 Tcell과 주변 온도 Tamb 사이의 온도 차이는 25°C 미만(Tcell - Tamb <35°C)으로 유지된다.

VSIP 작동 매개변수는 셀의 화학, SOC, SOH 및 SOS에 따라 조정 가능하다.

VSIP 매개변수 조정은 인공지능(AI, 예컨대, 머신러닝, 딥러닝...)을 사용하여 수행될 수 있다.

VSIP는 개별 배터리 셀들뿐만 아니라, 직렬 및 병렬로 배열된 셀들(배터리 모듈, 배터리 팩, 파워 월(power wall),...)에 적용된다.

VSIP는, LIB, 고체-상태 리튬 배터리, 나트륨 기반 애노드 셀, 아연 기반 애노드 셀, 알칼리, 산성, 및 고온 셀(즉, 용융 금속 셀)을 포함하되 이에 한정되지 않는 다양한 배터리 셀 화학에 적용된다.

2개의 연속적인 VSIP 전류 및 전압 프로파일은 서로 다를 수 있다.

본 발명에 따른 고속 충전 VSIP 방식에 의해서 제공되는 장점은 다음과 같다:

- VSIP는, 납전지, 알칼리 셀, 리튬 이온 셀, 리튬 폴리머 셀, 고체 리튬 셀을 포함하여, 모든 유형의 충전가능한 배터리와 ME, EM, ESS를 포함하되 이에 한정되지 않는 모든 응용분야에 적용되는 범용 충전 기술이다.

- VSIP는, 셀의 온도를 50℃(안전) 미만으로 유지하고 긴 수명을 제공하면서, 60분 미만 및 30분 미만에서 배터리를 완전히 충전한다(0로부터 100% SOC로).

- VSIP는 특정 응용분야(스트레스 테스트)를 위한 배터리의 품질 관리(QC)에 적용될 수 있다.

- VSIP는 적응형 충전 방식이므로, 어떤 작동 조건(전력 프로파일, 온도,...) 하에서도 배터리 수명을 연장한다.

- VSIP는 배터리 셀의 정격 에너지 밀도(rated energy density)에 비해 에너지 밀도를 높인다.

- VSIP는 고속 충전을 위해 설계되었지만, tch> 60분과 같은 더 긴 충전 시간에도 적용된다.

고속 충전 사이클 성능 지수 Φ는 또한 다음과 같이 제공된다:

여기서,

Φ = 정규화된 사이클 성능 지수

i= 사이클 수

t _i = i번째 사이클에서 충전 시간(시간)

= i번째 사이클에서 방전 용량 (Ah)

Q_nom = 공칭 용량 (Ah)

n=

가 약 80% 이하로 떨어질 때의 사이클 수

전압 단계 간헐적 펄스(Voltage Step Intermittent Pulse: VSIP)에 기반한, LIB를 안전하게 고속 충전하기 위한 신기술이 입증되었다.

VSIP는 매개변수가 수동으로 또는 인공 지능 방법 및 기술을 사용하여 조정가능한 적응형 충전 기술이다.

낮은 온도(45℃ 미만)와 긴 사이클 수명(1300# 초과)을 유지하면서 20분 미만의 VSIP 100% SOC 충전이 가능하다.

부분 충전(ΔSOC<100%)은 10분 미만으로 수행될 수 있다.

4.5 V 초과의 전압이 VSIP 충전 하에서 안전하게 도달될 수 있다.

VSIP 충전 동안 리튬 플레이팅의 흔적이 없다.

VSIP 충전으로 ΔSOC<100%의 1000회 이상의 충전-방전 사이클이 달성될 수 있다.

VSIP는 아래와 항목을 위해서 사용될 수 있다: 1) 셀의 품질 관리. 2) 단일 셀들 및 직렬 및 병렬로 배열된 셀들(배터리 모듈 및 배터리 팩), 3) 저장 용량 향상.

고속 충전 성능 지수는 고속 충전 프로토콜을 비교하는 메트릭(metric)으로서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 NLV 기반 고속 충전 방법을 사용하면, 이제 충전 전압이 제어되기 때문에, 직렬로 연결된 배터리 셀의 충전을 위한 셀 밸런싱을 제공할 필요가 없다. 따라서, 본 발명의 고속 충전 방법은 배터리 셀들 사이에 고유한 밸런싱(intrinsic balancing)을 제공한다.

종래기술을 도시하는 도면:
도 1은 종래기술의 충전 방법에 대한 개략적인 설명이다.
도 2는 일반적인 CCCV 충전 및 CC 방전 프로파일을 도시한다.
도 3은 멀티스테이지 정전류 충전 프로파일(Multistage constant current charge: MSCC)을 도시한다.
도 4와 도 5는 고속 충전에서 CCCV의 한계를 도시한다.
본 발명을 도시하는 도면 :
도 6은 VSIP 충전 및 CC 방전 사이클 동안의 일반적인 전압 및 전류 프로파일을 도시한다.
도 6은 VSIP 충전 및 CC 방전 동안의 일반적인 전압 및 전류 프로파일을 도시한다(여기서 완전 충전 시간은 26분임).
도 8은 VSIP 충전 동안의 일반적인 전압 및 전류 프로파일을 도시한다.
도 9는 복수의 전압 스테이지 Vj를 갖는 VSIP 동안의 전형적인 전압 프로파일을 도시한다(여기서 총 충전 시간은 약 35분임).
도 10은 전압 및 전류 간헐성을 보여주는 VSIP 충전 동안의 상세한 전압 및 전류 프로파일을 도시한다.
도 11은 휴지 시간을 도시하는 VSIP 충전 중 상세한 전압 및 전류 프로파일을 도시한다.
도 12는 전압 강하를 보여주는 휴지 시간 동안의 전압 및 전류 프로파일을 도시한다.
도 13은 단계 j에서의 전류 프로파일을 도시한다.
도 14는 하위 단계 j,p에서의 전류 프로파일을 도시한다.
도 15는 여러 사이클에 걸친 약 17분 동안의 VSIP 충전 동안 일반적인 ΔV(j)= V_j+1 - V_j 대 시간 프로파일을 도시한다.
도 16은 26분 내 VSIP 충전 동안 전압 및 획득된 용량을 도시한다.
도 17은 26분 내 VSIP 충전 후 12 Ah 셀의 방전 프로파일을 도시한다.
도 18은 선형 전압전류법 대 VSIP를 도시한다.
도 19는 두 개의 연속적인 VSIP 충전 프로파일이 서로 다를 수 있다는 것을 도시한다.
도 20은 VSIP 충전 전압 및 전류 프로파일(60분)을 도시한다.
도 21은 VSIP 충전 전압 및 전류 프로파일(45분)을 도시한다.
도 22는 VSIP 충전 전압 및 전류 프로파일(30분)을 도시한다.
도 23은 VSIP 충전 전압 및 전류 프로파일(20분)을 도시한다.
도 24는 약 16분 내 VSIP에 의한 80% 부분 충전을 도시한다.
도 25는 30분 내 VSIP 충전 동안의 온도 프로파일을 도시한다: LIB의 품질 관리(QC)를 위한 스트레스 테스트.
도 26은 양호한 품질의 셀에서 20분 내 VPC 동안의 온도 프로파일을 도시한다.
도 27은 VSIP가 셀의 용량을 향상시키는 것을 도시한다.
도 28 및 도 29는 VSIP가 병렬인 다중 셀 시스템에 적용되는 것을 도시한다.
도 30 및 도 31은 VSIP가 직렬의 다중 셀 시스템에 적용되는 것을 도시한다.
도 32는 사이클 성능 지수를 도시한다.
도 33은 베이지안 최적화를 사용한 VSIP 흐름도이다.
도 34는 고속 충전 VSIP 시스템의 개략도이다.
도 35는 약 30분 내 NLV 충전 동안 측정된 4개의 직렬 셀 전압 프로파일을 도시한다.

본 발명에 따른 고속 충전 방법을 구현하는 컨트롤러를 인공 지능(AI) 기반 접근 방식으로 프로그래밍하기 위해, 듀티 기준(duty criteria) 목록이 제안된다:

- 충전 시간 t_ch 고정

- t_ch 내에 목표 용량에 도달

- 온도를 제어 하에 유지 (<60℃)

- 목표 사이클 수 달성

- 배터리 안전성 보장

- 용량 향상

본 발명에 따른 고속 충전 방법의 변수는 다음과 같다:

- VSIP 지배 방정식

- A= ΔV/Δt =f(i, V, Δi/Δt, T, SOC, SOH)

- 충전 전류 제한

- 다음 전압 단계에 대한 전류 트리거

- 휴지 시간

- 온도 제한

- 전압 제한

- 목표 용량 제한

베이지안 최적화(Bayesian optimization)가 비선형 전압전류법(Non Linear Voltammetry: NLV) 변수를 조정하는 데 사용된다.

NLV 변수는 각각의 주기에서 다음 기준을 충족하도록 조정된다:

도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 실시형태에서, 본 발명에 따른 고속 충전(VSIP) 방법은 VSIP 충전, CC 방전 사이클 내의 충전 시퀀스 동안 구현된다. 이러한 프로파일에서, C-rate는 배터리 셀의 전류를 나타낸다.

도 8 및 도 9에서 도시된 바와 같이, 지속 시간이 약 26분인 VSIP 충전 시퀀스는 다수의 증가하는 전압 스테이지를 포함하며, 각각의 전압 스테이지 V₁,...,V_j, V_j+1,..V_k는 일정한 전압 평탄부를 포함한다.

도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, VSIP 충전 시퀀스의 각각의 전압 평탄부 동안, 전압 프로파일은 일정하고, 두 개의 연속적인 평탄부 사이에서 낮은 일정한 전압으로 감소되는 한편, C-rate 프로파일은 각각의 평탄부 동안 감소를 포함하고, 두 개의 평탄부 사이의 휴지 기간 동안 0으로 감소한다.

휴지 시간 동안, 상세한 전류 및 전압 프로파일을 도시하는 도 12에 의해서 예시되는 바와 같이, 전압은,

가 위에서 설명된 바와 같이 계산된 일정한 음수 값을 갖도록 제어될 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 전압 스테이지 j는, 배터리 셀의 단자에 인가된 전압 평탄부에 응답하여 전류 충격(current impulsion) 1,2,3, ...n_j를 포함한다.

전압 평탄부 V_j 동안, 하위-단계 j,p에서 전류는 도 15에서 도시되는 바와 같이,

로부터

로 감소한다.

본 발명에 따른 고속 충전 방법으로 작동되는 다수의 충전 사이클에 대해, 연속적인 전압 스테이지들 V_j, V_j+1 내의 연속적인 전압 평탄부 사이에서 경험되는 전압 변동 ΔV는, 도 15에 도시된 바와 같이, 시간이 지남에 따라 전체적으로 감소한다.

도 16에 도시된 바와 같이, 완전 충전 시간이 26분 동안 지속되는 전압 충전 VSIP 시퀀스 동안, 충전 용량 Q_ch는 지속적으로 증가하는 한편, 대응되는 전압 프로파일은, 각각 휴지 시간이 있는 전압 평탄부를 포함하는 연속적인 전압 스테이지를 포함한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 이후의 방전 시퀀스 동안, 방전 용량 Q_dis는 배터리 셀의 단자들에 인가된 전압에 의해 감소한다.

본 발명에 따른 VSIP 고속 충전 방법은 도 18에 도시된 각각의 별개의 전압 및 전류 프로파일과 함께, 종래의 선형 전압전류법(Linear Voltammetry: LV) 방법과 분명히 다르다. 각각의 전류 및 전압 프로파일은, 도 19에 도시된 바와 같이, 충전/방전 VSIP 사이클마다 다를 수 있다.

각각의 도 20, 도 21, 도 22, 및 도 23을 참조하면, 예를 들어, 60분, 45분, 30분으로부터 20분으로 충전 시간이 변경될 때, 전압 및 전류 프로파일의 가변성이 관찰된다. 60분 충전 시간 동안, 충전 시퀀스는 4개의 전압 스테이지를 포함하고(도 20), 45분 충전 시간 동안, 충전 시퀀스는 8개의 전압 스테이지를 포함한다(도 21). 30분 충전 시간 동안, 충전 시퀀스는 10개의 전압 스테이지를 포함하고(도 22), 20분 충전 시간 동안, 충전 시퀀스는 4개의 전압 스테이지를 포함한다(도 23).

도 24에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 VSIP 충전 방법은 약 16분 내에 리튬-이온 배터리 셀의 80% 부분 충전을 허용한다.

도 25를 참조하면, 30분 내의 VSIP 충전 동안, 셀 A, B 및 D의 온도가 안전 한계인 50℃ 초과로 상승되었다. 이러한 배터리 셀은 VSIP 스트레스 테스트를 통과하지 못했다. 단지 셀 C만 스트레스 테스트를 통과했다. 이것은 모든 LIB 셀이 고속 충전될 수 없다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명에 따른 VSIP 충전 방법은 또한, 고속 충전을 위한 시스템에서 셀을 사용하기 전에 스트레스 품질 관리(QC) 테스트로서 사용될 수 있다.

도 26을 참조하면, 우수한 품질의 LIB 셀의 충전 시퀀스 동안, 약 20분 내에 완전 충전이 달성되고, 셀의 온도는 32℃를 초과하지 않는다.

도 27을 참조하면, 전압 상한치, 단계 시간, 전압 단계 전이에 대한 ΔV 및 ΔI/Δt와 같은 VSIP 매개변수를 조정함으로써, 안전과 수명을 손상시키지 않으면서, 방전 용량이 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 VSIP 충전 방법은, CC 방전이 있는 도 28 및 도 28의 VSIP 충전 시퀀스 동안의 전압 및 전류 프로파일의 상세도인 도 29에 도시된 바와 같이, 약 35분 내에 병렬로 조립된 4개의 LIB 셀을 충전하기 위해 구현될 수 있다.

도 30, 도 31, 및 도 35를 참조하면, 본 발명에 따른 VSIP 충전 방법은 약 35분 내에 직렬의 4개의 전자담배(e-cig) 셀을 충전하기 위해서 적용될 수 있다.

도 35에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 4개의 셀에 대응되고 NLV 충전 동안 측정된 전압 V1, V2, V3, 및 V4의 프로파일은 서로 매우 근접하며, 이는 셀 밸런싱이 일어나는 것을 막는다.

이러한 구성에서, VSIP 충전 방법은, 더 이상 시간 소모적이고 에너지를 사용하는 활성 셀 밸런싱을 요구하지 않기 때문에, CCCV에 비해 특히 유리하다.

도 32에 도시된 바와 같이, 충전 및 방전 용량은 사이클 수의 함수로서 변한다. 고속 충전 사이클 성능 지수 Φ는 다음과 같이 계산될 수 있다:

여기서,

Φ = 정규화된 사이클 성능 지수

i = 사이클 수

t _i = i번째 사이클에서 충전 시간(시간)

= i번째 사이클에서 방전 용량 (Ah)

Q_nom = 공칭 용량 (Ah)

도 33 및 도 34를 참조하여, 구현된 VSIP 충전 방법과 함께 VSIP 고속 충전 시스템의 실시예가 설명된다. 이러한 VSIP 고속 충전 시스템(10)은, 외부 에너지원(E)에 의해 제공되는 전기 에너지를 처리하고 충전될 배터리 셀(B)에 가변 전압(V(t))을 공급하도록 설계된 전력 전자 변환기(11)를 포함한다. 이러한 배터리 셀(B)이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 셀 시스템에 의해서 대체될 수 있다는 점에 주의한다.

VSIP 시스템(10)은 다음을 수신하고 처리하도록 설계된 VSIP 컨트롤러(1)를 더 포함한다:

- 전력 전자 변환기(11)와 배터리 셀(B) 사이의 전류 회로에 배치된 전류 센서(13)에 의해서, 그리고 배터리 셀(B) 상에 또는 내에 배치된 온도 센서(12)에 의해서 제공된 측정 데이터,

- 예상되는 C-Rate, 충전 전압 명령 및 충전 시간 명령어와 같은 입력을 포함하여, 사용자 인터페이스로부터 수집된 명령어 데이터.

VSIP 컨트롤러(1)는, 충전 프로세스를 종료(9)하기 위한 종료 기준 중 적어도 하나가 충족될 때까지 VSIP 방법에 따라 충전 전압 프로파일을 생성하도록 컨버터(10) 내의 전력 전자 구성요소를 제어하도록 추가로 설계된다.

이러한 VSIP 종료 기준(5)은 다음을 포함한다:

- 최소 C-Rate 컷오프,

- 안전 전압 초과,

- 충전 용량 도달

- 과열.

사용자에 의해서 명령어(6)로서 입력될 수 있는 입력, 즉 "C-Rate", "전압" 및 "경과 충전 시간"으로부터, VSIP 컨트롤러(1)는 먼저 초기 K 값과 충전 단계를 결정한다.

충전 종료 기준이 충족되지 않고 C-Rate에 대한 사전 결정된 임계값이 도달되지 않는 경우, VSIP 컨트롤러(1)는 충전 단계 기간 동안 전압을 인가함으로써 충전 시퀀스(2)를 개시하고, 배터리 셀 안으로 흐르는 전류의 이미지인 C-Rate가 측정된다.

전류가 사전 설정된 C-rate 값에 도달하면, VSIP 컨트롤러(1)는 배터리 셀에 전압이 인가되지 않는 휴지 기간(3)으로 전환된다. 이러한 휴지 기간의 지속 시간은 전류 감소 전에 측정된 C-Rate에 의존한다.

C 시프트가 결정된 임계값(8)에 도달하면, VSIP 컨트롤러(1)는 배터리 셀의 충분한 충전을 유지하는 데 필요한 시프트 전압(4)을 계산한다. 이러한 계산은 K-값과 ΔC-rate를 사용하는 NLV 방정식에 기초할 수 있다. 계산된 시프트 전압은 배터리 셀에 새로운 전압 단계를 적용하기 위해 적용된다.

물론, 본 발명은 상술된 실시예에 한정되지 않고, 다른 실시형태가 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 고려될 수 있다.

Claims

유동 충전 전류 I(t)로 충전 전압 V(t)가 인가될 수 있는 충전/방전 단자들을 구비하는 배터리 셀(B)에 대한 고속 충전 방법으로서,
- 상기 배터리 셀(B)의 단자들에 복수의 정전압 스테이지 V_j를 인가하는 단계 - V_j+1> V_j, j=1, 2..., k, 각각의 전압 스테이지는 간헐적인 n_j 개의 전압 평탄부(voltage plateau)를 포함함 -; 및
일 전압 스테이지 내의 두 개의 연속적인 전압 평탄부 사이에서, 휴지 기간(rest period)
(1≤p≤n_j) 동안 상기 충전 전류가 휴지(I=0 A)되게 하는 단계를 포함하고,
상기 고속 충전 방법은 아래의 조건들 중 하나에 도달될 때까지 진행되는, 고속 충전 방법.
- 사전 설정된 충전 용량 또는 충전 상태(state of charge: SOC)에 도달함,
- 셀 온도 T(t)는 사전 설정된 제한 값 T _lim 을 초과함, 및
- 셀 전압 V(t)는 사전 설정된 한계값 V _lim 을 초과하였음.
제1항에 있어서,
(p=n_j)가 임계값
에 도달하면, 전압 스테이지 V_j로부터 추종하는 스테이지 V_j+1로의 전이가 시작되는, 고속 충전 방법.
제2항에 있어서, 상기 고속 충전 방법은 상기 추종하는 스테이지 V_j+1을 = V_j + ΔV(j)으로서 계산하는 단계를 더 포함하며, ΔV(j)는 전류 변화
(p=n_j)에 관련된, 고속 충전 방법.
제3항에 있어서,
- 전압 스테이지 V_j 동안 상기 배터리 셀(B)의 전류 강도(Io)를 측정하는 단계;
- 강도 변화(ΔI(j))를 ΔI(j) = Io - I_limit으로서 계산하는 단계 - I_limit는 미리 결정된 한계 전류에 의해 정의됨 -;
- 전압 변동(ΔV(j))을 ΔV(j) = K_n.ΔI(j)으로서 계산하는 단계 - K_n은 조정 가능한 계수로서 정의됨 -; 및
- 상기 배터리 셀(B)의 단자들에 새로운 전압 스테이지 V_j+1 =V_j+ΔV(j)를 인가하는 단계를 더 포함하는, 고속 충전 방법.
제4항에 있어서, 상기 연속적인 K-값 K_n-1 K_n은 상기 배터리 셀(B)의 충분한 충전을 유지하도록, 기계 학습 기술을 사용함으로써 결정되는, 고속 충전 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
- 전압 스테이지 V_j 및 임박한 전압 평탄부(pending voltage plateau) 내의 두 개의 연속적인 전류 휴지 시간
와
사이에서, 초기 값
으로부터 떨어지는 유동하는 펄스형 전류가 최종 값
(1≤p≤n_j)에 도달하는 것을 검출하는 단계;
-상기 유동하는 펄스형 전류가 휴지 시간
동안 0으로 떨어지도록 상기 임박한 전압 평탄부를 종료하는 단계 - 상기 전압은 V_j로부터 벗어남 -; 및
-상기 휴지 시간
경과 후, 상기 전압을 다시 V_j로 인가하는 단계를 더 포함하는, 고속 충전 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, C-rate, 전압, 및 충전 시간에 대한 충전 명령어를 포함하는 입력으로부터 초기 K-값 및 충전 단계를 결정하기 위한 초기 단계를 더 포함하는 고속 충전 방법.
제7항에 있어서, 비선형 전압 방정식을 적용하고 K-값 및 ΔC-rate를 사용함으로써, 시프트 전압을 결정하기 위한 단계로 이어지는, C_shift 임계값을 검출하기 위한 단계를 더 포함하는, 고속 충전 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 직렬 및/또는 병렬로 배열된 배터리 셀들의 조합에 적용되는 고속 충전 방법.
제9항에 있어서, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 충전하도록 구현되고, 상기 배터리 셀들 사이에 고유한 밸런싱(intrinsic balancing)을 제공하는 고속 충전 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 고속 충전 방법을 구현하는, 배터리 셀(B)을 고속 충전하기 위한 시스템(10)으로서, 상기 시스템(10)은, 에너지원(E)에 연결되고 상기 배터리 셀(B)의 단자들에 충전 전압(V(t))을 인가하도록 설계된 전자 변환기(11)를 포함하며, 상기 전자 변환기(11)는 배터리 셀 유동 전류(I(t)) 및 온도 T(t)의 측정값 및 충전 명령어 데이터를 처리하도록 설계된 충전 컨트롤러(1)에 의해 제어되고, 상기 충전 컨트롤러는 상기 전자 변환기가,
- 상기 배터리 셀(B)의 단자들에 복수의 정전압 스테이지 V_j를 인가하게 하고 - V_j+1> V_j, j=1, 2..., k, 각각의 전압 스테이지는 간헐적인 n_j 개의 전압 평탄부를 포함함 -,
- 일 전압 스테이지 내의 두 개의 연속적인 전압 평탄부 사이에서, 휴지 기간
(1 ≤ p ≤ n_j) 동안 상기 충전 전류가 휴지(I=0 A)되게 하게끔 제어하도록 추가로 설계되며,
상기 제어는 아래의 조건들 중 어느 하나가 도달될 때까지 진행되는, 시스템.
- 사전 설정된 충전 용량 또는 충전 상태(SOC)에 도달함,
- 상기 셀 온도(T(t))는 사전 설정된 제한 값 T _lim 을 초과함, 및
- 상기 셀 전압(V(t))은 사전 설정된 한계값 V _lim 을 초과하였음.
제11항에 있어서, 상기 전자 변환기는 (i) 인공 지능(artificial intelligence: AI) 방법의 구현 및 (ii) VSIP 데이터의 온라인 저장 및 계산을 가능하게 하는 처리 능력을 가진 마이크로컨트롤러를 포함하는, 시스템(10).
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 시스템은 직렬로 연결된 배터리 셀들의 시스템을 충전하기 위해 구현되고, 상기 충전 컨트롤러는 상기 배터리 셀들 사이에 고유한 밸런싱을 제공하도록 추가로 설계된, 시스템.