KR20230150204A

KR20230150204A - 배터리 제어 장치 및 배터리 제어 방법

Info

Publication number: KR20230150204A
Application number: KR1020230050321A
Authority: KR
Inventors: 최동인
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2022-04-21
Filing date: 2023-04-17
Publication date: 2023-10-30
Also published as: KR102619695B1

Abstract

배터리 제어 장치 및 배터리 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 배터리 제어 장치는, 배터리의 전압을 측정하여, 상기 측정된 전압을 나타내는 전압 측정값을 출력하는 측정부, 제1 충전율, 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 후속하는 다른 정전류 충전 절차에 이용되는 제2 충전율, 및 상기 제1 충전율에 연관된 제1 기준 SOC을 포함하는 멀티 스테이지 충전 프로토콜 데이터를 저장하는 메모리, 및 상기 전압 측정값에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 식별하는 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는, 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되는 중 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC에 도달한 경우, 일시적 방전 절차를 진행하고, 상기 일시적 방전 절차의 방전 정보를 기초로, 상기 제2 충전율과는 상이한 조정된 제2 충전율을 결정하고, 상기 일시적 방전 절차의 종료 후, 상기 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행한다.

Description

배터리 제어 장치 및 배터리 제어 방법{BATTERY CONTROL APPARATUS AND BATTERY CONTROL METHOD}

본 발명은 배터리 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 충전 상태(SOC: State Of Charge)에 맞춰 충전 전류의 크기가 적어도 1회 이상 변화하는 멀티 스테이지 충전 절차가 진행되는 중에 적어도 1회의 일시적 방전 기간을 두어 리튬 석출을 억제하면서도 높은 효율로 배터리가 충전될 수 있도록, 멀티 스테이지 충전 프로토콜을 이용한 충전 절차를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 출원은 2022년 04월 21일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2022-0049483호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.

최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

이러한 배터리는 고용량화 및 고밀도화 측면에서 많은 연구가 진행되고 있지만 수명과 안전성 향상 측면도 중요하다. 이를 위해서는 전극 표면에서 전해액과의 분해 반응 억제가 필요하고, 과충전 및 과방전을 방지하는 것이 요구된다.

특히, 음극 표면에 리튬이 석출되는 현상인 리튬 플레이팅(Li-plating)을 방지할 필요가 있다. 음극 표면에 리튬이 석출되면 전해액과의 부반응 및 배터리의 운동역학적 균형(kinetic balance) 변경 등을 초래하여 배터리 퇴화의 원인이 된다. 또한, 음극 표면에 리튬이 석출됨에 따라 배터리의 내부 단락의 발생 가능성이 높아지고, 발화 및 폭발 등의 위험을 야기한다.

고속 충전의 경우, 배터리의 음극 표면에서의 리튬 플레이팅이 저속 충전에 비해 가속화됨으로 인해, 충전의 효율 및 배터리의 내구성이 감소할 수 있다.

따라서, 배터리를 충전 시에 음극 표면에 석출되는 리튬을 최소화하고 고속 충전의 효율을 증가시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 멀티스테이지 충전 프로토콜에 따라 배터리가 충전되는 과정에서, 서로 인접한 두 충전 스테이지의 사이에서 일시적인 방전 절차를 진행함으로써, 리튬의 석출량을 감소시키거나 기 석출된 리튬의 적어도 일부를 제거할 수 있는 배터리 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 일시적 방전 절차에 후속하는 정전류 충전 절차에서의 충전율을 조정하여, 일시적 방전 절차에 의한 충전 상태(SOC)의 저하량을 보상하는 배터리 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 제어 장치는, 배터리의 전압을 측정하여, 상기 측정된 전압을 나타내는 전압 측정값을 출력하도록 구성된 측정부, 제1 충전율, 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 후속하는 다른 정전류 충전 절차에 이용되는 제2 충전율, 및 상기 제1 충전율에 연관된 제1 기준 SOC - 상기 제1 기준 SOC는 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 상기 배터리의 리튬 석출을 방지하기 위해 미리 정해진 값임 - 을 포함하는 멀티 스테이지 충전 프로토콜 데이터를 저장하는 메모리, 및 상기 측정부로부터 수신되는 상기 전압 측정값에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 식별하는 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는, 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되는 중 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC에 도달한 경우, 일시적 방전 절차를 진행하고, 상기 일시적 방전 절차의 방전 정보를 기초로, 상기 제2 충전율과는 상이한 조정된 제2 충전율을 결정하고, 상기 일시적 방전 절차의 종료 후, 상기 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행하도록 구성될 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 방전 정보에 포함된 상기 일시적 방전 절차가 진행되는 동안의 상기 배터리의 SOC 변화량에 기반하여, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 일시적 방전 절차에 따른 상기 배터리의 SOC 변화량을 보상하기 위해, 상기 제2 충전율보다 크도록 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 메모리는, 상기 제2 충전율에 연관된 제2 기준 SOC - 상기 제2 기준 SOC는 상기 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 상기 배터리의 리튬 석출을 방지하기 위해 미리 정해진 값임- 를 더 저장할 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 제1 기준 SOC, 상기 제2 기준 SOC 및 상기 제2 충전율에 더 기초하여, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되는 중 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC에 도달한 시점부터 즉시 상기 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행할 경우에, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC로부터 상기 제2 기준 SOC에 도달하기까지 소요될 것으로 예상되는 기준 시간을 연산하도록 구성될 수 있다.

상기 프로세서는, (i)상기 방전 정보에 포함된 상기 일시적 방전 절차의 시간 길이와 (ii)상기 일시적 방전 절차의 종료 시점부터 즉시 상기 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 의해 상기 배터리의 SOC가 상기 제2 기준 SOC에 도달하는 데에 필요한 시간의 합이 상기 기준 시간과 동일하도록, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 배터리의 사용 정도에 대해 연속적 또는 이산적인 음의 상관 관계를 갖도록, 상기 일시적 방전 절차의 시간 길이를 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 제1 기준 SOC와 상기 제2 기준 SOC의 차이와 상기 일시적 방전 절차에 의한 SOC 변화량의 합에 비례하고, 상기 기준 시간과 상기 방전 정보에 포함된 상기 일시적 방전 절차의 시간 길이의 차이에 반비례하도록, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 배터리가 상기 제1 충전율 이하의 크기의 정전류로 방전되도록, 상기 일시적 방전 절차를 진행하도록 구성될 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 배터리의 사용 정도에 대해 연속적 또는 이산적인 음의 상관 관계를 갖도록, 상기 일시적 방전 절차를 위한 정전류의 크기를 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 배터리의 사용 정도를 기초로, 상기 일시적 방전 절차의 진행 필요 여부를 결정하고, 상기 일시적 방전 절차의 진행이 필요한 것으로 결정 시, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC에 도달하면 상기 일시적 방전 절차를 진행하고, 상기 일시적 방전 절차의 진행이 불필요한 것으로 결정 시, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC에 도달하면 상기 일시적 방전 절차의 진행없이 상기 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 제어 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은 상기 배터리 제어 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 제어 방법은 배터리 제어 장치에 의해 실행되는 것으로서, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되는 중, 배터리의 측정된 전압을 나타내는 전압 측정값에 기반하여 식별되는 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 충전율에 연관된 제1 기준 SOC - 상기 제1 기준 SOC는 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 상기 배터리의 리튬 석출을 방지하기 위해 미리 정해진 값임 - 에 도달한 경우, 일시적 방전 절차를 진행하는 단계, 상기 일시적 방전 절차의 방전 정보를 기초로, 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 후속하는 다른 정전류 충전 절차에 이용되는 제2 충전율과는 상이한 조정된 제2 충전율을 결정하는 단계, 및 상기 일시적 방전 절차의 종료 후, 상기 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 멀티스테이지 충전 프로토콜에 따라 배터리가 충전되는 도중에 적어도 1회의 일시적 방전 절차를 둠으로써, 배터리의 내부에 석출된 리튬의 적어도 일부를 제거할 수 있고, 결과적으로 충전 효율이 향상될 수 있다. 이때, 일시적 방전 절차는 서로 인접한 두 충전 스테이지의 사이에서 진행될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 일시적 방전 절차에 후속하는 정전류 충전 절차에서의 충전율을 조정하여, 일시적 방전 절차에 의한 충전 상태(SOC)의 저하량을 보상함으로써, 상기 일시적 방전 기간으로 인한 전체적인 충전 소요 시간의 장기화를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 배터리의 사용 정도에 따라 일시적 방전 절차에서의 방전 전류의 크기 및 일시적 방전 절차의 시간 길이 중 적어도 하나를 조절함으로써, 배터리의 장수명화를 도모할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 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 배터리 제어 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리의 충전이 진행 중에 배터리 내에서의 리튬 석출 상태의 변화를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 3a는 멀티 스테이지 충전 프로토콜을 따라 배터리가 충전되는 과정에서 SOC에 따른 음극 전압을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 도 3a의 제2 구간을 확대한 확대도를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 배터리가 충전되는 과정에서 SOC에 따른 음극 전압을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 배터리가 충전되는 과정에서 SOC에 따른 음극의 dV/dQ를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 도 4b의 특정 영역을 확대한 확대도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.

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.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치를 도시한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)는 측정부(110), 메모리(120) 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다.

측정부(110)는, 배터리의 전압 및 전류 중 적어도 하나를 측정할 수 있다.

측정부(110)는, 배터리의 충전이나 방전 과정 중에, 배터리의 양단에 걸친 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀, 또는 2 이상의 셀이 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 배터리 모듈을 의미할 수 있다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리로 간주될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다. 다양한 예에서, 측정부(110)에 의해 측정되는 배터리의 전압은 배터리의 개방회로전압(OCV: open circuit voltage) 또는 배터리에 부하가 연결된 상태에서 측정되는 부하 전압 중 적어도 하나일 수 있다.

측정부(110)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 전압 측정 기술을 채용할 수 있다. 예를 들어, 측정부(110)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 전압 센서를 구비할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)가 배터리 팩에 적용되는 경우, 배터리 팩에 이미 구비된 전압 센서를 본 발명에 따른 측정부(110)로 이용할 수도 있다.

측정부(110)는 배터리의 충전이나 방전 과정 중에, 배터리를 통해 흐르는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 측정부(110)는, 전류가 흐를 때 션트(shunt) 저항 양단에 인가되는 전압을 측정하고 옴의 법칙을 이용하여 측정된 전압을 전류로 변환할 수 있다. 또는, 측정부(110)는 홀 센서와 같은 다른 공지된 전류 센서를 포함할 수 있고, 상기 전류 센서를 이용하여 전류를 측정할 수도 있다.

메모리(120)는 멀티 스테이지 충전 프로토콜 데이터를 비롯하여, 배터리에 대한 멀티 스테이지 충전 절차를 실시하는 데에 요구되는 프로그램을 저장하도록 구성될 수 있다. 전술된 바와 같이, 멀티 스테이지 충전 프로토콜이란, 배터리의 완전 방전 상태를 나타내는 SOC(state of charge)로부터 완전 충전 상태를 나타내는 SOC까지의 전체 SOC 범위의 적어도 일부 범위에서, 정전류의 크기가 적어도 1회 변화되는 충전 절차이다. 즉, 멀티 스테이지 충전 프로토콜은, 전체 SOC 범위의 적어도 일부 범위가 2개 이상의 하위 SOC 범위로 구분되어 있을 때, 각각의 하위 SOC 범위('스테이지'라고 칭할 수 있음)에서의 충전에 이용되는 충전율이 미리 정해져 있는 충전 절차를 지칭할 수 있다. 참고로, 완전 방전 상태를 나타내는 SOC는 통상적으로 0%로 설정되나, 배터리의 장수명화를 목적으로 0%보다 큰 값으로 미리 정해질 수 있다. 유사하게, 완전 충전 상태를 나타내는 SOC는 통상적으로 100%로 설정되나, 배터리의 장수명화를 목적으로 100%보다 작은 값으로 미리 정해질 수 있다.

멀티 스테이지 충전 프로토콜 데이터는, 제1 충전율, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 후속하는 다른 정전류 충전 절차에 이용되는 제2 충전율, 및 제1 충전율에 연관된 제1 기준 SOC을 포함한다. 제1 기준 SOC는, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 배터리의 리튬 석출을 방지하기 위해 미리 정해진 값이다.

메모리(120)는, 적어도 하나의 기준 SOC를 저장할 수 있다. 여기서, 기준 SOC란, 배터리를 소정의 충전율(current rate 또는 C-rate)로 충전하는 경우에 배터리의 음극 상에 리튬이 석출되는 것으로 예상되는 SOC라 할 수 있다. 예컨데, 멀티 스테이지 충전 절차가 서로 다른 충전율을 갖는 3개의 정전류 충전 절차의 순차적 흐름인 경우, 기준 SOC는 2개이다. 즉, 메모리(120)에 기 저장되는 기준 SOC의 개수는, 멀티 스테이지 충전 절차에 포함된 정전류 충전 절차의 개수와 동일하거나 1만큼 작을 수 있다.

메모리(120)는, 충전율에 기반하여 배터리의 음극 상에 리튬이 석출되는 배터리의 SOC에 관한 정보를 저장할 수 있다. 배터리를 정전류로 충전함에 있어서, 배터리의 음극 상에 리튬 석출이 발생되는 SOC는 정전류의 크기 즉, 충전율에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 정전류 충전에 이용되는 충전율이 높을수록, 리튬 석출이 발생하는 SOC는 작아질 수 있다. 이와 같이, 사전에 제어 대상이 되는 배터리와 동일한 특성을 갖도록 설계된 배터리에 대하여 충전 과정을 거쳐, 충전율과 그 충전율에 따른 리튬이 석출되는 SOC에 관한 정보가 미리 실험적으로 획득될 수 있다. 예를 들어, 음극, 양극, 기준 전극을 포함하는 3전극 형태의 리튬 이차 전지에서, 음극 만의 전위를 분리하여 충전율을 변화시키며 리튬 석출 여부를 실험함으로써 리튬이 석출되는 SOC에 관한 정보가 미리 획득될 수 있다. 메모리(120)에 저장되는 각각의 기준 SOC는 전술된 바와 같이 획득된 충전율과 리튬 석출 SOC(기준 SOC) 간의 관계를 나타낸다. 메모리(120)는 충전율과 기준 SOC 간의 관계를 나타내는 곡선 데이터 및/또는 룩업테이블을 저장할 수 있다.

가령, 멀티 스테이지 충전 절차가 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차 및 그에 후속하는 제2 충전율에 의한 정전류 충전 절차를 포함한다고 해보자. 이 경우, 메모리(120)는 제1 기준 SOC를 저장할 수 있다. 제1 기준 SOC는 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차의 종료 조건, 즉 정전류 충전 절차에 이용되는 정전류의 크기가 제1 충전율로부터 조정된 제2 충전율로 전환되는 기준이 된다.

제1 기준 SOC은, 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC 미만인 때부터 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 중에 배터리의 음극 상에서 리튬 석출이 발생하지 않거나 리튬 석출량이 일정량 미만이 되는 한계치일 수 있다. 즉, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전에 의해 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 도달하면서부터 배터리의 리튬 석출이 시작하거나 제1 충전율을 이용한 정전류 충전에 의한 리튬 석출량이 일정량 이상이 될 수 있다.

멀티 스테이지 충전 절차가 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 후속하는 제3 충전율에 의한 정전류 충전 절차를 더 포함한다고 해보자. 이 경우, 메모리(120)는 제2 기준 SOC를 더 저장할 수 있다. 제2 기준 SOC는 정전류 충전 절차에 이용되는 정전류의 크기가 제2 충전율로부터 제3 충전율로 전환되는 기준이 된다. 제2 기준 SOC은, 제2 충전율을 이용한 정전류 충전이 완료된 후, 제3 충전율을 이용한 정전류 충전 중에 배터리의 음극 상에서 리튬 석출이 발생하지 않거나 리튬 석출량이 일정량 미만이 되는 한계치일 수 있다.

메모리(120)는 배터리 제어 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는 데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 메모리(120)는 프로세서(130)의 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서(130)와 연결될 수 있다. 메모리(120)는, 프로세서(130)에 의해서 실행되는 적어도 하나의 프로그램, 어플리케이션, 데이터, 또는 인스트럭션들(instructions)을 저장할 수 있다. 메모리(120)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 메모리(120)는, 플래시 메모리 타입, 하드 디스크 타입, SSD(Solid State Disk) 타입, SDD(Solid Disk Drive) 타입, 멀티미디어 카드 마이크로 타입, 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static RAM), ROM(Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory) 중 적어도 하나로 구현될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 메모리(120)의 구체적인 형태로 제한되는 것은 아니다. 또한, 메모리(120)는 프로세서(130)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.

프로세서(130)는, 측정부(110)로부터 배터리의 전압 측정값을 수신할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는, 측정부(110)로부터 배터리의 전압 값을 실시간으로 수신하거나 또는 일정 시간 간격마다 주기적으로 수신할 수 있다.

프로세서(130)는, 배터리에 대한 멀티 스테이지 충전 절차가 진행되는 동안,수신된 전압 측정값에 기반하여 배터리의 현재 SOC(최신 SOC)를 식별할 수 있다. 즉, 프로세서(130)는, 멀티 스테이지 충전 절차 중의 소정 시간 간격으로, 배터리의 SOC를 실시간적으로 모니터링할 수 있다.

프로세서(130)는 다양한 방식으로 배터리의 현재 SOC를 식별할 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 전압 측정값(예, OCV)에 대응하는 SOC를 맵핑한 제1 맵핑 정보를 더 포함하고, 프로세서(130)는 측정부(110)로부터 전압 측정값을 수신한 다음, 메모리(120)에 액세스하여 수신된 전압 측정값에 대응하는 SOC를 독출할 수 있다. 또는, 메모리(120)는 측정부(110)에 의해 출력되는 전압 측정값 및 전류 측정값 중 적어도 하나를 기초로 배터리의 SOC를 연산하기 위한 프로그램(예, 암페어 카운팅, 확장칼만필터) 등을 저장하고, 프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 프로그램 등을 통해 SOC를 연산할 수 있다.

예를 들어, 프로세서(130)는, 배터리의 등가회로모델(equivalent circuit model)을 이용하여, 전압 측정값에 따른 배터리의 개방회로전압을 식별할 수 있다. 여기서, 메모리(120)는 배터리의 개방회로전압에 대응하는 SOC를 맵핑한 제2 맵핑 정보를 더 포함하고, 프로세서(130)는 메모리(120)에 액세스하여 개방회로전압에 대응하는 SOC를 독출할 수 있다. 다른 예에서, 프로세서(130)는, 메모리(120)에 저장된 확장 칼만 필터를 이용하여, 배터리의 현재 SOC를 식별할 수 있다. 여기서, 확장 칼만 필터는 등가회로모델 또는 전기화학적 ROM(reduced order model)에 기초한 알고리즘으로서 본 발명이 속한 기술분야에 널리 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

또는, 측정부(110)는 배터리가 충전되는 동안에 인가되는 전류의 측정값을 시간에 따라 적산하여 SOC 변화량을 연산하고, 초기 SOC에 연산된 SOC 변화량을 더하여 배터리의 SOC를 식별할 수도 있다.

이와 같이 프로세서(130)는, 측정부(110)로부터 배터리의 전압 측정값을 수신하고, 수신한 전압 측정값에 대응하는 SOC를 획득하여 획득한 SOC를 배터리의 현재 SOC로 식별할 수 있다.

프로세서(130)는, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 중, 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 도달한 경우, 지정된 시간 동안 배터리를 방전하는 일시적 방전 절차를 진행도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차와 후술된 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차의 사이에 일시적인 방전 기간이 존재하는 것이다. 프로세서(130)는 제1 충전율로 배터리가 충전되는 중에 실시간으로 또는 소정 시간 간격으로 배터리의 SOC의 최신값을 식별하여 배터리가 제1 기준 SOC에 도달한 것을 인식할 수 있다. 프로세서(130)는, 제1 충전율로 배터리가 충전되는 동안, 메모리(120)에 저장된 제1 기준 SOC를 획득하여, 제1 기준 SOC와 배터리의 SOC를 실시간으로 또는 일정 시간 간격으로 비교할 수 있다. 프로세서(130)는 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 대응하는 것을 인식하면, 지정된 시간 동안 배터리가 방전되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 과정 중 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC인 70%에 도달한 경우, 충전을 정지시킨 채로 일정 시간(예, 6초) 동안 배터리를 방전시키록 구성될 수 있다. 이때, 배터리는 소정의 크기를 갖는 정전류로 방전될 수 있다.

프로세서(130)는, 배터리가 상기 지정된 시간 동안 방전된 후, 원래의 제2 충전율과는 상이하도록 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행하도록 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리의 충전이 진행 중에 배터리 내에서의 리튬 석출 상태의 변화를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.

프로세서(130)는 멀티 스테이지 충전 절차에 따라 배터리를 충전시키도록 구성될 수 있다. 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차의 진행 중에 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 도달하면 음극 표면에 리튬이 석출될 수 있음은 전술된 바와 같다. 제1 예시도(210)를 참조하면, 다양한 이유로 퇴화된 배터리가 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 과정에서 제1 기준 SOC에 도달 시에 이미 약간의 금속 리튬이 배터리의 음극 표면 상에 석출된 상태를 확인할 수 있다.

프로세서(130)는 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 의해 제1 기준SOC에 도달한 배터리를 지정된 시간 동안 방전시키도록 구성될 수 있다. 제2 예시도(220)를 참조하면, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차와 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차 사이에서 배터리가 일시적으로 방전됨에 따라, 충전 전류에 의해 누적된 히스테리시스가 역방향의 방전 전류에 의해 해소되고, 배터리의 음극의 표면에 석출되어 있던 리튬이 제거되는 것이 도시된다. 즉, 일시적 방전 절차를 통해, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 심화된 리튬 석출의 진행을 해소하거나 적어도 더디게 하는 것이다. 이에 따라, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차의 종류 후, 곧바로 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 시작하는 종래의 방식에 비해 배터리의 충전 효율 및 안전성이 향상될 수 있다.

일시적 방전 절차의 방전 정보는 메모리(120)에 저장될 수 있다. 여기서, 방전 정보는, 일시적 방전 절차의 시간 길이, 방전에 이용되는 정전류의 크기, 및 방전에 의한 SOC 변화량 중 적어도 하나를 포함한다.

프로세서(130)는 제2 예시도(220)에 연관된 일시적 방전 절차가 종료된 후 제1 충전율과 상이한 제2 충전율로 배터리가 충전되도록 구성될 수 있다. 참고로, 제2 충전율(예, 1.5C)은 제1 충전율(예, 2.5C)보다 작을 수 있다. 멀티 스테이지 충전 절차에 포함된 각각의 정전류 충전 절차에서 이용되는 충전율은, 배터리의 종류나 사양, 배터리가 사용되는 장치의 사양 등 여러 조건에 따라 적절하게 미리 설정될 수 있다.

제3 예시도(230)를 참조하면, 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 시작되는 때에 음극에 석출되어 있는 리튬의 양이 제1 예시도(210)에 도시된 바에 비해 감소된 것이 도시된다.

프로세서(130)는, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전이 종료된 후에는, 제1 충전율보다 작은 제2 충전율로 배터리를 충전함으로써, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 후속하는 다른 충전 절차가 진행되는 동안에 발생하는 리튬석출양이 감소되도록 또는 리튬 석출 속도가 감소되도록 할 수 있다.

본 발명의 상기 구성 요소들에 의하면, 배터리를 충전 시에 석출된 리튬의 적어도 일부가 제거되도록 할 수 있다. 프로세서(130)는 배터리를 충전하는 동작 중에 배터리를 지정된 시간 동안 방전하여 충전 전류에 의한 히스테리시스를 완화함은 물론 이미 석출된 리튬의 적어도 일부를 제거함으로써, 배터리의 충전량이 보다 정확하고 용이하게 예상될 수 있다.

프로세서(130)는, 배터리 제어 장치(100)의 다른 구성들과 작동적으로 연결되고, 배터리 제어 장치(100)의 다양한 동작들을 제어할 수 있다. 프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 하나 이상의 인스트럭션들을 실행함으로써 배터리 제어 장치(100)의 다양한 동작들을 수행할 수 있다. 프로세서(130)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 프로세서(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리(120)에 저장되고, 프로세서(130)에 의해 실행될 수 있다.

특히, 배터리 제어 장치(100)가 배터리 팩에 포함되는 형태로 구현되는 경우, 배터리 팩에는 MCU(micro controller unit) 내지 BMS(battery management syste)와 같은 용어로 지칭되는 제어 장치가 포함될 수 잇다. 이 때, 프로세서(130)는 이러한 일반적인 배터리 팩에 구비된 MCU나 BMS와 같은 구성 요소에 의해 구현될 수도 있다.

본 명세서에서, 프로세서(130)의 동작이나 기능에 대한 '~한다' 또는 '~되도록 구성된다'는 등의 용어들은, '~되도록 프로그래밍된다'는 의미를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 완전 방전 상태로부터 제1 기준 SOC 이하의 SOC 범위에서의 정전류 충전에 이용되는 제1 충전율과는 달리, 제1 기준 SOC 이상의 SOC 범위에서의 정전류 충전에는 제2 충전율 대신 조정된 제2 충전율이 이용될 수 있다. 프로세서(130)는 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 도달 시부터 실시된 일시적 방전에 따른 배터리의 SOC 값의 변화량(저하량)에 기반하여, 일시적 방전 절차의 종료를 조건으로 개시되는 정전류 충전 절차에 이용할, 조정된 제2 충전율을 결정할 수 있다. 이에 대하여, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3a는 멀티 스테이지 충전 프로토콜을 따라 배터리가 충전되는 과정에서 SOC에 따른 음극 전압을 나타내는 그래프이다. 도 3b는 도 3a의 제2 구간을 확대한 확대도를 도시한다.

도 3a를 참조하면, 그래프의 X축 값은 배터리의 SOC(%)(또는 SOC 값(%))를 나타내고, 그래프의 Y축 값은 배터리의 음극의 전압(Voltage)(또는 전압 값)을 나타낼 수 있다. 도 3을 참조하면, 배터리를 충전하는 동안 배터리의 음극의 전압은 점차 감소함을 파악할 수 있다

제1 구간(P1)은 프로세서(130)의 제어에 따라 배터리가 제1 충전율로 충전되는 구간에 대응할 수 있다. 제2 구간(P2)은 프로세서(130)가 제1 구간(P1)과 제3 구간(P3)의 사이의 적어도 일부의 시간 동안, 고정된 또는 프로세서(130)에 의해 결정된 크기를 갖는 정전류로 배터리가 방전되는 구간에 대응할 수 있다. 제3 구간(P3)은 프로세서(130)의 제어에 따라 배터리가 조정된 제2 충전율(제1 충전율보다 낮음)로 충전되는 구간에 대응할 수 있다. 구현 예에 따라서, 제1 구간(P1)의 종료 시점과 제2 구간(P2)의 시작 시점 사이 및/또는 제2 구간(P2)의 종료 시점과 제3 구간(P3)의 시작 시점 사이에 소정의 휴식 시간을 두는 것도 좋다. 일시적 방전 절차에서의 정전류(방전 전류)의 크기는, 외부 충방전기가 출력 가능하면서 배터리에 손상을 유발하지 않는 수준에서는 제1 충전율보다 클 수 있으며, 바람직하게는 제1 충전율 이하이고 조정된 제2 충전율의 크기 이상일 수 있다. 예를 들어, 제1 충전율을 1C이고, 조정된 제2 충전율은 0.8C이고, 일시적 방전 절차에서의 정전류의 크기는 0.9C일 수 있으나, 이는 예시이므로 제한적으로 해석되지 않는다.

제1 구간(P1)을 참조하면, 프로세서(130)는, 제1 충전율로 배터리를 충전하는 경우에 리튬이 석출되는 제1 기준 SOC를 메모리(120)로부터 획득하고, 상기 제1 충전율로 제1 기준 SOC까지 배터리가 충전되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 3a의 실시 그래프에서, 제1 기준 SOC는, 46%일 수 있다. 프로세서(130)는, 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC보다 작은 임의의 SOC에서부터 제1 기준 SOC에 도달할 때까지 제1 충전율로 배터리를 충전할 수 있다.

제2 구간(P2)을 참조하면, 프로세서(130)는 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 대응하는 것을 인식하면, 충전 동작을 중지하고 지정된 시간 동안 배터리가 방전되도록 할 수 있다. 제2 구간(P2)에서는, 배터리가 지정된 시간 동안 방전됨으로써, 사용에 따른 퇴화나 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차로 인해 이미 석출되어 있는 리튬의 적어도 일부가 제거될 수 있다.

도 3b를 참조하면, 배터리가 방전됨에 따라 배터리의 SOC와 음극 전압이 변화되는 것이 도시되어 있다. 여기서, 도 3b에서, 'delta SOC'는 제2 구간(P2)에서의 방전으로 인해 변화된 SOC(SOC의 변화량)를 나타낼 수 있다. 프로세서(130)는 제2 구간(P2)에서 제1 충전율과 동일한 크기를 갖는 정전류로, 배터리를 지정된 시간 동안 방전할 수 있다. 예를 들어, 제1 충전율이 0.5C인 경우, 제2 구간(P2)에의 방전에 이용되는 정전류의 크기도 0.5C일 수 있다. 이와 같이, 제2 구간(P2)에 대하여 제1 구간(P1)의 충전율과 동일한 크기의 정전류로 배터리를 방전하는 경우, 프로세서(130)는 제2 구간(P2)에서의 SOC의 변화량을 용이하게 연산할 수 있다. 다만, 다른 다양한 실시예에서, 프로세서(130)는 배터리의 퇴화를 고려하여, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 심화된 리튬 석출의 전조 증상을 신속히 완화하기 위해, 제1 충전율보다 큰 값으로 배터리를 방전할 수도 있다.

제2 구간(P2)에서의 방전 절차에 의해 배터리의 SOC는 감소한다. 구체적으로, 제2 구간(P2)에서의 배터리의 SOC 변화량은 다음의 수학식 1을 이용하여 도출될 수 있다.

<수학식 1>

수학식 1에서, delta SOC는 배터리가 지정된 정전류로 t1 동안 방전되는 경우에 SOC 변화량이다. t1은 배터리를 방전하는 시간(상기 지정된 시간 = 일시적 방전 절차의 시간 길이)을 의미한다. 수학식 1의 분자로 기재된 '60'은 방전 절차에 이용되는 정전류의 크기인 a1의 단위에 연관된 Ah(Amphere-hour)에 맞춰, t1의 단위로 이용된 분(minute)을 시(hour)로 환산하는 용도이고, '100'은 %로 나타내기 위함이다. 따라서, 수학식 1의 '60'과 '100'은 단지 예시적 계수로 이해되어야 한다. 예를 들어, 수학식 1에 따르면, 5초동안 2.5C의 정전류로 배터리가 방전되는 경우에, delta SOC = (5/60) × 100/60×2.5 = 약 0.347% 감소한 것으로 판단될 수 있다.

도 3a의 제3 구간(P3)을 참조하면, 프로세서(130)는, 배터리를 방전한 후에 제1 충전율과 상이한 조정된 제2 충전율로 배터리를 충전할 수 있다. 이때, 프로세서(130)는, 상기 일시적 방전 절차에 따른 배터리의 SOC 값의 변화(수학식 1에 따른 SOC 저하량의 추정치)에 기반하여 원래의 제2 충전율을 조정함으로써, 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는 제3 구간(P3) 동안 조정된 제2 충전율로 배터리의 SOC가 제2 기준 SOC까지 충전되도록 하는 한편, 배터리의 방전으로 인해 감소된 SOC가 보상되도록 할 수 있다.

보다 구체적으로, 프로세서(130)는, 배터리의 방전 이후 배터리의 SOC 값의 변화량를 식별하고, 상기 식별한 SOC 변화량이 보상될 수 있도록, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성될 수 있다.

프로세서(130)는 미리 설정된 충전 스케줄(멀티 스테이지 충전 프로토콜에 따른 충전 순서)에 따라 배터리의 충전 과정을 제어할 수 있다. 프로세서(130)는, 배터리의 제2 구간(P2)에서의 방전에 의한 SOC 변화량을 보상하면서 미리 설정된 충전 스케줄에 대응하도록 배터리를 충전할 수 있다. 이하에서, 프로세서(130)가 미리 설정된 충전 스케줄을 가지는 경우에 방전 동안의 SOC 변화량이 보상될 수 있도록, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하는 실시예를 설명한다.

프로세서(130)는, 미리 결정된 충전 스케줄에 기반한 미리 설정된 충전 시간에 대응하도록, 조정된 제2 충전율을 결정할 수 있다. 예를 들어, 미리 결정된 충전 스케줄에 따라서 충전이 종료될 때까지 소요될 시간이 미리 결정될 수 있다. 프로세서(130)는, 방전에 필요한 시간을 가지면서, 제2 기준 SOC까지의 충전에 소요될 시간이 미리 결정된 충전 스케줄(일시적 방전 절차가 미존재)에 따른 소요 시간과 동일하도록 상기 조정된 제2 충전율을 결정할 수 있다. 따라서, 프로세서(130)는 전체 충전 시간이 증가하지 않으면서도 배터리의 충전 중에 지정된 시간 동안 방전하여 리튬 석출 현상을 완화(리튬의 적어도 일부를 제거)할 수 있고, 이에 따라 배터리의 충전 효율이 향상될 수 있다.

미리 설정된 충전 스케줄로 배터리를 충전한다는 것은, 배터리 SOC가 제1 기준 SOC에 도달할 때까지는 제1 충전율로 배터리를 충전하고, 일시적 방전 절차없이 제1 기준 SOC에서부터 제2 기준 SOC에 도달할 때까지 제2 충전율로 배터리를 충전하는 것을 의미할 수 있다.

메모리(120)는, 미리 설정된 충전 스케줄에 대응하도록 제2 충전율로 충전하는 경우에 리튬이 석출될 것으로 예상되는 제2 기준 SOC를 저장할 수 있다. 메모리(120)는, 미리 설정된 충전 스케줄에 대응하여 제1 충전율로 충전하는 경우에 배터리의 음극 상에 리튬이 석출될 것으로 예상되는 제1 기준 SOC와 함께 상기 제2 기준 SOC를 저장할 수 있다. 상기 제1 기준 SOC 및 제2 기준 SOC는 메모리(120)에 미리 저장된 상태로, 프로세서(130)가 메모리(120)에 액세스하여 제1 기준 SOC 및 제2 기준 SOC를 획득할 수 있다.

보다 구체적인 예시로서, 프로세서(130)는, 배터리를 2.5C로 충전하여 배터리의 SOC가 46%에 도달하면, 즉시 충전율을 변경하여 1.5C로 충전하여 배터리의 SOC가 62.1%에 도달하도록 하는 미리 설정된 충전 스케줄을 가질 수 있다. 이 때, 2.5C는 제1 충전율에 대응하고, 46%는 제1 기준 SOC에 대응하고, 1.5C는 제2 충전율에 대응하고, 62.1%는 제2 기준 SOC에 대응할 수 있다.

프로세서는, 상기 제2 기준 SOC를 식별하고, 상기 제2 충전율로 배터리를 충전하는 경우에, 상기 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC로부터 제2 기준 SOC에 도달하기까지 소요될 것으로 예상되는 기준 시간을 연산하도록 구성될 수 있다. 미리 설정된 충전 스케줄에 따르면, 프로세서(130)는 메모리(120)로부터 획득한 기준 SOC에 관한 정보에 기반하여, 아래의 수학식 2를 이용하여 특정 충전율(제2 충전율 등)로 배터리를 충전하는 데 필요한 시간을 도출할 수 있다.

<수학식 2>

수학식 2에서, b1은 충전율을 의미하고, c1은 SOC 변화량을 의미한다. 수학식 2에 의하여 도출되는 t2는 b1의 충전율로 배터리를 충전 시에 배터리의 SOC가 c1만큼 증가하는 데에 소요되는 시간을 의미한다. 수학식 2에서 t2의 단위는 분(minute)으로 예시하였다. 즉, 상기 수학식 2에 의하면, 프로세서(130)는 미리 설정된 충전 스케줄에 따라, 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC인 46%에 도달한 직후부터 제2 충전율인 1.5C로 배터리를 충전한다면, 제2 기준 SOC인 62.1%에 도달할 때까지 약 6.44분이 소요되는 것을 예상할 수 있다. 여기서, 연산된 6.44분은 기준 시간이 될 수 있다.

프로세서(130)는, 제2 구간(P2) 즉, 일시적 방전 절차의 종료 시점에서의 배터리의 SOC(제1 기준 SOC 미만)가 제2 기준 SOC에 도달하기 까지에 필요한 잔여 충전 시간이 상기 기준 시간에 대응(일치)하도록, 상기 조정된 제2 충전율을 결정할 수 있다. 즉, 프로세서(130)는, 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차의 종료 시에 실시되는 일시적 방전 절차의 시간 길이와 상기 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차의 소요 시간의 합이, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차의 종료 시점(배터리의 SOC = 제1 기준 SOC)부터 방전없이 즉시 본래의 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 시작하여 배터리의 SOC가 제2 기준 SOC에 도달할 때까지의 소요 시간보다 길지 않도록, 상기 조정된 제2 충전율을 결정할 수 있다.

프로세서(130)는, (i)상기 제1 기준 SOC와 상기 제2 기준 SOC의 차이, (ii)제2 구간(P2) 동안의 SOC 변화량, 및 (iii)일시적 방전 절차의 시간 길이에 기반하여, 상기 기준 시간에 대응(동일)하도록 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 조정된 제2 충전율은, 제1 기준 SOC와 제2 기준 SOC의 차이와 방전에 의한 SOC 변화량의 합에 비례하고, 기준 시간과 상기 지정된 시간의 차이에 반비례할 수 있다.

구체적으로 프로세서(130)는, 미리 설정된 충전 스케줄(일시적 방전 기간이 미존재)에 따라서 제2 충전율로 배터리를 충전 시에 6.44분 동안 16.1%만큼의 배터리를 충전할 필요가 있다.

프로세서(130)는, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차 후에 일시적 방전 절차를 진행하고 그 다음 다시 정전류 충전 절차를 진행시키는 순서로 배터리를 충전하는 경우, 일시적 방전 절차의 시간 길이(예: 5초 = 약 0.083분) 및 상기 일시적 방전 절차에 의해 감소된 SOC 값(예: 약 0.347%)이 보상되도록 상기 조정된 제2 충전율을 결정할 수 있다. 즉, 프로세서(130)는 제2 구간(P2)에서 감소한 SOC을 보상하기 위하여, 약 6.357분(6.44분-0.083분) 동안에 16.447%(16.1%+0.347%)만큼 배터리를 충전할 수 있는 크기의 정전류 값인, 상기 조정된 제2 충전율을 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는 수학식 2를 이용하여, 상기 조정된 제2 충전율을 약 1.552C로 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제1 충전율에 의한 정전류 충전 절차가 완료된 후에 제2 구간(P2)에 따른 일시적 방전 구간을 추가하더라도, 배터리 SOC가 제1 기준 SOC에 도달한 시점으로부터 제2 기준 SOC에 도달할 시점까지의 전체 충전 시간이 실질적으로 동일 수준으로 유지할 수 있다는 장점이 있다.

특히, 프로세서(130)는, 제1 충전율보다 작고 제2 충전율보다 큰 값을 갖도록, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성될 수 있다.

또한, 프로세서(130)가 멀티 스테이지 충전 절차에서 충전율을 1회 변경하는 실시예를 중심으로 예시적으로 설명하였으나, 프로세서(130)가 충전율을 변경하는 횟수는 제한되어 해석되지 않는다. 일 예로, 프로세서(130)는 배터리를 사용하는 부하의 종류에 따라서 2회 이상 충전율을 변경할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)가 전기 차량에 적용되는 경우, 프로세서(130)는, 전술한 방전에 따른 SOC 변화량을 보상하는 방식으로 충전율을 10회 이상 변경할 수도 있다.

특히, 배터리가 일정 수준 이상 충전 및 방전이 반복되면 퇴화되어 음극 상에 석출된 리튬의 양이 증가할 수 있다. 메모리(120)에 저장된 기준 SOC는 초기 상태의 배터리를 기준으로 한 데이터이므로, 퇴화된 배터리에 상기 기준 SOC를 적용하는 경우, 신품 배터리에 비해 충전 효율이 낮아질 수 밖에 없다. 예를 들어, 배터리가 어느 정도 퇴화되면, 제1 충전율로 정전류 충전하더라도 제1 기준 SOC 보다 작은 SOC에서 이미 리튬 석출이 발생되기 시작할 수 있다. 따라서, 배터리의 초기 상태(신품 상태)를 기준으로 한 기준 SOC를 이용하여 배터리의 충전 스케줄이 설정될 경우, 실제 배터리에 충전되는 충전량에 오차가 발생할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 충전되는 도중에 방전 동작을 수행하여 리튬을 제거함으로써 실제 배터리의 충전량을 정확하게 예상할 수 있다.

또한, 제1 기준 SOC 보다 작은 SOC에서 일시적 방전 절차를 개시하는 경우, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 이미 석출되어 있는 리튬이 없거나 미미한 수준이므로, 일시적 방전 절차에 따른 충전 효율이 향상되는 효과를 얻지 못할 수 있다. 일 실시예에 따른 프로세서(130)는 제1 기준 SOC에 도달하는 것을 조건으로 배터리가 방전되도록 하여, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 석출된 리튬을 가능한 신속히 제거할 수 있고, 이에 따라 배터리의 충전 효율이 향상될 수 있다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 배터리가 충전되는 과정에서 SOC에 따른 음극 전압을 나타내는 그래프이다. 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 배터리가 충전되는 과정에서 SOC에 따른 음극의 dV/dQ를 나타내는 그래프이다. 도 4c는 도 4b의 특정 영역(R1)을 확대한 확대도이다.

도 4a의 제1 그래프의 X축은 배터리의 SOC를 나타내고 Y축은 배터리의 음극 전압을 나타낸다. 도 4b의 제2 그래프는, X축은 배터리의 SOC를 나타내고 Y축은 배터리의 음극의 dV/dQ를 나타낸다.

도 4a의 제1 그래프를 참조하면, 프로세서(130)는, 2.5C의 충전율로 배터리의 SOC가 46%에 도달할 때까지 충전할 수 있다. 프로세서(130)는 배터리의 현재 SOC가 46%에 대응하는 것을 인식하면, 전술된 지정된 시간 동안 배터리를 방전할 수 있다.

특히, 프로세서(130)는 제1 충전율과 동일한 값의 정전류로 상기 지정된 시간 동안 배터리를 방전할 수 있다. 이에 따르면, 프로세서(130)는 상기 지정된 시간에 걸친 방전에 의한 SOC 변화량을 용이하게 연산할 수 있다.

도 4a의 제1 그래프를 참조하면, 도 3a에서와 마찬가지로, 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 도달 시부터 상기 지정된 시간(예, 5초) 동안 배터리가 방전됨에 따라 음극의 전압 값 및 배터리의 SOC가 변화되는 부분이 도시된다. 이에 관하여 도 3a 내지 도 3b를 참조하여 이미 설명된 바, 중복되는 부분은 생략한다.

프로세서(130)는, 방전되는 시간에 따라서 변화되는 SOC 값을 보상하고 미리 결정된 충전 스케줄에 따른 충전 시간에 대응하도록 조정된 제2 충전율로 결정할 수 있다. 프로세서(130)는 일시적 방전 절차의 종료 시, 곧바로 1.552C로 배터리를 충전할 수 있다.

도 4b의 제2 그래프는 제1 그래프의 곡선에 대해 미분을 취하여 얻은 미분 곡선 즉, 음극의 전압을 SOC(또는 용량 Q)에 대하여 미분한 그래프이다. 특정 영역(R1)은 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되도록 멀티 스테이지 충전 프로토콜에 기 설정된 SOC 범위에서의 배터리의 음극의 dV/dQ를 예시하고 있다. 제2 그래프의 특정 영역(R1)을 확대한 도 4c의 도면을 참조하면, 그래프의 선도의 경향성(기울기)이 급격히 변하는 지점(예, 극소점, 극대점)에 대응하는 급변 지점(R2)이 플롯되어 있다. 급변 지점(R2)은 음극 상에 리튬이 석출되어 음극의 dV/dQ가 급격히 변하는 지점에 대응할 수 있다.

프로세서(130)는, 이러한 급변 지점(R2)을 파악하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 프로세서(130)는, 이와 같은 급변 지점(R2)을 파악하기 위해, 메모리(120)에 접근하여 관련 데이터를 읽어오거나, 관련 수식이나 연산 과정 등을 수행할 수 있다.

프로세서(130)는, 배터리가 충전되는 중에 소정의 시간 간격으로 음극의 dV/dQ를 인식할 수 있다. 프로세서(130)는 인식한 dV/dQ에 기반하여 dV/dQ 값이 변화하는 경향성을 식별할 수 있다. 프로세서(130)는 소정의 시간 간격으로 음극의 dV/dQ를 인식하는 과정에서, dV/dQ의 변화량이 급격한 지점을 식별할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는 소정의 시간 간격으로 dV/dQ를 나타내는 정보를 획득하고, 이전의 dV/dQ와의 변화량을 산출할 수 있다. 프로세서(130)는, 이전의 dV/dQ 보다 임계 값 이상의 변화량을 가지면서 감소하고, 이후에는 dV/dQ 값이 임계 값 이상의 변화량을 가지면서 증가하는, 특정 지점을 급변 지점(R2)으로 검출할 수 있다. 급변 지점(R2)은, 음극에 석출되는 리튬으로 인해 전술한 dV/dQ의 급격한 변화가 발생되는 SOC에 연관된다.

또한, 급변 지점(R2)은, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 및 일시적 방전 절차를 거쳐, 상기 일시적 방전 절차의 진행에 따른 SOC 저하량을 보상하기 위해 결정된 상기 조정된 제2 충전율로 정전류 충전을 진행하는 중에 배터리의 음극에서 리튬이 석출되는 SOC로서, 상기 일시적 방전 절차없이 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행할 경우에 리튬 석출이 발생하는 것으로 미리 정해진 제2 기준 SOC(예, 62.1%)보다 높은 SOC일 수 있다. 즉, 프로세서(130)는 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차의 종료 시에, 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차 대신, 일시적 방절 절차 및 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되도록 멀티 스테이지 충전 프로토콜을 변경함으로써, 배터리의 충전 중에 리튬 석출을 지연시키고 높은 효율로 배터리가 충전되도록 할 수 있다.

또한, 프로세서(130)는, 공지된 다양한 배터리 상태 검출 알고리즘 등을 활용하여 배터리의 사용 정도(예, 충방전 사이클 횟수, 용량유지율)를 인식하고, 인식한 사용 정도에 기반하여 배터리를 방전하는 시간의 길이를 결정할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 반복된 사용에 의하여 배터리가 퇴화됨에 따라 배터리의 음극에 석출되는 리튬의 양이 증가할 수 있다. 석출되는 리튬의 양이 증가할수록 배터리가 방전되는 제2 구간(P2)의 시간 길이를 증가할 필요가 있다.

프로세서(130)는 배터리의 사용 정도(예, 충방전 사이클 수, 퇴화도)가 임계치보다 큰 것을 인식하면, 일시적 방전 절차의 시간 길이를 설정 시간(예: 5초)보다 긴 시간(예: 6초)으로 결정할 수 있다. 또는, 프로세서(130)는 배터리의 사용 정도가 기준보다 작은 것으로 인식되면, 일시적 방전 절차의 시간 길이를 설정 시간(예: 5초)과 동일하거나 더 짧은 시간(4초)으로 결정할 수 있다. 프로세서(130)는, 배터리의 충방전 사이클 수가 임계값을 초과하는 경우 배터리의 방전 시간을 증가시켜 6초 동안 방전시키고, 배터리의 충방전 사이클 수가 임계값 이하인 경우 일시적 방전 절차의 시간 길이를 설정 시간에 대응하는 5초로 결정할 수 있다. 상기 수치들은 예시에 불과하므로 제한적으로 해석되지 않는다.

본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리가 충전되는 중에 지정된 시간 동안 방전시키고, 방전에 따른 SOC의 변화량을 보상할 수 있는 충전율로 충전이 재개되어, 미리 설정된 충전 스케줄에 대응하도록 배터리의 충전이 완료될 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 석출된 리튬이 제거됨에 따라 배터리의 SOC가 보다 정확하게 예측될 수 있다. 더불어, 배터리의 퇴화 정도에 따라 방전 시간을 제어하여 충전 효율 및 SOC 예측의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)는, 배터리 팩에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100) 이외에, 배터리 팩에 통상적으로 포함되는 구성요소, 이를테면 하나 이상의 배터리, BMS(battery management system), 전류 센서, 릴레이, 퓨즈, 팩 케이스 등을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 배터리 팩에 포함된 이차 전지가, 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)가 제어하는 대상, 즉 대상 전지가 될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)의 적어도 일부 구성요소는, 배터리 팩에 포함되어 있는 종래 구성요소로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)의 측정부(110)는, 배터리 팩에 포함된 전압 센서에 의해 구현될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)의 프로세서(130)의 적어도 일부 기능 내지 동작은, 배터리 팩에 포함된 BMS에 의해 구현될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)는, 전기 차량에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전기 차량은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)를 포함할 수 있다. 특히, 전기 차량의 경우, 배터리 팩이 구동원으로서 매우 중요한 구성요소이므로, 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)가 보다 유용하게 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전기 차량은, 이러한 배터리 제어 장치(100) 이외에, 다른 다양한 장치, 이를테면, 차체, ECU와 같은 차량 제어 유닛, 모터, 접속 단자, DC-DC 컨버터 등을 더 포함할 수 있다. 이외에, 본 발명에 따른 전기 차량은, 전기 차량에 통상적으로 포함된 구성요소를 더 채용할 수 있음은 물론이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도 5의 방법은 외부 충전기 등으로부터 배터리에 대한 충전 절차의 개시를 알리는 메시지가 배터리 제어 장치(100)에 수신되는 것에 응답하여 실행될 수 있다. 도 5에서, 각 단계의 주체는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)의 각 구성 요소가 될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 도 5의 방법이 개시되는 시점에서의 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC 미만인 것으로 가정한다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 단계 S510에서, 프로세서(130)는 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행한다. 예컨대, 프로세서(130)는 제1 충전율에 대응하는 크기의 충전 전류의 공급을 외부 충방전기에게 요청할 수 있다.

단계 S520에서, 프로세서(130)는 측정부(110)로부터 수신되는 배터리의 전압을 나타내는 전압 측정값에 기초하여 결정되는 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 도달하였는지 여부를 판정한다. 배터리의 전압 측정값은 배터리가 제1 충전율로 충전되는 동안에 측정부(110)를 통해 주기적 또는 지정된 시간 간격 마다 측정될 수 있다.

제1 기준 SOC는, 배터리가 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되는 경우에, 배터리의 음극 상에서의 리튬석출을 방지하기 위해 미리 정해진 값이다. 예컨대, 제1 기준 SOC는 배터리 SOC가 제1 기준 SOC보다 낮은 때부터 제1 충전율로 정전류 충전을 지속하는 경우에, 배터리의 음극에서 리튬 석출이 발생하기 시작하거나 리튬 석출의 심각도가 일정 수준에 높아지는 것으로 예상 또는 미리 정해진 SOC 값일 수 있다.

단계 S520의 값이 "예"인 경우, 단계 S530으로 진행한다. 단계 S520의 값이 "아니오"인 경우, 프로세서(130)는 단계 S510으로 회귀하여 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 계속한다.

단계 S530에서, 프로세서(130)는 일시적 방전 절차를 진행한다. 즉, 단계 S530에서는 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차로부터 일시적 방전 절차로 전환된다. 일시적 방전 절차는 지정된 시간 동안 지정된 크기의 정전류로 진행될 수 있다. 즉, 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차와 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차 사이에 배터리는 방전된다. 배터리가 방전됨에 따라, 배터리의 음극 상에 석출된 리튬의 적어도 일부가 제거될 수 있다.

단계 S540에서, 프로세서(130)는 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행한다. 즉, 단계 S540에서는 일시적 방전 절차로부터 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차로 전환된다. 대안적으로, 단계 S540에서는 제2 충전율 대신 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행될 수도 있다.

단계 S550에서, 프로세서(130)는 배터리의 SOC가 제2 기준 SOC에 도달하였는지 여부를 판정한다. 단계 S550의 값이 "예"인 경우, 도 5의 방법은 종료될 수 있다. 단계 S550의 값이 "아니오"인 경우, 프로세서(130)는 단계 S540으로 회귀하여 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 계속한다.

도 5에서는 배터리의 SOC가 제2 기준 SOC에 도달 시에 종료되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 예시에 불과하다. 만약, 멀티 스테이지 충절 절차가 3개 이상의 정전류 충전 절차를 포함하는 경우, 추가적인 정전류 충전 절차나 정전압 충전 절차가 후속적으로 진행될 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도 6의 방법은 외부 충방전기 등으로부터 배터리에 대한 충전 절차의 개시를 알리는 메시지가 배터리 제어 장치(100)에 수신되는 것에 응답하여 실행될 수 있다. 도 6에서, 각 단계의 주체는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)의 각 구성 요소가 될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 도 6의 방법이 개시되는 시점에서의 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC 미만인 것으로 가정한다.

도 1 내지 도 4 및 도 6을 참조하면, 단계 S610에서, 프로세서(130)는 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행한다.

단계 S620에서, 프로세서(130)는 측정부(110)로부터 수신되는 배터리의 전압을 나타내는 전압 측정값에 기초하여 결정되는 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 도달하였는지 여부를 판정한다. 배터리의 전압 측정값은 배터리가 제1 충전율로 충전되는 동안에 측정부(110)를 통해 주기적 또는 지정된 시간 간격 마다 측정될 수 있다.

단계 S620의 값이 "예"인 경우, 단계 S624으로 진행한다. 단계 S620의 값이 "아니오"인 경우, 프로세서(130)는 단계 S610으로 회귀하여 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 계속한다.

단계 S624에서, 프로세서(130)는 배터리에 대한 일시적 방전 절차의 진행이 필요 여부를 판정한다. 프로세서(130)는 배터리의 사용 정도를 기초로, 일시적 방전 절차의 진행이 필요성을 결정할 수 있다. 예컨대, 배터리의 사용 정도가 임계값 이상인 경우, 단계 S624의 값은 "예"이고, 그 외에는 단계 S624의 값은 "아니오"로 출력될 수 있다. 단계 S624의 값이 "예"인 경우, 할 수 있다.

관련하여, 전류 충격의 크기가 동일하더라도, 배터리가 퇴화되어 갈수록 배터리에 더 큰 내적 손상을 야기한다. 이러한 퇴화 특성을 고려하여, 일시적 방전 절차의 진행이 필요한 것으로 판정되는 경우, 프로세서(130)는 (i)배터리의 사용 정도에 대해 연속적 또는 이산적인 음의 상관 관계를 갖도록, 일시적 방전 절차의 시간 길이를 결정하는 동작 및 (ii)배터리의 사용 정도에 대해 연속적 또는 이산적인 음의 상관 관계를 갖도록, 일시적 방전 절차를 위한 정전류의 크기를 결정하는 동작 중 적어도 하나를 실행할 수 있다. 즉, 배터리의 사용 정도가 증가할수록(즉, 배터리가 퇴화되어갈수록) 일시적 방전 절차의 시간 길이 및 정전류(방전 전류)의 크기가 연속적으로 또는 이산적으로 감소된다. 상기 음의 상관 관계는, 배터리의 사용 정도를 입력 변수하고, 일시적 방전 절차의 시간 길이 및 방전 전류의 크기 중 적어도 하나를 출력하는 소정의 함수로 정의될 수 있다.

이에 따라, 제1 충전율에 연관된 정전류 충전 절차로부터 일시적 방전 절차로의 전환 시에 배터리에 가해지는 전류 충격(즉, 제1 충전율과 방전 전류의 크기 간의 차이)과, 일시적 방전 절차로부터 제2 충전율에 연관된 정전류 충전 절차로의 전환 시에 배터리에 가해지는 전류 충격(즉, 방전 전류의 크기와 제2 충전율 간의 차이)의 수준이, 배터리의 퇴화에 맞춰 완화된다는 기술적 장점이 있다.

단계 S630에서, 프로세서(130)는 일시적 방전 절차를 진행한다. 예컨대, 프로세서(130)는 일시적 방전 절차의 방전 정보에 맞춰 배터리에 방전 전류를 흐르게 할 것을 외부 충방전기에게 요청할 수 있다.

단계 S640에서, 프로세서(130)는 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행한다. 대안적으로, 단계 S640에서는 제2 충전율 대신 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행될 수도 있다.

단계 S650에서, 프로세서(130)는 배터리의 SOC가 제2 기준 SOC에 도달하였는지 여부를 판정한다. 단계 S640의 값이 "예"인 경우, 도 6의 방법은 종료될 수 있다. 단계 S650의 값이 "아니오"인 경우, 프로세서(130)는 단계 S640으로 회귀하여 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 계속한다.

도 6에서는 배터리의 SOC가 제2 기준 SOC에 도달 시에 종료되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 예시에 불과하다. 만약, 멀티 스테이지 충절 절차가 3개 이상의 정전류 충전 절차를 포함하는 경우, 추가적인 정전류 충전 절차나 정전압 충전 절차가 후속적으로 진행될 수 있다.

도 5를 참조하여 전술된 실시예에서 일시적 방전 절차를 무조건 진행한 것과는 달리, 도 6을 참조하여 전술된 실시예는 배터리의 사용 정도에 따라 일시적 방전 절차를 선택적으로 진행 가능하다는 점에서 상이하다.

도 7는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도 7의 방법은 외부 충방전기 등으로부터 배터리에 대한 충전 절차의 개시를 알리는 메시지가 배터리 제어 장치(100)에 수신되는 것에 응답하여 실행될 수 있다. 도 7에서, 각 단계의 주체는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 배터리 제어 장치(100)의 각 구성 요소가 될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 도 7의 방법이 개시되는 시점에서의 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC 미만인 것으로 가정한다.

도 1 내지 도 4 및 도 7을 참조하면, 단계 S710에서, 프로세서(130)는 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행한다.

단계 S720에서, 프로세서(130)는 측정부(110)로부터 수신되는 배터리의 전압을 나타내는 전압 측정값에 기초하여 결정되는 배터리의 SOC가 제1 기준 SOC에 도달하였는지 여부를 판정한다. 배터리의 전압 측정값은 배터리가 제1 충전율로 충전되는 동안에 측정부(110)를 통해 주기적 또는 지정된 시간 간격 마다 측정될 수 있다.

단계 S720의 값이 "예"인 경우, 단계 S724으로 진행한다. 단계 S720의 값이 "아니오"인 경우, 프로세서(130)는 단계 S710으로 회귀하여 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 계속한다.

단계 S724에서, 프로세서(130)는 배터리에 대한 일시적 방전 절차의 진행이 필요 여부를 판정한다. 프로세서(130)는 배터리의 사용 정도를 기초로, 일시적 방전 절차의 진행이 필요성을 결정할 수 있다. 예컨대, 배터리의 사용 정도가 임계값 이상인 경우, 단계 S724의 값은 "예"이고, 그 외에는 단계 S724의 값은 "아니오"로 출력될 수 있다. 단계 S724의 값이 "예"인 경우, 단계 S726으로 진행한다. 단계 S724의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S742으로 진행할 수 있다.

관련하여, 일시적 방전 절차의 진행이 필요한 것으로 판정되는 경우에 (i)배터리의 사용 정도에 대해 연속적 또는 이산적인 음의 상관 관계를 갖도록, 일시적 방전 절차의 시간 길이를 결정하는 동작 및 (ii)배터리의 사용 정도에 대해 연속적 또는 이산적인 음의 상관 관계를 갖도록, 일시적 방전 절차를 위한 정전류의 크기를 결정하는 동작 중 적어도 하나가 실행될 수 있음은, 도 6을 참조하여 전술된 바와 공통된다.

단계 S726에서, 프로세서(130)는 일시적 방전 절차의 방전 정보를 기초로, 조정된 제2 충전율을 결정한다(수학식 2 참조). 조정된 제2 충전율은, 멀티 스테이지 충전 프로토콜 데이터에 따른 본래의 제2 충전율과는 상이하다.

단계 S730에서, 프로세서(130)는 일시적 방전 절차를 진행한다.

단계 S740에서, 프로세서(130)는 조정된 제2 충전율(단계 S726에서 결정됨)을 이용한 정전류 충전 절차를 진행한다.

단계 S742에서, 프로세서(130)는 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행한다.

단계 S750에서, 프로세서(130)는 배터리의 SOC가 제2 기준 SOC에 도달하였는지 여부를 판정한다. 단계 S740의 값이 "예"인 경우, 도 7의 방법은 종료될 수 있다. 단계 S750의 값이 "아니오"인 경우, 프로세서(130)는 단계 S740 또는 단계 S740으로 회귀하여 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 계속한다. 여기서, 단계 S724의 값이 "예"로 판정되고 단계 S750의 값은 "아니오"로 판정된 경우에는 단계 S740로 회귀하는 반면, 단계 S724과 단계 S750의 값이 둘 다 "아니오"로 판정된 경우에는 단계 S742로 회귀할 수 있다.

도 7에서는 배터리의 SOC가 제2 기준 SOC에 도달 시에 종료되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 예시에 불과하다. 만약, 멀티 스테이지 충절 절차가 3개 이상의 정전류 충전 절차를 포함하는 경우, 추가적인 정전류 충전 절차나 정전압 충전 절차가 후속적으로 진행될 수 있다.

도 6을 참조하여 전술된 실시예에서 일시적 방전 절차를 무조건 진행한 것과는 달리, 도 7을 참조하여 전술된 실시예는 일시적 방전 절차가 필요한 경우에, 멀티 스테이지 충전 프로토콜 데이터에 포함된 본래의 제2 충전율 대신, 상기 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행한다는 점에서 상이하다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

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.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

100: 배터리 제어 장치
110: 측정부
120: 메모리
130: 프로세서

Claims

배터리의 전압을 측정하여, 상기 측정된 전압을 나타내는 전압 측정값을 출력하도록 구성된 측정부;
제1 충전율, 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 후속하는 다른 정전류 충전 절차에 이용되는 제2 충전율, 및 상기 제1 충전율에 연관된 제1 기준 SOC - 상기 제1 기준 SOC는 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 상기 배터리의 리튬 석출을 방지하기 위해 미리 정해진 값임 - 을 포함하는 멀티 스테이지 충전 프로토콜 데이터를 저장하는 메모리; 및
상기 측정부로부터 수신되는 상기 전압 측정값에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 식별하는 프로세서;
를 포함하되,
상기 프로세서는,
상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되는 중 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC에 도달하는 경우, 일시적 방전 절차를 진행하고,
상기 일시적 방전 절차의 방전 정보를 기초로, 상기 제2 충전율과는 상이한 조정된 제2 충전율을 결정하고,
상기 일시적 방전 절차의 종료 후, 상기 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행하도록 구성되는 배터리 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 방전 정보에 포함된 상기 일시적 방전 절차가 진행되는 동안의 상기 배터리의 SOC 변화량에 기반하여, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제2항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 일시적 방전 절차에 따른 상기 배터리의 SOC 변화량을 보상하기 위해, 상기 제2 충전율보다 크도록 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 메모리는,
상기 제2 충전율에 연관된 제2 기준 SOC - 상기 제2 기준 SOC는 상기 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 상기 배터리의 리튬 석출을 방지하기 위해 미리 정해진 값임- 를 더 저장하는 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제4항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제1 기준 SOC, 상기 제2 기준 SOC 및 상기 제2 충전율에 더 기초하여, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제5항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되는 중 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC에 도달한 시점부터 즉시 상기 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행할 경우에, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC로부터 상기 제2 기준 SOC에 도달하기까지 소요될 것으로 예상되는 기준 시간을 연산하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제6항에 있어서,
상기 프로세서는,
(i)상기 방전 정보에 포함된 상기 일시적 방전 절차의 시간 길이와 (ii)상기 일시적 방전 절차의 종료 시점부터 즉시 상기 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 의해 상기 배터리의 SOC가 상기 제2 기준 SOC에 도달하는 데에 필요한 시간의 합이 상기 기준 시간과 동일하도록, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제7항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 배터리의 사용 정도에 대해 연속적 또는 이산적인 음의 상관 관계를 갖도록, 상기 일시적 방전 절차의 시간 길이를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제6항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제1 기준 SOC와 상기 제2 기준 SOC의 차이와 상기 일시적 방전 절차에 의한 SOC 변화량의 합에 비례하고, 상기 기준 시간과 상기 방전 정보에 포함된 상기 일시적 방전 절차의 시간 길이의 차이에 반비례하도록, 상기 조정된 제2 충전율을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 배터리가 상기 제1 충전율 이하의 크기의 정전류로 방전되도록, 상기 일시적 방전 절차를 진행하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제10항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 배터리의 사용 정도에 대해 연속적 또는 이산적인 음의 상관 관계를 갖도록, 상기 일시적 방전 절차를 위한 정전류의 크기를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 배터리의 사용 정도를 기초로, 상기 일시적 방전 절차의 진행 필요 여부를 결정하고,
상기 일시적 방전 절차의 진행이 필요한 것으로 결정 시, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC에 도달하면 상기 일시적 방전 절차를 진행하고,
상기 일시적 방전 절차의 진행이 불필요한 것으로 결정 시, 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 기준 SOC에 도달하면 상기 일시적 방전 절차의 진행없이 상기 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 제어 장치를 포함하는, 배터리 팩.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 제어 장치를 포함하는, 전기 차량.
배터리 제어 장치에 의해 실행되는 배터리 제어 방법에 있어서,
제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차가 진행되는 중, 배터리의 측정된 전압을 나타내는 전압 측정값에 기반하여 식별되는 상기 배터리의 SOC가 상기 제1 충전율에 연관된 제1 기준 SOC - 상기 제1 기준 SOC는 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에서 상기 배터리의 리튬 석출을 방지하기 위해 미리 정해진 값임 - 에 도달하는 경우, 일시적 방전 절차를 진행하는 단계;
상기 일시적 방전 절차의 방전 정보를 기초로, 상기 제1 충전율을 이용한 정전류 충전 절차에 후속하는 다른 정전류 충전 절차에 이용되도록 미리 정해진 제2 충전율과는 상이한 조정된 제2 충전율을 결정하는 단계; 및
상기 일시적 방전 절차의 종료 후, 상기 조정된 제2 충전율을 이용한 정전류 충전 절차를 진행하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 제어 방법.