KR20240017950A - 이차 배터리 충전 방법 및 장치, 컴퓨터 저장 매체와 전자설비 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 이차 배터리 충전 방법 및 장치, 컴퓨터 저장 매체와 전자설비를 공개하며, 상기 이차 배터리 충전방법은 이하의 단계, 배터리 관리유닛(Battery Management System, BMS)이 충전원에 제1 충전 정보를 발송하고, 제1 충전 정보는 제1 충전 출력을 포함하는 단계; 충전원은 제1 충전 출력에 근거해 이차 배터리에 대해 정출력(constant power) 충전을 진행하는 단계; 배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, BMS가 충전원에 복수의 펄스 방전 정보를 발송하고, 각각의 펄스 방전 정보는 방전 출력과 방전 시간을 포함하는 단계; 이차 배터리에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행하는 단계를 포함하고; 이는 이차 배터리의 분극을 감소해 이차 배터리의 순환 수명을 개선하고, 동시에 급속 충전의 수요를 만족시킬 수도 있다.
Description
본 출원은 배터리 분야에 관한 것으로, 상세하게, 이차 배터리 충전 방법 및 장치, 컴퓨터 저장 매체와 전자설비에 관한 것이다.
전기자동차는 높은 친환경성, 낮은 소음, 낮은 사용 원가 등 장점으로 인하여 매우 큰 시장 전망을 갖고 있고 에너지 절약 및 오염물 배출 감소를 효과적으로 촉진할 수 있어 사회의 발전과 진보에 이로우며, 배터리기술은 전기자동차의 핵심 기술이다.
리튬 이온 배터리는 충전과정에서 분극(polarisation)이 발생하고, 분극의 누적은 리튬 이온 배터리의 사용 수명을 단축시킨다. 특히, 널리 사용되고 있는 급속 충전 기술은 충전 시간을 매우 크게 단축시키는 동시에, 리튬 이온 배터리의 분극을 증가시키고 리튬 이온 배터리의 수명 감소가 더 빨라지도록 한다.
본 출원의 실시예는 이차 배터리 충전 방법 및 장치, 컴퓨터 저장 매체와 전자설비를 제공하며, 이는 이차 배터리의 분극(polarisation)을 감소시켜 이차 배터리의 사용 수명을 늘린다.
제1 측면에서, 본 출원은 이차 배터리 충전방법을 제공하며, 상기 이차 배터리 충전방법은 이하의 단계;
배터리 관리유닛(Battery Management System,BMS)이 충전원에 제1 충전 정보를 발송하고, 상기 제1 충전 정보는 제1 충전 출력을 포함하는 단계;
상기 충전원은 상기 제1 충전 출력에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 정출력(constant power) 충전을 진행하는 데 사용하는 단계;
배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, 상기 BMS가 상기 충전원에 복수의 펄스 방전 정보를 발송하고, 각각의 상기 펄스 방전 정보는 방전 출력과 방전 시간을 포함하는 단계;
상기 충전원은 상기 복수 펄스 방전 정보 중의 상기 방전 출력과 방전 시간에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행하는 단계;를 포함한다.
본 출원의 실시예에 따른 실시방안에서, 충전원은 이차 배터리에 대해 정출력 충전을 진행하고, 이차 배터리의 배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, 충전원은 이차 배터리에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한다.
정출력 충전을 진행하여 충전원의 출력 파워가 정격 출력에 도달하도록 할 수 있어, 충전 효율을 향상하고 용량 낭비를 피하고 급속 충전을 구현한다. 또한, 배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, 여러 번의 펄스 방전을 진행한다. 정출력 충전을 진행하는 과정에서 여러 번의 정출력 펄스 방전단계를 추가하므로, 이차 배터리의 분극을 감소해 이차 배터리의 순환 수명을 개선할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 배터리 상태 파라미터는 상기 이차 배터리의 하전상태(State of Charge, SOC)를 포함한다.
상기 실시예는 SOC의 값에 근거해 이차 배터리에 대한 정출력 펄스 방전 시작 여부를 확정하고, 즉, SOC가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, 충전원은 이차 배터리에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한다.
일부 실시예에서, 상기 제1 미리 설정한 값은 50% SOC 이상이다.
하전상태 SOC가 50% 이상에 도달하는 조건하에서 이차 배터리에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행하고, 즉, 이차 배터리의 분극을 효과적으로 감소할 수 있을 뿐만 아니라, 충전 시간을 단축시켜 급속 충전을 구현할 수도 있다.
일부 실시예에서, 상기 배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, 상기 BMS는 상기 충전원에 제1 펄스 방전 정보를 발송하고, 상기 제1 펄스 방전 정보는 제1 방전 출력과 제1 방전 시간을 포함하며; 상기 충전원은 상기 제1 펄스 방전 정보에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 제1 정출력 펄스 방전을 진행하며; 상기 제1 방전 시간이 지난 후, 상기 BMS가 상기 충전원에 제2 펄스 방전 정보를 발송하고, 상기 제2 펄스 방전 정보는 제2 방전 출력과 제2 방전 시간을 포함하며; 상기 충전원은 상기 제2 펄스 방전 정보에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 제2 정출력 펄스 방전을 진행한다.
상기 실시예에서, 충전원은 이차 배터리에 대해 두 번의 펄스 방전을 진행하고, 이 경우, 배터리 분극을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 급속 충전의 수요를 만족시킬 수도 있다.
일부 실시예에서, 상기 제1 방전 출력은 상기 제1 충전 출력보다 크고, 상기 제2 방전 출력은 상기 제1 충전 출력보다 작다.
제1 방전 출력은 제1 충전 출력보다 크고, 즉, 제1 정출력 펄스 방전은 고출력 방전이다. 정출력 충전을 실시한 후에 고출력 방전을 진행할 경우, 분극을 신속하게 감소할 수 있다. 제2 방전 출력은 제1 충전 출력보다 작고, 즉, 제2 정출력 펄스 방전은 저출력 방전이다. 정출력 충전을 실시한 후에 저출력 방전을 진행할 경우, 정치후 양극 전위(anode potential)를 개선해 분극을 개선할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 제1 방전 시간은 1 내지 20초이고, 상기 제2 방전 시간은 1 내지 20초이다.
바람직하게, 펄스 방전 시간은 1 내지 20초로서, 배터리 분극을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 급속 충전의 수요를 만족시킬 수도 있다.
일부 실시예에서, 상기 여러 번의 정출력 펄스 방전을 실시한 후, 상기 충전원은 상기 BMS가 발송한 제2 충전 정보에 근거해 상기 제1 충전 출력에 의하여 다시 상기 이차 배터리에 대해 정출력 충전을 진행하며; 상기 이차 배터리의 배터리 상태 파라미터가 제2 미리 설정한 값에 도달하였을 경우, 상기 충전원은 상기 BMS가 발송한 상기 복수의 펄스 방전 정보에 근거하여 상기 이차 배터리에 대해 다시 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한다.
충전원이 이차 배터리에 대해 정출력 충전 및 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한 후, 충전원은 이차 배터리에 대해 다시 정출력 충전(제2차 정출력 충전)을 진행하고, 배터리 상태 파라미터가 제2 미리 설정한 값에 도달한 후, 충전원은 상기 이차 배터리에 대해 다시 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한다. 이차 배터리에 대해 정출력 충전 및 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한 후, 다시 제2차 정출력 충전 및 정출력 펄스 방전을 진행하여 이차 배터리가 계속 충전하는 과정에서 펄스 방전을 통해 분극을 감소하여 이차 배터리의 순환 수명을 개선할 수있다.
일부 실시예에서, 상기 제2 미리 설정한 값은 SOC가 5% 증가한 것이다.
충전원은 이차 배터리에 대해 다시 정출력 충전을 진행하고, SOC가 5% 증가할 때마다 여러번의 펄스 방전을 다시 진행하여 계속 충전하는 과정에서 펄스 방전을 통해 분극을 개선한다.
일부 실시예에서, 상기 충전원은 상기 BMS가 여러 번 발송한 상기 제2 충전 정보와 상기 복수의 펄스 방전 정보에 근거해 상기 이차 배터리의 전압이 미리 설정한 값에 도달할 때까지 상기 정출력 충전과 상기 여러 번의 정출력 펄스 방전을 반복 진행한다.
정출력 충전을 반복해 진행하여 SOC가 5% 증가되도록 하고, 그 다음, 여러 번의 펄스 방전을 실행하여 분극을 억제할 수 있는 상황에서 정출력 충전 과정을 계속하여 이차 배터리의 순환 수명을 개선한다.
제2 측면에서, 본 출원은 이차 배터리의 충전장치를 제공하며, 상기 충전장치는, BMS가 발송한 충전 정보에 근거하여 제1 충전 출력에 의해 상기 이차 배터리에 대해 정출력 충전을 진행하는 충전유닛; 및 BMS가 발송한 펄스 방전 정보에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하는 펄스 방전유닛;을 포함하며, 여기에서, 배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달하였을 경우, 상기 펄스 방전유닛은 BMS가 발송한 복수의 펄스 방전 정보에 근거하여 상기 이차 배터리에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한다.
일부 실시예에서, 상기 펄스 방전유닛에 대해 상기 여러 번의 펄스 방전을 진행한 후, 상기 충전유닛은 상기 제1 충전 출력에 의하여 다시 상기 이차 배터리에 대해 정출력 충전을 진행하며; 상기 이차 배터리의 배터리 상태 파라미터가 제2 미리 설정한 값에 도달하였을 경우, 상기 펄스 방전유닛은 다시 상기 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한다.
일부 실시예에서, 상기 펄스 방전유닛과 상기 충전유닛은 상기 이차 배터리의 전압이 미리 설정한 값에 도달할 때까지 상기 여러 번의 펄스 방전과 상기 정출력 충전을 번갈아 가며 진행한다.
제3 측면에서, 본 출원은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 제공하며, 상기 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에는 컴퓨터 실행 가능한 명령이 저장되고, 상기 컴퓨터 실행 가능한 명령은 프로세서에 의해 실행될 경우, 상기 실시예의 이차 배터리 충전방법을 실행한다.
제4 측면에서, 본 출원은 전자설비를 제공하며, 상기 전자설비는, 컴퓨터 명령을 저장하는 메모리; 및 상기 컴퓨터 명령을 운행하여 상기 실시예의 이차 배터리 충전방법을 실행하는 프로세서;를 포함한다.
이하, 도면을 결합해 본 출원의 실시예에 따른 기술방안을 설명한다. 이하 도면은 본 출원에 대한 한정이 아니라 바람직한 실시방식을 도시하는 데만 사용한다. 이외에도, 전부 도면은 동일한 도면 부호를 사용하여 동일한 부재를 표시한다.
도 1은 본 출원의 일부 실시예에 따른 전기장치 및 충전장치에 대한 설명도이고;
도 2는 본 출원의 일부 실시예에 따른 충전시스템에 대한 설명도이고;
도 3은 본 출원의 일부 실시예에 다른 이차 배터리 충전방법의 흐름도이고;
도 4는 본 출원의 일부 실시예에 따른 배터리 충전방법의 충전 출력의 파형도이고;
도 5는 본 출원에 따른 이차 배터리 충전방법의 한 실시예의 흐름도이고;
도 6은 본 출원의 일부 실시예에 따른 배터리 충전방법의 충전 출력의 파형도이고;
도 7은 본 출원에 따른 이차 배터리 충전방법의 다른 실시예의 흐름도이고;
도 8은 정출력(constant power) 충전을 실시한 후, 상이한 방전 출력에 의해 펄스 방전을 진행할 경우, 양극 순간 전위가 개선된 실험 결과를 도시하였고;
도 9는 정출력 충전을 실시한 후, 상이한 방전 시간에 의해 펄스 방전을 진행할 경우, 양극 순간 전위가 개선된 실험 결과를 도시하였고;
도 10은 정출력 충전을 실시한 후, 상이한 방전 출력에 의해 펄스 방전을 진행하고, 다시, 배터리(121)를 정치한 후, 양극 전위가 개선된 실험 결과를 도시하였고;
도 11은 정출력 충전을 실시한 후, 다른 상이한 방전 출력에 의해 펄스 방전을 진행하고, 다시, 배터리(121)를 정치한 후, 양극 전위가 개선된 실험 결과를 도시하였고;
도 12는 본 출원의 실시예와 일부 대조예에 있어서 정출력 순환 곡선의 실험 결과를 도시하였고;
도 13은 본 출원의 일부 대조예에 있어서 정출력 순환 곡선의 실험 결과를 도시하였고;
도 14는 본 출원에 따른 충전장치(20)의 구조도이고;
도 15는 본 출원에 따른 전자설비의 구조도이다.
도 1은 본 출원의 일부 실시예에 따른 전기장치 및 충전장치에 대한 설명도이고;
도 2는 본 출원의 일부 실시예에 따른 충전시스템에 대한 설명도이고;
도 3은 본 출원의 일부 실시예에 다른 이차 배터리 충전방법의 흐름도이고;
도 4는 본 출원의 일부 실시예에 따른 배터리 충전방법의 충전 출력의 파형도이고;
도 5는 본 출원에 따른 이차 배터리 충전방법의 한 실시예의 흐름도이고;
도 6은 본 출원의 일부 실시예에 따른 배터리 충전방법의 충전 출력의 파형도이고;
도 7은 본 출원에 따른 이차 배터리 충전방법의 다른 실시예의 흐름도이고;
도 8은 정출력(constant power) 충전을 실시한 후, 상이한 방전 출력에 의해 펄스 방전을 진행할 경우, 양극 순간 전위가 개선된 실험 결과를 도시하였고;
도 9는 정출력 충전을 실시한 후, 상이한 방전 시간에 의해 펄스 방전을 진행할 경우, 양극 순간 전위가 개선된 실험 결과를 도시하였고;
도 10은 정출력 충전을 실시한 후, 상이한 방전 출력에 의해 펄스 방전을 진행하고, 다시, 배터리(121)를 정치한 후, 양극 전위가 개선된 실험 결과를 도시하였고;
도 11은 정출력 충전을 실시한 후, 다른 상이한 방전 출력에 의해 펄스 방전을 진행하고, 다시, 배터리(121)를 정치한 후, 양극 전위가 개선된 실험 결과를 도시하였고;
도 12는 본 출원의 실시예와 일부 대조예에 있어서 정출력 순환 곡선의 실험 결과를 도시하였고;
도 13은 본 출원의 일부 대조예에 있어서 정출력 순환 곡선의 실험 결과를 도시하였고;
도 14는 본 출원에 따른 충전장치(20)의 구조도이고;
도 15는 본 출원에 따른 전자설비의 구조도이다.
이하, 도면을 결합해 본 출원에 따른 기술방안의 실시예를 상세하게 기재한다. 이하 실시예는 본 출원의 기술방안을 명료하게 설명하는 데만 사용하고 이에 이해 본 출원의 보호범위를 한정하지 않는다.
별도로 정의하지 않은 한, 본문에서 사용하는 모든 기술 및 과학 용어는 본 기술분야의 기술자들이 통상적으로 이해하고 있는 의미와 동일하며; 본문에서 사용하는 용어는 본 출원을 한정하는 목적이 아니라 구체적인 실시예를 기재하는 목적에만 사용할 뿐이며; 본 출원의 명세서와 특허청구범위 및 상기 도면에 대한 설명에서 용어 “포함”과 “구비” 및 그들의 모든 변형은 배타적이지 않는 포함을 포괄시키려는 의도가 있다.
본 출원에 따른 실시예에 대한 기재에서, 기술 용어 “제1”, “제2”등은 상이한 대상을 구별하는 데만 사용하고, 상대적인 중요성을 지시 또는 암시하거나 가리킨 기술특징의 수량, 특정 순서 또는 주종관계를 암묵적으로 지적하는 것으로 이해하지 않는다.
명세서의 기재에서 각각의 실시예는 상호 사이에 배척하지 않으며, 본 기술분야의 기술자들은 본 발명의 기술사상 및 기술상식에 근거해 각 실시예를 결합시킬 수 있다.
본 출원에 따른 실시예의 기재에서, 용어 “및/또는”은 관련 대상을 기재하는 관련 관계일 뿐이고, 아래와 같이 3가지 관계가 존재할 수 있다는 것을 표시한다. 예를 들어, A 및/또는 B는 A가 단독으로 존재하고, A와 B가 동시에 존재하고, B가 단독으로 존재하는 3가지 경우가 존재한다는 것을 표시할 수 있다. 이외에도, 본문에서 문자 “/”는 통상적으로 전후 관련 대상이 “또는”의 관계라는 것을 표시한다.
본 출원에 따른 실시예의 기재에서, 용어 “복수”가 가리키는 것은 2개 이상(2개 포함)이고, “복수 세트”가 가리키는 것은 두 세트 이상(두 세트 포함)이고, “복수 시트”가 가리키는 것은 두 시트 이상(두 시트 포함)이다.
본 출원에 따른 실시예의 기재에서, 별도로 명료하게 규정 및 한정하지 않은 한, “장착”, “상호 연결”, “연결”, “고정” 등 용어는 넓은 의미에서 이해하여야 하며, 예를 들어, 고정해 연결할 수 있고, 분리되도록 연결할 수도 있고, 또는 일체형을 구성할 수 있으며; 기계적으로 연결할 수도 있고, 전기적으로 연결할 수도 있으며; 직접 상호 연결할 수 있고, 중간 매체를 통해 간접적으로 상호 연결할 수도 있고, 두 소자 내부의 연통 또는 두 소자의 상호 작용 관계일 수 있다. 본 기술분야의 통상적인 기술자들은 구체적인 상황에 근거해 상기 용어가 본 출원에 따른 실시예에서 갖는 구체적인 의미를 이해할 수 있다.
동력 배터리는 전기장치에 동력 공급원을 제공하는 배터리이고, 동력 배터리는 각종 이차 배터리일 수 있다. 이차 배터리는 충전 배터리 또는 축전지라고도 불리우고, 배터리가 방전한 후에 충전방식을 통해 활성 물질이 활성화되도록 하여 계속 사용하는 배터리를 가리킨다. 예를 들어, 동력 배터리는 리튬 이온 배터리, 리튬 금속 배터리, 납산 배터리、니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 리튬 황 배터리, 리튬 공기 배터리 또는 나트륨 이온 배터리 등 이차 배터리일 수 있고, 본 출원에 따른 실시예는 구체적으로 한정하지 않는다. 배터리 규모에 있어서, 본 출원에 따른 실시예의 동력 배터리는 셀/배터리 단량체일 수 있고, 배터리 모듈 또는 배터리 팩일 수도 있고, 본 출원에 따른 실시예는 구체적으로 한정하지 않는다. 전기장치는 차량, 선박, 우주비행체 등일 수 있고, 본 출원에 따른 실시예는 이에 대해 한정하지 않는다. 동력 배터리의 배터리 관리시스템(Battery Management System,BMS)은 동력 배터리의 사용 안전을 보호하는 제어시스템으로서, 충전 및 방전 관리, 고압 제어, 배터리 보호, 배터리 데이터 수집, 배터리 상태 평가 등 기능을 실시한다. 충전 파일(charging pile)은 충전기 또는 충전원이라고도 불리우고, 동력 배터리를 충전하는 장치이다. 충전 파일은 BMS의 충전 수요에 의해 충전 출력을 출력하여 동력 배터리를 충전할 수 있다. 예를 들어, 충전 파일은 BMS가 발송한 충전 전압, 충전 전류, 충전 시간에 따라 전압과 전류를 출력해 충전을 진행할 수 있다.
충전과정은 통상적으로 충전 파일이 지속적으로 충전하는 방식을 이용해 베터리에 대한 충전을 진행한다. 배터리에 대해 지속적으로 충전을 진행할 경우, 충전 전류가 배터리를 흘러지나 배터리 전극의 전위가 평형 전극 전위를 이탈하도록 하고, 즉, 전극 분극(polarisation)이 발생하도록 한다. 전극 분극은 배터리의 성능을 떨구고 순환 수명을 대폭 단축시키고 배터리의 충전 용량을 줄인다.
종래기술에서 보편적으로 사용하는 분극 감소 충전방법은 정전류 정전압 충전방식이고, 즉, 정전류 충전을 실시한 후, 정전압 전압을 증가시키는 과정으로서, 비교적 작은 전류에 의해 충전을 진행하여 분극을 감소한다. 상기 방법은 리튬 이온 배터리의 충전과정에 널리 사용된다.
예를 들어, 정전류 정전압 충전에 있어서, 정전류 충전을 실시한 후, 종지 전압에 근접할 때 저전류 정전압 충전으로 변경시킨다. 구체적으로 예를 들 경우, 800mA.h 용량의 배터리는 충전 종지 전압이 4.2V이다. 해당 배터리는 800mA(충전율: 1C)에 의해 정전류 충전을 진행하고, 시작할 때 배터리 전압은 비교적 큰 기울기로 상승한다. 배터리 전압이 4.2V에 근접할 때 4.2V의 정전압 충전으로 변경하며, 리튬 배터리에 있어서, 전류는 점차 감소하고 전압은 변화가 크지 않다. 충전 전류가 1/10C(약 80mA)로 낮아질 때 완전 충전에 근접한 것으로 판단하여 충전을 종지할 수 있다.
다른 분극 감소 충전방법은 정전류 충전과정에서 음의 펄스 전류를 증가시킨다. 예를 들어, 일정한 충전 전류에 의해 배터리에 대해 비교적 긴 시간의 충전을 진행하고, 정치를 거치고, 다시, 일정한 방전 전류에 의해 배터리에 대해 단시간 방전을 진행하고, 그 다음, 배터리 전압이 충전 마감 전압에 도달할 때까지 정전류 충전과 정전류 방전을 반복한다. 상기 방식은 배터리 분극의 누적을 효과적으로 감소하고 배터리의 열 발생을 줄이고 충전 속도를 높인다.
정전류 정전압 충전 또는 정전류 과정에서 음의 펄스 전류를 증가하는 충전방법은 분극 감소에는 효과적이지만, 충전기가 출력한 출력이 정격 출력에 도달하지 못하여 용량이 낭비되고 충전 파일의 충전 효율 향상에 불리하다. 또한, 많은 상황에서 그리드의 주파수 변조 및 피크 조정 등과 같은 정전류 정전압의 충전방법을 사용할 수 없다.
정출력(constant power) 충전, 즉, 충전 파일은 일정한 정전압 출력 파워를 유지하면서 배터리에 충전함으로써, 비교적 높은 충전 효율을 보장할 수 있어 급속 충전에 유리하지만, 정출력 충전은 비교적 큰 전극 분극을 발생시키고, 정전압 충전 또는 정전류 펄스 방전을 통해 분극 감소를 구현할 수 없다.
다른 측면에서, 전기자동차 등 전기장치가 점차 일상 생활에서 쓰임에 따라, 충전 시간을 단축시키는 수요가 점점 많아지고 급속 충전이 전기자동차 산업의 보급 발전에 영향을 미치는 하나의 핵심 요소로 작용하고 있으며, 현재 급속 충전은 이미 동력 배터리의 충전에 널리 응용되고 있다. 급속 충전기술은 고출력 및 고전류를 사용해 충전 시간을 대폭 단축시킬 수 있지만, 비교적 큰 분극을 발생시키며, 따라서, 급속 충전은 배터리의 성능을 떨구고 배터리의 사용 수명을 단축시킨다. 예를 들어, 전압 플랫폼과 에너지 밀도가 더 높은 삼원 재료 시스템은 사용과정에서 전압 경간 범위가 넓고 배터리 분극이 더 크므로, 급속 충전을 실시할 때 배터리의 사용수명에 더큰 영향을 미치게 된다.
본 출원의 실시예는 정출력 충전하에서 효과적으로 분극을 감소하고 급속 충전을 구현하는 동시에, 이차 배터리의 사용 수명을 늘릴 수 있는 충전방법을 제공한다.
도 1은 본 출원의 실시예에 따른 전기장치 및 충전장치의 설명도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기장치(10)는 전기자동차이고, 상기 전기자동차는 순수 전기자동차일 수 있고, 플러그인 하이브리드 전기자동차일 수도 있다. 전기자동차(10)의 내부에는 배터리(121)(도 2 참조)가 설치되어 전기자동차(10)에 전기를 공급한다.
충전장치(20)는 배터리(121)를 충전하고 배터리(121) 방전을 제어하는 장치이다. 본 출원의 실시예에 따른 충전장치(20)는 일반 충전 파일, 슈퍼 충전 파일, 자동차 대 그리드(vehicle to grid, V2G) 모드를 지원하는 충전 파일 또는 배터리에 대해 충전 및 방전을 진행할 수 있는 충전 및 방전 장치/설비 등일 수 있으며, 본 출원의 실시예는 충전장치(20)의 구체적인 유형과 구체적인 응용 시나리오를 한정하지 않는다.
도 2는 본 출원의 일부 실시예에 따른 충전시스템의 설명도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 충전시스템(100)은 충전장치(20)와 배터리시스템(120)을 포함하고, 예를 들어, 배터리시스템(120)은 전기자동차(10)에 장착한다.
예를 들어, 배터리시스템(120) 중 적어도 하나의 배터리 팩(battery pack)에 있어서, 상기 배터리 팩은 배터리(121)라고 총칭할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 실시예에서, 배터리(121)의 구체적인 유형과 규모는 모두 구체적으로 한정하지 않는다.
상기 배터리(121)를 관리 및 유지보수하고 배터리의 과충전 및 과방전을 방지해 배터리의 사용수명을 늘리기 위하여, 배터리시스템(120)에는 배터리(121)의 상태를 모니터링하는 데 사용하는 배터리 관리시스템(battery management system,BMS)(122)이 더 설치된다. BMS(122)는 배터리(121)와 집적되도록 동일 장치에 설치될 수 있고, 독립된 장치로서 배터리(121)의 외부에 설치될 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 충전장치(20)는 전기선(130)을 통해 배터리(121)와 연결하고 통신선(140)을 통해 BMS(122)와 연결할 수 있으며, 통신선(140)은 충전장치(20)와 BMS(122) 사이의 정보 인터렉션을 진행하는 데 사용한다. 예를 들어, 통신선(140)은 제어기 근거리 통신망(control area network,CAN) 통신 버스거나 데이지 체인(daisy chain) 통신 버스일 수 있다.
충전장치(20)는 통신선(140)을 통해 BMS(122)와 통신을 진행하는 것 외에도, 무선 네트워크를 통해 BMS(122)와 통신을 진행할 수도 있다. 본 출원의 실시예는 충전장치(20)와 BMS(122)의 통신 유형을 구체적으로 한정하지 않는다.
도 3은 본 출원의 일부 실시예에 따른 이차 배터리 충전방법의 흐름도이다.
도 3에 도시된 충전방법(300)은 도 1과 도 2에 도시된 충전장치(20) 및 배터리시스템(120)에 응용할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 이차 배터리 충전방법(300)은 아래의 단계를 포함한다.
단계 S301: BMS(122)는 통신선(140)을 통해 충전장치(20)에 제1 충전 정보를 발송한다. 제1 충전 정보는 제1 충전 출력을 포함하지만, 이에 한정되지 않으며, BMS(122)가 충전장치(20)에 보낸 충전 요청일 수 있어, 즉, BMS(122)는 제1 충전 출력의 정출력에 의해 배터리(121)가 충전될 수 있도록 충전장치(20)에 요청할 수 있다.
단계 S302: 충전장치(20)는 수신된 제1 충전 정보에 근거하여 제1 충전 출력에 의해 배터리(121)를 정출력 충전한다.
단계 S303: BMS(122)는 배터리(121)의 상태 파라미터를 측정해 계산한다.
본 실시예에서, 배터리(121)의 상태 파라미터는 배터리 온도, 배터리 전압, 배터리 용량, 배터리(121)의 하전상태(State of Charge,SOC)등일 수 있으며, 상기 배터리 상태 파라미터는 BMS(122)가 측정해 계산하여 획득한다.
단계 S304: 상기 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, BMS(122)는 충전장치(20)에 차례대로 복수의 펄스 방전 정보를 발송하며, BMS(122)가 충전장치(20)에 보낸 충전 요청일 수 있다. 예를 들어, 각각의 펄스 방전 정보는 방전 출력과 방전 시간을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
단계 S305: 충전장치(20)는 수신된 펄스 방전 정보 중의 방전 출력과 방전 시간에 근거해 차례대로 배터리(121)에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서, 충전장치(20)는 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며, 배터리(121)의 배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, 충전장치(20)는 배터리(121)에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행하여 배터리 분극을 개선할 수 있고, 급속 충전을 보장할 수 있다. 이하, 본 실시예의 배터리 충전방법을 상세하게 설명한다.
도 4는 본 출원의 일부 실시예에 따른 배터리 충전방법의 충전 출력의 파형도이다.
도 4에서, 가로 축은 시간이고 세로 축은 충전 출력이며, 즉, 충전장치(20)가 배터리(121)를 충전하는 출력에 있어서, 양의 충전 출력은 충전이 표시되고 음의 충전 출력은 방전이 표시된다. 여기에서, 출력 값 mP, xP, yP 등은 도 5를 결합해 상세하게 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 0 시간부터 시간 T1까지 충전장치(20)는 일정한 출력 mP에 의해 배터리(121)를 충전하고, T1부터 T2까지 충전장치(20)는 상이한 출력 xP, yP, … 및 상이한 방전 시간에 의해 배터리(121)에 대해 여러 번의 펄스 방전을 진행한다. T2부터 T3까지 충전장치(20)는 다시 출력 mP에 의해 배터리(121)에 대해 충전을 진행하고, T3부터 T4까지 충전장치(20)는 다시 상이한 출력 및 상이한 방전 시간에 의해 배터리(121)에 대한 여러 번의 펄스 방전을 진행하고, T4부터 T5까지는 배터리(121)가 완전 충전되거나 어느 한 하전상태로 충전될 때까지 상기 단계를 반복한다.
즉, 본 실시예의 배터리 충전방법은 정출력 충전 및 다단계 정출력 펄스 방전단계를 포함한다.
이하, 도 5를 결합해 도 4에 되시된 정출력 충전 및 다단계 정출력 펄스 방전을 상세하게 설명한다.
도 5는 본 출원에 따른 이차 배터리 충전방법의 한 실시예의 흐름도이다.
이하, P를 사용하여 충전장치(20)의 1시간 정격 충전 출력, 즉, 1시간내에 배터리를 완전 충전하는 데 필요한 충전 출력을 표시하고, P는 단량체 배터리의 방전 전압 플랫폼과 배터리 용량을 곱한 값이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 이차 배터리 충전방법(500)은 아래의 단계를 포함한다.
단계 S501: BMS(122)는 충전장치(20)에 제1 충전 정보를 발송하며, BMS(122)가 충전장치(20)에 보낸 충전 요청일 수 있다. 예를 들어, 제1 충전 정보는 정출력 충전 출력을 포함한다.
이하, 제1 충전 정보에 포함된 충전 출력(제1 충전 출력)을 mP로 설정하고, 여기에서, 계수 m의 값은 배터리(121) 셀의 실제 충전 능력에 근거해 확정할 수 있고, 예를 들어, mP는 배터리에 리튬 석출이 발생하지 않는 최대 충전 출력일 수 있다. 한 실시예에서는 예를 들어, m=2로 설정할 수 있다.
단계 S502: 충전장치(20)는 제1 충전 출력 mP에 의해 배터리(121)를 정출력 충전한다.
단계 S503: BMS(122)는 배터리(121)의 배터리 상태 파라미터를 측정해 계산하여 배터리 상태 파라미터가 미리 설정한 값에 도달하였는지 여부를 판단한다.
본 실시예에서, 바람직하게, 배터리 상태 파라미터는 하전상태 SOC이다. 하전상태 SOC는 배터리(121)의 현재 보유 전기량 및 배터리(121)의 완전 충전 상태 전기량의 비율이고, 통상적으로 백분율로 표시하고, 값 범위는 0 내지 100%이고, 0% SOC일 경우, 배터리(121)의 방전이 전압 하한에 도달함을 표시하고, 100% SOC일 경우, 배터리(121)의 완전 충전을 표시한다.
즉, 본 단계에서, BMS(122)는 배터리(121)의 하전상태 SOC를 측정해 계산하여 하전상태 SOC가 미리 설정한 값 k에 도달하였는지 여부를 판단한다.
단계 S504: 하전상태 SOC가 미리 설정한 값 k에 도달할 경우, BMS(122)는 충전장치(20)에 펄스 방전 정보를 발송하고, 상기 펄스 방전 정보는 방전 출력 xP와 방전 시간 tx를 포함한다. 계수 x의 수치 및 방전 시간 tx는 분극 제거 수요에 근거해 확정할 수 있다. 본 실시예에서, 바람직하게, 방전 시간 tx는 1 내지 30초이다.
도 5에 도시된 충전과정에 있어서, 충전과정이 진행됨에 따라, 하전상태 SOC는 증가된다. 발명인은 정출력 충전을 거쳐 하전상태 SOC가 일정 수치에 도달한 후에 단계식 펄스 방전을 시작할 경우, 배터리(121)의 분극을 효과적으로 감소할 수 있는 점을 발견하였다.
단계 S505: 충전장치(20)는 수신된 방전 출력 xP와 방전 시간 tx에 근거해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 tx이다. 도 4를 참조하면 알 수 있다 시피, T1부터 t1까지의 펄스 방전 출력은 파형이다.
단계 S506: BMS(122)는 충전장치(20)에 펄스 방전 정보를 발송하고, 상기 펄스 방전 정보는 방전 출력 yP와 방전 시간 ty를 포함한다. 계수 y의 수치 및 방전 시간 ty는 분극 제거 수요에 근거해 확정할 수 있다. 본 실시예에서, 바람직하게, 방전 시간 ty는 1 내지 30초이다.
단계 S507: 충전장치(20)는 수신된 방전 출력 yP과 방전 시간 ty에 근거해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 ty이다. 도 4를 참조하면 알 수 있다 시피, 시각 t1부터 t2까지의 펄스 방전 출력은 파형이다.
단계 S508: 상이한 방전 출력 및 방전 시간에 의해 단계 S506 및 S507을 반복하여 여러 번의 상이한 출력, 상이한 방전 시간의 펄스 방전을 진행한다. 도 4를 참조하면 알 수 있다 시피, 시각 t2부터 T2까지의 펄스 방전 출력은 파형이다.
단계 S509: 충전장치(20)가 미리 제정한 충전방안에 따라 미리 설정한 펄스 방전을 완성한 후, BMS(122)는 충전장치(20)에 정출력 충전 정보를 다시 발송하고, 여기에서, 제1 충전 출력 mP를 포함한다.
단계 S510: 충전장치(20)는 충전 출력 mP에 의해 다시 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 충전과정을 계속한다. 도 4를 참조하면 알 수 있다 시피, 시각 T2부터 T3까지의 정출력 충전 출력은 파형이다.
단계 S511: BMS(122)는 배터리(121)의 하전상태 SOC를 측정해 계산하여 하전상태 SOC가 미리 설정한 값 k2에 도달하였는지 여부를 판단한다.
단계 S512: 하전상태 SOC가 미리 설정한 값 k2에 도달하였을 경우, BMS(122)는 충전장치(20)에 펄스 방전 정보를 발송하고, 상기 펄스 방전 정보는 방전 출력과 방전 시간을 포함한다.
단계 S513: 충전장치(20)는 수신된 펄스 방전 정보, 즉, 방전 출력과 방전 시간에 근거해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하고, 미리 설정한 방전 시간이 지난 후, BMS(122)는 충전장치(20)에 다른 펄스 방전 정보를 발송하고, 충전장치(20)는 미리 설정된 펄스 방전단계를 완성할 때까지 상이한 방전 출력에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행한다. 도 4를 참조하면 알 수 있다 시피, 시각 T3부터 T4까지의 펄스 방전은 파형이다.
단계 S514: 이와 같이 단계 S509 내지 단계 S513를 반복하고, 배터리(121)가 완전 충전되거나 일정한 하전상태에 도달할 때까지 지속적으로 배터리(121)에 대해 정출력 충전과 다단계 정출력 펄스 방전을 진행한다. 도 4를 참조하면 알 수 있다 시피, 도 4는 T4부터 T5까지의 파형을 도시하였다.
상술한 바와 같이, 정출력 충전을 거쳐 하전상태 SOC의 값이 일정한 값 k에 도달한 후, 단계식 펄스 방전을 시작하여 배터리(121)의 분극을 효과적으로 감소할 수 있다. 도 8 내지 도 11의 실험 결과에 따르면, k≥40% SOC일 경우, 분극을 뚜렷하게 개선할 수 있다. 급속 충전의 수요를 감안할 경우, 다음 단계의 펄스 방전 횟수를 줄일 필요가 있으며, 따라서, 바람직하게, 본 실시예는 k≥50%이다.
바람직하게, 단계 S511 및 S512에서 k2의 값은 배터리(121) 하전상태 SOC의 5% 증가로, 즉, 5%의 전기량을 충전할 때마다 BMS(122)는 충전장치(20)에 펄스 방전 정보를 발송한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예는 정출력 충전과정에 다단계 정출력 펄스 방전단계를 증가시켜 배터리(121)의 분극을 감소하고 배터리(121)의 순환 수명을 개선하고 급속 충전을 보장할 수 있다.
상기 실시예는 펄스 방전의 횟수를 한정하지 않았다.
급속 충전을 구현하기 위하여, 펄스 방전의 횟수가 적을 수록, 펄스 방전의 시간이 짧을 수록, 펄스 방전단계의 설치가 충전 시간에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 따라서, 본 출원의 일부 실시예는 정출력 펄스 방전의 횟수를 두 번으로 한정한다. 이하, 상세하게 설명한다.
도 6은 본 출원의 일부 실시예에 따른 배터리 충전방법의 충전 출력의 파형도이다.
도 6에 있어서, 가로 축은 시간이고 세로 축은 충전 출력, 즉, 충전장치(20)가 배터리(121)를 충전하는 출력이며, 양의 충전 출력은 충전을 표시하고 음의 충전 출력은 방전을 표시한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 0부터 T1까지의 구간에서 충전장치(20)는 일정한 출력 mP에 의해 배터리(121)에 대해 충전을 진행하고, T1부터 T2까지에서 충전장치(20)는 출력 xP 및 yP에 의해 배터리(121)에 대해 두 번의 펄스 방전을 진행한다. T2부터 T3까지에서 충전장치(20)는 다시 출력 mP에 의해 배터리(121)에 대해 충전을 진행하고, T3 부터 T4까지에서 충전장치(20)는 다시 배터리(121)에 대해 두 번의 펄스 방전을 진행하고, T4부터 T5까지는 배터리(121)가 완전 충전되거나 일정한 하전상태에 도달할 때까지 상기 단계를 반복한다.
즉, 본 실시예의 배터리 충전방법은 정출력 충전 단계 및 두 번의 정출력 펄스 방전단계를 포함한다.
이하, 도 7를 결합해 도 6에 도시된 정출력 충전 및 두 번의 정출력 펄스 방전을 상세하게 설명한다.
도 7은 본 출원에 따른 이차 배터리 충전방법(700)의 한 실시예의 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 이차 배터리 충전방법(700)은 이하의 단계를 포함한다.
단계 S701: BMS(122)는 충전장치(20)에 제1 충전 출력 mP를 발송한다. 예를 들어, m=2로 설정한다.
단계 S702: 충전장치(20)는 제1 충전 출력 mP에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행한다. 도 6을 참조하면 알 수 있다 시피, 0부터 T1까지의 정출력 충전 출력은 파형이다.
단계 S703: BMS(122)는 배터리(121)의 하전상태 SOC를 측정해 계산하여 하전상태 SOC가 예를 들어, 50% 에 도달하였는지 여부를 판단한다.
단계 S704: 하전상태 SOC가 50%에 도달하였을 경우, BMS(122)는 충전장치(20)에 펄스 방전 정보를 발송하고, 상기 펄스 방전 정보는 방전 출력 xP와 방전 시간 tx를 포함한다.
도 7에 도시된 충전과정에 있어서, 충전과정이 진행됨에 따라, 하전상태 SOC는 증가된다. 상술한 바와 같이, 정출력 충전을 거쳐 하전상태 SOC는 일정 값에 도달한 후, 단계식 펄스 방전을 시작하여 배터리(121)의 분극을 효과적으로 감소할 수 있다. 실험 결과에 따르면, 급속 충전의 요구를 감안하여 다음 단계의 펄스 방전 횟수를 가능한 줄이며, 바람직하게, 본 실시예는 k≥50%이다.
방전 출력 xP와 방전 시간 tx는 분극 제거 수요에 근거해 확정할 수 있다. 바람직하게, 본 실시예에서 방전 출력 xP는 제1 충전 출력 mP보다 크다. 실험에서 보여주듯이, 충전 출력 mP에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하여 50% SOC에 도달한 후, 다시, 방전 고출력 xP에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하면 분극을 신속하게 제거할 수 있다. 이외에도, 실험에서 보여주듯이, 방전 시간 tx가 1 내지 30초 범위 내에 설정될 경우, 분극을 개선할 수 있고, 급속 충전의 수요를 감안하여, 바람직하게, 방전 시간 tx는 1 내지 20초이다.
단계 S705: 충전장치(20)는 수신된 방전 출력 xP와 방전 시간 tx에 근거해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 tx이다. 도 6을 참조하면 알 수 있다 시피, T1부터 t1까지의 펄스 방전 출력은 파형이다.
단계 S706에서, BMS(122)는 충전장치(20)에 펄스 방전 정보를 발송하고, 상기 정보는 방전 출력 yP와 방전 시간 ty를 포함한다 계수 y의 수치 및 방전 시간 ty는 분극 제거 수요에 근거해 확정할 수 있다. 바람직하게, 본 실시예에서 방전 출력 yP는 제1 충전 출력 mP보다 작다. 실험에서 보여주듯이, 충전 출력 mP에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하여 50% SOC에 도달한 후, 방전 출력 yP를 이용해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하면 배터리(121)를 정치한 후의 분극을 효과적으로 개선할 수 있다.
또한, 실험에서 보여주듯이, 방전 시간 ty가 1 내지 30초 범위 내에 설정될 경우, 분극을 개선할 수 있고, 급속 충전의 수요를 감안하여, 바람직하게, 방전 시간 ty는 1 내지 20초이다.
단계 S707: 충전장치(20)는 수신된 방전 출력 yP와 방전 시간 ty에 근거해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 ty이다. 도 6을 참조하면 알 수 있다 시피, 시각 t1부터 T2까지의 펄스 방전 출력은 파형이다.
단계 S708: 충전장치(20)가 방전 출력 yP에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하는 방전 시간이 ty에 도달한 후, BMS(122)는 충전장치(20)에 다시 정출력 충전 정보를 발송하며, 여기에서, 제1 충전 출력 mP를 포함한다.
단계 S709: 충전장치(20)는 충전 출력 mP에 의해 다시 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 배터리(121)의 충전과정을 계속한다. 도 6을 참조하면 알 수 있다 시피, 시각 T2부터 T3까지의 정출력 충전 출력은 파형이다.
단계 S710: BMS(122)는 배터리(121)의 하전상태 SOC를 측정해 계산하여 하전상태 SOC가 미리 설정한 값 k2에 도달하였는지 여부를 판단한다.
단계 S711: 하전상태 SOC가 미리 설정한 값 k2에 도달하였을 경우, BMS(122)는 충전장치(20)에 펄스 방전 정보를 발송하며, 상기 펄스 방전 정보는 방전 출력 xP와 방전 시간 tx를 포함한다.
바람직하게, 본 실시예에서, k2의 값은 배터리(121) 하전상태 SOC의 증가한 5%이다. 즉, 5%의 전기량을 충전할 때마다 BMS(122)는 충전장치(20)에 방전 출력 xP와 방전 시간 tx 등 펄스 방전 정보를 발송한다.
단계 S712: 단계 S705부터 단계 S711까지를 반복하고, 배터리(121)가 완전 충전되거나 어느 한 하전상태로 충전될 때까지 지속적으로 배터리(121)에 대해 두 번의 정출력 펄스 방전 및 정출력 충전을 진행한다. 도 6은 시각 T4부터 T5까지의 파형을 도시하였다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서, 정출력 충전과정에 2급 단계의 정출력 펄스 방전단계를 추가할 경우, 배터리(121)의 분극을 감소하고 배터리(121)의 순환 수명을 개선할 수 있어 급속 충전을 보장할 수 있다.
이하, 본 출원의 충전방법이 배터리(121)의 분극 상황을 개선한 실혐 결과, 실시예 및 대조예를 설명한다.
이하의 실험 결과, 실시예와 대조예에서 이용한 배터리시스템은 삼원 리튬 배터리로서, 삼원 재료인 니켈 코발트 망간산 리튬(Li(NiCoMn)O2)을 주요 음극재료로 이용하고 흑연을 주요 양극재료로 이용하고, 다시, 분리막, 상용 전해액 및 하우징을 추가 조립해 적층 배터리를 구성하며, 여기에서, 분리막은 폴리 에틸렌 재료이고, 전해액은 탄산 에틸렌(EC), 탄산 에틸 메틸(EMC)과 탄산 디에틸(DEC)을 1:1:1의 체적비에 따라 용액으로 배합하고 LiPF6을 상기 용액 중에 균일하게 용해시켜 전해액을 획득하고, LiPF6의 농도는 1.2mol/L이다. 온도가 25℃일 경우, 상기 삼원 리튬 배터리의 완전 충전의 충전 용량은 130mAh이고, 충전 마감 전압은 4 .25V이고, 전압 하한은 2.8V이다.
도 8은 본 출원의 충전방법을 적용해 정출력 충전을 진행한 후, 상이한 방전 출력에 의해 펄스 방전을 진행할 경우, 양극 순간 전위가 개선되는 실험 결과를 도시하였다.
도 8에 도시된 실험에서, 충전장치(20)는 충전 출력 2P(즉, m=2)에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5%의 전기량이 충전될 때마다, 즉, 배터리(121)의 SOC가 5% 증가할 때마다 충전을 일시 정지하고, 10 내지 30분 정치한 후, 양극의 전위 V1(이하, “기준 전위”)를 측량하며, 그 다음, 충전장치(20)는 방전 출력 Pz와 방전 시간 tz에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간 tz가 지난 후, 이 시각 양극의 전위 V2를 측량하며, 다시, 10 내지 30분 정치한 후, 정치한 후의 양극 전위 V3을 측량한다. 그 다음, 충전장치(20)는 SOC가 5% 증가될 때까지 계속 충전 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고，10 내지 30분 정치한 후, 기준 전위 V1를 측량하며, 그 다음, 충전장치(20)는 방전 출력 Pz와 방전 시간 tz에 의해 다시 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간 tz가 지난 후, 이 시각 양극의 전위 V2를 측량하며, 다시, 10 내지 30분 정치한 후, 정치후 전위 V3를 측량한다. 이와 같이, 배터리(121)가 완전 충전될 때까지 순환 반복하여 5% SOC일 때부터 100% SOC일 때까지 각각의 SOC 값에 대응되는 양극 전위 V1, V2, V3를 획득한다.
정출력 충전 후와 펄스 방전 후에 정치단계를 설치할 경우, 분극이 미치는 영향을 완전 제거한 후에 다시 다음 단계의 실험을 진행하도록 보장할 수 있으므로, 매 번의 충전 및 방전 실험이 모두 분극 제거 후에 독립적으로 진행되어 상호 영향을 미치지 않는다.
이렇게 측량하여 획득한 V1은 정출력 충전의 정치 후 양극 전위이고, V2는 펄스 방전이 종료될 때의 양극 전위로서, “양극 순간 전위”라 불리운다. V3은 펄스 방전이 종료되고 정치한 후의 양극 전위이므로, “정치 후 양극 전위”라 불리운다. 도 11 및 도 11을 결합해 V3을 설명한다.
이하, 양극 순간 전위의 개선 백분율 R을 아래와 같이 정의한다.
R=(V2-V1)/V1×100% （1)이고,
R은 펄스 방전이 양극의 순간 분극을 제거하는 효과를 표시하고, 정출력 충전 후 바로 뒤 단계인 펄스 방전단계(즉, 제1 방전단계)가 분극에 미치는 영향을 반영할 수 있다.
방전 출력 Pz의 값은 각각 1P, 2P, 4P이고, 방전 시간 tz는 모두 5초이고, 상이한 방전 출력하에서 양극 순간 전위 개선에 관한 실험 곡선을 획득한다.
상이한 방전 출력하에서의 실험 결과를 대조하기 위하여, 상이한 방전 출력하에서 배터리(121)의 초기 상태는 동일하게 유지되어야 하며, 따라서, 배터리(121)에 대한 충전을 시작하기 전에 배터리(121)는 모두 완전 방전 상태, 즉, 0% SOC인 상태로 방전하여 초기 상태가 동일하게 유지되도록 한다.
도 8에서, 가로 축은 배터리(121)의 하전상태 SOC이고, 세로 축은 양극 순간 전위의 개선 백분율 R이고, 곡선 S001, S002, S003은 각각 방전 출력 Pz인 1P, 2P, 4P에 대응된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 충전장치(20)는 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 하전상태 SOC는 지속적으로 증가하며, 하전상태 SOC가 일정 값에 도달할 경우, 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하기 시작한다. 하전상태 SOC는 펄스 방전의 초기 값으로서, 양극의 순간 분극을 제거하는 데 매우 큰 영향을 미친다. 곡선 S001, S002, S003에 도시된 바와 같이, 상이한 방전 출력하에서 S하전상태≥40% SOC일 경우, 양극 전위의 개선 폭이 뚜렷하게 증가되었고, 즉, 하전상태≥40% SOC일 경우, 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하기 시작하여 분극을 뚜렷하게 개선할 수 있다. 이 점은 양극재료인 흑연의 리튬 삽입 플랫폼과 상호 대응된다. 정출력 충전과정은 비교적 큰 분극을 형성하고, 정출력 충전 후의 펄스 방전을 통해 분극을 개선할 수 있다.
급속 충전의 수요를 감안하여 펄스 횟수를 가능한 감소할 필요가 있으므로, 바람직하게, 본 출원은 하전상태가 50% SOC에 도달한 후, 즉, k≥50%일 때 펄스 방전을 시작하며, 이 경우, 배터리의 급속 충전을 보장할 수 있고, 이와 동시에, 배터리의 분극을 개선할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 방전 출력 Pz가 4P일 경우, 양극 전위가 가장 많이 개선되고, 방전 출력 Pz가 1P일 경우, 양극 전위가 가장 적게 개선되고, 방전 출력 Pz가 2P일 경우, 양극 전위가 매우 뚜렷하게 개선된다. 이로부터 알수 있다 시피, 정출력 충전 후에 비교적 큰 방전 출력으로 펄스 방전을 진행할 경우, 양극의 순간 전위를 개선하는 데 이롭고 분극을 신속하게 제거하는 데 도움된다.
바람직하게, 본 출원은 정출력 충전 후에 진행하는 제1 단계 펄스 방전의 방전 출력 xP가 제1 충전 출력 mP보다 크다. 한 실시예에 있어서, m=2이고, 이 경우, 더 바람직하게, 2 x 4이다.
도 9는 본 출원의 충전방법을 적용하여 정출력 충전을 진행한 후에 상이한 방전 시간에 의해 펄스 방전을 진행할 경우, 양극 순간 전위를 개선한 실험 결과를 도시하였다.
도 9의 실험방법 및 실험 데이터의 획득방법은 도 8과 동일하며,즉, 충전장치(20)는 충전 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5%의 전기량이 충전될 때마다, 즉, 배터리(121)의 하전상태 SOC가 5% 증가할 때마다 충전을 일시 정지하고, 10 내지 30분 정치한 후, 양극의 전위 V1(이하, 기준 전위)를 측량하며, 그 다음, 충전장치(20)는 방전 출력 2P와 방전 시간 tz에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간 tz가 지난 후, 이 시각 양극의 전위 V2를 측량하며, 다시, 10 내지 30분 정치한 후, 정치한 후의 양극 전위 V3을 측량한다. 그 다음, 충전장치(20)는 하전상태 SOC가 5% 증가될 때까지 계속 충전 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고，10 내지 30분 정치한 후, 기준 전위 V1를 측량하며, 그 다음, 충전장치(20)는 방전 출력 2P와 방전 시간 tz에 의해 다시 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간 tz가 지난 후, 이 시각 양극의 전위 V2를 측량하며, 다시, 10 내지 30분 정치한 후, 정치한 후의 전위 V3를 측량한다. 이와 같이, 배터리(121)가 완전 충전될 때까지 순환 반복하여 5% SOC부터 100% SOC까지의 각각의 SOC 값에 대응되는 양극 순간 전위 V1, V2, V3를 획득한다.
방전 시간 tz의 값은 각각 5초, 10초, 20초, 30초로서, 상이한 방전 시간하에서 양극 순간 전위가 개선된 실험 곡선을 획득한다.
마찬가지로, 상이한 방전 시간하에서의 실험 결과를 대조하기 위하여, 배터리(121)의 초기 상태는 동일하게 유지되어야 하며, 따라서, 배터리(121)에 대한 충전을 시작하기 전에 배터리(121)는 모두 완전 방전 상태, 즉, 0% SOC인 상태로 방전하여 초기 상태가 동일하게 유지되도록 한다.
도 9에서, 가로 축은 배터리(121)의 하전상태 SOC이고, 세로 축은 상기 식(1)에서 정의한 양극 순간 전위의 개선 백분율 R이고, 곡선 S1, S2, S3, S4는 각각 방전 시간 tz인 5초, 10초, 20초, 30초에 대응된다.
도 9의 곡선 S1, S2, S3, S4에 도시된 바와 같이, 동일한 방전 출력 및 상이한 방전 시간하에 하전상태≥40% SOC일 경우, 특히, 하전상태≥50% SOC일 경우, 양극 전위의 개선 폭이 뚜렷하게 증가되기 시작한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 방전 시간이 30초일 경우, 양극 전위가 가장 많이 개선되고, 방전 시간이 5초일 경우, 양극 전위가 가장 적게 개선되고, 방전 시간이 10초 및 20초일 경우, 양극 전위가 매우 뚜렷하게 개선된다. 이로부터 알 수 있다 시피, 정출력 충전 후에 비교적 긴 방전 시간에 펄스 방전을 진행할 경우, 양극의 순간 전위를 개선하는 데 이롭고 분극을 제거하는 데 도움된다. 따라서, 바람직하게, 본 출원은 방전 시간이 1 내지 30초이다.
이외에도, 도 8과 도 9를 대조하면 알 수 있다 시피, 펄스 시간이 5s에서부터 30초까지 증가될 때 순간 양극 전위의 개선 폭은 펄스 출력이 증가될 때 순간 양극 전위의 개선 폭보다 작다. 따라서, 펄스 방전의 출력을 증가할 경우, 더 좋은 분극 개선 효과를 획득할 수 있다. 급속 충전의 수요를 감안할 경우, 충전 시간을 단축시켜야 하며, 따라서, 더 바람직하게, 방전 시간은 1 내지 20초이다.
도 8과 도 9는 정출력 충전 후에 펄스 방전을 진행할 경우, 양극 순간 전위를 개선하는 실험 결과를 도시하였으며, 이는 고출력 펄스 방전이 펄스 방전을 종료하는 시각에 양극의 순간 전위 V2를 신속하게 대폭 개선할 수 있다는 것을 보여준다.
실험에서, 정출력 충전 후에 펄스 방전을 진행하고, 그 다음, 다시 배터리(121)를 일정 시간 정치한 후, 양극 전위에 변화가 발생하고, 양극 전위의 개선 상황이 도 8, 도 9의 실험 결과와 매우 큰 차이점이 있다는 것을 발견하였다.
도 10은 정출력 충전 후에 상이한 방전 출력에 의해 펄스 방전을 진행하고, 다시 배터리(121)를 정치한 후, 양극 전위가 개선된 실험 결과를 도시하였다.
도 10의 실험방법 및 실험 데이터의 획득방법은 도 8과 동일하며,즉, 충전장치(20)는 충전 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5%의 전기량이 충전될 때마다, 즉, 배터리(121)의 하전상태 SOC가 5% 증가할 때마다 충전을 일시 정지하고, 10 내지 30분 정치한 후, 양극의 전위 V1(이하, 기준 전위)를 측량하며, 그 다음, 충전장치(20)는 방전 출력 Pz와 방전 시간 tz에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간 tz가 지난 후, 이 시각 양극의 전위 V2를 측량하며, 다시, 10 내지 30분 정치한 후, 정치후 양극 전위 V3을 측량한다. 그 다음, 충전장치(20)는 하전상태 SOC가 5% 증가될 때까지 다시 충전 출력 2P에 의하여 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고，10 내지 30분 정치한 후, 기준 전위 V1를 측량하며, 그 다음, 충전장치(20)는 방전 출력 Pz와 방전 시간 tz에 의하여 다시 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간 tz가 지난 후, 이 시각 양극의 전위 V2를 측량하며, 다시, 10 내지 30분 정치하고, 정치후 전위 V3를 측량한다. 이와 같이, 배터리(121)가 완전 충전될 때까지 순환 반복하여 5% SOC부터 100% SOC까지의 각각의 SOC 값에 대응되는 양극 전위 V1, V2, V3를 획득한다.
이하, 정치한 후 양극 순간 전위의 개선 백분율 S를 아래와 같이 정의한다.
S=(V3-V1)/V1×100% （2)이고,
S는 배터리(121)를 정치한 후에 펄스 방전할 경우, 양극 분극을 개선한 상황을 표시하고, 이는 실제로 사용하는 상태하세어 펄스 방전이 양극 분극을 제거하는 효과를 반영한다.
도 10에서, 방전 출력 Pz는 각각 1P, 2P, 4P를 이용해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간 tz는 모두 10초이고, 상이한 방전 출력하에서 정치한 후에 양극 전위가 개선된 실험 곡선을 도시하였다.
마찬가지로, 상이한 방전 출력하에서의 실험 결과를 대조하기 위하여, 상이한 방전 출력하에서 배터리(121)의 초기 상태가 동일하게 유지되어야 하며, 따라서, 배터리(121)에 대한 충전을 시작하기 전에 배터리(121)는 모두 완전 방전 상태, 즉, 0% SOC인 상태로 방전하여 초기 상태가 동일하게 유지되도록 한다.
도 10에서, 가로 축은 배터리(121)의 하전상태 SOC이고, 세로 축은 정치한 후 양극 전위의 개선 백분율 S이고, 곡선 S008, S009, S010은 각각 방전 출력 Pz인 1P, 2P, 4P에 대응된다.
도 10의 곡선 S008, S009, S010에 도시된 바와 같이, 동일한 방전 출력에 있어서, 상이한 하전상태하에서 정치한 후에 양극 전위의 개선 상황은 매우 상이하며, S가 양수일 경우, 개선된 것을 표시하고, S가 음수일 경우, 개선되지 않은 것을 표시하며, 곡선 S008, S009, S010은 모두 양의 값 영역과 음의 값 영역을 구비하고, 피크 값 영역을 더 구비하고, 이는 일부 하전상태하에서 정치한 후에 양극 전위가 개선되었고, 일부 하전상태하에서 정치한 후에 양극 전위가 개선되지 않았고, 특정 하전상태하에서 정치한 후에 양극 전위가 매우 크게 개선되었다는 것을 표시한다.
상세하게, 방전 출력 Pz가 1P일 경우, 하전상태가 50% SOC이면 정치한 후에 양극 전위의 개선이 피크 값에 도달하여 약 9%에 달하며, 하전상태가 50% SOC보다 클 경우, 정치한 후에 양극 전위의 개선이 대폭 하락하였지만, 여전히 양의 값으로서, 즉, 여전히 개선되었으며, 하전상태가 50% SOC 미만일 경우, 정치한 후에 양극 전위의 개선이 신속하게 대폭 하락하여 음의 값으로 변하였고, 즉, 개선되지 않았다.
방전 출력 Pz가 2P일 경우, 하전상태가 약 55% SOC이면 정치한 후에 양극 전위의 개선이 피크 값에 도달하여 약 4.5%에 달하며, 하전상태가 약 55% SOC보다 클 경우, 정치한 후에 양극 전위의 개선이 대폭 하락하였지만, 기본은 양의 값으로서, 즉, 여전히 개선되었으며, 하전상태가 약 55% SOC 미만일 경우, 정치한 후에 양극 전위의 개선이 신속하게 대폭 하락하여 음의 값으로 변하였고, 즉, 개선되지 않았다.
방전 출력 Pz가 4P일 경우, 하전상태가 약 65% SOC이면 정치한 후에 양극 전위의 개선이 피크 값에 도달하여 약 4%이며, 하전상태가 약 65% SOC보다 클 경우, 정치한 후에 양극 전위의 개선이 대폭 하락하였지만, 기본은 양의 값으로서, 즉, 여전히 개선되었으며, 하전상태가 약 65% SOC 미만일 경우, 정치한 후에 양극 전위의 개선이 신속하게 대폭 하락하여 음의 값으로 변하였고, 즉, 개선되지 않았다.
도 10의 곡선 S008, S009, S010에 도시된 바와 같이, 상이한 방전 출력에 있어서, 정치한 후에 양극 전위의 개선 상황은 매우 상이하며, 방전 출력 Pz가 1P일 때 가장 크게 개선되었고 방전 출력 Pz가 4P일 때 가장 작게 개선되었다.
이로부터 알 수 있다 시피, 정출력 충전 및 펄스 방전 후, 배터리(121)를 일정 시간 정치할 경우, 양극 전위가 기준 전위 V1로 다시 하락하므로, 도 8 및 도 9의 실험 결과에 비해, 도 10의 양극 전위의 개선 폭이 대폭 하락되며, 또한, 저출력에 의해 펄스 방전을 진행할 경우, 정치한 후의 양극 전위의 개선 폭이 상대적으로 크며, 고출력에 의해 펄스 방전을 진행할 경우, 정치한 후의 양극 전위의 개선 폭이 매우 작다.
도 11은 도 10과 동일하며, 다른 상이한 방전 출력에 의해 펄스 방전을 진행할 경우, 정치한 후에 양극 전위가 개선된 실험 결과를 도시한다.
도 11의 실험 조건, 실험방법, 측량방법은 도 10과 동일하며, 이하에서는 반복되는 설명을 생략한다.
도 11에서, 방전 출력 Pz는 각각 1P, 0.8P, 0.5P를 이용해 펄스 방전을 진행하며, 방전 시간 tz는 모두 10초이며, 곡선 S011, S012, S013은 각각 방전 출력인 1P, 0.8P, 0.5P에 대응된다.
도 11의 곡선 S011, S012, S013에 도시된 바와 같이, 방전 출력 Pz인 1P, 0.8P, 0.5P에 있어서, 하전상태가 50% SOC일 경우, 정치한 후에 양극 전위의 개선이 피크 값에 도달하여 각각 9%, 11%, 8%이며, 하전상태가 50% SOC보다 클 경우, 정치한 후에 양극 전위의 개선은 양의 값이고, 즉, 여전히 개선되었으며, 하전상태가 50% SOC 미만일 경우, 정치한 후에 양극 전위의 개선이 신속하게 하락되어 음의 값으로 변하였고, 즉, 개선되지 않았다. 즉, 상이한 방전 출력인 1P, 0.8P, 0.5P에 있어서, 정치한 후에 양극 전위의 개선 폭은 기본적으로 동일하다.
이로부터 알 수 있다 시피, 정출력 충전 후에 저출력 펄스 방전을 추가할 경우, 정치한 후에 양극 전위를 매우 크게 개선하여 분극을 개선할 수 있다, 따라서, 본 출원은 정출력 충전 후에 저출력 펄스 방전단계(즉, 제2 펄스 방전단계)를 추가하며, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 바람직하게, 제2 펄스 방전의 방전 출력 yP는 제1 충전 출력 mP보다 작다. 한 실시예에서, m=2이고, 따라서, 더 바람직하게, 0.5≤y≤1이고, 제2 방전단계의 펄스 방전 시간이 1초 내지 20초이다.
도 12는 본 출원의 실시예와 일부 대조예에 있어서 정출력 순환 곡선의 실험 결과를 도시하였다.
도 13은 본 출원의 일부 대조예에 있어서 정출력 순환 곡선의 실험 결과를 도시하였다.
배터리의 순환 곡선은 배터리의 순환 사용 수명을 반영한다. 본출원의 실시예에서, 정출력 충전과정에 여러 번의 정출력 펄스 방전과정을 추가할 경우, 배터리 분극을 감소해 배터리의 정출력 순환 수명을 늘리는 동시에, 배터리의 급속 충전 시간이 영향을 받지 않도록 보장할 수 있다. 이하, 실험 결과를 상세하게 설명한다.
순환 곡선을 측량하는 실험에서, 먼저, 도 7에 도시된 충전방법에 따라 배터리(121)를 완전 충전하고, 그 다음, 아래의 단계를 진행하여 배터리(121)의 순환 수명을 측량한다.
단계 S801: 배터리(121)를 3분 정치한다.
배터리(121)를 3분 정치하여 이전 단계의 충전과정에서 발생된 과전위(over potential)가 다음 단계의 단계 802의 방전에 미치는 영향을 제거할 수 있다.
단계 S802: 배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전하고, 즉, 부하를 배터리(121)의 루프에 접속시켜 배터리(121)가 배터리(121)의 사용 전압 하한 2.8V까지 방전되도록 하고, 따라서, 하나의 정출력 충전 순환을 완성한다. 상기 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량한다.
그 다음, 도 7에 도시된 충전방법에 따라 다시 배터리(121)를 완전 충전하고, 다시, 단계 S801 및 S802를 진행하여 다음 번의 정출력 충전 순환을 완성하고, 상기 순환에서 배터리(121)가 방출한 에너지를 측량한다.
이와 같이 상기 단계를 반복하여 각각의 정출력 충전순환에서 방출한 전기량을 측량한다.
배터리(121)가 첫 번째 순환에서 방출한 전기량은 100%이고, N 번째 순환에서 방출한 전기량과 첫 번째 순환에서 방출한 전기량의 비율에 의해 N 번째 순환의 “용량 유지율”로 정의한다.
도 12에서, 가로 축은 정출력 충전 순환 횟수이고, 세로 축은 용량 유지율이다.
도 12에서, 곡선 S101은 실시예 1의 정출력 순환 곡선이고, 곡선 S102는 실시예 2의 정출력 순환 곡선이고, 곡선 S103은 실시예 3의 정출력 순환 곡선이다. 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 충전방법은 상세하게 아래와 같다.
실시예 1
출력 2P에 의해 50% SOC 상태로 될 때까지 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며;
출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 5초이며;
출력 1P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 5초이며;
출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 50% SOC의 전기량이 증가되며;
배터리(121)가 완전 충전될 때까지, 즉, 100% SOC에 도달할 때까지 단계 2) 내지 4)를 반복하며;
배터리(121)를 3분 정치하며;
배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전해 하나의 정출력 충전 순환을 완성하고, 이 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량하며;
단계 1) 내지 7)을 반복하고, 실시예 1의 각 정출력 충전 순환에서 방출한 전기량을 측량하여 각 순환의 용량 유지율을 계산한다.
실시예 2
출력 2P에 의해 50% SOC 상태로 될 때까지 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며;
출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 5초이며;
출력 1P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 10초이며;
출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5% SOC의 용량이 증가되며;
배터리(121)가 완전 충전될 때까지, 즉, 100% SOC에 도달할 때까지 단계 2) 내지 4)를 반복하며;
배터리(121)를 3분 정치하며;
배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전해 하나의 정출력 충전 순환을 완성하고, 이 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량하며;
단계 1) 내지 7)을 반복하고, 실시예 1의 각 정출력 충전 순환에서 방출한 전기량을 측량하여 각 순환의 용량 유지율을 계산한다.
실시예 3
출력 2P에 의해 50% SOC 상태로 될 때까지 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며;
출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 10초이며;
출력 1P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 10초이며;
출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5% SOC의 용량이 증가되며;
배터리(121)가 완전 충전될 때까지, 즉, 100% SOC에 도달할 때까지 단계 2) 내지 4)를 반복하며;
배터리(121)를 3분 정치하며;
배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전해 하나의 정출력 충전 순환을 완성하고, 이 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량하며;
단계 1) 내지 7)을 반복하고, 실시예 1의 각 정출력 충전 순환에서 방출한 전기량을 측량하여 각 순환의 용량 유지율을 계산한다.
대조할 수 있도록 도 12는 대조예 1, 2, 6에 따른 충전방법의 용량 유지율의 실험 결과를 더 도시하고, 상기 실험 결과는 각각 도 12의 곡선 S201, S202, S206에 대응된다.
도 13은 대조예 1, 2, 3, 4 및 5에 따른 충전방법의 용량 유지율의 실험 결과를 도시하고, 상기 실험 결과는 각각 도 13의 곡선 S201, S202, S203, S204, S205에 대응된다. 대조예 1 내지 6의 충전방법은 상세하게 아래와 같다.
대조예 1
단계 811: 출력 2P에 의해 완전 충전, 즉, 100% SOC 상태에 도달할 때까지 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며;
단계 S812: 배터리(121)를 3분 정치하며;
단계 S813: 배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전해 하나의 정출력 충전 순환을 완성하고, 이 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량하며;
단계 S811, S812, S813를 반복하고, 대조예 1의 각 충전 순환이 방출한 전기량을 측량하여 각 순환의 용량 유지율을 계산한다.
대조예 2
단계 S821: 출력 2P에 의해 5% SOC 상태로 될 때까지 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며;
단계 S822: 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 10초이며;
단계 S823: 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5% SOC의 전기량은 를 증가하며;
단계 S824: 배터리(121)가 완전 충전될 때까지, 즉, 100% SOC에 도달할 때까지 단계 S822 및 S823을 반복하며;
단계 S825: 배터리(121)를 3분 정치하며;
단계 S826: 배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전해 하나의 정출력 충전 순환을 완성하고, 이 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량하며;
단계 S821 내지 S826을 반복하고, 대조예 2의 각 충전 순환이 방출한 전기량을 측량하여 각 순환의 용량 유지율을 계산한다.
대조예 3
단계 S831: 출력 2P에 의해 5% SOC로 될 때까지 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며;
단계 S832: 출력 1P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 10초이며;
단계 S833: 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5% SOC의 전기량이 증가되며;
단계 S834: 배터리(121)가 완전 충전될 때까지, 즉, 100% SOC에 도달할 때까지 단계 S832 및 S833을 반복하며;
단계 S835: 배터리(121)를 3분 정치하며;
단계 S836: 배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전해 하나의 정출력 충전 순환을 완성하고, 이 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량하며;
단계 831 내지 S836을 반복하고, 대조예 3의 각 충전 순환이 방출한 전기량을 측량하여 각 순환의 용량 유지율을 계산한다.
대조예 4
단계 S841: 출력 2P에 의해 70% SOC로 될 때까지 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며;
단계 S842: 출력 1P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 10초이며;
단계 S843: 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5% SOC의 전기량이 증가되며;
단계 S844: 배터리(121)가 완전 충전될 때까지, 즉, 100% SOC에 도달할 때까지 단계 S842 및 S843을 반복하며;
단계 S845: 배터리(121)를 3분 정치하며;
단계 S846: 배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전해 하나의 정출력 충전 순환을 완성하고, 이 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량하며;
단계 S841 내지 S846을 반복하고, 대조예 4의 각 충전 순환이 방출한 전기량을 측량하여 각 순환의 용량 유지율을 계산한다.
대조예 5
단계 S851: 출력 2P에 의해 90% SOC로 될 때까지 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며;
단계 S852: 출력 1P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 10초이며;
단계 S853: 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5% SOC의 전기량이 증가되며;
단계 S854: 배터리(121)가 완전 충전될 때까지, 즉, 100% SOC에 도달할 때까지 단계 S852 및 S853을 반복하며;
단계 S855: 배터리(121)를 3분 정치하며;
단계 S856: 배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전해 하나의 정출력 충전 순환을 완성하고, 이 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량하며;
단계 S851 내지 S856을 반복하고, 대조예 5의 각 충전 순환이 방출한 전기량을 측량하여 각 순환의 용량 유지율을 계산한다.
대조예 6
단계 S861: 출력 2P에 의해 5% SOC로 될 때까지 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며;
단계 S862: 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 10초이며;
단계 S863: 출력 2P에 의해 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 5% SOC의 전기량이 증가되며;
단계 S864: 배터리(121)가 완전 충전될 때까지, 즉, 100% SOC에 도달할 때까지 단계 S862 및 S863을 반복하며;
단계 S865: 배터리(121)를 3분 정치하며;
단계 S866: 배터리(121)를 사용 전압 하한까지 방전해 하나의 정출력 충전 순환을 완성하고, 이 순환에서 배터리(121)가 방출한 전기량을 측량하며;
단계 단계 S861 내지 S866을 반복하고, 대조예 6의 각 충전 순환이 방출한 전기량을 측량하여 각 순환의 용량 유지율을 계산한다.
도 12와 도 13에 도시된 실험 결과를 살펴본다. 실시예 1, 2, 3은 도 7에 도시된 본 출원에 따른 충전방법이고, 즉, 50% SOC일 때까지 정출력 충전을 진행한 후, 한 번의 고출력 펄스 방전 및 한 번의 저출력 펄스 방전을 진행하고, 방전 시간은 1 내지 20초 범위 내이다. 대조예 1 내지 6은 모두 정출력 충전의 실례이지만, 본 출원에 따른 충전방법의 요건을 만족시키지 않으며, 펄스 방전 과정은 실시하지 않거나 한 단계만 실시하고, 또는, 50% SOC일 때부터 펄스 방전을 진행하지 않았다. 도 12에 도시된 바와 같이, 약 400 번의 정출력 충전 순환을 거친 결과, 실시예 1, 2, 3의 용량 유지율이 대조예 1, 2, 6보다 뚜렷하게 높고 순환 성능의 개선 폭이 매우 큰 것으로 확인되었다.
실시예 3의 펄스 방전 시간은 10초로서, 실시예 1의 펄스 방전 시간(5초)보다 길고, 실시예 3의 용량 유지율은 실시예 1보다 높다.
실시예 2에 따른 고출력 펄스 방전단계는 방전 시간이 5초로서,실시예 1에 따른 고출력 펄스 방전단계와 동일하지만, 실시예 2에 따른 저출력 펄스단계는 방전 시간이 10초로서, 실시예 1의 저출력 펄스단계의 방전 시간(5초)보다 길며, 실시예 2의 용량 유지율도 실시예 1보다 높다.
즉, 방전 시간을 적절하게 연장할 경우, 순환 성능이 더 개선될 수 있다.
정출력 충전과정에서 발생된 분극은 배터리 용량 손실이 비교적 크게 되고, 제1 단계의 고출력 펄스 방전을 통해 분극을 순간적으로 신속하게 상쇄할 수 있으며, 제2 단계의 저출력 펄스 방전은 정치 후의 양극 전위를 개선해 순환 수명의 대폭 개선을 구현할 수 있다.
대조예 1은 정출력 충전단계만 구비하고 펄스 방전단계는 구비하지 않았으며, 대조예 1의 용량 유지율이 가장 낮다. 대조예 2 내지 6은 대조예 1보다 한 단계의 펄스 방전단계를 증가하였으므로, 용량 유지율이 대조예 1보다 일정하게 개선되었다. 대조예 6의 펄스 방전단계는 고출력 펄스 방전단계이고, 대조예 2 내지 5의 펄스 방전단계는 저출력 펄스 방전단계이고, 대조예 6의 용량 유지율은 대조예 2 내지 5보다 약간 개선되었다. 대조예 2와 6의 펄스 방전 시작점은 5% SOC이다. 대조예 3 내지 5는 펄스 방전의 시작점에 있어서 모두 50% SOC 이상이며, 하지만, 대조예 3과 5는 한 단계의 저출력 펄스 방전단계만 구비하고 용량 유지율이 거의 동일하다.
이로부터 알 수 있다 시피, 펄스 방전의 시작점만 50% SOC 이상으로 설정하고 본 출원의 충전방법처럼 두 단계 이상의 펄스 방전단계를 구비하지 않았으며, 용량 유지율이 뚜렷하게 개선되지 않았다.
도 13에 도시된 바와 같이, 대조예 2 내지 5는 두 단계 이상의펄스 방전단계를 설치하므로, 50% SOC일 때부터 펄스 방전을 시작하든지 아니면 5% SOC일 때부터 펄스 방전을 시작하든지를 막론하고, 대조예 1에 비교하여 순환 수명의 개선이 대체적으로 동일하다. 대조예 4는 70%부터 펄스 방전을 시작하고 대조예 5는 90%부터 펄스 방전을 시작하지만, 순환 수명은 대조예 2, 3, 6에 비교하여 약간 감소하였다.
도 14는 본 출원에 따른 이차 배터리의 충전장치의 구조도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 충전장치(20)는 충전유닛(2010)과 펄스 방전유닛(2020)을 포함하고, 충전유닛(2010)은 배터리 관리유닛 BMS(122)가 발송한 충전 정보에 근거하고 충전 출력 mP에 의하여 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하고, 펄스 방전유닛(2020)은 배터리 관리유닛 BMS(122)가 발송한 펄스 방전 정보에 근거해 배터리(121)에 대해 정출력 펄스 방전을 진행한다. 충전장치(20)가 배터리(121)에 대해 충전을 진행할 경우, 배터리(121)의 배터리 상태 파라미터가 미리 설정한 값에 도달하면, 예를 들어, 하전상태 SOC가 50% 이상에 도달하면 펄스 방전유닛(2020)은 BMS(122)가 발송한 펄스 방전 정보에 근거해 배터리(121)에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한다.
일부 실시예에 있어서, 펄스 방전유닛(2020)이 여러 번의 펄스 방전을 진행한 후, 충전유닛(2010)은 충전 출력 mP에 의하여 다시 배터리(121)에 대해 정출력 충전을 진행하며, 배터리(121)의 배터리 상태 파라미터가 제2 미리 설정한 값에 도달할 경우, 예를 들어, 하전상태 SOC가 5% 증가하면 펄스 방전유닛(2020)은 다시 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행한다.
일부 실시예에서, 펄스 방전유닛(2020)과 충전유닛(2010)은 배터리(121)가 완전 충전되거나 일정한 하전상태에 도달할 때까지 번갈아 가며 여러 번의 펄스 방전과 정출력 충전을 진행한다.
본 출원은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 더 제공하며, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에는 컴퓨터 실행 가능한 명령이 저장되고, 컴퓨터 실행 가능한 명령은 프로세서에 의해 실행될 때 본 출원에 따른 이차 배터리 충전방법을 실행한다.
본 출원은 본 출원에 따른 이차 배터리 충전방법을 실행하는 데 사용하는 전자설비를 더 제공한다.
도 15는 본 출원에 따른 전자설비의 구조도이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 전자설비(3000)는 메모리(3010)와 프로세서(3020)를 포함하며, 메모리(3010)가 컴퓨터 명령을 저장하고 프로세서(3020)가 컴퓨터 명령을 운행하여 본 출원에 따른 이차 배터리 충전방법을 실행한다.
상기 각 실시예는 본 출원의 기술방안을 설명하는 데만 사용하고 본 출원의 기술방안을 한정하지 않으며; 상기 각 실시예를 참조해 본 출원을 상세하게 설명하였지만, 본 기술분야의 통상적인 기술자들은 당업자들이 여전히 상기 각 실시예에 기재된 기술방안에 대한 수정을 진행하거나 그 중의 일부 또는 전부 기술특징에 대한 등가적 치환을 진행할 수 있고; 이런 수정 또는 치환은 상응되는 기술방안의 본질이 본 출원의 각 실시예에 기재된 기술방안의 범위를 벗어나지 않아 모두 본 출원의 청구항 및 명세서 범위에 포함된다는 것을 이해하여야 할 것이다. 특히, 구조에서 모순되지만 않으면 각 실시예에 기재된 각각의 기술특징은 모두 임의의 방식으로 조합을 이룰 수 있다. 본 출원은 문장에서 공개한 특정 실시예에 한정되지 않고 청구항의 범위 내에 포괄된 모든 기술방안을 포함한다.
Claims (14)
- 이차 배터리 충전방법에 있어서,
배터리 관리유닛(Battery Management System, BMS)이 충전원에 제1 충전 정보를 발송하고, 상기 제1 충전 정보는 제1 충전 출력을 포함하는 단계;
상기 충전원은 상기 제1 충전 출력에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 정출력(constant power) 충전을 진행하는 데 사용되는 단계;
상기 배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, 상기 BMS가 상기 충전원에 복수의 펄스 방전 정보를 발송하고, 각각의 상기 펄스 방전 정보는 방전 출력과 방전 시간을 포함하는 단계;
상기 충전원은 상기 복수 펄스 방전 정보 중의 상기 방전 출력과 방전 시간에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 배터리 충전방법. - 제1항에 있어서,
상기 배터리 상태 파라미터는 상기 이차 배터리의 하전상태(State of Charge, SOC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 배터리 충전방법. - 제2항에 있어서,
상기 제1 미리 설정한 값은 50% SOC 이상인 것을 특징으로 하는 이차 배터리 충전방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달할 경우, 상기 BMS는 상기 충전원에 제1 펄스 방전 정보를 발송하고, 상기 제1 펄스 방전 정보는 제1 방전 출력과 제1 방전 시간을 포함하며;
상기 충전원은 상기 제1 펄스 방전 정보에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 제1 정출력 펄스 방전을 진행하며;
상기 제1 방전 시간이 지난 후, 상기 BMS가 상기 충전원에 제2 펄스 방전 정보를 발송하고, 상기 제2 펄스 방전 정보는 제2 방전 출력과 제2 방전 시간을 포함하며;
상기 충전원은 상기 제2 펄스 방전 정보에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 제2 정출력 펄스 방전을 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 배터리 충전방법. - 제4항에 있어서,
상기 제1 방전 출력은 상기 제1 충전 출력보다 크고, 상기 제2 방전 출력은 상기 제1 충전 출력보다 작은 것을 특징으로 하는 이차 배터리 충전방법. - 제4항에 있어서,
상기 제1 방전 시간은 1 내지 20초이고,
상기 제2 방전 시간은 1 내지 20초인 것을 특징으로 하는 이차 배터리 충전방법. - 제1항에 있어서,
상기 여러 번의 정출력 펄스 방전을 실시한 후, 상기 충전원은 상기 BMS가 발송한 제2 충전 정보에 근거해 상기 제1 충전 출력에 의하여 다시 상기 이차 배터리에 대해 정출력 충전을 진행하며;
상기 이차 배터리의 배터리 상태 파라미터가 제2 미리 설정한 값에 도달하였을 경우, 상기 충전원은 상기 BMS가 발송한 상기 복수의 펄스 방전 정보에 근거하여 상기 이차 배터리에 대해 다시 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 배터리 충전방법. - 제7항에 있어서,
상기 제2 미리 설정한 값은 SOC가 5% 증가한 것임을 특징으로 하는 이차 배터리 충전방법. - 제7항에 있어서,
상기 충전원은 상기 BMS가 여러 번 발송한 상기 제2 충전 정보와 상기 복수의 펄스 방전 정보에 근거해 상기 이차 배터리의 전압이 미리 설정한 값에 도달할 때까지 상기 정출력 충전과 상기 여러 번의 정출력 펄스 방전을 반복 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 배터리 충전방법. - 이차 배터리의 충전장치에 있어서,
BMS가 발송한 충전 정보에 근거하여 제1 충전 출력에 의해 상기 이차 배터리에 대해 정출력 충전을 진행하는 충전유닛; 및
BMS가 발송한 펄스 방전 정보에 근거해 상기 이차 배터리에 대해 정출력 펄스 방전을 진행하는 펄스 방전유닛;을 포함하며,
여기에서,
배터리 상태 파라미터가 제1 미리 설정한 값에 도달하였을 경우, 상기 펄스 방전유닛은 BMS가 발송한 복수의 펄스 방전 정보에 근거하여 상기 이차 배터리에 대해 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 배터리의 충전장치. - 제10항에 있어서,
상기 펄스 방전유닛에 대해 상기 여러 번의 펄스 방전을 진행한 후, 상기 충전유닛은 상기 제1 충전 출력에 의하여 다시 상기 이차 배터리에 대해 정출력 충전을 진행하며;
상기 이차 배터리의 배터리 상태 파라미터가 제2 미리 설정한 값에 도달하였을 경우, 상기 펄스 방전유닛은 다시 상기 여러 번의 정출력 펄스 방전을 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 배터리의 충전장치. - 제11항에 있어서,
상기 펄스 방전유닛과 상기 충전유닛은 상기 이차 배터리의 전압이 미리 설정한 값에 도달할 때까지 상기 여러 번의 펄스 방전과 상기 정출력 충전을 번갈아 가며 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 배터리의 충전장치. - 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 있어서,
상기 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에는 컴퓨터 실행 가능한 명령이 저장되고, 상기 컴퓨터 실행 가능한 명령은 프로세서에 의해 실행될 경우, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 이차 배터리 충전방법을 실행하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체. - 전자설비에 있어서
컴퓨터 명령을 저장하는 메모리; 및
상기 컴퓨터 명령을 운행하여 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 이차 배터리 충전방법을 실행하는 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자설비.
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