KR20240084041A - 배터리 충전 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 충전 장치 및 방법 Download PDF

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김종훈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 미리 설정된 충전 시간 동안 배터리에 충전 전류를 출력하도록 구성된 전류 출력부; 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부; 및 상기 충전 시간 동안의 상기 배터리의 전압 변화량을 산출하고, 상기 전압 변화량에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간과 상기 충전 시간의 차이에 따른 지연 시간을 산출하며, 산출된 지연 시간에 기반하여 상기 배터리에 대응되는 충전 조건을 설정하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 충전 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CHARGING BATTERY}
본 발명은 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리에 대한 급속 충전이 가능한 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 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.
전기 자동차, 전기 오토바이 및 전기 자전거 등의 전력 구동 장치 등이 상용화되면서, 고용량 및 고성능 배터리에 대한 요구가 증가되고 있다. 하지만, 배터리의 용량이 증가됨에 따라 배터리 충전에 소요되는 시간도 증가되는 단점이 부각되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 배터리를 급속 충전하는 기술이 개발되고 있다.
다만, 배터리를 급속 충전하기 위해서는 충전 대상 배터리에 대한 구체적인 정보를 획득하여야 한다. 예컨대, 충전 대상 배터리의 사양, SOH(State of health) 및 허용 가능한 최대 충전 C-RATE 등에 관한 사전 정보가 필요하다. 이러한 배터리 정보가 없는 경우, 무분별한 급속 충전은 배터리의 음극 표면에 리튬이 석출되는 현상(리튬 플레이팅, Li-plating)을 야기할 수 있다. 음극 표면에 리튬이 석출되면 전해액과의 부반응 및 배터리의 운동역학적 균형(kinetic balance) 변경 등을 초래하여 배터리 퇴화의 원인이 된다. 또한, 음극 표면에 리튬 금속이 석출됨에 따라 배터리의 내부 단락이 발생될 수 있기 때문에, 내부 단락에 의한 발화 및 폭발 등의 위험이 있다.
따라서, 배터리 정보를 직접 획득함으로써, 배터리에 대한 사전 정보가 없는 경우에도 안전하게 배터리를 급속 충전할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 정보를 획득하여 배터리를 안전하게 급속 충전하는 배터리 충전 장치 및 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 충전 장치는 미리 설정된 충전 시간 동안 배터리에 충전 전류를 출력하도록 구성된 전류 출력부; 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부; 및 상기 충전 시간 동안의 상기 배터리의 전압 변화량을 산출하고, 상기 전압 변화량에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간과 상기 충전 시간의 차이에 따른 지연 시간을 산출하며, 산출된 지연 시간에 기반하여 상기 배터리에 대응되는 충전 조건을 설정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 지연 시간에 기반하여 상기 배터리에 대응되는 충전 C-rate를 결정하고, 결정된 충전 C-rate를 상기 충전 조건으로 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 지연 시간과 상기 충전 C-rate 간의 대응 관계를 나타내도록 설정된 충전 프로파일에 기반하여, 상기 지연 시간에 대응되는 상기 충전 C-rate를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 충전 시간 동안의 충전 전류량을 산출하고, 상기 전압 변화량과 상기 충전 전류량에 기반하여 상기 배터리의 저항을 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 저항에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간을 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 지연 시간 및 상기 저항에 기반하여 상기 충전 C-rate를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 지연 시간과 상기 충전 C-rate 간의 대응 관계를 나타내도록 설정된 충전 프로파일이 복수의 저항 각각에 대해 설정된 경우, 복수의 충전 프로파일 중에서 상기 저항에 대응되는 충전 프로파일을 선택하고, 선택된 충전 프로파일에 기반하여 상기 지연 시간에 대응되는 상기 충전 C-rate를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 지연 시간에 대응되는 최대 C-rate를 설정하고, 상기 저항에 대응되는 임계 C-rate를 설정하며, 상기 최대 C-rate 및 상기 임계 C-rate 중 작은 값을 상기 충전 C-rate로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 지연 시간과 상기 최대 C-rate 간의 대응 관계를 나타내는 제1 C-rate 프로파일에 기반하여 상기 최대 C-rate를 설정하고, 상기 저항과 상기 임계 C-rate 간의 대응 관계를 나타내는 제2 C-rate 프로파일에 기반하여 상기 임계 C-rate를 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 전류 출력부는, 상기 충전 조건이 설정된 이후, 상기 충전 조건에 따라 상기 배터리를 충전시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 충전 조건에 따른 상기 배터리의 완충 시간을 산출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 충전 장치는 상기 충전 조건 및 상기 완충 시간 중 적어도 하나를 출력하도록 구성된 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 충전 스테이션은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 충전 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 충전 방법은 미리 설정된 충전 시간 동안 배터리에 충전 전류를 출력하는 충전 전류 출력 단계; 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 상기 충전 시간 동안의 상기 배터리의 전압 변화량을 산출하는 전압 변화량 산출 단계; 상기 전압 변화량에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간과 상기 충전 시간의 차이에 따른 지연 시간을 산출하는 지연 시간 산출 단계; 및 산출된 지연 시간에 기반하여 상기 배터리에 대응되는 충전 조건을 설정하는 충전 조건 설정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 충전 방법은 상기 충전 조건 설정 단계 이후, 상기 충전 조건에 따라 상기 배터리를 충전시키는 충전 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 충전 장치는 연결된 배터리에 대응되는 충전 C-rate를 실시간으로 설정할 수 있기 때문에, 사전 정보가 없는 배터리라도 안전하게 급속 충전할 수 있는 장점이 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 충전 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 의해 출력되는 충전 전류를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 전압 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 충전 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 C-rate 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 C-rate 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
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 충전 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 충전 장치(100)는 전류 출력부(110), 전압 측정부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
여기서, 배터리(10)는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리로 간주될 수 있다. 또한, 배터리(10)는 복수의 셀이 포함되는 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 의미할 수도 있다.
전류 출력부(110)는 미리 설정된 충전 시간 동안 배터리에 충전 전류를 출력하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 전류 출력부(110)는 제어부(130)와 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 전류 출력부(110)는 제어부(130)로부터 전류 출력 신호를 입력받으면 미리 설정된 충전 시간 동안 충전 전류를 출력할 수 있다. 예컨대, 충전 시간은 1초 이내의 시간으로 미리 설정될 수 있다.
여기서, 충전 전류의 세기는 특정한 값으로 미리 설정될 수 있다. 바람직하게, 충전 전류의 세기는 배터리의 용량을 고려하지 않고 특정한 값으로 설정될 수 있다.
예컨대, 배터리 충전 장치(100)에 배터리가 연결된 경우, 제어부(130)는 전류 출력부(110)로 전류 출력 신호를 송신할 수 있다. 전류 출력부(110)는 전류 출력 신호를 수신하면, 미리 설정된 세기의 전류를 배터리로 출력할 수 있다. 즉, 전류 출력부(110)는 미리 설정된 세기의 전류로 미리 설정된 충전 시간 동안 배터리를 충전시킬 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 전류 출력부(110)는 배터리(10)의 양극 단자 및 음극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 전류 출력부(110)는 제어부(130)로부터 전류 출력 신호를 수신하면, 배터리(10)로 충전 전류를 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)에 의해 출력되는 충전 전류를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3의 실시예에서, X축은 전류가 출력되는 시간을 나타내고, Y축은 전류의 세기를 나타낼 수 있다. 예컨대, t1 시점에서 전류 출력부(110)가 제어부(130)로부터 전류 출력 신호를 수신하였다고 가정한다. 전류 출력부(110)는 미리 설정된 충전 시간(△t) 동안 세기가 X(mA)인 전류를 출력할 수 있다. 바람직하게, 전류 출력부(110)는 미리 설정된 충전 시간(△t) 동안 세기가 X(mA)인 펄스 전류(Pulse current)를 출력할 수 있다. 전류 출력부(110)는 t1 시점부터 t2 시점까지 충전 전류를 배터리로 출력할 수 있다.
전압 측정부(120)는 배터리의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 전압 측정부(120)는 배터리가 충전 전류에 의해 충전되는 동안 배터리의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
도 2의 실시예에서, 전류 출력부(110)가 배터리(10)로 충전 전류를 충전하는 동안, 전압 측정부(120)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제2 센싱 라인(SL2)을 이용하여 배터리(10)의 전압을 측정할 수 있다. 구체적으로, 전압 측정부(120)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(10)의 양극 전위를 측정하고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(10)의 음극 전위를 측정할 수 있다. 그리고, 전압 측정부(120)는 양극 전위와 음극 전위의 차이를 계산하여 배터리(10)의 전압을 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 전압 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4의 실시예에서, 전압 측정부(120)는 충전 전류가 출력되는 충전 시간(△t) 동안 배터리의 전압을 측정할 수 있다. t1 시점에서 측정된 배터리의 전압은 V1이고, t2 시점에서 측정된 배터리의 전압은 V2일 수 있다.
도 3의 실시예에서는 충전 시간(△t) 동안 펄스 전류가 출력되는 실시예를 도시하였으나, 설명의 편의를 위하여 도 4의 실시예에서는 충전 시간(△t) 동안 정전류가 출력된 실시예를 도시하였음을 유의한다.
제어부(130)는 충전 시간 동안의 배터리의 전압 변화량을 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 전압 측정부(120)는 제어부(130)와 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 전압 측정부(120)는 측정한 배터리의 전압 정보를 제어부(130)로 송신할 수 있다. 제어부(130)는 전압 측정부(120)로부터 수신한 전압 정보에 따라 충전 시간 동안의 배터리의 전압 변화량을 산출할 수 있다. 여기서, 전압 변화량은 전류 출력부(110)에서 출력되는 충전 전류에 따른 배터리의 전압 상승량을 의미한다. 즉, 제어부(130)는 충전 시간 동안의 배터리의 전압 상승량을 산출할 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제어부(130)는 전압 측정부(120)로부터 충전 시간(△t) 동안의 전압 정보를 수신할 수 있다. t1 시점에 측정된 전압이 V1이고, t2 시점에 측정된 전압이 V2면, 제어부(130)는 "V2-V1"의 수식을 계산하여 전압 변화량(△V)을 산출할 수 있다.
다른 예로, 도 4의 실시예에서, 제어부(130)는 전압 측정부(120)로부터 t1 시점과 t2 시점에서의 전압 정보만 수신할 수도 있다. 그리고, 제어부(130)는 "V2-V1"을 계산하여 전압 변화량(△V)을 산출할 수 있다.
제어부(130)는 전압 변화량에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간과 충전 시간의 차이에 따른 지연 시간을 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 전압 변화량에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간을 결정할 수 있다. 그리고, 결정된 기준 시간과 충전 시간의 차이를 계산하여 지연 시간을 산출할 수 있다. 여기서, 충전 시간은 충전 전류에 의해 배터리가 충전되는 시간으로, 도 3 및 도 4의 실시예의 △t에 해당한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 프로파일(VP)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5의 실시예에서, 전압 프로파일(VP)은 전압 변화량과 기준 시간 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정될 수 있다. 제어부(130)는 전압 프로파일(VP)에 기반하여, 산출한 전압 변화량에 대응되는 기준 시간을 결정할 수 있다.
예컨대, 충전 시간이 △t라고 가정한다. 산출된 전압 변화량이 △V1인 경우, 기준 시간은 S1으로 결정될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 기준 시간(S1)과 측정 시간(△t) 간의 차이를 계산하여 지연 시간을 산출할 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 "측정 시간 - 기준 시간"의 수식을 계산하여 지연 시간을 산출할 수 있다.
제어부(130)는 산출된 지연 시간에 기반하여 배터리에 대응되는 충전 조건을 설정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 충전 조건은 배터리에 대응되는 급속 충전 조건일 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 지연 시간에 기반하여 배터리에 대응되는 충전 C-rate를 결정하고, 결정된 충전 C-rate를 충전 조건으로 설정하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(130)는 배터리에 대한 별도의 정보를 수신하지 않더라도, 충전 시간 동안의 전압 변화량 및 산출된 지연 시간에 기반하여 배터리에 대한 급속 충전 C-rate를 결정할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 지연 시간과 충전 C-rate 간의 대응 관계를 나타내도록 설정된 충전 프로파일(P)에 기반하여, 지연 시간에 대응되는 충전 C-rate를 결정하도록 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 프로파일(P)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6의 실시예에서, 충전 프로파일(P)은 지연 시간과 충전 C-rate 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정될 수 있다. 제어부(130)는 충전 프로파일(P)에 기반하여, 산출한 지연 시간에 대응되는 충전 C-rate를 결정할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 지연 시간에 기반하여 배터리를 급속 충전할 수 있는 충전 C-rate를 결정할 수 있다.
그리고, 충전 조건이 설정된 이후, 전류 출력부(110)는 충전 조건에 따라 배터리를 충전시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)는 연결된 배터리에 대응되는 충전 C-rate를 실시간으로 설정할 수 있기 때문에, 사전 정보가 없는 배터리라도 안전하게 급속 충전할 수 있는 장점이 있다.
한편, 배터리 충전 장치(100)에 구비된 제어부(130)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(130)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(130) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(130)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 충전 장치(100)는 저장부(140)를 더 포함할 수 있다. 저장부(140)는 배터리 충전 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(140)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(140)는 제어부(130)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
예컨대, 저장부(140)는 전압 프로파일(VP) 및 충전 프로파일(P)을 저장할 수 있다. 제어부(130)는 저장부(140)에 접근하여, 전압 프로파일(VP) 및 충전 프로파일(P)을 획득할 수 있다. 또한, 저장부(140)는 전압 측정부(120)에 의해 측정되는 배터리(10)의 전압값을 저장할 수도 있다.
제어부(130)는 충전 시간 동안의 충전 전류량을 산출하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 전류 출력부(110)에서 출력되는 충전 전류의 전류 세기와 충전 시간을 곱함으로써, 충전 전류량을 산출할 수 있다.
제어부(130)는 전압 변화량과 충전 전류량에 기반하여 배터리의 저항을 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 옴의 법칙(Ohm's law)에 기반하여, 전압 변화량과 충전 전류량에 따른 저항을 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 "전압 변화량÷충전 전류량"의 수식을 계산하여 배터리의 저항을 산출할 수 있다.
이하에서는 제어부(130)가 산출한 저항을 이용하여 충전 조건을 설정하는 실시예를 설명한다.
일 실시예에서, 제어부(130)는 저항에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간을 설정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 전압 변화량뿐만 아니라 저항에 대해서도 기준 시간이 미리 설정될 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 저항에 대응되는 기준 시간을 설정하고, 기준 시간과 측정 시간 간의 차이에 따라 지연 시간을 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 산출된 지연 시간에 기반하여 배터리의 충전 조건을 설정할 수 있다.
다른 실시예에서, 제어부(130)는 지연 시간 및 저항에 기반하여 충전 C-rate를 결정하도록 구성될 수 있다.
제어부(130)는 지연 시간과 충전 C-rate 간의 대응 관계를 나타내도록 설정된 충전 프로파일(P)이 복수의 저항 각각에 대해 설정된 경우, 복수의 충전 프로파일(P) 중에서 저항에 대응되는 충전 프로파일(P)을 선택하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 복수의 저항 각각에 대하여 충전 프로파일(P)이 하나씩 미리 설정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 충전 프로파일(P)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7의 실시예에서, 복수의 저항(R1 내지 Rn) 각각에 대하여 충전 프로파일(P)이 미리 설정될 수 있다. 즉, 총 n개의 충전 프로파일(P)이 미리 설정될 수 있다.
제어부(130)는 복수의 충전 프로파일(P) 중에서 산출된 저항에 대응되는 충전 프로파일(P)을 선택할 수 있다. 예컨대, 도 7의 실시예에서, 산출된 저항이 R1인 경우, 제어부(130)는 R1 저항에 대응되는 충전 프로파일(P)을 선택할 수 있다.
제어부(130)는 선택된 충전 프로파일(P)에 기반하여 지연 시간에 대응되는 충전 C-rate를 결정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 선택한 충전 프로파일(P)에 산출된 지연 시간을 대입함으로써, 배터리에 대한 충전 C-rate를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 결정한 충전 C-rate를 배터리의 충전 조건으로 설정할 수 있다. 이 경우, 전류 출력부(110)는 설정된 충전 조건에 따라 충전 C-rate로 배터리를 충전시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)는 저항 및 지연 시간을 모두 고려함으로써, 배터리에 최적화된 충전 C-rate를 결정할 수 있다. 따라서, 리튬 금속이 석출되지 않도록 배터리에 대한 안전한 급속 충전이 진행될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제어부(130)는 지연 시간에 대응되는 최대 C-rate를 설정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 지연 시간에 대응되는 충전 C-rate를 직접 설정하지 않고, 지연 시간에 대응되는 최대 C-rate를 먼저 설정할 수 있다. 여기서, 최대 C-rate는 지연 시간에 대하여 미리 설정되는 값으로서, 해당 지연 시간에 대응되는 배터리에 적용될 수 있는 C-rate의 이론적 최대값을 의미할 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 지연 시간과 최대 C-rate 간의 대응 관계를 나타내는 제1 C-rate 프로파일(CP1)에 기반하여 최대 C-rate를 설정하도록 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 C-rate 프로파일(CP1)을 개략적으로 도시한 도면이다. 예컨대, 저장부(140)는 제1 C-rate 프로파일(CP1)을 저장할 수 있다. 제어부(130)는 저장부(140)에 접근하여, 제1 C-rate 프로파일(CP1)을 획득할 수 있다.
도 8의 실시예에서, 제1 C-rate 프로파일(CP1)은 지연 시간과 최대 C-rate 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정될 수 있다. 제어부(130)는 제1 C-rate 프로파일(CP1)에 기반하여, 산출한 지연 시간에 대응되는 최대 C-rate를 결정할 수 있다.
예컨대, 지연 시간이 △d1인 경우, 최대 C-rate는 M1으로 결정될 수 있다.
제어부(130)는 저항에 대응되는 임계 C-rate를 설정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 저항에 대응되는 충전 C-rate를 직접 설정하지 않고, 저항에 대응되는 임계 C-rate를 먼저 설정할 수 있다. 여기서, 임계 C-rate는 저항에 대하여 미리 설정되는 값으로서, 해당 저항에 대응되는 배터리에 적용될 수 있는 C-rate의 이론적 최대값을 의미할 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 저항과 임계 C-rate 간의 대응 관계를 나타내는 제2 C-rate 프로파일(CP2)에 기반하여 임계 C-rate를 설정하도록 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 C-rate 프로파일(CP2)을 개략적으로 도시한 도면이다. 예컨대, 저장부(140)는 제2 C-rate 프로파일(CP2)을 저장할 수 있다. 제어부(130)는 저장부(140)에 접근하여, 제2 C-rate 프로파일(CP2)을 획득할 수 있다.
도 9의 실시예에서, 제2 C-rate 프로파일(CP2)은 저항과 임계 C-rate 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정될 수 있다. 제어부(130)는 제2 C-rate 프로파일(CP2)에 기반하여, 산출한 저항에 대응되는 임계 C-rate를 결정할 수 있다.
예컨대, 저항이 R1인 경우, 임계 C-rate는 Th1으로 결정될 수 있다.
제어부(130)는 최대 C-rate 및 임계 C-rate 중 작은 값을 충전 C-rate로 결정하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 최대 C-rate와 임계 C-rate는 서로 독립적인 값일 수 있다. 즉, 최대 C-rate는 배터리의 지연 시간에 대응되는 C-rate이고, 임계 C-rate는 배터리의 저항에 대응되는 C-rate이다. 따라서, 최대 C-rate와 임계 C-rate는 서로 독립적이며, 더 안전한 급속 충전을 위해 제어부(130)에 의해 비교될 수 있다.
일반적으로 충전 C-rate가 높을수록 배터리는 더 신속히 충전될 수 있다. 하지만, 급속 충전 과정에서 배터리에 스트레스가 가해지고, 음극 표면에 리튬 금속이 석출되는 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 리튬 금속의 석출을 방지하며 배터리를 급속 충전시킬 수 있는 충전 C-rate를 결정하는 것은, 급속 충전 및 안정성의 측면에서 매우 중요하다. 제어부(130)는 최대 C-rate와 임계 C-rate 중 작은 값을 충전 C-rate로 결정함으로써, 배터리를 안전하게 급속 충전시킬 수 있는 충전 조건을 설정할 수 있다.
제어부(130)는 충전 조건에 따른 배터리의 완충 시간을 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 설정된 충전 조건으로 배터리를 충전하는 경우, 배터리가 완충될 때까지 소요되는 완충 시간을 산출할 수 있다. 바람직하게, 제어부(130)는 배터리의 전압이 미리 설정된 충전 종료 전압에 도달할 때까지의 완충 시간을 산출할 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 충전 시간 동안의 충전 전류에 따른 전압 변화량에 기반하여, 충전 C-rate에 따라 배터리의 전압이 미리 설정된 충전 종료 전압에 도달할 때까지의 완충 시간을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(130)는 아래의 수식을 이용하여 완충 시간을 산출할 수 있다.
[수식 1]
△V:(C1×△t)=(Vf-Vi):(C2×tc)
여기서, 수식 1을 정리하면 수식 2와 같다.
[수식 2]
tc=(C1×△t)×(Vf-Vi)÷(△V×C2)
여기서, △t는 충전 시간이고, △V는 충전 시간 동안의 전압 변화량이며, C1은 충전 시간 동안의 충전 전류를 C-rate 값으로 환산한 값이다. 예컨대, 도 3 및 도 4의 실시예에서, 제어부(130)는 전압 변화량(△V)을 산출한 이후, 산출된 전압 변화량(△V)에 대응되도록 미리 설정된 배터리의 용량을 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 결정된 배터리의 용량과 충전 전류(X)를 비교함으로써, 충전 전류(X)를 C-rate 값으로 환산할 수 있다.
또한, Vf는 미리 설정된 충전 종료 전압이고, Vi는 배터리의 현재 전압이다. C2는 제어부(130)에 의해 결정된 충전 C-rate이고, tc는 완충 시간이다. 제어부(130)는 수식 1 및/또는 수식 2에 기반하여 완충 시간(tc)을 산출할 수 있다.
도 1을 참조하면 배터리 충전 장치(100)는 충전 조건 및 완충 시간 중 적어도 하나를 출력하도록 구성된 디스플레이부(150)를 더 포함할 수 있다.
디스플레이부(150)는 제어부(130)에 의해 설정된 충전 조건 및/또는 제어부(130)에 의해 산출된 완충 시간을 출력할 수 있다. 따라서, 사용자는 배터리가 어떤 충전 조건으로 충전되고, 언제 완충될 수 있는지를 쉽게 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)는 충전 스테이션에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 스테이션은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 충전 스테이션은 배터리를 충전할 수 있는 스테이션이다. 예컨대, 충전 스테이션은 전기 자동차, 전기 오토바이 및 전기 자전거 등의 교통 수단에 포함된 배터리뿐만 아니라 휴대 가능한 배터리를 충전할 수 있다. 보다 구체적으로, 충전 스테이션은 배터리를 충전할 수 있는 충전소일 수 있다.
바람직하게, 충전 스테이션은 하나 이상의 배터리 충전 장치(100)를 포함할 수 있다. 예컨대, 충전 스테이션에는 하나 이상의 단말이 포함되고, 각각의 단말에는 배터리 충전 장치(100)가 포함될 수 있다. 그리고, 배터리 충전 장치(100)와 전기적으로 연결되는 배터리는 본 발명의 일 실시예에 따라 충전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사전 정보가 없는 배터리도 충전 스테이션에 안전하게 급속 충전될 수 있는 장점이 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 충전 방법의 각 단계는 배터리 충전 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 10을 참조하면, 배터리 충전 방법은 충전 전류 출력 단계(S100), 전압 측정 단계(S200), 전압 변화량 산출 단계(S300), 지연 시간 산출 단계(S400) 및 충전 조건 설정 단계(S500)를 포함할 수 있다.
충전 전류 출력 단계(S100)는 미리 설정된 충전 시간 동안 배터리에 충전 전류를 출력하는 단계로서, 전류 출력부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 배터리 충전 장치(100)와 배터리가 연결된 경우, 전류 출력부(110)는 제어부(130)로부터 전류 출력 신호를 수신할 수 있다. 전류 출력부(110)는 전류 출력 신호를 수신한 시점부터 미리 설정된 충전 시간 동안 미리 설정된 세기의 충전 전류를 배터리로 출력할 수 있다.
전압 측정 단계(S200)는 배터리의 전압을 측정하는 단계로서, 전압 측정부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 전압 측정부(120)는 충전 시간 동안 배터리의 전압을 측정할 수 있다.
전압 변화량 산출 단계(S300)는 충전 시간 동안의 배터리의 전압 변화량을 산출하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 충전이 시작되는 시점과 충전이 종료되는 시점의 전압 간의 차이를 계산하여, 전압 변화량을 산출할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 충전 시간 동안 인가되는 충전 전류량에 따른 배터리의 전압 변화량을 산출할 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제어부(130)는 충전 시간(△t) 동안의 전압 변화량(△V)을 산출할 수 있다.
지연 시간 산출 단계(S400)는 전압 변화량에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간과 충전 시간의 차이에 따른 지연 시간을 산출하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제어부(130)는 전압 프로파일(VP)에 기반하여 전압 변화량(△V)에 대응되는 기준 시간을 먼저 결정할 수 있다. 그리고, 충전 시간(△t)과 기준 시간 간의 차이에 따른 지연 시간을 산출할 수 있다. 여기서, 기준 시간은 전압 변화량에 대응되는 이론적인 시간이고, 충전 시간은 실제로 충전 전류가 인가되는 시간이다. 따라서, 제어부(130)는 충전 시간과 기준 시간 간의 차이를 계산함으로써, 배터리의 전압이 변하는데 지연 시간(Delayed time)을 산출할 수 있다.
충전 조건 설정 단계(S500)는 산출된 지연 시간에 기반하여 배터리에 대응되는 충전 조건을 설정하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
이러한 지연 시간은 배터리의 상태가 반영된 것이기 때문에, 제어부(130)는 배터리에 대한 사전 정보를 확보하지 못 한 경우라도 지연 시간에 따라 배터리에 대응되는 충전 조건을 설정할 수 있다.
예컨대, 도 6의 실시예에서, 제어부(130)는 충전 프로파일(P)에 기반하여 지연 시간에 대응되는 충전 C-rate를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 충전 C-rate를 배터리에 대한 충전 조건으로 설정할 수 있다.
도 11을 참조하면, 배터리 충전 방법은 충전 단계(S600)를 더 포함할 수 있다.
충전 단계(S600)는 충전 조건 설정 단계(S500) 이후, 충전 조건에 따라 배터리를 충전시키는 단계로서, 전류 출력부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)에 의해 배터리의 충전 조건이 설정된 경우, 전류 출력부(110)는 설정된 충전 조건(구체적으로는, 설정된 충전 C-rate)으로 배터리를 급속 충전시킬 수 있다.
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.
10: 배터리
100: 배터리 충전 장치
110: 전류 출력부
120: 전압 측정부
130: 제어부
140: 저장부
150: 디스플레이부

Claims (14)

  1. 미리 설정된 충전 시간 동안 배터리에 충전 전류를 출력하도록 구성된 전류 출력부;
    상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부; 및
    상기 충전 시간 동안의 상기 배터리의 전압 변화량을 산출하고, 상기 전압 변화량에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간과 상기 충전 시간의 차이에 따른 지연 시간을 산출하며, 산출된 지연 시간에 기반하여 상기 배터리에 대응되는 충전 조건을 설정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 지연 시간에 기반하여 상기 배터리에 대응되는 충전 C-rate를 결정하고, 결정된 충전 C-rate를 상기 충전 조건으로 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 지연 시간과 상기 충전 C-rate 간의 대응 관계를 나타내도록 설정된 충전 프로파일에 기반하여, 상기 지연 시간에 대응되는 상기 충전 C-rate를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 시간 동안의 충전 전류량을 산출하고, 상기 전압 변화량과 상기 충전 전류량에 기반하여 상기 배터리의 저항을 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 저항에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간을 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 지연 시간 및 상기 저항에 기반하여 상기 충전 C-rate를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 지연 시간과 상기 충전 C-rate 간의 대응 관계를 나타내도록 설정된 충전 프로파일이 복수의 저항 각각에 대해 설정된 경우, 복수의 충전 프로파일 중에서 상기 저항에 대응되는 충전 프로파일을 선택하고, 선택된 충전 프로파일에 기반하여 상기 지연 시간에 대응되는 상기 충전 C-rate를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 지연 시간에 대응되는 최대 C-rate를 설정하고, 상기 저항에 대응되는 임계 C-rate를 설정하며, 상기 최대 C-rate 및 상기 임계 C-rate 중 작은 값을 상기 충전 C-rate로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 지연 시간과 상기 최대 C-rate 간의 대응 관계를 나타내는 제1 C-rate 프로파일에 기반하여 상기 최대 C-rate를 설정하고, 상기 저항과 상기 임계 C-rate 간의 대응 관계를 나타내는 제2 C-rate 프로파일에 기반하여 상기 임계 C-rate를 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전류 출력부는,
    상기 충전 조건이 설정된 이후, 상기 충전 조건에 따라 상기 배터리를 충전시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 조건에 따른 상기 배터리의 완충 시간을 산출하도록 구성되고,
    상기 충전 조건 및 상기 완충 시간 중 적어도 하나를 출력하도록 구성된 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 충전 장치를 포함하는 충전 스테이션.
  13. 미리 설정된 충전 시간 동안 배터리에 충전 전류를 출력하는 충전 전류 출력 단계;
    상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계;
    상기 충전 시간 동안의 상기 배터리의 전압 변화량을 산출하는 전압 변화량 산출 단계;
    상기 전압 변화량에 대응되도록 미리 설정된 기준 시간과 상기 충전 시간의 차이에 따른 지연 시간을 산출하는 지연 시간 산출 단계; 및
    산출된 지연 시간에 기반하여 상기 배터리에 대응되는 충전 조건을 설정하는 충전 조건 설정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 충전 조건 설정 단계 이후, 상기 충전 조건에 따라 상기 배터리를 충전시키는 충전 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
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