WO2022231062A1 - 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치 - Google Patents

배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치 Download PDF

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최웅철
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Definitions

  • the present invention relates to a method for charging a battery and an apparatus for charging a battery. More particularly, it relates to a battery charging method and a battery charging apparatus capable of rapidly charging a battery by charging the battery with a high current in the form of a pulse having a frequency range capable of preventing the battery from aging.
  • eco-friendly energy As the problem of global warming has become very serious, interest in eco-friendly energy is increasing more than ever. In the process of utilizing such eco-friendly energy, one of the most important factors is an energy storage device that stores the generated energy. As is well known, lithium-ion-based batteries are now widely used. The development and spread of electric vehicles, which are progressing along with this eco-friendly energy trend, is contributing greatly to the more widespread use of secondary batteries such as lithium-ion batteries. However, in the case of electric vehicles, there are many cases in which the vehicle can be conveniently used only when charging is performed quickly, so the demand for such fast charging is very high.
  • An object of the present invention is to provide a battery charging method and a battery charging apparatus capable of rapidly charging a battery by charging the battery with a high current in the form of a pulse having a frequency range capable of preventing the battery from aging.
  • a method of measuring an impedance for each frequency by sequentially applying alternating currents of different frequencies to a battery; setting a frequency of the alternating current at which chemical diffusion starts in the battery from the measured impedance for each frequency as a diffusion resistance frequency; and charging the battery by applying a pulse charging current to the battery at a charging frequency higher than the diffusion resistance frequency.
  • the battery may be a lithium ion battery.
  • the pulse charging current may be 1C (C-rate) or more.
  • the pulse of the pulsed charging current may be a rectangular pulse waveform that intermittently interrupts the charging current.
  • the battery charging method may further include performing constant current charging by applying a constant current to the battery before charging the battery by applying the pulse charging current to the battery.
  • the charging of the battery may include lowering or increasing the pulse charging current in stages so that the charging voltage of the battery cell is maintained below a preset maximum charging voltage of the battery cell.
  • an alternating current is sequentially applied from a high frequency to a low frequency to the battery to obtain a resistance R, a capacitance C, and an inductance L of the impedance for each frequency. It may include a step of calculating.
  • the step of measuring the impedance for each frequency may further include the step of creating a Nyquist Plot according to the resistance R, the capacitance C, and the inductance L of the impedance for each frequency can
  • the frequency of the alternating current at which chemical diffusion starts in the Nyquist diagram may be set as the diffusion resistance frequency.
  • the starting point of the chemical diffusion may be a starting point of a Warburg impedance in the Nyquist diagram.
  • a charging device body having a charging connector electrically connected to a terminal of a battery;
  • An AC power supply for applying alternating currents of different frequencies to the battery, an impedance measuring unit for measuring impedances for each frequency according to the application of the alternating current, and from the measured impedances for each frequency, chemical diffusion in the battery starts a battery state information measuring unit including a charging frequency setting unit for setting the frequency of the alternating current to a diffusion resistance frequency; and a pulse charging unit provided in the charging device body and charging the battery by applying a pulse charging current to the battery at a charging frequency higher than the diffusion resistance frequency.
  • the battery may be a lithium ion battery.
  • the pulse charging current may be 1C (C-rate) or more.
  • the pulse of the pulse charging current may be a rectangular pulse waveform that intermittently interrupts the alternating current.
  • the pulse charging power supply unit may apply a constant current to the battery before applying the pulse charging current to the battery to perform constant current charging.
  • the pulse charging power supply unit may charge the battery cell while lowering or increasing the pulse charging current in stages so that the charging voltage of the battery cell is maintained below a preset maximum charging voltage of the battery cell.
  • the impedance measuring unit may calculate a resistance R, a capacitance C, and an inductance L of the impedance for each frequency by sequentially applying an alternating current from a high frequency to a low frequency to the battery.
  • the impedance measuring unit creates a Nyquist Plot according to the resistance R, the capacitance C, and the inductance L of the impedance for each frequency, and the charging frequency setting unit, the Nyquist
  • the frequency of the alternating current at which chemical diffusion starts in the streaky diagram may be set as the diffusion resistance frequency.
  • the starting point of the chemical diffusion may be a starting point of a Warburg impedance in the Nyquist diagram.
  • the battery can be charged at a high speed by charging the battery with a high current in the form of a pulse having a frequency range capable of preventing the battery from aging.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for charging a battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view for explaining a change in state inside a battery according to application of a charging current
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a form of applying a pulse charging current in a method for charging a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a modified example of a form of applying a pulse charging current of a method for charging a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of a battery charging apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram of an electric vehicle charging system having a battery charging device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a flowchart of a battery charging method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a state change in the battery according to high current charging.
  • 3 is a Nyquist plot of the internal impedance of a typical battery
  • FIG. 4 is a Nyquist plot shown through EIS analysis for several batteries.
  • 5 is a diagram illustrating a pulse charging current application form of a battery charging method according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a modification of a pulse charging current application form of a battery charging method according to an embodiment of the present invention. Yes.
  • a battery 10 a negative electrode material 12 , a separator 14 , a positive electrode material 16 , a cation 18 , and an SEI 20 are illustrated.
  • the battery charging method includes the steps of sequentially applying alternating currents of different frequencies to the battery 10 to measure impedance for each frequency; calculating a frequency of an alternating current at which chemical diffusion starts in the battery 10 from the measured impedance for each frequency as a diffusion resistance frequency; and charging the battery 10 by applying a pulse charging current to the battery 10 at a charging frequency higher than the diffusion resistance frequency.
  • the battery 10 according to the present embodiment includes a secondary battery capable of charging electrons, such as a lead acid battery, a nickel cadmium battery, a lithium polymer battery, a lithium ion battery, a nickel hydrogen battery, and the like.
  • a lithium ion battery has no memory phenomenon and has good battery output, and thus a lot of research and development has been made recently.
  • a battery charging method will be described in detail with a focus on the lithium ion battery.
  • a constant current/constant voltage (CC/CV, Constant Current/Constant Voltage) charging method has been commercialized, but in this embodiment, the current capable of fast charging while minimizing the aging of the battery 10 is pulsed.
  • CC/CV Constant Current/Constant Voltage
  • FIG. 2 is a view for explaining a state change in the battery 10 according to the application of charging current.
  • the battery 10 is composed of a positive electrode material 16, a negative electrode material 12, a separator 14, an electrolyte, etc., while supplying positive ions from the positive electrode material 16 and receiving or discharging positive ions from the negative electrode material 12 Electricity charging and discharging takes place.
  • a lithium ion battery lithium oxide is used as the positive electrode material 16 and graphite is mainly used as the negative electrode material 12.
  • Lithium ions, which are cations, pass through the separator 14 to pass through the negative electrode material 12 and the positive electrode material 16. Charging and discharging of electricity occurs as it goes back and forth.
  • FIG. 2 is a view for explaining a change in state inside the battery 10 according to the application of charging current.
  • FIG. 2 (a) shows a state in which a high current charging current is applied
  • FIG. 2 (b) and (c) show a state in which an appropriate current is applied and released.
  • FIG. 2(b) and 2(c) above show the charging state of the positive ions 18 inside the battery 10 according to the application and release of the charging current.
  • the charging current is It can be seen that even in the disconnected state, the positive ions 18 are being charged between the negative electrode materials 12 . That is, this charging process means that high-speed charging of the battery 10 is possible by charging in the form of a pulse that intermittently intermits the application of current.
  • the present invention intends to propose a method for determining the frequency during pulse charging.
  • alternating currents of different frequencies are sequentially applied to the battery 10 to measure the impedance for each frequency (S100).
  • the internal resistance that is, the impedance of the battery 10 is measured, and the degree of aging of the battery 10 is measured accordingly.
  • AC current is sequentially applied to the battery 10 from a high frequency to a low frequency to determine the response according to each frequency.
  • Impedance can be measured using an impedance measuring device (LCR meter).
  • resistance R resistance R
  • capacitance C resistance of the impedance for each frequency
  • inductance L resistance, capacitance, and inductance of impedance for each frequency are displayed on a complex impedance plane called a Nyquist plot, which will be described later, and can be expressed as a graph by connecting the indicated points.
  • This process may be performed according to electrochemical impedance spectroscopy (hereinafter referred to as 'EIS').
  • the frequency of the alternating current at which chemical diffusion starts in the battery 10 is set as the diffusion resistance frequency from the measured impedance for each frequency (S200).
  • the electrochemical reaction occurring between the two electrodes and the electrolyte present inside the battery 10 can be modeled and analyzed in the form of an equivalent electric circuit, from the Nyquist diagram This can be interpreted.
  • the Nyquist Plot is a figure showing the complex quantity of impedance as a real part on the horizontal axis and an imaginary part on the vertical axis.
  • Z imag represents capacitance and inductance, and the relationship between Z real , Z imag is plotted according to frequency.
  • a typical secondary battery has an external electrolyte resistance R bulk , a film resistance R film corresponding to charge transfer in SEI generated on the inner electrode particle surface, and a charge representing a cationic redox reaction at the electrode material interface. It can be composed of an equivalent circuit with four resistance components: transfer resistance R ct , and chemical diffusion resistance R diff due to intercalation into the grain crystal structure.
  • R bulk , R film , and R ct mainly represent the resistance component to the movement of ions through the electrolyte, and R diff after that is related to the diffusion rate of ions. This is due to the Warburg impedance.
  • the diffusion rate of ions is relatively slow, the effect is insignificant at high frequency and the characteristic appears at low frequency. It is defined as a frequency, and it is intended to prevent aging of the battery 10 due to diffusion of ions in the electrolyte during the charging process by applying a pulse charging current at a charging frequency higher than the diffusion storage frequency during pulse charging.
  • the frequency of the applied AC voltage at the starting point of chemical diffusion shown in FIG. 4 can be set as the diffusion resistance frequency. have.
  • the chemical diffusion start point can be set as the point at which the -Zimag value increases with an approximate 45° slope on the Nyquist diagram.
  • a pulse charging current is applied to the battery 10 at a charging frequency higher than the diffusion resistance frequency to charge the battery 10 ( S300 ).
  • a frequency higher than the diffusion resistance frequency at which diffusion of ions does not occur is set as the charging frequency of the pulse charging current.
  • the battery 10 is charged by applying a pulse charging current to the battery 10 according to the set charging frequency.
  • the diffusion resistance frequency means a limiting frequency of the charging frequency, and the charging frequency may be determined in consideration of the charging time of the battery 10 among frequencies greater than the diffusion resistance frequency, which is the limiting frequency.
  • the pulse of the pulse charging current may be charged by applying the pulse charging current in a rectangular pulse waveform in which the charging current is applied for a predetermined time and then the charging current is cut off for a predetermined time.
  • the positive ions 18 gathered around the SEI 20 inside the battery 10 are charged while slowly penetrating between the SEI 20 in a state where the SEI 20 does not grow.
  • the positive ions 18 move stably into the negative electrode material 12 .
  • the pulse charging is performed at a charging frequency higher than the diffusion resistance frequency, aging of the battery 10 due to diffusion of ions in the electrolyte can be minimized, and thus high-current pulse charging is possible. That is, the battery 10 may be charged with a high current of 1C (C-rate) or higher while minimizing the aging of the battery 10 .
  • C-rate refers to the ratio of the current to be charged and discharged with respect to the capacity of the battery 10 .
  • the pulse charging since pulse charging by a high current of 1C or more is possible, fast charging of the battery 10 is possible. For example, when the charging current is applied, the pulse charging may be performed at 6C and at 0C during the rest period.
  • constant current charging may be performed by applying a constant current to the battery 10 before applying the pulse charging current to the battery 10 .
  • constant current charging can be performed through constant current control by a low voltage.
  • the constant current charging is continued at a low voltage, and then the battery 10 voltage is set to a preset voltage value (eg, a battery cell). (maximum charging voltage), it can be switched to pulse charging.
  • FIG. 6 shows a modified example of the pulse charging current application form of the battery charging method according to the present embodiment.
  • This modified example is a method of applying the pulse charging current while lowering or increasing the pulse charging current in stages without performing constant current charging in the initial stage of charging.
  • a charging voltage is formed in each cell of the battery.
  • the battery cell reaches the maximum charging voltage during initial high-current pulse charging.
  • the pulse charging current is applied to the battery by gradually lowering or increasing the pulse charging voltage so as to be maintained below the maximum charging voltage of the battery cell.
  • the charging voltage is gradually increased and the maximum charging voltage of the battery cell is reached. Thereafter, the pulse charging current may be lowered and applied to about 5C so as to be maintained below the maximum charging voltage of the battery cell, and then the pulse charging current may be applied to the battery by gradually lowering or increasing it according to the state of charge of the battery.
  • Heat generation of the battery can be minimized by continuously tracking the charging voltage of the battery cell during charging of the battery and charging the battery while gradually lowering or increasing the pulse charging current so that it is maintained below the maximum charging voltage.
  • the maximum charging voltage of a battery cell is to prevent overcharging of the battery.
  • 4.2V or 4.3V is suggested as the maximum charging voltage, but the maximum charging voltage may be set differently depending on the type of battery and the battery manufacturer. have.
  • FIG. 7 is a block diagram of a battery charging device 22 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a configuration diagram of an electric vehicle charging system having a battery charging device 22 according to another embodiment of the present invention. to be.
  • the charging device 22, the charging connector 24, the charging device body 26, the battery state information measuring unit 28, the AC power supply unit 30, the impedance measuring unit 32, the charging frequency A setting unit 34 , a pulse charging unit 36 , and an electric vehicle 38 are shown.
  • the battery charging device 22 includes a charging device body 26 having a charging connector 24 electrically connected to a terminal of the battery 10;
  • the AC power supply unit 30 for applying alternating currents of different frequencies to the battery 10, the impedance measuring unit 32 for measuring the impedance for each frequency according to the application of the alternating current, and the battery ( a battery state information measuring unit 28 including a charging frequency setting unit 34 for setting the frequency of the alternating current at which chemical diffusion starts in 10) as a diffusion resistance frequency;
  • It is provided in the charging device body 26 and includes a pulse charging unit 36 for charging the battery 10 by applying a pulse charging current to the battery 10 at a charging frequency higher than the diffusion resistance frequency.
  • the battery charging device 22 is a device for charging a battery 10 capable of charging and discharging, that is, a secondary battery, and is installed in various electronic devices such as an electric vehicle 38 and a smart phone. You can charge the battery.
  • the battery 10 includes a secondary battery capable of charging electrons, such as a lead acid battery, a nickel cadmium battery, a lithium polymer battery, a lithium ion battery, a nickel hydrogen battery, and the like.
  • a lithium ion battery has no memory phenomenon and has good battery output, and thus a lot of research and development has been made recently.
  • a battery charging method will be described in detail focusing on the lithium ion battery 10 .
  • FIG 7 and 8 show a charging system for charging the battery 10 built in the electric vehicle 38.
  • the battery charging device 22 according to the present embodiment is installed in the electric vehicle charging system to the electric vehicle. It is possible to charge the battery 10 built in (38).
  • the charging device body 26 has a charging connector 24 electrically connected to a terminal of the battery 10 .
  • the charging device main body 26 is a main body for supplying power to the electric vehicle 38 or the battery 10 of the smartphone through the charging connector 24, and operates a display for indicating a charging state and the charging device 22 A control panel may be installed for this purpose.
  • a vehicle number recognizer capable of recognizing the vehicle number of the electric vehicle 38 , an unmanned fee settlement system, etc. are installed to charge the user of the electric vehicle 38 .
  • the charging connector 24 is electrically connected to a terminal of the battery 10 to supply a charging current from the charging device body 26 to the battery 10 .
  • the charging connector 24 may extend through a charging cable for charging of the electric vehicle and be connected to the battery of the electric vehicle 38 , and in the case of an electronic device such as a smartphone, may be connected to a terminal of the battery in the form of a terminal.
  • the battery state information measurement unit 28 is for setting a diffusion resistance frequency suitable for the battery 10 according to the state of the battery, and includes an AC power supply unit 30 , an impedance measurement unit 32 , and a charging frequency setting unit 34 . ) and set the diffusion resistance frequency of the battery 10 .
  • the battery state information measuring unit 28 may be built into the charging device 22 or configured separately from the charging device 22 to set the diffusion resistance frequency for the battery 10 as in the present embodiment.
  • the diffusion resistance frequency of the battery obtained by the battery state information measurement unit 28 may be a diffusion resistance frequency for a battery of the same type as the battery to be charged. With respect to the battery 10 of the same model through the measurement unit 28, it is possible to acquire in advance the diffusion resistance frequency of the battery model.
  • the AC power supply unit 30 sequentially applies AC currents of different frequencies to the battery 10 .
  • AC current of different frequencies is sequentially applied to the battery 10 to measure the amplitude and phase change of the response according to each frequency, and the impedance for each frequency of the applied AC current is measured. ), apply alternating currents of different frequencies.
  • the impedance measuring unit 32 measures the impedance for each frequency according to the application of the alternating current. Impedance can be measured through an impedance measuring device (LCR meter), and in the process of measuring impedance, resistance R, capacitance C, and inductance L of impedance for each frequency can be calculated.
  • LCR meter impedance measuring device
  • the resistance, capacitance, and inductance of the impedance for each frequency may be displayed on an impedance complex plane called a Nyquist plot, which will be described later, and may be expressed as a graph by connecting the indicated points.
  • the impedance measuring unit 32 may calculate the impedance according to the electrochemical impedance spectroscopy method.
  • the charging frequency setting unit 34 sets the frequency of the alternating current at which chemical diffusion starts in the battery 10 as the diffusion resistance frequency from the measured impedance for each frequency.
  • the electrochemical reaction occurring between the two electrodes and the electrolyte present inside the battery 10 can be modeled and analyzed in the form of an equivalent electric circuit, the Nyquist diagram This can be interpreted from
  • the diffusion resistance frequency By applying the pulse charging current at a charging frequency higher than the diffusion storage frequency during pulse charging, it is possible to prevent aging of the battery 10 due to diffusion of ions in the electrolyte during the charging process.
  • the above-described AC power supply unit 30 , impedance measuring unit 32 , and charging frequency setting unit 34 are built into the charging device body 26 or are configured as a separate device outside the charging device body 26 , and the battery For (10), the impedance can be measured according to electrochemical impedance spectroscopy, and the diffusion resistance frequency can be set from the measured impedance for each frequency.
  • the set diffusion resistance frequency is transmitted to the charging device body 26 through a wireless communication unit (not shown). ) or stored in the memory of the charging device in advance.
  • the pulse charging unit 36 is provided in the charging device body 26 and applies a pulse charging current to the battery 10 at a charging frequency higher than the diffusion resistance frequency.
  • the pulse charging power supply unit applies a pulse charging current to the battery 10 at a charging frequency of a frequency higher than the diffusion resistance frequency to the battery 10 . Pulse charging is performed for
  • a frequency higher than the diffusion resistance frequency at which diffusion of ions does not occur is set as the charging frequency of the pulse charging current, and the charging frequency is set.
  • a pulse charging current is applied to the battery 10 according to the frequency to charge the battery 10 .
  • the diffusion resistance frequency means a limiting frequency of the charging frequency, and the charging frequency may be determined in consideration of the charging time of the battery 10 among frequencies greater than the diffusion resistance frequency, which is the limiting frequency.
  • the pulse of the pulse charging current may be charged by applying the pulse charging current in a rectangular pulse waveform in which the charging current is applied for a predetermined time and then the charging current is cut off for a predetermined time.
  • the battery 10 may be charged with a high current of 1C (C-rate) or higher while minimizing the aging of the battery 10 .
  • pulse charging by a high current of 1C or more is possible, fast charging of the battery 10 is possible.

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Abstract

배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정하는 단계와; 상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 단계와; 상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 방법이 제공된다.

Description

배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치
본 발명은 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 배터리의 노화를 방지할 수 있는 주파수 범위를 갖는 펄스 형태의 고전류로 배터리를 충전함으로써 고속으로 배터리를 충전할 수 있는 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치에 관한 것이다.
지구온난화 문제가 매우 심각하게 부각되면서, 그 어느때 보다 친환경 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 친환경 에너지를 활용하는 과정에서, 가장 중요한 요소 중 하나는 발전된 에너지를 보관하는 에너지 저장장치이다. 잘 알려져 있듯이 현재에는 리튬이온 기반의 배터리가 널리 쓰이고 있다. 이런 친환경에너지 트렌드와 함께 진행되고 있는 전기 자동차의 개발과 확산은 리튬이온 배터리 등의 2차 전지가 더욱 널리 사용되는 데 크게 기여하고 있다. 다만, 전기 자동차의 경우 충전을 빠르게 진행해야만 편리하게 차량을 사용할 수 있는 경우가 많아 이러한 고속충전 요구가 매우 높다.
일반적으로, 배터리는 정격 전류 이상으로 충전할 경우(통상적으로 1C-Rate 이상) 배터리의 충방전 성능이 나빠지고, 배터리의 노화가 빠르게 진행되며, 내부 저항을 증가로 인해 배터리에 저장 가능한 전기에너지의 양이 줄어들게 된다. 이러한 급속한 노화 현상으로 인해 배터리의 고속 충전은 대부분 특정한 경우를 제외하고는 비교적 엄격하게 제한되고 있다. 배터리의 노화 현상에 대한 많은 연구를 통하여, 충전 속도를 향상시키는 방법은 제시되고 있으나, 그 이론적 배경이 많이 부족한 상황이어서, 추가적인 초고속 충전 알고리즘의 효과적인 개선이 필요하다.
배터리의 노화를 최소화하면서 고속 충전을 진행하기 위하여는 배터리 내부에서 일어나는 현상 등에 대해 신중히 고려하여야 한다. 충전 속도를 높이기 위하여 전류의 양을 많이 공급할 때, 즉 C-Rate를 높이게 되면, 음극 쪽에서의 리튬이온 과농도로 인하여 리튬 플레이팅(Lithium Plating) 현상이 증가하여 충전의 비효율이 증가하게 된다. 또한, 충전 속도를 높이기 위해 가해지는 높은 전류는 음극 계면에서의 Solid Electrolyte Interphase(SEI)가 과성장되어, 배터리의 온도 상승을 초래하고, 결과적으로 배터리 열화를 포함하여 배터리의 노화를 촉진하게 된다. 다시 말하면, 단순히 충전 전류를 높이는 것은 고속 충전은 가능하게 하나, 배터리의 수명을 매우 심각하게 훼손할 우려가 있다.
본 발명은 배터리의 노화를 방지할 수 있는 주파수 범위를 갖는 펄스 형태의 고전류로 배터리를 충전함으로써 고속으로 배터리를 충전할 수 있는 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정하는 단계와; 상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 단계와; 상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 방법이 제공된다.
상기 배터리는, 리튬 이온 전지일 수 있다.
상기 펄스 충전 전류는, 1C(C-rate) 이상일 수 있다.
상기 펄스 충전 전류의 펄스는, 상기 충전 전류를 단속(斷續)하는 직사각형 펄스 파형일 수 있다.
상기 배터리 충전 방법은, 상기 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 단계 이전에, 정전류를 상기 배터리에 인가하여 정전류 충전을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리를 충전하는 단계는, 상기 배터리 셀의 충전전압이 상기 배터리 셀의 기 설정된 최대충전전압 이하로 유지되도록 상기 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 충전할 수 있다.
상기 주파수별 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 배터리에 대해 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 교류 전류를 인가하여 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주파수별 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L에 따라 나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)를 작성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 교류 전류의 확산 저항 주파수를 설정하는 단계는, 상기 나이퀴스트 선도에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 상기 확산 저항 주파수로 설정할 수 있다.
상기 화학적 확산의 시작점은, 상기 나이퀴스트 선도에서 와버그 임피던스(Warburg Impedance)의 시작점일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리의 단자에 전기적으로 연결되는 충전 커넥터를 구비한 충전 장치 본체와; 상기 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 인가하는 교류 전원부와, 상기 교류 전류의 인가에 따라 주파수별 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 충전 주파수 설정부를 포함하는 배터리 상태정보 측정부와; 상기 충전 장치 본체에 구비되며, 상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 펄스 충전부를 포함할 수 있다.
상기 배터리는, 리튬 이온 전지일 수 있다.
상기 펄스 충전 전류는, 1C(C-rate) 이상일 수 있다.
상기 펄스 충전 전류의 펄스는, 상기 교류 전류를 단속(斷續)하는 직사각형 펄스 파형일 수 있다.
상기 펄스 충전 전원부는, 상기 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하기 이전에 정전류를 상기 배터리에 인가하여 정전류 충전을 수행할 수 있다.
상기 펄스 충전 전원부는, 상기 배터리 셀의 충전전압이 상기 배터리 셀의 기 설정된 최대충전전압이 이하로 유지되도록 상기 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 충전할 수 있다.
상기 임피던스 측정부는, 상기 배터리에 대해 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 교류 전류를 인가하여 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출할 수 있다.
상기 임피던스 측정부는, 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L에 따라 나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)를 작성하고, 상기 충전 주파수 설정부는, 상기 나이퀴스트 선도에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 상기 확산 저항 주파수로 설정할 수 있다.
상기 화학적 확산의 시작점은, 상기 나이퀴스트 선도에서 와버그 임피던스(Warburg Impedance)의 시작점일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배터리의 노화를 방지할 수 있는 주파수 범위를 갖는 펄스 형태의 고전류로 배터리를 충전함으로써 고속으로 배터리를 충전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 순서도.
도 2는 충전 전류 인가에 따른 배터리 내부의 상태 변화를 설명하기 위한 도면.
도 3은 전형적인 배터리의 내부 임피던스의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)
도 4는 배터리에 대한 EIS 분석을 통해 도시한 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태의 변형예.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 블록 다이아그램.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 구비한 전기 자동차 충전 시스템의 구성도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템을 구비한 전기 자동차 충전 시스템을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부한 도면을 참조하여 설명함에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 순서도이다. 그리고, 도 2는 고전류 충전에 따른 배터리 내부의 상태 변화를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 3은 전형적인 배터리의 내부 임피던스의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)이고, 도 4는 여러 배터리에 대한 EIS 분석을 통해 도시한 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태의 변형예이다.
도 1 내지 도 5에는, 배터리(10), 음극재(12), 분리막(14), 양극재(16), 양이온(18), SEI(20)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 배터리 충전 방법은, 배터리(10)에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정하는 단계와; 측정된 주파수별 임피던스로부터 배터리(10)에서 화학적 확산이 시작되는 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 산출하는 단계와; 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전하는 단계를 포함한다.
충전과 방전이 가능한 배터리(10), 즉 2차 전지는 화학적(chemical) 에너지를 전기적(electrical) 에너지로 변환시켜 방출(＝방전)할 수 있으며, 역으로 방전된 상태에서 전기 에너지를 공급(＝충전(充電))하면 이를 화학 에너지의 형태로 다시 저장할 수 있는 전지 즉, 충전과 방전을 교대로 반복할 수 있는 전지를 말한다. 본 실시예에 따른 배터리(10)는 납축전지, 니켈 카드늄 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지 등과 같은 전자의 충전이 가능한 2차 전지를 포함한다.
이 중 리튬 이온 전지는 메모리 현상이 없고 전지의 출력도 좋아 최근 많은 연구 개발이 이루어지고 있는데, 이하에서는 리튬 이온 전지를 중심으로 배터리 충전 방법을 자세히 설명하기로 한다.
리튬 이온 전지의 충전 방식으로 정전류/정전압(CC/CV, Constant Current/Constant Voltage) 충전 방식이 많이 상용화되고 있으나, 본 실시예에서는 배터리(10)의 노화를 최소화하면서 고속 충전이 가능한 전류를 펄스 형태로 인가하는 펄스 충전 방식을 제안하고자 한다.
도 2는 충전 전류 인가에 따른 배터리(10) 내부의 상태 변화를 설명하기 위한 도면이다.
배터리(10)는 양극재(16), 음극재(12), 분리막(14), 전해질 등으로 구성되는데, 양극재(16)에서 양이온을 공급하며 음극재(12)에서 양이온을 받아들이거나 배출하면서 전기의 충방전이 일어난다. 리튬 이온 전지의 경우 양극재(16)로 리튬 산화물이 쓰이고 음극재(12)로 흑연이 주로 사용되고 있는데, 양이온인 리튬 이온이 분리막(14)을 통과하여 음극재(12)와 양극재(16) 사이를 오가면서 전기의 충방전이 일어난다.
도 2는, 충전 전류 인가에 따른 배터리(10) 내부의 상태 변화를 설명하기 위한 도면인데, 도 2의 (a)는 고전류의 충전 전류를 인가한 상태를 도시하고 있으며, 도 2의 (b)와 (c)는 적정 전류를 인가하고 해제한 상태를 도시하고 있다.
배터리(10)의 충전 속도를 높이기 위해 배터리(10)에 높은 전류(high current, 예를 들면 1 C-rate 이상)의 충전 전류를 인가하면, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 음극재(12) 계면에서의 고체 전해질 경계면(Solid Electrolyte Interphase, 이하 'SEI(20)'라 함)에 양이온(18)과 전해질이 변화된 잔류물 등이 두텁게 덮어가면서 내부저항이 증가하고, 이 상황에서 높은 전류를 지속적으로 인가하면 두터운 층의 온도가 올라가면서 SEI(20)를 더욱 성장하게 만들어 결과적으로 내부저항을 더욱 빠르게 증가시키면서 배터리(10)의 노화를 가속시키게 된다.
반면, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 적정한 정도의 충전 전류(예를 들면 1 C-rate 이하)를 배터리(10)에 인가하면, SEI(20)를 덮으며 쌓여가는 양이온(18)들이 적절히 SEI(20)를 통과하면서 배터리(10)의 음극재(12) 내부로 스며들어가면서 충전이 이루어지는데, SEI(20)를 통과하는 양이온(18)이 밸런스를 이루면서 음극재(12) 내부로 충전하게 되어 SEI(20)의 성장을 가속하지 않게 된다. 다만 이 경우 충전 속도가 다소 느리게 진행된다. 또한, 이 상태에서 충전 전류의 공급을 끊게 되면, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, SEI(20) 주변에 모여 있던 양이온(18)이 SEI(20)의 성장이 없는 상태에서 SEI(20) 사이를 천천히 스며들어가면서 충전되어 양이온(18)이 음극재(12) 내부로 안정적으로 이동하게 된다.
위의 도 2의 (b) 및 (c)는, 충전 전류의 인가와 해제에 따른 배터리(10) 내부의 양이온(18)의 충전 상태를 나타낸 것으로, 도 2의 (c)에 따르면 충전 전류가 끊긴 상태에서도 양이온(18)이 음극재(12) 사이로 충전되고 있음을 알 수 있다. 즉, 이러한 충전 과정은 전류의 인가를 단속(斷續)하는 펄스 형태의 충전에 의해 배터리(10)에 고속 충전이 가능하다는 것을 의미한다.
다만, 충전 전류의 인가와 해제의 단속(斷續) 시간, 주파수의 결정이 중요한데 본 발명에서는 이러한 펄스 충전 시의 주파수의 결정 방법을 제시하고자 한다.
이하 본 실시예에 따른 배터리 충전 방법에 대해서 자세히 설명한다.
먼저, 배터리(10)에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정한다(S100).
배터리(10)의 내부 저항 즉 임피던스를 측정하고 그에 따라 배터리(10)의 노화 정도를 측정하게 되는데, 높은 주파수에서 낮은 주파수로 교류 전류를 순차적으로 배터리(10)에 인가하여 각 주파수에 따른 응답의 진폭과 위상 변화를 측정하여 인가된 교류 전류의 주파수별 임피던스를 측정할 수 있다. 임피던스의 측정은 임피던스 측정 장치(LCR 미터)를 통해 측정할 수 있다.
임피던스의 측정 과정에서 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출한다. 주파수별 임피던스의 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스는 후술할 나이퀴스트 선도 (Nyquist plot)로 불리는 임피던스 복소 평면에 표시되며, 표시된 점을 이어 하나의 그래프로 나타낼 수 있다.
본 과정은 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, 이하 'EIS'라 함)에 따라 수행될 수 있다.
다음에, 측정된 주파수별 임피던스로부터 배터리(10)에서 화학적 확산이 시작되는 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정한다(S200).
측정된 주파수별 임피던스에 대한 분석을 수행하면 배터리(10)의 내부에 존재하는 두 개의 전극과 전해질 사이에서 일어나는 전기화학반응을 등가 전기 회로의 형태로 모형화하여 해석할 수 있는데, 나이퀴스트 선도로부터 이를 해석할 수 있다.
나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)는 임피던스의 복소량을 가로축에 실수부분, 세로축에 허수부분으로 잡아 도시한 그림으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 실수부분(Zreal)이 저항은 나타내고 허수부분(Zimag)이 캐패시턴스와 인덕턴스를 나타내는데, Zreal, Zimag의 관계가 주파수에 따라 도시된다.
도 3에는 전형적인 2차 전지에 대해 EIS 분석을 통해 얻어진 주파수별 임피던스의 나이퀴스트 선도가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 전형적인 2차 전지는 외부의 전해질 저항 Rbulk, 내부 전극 입자 표면에 생성되는 SEI에서의 전하전달에 해당하는 필름 저항 Rfilm, 전극 물질 계면에서의 양이온 산화환원반응을 나타내는 전하전달 저항 Rct, 입자 결정 구조 내부로의 층간 삽입에 의한 화학적 확산 저항 Rdiff의 4가지의 저항 성분으로 등가 회로로 구성할 수 있다.
Rbulk, Rfilm, Rct는 전해질을 통한 이온의 이동에 대한 저항 성분을 주로 나타내고, 그 이후의 Rdiff는 이온들의 확산 속도에 관계된 것으로서, 이 부분에서 대략 45° 기울기로 -Zimag값이 증가하는데 이는 와버그 임피던스(Warburg Impedance)에 기인한 것이다.
이온들의 확산 속도는 상대적으로 느리므로 높은 주파수에서는 영향이 미미하고 낮은 주파수에서 그 특성이 나타나게 되는데, 본 실시예에서는 와버그 임피던스가 발생하기 시작하는 화학적 확산 시작점의 인가된 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 정의하고, 펄스 충전 시 확산 저장 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 인가함으로써 충전 과정에서의 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 방지하고자 한다.
도 4는 실제 배터리(10)에 대해 EIS 분석을 수행하여 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)를 도시한 것인데, 도 4에 도시된 화학적 확산 시작점의 인가된 교류 전압의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정할 수 있다. 화학적 확산 시작점은 나이퀴스트 선도에서 대략 45° 기울기로 -Zimag값이 증가하는 시점으로 설정할 수 있다.
다음에, 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전한다(S300).
상술한 바와 같이, 배터리(10) 충전 과정에서 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 방지하기 위해 이온의 확산이 발생하지 않는 확산 저항 주파수보다 높은 주파수를 펄스 충전 전류의 충전 주파수로 설정하고, 설정된 충전 주파수에 따라 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전한다.
확산 저항 주파수는 충전 주파수의 한계 주파수를 의미하며, 충전 주파수는 한계 주파수인 확산 저항 주파수 보다 큰 주파수 중 배터리(10) 충전 시간을 고려하여 결정될 수 있다.
도 5에는 본 실시예에 따른 배터리(10)의 펄스 충전 전류가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 펄스 충전 전류의 펄스는 충전 전류를 일정 시간 인가한 후 일정 시간 충전 전류를 끊는 직사각형 펄스 파형으로 펄스 충전 전류를 인가하여 충전을 진행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 충전 전류가 끊긴 상태에서는 배터리(10) 내부 SEI(20) 주변에 모여 있던 양이온(18)이 SEI(20)의 성장이 없는 상태에서 SEI(20) 사이를 천천히 스며들어가면서 충전되어 양이온(18)이 음극재(12) 내부로 안정적으로 이동하게 된다.
상술한 바와 같이 확산 저항 주파수 보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전을 진행하기 때문에 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 최소화할 수 있고 이에 따라 높은 고전류의 펄스 충전이 가능하다. 즉, 배터리(10)의 노화를 최소화하면서 1C(C-rate) 이상의 고전류로 배터리(10) 충전을 수행할 수 있다.
C-rate(Current rate)는 배터리(10) 용량에 대하여 충방전하는 전류의 비율을 의미하는데, C-rate가 클수록 동일한 용량의 배터리(10)를 고전류로 충전할 수 있음을 의미한다. 본 발명에 따르면 1C 이상의 고전류에 의한 펄스 충전이 가능하므로 배터리(10)의 고속 충전이 가능하다. 예컨대, 충전 전류 인가 시 6C, 휴지기에 0C로 펄스 충전을 진행할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하기 이전에 정전류를 배터리(10)에 인가하여 정전류 충전을 수행할 수 있다. 배터리(10)의 전압이 매우 낮은 구간에서는 낮은 전압에 의한 정전류 제어를 통해 정전류 충전을 진행할 수 있는데, 낮은 전압으로 정전류 충전이 지속되다가 배터리(10) 전압이 미리 설정된 전압 값(예를 들면 배터리 셀의 최대충전전압) 이상이 될 경우 펄스 충전으로 전환할 수 있다.
도 6에는 본 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 펄스 충전 전류 인가 형태의 변형예가 도시되어 있다.
본 변형예는 충전 초기 정전류 충전을 진행하지 않고, 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 인가하는 방법이다.
배터리에 펄스 충전 전류를 인가하면 배터리의 각 셀에 충전전압을 형성되는데, 본 변형예는, 도 6에 도시된 바와 같이, 초기에 고전류의 펄스 충전이 진행되는 동안 배터리 셀이 최대충전전압에 도달하면, 배터리 셀의 최대충전전압 이하로 유지되도록 펄스 충전 전압을 단계적으로 낮추거나 높여 배터리에 펄스 충전 전류를 인가하는 방식이다.
예컨데, 충전 초기에 6C 정도의 고전류의 펄스 충전을 진행하면 서서히 충전전압이 높이지면서 배터리 셀의 최대충전전압에 도달하게 된다. 이후 배터리 셀의 최대충전전압 이하로 유지되도록 5C 정도로 펄스 충전 전류를 낮추어 인가하다가 배터리의 충전 상태에 따라 단계적으로 낮추거나 높여 배터리에 펄스 충전을 인가할 수 있다.
배터리에 대한 충전 진행 중 지속적으로 배터리 셀의 충전전압을 추적하여 최대충전전압 이하로 유지되도록 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 배터리를 충전함으로써 배터리의 열 발생을 최소화할 수 있다.
배터리 셀의 최대충전전압은 배터리의 과충전을 방지하기 위한 것으로서, 리튬 이온 전기의 경우 4.2V 또는 4.3V가 최대충전전압으로 제시되고 있으나 배터리의 종류, 배터리 제조업체에 따라 최대충전전압을 다르게 설정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)의 블록 다이아그램이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)를 구비한 전기 자동차 충전 시스템의 구성도이다.
도 7 및 도 8에는, 충전 장치(22), 충전 커넥터(24), 충전 장치 본체(26), 배터리 상태정보 측정부(28), 교류 전원부(30), 임피던스 측정부(32), 충전 주파수 설정부(34), 펄스 충전부(36), 전기 자동차(38)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)는, 배터리(10)의 단자에 전기적으로 연결되는 충전 커넥터(24)를 구비한 충전 장치 본체(26)와; 배터리(10)에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 인가하는 교류 전원부(30)와, 교류 전류의 인가에 따라 주파수별 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부(32)와, 측정된 주파수별 임피던스로부터 배터리(10)에서 화학적 확산이 시작되는 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 충전 주파수 설정부(34)를 포함하는 배터리 상태정보 측정부(28)와; 충전 장치 본체(26)에 구비되며, 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전하는 펄스 충전부(36)를 포함한다.
본 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)는, 충전과 방전이 가능한 배터리(10), 즉 2차 전지를 충전을 하기 위한 장치로서, 전기 자동차(38) 및 스마트폰 등 각종 전자장치에 내장된 배터리를 충전을 할 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리(10)는 납축전지, 니켈 카드늄 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지 등과 같은 전자의 충전이 가능한 2차 전지를 포함한다. 이 중 리튬 이온 전지는 메모리 현상이 없고 전지의 출력도 좋아 최근 많은 연구 개발이 이루어지고 있는데, 이하에서는 리튬 이온 배터리(10)를 중심으로 배터리 충전 방법을 자세히 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8에는 전기 자동차(38)에 내장된 배터리(10)를 충전하기 위한 충전 시스템의 도시되어 있는데, 전기 자동차 충전 시스템에 본 실시예에 따른 배터리 충전 장치(22)가 설치되어 전기 자동차(38)에 내장된 배터리(10)를 충전할 수 있다.
충전 장치 본체(26)는, 배터리(10)의 단자에 전기적으로 연결되는 충전 커넥터(24)를 구비한다. 충전 장치 본체(26)는, 전기 자동차(38)나 스마트폰의 배터리(10)에게 충전 커넥터(24)를 통해 전원을 공급하기 본체로서 충전 상태를 나타내기 위한 디스플레이, 충전 장치(22)를 조작하기 위한 제어판 등이 설치될 수 있다.
전기 자동차 충전 시스템의 경우, 전기 자동차(38)의 차량 번호를 인식할 수 차량 번호 인식기, 무인 요금 정산 시스템 등이 설치되어 충전하는 전기 자동차(38)의 사용자에게 과금할 수 있다.
충전 커넥터(24)는, 배터리(10)의 단자에 전기적으로 연결되어 배터리(10)에 충전 장치 본체(26)로부터 충전 전류를 공급한다. 충전 커넥터(24)는 전기 자동차의 충전을 위해서는 충전 케이블을 통해 연장되어 전기 자동차(38)의 배터리에 연결될 수 있으며, 스마트폰 등과 같이 전자기기의 경우 단자 형태로 배터리의 단자와 연결될 수 있다.
배터리 상태정보 측정부(28)는, 배터리의 상태에 따라 해당 배터리(10)에 맞는 확산 저항 주파수를 설정하기 위한 것으로서, 교류 전원부(30), 임피던스 측정부(32), 충전 주파수 설정부(34)를 포함하여 해당 배터리(10)의 확산 저항 주파수를 설정한다.
배터리 상태정보 측정부(28)는 본 실시예와 같이 충전 장치(22) 내부에 내장되어 있거나 충전 장치(22)와 별도로 구성되어 배터리(10)에 대한 확산 저항 주파수를 설정할 수 있다.
배터리 상태정보 측정부(28)에서 취득되는 배터리의 확산 저항 주파수는 충전하고자 하는 배터리와 동일한 기종의 배터리에 대한 확산 저항 주파수일 수 있는데, 동일 기종의 배터리는 유사한 배터리 상태를 나타내기 때문에 배터리 상태정보 측정부(28)를 통해 동일한 기종에 대한 배터리(10)에 대해 미리 해당 배터리 기종의 확산 저항 주파수를 취득해 둘 수 있다.
교류 전원부(30)는, 배터리(10)에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가한다. 서로 다른 주파수의 교류 전류를 배터리(10)에 순차적으로 인가하여 각 주파수에 따른 응답의 진폭과 위상 변화를 측정하고 인가된 교류 전류의 주파수별 임피던스를 측정하는데, 교류 전원부(30)는 배터리(10)에 서로 다른 주파수의 교류 전류를 인가한다.
임피던스 측정부(32)는, 교류 전류의 인가에 따라 주파수별 임피던스를 측정한다. 임피던스의 측정은 임피던스 측정 장치(LCR 미터)를 통해 측정할 수 있으며, 임피던스의 측정 과정에서 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출할 수 있다.
주파수별 임피던스의 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스는 후술할 나이퀴스트 선도 (Nyquist plot)로 불리는 임피던스 복소 평면에 표시될 수 있으며, 표시된 점을 이어 하나의 그래프로 나타낼 수 있다. 이때, 임피던스 측정부(32)는 전기화학 임피던스 분광법에 따라 임피던스를 산출할 수 있다.
충전 주파수 설정부(34)는, 측정된 주파수별 임피던스로부터 배터리(10)에서 화학적 확산이 시작되는 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정한다.
측정된 주파수별 임피던스에 대한 분석을 수행하면 배터리(10) 전지의 내부에 존재하는 두 개의 전극과 전해질 사이에서 일어나는 전기화학반응을 등가 전기 회로의 형태로 모형화하여 해석할 수 있는데, 나이퀴스트 선도로부터 이를 해석할 수 있다.
전해질 내의 이온들의 확산 속도는 상대적으로 느리므로 높은 주파수에서는 영향이 미미하고 낮은 주파수에서 그 특성이 나타나게 되는데, 본 발명에서는 와버그 임피던스가 발생하기 시작하는 화학적 확산의 시작점의 인가된 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 정의하고, 펄스 충전 시 확산 저장 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 인가함으로써 충전 과정에서의 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 방지할 수 있다.
상술한 교류 전원부(30), 임피던스 측정부(32), 충전 주파수 설정부(34)는 충전 장치 본체(26) 내부에 내장되어 있거나, 충전 장치 본체(26) 외부의 별도 장치로 구성되어, 배터리(10)에 대해 전기화학 임피던스 분광법에 따라 임피던스를 측정하고 측정된 주파수별 임피던스로부터 확산 저항 주파수를 설정할 수 있다.
교류 전원부(30), 임피던스 측정부(32), 충전 주파수 설정부(34)가 충전 장치 본체(26) 외부에 위치하는 경우 설정된 확산 저항 주파수를 무선 통신부(미도시)를 통해 충전 장치 본체(26)에 전달하거나 미리 충전 장치의 메모리에 저장될 수 있다.
펄스 충전부(36)는, 충전 장치 본체(26)에 구비되며, 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가한다.
충전 주파수 설정부(34)에서 배터리(10)에 대한 확산 저항 주파수가 설정되면, 펄스 충전 전원부는 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)에 대한 펄스 충전을 수행한다.
배터리(10) 충전 과정에서 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 방지하기 위해 이온의 확산이 발생하지 않는 확산 저항 주파수보다 높은 주파수를 펄스 충전 전류의 충전 주파수로 설정하고, 설정된 충전 주파수에 따라 펄스 충전 전류를 배터리(10)에 인가하여 배터리(10)를 충전한다.
확산 저항 주파수는 충전 주파수의 한계 주파수를 의미하며, 충전 주파수는 한계 주파수인 확산 저항 주파수 보다 큰 주파수 중 배터리(10) 충전 시간을 고려하여 결정될 수 있다.
펄스 충전 전류의 펄스는 충전 전류를 일정 시간 인가한 후 일정 시간을 충전 전류를 끊는 직사각형 펄스 파형으로 펄스 충전 전류를 인가하여 충전을 진행할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 확산 저항 주파수 보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전을 진행하기 때문에 전해질 내의 이온의 확산으로 인한 배터리(10)의 노화를 최소화할 수 있고 이에 따라 높은 고전류의 펄스 충전이 가능하다. 즉, 배터리(10)의 노화를 최소화하면서 1C(C-rate) 이상의 고전류로 배터리(10) 충전을 수행할 수 있다. 본 발명에 따르면 1C 이상의 고전류에 의한 펄스 충전이 가능하므로 배터리(10)의 고속 충전이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 순차적으로 인가하여 주파수별 임피던스를 측정하는 단계와;
    상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 단계와;
    상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    리튬 이온 전지인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 충전 전류는, 1C(C-rate) 이상인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 충전 전류의 펄스는,
    상기 충전 전류를 단속(斷續)하는 직사각형 펄스 파형인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 단계 이전에,
    정전류를 상기 배터리에 인가하여 정전류 충전을 수행하는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리를 충전하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 충전전압이 상기 배터리 셀의 기 설정된 최대충전전압 이하로 유지되도록 상기 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 충전하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주파수별 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 배터리에 대해 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 교류 전류를 인가하여 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 주파수별 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L에 따라 나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)를 작성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 교류 전류의 확산 저항 주파수를 설정하는 단계는,
    상기 나이퀴스트 선도에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 상기 확산 저항 주파수로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 화학적 확산의 시작점은,
    상기 나이퀴스트 선도에서 와버그 임피던스(Warburg Impedance)의 시작점인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
  11. 배터리의 단자에 전기적으로 연결되는 충전 커넥터를 구비한 충전 장치 본체와;
    상기 배터리에 대해 서로 다른 주파수의 교류 전류를 인가하는 교류 전원부와, 상기 교류 전류의 인가에 따라 주파수별 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 측정된 주파수별 임피던스로부터 상기 배터리에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 확산 저항 주파수로 설정하는 충전 주파수 설정부를 포함하는 배터리 상태정보 측정부와;
    상기 충전 장치 본체에 구비되며, 상기 확산 저항 주파수보다 높은 주파수의 충전 주파수로 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하여 상기 배터리를 충전하는 펄스 충전부를 포함하는, 배터리 충전 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리는,
    리튬 이온 전지인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 펄스 충전 전류는, 1C(C-rate) 이상인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 펄스 충전 전류의 펄스는,
    상기 교류 전류를 단속(斷續)하는 직사각형 펄스 파형인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 펄스 충전 전원부는,
    상기 펄스 충전 전류를 상기 배터리에 인가하기 이전에 정전류를 상기 배터리에 인가하여 정전류 충전을 수행하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 펄스 충전 전원부는,
    상기 배터리 셀의 충전전압이 상기 배터리 셀의 기 설정된 최대충전전압이 이하로 유지되도록 상기 펄스 충전 전류를 단계적으로 낮추거나 높이면서 충전하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 임피던스 측정부는,
    상기 배터리에 대해 높은 주파수에서 낮은 주파수로 순차적으로 교류 전류를 인가하여 상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance), 인덕턴스(inductance) L를 산출하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 임피던스 측정부는,
    상기 주파수별 임피던스의 저항(resistance) R, 캐패시턴스(capacitance) C, 인덕턴스(inductance) L에 따라 나이퀴스트 선도(Nyquist Plot)를 작성하고,
    상기 충전 주파수 설정부는,
    상기 나이퀴스트 선도에서 화학적 확산이 시작되는 상기 교류 전류의 주파수를 상기 확산 저항 주파수로 설정하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 화학적 확산의 시작점은,
    상기 나이퀴스트 선도에서 와버그 임피던스(Warburg Impedance)의 시작점인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
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