KR101472881B1 - 이차전지 충전방법 및 이를 포함하는 충전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 이차전지를 충전하는 방법으로서, n+1회(n은 0 이상의 정수이다) 충방전 사이클의 충전전류 값이, n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량(Full Charging Capacity)에 기반하여 조절되고, 하기 식(1)의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법 및 상기 충전방법을 포함하는 충전 시스템에 관한 것이다.
(n+1회 충방전 사이클의 충전전류 값) ≤ (n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량) (충전률) (1)

Description

이차전지 충전방법 및 이를 포함하는 충전 시스템 {Charging Method For Secondary Battery and Charging System Comprising The Same}

본 발명은 이차전지 충전방법 및 이를 포함하는 충전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 이차전지를 충전하는 방법으로서, n+1회(n은 0 이상의 정수이다) 충방전 사이클의 충전전류 값이, n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량(Full Charging Capacity)에 기반하여 조절되고, 하기 식(1)의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법 및 상기 충전방법을 포함하는 충전 시스템에 관한 것이다.

(n+1회 충방전 사이클의 충전전류 값) ≤ (n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량) (충전률) (1)

화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있다.

특히, 리튬 이차전지는, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있다.

그러나, 리튬 이차전지는 반복적인 충방전이 가능하지만, 만충전 용량(FCC, Full Charge Capacity) 또는 사용 시간은 충방전을 거듭하면서 점차적으로 감소하는 문제가 있다.

한편, 리튬 이차전지는 일정전류로 충전을 수행하다가 만충전 전위에 가까운 일정한 전압에 이르면 정전압으로 충전하는 정전류-정전압 충전방식으로 충전하는 것이 일반적이다.

다만, 상기 정전류-정전압 충전방식은 기설정한 충전률이 유지된 상태로 충방전이 진행되므로, 전지의 열화 또는 반복적인 충방전 사이클로 인해서 용량이 감소된 전지의 경우에는, 초기 만충전 용량을 기준으로 설정된 충전률로 충전되는 결과, 감소된 용량을 기준으로 할 때, 충전전류가 점점 증가하는 문제가 있다. 이는, 전지의 손상 및 용량저하를 초래하게 된다.

상기한 정전류-전전압 충전법의 문제를 해결하기 위해서, 충전률을 단계적으로 변화시킴으로써 충전하는 충전방법에 관한 일부 종래기술이 개시되어 있으며, 일본 공개 특허 제2002-135990호의 리튬 이온 2차 전지의 충전 방법에서는 충전 전류를 공칭 용량 이내의 전류치로 제어하는 방법이 개시되어 있으나, 상기한 종래기술은 전지 용량이 일정하다는 전제하에서 충전률을 단계적으로 감소시키는 방식으로 충전을 진행하고, 전지의 열화 또는 반복적인 충방전 사이클로 인해서 감소되는 용량을 고려하지 않으므로, 전지의 손상 등의 문제를 해결하기 위한 근본적인 기술이 될 수는 없다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 본 발명은 열화 또는 반복된 사이클에 의해 감소된 용량을 기준으로 충전전류를 제어함으로써, 반복적인 충방전 사이클 동안 일정한 충전률을 유지하는 이차전지의 충전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기한 충전방법을 포함하는 충전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 이루기 위해서, 본 발명에 따른 이차전지 충전방법은, n+1회(n은 0 이상의 정수이다) 충방전 사이클의 충전전류 값이, n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량(Full Charging Capacity)에 기반하여 조절되고, 하기 식(1)의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.

(n+1회 충방전 사이클의 충전전류 값) ≤ (n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량) (충전률) (1)

본 발명의 충전방법은, n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량을 산출하고 이에 기설정된 충전률을 곱한 값 이하로 n+1회 충방전 사이클의 충전전류 값을 제어한다. 이 때, n+1회 충방전 사이클의 충전률(C rate)은 n회 충방전 사이클의 충전률과 동일하다.

전술한 바와 같이, 전지의 열화 또는 반복적인 충방전 사이클로 인해서 만충전 용량의 감소가 발생하는 반면에, 상기 충전률은 초기 만충전 용량을 기반으로 기설정된 값이 유지되므로, n+1회 충방전 사이클의 충전전류 값은 점차 증가하게 된다. 이는 하기 식(2)로부터 확인할 수 있다. 하기 식(2)에서, 전지의 정격용량은 초기 만충전 용량(n=0 인 경우의 용량)과 동일하므로, 충전률은 초기 만충전 용량을 기준으로 설정된다.

충전률(C rate) = 충·방전 전류 / 전지의 정격용량 (2)

반면에, 본 발명의 충전방법에 따르면, 즉, n+1회 충방전 사이클의 충전전류 값은 n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량을 기준으로 재설정되므로, n회의 충방전 사이클의 충전전류 값에 비해 점점 감소한다.

상기와 같이, 본 발명의 충전방법은 n회 충방전 사이클 후의 실제 만충전 용량 값을 기반으로 n+1회 충방전 사이클의 충전전류 값을 산출하므로, 전지 열화 또는 반복적인 충방전 사이클로 인해서 용량이 감소하지 않은 상태의 전지가 현재의 충방전 사이클 수에서 가질 수 있는 만충전 용량인 만충전 용량의 이론 값을 기반으로 n+1회의 충방전 사이클의 충전전류 값을 산출하는 방식과는 차이가 있다.

한편, 보다 정확하게 n+1회 충방전 사이클의 충전전류 값을 산출하기 위해서는, n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량을 정확하게 산출해야 한다.

n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량은 전지가 만충전 전압까지 충전되었다가 만방전 전압까지 방전될 때까지의 방전 전류를 적산하여 구할 수도 있고, 전지가 만방전 전압까지 방전되었다가 만충전 전압까지 충전될 때까지의 충전전류를 적산하여 구할 수도 있다. 상기한 전류 적산법 이외에도 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다양한 방법이 채용될 수 있음은 자명하다.

n회 충방전 사이클 후의 실제 만충전 용량을 구하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 n회 충방전 사이클 후의 실제 만충전 용량의 산출은 전지가 만충전되는 시점으로부터 만방전되는 시점까지에서 실제 방전된 용량을 계산한 것일 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 만충전 용량은 반복적인 충방전 사이클 수에 비례하여 감소할 수 있으므로, n 값에 비례하여 연속적으로 감소할 수 있다. 상기 n 값은 최대 100 내지 1000 범위 내일 수 있고, 상기 범위에서, 본 발명에 따른 충전방법으로 충전된 이차전지는 종래의 정전류-정전압 충전법으로 충전되는 이차전지에 비해 상대적으로 우수한 성능을 발휘한다.

또한, 충전률은 초기 만충전 용량을 기준으로 설정되고, 사용기기의 성능에 따라 충전률은 자유롭게 결정될 수 있으므로, 0.2 내지 2.0C의 범위 내에서 n회의 충방전 사이클 동안 일정한 값을 유지할 수 있고, 노트북용 이차전지의 경우에는, 0.5 내지 1.0C 범위 내에서 결정될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 충전방법을 포함하는 이차전지의 충전 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기한 충전 시스템을 포함하는 이차전지를 제공한다. 상기 이차전지는 전지셀 하나로 구성되는 단위 전지일 수도 있고, 2 이상의 전지셀들이 조립된 조립전지일 수도 있으므로, 특정한 명칭으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 이차전지는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니고, 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.

리튬 이차전지를 포함하여 이차전지의 구성, 구조, 제조방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기한 이차전지는 휴대폰, 노트북 등과 같은 소형 디바이스의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있으며, 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 또는 전력저장장치 등의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 충전방법은 n회 충방전 사이클 후의 실제 만충전 용량을 이용하여 n+1회 충방전 사이클의 충전전류값을 제어하므로, 대전류 충전으로 인한 전지의 손상 및 용량의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 상기한 충전방법으로 충전한 이차전지는 우수한 전지 성능을 발휘한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전방법의 알고리즘의 모식도이다.

이하, 본 발명에 따른 일부 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 상기한 충전방법을 포함하는 이차전지의 충전 시스템을 제공한다.

본 발명은 상기한 충전 시스템을 포함하는 이차전지를 제공한다. 상기 이차전지는 전지셀 하나로 구성되는 단위 전지일 수도 있고, 2 이상의 전지셀들이 조립된 조립전지일 수도 있으므로, 특정한 명칭으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 이차전지는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니고, 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.

리튬 이차전지를 포함하여 이차전지의 구성, 구조, 제조방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기한 이차전지는 휴대폰, 노트북 등과 같은 소형 디바이스의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있으며, 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 또는 전력저장장치 등의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (8)

1. 이차전지를 충전하는 방법으로서,
   n+1회(n은 0 이상의 정수이다) 충방전 사이클의 충전전류 값이, n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량(Full Charging Capacity)에 기반하여 조절되고, 하기 식(1)의 관계를 갖고,
   상기 n+1회 충방전 사이클의 충전률(C-레이트)은 n회 충방전 사이클의 충전률과 동일한 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법:
   (n+1회 충방전 사이클의 충전전류 값) ≤ (n회 충방전 사이클 후의 만충전 용량) × (충전률) (1).
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 만충전 용량은 n 값에 비례하여 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 충전률은 0.2 내지 2.0C의 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 C-레이트 값은 0.5 내지 1.0C 범위 내인 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전방법.
6. 제 1 항에 따른 충전방법으로 충전된 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 시스템.
7. 제 6 항에 따른 충전 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 7 항에 따른 이차전지를 동력원 또는 전원으로 사용하는 디바이스.

Images