KR101776517B1

KR101776517B1 - 배터리 충전 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101776517B1
Application number: KR1020160093454A
Authority: KR
Inventors: 고규범
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2017-09-08
Anticipated expiration: 2036-07-22

Abstract

배터리 열화에 의한 내부 임피던스 증가로 분극 전압이 증가하게 되는 것을 감안하여, 배터리 충전 시 배터리 전압이 최대 전압에 도달하여 충전전류의 공급을 차단한 이후 소정 시간 경과하면 다시 배터리를 추가 충전함으로써 배터리 셀에 충전 용량을 증대 시킬 수 있는 배터리 충전 방법 및 시스템이 개시된다. 상기 배터리 충전 방법은, 배터리로 충전전류를 공급하는 단계; 상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 상기 충전전류의 공급을 차단하는 단계; 상기 충전전류의 공급을 차단하고 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전 상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하는 단계를 포함한다.

Description

배터리 충전 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CHARGING BATTERY}

본 발명은 배터리 충전 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 열화에 의한 내부 임피던스 증가로 분극 전압이 증가하게 되는 것을 감안하여, 배터리 충전 시 배터리 전압이 최대 전압에 도달하여 충전전류의 공급을 차단한 이후 소정 시간 경과하면 다시 배터리를 추가 충전함으로써 배터리 셀에 충전 용량을 증대 시킬 수 있는 배터리 충전 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 배터리(또는 배터리 모듈)은 상호 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리에서 각 배터리 셀은 제조 공정 상의 편차나 적용 환경의 차이 등 다양한 이유로 인해, 사용 중 그 열화도가 다르게 나타날 수 있다.

열화도가 높은 배터리 셀은 내부 임피던스가 증가하고 그에 따른 분극 전압이 높아진다. 분극 전압은 내부 임피던스에 전류가 흐르는 경우 발생하는 전압으로, 내부 임피던스가 높거나 흐르는 전류가 클수록 크게 나타난다.

복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 충전하는 경우, 배터리 전체를 대상으로 충전전류가 공급되므로 열화도가 다른 배터리 셀은 분극전압의 차이로 인해 각각의 단자에서 검출되는 전압이 다르게 나타난다. 열화도가 높은 배터리 셀은 내부 임피던스가 크기 때문에 열화도가 낮은 배터리 셀에 비해 분극 전압이 높으며, 이러한 높은 분극 전압으로 인해 그 단자 전압도 상대적으로 높게 나타난다.

배터리 충전을 제어하는 컨트롤러는 각 배터리 셀의 단자 전압을 검출한 결과에 따라 배터리 충전 중단을 결정하는데, 열화도가 높은 배터리 셀은 열화도가 낮은 배터리 셀에 비해 사전 설정된 최대 충전 전압에 먼저 도달하게 되고, 이에 따라 열화도가 낮은 배터리 셀은 여전히 충전할 수 있는 잔여 충전 용량을 가짐에도 불구하고 충전이 중단되는 문제가 발생한다. 전체 배터리의 입장에서도 더 많은 에너지를 저장할 수 있음에도 불구하고 충전이 중단되어, 전체 배터리의 용량이 감소되는 문제가 발생한다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2013-0142807 A KR 10-2012-0091707 A

이에 본 발명은, 배터리 열화에 의한 내부 임피던스 증가로 분극 전압이 증가하게 되는 것을 감안하여, 배터리 충전 시 가장 큰 전압 검출값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 충전전류의 공급을 차단한 이후 다시 배터리를 추가 충전함으로써 배터리 셀에 충전 용량을 증대 시킬 수 있는 배터리 충전 방법 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

배터리로 충전전류를 공급하는 단계;

상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 상기 충전전류의 공급을 차단하는 단계;

상기 충전전류의 공급을 차단하고 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전 상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하는 단계;

를 포함하는 배터리 충전 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에는, 상기 추가 충전하는 단계 이후 상기 기준 시간이 경과한 후, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 임계 전압 보다 크면 상기 배터리의 충전을 최종 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추가 충전하는 단계는, 상기 배터리를 관리하는 컨트롤러가 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업하여 상기 배터리의 전압을 검출하고 상기 배터리의 전압 검출값과 상기 임계 전압을 비교할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전압 검출값은 상기 배터리를 구성하는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀에서 검출된 전압 검출값일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추가 충전하는 단계에서 상기 배터리로 공급되는 충전전류는 상기 공급하는 단계에서 상기 배터리로 공급되는 충전전류보다 작은 값을 가질 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

배터리의 전압을 검출하는 전압 센서;

상기 배터리로 충전전류를 공급하는 충전기; 및

상기 충전기를 제어하여 상기 충전전류를 조정하는 컨트롤러;를 포함하며,

상기 배터리의 충전 시, 상기 컨트롤러는 상기 전압 센서에서 검출된 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 상기 충전전류의 공급을 차단하고, 그 후 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전 상기 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우 상기 전압 검출값이 상기 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리를 추가 충전한 이후, 상기 기준 시간이 경과한 후의 상기 전압 검출값이 상기 임계 전압 보다 크면 상기 배터리의 충전을 최종 종료할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업하여 상기 전압 검출값과 상기 임계 전압을 비교할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는 상기 웨이크업하는 회수에 기반하여 상기 기준 시간을 판단할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하며, 상기 전압 센서는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 검출하는 복수개로 구현되며, 상기 전압 검출값은 상기 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀에서 검출된 전압 검출값일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리를 추가 충전할 때 상기 배터리로 공급되는 충전전류가 그 직전에 배터리로 공급된 충전전류보다 작은 값을 갖도록 조정할 수 있다.

상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 배터리 충전 방법 및 시스템에 따르면, 배터리에 포함된 열화 배터리 셀이 분극전압에 의해 충분히 충전되지 못하는 경우, 우선적인 충전 종료 후 배터리 셀의 안정화 과정을 거쳐 추가적인 충전이 이루어지게 함으로써 열화 배터리 셀에 충전되는 전기 에너지를 극대화할 수 있다.

이에 따라, 상기 배터리 충전 방법 및 시스템은 사용 기간이 오래된 배터리의 경우에도 충전 용량을 최대화하여 차량의 연비 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 배터리에 포함된 배터리 셀의 등가회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 열화도가 낮은 배터리 셀과 열화도가 높은 배터리 셀의 충전 중 단자 전압 변화 및 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 의한 배터리 셀의 전압 변화를 비교 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 충전 방법 및 시스템에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템은 복수의 배터리 셀(11)을 포함하는 배터리(10)와, 복수의 배터리 셀(11) 각각의 전압을 검출하는 복수의 전압센서(12)와, 배터리(10)로 충전전류(i)를 제공하는 충전기(30) 및 충전기(30)를 제어하여 충전기(30)로부터 배터리(10)로 제공되는 충전전류(i)를 조정하는 컨트롤러(20)를 포함하여 구성된다.

배터리(10)는 통상 배터리 모듈이라고도 하며, 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11)을 포함할 수 있다. 충전기(30)에서 제공되는 충전전류(i)는 배터리(10)로 제공되어 복수의 셀(11)을 각각 충전시킬 수 있으며, 복수의 셀(11)이 충전됨에 따라 충전 상태(SoC: State of Charge)가 증가하면서 그 전압도 함께 상승한다.

도 2는 배터리(10)에 포함되는 배터리 셀(11)의 등가회로도이다. 특히 도 2는 리튬 이온 배터리 셀의 전기적 특성을 고려한 등가회로도로서, 리튬 이온 배터리 셀은 배터리 셀의 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)(Ve)와 내부 인피던스에 의한 분극전압(Ve, Vp)의 합으로 결정된다. 즉, 도 2에 도시된 등가회로도에 의한 리튬 이온 배터리 셀의 단자전압(측정전압: Vt)은 식 1과 같이 나타낼 수 있다.

[식 1]

Vt = Ve + Vi + Vp

상기 식 1에서 분극전압은 전류가 흐르는 경우에만 생성되는 것이므로 전류가 흐르지 않는 조건이라면 배터리 셀의 단자전압은 개방 회로 전압과 동일한 값(Vt=Ve)이 된다. 즉, 개방 회로 전압은 실제 배터리 셀의 에너지 용량을 의미하는 값이 되는 것이다.

한편, 전류(i)가 흐르는 조건인 경우 식 1은 다음의 식 2 및 식 3과 같이 나타낼 수 있다.

[식 2]

Vt = Ve + i*Ri +i*(RC회로의 합성 임피던스)

[식 3]

즉, 배터리 셀의 내부 임피던스(

)와 전류(i)에 의해 실제로 에너지를 제공할 수 있는 전압이 아닌 분극 전압이 발생하게 된다. 이 분극전압은 전류(i)가 크고 내부 임피던스(

)가 클수록 더 큰 값을 갖게 된다.

배터리의 충전시에는 배터리 셀에 전류(i)가 흐르게 되므로 내부 임피던스에 의한 분극 전압이 반드시 발생하게 된다. 이러한 분극전압에 의해 배터리 셀의 단자에서 검출되는 전압은 실제 사용할 수 있는 에너지에 해당하는 개방 회로 전압(Ve)보다 큰 값을 가지며, 이러한 배터리 셀의 검출전압이 컨트롤러(20)로 제공된다.

컨트롤러(20)는 분극 전압을 포함하는 검출전압을 고려하여 충전을 제어하는 바, 실제 배터리 셀에 충분한 에너지가 충전되지 못한 상태에서 충전을 중단할 수 있다.

충전이 중단되는 시점에서 배터리 셀의 전압은 충전목표전압에 대응하는 값을 가지지만, 시간이 경과함에 따라 내부 임피던스(특히 커패시터(Cdl))에 의한 전압이 사라지면서 배터리 셀의 단자전압은 점차 감소하여 개방 회로 전압(Ve)로 수렴하게 된다.

충전이 가능한 배터리 셀은, 충전과 방전이 반복될수록 불순물 생성으로 인한 이온 침전 등의 이유로 내부 임피던스가 증가하게 되며 실제 에너지 저장 용량이 줄어들게 된다. 즉, 배터리 셀의 열화가 증대됨에 따라 내부 임피던스가 증가되고, 이에 따라 충전 중 내부 임피던스에 의한 분극 전압(V_i + V_p)의값은 열화가 진행될수록 더욱 빠르게 상승하게 된다.

복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 충전하는 과정에서, 컨트롤러(20)는 복수의 배터리 셀의 단자전압 중 최대전압에 따라 충전 중단을 결정하게 되므로, 배터리 셀 간의 열화도가 상호 상이한 경우 충전을 종료하는 시점에서 각 배터리 셀의 충전 상태가 상호 상이하게 된다.

즉, 상대적으로 열화도가 낮은 배터리 셀은, 최대 전압을 갖는 배터리 셀로 인해 그 단자전압이 최대값에 도달하지 못한 시점, 즉 충전이 충분하게 완료되지 못하는 시점에 충전이 종료되고, 시간이 지나 분극 전압이 소멸되면 낮은 단자전압이 개방 회로 전압으로 감소되어 배터리를 사용하는 사용자에게 충전용량에 대한 혼란을 야기시킬 수 있다.

따라서, 충전 중 배터리 셀의 분극전압에 의한 충전용량의 감소의 영향을 줄이고 배터리 셀간의 열화도 차이에 따른 단자전압 차이를 가능한 감소시키면서 충전을 종료하여야 충전 이후 배터리 셀 안정화에 의해 발생하는 충전 상태의 편차를 해소할 수 있는 것이다.

전압센서(12)는 배터리 셀(11)의 양단에 설치되어 배터리 셀(11)의 단자전압을 검출할 수 있다. 충전 중에는 배터리 셀(11)로 전류(i)가 제공되는 상태이므로 전압센서(12)에 의해 검출되는 전압은 배터리 셀(11) 내부의 내부 임피던스에 의한 분극전압을 포함한 전압값이 될 수 있다.

충전기(30)는 배터리(10)로 충전전류(i)를 제공하는 요소로서, 다양한 회로를 포함하는 충전 시스템의 개념으로 이해될 수도 있고, 컨트롤러(20)의 제어에 의해 전류(i)의 크기를 변경할 수 있는 충전 시스템 내의 특정 회로의 개념으로 이해될 수도 있다. 즉, 본 발명의 여러 실시형태에서, 충전기(30)는 컨트롤러(20)의 제어에 의해 그 크기가 결정되는 충전전류를 제공할 수 있는 모든 요소를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 컨트롤러(20)에 의해 크기가 제어되는 전류를 출력하는 회로적인 요소들은 당 기술분야에 기 공지된 기술에 해당하므로 그에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

컨트롤러(20)는 배터리(10)에 포함된 배터리 셀(11)의 단자전압을 검출한 값을 전압센서(12)로부터 입력 받고, 그에 따라 충전기(30)에서 출력되는 충전전류의 크기를 제어하기 위한 제어신호를 충전기(30)로 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(20)는 전압센서(12)의 출력에 따라 각각의 배터리 셀(11)에서 검출된 전압 검출값에 따라 충전전류의 공급 여부 및/또는 충전전류(i)의 크기를 조정할 수 있다. 컨트롤러(20)가 충전전류(i)의 크기를 조정하는 데에는 충전기(30)의 출력단에 배치되는 전류 센서(40)를 이용하여 검출되는 충전전류(i)의 검출값을 이용할 수 있다.

컨트롤러(20)에서 수행되는 제어기법들은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 흐름도이고, 도 4는 열화도가 낮은 배터리 셀과 열화도가 높은 배터리 셀의 충전 중 단자 전압 변화 및 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 의한 배터리 셀의 전압 변화를 비교 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법은, 배터리(10)의 충전이 개시되면 컨트롤러(20)가 충전기(30)를 제어하여 배터리(10)로 충전전류(i)를 공급하는 단계(S11)와, 배터리(10)의 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 컨트롤러(20)가 충전기(30)를 제어하여 충전전류(i)의 공급을 차단하는 단계(S12)와, 충전전류의 공급을 차단하고 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전(S13) 배터리(10)의 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우(S15), 배터리(10)의 전압 검출값이 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하는 단계(S11)를 포함하여 구성될 수 있다.

이러한, 본 발명의 일 실시형태에서, 배터리(10)의 전압 검출값은 복수의 배터리 셀(11) 각각에 마련된 전압센서(12)에서 검출된 전압 검출값 중 가장 큰 값을 이용할 수 있다. 이는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11)이 과충전 되는 것을 방지하기 위한 것으로, 가장 큰 전압 검출값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 충전전류(i)의 공급 여부가 결정된다.

한편, 전술한 바와 같이, 열화도가 낮은 배터리 셀은 내부 임피던스가 작으므로 분극 전압의 영향을 적게 받으므로, 충전전류가 공급되는 충전 중에 단자전압의 크기는 서서히 증가하게 된다. 반면, 열화도가 높은 배터리 셀은 내부 임피던스가 크기 때문에 전류가 공급되는 경우 분극 전압이 크게 상승하므로 충전 중에 단자전압의 크기가 급하게 증가하게 된다.

도 4의 좌측 그래프는 상대적으로 열화도가 낮은 배터리 셀의 충전에 따른 단자전압 변화를 도시한 것이고 가운데 그래프는 열화도가 높은 배터리 셀의 충전에 따른 단자전압 변화를 도시한 것이다.

도 4에 도시한 것과 같이, 열화도가 낮은 배터리 셀의 경우에는 사전 설정된 임계 전압까지 단자전압이 상승하여 충전전류의 공급이 차단되는 경우, 배터리 셀의 안정화이 후 임계 전압과 배터리 셀의 개방전압과의 차이가 작다. 이에 반해, 열화도가 높은 배터리 셀을 종래와 같이 단순 충전하는 경우에는 내부 임피던스에 의해 배터리 단자전압이 급격하게 상승하므로, 배터리 셀 전압 검출값이 임계 전압에 도달하여 충전이 중단되는 경우 임계 전압과 배터리 셀의 개방전압(Ve)와의 차이가 크게 나타난다. 이에 따라서, 여러 배터리 셀을 함께 충전하는 경우 컨트롤러(20)는 최대 전압 검출값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 충전 종료를 결정하게 되므로, 상대적으로 열화도가 낮은 배터리 셀은 개방 회로 전압까지 더 상승할 여력이 있음에도 불구하고 충전이 중단되는 문제가 발생한다. 또한, 열화된 배터리 셀의 경우에도 내부 임피던스에 의한 분극 전압의 영향을 배제하는 경우에 더 많은 전력을 저장할 수 있게 됨에도 불구하고 전압센서(12)에서 검출되는 전압 검출값에 기반하여 충전 여부가 결정되므로 충전량이 적어진다. 나아가 이러한 문제들로 인해 전체 배터리의 충전 용량까지 감소되는 것이다.

따라서, 본 발명의 여러 실시형태는 이러한 문제를 감안하여 배터리 충전 시 가장 큰 전압 검출값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 충전전류(i)의 공급을 차단하고서 충전을 종료하는 것이 아니라 일정 시간 경과 후 다시 배터리를 추가 충전함으로써 배터리 셀에 더 많은 전력을 충전할 수 있게 하고자 하는 것이다.

이를 위해, 도 4의 가장 우측 그래프에 도시된 것과 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 배터리 충전이 개시되면 우선적으로 배터리(10)에 충전전류(i)를 공급하여 배터리(10)에 포함된 전체 배터리 셀(11)을 충전하고(S11), 각 배터리 셀(11)의 전압을 각각 검출하는 전압센서(12)에서 제공되는 전압 검출값 중 최대 전압 검출값을 기반으로 충전전류(i)의 공급차단 여부를 결정한다(S12).

단계(S12)에서, 컨트롤러(20)는 최대 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압(셀 허용 최대전압)에 도달하면 충전전류(i)의 공급을 우선 차단한다. 그 후 사전 설정된 기준 시간(A)이 경과하기 이전에(S14) 최대 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우(S15) 추가 충전을 위해 충전기(30)를 제어하여 충전전류(i)가 배터리(10)로 공급되게 한다. 이 때, 임계 전압은 사전 설정된 배터리 셀의 충전상태(SOC)에 기반하여 결정되는 것으로 예를 들어 열화된 배터리 셀의 개방회로 전압(Ve)에 해당하는 값이 될 수 있다.

이를 위해, 컨트롤러(20)는 충전전류(i)의 공급을 우선 차단한 이후 사전 설정된 시간 간격으로 주기적인 웨이크업을 수행하고(S14), 웨이크업 될 때마다 전압 센서(12)에서 검출된 전압 검출값을 확인하여 최대 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는지 판단할 수 있다(S15).

한편, 배터리 셀은 배터리 셀 제작자에 의해 사전에 결정되는 충전상태-개방회로전압 관계가 존재한다.

예를 들어, 이 관계는 다음의 표와 같을 수 있다.

개방회로 전압 (V)	충전상태(SOC)(%)
4.0	100
3.9	95
3.8	90
...	...
2.1	5
2.0	0

단계(S15)에서 최대 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는지 판단하는 것은 배터리 셀(11)의 충전상태에 따른 개방회로 전압의 크기를 고려한 것이다. 예를 들어, 우선적으로 충전전류(i)의 공급을 차단하여 배터리 셀의 안정화가 이루어지던 중 배터리 셀의 충전상태(SOC)가 원하는 수준 이하로 감소하게 되면 이 원하는 수준의 충전상태(SOC)에 대응되는 값보다 전압 검출값이 더 감소하게 되는 것이다. 따라서, 이 임계 전압은 배터리 셀의 제작 시 사전에 결정되는 충전상태-개방회로 전압 관계에 따라 적절하게 결정될 수 있는 것이다.

컨트롤러(20)가 우선적으로 충전전류(i) 공급을 차단한 후, 배터리 셀 내의 내부 임피던스가 제거되는 안정화 과정이 진행되면서 사전 설정된 기준 시간 이내에 최대 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하여 다시 추가적으로 충전전류(i)를 배터리에 공급하게 한 경우에도, 추가적인 충전전류의 공급(i)은 최대 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달할 때까지 이루어질 수 있다.

이 때, 배터리 셀(11)의 내부 임피던스가 다시 생성되면서, 배터리 셀(11)의 전압 검출값은 실제 개방회로 전압이 상승하는 것보다 빠른 시간 내에 충전 종료 전압에 도달하지만, 추가 충전(보충전)을 통해 그 이전 충전전류에 의한 충전 시 보다 개방회로 전압도 상승하게 된다. 즉, 도 4의 최우측 그래프에 나타난 것과 같이 최초 충전전류 공급에 의해 충전된 배터리 셀의 개방전압(Ve1)보다 추가 충전 시 충전전류 공급에 의해 충전된 배터리 셀의 개방전압(Ve2)이 더 큰 값을 갖게 된다.

특히, 추가 충전시에 컨트롤러(20)는 그 직전 충전 시 제공되는 충전전류의 크기보다 더 작은 크기를 갖는 충전전류를 배터리(10)로 제공하도록 충전기(30)를 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이, 배터리 셀의 내부 임피던스에 의해 결정되는 분압전압의 크기는 공급되는 전류의 크기에 거의 비례한다. 따라서, 전류의 크기를 작게 충전하는 경우 분압전압의 크기가 작게 나타나므로 배터리 셀에서 검출되는 전압 검출값에 분압전압이 미치는 영향을 감소시킬 수 있다. 추가 충전에 소요되는 시간은 최초 충전에 소요되는 시간에 비해 상당히 짧기 때문에, 추가 충전 시에 충전전류를 감소시키면 그에 따른 충전시간 지연을 최소화 하면서 더 많은 전력을 배터리 셀에 충전할 수 있게 되는 것이다.

컨트롤러(20)는 우선적으로 충전전류의 공급을 차단한 후 주기적인 웨이크업을 통해 사전 설정된 시간 간격마다 배터리 셀(11)의 전압 검출값과 임계 전압을 비교할 수 있다. 특히, 컨트롤러(20)는 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업 되므로, 웨이크업 되는 회수에 따라 충전전류 공급 차단 후 경과 시간을 확인할 수 있다. 즉, 추가 충전을 판단하기 위한 기준 시간이 웨이크업 주기의 n(자연수)배라고 한다면, 컨트롤러(20)는 우선적인 충전전류 차단 후 n회 이내로 웨이크업 하였을 때 최대 전압 검출값이 임계 전압 이하로 감소한 경우 추가 충전을 개시하도록 충전기를 제어할 수 있다. 반면, 컨트롤러는 우선적인 충전전류 차단 후 n회를 초과하여 웨이크업 하였을 때 최대 전압 검출값이 임계 전압을 초과한다면 최종적으로 배터리의 충전을 종료하고, 배터리의 충전이 종료되었음을 차량 시스템을 통해 운전자 등에게 통보할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 배터리에 포함된 열화 배터리 셀이 분극전압에 의해 충분히 충전되지 못하는 경우, 우선적인 충전 종료 후 배터리 셀의 안정화 과정을 거쳐 추가적인 충전이 이루어지게 함으로써 열화 배터리 셀에 충전되는 전기 에너지를 극대화할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 여러 실시형태는 사용 기간이 오래된 배터리의 경우에도 충전 용량을 최대화하여 차량의 연비 저하를 방지할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 배터리 11: 배터리 셀
12: 전압 센서 20: 컨트롤러
30: 충전기 40: 전류 센서

Claims

배터리로 충전전류를 공급하는 단계;
상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 상기 충전전류의 공급을 차단하는 단계;
상기 충전전류의 공급을 차단하고 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전 상기 배터리의 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하는 단계;를 포함하며,
상기 추가 충전하는 단계에서 상기 배터리로 공급되는 충전전류의 크기는 상기 공급하는 단계에서 상기 배터리로 공급되는 충전전류의 크기보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 추가 충전하는 단계 이후 상기 기준 시간이 경과한 후, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 임계 전압 보다 크면 상기 배터리의 충전을 최종 종료하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 추가 충전하는 단계는, 상기 배터리를 관리하는 컨트롤러가 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업하여 상기 배터리의 전압을 검출하고 상기 배터리의 전압 검출값과 상기 임계 전압을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전압 검출값은 상기 배터리를 구성하는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀에서 검출된 전압 검출값인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
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배터리의 전압을 검출하는 전압 센서;
상기 배터리로 충전전류를 공급하는 충전기; 및
상기 충전기를 제어하여 상기 충전전류를 조정하는 컨트롤러;를 포함하며,
상기 배터리의 충전 시, 상기 컨트롤러는 상기 전압 센서에서 검출된 전압 검출값이 사전 설정된 충전 종료 전압에 도달하면 상기 충전전류의 공급을 차단하고, 그 후 사전 설정된 기준 시간이 경과하기 이전 상기 전압 검출값이 사전 설정된 임계 전압 이하로 감소하는 경우 상기 전압 검출값이 상기 충전 종료 전압에 도달할 때까지 충전전류를 공급하여 추가 충전하며,
상기 컨트롤러는, 상기 배터리를 추가 충전할 때 상기 배터리로 공급되는 충전전류의 크기가 그 직전에 배터리로 공급된 충전전류의 크기보다 작은 값을 갖도록 조정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 배터리를 추가 충전한 이후, 상기 기준 시간이 경과한 후의 상기 전압 검출값이 상기 임계 전압 보다 크면 상기 배터리의 충전을 최종 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 컨트롤러는 사전 설정된 시간 간격으로 웨이크업하여 상기 전압 검출값과 상기 임계 전압을 비교하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 웨이크업하는 회수에 기반하여 상기 기준 시간을 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배터리는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하며, 상기 전압 센서는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 검출하는 복수개로 구현되며,
상기 전압 검출값은 상기 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀에서 검출된 전압 검출값인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
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