KR102286780B1 - 이차전지 충전 방법 - Google Patents

Abstract

이차전지를 사용하면서 온도, 전압, 전류를 포함하는 충방전 데이터를 획득하고, 이 데이터를 통해 이차전지의 현재 상태나 특성을 파악하고, 충전할 때 다시 충전 데이터를 획득하면서 주기적으로 현재 상태나 특성에 맞는 업데이트 상태의 충전 컨트롤을 수행하는 것 혹은 업데이트 상태의 충전 프로그램에 따라 충전을 실시하는 것을 특징으로 하는 이차전지 충전 방법이 개시된다. 이차전지는 단위 전지 셀 혹은 단위 전지 셀 복수 개가 직렬 및 병렬 조합으로 결합된 전지모듈일 수 있고, 복수 개가 결합된 전지 모듈에서는 전지 모듈을 이루는 개별 전지 셀의 충전 시간의 적어도 일부 기간에서 충전 조건 가령 충전비(C-rate)를 서로 다르게 관리하거나 고전압 전지 셀에서 저전압 전지 셀로 셀투셀 방식으로 전류를 흘릴 수 있으며, 이런 과정에서도 주기적으로 충전 과정과 같은 데이터 획득과 전압 불균등 데이터를 획득하고 조정 프로파일을 업데이트하여 효율적이고 시간이 단축된 균등화 조정을 실시하여 전체적으로 충전 과정의 효율성과 시간단축을 이룰 수 있다.
본 발명에 따르면 충전 과정에서 일정 주기마다 업데이트된 충전 프로그램에 따라 충전 목표를 달성하기에 가장 적합한 상태로 충전을 실시할 수 있고, 복수 전지가 결합된 전지모듈에 있어서 전지 셀 사이의 특성 차이를 고려하면서 원하는 목표에 최적화된 이차전지의 충전관리를 할 수 있게 된다.

Description

이차전지 충전 방법{method of charging rechargeable battery}

본 발명은 이차전지 충전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전지의 충방전 상태 데이터를 통해 이차전지의 상태를 추정하고 이 상태에 맞는 효율적 고속 충전 환경을 제공할 수 있도록 하는 이차전지 충전 방법에 관한 것이다.

충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있고, 퍼스널 이모빌리티, 전기자동차(EV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있으며, 전력 저장 장치에 관한 기술이 개발되면서 전력 저장 장치로서도 고려되어 개발되고 있다.

소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서 다수의 개별 전지 셀을 직렬 또는 병렬 방식으로 전기적으로 연결하여 전지모듈(전지스택, 전지팩)을 구성하는 경우가 많은데 전지모듈의 용량이 커질수록 확장성이 용이하고 안정적인 전지 셀 결합 구조를 유지할 수 있어야 한다.

다수의 전지 셀을 사용하여 전지모듈을 구성하는 경우, 일부 전지 셀이 과전압, 과전류 또는 과열 상태에 놓이는 경우가 있고, 이런 경우에는 전지모듈의 안전성과 작동효율이 크게 문제된다. 따라서, 전지모듈에서 문제 부분을 검출하여 제어하기 위한 수단이 필요하고, 안전 시스템인 BMS (Battery Management System)를 구비하여 과전압, 과전류, 과발열 등을 탐지하고 전지모듈을 제어 및 보호하는 구성을 이루는 경우가 많다. 대한민국 등록특허 제10-1720027호에는 도1과 같이 직렬된 전지 셀이나 단위 전지모듈을 스위치를 통해 컨버터와 연결하고 기준 이상의 셀 전압 불균등이 발생하면 셀투셀 능동제어 방식으로 셀 간 전압 불균형을 해소하는 균등화 장치가 개시된다.

BMS는 전지 셀들과 함께 전지모듈 케이스의 내부에 장착될 수 있지만 대형의 경우 전지 셀들과 별도의 공간에 장착되는 경우도 많이 있다. 별도 분석 수단을 이용하기 위해 BMS와 연결된 통신수단 등을 통해 BMS가 가지고 있는 정보를 텍스트(text) 파일 등으로 받아 저장, 기록, 분석하는 것도 가능하다.

BMS가 획득할 수 있는 정보는 직접 정보와 직접 정보를 처리하여 얻을 수 있는 간접 정보가 있으며, 충전 상태 정보, 충전율 정보, 충전 잔여시간 정보, 정전압 모드시 전압 값 및 정전류 모드시 전류 값 등 다양한 정보가 될 수 있다.

보다 구체적으로, BMS는 일반적으로 검출 기능 유닛과 산술 제어 유닛으로 구성될 수 있으며 많은 수의 감지 신호를 기반으로 전체 시스템의 작동을 조정한다. 검출 기능 유닛의 검출 대상은 일반적으로 상태 관측 알고리즘에 의해 획득된 이차전지의 전압, 전류 및 작동 온도 데이터를 포함하며 데이터는 핵심 알고리즘에 의해 산술 제어 유닛으로 전송된다. 산술 제어 유닛은 데이터를 처리하고 그에 따른 결과를 얻고 이 결과를 바탕으로 제어를 실시한다.

산술 제어 유닛은 컴퓨터의 CPU와 마찬가지로 전체 시스템의 핵심 부분이며, 통상 산술기능 칩 하드웨어, 기본 소프트웨어, 운영 환경 (RTE) 및 핵심 알고리즘을 구현한 핵심 소프트웨어를 포함하여 이루어지고, 일반적으로 이차전지 상태 추정과 결함 진단 및 보호 기능을 수행한다. 상태 추정에는 SOC (State Of Charge), SOP (State Of Power), SOH (State Of Health) 추정이 포함될 수 있다.

대한민국 등록특허 제10-1293630호에는 배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법이 개시된다. 여기서는 배터리의 적절한 교체시기를 판단하고, 퇴화가 진행되는 배터리에 적절한 충전용량이 얼마인지 판단하기 위하여 배터리의 SOH(State Of Health)를 추정하는 방법 및 장치가 개시된다.

배터리 용량 특성의 변화는 배터리의 내부저항 변화에 반영되므로, SOH는 배터리의 내부저항과 온도에 의해 추정이 가능한 것으로 알려져 있다. 즉 충방전 실험을 통해 배터리의 내부저항과 온도별로 배터리의 용량을 측정하고, 배터리의 초기 용량을 기준으로 이렇게 측정된 용량을 상대 수치화함으로써 SOH 맵핑을 위한 룩업 테이블을 얻는다. 그러고 실제 배터리 사용 환경에서 배터리의 내부저항과 온도를 측정하고 룩업 테이블로부터 내부저항과 온도에 대응되는 SOH를 맵핑하여 배터리의 SOH를 추정한다.

여기서는 센싱부가 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하고, 메모리부가 센싱부에서 측정된 전압 측정값 및 전류 측정값과 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산(Ampere counting) 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 저장하고, 제어부가 충전전압구간에서 메모리부에 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하고 메모리부에 저장된 SOH(State Of Health)별 적산전류값으로부터 적산전류값에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하게 된다.

한편, 리튬이온 이차전지 충전방법은 2010년 10월 발간 한국전자통신연구원의 전자통신동향분석 제25권 제5호 PP11~19의 김광만 등에 의한 '리튬이차전지의 고효율 충전법 연구 동향'에 여러 가지 종류가 잘 개시되어 있으며, 통상의 정전류-정전압 충전법, 부스트 충전법, 전류감쇠 충전법, 다단계 정전류 충전법, 펄스 충전법 등이 개시되어 있다.

이런 각각의 충전법은 충전 목표 달성을 위한 최적의 충전 알고리즘 속에서 반영되어 사용될 수 있으며, 최적화를 위해 혼합되어 사용될 수도 있다.

그런데, 기존의 이상과 같은 선행기술들은 전지 셀이나 전지모듈의 상태를 알려줄 수 있고 전지 사용자 혹은 관리자는 이를 전지모듈이나 전지 셀의 교체, 관리에 참고사항으로 활용할 수 있지만 이를 기반으로 전지모듈이나 전지 셀의 운영을 실시간으로 변경, 최적화하는 것까지 고려하지 않고 있다.

그런데 이차전지는 그때그때의 상황이나 상태, 주기수명상태에 따라 관리를 할 경우, 전지의 수명과 충방전 효율을 개선할 수 있고, 급속 충전과 같은 특정 목적을 위해 가장 좋은 조건을 얻고 실행하는 것도 가능하므로, 측정된 다양한 충방전 관련 데이터를 이용하여 전지모듈을 충전할 때의 가장 적합한 조건을 도출하고, 시간 추이에 따르거나 특정 충방전 환경에 맞추어 가장 적합한 조건을 스스로 변화시키면서 적용할 수 있다면 매우 바람직할 것이다.

또한, 이런 충전방법은 단순 전지 셀에 대한 것이 될 수도 있고 전지모듈에 대한 것이 될 수 있는데, 전지 셀을 복수 포함하는 전지 모듈의 경우, 충전 조건을 통해 충전 프로그램 혹은 충전 프로파일을 구성 셀을 특성을 고려한 충전방법을 도출할 수 있다면 더욱 바람직할 것이다.

대한민국 공개특허 제10-2015-0145517호: 전지팩 정보 검출 방법 및 이를 포함하는 전지팩 정보 검출 시스템 대한민국 등록특허 제10-1293630호: 배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법 대한민국 공개특허 제10-2013-0080518호: 배터리 급속 충전 장치 대한민국 등록특허 제10-1720027호: 배터리 셀 전압 균등 제어장치 및 제어방법 대한민국 공개특허 제10-2018-0056238호; 배터리 충전 방법, 배터리 충전 정보 생성 방법 및 배터리 충전 장치. 대한민국 공개특허 제10-2017-0022758호 : 이차 전지의 충전 조건 조정 장치 및 방법

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제나 한계 사항을 해결, 극복하기 위한 것으로, 리튬이온 이차전지와 같은 이차전지를 운용함에 있어서 종래에 BMS가 데이터 획득을 통해 전지 셀이나 전지모듈의 상태를 알려줄 수 있지만 이를 실시간에 가깝게 충전시 일정 주기마다 충전 프로그램에 반영하여 충전 콘트롤에 사용하지 않는 점을 개선하여 충전 목표를 달성하기에 가장 적합한 상태로 충전 프로그램을 유지할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전지 셀이나 전지 모듈의 실 상황이나 상태를 실시간에 가깝게 얻어내고 이 획득된 최신의 결과에 따라 이차전지의 충전 관리를 할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 추가적 관점에 따르면, 본 발명은 복수 전지가 결합된 전지모듈에 있어서 전지 셀 사이의 특성 차이를 고려하면서 원하는 목표에 최적화된 이처전지의 충전관리를 할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 리튬이온 이차전지와 같은 이차전지를 사용하면서 온도, 전압, 전류를 포함하는 충방전 데이터를 획득하고, 이 데이터를 통해 이차전지의 현재 상태나 특성을 파악하고, 충전할 때 다시 충전 데이터를 획득하면서 주기적으로 현재 상태나 특성에 맞는 업데이트 상태의 충전 컨트롤을 수행하는 것 혹은 업데이트 상태의 충전 프로그램에 따라 충전을 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 이차전지는 단위 전지 셀 혹은 단위 전지 셀 복수 개가 직렬 및 병렬 조합으로 결합된 전지 모듈(전지 팩)일 수 있고, 복수 개가 결합된 전지 모듈에서는 전지 모듈을 이루는 개별 전지 셀의 충전 시간의 적어도 일부 기간에서 충전 조건 가령 충전비(C-rate)를 서로 다르게 관리할 수 있다.

본 발명에서 BMS 내의 설정을 달리하여 충전 컨트롤의 목표를 가령 사이클 수명 최대화나 급속 충전으로 전환할 수 있고, 각 목표에 따른 충전 프로그램이 수행될 수 있으며, 충전 프로그램은 이차전지 충방전을 거듭하면서 얻는 데이터, 과거 충전 프로그램과 이차전지 상태 특성을 바탕으로 주기적으로 업데이트된 것일 수 있다.

본 발명에서 이차전지는 복수의 단위 전지 셀이 결합된 전지모듈의 형태를 이루고, 충전 방법에 있어서, BMS가 충전 중에 충전완료시까지 주기적으로 복수의 단위 전지 셀에 대해 충전 데이터를 획득하면서 복수의 단위 전지 셀 사이의 최대 전압과 최소 전압 사이의 전압 차를 검출하여 충전 데이터와 함께 데이터 베이스로 저장하고, 전압 차가 일정 값을 초과하는지 확인함으로써 전지 셀 사이의 전압 불균형 상태를 확인하고, 전압 불균형 상태가 확인되면 충전장치의 충전을 중단시키고 셀 전압 균등 제어장치를 가동시켜 균등 조정 프로파일에 의해 셀 투 셀 방식의 능동 조정(균등화)을 실시하고, 셀 전압 균등 제어장치에 의한 균등 조정 과정에서도 BMS가 조정 관련 전지 셀들의 충전 데이터를 일정 주기로 획득하여 데이터 베이스에 저장함으로써 셀 전압 균등화 제어 관련 데이터 베이스를 업데이트하고, 업데이트된 데이터 베이스를 근거로 새로운 균등 조정 프로파일을 얻고 새로운 균등 조정 프로파일에 따른 균등 조정 과정을 이어가고, 균등 제어장치에 설정한 조정 완료 조건이 달성되면 균등 조정 과정을 마치고 중단된 충전 과정이 이어질 수 있다.

본 발명에 따르면 BMS가 전압, 전류, 온도를 포함하는 데이터 획득을 통해 전지 셀이나 전지모듈의 상태를 확인하고, 이 데이터 및 상태를 충전시 일정 주기마다 충전 프로그램 혹은 충전 콘트롤을 업데이트하는데 사용하고, 따라서 일정 주기마다 업데이트된 충전 프로그램에 따라 충전 목표를 달성하기에 가장 적합한 상태로 충전을 실시할 수 있다.

본 발명에 따르면 전지 셀이나 전지 모듈의 실 상황이나 상태를 일정 주기마다 확인하고 이 획득된 결과에 따라 이차전지의 충전 목표에 적합한 충전 관리를 할 수 있게 된다.

본 발명의 추가적 관점에 따르면, 복수 전지가 결합된 전지모듈에 있어서 전지 셀 사이의 특성 차이를 고려하면서 원하는 목표에 최적화된 이차전지의 충전관리를 할 수 있게 된다.

도1은 종래의 셀 전압 균등 제어장치의 예의 구성을 나타내는 개념도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 방법의 알고리즘을 나타내는 흐름도,
도3은 본 발명에서 사용될 수 있는 셀 전압 균등 제어장치의 실시예 구성을 나타내는 개념적 회로도이다.

이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.

여기서, 충전 목표는 가능한 한도 내에서의 급속충전으로 설정된 것으로 하고, 충전 전원으로는 역율 보정(PFC) 기능을 가지며 교류전원을 직류전원으로 변환하는 스위치 제어를 사용하는 전원장치인 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 사용된다. 여기서는 스위치소자의 온오프 시간 비율 제어하여 출력을 안정화시킨 직류를 공급하게 된다(S10). SMPS는 고주파 스위칭에 의한 노이즈 및 전자파 발생 많고 회로가 복잡하지만 열발생 적고 소형화가 용이하며 전력효율 높다.

이 전원장치에서는 DC/DC 제어 알고리즘에 의해 공급 전원 특성을, 가령 충전 전압 및 전류를 조절할 수 있다(S20). 제어 알고리즘은 초기 설정에 맞게 표준 형태로 제공되며, 전원장치를 고조파 제어방식으로 제어할 수 있다(S90).

이차전지의 BMS는 충전 전원이 이차전지 충전을 위해 인가되면 충전 관련 데이터 혹은 충전 파라미터(parameter)를 측정, 획득하고 저장할 수 있다.

한편으로 BMS는 회로에 내장된 이차전지 상태 관측 알고리즘을 통해 이차전지의 전류, 전압 온도와 같은 측정 데이터를 획득하고(S30), 상태 관측 알고리즘에 의한 데이터를 바탕으로 기본적으로 과충전 방지 및 과방전 방지와 같은 안전기능을 수행한다. 데이터 측정은 전지모듈에 결합된 센서와 전압 전류 측정 수단에 의해 이루어질 수 있고, 이런 센서 혹은 검출수단 자체가 BMS의 일부를 이루는 것으로 볼 수 있다.

이렇게 충전을 수행하면서 얻어진 데이터는 이차전지의 리튬이온의 전극간 이동상태나 전극 구조의 열화나 붕괴와 같은 전기적 화학적 상태를 확인하는 근거자료가 된다. 이차전지 온도, 현재의 이차전지 전압 및 전류는 측정 데이터를 이루고, 이차전지 특성과 이차전지 측정 데이터를 통해 이차전지의 충전상태 또는 충전율(SOC: State Of Charge), 열화상태 또는 SOH(State Of Health) 등을 추정할 수 있다(S40).

이런 추정 과정은 BMS 자체의 저장장치 및 프로세서와 같은 하드웨어 및 이 하드웨어를 위한 소프트웨어(알고리즘)를 통해, 특히 산술 제어 유닛을 통해 이루어진다. 이렇게 얻은 데이터 및 상태 자료는 저장장치에 저장된다.

이렇게 온도 및 SOH를 얻은 상태에서, 이차전지의 특성이나 충방전 이력 관련 데이터 베이스(이후 넓게 룩업 테이블이나 상관관계 그래프를 포함하는 의미로 사용하기로 한다)를 활용하여 현재 이차전지의 SOC에 맞는 최적의 충전 조건을 찾는다. 이때 데이터 베이스는 실제 충방전에서 얻어지는 데이터를 저장하여 확장될 수 있고, 저장된 자료 전체나 최근 자료에 가중치를 두어 정리함으로써 데이터 베이스 근거 자료(가공 자료)의 업데이트를 실시할 수 있다(S50).

이차전지의 특성은 이차전지 제조시의 디자인과, 샘플링 검사 및 평균화 작업에 의해 얻은 함수화된 관계 및 그래프에 의해 표시되고 이용될 수 있다. 가령 F값은 각 이차전지 충방전 데이터 축적에 의해 얻어질 수도 있지만 제조사에서의 샘플링 실험에 의해 데이터베이스 형태로 얻어질 수도 있다.

전체 누적 데이터 베이스는 BMS 자체의 저장소에 저장될 수 있고, 데이터 베이스의 운영도 BMS 자체의 하드웨어 및 소프트웨어를 이용하여 이루어질 수 있으며, BMS와 별도의 처리장치 및 저장소와 소프트웨어를 가진 지원장치와 통신수단으로 교류하면서 이루어질 수 있다.

그리고, 이 충전 조건이 이루어지도록 전원장치의 제어 알고리즘을 변화시킨다(S60)). 변화 신호를 주기 위해 충전장치와 BMS 사이의 통신포트를 이용하여 신호 전달이 이루어질 수 있다. 제어 알고리즘을 변화시키기 위해 전원 장치에 단순히 현재 요구되는 충전 전압이나 충전 전류 혹은 전지 용량 및 충전률(SOC)을 입력하여 설정치 변경을 하는 것도 생각할 수 있다.

충전 조건은 이차전지 충전 완료 예정시점까지의 시간 동안의 충전 계획인 충전 프로그램 혹은 충전 프로파일 형태로 주어질 수 있다(C). 전원장치의 제어 알고리즘이 일단 변화되면 이 제어 알고리즘에 의해 전원장치는 충전 조건에 맞는 전압, 전류를 이차전지에 인가하게 된다.

본 실시예에서 BMS는 회로에 내장된 시스템 상태 관측 알고리즘은 완충이 이루어질때까지 일정 시간 주기로 이차전지의 전류, 전압 온도와 같은 데이터를 획득하도록 이루어지므로 이런 제어 알고리즘의 변화도 이 일정 시간 주기로 이루어질 수 있다. 이와 같이 주기적으로 완충의 조건이 만족되는 지 판단하여 완충 조건이 충족되지 않으면 이상 동작을 반복하게 된다(S70).

완충 조건은 은 BMS의 알고리즘에서 일정 시간 주기로 가령 이차전지 전압이 일정 전압 이상이 되는지, 이차전지 내부로 입력되는 전류가 일정 수준 이하로 되는지 등의 설정조건 만족 여부를 감지하는 것으로 판단할 수 있다. 완충 조건이 만족되면 완충신호가 발생하여 전원장치에 전달되고 전원장치는 스위칭을 통해 충전을 중단하도록 한다(S80).

한편, BMS에서 측정한 온도, 전압, 전류 데이터 및 이를 이용하여 SOH를 얻은 상태에서, 현재 이차전지의 SOC에 맞는 최적의 충전 조건을 찾는 예로써, F 값(전압의 변화량에 따른 SOC의 변화량 비율)들을 충전비(C-rate: Current-rate)들 및 SOC들에 매핑시킨 F 매핑(Mapping) 관계를 획득하고 SOC 및 F 매핑 관계에 기초하여, 배터리를 충전시키기 위한 해당 SOC에 대한 충전비 혹은 SOC별 충전비(C-rate)들의 시퀀스 형태로 전원장치에 전달하여 제어 알고리즘을 업데이트하기 위한 충전 프로그램 혹은 충전 프로파일을 생성하는 형태를 생각할 수 있다. 이때, SOC별 충전비(C-rate)들의 시퀀스 형태로 충전 프로파일을 얻기 위해서는 현재 SOC에 대한 충전비 수치를 얻고, 현재 SOC의 다음 순서의 SOC에 대응하는 F 값들을 차례로 추출하는 과정과, 데이터 베이스의 F 값과 충전비 함수관계에 의해 F 값들에 대한 충전비들을 차례로 얻는 과정을 거치게 된다. 이런 시퀀스는 프로그램 형태로 전달되어 전원장치의 제어 알고리즘에 반영되어 전원장치는 타임스케쥴에 의해 해당 시간에 변화하는 충전비로 충전을 실시하게 된다.

이때 구체적 충전방법을 어떻게 선택할 것인가는 기존에 알려진 충전방법의 장단점과 특성을 이용하여 이루어질 수 있으며 전원장치의 하드웨어 및 소프트웨어가 뒷받침되는 한도 내에서 다양한 충전방법의 시간대별 혹은 일정 조건 기준에 따른 전환도 가능할 수 있다.

다음 실시예는 전지 셀이 복수개 직렬 결합되어 이루어지는 전지모듈에서 전지 셀별 변이를 감안하여 목표별 최적 충전을 이루는 실시예를 살펴본다.

여기서도 회로구성을 통해 전지모듈을 이루는 각 전지 셀의 전압, 전류, 온도를 측정할 수 있고, 능동방식의 전지 셀 전압 균등 제어장치가 구비되었다고 생각한다. 셀 전압 균등 제어장치는 셀 투 셀(cell to cell) 방식으로 셀 간 전압 균등을 이룰 수 있다.

이러한 균등 제어는 좁게 보면 제어 과정에서 특히 수동 균등화의 경우 무용의 에너지 소모가 커지는 문제가 있고, 능동 균등화의 경우라도 그 과정에서 충전시간을 많이 소요할 수 있다는 문제가 있지만 균등 제어를 하지 않고 방치할 경우, 일부 전지 셀이 과충전되거나 과방전되어 전체 전지모듈의 사용효율이 낮아지고, 충방전 과정에서 일부 셀에 회복불가능한 손상이 누적되어 전지모듈의 수명을 급격히 낮출 수 있으므로 필수적인 것인데, 어떤 방식으로 균등화가 이루어지는가에 따라 전지 셀 수명을 연장시키고 충전시간을 줄이는 효과를 가질 수 있다.

본 실시예의 셀 전압 균등 제어장치가 구비된 구성에서 BMS는 충전 과정에서 일정 주기마다 셀의 전압을 측정하므로 셀 사이의 전압 불균형을 추출할 수 있다. 가령, 가장 셀 전압이 높은 셀과 가장 셀 전압이 낮은 셀의 전압차가 일정 한계를 넘는 경우를 검출할 수 있고 이때의 해당 셀들의 전압, 전류, 온도를 확인할 수 있다. 전압차의 한계는 이차전지의 특성 및 안전성을 고려하여 셀 전압이 높은 셀의 전압값 혹은 충전율에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 이런 높은 전압값과 전압차 한계 사이의 관계는 그래프 형태로 입력되어 설정될 수 있다.

또한, 앞선 예의 셀 전압, 전류, 온도 측정 데이터를 검출하여 데이터 베이스화하는 과정에 더하여 충전시 셀 사이의 불균형을 나타내는 데이터 검출 및 이에 대한 데이터 베이스화, 다른 데이터들과의 상관관계 추출이 이루어질 수 있다.

그리고, 전압 불균형과 같은 충전 불균형이 검출되면 셀 전압 균등 제어장치가 이에 대한 시정 동작을 할 수 있도록 불균형 시정 알고리즘을 가동한다. 가령, BMS에서 전압 불균형이 추출되면 충전장치에 전달되어 통상적 충전은 중지되고 셀 사이의 불균형 시정을 위한 능동방식의 전지 셀 전압 균등 제어장치에서 정해진 셀 불균형 시정 알고리즘에 의해 불균형 시정이 이루어진다.

이를 위해 셀 전압 균등 제어장치는 가령 최고 전압 셀의 출력을 받아 최전 전압 셀에 전류를 공급할 수 있는 컨버터 회로 및 스위칭 장치를 구비할 수 있으며, 컨버터 회로는 불균형 시정 시간을 줄이기 위해 일정 범위 내의 변압을 통한 전압 조정 기능을 가지는 것일 수 있다.

전압 조정 기능은 불균형 시정 알고리즘이 데이터 베이스를 통해 전지 셀의 현재 전압, 온도 상태에서 가장 효율적인 전류량을 얻어내어 불균형 조정 과정에 적용하는 방식으로 이루어질 수 있고, 이는 낮은 전압을 가진 전지 셀에 대해서는 조정 과정 내에서 일종의 충전 프로파일(충전 프로그램)을 정하는 것으로 생각될 수 있다.

불균형 시정을 위한 과정은 전압차가 정해진 일정 값 이하가 되거나 셀 사이에 흐르는 전류가 일정 수준보다 낮게 되는 시점에서 종료하고, 중단된 충전과정이 다시 이루어질 수 있다.

물론, 불균형 시정 과정의 각 셀에 대해 측정한 충방전 데이터나 그 변화 추이 및 소요시간은 균등화 조정 데이터 베이스 형태로 저장되어 균등화 조정 과정이 이루어질때마다 균등화 조정 데이터 베이스를 업데이트하는 데 사용될 수 있고, 이런 업데이트를 통해 이후의 충전 과정에서 발생하는 불균형 시정을 위한 최적 충전 프로파일(조정 프로파일)을 정하는 과정에서 근거자료가 될 수 있다.

한편, 이런 이차전지의 충전에서 제한조건으로 개별 전지 셀의 전압, 전류, 온도를 사용하고, 불균형 시정 과정과 전체적 충전 과정 사이의 전환을 이룰 수 있지만, 전체적 충전 과정에서는 개별 전지 셀의 전압, 전류, 온도에 따른 충전보다는 결합된 상태의 전체적 전지모듈의 전압, 전류, 기준점 온도, 추정 충전율을 얻고 충전 상태를 조절하는 것이 합리적일 수 있다.

즉, 전체적 전지 모듈의 전압, 전류, 기준점 온도를 측정하고 이 데이터를 바탕으로 전체적 전지 모듈의 충전율 기타 전지 상태를 추정하고, 이 전지 상태를 기준으로 이차전지 특성과 파라미터간 상관관계, 데이터 베이스를 작성하고, 특정 상태에서 충전 목표달성을 위한 가장 적합한 충전 조건, 가령 충전비(C-rate) 시퀀스를 얻어 이를 충전 프로파일로 하고, 이 충전조건에 따라 충전장치에서 충전이 이루어질 수 있도록 제어 알고리즘을 충전 기간 동안 지속적으로 업데이트하여 충전을 조절할 수 있다.

도3은 본 발명에서 사용될 수 있는 셀 전압 균등 제어장치의 일 예를 나타낸다.

여기서도 전지 셀은 복수 개(1~N)가 직렬로 연결되어 전지 모듈을 이루고 있고, 충전 전원(1)은 전지 모듈 전체와 연결된다. 여기서는 전지 셀 1에 대해서만 ISC와 연결된 것처럼 도시되지만 모든 전지 셀 각각이 전지 셀 1에 대해 도시된 것과 같이 ISC(Isolated Switching Circuit: 9)와 병렬로 연결되고, ISC는 각각 전원(1) 및 MUX(5)와 연결되어 있다.

MCU(3)는 연산부(31)와 데이터 및 프로그램을 저장하는 저장부(33)를 구비하여 필요한 충반전 과정에서 관련 데이터를 획득하고, 프로그램에 따라 연산을 거쳐 필요한 명령을 보내면서 MUX(5)를 통해 필요한 스위칭을 실시한다.

MUX(5)는 ISC(9)를 통해 해당 전지 셀의 충반전을 조절하며, ADC(7)는 MCU의 신호를 받아 기준 전압(8)을 참조하여 MUX(5)에 필요한 디지털 신호를 보낼 수 있다.

여기서 각 전지 셀은 단일 전지 셀이 아니고 실제로는 단일 전지 셀 복수 개가 병렬로 연결된 것일 수 있고, ISC(9)는 이런 병렬 셀 사이의 전압의 균등화 기능을 수행할 수 있다.

다른 실시예로 전지 셀이 복수개 병렬 결합되어 이루어지는 전지모듈에서 전지 셀별 변이를 감안하여 목표별 최적충전을 이루는 실시예를 들 수 있다.

이런 실시예는 앞선 전지 셀이 복수 개 직렬로 결합된 경우와 비교할 때 별도의 셀 전압 균등 제어장치가 없어도 장기적으로는 병렬결합의 특성상 전압이 균등화되는 구성을 가지므로 균등화 제어의 필요성이 크지 않지만 일시적으로 전지 셀의 특성에 의해 전지 셀별 전압, 전류, 온도 차이가 허용한도 이상 발생할 수 있으므로 역시 균등화 제어가 필요할 수 있다.

따라서, 이런 실시예에서도 앞선 실시예와 비슷한 개념과 과정을 거쳐 충전 과정 및 불균형 시정 알고리즘에 의한 균등화 제어 과정을 전환해가면서 충전을 수행할 수 있다.

단, 여기서는 병렬 결합의 특성을 이용하여, 전지 셀별로 병렬 결합에서 스위칭을 통해 결합을 해제할 수 있도록 셀 전압 균등 제어장치가 형성된 경우, 전체 전지모듈 충전 중에도 최대 전압 전지 셀과 최소 전압 전지 셀 사이의 전압 차가 일정 이상 되면 충전을 하면서 최대 전압 전지 셀을 연결하는 스위치를 열어 충전이 되지 않도록 하고 최소 전압 전지 셀의 충전 상태에 가장 적합한 충전 조건을 적용하여 충전을 실시함으로써 균등 제어를 위한 전지모듈 충전과정의 중단이 없거나 줄어들게 할 수 있다.

이런 경우에도 전지 셀 사이의 측정 파라미터를 주기적으로 측정하고, 상태를 추정 및 비교하여 일반적 충전 과정과 병행되는 균등 제어 과정의 실시 및 중단을 결정하여 최적의 충전 조건에 의해 충전 목표 달성, 가령 최단 시간 내의 급속 충전이 이루어지도록 한다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.

따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

1: 전원 3: MCU
5: MUX 7: ADC
9: ISC

Claims (4)

1. 이차전지를 사용하면서 온도, 전압, 전류를 포함하는 충전 데이터 및 방전 데이터를 획득하고,
   상기 충전 데이터 및 방전 데이터를 처리하여 충전율(SOC: State Of Charge)를 포함하는 이차전지의 현재 상태나 특성을 파악하고,
   충전 중에 충전완료시까지 주기적으로 상기 충전 데이터를 획득하여 이차전지의 현재 상태 및 특성에 맞는 충전 프로그램 업데이트를 실시하고,
   업데이트된 충전 프로그램에 따라 충전을 실시하되,
   상기 이차전지는 복수의 단위 전지 셀이 결합된 전지모듈의 형태를 이루고,
   BMS가 충전 중에 충전완료시까지 주기적으로 상기 복수의 단위 전지 셀에 대해 상기 충전 데이터를 획득하면서 상기 복수의 단위 전지 셀 사이의 최대 전압과 최소 전압 사이의 전압 차를 검출하여 상기 충전 데이터와 함께 데이터 베이스로 저장하고,
   상기 전압 차가 일정 값을 초과하는지 확인함으로써 전지 셀 사이의 전압 불균형 상태를 확인하고,
   전압 불균형 상태가 확인되면 외부전원을 이용한 충전장치의 충전을 중단시키고 셀 전압 균등 제어장치를 가동시켜 균등 조정 프로파일에 의해 셀 투 셀 방식의 능동 조정(균등화)을 실시하고,
   상기 셀 전압 균등 제어장치에 의한 균등 조정 과정에서도 상기 BMS가 조정 관련 전지 셀들의 충전 데이터를 일정 주기로 획득하여 데이터 베이스에 저장함으로써 셀 전압 균등화 제어 관련 데이터 베이스를 업데이트하고,
   상기 업데이트된 데이터 베이스를 근거로 새로운 균등 조정 프로파일을 얻고 상기 새로운 균등 조정 프로파일에 따른 균등 조정 과정을 이어가고,
   상기 균등 제어장치에 설정한 조정 완료 조건이 달성되면 균등 조정 과정을 마치고 중단된 충전 과정을 이어가며,
   상기 셀 투 셀 균등 조정을 위한 셀 전압 균등 제어장치는 최고 전압 셀의 출력을 받아 최저 전압 셀에 전류를 공급하는 컨버터 회로 및 스위칭 장치를 포함하되, 상기 컨버터 회로는 불균형 시정 시간을 줄이기 위해 일정 범위 내의 변압을 통한 전압 조정 기능을 가지며,
   상기 전압 불균형 상태가 확인되면 상기 전지모듈을 이루는 개별 전지 셀의 충전 시간의 적어도 일부 기간에서 충전비(C-rate)를 서로 다르게 충전을 실시하는 것을 특징으로 하는 이차전지 충전 방법.
2. 제 1 항에 있어서
   충전 전에 이차전지의 BMS 내의 설정을 달리하여 충전 목표를 수정하여 상기 충전 목표에 맞는 종류의 충전 프로그램을 선택하고, 상기 충전 프로그램에 따라 충전을 실시하며,
   상기 업데이트는 선택된 상기 충전 프로그램에 대해 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지 충전 방법.
3. 삭제
4. 삭제

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