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KR102433146B1 - 배터리 셀의 스웰링을 방지하는 방법 및 이를 이용한 배터리 팩 - Google Patents

배터리 셀의 스웰링을 방지하는 방법 및 이를 이용한 배터리 팩 Download PDF

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KR102433146B1
KR102433146B1 KR1020170126419A KR20170126419A KR102433146B1 KR 102433146 B1 KR102433146 B1 KR 102433146B1 KR 1020170126419 A KR1020170126419 A KR 1020170126419A KR 20170126419 A KR20170126419 A KR 20170126419A KR 102433146 B1 KR102433146 B1 KR 102433146B1
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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 스웰링을 방지하는 방법 및 이를 이용하는 배터리 팩을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 셀의 스웰링 방지 방법은, 충전중인 배터리 셀의 온도 및 셀전압을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 셀전압 이상인지를 판단하는 판단단계; 상기 측정된 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 각각 기준 온도 및 기준 셀전압 이상인 경우, 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 셀전압 이상인 시점으로부터 시간을 카운팅하는 카운팅단계; 상기 카운팅되는 시간이 설정된 기준시간 이상인 경우 상기 배터리 셀의 충전전압(CV)을 설정전압(DV)만큼 강하시킨 강하충전전압(NCV)으로 상기 배터리 셀을 충전하는 셀 충전단계; 및 상기 강하충전전압(NCV)을 최소 충전전압(MCV) 이상으로 유지하는 최소 충전전압 유지단계; 를 포함하여 구성된다.

Description

배터리 셀의 스웰링을 방지하는 방법 및 이를 이용한 배터리 팩{METHOD FOR PREVENTING SWELLING OF BATTERY CELL AND BATTERY PACK USING THE SAME}
본 발명은 배터리 셀의 스웰링을 방지하는 방법 및 이를 이용한 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 충전중인 배터리 셀의 온도 및 셀 전압이 기준 값 이상으로 유지되는 시간을 카운팅하여, 기준 시간 이상인 경우에 충전전압을 강하시켜 배터리 셀의 온도 및 셀 전압을 낮춤으로써 배터리 셀이 스웰링 현상이 발생되는 조건을 사전에 방지할 수 있는 배터리 셀의 스웰링을 방지하는 방법 및 이를 이용한 배터리 팩에 관한 것이다.
배터리는 제품군에 따른 적용이 용이하고, 우수한 보존성 및 높은 에너지 밀도 등의 특성을 가지고 있다. 또한 화석 연료의 사용을 감소시킬 수 있다는 일차적 장점뿐만 아니라, 에너지 사용에 따른 부산물이 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 에너지 공급원으로 주목 받고 있다.
배터리는 휴대용 기기를 비롯하여 전기차량 및 에너지 저장 시스템 등에 보편적으로 응용되며, 다양한 산업의 기반이 되는 것과 동시에 일상 생활에 편의성을 제공해 주고 있다.
하지만, 이러한 배터리는 사용 환경에 따라 비정상적으로 구동될 수 있으며, 예컨대 배터리가 과충전 되거나 수명이 소진될 경우, 배터리 내부에서 발생하는 전기적 화학적 작용으로 인하여 배터리의 스웰링(swelling) 현상이 유발될 수 있다.
이러한 배터리의 스웰링(swelling) 현상은 배터리의 수명 단축, 용량 저하뿐만 아니라, 발화 및 폭발과 같은 사고로 이어질 수 있기 때문에 주의 깊은 감시와 적절한 제어를 통한 배터리의 안정적 사용이 요구되고 있다.
이에 따라, 배터리의 스웰링(swelling) 현상 감지 및 배터리 보호와 관련된 다양한 연구 개발이 진행되어 왔으며, 일례로 압력 측정 수단을 이용하여 스웰링(swelling)에 따른 배터리 셀의 부피 변화를 감지하고, 이를 통해 전류를 차단하는 기술이 사용되어 왔다.
그러나, 이와 같은 배터리 셀의 물리적 부피 팽창은 스웰링(swelling)이 충분히 진행되어야 발생되므로, 배터리 셀의 스웰링(swelling) 현상을 초기에 감지하여 대응하기에는 어려움이 따르며, 전류가 차단되었다고 하더라도 이미 충분히 진행된 스웰링(swelling)으로 인하여 발화가 일어날 수 있는 위험성이 높다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 셀의 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있는 원인을 사전에 차단 시킴으로써 배터리 팩의 안전성을 효율적으로 향상시킬 수 있는 배터리 셀의 스웰링(swelling) 방지 방법 및 이를 이용한 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀의 스웰링 방지 방법은, 충전중인 배터리 셀의 온도 및 셀전압을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 셀전압 이상인지 판단하는 판단단계; 상기 측정된 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 셀전압 이상인 경우, 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 셀전압 이상이 되는 시점부터 카운팅을 시작하는 카운팅 단계; 상기 카운팅되는 시간이 설정된 기준 시간 이상인 경우, 상기 배터리 셀의 충전전압(CV)을 기 설정된 설정전압(DV)만큼 강하시켜 강하충전전압(NCV)으로 상기 배터리 셀을 충전하는 셀 충전단계; 및 상기 강하충전전압(NCV)을 기 설정된 최소 충전전압(MCV) 이상으로 유지하는 최소 충전전압 유지단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 판단단계에서, 상기 측정된 배터리 셀의 온도 또는 전압이 기준 온도 또는 기준 셀 전압 미만인 경우에, 상기 충전전압을 유지하여 상기 배터리 셀을 충전하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 카운팅단계에서, 상기 카운팅되는 시간이 기준 시간 미만인 경우에는, 상기 충전전압을 유지하여 상기 배터리 셀을 충전하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 셀 충전단계에서, 상기 강하충전전압(NCV)은 하기의 수학식 1에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
강하충전전압(NCV) = 충전전압(CV) - 설정전압(DV)
상기 최소 충전전압 유지단계는, 상기 셀 충전단계에서 강하충전전압(NCV)이 최소 충전전압(MCV) 이상인 경우에는 강하충전전압(NCV)으로 상기 배터리 셀을 충전하고, 강하충전전압(NCV)이 최소 충전전압(MCV) 미만인 경우에는 최소 충전전압(MCV)으로 상기 배터리 셀을 충전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 스웰링을 방지하는 배터리 팩은, 배터리 셀; 상기 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센싱부; 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하는 전압측정부; 상기 온도 센싱부 및 전압측정부로부터 획득한 온도 및 전압에 따라, 충전전압을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센싱부 및 전압측정부로부터 측정되는 배터리 셀의 온도 및 셀전압과 기준 온도 및 기준 전압을 각각 비교하는 비교부; 상기 측정된 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 전압 이상인 시점으로부터 시간을 카운팅하는 카운팅부; 및 상기 카운팅부에서 카운팅 되는 시간이 기준시간 이상인 경우, 충전전압을 기 설정된 전압만큼 강하하는 계산부; 및 충전전압을 조정하는 충전전압 조절부; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 비교부는, 상기 온도 센싱부 및 전압측정부로부터 측정되는 배터리 셀의 온도 및 셀전압과 기준 온도 및 기준 셀전압을 각각 비교하여, 상기 측정되는 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 각각 기준 온도 및 기준 셀전압 이상인 경우에는 상기 카운팅부로 카운팅 신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 카운팅부는, 상기 비교부로부터 카운팅 신호가 전송된 시점부터 시간을 초단위로 카운팅하는 초단위 카운터와 초단위 카운터에서 카운트 되는 시간이 설정 시간 이상인 경우에 추가로 카운트되는 시간단위 카운터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 계산부는, 상기 카운팅부에서 카운팅 되는 시간이 기준 시간을 이상인 경우에, 기 설정된 전압만큼 충전전압을 강하시킨 강하충전전압을 하기의 수학식 1에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
강하충전전압(NCV) = 충전전압(CV) - 설정전압(DV)
한편, 상기 충전전압 조절부는, 상기 계산부에서 계산된 강하충전전압으로 상기 배터리 셀이 충전되도록 충전전압을 조정하고, 상기 강하충전전압이 최소 충전전압 미만으로 계산되는 경우에는 최소 충전전압으로 상기 배터리 셀이 충전되도록 충전전압을 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 배터리 셀의 스웰링(swelling) 현상의 발생 조건을 바탕으로 원천적으로 스웰링(swelling) 현상이 발생하지 않도록 할 수 있으므로 스웰링(swelling) 현상으로 인해 배터리 팩의 폭발이나 전해액 누출과 같은 사고를 사전에 예방할 수 있다.
따라서, 배터리 팩의 안전성을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링 방지방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링을 방지하는 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링 방지 방법을 설명하기에 앞서, 배터리 셀의 스웰링에 관하여 설명하도록 한다.
배터리 셀의 스웰링 또는 스웰링 현상은 셀 내부의 압력이 급격히 증가하게 되어 배터리 셀의 외장케이스가 급격이 부풀어 오르는 현상을 말한다. 이러한 스웰링 현상은 리튬 이온 배터리 셀 전극의 발열이나 발화로 인해 가스가 생성되거나 과전압에 의한 전해액의 밴해로 인하여 가스가 생성되는 경우 등과 같이 주로 셀 내부의 가스 생성으로 인해 발생할 수 있다.
여기서 셀 전극의 지속적인 발열로 인하여 기준온도 이상으로 고온상태와 배터리 셀의 셀전압이 기준전압 이상으로 장시간 유지되는 조건에서 배터리 셀의 스웰링 현상이 급속도로 진행될 가능성이 높아진다.
일반적으로 노트북은 배터리가 완충된 상태에서 전원공급 없이 사용할 수 있도록 제조되었으나, 대다수의 노트북 사용자들은 노트북의 배터리를 충전하면서 동시에 노트북을 사용하는 경우가 많아 배터리 셀의 스웰링 현상이 발생할 가능성이 매우 높다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링 방지 방법은, 이러한 경우에서 배터리 셀의 스웰링을 방지하고자 하는 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링 방지 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀의 스웰링 방지 방법은 배터리 셀의 온도 및 셀전압을 측정하는 측정단계(S100), 측정된 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준값 이상인지를 판단하는 판단단계(S200), 측정된 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준값 이상인 시점부터 시간을 카운팅하는 카운팅단계(S300), 셀을 충전하는 충전전압을 기 설정된 설정전압만큼 강하시킨 강하충전전압으로 배터리 셀을 충전하는 셀 충전단계(S400), 상기 강하충전전압을 최소 충전전압 이상으로 유지하는 최소 충전전압 유지단계(S500)을 포함하여 구성된다.
상기 측정단계(S100)는, 셋팅되어 있는 충전전압(CV)으로 충전중인 배터리 셀의 현재 온도 및 현재 셀전압을 측정한다. 이 때, 상기 충전전압(CV)는 현재 배터리 셀을 충전하는 전압이다.
여기서 셋팅되어 있는 충전전압(CV)은 배터리 셀의 제조 단계에서 사양에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 노트북 배터리를 충전하는 경우, 충전전압(CV)는 어댑터 및 충전회로를 거쳐서 입력되는 5V일 수 있으며, 또는 배터리 셀의 종류에 따라 충전전압(CV)는 12V일 수도 있다.
상기 판단단계(S200)는, 상기 측정단계(S100)에서 측정된 배터리 셀의 현재 온도 및 현재 셀전압을 기 설정되어 있는 배터리 셀의 기준 온도 및 기준 셀전압과 각각 비교하는 단계이다.
여기서, 배터리 셀의 기준 온도는 그 이상일 경우 배터리 셀이 고온 노출로 인해 가스발생이 활발해 질 수 있는 온도를 의미하는 것이고, 기준 셀전압은 배터리 셀의 설계 단계에서 설정되는 적정 전압을 의미하는 것이다.
따라서, 상기 판단단계(S200)는 측정된 배터리 셀의 현재 온도 및 현재 셀전압을 배터리 셀의 기준 온도 및 기준 셀전압과 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 배터리 셀에 이상 상황이 발생할 수 있는지의 여부를 판단하는 것이다.
여기서, 상기 판단단계(S200)에서 배터리 셀의 온도가 기준 온도 미만 이거나, 셀전압이 기준 셀전압 미만인 경우에는 현재 배터리 셀을 충전하는 전압인 충전전압(CV)으로 배터리 셀을 충전하는 상태가 유지되도록 하는 충전전압 유지단계(S210)가 동작된다.
상기 카운팅단계(S300)는, 상기 판단단계(S200)에서 현재 배터리 셀의 온도가 기준 온도 이상이고, 셀전압이 기준 셀전압 이상인 것으로 판단되면 그 시점부터의 시간을 카운팅하는 단계이다.
상기 카운팅단계(S300)에서 카운팅되는 시간이 기준시간 미만으로 카운팅되는 경우에는, 현재 배터리 셀을 충전하고 있는 전압인 충전전압(CV)으로 배터리 셀이 충전되도록 그 충전전압을 유지(S210) 하도록 한다.
여기서, 상기 기준시간은, 배터리 셀의 온도와 셀전압이 기준온도 및 기준 셀전압 이상 장시간 유지되어 그 이상이 되는 경우, 스웰링 현상이 급속도로 진행될 수 있는 시간을 의미하는 것이다.
상기 셀 충전단계(S400)는, 상기 카운팅단계(S300)에서 카운팅되는 시간이 상기 기준시간 이상인 경우에 현재 배터리 셀이 충전되고 있는 충전전압(CV)에서 기 설정된 설정전압(DV)만큼 강하하여 강하충전전압(NCV)을 계산한다.
강하충전전압은 하기의 (수학식 1)에 의해서 계산될 수 있다.
(수학식 1) 강하충전전압(NCV) = 충전전압(CV) - 설정전압(DV)
즉, 상기 카운팅되는 시간이 기준시간 이상이라는 것은, 현재 배터리 셀을 충전하는 전압인 충전전압(CV)으로 배터리 셀의 충전이 지속될 시 배터리 셀의 이상상태 지속으로 인하여 스웰링이 발생할 가능성이 매우 높은 것을 의미하므로, 현재 배터리 셀이 충전되고 있는 충전전압(CV)에서 기 설정된 설정전압(DV)만큼을 낮춘 전압인 강하충전전압(NCV)을 산출하여, 상기 강하충전전압(NCV)으로 배터리 셀을 충전하고자 하는 것이다.
따라서, 현재 배터리 셀이 충전되고 있는 충전전압(CV)의 값을 강하시킨 강하충전전압(NCV)으로 배터리 셀이 충전되도록 하여 지속적인 고충전전압 인가 및 이로 인한 셀의 온도 상승에 따른 스웰링 발생의 위험을 낮추고자 하는 것이다.
여기서, 상기 설정전압(DV)은 배터리 셀의 제조 시 그 값을 설정하도록 한다. 예를 들어 설명하면, 충전전압(CV)이 5V인 특정 배터리 셀의 경우 설정전압(DV)을 0.8V로 설정하여, 상기 강하충전전압(NCV)이 4.2V가 되도록 기기의 충전회로 또는 충전기에 전압강하회로를 구성할 수 있다. 이와 같은 전압강화회로는 공지의 기술을 사용하여 구성할 수 있다.
상기 셀 충전단계(S400)는, 상기 계산된 강하충전전압(NCV)로 상기 배터리 셀을 충전하게 되는데, 이 때, 상기 강하충전전압(NCV)이 상기 배터리 셀의 최소 충전전압(MCV) 이상인 경우에는 상기 강하충전전압(NCV)으로 배터리 셀을 충전(S410)하도록 하지만, 만약 상기 강하충전전압(NCV)이 배터리 셀의 최소 충전전압(MCV) 미만인 경우에는 상기 강하충전전압(NCV)이 아닌 최소 충전전압으로 충전하도록 하는 최소전압 유지단계(S500)가 동작한다.
여기서, 상기 최소 충전전압은 배터리 셀의 충전을 위하여 설정되는 충전전압 중 가장 작은 충전전압 값, 즉 배터리 셀을 충전할 수 있는 가장 작은 전압을 의미한다.
따라서, 현재 배터리 셀의 충전전압(CV)에서 기 설정된 설정전압(DV)을 강하시켜 계산된 강하충전전압(NCV)이 최소 충전전압(MCV)보다 작다면, 상기 강하충전전압(NCV)로는 배터리 셀의 충전을 진행할 수 없는 것으로 판단한다. 이에, 강하충전전압(NCV)으로는 배터리 셀의 충전을 진행할 수 없고, 현재 충전전압(CV)으로 배터리 셀의 충전을 진행하면 스웰링이 발생할 가능성이 매우 높으므로, 충전할 수 있는 충전전압 중 가장 작은 전압인 최소 충전전압으로 배터리 셀을 충전하도록 하여 스웰링 발생의 위험을 감소시키고자 하는 것이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링을 방지하는 배터리 팩에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링을 방지하는 배터리 팩의 구성을 간략하게 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링을 방지하는 배터리 팩(10)은, 배터리 셀(100), 온도 센싱부(200), 전압측정부(300), 측정된 배터리 셀의 온도 및 셀전압에 따라 충전전압을 제어하는 제어부(400)를 포함하여 구성되고, 상기 제어부(400)는 비교부(410), 카운팅부(420), 계산부(430), 충전전압 조절부(440)을 더 포함하여 구성된다.
상기 온도 센싱부(200)는 셋팅된 충전전압으로 상기 배터리 셀(100)이 충전을 시작하면 내부저항에 의해 상기 배터리 셀(100)의 온도가 상승하게 되는데, 이때의 상기 배터리 셀(100) 온도를 측정하는 온도센서를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 온도 센싱부(200)는 상기 배터리 셀(100)의 온도를 측정하기 위해서 배터리 셀(100) 외부에 온도센서가 부착되거나 배터리 셀(100)의 내부에 삽입되어 장착될 수 있으나 어느 하나에 한정되는 것은 아니며 단지 배터리 셀(100)의 온도를 측정하는 것이면 가능하다.
상기 전압측정부(300)는 상기 배터리 셀(100)의 음극 단자 및 양극 단자와 연결되어 충전중인 배터리 셀(100)의 전압을 측정하도록 구성된다.
상기 제어부(400)는 상기 배터리 셀(100)이 충전되는 충전전압을 제어할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 제어부(400)는 상기 배터리 셀(100)의 충전전압을 제어하기 위하여 비교부(410), 카운팅부(420), 계산부(430), 충전전압 조절부(440)을 더 포함하여 구성된다.
상기 비교부(410)는 상기 온도 센싱부(200)에서 측정되는 배터리 셀(100)의 온도와 기준 온도를 비교하고, 상기 전압측정부(300)에서 측정되는 셀전압을 기준전압과 비교하여, 상기 측정된 배터리 셀의 온도와 상기 측정된 셀전압이 기준 온도 및 기준 전압의 각각 그 이상인 경우에는 카운팅 신호를 생성하여 상기 카운팅부(420)으로 전송한다.
반면, 상기 온도 센싱부(200)에서 측정된 온도가 기준 온도 미만으로 측정되거나 상기 전압측정부(300)에서 측정된 셀전압이 기준 전압 미만으로 측정되는 경우에는, 후술하는 충전전압 조절부(440)로 충전전압 유지신호를 전송하여 상기 배터리셀(100)이 현재 배터리 셀을 충전하는 전압인 충전전압(CV)으로 충전 유지되도록 한다.
여기서, 기준온도는 배터리 셀(100)이 그 온도 이상으로 장시간 노출되는 경우에 상기 배터리 셀(100) 내부에 온도에 의한 화학작용이 가속화되어 반응가스가 급속도로 발생할 수 있는 온도를 나타내는 것이고, 기준 셀전압은 배터리가 적정수준 이상으로 충전되어 장시간 높은 전압을 유지하는 경우 상기 배터리 셀(100)의 내부에서 전기적 반응에 의한 반응 가스가 급속도로 발생할 수 있는 전압을 나타내는 것이다.
따라서, 현재 배터리 셀의 온도와 셀전압이 상기 기준 온도 및 기준 전압을 각각 모두 이상인 경우는, 이러한 상황이 지속될 경우 배터리 셀에 스웰링이 발생할 가능성이 매우 높은 것으로 판단하여 후술하는 카운팅부(420)가 이 판단 시점부터 현재 배터리 셀의 온도 및 셀전압 상태가 지속되는지 그 시간을 카운트하여 배터리 셀의 이상상태 여부를 판단하도록 하고자 하는 것이다.
여기서, 현재 배터리 셀의 상기 기준 온도 및 기준 셀전압은 배터리 셀(100)의 사양에 따라 다르게 설정하는 것이 가능하다.
상기 카운팅부(420)는, 상기 비교부(410)로부터 카운팅 신호가 전송된 시점부터 카운팅을 시작하여 상기 배터리 셀(100)의 온도 및 셀전압이 기준값 이상으로 유지되는 시간을 카운팅 하게 된다.
또한, 상기 카운팅부는 카운팅이 시작되면 초단위(s)로 카운트하는 초단위 카운터(421)와 상기 초단위 카운터가 카운팅을 시작하여 일정시간 지나면 시간단위(h)를 추가하여 카운팅하는 시간단위 카운터(422)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 카운팅부(420)에서 카운팅되는 시간이 기준시간 이상이면 상기 카운팅부(420)는 시간초과 신호를 상기 계산부(430)로 전송한다.
반면, 상기 카운팅부(420)에서 카운팅되는 시간이 기준시간 미만인 경우에는 상기 카운팅부(420)는 후술하는 충전전압 조절부(440)로 충전전압 유지신호를 전송하여 상기 배터리 셀(100)이 셋팅된 충전전압으로 충전되도록 한다.
여기서, 상기 충전전압(CV)은 현재 배터리 셀을 충전하는 전압을 의미한다.
또한, 여기서, 기준시간은 상기 배터리 셀(100)이 기준 온도와 기준 전압 이상에 노출되어 상기 배터리 셀(100)의 내부에 반응가스가 급속도로 증가될 수 있는 노출시간을 나타내는 것이다.
계산부(430)는 상기 카운팅부(420)로부터 시간초과 신호를 전송 받게 되면 현재 배터리 셀을 충전하는 전압인 충전전압(CV)을 설정전압(DV)만큼 강하된 전압인 강하충전전압(NCV)을 계산하게 된다.
상기 강하충전전압(NCV)는 하기의 (수학식 1)에 의해 계산될 수 있다.
(수학식 1) 강하충전전압(NCV) = 충전전압(CV) - 설정전압(DV)
즉, 상기 시간초과 신호가 전송되었다는 것은 현재 배터리 셀을 충전하고 있는 충전전압(CV)으로 충전이 지속될 시, 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 셀전압 이상상태의 지속으로 인하여 스웰링이 발생할 위험이 매우 높은 것으로 판단하여 현재 배터리 셀을 충전하고 있는 충전전압(CV)을 낮춰야 하는 것으로 판단한다.
따라서, 현재 배터리 셀이 충전되고 있는 충전전압(CV)에서 기 설정된 설정전압(DV)만큼을 낮춘 전압인 강하충전전압(NCV)을 산출하여, 상기 강하충전전압(NCV)으로 배터리 셀이 충전되도록 하고자 하는 것이다.
여기서, 설정전압은 배터리 팩 제조 시 설정하여 변경할 수 있으며, 배터리 셀을 충전시키는 충전전압을 낮추어 배터리 셀의 온도 및 셀전압을 낮추도록 하기 위하여 설정되는 것이다.
또한, 상기 계산부(430)는 계산된 강하충전전압 값을 후술하는 충전전압 조절부(440)로 전송하도록 구성된다.
충전전압 조절부(440)는 상기 계산된 강하충전전압 값으로 배터리 충전전압을 변경하여, 상기 배터리 셀이 강하충전전압(NCV)으로 충전되도록 한다. 이와 같은 충전전압의 조절은 공지의 전압강화회로를 통하여 구현될 수 있으며, 배터리가 장착되는 기기에 구성되거나, 충전기의 출력단에 구현하고, 기기와 충전기 간의 데이터 통신을 통하여 충전기가 출력전압을 강하충전전압으로 변경하도록 구성될 수도 있다.
또한, 상기 충전전압 조절부(440)는 상기 비교부(410) 및 카운팅부(420)로부터 충전전압 유지신호를 전송받은 경우에는, 그 충전전압 유지신호를 바탕으로 현재 배터리 셀을 충전하는 충전전압(CV)으로 배터리 셀이 충전 유지되도록 한다.
또한, 상기 충전전압 조절부(440)는 상기 계산부(430)로부터 전송된 전압 값이 최소 충전전압 이상인 경우에는 상기 계산된 강하충전전압으로 상기 배터리 셀(100)이 충전되도록 하고, 상기 계산부(430)로부터 전송된 강하충전전압(NCV) 값이 최소 충전전압 미만인 경우에는 상기 배터리 셀(100)이 최소 충전전압(MCV)으로 충전되도록 상기 배터리 셀(100)의 충전전압을 조절하도록 한다.
여기서, 상기 최소 충전전압은 배터리 셀의 충전을 위하여 설정되는 충전전압 중 가장 작은 충전전압 값, 즉 배터리 셀을 충전할 수 있는 가장 작은 전압을 의미한다.
따라서, 현재 배터리 셀의 충전전압(CV)에서 기 설정된 설정전압(DV)을 강하시켜 계산된 강하충전전압(NCV)이 최소 충전전압보다 작다면, 상기 강하충전전압(NCV)으로는 배터리 셀의 충전을 진행할 수 없는 것으로 판단한다. 이에, 강하충전전압(NCV)으로는 배터리 셀의 충전을 진행할 수 없고, 현재 충전전압(CV)으로 배터리 셀의 충전을 진행하면 스웰링이 발생할 가능성이 매우 높으므로, 충전할 수 있는 충전전압 중 가장 작은 전압인 최소 충전전압으로 배터리 셀이 충전되도록 하여 스웰링 발생의 위험을 감소시키고자 하는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링 방지 방법에 의해서 배터리 셀은 기준온도 및 기준 셀전압 이상을 기준시간 이상으로 유지하는 경우에 충전전압(CV)을 강하하여 배터리 셀을 충전함으로써 배터리 셀의 온도를 낮추고 셀전압을 기준전압 이하로 낮추어 배터리 셀이 스웰링 발생 조건을 벗어나도록 하여 스웰링 현상이 발생하는 것을 사전에 방지 할 수 있도록 하는 것이다.
10: 배터리 팩
100: 배터리 셀
200: 온도 센싱부
300: 전압측정부
400: 제어부
410: 비교부
420: 카운팅부
430: 계산부
440: 전압조절부

Claims (10)

  1. 충전중인 배터리 셀의 온도 및 셀전압을 측정하는 측정단계;
    상기 측정된 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 셀전압 이상인지 판단하는 판단단계;
    상기 측정된 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 각각 기준 온도 및 기준 셀전압 이상인 경우, 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 셀전압 이상이 되는 시점부터 시간을 카운팅하는 카운팅 단계;
    상기 카운팅되는 시간이 설정된 기준 시간 이상인 경우, 상기 배터리 셀의 충전전압(CV)을 기 설정된 설정전압(DV)만큼 강하시킨 강하충전전압(NCV)으로 상기 배터리 셀을 충전하는 셀 충전단계; 및
    상기 강하충전전압(NCV)을 기 설정된 최소 충전전압(MCV) 이상으로 유지하는 최소 충전전압 유지단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 스웰링 방지 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판단단계에서,
    상기 측정된 배터리 셀의 온도 또는 셀 전압이 기준 온도 또는 기준 셀 전압 미만인 경우에, 상기 충전전압을 유지하여 상기 배터리 셀을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 스웰링 방지 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카운팅단계에서,
    상기 카운팅되는 시간이 기준 시간 미만인 경우에는, 상기 충전전압(CV)을 유지하여 상기 배터리 셀을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 스웰링 방지 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀 충전단계에서,
    상기 강하충전전압(NCV)은 하기의 수학식 1에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 스웰링 방지 방법.
    (수학식 1)
    강하충전전압(NCV) = 충전전압(CV) - 설정전압(DV)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 최소 충전전압 유지단계는,
    상기 셀 충전단계에서 강하충전전압(NCV)이 최소 충전전압(MCV) 이상인 경우에는 강하충전전압(NCV)으로 상기 배터리 셀을 충전하고, 강하충전전압(NCV)이 최소 충전전압(MCV) 미만인 경우에는 최소 충전전압(MCV)으로 상기 배터리 셀을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 스웰링 방지 방법.
  6. 배터리 셀;
    상기 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센싱부;
    상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하는 전압측정부;
    상기 온도 센싱부 및 전압측정부로부터 획득한 온도 및 전압에 따라, 충전전압(CV)을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도 센싱부 및 전압측정부로부터 측정되는 배터리 셀의 온도 및 셀전압과 기준 온도 및 기준 전압을 각각 비교하는 비교부; 상기 측정된 온도 및 셀전압이 기준 온도 및 기준 전압 이상인 시점으로부터 시간을 카운팅하는 카운팅부; 및 상기 카운팅부에서 카운팅 되는 시간이 기준시간 이상인 경우, 충전전압을 기 설정된 전압만큼 강하하는 계산부; 및 충전전압을 조정하는 충전전압 조절부; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

  7. 제6항에 있어서,
    상기 비교부는,
    상기 온도 센싱부 및 전압측정부로부터 측정되는 배터리 셀의 온도 및 셀전압과 기준 온도 및 기준 셀전압을 각각 비교하여, 상기 측정되는 배터리 셀의 온도 및 셀전압이 각각 기준 온도 및 기준 셀전압 이상인 경우에는 상기 카운팅부로 카운팅 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 카운팅부는,
    상기 비교부로부터 카운팅 신호가 전송된 시점부터 시간을 초단위로 카운팅하는 초단위 카운터와 초단위 카운터에서 카운트 되는 시간이 설정 시간 이상인 경우에 추가로 카운트되는 시간단위 카운터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 계산부는,
    상기 카운팅부에서 카운팅 되는 시간이 기준 시간 이상인 경우에, 기 설정된 전압만큼 충전전압을 강하시킨 강하충전전압을 하기의 수학식 1에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
    (수학식 1)
    강하충전전압(NCV) = 충전전압(CV) - 설정전압(DV)
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 충전전압 조절부는,
    상기 계산부에서 계산된 강하충전전압으로 상기 배터리 셀이 충전되도록 충전전압을 조정하고, 상기 강하충전전압이 최소 충전전압 미만으로 계산되는 경우에는 최소 충전전압으로 상기 배터리 셀이 충전되도록 충전전압을 조정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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