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KR102730913B1 - 배터리 충전 방법 및 장치 - Google Patents

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KR102730913B1
KR102730913B1 KR1020170016870A KR20170016870A KR102730913B1 KR 102730913 B1 KR102730913 B1 KR 102730913B1 KR 1020170016870 A KR1020170016870 A KR 1020170016870A KR 20170016870 A KR20170016870 A KR 20170016870A KR 102730913 B1 KR102730913 B1 KR 102730913B1
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Abstract

배터리의 SOC와 배터리의 음극의 OCV 사이의 함수 관계를 바탕으로 미리 결정된 복수의 충전 구간 중 배터리의 현재 충전율이 위치하는 제1 충전 구간을 결정하는 단계, 그리고 제1 충전 구간에 대응하는 제1 충전율로 제1 충전 구간 동안 배터리를 충전하는 단계를 통해 배터리를 충전하는 방법 및 장치가 제공된다.

Description

배터리 충전 방법 및 장치{Method and apparatus for charging battery}
본 기재는 다단계로 충전율의 크기를 변화시켜서 배터리를 충전하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
배터리의 충전 속도를 향상하기 위한 다양한 방식의 충전 알고리즘이 존재한다. 일반적으로, 정전류-정전압(constant current-constant voltage, CC-CV) 충전 방식이 변형되거나 CC-CV 충전 방식과 유사한 방식이 조합되고 있으며, 펄스 충전(pulse charging), 부스트 충전(boost charging), 그리고 다단계 정전류(multi-stage CC) 충전과 같은 알고리즘이 존재한다.
펄스 충전 방식은 일정한 시간 동안 큰 전류를 배터리에 인가한 후, 휴지시간(또는 방전 시간)을 두는 방식이다. 펄스 충전 방식에 따르면, 충전 초기에 인가되는 높은 수준의 전류를 통해 활물질 표면의 리튬 이온의 농도를 높여서 최대 확산 속도를 확보하고, 방전(relaxation)을 통해 리튬 이온 농도 분포를 완화시킴으로써 추가적인 부반응을 억제할 수 있다. 하지만 펄스 충전 방식에는 듀티 사이클(duty cycle)로 대표되는, '실제 충전이 이루어지지 않는 구간(휴지 또는 방전 구간)'이 필연적으로 포함되게 되어 충전 속도 향상에 한계가 있다.
부스트 충전 방식은, 초기에 높은 전류를 인가하여 고전압을 형성하고, 일정한 시간 동안 정전압으로 충전한 후, CC-CV 충전을 진행하는 방식이다. 부스트 충전 방식에 따르면, 완전 방전된 배터리는 충전 초반에 고율 적응 성능이 우수하므로, 충전율 30%까지는 정전압 충전을 진행하고, 이후 후반부 정전압 구간의 전압보다 높은 전압을 설정하여 높은 전류로 충전이 수행될 수 있다. 부스트 충전 방식은, 충전 초기의 높은 전류 적용 단계를 감안하면, 거의 완전 방전에 가까운 배터리 초기 상태가 요건이 될 수 밖에 없다.
다단계 정전류 방식은, 시간 축을 복수의 구간로 구분하고, 각 구간이 진행될수록 높은 전류에서 낮은 전류를 인가하는 방식이다. 각 구간의 구분은 미리 결정된 임계 전압에 따르며, 충전 전압이 임계 전압에 도달하면 전류의 크기를 변경한다(즉, 더 낮은 전류를 인가한다). 구간 별 전류의 크기는 다양한 최적화 도구(optimization tool)에 의해 결정되고, 일반적으로 1차 프로파일이 적용된 이후 방전 특성을 검토하는 과정을 반복하여 최적의 패턴이 결정될 수 있다. 전압을 통한 각 단계의 구분 및 전류 세기의 변경을 통해서 다양한 형태의 알고리즘이 도출될 수 있다. 다단계 정전류 방식에서 핵심적인 것은, 충전 속도를 최대화 하면서 배터리 용량을 유지할 수 있는 구간을 설정하는 것과, 구간 별 충전율 세기를 결정하는 것이다. 종래 시도 및 오류(trial and error) 방식은 초기에 입력된 충전 조건을 바탕으로 방전 특성을 확인한 후 이를 통해 충전 조건을 조정하는 알고리즘인데, 이때, 인가 전류에 따른 배터리의 상태(온도, 온도 변화, 전압, 또는 전압 변화)가 측정되고, 이에 따라 전류의 크기가 조정되므로, 알고리즘 확정을 위한 시간 및 실험 비용이 크고, 적응적 방식(adaptive scheme)의 제어를 위해서 부가 시스템이 필연적으로 동반되므로, 적용 복잡도가 증가한다.
일 실시예는 다단계 정전류 방식을 이용하여 배터리를 충전하는 방법을 제공한다.
다른 실시예는 다단계 정전류 방식을 이용하여 배터리를 충전하는 장치를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 배터리의 충전 방법이 제공된다. 상기 배터리 충전 방법은, 배터리의 충전 상태(state of charge, SOC)와 배터리의 음극의 개회로 전압(open circuit voltage, OCV) 사이의 함수 관계를 바탕으로 미리 결정된 복수의 충전 구간 중 배터리의 현재 충전율이 위치하는 제1 충전 구간을 결정하는 단계, 그리고 제1 충전 구간에 대응하는 제1 충전율로 제1 충전 구간 동안 배터리를 충전하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 충전 방법은, 제1 충전 구간이 종료되면 제1 충전 구간의 다음 구간인 제2 충전 구간에 대응하는 제2 충전율로 제2 충전 구간 동안 배터리를 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 충전 방법은, 제1 충전 구간이 복수의 충전 구간 중 마지막 충전 구간이거나, 또는 제1 충전 구간의 다음 구간인 제2 충전 구간이 마지막 충전 구간이면, 배터리의 충전 전압이 미리 결정된 전압값에 도달하였는지 모니터링 하는 단계, 그리고 충전 전압이 미리 결정된 전압값에 도달하면, 충전 상한 전압을 배터리로 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 충전 방법에서, 복수의 충전 구간은, 복수의 충전 구간 내에 포함된, 함수 관계의 미분 그래프의 극소점 또는 극대점을 기준으로 적용되는 미리 결정된 높이를 갖는 윈도우에 의해 결정되고, 미리 결정된 높이는 충전 프로세서의 복잡도에 따라서 미리 결정될 수 있다.
상기 배터리 충전 방법에서, 미리 결정된 높이는 0.6 보다 크지 않은 값으로 미리 결정될 수 있다.
상기 배터리 충전 방법에서, 미리 결정된 높이가 크면, 윈도우의 너비가 증가되어 복수의 충전 구간의 각각의 길이가 길어지고, 미리 결정된 높이가 작으면, 윈도우의 너비가 감소되어 복수의 충전 구간의 각각의 길이가 짧아질 수 있다.
상기 배터리 충전 방법에서, 미리 결정된 높이가 크면, 윈도우의 너비가 증가되어 복수의 충전 구간의 개수가 줄어들고, 미리 결정된 높이가 작으면, 윈도우의 너비가 감소되어 복수의 충전 구간의 개수가 늘어날 수 있다.
상기 배터리 충전 방법에서, 제1 충전율의 크기는, 제1 충전 구간 동안 일정하게 유지되고, 제1 충전 구간의 종점에서 배터리의 음극의 전위와 배터리의 전해액의 전위의 차이가 미리 결정된 값보다 작게 되도록 결정될 수 있다.
상기 배터리 충전 방법에서, 미리 결정된 값은, 2×10-6 [V]일 수 있다.
상기 배터리 충전 방법에서, 제1 충전율의 크기는, 제1 충전 구간 동안 일정하게 유지되고, 제1 충전 구간 동안 배터리의 음극의 전위와 배터리의 전해액의 전위의 차이가 항상 0보다 크게 되도록 결정될 수 있다.
상기 배터리 충전 방법에서, 제1 충전율의 크기는, 제2 충전율의 크기보다 클 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 배터리의 충전 장치가 제공된다. 상기 배터리 충전 장치는, 프로세서, 메모리, 그리고 충전 인터페이스를 포함하고, 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램을 실행하여, 배터리의 충전 상태(state of charge, SOC)와 배터리의 음극의 개회로 전압(open circuit voltage, OCV) 사이의 함수 관계를 바탕으로 미리 결정된 복수의 충전 구간 중 배터리의 현재 용량이 위치하는 제1 충전 구간을 결정하는 단계, 그리고 제1 충전 구간에 대응하는 제1 충전율로 제1 충전 구간 동안 배터리를 충전하는 단계를 수행한다.
상기 배터리 충전 장치에서 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램을 실행하여, 제1 충전 구간이 종료되면 제1 충전 구간의 다음 구간인 제2 충전 구간에 대응하는 제2 충전율로 제2 충전 구간 동안 배터리를 충전하는 단계를 더 수행할 수 있다.
상기 배터리 충전 장치에서 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램을 실행하여, 제1 충전 구간이 복수의 충전 구간 중 마지막 충전 구간이거나, 또는 제1 충전 구간의 다음 구간인 제2 충전 구간이 마지막 충전 구간이면, 배터리의 충전 전압이 미리 결정된 전압값에 도달하였는지 모니터링 하는 단계, 그리고 충전 전압이 미리 결정된 전압값에 도달하면, 충전 상한 전압을 배터리로 인가하는 단계를 더 수행할 수 있다.
상기 배터리 충전 장치에서 복수의 충전 구간은, 복수의 충전 구간 내에 포함된, 함수 관계의 미분 그래프의 극소점 또는 극대점을 기준으로 적용되는 미리 결정된 높이를 갖는 윈도우에 의해 결정되고, 미리 결정된 높이는 충전 프로세스의 복잡도에 따라서 미리 결정될 수 있다.
상기 배터리 충전 장치에서 미리 결정된 높이는 0.6 보다 크지 않은 값으로 미리 결정될 수 있다.
상기 배터리 충전 장치에서 미리 결정된 높이가 크면, 윈도우의 너비가 증가되어 복수의 충전 구간의 각각의 길이가 길어지고, 미리 결정된 높이가 작으면, 윈도우의 너비가 감소되어 복수의 충전 구간의 각각의 길이가 짧아질 수 있다.
상기 배터리 충전 장치에서 미리 결정된 높이가 크면, 윈도우의 너비가 증가되어 복수의 충전 구간의 개수가 줄어들고, 미리 결정된 높이가 작으면, 윈도우의 너비가 감소되어 복수의 충전 구간의 개수가 늘어날 수 있다.
상기 배터리 충전 장치에서 제1 충전율의 크기는, 제1 충전 구간 동안 일정하게 유지되고, 제1 충전 구간의 종점에서 배터리의 음극의 전위와 배터리의 전해액의 전위의 차이가 미리 결정된 값보다 작게 되도록 결정될 수 있다.
상기 배터리 충전 장치에서 미리 결정된 값은, 2×10-6 [V]일 수 있다.
상기 배터리 충전 장치에서 제1 충전율의 크기는, 제1 충전 구간 동안 일정하게 유지되고, 제1 충전 구간 동안 배터리의 음극의 전위와 배터리의 전해액의 전위의 차이가 항상 0보다 크게 되도록 결정될 수 있다.
상기 배터리 충전 장치에서 제1 충전율의 크기는, 제2 충전율의 크기보다 클 수 있다.
배터리 음극 소재의 OCV 변화를 바탕으로 결정된, 충전 구간 및 각 충전 구간에 대응하는 충전율에 따라서 배터리를 충전함으로써, 배터리의 리튬 플레이팅 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리의 SOC와 음극의 OCV 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리의 SOC와 음극의 OCV 간의 관계에 따라 결정된 충전 구간을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 충전 구간 별 충전율을 결정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 충전 구간 별 충전율 및 dphisl을 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 실제 충전 시 적용되는 충전율 및 dphisl와, 충전 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 LCO/Ni-Sn 배터리 셀에 적용된 충전 구간 및 충전율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 LCO/Ni-Sn 배터리 셀의 충전 전압 변화를 비교한 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 LCO/Ni-Sn 배터리 셀의 SEI 박막의 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀에 적용된 충전 구간을 나타낸 그래프이다.
도 11은 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀의 용량 보유율 간 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12a 내지 도 12c는 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀에 적용된 충전 구간, 충전율, 그리고 시간에 따른 dphisl의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀의 충전 전압 변화를 비교한 그래프이다.
도 14는 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀의 SEI 박막의 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15는 일 시예에 따른 배터리 충전 장치를 나타낸 블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 기재의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 기재는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 기재에서 배터리는 다단계 정전류 충전 방식에 기반하여 충전된다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치는, 먼저 현재 배터리의 충전량(충전 상태 또는 충전 전압)을 확인하고, 잔여 충전량에 대응하는 충전 구간을 선택한다(S110).
일 실시예에 따르면, 배터리를 충전하기 위한 복수의 충전 구간은 충전 상태(state of charge, SOC)와 배터리의 음극 소재의 개회로 전압(open circuit voltage, OCV) 간의 관계를 바탕으로 결정된다. 아래에서는 도 2 및 도 3을 통해 일 실시예에 따른 충전 구간에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리의 SOC와 음극의 OCV 간의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 3은 일 실시예에 따른 배터리의 SOC와 음극의 OCV 간의 함수 관계 및 함수 관계에 따라 결정된 충전 구간을 나타낸 도면이다.
도 2에서, x축은 배터리의 SOC를 나타내고, y축은 배터리의 음극의 OCV를 나타낸다. 배터리의 SOC는 음극 내의 Li의 비율에 따라 결정된다. 도 2를 참조하면, 음극의 OCV는 SOC가 증가함에 따라서 감소한다. 즉, 충전이 진행되면, 음극 활물질(고체)의 전위(phis)는 감소하고, 이와 반대로 전해질(액체)의 전위(phil)는 리튬 양이온의 공급으로 인해 증가한다. 이때, 음극 활물질의 전위와 전해질의 전위가 같아지게 되면(phis=phil) 리튬 양이온이 석출될 수 있다. 따라서, 음극 활물질 내 Li 농도에 따른 OCV의 감소 거동의 변화를 분석하여 리튬-플레이팅(Li-plating) 현상을 방지할 수 있다. 리튬 플레이팅 현상은, 음극으로 공급된 리튬 양이온(Li+)이 음극에서 빠르게 흡수되지 못하고 축적되어 리튬 금속으로 석출되는 현상이며, 높은 수준의 충전율(즉, 고율(high current rate, high C-rate))을 적용하여 배터리를 충전할 때 고려되어야 할 가장 큰 문제점 중 하나이다. 리튬 플레이팅 현상이 발생하면, 불균일한 리튬 결정(Li-dendrite)이 형성되고, 배터리 단락(short)이 발생하며, 배터리 수명 감소 및 배터리 폭발로 이어질 수 있다. 리튬 플레이팅은 배터리를 충전할 때, 음극 활물질의 전위와 전해질의 전위 차이가 0에 가까운 경우에 발생한다. 따라서 리튬 플레이팅은 음극 활물질 내 리튬 농도에 따른 음극의 전위 변화를 통해 추정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리의 충전을 위한 복수의 충전 구간은 음극의 OCV 감소 양상(예를 들어, SOC-OCV 그래프의 기울기 또는 dOCV/dSOC 그래프)이 변하는 지점에 따라서 구분될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 충전 구간은, SOC(또는 시간)에 따라서 음극의 OCV의 기울기를 분석하고, 기울기의 차이가 미리 결정된 값이 되는 지점을 기준으로 구분될 수 있다.
일 실시예에 따르면 SOC에 대한 OCV의 함수 관계를 미분한 미분 그래프(일점쇄선)에서, 극점이 결정된다. 그리고 극소점이 있다면, 먼저 극소점을 기준으로 충전 구간이 결정된다. 도 3을 참조하면, 미분 그래프 상의 포인트 P1 및 포인트 P2가 극소점에 해당한다. 그리고 각 극소점을 기준으로 높이가 S0인 윈도우(+ 방향 윈도우)가 적용된다.
일 실시예에 따르면 윈도우는 미리 결정된 높이 S0를 갖고, 윈도우의 너비는 윈도우의 위쪽 변 또는 아래 쪽 변과, 미분 그래프가 만나는 지점에 의해 결정된다. 윈도우의 높이 S0--는 미리 결정되는 값으로서, 충전 프로세스의 복잡도에 따라서 0.6보다 크지 않은 값으로 미리 결정된다. 예를 들어, S0가 크면 윈도우의 너비가 증가되어 충전 구간의 길이가 길어지고, 충전 프로세스에 포함되는 충전 구간의 개수가 줄어든다. S0가 작으면 윈도우의 너비가 감소되어 충전 구간의 길이가 짧아지고, 충전 프로세스에 포함되는 충전 구간의 개수가 늘어난다. 따라서, 충전 프로세스를 단순하게 조정할 필요가 있다면, 윈도우의 높이 S0는 큰 값으로 미리 결정되고, 충전 프로세스를 정교하게 조정할 필요가 있다면, 윈도우의 높이 S0는 작은 값으로 미리 결정된다.
도 3을 참조하면 포인트 P1에 높이 S0의 윈도우가 적용된 결과로 두 번째 충전 구간의 오른쪽 경계가 결정되고, 포인트 P2에 높이 S0-의 윈도우가 적용된 결과로 다섯 번째 충전 구간의 양쪽 경계가 결정된다. 포인트 P1의 왼쪽 경계는, 포인트 P1에 적용되는 윈도우 내에 극대점도 존재하므로, 극대점에 의해 결정될 수 있다.
다음, 극대점을 기준으로 높이 S0-의 윈도우가 적용된다. 도 3을 참조하면, 미분 그래프 상의 포인트 P3 및 P4가 극대점에 해당한다. 그리고 극대점의 y축 값을 기준으로 높이가 S0인 윈도우(- 방향 윈도우)가 적용된다. 이에 따라 두 번째 충전 구간의 왼쪽 경계 및 네 번째 충전 구간의 왼쪽 경계가 결정된다. 도 3에서, 첫 번째 충전 구간의 오른쪽 경계는 앞서 결정된 두 번째 충전 구간의 왼쪽 경계와 같고, 세 번째 충전 구간의 양쪽 경계는 앞서 결정된 두 번째 충전 구간의 오른쪽 경계 및 네 번째 충전 구간의 왼쪽 경계와 같다. 즉, 일 실시예에 따르면 단조 증가 또는 단조 감소인 충전 구간(세 번째 충전 구간)의 경계는 다른 충전 구간의 경계에 의해 결정될 수 있다. 또한 OCV의 변화량이 작은 구간(여섯 번째 충전 구간)에서는 극소점 또는 극대점의 존재에도 불구하고 충전 구간이 구분되지 않을 수 있다. 또한 여섯 번째 충전 구간의 마지막은 정전압 구간으로써 다른 기준으로 구간이 결정될 수 있고 아래에서 상세히 설명한다.
이때, 극소점과 극대점이 미리 결정된 범위 내에 포함된다면(즉, 극소점 및 극대점의 간격이 좁은 경우), 극대점에 의한 경계 결정이 생략될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 극소점 P1 및 극대점 P4가 미리 결정된 범위 내에 포함되면, 극소점 P1을 기준으로 한 높이 S0인 윈도우(+ 방향 윈도우)에 의해 두 번째 충전 구간의 양쪽 경계가 결정되거나, 극소점 P1보다 y축 값이 S0만큼 큰 윈도우(+ 방향 윈도우)에 의해 두 번째 충전 구간의 오른쪽 경계가 결정되고 극소점 P1보다 y축 값이 S0만큼 작은 윈도우(- 방향 윈도우)에 의해 두 번째 충전 구간의 왼쪽 경계가 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 경계에 해당하는 기울기와 극소점 또는 극대점 사이의 기울기의 차이를 나타내는 SO가 상대적으로 큰 값이면(예를 들어, 0.3), 각 충전 구간의 구간 길이가 길어지고 충전 구간의 개수는 감소하므로 충전 프로세스가 단순해질 수 있다. 반대로 S0가 상대적으로 작은 값이면(예를 들어, 0.05), 각 충전 구간의 구간 길이가 짧아지고 충전 구간의 개수가 늘어나서 배터리가 더 정교하게 충전될 수 있다. 한 실시예에서 충전 구간을 결정하기 위한 윈도우의 높이를 나타내는 S0는 미리 결정된 값(예를 들어 0.5) 보다 작은 값으로 결정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 각 구간 내에서 SOC-OCV 그래프의 기울기는 비교적 일정하게 유지되지만(구간 내의 기울기의 변화율≒0), 각 구간의 평균 기울기는 서로 다른 값을 갖는다. 즉, 각 구간의 경계의 기울기의 변화율은 각 구간 내의 기울기 변화율에 비해 상대적으로 큰 값을 갖는다(구간 경계의 기울기의 변화율>>0). 기울기의 변화율이 상대적으로 작은 값으로 유지되는 구간 내에서는 배터리 충전 장치가 비교적 용이하게 리튬-플레이팅 현상에 대응할 수 있다. 따라서, 배터리의 충전을 위한 복수의 충전 구간은, SOC-OCV 그래프의 기울기 또는 기울기의 변화율에 따라서 결정될 수 있고, 배터리의 충전 시 각 충전 구간의 경계는 충전 시간 또는 충전 전압에 따라서 구분될 수 있다.
이후, 배터리 충전 장치는, 선택된 충전 구간(제1 충전 구간)에 대응하는 충전율(제1 충전율)로 충전 구간 동안 배터리를 충전한다(S120). 이때, 제1 충전 구간은 n개의 충전 구간 중 m(m<n)번째 충전 구간일 수 있다. 이때, 충전율(C-rate)은 배터리의 용량 대비 충전 전류의 크기를 나타내는 값으로서, 충전 전류의 크기가 배터리의 용량과 같으면, 충전율은 1C이다.
각 충전 구간에 대응하는 충전율의 크기는 리튬 플레이팅 현상을 방지할 수 있는 최대 크기로 결정된다. 일 실시예에 따르면, 각 충전 구간에 대응하는 충전율의 크기는 음극과 분리막 표면의 고체/액체 간 전위차(dphisl)에 의해 결정된다. 고체/액체 간 전위차 dphisl은 아래 수학식 1과 같다.
Figure 112017012704297-pat00001
수학식 1에서 phis는 고체 전위, 즉 음극 전위이고, phil은 액체 전위, 즉 전해질 전위이다. dphisl은 항상 0보다 크게 유지되어야 하고, 배터리 셀의 설계/제작 조건 및 안정성을 고려하여 결정된다. 각 충전 구간의 종점에서 배터리의 dphisl은 0에 가깝게 된다. 배터리의 dphisl이 미리 결정된 dphisl 값(U0)(예를 들어, 2×10-6)에 도달하면, 배터리 충전 단계가 다음 충전 구간으로 변경되고 다른 크기의 충전율이 다음 충전 구간에 배터리에게 적용된다. 즉, 배터리 충전 장치는 제1 충전 구간이 종료된 후 제1 충전 구간의 다음 충전 구간인 제2 충전 구간 동안 제2 충전 구간에 대응하는 제2 충전율로 배터리를 충전한다. 이때, 다음 충전 구간의 충전율은 이전 충전 구간의 충전율보다 작다.
도 4는 일 실시예에 따른 충전 구간 별 충전율을 결정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 배터리 충전 시뮬레이션을 실행하기 전에 특정 충전 구간의 초기 충전율의 크기를 임의로 선택한다(S410). 이때 초기 충전율의 크기는 1C 이상으로 선택될 수 있다. 이후 초기 충전율을 바탕으로 특정 충전 구간의 배터리 충전 시뮬레이션을 실행하고(S420), 특정 충전 구간의 경계에서의 dphisl을 확인한다(S430).
특정 충전 구간의 경계의 dphisl이 U0 보다 크면 충전율의 크기를 증가시켜서 배터리 충전 시뮬레이션을 다시 실행한다(S440). dphisl이 U0 보다 크다는 것은 배터리가 아직 고율 충전을 견딜 여력이 있음을 의미하기 때문이다. 또는 특정 충전 구간의 경계의 dphisl이 U0 보다 작으면 충전율의 크기를 감소시켜서 배터리 충전 시뮬레이션을 다시 실행한다(S450). dphisl이 U0 보다 작다는 것은 배터리에 너무 큰 충전율이 적용되어 리튬플레이팅이 일어났음을 의미하기 때문이다. 이후 dphisl이 U0과 같아지면, 그때의 충전율 크기를 해당 충전 구간에서의 충전율로 결정하고, 다음 충전 구간의 충전율을 결정하기 위해 S410 단계부터 다시 시작한다.
도 5는 일 실시예에 따른 충전 구간 별 충전율 및 dphisl을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, x축은 시간을 나타내고, y축은 충전율 및 dphisl의 크기를 나타낸다. 이 때 충전율은 배터리의 1시간 방전시 전류 크기를 기준으로 한 상대 전류 크기이다. 도 5를 참조하면 높은 수준의 충전율이 적용되는 초기 충전 구간일수록 dphisl이 빠르게 감소하고 있음을 알 수 있다.
한편, 제1 충전 구간이 n개의 충전 구간 중 마지막 n번째 충전 구간이거나(m=n), 또는 제2 충전 구간이 마지막 충전 구간일 수 있다. 현재 충전 구간이 마지막 충전 구간인 경우, 배터리 충전 장치는 n번째 충전 구간에 대응하는 제n 충전율로 배터리를 충전하며, 충전 구간 동안 배터리의 충전 전압이 미리 결정된 전압값에 도달하였는지 배터리의 충전 전압을 모니터링 한다(S130). 이때, 미리 결정된 전압값은 충전 상한 전압(Vmax)에 대한 미리 결정된 비율(예를 들어, 99%)로 표현될 수 있으며, 미리 결정된 비율 및 충전 상한 전압은 양극, 음극, 그리고 전해질의 물성을 고려하여 결정된다. 또는 배터리 충전 장치가, 배터리의 노후 정도에 따라 또는 시간 경과에 따라 미리 결정된 비율을 적응적으로 낮출 수 있다.
배터리의 충전 전압이 미리 결정된 전압값에 도달하였다면, 배터리 충전 장치는 정전류의 인가를 중단하고, 충전 상한 전압을 배터리에 인가할 수 있다(정전압 단계). 이때, 정전압 단계로의 진입여부는, 배터리 셀의 설계 변수 및 가용한 최대 SOC의 범위에 따라서 결정될 수 있다. 정전압이 인가되는 경우, 배터리 충전 장치는 전류 하한치(일반적으로 O.O5C)를 기준으로 정전압 단계를 종료할 수 있다. 이후 정전압 단계의 종료로 배터리 충전이 종료되면, 전류 조절 장치에 의해 배터리로 인가되는 전류가 차단된다. 한편, 정전압 단계가 생략되는 경우, 배터리 충전 장치는 제n 충전율의 크기를 조절하여 충전 전압이 충전 상한 전압을 초과하지 않도록 할 수 있다. 즉, 요구되는 충전 SOC가 달성되는 시점에 배터리의 충전 전압이 충전 상한 전압에 도달할 수 있도록 충전율의 크기가 조정될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 실제 충전 시 적용되는 충전율 및 dphisl와, 충전 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 각 충전 구간에서 일정한 크기의 충전율로 배터리가 충전되면, dphisl가 dphisl0보다 큰 값으로 전 구간에서 유지되고, 충전 전압이 빠르게 증가한다. 앞서 설명한 방법을 통해 결정된 충전 구간 및 충전율은 음극 소재의 특성에 따라서 결정된 값으로서, 수치 모델링을 통해 결정된, 충전 구간 및 충전율에 관한 최적 알고리즘이 실제 배터리에 적용된 후, 배터리의 공정 편차에 따른 오차를 줄이기 위하여 충전 구간의 길이 또는 충전율의 크기 등이 세부적으로 조정될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 LCO/Ni-Sn 배터리 셀에 적용된 충전 구간 및 충전율을 나타낸 그래프이고, 도 8은 일 실시예에 따른 LCO/Ni-Sn 배터리 셀의 충전 전압 변화를 비교한 그래프이며, 도 9는 일 실시예에 따른 LCO/Ni-Sn 배터리 셀의 SEI 박막의 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a) 및 (b)의 x축은 SOC이고, y축은 각각 OCV 및 충전율의 크기를 나타낸다. 도 8에서 x축은 시간이고, y축은 배터리 셀의 충전 전압이다. 도 9의 x축은 시간이고, y축은 고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interface, SEI) 박막의 두께이다.
도 7 및 도 8에서, 양극 LCO(LiCoO2)-음극 Ni-Sn(Ni3Sn4)를 채용한 배터리 셀(부피당 용량 800 Wh/L)이 일 실시예에 따른 충전 방법에 따라 충전 되었다. 그리고 음극의 OCV는 Ni-Sn 음극을 이용한 하프 셀(half-cell)의 0.1C의 저율 충전 실험의 결과로부터 추정되었다. 도 7의 (a)를 참조하면, 음극 OCV의 기울기의 변화율을 바탕으로 6개의 충전 구간이 결정되었고, 마지막 6번째 충전 구간의 종점은 정전압 구간의 시점이 된다. 배터리는 배터리의 초기 조건(3.0[V], SOC=0,085)에 의해 3번째 충전 구간부터 충전이 시작되었다. 충전율은 각 충전 구간에서 18.25C → 9.87C → 3.44C → 1.4C이고, 마지막에는 4.2[V]의 정전압이 인가되었다. 정전압 구간의 완료 조건은 0.05C 전류 이하이다. 그리고 dphisl은 2×10- 6[v]로 미리 결정되었다.
도 8을 참조하면, 동일한 배터리 셀에 정전류-정전압(CC-CV) 방식으로 충전되는 경우의 배터리의 충전 전압이 비교되어 있다. LCO/Ni-Sn 배터리 셀에서 리튬 플레이팅이 발생하지 않는 최대 충전율은 1.41C로 시뮬레이션을 통해 예측되었고, 이 충전율로 LCO/Ni-Sn 배터리 셀을 충전하는 경우의 충전 전압이 비교 대상으로 표시되어 있다.
도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법이 적용되면, 통상의 정전류 충전 방식에 비하여 충전 시간이 58% 이상(47.8분 → 20분) 단축되었다.
그리고 도 9를 참조하면, 배터리 셀의 수명 열화를 알아볼 수 있는 지표인 SEI 박막의 두께(즉, SEI 증가량)도 0.9[nm]로서, 통상의 정전류-정전압 충전 방식의 0.92[nm]와 유사한 결과를 나타낸다. 따라서 통상의 정전류-정전압 충전 방식과 유사한 싸이클 수명 특성을 가질 것으로 예상된다.
도 10은 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀에 적용된 충전 구간을 나타낸 그래프이고, 도 11은 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀의 용량 보유율 간 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 음극 물질로 그래파이트(graphite), 즉, MCMB(Mesoporous Carbon Micro Beads)가 사용된 배터리 셀의 OCV 변화에 따라 결정된 충전 구간이 도시되어 있다(S0: 0.45). 배터리 셀의 충/방전 사이클의 반복 후 용량 보유율(capacity retention)을 알아 보기 위해서, 정전류-정전압 충전 방식이 적용되었다. 배터리의 초기 상태는 충전 시작 전압 3.0 [V] 및 SOC=0.044로 적용되었고, 각 충전 구간에 대응하는 충전율은 2.47C → 1.9C → 1.58C → 1.24C → 1.06C → 0.94C 이며, 7번째 충전 구간에는 4.4 [V]의 정전압이 배터리로 인가된다.
도 11에서, x축은 배터리 셀의 충/방전 횟수(cycle)를 나타내고, y축은 배터리 실험으로 측정된 셀의 용량 보유율을 나타낸다. 1C, 2C, 그리고 3C의 충전율이 적용되는 경우가 대조군으로 사용되었다. 도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 경우, 14 cycle이 진행된 이후, 2C 및 3C 대비 현저하게 우수한 용량 보유율(90% 이상)을 나타내었다. 그리고, 1C의 경우 충전 시간이 120분이었던 것에 비하여 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 경우 80분으로서 충전 시간 측면에서 1C에 비해 33.3% 향상을 보였다.
도 12a 내지 도 12c는 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀에 적용된 충전 구간, 충전율, 그리고 시간에 따른 dphisl의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 13은 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀의 충전 전압 변화를 비교한 그래프이며, 도 14는 일 실시예에 따른 LCO/그래파이트 배터리 셀의 SEI 박막의 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12a의 x축은 SOC이고, y축은 OCV의 크기를 나타낸다. 도 12b 및 도 12c의 x축은 시간이고, y축은 각각 충전율 및 dphisl의 크기를 나타낸다. 도 13에서 x축은 시간이고, y축은 배터리 셀의 충전 전압이다. 도 14의 x축은 시간이고, y축은 SEI 박막의 두께이다.
도 12a 내지 도 12c, 도 13 및 도 14에서, 양극 LCO(LiCoO2)-음극 그래파이트를 채용한 배터리 셀(부피당 용량 800 Wh/L)이 일 실시예에 따른 충전 방법에 따라 충전 되었다. 도 12a를 참조하면, 음극 OCV의 기울기의 변화율을 바탕으로 6개의 충전 구간이 결정되었고(S0: 0.6), 마지막 6번째 충전 구간의 종점은 정전압 구간의 시점이 된다. 배터리는 배터리의 초기 조건(3.0[V], SOC=0,035)에 의해 2번째 충전 구간부터 충전이 시작되었다. 충전율은 각 충전 구간에서 8.25C → 4.92C → 3.73C → 2.75C → 2.335C → 1.63C → 1.25C 이고, 마지막에는 4.4[V]의 정전압이 인가되었다. 그리고 dphisl은 2×10-6[v]로 미리 결정되었다.
도 13을 참조하면, 동일한 배터리 셀에 정전류-정전압 방식으로 충전되는 경우의 배터리의 충전 전압과, 펄스 충전 방식에 따른 배터리의 충전 전압이 비교되어 있다. LCO/그래파이트 배터리 셀에서 리튬 플레이팅이 발생하지 않는 최대 충전율은 1.35C인 것으로 시뮬레이션을 통해 예측되어, 1.35C의 충전율로 LCO/그래파이트 배터리 셀을 충전하는 경우의 충전 전압이 비교 대상으로 표시되어 있다. 펄스 충전 방식의 경우 20회 이상의 수치 실험 수행을 통해 결정된, 로컬 최적화(local optimization) 결과이다.
도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법이 적용되면, 통상의 정전류 충전 방식에 비하여 충전 시간이 38% 이상(47.7분 → 29.5분) 단축되었고, 펄스 충전 방식에 비하여도 충전 시간이 약 14% 정도(34.3분 → 29.5분) 단축되었다.
그리고 도 14를 참조하면, SEI 박막의 두께도 2.14[nm]로서, 통상의 정전류-정전압 충전 방식의 1.91[nm] 및 펄스 충전 방식의 2.03[nm]와 유사한 결과를 나타낸다. 따라서 통상의 정전류-정전압 충전 방식 및 펄스 충전 방식과 유사한 싸이클 수명 특성을 가질 것으로 예상된다.
도 15는 일 시예에 따른 배터리 충전 장치를 나타낸 블록도이다.
도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(1500)는, 프로세서(processor)(1510), 메모리(memory)(1520), 그리고 충전 인터페이스(1530)를 포함한다.
메모리(1520)는 프로세서(1510)와 연결되어 프로세서(1510)를 구동하기 위한 다양한 정보 또는 프로세서(1510)에 의해 실행되는 적어도 하나의 프로그램을 저장할 수 있다. 프로세서(1510)는 본 기재의 실시예에서 제안한 기능, 과정, 또는 방법을 구현할 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(1500)의 동작은 프로세서(1510)에 의해 구현될 수 있다. 충전 인터페이스(1530)는 배터리와 유선 또는 무선으로 연결되어, 프로세서(1510)의 제어에 따라서 배터리의 충전량(충전 상태 또는 충전 전압)을 모니터링 하고, 배터리를 충전하는 데 필요한 전류 및 전압을 배터리로 인가할 수 있다.
이상에서 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (22)

  1. 배터리의 충전 방법으로서,
    상기 배터리의 충전 상태(state of charge, SOC)와 상기 배터리의 음극의 개회로 전압(open circuit voltage, OCV) 사이의 함수 관계를 바탕으로 미리 결정된 복수의 충전 구간 중 상기 배터리의 현재 충전 상태에 대응하는 제1 충전 구간을 결정하는 단계, 그리고
    상기 제1 충전 구간에 대응하는 제1 충전율(charging rate)로 상기 제1 충전 구간 동안 상기 배터리를 충전하는 단계
    를 포함하고
    상기 제1 충전율은, 상기 배터리의 상기 음극의 전위 및 상기 배터리의 전해질의 전위 사이의 전위 차이가 0보다 큰 값을 유지하도록 결정되는, 배터리 충전 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 충전 구간이 종료되면 상기 제1 충전 구간의 다음 구간인 제2 충전 구간에 대응하는 제2 충전율로 상기 제2 충전 구간 동안 상기 배터리를 충전하는 단계
    를 더 포함하는 배터리 충전 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 충전 구간이 복수의 충전 구간 중 마지막 충전 구간이거나, 또는 상기 제1 충전 구간의 다음 구간인 제2 충전 구간이 상기 마지막 충전 구간이면, 상기 배터리의 충전 전압이 미리 결정된 전압값에 도달하였는지 모니터링 하는 단계, 그리고
    상기 충전 전압이 상기 미리 결정된 전압값에 도달하면, 충전 상한 전압을 상기 배터리로 인가하는 단계
    를 더 포함하는 배터리 충전 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 복수의 충전 구간은, 상기 복수의 충전 구간 내에 포함된, 상기 함수 관계의 미분 그래프의 극소점 또는 극대점을 기준으로 적용되는 미리 결정된 높이를 갖는 윈도우에 의해 결정되고, 상기 미리 결정된 높이는 충전 프로세스의 복잡도에 따라서 미리 결정되는, 배터리 충전 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 미리 결정된 높이는 0.6 보다 크지 않은 값으로 미리 결정되는, 배터리 충전 방법.
  6. 제4항에서,
    상기 미리 결정된 높이가 크면, 상기 윈도우의 너비가 증가되어 상기 복수의 충전 구간의 각각의 길이가 길어지고, 상기 미리 결정된 높이가 작으면, 상기 윈도우의 너비가 감소되어 상기 복수의 충전 구간의 각각의 길이가 짧아지는, 배터리 충전 방법.
  7. 제4항에서,
    상기 미리 결정된 높이가 크면, 상기 윈도우의 너비가 증가되어 상기 복수의 충전 구간의 개수가 줄어들고, 상기 미리 결정된 높이가 작으면, 상기 윈도우의 너비가 감소되어 상기 복수의 충전 구간의 개수가 늘어나는, 배터리 충전 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 충전율의 크기는, 상기 제1 충전 구간 동안 일정하게 유지되고, 상기 제1 충전 구간의 종료는, 상기 배터리의 상기 음극의 전위 및 상기 배터리의 상기 전해질의 전위의 상기 전위 차이가 미리 결정된 값보다 작아지는지 여부를 바탕으로 결정되는, 배터리 충전 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 미리 결정된 값은, 2×10-6 [V]인, 배터리 충전 방법.
  10. 삭제
  11. 제2항에서,
    상기 제1 충전율의 크기는, 상기 제2 충전율의 크기보다 큰, 배터리 충전 방법.
  12. 배터리의 충전 장치로서,
    프로세서, 메모리, 그리고 충전 인터페이스
    를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행하여,
    상기 배터리의 충전 상태(state of charge, SOC)와 상기 배터리의 음극의 개회로 전압(open circuit voltage, OCV) 사이의 함수 관계를 바탕으로 미리 결정된 복수의 충전 구간 중 상기 배터리의 현재 충전 상태에 대응하는 제1 충전 구간을 결정하는 단계,
    상기 제1 충전 구간에 대응하는 제1 충전율(charging rate)로 상기 제1 충전 구간 동안 상기 배터리를 충전하는 단계, 그리고
    상기 제1 충전 구간이 종료되면 상기 제1 충전 구간의 다음 구간인 제2 충전 구간에 대응하는 제2 충전율로 상기 제2 충전 구간 동안 상기 배터리를 충전하는 단계
    를 수행하고,
    상기 제1 충전 구간의 종료는, 상기 배터리의 상기 음극의 전위 및 상기 배터리의 전해질의 전위 사이의 전위 차이가 미리 결정된 값보다 작아지는지 여부를 바탕으로 결정되는, 배터리 충전 장치.
  13. 삭제
  14. 제12항에서,
    상기 프로세서는 상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행하여,
    상기 제1 충전 구간이 복수의 충전 구간 중 마지막 충전 구간이거나, 또는 상기 제1 충전 구간의 다음 구간인 제2 충전 구간이 상기 마지막 충전 구간이면, 상기 배터리의 충전 전압이 미리 결정된 전압값에 도달하였는지 모니터링 하는 단계, 그리고
    상기 충전 전압이 상기 미리 결정된 전압값에 도달하면, 충전 상한 전압을 상기 배터리로 인가하는 단계
    를 더 수행하는, 배터리 충전 장치.
  15. 제12항에서,
    상기 복수의 충전 구간은, 상기 복수의 충전 구간 내에 포함된, 상기 함수 관계의 미분 그래프의 극소점 또는 극대점을 기준으로 적용되는 미리 결정된 높이를 갖는 윈도우에 의해 결정되고, 상기 미리 결정된 높이는 충전 프로세스의 복잡도에 따라서 미리 결정되는, 배터리 충전 장치.
  16. 제15항에서,
    상기 미리 결정된 높이는 0.6 보다 크지 않은 값으로 미리 결정되는, 배터리 충전 장치.
  17. 제15항에서,
    상기 미리 결정된 높이가 크면, 상기 윈도우의 너비가 증가되어 상기 복수의 충전 구간의 각각의 길이가 길어지고, 상기 미리 결정된 높이가 작으면, 상기 윈도우의 너비가 감소되어 상기 복수의 충전 구간의 각각의 길이가 짧아지는, 배터리 충전 장치.
  18. 제15항에서,
    상기 미리 결정된 높이가 크면, 상기 윈도우의 너비가 증가되어 상기 복수의 충전 구간의 개수가 줄어들고, 상기 미리 결정된 높이가 작으면, 상기 윈도우의 너비가 감소되어 상기 복수의 충전 구간의 개수가 늘어나는, 배터리 충전 장치.
  19. 삭제
  20. 제12항에서,
    상기 미리 결정된 값은, 2×10-6 [V]인, 배터리 충전 장치.
  21. 제12항에서,
    상기 제1 충전율의 크기는, 상기 제1 충전 구간 동안 일정하게 유지되고, 상기 제1 충전 구간 동안 상기 배터리의 상기 음극의 전위와 상기 배터리의 상기 전해질의 전위 사이의 전위 차이가 0보다 큰 값을 유지하도록 결정되는, 배터리 충전 장치.
  22. 제12항에서,
    상기 제1 충전율의 크기는, 상기 제2 충전율의 크기보다 큰, 배터리 충전 장치.
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Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015212590A1 (de) * 2015-07-06 2017-01-12 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Schnellformierung einer Elektrode
KR102730913B1 (ko) * 2017-02-07 2024-11-14 삼성전자주식회사 배터리 충전 방법 및 장치
KR102254353B1 (ko) 2017-03-10 2021-05-21 주식회사 엘지화학 이차전지의 충전방법
KR102563753B1 (ko) * 2017-12-29 2023-08-04 삼성전자주식회사 배터리 충전 방법 및 장치
KR102392399B1 (ko) * 2018-12-21 2022-04-28 주식회사 엘지에너지솔루션 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치 및 방법
CN110053496A (zh) * 2019-04-03 2019-07-26 中国科学院电工研究所 一种电池充电电流选择方法
US11159039B2 (en) * 2019-06-29 2021-10-26 Intel Corporation Apparatus and method for battery charging with lithium plating detection and battery degradation detection and separation
CN110797577B (zh) * 2019-10-29 2020-10-09 中兴高能技术有限责任公司 一种锂离子电池充电方法、装置及计算机存储介质
CN111029670B (zh) * 2019-10-31 2022-06-17 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种锂离子电池快充方法
US12206271B2 (en) 2020-01-31 2025-01-21 Lg Energy Solution, Ltd. Battery charge control device and method
CN112636406B (zh) * 2020-11-26 2023-04-07 西安讯服通科技有限公司 一种用于不间断电源的电池管理方法和装置
CN113300441B (zh) * 2021-07-28 2021-12-10 深圳赫兹创新技术有限公司 输出电流反复调节的无线充电降额控制方法、装置及系统
JP2025506155A (ja) * 2022-02-11 2025-03-07 エルジー エナジー ソリューション リミテッド バッテリーセル充電方法及び充電システム
KR102767066B1 (ko) * 2022-11-08 2025-02-11 주식회사 엘지에너지솔루션 급속 충전 제어 장치 및 방법
CN118238638A (zh) * 2022-12-22 2024-06-25 北京车和家汽车科技有限公司 充电方法、装置、设备、存储介质及车辆
CN118610618A (zh) * 2023-03-06 2024-09-06 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于对包括锂硅氧化物（lso）的电池单元充电的直流快速充电方法
FR3152595A1 (fr) 2023-09-05 2025-03-07 Psa Automobiles Sa Procede de charge rapide d’un systeme de batterie

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140375279A1 (en) * 2011-09-30 2014-12-25 Panasonic Corporation Lithium ion battery charging method and battery-equipped device
US20150147614A1 (en) 2013-11-23 2015-05-28 Hrl Laboratories, Llc Voltage protection and health monitoring of batteries with reference electrodes

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001186683A (ja) 1999-12-27 2001-07-06 Sanyo Electric Co Ltd 電池の急速充電方法
US8446127B2 (en) 2005-08-03 2013-05-21 California Institute Of Technology Methods for thermodynamic evaluation of battery state of health
US8754611B2 (en) 2008-04-11 2014-06-17 Apple Inc. Diffusion-limited adaptive battery charging
US8310208B2 (en) 2009-07-01 2012-11-13 Surajit Sengupta Charging algorithm for lithium batteries
US8754614B2 (en) 2009-07-17 2014-06-17 Tesla Motors, Inc. Fast charging of battery using adjustable voltage control
US20110037439A1 (en) 2009-08-17 2011-02-17 Apple Inc. Increasing energy density in rechargeable lithium battery cells
US8816648B2 (en) * 2009-08-17 2014-08-26 Apple Inc. Modulated, temperature-based multi-CC-CV charging technique for Li-ion/Li-polymer batteries
US8502494B2 (en) 2009-08-28 2013-08-06 Front Edge Technology, Inc. Battery charging apparatus and method
KR101750739B1 (ko) * 2010-01-19 2017-06-27 가부시키가이샤 지에스 유아사 2차 전지의 충전 상태 측정 장치 및 2차 전지의 충전 상태 측정 방법
US9065292B2 (en) 2010-08-23 2015-06-23 California Institute Of Technology Methods and systems for charging electrochemical cells
JP2012225713A (ja) * 2011-04-18 2012-11-15 Honda Motor Co Ltd 充電率推定装置
JP5699870B2 (ja) * 2011-09-07 2015-04-15 株式会社Ｇｓユアサ 電池管理装置、電池パック、電池管理プログラム、及び、ｓｏｃ推定方法
US9130248B2 (en) 2012-05-25 2015-09-08 GM Global Technology Operations LLC Modeling changes in the state-of-charge open circuit voltage curve by using regressed parameters in a reduced order physics based model
US9046583B2 (en) 2012-06-13 2015-06-02 Lg Chem, Ltd. Apparatus and method for estimating voltage of secondary battery including blended material in electrode
WO2013187583A1 (ko) 2012-06-13 2013-12-19 주식회사 엘지화학 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 전압 추정 장치 및 방법
US20140266068A1 (en) 2013-03-14 2014-09-18 Evgentech, Inc. Pulse battery charger methods and systems for improved charging of lithium ion batteries
US9276293B2 (en) 2013-08-30 2016-03-01 Southwestern Research Institute Dynamic formation protocol for lithium-ion battery
KR20150054464A (ko) 2013-11-12 2015-05-20 삼성에스디아이 주식회사 배터리 충전 방법 및 배터리 충전 시스템
US20160103185A1 (en) * 2014-10-14 2016-04-14 Ford Global Technologies, Llc Electrified vehicle battery state-of-charge monitoring with aging compensation
KR101651991B1 (ko) 2014-10-30 2016-08-30 주식회사 엘지화학 전지 급속 충전 방법 및 장치
KR101985812B1 (ko) 2015-08-18 2019-06-04 주식회사 엘지화학 전지 충전 한계 예측 방법과 이를 이용한 전지 급속 충전 방법 및 장치
KR102730913B1 (ko) * 2017-02-07 2024-11-14 삼성전자주식회사 배터리 충전 방법 및 장치
CN108732500B (zh) * 2017-04-18 2019-11-15 华为技术有限公司 电池健康状态的估计方法及装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140375279A1 (en) * 2011-09-30 2014-12-25 Panasonic Corporation Lithium ion battery charging method and battery-equipped device
US20150147614A1 (en) 2013-11-23 2015-05-28 Hrl Laboratories, Llc Voltage protection and health monitoring of batteries with reference electrodes

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