KR20250017585A - 배터리 충전 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법은 충전구간을 복수의 충전구간으로 나누어 배터리를 충전하는 방법으로서, n-1(n은 2이상 자연수)번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 제1방전펄스를 인가하는 제1방전단계; 및 상기 n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 제2방전펄스를 인가하는 제2방전단계를 포함한다. 여기서, 상기 제2방전펄스의 방전율은 상기 제1방전펄스의 방전율보다 낮도록 구성된다.

Description

배터리 충전 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CHARGING BATTERY}

본 발명은 배터리 충전 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 충전 과정에 방전펄스를 적용하되, 방전펄스가 적용되는 환경을 차등화함으로써 배터리의 충전 효율성을 극대화시킬 수 있는 배터리 충전 방법 및 장치에 관한 것이다.

전기를 구동원으로 사용하는 노트북, 비디오 카메라, 모바일 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증가하고, 이동형 로봇, 전기 자전거, 전동 카트, 전기 자동차 등이 보편적으로 상용화됨에 따라 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮은 장점을 가짐은 물론, 에너지 밀도가 높고 작동 전압이 높은 특성을 가지고 있어 다른 종류의 이차전지에 비해 더욱 집중적으로 연구됨은 물론, 실제 제품에도 더욱 확장적으로 적용되고 있다.

최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 자동차나 전력저장장치(ESS, Energy Storage System)와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 이용되고 있다.

이 경우, 전기적으로 연결된 이차전지 다수가 모듈 케이스 내부에 함께 수납되는 배터리 모듈이 주로 적용되고 있으며, 나아가 고전력이나 대용량이 요구되는 경우 이러한 배터리 모듈 다수 개가 전기적으로 연결된 배터리 팩이 적용되기도 한다.

이차전지 셀, 셀 어셈블리, 배터리 모듈 또는 배터리 팩(이하 '배터리'로 통칭한다)은 전력 효율성 및 안전성 등이 중요한 요소이므로 배터리의 전기적 특성을 모니터링하고 모니터링 결과 등을 이용하여 충방전 등의 피드백 제어를 수행하는 BMS 등에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.

한편, 사용자의 니즈를 더욱 효과적으로 반영함은 물론, 배터리의 고용량화에 따른 제반 환경을 개선하기 위하여 급속 충전 등 배터리의 충전에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다.

배터리를 충전하는 방식은 정전류-정전압(constant current-constant voltage, CC-CV) 방식은 물론, 펄스 충전(pulse charging), 부스트 충전(boost charging), 다단계 정전류(multi-step CC) 충전 방식 등이 적용되고 있다.

충전 시간을 단축하기 위하여 고전류 환경으로 배터리를 충전하는 경우, 음극으로 공급된 리튬(Li, lithium) 양이온(Li+)이 음극에서 빠르게 흡수되지 못하고 음극에 축적되어 리튬 금속으로 석출되는 리튬 플레이팅(Li-plating) 현상이 발생될 수 있다.

이러한 현상은 전해액과의 부반응, 전지의 운동 역학적 균형(kinetic balance) 변경 등을 야기시켜 배터리의 구동성능 저하, 용량 감소는 물론, 배터리의 퇴화 또는 수명 감소 등의 주요한 원인이 된다.

또한, 이러한 현상이 발생하면 불균일한 리튬 결정(Li-dendrite)이 형성되어 단락(short)이 발생될 가능성이 높아지게 되므로 화재, 폭발 등과 같은 안전상의 치명적인 문제로 이어질 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 배경에서 상술된 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 복수의 구간으로 나누어 이루어지는 충전구간 사이에 방전펄스를 인가하는 방전모드가 적용되도록 하되, 각 방전모드의 방전 환경을 차등화시킴으로써 리튬 석출에 의한 문제점을 원천적으로 해소함은 물론, 급속 충전 등의 충전 효율성을 더욱 최적화할 수 있는 배터리 충전 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 충전 방법은 충전구간을 복수의 충전구간으로 나누어 배터리를 충전하는 방법으로서, n-1(n은 2이상 자연수)번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 제1방전펄스를 인가하는 제1방전단계; 및 상기 n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 제2방전펄스를 인가하는 제2방전단계를 포함할 수 있다.

상기 제2방전펄스의 방전율은, 상기 제1방전펄스의 방전율 미만이 되도록 구성될 수 있다.

상기 제2방전펄스가 인가되는 시간은, 상기 제1방전펄스가 인가되는 시간 이상이 되도록 구성될 수 있다.

상기 제2방전단계의 방전량이 상기 제1방전단계의 방전량 이하가 되도록 상기 제1 또는 제2방전펄스의 방전율 및 상기 제1 또는 제2방전펄스가 인가되는 시간이 설정되도록 구성될 수 있다.

상기 n번째 충전구간의 충전율은, 상기 n-1번째 충전구간의 충전율보다 낮도록 구성될 수 있다.

상기 복수의 충전구간의 충전환경은, 충전에 따른 상기 배터리의 특성데이터 변화를 기반으로 추정된 SOC값에 의하여 가변적으로 결정되도록 구성될 수 있다.

상기 충전환경은, 상기 복수의 충전구간의 각 구간별 길이 및 상기 복수의 충전구간의 각 구간별 충전율 중 하나 이상일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 충전 장치는 배터리를 충전하도록 구성된 충전부; 상기 배터리를 방전하도록 구성된 방전부; 및 복수의 충전구간으로 상기 배터리가 충전되도록 상기 충전부를 제어하고, n-1(n은 2이상 자연수)번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 제1방전펄스가 인가되고 상기 n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 제2방전펄스가 인가되도록 상기 방전부를 제어하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제2방전펄스의 방전율이 상기 제1방전펄스의 방전율 미만이 되도록 상기 방전부를 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제2방전펄스가 인가되는 시간이 상기 제1방전펄스가 인가되는 시간 이상이 되도록 상기 방전부를 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제2방전펄스의 방전량이 상기 제1방전펄스의 방전량 이하가 되도록 상기 제1 또는 제2방전펄스의 방전율 및 상기 제1 또는 제2방전펄스가 인가되는 시간을 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 미리 설정된 타겟 SOC을 이용하여 상기 복수의 충전구간의 충전환경이 가변적으로 설정되도록 상기 충전부를 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 타겟 SOC는, 충전에 따른 상기 배터리의 특성데이터의 변화에 기반하여, 리튬이 석출되는 SOC값으로 추정될 수 있다.

본 발명에 의하면, 충전을 복수의 구간으로 나누어 진행함과 동시에 각 구간별 충전 사이에 방전펄스를 인가하는 방전 프로세싱을 적용함으로써 리튬 석출을 최소화할 수 있음은 물론, 석출된 리튬을 더욱 효과적으로 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 방전환경, 구체적으로 방전펄스가 인가되는 시간 및 방전펄스의 방전율을, 시계열적으로 진행되는 각 차순의 방전 프로세싱에서 서로 차등적으로 적용함으로써 충전시간 단축 등 충전 효율성을 더욱 높일 수 있음은 물론, 배터리의 노화 과정을 지연 내지 둔화시킴으로써 배터리의 구동 성능 내지 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

나아가 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리의 전기적 특성데이터를 유기적으로 접목시켜 복수의 구간으로 나누어 진행되는 각 충전구간의 충전환경을 가변적으로 설정함으로써 시간의 추이에 따라 변화되는 배터리의 상태에 최적화되는 충전 환경을 구현할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 효과적으로 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 이러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 충전 장치의 상세 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 데이터연산부의 상세 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 프로세싱 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 프로세싱 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 각 방전구간별 방전펄스의 방전율에 대한 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 6은 각 방전구간별 방전펄스가 인가되는 시간에 대한 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 7 및 도 8은 전체 충전 과정을 기준으로 각 방전구간별 방전환경의 시계열적 특성을 설명하는 도면이다.
도 9는 충전 중 리튬이 석출되는 SOC를 결정하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 10은 방전용량유지율을 기준으로 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 성능 결과를 도시하는 도면이다.

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 아니 되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 프로세서와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 충전 장치(100)의 상세 구성을 도시한 블록도이다.

도 1에 예시된 바와 같이 본 발명의 배터리 충전 장치(100)는 인터페이스부(110), 충전부(120), 방전부(130), 제어부(140) 및 검출부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명의 배터리 충전 장치(100)는 저장수단, 연산처리수단, 입출력수단 등과 같은 전자소자, 부품 등(ASIC, 칩셋, 논리회로, 레지스터, 통신 모뎀, MCU 등)의 다양한 조합적 적용을 통하여 구현될 수 있다.

그러므로 도 1에 도시된 배터리 충전 장치(100)의 각 구성요소는 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 기능적 또는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.

즉, 상기 도면에 도시된 각각의 구성요소는 본 발명에 의한 기술사상을 효과적으로 설명하기 위한 논리적 구성에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 구성되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭상의 일치성 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다. 도 2에 도시된 데이터연산부(150) 또한, 이와 같다.

또한, 본 발명에 의한 배터리 충전 방법은 전체적으로 데이터의 가공, 처리, 제어, 연산 등에 관한 프로세싱의 집합 내지 알고리즘으로 구현될 수 있으므로 도 1에 도시된 논리구성들의 조합에 의한 구현은 물론, 컴퓨터 또는 이에 준하는 단말, 모듈 등에 탑재되어 구동되는 소프트웨어의 형태로 구현될 수 있음은 물론이다.

예컨대, 배터리 충전 방법은, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. BMS는 충전 장치와 연결되면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법에 따라 배터리의 충전 및 방전을 제어함으로써, 배터리를 급속 충전시킬 수 있다.

다른 예로, 배터리 충전 방법은, 충전 장치에 적용될 수 있다. 충전 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법에 따라 배터리를 급속 충전시킬 수 있다.

본 발명의 충전부(120)는 배터리(50)와 전기적으로 연결되어 배터리(50)를 대상으로 충전 프로세싱을 수행한다. 실시형태에 따라서 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 충전부(120)는 잭, 소켓 등과 같은 물리적 수단과 연계된 인터페이스부(110)를 통하여 배터리(50)와 전기적으로 연결될 수도 있음은 물론이다.

이차전지 셀, 셀 뱅크(bank), 셀 어셈블리, 셀 모듈, 배터리 팩 등 다양한 형태가 충전의 대상이 될 수 있으므로 이하 설명에서 배터리(50)는 셀, 셀 뱅크(bank), 셀 어셈블리, 셀 모듈, 배터리 팩 등을 통칭하는 객체를 의미할 수 있다.

본 발명의 방전부(130)는 배터리(50)를 대상으로 방전을 수행하는 구성으로서, 앞서 설명된 충전부(120)와 같이 인터페이스부(110)를 통하여 배터리(50)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 실시형태에 따라서 충전부(120)와는 독립된 인터페이스부를 통하여 배터리(50)와 전기적으로 연결될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 제어부(140)는 충전부(120) 및 방전부(130)와 통신 가능하게 연결되어 충전부(120)에 의하여 수행되는 충전 프로세싱과 방전부(130)에 의하여 수행되는 방전 프로세싱을 제어하도록 구성된다.

본 발명에 의한 배터리 충전 장치(100)는 충전의 시작에서 충전의 종료까지 연속된 충전 프로세싱을 수행하지 않고, k개(k는 2 이상의 자연수) 구간으로 충전구간을 나누어 배터리(50)를 충전하도록(이하 '다단계 충전방식'(multi-step charge mode)이라 지칭한다) 구성된다.

본 발명에 의한 배터리 충전 장치(100)는 이와 같이 충전구간을 복수의 충전구간으로 나누어 배터리를 충전하되, n-1(n은 2 이상 자연수)번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 제1방전펄스를 인가하고, 상기 n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 제2방전펄스를 인가하도록 구성된다.

다만, 일 실시예에서는, 방전펄스는 각각의 충전구간 사이에서 항상 인가되지 않을 수도 있다. 예컨대, n-1번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 제1방전펄스가 인가된 경우, n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 제2방전펄스가 인가되지 않을 수도 있다. 그리고, n+1번째 충전구간과 n+2번째 충전구간 사이에 제3방전펄스가 인가될 수도 있다.

우선, 본 발명에 의하여 수행되는 전체적인 충전 과정을 먼저 설명하고, 방전펄스를 인가하여 수행되는 각 방전모드 내지 방전 프로세싱의 구체적인 내용은 후술하도록 한다.

도 3은 본 발명에 의한 충전 프로세싱의 과정을 도시한 흐름도로서, 충전구간이 3개로 나누어져 있는 일 실시예를 기준으로 충전을 진행하는 과정을 도시하고 있다.

배터리(50)와 충전부(120)(또는 인터페이스부(110)) 사이의 물리적 연결이 이루어지는 경우 전기적 신호가 입력되도록 하는 방법 또는 충전 개시에 관한 버튼이나 인터페이스가 선택되는 등의 방법을 통하여 충전이 개시되면(S300), 본 발명의 제어부(140)는 첫 번째 충전구간의 충전환경에 따른 충전이 구동되도록(S310) 충전부(120)를 제어한다.

상기 충전환경은 충전이 이루어지는 시간 즉, 해당 충전구간의 길이, 충전 전류의 크기 및 충전율 중 하나 이상을 의미한다. 상기 충전환경은 후술되는 바와 같이 배터리(50)의 현재 상태 등을 반영하여 가변적으로 설정되도록 구성되는 것이 바람직하다. 다단계 충전 방식의 경우 후속하는 충전구간으로 갈수록 충전전류의 크기 또는 충전율이 낮아지도록 설정되는 것이 바람직하다.

첫 번째 충전구간의 충전(이하 '제1충전'이라 지칭한다)에 의하여 해당 배터리(50)의 SOC(State of charge)가 제1목표SOC에 도달하면(S320) 제1충전은 종료된다. 실시형태에 따라서 제1충전이 종료되는 조건은 앞서 설명된 바와 같이 배터리(50)의 SOC가 제1목표SOC에 도달하는지 여부 이외, 배터리(50)의 충전 전압이 제1임계전압에 도달하는지 여부로 정해질 수도 있다.

그 후 본 발명의 제어부(140)는 제1충전이 완료된 배터리(50)를 대상으로 첫 번째 방전모드의 방전환경에 따른 방전이 구동되도록(S330) 방전부(130)를 제어한다. 상기 방전환경은 방전펄스의 크기, 방전펄스의 방전율 또는 방전펄스가 인가되는 시간 중 하나 이상을 의미한다.

첫 번째 방전모드의 방전(이하 '제1방전'이라 지칭한다)이 미리 설정된 제1조건(방전시간 또는 배터리(50)의 현재 SOC 등)을 충족하게 되면(S340) 본 발명의 제어부(140)는 방전부(130)를 제어하여 제1방전을 종료시키며, 다시 충전부(120)를 제어하여 두 번째 충전구간의 충전(제2충전)이 개시되도록 한다(S350).

앞서 설명된 바와 같이 제2충전 또한, 2번째 충전구간 자체에 고유하게 설정된 충전환경(충전구간의 길이, 충전 전류의 크기 및 충전율 중 하나 이상)에 의하여 구동된다.

제2충전에 의한 충전을 통하여 배터리(50)의 SOC가 제2목표SOC에 도달하면(S360) 본 발명의 제어부(140)는 충전부(120)를 제어하여 제2충전을 종료시키며, 2번째 방전모드의 방전환경에 따른 방전이 구동되도록(S370) 방전부(130)를 제어한다.

두 번째 방전모드의 방전(이하 '제2방전'이라 지칭한다)이 미리 설정된 제2조건(방전시간 또는 배터리(50)의 현재 SOC 등)을 충족하게 되면(S380), 본 발명의 제어부(140)는 방전부(130)를 제어하여 제2방전을 종료시키며 마지막인 세 번째 충전구간의 충전(제3충전)이 개시되도록(S390) 충전부(120)를 제어한다.

제3충전에 의한 충전을 통하여 배터리(50)의 SOC가 최종 목표인 제3목표SOC에 도달하면(S395) 본 발명에 의한 전체 충전 프로세싱은 종료된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 대한 프로세싱 과정으로서 실시형태에 따라서 더 많은 충전구간으로 나누어 충전이 수행될 수 있음은 물론이다. 이와 같이 더 많은 충전구간으로 나누어지는 경우, 각 충전구간 사이 중 적어도 둘 이상의 충전구간 사이에는 방전펄스 인가에 의한 방전이 이루어지도록 구성될 수 있으며, 방전 프로세싱이 적용되지 않는 충전구간 사이에는 리튬 석출의 해소를 위하여 소정 시간 동안의 휴지기(resting period)가 적용되도록 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 프로세싱 과정을 설명하는 흐름도이다.

앞서 도 3을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 완전 방전 또는 이에 준하는 배터리(50)를 대상으로 충전을 진행하거나 또는 하위 SOC에 해당하는 배터리(50)를 대상으로 충전을 진행하는 실시예에 해당한다.

도 4에 도시된 실시예는 충전의 대상이 되는 배터리(50)의 현재 SOC를 판단하고, 복수의 구간으로 나누어진 충전구간 중 배터리(50)의 현재 SOC에 해당하는 충전구간을 충전의 개시 구간으로 설정하여 충전을 진행하는 실시예에 해당한다.

앞서 설명된 바와 같이 충전개시에 대한 신호 등이 입력되면(S400), 본 발명의 검출부(160)는 배터리(50)의 전기적 특성값(전압 등)을 이용하여 배터리(50)의 현재 SOC를 판단하고(S410), 그 결과데이터를 본 발명의 제어부(140)로 출력한다.

배터리(50)의 현재 SOC에 대한 데이터가 입력되면 본 발명의 제어부(140)는 기설정된 복수의 충전구간 중 현재 SOC에 해당하는 충전구간을 선정하고(S420) 선정된 충전구간의 충전환경(충전율, 충전전류의 크기 등)으로 충전이 개시되도록 충전부(120)를 제어한다(S430).

배터리(50)의 SOC가 해당 충전구간에 따른 목표SOC에 도달한 후(S440), 진행된 현재 충전구간이 기설정된 복수의 충전구간 중 마지막 충전구간이 아니라면(S450) 도 3 등을 참조하여 설명된 바와 같은 단계별 충전과 충전구간 사이의 방전 프로세싱이 순환적으로 수행된다(S460).

도 5는 각 방전구간별 방전펄스의 방전율에 대한 일 실시예를 설명하는 도면이며, 도 6은 각 방전구간별 방전펄스가 인가되는 시간에 대한 일 실시예를 설명하는 도면이다.

도 5에 도시된 실시예는 충전에 의하여 증가하는 배터리(50)의 SOC를 기준으로 전체적으로 4개의 방전프로세싱이 적용된 실시예에 해당한다.

마지막 충전구간 이후에는 방전프로세싱이 적용되지 않는다고 전제하면 이 실시예는 5개 이상의 충전구간으로 배터리(50)를 충전하는 실시예에 해당할 수 있다. 현재 충전구간과 다음 충전구간 사이에 방전프로세싱이 모두 적용된다고 전제하면 충전의 시계열 순서를 기준으로 제1방전은 제1충전과 제2충전 사이에, 제2방전은 제2충전과 제3충전 사이에, 제3방전은 제3충전과 제4충전 사이에 적용되며, 마지막으로 제4방전은 제4충전과 제5충전 사이에 적용된다.

도 5에 도시된 바와 같이 제1방전(첫 번째 방전모드의 방전)에서 인가되는 제1방전펄스의 방전율(C-rate)이 가장 크도록 설정되는 것이 바람직하며, 제1방전 이후 후속되는 제2방전에서 인가되는 제2방전펄스의 방전율은 제1방전펄스의 방전율보다 작아지도록 구성되는 것이 바람직하다. 아울러 시계열 순서를 기준으로 제3방전 그리고 제4방전으로 갈수록 해당하는 방전모드의 방전율이 점차적으로 작아지도록 구성되는 것이 바람직하다.

도 5의 예를 기준으로 할 때, b(제2방전의 방전율)는 a(제1방전의 방전율)보다 작고 c(제3방전의 방전율)보다는 크다. 그리고, d(제4방전의 방전율)는 c보다 작게 구성되는 것이 바람직하다.

구체적으로, n-1(n은 2 이상 자연수)번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 인가되는 제1방전펄스의 방전율은, n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 인가되는 제2방전펄스의 방전율보다 크도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 제2방전펄스의 방전율은 제1방전펄스의 방전율 미만이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성되는 경우, 해당 충전구간의 충전에 의하여 석출되는 리튬의 제거를 더욱 가속화시킬 수 있어 배터리(50)의 성능 열화를 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

실시형태에 따라서 도 6에 도시된 바와 같이 시계열 순서를 기준으로 후속되는 방전모드의 방전시간(방전펄스가 인가되는 시간(방전이 진행되는 시간))은 이전 방전모드의 방전시간 이상이 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 현재 방전모드의 방전시간은 이전 방전모드의 방전시간과 같거나 클 수 있다.

도 6의 예를 기준으로 할 때, T2(제2방전이 진행되는 시간)는 T1(제1방전이 진행되는 시간)보다 길고, T3(제3방전이 진행되는 시간)보다는 짧다. 그리고, T4(제4방전이 진행되는 시간)는 T3보다 길도록 구성되는 것이 바람직하다. 다만, 도 6의 실시예에는 제n방전의 방전시간이 제n-1방전의 방전시간을 초과하는 실시예가 도시되었지만, 앞서 설명한 바와 같이 제n방전의 방전시간이 제n-1방전의 방전시간과 동일하는 실시예도 적용될 수 있다.

구체적으로, n-1(n은 2 이상 자연수)번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 인가되는 제1방전펄스의 인가 시간은, n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 인가되는 제2방전펄스의 인가 시간 이하가 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 제2방전펄스의 인가 시간은 제1방전펄스의 인가 시간 이상이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성되는 경우, 해당 충전구간의 충전에 의하여 석출되는 리튬의 제거를 더욱 안정적으로 유도할 수 있어 배터리(50)의 충전 효율성을 향상시킬 수 있음은 물론, 배터리(50)의 성능 열화를 효과적으로 억제할 수 있다.

도 7 및 도 8은 전체 충전 과정을 기준으로 각 방전구간별 방전환경의 시계열적 특성을 설명하는 도면이다.

도 7 및 도 8의 실시예에서, 충전진행 방향을 고려하면, 방전모드의 방전펄스의 크기(방전율)는 후속되는 방전모드로 갈수록 작아지도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 도 7 및 도 8의 실시예에서, 충전진행 방향을 고려하면, 방전모드의 방전펄스가 인가되는 시간은 후속되는 방전모드로 갈수록 같거나 길어지도록 구성되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 후속되는 방전모드로 갈수록 방전펄스가 인가되는 시간이 길어지도록 구성되는 것이 바람직하다.

실시형태에 따라서 후속되는 방전모드로 갈수록 각 방전모드의 방전량이 같거나 감소되도록 방전펄스의 방전율과 해당 방전펄스의 인가 시간이 설정되는 것이 바람직하다.

일 예로, 도 7에 도시된 실시예를 기준으로 할 때, 제1방전의 방전량은 방전펄스의 방전율(A)과 방전펄스의 인가시간(T₁)의 곱셈 연산으로 정의될 수 있으므로 아래 수식이 충족되는 조건으로 각 방전모드의 방전환경(방전펄스의 방전율 및 방전펄스의 인가시간)이 설정되도록 구성될 수 있다.

[수학식 1]

이러한 점에서 본 발명의 제어부(140)는 상기 제2방전펄스의 방전량이 상기 제1방전펄스의 방전량 이하가 되도록 상기 제1 또는 제2방전펄스의 방전율 및 상기 제1 또는 제2방전펄스가 인가되는 시간을 제어하도록 구성될 수 있다.

앞서 기술된 바와 같이 제1방전펄스는 n-1(n은 2이상 자연수)번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 인가되는 방전펄스를 의미하며, 제2방전펄스는 n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 인가되는 방전펄스를 의미한다.

제어부는, 미리 설정된 타겟 SOC을 이용하여 복수의 충전구간의 충전환경이 가변적으로 설정되도록 충전부를 제어하도록 구성될 수 있다.

여기서, 충전구간의 충전환경은 충전구간의 길이(충전이 이루어지는 시간), 충전 전류의 크기 및 충전율 중 하나 이상을 의미한다.

구체적으로, 타겟 SOC는, 충전에 따른 배터리의 특성데이터의 변화에 기반하여, 리튬이 석출되는 SOC값으로 추정될 수 있다.

도 9는 충전에 따른 배터리(50)의 SOC와 전압 사이의 관계를 도시한 프로파일이다. 구체적으로, 도 9의 실시예는, 본 발명의 일 실시예에 따른 다단계 충전 방식으로 배터리가 충전될 때, 배터리의 SOC와 전압 간의 대응 관계를 나타내는 충전 프로파일이다.

보다 구체적으로, 배터리(50)의 현재 상태(퇴화도, SOH(State of health) 등)를 유기적으로 반영하여 복수의 충전구간 등을 설정하는 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 데이터연산부(150)의 상세 구성을 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 데이터연산부(150)는 데이터생성부(151), 추정부(153) 및 출력부(155)를 포함하여 구성될 수 있으며, 충전이 진행되는 과정에서 리튬이 석출되는 SOC값을 추정하고 이에 대한 데이터를 본 발명의 제어부(140)로 출력하는 구성에 해당한다.

이와 같이 리튬이 석출되는 SOC값으로 추정된 타겟SOC가 제어부(140)로 입력되면, 제어부(140)는 타겟SOC를 기준으로 복수의 충전구간의 충전환경을 가변적으로 설정할 수 있다. 그리고, 제어부(140)는 타겟SOC에 기반하여 충전부(120)와 방전부(130)를 제어할 수 있다.

데이터연산부(150)의 일 구성인 데이터생성부(151)는 충전에 따른 배터리(50)의 특성데이터를 생성하도록 구성된다. 상기 특성데이터는 배터리(50)의 전압, 전압 변화율, 전압 증가율(기울기값), 전압 증가율의 변화율(기울기값의 변화율) 등을 포함할 수 있다.

특성데이터가 생성되는 대상 배터리(50)는 현재 충전의 대상이 되는 배터리(50)와 동등 수준의 스펙을 가지는 비퇴화 배터리(예컨대, BOL(Beginning of life) 배터리)는 물론, SOH별로 구분되는 복수 배터리일 수 있다.

특성데이터가 생성되면 본 발명의 추정부(153)는 상기 특성데이터 또는 특성데이터의 변화를 기반으로 리튬이 석출되는 타겟SOC(A, 도 9)를 추정하고, 데이터연산부(150)의 출력부(155)는 타겟SOC를 제어부(140)로 출력한다. 타겟SOC(A)는 도 9에 도시된 바와 같이 복수일 수 있음은 물론이다.

이와 같이 타겟SOC가 입력되면, 제어부(140)는 복수 타겟SOC를 이용하여 복수의 충전구간의 충전환경 및 방전모드가 적용될 지점을 가변적으로 설정한다. 타겟SOC는 물론, 해당 타겟SOC에 의하여 결정되는 충전환경 등에 대한 설정데이터 등은 배터리(50)의 퇴화도 등과 연계된 데이터로 DB화되어 활용되도록 구성되는 것이 바람직하다.

도 1의 실시예에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)에 데이터연산부(150)가 포함되는 것으로 설명하였으나, 데이터연산부(150)는 배터리 충전 장치(100)의 외부에 구비되는 별도의 장치로 구성될 수도 있다. 이 경우, 데이터연산부(150)는 제어부(140)와 유선 및/또는 무선 통신을 통해 연결되고, 타겟SOC에 관한 정보를 제어부(140)로 송신할 수 있다. 예컨대, 데이터연산부(150)는 배터리의 퇴화도 등을 고려하여 각각의 배터리에 대한 타겟SOC를 추정하고, 추정된 타겟SOC를 DB화하는 클라우드 컴퓨팅 장치일 수 있다.

도 10은 방전용량유지율(Discharging Capacity Retention)을 기준으로 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 성능 결과를 도시하는 도면이다. 잘 알려진 바와 같이 배터리는 사용(충전 및 방전)이 지속 내지 반복될수록 그 방전용량유지율이 감소하는 거동 특성을 가진다.

도 10의 200은, 후속 충전구간으로 갈수록 감소하는 충전율(충전전류 크기)로 충전하는 공통조건만 적용된 배터리의 거동 특성 그래프이다. 도 10의 300은, 충전구간 사이에 방전펄스를 인가하되, 모든 방전모드에 동일한 방전율을 가지는 방전펄스를 동일한 시간동안 인가하는 조건이 상기 공통조건과 함께 적용된 배터리의 거동 특성 그래프이다. 도 10의 400은, 충전구간 사이에 방전펄스를 인가하되, 후속 방전모드로 갈수록 방전율은 작아지고 방전펄스가 인가되는 시간은 길어지는 조건이 상기 공통조건과 함께 적용된 배터리의 거동 특성 그래프이다.

도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 프로세싱이 적용된 400의 경우, 200 및 300과 대비하여 그 성능 열화가 현저하게 지연 내지 둔화됨으로써 배터리(50) 자체의 내구성과 성능 유지율을 뚜렷하게 개선됨을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명의 설명과 그에 대한 실시예의 도시를 위하여 첨부된 도면 등은 본 발명에 의한 기술 내용을 강조 내지 부각하기 위하여 다소 과장된 형태로 도시될 수 있으나, 앞서 기술된 내용과 도면에 도시된 사항 등을 고려하여 본 기술분야의 통상의 기술자 수준에서 다양한 형태의 변형 적용 예가 가능할 수 있음은 자명하다고 해석되어야 한다.

또한, 본 발명의 설명에 있어 제1, 제2 또는 상부, 하부 또는 상하 등과 같은 표현은 상호 간의 각 구성(요소)을 상대적으로 구분하기 위하여 사용되는 도구적 개념의 용어일 뿐, 특정의 순서, 우선순위 등을 나타내기 위하여 사용되는 용어이거나, 절대적인 기준에서 각각의 구성(요소)을 물리적으로 구분하기 위하여 사용되는 용어가 아님은 자명하다.

100: 배터리 충전 장치
110: 인터페이스부
120: 충전부
130: 방전부
140: 제어부
150: 데이터연산부
151: 데이터생성부
153: 추정부
155: 출력부
160: 검출부

Claims (10)

1. 충전구간을 복수의 충전구간으로 나누어 배터리를 충전하는 방법으로서,
   n-1(n은 2이상 자연수)번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 제1방전펄스를 인가하는 제1방전단계; 및
   상기 n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 제2방전펄스를 인가하는 제2방전단계를 포함하고,
   상기 제2방전펄스의 방전율은, 상기 제1방전펄스의 방전율 미만이 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2방전펄스가 인가되는 시간은, 상기 제1방전펄스가 인가되는 시간 이상이 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2방전단계의 방전량이 상기 제1방전단계의 방전량 이하가 되도록 상기 제1 또는 제2방전펄스의 방전율 및 상기 제1 또는 제2방전펄스가 인가되는 시간이 설정되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 n번째 충전구간의 충전율은, 상기 n-1번째 충전구간의 충전율보다 낮도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 충전구간의 충전환경은, 충전에 따른 상기 배터리의 특성데이터 변화를 기반으로 추정된 SOC값에 의하여 가변적으로 결정되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 충전환경은, 상기 복수의 충전구간의 각 구간별 길이 및 상기 복수의 충전구간의 각 구간별 충전율 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
7. 배터리를 충전하도록 구성된 충전부;
   상기 배터리를 방전하도록 구성된 방전부; 및
   복수의 충전구간으로 상기 배터리가 충전되도록 상기 충전부를 제어하고, n-1(n은 2이상 자연수)번째 충전구간과 n번째 충전구간 사이에 제1방전펄스가 인가되고 상기 n번째 충전구간과 n+1번째 충전구간 사이에 제2방전펄스가 인가되도록 상기 방전부를 제어하도록 구성된 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 제2방전펄스의 방전율이 상기 제1방전펄스의 방전율 미만이 되도록 상기 방전부를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 제2방전펄스가 인가되는 시간이 상기 제1방전펄스가 인가되는 시간 이상이 되도록 상기 방전부를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 제2방전펄스의 방전량이 상기 제1방전펄스의 방전량 이하가 되도록 상기 제1 또는 제2방전펄스의 방전율 및 상기 제1 또는 제2방전펄스가 인가되는 시간을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
10. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 미리 설정된 타겟 SOC을 이용하여 상기 복수의 충전구간의 충전환경이 가변적으로 설정되도록 상기 충전부를 제어하도록 구성되고,
    상기 타겟 SOC는, 충전에 따른 상기 배터리의 특성데이터의 변화에 기반하여, 리튬이 석출되는 SOC값으로 추정된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.

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