JP6523450B2 - 電池急速充電方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池充電方法及び装置に関し、特に、電池の寿命を延ばすと共に電池を迅速に充電するため、段階的な充電電流の減少を用いる電池急速充電方法及び装置に関する。

本出願は、２０１４年１０月３０日出願の韓国特許出願第１０−２０１４−０１４９４２０号及び２０１５年８月３日出願の韓国特許出願第１０−２０１５−０１０９５１０号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。

最近、ノートパソコン、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に伸び、電動カート、電動車椅子、電動自転車などの需要も伸びることによって、繰り返して充放電可能な高性能電池に対する研究が活発に行われている。また、炭素エネルギーが徐々に枯渇し、環境への関心が高まると共に、世界的にハイブリッド自動車（ＨＥＶ）及び電気自動車（ＥＶ）に対する需要が益々増加している。

したがって、ＨＥＶやＥＶの核心部品である車両用電池により多くの関心と研究が集中され、さらに電池を迅速に充電できる急速充電技術の開発が至急に求められる。特に、他のエネルギー源を有しないＥＶにおいては、急速充電は非常に重要な性能である。

電池を充電するプロセスは電池に電流を流して電荷及びエネルギーを蓄積することを含み、このようなプロセスは注意深く制御されねばならない。一般に、過度な充電率（Ｃ−ｒａｔｅ）または充電電圧は電池の性能を永久に低下させ、結局は完全な失敗を誘発するか、又は、腐食性の強い化学物質の漏洩や爆発などの突発故障を引き起こす恐れがある。

従来の電池充電方式には、充電初期から完了まで一定電流で充電を行う定電流（ＣＣ）方式、充電初期から完了まで一定電圧で充電を行う定電圧（ＣＶ）方式、及び充電初期は一定電流で充電し、充電末期は一定電圧で充電する定電流−定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式がある。

ＣＣ方式では、充電初期には電圧差が大きいため大電流が流れる。充電が迅速に終わるという点のみで見れば、充電電流が大きいほど望ましいが、連続的に大電流で充電すれば、充電効率が低下して電池の寿命にも影響を及ぼす。また、ＣＣ充電方式では充電が完了しても充電初期と同じ電流が電池に流れ続けるため、リチウムイオンの特性上、金属メッキ膜を形成するＬｉ−メッキ（Ｌｉ−ｐｌａｔｉｎｇ）の問題が発生し、過充電調整機能を喪失するという安全上の問題がある。そのため、充電が完了すれば直ちに充電器と電池とを分離しなければならず、不便である。

また、ＣＶ方式では、電池の充電が完了すれば、端子電圧が温度変化と電池自体の発熱によって大きく変化し、定電圧値を予め設定し難く、一般に１５．５〜１６Ｖ程度で２０〜２４時間に亘って電池を充電するため、充電時間が長いという短所がある。

最も多く用いられる方法はＣＣ−ＣＶ方式である。電池が過放電されたときにはＣＣで充電し、充電が殆ど完了する時点でＣＶに変わって過充電を防止する方式である。「Ｃ」が充電単位（「Ｑ」で表されることもある）Ａ・ｈの電池容量であれば、アンペア単位の電流がＣの分数（または乗数）として選択される。一般に最大１Ｃで充電を行う。たとえ、７００ｍＡｈ容量のリチウム電池であれば、約１時間３０分ほどで充電が完了する。しかし、該充電方式では充電器の充電能力に適した条件で充電しなければならず、換気性が良く常温約２５℃の場所で充電しなければならない。

このように従来の電池充電プロトコルは、充電速度が遅いか、又は、電池に過充電が起きる場合は電池の極板を損傷させて電池寿命を短縮させるという短所がある。それに対し、従来は電池の出力など性能を改善させることで急速充電を達成しようとする研究が行われた。
〔先行技術文献〕
〔特許文献〕
〔特許文献１〕韓国特許出願公開２０１４−００９６７９７
〔特許文献２〕韓国特許出願公開２０１４−００２５３１０
〔特許文献３〕韓国特許出願公開２０１３−００８０５１８

本発明が解決しようとする課題は、電池寿命を延ばすと共に迅速に電池を充電できる電池充電方法及び装置を提供することである。

上記の課題を解決するため、本発明による電池充電方法では、１Ｃより高い初期充電率（Ｃ−ｒａｔｅ）から始めて、電池の負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、前記充電率を段階的に減少させながら電池を充電する。

前記初期充電率は、１．５Ｃ〜５Ｃであり得、１．５Ｃ〜３Ｃでも良い。

本発明による他の電池充電方法は、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）による電池の負極電位を相異なる充電率毎に測定するデータ取得段階；前記取得されたデータから、前記電池の負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、充電率を段階的に変更するプロトコルを得る段階；及び前記プロトコルで電池を充電する段階を含む。

前記データ取得段階の充電率は０．２５Ｃ〜５Ｃ範囲であり得、０．２５Ｃ〜３Ｃ範囲でも良く、０．２５Ｃ〜１．５Ｃ範囲でも良い。前記プロトコルは段階的に減少する充電率（それによる充電電流）及び各充電率における充電終了後の充電電圧情報を含み得る。

本発明による電池充電装置は、商用電源から入力される充電電圧を出力する電源部；及び前記電源部から入力される充電電圧を電池に充電電流として出力して前記電池を充電させ、前記電池の充電電圧が予め設定された段階に到達すれば、充電電流を変更して前記電池に出力される充電電流を段階的に変化させる制御を行う電池充電部；を含み、前記電池充電部は、前記電池の負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、充電率を段階的に変更するプロトコルによって充電電流を段階的に調節しながら電池充電を行う。

本発明によれば、負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、充電率を段階的に変更するプロトコルによって充電電流を段階的に調節しながら電池充電を行う。負極電位を０Ｖ以下に落とさないことによって、電池の負極におけるＬｉ−メッキの発生を防止でき、それによって電池の寿命を延ばすと共に迅速に電池を充電することができる。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。

本発明による電池充電方法のフロー図である。 充電率による負極電位及びそれに基づいたプロトコルで充電するときの負極電位である。 本発明による方法で電池を充電するとき、時間毎の充電率（充電電流）を示したグラフである。 本発明による段階的な充電電流の減少を用いた充電方法での電池寿命と従来のＣＣ−ＣＶ充電方式での電池寿命とを比較したグラフである。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。しかし、本発明は、後述する実施例によって限定されるものではなく、相異なる多様な形態で具現されると解釈されねばならない。本実施例は単に本発明の開示を完全にし、通常の知識を持つ者に発明の範疇を完全に提示するために提供されるものである。

定電流方式による急速充電では、負極表面のＬｉ−メッキによるセルの退化が最も問題になる。Ｌｉ−メッキは、充電電流密度（充電率または充電電流）が高いほど、温度が低いほど、発生し易い。しかし、これを防止するため充電電流密度を低めれば、目標とする充電速度を達成することができない。本発明では、電池のＬｉ−メッキが発生せず、且つ、充電時間が短縮できる技術を提供することができる。

負極電位が０Ｖ以下である場合、Ｌｉ−メッキが発生する。そこで本発明では、３電極セル実験を通じて充電電流による負極電位を測定し、それに基づいて各電流で充電するとき、Ｌｉ−メッキが発生しない充電限界を数値化する。また、それに基づいて負極電位が０Ｖ以下にならないように充電率を調節しながら充電電流を段々減らして充電することで、Ｌｉ−メッキが発生せず、且つ、充電時間を短縮させたマルチステップ充電技術を提供することができる。

図１は、本発明による電池充電方法のフロー図である。

図１を参照すれば、ＳＯＣによる電池の負極電位を相異なる充電率毎に測定するデータ取得段階を行う（段階Ｓ１）。

例えば、３電極セル実験を通じて充電電流による負極電位を測定する。「Ｃ」が充電単位（「Ｑ」で表されることもある）Ａ・ｈの電池容量であれば、アンペア単位の電流がＣの分数（または乗数）として選択される。例えば、１Ｃ充電率とは、満充電した電池の容量を１時間内に使用するか又は充電する充放電速度を意味し、そのときの電流密度を意味することもある。近年、電子機器の機能が多様化すると共に、一定時間で機器が使用する電流量も大幅に増加している。それにより、そのエネルギー源として使用される電池においてもさらに高い性能が求められている。携帯電話の場合、従来は殆どＣ／２の充電率及び放電率を必要としたが、今後はこれらの機能がさらに強化され、１Ｃの充電率及び放電率を要求することもあり得る。現在、ノートパソコン、ＥＶ、ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）用電池などはこれと類似するか又は一層高い放電率を必要とする。

充電率は１Ｃより高いことが急速充電の観点で望ましい。しかし、高い電流で充電し続ければ、電池の内部に熱が発生し得、電池抵抗のため各電極が過電圧状態を形成する恐れがある。したがって、電池の種類及び特性を考慮して充電率を定めなければならない。

データ取得段階の充電率の範囲は、このような電池の種類及び特性に合わせて変更することができる。例えば、ＥＶ用電池は、初期充電率を１．５Ｃに定め、充電率０．２５Ｃ〜１．５Ｃの範囲でデータを取得することができる。ＰＨＥＶ用電池の場合は、初期充電率を３Ｃに定め、充電率０．２５Ｃ〜３Ｃの範囲でデータを取得することができる。このような初期充電率及び充電率の範囲は電池の種類だけではなく、実際自動車で使用するモーターの最大電流によっても制限され得る。

上述したように、電池の特性を考慮して、ＥＶ用電池は初期充電率を１．５Ｃに定め、ＰＨＥＶ用電池は初期充電率を３Ｃに定めることができる。さらに高速の充電率及び放電率を要する仕様の電池では、初期充電率をさらに高めることができ、例えば５Ｃまで高めることもできる。したがって、初期充電率は１．５Ｃ〜５Ｃであり得、本発明においてデータ取得段階の充電率の範囲は０．２５Ｃ〜５Ｃ範囲であり得る。

上述したように、ＨＥＶやＥＶの核心部品である車両用電池には多大な関心と研究が集中されており、それと共に電池を迅速に充電できる急速充電技術の開発が至急に求められている。自動車市場では充電時間に対する要求が益々高くなって、それに応えるためにはより高い初期充電率が必要となる。急速充電の観点では初期充電率を高めることが有利であるが、上述したような問題から、充電率が高過ぎても、電池抵抗のため各電極が過電圧状態を形成する恐れがある。そして、高過ぎる充電率では充電が始まると同時に限界（本発明の場合は負極電位が０Ｖ以下）に達し、全体充電時間の大幅な短縮にはならないこともあり得る。したがって、初期充電率を高めるためには、電池の抵抗特性の改善が伴わなければならない。本発明によれば、従来の電池に比べて抵抗特性が改善された電池を対象にし、初期充電率を５Ｃまで高めることができる。

図２は、充電率による負極電位が示されている。図２に示されたように、１．５Ｃから０．２５Ｃまで充電率を変化させ、ＳＯＣによる負極電位を測定してグラフを得た。

その後、取得されたデータから、前記電池の負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、充電率を段階的に変更するプロトコルを得る（段階Ｓ２）。負極電位が０Ｖ以下に落ちないようにすれば、電池の充電時に形成されたイオン層が電解質に拡散分解されるため、負極にＬｉ−メッキを生じさせない。

例えば、図２では、負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、点線で示されたようなプロトコルが得られる。初期充電率１．５Ｃで充電すれば、ＳＯＣ３５％の地点で負極電位が０Ｖになる。そこで、充電率をその次の充電率である１．２５Ｃに変更し、充電すれば、ＳＯＣ４７％の地点で負極電位が０Ｖになる。その後、充電率をその次の充電率である１Ｃに変更し、充電すれば、ＳＯＣ５６％の地点で負極電位が０Ｖになる。次いで、充電率をその次の充電率である０．７５Ｃに変更し、充電すれば、ＳＯＣ６５％の地点で負極電位が０Ｖになる。その後、充電率をその次の充電率である０．５Ｃに変更し、充電すれば、ＳＯＣ７６％の地点で負極電位が０Ｖになる。次いで、充電率をその次の充電率に変更する。

このような方法でプロトコルを得ることができる。電池の種類によってＳＯＣによる負極電位のグラフは変わるが、プロトコルを得る方法は同様に適用され得る。

また、本実施例では、１．５Ｃから０．２５Ｃまで０．２５Ｃずつ充電率を減少させる場合を挙げて説明したが、上述したように初期充電率の範囲及びデータ取得段階の充電率の範囲は変更自在であり、充電率の減少量も、０．２５Ｃではなく、任意の値に変更し得る。減少量を減らすことで段階を細分化するほど全体充電時間は長くなるが、Ｌｉ−メッキ防止効果はより優れる。

図３は、本発明による方法で電池を充電するとき、時間毎の充電率（充電電流）を示したグラフであり、図２に示したプロトコルと類似のプロトコル（最終充電率が０．２５Ｃではなく０．４Ｃである場合）を時間毎の充電率で示したものである。

電池を充電するための充電器の充電電流は、経時的に１．５Ｃに該当する初期充電率から最終充電率まで段階的に減少する。各充電率の維持時間（ｔ１〜ｔ６）は、上述したように負極電位を０Ｖ以下に落とさないものであるため、変わり得る。このように本発明では、充電率による負極電位を測定し、それに基づいて各電流で充電するときのＬｉ−メッキが発生しない充電限界を数値化する。

その後、このようなプロトコルで電池を充電する（段階Ｓ３）。前記プロトコルは、段階的に減少する充電率、及び各充電率における充電終了後の充電電圧情報を含み得る。本発明によれば、プロトコルによって最適化された充電電流を印加して充電することができる。

充電プロトコルは、本発明による電池充電装置を用いて実現することができる。該電池充電装置は、商用電源から入力される充電電圧を出力する電源部；及び前記電源部から入力される充電電圧を電池に充電電流として出力して前記電池を充電させ、前記電池の充電電圧が予め設定された段階に到達すれば、充電電流を変更して前記電池に出力される充電電流を段階的に変化させる制御を行う電池充電部；を含む。前記電池充電部は、前記電池の負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、充電率を段階的に変更するプロトコルによって充電電流を段階的に調節しながら電池充電を行う。

このように本発明による充電方法プロトコルのロジッグは、電池充電装置に組み込まれて電池の充電に用いることができる。前記電池充電部は、急速充電を具現するためのプロセッサを採用する。本発明の実施例によれば、プロセッサはメモリに充電プロトコルのロジッグを記憶させ、それぞれ正確な制御を達成して装置性能を保持するため、電圧、電流などを高い精度で測定することができる。

表１は、このように電流密度毎の負極電位に基づいた充電プロトコルを定め、実際充電時に負極電位が０Ｖ以下に落ちない充電電圧及び充電時間をまとめたものである。

初期充電率１．５Ｃで充電すれば、ＳＯＣ３５％の地点、すなわち充電電圧が３．８２３Ｖに到達するまで１４分（ｔ１）がかかる。プロトコルによってその次の充電率である１．２５Ｃに変更して充電すれば、ＳＯＣ４７％の地点に到達する。そのとき、電池の充電電圧は３．８３２Ｖであって、時間は５．７６分（ｔ２）がかかる。プロトコルによってその次の充電率である１Ｃに変更して５．４分（ｔ３）間充電すれば、ＳＯＣ５６％の地点に到達し、そのとき電池の充電電圧は３．８４Ｖである。プロトコルによってその次の充電率である０．７５Ｃに変更して充電すれば、ＳＯＣ６５％の地点に到達する。そのとき、電池の充電電圧は３．８５７Ｖであって、この段階の維持時間は７．２分（ｔ４）である。プロトコルによってその次の充電率である０．５Ｃに変更して１３．２分（ｔ５）間充電すれば、ＳＯＣ７６％の地点に到達し、そのとき電池の充電電圧は３．９５Ｖである。プロトコルによってその次の充電率である０．４Ｃに変更すれば、ＳＯＣ８０％の地点に到達する。そのとき、電池の充電電圧は４．０Ｖであって、この段階で６分（ｔ６）がかかる。

表１に示されたように、本発明によれば、満充電の８０％（８０％ＳＯＣ）が５１．５６分（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４＋ｔ５＋ｔ６）で得られる充電プロファイルを示し、満充電する場合でも、従来１Ｃ充電率で満充電するときかかる約１時間３０分よりは充電時間を減少させることができる。

また、本発明によれば、負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、充電過程を制御するため、一般的なＣＣ−ＣＶ充電方式と比べ、負極にＬｉ−メッキが発生する恐れがなく、それによって寿命が延びるという効果がある。

電池の寿命とは、電池を如何に長く使用できるかを示す尺度であって、単位は回数（サイクル）で示し、サイクル特性とも称する。すなわち、電池を何回充電して使用できるかを示し、電気エネルギーの意味では電池を１回充電して満放電するまで使用したときを１サイクルとし、このようなサイクルの回数を寿命と言える。

図４は、本発明による段階的な充電電流の減少を用いた充電方法での電池寿命と従来のＣＣ−ＣＶ充電方式での電池寿命とを比較したグラフであって、サイクル回数による容量の変化を示したものである。充放電サイクルが繰り返されても、電池の容量があまり減少せず維持されることが要求される。

本発明と従来の方式とにおいて、同じ充電時間、１Ｃ−ＣＣの同じ放電条件にしてそれぞれの寿命を比べた。図４に示されたように、従来の方式では２５０サイクル後の容量維持率が９６％程度まで減少するが、本発明による方式では２５０サイクル後にも容量維持率が９８％以上である。

このような電池の寿命は様々な要因によって決定され、電極の構造安定性、特に負極の安定性が重要である。理想的な負極はリチウムイオンとの反応可逆性が高くなければならない。理想的な可逆反応が行われれば、サイクルに伴う容量維持率の変化がない。本発明による段階的な充電電流の減少を用いた充電方法は、従来に比べて反応可逆性がより高いことが分かるが、これは負極におけるＬｉ−メッキを防止した結果である。このように、本発明の段階的な充電電流の減少を用いた充電方法によれば、電池劣化を防止して従来より寿命が延びることが確認できる。

このような本発明による段階的な充電電流の減少を用いた充電方法は、１Ｃより大きい初期充電率を用いて電池を急速充電しながら、負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、段階的に充電率を減少させて充電するため、Ｌｉ−メッキの発生なく、電池を急速充電することができる。電池内部構造の損傷を防止でき、電池の寿命を延ばすことができる。

以上、本発明の望ましい実施例を図面を参照して説明したが、本発明は上述した特定の望ましい実施例によって限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者であれば多様な変形実施が可能であり、そのような変更が特許請求の範囲の記載範囲内であることは言うまでもない。

Ｓ１〜Ｓ３ 段階

Claims (8)

1. ＳＯＣによる電池の負極電位を相異なる充電率毎に測定するデータ取得段階と、
   前記取得されたデータから、前記電池の負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、充電率を段階的に複数回変更するプロトコルを得る段階と、
   前記プロトコルで電池を充電する段階と、を含む電池充電方法。
2. 前記データ取得段階の充電率が０．２５Ｃ〜５Ｃの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の電池充電方法。
3. 前記プロトコルは、初期充電率が１Ｃより高いことを特徴とする請求項２に記載の電池充電方法。
4. 前記プロトコルは、初期充電率が１．５Ｃ〜５Ｃであることを特徴とする請求項３に記載の電池充電方法。
5. 前記プロトコルは、段階的に減少する充電率、及び各充電率における充電終了後の充電電圧情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の電池充電方法。
6. 前記データ取得段階は、３電極セル実験を通じて充電電流による負極電位を測定することを特徴とする請求項１に記載の電池充電方法。
7. 前記データ取得段階の充電率を０．２５Ｃずつ減少させながら測定することを特徴とする請求項１に記載の電池充電方法。
8. 商用電源から入力される充電電圧を出力する電源部と、
   前記電源部から入力される充電電圧を電池に充電電流として出力して前記電池を充電させ、前記電池の充電電圧が予め設定された段階に到達すれば、充電電流を変更して前記電池に出力される充電電流を段階的に変化させる制御を行う電池充電部と、を含み、
   前記電池充電部は、前記電池の負極電位が０Ｖ以下に落ちないように、充電率を段階的に複数回変更するプロトコルによって充電電流を段階的に調節しながら電池充電を行うことを特徴とする電池充電装置。

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