WO2024101832A1 - 급속 충전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a rapid charging control device and method, and more specifically, to a rapid charging control device and method for efficiently fast charging a battery.
  • lithium batteries have almost no memory effect compared to nickel-based batteries, so they can be freely charged and discharged, and have a very high self-discharge rate. It is attracting attention due to its low and high energy density.
  • lithium plating lithium plating
  • Li-plating lithium plating, Li-plating
  • lithium metal is deposited on the surface of the cathode, an internal short circuit of the battery may occur, so there is a risk of ignition or explosion due to an internal short circuit. Therefore, there is a need to develop a technology that can prevent lithium metal from depositing on the cathode surface and rapidly charge the battery.
  • the present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to provide a rapid charging control device and method that can efficiently rapidly charge a battery.
  • a rapid charging control device includes a measuring unit configured to measure the voltage of a battery; And estimating the SOC of the battery based on the voltage of the battery, and determining the charging C-RATE corresponding to the estimated SOC based on a charging profile preset to indicate the correspondence between SOC and charging C-RATE, When the charging C-RATE corresponding to the estimated SOC changes, it may include a control unit configured to block charging of the battery for a predetermined period of time.
  • the charging profile may be configured to include a plurality of SOC sections with corresponding charging C-RATE set.
  • the control unit blocks charging of the battery for the predetermined time and charges the battery. It can be configured to change to the charging C-RATE corresponding to the next SOC section.
  • the control unit may be configured to resume charging of the battery with the changed charging C-RATE after the predetermined time has elapsed.
  • the charging C-RATE may be set to decrease as the estimated SOC increases and the SOC section to which the estimated SOC belongs changes.
  • the control unit may be configured to calculate the resistance value of the battery based on the voltage change during the predetermined time and diagnose the state of the battery according to the calculated resistance value.
  • the control unit calculates the resistance value whenever charging of the battery is interrupted for the predetermined time in a plurality of charging cycles, and compares resistance values with the same charging C-RATE to diagnose the state of the battery. It can be configured.
  • the control unit may be configured to diagnose that lithium metal has been deposited in the battery based on resistance values calculated in successive charging cycles among resistance values with the same charging C-RATE.
  • the control unit calculates a resistance change rate of the resistance value with respect to the BOL resistance value calculated in the first charging cycle of the battery, and if the difference between the resistance change rates calculated in successive charging cycles is greater than a preset threshold, the battery It can be configured to diagnose that lithium metal is precipitated.
  • the control unit may be configured to diagnose that lithium metal has been deposited in the battery if the ratio of the resistance difference to the BOL resistance value calculated in the first charging cycle of the battery is greater than or equal to a preset threshold.
  • the charging profile may be set to indicate a correspondence between the charging C-RATE and the SOC corresponding to the maximum point or inflection point of a resistance profile preset to correspond to the charging C-RATE.
  • the resistance profile may be set to indicate a correspondence between a resistance value corresponding to the charging C-RATE and SOC.
  • the charging profile may be set so that, if the maximum point exists in the resistance profile, the SOC corresponding to the maximum point corresponds to the charging C-RATE.
  • the charging profile may be set so that if the maximum point does not exist in the resistance profile and the inflection point exists, the SOC corresponding to the inflection point corresponds to the charging C-RATE.
  • the charging profile may be configured such that as the charging C-RATE decreases, the SOC corresponding to the charging C-RATE increases.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include a rapid charging control device according to an aspect of the present invention.
  • a rapid charging control method includes a voltage measurement step of measuring the voltage of a battery; A SOC estimation step of estimating the SOC of the battery based on the voltage of the battery; A charging C-RATE determination step of determining a charging C-RATE corresponding to the estimated SOC, based on a charging profile preset to indicate the correspondence between SOC and charging C-RATE; And when the charging C-RATE corresponding to the estimated SOC changes, it may include a charging blocking step of blocking charging of the battery for a predetermined time.
  • a rapid charging control method includes a resistance value calculation step of calculating a resistance value of the battery based on a voltage change during the predetermined time after the charging blocking step; and a battery diagnosis step of diagnosing the state of the battery according to the calculated resistance value.
  • rapid charging of a battery can be controlled according to a set charging profile to prevent lithium metal from being deposited in the battery during the rapid charging process. Therefore, precipitation of lithium metal during the rapid charging process can be effectively prevented.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a rapid charging control device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram schematically showing a charging profile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram schematically showing a battery charging process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram schematically showing the resistance change rate of the first battery and the second battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a diagram schematically showing the resistance change rate of the third battery and the fourth battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram schematically showing a first resistance profile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a diagram schematically showing a first differential profile of a first resistance profile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a diagram schematically showing a second resistance profile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a diagram schematically showing a first differential profile of a second resistance profile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a diagram schematically showing a second differential profile of a second resistance profile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a diagram schematically showing a plurality of resistance profiles according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of an energy storage device according to another embodiment of the present invention.
  • 15 and 16 are diagrams schematically showing a rapid charging control method according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing a rapid charging control device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery has a negative terminal and a positive terminal and refers to an independent cell that is physically separable.
  • a lithium ion battery or a lithium polymer battery may be considered a battery.
  • a battery may refer to a battery module in which a plurality of cells are connected in series and/or parallel.
  • the battery will be described as meaning one independent cell.
  • the rapid charging control device 100 may include a measurement unit 110 and a control unit 120.
  • the measuring unit 110 may be configured to measure the voltage of the battery.
  • the measuring unit 110 may be connected to the positive and negative terminals of the battery. Additionally, the measuring unit 110 may be configured to measure the voltage of the battery by measuring the positive and negative voltages of the battery. For example, the measurement unit 110 may measure the voltage of the battery according to a preset voltage measurement cycle.
  • the measurement unit 110 may be connected to the control unit 120 to enable communication.
  • the measurement unit 110 may be connected to the control unit 120 by wire and/or wirelessly. Additionally, the measurement unit 110 may transmit information about the measured voltage of the battery to the control unit 120.
  • the control unit 120 may be configured to estimate the state of charge (SOC) of the battery based on the voltage of the battery.
  • control unit 120 may receive the voltage of the battery from the measurement unit 110 and estimate the SOC of the battery from the received voltage.
  • the voltage and SOC of the battery can be set in advance according to their correspondence.
  • a SOC profile indicating the correspondence between voltage and SOC may be prepared in advance.
  • the control unit 120 may determine the SOC corresponding to the voltage received from the measurement unit 110 from the SOC profile and estimate the determined SOC as the SOC of the battery.
  • SOC indicates the state of charge of the battery, and may be preset so that the voltage of the battery corresponds to the SOC.
  • This SOC can be expressed as a value from 0% to 100% or 0 to 1.
  • SOC is described as having a value of 0% to 100%.
  • the control unit 120 may be configured to determine a charging C-RATE corresponding to the estimated SOC based on a charging profile preset to indicate the correspondence between SOC and charging C-RATE (Current rate).
  • the charging profile can be set in advance to indicate the correspondence between SOC and charging C-RATE.
  • the charging C-RATE is the C-RATE at which the battery is charged, and the charging C-RATE for the battery can be determined depending on the SOC of the battery.
  • the charging C-RATE corresponding to a given SOC section may be set in advance. Additionally, the control unit 120 may determine the SOC section to which the current SOC of the battery belongs in the charging profile and determine the charging C-RATE corresponding to the determined SOC section.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a charging profile according to an embodiment of the present invention.
  • the charging profile may be configured to include a plurality of SOC sections in which the corresponding charging C-RATE is set.
  • the charging profile includes a first SOC section from 8% to 25% SOC, a second SOC section from 25% to 40% SOC, a third SOC section from 40% to 55% SOC, and a fourth SOC section from 55% to 70% SOC. And a fifth SOC section of 70% to 80% SOC may be included. Additionally, a rest period of 3 seconds (0.05 minutes) may be included between each SOC section.
  • the SOC of the battery may be included in the first SOC section. Accordingly, the control unit 120 may determine the charging C-RATE for the battery to be 2.5C.
  • the control unit 120 may be configured to block battery charging for a predetermined period of time when the charging C-RATE corresponding to the estimated SOC changes.
  • control unit 120 may determine the charging C-RATE corresponding to the estimated SOC based on the charging profile. For example, the control unit 120 may estimate the SOC each time it receives the voltage of the battery from the measurement unit 110 and determine the charging C-RATE based on the estimated SOC. If the charging C-RATE corresponding to the estimated SOC changes, the control unit 120 may block charging of the battery for a predetermined time.
  • the charging C-RATE can be set to decrease as the estimated SOC increases and the SOC section to which the estimated SOC belongs changes.
  • the size of the corresponding charging C-RATE may decrease in the order of the first SOC section, the second SOC section, the third SOC section, the fourth SOC section, and the fifth SOC section. That is, as the SOC of the battery increases (i.e., as the battery is charged), the charging C-RATE for the battery may decrease.
  • the control unit 120 blocks charging of the battery for a predetermined time and sets the charging C-RATE for the battery. It can be configured to change to the charging C-RATE corresponding to the next SOC section.
  • the control unit 120 may determine the charging C-RATE of the battery at time t1 to be 2.5C. Thereafter, if the SOC of the battery is estimated to be 25% at time t2, the control unit 120 may determine that the SOC of the battery at time t2 has reached the upper limit of the first SOC section. The control unit 120 may block charging of the battery for a predetermined time at time t2 and change the charging C-RATE of the battery to 1.5C corresponding to the second SOC section.
  • the predetermined time refers to a charging interruption time set to calculate charge transfer resistance based on the voltage drop immediately after charging of the battery is stopped.
  • the predetermined time may be set to any one of 0.1 seconds to 3 seconds.
  • control unit 120 may be configured to resume charging the battery with the changed charging C-RATE.
  • the battery may be charged with the changed charging C-RATE.
  • the controller 120 can control the battery to be charged at a charge C-RATE of 1.5C until the SOC of the battery reaches the upper limit (40%) of the second SOC section.
  • the total charging time for the battery may take 44.55 minutes (i.e., 44 minutes 33 seconds).
  • the rapid charging control device 100 can rapidly charge the battery by changing the charging C-RATE for each SOC section.
  • the rapid charging control device 100 may control rapid charging of the battery so that there is a rest period for a predetermined period of time whenever the charging C-RATE changes during the rapid charging process.
  • control unit 120 provided in the fast charging control device 100 includes a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, and a processor known in the art to execute various control logics performed in the present invention. It may optionally include registers, communication modems, data processing devices, etc. Additionally, when the control logic is implemented as software, the control unit 120 may be implemented as a set of program modules. At this time, the program module is stored in memory and can be executed by the control unit 120. The memory may be inside or outside the control unit 120 and may be connected to the control unit 120 through various well-known means.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the rapid charging control device 100 may further include a storage unit 130.
  • the storage unit 130 may store data or programs required for each component of the rapid charging control device 100 to perform operations and functions, or data generated in the process of performing operations and functions.
  • information storage means may include RAM, flash memory, ROM, EEPROM, registers, etc.
  • the storage unit 130 may store program codes in which processes executable by the control unit 120 are defined.
  • the control unit 120 may be configured to calculate the resistance value of the battery based on the voltage change over a predetermined period of time.
  • control unit 120 may calculate the resistance value of the battery based on the change in voltage of the battery during the time when charging of the battery is blocked.
  • control unit 120 may be configured to calculate a resistance value whenever charging of the battery is interrupted for a predetermined period of time in a plurality of charging cycles.
  • the control unit 120 uses Ohm'law of the battery to adjust the charging current and voltage immediately before charging of the battery is cut off and the voltage at the time a predetermined time elapses after charging of the battery is cut off. Based on this, the resistance value of the battery can be calculated.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a battery charging process according to an embodiment of the present invention.
  • the battery voltage at Ts may be Vs[V]
  • the battery voltage at Td may be Vd[V]. That is, during the rest period (Rest) when charging of the battery is blocked, the voltage of the battery may decrease from Vs[V] to Vd[V].
  • the control unit 120 may calculate the resistance value of the battery by calculating the formula “(Vs-Vd) ⁇ I1”.
  • control unit 120 may be configured to diagnose the state of the battery according to the calculated resistance value.
  • control unit 120 may be configured to diagnose the state of the battery by comparing resistance values with the same charging C-RATE.
  • the battery may have a total of 5 rest periods in the process of being charged from SOC 8% to 80%. Since the SOC of the battery corresponding to each rest period is different, the state of the battery can be diagnosed by comparing resistance values with the same charging C-RATE.
  • control unit 120 can diagnose the state of the battery (in particular, whether lithium is deposited) based on the resting resistance value during the rapid charging process. That is, the control unit 120 can diagnose the status of the battery in real time while the battery is being rapidly charged.
  • control unit 120 may be configured to diagnose that lithium metal has been deposited in the battery based on resistance values calculated in successive charging cycles among resistance values with the same charging C-RATE.
  • control unit 120 may diagnose the state of the battery based on the difference in resistance change rate or resistance difference with respect to the resistance value of successive charging cycles.
  • the difference in resistance change rate may mean the ratio of the calculated resistance value of the battery to the BOL (Beginning of Life) resistance value calculated in the first charging cycle of the battery.
  • the resistance change rate can be expressed according to the formula "(R0-Rn) ⁇ Rn ⁇ 100" or "(R0-Rn) ⁇ Rn". there is.
  • the resistance change rate of the battery's resistance value (R1) calculated at time t1 is "(R1-R0) ⁇ Rn
  • the resistance change rate is “(R2-R0) ⁇ Rn ⁇ 100”, and the difference in resistance change rate can be calculated as “(R1-R2) ⁇ Rn ⁇ 100”.
  • the resistance difference may mean the difference between resistance values in successive charging cycles. For example, if the battery resistance value calculated at time t1 is R1, and the battery resistance value calculated at time t2 (a continuous time point t1) is R2, the resistance difference can be calculated as “R1-R2”.
  • control unit 120 may be configured to calculate a resistance change rate of the resistance value with respect to the BOL resistance value calculated in the first charging cycle of the battery. In addition, the control unit 120 may be configured to diagnose that lithium metal has been deposited in the battery if the difference in resistance change rate calculated in successive charging cycles is greater than or equal to a preset threshold.
  • control unit 120 may diagnose the state of the battery as an abnormal state in which lithium metal is deposited.
  • Figure 4 is a diagram schematically showing the resistance change rate of the first battery (B1) and the second battery (B2) according to an embodiment of the present invention.
  • the first battery (B1) is a normal battery in which lithium metal has not been deposited
  • the second battery (B2) is a defective battery in which lithium metal has been deposited starting from the 21st charging cycle.
  • the first battery (B1) and the second battery (B2) are the same type of battery, but in order to determine the change in resistance change rate when lithium metal is deposited, the negative electrode of the second battery (B2) is changed from the 21st charging cycle. Lithium metal was allowed to precipitate.
  • FIG. 4 shows the 1-second resistance change rate of the first battery (B1) and the second battery (B2). That is, the time during which charging of the first battery (B1) and the second battery (B2) is blocked is set to 1 second, and the charging of the first battery (B1) and the second battery (B2) is set to 1 second based on the voltage change for 1 second. The resistance value is calculated, and the resistance change rate is calculated based on the calculated resistance value.
  • the resistance change rate of the second battery B2 in the 20th charging cycle may be RF1%, and the resistance change rate in the 21st charging cycle may be RF2%.
  • the control unit 120 may calculate the difference in resistance change rate between the 20th charging cycle and the 21st charging cycle as “RF1-RF2.” Additionally, the control unit 120 may compare the difference in the calculated resistance change rates with a preset threshold.
  • the threshold may be set to a value that can indicate that the resistance change rate of successive charging cycles has changed rapidly.
  • the threshold value may be preset to a value of 0.5% or more, for example, based on the type of battery, where the battery is used, etc.
  • the threshold can be preset to a value of 1% or higher. In the following, it is assumed that the threshold is set to 1%.
  • the difference in resistance change rates of the first battery B1 corresponding to successive charging cycles is not greater than the threshold value (1%). Accordingly, the control unit 120 may diagnose the first battery B1 as a normal battery in which lithium metal is not deposited. On the other hand, since the difference in resistance change rate (RF1-RF2) of the second battery (B2) between the 20th and 21st charging cycles is greater than the threshold (1%), the control unit 120 connects the second battery (B2) to lithium. It can be diagnosed as an abnormal battery with metal deposits.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the resistance change rate of the third battery (B3) and the fourth battery (B4) according to an embodiment of the present invention.
  • the third battery (B3) is a normal battery in which lithium metal has not been deposited
  • the fourth battery (B4) is a defective battery in which lithium metal has been deposited starting from the 21st charging cycle.
  • the third battery (B3) and the fourth battery (B4) are the same type of battery, but in order to determine the change in resistance change rate when lithium metal is deposited, the negative electrode of the fourth battery (B4) is changed from the 21st charging cycle. Lithium metal was allowed to precipitate.
  • FIG. 5 shows the 3-second resistance change rate of the third battery (B3) and the fourth battery (B4). That is, the time for blocking the charging of the third battery (B3) and the fourth battery (B4) is set to 3 seconds, and the charging of the third battery (B3) and the fourth battery (B4) is set to 3 seconds based on the voltage change for 3 seconds. The resistance value is calculated, and the resistance change rate is calculated based on the calculated resistance value.
  • the difference in resistance change rates of the third battery B3 corresponding to successive charging cycles is not greater than the threshold value (1%). Accordingly, the control unit 120 may diagnose the third battery B3 as a normal battery in which lithium metal is not deposited. On the other hand, since the difference in resistance change rate (RF3-RF4) of the fourth battery (B4) between the 20th and 21st charging cycles is greater than the threshold (1%), the control unit 120 controls the fourth battery (B4) as lithium. It can be diagnosed as an abnormal battery with metal deposits.
  • control unit 120 may be configured to diagnose that lithium metal has been deposited in the battery if the ratio of the resistance difference to the BOL resistance value calculated in the first charging cycle of the battery is greater than or equal to a preset threshold. .
  • the control unit 120 may calculate the resistance difference between time t2 and time t1 as “R1-R2.” And, the control unit 120 can calculate the ratio of the resistance difference to the BOL resistance value according to the formula “(R1-R2) ⁇ R0 ⁇ 100”. And, the control unit 120 determines whether the calculated value is critical? If this is the case, it can be diagnosed that lithium metal has been deposited in the battery.
  • the rapid charging control device 100 has the advantage of being able to diagnose the state of the battery in real time during the rapid charging process based on the resistance value of the corresponding charging C-RATE.
  • the state of the battery can be diagnosed by not simply considering the difference in resistance between two consecutive charging cycles, but also considering the BOL resistance of the battery. Therefore, there is an advantage that the state of the battery can be accurately diagnosed in real time based on the initial resistance (BOL resistance) of the battery, the resistance value of the previous charging cycle, and the resistance value of the current charging cycle.
  • the charging profile may be set to indicate a correspondence between the charging C-RATE and the SOC corresponding to the maximum point or inflection point of the resistance profile preset to correspond to the charging C-RATE.
  • the resistance profile may be set to indicate the correspondence between the resistance value corresponding to the charging C-RATE and the SOC.
  • the correspondence between the battery's resistance value and SOC may vary depending on the charging C-RATE. Therefore, preferably, the resistance profile can be provided for each charging C-RATE.
  • the resistance profile can be expressed as an X-Y graph where the X-axis is SOC and the Y-axis is set to resistance value.
  • a correspondence relationship between charging C-RATE and SOC can be established depending on the presence or absence of a maximum point or inflection point of the resistance profile.
  • the local maximum point refers to a point corresponding to a differentiable local maximum in the resistance profile.
  • the maximum point is a point where the instantaneous rate of change in resistance to SOC is 0, and the instantaneous rate of change in resistance to SOC can change from positive to negative around the maximum point.
  • the charging profile may be set so that, if a maximum point exists in the resistance profile, the SOC corresponding to the maximum point corresponds to the charging C-RATE.
  • Figure 6 is a diagram schematically showing the first resistance profile PR1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the first differential profile PF1' of the first resistance profile PR1 according to an embodiment of the present invention.
  • the first resistance profile PR1 is a profile showing the correspondence between SOC and resistance obtained while charging the battery at a charging C-RATE of 0.75C.
  • the first differential profile PF1' of the first resistance profile PR1 is a profile obtained by first differentiating the first fitting profile PF1 obtained by polynomial curve fitting of the first resistance profile PR1.
  • the first differential profile PF1' according to the embodiment of FIG. 7 may be derived.
  • the SOC of the maximum point of the first resistance profile PR1 is tSOC1 (75.09764%).
  • the upper limit of the SOC section corresponding to a charging C-RATE of 0.75C may be set to 75% (75.09764% rounded to the decimal place).
  • the charging profile may be set so that if an inflection point exists without a maximum point in the resistance profile, the SOC corresponding to the inflection point corresponds to the charging C-RATE.
  • the overvoltage within the battery increases, and the resistance profile may change differently accordingly.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a second resistance profile PR2 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the first differential profile PF2′ of the second resistance profile PR2 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a second differential profile (PF2") of the second resistance profile (PR2) according to an embodiment of the present invention.
  • the second resistance profile PR2 is a profile showing the correspondence between SOC and resistance obtained while charging the battery at a charging C-RATE of 2C.
  • the first differential profile (PF2') of the second resistance profile (PR2) is a profile obtained by first differentiating the second fitting profile (PF2) obtained by polynomial curve fitting of the second resistance profile (PR2).
  • the second differential profile (PF2") of the second resistance profile (PR2) is a profile obtained by second-differentiating the second fitting profile (PF2). That is, the second differential profile (PF2) of the second resistance profile (PR2) ") is a profile obtained by differentiating the first differential profile (PF2') of the second resistance profile (PR2).
  • the first differential profile PF2' according to the embodiment of FIG. 9 can be derived.
  • the second differential profile PF2" according to the embodiment of FIG. 10 can be derived.
  • the charging C-RATE included in the charging profile is 2C, 0.75C, and 0.5C
  • the battery is charged at SOC 8% to 80%.
  • the upper limit of the SOC section corresponding to a charging C-RATE of 2C is SOC 36%
  • the upper limit of the SOC section corresponding to a charging C-RATE of 0.75C is SOC 75%, corresponding to a charging C-RATE of 0.5C. It is assumed that the upper limit of the SOC section is SOC 80%.
  • the battery is charged at a charge C-RATE of 2C from 8% to 36% SOC, a charge C-RATE of 0.75C from 36% to 75% SOC, and a charge C-RATE of 0.5C from 75% to 80% SOC.
  • a charging profile can be set to charge at a RATE.
  • the rapid charging control device 100 can control rapid charging of a battery using a charging profile set to prevent lithium metal from being deposited in the battery during the rapid charging process. Therefore, precipitation of lithium metal due to rapid charging can be effectively prevented.
  • the charging profile may be configured so that as the charging C-RATE decreases, the SOC corresponding to the charging C-RATE increases.
  • Figure 11 is a diagram schematically showing a plurality of resistance profiles according to an embodiment of the present invention.
  • the embodiment of Figure 11 has a resistance profile corresponding to the charging C-RATE of 0.5C, 0.75C, 1C, 1.25C, 1.5C, 1.75C, 2C, 2.25C, 2.5C, 2.75C and 3C, and This is a diagram showing the upper limit of the SOC section (marked with ⁇ ).
  • the upper limit of the SOC section corresponding to the charging C-RATE may decrease. Conversely, as the charging C-RATE decreases, the upper limit of the SOC section corresponding to the charging C-RATE may increase.
  • the resistance profile and the upper limit of the SOC section for charging C-RATE from 0.5C to 3C are shown in 0.25C units, but the upper limit of the SOC section for more diverse charging C-RATE is shown in the charging profile. Can be preset.
  • the rapid charging control device 100 according to the present invention can be applied to a BMS (Battery Management System). That is, the BMS according to the present invention may include the rapid charging control device 100 described above. In this configuration, at least some of each component of the rapid charging control device 100 may be implemented by supplementing or adding functions of components included in a conventional BMS. For example, the measurement unit 110, control unit 120, and storage unit 130 of the rapid charging control device 100 may be implemented as components of a BMS.
  • the rapid charging control device 100 may be provided in a battery pack. That is, the battery pack according to the present invention may include the rapid charging control device 100 described above and one or more battery cells. Additionally, the battery pack may further include electrical components (relays, fuses, etc.) and cases.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack 10 according to another embodiment of the present invention.
  • the positive terminal of the battery 11 may be connected to the positive terminal (P+) of the battery pack 10, and the negative terminal of the battery 11 may be connected to the negative terminal (P-) of the battery pack 10.
  • the relay 12 may be located in the charging/discharging path of the battery 11. Specifically, the relay 12 may be located in a high current path of the battery 11. For example, one end of the relay 12 may be electrically connected to the positive terminal of the battery 11, and the other end of the relay 12 may be electrically connected to the positive terminal (P+) of the battery pack 10. Also, the charging/discharging path of the battery 11 may be opened or closed depending on the operating state of the relay 12.
  • the control unit 120 may control the operation state of the relay 12 to be turned on or turned off. For example, the control unit 120 may control the operating state of the relay 12 to be turned on while charging the battery 11. Additionally, the control unit 120 may control the operating state of the relay 12 to be turned off while blocking charging of the battery 11.
  • the measuring unit 110 (110) may be connected to the first sensing line (SL1), the second sensing line (SL2), and the third sensing line (SL3). Specifically, the measuring unit 110 (110) is connected to the positive terminal of the battery 11 through the first sensing line (SL1) and to the negative terminal of the battery 11 through the second sensing line (SL2). You can. The measurement unit 110 may measure the voltage of the battery 11 based on the voltage measured at each of the first and second sensing lines (SL1) and SL2.
  • the measurement unit 110 (110) may be connected to the current measurement unit (A) through the third sensing line (SL3).
  • the current measuring unit A may be an ammeter or a shunt resistor capable of measuring the charging current and discharging current of the battery 11.
  • One end of the charging device 20 may be connected to the positive terminal (P+) of the battery pack 10, and the other end may be connected to the negative terminal (P-) of the battery pack 10. Therefore, the positive terminal of the battery 11, the positive terminal (P+) of the battery pack 10, the charging device 20, the negative terminal (P-) of the battery pack 10, and the negative terminal of the battery 11 are electrically connected. It can be connected to .
  • the charging device 20 may be connected to enable communication with the control unit 120.
  • the charging device 20 and the control unit 120 may be connected to communicate using power line communication (PLC).
  • PLC power line communication
  • the control unit 120 transmits the determined charging C-RATE to the charging device 20, and the charging device 20 can output a charging current corresponding to the received charging C-RATE to the battery 11.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a car 1300 according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack 1310 may be included in a vehicle 1300 such as an electric vehicle (EV) or a hybrid vehicle (HV). And, the battery pack 1310 can drive the car 1300 by supplying power to the motor through an inverter provided in the car 1300. In addition, the battery pack 1310 is equipped with a rapid charging control device 100 (100), which can control rapid charging of the battery pack 1310.
  • a vehicle 1300 such as an electric vehicle (EV) or a hybrid vehicle (HV).
  • EV electric vehicle
  • HV hybrid vehicle
  • the battery pack 1310 can drive the car 1300 by supplying power to the motor through an inverter provided in the car 1300.
  • the battery pack 1310 is equipped with a rapid charging control device 100 (100), which can control rapid charging of the battery pack 1310.
  • FIG. 14 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of an energy storage system (ESS) 1400 according to another embodiment of the present invention.
  • the energy storage device 1400 includes a plurality of battery modules 1420 and a rack case 1410.
  • the plurality of battery modules 1420 may be configured to be accommodated in the rack case 1410 in a vertically arranged form.
  • a fast charging control device 100 is provided in each of the plurality of battery modules 1420, and the fast charging control device 100 can control fast charging of the corresponding battery module 1420.
  • 15 and 16 are diagrams schematically showing a rapid charging control method according to another embodiment of the present invention.
  • each step of the rapid charging control method may be performed by the rapid charging control device 100.
  • the rapid charging control device 100 For convenience of explanation, content that overlaps with the content described above will be omitted or briefly described.
  • the fast charging control method may include a voltage measurement step (S100), an SOC estimation step (S200), a charging C-RATE determination step (S300), and a charging blocking step (S400).
  • the voltage measurement step (S100) is a step of measuring the voltage of the battery and may be performed by the measurement unit 110.
  • the measurement unit 110 may measure the voltage of the battery according to a preset voltage measurement cycle.
  • the SOC estimation step (S200) is a step of estimating the SOC of the battery based on the voltage of the battery, and may be performed by the control unit 120.
  • control unit 120 may estimate the SOC for the voltage measured in the voltage measurement step (S100) based on the SOC profile indicating the correspondence between voltage and SOC.
  • the charging C-RATE determination step (S300) is a step of determining the charging C-RATE corresponding to the estimated SOC based on a charging profile preset to indicate the correspondence between SOC and charging C-RATE, and the control unit 120 It can be performed by .
  • control unit 120 may determine the SOC section to which the current SOC of the battery belongs in the charging profile and determine the charging C-RATE corresponding to the determined SOC section.
  • the charging blocking step (S400) is a step of blocking charging of the battery for a predetermined time when the charging C-RATE corresponding to the estimated SOC changes, and may be performed by the control unit 120.
  • the control unit 120 may block charging of the battery for a predetermined time. That is, when the estimated SOC reaches the upper limit of the SOC section to which it currently belongs, the control unit 120 may block battery charging for a predetermined period of time.
  • the rapid charging control method can control the rapid charging of the battery so that there is a rest period for a predetermined period of time whenever the charging C-RATE changes during the rapid charging process.
  • the fast charging control method may further include a resistance value calculation step (S500) and a battery diagnosis step (S600).
  • the resistance value calculation step (S500) is a step of calculating the resistance value of the battery based on the voltage change for a predetermined time after the charging cutoff step (S400), and may be performed by the control unit 120.
  • control unit 120 may use Ohm's law to calculate the resistance value of the battery based on the change in voltage of the battery during the time when charging of the battery is blocked.
  • control unit 120 may calculate the resistance value of the battery by calculating the formula “(Vs-Vd) ⁇ I1”.
  • the battery diagnosis step (S600) is a step of diagnosing the state of the battery according to the calculated resistance value, and may be performed by the control unit 120.
  • control unit 120 may be configured to calculate a resistance change rate of the resistance value with respect to the BOL resistance value calculated in the first charging cycle of the battery. In addition, the control unit 120 may be configured to diagnose that lithium metal has been deposited in the battery if the difference in resistance change rate calculated in successive charging cycles is greater than or equal to a preset threshold.
  • control unit 120 may be configured to diagnose that lithium metal has been deposited in the battery if the ratio of the resistance difference to the BOL resistance value calculated in the first charging cycle of the battery is greater than or equal to a preset threshold. .
  • the rapid charging control method has the advantage of being able to diagnose the state of the battery in real time during the rapid charging process based on the resistance value of the corresponding charging C-RATE.
  • the embodiments of the present invention described above are not only implemented through devices and methods, but may also be implemented through a program that realizes the function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded.
  • the implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs based on the description of the embodiments described above.
  • control unit 120 control unit

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 제어 장치는 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하고, SOC와 충전 C-RATE 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 충전 프로파일에 기반하여, 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE를 결정하며, 상기 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE가 변경될 경우, 소정의 시간 동안 상기 배터리의 충전을 차단시키도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

급속 충전 제어 장치 및 방법
본 출원은 2022년 11월 08일 자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2022-0148250에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 급속 충전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리를 효율적으로 급속 충전하기 위한 급속 충전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 자동차, 전기 오토바이 및 전기 자전거 등의 전력 구동 장치 등이 상용화되면서, 고용량 및 고성능 배터리에 대한 요구가 증가되고 있다. 하지만, 배터리의 용량이 증가됨에 따라 배터리 충전에 소요되는 시간도 증가되는 단점이 부각되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 배터리를 급속 충전하는 기술이 개발되고 있지만, 급속 충전에 의해 배터리의 퇴화가 가속될 수 있는 우려가 있다.
특히, 배터리의 급속 충전 과정에서, 음극 표면에 리튬이 석출되는 현상(리튬 플레이팅, Li-plating)이 발생될 수 있다. 음극 표면에 리튬이 석출되면 전해액과의 부반응 및 배터리의 운동역학적 균형(kinetic balance) 변경 등을 초래하여 배터리 퇴화의 원인이 된다. 또한, 음극 표면에 리튬 금속이 석출됨에 따라 배터리의 내부 단락이 발생될 수 있기 때문에, 내부 단락에 의한 발화 및 폭발 등의 위험이 있다. 따라서, 음극 표면에 리튬 금속이 석출되는 것을 방지하며, 배터리를 급속 충전시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리를 효율적으로 급속 충전할 수 있는 급속 충전 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 급속 충전 제어 장치는 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하고, SOC와 충전 C-RATE 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 충전 프로파일에 기반하여, 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE를 결정하며, 상기 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE가 변경될 경우, 소정의 시간 동안 상기 배터리의 충전을 차단시키도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 충전 프로파일은, 대응되는 충전 C-RATE가 설정된 복수의 SOC 구간을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 추정된 SOC가 증가함에 따라 상기 추정된 SOC가 속하고 있는 현재 SOC 구간의 상한값에 도달하면, 상기 배터리의 충전을 상기 소정의 시간 동안 차단하고, 상기 배터리에 대한 충전 C-RATE를 다음 SOC 구간에 대응되는 충전 C-RATE로 변경하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 소정의 시간이 경과된 이후, 변경된 충전 C-RATE로 상기 배터리의 충전을 재개하도록 구성될 수 있다.
상기 충전 C-RATE는, 상기 추정된 SOC가 증가함에 따라 상기 추정된 SOC가 속하는 SOC 구간이 변경될수록 작아지도록 설정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 소정의 시간 동안의 전압 변화에 기반하여 상기 배터리의 저항값을 산출하며, 산출된 저항값에 따라 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 복수의 충전 사이클에서 상기 배터리의 충전이 상기 소정의 시간 동안 차단될 때마다 상기 저항값을 산출하고, 대응되는 충전 C-RATE가 동일한 저항값끼리 비교하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 대응되는 충전 C-RATE가 동일한 저항값 중에서 연속된 충전 사이클에서 산출된 저항값들에 기반하여 상기 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 최초 충전 사이클에서 산출된 BOL 저항값에 대한 상기 저항값의 저항 변동률을 산출하고, 상기 연속된 충전 사이클에서 산출된 저항 변동률의 차이가 미리 설정된 임계값 이상이면, 상기 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 최초 충전 사이클에서 산출된 BOL 저항값에 대한 저항차의 비율이 미리 설정된 임계값 이상이면, 상기 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 충전 프로파일은, 상기 충전 C-RATE와 상기 충전 C-RATE에 대응되도록 미리 설정된 저항 프로파일의 극대점 또는 변곡점에 대응되는 SOC 간의 대응 관계를 나타내도록 설정될 수 있다.
상기 저항 프로파일은, 상기 충전 C-RATE에 대응되는 저항값과 SOC 간의 대응 관계를 나타내도록 설정될 수 있다.
상기 충전 프로파일은, 상기 저항 프로파일에 상기 극대점이 존재하면, 상기 극대점에 대응되는 SOC가 상기 충전 C-RATE에 대응되도록 설정될 수 있다.
상기 충전 프로파일은, 상기 저항 프로파일에 상기 극대점이 존재하지 않고 상기 변곡점이 존재하면, 상기 변곡점에 대응되는 SOC가 상기 충전 C-RATE에 대응되도록 설정될 수 있다.
상기 충전 프로파일은, 상기 충전 C-RATE가 감소될수록 상기 충전 C-RATE에 대응되는 SOC가 증가되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 급속 충전 제어 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 급속 충전 제어 방법은 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 단계; SOC와 충전 C-RATE 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 충전 프로파일에 기반하여, 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE를 결정하는 충전 C-RATE 결정 단계; 및 상기 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE가 변경될 경우, 소정의 시간 동안 상기 배터리의 충전을 차단시키는 충전 차단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 급속 충전 제어 방법은 상기 충전 차단 단계 이후, 상기 소정의 시간 동안의 전압 변화에 기반하여 상기 배터리의 저항값을 산출하는 저항값 산출 단계; 및 산출된 저항값에 따라 상기 배터리의 상태를 진단하는 배터리 진단 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 급속 충전 과정에서 배터리에 리튬 금속이 석출되는 것을 방지할 수 있도록 설정된 충전 프로파일에 따라 배터리의 급속 충전이 제어될 수 있다. 따라서, 급속 충전 과정에서 리튬 금속이 석출되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 제어 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 배터리와 제2 배터리의 저항 변동률을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 배터리와 제4 배터리의 저항 변동률을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 저항 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 저항 프로파일의 제1 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 저항 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 저항 프로파일의 제1 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 저항 프로파일의 제2 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 저항 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 급속 충전 제어 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
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 해석되어야 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.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
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.
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.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 제어 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리로 간주될 수 있다. 또한, 배터리는 복수의 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 의미할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.
도 1을 참조하면, 급속 충전 제어 장치(100)는 측정부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 배터리의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 측정부(110)는 배터리의 양극 단자 및 음극 단자와 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 배터리의 양극 전압 및 음극 전압을 측정함으로써, 배터리의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 측정부(110)는 미리 설정된 전압 측정 주기에 따라 배터리의 전압을 측정할 수 있다.
측정부(110)는 제어부(120)와 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 예컨대, 측정부(110)는 유선 및/또는 무선으로 제어부(120)와 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 측정한 배터리의 전압에 대한 정보를 제어부(120)로 송신할 수 있다.
제어부(120)는 배터리의 전압에 기반하여 배터리의 SOC(State of charge)를 추정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 측정부(110)로부터 배터리의 전압을 수신하고, 수신한 전압으로부터 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 바람직하게, 배터리의 전압과 SOC는 서로의 대응 관계에 따라 미리 설정될 수 있다. 예컨대, 전압과 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 SOC 프로파일이 미리 구비될 수 있다. 제어부(120)는 SOC 프로파일에서 측정부(110)로부터 수신한 전압에 대응되는 SOC를 결정하고, 결정된 SOC를 배터리의 SOC로 추정할 수 있다.
여기서, SOC는 배터리의 충전 상태를 나타내는 것으로서, 배터리의 전압과 SOC가 대응되도록 미리 설정될 수 있다. 이러한 SOC는 0% 내지 100% 또는 0 내지 1의 값으로 표현될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, SOC가 0% 내지 100%의 값을 갖는 것으로 설명한다.
제어부(120)는 SOC와 충전 C-RATE(Current rate) 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 충전 프로파일에 기반하여, 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE를 결정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 충전 프로파일은 SOC와 충전 C-RATE 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정될 수 있다. 충전 C-RATE는 배터리가 충전되는 C-RATE로, 배터리의 SOC에 따라 배터리에 대한 충전 C-RATE가 결정될 수 있다.
구체적으로, 소정의 SOC 구간에 대하여 대응되는 충전 C-RATE가 미리 설정될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 충전 프로파일에서 배터리의 현재 SOC가 속하는 SOC 구간을 결정하고, 결정된 SOC 구간에 대응되는 충전 C-RATE를 결정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다. 구체적으로, 충전 프로파일은 대응되는 충전 C-RATE가 설정된 복수의 SOC 구간을 포함하도록 구성될 수 있다.
도 2의 실시예에서, 배터리의 충전은 SOC 8%에서 80%까지 수행되는 것으로 가정한다. 충전 프로파일에는 SOC 8% 내지 25%의 제1 SOC 구간, SOC 25% 내지 40%의 제2 SOC 구간, SOC 40% 내지 55%의 제3 SOC 구간, SOC 55% 내지 70%의 제4 SOC 구간 및 SOC 70% 내지 80%의 제5 SOC 구간이 포함될 수 있다. 그리고, 각각의 SOC 구간 사이에는 3초(0.05분)의 휴지기(Rest)가 포함될 수 있다.
만약, 도 2의 실시예에서, 배터리의 SOC가 20%로 추정된 경우, 배터리의 SOC는 제1 SOC 구간에 포함될 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 배터리에 대한 충전 C-RATE를 2.5C로 결정할 수 있다.
제어부(120)는 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE가 변경될 경우, 소정의 시간 동안 배터리의 충전을 차단시키도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리의 SOC를 추정할 때마다 충전 프로파일에 기반하여 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE를 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 측정부(110)로부터 배터리의 전압을 수신할 때마다 SOC를 추정하고, 추정된 SOC에 기반하여 충전 C-RATE를 결정할 수 있다. 만약, 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE가 변경되는 경우, 제어부(120)는 배터리의 충전을 소정의 시간 동안 차단시킬 수 있다.
바람직하게, 충전 C-RATE는 추정된 SOC가 증가함에 따라 추정된 SOC가 속하는 SOC 구간이 변경될수록 작아지도록 설정될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 대응되는 충전 C-RATE의 크기는 제1 SOC 구간, 제2 SOC 구간, 제3 SOC 구간, 제4 SOC 구간 및 제5 SOC 구간 순으로 작아질 수 있다. 즉, 배터리의 SOC가 증가될수록(즉, 배터리가 충전될수록), 배터리에 대한 충전 C-RATE는 감소될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 추정된 SOC가 증가함에 따라 추정된 SOC가 속하고 있는 현재 SOC 구간의 상한값에 도달하면, 배터리의 충전을 소정의 시간 동안 차단하고, 배터리에 대한 충전 C-RATE를 다음 SOC 구간에 대응되는 충전 C-RATE로 변경하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, t1 시점에 배터리의 SOC가 20%로 추정되었다고 가정한다. 제어부(120)는 t1 시점의 배터리에 대한 충전 C-RATE를 2.5C로 결정할 수 있다. 이후, t2 시점에 배터리의 SOC가 25%로 추정되면, 제어부(120)는 t2 시점의 배터리의 SOC가 제1 SOC 구간의 상한값에 도달하였다고 판단할 수 있다. 제어부(120)는 t2 시점에서 소정의 시간 동안 배터리의 충전을 차단하고, 배터리에 대한 충전 C-RATE를 제2 SOC 구간에 대응되는 1.5C로 변경할 수 있다.
여기서, 소정의 시간은 배터리의 충전이 중단된 직후부터의 전압 강하에 기반하여, 전하 이동 저항(Charge transfer resistance)을 산출할 수 있도록 설정된 충전 중단 시간을 의미한다. 예컨대, 소정의 시간은 0.1초 내지 3초 중 어느 하나의 값으로 설정될 수 있다.
소정의 시간이 경과된 이후, 제어부(120)는 변경된 충전 C-RATE로 배터리의 충전을 재개하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리의 SOC가 속하는 새로운 SOC 구간에 대하여, 변경된 충전 C-RATE로 배터리가 충전될 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예에서, 배터리에 대한 충전 C-RATE가 1.5C로 변경되었다고 가정한다. 제어부(120)는 배터리의 SOC가 제2 SOC 구간의 상한값(40%)에 도달할 때까지, 배터리가 1.5C의 충전 C-RATE로 충전되도록 제어할 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에 따라 배터리가 SOC 8%부터 80%까지 충전되는 경우, 배터리에 대한 총 충전 시간은 44.55분(즉, 44분 33초)이 소요될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 제어 장치(100)는 SOC 구간 별로 충전 C-RATE를 변경하며 배터리를 급속 충전할 수 있다. 특히, 급속 충전 제어 장치(100)는 급속 충전 과정에서 충전 C-RATE가 변경될 때마다 소정의 시간 동안의 휴지기를 갖도록 배터리의 급속 충전을 제어할 수 있다.
한편, 급속 충전 제어 장치(100)에 구비된 제어부(120)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
또한, 급속 충전 제어 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 급속 충전 제어 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(130)는 제어부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
제어부(120)는 소정의 시간 동안의 전압 변화에 기반하여 배터리의 저항값을 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리의 충전이 차단된 시간 동안의 배터리의 전압 변화에 기반하여, 배터리의 저항값을 산출할 수 있다. 바람직하게, 제어부(120)는 복수의 충전 사이클에서 배터리의 충전이 소정의 시간 동안 차단될 때마다 저항값을 산출하도록 구성될 수 있다.
제어부(120)는 배터리의 옴의 법칙(Ohm'law)을 이용하여, 배터리의 충전이 차단되기 직전 시점의 충전 전류 및 전압과, 배터리의 충전이 차단된 후 소정 시간이 경과된 시점의 전압에 기반하여, 배터리의 저항값을 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 과정을 개략적으로 도시한 도면이다. 예컨대, Ts 시점까지 I1 전류로 배터리가 충전되었고, Ts 시점에서 Td 시점까지 배터리의 충전이 중단되었으며, Td 시점부터 I2 전류로 배터리가 충전되었다고 가정한다. Ts 시점에서의 배터리의 전압은 Vs[V]이고, Td 시점에서의 배터리의 전압은 Vd[V]일 수 있다. 즉, 배터리의 충전이 차단된 휴지기(Rest) 동안 배터리의 전압은 Vs[V]에서 Vd[V]로 감소될 수 있다. 제어부(120)는 "(Vs-Vd)÷I1"의 수식을 계산하여, 배터리의 저항값을 산출할 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 산출된 저항값에 따라 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 대응되는 충전 C-RATE가 동일한 저항값끼리 비교하여 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 2의 실시예에서, 배터리는 SOC 8%에서 80%까지 충전되는 과정에서, 총 5번의 휴지기(Rest)를 가질 수 있다. 각각의 휴지기에 대응되는 배터리의 SOC가 상이하기 때문에, 대응되는 충전 C-RATE가 동일한 저항값끼리 비교하여 배터리의 상태가 진단될 수 있다.
일반적으로, 지나친 급속 충전은 배터리의 음극 표면에 리튬 금속이 석출되는 리튬 플레이팅 현상을 초래할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 급속 충전 과정에서의 휴지기 저항값에 기반하여 배터리의 상태(특히, 리튬 석출 여부)를 진단할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 배터리가 급속 충전되는 중에 실시간으로 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 대응되는 충전 C-RATE가 동일한 저항값 중에서 연속된 충전 사이클에서 산출된 저항값들에 기반하여 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 연속된 충전 사이클의 저항값에 대한 저항 변동률의 차이 또는 저항차에 따라서 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
여기서, 저항 변동률의 차이란 배터리의 최초 충전 사이클에서 산출된 BOL(Beginning of life) 저항값에 대한 산출된 배터리의 저항값의 비율을 의미할 수 있다. 예컨대, BOL 저항값이 R0이고, 산출된 배터리의 저항값을 Rn이면, 저항 변동률은 "(R0-Rn)÷Rn×100" 또는 "(R0-Rn)÷Rn"의 수식에 따라 표현될 수 있다. t1 시점에서 산출된 배터리의 저항값(R1)의 저항 변동률은 "(R1-R0)÷Rn×100"이고, t2 시점(t1 시점에 연속된 시점)에서 산출된 배터리의 저항값(R2)의 저항 변동률은 "(R2-R0)÷Rn×100"이며, 저항 변동률의 차이는 "(R1-R2)÷Rn×100"로 산출될 수 있다.
그리고, 저항차란 연속된 충전 사이클에서의 저항값 간의 차이를 의미할 수 있다. 예컨대, t1 시점에서 산출된 배터리의 저항값이 R1이고, t2 시점(t1 시점에 연속된 시점)에서 산출된 배터리의 저항값이 R2이면, 저항차는 "R1-R2"로 산출될 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 배터리의 최초 충전 사이클에서 산출된 BOL 저항값에 대한 저항값의 저항 변동률을 산출하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는, 연속된 충전 사이클에서 산출된 저항 변동률의 차이가 미리 설정된 임계값 이상이면, 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(120)는 연속된 충전 사이클에서 산출된 저항 변동률이 임계값 이상으로 감소하면, 배터리의 상태를 리튬 금속이 석출된 비정상 상태로 진단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 배터리(B1)와 제2 배터리(B2)의 저항 변동률을 개략적으로 도시한 도면이다. 구체적으로, 제1 배터리(B1)는 리튬 금속이 석출되지 않은 정상 배터리이고, 제2 배터리(B2)는 21회 충전 사이클부터 리튬 금속이 석출된 결함 배터리이다. 예컨대, 제1 배터리(B1)와 제2 배터리(B2)는 동종의 배터리이지만, 리튬 금속이 석출된 경우의 저항 변동률의 변화를 파악하기 위하여, 21회 충전 사이클부터 제2 배터리(B2)의 음극에는 리튬 금속이 석출되도록 하였다.
그리고, 도 4의 실시예는 제1 배터리(B1)와 제2 배터리(B2)의 1초 저항 변동률을 나타낸 것이다. 즉, 제1 배터리(B1)와 제2 배터리(B2)의 충전이 차단되는 시간이 1초로 설정되고, 1초 동안의 전압 변화에 기반하여 제1 배터리(B1)와 제2 배터리(B2)의 저항값이 산출되며, 산출된 저항값에 기반하여 저항 변동률이 산출된 것이다.
제2 배터리(B2)의 20회 충전 사이클에서의 저항 변동률은 RF1%이고, 21회 충전 사이클에서의 저항 변동률은 RF2%일 수 있다. 여기서, 제어부(120)는 20회 충전 사이클과 21회 충전 사이클의 저항 변동률의 차이를 "RF1-RF2"로 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 산출된 저항 변동률의 차이를 미리 설정된 임계값과 비교할 수 있다.
여기서, 임계값은 연속된 충전 사이클의 저항 변동률이 급격하게 변동된 것을 나타낼 수 있는 값으로 설정될 수 있다. 구체적으로, 임계값은 배터리의 종류, 배터리의 사용처 등에 기반하여 예컨대, 임계값은 0.5% 이상의 값으로 미리 설정될 수 있다. 바람직하게, 임계값은 1% 이상의 값으로 미리 설정될 수 있다. 이하에서는, 임계값이 1%로 설정되었다고 가정한다.
도 4의 실시예에서, 제1 배터리(B1)는 연속된 충전 사이클에 대응되는 저항 변동률의 차이가 임계값(1%)보다 크지 않다. 따라서, 제어부(120)는 제1 배터리(B1)를 리튬 금속이 석출되지 않은 정상 배터리로 진단할 수 있다. 반면, 제2 배터리(B2)는 20회 및 21회 충전 사이클의 저항 변동률의 차이(RF1-RF2)가 임계값(1%)보다 크기 때문에, 제어부(120)는 제2 배터리(B2)를 리튬 금속이 석출된 비정상 배터리로 진단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 배터리(B3)와 제4 배터리(B4)의 저항 변동률을 개략적으로 도시한 도면이다. 구체적으로, 제3 배터리(B3)는 리튬 금속이 석출되지 않은 정상 배터리이고, 제4 배터리(B4)는 21회 충전 사이클부터 리튬 금속이 석출된 결함 배터리이다. 예컨대, 제3 배터리(B3)와 제4 배터리(B4)는 동종의 배터리이지만, 리튬 금속이 석출된 경우의 저항 변동률의 변화를 파악하기 위하여, 21회 충전 사이클부터 제4 배터리(B4)의 음극에는 리튬 금속이 석출되도록 하였다.
그리고, 도 5의 실시예는 제3 배터리(B3)와 제4 배터리(B4)의 3초 저항 변동률을 나타낸 것이다. 즉, 제3 배터리(B3)와 제4 배터리(B4)의 충전이 차단되는 시간이 3초로 설정되고, 3초 동안의 전압 변화에 기반하여 제3 배터리(B3)와 제4 배터리(B4)의 저항값이 산출되며, 산출된 저항값에 기반하여 저항 변동률이 산출된 것이다.
도 5의 실시예에서, 제3 배터리(B3)는 연속된 충전 사이클에 대응되는 저항 변동률의 차이가 임계값(1%)보다 크지 않다. 따라서, 제어부(120)는 제3 배터리(B3)를 리튬 금속이 석출되지 않은 정상 배터리로 진단할 수 있다. 반면, 제4 배터리(B4)는 20회 및 21회 충전 사이클의 저항 변동률의 차이(RF3-RF4)가 임계값(1%)보다 크기 때문에, 제어부(120)는 제4 배터리(B4)를 리튬 금속이 석출된 비정상 배터리로 진단할 수 있다.
다른 실시예에서, 제어부(120)는, 배터리의 최초 충전 사이클에서 산출된 BOL 저항값에 대한 저항차의 비율이 미리 설정된 임계값 이상이면, 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예와 같이, BOL 저항값이 R0이고, t1 시점에서 산출된 배터리의 저항값이 R1이며, t2 시점(t1 시점에 연속된 시점)에서 산출된 배터리의 저항값이 R2이라고 가정한다. 제어부(120)는 t2 시점과 t1 시점의 저항차를 "R1-R2"로 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 "(R1-R2)÷R0×100"의 수식에 따라 BOL 저항값에 대한 저항차의 비율을 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 산출된 값이 임계?quot; 이상이면, 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 제어 장치(100)는 대응되는 충전 C-RATE가 동일한 저항값에 기반하여, 급속 충전 과정에서 배터리의 상태를 실시간으로 진단할 수 있는 장점이 있다. 특히, 단순히 연속된 2개의 충전 사이클 간의 저항차만이 고려되지 않고, 배터리의 BOL 저항이 함께 고려되어 배터리의 상태가 진단될 수 있다. 따라서, 배터리의 초기 저항(BOL 저항), 직전 충전 사이클의 저항값 및 현재 충전 사이클의 저항값에 기반하여, 배터리의 상태가 실시간으로 정확하게 진단될 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 각각의 충전 C-RATE마다 SOC 구간이 설정되는 실시예에 대해 설명한다.
충전 프로파일은 충전 C-RATE와 충전 C-RATE에 대응되도록 미리 설정된 저항 프로파일의 극대점 또는 변곡점에 대응되는 SOC 간의 대응 관계를 나타내도록 설정될 수 있다.
여기서, 저항 프로파일은 충전 C-RATE에 대응되는 저항값과 SOC 간의 대응 관계를 나타내도록 설정될 수 있다. 배터리의 저항값과 SOC 간의 대응 관계는 충전 C-RATE에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 바람직하게, 저항 프로파일은 충전 C-RATE별로 구비될 수 있다. 예컨대, 저항 프로파일은 X축이 SOC이고, Y축이 저항값으로 설정된 경우의 X-Y 그래프로 표현될 수 있다.
구체적으로, 저항 프로파일의 극대점 또는 변곡점 유무에 따라 충전 C-RATE와 SOC 간의 대응 관계가 설정될 수 있다.
보다 구체적으로, 극대점은 저항 프로파일에서 미분 가능한 극댓값(Local maximum)에 대응되는 포인트를 의미한다. 즉, 극대점은 SOC에 대한 저항의 순간 변화율이 0인 지점으로, 극대점을 중심으로 SOC에 대한 저항의 순간 변화율이 양에서 음으로 변경될 수 있다.
예컨대, 충전 프로파일은, 저항 프로파일에 극대점이 존재하면, 극대점에 대응되는 SOC가 충전 C-RATE에 대응되도록 설정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 저항 프로파일(PR1)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 저항 프로파일(PR1)의 제1 미분 프로파일(PF1')을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 제1 저항 프로파일(PR1)은 배터리를 0.75C의 충전 C-RATE로 충전하면서 획득한 SOC와 저항 간의 대응 관계를 나타낸 프로파일이다. 제1 저항 프로파일(PR1)의 제1 미분 프로파일(PF1')은 제1 저항 프로파일(PR1)을 다항식 곡선 피팅(Polynomial curve fitting)한 제1 피팅 프로파일(PF1)을 1차 미분한 프로파일이다.
구체적으로, 도 6의 실시예에 따른 제1 저항 프로파일(PR1)을 미분하면, 도 7의 실시예에 따른 제1 미분 프로파일(PF1')이 도출될 수 있다.
도 7의 실시예에서, 제1 미분 프로파일(PF1')의 1차 미분값을 고려하면, 제1 저항 프로파일(PR1)에는 극대점이 존재함을 알 수 있다. 제1 저항 프로파일(PR1)의 극대점의 SOC는 tSOC1(75.09764%)이다. 예컨대, 0.75C의 충전 C-RATE에 대응되는 SOC 구간의 상한값은 75%(75.09764%를 소수점 자리에서 반올림한 값)로 설정될 수 있다.
다른 예로, 충전 프로파일은, 저항 프로파일에 극대점이 존재하지 않고 변곡점이 존재하면, 변곡점에 대응되는 SOC가 충전 C-RATE에 대응되도록 설정될 수 있다.
일반적으로, 충전 C-RATE가 커질수록 배터리 내에 과전압이 증가하고, 이에 따라 저항 프로파일의 개형이 다르게 나타날 수 있다. 이 경우, 배터리에 대한 저항 프로파일에는 극대점이 존재하지 않을 수 있다. 따라서, 극대점에 기반하여 충전 프로파일에서 충전 C-RATE에 대응되는 SOC 구간의 상한값을 설정한다면, 잘못 설정된 SOC 구간에 의해 배터리가 급속 충전되고, 배터리의 음극에 리튬 금속이 석출되는 것을 유발할 수 있다. 따라서, 저항 프로파일에서 극대점이 존재하지 않는 경우, 변곡점의 존재 여부에 따라 충전 C-RATE에 대응되는 SOC 구간의 상한값이 설정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 저항 프로파일(PR2)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 저항 프로파일(PR2)의 제1 미분 프로파일(PF2')을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 저항 프로파일(PR2)의 제2 미분 프로파일(PF2")을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 제2 저항 프로파일(PR2)은 배터리를 2C의 충전 C-RATE로 충전하면서 획득한 SOC와 저항 간의 대응 관계를 나타낸 프로파일이다. 제2 저항 프로파일(PR2)의 제1 미분 프로파일(PF2')은 제2 저항 프로파일(PR2)을 다항식 곡선 피팅(Polynomial curve fitting)한 제2 피팅 프로파일(PF2)을 1차 미분한 프로파일이다. 그리고, 제2 저항 프로파일(PR2)의 제2 미분 프로파일(PF2")은 제2 피팅 프로파일(PF2)을 2차 미분한 프로파일이다. 즉, 제2 저항 프로파일(PR2)의 제2 미분 프로파일(PF2")은 제2 저항 프로파일(PR2)의 제1 미분 프로파일(PF2')을 다시 미분한 프로파일이다.
구체적으로, 도 8의 실시예에 따른 제2 저항 프로파일(PR2)을 미분하면, 도 9의 실시예에 따른 제1 미분 프로파일(PF2')이 도출될 수 있다. 그리고, 도 9의 실시예에 따른 제1 미분 프로파일(PF2')을 미분하면, 도 10의 실시예에 따른 제2 미분 프로파일(PF2")이 도출될 수 있다.
도 9의 실시예에서, 제1 미분 프로파일(PF2')의 1차 미분값을 고려하면, 제1 저항 프로파일(PR1)에는 극대점이 존재하지 않음을 알 수 있다. 그러나, 도 10의 실시예에서, 제2 미분 프로파일(PF2")의 2차 미분값을 고려하면, 제1 저항 프로파일(PR1)에는 변곡점이 존재함을 알 수 있다. 제1 저항 프로파일(PR1)의 변곡점의 SOC는 tSOC2(36.35072%)이다. 예컨대, 2C의 충전 C-RATE에 대응되는 SOC 구간의 상한값은 36%(36.35072%를 소수점 자리에서 반올림한 값)로 설정될 수 있다.
예컨대, 충전 프로파일에 포함된 충전 C-RATE는 2C, 0.75C 및 0.5C이고, 배터리는 SOC 8% 내지 80%에서 충전된다고 가정한다. 또한, 2C의 충전 C-RATE에 대응되는 SOC 구간의 상한값은 SOC 36%이고, 0.75C의 충전 C-RATE에 대응되는 SOC 구간의 상한값은 SOC 75%이며, 0.5C의 충전 C-RATE에 대응되는 SOC 구간의 상한값은 SOC 80%라고 가정한다. 배터리가 SOC 8%에서 36%까지는 2C의 충전 C-RATE로 충전되고, SOC 36%에서 75%까지는 0.75C의 충전 C-RATE로 충전되며, SOC 75%에서 80%까지는 0.5C의 충전 C-RATE로 충전되도록, 충전 프로파일이 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 제어 장치(100)는 급속 충전 과정에서 배터리에 리튬 금속이 석출되는 것을 방지할 수 있도록 설정된 충전 프로파일을 이용하여, 배터리의 급속 충전을 제어할 수 있다. 따라서, 급속 충전에 따라 리튬 금속이 석출되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다.
한편, 충전 프로파일은 충전 C-RATE가 감소될수록 충전 C-RATE에 대응되는 SOC가 증가되도록 구성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 저항 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 11의 실시예는, 0.5C, 0.75C, 1C, 1.25C, 1.5C, 1.75C, 2C, 2.25C, 2.5C, 2.75C 및 3C의 충전 C-RATE에 대응되는 저항 프로파일 및 SOC 구간의 상한값(★로 표시됨)을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 충전 C-RATE가 증가될수록 충전 C-RATE에 대응되는 SOC 구간의 상한값은 감소될 수 있다. 반대로 설명하면, 충전 C-RATE가 감소될수록 충전 C-RATE에 대응되는 SOC 구간의 상한값은 증가될 수 있다.
도 11의 실시예에는, 0.25C 단위로 0.5C부터 3C까지의 충전 C-RATE에 대한 저항 프로파일 및 SOC 구간의 상한값을 도시하였지만, 충전 프로파일에는 보다 다양한 충전 C-RATE에 대하여 SOC 구간의 상한값이 미리 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 급속 충전 제어 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 급속 충전 제어 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 급속 충전 제어 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 급속 충전 제어 장치(100)의 측정부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 급속 충전 제어 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 급속 충전 제어 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
배터리(11)의 양극 단자는 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 배터리(11)의 음극 단자는 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다.
릴레이(12)는 배터리(11)의 충방전 경로에 위치할 수 있다. 구체적으로, 릴레이(12)는 배터리(11)의 대전류 경로에 위치할 수 있다. 예컨대, 릴레이(12)의 일단은 배터리(11)의 양극 단자와 전기적으로 연결되고, 릴레이(12)의 타단은 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+)와 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 릴레이(12)의 동작 상태에 따라 배터리(11)의 충방전 경로가 개폐될 수 있다.
제어부(120)는 릴레이(12)의 동작 상태를 턴 온 상태 또는 턴 오프 상태로 제어할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 배터리(11)를 충전시키는 동안 릴레이(12)의 동작 상태를 턴 온 상태로 제어할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 배터리(11)의 충전을 차단하는 동안 릴레이(12)의 동작 상태를 턴 오프 상태로 제어할 수 있다.
측정부(110)(110)는 제1 센싱 라인(SL1), 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 측정부(110)(110)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(11)의 양극 단자에 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(11)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 측정부(110)(110)는 제1 센싱 라인(SL1)과 제2 센싱 라인(SL2) 각각에서 측정된 전압에 기반하여, 배터리(11)의 전압을 측정할 수 있다.
그리고, 측정부(110)(110)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 전류 측정 유닛(A)과 연결될 수 있다. 예컨대, 전류 측정 유닛(A)은 배터리(11)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있는 전류계 또는 션트 저항일 수 있다.
충전 장치(20)는 일단이 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 타단이 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다. 따라서, 배터리(11)의 양극 단자, 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+), 충전 장치(20), 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-) 및 배터리(11)의 음극 단자는 전기적으로 연결될 수 있다.
충전 장치(20)는 제어부(120)와 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 예컨대, 충전 장치(20)와 제어부(120)는 전력선통신(PLC, power line communication)을 이용하여 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 제어부(120)는 결정한 충전 C-RATE를 충전 장치(20)로 송신하고, 충전 장치(20)는 수신한 충전 C-RATE에 대응되는 충전 전류를 배터리(11)로 출력할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차(1300)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(1310)은 전기 자동차(Electric vehicle, EV)나 하이브리드 자동차(Hybrid vehicle, HV)와 같은 자동차(1300)에 포함될 수도 있다. 그리고, 배터리 팩(1310)은 자동차(1300)에 구비된 인버터를 통해 모터에 전력을 공급함으로써, 자동차(1300)를 구동시킬 수 있다. 또한, 배터리 팩(1310)에는 급속 충전 제어 장치(100)(100)가 구비되어, 배터리 팩(1310)의 급속 충전을 제어할 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 저장 장치(ESS, energy storage system)(1400)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 에너지 저장 장치(1400)는 복수의 배터리 모듈(1420) 및 랙 케이스(1410)를 포함한다. 복수의 배터리 모듈(1420)은 상하 방향으로 배열된 형태로 랙 케이스(1410)에 수용되도록 구성될 수 있다. 예컨대, 복수의 배터리 모듈(1420) 각각에 급속 충전 제어 장치(100)가 구비되고, 급속 충전 제어 장치(100)는 대응되는 배터리 모듈(1420)의 급속 충전을 제어할 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 급속 충전 제어 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 급속 충전 제어 방법의 각 단계는 급속 충전 제어 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 15를 참조하면, 급속 충전 제어 방법은 전압 측정 단계(S100), SOC 추정 단계(S200), 충전 C-RATE 결정 단계(S300) 및 충전 차단 단계(S400)를 포함할 수 있다.
전압 측정 단계(S100)는 배터리의 전압을 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 측정부(110)는 미리 설정된 전압 측정 주기에 따라 배터리의 전압을 측정할 수 있다.
SOC 추정 단계(S200)는 배터리의 전압에 기반하여 배터리의 SOC를 추정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 전압과 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 SOC 프로파일에 기반하여, 전압 측정 단계(S100)에서 측정된 전압에 대한 SOC를 추정할 수 있다.
충전 C-RATE 결정 단계(S300)는 SOC와 충전 C-RATE 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 충전 프로파일에 기반하여, 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE를 결정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 충전 프로파일에서 배터리의 현재 SOC가 속하는 SOC 구간을 결정하고, 결정된 SOC 구간에 대응되는 충전 C-RATE를 결정할 수 있다.
충전 차단 단계(S400)는 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE가 변경될 경우, 소정의 시간 동안 배터리의 충전을 차단시키는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE가 변경되는 경우, 제어부(120)는 배터리의 충전을 소정의 시간 동안 차단시킬 수 있다. 즉, 제어부(120)는 추정된 SOC가 현재 속하고 있는 SOC 구간의 상한값에 도달한 경우, 배터리의 충전을 소정의 시간 동안 차단시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 제어 방법은 급속 충전 과정에서 충전 C-RATE가 변경될 때마다 소정의 시간 동안의 휴지기를 갖도록 배터리의 급속 충전을 제어할 수 있다.
도 16을 참조하면, 급속 충전 제어 방법은 저항값 산출 단계(S500) 및 배터리 진단 단계(S600)를 더 포함할 수 있다.
저항값 산출 단계(S500)는 충전 차단 단계(S400) 이후, 소정의 시간 동안의 전압 변화에 기반하여 배터리의 저항값을 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 옴의 법칙을 이용하여, 배터리의 충전이 차단된 시간 동안의 배터리의 전압 변화에 기반하여, 배터리의 저항값을 산출할 수 있다.
도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 "(Vs-Vd)÷I1"의 수식을 계산하여, 배터리의 저항값을 산출할 수 있다.
배터리 진단 단계(S600)는 산출된 저항값에 따라 배터리의 상태를 진단하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 배터리의 최초 충전 사이클에서 산출된 BOL 저항값에 대한 저항값의 저항 변동률을 산출하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는, 연속된 충전 사이클에서 산출된 저항 변동률의 차이가 미리 설정된 임계값 이상이면, 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 제어부(120)는, 배터리의 최초 충전 사이클에서 산출된 BOL 저항값에 대한 저항차의 비율이 미리 설정된 임계값 이상이면, 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 제어 방법은 대응되는 충전 C-RATE가 동일한 저항값에 기반하여, 급속 충전 과정에서 배터리의 상태를 실시간으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
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.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
(부호의 설명)
10: 배터리 팩
11: 배터리
12: 릴레이
20: 충전 장치
100: 급속 충전 제어 장치
110: 측정부
120: 제어부
130: 저장부
1300: 자동차
1310: 배터리 팩
1400: 에너지 저장 장치
1410: 랙 케이스
1420: 배터리 모듈

Claims (15)

  1. 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및
    상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하고, SOC와 충전 C-RATE 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 충전 프로파일에 기반하여, 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE를 결정하며, 상기 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE가 변경될 경우, 소정의 시간 동안 상기 배터리의 충전을 차단시키도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 프로파일은,
    대응되는 충전 C-RATE가 설정된 복수의 SOC 구간을 포함하도록 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 추정된 SOC가 증가함에 따라 상기 추정된 SOC가 속하고 있는 현재 SOC 구간의 상한값에 도달하면, 상기 배터리의 충전을 상기 소정의 시간 동안 차단하고, 상기 배터리에 대한 충전 C-RATE를 다음 SOC 구간에 대응되는 충전 C-RATE로 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 소정의 시간이 경과된 이후, 변경된 충전 C-RATE로 상기 배터리의 충전을 재개하도록 구성된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 충전 C-RATE는,
    상기 추정된 SOC가 증가함에 따라 상기 추정된 SOC가 속하는 SOC 구간이 변경될수록 작아지도록 설정된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 소정의 시간 동안의 전압 변화에 기반하여 상기 배터리의 저항값을 산출하며, 산출된 저항값에 따라 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    복수의 충전 사이클에서 상기 배터리의 충전이 상기 소정의 시간 동안 차단될 때마다 상기 저항값을 산출하고, 대응되는 충전 C-RATE가 동일한 저항값끼리 비교하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 대응되는 충전 C-RATE가 동일한 저항값 중에서 연속된 충전 사이클에서 산출된 저항값들에 기반하여 상기 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 최초 충전 사이클에서 산출된 BOL 저항값에 대한 상기 저항값의 저항 변동률을 산출하고, 상기 연속된 충전 사이클에서 산출된 저항 변동률의 차이가 미리 설정된 임계값 이상이면, 상기 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 최초 충전 사이클에서 산출된 BOL 저항값에 대한 저항차의 비율이 미리 설정된 임계값 이상이면, 상기 배터리에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 충전 프로파일은,
    상기 충전 C-RATE와 상기 충전 C-RATE에 대응되도록 미리 설정된 저항 프로파일의 극대점 또는 변곡점에 대응되는 SOC 간의 대응 관계를 나타내도록 설정되고,
    상기 저항 프로파일은,
    상기 충전 C-RATE에 대응되는 저항값과 SOC 간의 대응 관계를 나타내도록 설정된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 충전 프로파일은,
    상기 저항 프로파일에 상기 극대점이 존재하면, 상기 극대점에 대응되는 SOC가 상기 충전 C-RATE에 대응되도록 설정되고,
    상기 저항 프로파일에 상기 극대점이 존재하지 않고 상기 변곡점이 존재하면, 상기 변곡점에 대응되는 SOC가 상기 충전 C-RATE에 대응되도록 설정된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 충전 프로파일은,
    상기 충전 C-RATE가 감소될수록 상기 충전 C-RATE에 대응되는 SOC가 증가되도록 구성된 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 급속 충전 제어 장치를 포함하는 배터리 팩.
  14. 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계;
    상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 단계;
    SOC와 충전 C-RATE 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 충전 프로파일에 기반하여, 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE를 결정하는 충전 C-RATE 결정 단계; 및
    상기 추정된 SOC에 대응되는 충전 C-RATE가 변경될 경우, 소정의 시간 동안 상기 배터리의 충전을 차단시키는 충전 차단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 충전 차단 단계 이후, 상기 소정의 시간 동안의 전압 변화에 기반하여 상기 배터리의 저항값을 산출하는 저항값 산출 단계; 및
    산출된 저항값에 따라 상기 배터리의 상태를 진단하는 배터리 진단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 충전 제어 방법.
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