KR101913510B1 - 자가에너지를 이용한 리튬 이차전지의 에너지 순환장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차전지, 상기 리튬 이차전지의 전압, 전류 및 내부온도를 센싱하는 센싱부, 스위치를 제어하여 상기 리튬 이차전지의 충전전류 혹은 방전전류를 발생시키는 에너지 순환부, 상기 리튬 이차전지의 내부저항에 의해 상기 리튬 이차전지의 내부온도를 상승시키기 위해 상기 에너지 순환부가 상기 방전전류와 상기 충전전류를 번갈아 가며 주파수를 변화시키도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환장치 및 그 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 리튬 이차전지의 충방전 전류와 주파수 가변이 가능한 에너지 순환장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 저온환경에서의 리튬 이차전지가 작동하기 이전에 리튬 이차전지의 자체 에너지를 이용하여 충방전의 에너지 순환을 수행하고 이때 발생하는 자체발열을 통하여 리튬 이차전지를 승온시켜줌으로써 주변환경 대비 높은 내부온도를 확보하여 저온환경에서도 발현용량 및 출력특성을 개선할 수 있는 리튬 이차전지의 에너지 순환장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 리튬 이차전지(Lithium secondary battery)는 고에너지 밀도를 장점으로 한번 사용 후 다시 충전하여 사용 가능한 장점을 가지고 휴대폰, 노트북과 같은 휴대용 기기에서부터 하이브리드(HEV) 및 전기(EV) 자동차, 산업용 및 가정용 비상전원 스테이션으로 다양한 분야에 적용되고 있다. 리튬 이차전지는 이온상태로 존재하는 리튬(Li+)이 충전 시에는 양극(Cathode)에서 음극(Anode)으로, 방전시에는 음극에서 양극으로 이동하면서 전기를 생산하고 있다.
하지만 리튬 이차전지는 내부온도가 저하되면 충방전 성능 및 발현용량이 상온에 비하여 현격하게 떨어지게 된다. 보다 상세하게는 리튬 이차전지의 전해질에 주로 사용되는 유기용매들로 융점 39의 EC(Ethylene carbonate)와 융점 0.5의 DMC(Dimethyl carbonate)를 주로 사용하기 때문에 저온환경에서는 낮은 이온 전도도와 높은 내부저항을 가지게 함으로써 방전 시 큰 전압강하를 발생시켜 정상적인 전압범위(4.2~2.7V)의 출력이 불가능하게 한다. 특히 0이하의 낮은 온도에서는 상온에서와 같은 높은 전류로 연속적으로 충전하는 경우 리튬 이차전지의 음극에서 리튬 석출(Lithium Dendrite)이 발생하게 되어 전지의 수명을 단축시키고 용량의 감소 및 안전성의 문제를 발생시킨다. 따라서 저온환경에서의 리튬 이차전지 운용은 낮은 발현용량, 낮은 출력, 재충전 불가능이라는 성능적 한계와 함께 안전성을 고려하여 많은 제약이 있는 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 김달 등은 특허 1(대한민국 특허공보 10-1558674, 배터리 승온 시스템 및 그 제어 방법)에서 리튬 이차전지 표면에 히팅패드와 같은 전기적 발열장치를 장착하여 리튬 이차전지의 온도를 높여서 성능을 향상시켰다. 그러나 이러한 종래의 방법은 전기적 혹은 열적 에너지원이 부가적으로 필요하게 되고 이차전지로의 열전달 효율이 떨어지며 배터리 팩의 크기 증가 및 고온환경에서의 작동 안전성에 대한 단점을 가지게 된다.
또한, 이진규 등은 특허 2(대한민국 특허공보 10-1230353, 전지 내부 저항을 이용한 저온 성능 개선 전지팩 시스템)에서 전지의 내부 저항을 이용하여 충방전으로 전지의 온도를 상승시키는 전지팩 시스템을 발표하였다. 관련 특허에서는 리튬 이차전지 승온을 위한 컨버터와 보조전력부가 전지팩 내부에 포함되어 있고, 충방전 전류 및 주파수를 고정한 상태에서 충방전에 대한 시비율을 50%로 일정하게 작동시키고 있다. 하지만 리튬 이차전지의 충전과 방전작동시의 전압이 과전위(Over Voltage(4.2V))와 저전위(Under Voltage(2.7V))의 허용 범위에서 작동을 위한 충방전 전류 크기에 대한 제어가 포함되지 않았고 최대 전류를 인가하기 위한 주파수 제어도 포함되지 않았다.
또한, 니시 유지 등은 특허 3(대한민국 특허공보 10-1358367, 2차 전지의 승온 장치 및 그것을 구비하는 차량)에서 전지의 임피던스의 절대값이 상대적으로 저하되는 주파수에서 리플전류를 이용하여 2차전지를 승온시키는 기술을 발표하였다. 하지만 리플전류는 인덕터(리액터)와 캐패시터의 공진을 통하여 발생시키는 방법을 사용하였고 이는 주파수 보다는 인덕터에 의하여 충전과 방전의 전류값이 결정되게 된다. 또한, 임피던스의 절대값이 저하되는 주파수에서 주파수를 고정하여 리튬 이차전지의 충전 및 방전전류를 인가하기 때문에 실제 전지에 인가 가능한(전지 제조사에서 제시된) 최대 전류를 고려하지 않았다. 따라서, 실제 리튬 이차전지는 안전성을 고려하여 제조사가 제안하는 최대 충전 및 방전전류 범위를 고정하고 충전 및 방전 동작이 이루어지기 때문에, 주파수를 낮추어 가면서 최대 저항이 되는 주파수로 찾아가는 것이 타당하다. 특히 리튬 이차전지의 내부저항은 온도 및 잔존용량에 따라 변화하기 때문에 초기에는 고주파수에서 최대 전류인가가 효율적이지만 온도가 높아짐에 따라 저항성분이 증가되는 저주파수로 충방전 주파수로 변화하여야 한다.
또한, 충방전 동작을 위해 추가된 캐패시터(Co)의 전압을 회수하지 않고 있으며, 리플생성장치는 독립적으로 구성되는 것이 아니라 차량과의 연계를 고려하여 리튬 이차전지의 작동을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 리튬 이차전지의 내부온도를 높이기 위하여 외부의 추가 에너지원이 없이 리튬 이차전지의 자체 저장된 에너지만을 이용하여 충방전이 가능한 에너지 순환장치를 구성하고, 충전과 방전의 주파수와 전류를 가변제어를 통하여 전지가 허용하는 최대 충방전 전류가 가능하도록 동작시킴으로써 전지의 내부저항으로 리튬 이차전지 자체 발열을 통한 승온이 가능하게 하는 에너지 순환장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 순환장치 및 그 방법을 통해 리튬 이차전지의 최소한의 전력소비로 온도를 상승시킴으로써 저온환경에서도 용량 및 출력의 성능 발휘가 가능하도록 하여 소형화 및 저비용을 통한 리튬 이차전지의 활용성을 향상시키는데 그 목적이 있다.
본 발명은 리튬 이차전지의 전압, 전류 및 내부온도를 센싱하는 센싱부, 스위치를 제어하여 리튬 이차전지의 충전전류 혹은 방전 전류를 발생시키는 에너지 순환부, 리튬 이차전지의 내부저항에 의해 내부온도를 상승시키기 위해 에너지 순환부가 방전전류와 충전전류를 번갈아 가며 주파수를 변화시키도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환장치이다.
본 발명에 따른 리튬이온 이차전지용 에너지순환 장치는 저온환경에서 리튬이온 이차전지 셀 혹은 모듈의 자체에너지를 이용하여 승온 기능을 수행할 수 있다. 즉, 리튬이온 이차전지의 충방전 주파수 및 전류를 가변시켜 최소의 전력소비로 최대의 온도상승 효과를 실현함으로써, 리튬이온 이차전지의 저온 운용성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 에너지 순환장치의 충방전 기능을 이용하여 리튬이온 이차전지의 충전장치 혹은 부하장치로도 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 순환장치의 구성도이다.
도 2는 리튬 이차전지의 주파수 및 온도에 따른 저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2의 특정 주파수 영역을 확대하여 온도에 따라 일정한 저항을 가지도록 하는 가변 주파수 영역(A->B) 및 온도가 상승함에 따라 감소되는 저항을 나타내는 고정 주파수 영역(A->B')의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 주파수, 전류, 전압과 전압변동폭의 관계를 나타내는 충방전 전류 및 이차전지 전압도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 순환장치의 회로구성도이다.
도 6은 가변주파수 에너지 순환작동과 고정주파수 에너지 순환작동에 따른 리튬 이차전지의 승온 차이를 나타내는 그래프이다.
도 7은 가변주파수 에너지 순환작동에 따른 승온 효과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 순환작동의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 순환작동 단계의 작동도이다.
도 10은 발명의 실시예에 따른 에너지 회수작동 단계의 작동도이다.
도 2는 리튬 이차전지의 주파수 및 온도에 따른 저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2의 특정 주파수 영역을 확대하여 온도에 따라 일정한 저항을 가지도록 하는 가변 주파수 영역(A->B) 및 온도가 상승함에 따라 감소되는 저항을 나타내는 고정 주파수 영역(A->B')의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 주파수, 전류, 전압과 전압변동폭의 관계를 나타내는 충방전 전류 및 이차전지 전압도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 순환장치의 회로구성도이다.
도 6은 가변주파수 에너지 순환작동과 고정주파수 에너지 순환작동에 따른 리튬 이차전지의 승온 차이를 나타내는 그래프이다.
도 7은 가변주파수 에너지 순환작동에 따른 승온 효과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 순환작동의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 순환작동 단계의 작동도이다.
도 10은 발명의 실시예에 따른 에너지 회수작동 단계의 작동도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명은 리튬 이차전지(100)의 전압, 전류 및 내부온도를 센싱하는 센싱부(240), 스위치를 제어하여 상기 리튬 이차전지의 충전전류 혹은 방전전류를 발생시키는 에너지 순환부(220), 상기 리튬 이차전지의 내부저항에 의해 내부온도를 상승시키기 위해 상기 에너지 순환부가 상기 방전전류와 상기 충전전류를 번갈아 가며 주파수를 변화시키도록 제어하는 제어부(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환장치(200) 및 그 방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 에너지 순환장치의 구성도로 이를 참고하면 본 발명의 구성을 이해하는데 도움이 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 순환장치의 회로구성도로, 이를 참고하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다. 상기 리튬 이차전지(100)는 상기 에너지 순환부(220)와 상기 센싱부(240)에 직접 연결되고, 상기 제어부(230)는 상기 센싱부에서 획득된 내부온도, 잔존용량, 전류, 전압의 정보를 기반으로 충전전류와 방전전류가 최대로 되도록 제어 명령을 상기 에너지 순환부에 전달한다. 상기 에너지 순환부(220)는 고주파의 스위칭을 위하여 MOSFET와 같은 반도체 스위칭 소자를 사용하는 것이 바람직하고, 인덕터(
)에 일정한 전류가 유기될 수 있도록 상기 리튬 이차전지(100)와 상기 에너지 순환부(220)의 캐패시터(
) 사이에서 온/오프 동작을 수행한다. 제1스위치(Q1)와 제4스위치(Q4)는 상기 리튬 이차전지(100)의 (+)와 (-)단 사이에 직렬로 연결되고, 제2스위치(Q2)와 제3스위치(Q3)는 상기 캐패시터(
)의 (+)와 (-)단 사이에 직렬로 연결된다. 상기 제1스위치(Q1)와 상기 제4스위치(Q4), 상기 제2스위치(Q2)와 상기 제3스위치(Q3)의 연결 노드 사이에는 상기 인덕터(
)가 배치되도록 한다.
상기 에너지 순환부(220)는 상기 리튬 이차전지(100)에서 전달받은 전기에너지를 방전 혹은 충전시키는 캐패시터(
), 상기 리튬 이차전지와 직렬 연결되는 회수 스위치 유닛(223), 상기 캐패시터와 직렬 연결되는 순환 스위치 유닛(222), 상기 회수 스위치 유닛과 상기 순환 스위치 유닛을 연결하는 인턱터(
), 상기 리튬 이차전지와 상기 캐패시터의 전압차를 생성하는 초기 에너지 전달부(221)를 포함한다. 상기 초기 에너지 전달부(221)는 아래에서 설명하는 에너지 순환작동 단계(S40, S50)에서 항상 상기 리튬 이차전지의 전압(
)보다 상기 캐패시터의 전압(
)이 큰 값을 갖도록 하는 역할을 한다.
상기 회수 스위치 유닛(223)은 상기 제1스위치(Q1) 및 제4스위치(Q4)를 포함하며, 에너지 회수 작동단계(S80)에서 상기 제3스위치(Q3)가 연결되어 있고 상기 제2스위치(Q2)가 연결되지 않은 상태에서, 상기 제1스위치와 상기 제4스위치는 서로 번갈아 가며 연결되며, 상기 순환 스위치 유닛(222)은 상기 제2스위치(Q2) 및 제3스위치(Q3)를 포함하며, 에너지 순환 작동단계(S40 및 S50)에서 상기 제1스위치(Q1)가 연결되어 있고 상기 제4스위치(Q4)가 연결되지 않은 상태에서, 상기 제2스위치와 상기 제3스위치는 서로 번갈아 가며 연결된다.
상기 센싱부(240)는 측정장치나 직접 측정하는 방법을 통해 상기 리튬 이차전지의 내부온도, 전류 및 전압을 하며, 상기 측정장치는 BMS(battery management system) 또는 써미스터(thermistor)일 수 있다.
상기 리튬 이차전지(100)의 열손실을 방지하는 단열부재(210)를 더 포함하며 상기 단열부재는 상기 리튬 이차전지의 외측 둘레를 감싸는 형태일 수 있다. 또한, 상기 리튬 이차전지(100)의 외형은 원통형, 각형, 파우치형을 포함 다양하게 적용 가능하며 셀 또는 모듈로도 적용 가능하다.
본 발명에 따른 에너지 순환장치(200)는, 상기 리튬 이차전지(100)의 셀 혹은 모듈를 장착할 수 있도록 독립적으로 구성되며, 이에 상기 리튬 이차전지를 삽입 혹은 장착할 수 있도록 기계적 형상과 인터페이스가 맞아야 하고, 출력 커넥터 및 셀 전압, 온도, 잔존용량(SOC) 등의 정보를 가지고 있는 전지관리시스템(Battery Management System, BMS)와의 연동을 위하여 통신 커넥터 연결을 포함한다.
다음은 리튬 이차전지의 에너지 순환방법으로, 도 8의 본 발명에 따른 에너지 순환작동의 순서도를 참고하면 이해가 쉽다.
본 발명에 따른 에너지 순환방법은, 상기 리튬 이차전지(100)의 내부온도를 확인하는 확인단계(S30), 상기 리튬 이차전지의 내부저항에 의해 내부온도를 상승시키기 위해 주파수 변화와 스위치 동작에 의해 상기 에너지 순환부(220)가 방전전류와 충전전류를 번갈아 가며 전송시키도록 제어하는 에너지 순환작동 단계(S50, S60), 상기 리튬 이차전지의 내부온도를 확인하는 재확인단계(S70), 상기 스위치를 제어하여 상기 리튬 이차전지를 충전시키는 에너지 회수작동 단계(S80)을 포함한다.
상기 에너지 순환작동 단계(S50, S60)는 상기 스위치를 제어하여 상기 리튬 이차전지(100)를 방전시켜 상기 리튬 이차전지의 전압을 낮추는 방전단계, 상기 스위치를 제어하여 상기 리튬 이차전지를 충전시켜 상기 리튬 이차전지의 전압을 높이는 충전단계, 상기 스위치를 제어하여 상기 방전단계를 상기 충전단계로 반전시키거나 상기 충전단계를 상기 방전단계로 반전시키는 반전단계를 포함하며, 상기 방전단계와 상기 충전단계는 기설정 된 전압값에 도달할 때까지 상기 주파수를 점진적으로 감소시켜 반복 실행한다.
상기 방전단계는 상기 리튬 이차전지(100)와 직렬 연결된 상기 제1스위치(Q1)와 상기 에너지 순환부 내 캐패시터(
)와 직렬 연결된 상기 제2스위치(Q2)를 연결시키는 제1방전단계, 상기 캐패시터와 직렬 연결된 상기 제3스위치(Q3)와 상기 제1스위치를 연결시키는 제2방전단계를 포함하며, 상기 제1방전단계와 상기 제2방전단계는 교번으로 진행되며 상기 리튬 이차전지의 전압이 최소값에 도달할 때까지 반복 실행한다.
상기 충전단계는 상기 제1스위치(Q1)와 상기 제3스위치(Q3)를 연결시키는 제1충전단계, 상기 제1스위치와 상기 제2스위치(Q2)를 연결시키는 제2충전단계를 포함하며 상기 제1충전단계와 상기 제2충전단계는 교번으로 진행되며 상기 리튬 이차전지의 전압이 최대값에 도달할 때까지 반복 실행한다.
상기 반전단계는 상기 제4스위치(Q4)와 상기 제2스위치(Q2)를 연결시키는 제1반전단계, 상기 제4스위치와 상기 제3스위치(Q3)를 연결시키는 제2반전단계를 포함한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 순환작동 단계의 작동도로, 이를 참고하여 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다. 상기 제1스위치(Q1)와 상기 제4스위치(Q4)는 동시에 도통(On) 될수 없으며, 교번으로 On/Off 작동을 수행하고, 상기 제2스위치(Q2)와 상기 제3스위치(Q3)도 동일하게 교번으로 On/Off 작동한다.
상기 리튬 이차전지(100)의 방전 시에는 전류값(IB)가 (+)의 값을 가지고, 상기 제1스위치(Q1)는 계속 도통되면서, 상기 제2스위치(Q2)가 도통되면 상기 인덕터(LB)에 전류가 증가되고 상기 제3 스위치(Q3)가 도통되면 상기 인덕터의 전류는 상기 캐패시터(Co)로 충전된다. 이때 상기 제4스위치(Q4)는 Off 상태이다.
상기 리튬 이차전지(100)의 충전 시에는 전류값(IB)가 (-)의 값을 가지고, 상기 제1스위치(Q1)는 계속 도통되면서, 상기 제3스위치(Q3)가 도통되면 상기 인덕터(LB)에 전류가 증가되고 상기 제2스위치(Q2)가 도통되면 상기 인덕터의 전류는 이차전지로 충전된다. 이때 상기 제4스위치(Q4)는 Off 상태이다.
상기 에너지 회수작동 단계(S80)는 상기 제3스위치(Q3)와 상기 제1스위치(Q1)를 도통시키는 제1회수단계, 상기 제3스위치와 상기 제4스위치(Q4)를 도통시키는 제2회수단계를 포함하며, 상기 제1회수단계와 상기 제2회수단계를 교번으로 진행하여 상기 리튬 이차전지를 충전한다. 도 10은 발명의 실시예에 따른 에너지 회수작동 단계의 작동도로 이를 참고하면 상기 에너지 회수작동 단계를 이해하는데 도움이 된다.
상기 확인단계(S30) 이전단계에서 상기 리튬 이차전지(100)의 승온 목표온도, 최대전압, 최소전압 및 최대전류를 상기 제어부(230)에 입력하는 정보입력단계(S10)를 더 포함할 수 있다.
상기 정보입력단계(S10) 이후단계에서 상기 센싱부(240)에 의해 상기 리튬 이차전지(100)의 내부온도 및 전압을 측정하는 전지상태 확인단계(S20)를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 순환작동 단계(S50, S60)는 상기 에너지 순환동작 단계의 작동조건을 만족하도록 상기 전류와 상기 주파수를 조정하는 에너지 순환 시동단계(S50)와 에너지 순환 안정화단계(S60)으로 구분할 수 있다.
상기 에너지 순환 시동단계(S50)는 상기 리튬 이차전지(100)에 인가 가능한 최대 충방전 전류를 찾아가는 것을 목적으로 하고, 상기 리튬 이차전지의 전극 재료, 충전(SOC)상태 혹은 용량에 따라 달라지는 임피던스로 인하여 최대 충방전 전류가 인가 가능한 최소 임피던스를 가지는 주파수로 설정하는 것이다. 따라서 상기 에너지 순환 시동단계(S50)는 상기 리튬 이차전지가 허용 가능한 최대 충전전류와 방전전류 중에 낮은 값을 만족시키는 주파수에서 시작됨을 조건으로 하고, 이는 상기 리튬 이차전지의 전압이 최소와 최대 전압범위(4.2~2.7V)를 만족시키도록 한다.
상기 에너지 순환 안정화단계(S60)는 상기 리튬 이차전지가 허용 가능한 최대 충방전 전류가 고정된 상태에서 온도가 상승함에 따라 감소되는 내부저항을 고려하여 상기 리튬 이차전지의 전압이 최소와 최대 전압범위 내에서 작동되어 최대 발열이 가능하도록 주파수를 감소시키는 작동을 수행한다.
상기 에너지 순환 시동단계(S50) 이전에 상기 초기 에너지 전달부(221)에 의해 상기 리튬 이차전지의 전압(
)보다 상기 캐패시터의 전압(
)이 항상 큰 값을 갖도록 상기 리튬 이차전지의 전류를 상기 캐패시터로 충전하는 단계를 진행한다.
도 2는 리튬 이차전지의 주파수 및 온도에 따른 내부저항 특성을 나타내는 그래프이며 도 3은 도 2의 특정 주파수 영역(10~1000Hz)을 확대하여 온도에 따라 일정한 저항을 가지도록 하는 가변 주파수 영역(A->B) 및 온도가 상승함에 따라 감소되는 저항을 나타내는 고정 주파수 영역(A->B')의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 주파수, 전류, 전압과 전압변동폭의 관계를 나타내는 충방전 전류 및 이차전지 전압도이다. 도 4를 참고하여 좀 더 상세하게 설명하면, 도 4(a)는 에너지 순환 시동 단계(S50)을 통하여 결정된 최대 전류 및 주파수(도 2의 A지점)로 작동되는 리튬 이차전지의 전류와 전압변동폭을 나타내고, 도 4(b)는 주파수가 고정되게 되면 에너지 순환작동을 통하여 리튬 이차전지의 온도가 증가함에 따라 낮아지는 내부저항(도 3의 B'지점)으로 인하여 리튬 이차전지의 전압 변동폭이 줄어들게 됨으로써 발열 성능이 떨어지는 것을 나타내며, 도 4(c)는 주파수 가변 에너지 순환 작동을 통하여 최대 전압변동폭이 유지하도록 하는 주파수로 찾아감으로써 최대 발열성능을 보여 줄 수 있다.
도 6은 가변주파수 에너지 순환작동과 고정주파수 에너지 순환작동에 따른 리튬 이차전지의 승온 차이를 나타내는 그래프이고, 도 7은 가변주파수 에너지 순환작동에 따른 승온 효과를 나타내는 그래프이다. 도 6을 참고하여 좀 더 상세하게 설명하면, 도 3에서 나타나는 것과 같이 리튬 이차전지의 온도가 상승함으로써 낮아지는 내부저항으로 인하여, 고정 주파수 에너지순환작동을 시키는 경우 온도 상승함에 따라 온도 상승이 완만한 기울기를 가지게 되어 소요시간이 증가되고, 가변 주파수 에너지 순환작동의 경우 온도 상승함에 따라도 일정한 저항을 가지고 발열할 수 있는 주파수로 가변함에 따라 온도 상승 기울기가 일정하게 유지됨으로써 승온 시간을 단축시킬 수 있다.
도 7을 참고하여 좀 더 상세하게 설명하면, 에너지 순환작동 시작 시에는 500Hz 이상의 높은 주파수에서 최대전류로 시작하여 종료 시에는 10Hz의 주파수로 에너지 순환작동을 시킴으로써 일정한 기울기로 온도가 상승됨을 나타내고 있다.
일반적으로 리튬 이차전지의 경우, 도 2의 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)의 결과에서와 같이 온도가 낮을수록 내부 임피던스(Z)가 증가하고, 동일한 온도에서도 잔존용량(SOC) 및 주파수(Frequency, f)에 따른 다른 값을 가진다. 내부 임피던스는 
로서, 저항(R), 캐패시턴스(C), 인덕턴스(L)로 구성되어 있고, 주로 실수값인 Z Re 와 허수값인 Z Im 로 구분되고 이때 발열에 참여하는 내부저항은 Z Re 의 값으로 생각할 수 있으며, 이는 최대 충방전 전류를 결정하고, 발열체의 역할을 수행하게 된다. 이러한 내부저항(Z Re )을 이용하면 리튬 이차전지의 내부에서는 충방전 전류(IB)에 따라 
의 발열이 발생하고 되고 이를 통하여 온도 상승의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 순환장치의 에너지 순환부(220)는, 상기 리튬 이차전지(100)의 자가에너지를 이용하여 충전과 방전전류가 개별적으로 제어가 되면 주기적으로 순환할 수 있도록 하는 장치이다. 바람직하게는 충방전의 전류를 스위칭을 제어할 수 있도록 하는 스위치와, 전지의 에너지 순환시 전류를 저장할 수 있는 인덕터(
)와, 순환되는 전류가 저장될 수 있는 캐패시터(
)로 구성할 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 충전 및 방전 전류를 제어하기 위하여 상기 에너지 순환부(220)의 스위치의 On/Off 주파수(fS)는 100kHz 이상으로 하고, 캐패시터의 전압(
)은 전지의 평균 전압이 2배 이상으로 한다. 이때 상기 캐패시터의 전압(
은 이차전지의 저장된 잔존용량(SOC)에 따라서 다르게 제어될 수 있으며, 높은 SOC의 경우 캐패시터의 전압을 보다 높은 전압으로 제어함으로써 전지의 충방전 동작을 용이하게 할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 제어부(230)는, 에너지순환 전류 주파수(
)는 온도 및 잔존용량에 따라 변화되는 리튬 이차전지의 내부저항을 확인하고 최대 충방전 전류를 인가할 수 있는 주파수로 제어한다. 하나의 바람직한 예에서, 충방전 전류의 주파수(
)는 -20 이하의 온도에서는 500~100Hz의 주파수로, -20 이상의 온도에서는 100 ~10Hz의 주파수로 작동할 수 있다. 이때의 주파수 설정은 충방전 전류를 증가시켜가며 상기 리튬 이차전지의 허용 전류와 전압 상하안치를 고려하여 설정할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 제어부(230)는 충전 전류와 방전 전류를 개별적으로 제어하지만 상기 캐패시터의 전압(
)을 일정하게 하도록 시비율을 제어한다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 리튬 이차전지 셀의 경우, 전압변동폭은 상한 4.2V 와 하한 2.7V 범위에서 작동해야 하고 전압 변동(V)이 가장 큰 경우에 발열량 
또한 최대의 값을 얻을 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 단열부재(210)는 상기 리튬 이차전지(100)의 발열이 외부로 손실되지 않도록 열전달 계수를 고려하여 소재를 고려하고, 두께를 가지도록 한다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 리튬이온 이차전지
200 : 에너지 순환장치
210 : 단열부재
220 : 에너지 순환부
221 : 초기 에너지 전달부
222 : 순환 스위치 유닛
223 : 회수 스위치 유닛
230 : 제어부
240 : 센싱부
Q1 : 제1스위치
Q2 : 제2스위치
Q3 : 제3스위치
Q4 : 제4스위치
: 에너지순환 전류 주파수
: 스위치의 On/Off 주파수
: 캐패시터
: 인덕터
: 전류 최대값
: 전류 최소값
: 볼트 전류
: 볼트 전압
: 캐패시터 전압
: 볼트 전압 최대값
: 볼트 전압 최소값
200 : 에너지 순환장치
210 : 단열부재
220 : 에너지 순환부
221 : 초기 에너지 전달부
222 : 순환 스위치 유닛
223 : 회수 스위치 유닛
230 : 제어부
240 : 센싱부
Q1 : 제1스위치
Q2 : 제2스위치
Q3 : 제3스위치
Q4 : 제4스위치
Claims (12)
- 리튬 이차전지;
상기 리튬 이차전지의 전압, 전류 및 내부온도를 센싱하는 센싱부;
스위치를 제어하여 리튬 이차전지의 충전전류 혹은 방전전류를 발생시키는 에너지 순환부;
상기 리튬 이차전지의 내부저항에 의해 상기 리튬 이차전지의 내부온도를 상승시키기 위해 상기 에너지 순환부가 상기 방전전류와 상기 충전전류를 번갈아 가며 주파수를 변화시키도록 제어하는 제어부; 를 포함하고,
상기 에너지 순환부는
상기 리튬 이차전지에서 전달받은 전기에너지를 충전 및 방전시키는 캐패시터;
상기 리튬 이차전지와 직렬 연결되는 회수 스위치 유닛;
상기 캐패시터와 직렬 연결되는 순환 스위치 유닛;
상기 회수 스위치 유닛과 상기 순환 스위치 유닛을 연결하는 인턱터;
상기 리튬 이차전지와 상기 캐패시터의 전압차를 생성하는 초기 에너지 전달부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 센싱부는 측정장치를 이용하여 상기 리튬 이차전지의 내부온도, 전류 및 전압을 취득하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환장치. - 제1항에 있어서,
상기 리튬 이차전지의 열손실을 방지하는 단열부재; 를 더 포함하며
상기 단열부재는 상기 리튬 이차전지의 외측둘레를 감싸는 형태인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환장치. - 제1항, 제3항, 제4항 중 어느 한 항의 리튬 이차전지의 에너지 순환장치에 의한 리튬 이차전지의 에너지 순환방법에 있어서,
리튬 이차전지의 내부온도를 확인하는 확인단계;
상기 리튬 이차전지의 내부저항에 의해 내부온도를 상승시키기 위해 주파수 변화와 스위치 동작에 의해 상기 에너지 순환부가 방전전류와 충전전류를 번갈아 가며 전송시키도록 제어하는 에너지 순환작동 단계;
상기 리튬 이차전지의 내부온도를 확인하는 재확인단계;
상기 스위치를 제어하여 상기 리튬 이차전지를 충전시키는 에너지 회수작동 단계; 를 포함하고,
상기 에너지 순환작동 단계는
상기 스위치를 제어하여 상기 리튬 이차전지를 방전시켜 상기 리튬 이차전지의 전압을 낮추는 방전단계;
상기 스위치를 제어하여 상기 리튬 이차전지를 충전시켜 상기 리튬 이차전지의 전압을 높이는 충전단계;
상기 스위치를 제어하여 상기 방전단계를 상기 충전단계로 반전시키거나 상기 충전단계를 상기 방전단계로 반전시키는 반전단계; 를 포함하며,
상기 방전단계와 상기 충전단계는 기설정 된 전압값에 도달할 때까지 상기 주파수를 점진적으로 감소시켜 반복 실행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환방법. - 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 방전단계는
상기 리튬 이차전지와 직렬 연결된 제1스위치와 에너지 순환부 내 캐패시터와 직렬 연결된 제2스위치를 연결시키는 제1방전단계;
상기 캐패시터와 직렬 연결된 제3스위치와 상기 제1스위치를 연결시키는 제2방전단계; 를 포함하며,
상기 제1방전단계와 상기 제2방전단계는 교번으로 진행되며 상기 리튬 이차전지의 전압이 최소값에 도달할 때까지 반복 실행되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환방법. - 제7항에 있어서,
상기 충전단계는
상기 제1스위치와 상기 제3스위치를 연결시키는 제1충전단계;
상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 연결시키는 제2충전단계; 를 포함하며
상기 제1충전단계와 상기 제2충전단계는 교번으로 진행되며 상기 리튬 이차전지의 전압이 최대값에 도달할 때까지 반복 실행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환방법. - 제7항에 있어서,
상기 반전단계는
제4스위치와 상기 제2스위치를 연결시키는 제1반전단계;
상기 제4스위치와 상기 제3스위치를 연결시키는 제2반전단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환방법. - 제9항에 있어서,
상기 에너지 회수작동 단계는
상기 제3스위치와 상기 제1스위치를 도통시키는 제1회수단계;
상기 제3스위치와 상기 제4스위치를 도통시키는 제2회수단계; 를 포함하며
상기 제1회수단계와 상기 제2회수단계를 교번으로 진행하여 상기 리튬 이차전지를 충전하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환방법. - 제5항에 있어서,
상기 확인단계 이전단계에서 상기 리튬 이차전지의 승온 목표온도, 최대전압, 최소전압 및 최대전류를 입력하는 정보입력단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 에너지 순환방법. - 삭제
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR102392758B1 (ko) * | 2020-11-05 | 2022-05-02 | 국방과학연구소 | 리튬 이차전지 시스템 및 이의 자가 충방전 방법 |
| CN114883693A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-08-09 | 华为数字能源技术有限公司 | 一种电池加热方法、电池***及储能*** |
| KR20220134172A (ko) * | 2021-03-26 | 2022-10-05 | 국방과학연구소 | 이차전지 승온 방법 및 그 시스템 |
| CN115241576A (zh) * | 2022-09-21 | 2022-10-25 | 中创新航科技股份有限公司 | 电池加热控制方法及电池加热控制***、电池包 |
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-
2017
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