KR101925002B1

KR101925002B1 - 이차 전지의 충전 조건 조정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101925002B1
Application number: KR1020150118167A
Authority: KR
Inventors: 서세욱; 손상일; 고요한; 임진형; 최용석
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2018-12-04
Also published as: CN107408827A; EP3252918A1; CN107408827B; KR20170022758A; US20180069272A1; WO2017034275A1; EP3252918A4; EP3252918B1; JP2018523891A; JP6454817B2; US10333180B2

Abstract

본 발명은, 이차 전지의 충전 조건 조정 장치 및 방법을 개시한다. 상기 충전 조건 조정 장치는, 이차 전지의 충전 전류를 측정하는 전류 측정부; 상기 이차 전지의 현재 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부와 결합된 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부로부터 측정 결과를 입력 받아 충전 전류 값 및 현재 온도 값을 결정하고, 미리 설정된 기준 시간 동안 이차 전지의 온도가 상기 현재 온도로부터 임계 온도까지 상승되는데 필요한 과열 예측 열량을 열역한 이론에 따라 미리 정의된 열역학적 계산식에 의해 결정하고, 충전을 통해 상기 과열 예측 열량을 내는데 필요한 충전 예측 전류를 결정하고, 상기 이차 전지의 등가 회로에 상기 충전 예측 전류가 흐를 때 예상되는 충전 예측 전압을 결정하고, 상기 충전 예측 전압이 미리 설정된 충전 상한 전압보다 낮은 조건이 성립되면 충전 상한 전압을 상기 충전 예측 전압으로 낮게 조정하도록 구성된다.

Description

이차 전지의 충전 조건 조정 장치 및 방법{Apparatus of Adjusting Charging Condition of Secondary Battery and Method thereof}

본 발명은 이차 전지의 충전 시 이차 전지의 온도 상승을 미리 예측하여 충전에 따른 발열량이 적정한 수준으로 유지될 수 있도록 충전 조건을 조정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

이차 전지는 전기화학적인 산화 및 환원 반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 것으로서, 광범위하게 다양한 용도로 이용된다. 예를 들어, 이차 전지는 휴대 전화, 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 태블릿 컴퓨터, 전동 공구 등과 같이 사람의 손에 휴대할 수 있는 장치; 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치; 신재생 에너지를 통해 발전된 전력이나 잉여 발전 전력을 저장하는데 사용되는 전력 저장 장치; 서버 컴퓨터와 통신용 기지국을 비롯한 각종 정보 통신 장치에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 무정전 전원 공급 장치 등에 이르기까지 사용 영역이 점차 확대되고 있다.

이차 전지는 그 응용 용도에 따라 충전 방식이 달라진다. 스마트 폰이나 휴대 전화와 같은 핸드 헬드 단말기에 사용되는 소형 이차 전지는 별도의 충전기에 의해 충전된다. 또한, 전기구동 동력 장치에 사용되는 대형 이차 전지는 동력 장치에서 자체 생산되는 전력에 의해 충전된다. 일 예로, 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 탑재된 대형 이차 전지는 엔진과 연결된 발전기에서 생산되는 전력 또는 자동차의 감속 시 생산되는 회생 전력(regeneration power)에 의해 충전된다.

이차 전지는 충전되는 동안 열을 발생시킨다. 충전 과정에서 생기는 대부분의 열은 이차 전지의 내부 저항에 의해 생기는 주울열이다. 열은 전도나 대류를 통해 이차 전지의 외부로 발산될 수 있다. 하지만, 외부로 발산되는 열량보다 이차 전지에서 생기는 열량이 크면 열이 이차 전지 내에 계속 누적되어 이차 전지의 온도가 계속 상승한다.

이차 전지는 그것의 온도가 과도하게 상승하면 수명이 짧아진다. 이차 전지의 과열은 전기화학 반응에 관여하는 화학종의 물성을 변성시키거나 열에 취약한 전지 내부의 고분자 물질에 대한 물리적 변형을 초래하기 때문이다. 일 예로, 이차 전지가 과열되면, 양극과 음극 사이에 개재된 다공성 고분자 분리막이 연화되면서 기공의 일부가 폐쇄되고 이것이 이차 전지의 내부 저항을 상승시킬 수 있다. 내부 저항의 상승은 이차 전지의 충전 용량을 저하시키는 주요 원인으로 작용한다.

따라서, 이차 전지의 온도가 미리 설정된 임계 온도를 넘으면, 온도를 낮추기 위한 적절한 관리가 필요하다. 이차 전지의 온도는 냉각 메커니즘을 통해 조절될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지에 수냉식 또는 공냉식 냉각 수단을 결합하고, 이차 전지의 온도가 과도하게 상승하면 결합된 냉각 수단을 작동시켜 이차 전지의 온도를 적절한 수준까지 감소시킬 수 있다.

그런데, 이차 전지가 탑재되는 디바이스 또는 장치의 공간이 협소할 경우 냉각 수단을 이차 전지에 결합할 수 없다. 일 예로, 소형 전기 자동차에 탑재되는 이차 전지는 협소한 공간에 설치될 뿐만 아니라 이차 전지의 탑재에 따른 중량 증가를 최소화해야 하므로 어느 정도의 부피와 무게를 차지하는 냉각 수단과 결합되기 어렵다.

이러한 환경에 사용되는 이차 전지는 공기에 노출되는 면적을 최대한 증가시켜 충전 과정에서 생기는 열을 대기를 통해 효과적으로 방출하기 위한 구조적 설계 기술이 필요하다.

하지만, 이차 전지의 구조적 설계만 가지고는 이차 전지의 온도를 적정한 수준으로 관리하는데 한계가 있다. 이차 전지에서 발생된 열이 대기중으로 방출된다고 하더라도 열의 누적이 발생될 수 있는 상황이 생길 수 있기 때문입니다.

따라서 본 출원의 발명자는 이차 전지의 충전 과정에서 이차 전지의 온도가 적정한 수준을 유지할 수 있도록 충전 조건을 동적으로 가변시키는 등의 추가적인 보완 기술이 필요하다는 것을 인식하였다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 이차 전지의 온도에 따라서 충전 조건을 가변적으로 제어함으로써 이차 전지에 결합되는 냉각 메커니즘의 유무와 상관 없이 이차 전지의 온도를 적정한 수준으로 유지할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 이차 전지의 충전 조건 조정 장치는, 이차 전지의 충전 전류를 측정하는 전류 측정부; 상기 이차 전지의 현재 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부와 결합된 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부로부터 측정 결과를 입력 받아 충전 전류 값 및 현재 온도 값을 결정하고, 미리 설정된 기준 시간 동안 이차 전지의 온도가 상기 현재 온도로부터 임계 온도까지 상승되는데 필요한 과열 예측 열량을 열역한 이론에 따라 미리 정의한 열량 계산식을 이용하여 결정하고 상기 이차 전지의 내부 저항을 통한 주울열로서 상기 과열 예측 열량을 발생시킬 수 있는 충전 예측 전류를 결정하고, 상기 이차 전지의 등가 회로에 상기 충전 예측 전류가 흐를 때 예상되는 충전 예측 전압을 결정하고, 상기 충전 예측 전압이 미리 설정된 충전 상한 전압보다 낮은 조건이 성립되면 충전 상한 전압을 상기 충전 예측 전압으로 낮게 조정하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 충전 조건 조정 장치는, 상기 이차 전지의 충전 전류가 흐르는 경로에 설치된 스위치 소자; 및 상기 이차 전지의 충전 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위치 소자 및 상기 전압 측정부와 결합된다.

바람직하게, 상기 제어부는, 상기 전압 측정부로부터 측정 결과를 입력 받아 이차 전지의 충전 전압 값을 결정하고, 상기 충전 전압 값이 상기 충전 예측 전압에 대응되면 상기 스위치 소자를 턴오프시켜 이차 전지의 충전을 차단하도록 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기 등가 회로 모델은, 각각이 서로 직렬로 연결된 직렬 저항, 적어도 하나 이상의 RC 회로 및 상기 이차 전지의 충전 상태에 따라 전압이 변화되는 개방 전압원을 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 제어부는 하기 수식으로부터 상기 충전 예측 전압을 계산할 수 있다.

V = OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC)+ i*R*(1-exp(-t/RC))

(여기서, i는 이차 전지의 등가 회로에 흐르는 전류, R₀는 직렬 저항의 저항 값, R은 RC 회로에 포함된 저항의 저항값, C는 RC 회로에 포함된 콘덴서의 커패시턴스 값, V₀는 RC 회로에 형성되는 초기 전압값, z는 이차 전지의 충전 상태, 그리고 OCV(z)는 충전 상태에 대응되는 개방 전압을 나타냄)

다른 측면에 따르면, 상기 충전 조건 조정 장치는, 충전 상태로부터 개방 전압을 룩업할 수 있는 충전 상태-개방 전압 룩업 테이블이 저장된 메모리부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 전류 측정부를 통해 이차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 주기적으로 측정하고 측정된 전류 값을 쿠울롱 카운팅법에 의해 적산하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하고, 상기 충전 상태-개방 전압 룩업 테이블로부터 상기 결정된 충전 상태에 대응되는 개방 전압을 맵핑함으로써 이차 전지의 개방 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 충전 조건 조정 장치는, 상기 이차 전지의 외부 온도를 측정하는 외부 온도 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 외부 온도 측정부를 이용하여 이차 전지의 외부 온도 값을 결정하고, 상기 제어부는, 하기 수식으로부터 미리 설정된 시간 동안 이차 전지의 온도가 상기 현재 온도로부터 미리 설정된 임계 온도까지 상승하는데 필요한 과열 예측 열량 Q^*을 결정하도록 구성되고, 상기 이차 전지의 내부 저항을 통해 상기 과열 예측 열량 Q^*을 주울열로서 발생시킬 수 있는 전류 값을 계산하고 계산된 전류 값을 상기 충전 예측 전류로 결정하도록 구성될 수 있다.

Q^* = {T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb}/{R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th])}

(여기서, T^*는 미리 설정된 임계 온도, t^*는 기준 시간, T_c는 상기 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 현재 온도, T_amb는 상기 외부 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 외부 온도, R_th는 이차 전지와 외부 사이의 미리 설정된 열 저항 값, C_p는 미리 설정된 이차 전지의 정압 비열, m은 이차 전지의 중량을 나타냄)

다른 측면에 따르면, 상기 충전 조건 조정 장치는, 상기 이차 전지의 외부 온도를 측정하는 외부 온도 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 외부 온도 측정부를 이용하여 이차 전지의 외부 온도 값을 결정하고, 하기 수식의 전류 변수 I에 대해서 이분법 알고리즘(Bisection Algorithm)을 적용함으로써 하기 수식을 근사적으로 만족하는 해에 해당하는 전류 값을 상기 충전 예측 전류로 결정하도록 구성될 수 있다.

(여기서, T^*는 미리 설정된 임계 온도, t^*는 기준 시간, T_c는 상기 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 현재 온도, T_amb는 상기 외부 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 외부 온도, R_th는 이차 전지와 외부 사이의 미리 설정된 열 저항 값, C_p는 미리 설정된 이차 전지의 정압 비열, m은 이차 전지의 중량, R은 이차 전지의 내부 저항을 나타냄)

바람직하게, 상기 제어부는 상기 충전 예측 전압이 상기 충전 상한 전압 이상이면 상기 충전 상한 전압을 초기 설정값으로 유지하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 제어부는 상기 기준 시간을 가변시킬 수 있도록 구성된다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지의 충전 조건 조정 방법은, 이차 전지의 충전 전류와 현재 온도를 결정하는 단계; 미리 설정된 기준 시간 동안 이차 전지의 온도가 상기 현재 온도로부터 임계 온도까지 상승되는데 필요한 과열 예측 열량을 열역학 이론에 따라 미리 정의한 열량 계산식을 이용하여 결정하고 상기 이차 전지의 내부 저항을 통한 주울열로서 상기 과열 예측 열량을 발생시킬 수 있는 충전 예측 전류를 결정하는 단계; 상기 이차 전지의 등가 회로에 상기 충전 예측 전류가 흐를 때 예상되는 충전 예측 전압을 결정하는 단계; 및 상기 충전 예측 전압이 미리 설정된 충전 상한 전압보다 낮은 조건이 성립되면 충전 상한 전압을 상기 충전 예측 전압으로 낮게 조정하는 단계;를 포함한다.

상기 기술적 과제는, 본 발명에 따른 이차 전지의 충전 조건 조정 방법을 프로그램화하여 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 의해 달성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이차 전지의 충전 조건 조정 장치는 이차 전지 관리 시스템의 일부로서 포함될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이차 전지의 충전 조건 조정 장치는 이차 전지에 의해 전력을 공급 받는 다양한 부하에 탑재될 수 있다. 상기 부하는 종래기술에서 이차 전지의 응용처로서 언급된 다양한 디바이스, 장치 및 시스템을 포함한다.

본 발명에 따르면, 이차 전지의 온도를 고려하여 이차 전지의 충전 조건을 가변시킴으로써 이차 전지의 온도를 적정한 레벨로 유지할 수 있다. 특히, 이차 전지에 냉각 메커니즘이 결합되어 있지 않더라도 이차 전지가 과열되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이차 전지의 열 전달 환경에 따라서 충전 조건이 가변되는 기준을 변경함으로써 이차 전지의 효과적인 온도 제어가 가능하다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 이차 전지의 충전 조건 조정 장치에 대한 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 충전 조건 조정 방법의 흐름을 구체적으로 도시한 순서도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라 수행된 실험예를 통해 측정한 그래프들을 나타낸 것으로서, 그래프 (a)는 충전 예측 전류의 변화를, 그래프 (b)는 충전 상태의 변화를, 그래프 (c)는 충전 예측 전압의 변화를, 그리고 그래프 (d)는 이차 전지의 온도 변화를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 충전 조건 조정 장치에 대한 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 충전 조건 조정 장치(100)는, 이차 전지(110)에 결합되어 이차 전지(110)의 충전이 차단되는 충전 상한 전압을 가변적으로 조정할 수 있는 제어 장치로서, 전압 측정부(120), 온도 측정부(130), 전류 측정부(140), 스위치 소자(150), 제어부(160) 및 메모리부(170)를 포함한다.

상기 이차 전지(110)는 충전 조건이 적응적으로 조정되는 최소 단위의 전지로서, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 단위 셀들을 포함한다. 물론, 상기 이차 전지(110)가 하나의 단위 셀만을 포함하는 경우도 본 발명의 범주에 포함된다.

상기 단위 셀은 반복적인 충방전이 가능하다면 그 종류에 특별한 제한이 없는데, 일 예시로서 파우치 타입으로 이루어진 리튬 폴리머 이차 전지일 수 있다.

상기 이차 전지(110)는 다양한 부하 장치에 탑재되는데, 일 예시로서 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 탑재된 전지일 수 있다.

이 경우, 상기 이차 전지(110)는 자동차에 탑재된 모듈화된 전지 팩에 포함된 단위 셀들의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.

상기 이차 전지(110)는 충전 장치(180)와 선택적으로 결합될 수 있다. 상기 충전 장치(180)는 이차 전지(110)가 탑재되는 부하 장치의 제어에 의해 이차 전지(110)에 선택적으로 결합될 수 있다

상기 충전 장치(180)는 충전 전용으로 사용되는 충전기일 수 있다. 다른 예에서, 상기 충전 장치(180)는 상기 이차 전지(110)가 탑재된 부하 장치에서 충전 전력을 생산하는 장치, 예컨대 엔진과 결합된 발전기 또는 자동차의 브레이크와 결합된 회생 충전 장치일 수 있다. 상기 발전기는 엔진의 크랭크 축과 결합되어 크랭크 축이 회전될 때 충전 전력을 생산한다. 그리고, 상기 회생 충전 장치는 브레이크의 조작으로 자동차가 감속될 때 브레이크와 연동하여 회생 충전 전력을 생산한다. 상기 발전기와 상기 회생 충전 장치는 자동차 기술분야에서 널리 알려져 있으므로, 여기에서의 상세한 설명은 생락한다.

상기 전압 측정부(120), 상기 온도 측정부(130) 및 상기 전류 측정부(140)는 제어부(160)의 통제하에서 이차 전지(110)의 전압, 온도 및 전류를 시간 간격을 두고 주기적으로 측정하고 측정 결과를 제어부(160) 측으로 제공한다. 상기 측정 결과는 아날로그 신호 또는 디지털 신호로서 제어부(160)에 제공될 수 있다.

상기 전압 측정부(120)는 전지 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 전압 측정 회로를 포함한다. 상기 전압 측정 회로는 일 예시로서 이차 전지(110)의 양극 및 음극 단자 사이의 전압 차이에 상응하는 전압 신호를 출력하는 차동 증폭 회로를 포함할 수 있다. 상기 전압 측정부(120)는 이차 전지(110)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압에 상응하는 전압 신호를 생성하여 제어부(160) 측으로 제공한다.

상기 온도 측정부(130)는 온도 측정에 사용되는 온도 센서로서 일 예로 써머 커플러일 수 있다. 상기 온도 측정부(130)는 이차 전지(110)의 온도에 상응하는 전압 신호를 생성하여 제어부(160) 측으로 제공한다.

상기 전류 측정부(140)는 센스 저항 또는 홀 센서로서 충전 전류의 크기에 상응하는 전압 신호를 생성하여 제어부(160) 측으로 제공한다. 상기 전류 측정부(140)는 충전 전류뿐만 아니라 방전 전류의 크기도 측정이 가능하다.

한편, 상기 충전 조건 조정 장치(100)는, 이차 전지(110)의 온도를 측정하는 온도 측정부(130) 이외에 이차 전지(110)의 열이 발산되는 외부의 온도를 측정하는 외부 온도 측정부(135)를 더 포함할 수 있다. 상기 외부 온도 측정부(135)는 온도 측정부(130)와 동일한 센서류로 구성될 수 있고, 외부의 온도에 상응하는 전압 신호를 생성하여 제어부(160) 측으로 제공할 수 있다.

상기 제어부(160)는 각 측정부(120, 130, 135, 140)로부터 측정 결과가 입력되면, 신호 처리를 통해 이차 전지(110)의 충전 전압 값, 현재 온도 값, 외부 온도 값, 충전 전류 값을 각각 결정하고 메모리부(170)에 저장한다.

상기 메모리부(170)는 반도체 메모리 소자로서, 상기 제어부(160)에 의해 생성되는 데이터를 기록, 소거, 갱신하며, 이차 전지(110)의 충전 조건을 조정하기 위해 필요한 프로그램을 저장한다. 또한, 상기 메모리부(170)는 이차 전지(110)의 충전 상태(z)로부터 개방 전압(OCV)을 룩업할 수 있는 충전상태-개방전압 룩업 테이블에 관한 데이터를 저장하고 있다. 또한, 상기 메모리부(170)는 본 발명을 실시할 때 사용되는 각종 파라미터들의 사전 설정 값들을 저장하고 있다.

상기 메모리부(170)는 데이터를 기록, 소거, 갱신할 수 있다고 알려진 반도체 메모리 소자라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 메모리부(170)는 DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 상기 메모리부(170)는 제어부(160)와 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 상기 제어부(160)와 일체로 통합되어 있을 수도 있다.

상기 스위치 소자(150)는 충전 전류가 흐르는 선로에 설치되는 스위치의 일종이다. 상기 스위치 소자(150)는 일 예시로서 전자석에 의해 동작하는 접점을 포함하는 릴레이 소자일 수 있다. 이 경우, 상기 스위치 소자(150)는 전자석을 구동시키기 위한 드라이버 회로를 포함한다. 상기 스위치 소자(150)는 제어부(160)로부터 제어 신호를 입력 받아 턴온 또는 턴오프된다.

상기 제어부(160)는 이차 전지(110)의 충전이 진행되는 동안 이차 전지(110)의 온도가 적정한 수준으로 유지될 수 있도록 이차 전지(110)의 충전 조건을 가변적으로 조정할 수 있다.

상기 제어부(160)는, 후술할 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 로직들이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(160)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 각 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 컴퓨터 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 메모리부(170)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.

상기 제어부(160)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

상기 제어부(160)는 이차 전지(110)와 전기적으로 결합될 수 있는 전지 관리 시스템(Battery Management System: BMS)이거나 또는 상기 전지 관리 시스템에 포함되는 제어 요소일 수 있다.

상기 전지 관리 시스템은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 BMS라고 불리는 시스템을 의미할 수도 있지만, 기능적 관점에서 본 발명에서 기술된 적어도 하나의 기능을 수행하는 시스템이라면 그 어떠한 것이라도 상기 전지 관리 시스템의 범주에 포함될 수 있다.

도 2는 상기 제어부(160)에 의해 실행되는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법을 구성하는 제어 로직들의 흐름을 구체적으로 나타낸 순서도이다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 이차 전지의 충전 조건 조정 방법을 구체적으로 설명한다.

먼저, 단계 S10에서, 상기 제어부(160)는 메모리부(170)에 저장된 프로그램을 실행한다. 상기 프로그램은 본 발명에 따른 이차 전지의 충전 조건 조정 방법을 구성하는 각 단계와 관련된 프로그램 코드를 포함한다. 단계 S10 이후에, 단계 S20이 실행된다.

단계 S20에서, 상기 제어부(160)는 시간 인덱스 k를 초기화한다. 즉, 시간 인덱스 k 값으로 1을 부여한다. 여기서, 시간 인덱스 k는 도 2에 개시된 알고리즘의 반복 순번을 나타내는 변수이다. 예를 들어, 시간 인덱스 k가 3이면, 알고리즘이 3번째로 반복되는 것을 의미한다. 단계 S20 이후에는, 단계 S30이 실행된다.

단계 S30에서, 상기 제어부(160)는 온도 측정부(130) 및 전류 측정부(140)를 이용하여 이차 전지(110)의 현재 온도 값과 충전 전류 값을 결정한다. 이 때, 상기 온도 측정부(130) 및 전류 측정부(140)는 제어부(160)의 통제 하에 이차 전지(110)의 현재 온도와 충전 전류의 크기를 측정하고 온도 측정 결과와 전류 측정 결과를 아날로그 신호 또는 디지털 신호의 형태로 제어부(160) 측에 제공한다. 그러면, 제어부(160)는 신호 처리 과정, 예컨대 A/D 컨버팅을 통해 이차 전지(110)의 현재 온도 값과 충전 전류 값을 결정하고 결정된 값들을 메모리부(170)에 저장한다. 단계 S30이 실행된 이후는, 단계 S40이 진행된다.

단계 S40에서, 상기 제어부(160)는 메모리부(170)에 저장된 충전 전류 값을 참조하여 충전 모드가 진행되고 있는지 판단한다. 즉, 상기 제어부(160)는 충전 전류 값이 0이 아니면 충전 모드가 진행되고 있는 것이고, 반대로 충전 전류 값이 0 이면 이차 전지(110)의 충전이 진행되지 않는 것으로 판단한다.

상기 제어부(160)는 단계 S40의 판단 결과가 NO이면 단계 S20으로 다시 돌아가고, 상기 판단 결과가 YES 이면 단계 S50을 진행한다.

단계 S50에서, 상기 제어부(160)는 메모리부(170)에 저장된 이차 전지(110)의 현재 온도 값(T_c)을 읽은 후 이차 전지(110)의 현재 온도(T_c)가 충전 조건을 조정할 필요가 있는 온도 대역의 하한 값(T_i)보다 큰 지 판단한다.

상기 제어부(160)는 단계 S50의 판단 결과가 NO이면 단계 S20으로 다시 돌아가고, 상기 판단 결과가 YES 이면 단계 S60을 진행한다.

단계 S60에서, 상기 제어부(160)는 열역학 이론에 따른 열량 계산식을 이용하여 이차 전지(110)의 현재 온도(T_c)가 미리 설정해 놓은 기준 시간(t^*) 내에 임계 온도(T^*)까지 상승하는데 필요한 과열 예측 열량(Q^*)을 결정한다.

여기서, 임계 온도(T^*)는 이차 전지(110)가 과열되었다고 간주될 수 있는 온도를 의미하며 이차 전지(110)의 사양에 따라 미리 설정될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 열량 계산식은 다음의 수식 1과 같이 정의된다.

<수식 1>

Q^* = {T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb}/{R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th])}

상기 수식 1은 다음과 같은 과정을 통해 유도된 것이다.

열역학 이론에 의하면, 정압 비열이 C_p, 온도가 T_c, 및 중량이 m인 이차 전지(110)에서 Q만큼의 열이 발생되고 이 열이 주변으로 전도된다고 할 때, 시간의 변화(dt)에 따른 이차 전지(110)의 온도 변화(dT) 사이에는 다음 수식 2와 같은 미분 방정식이 성립된다.

<수식 2>

(여기서, T_c는 이차 전지의 현재 온도; T_amb는 이차 전지와 접촉하고 있는 주변의 온도; R_th는 이차 전지와 그 주변 사이의 열 저항으로서 실험을 통해 미리 측정되는 값; C_p는 이차 전지의 정압 비열로서 실험을 통해 미리 측정되는 값; m은 이차 전지의 질량을 나타냄)

다음으로, 상기 수식 2를 시간에 대해 적분하면, 이차 전지(110)에서 Q만큼의 열이 발생된 시점을 기준으로 임의의 시간 t가 경과되었을 때 이차 전지(110)의 온도 값을 나타내는 온도 변화 방정식으로서 다음의 수식 3을 얻을 수 있다.

<수식 3>

다음으로, 상기 수식 3에 있어서, 시간 변수 t 및 온도 변수 T에 각각 미리 설정해 놓은 기준 시간(t^*) 및 임계 온도(T^*)를 대입한 후, Q에 대해 정리하면 이차 전지(110)의 현재 온도(T_c)가 미리 설정해 놓은 기준 시간(t_*) 내에 임계 온도(T^*)까지 상승하기 위해 필요한 과열 예측 열량(Q^*)을 나타내는 상기 수식 1을 얻을 수 있다.

한편, 상기 제어부(160)는 과열 예측 열량(Q^*)을 결정할 때 외부 온도 값을 이용해야 한다. 따라서, 상기 제어부(160)는 단계 S30에서 외부 온도 측정부(135)를 이용하여 이차 전지(110)의 외부 온도를 측정하여 메모리부(170)에 저장하고 상기 과열 예측 열량(Q*)을 결정할 때 참고할 수 있다.

상기 제어부(160)는 단계 S60에서 과열 예측 열량(Q^*)을 결정하고 나서 단계 S70을 진행한다.

단계 S70에서, 상기 제어부(160)는 열량과 전류 사이의 관계를 나타내는 하기 수식 4를 이용하여 단계 S60에서 결정한 과열 예측 열량(Q^*)을 발생시키는데 필요한 충전 예측 전류(I_Q _*)의 크기를 결정한다.

<수식 4>

Q = I²R

(여기서, Q는 이차 전지의 발열량, I는 충전 전류의 크기, 그리고 R은 이차 전지의 내부 저항값을 나타냄)

즉, 상기 수식 4의 변수 Q 및 R에 과열 예측 열량(Q^*) 및 실험을 통해 미리 설정된 이차 전지의 내부 저항 값을 대입하면, 기준 시간(t^*) 동안 이차 전지(110)의 현재 온도(T_c)를 임계 온도(T^*)까지 상승시키는데 필요한 과열 예측 열량(Q^*)을 발생시킬 수 있는 충전 예측 전류(I_Q _*) 값을 결정할 수 있다. 단계 S70 이후에는 단계 S80이 진행된다.

단계 S80에서, 상기 제어부(160)는 이차 전지(110)의 등가 회로에 단계 S70에서 결정된 충전 예측 전류(I_Q _*)가 순간적으로 흘렀을 때 이차 전지(110)의 양극과 음극 사이에 형성되는 충전 예측 전압(V^*)을 결정한다. 여기서, 상기 충전 예측 전류(I_Q _*)가 흐르는 시간은 수초 이내의 범위에서 미리 설정될 수 있다. 바람직하게, 상기 충전 예측 전류(I_Q*)가 흐르는 시간은 도 2에 예시된 알고리즘이 반복되는 주기에 해당하는 시간 값(예컨대, 1초)으로 미리 설정될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 등가 회로는, 도 3에 도시된 것과 같이, 이차 전지(110)의 충전 상태(z)에 따라 전압이 가변되는 개방 전압원(200)과, 이차 전지(110)의 내부 저항(R₀)을 나타내는 직렬 저항(210)과, 이차 전지(110)의 분극 특성을 모델링하는 적어도 하나 이상의 RC 회로(220)를 포함한다. 물론, 본 발명은 이차 전지(110)의 등가 회로에 포함된 회로 요소들의 종류와 그 연결 관계에 의해 한정되지 않는다.

일 실시예에서, 상기 충전 예측 전압(V^*)은 상기 등가 회로로부터 유도된 하기 수식 5의 전압 계산식에 의해 결정될 수 있다.

<수식 5>

V=OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC)+ i*R*(1-exp(-t/RC))

상기 수식 5에 있어서, OCV(z)는 이차 전지(110)의 충전 상태(z)에 대응되는 개방 전압을 나타낸다. 상기 개방 전압 값은 메모리부(170)에 미리 저장되어 있는 충전상태-개방전압 룩업 테이블을 참조하여 결정할 수 있다. 상기 충전상태-개방전압 룩업 테이블은 이차 전지(110)의 방전 실험을 통해 미리 정의될 수 있다.

상기 제어부(160)는 전류 측정부(140)를 이용하여 이차 전지(110)의 충전 전류 또는 방전 전류를 주기적으로 측정하여 측정된 전류 값을 적산하고 적산된 전류량과 이차 전지(110)의 만충전 용량 사이의 상대적 비율을 결정함으로써 이차 전지(110)의 충전 상태(z)를 결정할 수 있다. 이러한 충전 상태(z)의 결정 과정은 도 2에 도시된 알고리즘과는 독립적으로 진행될 수 있다. 물론, 충전 상태(z)의 계산 알고리즘이 도 2에 도시된 알고리즘에 통합되는 것을 제한하는 것은 아니다. 상기와 같은 전류 적산에 의한 이차 전지(110)의 충전 상태 계산법은 쿠울롱 카운팅 법이라는 명칭으로 널리 알려져 있으므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

상기 수식 5에 있어서, "i*R₀"은 이차 전지(110)의 등가 회로에 전류(i)가 흘렀을 때 직렬 저항(210)의 양단에 형성되는 전압의 크기를 나타낸다. R₀는 직렬 저항(210)의 저항 값을 나타내며, 실험을 통해 미리 설정될 수 있다.

상기 수식 5의 "V₀*exp(-t/RC)+ i*R*(1-exp(-t/RC))"은 RC 회로(220)에 전류(i)가 흐를 때 RC 회로(220)에 형성되는 전압의 크기를 나타낸다. RC 회로(220)의 양단에 형성되는 전압은 시간에 따라 변화한다.

일 실시예에서, 단계 S80에서 충전 예측 전압(V^*)을 결정할 때, 변수 t에는 미리 설정된 수초 이내의 시간 값을 대입할 수 있다. 바람직하게, 상기 변수 t에는 도 2에 예시된 알고리즘이 반복되는 주기에 해당하는 시간 값(예컨대, 1초)을 대입할 수 있다. 또한, i에는 S70 단계에서 결정한 충전 예측 전류(I_Q _*) 값을 할당할 수 있다.

상기 수식 5에서, R과 C는 RC 회로(220)에 포함된 저항과 콘덴서의 저항값 및 커패시턴스 값을 나타내며, 실험을 통해 미리 설정되는 파라미터이다.

상기 수식 5에서, V₀는 RC 회로(220)에 전류(i)가 흐르기 전에 RC 회로(220)에 형성된 초기 전압을 나타낸다. V₀의 초기값은 0으로 설정한다. 또한, 도 2의 계산 알고리즘이 주기적으로 반복 실행될 때마다 직전의 계산 사이클에서 계산된 RC 회로의 전압 값이 V₀에 갱신된 값으로 할당될 수 있다.

단계 S80에서 충전 예측 전압(V*)이 결정되고 나면 후속 단계로서 S90 단계가 진행된다.

단계 S90에서, 상기 제어부(160)는 충전 예측 전압(V*)이 이차 전지(110)의 충전 상한 전압(V_limit) 이상인지 여부를 결정한다. 상기 충전 상한 전압(V_limit)은 이차 전지(110)가 과충전 상태로 들어가는 경계 전압 값으로서 이차 전지(110)의 사양에 따라서 미리 설정될 수 있다.

상기 제어부(160)는, 단계 S90에서의 판단 결과가 Yes 이면, 단계 S95에서 충전 상한 전압(V_limit)을 원래의 값으로 그대로 유지시킨다. 그런 다음, 상기 제어부(160)는 단계 S100에서 시간 인덱스 k를 1 증가시킨 후, 단계 S110에서 이차 전지(110)가 키오프 상태인지 확인한다.

여기서, 키오프 상태라는 것은 이차 전지(110)가 무부하 상태, 즉 충전이나 방전이 실질적으로 중단된 상태에 있는 경우를 말한다.

상기 제어부(160)는 단계 S110에서 전류 측정부(140)를 통해 이차 전지(110)의 충전 또는 방전 전류의 크기를 측정하고 측정된 전류의 크기가 실질적으로 0이면 이차 전지(110)가 키오프 상태인 것으로 판별할 수 있다.

상기 제어부(160)는 단계 S110에서의 판단 결과가 No 이면, 즉 이차 전지(110)의 상태가 무부하 상태가 아니면, 증가된 시간 인덱스를 기준으로 도 2에 개시된 알고리즘을 다시 반복하기 위해 단계 S30으로 프로세스를 되돌린다. 그 이후에는, 전술한 단계들이 다시 한번 반복된다. 반면, 상기 제어부(160)는 단계 S110에서의 판단 결과가 YES이면, 즉 이차 전지(110)가 무부하 상태에 있다고 판단되면 도 2에 개시된 알고리즘을 종료한다.

한편, 상기 제어부(160)는, 단계 S90에서의 판단 결과가 NO이면, 즉, 충전 예측 전압(V^*)이 충전 상한 전압(V_limit)의 초기 설정값보다 작으면, 단계 S120에서 이차 전지(110)의 충전 상한 전압(V_limit)을 단계 S80에서 결정한 충전 예측 전압(V^*)으로 변경한다. 그런 다음, 상기 제어부(160)는 단계 S100에서 시간 인덱스 k를 1 증가시킨 다음, 단계 S110에서 이차 전지(110)가 키오프 상태인지 확인한다. 만약, 단계 S110에서의 판단 결과가 No이면, 즉 이차 전지(110)의 상태가 무부하 상태가 아니면 증가된 시간 인덱스를 기준으로 도 2에 개시된 알고리즘을 다시 반복하기 위해 단계 S30으로 프로세스를 되돌린다. 그러면, 그 이후에는 전술한 단계들이 다시 한번 반복된다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부(160)는 이차 전지(110)의 충전 전압이 충전 상한 전압(V_limit)에 도달되면 이차 전지(110)의 충전을 차단하는 제어를 도 2에 개시된 제어 알고리즘과는 별개로 수행할 수 있다.

즉, 상기 제어부(160)는 일정한 시간 간격을 두고 전압 측정부(120)를 이용하여 이차 전지(110)의 충전 전압 값을 결정하고 메모리부(170)에 저장할 수 있다. 또한, 상기 제어부(160)는 현재 시점에서 결정된 충전 전압 값이 충전 상한 전압(V_limit)에 도달하면 스위치 소자(150)에 제어신호를 출력하여 스위치 소자(150)를 턴오프시킴으로써 이차 전지의 충전을 차단한다. 충전이 차단되면, 이차 전지(110)의 충전 발열이 중단되므로 이차 전지(110)의 온도가 더 이상 증가하는 것을 방지할 수 있다.

상기 충전 상한 전압(V_limit)은 단계 S80에서 결정된 충전 예측 전압(V^*)이 이차 전지(110)의 사양으로 미리 설정된 충전 상한 전압(V_limit)보다 작으면 단계 S120에서 충전 상한 전압(V_limit)이 충전 예측 전압(V^*)으로 변경된다. 즉, 충전 상한 전압(V_limit)이 원래 설정된 초기값보다 낮아진다. 따라서, 상기 제어부(160)는 통상적인 경우보다 낮은 전압에서 이차 전지(160)의 충전을 차단한다. 이러한 경우는 보통 이차 전지(110)의 충전에 따른 발열량이 많아서 충전이 계속되면 이차 전지(110)의 온도가 과열 구간으로 진입될 가능성이 있는 때이다.

한편, 이차 전지(110)의 온도가 다시 적정한 수준으로 낮아지면 S70 단계에서 결정되는 충전 전류 값(I_Q _*)이 증가하기 때문에 충전 예측 전압(V^*)이 다시 원래의 충전 상한 전압(V_limit)에 점점 근접한다. 이에 따라, 이차 전지(110)의 충전이 차단되는 전압도 원래의 충전 상한 전압(V_limit)으로 수렴한다. 또한, 이차 전지(110)의 온도가 더욱 안정화되면, 단계 S80에서 결정한 충전 예측 전압(V^*)이 충전 상한 전압(V_limit)의 초기값 이상으로 증가한다. 이 때부터는 초기값으로 설정된 충전 상한 전압(V_limit)에서 이차 전지(110)의 충전이 다시 차단된다.

도 2에 도시된 알고리즘이 주기적으로 반복되면, 이차 전지(110)의 온도가 과도하게 상승할 가능성이 있는 경우 이차 전지(110)의 충전 차단이 초기에 설정된 충전 상한 전압(V_limit)보다 낮은 전압 조건에서 이루어진다. 따라서, 이차 전지(110)에 냉각 메커니즘이 결합되어 있는지 여부와 상관 없이 이차 전지(110)의 과열을 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 상기 충전 예측 전류(I_Q _*)는 상기 수식 3의 온도 변화 방정식에 포함된 전류 변수 I에 대해서 이분법 알고리즘(Bisection Algorithm)을 적용하여 결정하는 것도 얼마든지 가능하다.

즉, 상기 제어부(160), 상기 수식 3의 온도 변화 방정식에 미리 설정된 기준 시간(t^*) 값과 임계 온도(T^*)를 대입한 후 전류 값을 변화시키면서 하기 수식 6이 만족되는 전류 값을 근사적으로 찾아서 해당 값을 충전 예측 전류(I_Q _*) 값으로 결정할 수 있다.

참고로, 하기 수식 6은 수식 3의 Q에 I²R을 대입하여 얻은 것으로서, 하기 수식 6은 전류 I의 함수이다.

<수식 6>

상기 수식 6에 이분법 알고리즘을 적용하여 충전 예측 전류(I_Q _*) 값을 결정하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 상기 제어부(160)는 현재의 시간 인덱스 k에서 측정한 충전 전류 값(I_k)과 이보다 충분히 큰 전류 값(I_k ₊)을 이분법 알고리즘의 경계 조건으로 설정한다.

상기 경계 조건에 있어서, I_k는 하한 값, 그리고 I_k ₊는 상한 값에 해당한다. 상기 제어부(160)는 적어도 하기 수식 7이 만족되도록 I_k ₊를 결정하는 것이 바람직하다.

<수식 7>

[F(I_lower)-T^*][F(I_upper)-T^*] < 0

상기 수식 7에 있어서, 함수 F은 수식 6을 나타내고, 함수의 입력 변수에 대입된 l_lower는 경계 조건의 하한 값을, 함수의 입력 변수에 대입된 I_upper는 경계 조건의 상한 값을 나타낸다. 상기 수식 7이 만족되면, 상기 경계 조건 내에 상기 수식 6을 만족하는 해에 해당하는 전류 값, 즉 충전 예측 전류 값(I_Q _*)이 포함되어 있다는 것을 의미한다.

이어서, 상기 제어부(160)는 상기 경계 조건의 평균 값인 I_k _{_} _median을 기준으로 좌측과 우측에 경계 조건을 다시 설정한다. 즉 I_k와 I_k _{_} _median 사이, 그리고 I_k _{_} _median 과 I_k ₊ 사이를 새로운 경계 조건으로 각각 설정한다.

그런 다음, 상기 제어부(160)는 I_k와 I_k _{_} _median 사이의 경계 조건과 I_k _{_} _median 과 I_k ₊ 사이의 경계 조건 중에서 상기 수식 7을 만족시키는 경계 조건이 무엇인지 식별한다.

만약, I_k와 I_k _{_} _median 사이의 경계 조건이 상기 수식 7을 만족시키면 I_k와 I_k _{_} _median 사이에 해가 포함되어 있고, I_k _{_} _median 과 I_k ₊ 사이의 경계 조건이 상기 수식 7을 만족시키면 I_{k_median}과 I_k ₊사이에 해가 포함되어 있는 것을 의미한다.

상기 제어부(160)는, 해가 존재하는 전류의 새로운 경계 조건이 식별되면, 식별된 경계 조건의 상한 값과 하한 값의 평균 값을 기준으로 경계 조건을 다시 2개로 나누고, 2개의 경계 조건 중에서 상기 수식 7을 만족시키는 경계 조건이 무엇인지 다시 결정한다.

상기 제어부(160)는 위와 같이 해가 포함된 경계 조건이 결정될 때마다 경계 조건의 평균 값을 기준으로 경계 조건을 다시 2개로 나누고, 해가 포함된 경계 조건을 다시 결정하는 과정을 반복함으로써 해가 포함된 경계 조건의 폭을 임계치 미만(예컨대, 0.001Ampere)까지 감소시킨다.

그런 다음, 상기 제어부(160)는 임계치 미만의 폭으로 좁아진 경계 조건의 상한 값과 하한 값의 평균 값을 수식 6을 근사적으로 만족시키는 해에 해당하는 전류 값, 즉 충전 예측 전류(I_Q _*) 값으로 결정할 수 있다.

본 발명이 상기에서 설명된 대체예를 채용할 경우, 도 2에 개시된 알고리즘에 있어서 단계 S60은 생략이 가능하고, 단계 S70은 이분법 알고리즘을 이용하여 충전 예측 전류(I_Q*) 값을 결정하는 단계로 대체될 수 있고, 나머지 단계들은 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다.

그러면, 이하에서는 실험예를 통하여 본 발명의 효과를 설명하기로 한다. 본 명세서에서 설명되는 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이므로 본 발명의 범위가 실험예에서 의해 한정되지 않음은 자명하다.

먼저, 동작 전압 범위가 2.1V 내지 2.47V이고 용량이 10Ah인 파우치 타입의 리튬 폴리머 이차 전지를 충방전 시뮬레이터에 장착하였다. 그리고, 전기 자동차의 도심 주행 상황을 가정한 드라이빙 프로파일에 따라 이차 전지를 펄스 충방전을 시키면서 특히 충전이 진행되는 동안에는 본 발명을 적용하여 충전 예측 전압(V^*)을 이용하여 충전 상한 전압(V_limit)을 조정하였다. 이차 전지의 충전은 전기 자동차가 감속될 때 생성되는 회생 전력에 의해 수행되는 것으로 충방전 실험을 모사하였다. 충방전 실험을 진행하는 동안, 충전 전류가 충방전 시뮬레이터로부터 이차 전지에 인가되더라도 이차 전지의 충전 전압이 충전 상한 전압(V_limit)에 도달되면 충방전 스뮬레이터와 이차 전지 사이에 연결된 스위치를 턴오프시켜 충전을 즉각 차단하였습니다. 이를 위해, 스위치의 동작을 제어하는 제어기를 스위치에 연결하였다. 또한, 본 발명에서 사용하는 파라미터 중 하나인 기준 시간(t^*) 값을 300초, 600초 및 1200초로 다르게 설정하여 각각의 기준 시간(t^*) 별로 동일한 도심 드라이빙 패턴 하에서 충방전 실험을 독립적으로 진행하였다.

도 4는 본 실험을 통해서 얻은 충전 예측 전류 I_Q _*의 변화(그래프 (a)), 이차 전지의 충전 상태(z) 변화(그래프 (b)), 충전 예측 전압(V^*)의 변화(그래프 (c)) 및 이차 전지의 온도 변화(그래프 (d))를 나타낸 그래프이다.

도 4에 있어서, 얇은 실선 그래프는 기준 시간(t^*)이 300초로 설정된 경우를, 굵은 실선 그래프는 기준 시간(t^*)이 600초로 설정된 경우를, 점선 그래프는 기준 시간(t^*)이 1200초로 설정된 경우를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 이차 전지의 온도가 시간에 따라 증가하면서 충전 예측 전류(I_Q*)와 충전 예측 전압(V^*)도 함께 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는, 이차 전지의 온도가 올라가면 과열 예측 열량(Q^*)이 감소하여 충전 예측 전류(I_Q _*)도 감소하고 이차 전지의 등가 회로를 이용하여 충전 예측 전류(I_Q _*)로부터 계산되는 충전 예측 전압(V^*)도 감소하기 때문이다.

본 실험에서, 충전 상한 전압은 2.47V로 설정하였다. 따라서, 충전 펄스가 이차 전지에 인가되는 동안 충전 예측 전압(V^*)이 2.47V보다 낮을 때는 충전 상한 전압이 충전 예측 전압으로 낮게 조절되기 때문에 이차 전지의 전압이 충전 예측 전압보다 높으면 충전이 바로 차단되었다. 따라서, 충방전 시뮬레이터에 의해 충전 전류가 이차 전지에 인가되어도 이차 전지의 충전이 진행되지 않았다.

한편, 그래프 (a)와 (c)는 기준 시간이 증가할수록 충전 예측 전류(I_Q _*)와 충전 예측 전압(V^*)의 감소 정도가 더 크다는 것을 보여준다. 왜냐하면, 기준 시간이 증가하면 이차 전지의 온도가 동일하여도 과열 예측 열량이 감소하기 때문이다.

본 발명에 따르면, 충전 예측 전압(V^*)이 낮을수록 보다 낮은 전압 수준에서 이차 전지의 충전이 차단된다. 따라서, 동일한 충방전 조건에서 이차 전지가 충방전되더라도 이차 전지의 충전량이 달라지고 이차 전지가 방전된 정도만큼 충전이 되지 않기 때문에 이차 전지의 충전 상태는 서서히 0으로 수렴한다. 또한, 이차 전지의 충전 상태는 기준 시간이 길수록 빨리 0으로 수렴하는데, 이는 기준 시간이 길수록 기준 시간이 짧은 경우보다 충전 전류의 차단이 보다 자주 일어나기 때문이다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 이차 전지의 온도가 점점 증가하면 충전 예측 전류(I_Q*)와 충전 예측 전압(V^*)도 함께 감소한다. 따라서, 이차 전지의 온도가 높을수록 이차 전지의 충전이 더 낮은 전압 레벨에서 차단되기 때문에 이차 전지의 온도도 그 증가폭이 점점 완화된다. 그 결과, 이차 전지의 충전 상태(z)가 0이 될 때까지 충방전 실험이 진행되더라도 이차 전지의 온도는 적절한 레벨을 유지할 수 있다.

이차 전지의 충방전이 진행될 때의 온도 변화는 이차 전지의 설치 환경에 따라서 달라진다. 본 실험 결과는, 이차 전지에서 발생되는 열이 외부로 잘 발산되는 환경에 이차 전지가 설치될 경우는, 기준 시간을 작게 설정하는 것이 바람직하다는 것을 시사한다. 또한, 이차 전지에서 발생되는 열이 잘 발산되지 못하는 환경에 이차 전지가 설치될 경우는, 기준 시간을 상대적으로 길게 설정하여 이차 전지의 충전 시 발생되는 열을 억제하는 것이 바람직하다는 점도 시사해 준다.

따라서, 본 발명에 있어서, 상기 제어부(160)는 이차 전지(110)의 온도 증가 속도에 따라 기준 시간을 가변시킬 수 있다. 즉, 온도 증가 속도에 비례하여 기준 시간을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 이차 전지가 냉각 메커니즘과 결합되지 않은 무냉각 이차 전지에 적용할 경우 특히 유용하다. 하지만 본 발명은 냉각 메커니즘의 유무와 상관 없이 어떠한 이차 전지에도 적용될 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

본 출원의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 출원의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.

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

Claims

이차 전지의 충전 전류를 측정하는 전류 측정부;
상기 이차 전지의 현재 온도를 측정하는 온도 측정부; 및
상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부와 결합된 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부로부터 측정 결과를 입력 받아 충전 전류 값 및 현재 온도 값을 결정하고, 미리 설정된 기준 시간 동안 이차 전지의 온도가 상기 현재 온도로부터 임계 온도까지 상승되는데 필요한 과열 예측 열량을 열역학 이론에 따라 미리 정의한 열량 계산식을 이용하여 결정하고, 상기 이차 전지의 내부 저항을 통한 주울열로서 상기 과열 예측 열량을 발생시킬 수 있는 충전 예측 전류를 결정하고, 상기 이차 전지의 등가 회로에 상기 충전 예측 전류가 흐를 때 예상되는 충전 예측 전압을 결정하고, 상기 충전 예측 전압이 미리 설정된 충전 상한 전압보다 낮은 조건이 성립되면 충전 상한 전압을 상기 충전 예측 전압으로 낮게 조정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 장치.
제1항에 있어서,
상기 이차 전지의 충전 전류가 흐르는 경로에 설치된 스위치 소자; 및
상기 이차 전지의 충전 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 스위치 소자 및 상기 전압 측정부와 결합되고,
상기 제어부는, 상기 전압 측정부로부터 측정 결과를 입력 받아 이차 전지의 충전 전압 값을 결정하고, 상기 충전 전압 값이 상기 충전 예측 전압에 대응되면 상기 스위치 소자를 턴오프시켜 이차 전지의 충전을 차단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 장치.
제1항에 있어서,
상기 등가 회로 모델은, 각각이 서로 직렬로 연결된 직렬 저항, 적어도 하나 이상의 RC 회로 및 상기 이차 전지의 충전 상태에 따라 전압이 변화되는 개방 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어부는 하기 수식으로부터 상기 충전 예측 전압을 계산하는 것을
V = OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC) + i*R*(1-exp(-t/RC))
(여기서, i는 이차 전지의 등가 회로에 흐르는 전류, R₀는 직렬 저항의 저항 값, R은 RC 회로에 포함된 저항의 저항값, C는 RC 회로에 포함된 콘덴서의 커패시턴스 값, V₀는 RC 회로에 형성되는 초기 전압값, z는 이차 전지의 충전 상태, 그리고 OCV(z)는 충전 상태에 대응되는 개방 전압을 나타냄)
특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 장치.
제4항에 있어서,
충전 상태로부터 개방 전압을 룩업할 수 있는 충전 상태-개방 전압 룩업 테이블이 저장된 메모리부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 전류 측정부를 통해 이차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 주기적으로 측정하고 측정된 전류 값을 쿠울롱 카운팅법에 의해 적산하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하고, 상기 충전 상태-개방 전압 룩업 테이블로부터 상기 결정된 충전 상태에 대응되는 개방 전압을 맵핑함으로써 이차 전지의 개방 전압을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 장치.
제1항에 있어서,
상기 이차 전지의 외부 온도를 측정하는 외부 온도 측정부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 외부 온도 측정부를 이용하여 이차 전지의 외부 온도 값을 결정하고,
상기 제어부는, 하기 수식으로부터 미리 설정된 시간 동안 이차 전지의 온도가 상기 현재 온도로부터 미리 설정된 임계 온도까지 상승하는데 필요한 과열 예측 열량 Q^*을 결정하고,
Q^* = {T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb}/{R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th])}
(여기서, T^*는 미리 설정된 임계 온도, t^*는 기준 시간, T_c는 상기 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 현재 온도, T_amb는 상기 외부 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 외부 온도, R_th는 이차 전지와 외부 사이의 미리 설정된 열 저항 값, C_p는 미리 설정된 이차 전지의 정압 비열, m은 이차 전지의 중량을 나타냄)
상기 이차 전지의 내부 저항을 통해 상기 과열 예측 열량 Q^*을 주울열로서 발생시킬 수 있는 전류 값을 계산하고 계산된 전류 값을 상기 충전 예측 전류로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 장치.
제1항에 있어서,
상기 이차 전지의 외부 온도를 측정하는 외부 온도 측정부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 외부 온도 측정부를 이용하여 이차 전지의 외부 온도 값을 결정하고,
상기 제어부는, 하기 수식의 전류 변수 I에 대해서 이분법 알고리즘을 적용함으로써 하기 수식을 근사적으로 만족하는 해에 해당하는 전류 값을 상기 충전 예측 전류로 결정하도록

(여기서, T^*는 미리 설정된 임계 온도, t^*는 기준 시간, T_c는 상기 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 현재 온도, T_amb는 상기 외부 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 외부 온도, R_th는 이차 전지와 외부 사이의 미리 설정된 열 저항 값, C_p는 미리 설정된 이차 전지의 정압 비열, m은 이차 전지의 중량, R은 이차 전지의 내부 저항, Q는 이차 전지의 발열량, 및 C₀는 'T_c-T_amb-R_thQ'를 나타냄)
구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 충전 예측 전압이 상기 충전 상한 전압 이상이면 상기 충전 상한 전압을 초기 설정값으로 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 기준 시간을 가변시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 장치.
(a) 이차 전지의 충전 전류와 현재 온도를 결정하는 단계;
(b) 미리 설정된 기준 시간 동안 이차 전지의 온도가 상기 현재 온도로부터 임계 온도까지 상승되는데 필요한 과열 예측 열량을 열역한 이론에 따라 미리 정의한 열량 계산식을 이용하여 결정하고, 상기 이차 전지의 내부 저항을 통한 주울열로서 상기 과열 예측 열량을 발생시킬 수 있는 충전 예측 전류를 결정하는 단계;
(c) 상기 이차 전지의 등가 회로에 상기 충전 예측 전류가 흐를 때 예상되는 충전 예측 전압을 결정하는 단계; 및
(d) 상기 충전 예측 전압이 미리 설정된 충전 상한 전압보다 낮은 조건이 성립되면 충전 상한 전압을 상기 충전 예측 전압으로 낮게 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법.
제10항에 있어서,
이차 전지의 충전 전압 값을 결정하는 단계; 및
상기 충전 전압 값이 상기 충전 예측 전압에 대응되면 충전 전류가 흐르는 선로에 설치된 스위치 소자를 턴오프시켜 이차 전지의 충전을 차단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법.
제10항에 있어서,
상기 등가 회로 모델은, 각각이 서로 직렬로 연결된 직렬 저항, 적어도 하나 이상의 RC 회로 및 상기 이차 전지의 충전 상태에 따라 전압이 변화되는 개방 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법.
제12항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
하기 수식으로부터 상기 충전 예측 전압을 계산하는 단계임을
V = OCV(z) + i*R₀ + V₀*exp(-t/RC) + i*R*(1-exp(-t/RC))
(여기서, i는 이차 전지의 등가 회로에 흐르는 전류, R₀는 직렬 저항의 저항 값, R은 RC 회로에 포함된 저항의 저항값, C는 RC 회로에 포함된 콘덴서의 커패시턴스 값, V₀는 RC 회로에 형성되는 초기 전압값, z는 이차 전지의 충전 상태, 그리고 OCV(z)는 충전 상태에 대응되는 개방 전압을 나타냄)
특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법.
제13항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
상기 이차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 주기적으로 측정하는 단계;
상기 측정된 전류 값을 쿠울롱 카운팅법에 의해 적산하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하는 단계; 및
미리 정의된 충전 상태-개방 전압 룩업 테이블로부터 상기 결정된 충전 상태에 대응되는 개방 전압을 맵핑함으로써 상기 충전 예측 전압의 개방 전압 성분인 OCV(z)를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법.
제10항에 있어서,
상기 이차 전지의 외부 온도 값을 측정하는 단계를 더 포함하고,
상기 (b) 단계는, 하기 수식을 이용하여 미리 설정된 시간 동안 이차 전지의 온도가 상기 현재 온도로부터 미리 설정된 임계 온도까지 상승하는데 필요한 과열 예측 열량 Q^*를 결정하는 단계; 및
Q^* = {T^* - (T_c-T_amb)exp[-t^*/mC_pR_th]+T_amb}/{R_th(1-exp[-t^*/mC_pR_th])}
(여기서, T^*는 미리 설정된 임계 온도, t^*는 기준 시간, T_c는 이차 전지의 현재 온도, T_amb는 이차 전지의 외부 온도, R_th는 이차 전지와 외부 사이의 미리 설정된 열 저항 값, C_p는 미리 설정된 이차 전지의 정압 비열, m은 이차 전지의 중량을 나타냄)
상기 이차 전지의 내부 저항을 통해 상기 과열 예측 열량 Q^*을 주울열로서 발생시킬 수 있는 전류 값을 계산하고 계산된 전류 값을 상기 충전 예측 전류로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법.
제10항에 있어서,
상기 이차 전지의 외부 온도 값을 측정하는 단계를 더 포함하고,
상기 (b) 단계는, 하기 수식의 전류 변수에 대해서 이분법 알고리즘을 적용함으로써 하기 수식을 만족하는 해에 해당하는 전류 값을 상기 충전 예측 전류로 결정하는 단계를 포함하는 것을

(여기서, T^*는 미리 설정된 임계 온도, t^*는 기준 시간, T_c는 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 현재 온도, T_amb는 외부 온도 측정부를 통해 측정된 이차 전지의 외부 온도, R_th는 이차 전지와 외부 사이의 미리 설정된 열 저항 값, C_p는 미리 설정된 이차 전지의 정압 비열, m은 이차 전지의 중량, R은 이차 전지의 내부 저항, Q는 이차 전지의 발열량, 및 C₀는 'T_c-T_amb-R_thQ'를 나타냄)
특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법.
제10항에 있어서,
상기 충전 예측 전압이 상기 충전 상한 전압 이상이면 상기 충전 상한 전압을 초기 설정값으로 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법.
제10항에 있어서,
상기 기준 시간을 가변시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 조건 조정 방법.