KR102404274B1 - 배터리 충방전 전압 조절 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 충방전 전압 조절 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 온도에 따라 가변적으로 배터리의 충방전 전압을 조절하는 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치는, 하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리의 충방전 전압을 조절하는 장치로서, 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도측정 유닛; 상기 온도측정 유닛에 의해 측정된 온도에 기초하여 적정 충방전 전압을 연산하는 연산 유닛; 및 상기 연산 유닛에 의해 연산된 적정 충방전 전압에 따라 배터리의 충방전을 제어하는 제어 유닛을 포함한다.

Description

배터리 충방전 전압 조절 장치 및 방법{Apparatus and method for adjusting charging or discharging voltage of battery}
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리의 충방전 전압을 상황에 따라 가변적으로 조정하는 기술에 관한 것이다.
배터리는, 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드 등의 모바일 디바이스뿐만 아니라 전기로 구동되는 자동차(EV, HEV, PHEV)나 대용량 전력 저장 장치(ESS) 등, 다양한 분야에 널리 활용되고 있다.
배터리는 통상적으로 하나 또는 그 이상의 배터리 모듈 또는 배터리 팩으로서 기기나 장치에 장착될 수 있다. 이러한 배터리에는 하나 이상의 이차 전지가 구비되며, 이차 전지 이외에 BMS(Battery Management System) 등의 전장품이나 케이스를 더 구비할 수 있다. 여기서, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미한다. 지금까지 이차 전지로서 여러 종류의 전지가 개발되어 있지만, 그 활용 영역이 급속도로 증가하는 전지는 리튬 이차 전지라 할 수 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 큰 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높고 고출력에 용이하다는 등의 여러 장점을 갖는다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다.
리튬 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
그리고, 리튬 이차 전지는 일반적으로 전극 조립체가 전지 케이스에 수납된 상태에서 액체 상태의 전해질, 즉 전해액이 주입되고, 전지 케이스가 실링되는 과정을 통해 제조된다.
배터리는 주로 상온 부근에서 사용되는 경우가 많기 때문에, 리튬 이차 전지는 대체로 상온 부근(대략 25℃)에서 적절한 성능을 갖도록 설계된다. 하지만, 배터리가 사용되는 환경에 따라 이차 전지의 주변 온도가 상온 부근에 있지 않고, 다른 온도 부근에 위치할 수 있다. 예를 들어, 자동차나 모바일 디바이스, ESS 등이 극지방에서 사용되는 경우, 이러한 장치에 포함된 배터리의 이차 전지는 25℃보다 훨씬 낮은 온도 상황에 놓일 수 있다. 또는, 자동차나 모바일 디바이스, ESS 등이 적도 지방에서 사용되는 경우, 이러한 장치에 포함된 배터리의 이차 전지는 25℃보다 훨씬 높은 온도 상황에 놓일 수 있다.
이처럼, 배터리가 상온 부근이 아닌 다른 온도 상황에 놓이게 될 경우에는 배터리에 구비된 이차 전지의 성능이 제대로 발휘되지 못하거나 안전성 내지 수명 등에 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 상온에서 사용되기에 적합하도록 설계된 배터리를 극지방에서 사용할 경우, 사용 중 전력이 차단될 우려가 있다. 또한, 상온에서 사용되기에 적합하도록 설계된 배터리를 적도 지방에서 사용할 경우, 사용 중 이차 전지가 발화 내지 폭발할 위험이 있다.
물론, 배터리가 사용될 환경을 고려하여 그에 적합한 이차 전지를 설계 및 제조하여 사용되도록 하는 것을 고려해볼 수도 있으나, 배터리가 사용될 환경을 미리 고려하여, 각 환경마다 그에 적합한 이차 전지나 배터리를 제조하는 것은 현실적으로 어려움이 있다. 더욱이, 배터리가 장착된 기기나 장치는 온도가 다른 여러 장소에서 사용될 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 특정 온도 환경에서만 구동이 잘 되는 이차 전지나 배터리는 호환성이 낮으므로, 적용 대상이 한정될 수밖에 없다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 다양한 온도 조건에서 최적의 성능이나 안전성, 또는 수명 등이 유지될 수 있도록 하는 배터리 충방전 전압 조절 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치는, 하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리의 충방전 전압을 조절하는 장치로서, 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도측정 유닛; 상기 온도측정 유닛에 의해 측정된 온도에 기초하여 적정 충방전 전압을 연산하는 연산 유닛; 및 상기 연산 유닛에 의해 연산된 적정 충방전 전압에 따라 배터리의 충방전을 제어하는 제어 유닛을 포함한다.
여기서, 상기 제어 유닛은, 상기 배터리의 충방전 전압을 측정하는 전압 측정부, 및 상기 전압 측정부에 의해 측정된 충방전 전압이 상기 적정 충방전 전압을 벗어나는 경우 충방전을 차단하는 차단부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 차단부는, 상기 배터리의 충방전 경로 상에 구비된 충방전 스위치를 오픈시킴으로써 상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단할 수 있다.
또한, 상기 연산 유닛은, 기본 온도에 기반하여 설정된 배터리의 초기 충방전 전압, 및 상기 온도측정 유닛에 의해 측정된 온도와 상기 기본 온도 사이의 차이를 이용하여 상기 적정 충방전 전압을 연산할 수 있다.
또한, 상기 연산 유닛은, 상기 이차 전지에 구비된 양극판 및 음극판 중 적어도 하나의 종류에 따라 적정 충방전 전압을 다르게 연산할 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛은, 메모리부를 구비하여 상기 메모리부에 최대 전압을 저장하고, 상기 적정 충방전 전압의 상한이 상기 최대 전압을 초과하는 경우, 상기 최대 전압에 따라 상기 배터리의 충전을 제어할 수 있다.
또한, 상기 메모리부는, 상기 이차 전지에 구비된 양극판의 종류에 따라 상기 최대 전압을 다르게 저장할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리는, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모바일 디바이스는, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 방법은, 하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리의 충방전 전압을 조절하는 방법으로서, 상기 배터리의 온도가 측정되는 단계; 상기 온도측정 단계에서 측정된 온도에 기초하여 적정 충방전 전압이 연산되는 단계; 및 상기 연산 단계에서 연산된 적정 충방전 전압에 따라 배터리의 충방전이 제어되는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리가 사용되는 온도 상황에 따라 충방전 전압이 변경될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 각 온도 조건마다 그에 적합한 전압으로 충방전이 이루어지도록 하여, 배터리의 성능과 안전성이 보다 향상되며, 수명이 증가될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리가 장착된 기기나 장치가 온도가 다른 환경으로 이동하여 사용될 때에도, 그에 적합한 조건으로 충방전 전압이 자동으로 설정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 온도가 다른 사용 환경마다 이차 전지나 배터리를 다르게 설계할 필요가 없다. 그러므로, 이 경우, 배터리의 지역적 호환성이 증대되고, 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 배터리 충방전 전압 조절 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 유닛(130)의 하위 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치가 배터리에 적용된 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 전압 조절 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5 내지 도 9는, 본 발명에 따른 여러 실시예와 비교예의 충방전 사이클에 따른 용량 변화량을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 충방전 전압 조절 장치는, 배터리의 충방전 전압을 조절하는 장치이다. 여기서, 배터리에는 하나 이상의 이차 전지가 구비될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치는, 하나 이상의 리튬 이차 전지를 포함하는 배터리에 적용될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치는, 온도측정 유닛(110), 연산 유닛(120) 및 제어 유닛(130)을 포함할 수 있다.
상기 온도측정 유닛(110)은, 배터리의 온도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 온도측정 유닛(110)은, 배터리의 내부에 구비되어 배터리의 내부 온도를 측정할 수 있다. 또는 상기 온도측정 유닛(110)은, 배터리의 외부에 구비되어 배터리의 외부 온도를 측정할 수 있다. 특히, 상기 온도측정 유닛(110)은, 이차 전지의 성능이나 안전성에 영향을 미치는 온도 상황을 측정하기 위해, 배터리 내부의 이차 전지에 접촉하거나 인접하여 위치하는 것이 좋다.
상기 온도측정 유닛(110)은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 온도 센서로서 구현될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는 이러한 온도측정 유닛(110)의 구체적인 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 연산 유닛(120)은, 적정 충방전 전압을 연산할 수 있다. 여기서, 적정 충방전 전압은, 배터리에 포함된 이차 전지의 성능, 안전성 및/또는 수명이 최적화되거나 확보될 수 있도록 하는, 배터리의 충전 전압 및/또는 방전 전압이라 할 수 있다.
이때, 적정 충방전 전압은, 전압의 소정 범위 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 적정 충방전 전압은 4.40V-3.00V와 같은 범위 형태로 구성될 수 있다. 또는, 충방전 전압은 충방전 전압의 한계값을 규정하는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 충방전 전압은, 충전 시 배터리 전압의 최대값을 4.50V로 규정하고, 방전 시 배터리 전압의 최대값을 2.80V로 규정하는 형태로 구성될 수 있다.
특히, 상기 연산 유닛(120)은, 온도에 기초하여 적정 충방전 전압을 연산할 수 있다. 즉, 상기 온도측정 유닛(110)에 의해, 이차 전지 주변의 온도가 측정되면, 상기 연산 유닛(120)은, 측정된 온도 정보를 수신하고, 수신된 온도 정보에 기초하여 적정 충방전 전압을 연산할 수 있다.
기본적으로, 배터리의 충방전 전압은, 상온, 즉 25℃ 부근에서 최적화되도록 설계될 수 있다. 다시 말해, 배터리는 상온 부근에서 이차 전지의 성능이나 수명, 안전성 등이 보장되거나 최적화될 수 있도록 하는 전압 범위 이내에서 충전 내지 방전이 이루어지도록 구성될 수 있다. 이는, 배터리가 통상적으로 상온 부근에서 사용될 확률이 높기 때문이다. 여기서, 배터리의 제조 당시 설계된 충방전 전압의 범위를 초기 충방전 전압이라 할 수 있다.
예를 들어, 배터리에 대한 초기 충방전 전압은, 4.40V 내지 3.00V가 되도록 설계될 수 있다. 이 경우, 배터리는, 충전 시 이차 전지가 4.40V까지 충전되도록 하고, 3.00V까지 방전되도록 할 수 있다.
하지만, 온도가 변함에 따라 배터리의 성능이나 안전성이 최적화되는 충방전 전압의 범위가 변할 수 있다. 상기 연산 유닛(120)은, 현재 온도에 적합하도록 충방전 전압의 범위를 수정할 수 있다. 즉, 상기 연산 유닛(120)은, 이처럼 현재 온도에서 배터리의 성능이나 안전성 등이 최적화되는 충방전 전압의 범위를 적정 충방전 전압으로서 획득할 수 있다.
상기 제어 유닛(130)은, 연산 유닛(120)에 의해 연산된 적정 충방전 전압에 따라 배터리의 충방전을 제어할 수 있다. 즉, 연산 유닛(120)이 현재 온도에 최적화되도록 적정 충방전 전압을 연산하면, 상기 제어 유닛(130)은 이와 같이 연산된 적정 충방전 전압에 따라 배터리가 충전 또는 방전되도록 할 수 있다.
예를 들어, 연산 유닛(120)이 적정 충방전 전압을 4.45V 내지 3.05V로 연산하면, 제어 유닛(130)은, 이러한 연산 결과에 따라 배터리의 충전 및 방전이 이루어지도록 할 수 있다. 이 경우, 제어 유닛(130)은, 배터리의 충전 과정에서, 배터리의 충전 전압이 4.45V가 될 때까지만 배터리가 충전되도록 하고, 배터리가 그 이상의 전압으로 충전되지 않도록 할 수 있다. 또한, 제어 유닛(130)은, 배터리의 방전 과정에서, 배터리의 방전 전압이 3.05V가 될 때까지만 배터리가 방전되도록 하고, 배터리가 그 이하의 전압으로 방전되지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 동일하게 설계된 한 종류의 이차 전지, 특히 한 종류의 리튬 이차 전지에 대하여, 이차 전지가 사용되는 온도에 따라 적정한 전압 범위 내에서 충방전이 이루어지도록 할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 리튬 이차 전지의 성능이 극대화되는 한편, 안전성이 확보되며, 수명이 증가될 수 있다.
더욱이, 리튬 이차 전지의 경우, 양극 활물질이 양극 집전체에 도포된 형태로 구성된 양극판과 음극 활물질이 음극 집전체에 도포된 형태로 구성된 음극판, 그리고 전해질 및 분리막을 구비하는데, 이 중 양극판과 음극판은 그 성질이 상이하여, 각각의 사용 범위에 특화된 적정 온도가 정해져 있을 수 있다. 특히, 고전위에 노출되는 양극판은 음극판 대비 퇴화가 심하며, 고온으로 갈수록 그 퇴화 정도가 심해질 수 있다. 반면, 음극판은 일반적으로 양극판에 비해 확산성(diffusivity)이 낮아 저온 특성이 좋지 않을 수 있다. 그런데, 본 발명에 의하면, 온도가 변화함에도 불구하고, 배터리에 구비된 이차 전지의 성능이나 수명, 안전성 등이 열화되지 않을 수 있다.
특히, 상온에서 성능 및 안전성 등이 최적화되도록 NP ratio 등이 설계된 리튬 이차 전지에 대하여, 본 발명은, 주변 온도 조건이 바뀐 경우, 양극과 음극의 각 재료에 대하여 키네틱(kinetic)이 상대적으로 다르게 움직이는 것을 보정할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치는, 온도가 변경된 경우, 변경된 온도에 따라 서로 다르게 움직이는 양극과 음극의 키네틱 밸런스(kinetic balance)를, 전지의 작동 범위를 조절함으로써 상온의 전지 설계에 최대한 가까워지도록 할 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 유닛(130)의 하위 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 상기 제어 유닛(130)은, 전압 측정부(131) 및 차단부(132)를 구비할 수 있다.
상기 전압 측정부(131)는, 배터리의 충방전 전압을 측정할 수 있다. 즉, 상기 전압 측정부(131)는, 충전 중 배터리의 전압(충전 전압) 내지 방전 중 배터리의 전압(방전 전압)을 측정할 수 있다. 특히, 상기 전압 측정부(131)는, 배터리의 충방전 전압을 실시간으로 측정할 수 있다. 여기서, 상기 전압 측정부(131)는, 배터리의 충방전 전압을 주기적으로 또는 비주기적으로 측정할 수 있다. 그리고, 이와 같이 전압 측정부(131)에 의해 측정된 배터리의 전압에 대한 정보는 차단부(132)로 제공될 수 있다.
상기 차단부(132)는, 전압 측정부(131)에 의해 측정된 충방전 전압을 연산 유닛(120)에 의해 연산된 적정 충방전 전압과 비교할 수 있다. 그리고, 충방전 전압의 측정값이 적정 충방전 전압의 범위 이내이면, 차단부(132)는 배터리의 충방전이 계속해서 이루어지도록 할 수 있다. 그러나, 충방전 전압의 측정값이 적정 충방전 전압을 벗어나는 경우, 상기 차단부(132)는 배터리의 충방전을 차단할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치가 배터리에 적용된 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 배터리에 이차 전지(10)가 구비되며, 이러한 이차 전지(10) 주변에는 온도측정 유닛(110)이 구비될 수 있다. 또한, 연산 유닛(120)이 온도측정 유닛(110)과 연결되어, 온도측정 유닛(110)으로부터 온도 정보를 제공받고, 배터리의 충전 전압 및 방전 전압의 적정 수준(적정 충방전 전압)을 연산할 수 있다. 그리고, 연산 유닛(120)에 의해 연산된 적정 충방전 전압의 정보는, 전압 측정부(131)와 차단부(132)를 구비하는 제어 유닛(130)으로 제공될 수 있다. 이때, 제어 유닛(130)은, 연산 유닛(120)에 의해 제공된 적정 충방전 전압 정보를 바탕으로, 배터리의 충전 및 방전을 제어할 수 있다.
특히, 제어 유닛(130)의 전압 측정부(131)는, 이차 전지(10) 양단에 연결된 전압 검출선을 구비하여, 이차 전지(10) 양단의 전압을 검출할 수 있다. 도 3에서는, 배터리에 하나의 이차 전지(10)가 구비된 경우가 도시되어 있으므로, 전압 측정부(131) 역시 하나의 이차 전지(10)의 양단 전압을 측정하는 것으로 도시되어 있다. 하지만, 배터리에 다수의 이차 전지(10)가 구비될 수 있으며, 이 경우, 전압 측정부(131)는 전체 이차 전지(10)의 양단 전압은 물론이고, 개별 이차 전지(10)의 양단 전압도 측정할 수 있다.
한편, 배터리에는 배터리 단자(+, -)가 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 배터리 단자로 충전 장치(충전기, 상용전원 등)가 연결되는 경우, 이차 전지(10)의 충전이 이루어질 수 있다. 반면, 배터리 단자로 방전 장치(부하)가 연결되는 경우, 이차 전지(10)의 방전이 이루어질 수 있다.
이때, 이차 전지(10)와 배터리 단자(+, -) 사이에는 충방전 경로(P)가 형성되어, 이러한 충방전 경로(P)로 충전 전류 및 방전 전류가 흐를 수 있다. 그리고, 이러한 충방전 경로 상에는, 충방전 스위치(20)가 구비될 수 있다. 이 경우, 제어 유닛(130)의 차단부(132)는, 충방전 스위치(20)를 제어함으로써, 배터리의 충방전을 제어할 수 있다. 즉, 차단부(132)는, 충방전 스위치(20)를 턴온 상태로 유지시킴으로써, 배터리의 충방전 전류가 흐르도록 하여, 배터리가 충전 또는 방전되도록 할 수 있다. 반면, 차단부(132)는, 충방전 스위치(20)를 턴오프시킴으로써, 배터리의 충방전 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다.
특히, 차단부(132)는, 전압 측정부(131)에 의해 측정된 배터리의 충전 또는 방전 전압이 연산 유닛(120)에 의해 연산된 적정 충방전 범위를 벗어날 경우, 충방전 스위치(20)를 턴오프시킬 수 있다.
한편, 도면에서는 충방전 스위치(20)가 하나인 것으로 도시되어 있으나, 이는 일례에 불과할 뿐, 충방전 스위치(20)는 둘 이상으로 구성될 수 있다. 또한, 도면에서는 충방전 스위치(20)가 제어 유닛(130)의 차단부(132)에 포함되지 않는 구성인 것처럼 도시되어 있으나, 충방전 스위치(20)는 차단부(132)의 일 구성요소로 포함될 수 있다. 또한, 충방전 스위치(20)는 종래 배터리의 충방전 경로에 일반적으로 포함되는 스위치일 수도 있고, 본 발명을 위해 별도로 마련된 스위치일 수도 있다.
바람직하게는, 상기 연산 유닛(120)은, 기본 온도에 기반하여 설계된 배터리의 초기 충방전 전압, 및 온도측정 유닛(110)에 의해 측정된 온도와 기본 온도 사이의 차이를 이용하여 적정 충방전 전압을 연산할 수 있다.
즉, 상기 연산 유닛(120)은, 적정 충방전 전압을 연산함에 있어, 초기 충방전 전압을 이용할 수 있다. 여기서, 초기 충방전 전압이란, 배터리의 제조 당시 고려된 기본 온도에 기반하여 설계된 충방전 전압의 기본값 내지 기본 범위라 할 수 있다. 예를 들어, 기본 온도는 25℃가 될 수 있는데, 이 경우, 초기 충방전 전압은, 25℃를 기준으로 그에 맞추어 최적화되도록 설계된 충방전 전압이라 할 수 있다.
또한, 상기 연산 유닛(120)은, 적정 충방전 전압을 연산함에 있어, 온도를 고려할 수 있다. 특히, 상기 연산 유닛(120)은, 온도측정 유닛(110)에 의해 측정된 온도와 기본 온도 사이의 차이를 이용하여 적정 충방전 전압을 연산할 수 있다. 예를 들어, 기본 온도가 25℃이고 현재 온도가 60℃인 경우, 연산 유닛(120)은, 현재 온도와 기본 온도의 차이값인 35℃라는 값을 이용하여, 적정 충방전 전압을 연산할 수 있다.
특히, 상기 연산 유닛(120)은, 적정 충방전 전압으로서 적어도 충방전 전압의 상한값 및/또는 하한값을 연산할 수 있다. 즉, 상기 연산 유닛(120)은, 충방전 전압의 상한값으로서 최대 충전 전압 및 충방전 전압의 하한값으로서 최소 방전 전압을 연산할 수 있다.
구체적으로, 상기 연산 유닛(120)은, 다음의 수학식을 이용하여, 적정 충방전 전압을 연산할 수 있다.
<수학식 1>
V = V0 + (T-T0)×A
여기서, V는 적정 충방전 전압, V0는 초기 충방전 전압, T는 온도측정 유닛(110)에 의해 측정된 현재 온도, T0는 기본 온도를 의미한다. 또한, A는 충방전 계수로서, 배터리의 특성에 따라 적정 충방전 전압이 획득될 수 있도록 설정된 상수라 할 수 있다. 이때, V0, T0, 및 A는 연산 유닛에 미리 저장되어 있을 수 있다.
특히, 리튬 이차 전지가 사용된 배터리에 있어서, 충방전 계수 A는 다음과 같은 범위 내에서 설정될 수 있다.
0.001≤A≤0.01
예를 들어, 충방전 계수 A는, 0.0025로 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 수식은 다음과 같이 변경될 수 있다.
V = V0 + (T-T0)×0.0025
보다 구체적인 실시예로, 25℃를 기준으로 초기 충방전 전압(V0)이 4.40V~3.00V로 설정된 배터리가 있다고 가정한다. 그리고, 이러한 배터리에 대한 충방전 계수 A는 0.0025로 설정되어 있다고 한다. 이러한 배터리에 대하여, 온도측정 유닛(110)이, 배터리의 현재 온도를 45℃로 측정하였다고 하면, 연산 유닛(120)은, 배터리의 적정 충방전 전압을 다음과 같이 계산할 수 있다.
먼저, 연산 유닛(120)은, 적정 충방전 전압의 상한값, 즉 충전 전압의 상한값을 다음과 같이 계산할 수 있다.
V = 4.4 + (45-25)×0.0025 = 4.45
또한, 연산 유닛(120)은, 적정 충방전 전압의 하한값, 즉 방전 전압의 하한값을 다음과 같이 계산할 수 있다.
V = 3.0 + (45-25)×0.0025 = 3.05
따라서, 연산 유닛(120)은, 현재 온도인 45℃에서의 적정 충방전 전압을 4.45V~3.05V로 연산할 수 있다.
그리고, 이와 같이 연산된 정보가 연산 유닛(120)으로부터 제어 유닛(130)으로 전송되면, 제어 유닛(130)은 4.45V보다 높은 전압으로까지 배터리의 충전이 이루어지지 않도록 하고, 3.05V보다 낮은 전압으로까지 배터리의 방전이 이루어지지 않도록 할 수 있다. 즉, 상기 제어 유닛(130)은, 배터리의 충전 과정에서 배터리의 전압이 4.45V에 도달하면 배터리의 충전이 종료되도록 할 수 있다. 또한, 상기 제어 유닛(130)은, 배터리의 방전 과정에서 배터리의 전압이 3.00V에 도달하면 배터리의 방전이 종료되도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연산 유닛(120)은, 이차 전지의 종류에 따라 적정 충방전 전압을 다르게 연산할 수 있다. 특히, 상기 연산 유닛(120)은, 이차 전지에 구비된 양극판 및 음극판 중 적어도 하나의 종류에 따라 적정 충방전 전압을 다르게 연산할 수 있다.
예를 들어, 리튬 이차 전지는, 이차 전지의 양극판에 사용되는 활물질에 따라 LCO(리튬코발트산화물)계, NCM(니켈코발트망간)계, LFP(리튬인산철)계 등으로 구분될 수 있다. 이 경우, 연산 유닛(120)은, 활물질에 따른 각 이차 전지의 종류마다, 동일한 온도 조건에서도 적정 충방전 전압을 다르게 연산할 수 있다.
여기서, 연산 유닛(120)은, LCO계, NCM계, LFP계와 같은 리튬 이차 전지의 종류에 따라 각각 기본 온도에 따른 초기 충방전 전압(V0)이 다르게 적용되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 리튬 이차 전지가 LCO계일 경우의 초기 충방전 전압은 4.4V~3.0V로 설정되고, 리튬 이차 전지가 NCM계일 경우의 초기 충방전 전압은 4.2V~2.5V로 설정되며, 리튬 이차 전지가 LFP계일 경우의 초기 충방전 전압은 3.65V~2.0V로 설정될 수 있다.
또한, 연산 유닛(120)은, LCO계, NCM계, LFP계와 같은 리튬 이차 전지의 종류에 따라 각각 다른 충방전 계수(A)가 적용되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 리튬 이차 전지가 LCO일 경우의 충방전 계수를 AC, 리튬 이차 전지가 NCM일 경우의 충방전 계수를 AN, 리튬 이차 전지가 LFP일 경우의 충방전 계수를 AF라 할 때, 각 충방전 계수는 다음의 범위로 설정될 수 있다.
0.001≤AC≤0.004,
0.0015≤AN≤0.0035,
0.002≤AF≤0.005.
이와 같은 충방전 계수의 범위는, 리튬 이차 전지의 종류에 따라 반복적인 실험을 통해 호적의 범위로서 얻어질 수 있다. 특히, 상기 바람직한 충방전 계수 A의 수치 범위는, 이차 전지에 구비되는 음극판의 재료가 흑연일 때를 기준으로 한 것일 수 있다. 그러나, 음극판이 그 이외의 다른 재료, 이를테면 음극판이 Si 등의 합금 계열이나, 산화물 등의 계열을 주재료로 구성된 경우, 충방전 계수의 각 바람직한 범위는 다르게 설정될 수 있다.
보다 구체적인 실시예로서, AC는 0.0025, AN은 0.0030, AF는 0.0035로 설정될 수 있다. 이 경우, 앞선 실시예에서와 마찬가지로, 25℃를 기준으로 초기 충방전 전압(V0)이 4.40V 내지 3.00V로 설정된 배터리에 대하여, 현재 온도가 45℃라고 하면, 이차 전지의 종류에 따라 적정 충방전 전압 범위는, 다음과 같이 서로 다르게 계산될 수 있다.
먼저, LCO계 이차 전지가 적용된 배터리의 경우, 적정 충방전 전압의 상한값과 하한값은, 연산 유닛에 의해, 다음과 같이 계산될 수 있다.
상한값: V = 4.4 + (45-25)×0.0025 = 4.45
하한값: V = 3.0 + (45-25)×0.0025 = 3.05
따라서, LCO계 배터리의 경우, 적정 충방전 전압은 4.45V~3.05V로 설정될 수 있다.
반면, NCM계 이차 전지가 적용된 배터리의 경우, 적정 충방전 전압의 상한값과 하한값은 다음과 같이 계산될 수 있다.
상한값: V = 4.2 + (45-25)×0.0030 = 4.26
하한값: V = 2.5 + (45-25)×0.0030 = 2.56
따라서, NCM계 배터리의 경우, 적정 충방전 전압은 4.26V~2.56V로 설정될 수 있다.
또한, LFP계 이차 전지가 적용된 배터리의 경우, 적정 충방전 전압의 상한값과 하한값은 다음과 같이 계산될 수 있다.
상한값: V = 3.65 + (45-25)×0.0035 = 3.72
하한값: V = 2.0 + (45-25)×0.0035 = 2.07
따라서, LFP계 배터리의 경우, 적정 충방전 전압은 3.72V~2.07V로 설정될 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 동일한 온도 상황에서도, 배터리의 특성, 특히 배터리에 구비된 이차 전지의 종류에 따라 적정 충방전 전압이 서로 다르게 설정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리의 특성을 반영하여 그에 따라 최적의 조건으로 충방전이 이루어지도록 할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제어 유닛(130)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 메모리부(133)를 더 구비할 수 있다.
상기 메모리부(133)는, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치의 구동에 필요한 각종 데이터를 저장할 수 있다. 여기서, 메모리부(133)에 저장되는 데이터는, 배터리 충방전 전압 조절 장치가 제조되는 시점에 미리 저장된 데이터일 수 있다. 또는, 메모리부(133)에 저장되는 데이터는, 배터리 충방전 전압 조절 장치가 사용되는 과정에서 후발적으로 저장된 데이터일 수 있다.
특히, 상기 제어 유닛(130)은, 메모리부(133)에 최대 전압을 저장할 수 있다. 그리고, 제어 유닛(130)은, 연산 유닛(120)에 의해 제공된 적정 충방전 전압과 메모리부(133)에 저장된 최대 전압을 비교 검토할 수 있다. 만일, 적정 충방전 전압의 상한이 최대 전압을 초과하는 경우, 상기 제어 유닛(130)은 최대 전압에 따라 배터리의 충전을 제어할 수 있다.
예를 들어, 연산 유닛(120)으로부터 제공된 적정 충방전 전압이 4.50V 내지 3.00V이고, 메모리부(133)에 저장된 최대 전압이 4.40V일 경우, 상기 제어 유닛(130)은, 배터리의 충전 시, 적정 충방전 전압의 상한인 4.50V까지 수행하지 않고 최대 전압인 4.40V까지만 수행되도록 할 수 있다.
더욱이, 상기 메모리부(133)는, 이차 전지에 구비된 양극판의 종류에 따라 최대 전압을 다르게 저장할 수 있다. 특히, 상기 메모리부(133)는, 이차 전지의 양극재의 종류에 따라, 최대 전압을 다르게 저장할 수 있다.
예를 들어, 양극이 LCO계 재료로 이루어진 경우, 즉 LCO계 이차 전지인 경우, 메모리부(133)에 저장된 최대 전압은 4.45V일 수 있다. 반면, 양극이 NCM계 재료로 이루어진 경우, Ni 함량(Ni, Co, Mn의 전체 함량 대비 Ni 함량(atom%))에 따라 최대 전압이 달라질 수 있다. 예를 들어, Ni 함량이 60% 이하이면 메모리부(133)에 저장된 최대 전압은 4.35V일 수 있으며, Ni 함량이 60% 초과이면 4.45V일 수 있다. 또한, 양극이 LFP계 재료로 이루어진 경우, 메모리부(133)에 저장된 최대 전압은 3.70V일 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지, 특히 양극재의 종류에 따라 성능과 안전성, 수명 등이 적절하게 담보될 수 있다. 특히, 연산 유닛(120)에 의해 계산되는 적정 충방전 전압과 관계없이 최대 충전 전압이 제한됨으로써, 연산 유닛(120)의 계산 방식이나 고장 여부 등에 영향을 받지 않고, 배터리의 수명 등이 안정적으로 보장될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치는, 배터리에 자체적으로 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리는, 상술한 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리는, 하나 이상의 이차 전지, 상기 배터리 충방전 전압 조절 장치, 전장품(BMS나 릴레이, 퓨즈 등 구비) 및 케이스 등을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 배터리에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치의 연산 유닛(120) 및 제어 유닛(130)은, 배터리 팩에 구비된 BMS(Battery Management System)에 의해 구현될 수 있다. 한편, 여기서의 배터리는, 배터리 모듈이나 배터리 팩을 포함하는 개념일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치는, 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 이러한 배터리 충방전 전압 조절 장치 이외에, 자동차에 통상적으로 구비되는 차체나 전자 장비 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치 이외에도, 배터리, 컨택터, 인버터, 모터, 하나 이상의 ECU 등을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명은 배터리 충방전 전압 조절 장치 이외에 자동차의 다른 구성요소 등에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치는, 모바일 디바이스에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 모바일 디바이스는, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 모바일 디바이스는, 휴대폰이나 스마트폰, 랩탑 컴퓨터 등 다양한 휴대용 기기 등을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치는, 전력 저장 시스템(ESS)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전력 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함할 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 전압 조절 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 4에서, 각 단계의 수행 주체는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 방법은, 온도 측정 단계(S110), 연산 단계(S120) 및 충방전 제어 단계(S130)를 포함한다.
먼저, 상기 온도 측정 단계(S110)에서는, 배터리의 내부 및/또는 외부의 온도가 측정될 수 있다. 그리고, 상기 연산 단계(S120)에서는, 상기 S110 단계에서 측정된 온도에 기초하여 적정 충방전 전압이 연산될 수 있다. 다음으로, 상기 충방전 제어 단계(S130)에서는, 상기 S120 단계에서 연산된 적정 충방전 전압에 따라 배터리의 충방전이 제어될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 충방전 전압 조절 방법은, 상기 S130 단계 이전에, 배터리의 충방전 전압을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 S130 단계에서는, 이와 같이 측정된 충방전 전압이 적정 충방전 전압을 벗어나는지를 판단하여, 벗어난다고 판단된 경우 배터리의 충방전을 차단할 수 있다.
더욱이, 상기 S130 단계는, 배터리의 충방전 경로 상에 구비된 충방전 스위치(20)를 턴오프시켜 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 S120 단계는, 기본 온도에 기반하여 설계된 배터리의 초기 충방전 전압, 및 상기 S110 단계에서 측정된 온도와 기본 온도 사이의 차이를 이용하여 적정 충방전 전압을 연산할 수 있다.
또한, 상기 S120 단계는, 이차 전지에 구비된 양극판 및 음극판 중 적어도 하나의 종류에 따라 적정 충방전 전압을 다르게 연산할 수 있다.
또한, 상기 S130 단계는, 상기 S120 단계에서 연산된 적정 충방전 전압의 상한이 미리 저장된 최대 전압을 초과하는 경우, 적정 충방전 전압의 상한이 아닌 최대 전압에 따라 배터리의 충전을 제어할 수 있다.
여기서, 상기 최대 전압은, 이차 전지에 구비된 양극판의 종류에 따라 다르게 설정되어 미리 저장될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
( 비교예 1 내지 비교예 5)
비교예 1 내지 5의 샘플로서, 동일한 구성 및 형태를 갖는 5개의 파우치형 이차 전지를 제조하였다. 여기서, 각 파우치형 이차 전지는, 로딩이 4mAh/cm2 수준인 LCO 양극과, 흑연 음극을 구비하여, 양극과 음극에 대한 NP ratio는 110 수준이 되도록 하였다. 그리고, 각 이차 전지의 용량은 2.5Ah가 되도록 제조되었다.
이와 같이 제조된 5개의 파우치형 이차 전지에 대하여, 다음과 같이 서로 다른 온도 조건에서, 0.5C의 C-rate로 충방전 사이클을 수행하였다.
비교예 1: 5℃,
비교예 2: 12℃,
비교예 3: 25℃,
비교예 4: 40℃,
비교예 5: 55℃.
이때, 충전은 CC/CV 모드로서 0.025C 컷오프, 방전은 CC 모드로 수행되도록 하였다. 또한, 5개의 비교예 이차 전지의 충방전 전압의 범위는 모두 4.40V 내지 3.00V가 되도록 하였다. 즉, 비교예 1 내지 5의 각 이차 전지에 대하여, 충방전 전압은 모두 동일하게 설정되도록 하였다.
그리고, 각 온도 조건에서 각 이차 전지의 충방전 사이클에 따른 용량 변화를 측정하여 그 결과를 도 5 내지 도 9에 비교예 1 내지 5로서 표시하였다.
( 실시예 1 내지 실시예 5)
실시예 1 내지 5의 샘플로서, 상기 비교예 1 내지 5와 동일한 파우치형 이차 전지를 제조하였다. 그리고, 이러한 실시예 1 내지 5의 파우치형 이차 전지에 대하여, 비교예 1 내지 5의 각 온도 조건과 동일한 온도 조건에서, 비교예와 마찬가지로 0.5C의 C-rate로 충방전 사이클을 수행하였다. 더욱이, 실시예에 대해서도, 비교예와 마찬가지로, 충전은 CC/CV 모드로서 0.025C 컷오프, 방전은 CC 모드로 수행되도록 하였다.
다만, 이러한 실시예의 경우, 충방전 전압의 범위는 비교예와 다른 형태로 수행하였다. 즉, 실시예 1 내지 5의 각 이차 전지에 대해서는, 각 온도마다 적정 충방전 전압의 범위를 다르게 설정하였다.
실시예 1 (5℃): 4.35V 내지 2.95V
실시예 2 (12℃): 4.37V 내지 2.97V
실시예 3 (25℃): 4.40V 내지 3.00V
실시예 4 (40℃): 4.43V 내지 3.03V
실시예 5 (55℃): 4.45V 내지 3.05V
이러한 적정 충방전 전압의 범위는, 상기 수학식 1에 따라 계산되었다.
이때, 기본 온도(T0)는 25℃이고, 초기 충방전 전압(V0)은 비교예와 동일하게 4.40V 내지 3.00V이다. 그리고, 충방전 계수(A)는 약 0.0025로 하였다.
그리고, 각 온도 조건에서 각 이차 전지의 충방전 사이클에 따른 용량 변화를 측정하여 그 결과를 도 5 내지 도 9에 실시예 1 내지 5로서 표시하였다.
도 5 내지 도 9는, 여러 온도 조건마다 충방전 전압의 범위를 다르게 설정한 실시예의 충방전 사이클에 따른 용량 변화량과 여러 온도 조건마다 충방전 전압의 범위를 동일하게 설정한 비교예의 충방전 사이클에 따른 용량 변화량을 비교하여 나타낸 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 5는 5℃에서의 충방전 사이클에 따른 이차 전지의 용량 변화량을 나타내고, 도 6은 12℃에서의 충방전 사이클에 따른 이차 전지의 용량 변화량을 나타낸다. 또한, 도 7은 25℃에서의 충방전 사이클에 따른 이차 전지의 용량 변화량을 나타내고, 도 8은 40℃에서의 충방전 사이클에 따른 이차 전지의 용량 변화량을 나타내며, 도 9는 55℃에서의 충방전 사이클에 따른 이차 전지의 용량 변화량 측정 결과를 나타낸다.
도 5 내지 도 9를 참조하면, 온도 변화에 따라 충방전 전압의 범위를 다르게 설정한 실시예의 경우, 비교예에 비해, 충방전 사이클에 따른 용량 저하가 매우 작다는 것을 알 수 있다.
먼저, 도 7의 측정 결과를 살펴보면, 실시예 3과 비교예 3의 경우, 충방전 사이클에 따른 용량 저하 정도가 거의 비슷하게 측정되었다. 이는, 25℃에서 실시예 3과 비교예 3의 충방전 전압의 범위가 4.40V~3.00V로서 동일하게 설정되어 있기 때문이라고 할 수 있다.
그러나, 도 5, 도 6, 도 8 및 도 9의 측정 결과를 살펴보면, 각 실시예와 비교예의 충방전 사이클에 따른 용량 저하 정도는 서로 다르게 측정되었음을 알 수 있다. 즉, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 4 및 실시예 5는, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 4 및 비교예 5에 비해, 충방전 사이클이 증가함에도 용량 저하 효과가 크게 나타나지 않고 있다.
따라서, 이러한 측정 결과를 바탕으로, 본 발명과 같이, 온도에 따라 적정 충방전 전압을 변경하면, 충방전 사이클에 따른 용량 저하가 쉽게 이루어지지 않도록 하는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의할 경우, 이차 전지가 구비된 배터리의 성능이나 수명 등이 보다 향상될 수 있다.
더욱이, 도 5 및 도 9의 측정 결과를 살펴보면, 충방전 사이클의 횟수가 낮음에도 불구하고, 비교예와 실시예 간 용량 저하 정도가 크게 차이나는 것을 알 수 있다. 즉, 비교예 1의 경우, 실시예 1에 비해, 충방전 사이클이 증가함에 따라 용량이 크게 감소되고 있다. 또한, 비교예 5의 경우, 실시예 5에 비해, 충방전 사이클이 증가함에 따라 용량이 크게 감소되고 있다.
이는, 도 5 및 도 9의 경우, 온도 조건이 5℃ 및 55℃로서, 기본 온도(25℃)에서 많이 벗어나기 때문이라고 볼 수 있다. 즉, 배터리가 구동되는 실제 온도가 배터리의 설계 시 고려된 기본 온도와 차이가 클수록, 용량 저하가 크게 일어날 수 있는데, 본 발명에 의할 경우 이러한 용량 저하가 쉽게 일어나지 않음을 알 수 있다. 그러므로, 배터리 제조 시 고려된 기본 온도와 크게 차이나는 온도 환경 조건에서 배터리가 구동될 경우, 본 발명에 의한 성능이나 수명 등의 보장 효과가 더욱 두드러질 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 명세서에서는, 배터리에 1개의 이차 전지가 포함된 구성을 중심으로 설명되었으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니다. 즉, 배터리에는 다수의 이차 전지가 포함될 수 있으며, 이 경우 이차 전지의 개수에 따라, 적정 충방전 전압이나 초기 충방전 전압 등이 다르게 설정될 수 있음은 물론이다.
이상과 같이, 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.
한편, 본 명세서에서 '온도측정 유닛', '연산 유닛', '제어 유닛', '전압 측정부', '차단부' 등과 같이 '유닛'이나 '부'라는 용어가 사용되었으나, 이는 논리적인 구성 단위를 나타내는 것으로서, 반드시 물리적으로 분리될 수 있거나 물리적으로 분리되어야 하는 구성요소를 나타내는 것은 아니라는 점은 당업자에게 자명하다.
10: 이차 전지
20: 충방전 스위치
110: 온도측정 유닛
120: 연산 유닛
130: 제어 유닛
131: 전압 측정부, 132: 차단부, 133: 메모리부

Claims (11)

  1. 하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리의 충방전 전압을 조절하는 장치에 있어서,
    상기 배터리의 온도를 측정하는 온도측정 유닛;
    상기 온도측정 유닛에 의해 측정된 온도에 기초하여 적정 충방전 전압을 연산하는 연산 유닛; 및
    상기 연산 유닛에 의해 연산된 적정 충방전 전압에 따라 배터리의 충방전을 제어하는 제어 유닛
    을 포함하고,
    상기 연산 유닛은, 상기 적정 충방전 전압으로서 충방전 전압의 상한값 및 하한값을 연산하며,
    상기 연산 유닛은, 12℃ 내지 55℃의 온도 범위에서 상기 측정된 온도가 증가하는 경우, 상기 충방전 전압의 상한값이 높아지도록 연산하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 전압 조절 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 배터리의 충방전 전압을 측정하는 전압 측정부, 및
    상기 전압 측정부에 의해 측정된 충방전 전압이 상기 적정 충방전 전압을 벗어나는 경우 충방전을 차단하는 차단부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 전압 조절 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 차단부는, 상기 배터리의 충방전 경로 상에 구비된 충방전 스위치를 오픈시킴으로써 상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 전압 조절 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연산 유닛은, 기본 온도에 기반하여 설정된 배터리의 초기 충방전 전압, 및 상기 온도측정 유닛에 의해 측정된 온도와 상기 기본 온도 사이의 차이를 이용하여 상기 적정 충방전 전압을 연산하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 전압 조절 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연산 유닛은, 상기 이차 전지에 구비된 양극판 및 음극판 중 적어도 하나의 종류에 따라 적정 충방전 전압을 다르게 연산하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 전압 조절 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 메모리부를 구비하여 상기 메모리부에 최대 전압을 저장하고, 상기 적정 충방전 전압의 상한이 상기 최대 전압을 초과하는 경우, 상기 최대 전압에 따라 상기 배터리의 충전을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 전압 조절 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 메모리부는, 상기 이차 전지에 구비된 양극판의 종류에 따라 상기 최대 전압을 다르게 저장하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 전압 조절 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함하는 배터리.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함하는 자동차.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 충방전 전압 조절 장치를 포함하는 모바일 디바이스.
  11. 하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리의 충방전 전압을 조절하는 방법에 있어서,
    상기 배터리의 온도가 측정되는 단계;
    상기 온도측정 단계에서 측정된 온도에 기초하여 적정 충방전 전압이 연산되는 단계; 및
    상기 연산 단계에서 연산된 적정 충방전 전압에 따라 배터리의 충방전이 제어되는 단계
    를 포함하고,
    상기 연산 단계는, 상기 적정 충방전 전압으로서 충방전 전압의 상한값 및 하한값이 연산되며,
    상기 연산 단계는, 12℃ 내지 55℃의 온도 범위에서 상기 측정된 온도가 증가하는 경우, 상기 충방전 전압의 상한값이 높아지도록 연산되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 전압 조절 방법.
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