KR102561894B1

KR102561894B1 - 펄스 전압 충전 방식을 포함하는 전기자동차 배터리 급속 충전 방법

Info

Publication number: KR102561894B1
Application number: KR1020220157404A
Authority: KR
Inventors: 권재원; 임한준; 부우충기엔
Original assignee: 주식회사 미림씨스콘
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2023-08-02

Abstract

본 발명은 전기자동차 배터리 급속 충전 기술에 관한 것으로서, 충전 단계에 따라 충전하는 전력의 전압, 전류, 주파수를 펄스 변조를 이용함으로써 빠른 시간 내에 안전하게 충전을 수행하면서도 배터리의 수명을 단축시키는 열화 과정을 방지할 수 있는 배터리 급속 충전하는 방법에 관한 것이다.

Description

펄스 전압 충전 방식을 포함하는 전기자동차 배터리 급속 충전 방법 {FAST CHARGING METHOD OF ELECTRIC VEHICLE BATTERY INCLUDING PULSE VOLTAGE CHARGING METHOD}

본 발명은 전기자동차 배터리 급속 충전 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 충전 단계에 따라 충전하는 전력의 전압, 전류, 주파수를 펄스 변조를 이용함으로써 빠른 시간 내에 안전하고 배터리의 수명을 단축시키는 열화 과정을 방지할 수 있는 배터리 급속 충전하는 방법을 제공하는 것이다.

최근 대기오염 및 기후변화 문제와 더불어 전기자동차의 보급이 확대되고 있다. 전기자동차의 보급 활성화를 위해서는 전기자동차의 충전장치 인프라 구축 또한 매우 중요하며, 이러한 충전 기술에 대한 연구 개발 역시 활발히 진행되고 있는 상황이다.

전기자동차 충전인프라는 현재 급속 충전기와 완속 충전기로 크게 나눌 수 있다. 완속 충전기는 보통 전기자동차에 탑재된 2∼7kW급의 온보드(on-board) 타입으로 일반 가정용 220V 전원을 사용하여 차량을 충전하며, 충전시간은 보통 5∼10시간 수준으로 낮에 사용을 완료하고 방전된 경우에는 보통 밤새도록(overnight) 충전을 해야 하는 경우가 많다.

반면에, 급속 충전기는 30분 이내의 신속 충전을 목적으로 하며, 신속한 충전이 가능하므로 현재의 휘발유 자동차의 주유소와 같은 역할을 수행할 것으로 기대되며, 주로 시내 중심가나 차량 통행이 많은 외곽에 설치됨으로써 전기자동차 보급의 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

종래에는 전기자동차 배터리의 낮은 용량감소, 긴 수명에 초점을 둔 정전류-정전압(CC-CV, constant current-constant voltage charging) 충전 방식이 사용되었다.

상기 정전류-정전압 충전 방식은 정전류로 미리 설정한 최대전압 (예: 코발트계 LiCoO2 배터리의 경우, 셀 기준 약 3.9~4.2V)에 도달한 후 미리 설정한 낮은 전류 (예: 1,000mAh 배터리 기준 10mA)에 도달할 때까지 정전압 충전을 유지하는 방식인데, 이러한 방식은 충전 속도가 너무 느린 단점이 있다.

상기 정전류-정전압 충전 방식의 단점을 개선하기 위하여, 초기 충전 단계에서 부스트(Boost) 정전압을 일정 기간 걸어주어 충전 시간을 단축시키는 초기 정전압 부스트 충전 방식(constant voltage boost charging)을 사용하거나, 충전의 마지막 부분에서 정전압 대신 펄스를 가해주는 정전류-정전압 펄스 충전 방식(constant current-constant voltage pulse charging) 등이 개발되었다.

하지만, 이러한 종래의 전기자동차 충전 방식은 충전이 진행됨에 따라 배터리의 내부 저항이 증가하는 문제를 충분히 고려하지 못하여, 여전히 충전 속도가 느려지는 개선점이 있으며, 배터리 열화가 가속되어 부반응으로 리튬이 흑연의 표면에 전착(electroplating)되는 플레이팅 현상이나, 금속 리튬이 나뭇가지 모양으로 자라나는 덴드라이트(dendrite) 현상으로 합선이 되는 등의 안전성에 문제가 제기되고 있다.

즉, 상기와 같이 정전압이나 정전류에 기반한 종래의 기술로는, 전기자동차 배터리를 빠른 시간 내에 열화 없이 안전하게 충분한 수준(예: 30분 내에 SOC 90% 이상 수준)까지 충전하는 데에는 어려움이 있어 왔다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 전기자동차 배터리를 빠른 시간 내에 충분한 수준으로 안전하고 수명 열화 없이 충전하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시형태로서, 본 발명은 전기자동차 배터리의 급속 충전 방법에 있어서, (a)배터리 잔존용량(State of Charge, SOC)이 5% 이하일 때, 배터리 충전 전류를 임계전류(I_Threshold) 이하로 유지하여 충전하는 제1 정전류 충전 단계; (b)배터리 잔존용량이 5~75% 사이일 때, 배터리 충전 전류를 임계전류(I_Threshold) 내지 최대전류(I_Max)로 유지하여 충전하는 제2 정전류 충전 단계; (d)배터리 잔존용량이 75% 이상일 때, 배터리 충전 전압을 정격충전전압(V_Rated) 내지 최대전압(V_Max) 사이의 펄스 전압을 인가하여 충전하는 펄스 전압 충전 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계의 제2 정전류 충전 단계를 세분화 할 수 있는데, 그러한 세분화된 충전 단계는 (c)배터리 잔존용량이 60~75%인 구간에서는 배터리 충전 전압을 최대임계전압(VThreshold_Max) 내지 정격충전전압(VRated)으로 유지하여 충전하는 정전압 충전 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계의 펄스 전압 충전 단계에서 펄스 전압 주기가 가변주기(T_pulse)일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 (a) 내지 (d) 단계의 충전 시간의 비가 (a)+(b)+(c) : (d) = 3:1~8:1 범위일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 본 발명은 임계전류(I_Threshold)가 0.15C~0.35C 사이의 일정 값일 수 있다. (여기서 1C는 정전류로 충전할 경우, SOC 0%로 완전 방전된 배터리를 1시간에 SOC 100%로 완전 충전할 수 있는 이론적인 정격 전류 단위이다 따라서 0.35C는 정격 전류의 35% 이다)

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 본 발명은 최대전류(I_Max)가 1C~4C 사이의 일정 값일 수 있다. (여기서 1C는 100% 정격 전류 단위이다)

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 본 발명은 최소임계전압(V_{Threshold_Max}) 이 2.0~2.5V일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 본 발명은 정격충전전압(V_Rated)이 3.4~4.2V일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 본 발명은 최대임계전압(V_{Threshold_Max}) 이 정격충전전압(V_Rated)의 80~95% 수준의 값일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 본 발명은 최대전압(V_Max)이 정격충전전압(V_Rated)의 1.5~4배 사이의 값일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계는 전압을 가변하여 인가할 수 있고, 펄스 전압 가변 주기(T_pulse)가 0.015초(15ms) 내지 10초(10s)일 수 있다.

본 발명이 종래 기술과 대비하여 차별화되는 점은 펄스를 이용하여 증폭된 최대전압(정격충전전압의 1.5~4배)과 최대전류(1C~4C)를 사용하여 잔존용량(SOC)이 75% 이상인 영역에서의 충전속도를 극대화한다는 점이다. 이러한 방법으로 기존의 방법(최대전압을 정격충전전압의 1~2배 수준 사용하는 정전압 혹은 가변이 아닌 정압 펄스 사용) 대비하여 잔존용량(SOC)이 75% 이상인 영역에서 2~4배의 속도향상을 이룰 수 있으며, 이는 도심지역이나 고속도로 휴게소 등에서 요구하는 90% 수준까지 30분 내 충전하는 목표를 달성할 수 있는데 핵심적인 성능이라고 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 펄스의 전압과 주기를 모두 가변적으로 사용하여 배터리의 지나친 열화나 가열로 인한 안정성 저하를 방지하면서도 빠른 충전시간을 달성할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 전기자동차 배터리 급속 충전 방법에 따라 충전을 한 경우, 충전 속도의 향상과 함께 배터리의 수명 열화를 방지할 수 있는 효과를 달성할 수 있는 동시에 충전시간도 일반적인 충전방식에 비하여 30~50% 정도 단축할 수 있는 장점이 있다.

즉, 본 발명에서 제시된 가변주기의 펄스 전압 충전단계를 적용하면 배터리 셀 용량 기준으로 1.5 내지 4배의 전압을 펄스전압으로 인가하였을 때, 30~50% 정도의 충전시간을 단축할 수 있다.

또한, 본 발명은 (a) 내지 (d) 단계의 충전단계를 거치면 배터리의 SOC를 90% 이상으로 충전할 수 있다.

이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 종래의 정전류-정전압(CC-CV, constant current-constant voltage charging) 충전 방식의 예를 나타낸 그래프이다.
도 2는 종래의 초기 정전압 부스트 충전 방식(constant voltage boost charging)의 예를 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래의 정전류-정전압 펄스 충전 방식(constant current-constant voltage pulse charging)의 예를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 전기자동차 배터리의 충전을 제어하는 알고리즘 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5의 (A)는 본 발명의 전기자동차 배터리의 충전 과정의 각 단계에 해당하는 전압, 전류, 충전 상태(SOC, Stage of Charge)의 시간에 따른 변화를 나타낸 도면이다.
도 5의 (B)는 본 발명의 전기자동차 배터리의 충전 과정의 각 단계에 해당하는 전압의 시간에 따른 변화를 나타낸 도면이다.
도 5의 (C)는 본 발명의 전기자동차 배터리의 충전 과정의 각 단계에 해당하는 전류의 시간에 따른 변화를 나타낸 도면이다.
도 5의 (D)는 본 발명의 전기자동차 배터리의 충전 과정의 각 단계에 해당하는 충전 상태(SOC, Stage of Charge)의 시간에 따른 변화를 나타낸 도면이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명은 전기자동차 배터리 충전 기술에 관한 것으로서, 충전 효율을 향상시킬 수 있으면서 배터리의 열화를 방지할 수 있는 전기자동차 배터리 충전 방법을 제공하고자 한다.

보다 상세히 설명하자면, 본 발명은 충전 상태(State of Charge, SOC)에 따라 민감하게 변화하는 배터리의 내부 저항과 그로 인한 과전압 (overpotential) 및 리튬 이온의 완화시간(relaxation time) 등을 고려하여 충전전압 및 전류를 제어하고, 충전전압을 주기적으로 변화시키는 펄스 전압 충전 단계를 포함시킴으로써 효율적인 전기자동차 배터리 충전 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 정전류-정전압(CC-CV, constant current-constant voltage charging) 충전 방식의 예를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 종래에는 전기차 배터리를 충전하는 방식으로서 리튬 2차전지의 낮은 용량 감소, 긴 수명에 초점을 두고 정전류-정전압 충전 방식을 사용하였다.

정전류-정전압 충전은 정전류로 미리 설정한 최대전압(예, 배터리 셀 기준 약 4V)에 도달한 후 미리 설정한 낮은 전류(예, 1,000mAh 배터리 기준 10mA)에 도달할 때까지 정전압 충전을 유지한다.

한편, 이러한 방식은 충전 속도가 너무 느리다는 문제점이 있다.

이러한 단점을 개선하기 위하여, 충전 시간을 단축하기 위해 초기 충전 단계에서 부스트(Boost) 정전압을 일정 기간 걸어주는 방식 또는 충전의 마지막 부분에서 정전압 대신 펄스를 가해주는 방식 등이 개발되었다.

도 2는 종래의 초기 정전압 부스트 충전 방식(constant voltage boost charging)의 예를 나타낸 그래프이다. 초기 정전압 부스트 충전 방식은 초기 충전 단계에서 부스트(Boost) 정전압을 일정 기간 걸어주어 충전 시간을 단축시키는 방식이다.

도 3은 종래의 정전류-정전압 펄스 충전 방식(constant current-constant voltage pulse charging)의 예를 나타낸 그래프이다. 정전류-정전압 펄스 충전 방식은 충전의 마지막 부분에서 정전압 대신 펄스를 가해주는 방식이다.

하지만, 이러한 종래의 전기차 충전 방식은 충전이 진행됨에 따라 배터리의 내부 저항이 증가하는 문제를 충분히 고려하지 못하여 여전히 충전 속도가 느려서 미흡하고, 배터리 열화 현상을 가속화하여 부반응으로 리튬이 흑연의 표면에 전착(Electroplating)되는 플레이팅 현상 또는 금속 리튬이 나뭇가지 모양으로 자라나는 덴드라이트(dendrite) 현상으로 인해 합선이 되는 등의 안전성에 문제가 있다.

즉, 종래의 기술은 전기자동차 배터리를 빠른 시간 내에 열화없이 안전하게 충분한 수준(예를 들면, 30분 내에 SOC 90% 수준)까지 충전하는데 어려움이 있다.

본 발명은 상기에서 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 전기차 배터리를 빠른 시간 내에 충분한 수준으로 안전하고 수명 열화 없이 충전하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 충전 상태에 따라 민감하게 변화하는, 배터리의 내부 저항과 그로 인한 과전압(overpotential), 리튬 이온의 완화시간(relaxation time) 등을 고려하여, 충전전압 및 전류를 제어하고, 충전전압을 주기적으로 변화시키는 펄스 전압 충전 단계를 포함시킴으로써 효과적으로 전기자동차 배터리를 충전하는 방법을 제공하고자 한다.

도 4는 본 발명의 전기자동차 배터리의 충전을 제어하는 알고리즘 흐름을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 전기자동차 배터리의 충전방법에는 제1 정전류 충전 단계; 제2 정전류 충전 단계; 정전압 충전 단계; 및 펄스 전압 충전 단계를 포함할 수 있다.

우선, 도 4를 이용하여 본 발명의 전기자동차 배터리의 충전을 제어하는 알고리즘 흐름을 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 전기자동차 배터리의 충전을 제어하는 알고리즘에서는 충전 대상 전기자동차 배터리의 전압(V_BAT), 전류(I_BAT) 및 온도(T_BAT)를 감지한 후 잔존 용량(SOC, Stage of Charge)를 계산할 수 있는데, 상기 배터리의 온도(T_BAT)가 작업자가 설정한 온도 임계값(T_{BAT, MAX}) 보다 높을 경우, 상기 배터리의 온도(T_BAT)가 상기 임계값(T_{BAT, MAX})보다 낮아질 때까지 대기 모드(halt mode)를 유지하도록 한다.

상기 온도 임계값(T_{BAT, MAX})은 40~70°C 범위에서 설정될 수 있는데, 온도 임계값(T_{BAT, MAX})이 40°C 미만으로 설정될 경우에는 배터리를 충분히 충전하기 위한 전압 및 전류를 공급하는 것에 어려움이 있을 수 있으며, 70°C 초과로 설정될 경우에는 배터리가 과열되어 수명이 단축될 수 있는 문제가 발생할 수 있다.

상기 배터리의 온도(T_BAT)가 상기 설정된 임계값(T_BAT,MAX)보다 낮아지게 되면, 상기 배터리의 전압(V_BAT)이 배터리의 정격충전전압(V_Rated)의 90% 이상인지 여부를 판단할 수 있는데, 90% 이상일 경우에 대기 모드(halt mode)로 전환될 수 있으며, 상기 대기 모드(halt mode)는 배터리의 완전한 방전을 기다리는 단계로 이는 배터리의 수명을 연장시킬 수 있는 역할을 할 수 있다.

여기에서 배터리의 정격충전전압(V_Rated)은 배터리 충전 시 안전한 충전을 유지할 수 있는 배터리를 충전하기 위한 권고 전압으로 정의될 수 있으며, 정격 충전전압(V_Rated)이 너무 낮은 경우에는 충전이 제대로 되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 너무 높은 경우에는 배터리 셀의 전해질이 분해되는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 값은 배터리 셀의 조성과 종류에 따라 달라지며 코발트 계열의 LiCoO2 셀의 경우 4.0~4.2V 정도의 값이 적당하다.

본 발명에서는 상기 배터리의 전압(V_BAT)이 배터리의 정격 충전전압(V_Rated)의 90% 미만으로 낮아지면 충전을 진행할 수 있는데, 충전 단계는 배터리의 잔존용량(SOC)에 따라 정해지며, 배터리의 잔존용량(SOC)이 75% 이하일 때는 정전류 단계(constant current mode, CC mode)를 진행할 수 있는데, 상기 정전류 단계는 상황에 따라 (a) 제 1 정전류 단계 및 (b) 제 2 정전류 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 정전류 단계는 느린 정전류 단계(slow constant current mode, slow CC mode)라고 할 수 있으며, 배터리의 전압(V_BAT)이 배터리 최소임계 전압(V_{Threshold_Min})보다 낮게 유지되며, 배터리의 잔존용량(SOC)이 5% 이하일 때 진행될 수 있다.

상기 제2 정전류 단계는 고속 정전류 단계(fast constant current mode, slow CC mode)라고 할 수 있으며, 상기 배터리의 전압(V_BAT)이 상기 배터리 최소임계전압(V_{Threshold_Min})보다는 높지만 상기 정격충전전압(V_Rated)의 90% 미만이며 배터리의 잔존용량(SOC)이 70%일 경우에는 상기 제 2정전류 단계로 전환될 수 있다.

상기 제2 정전류 단계에서 배터리의 전압(V_BAT)은 배터리 최대임계 전압(V_{Threshold_Max})보다 낮게 유지되며, 배터리의 잔존용량(SOC)이 5% 이하일 경우에는 제1 정전류 단계로 전환될 수 있다.

상기 제2 정전류 단계에서는 배터리의 전압(V_BAT)을 정격 전압(V_Rated)보다 낮게 유지함으로써, 배터리의 열화를 충분히 방지하여 수명감소를 방지할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.

이 때, 상기 제1 정전류 충전 단계에서는 배터리 전류를 0.15~0.35C로 공급할 수 있다.

상기 제2 정전류 충전 단계에서는 배터리 전류를 1C~4C로 공급하여 배터리 충전을 진행될 수 있으며, 배터리를 빨리 충전하도자 할수록 충전기를 통해 흐르는 전류가 증가하게 된다.

상기 제2 정전류 충전 단계를 거친 이후에 배터리의 전압(V_BAT)이 정격 충전전압(V_Rated)의 90%에 도달하고 배터리의 잔존용량(SOC)이 약 70%가 되면, 상기 배터리 전압은 정격충전전압(V_Rated)을 유지하면서 점차적으로 충전 전류가 감소되는 과정인 정전압 충전 단계(CV mode)를 진행한다.

상기 정전압 단계에서는 배터리의 전압을 더 이상 변경하지 않기 때문에, 점차적으로 충전 전류가 감소하게 되는데, 이때 정전압은 3.4~4.2V의 범위를 인가하여 배터리의 전압이 정격충전전압(V_Rated)과 비슷해질 때까지 충전한다.

상기 정전압 충전 단계 이후에는 배터리의 전압(V_BAT)이 정격 전압(V_Rated)의 100%에 거의 도달하고 배터리의 잔존용량(SOC)이 80% 이상이 되면 배터리가 완충될 수 있도록 도와주는 모드인 펄스 전압 충전 단계(pulsed voltage (PV) mode)를 진행한다.

일반적으로, 종래에는 50kW 이상 용량의 전기자동차 충전기로 쾌속 충전을 할 경우에는 배터리의 잔존용량(SOC)이 60~70%까지는 30분~40분만에 충전이 되는데 반해서, 완전 충전까지는 보통 1.5~2시간이 걸리게 된다. 이는 충전이 진행됨에 따라 전극의 전도도 감소에 따라 과전압이 증가하기 때문이다.

본 발명의 방법을 활용하면 상기 종래 기술의 문제점을 해결하여 완전 방전에서 완전 충전까지 30~50% 정도 충전 속도를 개선할 수 있다.

구체적으로 상기 펄스 전압 충전 단계에서는 정격충전전압(V_Rated) 내지 충전최대전압(V_MAX) 사이에서 펄스 전압을 가변시킬 수 있다.

펄스 전압 가변 주기(T_pulse)는 상기 펄스 전압 충전 단계에서 전압을 가변하는 주기이다. 또한, 상기 펄스 전압 충전 단계에서의 펄스 전압 가변 주기(T_pulse)는 0.015(15ms)~10초로 한다. 본 발명의 상기 (a) 내지 (d) 단계 전체 충전 시간은 약 30~60분이며, 충전 시간의 비 즉, (a)+(b)+(c) : (d)은 3:1~8:1 범위를 갖는다.

따라서, 본 발명에서는 상기 펄스 전압 충전 단계를 거치지 않았을 때보다 30~50% 정도의 시간 단축이 가능하다.

이후, 충전기와 배터리 간에 접속이 끊길 때까지는 정전압 모드에서 대기 모드(Halt Mode)로 유지된다.

도 5의 (A)는 본 발명의 일 실시 예에서의 시간에 따른 전압, 전류, 충전 상태(SOC, Stage of Charge)의 변화를 나타낸 것으로, 구체적으로 제1 정전류 충전 단계; 제2 정전류 충전 단계; 정전압 충전 단계; 및 펄스 전압 충전 단계를 포함하여 충전이 진행되며, 펄스 전압 충전 단계 이후에는 정전압에서 대기 상태로 유지되는 상기 도 4의 본 발명의 일 실시예인 알고리즘 흐름을 통해 전압, 전류 및 충전 상태(SOC, Stage of Charge)의 시간에 따른 변화를 나타낸 것이다.

도 5의 (A)를 참조하면, 본 발명의 상기 (a) 내지 (d) 단계 전체 충전 시간은 약 30~60분이며, 본 발명의 전기자동차 배터리 충전 방법에 의하면 (a)제1 정전류 충전 단계에서의 충전 시간은 5분(min) 이하이고, (b)제2 정전류 충전 단계의 충전 시간은 10~15분(min)이며, (c)정전압 단계에서의 충전 시간은 약 5분(min)이고, (d)펄스 충전 단계에서의 충전 시간은 10~15분(min)이다.

한편, 상기에서도 설명하였듯이 (d) 펄스 전압 충전 단계에서의 전압을 가변하는 주기는 펄스 전압 가변 주기(T_pulse)라고 하며, 펄스 전압 가변 주기(T_pulse)는 0.015초(15ms)~10초로 한다.

도 5의 (A)에 포함되는 각 충전 단계에 따른 전압, 전류, 충전 상태에 따른 변화를 각각 (B), (C), 및 (D)로 나누어 이하에서 상세하게 설명한다.

먼저 도 5의 (B)을 참조하면, 각 충전 단계에 따른 배터리의 전압 상태의 변화를 나타낸 것이다.

제1 정전류 충전단계에서의 배터리의 전압(V_BAT)은 배터리 최소임계 전압(V_{Threshold_Min})보다 낮게 유지된다. 이 때, 상기 배터리 최소임계 전압(V_{Threshold_Min})은 2V~2.5V의 범위에서 설정될 수 있다. 코발트계(LiCoO2)나 니켈계(LiNiO2) 배터리의 경우 2.5V 정도가 적당하며, 인산철계(LiFePO4)의 경우 2.0V 정도가 적당하다. 최적 값은 배터리 셀의 종류와 조성에 따라 변할 수 있다.

제1 정전류 충전단계에서는 충전시간이 0 일 때, 배터리의 전압(V_BAT)은 0V이며, 점자 증가하여 배터리 최소임계전압(V_{Threshold_Min})까지 증가한다.

한편, 제1 정전류 충전단계에서 배터리의 전압(V_BAT)이 최소임계전압(V_{Threshold_Min})에 도달하게 되면, 제2 정전류 충전단계를 진행한다.

제2 정전류 충전단계에서는 충전시간에 따라 배터리의 전압(V_BAT)이 상기 배터리 최소임계전압(V_{Threshold_Min})의 최소값에서부터 점차 증가한다.

한편, 제2 정전류 충전단계에서는 배터리의 전압이 점차 증가하여 최대 정격충전전압(V_Rated)의 90% 미만이며, 정격 충전전압의 90% 수준인 배터리 최대임계전압(V_{Threshold_Max})과 동일하게 될 때까지 진행된다.

정전압 충전단계에서는 배터리의 전압(V_BAT)이 정격충전전압(V_Rated)의 90%에 도달하고, 상기 배터리 전압은 정격충전전압(V_Rated)을 유지하게 된다.

펄스 전압 충전 단계에서는 정격충전전압(V_Rated) 내지 충전 최대전압(V_MAX) 사이에서 펄스 전압을 가변시킴으로써, 충전 최대전압(V_MAX)과 정격충전전압(V_Rated)의 차이, 즉 펄스의 높이값은 정격충전전압(V_Rated)의 1.5~4배 범위에서 설정될 수 있고, 펄스의 주기도 가변될 수 있다. 이때, 펄스 전압 가변 주기(T_pulse)는 0.015(15ms)~10초 사이로 설정될 수 있다.

이후, 정전압에서 대기상태로 유지되는 단계에서는 상기 배터리의 전압(V_BAT)이 유지되는 것을 볼 수 있다.

도 5의 (C)는 각 충전 단계에서 따른 배터리의 전류 상태의 변화를 나타낸 것이다.

제1 정전류 충전단계에서의 배터리의 전류 0.35C 이하로 공급할 수 있는데, 이 단계에서의 배터리 전류의 상태는 0.15C~0.35C 인 것을 확인할 수 있다.

제2 정전류 충전단계에서의 배터리의 전류는 1C~4C으로 공급하여 배터리 충전을 진행될 수 있으며, 이 때, 배터리의 전류는 최대 4.0C를 넘지 않도록 함으로써, 일정하게 유지되도록 한다. 그 이유는 배터리의 전류가 4C를 초과할 경우, 발열 문제나 과전류로 인한 배터리 손상 등의 문제점이 유발될 수 있다.

이후, 정전압 단계부터는 점차적으로 충전 전류를 감소시키는데, 이로써 배터리의 전류가 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 5의 (C)는 각 충전 단계에서 따른 배터리의 충전 상태(SOC, Stage of Charge)의 변화를 나타낸 것이다.

제1 정전류 충전단계에서는 배터리의 잔존용량이(SOC)이 0 내지 5% 인 것을 확인할 수 있다.

제2 정전류 충전단계에서는 배터리의 잔존용량(SOC)이 5%~77%인 것을 확인할 수 있다.

정전압 단계에서는 배터리의 잔존용량이(SOC)이 70%~80%인 것을 확인할 수 있다.

마지막, 펄스 전압 충전 단계에서 배터리의 충전 상태가 80% 이상에서부터 시작하여 충전 시간이 소요될수록 펄스를 가하는 주기에 따라 충전 상태가 증가하여 완충된 100%의 상태로 되는 것을 확인할 수 있다.

상기 충전 초기 단계는 전극물질의 전도도가 비교적 높고, 리튬 이온의 이동도가 높아서 완화시간(relaxation time)이 많이 필요하지 않은 반면, 충전 말기 단계에서는 전극물질의 전도도가 낮고, 리튬 이온의 이동도가 낮아서 완화시간이 많이 필요한 것을 고려하여 단계적 혹은 점차적으로 펄스의 전압, 전류, 주파수를 조정하였다.

또한 같은 이유로, 충전 초기 단계에서는 리튬의 완화시간이 오래 소요되지 않으므로 과전압이 크게 걸리지 않고 이로 인한 부반응이 발생할 가능성이 적으므로, 전류를 높게 제공 한다.

반면, 충전 말기 단계인 (c)~(d)에서는 낮은 전류를 공급하고 단계 중간에 전력 공급을 중단하고 쉬는 시간을 넣어 주거나, 또는 펄스로 전력 공급을 하도록 단계적 혹은 점진적으로 제어한다.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 실시예에서 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

전기차 배터리의 코발트-니켈계 셀 기준으로, 용량이 50 Ah인 배터리의 잔존용량, 배터리의 온도(T_BAT), 전압(V_BAT)을 측정하였더니, 잔존용량 4%, 배터리의 온도(T_BAT) 25℃, 전압(V_BAT) 2.6V 이었다.

위와 같이 SOC가 확인된 배터리를 느린 정전류 단계에서 임계전류(I_Threshold)를 0.3C=15A로 설정하여 SOC가 5%에 도달할 때까지 2분(min) 동안 충전하였다. 그 후 빠른 정전류 단계에서 최대전류(I_Max)를 3C=150A로 설정하여 SOC가 75%에 도달할 때까지 14분(min) 동안 충전하였다.

그런 다음 정전압 단계에서 정격충전전압(V_Rated)으로서 4.1V를 인가하여 SOC가 80%에 도달할 때까지 4분(min) 동안 충전하였다.

SOC가 80%에 도달한 이후에는 정격충전전압(V_Rated) 내지 최대전압(V_MAX) 사이에서 전압을 가변시키며 펄스 전압을 인가시켰는데, 이 경우 펄스의 전압이 정격충전전압(V_Rated)의 3.5배 (V_MAX=3.5V_Rated=14.35V)에서 시작하여 15분 후 정격충전전압(V_Rated)이 되도록 점점 감소하게 설정하며 (기울기=-0.683V/분), 펄스의 주기는 0.1~10ms로 제어하여 15분(min) 동안 인가시켜 SOC 100%까지 충전하였다.

<실시예 2>

상기 실시예1과 동일한 방법으로 실시하되 마지막 단계의 펄스만 변화하여, 인가시키는 펄스전압을 정격충전전압(V_Rated)의 2배로 고정하고, 펄스 주기를 15ms 에서 시작하여 15분 후 10초가 되도록 점진적으로 증가시키는 펄스 전압을 10~20분간 인가시켜 SOC 100%까지 충전하였다.

상기 실시예 1 및 2의 경우 모두 일반적인 다른 충전법에 비하여 SOC 100% 도달할 때까지의 충전시간이 30% 이상 단축되었음을 확인하였다.

Claims

충전 대상 전기자동차 배터리의 전압, 전류 및 온도를 감지한 후 잔존 용량을 계산하는 단계;
(a)배터리 잔존용량이 5% 이하일 때, 배터리 충전 전류를 임계전류(I_Threshold) 이하로 유지하여 충전하는 제1 정전류 충전 단계;
(b)배터리 잔존용량이 5~60% 사이일 때, 배터리 충전 전류를 임계전류(I_Threshold) 내지 최대전류(I_Max)로 유지하여 충전하는 제2 정전류 충전 단계;
(c)배터리 잔존용량이 60~75% 사이일 때, 배터리 충전 전압을 최대임계전압(V_{Threshold_Max}) 내지 정격충전전압(V_Rated)으로 유지하여 충전하는 정전압 충전 단계;
(d)배터리 잔존용량이 75% 이상일 때, 배터리 충전 전압을 정격충전전압(V_Rated) 내지 최대전압(V_Max) 사이의 펄스 전압을 인가하여 충전하는 펄스 전압 충전 단계를 포함하는 전기자동차 배터리 급속 충전 방법
삭제
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계의 펄스 전압 충전 단계에서 펄스 전압 주기가 가변주기(T_pulse) 또는 가변 전압인 전기자동차 배터리 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 내지 (d) 단계의 충전 시간의 비는
(a)+(b)+(c) : (d) = 3:1~8:1인 전기자동차 배터리 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 임계전류(I_Threshold)는 0.15C~0.35C인 전기자동차 배터리 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 최대전류(I_Max)는 1.0C~4.0C ±0.05A인 전기자동차 배터리 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 최대임계전압(V_{Threshold_Max})은 정격충전전압(V_Rated)의 90% ±0.1V인 전기자동차 배터리 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 정격충전전압(V_Rated)은 3.4V~4.2V인 전기자동차 배터리 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 최대전압(V_Max)은 정격충전전압(V_Rated)의 1.5~4배 사이의 값인 전기자동차 배터리 급속 충전 방법.
제1항에 있어서,
상기 (d) 펄스 전압 충전 단계는 전압을 가변하여 인가할 수 있고, 펄스 전압 가변 주기(T_pulse)는 0.015초(15ms) 내지 10초인 전기자동차 배터리 급속 충전 방법.