KR20160008210A - 온도에 따라서 차량 배터리를 충전하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량 배터리의 충전 방법에 관한 것으로서, 이것은 셀의 전해질 저항 주파수를 판단하는 단계;배터리의 전하 이동 저항 주파수를 판단하는 단계; 및, 배터리 전해질 저항 주파수보다 높고 배터리 전하 이동 저항 주파수보다 낮은 충전 전류 주파수를 가진 전류로써 배터리를 충전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

온도에 따라서 차량 배터리를 충전하는 방법 및 시스템{Method And System For Charging A Motor Vehicle Battery According to Temperature}
본 발명의 기술 분야는 차량 배터리의 충전 제어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온에서의 배터리 충전에 관한 것이다.
배터리의 성능(전력, 에너지, 지속 기간)은 작동 온도에 매우 민감하다. 저온에서, 배터리는 적은 전력을 가지고, 낮은 에너지를 전달하며, 충전중에 열화(degradation)를 겪는 반면에, 고온에서 배터리는 전력 및 에너지와 관련하여 최적의 성능을 가진다.
다음의 문헌은 종래 기술에 공지된 것이다.
일본 특허 출원 JP 2001037093A 은 수 mV 의 진폭을 가지고 103 Hz 내지 수백 Hz 사이에서의 주파수로 진동하는 충전 전류의 사용을 개시한다.
상기 개시된 내용은 1 kHz 의 특정된 주파수가 너무 높은 한에 있어서는 리튬 이온 배터리에 적용될 수 없다. 사실상, 이러한 주파수는 임피던스 스펙트럼(impedance spectrum)의 유도 부분(inductive part)에 대응하거나, 또는 금속 부분(즉, 전류 집전체) 및 전자 도전성 화합물(즉, 도전성 카본)의 임피던스에 해당한다. 더욱이, 상기 특허 출원은 수 mV 정도의 전압 진동을 가지는 일정한 전압에서의 향상을 개시하는데, 이는 셀(cell)의 저장 성능을 향상시킨다.
미국 특허 US 7,227,336 B1 은 확산 계수로부터 배터리의 충전 주파수를 결정한다.
프랑스 특허 FR2943188, FR2964510 및 FR2974253 는 배터리 충전 전류의 변조(modulation)를 개시한다. 그러나, 상기 문헌들은 주파수 선택에서의 온도 효과와 관련된 그 어떤 정보도 제공하지 않는다.
따라서, 충전중에 배터리의 열화 및 충전 시간을 감소시키도록 최적화된 저온에서의 충전 방법 및 충전 시스템에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 차량 배터리의 충전 방법에 관한 것으로서, 충전중에 다음의 단계들이 이용된다:
배터리의 전해질 저항 주파수를 판단하는 단계,
배터리의 전하 이동 저항 주파수를 판단하는 단계 및,
배터리 전해질 저항 주파수보다 높고 배터리 전하 이동 저항 주파수보다 낮은 충전 전류 주파수를 가진 전류로 배터리를 충전하는 단계.
충전 전류 주파수 함수로서의 임피던스의 복소수 표현(complex representation)로부터, 전해질 저항 주파수는 그것의 허수 부분(imaginary part)의 제로 값 및 실수 부분(actual part)에서의 최저 값을 가진 임피던스 주파수로서 판단될 수 있고, 전하 이동 저항 주파수는 그것의 허수 부분에서의 최소값 및 실수 부분에서의 최고값을 가진 임피던스 주파수로서 판단될 수 있다.
충전 전류 위상 변이(phase shift)의 함수로서의 임피던스의 제시로부터, 전해질 저항 주파수는 위상 변이가 상쇄되는 주파수로서 판단될 수 있고, 전하 이동 저항 주파수는 주파수 함수로서의 위상 변이의 미분 계수가 상쇄되는 주파수로서 판단될 수 있다.
충전 전류 주파수의 함수로서의 셀 임피던스(cell impedance)에 대한 허수 부분의 표현으로부터, 전해질 저항 주파수는 허수 부분이 상쇄되는 주파수로서 판단될 수 있고, 전하 이동 저항 주파수는 주파수 함수로서의 허수 부분의 미분 계수가 상쇄되는 주파수로서 판단될 수 있다.
충전 전류 주파수는 10 Hz 내지 300 Hz 사이에 놓일 수 있으며, 바람직스럽게는 100 Hz 와 같다.
새로운 배터리 전해질 저항 및 배터리 전하 이동 저항 주파수들은 온도가 변화할 때 판단될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 차량 배터리를 충전시키는 시스템에 관한 것으로서, 이것은,
배터리의 전해질 저항 주파수를 판단하는 수단,
배터리의 전하 이동 저항 주파수를 판단하는 수단 및,
배터리 충전 전류를 제어하고, 배터리 전해질 저항 주파수보다 높고 배터리 전하 이동 저항 주파수보다 낮은 주파수를 가진 전류로써 배터리 충전을 제어할 수 있는 수단;을 포함한다.
상기 시스템은 배터리 온도의 함수로서 충전 전류 주파수를 조절하는 수단을 포함할 수 있고, 이러한 조절 수단은 온도가 변화할 때 전해질 저항 주파수 및 배터리 전하 이동 저항 주파수가 다시 판단되도록 판단 수단을 제어할 수 있다.
배터리 전해질 저항 주파수의 판단 수단 및 배터리 전하 이동 저항 주파수의 판단 수단은 각각 온도 함수로서의 충전 전류 주파수의 맵(map)을 포함할 수 있다.
배터리 전해질 저항 주파수의 판단 수단 및 배터리 전하 이동 저항 주파수의 판단 수단은 각각 배터리 임피던스 스펙트로그래피 장치(spectrography device)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점들은 도면을 참조하여 오직 비제한적인 예로서 주어지는 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 주파수의 함수로서 콤플렉스 공간(complex space)에서의 임피던스의 제시를 나타낸다.
도 2 는 주파수의 함수로서 콤플렉스 공간에서의 임피던스를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 위상 변이의 함수로서 임피던스의 제시를 나타낸다.
도 4 는 주파수 함수로서의 셀 임피던스(cell impedance)에 걸쳐서 허수 부분의 제시를 나타낸다.
도 5 는 배터리 셀에서 100 Hz 와 같은 주파수를 가진 전류의 효과를 도시한다.
도 6 은 상이한 온도에서 주파수 함수로서의 위상 변이의 전개를 도시한다.
배터리 충전을 제어하는 방법은 저온에서의 배터리 충전을 향상시킬 수 있게 한다. 그것의 원리는 적용되어야 하는 충전 전류 주파수를 평가하는 임피던스 스펙트로스코피(impedance spectroscopy)에 기초한다.
임피던스 스펙트로스코피는 종래 기술(Impedance Spectroscopy by Voltage-Step Chronoamperometry Using the Laplace Transform Method in a Lithium-Ion Battery, Journal of The Electrochemical Society, 147 (3) 922-929 (2000))에서 설명된 방법을 이용하여 차량에 탑재되어 수행될 수 있거나, 또는 임피던스 측정을 이용하여 미리 수행될 수 있다. 우선, 임피던스 스펙트로스코피는 상기 배터리의 임피던스를 측정하는 동안 배터리 충전 전류 주파수를 변화시키는 것으로 이루어진다. 이것은 배터리 임피던스의 변화를 주파수 함수로서 제공한다.
어떤 한가지 경우에, 탑재된 상태로 수행된 임피던스 스펙트로스코피는 충전 주파수의 판단을 허용한다.
다른 경우에, 특정 조건하에서의 배터리 충전을 향상시키기 위하여, 사용되는 충전 주파수는 충전 시스템의 설계시에 판단 및 설정된다.
모든 경우에 있어서, 충전 주파수는 임피던스 스펙트럼으로부터 판단된다.
사용되는 충전 주파수는 임피던스 스펙트럼으로부터 판단된다.
도 1 은 주파수 함수로서 복소수 공간에서의 임피던스를 제시한 것이다. 즉, 도 1 은 점들의 좌표가 임피던스의 허수 부분(imaginary part) 및 실수 부분(actual part)인 점들의 세트(set)를 도시하며, 각각의 점은 충전 전류의 상이한 주파수를 나타낸다.
도 1 은 0°의 온도에서 배터리 셀(battery cell)의 임피던스 변화를 나타낸다.
상기와 같은 표시에서, 특징적인 배터리 충전 주파수에 대응하는 2 개 지점들을 식별할 수 있다.
제 1 의 특징적인 점은 허수 부분이 제로인 임피던스에 해당한다. 이것은 도 1 에서 "주파수 1"로 식별되는 것으로서, 도 1 에 도시된 경우에 0.9 kHz 의 주파수에 대응한다. 이러한 점과 관련된 주파수는 아래에서 전해질 저항 주파수(electrolyte resistance frequency)로서 지칭될 것이다.
제 2 의 특징적인 점은, 제 1 의 특징적인 점과 관련된 임피던스의 실수 부분보다 큰 실수 부분(actual part)에 대하여 허수 부분이 최소인 임피던스에 대응한다. 이것은 도 1 에서 "주파수 2"로써 식별되며, 도 1 에 도시된 경우에 0.15 Hz 의 주파수에 대응한다. 이러한 점과 관련된 주파수는 아래에서 전하 이동 저항 주파수(charge transfer resistance frequency)로서 지칭될 것이다.
일반적으로, 배터리 셀의 임피던스 주파수가 샘플링될 때, 임피던스의 허수 부분의 연속적인 최소값은 임피던스의 실수 부분의 증가되는 값들에 대하여 검출된다. 도 2 는 그러한 임피던스 전개를 개략적으로 도시한다.
임피던스의 허수 부분의 제 1 최소값은 전해질 저항 주파수(즉, Relectrolyte)와 관련된 임피던스에 대응한다.
확산 영역(diffusion zone) 이전의 최종적인 최소값은 전하 이동 저항 주파수(RCT)와 관련된 임피던스에 대응한다. 충전 이동 저항의 임피던스는 다음의 식에 의해서 전해질 저항 주파수와 관련된 임피던스 및 다른 최소값(R1, R2 and R3 로 표시됨)의 임피던스에 연계된다는 점이 주목된다.
Relectrolyte + R1 + R2 + R3 = RCT
리튬 이온 배터리의 경우에, R1 은 SEI(고체 전해질 인터페이즈;solid electrolyte interphase)의 저항으로 간주될 수 있고, R2 는 양극의 전하 이동 저항일 수 있고, R3 은 음극의 전하 이동 저항일 수 있다 (도 2). 다수의 RC 회로가 직렬로 있는 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 전하 이동 저항 주파수(RCT)는 이들 다양한 기여분의 합(sum)일 것이다. 다른 양상에서, 바르버그 영역(Warburg zone) 또는 바르버그 라인(Warburg line)으로서 통상적으로 더 알려진 확산 영역을 특징으로 하는, 확산 현상(diffusion phenomena) 직전의 주파수로서 전하 이동 저항 주파수(RCT)가 간주될 수 있다 (도 2).
대안으로서, 전해질 저항 주파수 및 전하 이동 저항 주파수는 임피던스 터미널들 사이에서 순환하는 전류에 대한 임피던스 터미널들에서의 전압의 위상 변이의 함수로서 판단될 수 있다. 도 3 은 위상 변이의 함수로서 임피던스의 제시를 나타낸다. 그러한 제시로부터, 전해질 저항 주파수는 위상 변이가 상쇄되는 주파수로서 판단되고, 전하 이동 저항 주파수는 주파수의 함수로서 위상 변이의 미분 계수가 상쇄되는 주파수로서 판단된다.
대안으로서, 전해질 저항 주파수 및 전하 이동 저항 주파수는 주파수 함수로서의 셀 임피던스(cell impedance)에 걸친 허수 부분의 기여분(contribution)의 함수로서 판단될 수 있다. 도 4 는 주파수의 함수로서 셀 임피던스에 걸친 허수 부분의 제시를 나타낸다. 이러한 제시로부터, 전해질 저항 주파수는 허수 부분이 상쇄되는 주파수로서 판단되고, 전하 이동 저항 주파수는 주파수 함수로서의 허수 부분의 미분 계수가 상쇄되는 주파수로서 판단된다.
그러나, 상기 방법은 임피던스의 판단을 허용하는, 전압 측정에 대한 최소의 혼란(disruption)을 가지고 수행되어야 한다. 임피던스는 측정되는 요소의 터미널에서 전류에 대한 전압의 비율에 해당한다는 점이 기억되어야 한다. 따라서, 주어진 주파수에서의 임피던스 모듈러스(impedance modulus)가 높을수록, 전압 측정이 더 변화되어, 전압 측정을 곤란하게 한다. 따라서 사용되는 주파수 또는 주파수 범위를 선택할 때, 이러한 점이 참작되어야 한다. 그러므로, 비록 전하 이동 저항 주파수가 잠재적으로 사용 가능할지라도, 이것은 전압 측정을 혼란시키는 너무 큰 위험성을 가져온다는 점이 밝혀졌다. 대조적으로, 전해질 저항 주파수는 가장 낮은 임피던스 모듈러스를 가지지만, 그것의 높은 주파수는 파워 전자부(power electronics)를 가지고 제어하는 것이 곤란할 수 있다. 마찬가지로, 낮은 주파수의 사용이 해로울 수 있는데, 왜냐하면 파워 전자부가 수 Hz 내지 수 kHz 의 범위일 수 있는 주파수에서의 스위치 변환을 필요로 할 수 있기 때문이다. 더욱이, 높은 주파수의 사용은 장점이 크지 않을 것이며, 왜냐하면 그러한 주파수에서 활물질(active material) 및 상세하게는 활물질 표면(즉, 이중층 캐패시터)과 같은 셀의 다른 부분들이 충전에 이용되는 것이 보다 유익하지만, 오직 전해질만이 이용될 것이기 때문이다.
따라서 전해질 저항 주파수(주파수 1) 보다 높고 전하 이동 저항 주파수(주파수 2)보다 낮은 전류 주파수가 바람직스럽다.
도 5 는 배터리 셀에서 100 Hz 와 같은 주파수를 가진 전류의 효과를 나타낸다.
셀은 0℃ 로 가져가서 기준 전류(reference current, 1C)로 시험되었다. 전류(1C)는 셀을 1 시간내에 방전시키는데 필요한 전류에 해당한다. 다른 유사한 셀은 0℃ 의 온도에서 37A 의 평균 전류에 대하여 피크-대(對)-피크의 정현파 전류(2C)를 가지고 시험되었다. 펄스 충전 전류(pulsed charge current)의 사용은 캐패시티 보유(즉, 셀의 사용 수명)에서 유리한 효과를 가지는 것으로 보인다. 도 6 은 온도가 변화할 때 주파수의 함수로서 위상 변이의 전개를 도시한다. 도시된 바와 같이, 배터리 온도에 무관하게 특징적인 주파수의 판단 및 스펙트럼의 일반적인 형태는 동일하게 유지된다. 또한 온도가 9℃ 로부터 -30℃ 로 변화할 때 충전 전류의 주파수는 10 Hz 내지 300 Hz 사이에서 전개되는 것이 명백하다.
충전 방법은 흑연에 기초한 리튬 이온 배터리의 수명에서의 향상 및 심화된 충전의 성능 향상을 허용한다. 펄스 전류는 10 % 또는 그 이상의 정도로 더 심도있게 충전될 수 있게 한다. 이것은 배터리 자율성(autonomy of battery)에서의 이득으로써 반영된다. 충전의 심도(depth of charge)는 동일한 배터리 셀에 대하여 더 많거나 더 적은 양의 (Ah 로서의) 에너지를 저장하는 성능을 의미한다. 양이 커질수록, 충전의 심도가 깊어진다.
충전 방법은 음극을 가진 흑연 베이스의 리튬 이온 배터리에 적용 가능하지만, 천이 금속 및 주석에 기초한 3 원 탄산염 복합체(ternary carbonated composites), TiO2 or Li4Ti5O12 의 형태인 티탄산염, 주석(Sn), 게르마늄(Ge), 실리콘(Si)에 기초한 리튬 이온 배터리에도 적용 가능하다. 이러한 경우들에서, 수명의 연장, 짧은 충전 시간 또는 배터리 자율성의 증가(캐패시티의 10 % 증가)가 장점일 수 있다.
충전 전류는 슬롯 유형(slot type)이거나, 삼각파 유형이거나, 정현파 유형이거나 다른 유형일 수 있다. 그러나, 전류 형태 보다 주파수 셋포인트(setpoint)의 관찰이 우선적이다. 충전 전류는 그것이 제로 값을 통과하지 않도록 오프셋(offset)을 가질 수 있다. 그러나, 연속적인 전류 성분을 최소화시키는 것이 바람직스럽다.
배터리의 수명을 연장시키거나, 충전의 심도를 증가시키거나, 또는 충전 시간을 단축시키기 위하여, 충전 방법은, 배터리 수명의 동일한 열화(degradation)에 대하여, 배터리를 연속적인 전류로 충전할 때보다 높은 평균 충전 전력(power)을 이용하면서, 주기성(periodicity)을 가진 전류의 인가를 허용한다.
따라서 충전 시간의 감소와 수명 연장 사이에서의 선택이 가능하다. 등가의 평균 전류 또는 평균 전력에서, 주기적인 충전 전류의 사용으로 수명이 향상된다. 높지만 주기적인 평균 전력 또는 평균 전류로써 충전하는 것은 연속 전류로 충전하는 것에서 관찰되는 것과 등가인 배터리 특성들의 열화를 제공한다.
차량 배터리 충전을 위한 시스템은 배터리 충전 전류를 제어하는 수단에 연결된, 배터리 전하 이동 저항 주파수를 판단하는 수단 및 배터리 전해질 저항 주파수를 판단하는 수단을 포함한다.
배터리 전해질 저항 주파수 판단 수단 및 배터리 전하 이동 저항 주파수 판단 수단은 각각 온도 함수로서의 주파수의 맵(map) 또는 배터리 임피던스 스펙트로그래피 장치(battery impedance spectrography device)를 포함한다. 대안으로서, 상기 판단 수단은 단일의 스펙트로그래피 장치를 공유할 수 있다.
배터리 충전 전류를 제어하는 수단은 배터리 전해질 저항 주파수보다 높고 배터리 전하 이동 저항 주파수보다 낮은 주파수를 가진 전류로써 배터리 충전을 제어할 수 있다.
충전 시스템은 배터리 온도의 함수로서 충전 전류 주파수를 조절하는 수단을 포함할 수도 있다. 온도가 변화될 때 배터리 전해질 저항 주파수 및 배터리 전하 이동 저항 주파수가 다시 판단되도록, 조절 수단은 판단 수단을 제어할 수 있다. 그렇게 판단된 새로운 주파수는 새로운 충전 전류 주파수의 판단을 허용한다.
충전 시스템은 배터리 충전기가 연속적인 충전 전류를 가지고 기능하도록 비활성화될 수도 있다.
따라서 충전 시스템 및 방법은 충전되어야 하는 배터리의 특성 주파수의 판단 및, 사용되어야 하는 충전 전류 주파수의 판단을 허용한다. 이러한 판단은 사용되는 배터리와 독립적이고, 배터리의 수명 지속 기간 및 충전을 향상시키기 위하여 온도의 효과를 고려할 수 있게 한다.

Claims (10)

  1. 배터리의 전해질 저항 주파수를 판단하는 단계;
    배터리의 전하 이동 저항 주파수를 판단하는 단계; 및
    배터리 전해질 저항 주파수보다 높고 배터리 전하 이동 저항 주파수보다 낮은 충전 전류 주파수를 가진 전류로써 배터리를 충전하는 단계;를 이용하는 것을 특징으로 하는, 차량 배터리의 충전 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    충전 전류 주파수 함수로서의 임피던스의 복소수 표현(representation)으로부터, 전해질 저항 주파수는 허수 부분(imaginary part)의 제로(zero) 값 및 실수 부분(actual part)의 최저 값을 가진 임피던스 주파수로서 판단되고,
    전하 이동 저항 주파수는 허수 부분에서의 최소값 및 실수 부분에서의 최고값을 가진 임피던스 주파수로서 판단되는, 차량 배터리의 충전 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    충전 전류 위상 변이(phase shift)의 함수로서의 임피던스의 표현으로부터, 전해질 저항 주파수는 위상 변이가 상쇄되는 주파수로서 판단될 수 있고, 전하 이동 저항 주파수는 주파수 함수로서의 위상 변이의 미분 계수(derivative)가 상쇄되는 주파수로서 판단되는, 차량 배터리의 충전 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    충전 전류 주파수의 함수로서의 셀 임피던스(cell impedance)에 대한 허수 부분의 표현으로부터, 전해질 저항 주파수는 허수 부분이 상쇄되는 주파수로서 판단되고, 전하 이동 저항 주파수는 주파수 함수로서의 허수 부분의 미분 계수가 상쇄되는 주파수로서 판단되는, 차량 배터리의 충전 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    충전 전류 주파수는 10 Hz 내지 300 Hz 사이이고, 바람직스럽게는 100 Hz 와 같은, 차량 배터리의 충전 방법.
  6. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    새로운 배터리의 전해질 저항 및 배터리의 전하 이동 저항의 주파수들은 온도가 변화할 때 판단되는, 차량 배터리의 충전 방법.
  7. 배터리의 전해질 저항 주파수를 판단하는 수단,
    배터리의 전하 이동 저항 주파수를 판단하는 수단 및,
    배터리 충전 전류를 제어하고, 배터리 전해질 저항 주파수보다 높고 배터리 전하 이동 저항 주파수보다 낮은 주파수를 가진 전류로써 배터리 충전을 제어할 수 있는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량 배터리의 충전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    배터리 온도의 함수로서 충전 전류 주파수를 조절하는 수단을 포함하고,
    상기 조절 수단은 온도가 변화할 때 배터리 전해질 저항 주파수 및 배터리 전하 이동 저항 주파수가 다시 판단되도록 판단 수단을 제어할 수 있는, 차량 배터리의 충전 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    배터리 전해질 저항 주파수의 판단 수단 및 배터리 전하 이동 저항 주파수의 판단 수단은 각각 온도 함수로서의 충전 전류 주파수의 맵(map)을 포함하는, 차량 배터리의 충전 시스템.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    배터리 전해질 저항 주파수의 판단 수단 및 배터리 전하 이동 저항 주파수의 판단 수단은 각각 배터리 임피던스 스펙트로그래피 장치(spectrography device)를 포함하는, 차량 배터리의 충전 시스템.
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