KR20230163707A - A Pulse Charging System for Rechargeable Battery. - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 반복적인 충방전이 가능한 2차 전지를 포함하는 배터리; 상기 배터리로 가변 듀티비를 가지는 펄스 신호를 전달하는 펄스생성기; 상기 배터리의 터미널 전압 및 개방회로전압과 상기 배터리로 전달되는 충전전류를 측정하고, 상기 배터리의 상태 정보를 판단하는 센싱모듈; 및 상기 센싱모듈이 측정한 상기 개방회로전압 또는 상기 충전전류에 기초하여 상기 펄스생성기의 듀티비를 변경하거나, 또는 상기 배터리의 충전시간을 변경하는 제어모듈을 포함하는, 배터리 충전 시스템을 제공할 수 있다.One embodiment of the present invention provides a battery including a secondary battery capable of repeated charging and discharging; a pulse generator that delivers a pulse signal with a variable duty ratio to the battery; A sensing module that measures the terminal voltage and open circuit voltage of the battery and the charging current delivered to the battery, and determines status information of the battery; and a control module that changes the duty ratio of the pulse generator or changes the charging time of the battery based on the open circuit voltage or the charging current measured by the sensing module. there is.
Description
본 실시예는 2차 전지 펄스 충전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 충전효율 향상과 동시에 배터리 수명 연장이 가능하도록 가변 충전시간과 가변 듀티비를 가지는 펄스 충전하는 배터리 충전 시스템 및 이의 배터리 충전 방법에 관한 것이다.This embodiment relates to a secondary battery pulse charging system, and more specifically, to a battery charging system that performs pulse charging with a variable charging time and variable duty ratio to improve charging efficiency and extend battery life at the same time, and to a battery charging method thereof. will be.
리튬계열의 배터리 충전 과정에서 금속 리튬 도금(Metallic Lithium Plating) 현상은 그래파이트 양극의 과전압(Overpotential) 상태에 의해 발생하는데, 이는 그래파이트 표면의 고체 전해질 인터페이스를 파괴하여 사이클 효율을 저하시키고, 수상돌기 리튬(Dendritic Lithium)을 형성하여 내부 단락(Internal Short)을 일으켜 화재의 원인이 되기도 한다.During the charging process of lithium-based batteries, the phenomenon of metallic lithium plating is caused by the overpotential state of the graphite anode, which destroys the solid electrolyte interface on the graphite surface, reducing cycle efficiency and dendritic lithium ( Dendritic Lithium may form and cause an internal short, which may cause a fire.
배터리 충전 과정에서 발생하는 리튬 도금 현상을 개선하기 위하여, 리튬계열 2차 전지 충전 프로토콜로서 정전류 충전과 정전압 충전을 순차적으로 수행하는 방법이 제안되었다. 정전류-정전압 배터리 충전 프로토콜은 배터리의 개방회로전압이 일정한 전압-예를 들어, 4.2V-에 도달할 때까지는 정전류를 배터리에 공급하여 충전을 수행하고, 그 이후에는 정전압을 배터리에 공급하여 일정한 전류-예를 들어, 0.05C-에 도달할 때까지 충전을 수행하는 방식을 말한다.In order to improve the lithium plating phenomenon that occurs during the battery charging process, a method of sequentially performing constant current charging and constant voltage charging has been proposed as a charging protocol for lithium-based secondary batteries. The constant current-constant voltage battery charging protocol performs charging by supplying a constant current to the battery until the open circuit voltage of the battery reaches a certain voltage - for example, 4.2V. After that, a constant voltage is supplied to the battery to maintain a constant current. -For example, this refers to a method of performing charging until it reaches 0.05C-.
하지만, 일정한 전류 이상으로 충전할 경우 금속 리튬 도금 현상은 정전류 충전의 끝 부분에서 발생할 수 있다. 이 경우 충전 전류를 증가시키는 것으로는 더 이상 충전시간을 단축시키지 못하고, 정전압 충전시간을 증가시켜 도금된 금속 리튬과 전해질 성분의 원치 않는 반응의 결과로 배터리 성능이 저하시키는 요인이 된다.However, when charging above a certain current, metallic lithium plating may occur at the end of constant current charging. In this case, increasing the charging current no longer shortens the charging time, and increases the constant voltage charging time, which reduces battery performance as a result of an unwanted reaction between the plated metal lithium and the electrolyte components.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 배터리 셀의 내부 임피던스에 따라 가변 듀티비를 가지는 전류 펄스 충전으로 배터리 충전 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 제어모듈 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템을 제공하는 것이다.Against this background, the purpose of this embodiment is, in one aspect, to provide a battery control module that can improve battery charging efficiency through current pulse charging with a variable duty ratio depending on the internal impedance of the battery cell, and a battery charging system including the same. It is done.
본 실시예의 목적은, 다른 측면에서, 전류 펄스의 턴-오프 기간 동안 리튬이온의 농도 분포를 고르게 확산시키고, 리튬이온의 농도 분포의 변화도(Gradient)를 줄어들게 만들 수 있는 배터리 제어모듈 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템을 제공하는 것이다.The purpose of this embodiment is, from another aspect, a battery control module capable of evenly spreading the concentration distribution of lithium ions and reducing the gradient of the concentration distribution of lithium ions during the turn-off period of the current pulse, and including the same. The goal is to provide a battery charging system that
본 실시예의 목적은, 또 다른 측면에서, 배터리 셀의 개발회로전압을 실시간으로 모니터링하여 과전압 상태 시간을 카운트하고, 이에 따라 가변 충전시간을 제공하는 배터리 제어모듈 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템을 제공하는 것이다.In another aspect, the purpose of this embodiment is to provide a battery control module that monitors the development circuit voltage of a battery cell in real time, counts the overvoltage state time, and provides a variable charging time accordingly, and a battery charging system including the same. will be.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 제1 실시예는, 반복적인 충방전이 가능한 2차 전지를 포함하는 배터리; 상기 배터리로 가변 듀티비를 가지는 펄스 신호를 전달하는 펄스생성기; 상기 배터리의 개방회로전압 및 상기 배터리로 전달되는 충전전류를 측정하고, 상기 배터리의 상태 정보를 판단하는 센싱모듈; 및 상기 센싱모듈이 측정한 상기 개방회로전압 또는 상기 충전전류에 기초하여 상기 펄스생성기의 듀티비를 변경하거나, 또는 상기 배터리의 충전시간을 변경하는 제어모듈을 포함하는, 배터리 충전 시스템을 제공할 수 있다.In order to achieve the above-described object, the first embodiment includes a battery including a secondary battery capable of repeated charging and discharging; a pulse generator that delivers a pulse signal with a variable duty ratio to the battery; A sensing module that measures the open circuit voltage of the battery and the charging current delivered to the battery, and determines status information of the battery; and a control module that changes the duty ratio of the pulse generator or changes the charging time of the battery based on the open circuit voltage or the charging current measured by the sensing module. there is.
배터리 충전 시스템에서 상기 제어모듈은 상기 배터리의 내부임피던스 증가율에 따라 상기 펄스생생기의 충전 펄스의 듀티비를 조절할 수 있다.In the battery charging system, the control module can adjust the duty ratio of the charging pulse of the pulse generator according to the increase rate of the internal impedance of the battery.
배터리 충전 시스템에서 상기 제어모듈은 상기 센싱모듈이 측정한 상기 개방회로전압이 과전압기준전압값을 초과한 과전압상태시간을 카운트하고, 상기 과전압상태시간에 따라 상기 펄스생성기의 충전 펄스의 개수를 조절할 수 있다.In the battery charging system, the control module counts the overvoltage state time when the open circuit voltage measured by the sensing module exceeds the overvoltage reference voltage value, and adjusts the number of charging pulses of the pulse generator according to the overvoltage state time. there is.
배터리 충전 시스템에서 상기 제어모듈은 상기 펄스생성기의 충전 펄스의 턴-온 기간의 비율과 턴-오프 기간의 비율을 기 설정된 범위 이내로 유지할 수 있다.In the battery charging system, the control module can maintain the ratio of the turn-on period and the turn-off period of the charging pulse of the pulse generator within a preset range.
배터리 충전 시스템에서 상기 펄스생성기로 일정한 크기의 충전전압을 전달하거나, 일정한 크기의 충전전류를 생성하여 전달하는 파워소스를 더 포함할 수 있다.The battery charging system may further include a power source that transmits a charging voltage of a certain magnitude to the pulse generator, or generates and transmits a charging current of a certain magnitude.
배터리 충전 시스템에서 상기 펄스생성기는 상기 파워소스가 전달하는 정전류 또는 정전압의 듀티비 및 턴오프 타이밍을 조절하여 상기 배터리의 과전압 상태를 방지할 수 있다.In a battery charging system, the pulse generator can prevent an overvoltage state of the battery by adjusting the duty ratio and turn-off timing of the constant current or constant voltage delivered by the power source.
또한, 배터리 충전 시스템에서 상기 제어모듈은, 상기 펄스의 턴-오프 시간을 조절하여 상기 배터리의 리튬이온 농도 분포의 급격한 변화(gradient)를 방지할 수도 있다.Additionally, in the battery charging system, the control module may prevent a sudden change (gradient) in the lithium ion concentration distribution of the battery by adjusting the turn-off time of the pulse.
배터리 충전 시스템은, 배터리내부임피던스값, 듀티비, 과전압상태시간, 및 충전모드시간에 관한 데이터를 초기화하는 초기화모드; 및 상기 초기화모드 이후에 상기 배터리내부임피던스값 또는 상기 듀티비를 계산하고, 상기 펄스생성기가 다음 주기에 생성하는 펄스 신호의 상태를 설정하는 설정모드를 포함할 수 있다.The battery charging system includes an initialization mode that initializes data regarding battery internal impedance value, duty ratio, overvoltage state time, and charging mode time; And it may include a setting mode for calculating the battery internal impedance value or the duty ratio after the initialization mode and setting the state of the pulse signal generated by the pulse generator in the next cycle.
배터리 충전 시스템은, 상기 설정모드에서 결정한 펄스의 듀티비와 충전시간에 따라 상기 펄스생성기의 동작을 수행하는 충전모드를 더 포함할 수 있다.The battery charging system may further include a charging mode in which the pulse generator operates according to the pulse duty ratio and charging time determined in the setting mode.
배터리 충전 시스템에서 상기 설정모드는 상기 과전압상태시간이 제1 과전압시간 임계값을 초과한 경우 최소 전류의 크기에 해당하는 듀티비로 전류를 공급하는, 배터리 충전 시스템.In the battery charging system, the setting mode supplies current at a duty ratio corresponding to the size of the minimum current when the overvoltage state time exceeds the first overvoltage time threshold.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 제2 실시예는, 가변 듀티비 및 가변 충전시간을 통해 배터리를 펄스 방식으로 충전하는 방법에 있어서, 제1 시구간 및 제2 시구간의 상기 배터리의 내부 임피던스값을 계산하고, 상기 제1 시구간과 상기 제2 시구간의 내부 임피던스값 변화량을 계산하고, 제3 시구간의 듀티비는 제2 시구간의 듀티비에 상기 제3 시구간의 내부 임피던스값 변화량과 비례계수의 곱을 빼는 방법으로 제3 시구간의 듀티비를 계산하는 듀티비 설정 단계; 제3 시구간의 배터리의 개방회로전압값을 측정하고, 상기 개방회로전압값이 기준전압값을 초과하는 과전압상태시간을 계산하고, 상기 과전압상태시간에 따라 제3 시구간에 전달되는 충전 펄스의 개수 및 충전시간을 결정하는 충전시간 결정단계; 상기 제3 시구간에 설정된 듀티비 및 충전시간에 따라 배터리 충전을 수행하는 배터리 충전 단계를 포함하는 단계; 및 상기 배터리 충전 단계에서 측정된 충전전류 및 배터리 셀 전압을 기초로 배터리 내부 임피던스를 계산하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 방법을 제공할 수 있다.In order to achieve the above-mentioned object, the second embodiment is a method of charging a battery in a pulse manner through a variable duty ratio and a variable charging time, and the internal impedance value of the battery in the first time period and the second time period is Calculate, calculate the amount of change in the internal impedance value of the first time period and the second time period, and the duty ratio of the third time period is calculated by subtracting the product of the change in internal impedance value of the third time period and the proportionality coefficient to the duty ratio of the second time period. A duty ratio setting step of calculating the duty ratio of a third time period using a method; Measure the open circuit voltage value of the battery in the third time period, calculate the overvoltage state time when the open circuit voltage value exceeds the reference voltage value, and calculate the number of charging pulses delivered in the third time period according to the overvoltage state time, and A charging time determination step of determining the charging time; A battery charging step of charging the battery according to the duty ratio and charging time set in the third time period; and calculating the battery internal impedance based on the charging current and battery cell voltage measured in the battery charging step.
배터리 충전 방법에서 상기 내부 임피던스값은 상기 배터리의 전압값을 충전전류의 적분평균값으로 나눈 값으로 정의되고, 상기 제3 시구간의 듀티비는 상기 제3 시구간의 듀티비 및 상기 내부 임티던스값의 변화량과 비례계수(k)의 곱의 합에 의해 결정될 수 있다.In the battery charging method, the internal impedance value is defined as the voltage value of the battery divided by the integrated average value of the charging current, and the duty ratio of the third time period is the duty ratio of the third time period and the change in the internal impedance value. It can be determined by the sum of the product of and the proportionality coefficient (k).
배터리 충전 방법에서 상기 내부 임피던스값은 상기 배터리의 충전 사이클마다 업데이트되고, 상기 배터리의 충방전 사이클 회수와 잔존용량(SOC)를 반영하여 보정할 수 있다.In the battery charging method, the internal impedance value is updated for each charging cycle of the battery, and can be corrected by reflecting the number of charge/discharge cycles and remaining capacity (SOC) of the battery.
배터리 충전 방법에서 상기 듀티비 설정 단계에서 턴-온 및 턴-오프 비율은 1:3 내지 1:5의 범위 내로 듀티비를 유지할 수 있다.In the battery charging method, the turn-on and turn-off ratios in the duty ratio setting step may be maintained within the range of 1:3 to 1:5.
배터리 충전 방법에서 상기 충전시간 결정단계에서 상기 과전압상태시간에 반비례하여 충전시간을 감소시킬 수 있다.In the battery charging method, the charging time may be reduced in inverse proportion to the overvoltage state time in the charging time determining step.
배터리 충전 방법에서 듀티비 설정 단계는 개방회로전압값이 기준전압값을 초과하는 과전압상태시간이 제1 과전압시간 임계값을 초과한 경우에 튜티비를 다시 계산하고, 상기 제1 과전압시간 임계값은 충전 완료 상태를 판단하는 제2 과전압시간 임계값보다 더 작을 수 있다.In the battery charging method, the duty ratio setting step recalculates the duty ratio when the overvoltage state time in which the open circuit voltage value exceeds the reference voltage value exceeds the first overvoltage time threshold, and the first overvoltage time threshold is It may be smaller than the second overvoltage time threshold for determining the charging completion state.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 배터리 내부 임피던스 증가율을 모니터링하여 충전 펄스의 듀티비(Duty ratio)를 조절함으로써 배터리 충전 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, according to this embodiment, battery charging efficiency can be improved by monitoring the rate of increase in battery internal impedance and adjusting the duty ratio of the charging pulse.
본 실시예에 의하면, 배터리 셀의 개방회로전압을 측정하고, 개방회로전압의 과전압 상태를 판단하고, 충전 펄스 수를 제어함으로써 배터리 과충전으로 인한 배터리 수명 감소의 문제를 해결할 수 있다.According to this embodiment, the problem of reduced battery life due to battery overcharging can be solved by measuring the open circuit voltage of the battery cell, determining the overvoltage state of the open circuit voltage, and controlling the number of charging pulses.
본 실시예에 의하면, 설정모드 및 충전모드가 반복되는 하나의 배터리 충전 주기에서 이전 충전모드가 끝난 이후에 설정모드에서 가변 듀티비 및 가변 충전시간에 관한 정보를 업데이트함으로써 최적의 배터리 충전 상태를 유지할 수 있다.According to this embodiment, in one battery charging cycle in which the setting mode and charging mode are repeated, the optimal battery charging state is maintained by updating information about the variable duty ratio and variable charging time in the setting mode after the previous charging mode ends. You can.
본 실시예에 의하면, 배터리 충방전 프로토콜을 제공하여 배터리 과전압을 최소화하고, 배터리 내에서 발생하는 금속 리튬 도금 현상(Metallic Lithium Plate Reduction)을 감소시킬 수 있으며, 수상돌기(Dendrite Reduction)를 감소시킬 수 있다. 이로 인해 전해질 분리막의 절연 파괴를 방지할 수 있으며, 배터리의 과충전 또는 오작동으로 인한 화재사고를 방지할 수 있다.According to this embodiment, by providing a battery charging and discharging protocol, battery overvoltage can be minimized, metallic lithium plate reduction occurring within the battery can be reduced, and dendrite reduction can be reduced. there is. This can prevent insulation breakdown of the electrolyte separator and prevent fire accidents due to overcharging or malfunction of the battery.
도 1은 정전류-정전압 배터리 충전 방식을 설명하는 도면이다.
도 2는 정전류 충전 과정에서 개방회로전압과 충전상태(SoC)의 상관관계를 설명하는 그래프이다.
도 3은 펄스 충전방법을 설명하는 그래프이다.
도 4는 본 실시예에 따른 배터리 충전 시스템을 예시하는 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 전류 펄스를 활용한 배터리 충전 방법을 예시하는 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 설정 모드 및 충전 모드의 시구간을 예시하는 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 내부 임피던스를 계산하는 방법을 예시하는 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 내부 임피던스 계산 과정에 활용되는 파라미터를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 순서도이다.
도 10은 본 실시예에 따른 초기화 모드에 활용되는 파라미터를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 상세 순서도이다.
도 12는 본 실시예에 따른 충전 모드의 상세 순서도이다.1 is a diagram explaining a constant current-constant voltage battery charging method.
Figure 2 is a graph explaining the correlation between open circuit voltage and state of charge (SoC) in the constant current charging process.
Figure 3 is a graph explaining the pulse charging method.
Figure 4 is a diagram illustrating a battery charging system according to this embodiment.
Figure 5 is a diagram illustrating a battery charging method using current pulses according to this embodiment.
Figure 6 is a diagram illustrating time periods of the setting mode and charging mode according to this embodiment.
Figure 7 is a diagram illustrating a method for calculating internal impedance according to this embodiment.
Figure 8 is a diagram explaining parameters used in the internal impedance calculation process according to this embodiment.
9 is a flowchart of a battery charging method according to this embodiment.
Figure 10 is a diagram explaining parameters used in the initialization mode according to this embodiment.
11 is a detailed flowchart of the battery charging method according to this embodiment.
12 is a detailed flowchart of the charging mode according to this embodiment.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through illustrative drawings. When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, in describing the present invention, detailed descriptions of related known configurations or functions that are judged to be likely to obscure the gist of the present invention will be omitted.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, a, b 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Additionally, in describing the components of the present invention, terms such as first, second, a, and b may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there is another component between each component. It will be understood that elements may be “connected,” “combined,” or “connected.”
도 1은 정전류-정전압 배터리 충전 방식을 설명하는 도면이다.1 is a diagram explaining a constant current-constant voltage battery charging method.
도 1을 참조하면, 배터리 충전 방법으로 정전류(CC: Constant Current)를 배터리에 전달하는 방법, 정전압(CV: Constant Voltage)을 배터리에 전달하는 방법, 일정한 기준시간을 두고 정전류와 정전압을 혼합하여 충전을 수행하는 방법 등이 제안되고 있다.Referring to Figure 1, the battery charging method includes a method of delivering constant current (CC: Constant Current) to the battery, a method of delivering constant voltage (CV: Constant Voltage) to the battery, and charging by mixing constant current and constant voltage at a certain reference time. Methods for performing this are being proposed.
정전류(CC)-정전압(CV) 충전 방법은 초기에는 정전류에 의한 배터리 충전을 수행하고, 그 이후에는 정전압에 의한 배터리 충전 방법이다. 리튬 계열 2차 전지의 충전 프로토콜로서 배터리의 개방회로전압이 일정한 기준전압-예를 들어, 4.2V-까지 도달할 때가지 초기에는 정전류를 배터리에 공급하여 충전한다. 배터리의 개방회로전압이 일정한 기준전압에 도달한 이후에는 정전압을 공급하여 배터리 충전을 수행한다. 이 경우 배터리의 충전전류는 감소하게 되는데, 배터리의 충전전류가 감소하여 일정한 전류-예를 들어, 0.05C-에 도달할 때까지 정전압 충전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 전류가 0.05C에 도달한 경우에는 만약 배터리가 완전충전(Fully-charged)된 것으로 판단할 수 있다. 여기서 배터리의 전류의 단위로 정의되는 C는 배터리 셀의 용량의 변화속도(Rated Capacity of Cell)로 정의될 수 있다.The constant current (CC)-constant voltage (CV) charging method initially charges the battery by constant current, and thereafter charges the battery by constant voltage. As a charging protocol for lithium-based secondary batteries, a constant current is initially supplied to the battery to charge it until the open circuit voltage of the battery reaches a certain reference voltage, for example, 4.2V. After the open circuit voltage of the battery reaches a certain reference voltage, a constant voltage is supplied to charge the battery. In this case, the charging current of the battery decreases, and constant voltage charging can be performed until the charging current of the battery decreases and reaches a constant current (for example, 0.05C). For example, if the current reaches 0.05C, it can be determined that the battery is fully charged. Here, C, defined as the unit of battery current, can be defined as the rate of change in battery cell capacity (Rated Capacity of Cell).
배터리 충전 과정에서 양극에 리튬 도금(Lithium Plating) 현상이 일어나는 것을 방지하기 처음에 정전류 충전을 하다가 셀전압이 일정 전압-예를 들어, 4.2V-에 도달하면 충전전류가 미리 정해진 값-예를 들어, 0.05C-에 도달할 때까지 정전압 충전을 하는 CC-CV 충전기법이 활용된다. 하지만, CC-CV 충전 방법은 일정 전류 이상으로 충전할 경우 금속 리튬 도금(Metallic Lithium Plating) 현상은 정전압(CC) 모드 끝 부분에서 발생할 수 있다. 이경우 충전 전류의 증가는 더 이상 충전시간을 단축시키지 못하고 정전압(CV) 충전시간을 증가시켜 도금된 금속 리튬(Plated Metallic Lithium)과 전해질 성분의 원치 않는 반응의 결과로 배터리 성능이 저하되게 된다.To prevent lithium plating from occurring on the positive electrode during the battery charging process, when the cell voltage reaches a certain voltage (e.g., 4.2V) during constant current charging, the charging current is reduced to a predetermined value (e.g., 4.2V). , CC-CV charging technique is used, which performs constant voltage charging until it reaches 0.05C-. However, in the CC-CV charging method, if charging current exceeds a certain level, metallic lithium plating may occur at the end of constant voltage (CC) mode. In this case, an increase in charging current no longer shortens the charging time and increases the constant voltage (CV) charging time, resulting in a decrease in battery performance as a result of an unwanted reaction between plated metallic lithium and electrolyte components.
금속 리튬 도금(Metallic Lithium Plating) 현상은 그래파이트 양극의 과전압(Overpotential) 상태에 의해 발생할 수 있고, 이는 그래파이트 표면의 고체 전해질 인터페이스를 파괴하여 사이클 효율도 저하시킬 뿐 아니라 수상돌기 리튬(Dendritic Lithium)을 형성하여 내부 단락(Internal Short Circuit)을 일으켜 화재의 원인이 되기도 한다.Metallic Lithium Plating can occur due to the overpotential state of the graphite anode, which not only destroys the solid electrolyte interface on the graphite surface, reducing cycle efficiency but also forming dendritic lithium. This may cause an internal short circuit and cause a fire.
도 2는 정전류 충전 과정에서 개방회로전압과 충전상태(SoC)의 상관관계를 설명하는 그래프이다.Figure 2 is a graph explaining the correlation between open circuit voltage and state of charge (SoC) in the constant current charging process.
도 2는 정전류 충전 과정에서 개방회로전압(Voc)과 충전상태(SoC: State of Charge)의 상관관계를 나타내는 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the correlation between open circuit voltage (Voc) and state of charge (SoC) during a constant current charging process.
충전상태(SoC)가 증가할수록, 특히 SoC 100%에 가까워지면 배터리 전압이 급속히 증가하는데, 정전류(CC) 충전으로 배터리 전압이 일정 전압-예를 들어, 4.2V- 이상 되도록 과충전 하면 정전압(CV) 충전용량이 증가하게 된다.As the state of charge (SoC) increases, especially when the SoC approaches 100%, the battery voltage increases rapidly. If you overcharge the battery voltage to a certain voltage (e.g., 4.2V) or higher with constant current (CC) charging, the constant voltage (CV) increases. The charging capacity increases.
정전압(CV) 충전용량이 일정(0.3) 이상 증가하면 고 분극화(high polarization)로 인한 배터리 셀 용량 감소가 빨라 진다는 점이 참고문헌 1에서 알려져 있다.It is known from Reference 1 that when the constant voltage (CV) charging capacity increases above a certain level (0.3), the decrease in battery cell capacity due to high polarization accelerates.
도 3은 펄스 충전방법을 설명하는 그래프이다.Figure 3 is a graph explaining the pulse charging method.
도 3을 참조하면, 정전류-정전압 충전 방법의 단점을 개선하기 위한 펄스 충전방법을 확인할 수 있다.Referring to Figure 3, a pulse charging method can be identified to improve the shortcomings of the constant current-constant voltage charging method.
참고문헌 2에 따르면, 충전효율 향상을 위해 듀티비를 조절할 수 있다. 참고문헌 3에 따르면, 펄스 충전기법은 매 펄스마다 전해질 이온이 고르게 확산될 수 있도록 휴식시간(rest period)을 제공함으로써 충전속도와 배터리 수명을 향상 시킬 수 있다.According to Reference 2, the duty ratio can be adjusted to improve charging efficiency. According to Reference 3, the pulse charging technique can improve charging speed and battery life by providing a rest period for electrolyte ions to spread evenly with each pulse.
하나의 배터리 충전 사이클은 완전충전탐색모드(FCDM: Full Charge Detection Mode), 탐색모드(SM: Search Mode), 충전모드(CM: Charging Mode)으로 구성되고, 각 모드의 시간은 미리 정해진 시간으로 고정된다.One battery charging cycle consists of Full Charge Detection Mode (FCDM), Search Mode (SM), and Charging Mode (CM), and the time of each mode is fixed to a predetermined time. do.
완전충전탐색모드(FCDM)에서는 배터리의 개방회로 전압을 측정하고, 탐색모드(SM)에서는 서로 다른 듀티비 (D1 내지 Dn)(n은 1 이상의 정수)를 갖는 펄스를 발생시켜 최대 충전 지표(charging factor)(η= Ib/D)를 갖는 듀티비를 찾을 수 있다. 여기서, Ib는 배터리 충전전류일 수 있다.In full charge detection mode (FCDM), the open circuit voltage of the battery is measured, and in search mode (SM), pulses with different duty ratios (D1 to Dn) (n is an integer greater than 1) are generated to determine the maximum charge indicator (charging). You can find the duty ratio with factor)(η=Ib/D). Here, Ib may be the battery charging current.
충전모드(CM)에서는 탐색모드(SM)에서 찾은 최적 듀티비로 정해진 충전모드 시간동안 펄스를 발생시켜 배터리를 충전할 수 있고, 이로 인해 CC-CV 대비 충전속도는 14% 및 충전효율을 3.4% 개선 되는 것으로 확인되었다.In charging mode (CM), the battery can be charged by generating pulses during the charging mode time determined by the optimal duty ratio found in search mode (SM). This improves the charging speed by 14% and charging efficiency by 3.4% compared to CC-CV. It was confirmed that this was the case.
하지만, 이러한 방법은 배터리 셀의 과전압 상태에 의한 배터리 성능저하 및 수명 단축에 대한 고려가 부족하다. 또한, 배터리가 완전충전될 때까지 충전 상태와 상관없이 항상 일정한 시간(Tc, Ts)의 충전모드(CM)과 탐색모드(SM)이 필요하다는 한계가 있다.However, this method lacks consideration for battery performance degradation and shortened lifespan due to overvoltage of battery cells. Additionally, there is a limitation that charging mode (CM) and search mode (SM) are always required for a certain period of time (Tc, Ts) regardless of the charging state until the battery is fully charged.
이외에도, CC-CV 충전과 펄스충전의 단점 개선을 위해 제안된 충전기법으로서 미국 등록특허공보(US 5442274)와 같이 고속 펄스 충전에 의한 배터리 임피던스 증가와 그에 따른 성능저하 및 수명단축을 방지하기 위해 초기에는 CC 충전을 하고 다음 펄스 충전을 한 후 마지막 부분에 CV 충전을 하는 방법이 고안되기도 하였다. 이는 CC-Pulse-CV 충전 방식으로도 정의될 수 있다.In addition, as a charging technique proposed to improve the shortcomings of CC-CV charging and pulse charging, as in the US Patent Registration (US 5442274), an initial charging method is used to prevent the increase in battery impedance caused by high-speed pulse charging and the resulting performance degradation and shortened lifespan. A method was devised to perform CC charging, then pulse charging, and then CV charging at the end. This can also be defined as a CC-Pulse-CV charging method.
이에 따르면, 배터리 수명 연장을 위해 충전상태(SoC)의 처음 10%와 마지막 10%는 저 전류로 충전할 것을 권고하고 있으며, 처음 10% 저 전류 충전은 내부 임피던스의 급격한 증가를 방지하기 위한 것이고, 마지막 10% 저 전류 충전은 배터리 셀의 과전압을 방지하여 정전압(CV) 충전용량을 줄이기 위한 것이다. 하지만, 펄스충전에 CC 충전과 CV 충전 모드 추가에 따라 제어회로가 더 복잡하게 된다는 한계점이 있다.According to this, to extend battery life, it is recommended to charge the first 10% and last 10% of the state of charge (SoC) with low current. The first 10% low current charging is to prevent a rapid increase in internal impedance. The final 10% low current charging is to prevent overvoltage of battery cells and reduce constant voltage (CV) charging capacity. However, there is a limitation that the control circuit becomes more complicated as CC charging and CV charging modes are added to pulse charging.
도 4는 본 실시예에 따른 배터리 충전 시스템을 예시하는 도면이다.Figure 4 is a diagram illustrating a battery charging system according to this embodiment.
도 4를 참조하면, 배터리 충전 시스템(100)은 파워소스(110), 펄스생성기(120), 배터리(130), 센싱모듈(140), 제어모듈(150) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the battery charging system 100 may include a power source 110, a pulse generator 120, a battery 130, a sensing module 140, a control module 150, etc.
파워소스(110)는 배터리로 전달되는 전압 또는 전류를 생성하여 전달하기 위한 전력장치일 수 있다. 파워소스(110)에서 생성된 전압 또는 전류는 펄스생성기(120)을 통해 펄스화되어 구형파 형태로 배터리로 전달될 수 있고, 스위칭 타이밍에 따라서 동일한 크기의 전압 또는 전류가 서로 다른 주파수로 변형되어 배터리 셀(130)에 전달될 수 있다.The power source 110 may be a power device that generates and transmits voltage or current to be delivered to the battery. The voltage or current generated by the power source 110 may be pulsed through the pulse generator 120 and transmitted to the battery in the form of a square wave. Depending on the switching timing, the same magnitude of voltage or current is transformed into different frequencies to be transmitted to the battery. It may be delivered to the cell 130.
파워소스(110)는 펄스생성기(120)로 일정한 크기의 충전전압을 전달하거나, 일정한 크기의 충전전류를 생성하여 전달할 수 있다.The power source 110 may transmit a charging voltage of a certain magnitude to the pulse generator 120, or may generate and transmit a charging current of a certain magnitude.
펄스생성기(120)는 내부 회로의 스위칭을 통해 파워소스(110)에서 전달되는 충전전압 또는 충전전류를 펄스 형태로 조절할 수 있다. 펄스생성기(120)는 신호의 주기, 세기, 파형 등을 가변시킬 수 있고, 펄스 신호를 가변 듀티비로 실시간으로 또는 주기적으로 듀티비를 변경할 수 있다. 펄스생성기(120)의 동작은 제어모듈(150)에 의해 제어될 수 있다.The pulse generator 120 can adjust the charging voltage or charging current delivered from the power source 110 in the form of a pulse through switching of the internal circuit. The pulse generator 120 can vary the period, intensity, waveform, etc. of the signal, and can change the duty ratio of the pulse signal in real time or periodically with a variable duty ratio. The operation of the pulse generator 120 may be controlled by the control module 150.
펄스생성기(120)는 파워소스(110)가 전달하는 정전류 또는 정전압의 듀티비 및 턴오프 타이밍을 조절하여 배터리(130)의 과전압 상태를 방지할 수 있다.The pulse generator 120 can prevent an overvoltage state of the battery 130 by adjusting the duty ratio and turn-off timing of the constant current or constant voltage delivered by the power source 110.
배터리(130)는 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있고, 2차 전지 계열의 충방전을 반복적으로 수행할 수 있는 배터리일 수 있다. 배터리(130)로 공급되는 충전전류(Ic) 및 개방회로전압(Voc)에 의해 배터리의 상태가 정의될 수 있다. The battery 130 may include one or more battery cells and may be a battery capable of repeatedly charging and discharging a secondary battery series. The state of the battery may be defined by the charging current (Ic) and open circuit voltage (Voc) supplied to the battery 130.
센싱모듈(140)는 배터리9130)의 충전전류(Ic) 및 개방회로전압(Voc) 또는 터미널 전압을 측정하는 모듈일 수 있다. 센싱모듈(140)은 배터리의 상태를 실시간으로 또는 주기적으로 측정하고, 제어모듈(150)로 데이터를 송수신할 수 있다.The sensing module 140 may be a module that measures the charging current (Ic), open circuit voltage (Voc), or terminal voltage of the battery 9130. The sensing module 140 can measure the state of the battery in real time or periodically and transmit and receive data to the control module 150.
제어모듈(150)은 센싱모듈(140)이 측정한 개방회로전압(Voc) 또는 충전전류(Ic)에 기초하여 펄스생성기(120)의 듀티비를 변경하거나, 또는 배터리(130)의 충전시간을 변경할 수 있다. 배터리(130)의 충전시간을 조절하는 것은 펄스의 주기를 조절하거나, 펄스의 개수를 조절하여 목표로 하는 전류 또는 전압에 도달하는 시간을 조절하는 것으로 정의될 수 있다.The control module 150 changes the duty ratio of the pulse generator 120 or changes the charging time of the battery 130 based on the open circuit voltage (Voc) or charging current (Ic) measured by the sensing module 140. You can change it. Adjusting the charging time of the battery 130 can be defined as adjusting the time to reach the target current or voltage by adjusting the pulse cycle or the number of pulses.
제어모듈(150)은 배터리(130)의 내부임피던스값 또는 내부임피던스 증가율에 따라 펄스생생기(120)의 충전 펄스의 듀티비를 조절할 수 있다. 여기서 듀티비는 턴-온 및 턴-오프 기간, 턴-온 및 턴-오프 타이밍에 의해 결정될 수 있다. 제어모듈(150)은 배터리의 내부임피던스값의 증가량 및 감소량을 계산하여 적절한 듀티비를 구동하는 것으로 동작을 실시간 또는 주기적으로 수행할 수 있다.The control module 150 may adjust the duty ratio of the charging pulse of the pulse generator 120 according to the internal impedance value or the internal impedance increase rate of the battery 130. Here, the duty ratio may be determined by turn-on and turn-off periods and turn-on and turn-off timing. The control module 150 can perform operations in real time or periodically by calculating the amount of increase and decrease in the internal impedance value of the battery and driving at an appropriate duty ratio.
제어모듈(150)은 센싱모듈(140)이 측정한 개방회로전압(Voc)이 과전압기준전압값(Voc_thd)을 초과한 과전압상태시간(Tov)을 카운트하고, 과전압상태시간(Tov)에 따라 펄스생성기(120)의 동작 시간 또는 충전 펄스의 개수를 조절할 수 있다.The control module 150 counts the overvoltage state time (Tov) when the open circuit voltage (Voc) measured by the sensing module 140 exceeds the overvoltage reference voltage value (Voc_thd), and generates a pulse according to the overvoltage state time (Tov). The operation time or number of charging pulses of the generator 120 can be adjusted.
제어모듈(150)은 배터리 충전 효율 향상을 위해 펄스생성기(120)의 충전 펄스의 턴-온 기간의 비율과 턴-오프 기간의 비율을 기 설정된 범위 이내로 유지할 수 있다.The control module 150 may maintain the ratio of the turn-on period and the turn-off period of the charging pulse of the pulse generator 120 within a preset range to improve battery charging efficiency.
제어모듈(150)은 펄스생성기(120)의 충전펄스의 턴-오프 시간을 조절하여 배터리의 리튬이온 농도 분포의 급격한 변화(gradient)를 방지할 수도 있다. 제어모듈(150)은 배터리 리튬이온 농도 분포의 변화도를 센싱모듈(140)의 측정 데이터에 기초하여 연산하거나, 내부에 미리 설정된 레지스터, 메모리 등의 저장장치에 저장된 데이터를 활용할 수 있다.The control module 150 may prevent a sudden change (gradient) in the lithium ion concentration distribution of the battery by adjusting the turn-off time of the charging pulse of the pulse generator 120. The control module 150 may calculate the degree of change in the battery lithium ion concentration distribution based on the measurement data of the sensing module 140, or may utilize data stored in a storage device such as an internally preset register or memory.
도 4의 배터리 충전 시스템은 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System) 또는 연산 능력을 가진 컴퓨터 등의 정보처리장치에 의해 구현될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The battery charging system of FIG. 4 may be implemented by an information processing device such as a battery management system (BMS) or a computer with computing capabilities, but is not limited thereto.
도 5는 본 실시예에 따른 전류 펄스를 활용한 배터리 충전 방법을 예시하는 도면이다.Figure 5 is a diagram illustrating a battery charging method using current pulses according to this embodiment.
도 5를 참조하면, 배터리 충전 시스템은 전류 펄스를 배터리에 전달하여 충전하는 방법을 채택할 수 있다.Referring to FIG. 5, the battery charging system may adopt a method of charging by transferring a current pulse to the battery.
배터리 충전 시스템은 초기화모드(Initialization Mode), 설정 모드(Setup Mode), 충전 모드(Charging Mode) 등을 통해 배터리 충전 시구간을 구분할 수 있다.The battery charging system can distinguish the battery charging time period through Initialization Mode, Setup Mode, and Charging Mode.
초기화모드에서는 배터리내부임피던스값, 듀티비, 과전압상태시간, 충전모드시간 등에 관한 데이터를 초기화할 수 있다.In the initialization mode, data regarding battery internal impedance value, duty ratio, overvoltage state time, charging mode time, etc. can be initialized.
설정모드에서는 초기화모드 이후에 설정모드 시간(Ts) 동안에 제어모듈(150)이 배터리 내부임피던스값 및 듀티비를 계산하고, 펄스생성기(120)가 충전모드에서 생성하는 펄스 신호의 상태를 설정할 수 있다.In the setting mode, the control module 150 calculates the battery internal impedance value and duty ratio during the setting mode time (Ts) after the initialization mode, and sets the state of the pulse signal generated by the pulse generator 120 in charging mode. .
충전모드는 충전모드 시간(Tc) 내에 설정모드에서 결정한 펄스의 듀티비와 충전시간에 따라 펄스생성기(120)의 동작을 통해 배터리 충전을 수행할 수 있다.In the charging mode, the battery can be charged through the operation of the pulse generator 120 according to the duty ratio and charging time of the pulse determined in the setting mode within the charging mode time (Tc).
배터리 충전 과정에서 전류는 펄스 형태로 턴-온 시간(Ton) 및 턴-오프 시간(Toff)에 의해 동작이 결정될 수 있고, 충전모드 시간(Tc) 내에 복수의 펄스가 포함될 수 있다. In the battery charging process, the current is in the form of a pulse, and the operation may be determined by the turn-on time (Ton) and the turn-off time (Toff), and a plurality of pulses may be included within the charging mode time (Tc).
도 5와 같이 충전전류는 일정한 크기의 전류로 유지될 수 있고, 전압의 경우 라이징 엣지 및 폴링 엣지의 크기는 달라질 수 있다. 예를 들어, 배터리의 전압은 일부 시구간에서 기준전압-예를 들어, 4.2V-을 초과할 수 있다.As shown in Figure 5, the charging current can be maintained at a constant size, and in the case of voltage, the sizes of the rising edge and falling edge can vary. For example, the battery's voltage may exceed the reference voltage - for example, 4.2V - at some periods of time.
도 5에서는 설정모드 및 충전모드를 통한 펄스 충전을 예시하기 위한 것으로서, 초기화모드는 생략된 것으로 이해될 수 있다.In Figure 5, it can be understood that the pulse charging through the setting mode and charging mode is exemplified, and the initialization mode is omitted.
도 6은 본 실시예에 따른 설정 모드 및 충전 모드의 시구간을 예시하는 도면이다.Figure 6 is a diagram illustrating time periods of the setting mode and charging mode according to this embodiment.
도 6을 참조하면, 설정모드 및 충전모드 각각은 서로 다른 시구간을 가질 수 있고, 제1 시구간 내지 제3 시구간은 서로 다른 시구간을 가질 수 있다.Referring to FIG. 6, each of the setting mode and charging mode may have different time periods, and the first to third time periods may have different time periods.
전술한 배터리 충전 시스템에서 센싱모듈(140) 및 제어모듈(150)의 연산량에 따라서 서로 다른 연산시간이 필요할 수 있고, 펄스생성기(120)에서 정의된 충전시간이 달라질 수 있고 그에 따라 배터리 셀의 과전압상태시간이 달라질 수 있기 때문에, 최적의 배터리 충전 효율 및 저전력 구동을 위해서는 고정된 충전 사이클보다는 서로 다른 주기 및 모드별 동작시간을 구현하는 것이 필요하다.In the above-described battery charging system, different calculation times may be required depending on the amount of calculation of the sensing module 140 and control module 150, and the charging time defined in the pulse generator 120 may vary, resulting in overvoltage of the battery cell. Since the state time may vary, for optimal battery charging efficiency and low-power operation, it is necessary to implement different cycles and operation times for each mode rather than a fixed charging cycle.
도 7은 본 실시예에 따른 내부 임피던스를 계산하는 방법을 예시하는 도면이다.Figure 7 is a diagram illustrating a method for calculating internal impedance according to this embodiment.
도 8은 본 실시예에 따른 내부 임피던스 계산 과정에 활용되는 파라미터를 설명하는 도면이다.Figure 8 is a diagram explaining parameters used in the internal impedance calculation process according to this embodiment.
도 7 및 도 8을 참조하면, 배터리 셀 전압(V) 및 충전전류(Ic)를 통해 배터리의 내부 임피던스값을 계산할 수 있다.Referring to FIGS. 7 and 8, the internal impedance value of the battery can be calculated using the battery cell voltage (V) and charging current (Ic).
충전전류평균값(Ic_av)는 스위칭주기(Tsw), 듀티비(Dn), 개별 충전전류(Ic,k), 펄스의 개수(Np)들을 활용하여 도 8의 식을 통해 계산할 수 있다.The charging current average value (Ic_av) can be calculated through the equation in FIG. 8 using the switching period (Tsw), duty ratio (Dn), individual charging current (Ic,k), and number of pulses (Np).
셀 전압편차(ΔVb)는 기준점(P2)의 전압(Vb,1)과 기준점(P1)의 전압(Vb,on)에 의해 계산될 수 있고, 각 기준점들은 개별 펄스에 대응하여 달라질 수 있다. 특히, 충전모드의 최초의 일 지점(P2)에 측정한 전압(Vb,1)을 기준으로 임피던스를 계산하게 되면, 시간에 따른 전압의 변화에 무관하게 임피던스의 계산이 간단해질 수 있다.The cell voltage deviation (ΔVb) can be calculated by the voltage (Vb,1) of the reference point (P2) and the voltage (Vb,on) of the reference point (P1), and each reference point may vary in response to individual pulses. In particular, if the impedance is calculated based on the voltage (Vb,1) measured at the first point (P2) of the charging mode, the impedance calculation can be simplified regardless of the change in voltage over time.
여기서 펄스의 폴링 엣지가 수직이 되지 않는 경우가 발생하므로 임피던스 계산을 위한 기준점으로서 다른 기준점(P3)가 채택될 수 있다. 기준점(P3)는 일정한 시간을 경과한 지점(Tintrpt) 또는 일정한 비율로 전압이 감소한 지점 등으로 정의될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Here, since the falling edge of the pulse is not vertical, a different reference point (P3) can be adopted as a reference point for impedance calculation. The reference point (P3) may be defined as a point after a certain period of time (Tintrpt) or a point where the voltage decreases at a certain rate, but is not limited thereto.
배터리의 내부 임피던스값은 셀 전압편차(ΔVb)를 충전전류평균값(Ic_av)으로 나눈 값에 의해 정의될 수 있다. The internal impedance value of the battery can be defined by dividing the cell voltage deviation (ΔVb) by the charging current average value (Ic_av).
도 9는 본 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 순서도이다.9 is a flowchart of a battery charging method according to this embodiment.
도 9를 참조하면, 배터리 충전 방법은 초기화모드(S210), 설정모드(S220), 충전모드(S230), 완전충전탐색모드(S240) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9, the battery charging method may include an initialization mode (S210), a setup mode (S220), a charging mode (S230), and a full charge search mode (S240).
초기화모드(S210)는 배터리 내부 임피던스값(Rin), 듀티비(D), 과전압시간 임계값(Tov_th), 배터리셀전압(V), 충전모드시간(Tc) 등을 초기화하는 단계일 수 있다. 초기화모드(S210)에서는 전술한 파라미터의 전부 또는 일부를 초기화할 수 있고, 도 10과 같은 파마리터들을 초기화할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The initialization mode (S210) may be a step to initialize the battery internal impedance value (Rin), duty ratio (D), overvoltage time threshold (Tov_th), battery cell voltage (V), charging mode time (Tc), etc. In the initialization mode (S210), all or part of the above-described parameters can be initialized, and parameters such as those shown in FIG. 10 can be initialized, but are not limited thereto.
설정모드(S220)는 배터리셀의 충전을 위한 듀티비 및 충전시간을 결정하는 모드일 수 있다. The setting mode (S220) may be a mode that determines the duty ratio and charging time for charging the battery cell.
설정모드(S220)에서 배터리의 내부 임피던스 증감량을 계산하고, 이를 기초로 전류펄스의 듀티비를 결정하는 듀티비 설정 단계를 수행할 수 있다.In the setting mode (S220), a duty ratio setting step can be performed in which the internal impedance increase or decrease of the battery is calculated and the duty ratio of the current pulse is determined based on this.
또한, 설정모드(S220)는 제1 시구간의 배터리의 개방회로전압값을 측정하고, 개방회로전압값이 기준전압값을 초과하는 과전압상태시간을 계산하고, 과전압상태시간에 따라 제2 시구간에 전달되는 충전 펄스의 개수 및 충전시간을 결정하는 충전시간 결정단계를 수행할 수 있다.In addition, the setting mode (S220) measures the open circuit voltage value of the battery in the first time period, calculates the overvoltage state time when the open circuit voltage value exceeds the reference voltage value, and transmits the value to the second time period according to the overvoltage state time. A charging time determination step may be performed to determine the number of charging pulses and the charging time.
충전시간 결정단계에서 제1 시구간의 과전압상태시간에 반비례하여 제2 시구간의 충전시간을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 과전압상태시간과 배터리의 충전용량, 충전시간의 상관관계를 미리 연산해두고, 과전압상태시간에 대응하는 충전시간을 감소시킬 수 있다.In the charging time determination step, the charging time of the second time period may be reduced in inverse proportion to the overvoltage state time of the first time period. For example, the correlation between the overvoltage state time, the charging capacity of the battery, and the charging time can be calculated in advance, and the charging time corresponding to the overvoltage state time can be reduced.
여기서, 내부 임피던스값은 배터리의 셀 전압값을 충전전류의 적분평균값으로 나눈 값으로 정의될 수 있다. 또한, 제2 시구간의 듀티비는 제1 시구간의 듀티비와 내부 임티던스값의 변화량 및 비례계수(k)의 곱의 합에 의해 결정될 수 있다.Here, the internal impedance value can be defined as the cell voltage value of the battery divided by the integrated average value of the charging current. Additionally, the duty ratio of the second time period may be determined by the sum of the product of the duty ratio of the first time period, the amount of change in the internal impedance value, and the proportionality coefficient (k).
듀티비 설정 단계에서 턴-온 및 턴-오프 비율은 1:3 내지 1:5의 범위 내로 듀티비를 유지할 수 있으나, 이에 제한되지 않는 다양한 비율을 정의할 수 있다.In the duty ratio setting step, the turn-on and turn-off ratios may be maintained within the range of 1:3 to 1:5, but various ratios that are not limited thereto may be defined.
충전모드(S230)는 제1 시구간에 배터리 충전을 수행하고, 제2 시구간에 설정된 듀티비 및 충전시간에 따라 배터리 충전을 수행하는 배터리 충전 단계를 수행할 수 있다.The charging mode (S230) may perform a battery charging step in which battery charging is performed in a first time period and battery charging is performed according to a duty ratio and charging time set in a second time period.
완전충전탐색모드(S240)는 배터리의 개방회로전압(Voc)와 완전충전 배터리셀 전압(Vfc)를 비교하여 완전충전 여부를 탐색하는 단계를 수행할 수 있다.The full charge search mode (S240) can perform a step of detecting whether the battery is fully charged by comparing the open circuit voltage (Voc) of the battery and the fully charged battery cell voltage (Vfc).
필요에 따라, 완전충전탐색모드(S240)의 이후에 다시 설정모드(S220)를 수행할 수 있다.If necessary, the setup mode (S220) can be performed again after the full charge search mode (S240).
도 10은 본 실시예에 따른 초기화 모드에 활용되는 파라미터를 설명하는 도면이다.Figure 10 is a diagram explaining parameters used in the initialization mode according to this embodiment.
배터리 임피던스 초기값(Rin_0)은 매 충전 사이클 초기에 정밀하게 측정하여 업데이트된 배터리 임피던스값일 수 있고, 또는 이전 충방전 사이클에서 마지막으로 측정된 임피던스값일 수 있다. 배터리 임피던스 증감(ΔRin)에 사용될 수 있다.The initial battery impedance value (Rin_0) may be an updated battery impedance value measured precisely at the beginning of each charging cycle, or may be the last impedance value measured in the previous charging/discharging cycle. It can be used to increase or decrease battery impedance (ΔRin).
듀티비 초기값(D0)은 듀티비가 이전 충전모드와의 임피던스 차이 값에 따라 조절되기 때문에 미리 설정해두는 듀티비의 초기값이다. 배터리 내부 임피던스값(Rin)은 충전상태(SoC)가 증가함에 따라 점점 감소하고, 충방전 사이클의 회수(Nc)가 증가함에 따라 노화(aging) 현상에 의해 충전상태(SoC) 전 구간에서 조금씩 증가하게 된다. 제어모듈(150)은 배터리의 충전상태(SoC) 및 충방전 사이클의 회수(Nc)에 대한 상관관계를 미리 계산 또는 실시간으로 계산하고 배터리 충전 과정에서 활용할 수 있다. 예를 들어, 충전상태(SoC)에 대응하여 듀티비의 증감폭을 조절하거나, 충전시간의 증감폭을 조절하는 캘리브레이션 과정을 더 수행할 수 있다. 이러한 점들을 고려하여, 듀티비 초기값(D0)은 충전상태(SoC), 충방전 사이클 회수(Nc), 배터리 임피던스 초기값(Rin_0)에 기초하여 결정될 수 있다. The initial duty ratio value (D0) is the initial value of the duty ratio that is set in advance because the duty ratio is adjusted according to the impedance difference value from the previous charging mode. The battery internal impedance value (Rin) gradually decreases as the state of charge (SoC) increases, and as the number of charge and discharge cycles (Nc) increases, it gradually increases throughout the entire state of charge (SoC) due to aging phenomenon. I do it. The control module 150 can calculate the correlation between the state of charge (SoC) of the battery and the number of charge and discharge cycles (Nc) in advance or in real time and use it in the battery charging process. For example, a calibration process may be further performed to adjust the increase/decrease range of the duty ratio or the increase/decrease range of the charging time in response to the state of charge (SoC). Considering these points, the initial duty ratio value (D0) may be determined based on the state of charge (SoC), the number of charge/discharge cycles (Nc), and the initial value of battery impedance (Rin_0).
듀티비 최대값(Dmax) 및 듀티비 최소값(Dmin)은 듀티비 절상에 사용될 수 있다. 예를 들어, 듀티비 최대값(Dmax)은 60%로 설정될 수 있고, 듀티비 최소값(Dmin)은 10%로 설정될 수 있고, 이는 배터리의 동작 효율 및 화재 방지를 위해 적절한 임의의 값이 사용될 수 있다. 필요에 따라, 듀티비 최소값(Dmin)은 기준이 되는 전류에 해당하는 평균 전류를 만들어내는 듀티비로 정의될 수 있고, 변화하는 전류 데이터에 기초하여 듀티비를 역산할 수 있다.The duty ratio maximum value (Dmax) and the duty ratio minimum value (Dmin) can be used to increase the duty ratio. For example, the maximum duty ratio (Dmax) may be set to 60%, and the minimum duty ratio (Dmin) may be set to 10%, which may be any appropriate value for battery operation efficiency and fire prevention. can be used If necessary, the minimum duty ratio value (Dmin) can be defined as a duty ratio that produces an average current corresponding to the reference current, and the duty ratio can be inverted based on changing current data.
과전압시간 임계값(Tov_th)은 배터리의 개방전압이 기준이 되는 기준전압값을 초과하는 시간의 임계값일 수 있다. 배터리 동작을 위해 제1 과전압시간 임계값(Tov_th1), 제2 과전압시간 임계값(Tov_th2) 등의 복수의 임계값을 설정할 수 있다. 제어모듈(150)은 과전압상태시간의 임계값을 저장해두고, 과전압상태시간에 대응하여 펄스생성기(120)의 동작을 제어할 수 있다.The overvoltage time threshold (Tov_th) may be a threshold value of the time during which the open-circuit voltage of the battery exceeds the reference voltage value. For battery operation, a plurality of thresholds, such as a first overvoltage time threshold (Tov_th1) and a second overvoltage time threshold (Tov_th2), can be set. The control module 150 stores the threshold value of the overvoltage state time and can control the operation of the pulse generator 120 in response to the overvoltage state time.
완전충전 배터리셀 전압(Vfc)는 배터리 셀의 과전압 상태를 방지하기 위해 적절한 임계값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 완전충전 배터리셀 전압(Vfc)는 4.1V 또는 4.2V로 설정될 수 있으나, 배터리 셀의 충전용량 또는 목적에 따라 이에 제한되지 않는 다양한 기준이 설정될 수 있다.The fully charged battery cell voltage (Vfc) can be set to an appropriate threshold to prevent an overvoltage condition in the battery cell. For example, the fully charged battery cell voltage (Vfc) may be set to 4.1V or 4.2V, but various standards, but not limited thereto, may be set depending on the charging capacity or purpose of the battery cell.
충전모드시간(Tc)는 배터리셀 충전모드 구동을 위한 시간일 수 있고, 예를 들어, 충전모드시간 초기값(Tc_0)는 스위칭타임(Tsw)의 정수배로 정의될 수 있다. The charging mode time (Tc) may be the time for driving the battery cell charging mode. For example, the initial value of the charging mode time (Tc_0) may be defined as an integer multiple of the switching time (Tsw).
충전모드시간의 최대값 및 최소값(Tc_max, Tc_min)은 충전모드시간의 절상에 사용될 수 있다.The maximum and minimum values (Tc_max, Tc_min) of the charging mode time can be used to increase the charging mode time.
도 10은 도 9의 초기화모드(S210)에서 초기화하는 파라미터의 예시로서, 본 실시예는 이에 제한되지 않는 다양한 변수를 저장 및 계산할 수 있다.FIG. 10 is an example of parameters initialized in the initialization mode (S210) of FIG. 9, and the present embodiment can store and calculate various variables, but are not limited thereto.
도 11은 본 실시예에 따른 배터리 충전 방법의 상세 순서도이다.11 is a detailed flowchart of the battery charging method according to this embodiment.
도 11을 참조하면, 배터리 충전 방법은 초기화모드(S210), 설정모드(S220), 충전모드(S230), 완전충전탐색모드(S240) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 11, the battery charging method may include an initialization mode (S210), a setup mode (S220), a charging mode (S230), and a full charge search mode (S240).
초기화모드(S210)는 과전압상태시간(Tov,n)을 초기화하는 단계를 포함할 수 있다.The initialization mode (S210) may include the step of initializing the overvoltage state time (Tov,n).
설정모드(S220)는 개방회로전압을 측정하는 단계(S221), 개방회로전압과 완전충전 배터리셀 전압을 비교하는 단계(S222), 듀티비를 조절하는 단계(S223), 충전시간을 조절하는 단계(S224) 등을 포함할 수 있다.The setting mode (S220) includes measuring the open circuit voltage (S221), comparing the open circuit voltage and the fully charged battery cell voltage (S222), adjusting the duty ratio (S223), and adjusting the charging time. (S224), etc. may be included.
개방회로전압을 측정하는 단계(S221)는 센싱모듈(130)에 포함된 센서들에 의해 배터리셀의 개방회로전압을 측정하는 단계일 수 있다.The step of measuring the open circuit voltage (S221) may be a step of measuring the open circuit voltage of the battery cell using sensors included in the sensing module 130.
개방회로전압과 완전충전 배터리셀 전압을 비교하는 단계(S222)는 측정된 개방회로전압(Voc)와 완전충전 배터리셀 전압(Vfc)를 비교하는 단계일 수 있다. 개방회로전압(Voc)이 완전충전 배터리셀 전압(Vfc)를 초과하지 않는 경우에 듀티비 조절 단계(S223) 또는 충전시간 조절 단계(S224)를 수행할 수 있다.The step of comparing the open circuit voltage and the fully charged battery cell voltage (S222) may be a step of comparing the measured open circuit voltage (Voc) and the fully charged battery cell voltage (Vfc). When the open circuit voltage (Voc) does not exceed the fully charged battery cell voltage (Vfc), the duty ratio adjustment step (S223) or the charging time adjustment step (S224) can be performed.
듀티비를 조절하는 단계(S223)는 배터리 셀의 내부 임피던스 증감을 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 내부 임피던스 변화량(ΔRin)은 (n-1)번째 설정모드에서 측정한 배터리 임피던스값과 (n-2)번째 설정모드에서 측정한 배터리 임피던스값의 차이값일 수 있고, 아래의 식 1에 의해 계산될 수 있다. 여기서, n은 2 이상의 정수일 수 있다.The step of adjusting the duty ratio (S223) may include calculating an increase or decrease in the internal impedance of the battery cell. The internal impedance change (ΔRin) may be the difference between the battery impedance value measured in the (n-1)th setting mode and the battery impedance value measured in the (n-2)th setting mode, and can be calculated by Equation 1 below. You can. Here, n may be an integer of 2 or more.
(식 1) (Equation 1)
식 1을 적용하면, 도 6에서 제3 시구간의 임피던스 변화량은 제2 시구간에 계산된 임피던스값 및 제1 시구간에 계산된 임피던스값을 통해 계산할 수 있다.Applying Equation 1, the amount of impedance change in the third time period in FIG. 6 can be calculated through the impedance value calculated in the second time period and the impedance value calculated in the first time period.
그 다음으로, (n)번째 충전모드 듀티비는 아래의 (식 2)에 의해 계산될 수 있다. 여기서, Dn은 (n)번째 충전모드의 듀티비이고, k_R은 비례계수일 수 있다.Next, the (n)th charging mode duty ratio can be calculated by (Equation 2) below. Here, Dn is the duty ratio of the (n)th charging mode, and k_R may be a proportionality coefficient.
(식 2) (Equation 2)
식 2를 적용하면, 도 6에서 제3 시구간의 듀티비는 제2 시구간의 듀티비, 제3 시구간의 임피던스변화량, 및 제3 시구간의 비례계수를 통해 계산할 수 있다.Applying Equation 2, the duty ratio of the third time period in FIG. 6 can be calculated through the duty ratio of the second time period, the impedance change amount of the third time period, and the proportionality coefficient of the third time period.
듀티비를 조절하는 단계(S223)는 과전압상태시간을 측정하고, 임계값과 비교하는 단계를 더 수행할 수 있다. 측정된 과전압상태시간(Tov,n)이 과전압시간 임계값(Tov_th)을 초과하는 경우에는 듀티비를 재 계산할 수 있다. 예를 들어, 과전압상태시간에 대응하여 듀티비를 감소시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The step of adjusting the duty ratio (S223) may further include measuring the overvoltage state time and comparing it with a threshold value. If the measured overvoltage state time (Tov,n) exceeds the overvoltage time threshold (Tov_th), the duty ratio can be recalculated. For example, the duty ratio may be reduced in response to the overvoltage state time, but is not limited thereto.
측정된 과전압상태시간(Tov,n)이 제1 과전압시간 임계값(Tov_th1)을 초과하는 경우에는 듀티비를 재 계산할 수 있다. 이 때, 제1 과전압시간 임계값(Tov_th1)은 제2 과전압시간 임계값(Tov_th2)보다 작은 값을 가질 수 있다. 또한, 측정된 과전압상태시간(Tov,n)이 제1 과전압시간 임계값(Tov_th1)을 초과하는 경우에는 최소 전류를 공급할 수 있다. 예를 들어, 0.1C 전류에 대응하는 듀티비로 배터리를 충전할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.If the measured overvoltage state time (Tov,n) exceeds the first overvoltage time threshold (Tov_th1), the duty ratio can be recalculated. At this time, the first overvoltage time threshold (Tov_th1) may have a value smaller than the second overvoltage time threshold (Tov_th2). Additionally, when the measured overvoltage state time (Tov,n) exceeds the first overvoltage time threshold (Tov_th1), the minimum current may be supplied. For example, the battery can be charged with a duty ratio corresponding to 0.1C current, but is not limited to this.
듀티비를 조절하는 단계(S223)는 듀티비 최대값과 듀티비 최소값 사이에서 듀티비를 절상하는 단계를 더 수행할 수 있다. The step of adjusting the duty ratio (S223) may further include increasing the duty ratio between the maximum duty ratio value and the minimum duty ratio value.
또한, 듀티비를 조절하는 단계(S223)는 충전효율 향상을 위해 스위치 턴-온 기간과 턴-오프 기간의 비율을 1:3 내지 1:5 범위 내로 유지하면서 내부 임피던스 값에 따라 튜티비를 가변할 수 있다.In addition, the step of adjusting the duty ratio (S223) changes the duty ratio according to the internal impedance value while maintaining the ratio of the switch turn-on period and turn-off period within the range of 1:3 to 1:5 to improve charging efficiency. can do.
충전시간을 조절하는 단계(S224)는 (n)번째 충전모드 시간(Tc,n)을 계산하는 단계를 포함할 수 있고, 아래의 식 3 및 식 4의 계산식에 의해 다음 충전모드 시간을 업데이트할 수 있다. The step of adjusting the charging time (S224) may include calculating the (n)th charging mode time (Tc,n), and updating the next charging mode time according to the calculation formulas in Equations 3 and 4 below. You can.
(식 3) (Equation 3)
(식 4) (Equation 4)
여기서, 과전압상태시간 변화량(ΔTov)은 (n)번째 설정모드의 과전압상태시간 및 (n-1)번째 설정모드의 과전압상태시간의 차이로 정의될 수 있다.Here, the overvoltage state time change amount (ΔTov) can be defined as the difference between the overvoltage state time of the (n)th setting mode and the overvoltage state time of the (n-1)th setting mode.
여기서, (n)번째 충전모드 시간(Tc,n)은 (n-1)번째 충전모드 시간(Tc,n-1)에 비례계수(k_ov), 과전압상태시간 변화량(ΔTov), PWM 스위칭 주기(Tsw)를 곱한 값을 빼는 방법으로 계산할 수 있다.Here, the (n)th charging mode time (Tc,n) is the proportionality coefficient (k_ov), overvoltage state time change (ΔTov), and PWM switching cycle ( It can be calculated by subtracting the value multiplied by Tsw).
여기서, 충전모드 시간 초기값(Tc,0)는 스위칭 주기(Tsw) 에 정수(k_t)를 곱한 값으로 정의될 수 있다.Here, the initial charging mode time value (Tc,0) may be defined as the switching period (Tsw) multiplied by an integer (k_t).
충전시간을 조절하는 단계(S224)는 충전모드 시간(Tc,n)의 최대값과 최소값에 의해 충전모드 시간을 절상할 수 있다. 예를 들어, 충전모드 시간(Tc,n)의 최소값은 스위칭 주기(Tsw)와 같도록 설정될 수 있다.In the step of adjusting the charging time (S224), the charging mode time can be rounded up by the maximum and minimum values of the charging mode time (Tc,n). For example, the minimum value of the charging mode time (Tc,n) may be set to be equal to the switching period (Tsw).
또한, 충전시간을 조절하는 단계(S224)는 (n)번째 충전모드를 위한 펄스의 개수(Np)를 충전모드시간(Tc,n) 및 스위칭 주기(Tsw)에 의해 결정할 수 있다.Additionally, in the step of adjusting the charging time (S224), the number of pulses (Np) for the (n)th charging mode can be determined by the charging mode time (Tc,n) and the switching cycle (Tsw).
(식 5) (Equation 5)
스위칭주기(Tsw)는 전력소자의 스위치 주기로서 듀티 온 시간 및 듀티 오프 시간의 합으로 정의될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The switching period (Tsw) is a switch period of a power device and may be defined as the sum of duty-on time and duty-off time, but is not limited thereto.
배터리 충전 과정에서 전체 충전시간의 대부분은 개방회로전압(Voc)가 완전충전전압(Vfc)보다 작으므로, 충전모드 시간(Tc,n)은 과전압상태시간(Tov)의 영향이 없이 일정하다. 즉, 초기 충전모드 시간(Tc,0)이 유지될 수 있다.During most of the entire charging time during the battery charging process, the open circuit voltage (Voc) is less than the full charge voltage (Vfc), so the charging mode time (Tc,n) is constant without the influence of the overvoltage state time (Tov). That is, the initial charging mode time (Tc,0) can be maintained.
만약, 충전상태(SoC)가 일정 이상 증가-예를 들어, SoC가 100%에 근접할수록, 또는 CC-CV 충전에서 CV에 근접-할수록, 개방회로전압(Voc)이 완전충전전압(Vfc)보다 같거나 큰 시간이 증가하면서 충전모드 시간은 점점 줄어들게 된다.If the state of charge (SoC) increases beyond a certain level - for example, the closer the SoC is to 100%, or the closer to CV in CC-CV charging - the open circuit voltage (Voc) is higher than the full charge voltage (Vfc). As the equal or greater time increases, the charging mode time gradually decreases.
충전모드(S230)는 설정모드(S220)에서 결정한 가변 듀티비 및 가변 충전시간에 기초하여 배터리의 충전을 수행하는 단계일 수 있다.The charging mode (S230) may be a step of charging the battery based on the variable duty ratio and variable charging time determined in the setting mode (S220).
완전충전탐색모드(S240)는 과전압시간을 업데이트(S241)하고, 과전압상태시간(Tov,n)이 제2 과전압시간 임계값(Vov_th2) 미만인 경우에는 다시 개방전압을 측정하는 단계로 돌아가는 단계(S242)를 포함할 수 있다. 만약, 개방회로전압(Voc)이 완전충전전압(Vfc)와 같거나 크고, 이와 동시에 과전압상태시간(Tov,n)이 제2 과전압시간 임계값(Vov_th2)을 초과하는 경우에는 충전 완료 상태로 판단할 수 있고, 충전을 종료할 수 있다. 여기서, 제2 과전압시간 임계값(Vov_th2)는 제1 과전압시간 임계값(Vov_th1)보다 더 큰 값으로 정의될 수 있다.The full charge search mode (S240) updates the overvoltage time (S241), and if the overvoltage state time (Tov,n) is less than the second overvoltage time threshold (Vov_th2), it returns to the step of measuring the open-circuit voltage (S242). ) may include. If the open circuit voltage (Voc) is equal to or greater than the full charge voltage (Vfc) and at the same time the overvoltage state time (Tov,n) exceeds the second overvoltage time threshold (Vov_th2), the charging is judged to be complete. You can do it, and you can end charging. Here, the second overvoltage time threshold (Vov_th2) may be defined as a value greater than the first overvoltage time threshold (Vov_th1).
도 11은 배터리 충전 시스템의 동작 방법을 기능적으로 구분한 것으로, 본 실시예는 일부 단계가 생략되거나, 일부 순서가 변형되는 등의 다양한 변형 실시예를 포함할 수 있다.FIG. 11 functionally divides the operating method of the battery charging system, and this embodiment may include various modified embodiments such as some steps being omitted or some sequences being modified.
도 12는 본 실시예에 따른 충전 모드의 상세 순서도이다.12 is a detailed flowchart of the charging mode according to this embodiment.
도 12를 참조하면, 충전모드(S230)는 전류 펄스를 발생시켜 배터리를 충전하는 단계(S231), 배터리 충전전류(Ic)를 측정하는 단계(S232), 펄스 순서를 업데이트 하는 단계(S233), 충전모드 시간 경과를 확인하는 단계(S234), 배터리 내부 임피던스를 계산하는 단계(S235) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 12, the charging mode (S230) includes charging the battery by generating a current pulse (S231), measuring the battery charging current (Ic) (S232), updating the pulse sequence (S233), It may include a step of checking the elapse of charging mode time (S234) and a step of calculating the internal impedance of the battery (S235).
전류 펄스를 발생시켜 배터리를 충전하는 단계(S231)는 펄스발생기(120)를 통해 전류의 턴-온 및 턴-오프를 반복하여 펄스 형태의 전류를 배터리로 공급하는 단계일 수 있다.The step of charging the battery by generating a current pulse (S231) may be a step of supplying current in the form of a pulse to the battery by repeating turn-on and turn-off of the current through the pulse generator 120.
배터리 충전전류(Ic)를 측정하는 단계(S232)는 센싱모듈(140)에 의해 배터리의 충전전류(Ic)를 측정하는 단계일 수 있다.The step of measuring the battery charging current (Ic) (S232) may be a step of measuring the charging current (Ic) of the battery by the sensing module 140.
펄스 순서를 업데이트 하는 단계(S233)는 펄스가 통과함에 따라 펄스의 개수를 순차적으로 업데이트하는 단계일 수 있다.The step of updating the pulse sequence (S233) may be a step of sequentially updating the number of pulses as the pulses pass.
충전모드 시간 경과를 확인하는 단계(S234)는 배터리 충전모드의 시간이 경과하였는지 여부를 확인하고, 만약 경과하지 않은 경우에는 다시 전류 펄스 발생 및 배터리 충전 단계(S231)로 되돌아가며, 경과한 경우에는 배터리 내부 임피던스(Rin_n)를 계산하는 단계(S235)를 수행한다. The step of checking the elapse of charging mode time (S234) checks whether the time of the battery charging mode has elapsed. If it has not elapsed, the step returns to the current pulse generation and battery charging step (S231). A step (S235) of calculating the battery internal impedance (Rin_n) is performed.
배터리 내부 임피던스를 계산하는 단계(S235)는 전술한 도 8의 방법으로 배터리의 셀 전압(V) 및 전류평균값(Ic_ac)를 통해 배터리 내부 임피던스를 계산하는 단계일 수 있다.The step of calculating the battery internal impedance (S235) may be a step of calculating the battery internal impedance through the cell voltage (V) and current average value (Ic_ac) of the battery using the method of FIG. 8 described above.
배터리 내부 임피던스를 계산하는 단계(S235)는 충전모드 최초 펄스의 시작 시점-예를 들어, 도 7의 P2 지점-에 측정한 셀전압을 기준으로 배터리 전압의 편차(ΔVb)를 계산하고, 내부 임피던스를 계산할 수 있다.The step of calculating the battery internal impedance (S235) calculates the deviation (ΔVb) of the battery voltage based on the cell voltage measured at the start point of the first pulse of the charging mode - for example, point P2 in FIG. 7, and calculates the internal impedance can be calculated.
다른 실시예에 의하면, 마지막 펄스의 끝 시점(Ton)-예를 들어, 도 7의 P1 지점-에 측정한 배터리 전압과 충전모드 마지막 펄스의 오프가 시작하는 시점(Toff), 및 방해시간(Tintrpt)이 경과한 시점(P3)에 측정한 배터리 전압의 차이를 배터리 전압의 편차(ΔVb)로 정의할 수 있다. According to another embodiment, the battery voltage measured at the end point of the last pulse (Ton) - for example, point P1 in FIG. 7, the point when the last pulse of the charging mode starts to turn off (Toff), and the interruption time (Tintrpt) ) can be defined as the battery voltage deviation (ΔVb) measured at the point in time (P3).
또한, 방해시간(Tintrpt)는 전류 인터럽트 시간으로, 배터리 내부 임피던스의 리액턴스 성분이 0이 되는데 필요한 시간을 말할 수 있고, 배터리를 구성하는 소개의 화학적 특성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 방해시간(Tintrpt)은 0.5초로 정의될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Additionally, the interruption time (Tintrpt) is the current interrupt time, which refers to the time required for the reactance component of the battery's internal impedance to become 0, and can vary depending on the chemical characteristics of the inlet that makes up the battery. For example, the interruption time (Tintrpt) may be defined as 0.5 seconds, but is not limited thereto.
도 12의 단계(S235)에서 배터리 내부임피던스값을 계산하는 단계는 충전모드에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 도 11의 설정모드에서도 수행될 수 있으며, 계산의 순서는 이에 제한되지 않고 다양하게 설정될 수 있다.The step of calculating the battery internal impedance value in step S235 of FIG. 12 may be performed in the charging mode, but is not limited thereto and may also be performed in the setting mode of FIG. 11, and the order of calculation is not limited thereto and can be varied. can be set.
충전모드에서의 평균 충전전류(Ic_av)는 복수 펄스의 전류 평균값일 수 있으며, 배터리의 내부 임피던스값은 전압 편차(ΔVb)에 전류평균값(Ic_av)을 나누어 계산할 수 있다. The average charging current (Ic_av) in charging mode can be the average current value of multiple pulses, and the internal impedance value of the battery can be calculated by dividing the average current value (Ic_av) by the voltage deviation (ΔVb).
내부 임피던스값(Rin)을 측정하기 위해 고전류 펄스를 사용하는 경우 실제 값과 다르게 측정될 수 있으나(참고문헌 4), 본 실시예에서 듀티비를 결정할 때의 내부 임피던스값(Rin)의 절대값 대신 이전 충전모드와의 임피던스 차이(ΔRin)를 사용하여 계산하며 비례계수(k_R)을 사용하여 실제 값과의 차이로 인해 발생하는 오차를 조절할 수 있다.When using a high current pulse to measure the internal impedance value (Rin), it may be measured differently from the actual value (Reference 4), but in this embodiment, when determining the duty ratio, the absolute value of the internal impedance value (Rin) is used instead of the absolute value. It is calculated using the impedance difference (ΔRin) from the previous charging mode, and the error resulting from the difference from the actual value can be adjusted using the proportionality coefficient (k_R).
또한, 배터리 내부 임피던스값은 배터리의 충전 사이클 마다 정확한 측정값으로 업데이트될 수 있고, 또는 배터리의 충방전 사이클 회수와 잔존용량(SOC)를 반영하여 보정될 수 있다.Additionally, the battery's internal impedance value can be updated to an accurate measured value every charging cycle of the battery, or can be corrected by reflecting the number of charge/discharge cycles and remaining capacity (SOC) of the battery.
내부 임피던스 증감 분에 따른 가변 듀티 비를 갖는 전류 펄스로 배터리 충전하여 배터리 충전 효율향상을 도모할 수 있다.Battery charging efficiency can be improved by charging the battery with a current pulse with a variable duty ratio depending on the increase or decrease in internal impedance.
또한, 충전상태(SoC)가 일정 이상인 상태에서 과전압시간(Overvoltage Time)이 과도하게 길어지는 것을 방지할 수 있도록 가변 충전모드 시간 동안 충전하게 되면, 일정 이상의 고전류 펄스로 충전하여 충전속도를 높이면서 배터리 수명도 향상시킬 수 있다.In addition, when charging during the variable charging mode time to prevent the overvoltage time from being excessively long when the state of charge (SoC) is above a certain level, the battery is charged with a high current pulse above a certain level to increase the charging speed. Lifespan can also be improved.
참고문헌 1: Sheng Sui Zhang, "The effect of the charging protocol on the cycle life of a Li-ion battery", 2006Reference 1: Sheng Sui Zhang, "The effect of the charging protocol on the cycle life of a Li-ion battery", 2006
참고문헌 2: Qi Li, "Understanding the molecular mechanism of pulse current charging for stable lithium-metal batteries", 2017Reference 2: Qi Li, "Understanding the molecular mechanism of pulse current charging for stable lithium-metal batteries", 2017
참고문헌 3: Liang-Rui Chen, "Design of Duty-Varied Voltage Pulse Charger for Improving Li-Ion Battery-Charging Response", 2009Reference 3: Liang-Rui Chen, "Design of Duty-Varied Voltage Pulse Charger for Improving Li-Ion Battery-Charging Response", 2009
참고문헌 4: Zeyang Geng, "Intermittent current interruption method for commercial lithium ion batteries aging characterization", 2021Reference 4: Zeyang Geng, “Intermittent current interruption method for commercial lithium ion batteries aging characterization”, 2021
Claims (12)
상기 배터리로 가변 듀티비를 가지는 펄스 신호를 전달하는 펄스생성기;
상기 배터리의 터미널 전압 및 개방회로전압과 상기 배터리로 전달되는 충전전류를 측정하고, 상기 배터리의 상태 정보를 판단하는 센싱모듈; 및
상기 센싱모듈이 측정한 상기 개방회로전압 또는 상기 충전전류에 기초하여 상기 펄스생성기의 듀티비를 변경하거나, 또는 상기 배터리의 충전시간을 변경하는 제어모듈을 포함하는, 배터리 충전 시스템.A battery including a secondary cell capable of repeated charging and discharging;
a pulse generator that delivers a pulse signal with a variable duty ratio to the battery;
A sensing module that measures the terminal voltage and open circuit voltage of the battery and the charging current delivered to the battery, and determines status information of the battery; and
A battery charging system comprising a control module that changes the duty ratio of the pulse generator or changes the charging time of the battery based on the open circuit voltage or the charging current measured by the sensing module.
상기 제어모듈은 상기 배터리의 내부임피던스 값에 따라 상기 펄스생생기의 충전 펄스의 듀티비를 조절하는, 배터리 충전 시스템.According to claim 1,
The control module is a battery charging system that adjusts the duty ratio of the charging pulse of the pulse generator according to the internal impedance value of the battery.
상기 제어모듈은 상기 센싱모듈이 측정한 상기 개방회로전압이 과전압기준전압값을 초과한 과전압상태시간을 카운트하고, 상기 과전압상태시간에 따라 상기 펄스생성기의 충전 펄스의 개수를 조절하는, 배터리 충전 시스템.According to claim 1,
The control module counts the overvoltage state time in which the open circuit voltage measured by the sensing module exceeds the overvoltage reference voltage value, and adjusts the number of charging pulses of the pulse generator according to the overvoltage state time. A battery charging system .
상기 펄스생성기로 일정한 크기의 충전전압을 전달하거나, 일정한 크기의 충전전류를 생성하여 전달하는 파워소스를 더 포함하는, 배터리 충전 시스템.According to claim 1,
A battery charging system further comprising a power source that transmits a charging voltage of a certain magnitude to the pulse generator or generates and transmits a charging current of a certain magnitude.
상기 제어모듈은, 상기 배터리의 리튬이온 농도 분포의 급격한 변화(gradient)를 방지하기 위해 상기 펄스생성기의 충전 펄스의 턴-오프 시간을 조절하는 배터리 충전 시스템.According to claim 1,
The control module is a battery charging system that adjusts the turn-off time of the charging pulse of the pulse generator to prevent a sudden change (gradient) in the lithium ion concentration distribution of the battery.
상기 배터리 충전 시스템은,
배터리 내부임피던스값, 듀티비, 과전압상태시간, 및 충전모드시간에 관한 데이터를 초기화하는 초기화모드; 및
상기 초기화모드 이후에 상기 배터리 내부임피던스 증가율에 기초하여 상기 듀티비를 계산하고, 상기 펄스생성기가 다음 주기에 생성하는 펄스 신호의 상태를 설정하는 설정모드를 포함하는, 배터리 충전 시스템.According to claim 1,
The battery charging system is,
An initialization mode that initializes data regarding battery internal impedance value, duty ratio, overvoltage state time, and charging mode time; and
A battery charging system comprising a setting mode for calculating the duty ratio based on the battery internal impedance increase rate after the initialization mode and setting the state of the pulse signal generated by the pulse generator in the next cycle.
상기 배터리 충전 시스템은,
상기 설정모드에서 결정한 펄스의 듀티비와 충전시간에 따라 상기 펄스생성기의 동작을 수행하는 충전모드를 더 포함하는, 배터리 충전 시스템.According to claim 6,
The battery charging system is,
A battery charging system further comprising a charging mode in which the pulse generator operates according to the pulse duty ratio and charging time determined in the setting mode.
상기 설정모드는 상기 과전압상태시간이 제1 과전압시간 임계값을 초과한 경우 최소 전류의 크기에 해당하는 듀티비로 전류를 공급하는, 배터리 충전 시스템.According to claim 2,
The setting mode supplies current at a duty ratio corresponding to the size of the minimum current when the overvoltage state time exceeds the first overvoltage time threshold.
제1 시구간 및 제2 시구간의 상기 배터리의 내부 임피던스값을 계산하고, 상기 제1 시구간과 상기 제2 시구간의 내부 임피던스값 변화량을 계산하고, 제3 시구간의 듀티비는 제2 시구간의 듀티비에 상기 제3 시구간의 내부 임피던스값 변화량과 비례계수의 곱을 빼는 방법으로 제3 시구간의 듀티비를 계산하는 듀티비 설정 단계;
제3 시구간의 배터리의 개방회로전압값을 측정하고, 상기 개방회로전압값이 기준전압값을 초과하는 과전압상태시간을 계산하고, 상기 과전압상태시간에 따라 제3 시구간에 전달되는 충전 펄스의 개수 및 충전시간을 결정하는 충전시간 결정단계;
상기 제3 시구간에 설정된 듀티비 및 충전시간에 따라 배터리 충전을 수행하는 배터리 충전 단계를 포함하는 단계; 및
상기 배터리 충전 단계에서 측정된 충전전류 및 배터리 셀 전압을 기초로 배터리 내부 임피던스를 계산하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 방법. In a method of charging a battery in a pulse manner through a variable duty ratio and variable charging time,
Calculate the internal impedance value of the battery in the first time period and the second time period, calculate the amount of change in the internal impedance value between the first time period and the second time period, and the duty ratio of the third time period is the duty ratio of the second time period. A duty ratio setting step of calculating the duty ratio of the third time period by subtracting the product of the change in the internal impedance value of the third time period and the proportional coefficient;
Measure the open circuit voltage value of the battery in the third time period, calculate the overvoltage state time when the open circuit voltage value exceeds the reference voltage value, and calculate the number of charging pulses delivered in the third time period according to the overvoltage state time, and A charging time determination step of determining the charging time;
A battery charging step of charging the battery according to the duty ratio and charging time set in the third time period; and
A battery charging method comprising calculating the battery internal impedance based on the charging current and battery cell voltage measured in the battery charging step.
상기 배터리 내부 임피던스 계산 단계에서 충전모드 최초 펄스의 시작 시점에서 측정한 셀 전압(Vb,1)과 충전모드의 최종 펄스의 끝 지점에서 측정한 셀 전압의 피크 값(Vb,on)과의 편차를 해당 충전모드의 충전전류 평균값으로 나눈 값을 내부 임피던스로 결정하는, 배터리 충전 방법.According to clause 9,
In the battery internal impedance calculation step, the deviation between the cell voltage (Vb,1) measured at the start of the first pulse of the charging mode and the peak value of the cell voltage (Vb,on) measured at the end of the final pulse of the charging mode is calculated. A battery charging method in which the internal impedance is determined by dividing the value by the average value of the charging current for the corresponding charging mode.
상기 충전시간 결정단계에서 상기 과전압상태시간에 반비례하여 충전시간을 감소시키는, 배터리 충전 방법.According to clause 9,
A battery charging method that reduces the charging time in inverse proportion to the overvoltage state time in the charging time determining step.
상기 듀티비 설정 단계는 개방회로전압값이 기준전압값을 초과하는 과전압상태시간이 제1 과전압시간 임계값을 초과한 경우에 튜티비를 다시 계산하고,
상기 제1 과전압시간 임계값은 충전 완료 상태를 판단하는 제2 과전압시간 임계값보다 더 작은, 배터리 충전 방법.According to clause 9,
In the duty ratio setting step, when the overvoltage state time in which the open circuit voltage value exceeds the reference voltage value exceeds the first overvoltage time threshold, the duty ratio is recalculated,
The first overvoltage time threshold is smaller than the second overvoltage time threshold for determining a charging completion state.
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---|---|---|---|
KR1020220063326A KR20230163707A (en) | 2022-05-24 | 2022-05-24 | A Pulse Charging System for Rechargeable Battery. |
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CN118991471A (en) * | 2024-10-24 | 2024-11-22 | 际扬科技(浙江)有限公司 | Method for realizing time-sharing overcharge by utilizing super capacitor |
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2022
- 2022-05-24 KR KR1020220063326A patent/KR20230163707A/en not_active Application Discontinuation
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