WO2013165089A1 - 이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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WO2013165089A1
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secondary battery
voltage
dod
discharge
discharge depth
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조원태
정근창
차선영
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주식회사 엘지화학
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to an apparatus and method for estimating a parameter representing an electrical state of a secondary battery.
  • the secondary battery generates electrical energy through electrochemical oxidation and reduction reactions, and is widely used for various purposes.
  • a battery may be a device that can be carried in a human hand such as a mobile phone, a laptop computer, a digital camera, a video camera, a tablet computer, a power tool, or the like;
  • Various electric drive power devices such as electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles, hybrid vehicles, electric boats, electric airplanes, and the like;
  • a power storage device used to store power generated by renewable energy or surplus generated power;
  • the field of use extends to a server computer, a base station for communication, and an uninterruptible power supply for stably supplying power to various information communication devices.
  • the cell comprises three basic components: an anode comprising a material that is oxidized while releasing electrons during discharge, and a cathode comprising a material that is reduced while receiving electrons during discharge. And an electrolyte that allows ion transport between the cathode and the anode.
  • the battery may be classified into a primary battery that cannot be reused after being discharged and a secondary battery capable of repetitive charging and discharging because the electrochemical reaction is at least partially reversible.
  • secondary batteries examples include lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-zinc batteries, nickel-iron batteries, silver oxide batteries, nickel metal hydride batteries, zinc-manganese oxide batteries, zinc-bromide batteries, and metal- Air batteries, lithium secondary batteries and the like are known. Among them, lithium secondary batteries have attracted the greatest commercial interest because of their higher energy density, higher battery voltage, and longer shelf life than other secondary batteries.
  • the depth of discharge (DOD) of the secondary battery relatively indicates how much the capacity of the secondary battery is discharged in the range of 0-1 based on the original capacity of the secondary battery when the secondary battery is discharged.
  • the original capacity means a value obtained by integrating the amount of current flowing out of the secondary battery in the process of discharging the secondary battery in the BOL (Beginning Of Life) state from the charge upper limit voltage to the discharge end voltage.
  • the discharge depth at this time may be calculated as 0.7.
  • Chemicals (eg, lithium ions) involved in the electrochemical reaction of secondary batteries are irreversibly lost as the charge and discharge cycles increase. Loss of such chemicals causes capacity degradation of the secondary battery, and the secondary battery undergoing capacity degradation reaches the discharge end voltage before the discharge depth reaches 1. Therefore, the depth of discharge when reaching the discharge end voltage decreases in proportion to the capacity deterioration.
  • the discharge end voltage of the secondary battery is 3.0V and the capacity deterioration of the secondary battery is 20%, the secondary battery voltage decreases to 3.0V, the discharge end voltage when the depth of discharge of the secondary battery increases to 0.80. do.
  • Capacity degeneration of the secondary battery is a parameter required for accurately calculating the state of charge of the secondary battery.
  • the state of charge is a parameter indicating relatively the capacity of the secondary battery remaining in the range of 0-1 based on the total capacity of the secondary battery in which capacity deterioration is reflected.
  • the state of charge of the secondary battery can be calculated using the discharge depth of the secondary battery, as shown in Equation 1 below.
  • DoD max is the depth of discharge when the secondary battery reaches the discharge end voltage
  • DoD is the current depth of discharge
  • ⁇ Capa is 0-1. Parameters indicating capacity degradation.
  • Equation 1 since DoD is a measurable parameter, the state of charge of the secondary battery is ultimately determined by the capacity decay of the secondary battery represented by ⁇ Capa.
  • the capacity decay of the secondary battery is integrated with the amount of current drawn from the secondary battery in the process of charging the secondary battery to the charge upper limit voltage and then performing a full discharge to the discharge end voltage. When compared with the original capacity, accurate calculations are possible.
  • the internal resistance of the secondary battery correlates with the capacity deterioration
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating a parameter of a secondary battery capable of easily and accurately estimating capacity decay of a secondary battery in an environment in which a secondary battery is used.
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating a parameter of a secondary battery capable of estimating an open voltage, a depth of discharge, or a state of charge of the secondary battery using the estimated capacity degradation.
  • the open circuit voltage (OCV m) is a depth of the first discharge ( A sensor for measuring a difference between the original positive voltage V c, o and the negative voltage V a , which are predetermined in the DOD ′); And a negative voltage V a is calculated from the original positive voltage V c, o and the open voltage O V m , and the original negative voltage V a, o is equal to the negative voltage V a .
  • a controller configured to determine a capacity decay ( ⁇ capa) of the secondary battery.
  • the original positive voltage (V c, o ) and the original negative voltage (V a, o ) are the positive electrode voltage of the secondary battery measured in advance according to the depth of discharge when there is substantially no capacity deterioration of the secondary battery, respectively. It is the voltage value which is measured in advance by experiment as the over voltage and the negative voltage.
  • the original anode voltage V c, o and the original cathode voltage Va and o may be measured based on a reference electrode (eg, a lithium electrode) whose potential may be zero.
  • a reference electrode eg, a lithium electrode
  • the parameter estimating apparatus of the secondary battery according to the present invention further includes a storage unit for storing the original positive voltage (V c, o ) and the original negative voltage (V a, o ) measured for each discharge depth as profile data. can do.
  • the negative voltage (V a ) means a current voltage formed on the negative electrode of the secondary battery, and may be calculated from a difference between the original positive voltage (V c, o ) and the open voltage (OCV m ).
  • the senor may measure the current while the secondary battery is being charged or discharged and provide a measured value of the current to the controller, wherein the controller integrates the measured value of the discharge current to the first discharge depth DoD ′.
  • the storage unit may store the original capacity of the secondary battery, and the control unit may refer to the original capacity of the secondary battery stored in the storage unit when calculating the first discharge depth DoD ′.
  • the level of the first discharge depth DoD 'serving as a reference for measuring the open voltage OCV m may be preset to a fixed value or may be arbitrarily varied.
  • the controller may shift the original negative voltage profile of the secondary battery by the determined capacity degradation, and obtain the degraded open voltage profile of the secondary battery from the original positive voltage profile and the shifted original negative voltage profile. And optionally store the degraded open voltage profile in a storage.
  • the controller may measure an open voltage of a secondary battery, and determine a discharge depth (DoD) of the secondary battery from the deteriorated open voltage profile using the measured open voltage, and optionally The state of charge of the secondary battery may be estimated using the determined discharge depth DoD and the determined capacity decay ⁇ capa.
  • DoD discharge depth
  • the controller may store, transmit, or display at least one parameter selected from the group consisting of the determined capacitance decay, the determined open voltage, the determined depth of discharge, and the determined state of charge.
  • a secondary battery parameter estimation method of an aspect includes a first depth of discharge (DOD ') the open circuit voltage (OCV m) of the secondary battery in the-case, the open-circuit voltage (OCV m) is a depth of the first discharge ( Measuring the difference between the original positive voltage (V c, o ) and the negative voltage (V a ) , which are predetermined in DOD ′); Calculating an anode voltage (V a) from the original positive voltage (V c, o) and the open-circuit voltage (OCV m), determining the original negative voltage (V a, o) is to be the same and the cathode voltage (V a) Doing; Obtaining a second discharge depth DOD ′′ corresponding to the original cathode voltage Va and o ; And determining a capacity decay ( ⁇ capa) of the secondary battery based on a difference between the first discharge depth DOD ′ and the second discharge depth DOD ′′.
  • DOD ' the open circuit
  • the parameter estimation method of the secondary battery shifts the original negative voltage profile of the secondary battery by the determined capacity decay, and degenerates the degraded open voltage profile of the secondary battery from the original positive voltage profile and the shifted original negative voltage profile. It may further comprise the step of obtaining.
  • the method of estimating a parameter of a secondary battery includes measuring an opening voltage of a secondary battery and determining a discharge depth of the secondary battery from the degenerated opening voltage profile using the measured opening voltage; And optionally estimating a state of charge of a secondary battery using the determined discharge depth and the determined capacity degeneration.
  • the parameter estimating method of the secondary battery may further include measuring a discharge depth of the secondary battery, and determining the open voltage of the secondary battery from the degenerated open voltage profile using the measured discharge depth. have.
  • the parameter estimating method of the secondary battery further includes storing, transmitting or displaying at least one parameter selected from the group consisting of the determined capacity decay, the determined open voltage, the determined depth of discharge and the determined state of charge. can do.
  • the secondary battery may include a mixed cathode material including a first cathode material and a second cathode material having different operating voltage ranges.
  • At least one of the first positive electrode material and the second positive electrode material may have a voltage profile including a voltage flat region.
  • the first and second positive electrode materials have different reaction concentrations of the working ions reacting with them as the voltage changes, and transfer the working ions to each other when they become idle or unloaded in the intrinsic voltage band. Voltage relaxation is possible.
  • the secondary battery may be charged or discharged in a voltage range including the intrinsic voltage band.
  • the working ions refer to ions which electrochemically react with the first and second cathode materials during the charging or discharging of the secondary battery including the mixed cathode material.
  • the operating ions may vary depending on the type of secondary battery.
  • the operating ion may be lithium ion.
  • the electrochemical reaction may vary depending on the operation mechanism of the secondary battery.
  • the electrochemical reaction may mean that operating ions are inserted into the first cathode material and / or the second cathode material or vice versa from the inside.
  • the concentration of operating ions inserted into the first and second cathode materials or the concentration of operating ions detached from the first and second cathode materials may vary as the voltage of the secondary battery changes.
  • the first and second cathode materials have different operating voltage ranges with respect to operating ions.
  • operating ions may be preferentially inserted into the first cathode material in a certain voltage band, and vice versa in another voltage band.
  • operating ions may be preferentially desorbed from the second cathode material in one voltage band under the condition that the secondary battery is charged, and vice versa in another voltage band.
  • the idle state is a state in which a large discharge current is drawn from the secondary battery to the main load side of the device on which the secondary battery is mounted, and the minimum discharge current required by the electronic device included in the apparatus is secondary. It means a drawn state from the battery (drawn).
  • the secondary battery is in an idle state, the magnitude of the discharge current exiting from the secondary battery is quite small.
  • the magnitude of the current flowing out of the secondary battery may be constant, substantially constant, or variable.
  • a secondary battery when a secondary battery is mounted in an electric vehicle, a computer unit or an audio device mounted in the electric vehicle, although the secondary battery does not supply a discharge current to the motor immediately after the driver turns on the key. Supplying a small discharge current to the back; (ii) a pause for waiting for a traffic signal while the electric vehicle is in operation, or a computer unit switched to a sleep mode after the electric vehicle is parked, (iii) a secondary battery
  • the use of the information communication device equipped with the interruption for more than a certain time without turning off the power source may be a state in which the processor of the information communication device is switched to the sleep mode to save energy.
  • the no-load state means a state in which the charge or discharge of the secondary battery is stopped so that the capacity change of the secondary battery is substantially absent.
  • the voltage relaxation causes a potential difference between the first and second cathode materials when the secondary battery becomes idle or unloaded, and causes a shift of operating ions between cathode materials due to the potential difference. It refers to a phenomenon that resolves with the flow.
  • the voltage relaxation occurs when the secondary battery including the mixed positive electrode material is in a discharge state in an intrinsic voltage band and then switched to an idle state or a no load state.
  • the positive electrode material that reacts well with the operating ions among the first and second positive electrode materials may be left in a state in which there is little remaining capacity to react with the operating ions.
  • One cathode material begins to react with the working ions.
  • the idle or unloaded state can also be defined from the following perspectives. That is, when the discharge current is discharged from the secondary battery, operating ions are inserted into the cathode materials. However, when the magnitude of the discharge current is small, voltage relaxation may still appear even when working ions are inserted into the cathode materials. Therefore, a state in which a small discharge current flows or a state in which the discharge current does not flow at all, which does not prevent voltage relaxation between the cathode materials, may be defined as an idle state or a no load state.
  • the intrinsic voltage range may be changed by various factors including the type of the first and second cathode materials, the magnitude of the charge or discharge current of the secondary battery, and the state of charge of the secondary battery when the secondary battery becomes idle or unloaded. Can be.
  • the voltage relaxation phenomenon exhibited by the first and second cathode materials in the intrinsic voltage band may occur between cathode materials satisfying at least one or more of the following conditions.
  • the voltage relaxation may show a difference in the position of the main peak and / or the intensity of the main peak in the dQ / dV distribution of each cathode material when the dQ / dV distribution is measured for the first and second cathode materials. Can occur when.
  • the dQ / dV distribution means the capacity characteristics of the operating ions for the cathode material by voltage. Therefore, it can be seen that the cathode materials having different positions of the main peak and / or the intensity of the main peak appearing in the dQ / dV distribution have different operating voltage ranges.
  • the position difference with respect to the main peak may vary depending on the type of the first and second cathode materials. For example, the position difference between the main peaks may be 0.1 to 4V.
  • the voltage relaxation may occur when the discharge resistance profile has a convex pattern (so-called convex shape) when the discharge resistance of each secondary battery including the mixed cathode material is measured for each SOC.
  • the voltage relaxation may occur when the discharge resistance profile has at least two inflection points before and after the peak of the convex pattern when measuring the discharge resistance for each SOC of the secondary battery including the mixed cathode material.
  • the voltage relaxation may occur when the secondary battery including the mixed cathode material has a charge or discharge profile including at least one voltage flat region.
  • the voltage flat region refers to a region where a voltage change is small while the inflection point is present and before and after the inflection point.
  • the voltage relaxation may occur when at least one of the first positive electrode material and the second positive electrode material included in the mixed positive electrode material has a voltage profile including a voltage flat region.
  • any material that can be used as the first and second cathode materials is not particularly limited as long as it can cause voltage relaxation in the intrinsic voltage band.
  • the first cathode material the general formula A [A x M y ] O 2 + z
  • A includes at least one element of Li, Na and K; M is Ni, Co, Mn, Ca, At least one element selected from Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, and Cr; x ⁇ 0, 1 ⁇ x + y ⁇ 2, -0.1 ⁇ z ⁇ 2; the stoichiometric coefficients of the components included in x, y, z, and M may be alkali metal compounds represented by).
  • the first cathode material comprises at least one alkali metal compound xLiM 1 O 2- (1-x) Li 2 M 2 O 3 (M 1 has an average oxidation state of 3) disclosed in US 6,677,082, US 6,680,143 and the like.
  • the second cathode material is a general formula Li a M 1 x Fe 1-x M 2 y P 1-y M 3 z O 4-z
  • M 1 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, At least one element selected from V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, and Al
  • M 2 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg
  • M 3 includes a halogenated element optionally comprising F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; the stoichiometric coefficients of the components included in a, x, y, z, M 1 , M 2 , and M 3 are selected so that the compound maintains electrical neutrality, or Li 3 Number of lithium metal phosphates represented by M 2 (PO 4 ) 3 [
  • the second positive electrode material may be at least one selected from the group consisting of LiFePO 4 , LiMn x Fe y PO 4 (0 ⁇ x + y ⁇ 1), and Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 .
  • the first positive electrode material and / or the second positive electrode material may include a coating layer.
  • the coating layer comprises a carbon layer, or in the group consisting of Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V and S It may include an oxide layer or a fluoride layer containing at least one element selected.
  • the mixing ratio of the first and the second positive electrode material is an electrochemical design condition considering the use of the secondary battery to be manufactured, the electrochemical characteristics of the positive electrode materials necessary to cause voltage relaxation between the positive electrode materials, voltage relaxation It may be appropriately adjusted in consideration of the range of the intrinsic voltage band causing the noise.
  • the number of cathode materials that may be included in the mixed cathode material is not limited to two.
  • the addition of other additives such as a conductive agent, a binder, etc. to the mixed cathode material is not particularly limited in order to improve physical properties of the mixed cathode material. Therefore, a mixed cathode material containing at least two cathode materials that may cause voltage relaxation when the load is unloaded in the intrinsic voltage band, is included in the scope of the present invention regardless of the number of cathode materials and the presence of other additives. It should be understood that those skilled in the art should interpret it as
  • the secondary battery may be mounted on various kinds of electric drive devices, and there is no particular limitation on the kind thereof.
  • the electric drive device may be a mobile computer device such as a mobile phone, a laptop computer, a tablet computer, or a handheld multimedia device including a digital camera, a video camera, an audio / video playback device, and the like.
  • the electric drive device may be an electric power device capable of being moved by electricity, such as an electric car, a hybrid car, an electric bicycle, an electric motorcycle, an electric train, an electric boat, an electric plane, or an electric drill, an electric grinder, or the like. It can be a power tool with a motor as well.
  • the electric drive device a large-capacity power storage device installed in the power grid to store renewable energy or surplus power generation, or various information including a server computer or mobile communication equipment in an emergency situation, such as a power outage It may be an uninterruptible power supply for supplying power to the communication device.
  • the secondary battery may include a cathode, an anode, and a separator including the mixed cathode material.
  • the secondary battery may further include an electrolyte containing operating ions.
  • the electrolyte is not particularly limited as long as it can generate an electrochemical oxidation or reduction reaction at the anode and the cathode through the working ions, including the working ions.
  • the secondary battery may further include a packing material for sealing the positive electrode, the negative electrode, and the separator.
  • the packaging material is not particularly limited as long as it is chemically safe.
  • the appearance of the secondary battery is determined by the structure of the packaging material.
  • the structure of the packaging material may be one of various structures known in the art, and may typically have a structure such as a cylinder, a square, a pouch, a coin, and the like.
  • the present invention it is possible to easily and accurately estimate the capacity decay, the open voltage, the depth of discharge, the state of charge, and the like, which are used as parameters when controlling the secondary battery.
  • FIG. 1 is a graph showing an open voltage profile of a lithium secondary battery in a beginning of life (BOL) and an end of life (EOL) state according to a change in a depth of discharge.
  • FIG. 2 is a view showing that the original negative voltage profile is shifted when the lithium secondary battery degenerates.
  • FIG. 3 is a diagram showing that the open voltage profile of the lithium secondary battery estimated by the assumption of the present invention is in good agreement with the open voltage profile of the actual lithium secondary battery.
  • 4 and 5 are diagrams showing that the assumption of the present invention can be effectively applied to a lithium secondary battery using a single cathode material.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of an apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 and 8 are graphs conceptually showing that the difference between the first discharge depth DoD ′ and the second discharge depth DoD ′′ corresponds to a capacity decay ⁇ capa of a secondary battery.
  • FIG. 9 illustrates various examples of a graphic interface used to display parameters of a lithium secondary battery determined according to an embodiment of the present invention.
  • 10 and 11 are flowcharts sequentially illustrating a parameter estimation method of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the lithium secondary battery is a generic term for a secondary battery in which lithium ions act as operating ions during charging and discharging to induce an electrochemical reaction in the positive electrode and the negative electrode.
  • the working ions refer to ions participating in the electrochemical oxidation and reduction reaction in the process of charging or discharging the secondary battery, for example, lithium. Therefore, even if the name of the secondary battery is changed according to the type of electrolyte or separator used in the lithium secondary battery, the type of packaging material used to package the secondary battery, or the internal or external structure of the lithium secondary battery, lithium ions are used as working ions. All secondary batteries should be interpreted as being included in the category of the lithium secondary battery.
  • this invention is applicable also to other secondary batteries other than a lithium secondary battery. Therefore, even if the operating ion is not a lithium ion, any secondary battery to which the technical idea of the present invention can be applied should be construed as being included in the scope of the present invention regardless of its type.
  • secondary batteries are not limited by the number of elements which comprise it.
  • secondary batteries may include a single cell based on a negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode, an assembly of a single cell, a module in which a plurality of assemblies are connected in series and / or in parallel, a pack in which a plurality of modules are connected in series and / or in parallel, Should be interpreted to include battery systems connected in series and / or in parallel.
  • OCV cell_BOL Open-voltage profile measured according to the depth of discharge in the BOL state after 3 cycles of charging / discharging to activate the lithium secondary battery. If the lithium secondary battery is in the BOL state, there is substantially no capacity deterioration of the lithium secondary battery.
  • OCV cell_EOL DoD
  • OCV cell_EOL DoD
  • DoD indicated on the horizontal axis represents the depth of discharge of the lithium secondary battery. Based on OCV cell_BOL (DoD), when DoD is 1, all of the capacity of the lithium secondary battery is discharged. If DoD is 0, the lithium secondary battery is fully charged.
  • DoD OCV cell_BOL
  • the discharge depth gradually increases when the lithium secondary battery is discharged. Therefore, the open voltage of the lithium secondary battery decreases as the depth of discharge increases, and the discharge depth becomes 1 when the lithium secondary battery is discharged until the discharge end voltage is reached.
  • the depth of discharge is a relative ratio of the amount of current accumulated in the net from the lithium secondary battery to the original capacity of the lithium secondary battery.
  • the original capacity means a capacity measured in a BOL state, for example, when there is substantially no capacity deterioration of the lithium secondary battery.
  • the lithium secondary battery has a positive electrode including a mixed positive electrode material and a negative electrode including graphite.
  • LiFePO 4 (abbreviated as LFP cathode material) having a structure is branded at 7: 3 (weight ratio).
  • LFP cathode material having a structure is branded at 7: 3 (weight ratio).
  • the type of the cathode material included in the mixed cathode material may be variously selected from the various kinds of materials described above, and the anode material may also be changed among known materials.
  • an open voltage profile OCV cell_BOL (DoD) of a lithium secondary battery in a BOL state has at least one voltage flat region (see dotted box).
  • the voltage flat region refers to an area including an inflection point and having a nearly horizontal shape in profile.
  • the voltage flat region is located approximately between 3.00V and 3.50V with respect to the open voltage.
  • the OCV cell_EOL (DoD) is shifted to the right than the OCV cell_BOL (DoD) and the voltage flat region appears to disappear. 1 supports that the open-voltage profile changes when the charge and discharge cycle of the lithium secondary battery increases and the capacity of the lithium secondary battery degenerates.
  • the voltage flat region indicates a difference between the position of the main peak and / or the intensity of the main peak when the dQ / dV distribution of the two cathode materials included in the mixed cathode material is measured. It occurs when you see it.
  • the dQ / dV distribution refers to the voltage-specific capacity characteristics of the operating ions for the cathode material.
  • the position difference with respect to the main peak may vary depending on the type of cathode materials.
  • the voltage flat region is generated when the discharge resistance profile has a Convex pattern (so-called convex shape) when the discharge resistance is measured for each of the discharge depths of the secondary battery including the mixed cathode material.
  • the voltage flat region is generated when the discharge resistance profile has at least two inflection points before and after the peak of the Convex pattern when the discharge resistance is measured for each of the discharge cells of the secondary battery including the mixed cathode material. .
  • the voltage flat region occurs when at least one positive electrode material included in the mixed positive electrode material has a voltage profile including the voltage flat area when used as a positive electrode material of a half cell (the negative electrode is a lithium electrode).
  • the open-circuit profile indicated by 1 indicates the open-voltage profile for the positive electrode of the lithium secondary battery in the BOL state as a function of the discharge depth DoD.
  • the open voltage profile for the anode is called the original anode voltage profile V c, o (DoD).
  • the open voltage profile indicated by 2 indicates the open voltage profile for the negative electrode of the lithium secondary battery in the BOL state as a function of the depth of discharge DoD.
  • the open voltage profile for the cathode is referred to as the original cathode voltage profile V a, o (DoD).
  • the open voltage profile indicated by 3 indicates the open voltage profile of the negative electrode of the lithium secondary battery in which the capacity is 20% degenerate as a function of the discharge depth DoD.
  • DoD negative voltage profile
  • the open-voltage profile of the positive electrode and the negative electrode is charged to 4.2V of the lithium secondary battery, discharged with a constant current, periodically makes the battery unloaded and left for a certain time, and then the lithium metal is returned to the reference potential (0V). By measuring the voltage between the positive electrode and the lithium metal and between the negative electrode and the lithium metal.
  • the negative voltage profile V a (DoD) is a profile in which the original negative voltage profile V a, o (DoD) is shifted to the right by 0.20. That is, even when only 80% of the capacity is discharged based on the capacity of the lithium secondary battery in the BOL state, the open voltage of the negative electrode increases to about 1.5 corresponding to the discharge end voltage.
  • V a (DoD) is compared with V a, o (DoD)
  • V a (DoD) is approximately equal to V a, o (DoD-0.2).
  • the reduction in capacity of the battery that accompanies the discharge of the lithium secondary battery results from the electrochemical reaction of lithium. Therefore, even if only 80% of the capacity is discharged based on the capacity of the lithium secondary battery in the BOL state, the open voltage of the negative electrode reaches the end-of-discharge voltage. And it can be seen that the amount of soluble lithium that can participate in the reduction irreversibly decreased with the degeneration of the lithium secondary battery.
  • the open voltage profile indicated by the solid line is the estimated open voltage profile OCV cell, o (DoD) of the lithium secondary battery in the BOL state, and V c, o (DoD) and V a, o (DoD) shown in FIG. 2.
  • the open voltage profile shown by a dotted line is an open voltage profile OCV cell (DoD) of a lithium secondary battery in which a capacity deterioration of 20% has occurred, and Vc , o (DoD) and V a (DoD) shown in FIG. It is a difference.
  • the open voltage profile marked ⁇ corresponds to the measured open voltage profile OCV cell, o, m (DoD) for a lithium secondary battery in the BOL state.
  • the open voltage profile, denoted ⁇ corresponds to the measured open voltage profile OCV cell, m (DoD) for a lithium secondary battery with 20% capacity degradation.
  • V c, o (DoD) and V a, o (DoD) are the openings of the positive electrode and the negative electrode measured for each discharge depth when the lithium secondary battery is in the BOL state, that is, when there is substantially no capacity degradation. Indicates the voltage profile.
  • V a (DoD) represents an open voltage profile of a negative electrode measured for each discharge depth when the capacity of the lithium secondary battery is 20% degenerated.
  • OCV cell 5 is an OCV cell, o (DoD) and OCV cell (DoD) corresponding to the open voltage profile estimated using the open voltage profiles shown in FIG .
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a parameter estimating apparatus 100 of a secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 100 is electrically coupled to the secondary battery 110.
  • the secondary battery 110 refers to a battery that can be repeated charging and discharging, and the invention is not limited by the specific type of battery.
  • the secondary battery 110 may be a lithium secondary battery.
  • the apparatus 100 includes a sensor 120 and a controller 130.
  • the sensor 120 may include at least one selected from the group consisting of a voltage measuring unit 140, a current measuring unit 150, and a temperature measuring unit 160.
  • the voltage measuring unit 140 and / or the current measuring unit 150 and / or the temperature measuring unit 160 may control the voltage and / or current and / or current of the secondary battery 110 under the control of the controller 130.
  • the temperature is measured and the measured value is provided to the controller 130.
  • the device 100 may further include a storage unit 170 as an optional element.
  • the storage unit 170 stores and updates a program used by the controller 130 in estimating a parameter, data necessary in a process of executing the program, or data generated in a process of executing the program. .
  • the storage unit 170 is a plurality of original positive electrode voltage (V c, o ) measured by the depth of discharge and the plurality of original negative electrode measured by the discharge depth when the secondary battery 110 is not substantially degenerate capacity
  • the voltage voltage Va and o may be stored in advance as profile data.
  • the storage unit 170 may store data relating to the original capacity measured when the secondary battery 110 is not substantially degenerated.
  • the original capacity may be calculated by integrating the discharge current while only charging the secondary battery substantially free of capacity degradation and continuously discharging up to the discharge end voltage.
  • the original anode voltage V c, o and the original cathode voltage Va and o may be measured based on a reference electrode (eg, a lithium electrode) whose potential may be zero.
  • a reference electrode eg, a lithium electrode
  • the plurality of original anode voltages (V c, o ) and the plurality of original cathode voltages (V a, o ) measured according to the depth of discharge are respectively represented by the original anode voltage profile V c, o (DoD) and the original cathode voltage profile V a. Name it as , o (DoD).
  • the storage unit 170 is not particularly limited as long as it is a device that can store information such as DRAM, SRAM, ROM, EEPROM, Flash Memory, Register, and the like.
  • the sensor 120 measures the open voltage OCV m of the secondary battery at the first discharge depth DoD ′ through the voltage measuring unit 140 and provides the measured voltage to the controller 130.
  • the open voltage OCV m corresponds to a difference between the original anode voltage V c, o and the current cathode voltage V a , which are predetermined at the first discharge depth DoD ′.
  • the first discharge depth DoD ' is a discharge calculated immediately before the operation of the secondary battery is stopped when the operation of the secondary battery in the discharge or charge mode is interrupted for a sufficient time and an open voltage measurement condition is established. It may be a depth.
  • the open-voltage measurement conditions, the no-load state of the secondary battery 110 should be maintained for a predetermined time or more, the temperature of the secondary battery 110 should be in a certain range, the magnitude of the current entering and exiting the secondary battery 110 It may include at least one or more of the conditions, such as the small, the state in which the small amount of current flowing out from the secondary battery 110 is maintained for a predetermined time or more.
  • Preferable ranges such as the maintenance time of the no-load state, the temperature of the secondary battery 110, the magnitude of the current, the maintenance time of the low current, etc. may be determined by trial and error (Trial & Error), and the control unit 130 May be stored in the accessible storage unit 170.
  • the controller 130 may count the time when the operation of the secondary battery 110 is stopped, and / or the temperature measuring unit 160 of the sensor 120 to monitor the establishment of the open voltage measurement condition.
  • the temperature measurement of the secondary battery 110 can be monitored by receiving the temperature measurement value of the secondary battery 110 through (), and / or the secondary battery 110 through the current measuring unit 150 of the sensor 120.
  • the change in current magnitude of the secondary battery 110 may be monitored over time by receiving a current measurement value of.
  • the first discharge depth DoD ' may be calculated by the controller 130 through amperage counting.
  • the sensor 120 measures the current entering and exiting the secondary battery 110 while the secondary battery 110 is charged or discharged through the current measuring unit 150, and measures the measured current value as the controller 130. Can provide.
  • the controller 130 calculates the amount of current accumulated in the net from the battery 110 on the basis of the state of full charge of the secondary battery 110.
  • the controller 130 may calculate the depth of discharge of the secondary battery by calculating a relative ratio of the current accumulated amount to the original capacity with reference to the original capacity of the secondary battery 110 stored in the storage unit 170.
  • the discharge depth is 0.8.
  • the controller 130 may store the calculated depth of discharge in the storage unit 170 and continuously update the secondary battery 110 while the secondary battery 110 is operating.
  • the controller 120 When the open voltage OVC m measured at the first discharge depth DoD 'is provided from the sensor 120, the controller 120 includes a plurality of original anode voltages stored in the storage unit 170 for each discharge depth. Among the (V c, o ), the original anode voltage (V c, o ) corresponding to the first discharge depth DoD 'is identified.
  • control unit 120 subtracts the measured open voltage (OCV m ) from the identified original positive voltage (V c, o ) to the negative voltage (V a ) of the negative electrode of the current secondary battery 110. Is calculated and the value is determined as the original negative voltage (V a, o ) of the secondary battery 110.
  • the controller 120 may include a second corresponding to the determined original negative voltage V a, o among the plurality of original negative voltage V a, o stored in the storage unit 170 for each discharge depth.
  • the discharge depth DoD '' is obtained.
  • controller 120 calculates a difference between the first discharge depth DoD ′ and the second discharge depth DoD ′′.
  • the difference between the first discharge depth DoD ′ and the second discharge depth DoD ′′ is that the negative voltage profile V a (DoD) formed on the negative electrode of the secondary battery 110 is the original negative voltage profile of the secondary battery. It shows quantitatively how much shift from Va , o (DoD). In addition, the shift amount of the original negative voltage profile V a, o (DoD) represents a degree of capacity deterioration of the secondary battery 110.
  • the controller 120 may determine the difference between the first discharge depth DoD ′ and the second discharge depth DoD ′′ as the capacity decay ⁇ capa of the secondary battery 110.
  • FIG. 7 is a graph conceptually showing that the difference between the first discharge depth DoD ′ and the second discharge depth DoD ′′ corresponds to a capacity decay ⁇ capa of the secondary battery 110.
  • profile 1 shows the original positive voltage profile V c, o (DoD) of the secondary battery 110 according to the depth of discharge
  • profile 2 shows the original negative voltage of the secondary battery 110 according to the depth of discharge.
  • Profile V a, o (DoD) is measured and shown.
  • the secondary battery obtained with V c, o (DoD) and V a, o (DoD) includes an NMC cathode material and carbon at a positive electrode and a negative electrode, respectively, and each voltage profile is based on a lithium electrode having a zero potential. It measured using it as an electrode. Profiles 1 and 2 are substantially the same as graphs 1 and 2 of FIG. 4.
  • the position A marks a point in time at which the open voltage of the secondary battery 110 is measured, and the depth of discharge of the secondary battery 110 is 0.85 at the point in time when the open voltage is measured.
  • the discharge depth 0.85 corresponds to the first discharge depth DoD 'in the above-described embodiment.
  • the first discharge depth DoD ' is 0.85
  • the original positive voltage V c, o of the secondary battery 110 may be referred to from the storage 170, and the open voltage OVC m when the discharge depth is 0.85.
  • the open voltage (OCV m ) of the secondary battery 110 corresponds to the difference between the positive voltage and the negative voltage
  • the magnitude of the negative voltage V a (0.85) when the discharge depth is 0.85 is V c, o (0.85) -OCV.
  • the negative electrode voltage (V a ) is located on the profile is shifted by the capacity deterioration of the profile 2 of the secondary battery (110).
  • the shift amount of the profile 2 can be easily obtained by identifying the second discharge depth DoD ′′ corresponding to the original negative voltage having the same magnitude as that of the negative voltage V a (0.85) on the profile 2.
  • the second discharge depth DoD '' is V -1 a, o (V a (0.85)) as indicated by the dotted arrow, and the shift amount of the profile 2 is 0.85-V -1 a, o (V a (0.85)), and this value corresponds to the capacity decay ⁇ capa of the secondary battery 110.
  • FIG. 8 illustrates that even when the secondary battery 110 includes a mixed positive electrode material, the difference between the first discharge depth DoD ′ and the second discharge depth DoD ′′ decreases the capacity of the secondary battery 110. It is a graph conceptually corresponding to ( ⁇ capa).
  • profile 1 shows the original positive voltage profile V c, o (DoD) of the secondary battery 110 according to the depth of discharge
  • profile 2 shows the original negative voltage of the secondary battery 110 according to the depth of discharge.
  • Profile V a, o (DoD) is measured and shown.
  • the positive electrode includes a mixed positive electrode material in which the NMC positive electrode material and the LFP positive electrode material are branded at 7: 3 (weight ratio), and the negative electrode contains carbon.
  • Each voltage profile is measured using a lithium electrode with zero potential as the reference electrode.
  • Profiles 1 and 2 are substantially the same as graphs 1 and 2 shown in FIG. 2.
  • the controller 130 shifts the original negative voltage profile V a, o (DoD) of the secondary battery 110 by the determined capacity degradation ⁇ capa, and the original positive voltage profile V c.
  • the degenerated open voltage profile of the secondary battery 110 may be obtained by subtracting the shifted original negative voltage profile V a, o (DoD ⁇ capa) from , o (DoD).
  • the controller 130 may optionally store the deteriorated open voltage profile in the storage unit 170 and update the open voltage profile of the secondary battery 110 whenever ⁇ capa is updated.
  • the controller 130 calculates the depth of discharge of the secondary battery 110 by using the current accumulation amount calculated by the ampere counting method, and the degenerated stored in the storage unit 170.
  • the open voltage of the secondary battery 110 corresponding to the calculated depth of discharge may be determined with reference to the open voltage profile.
  • the controller 130 measures the open circuit voltage OCV m of the secondary battery and refers to the measured open circuit voltage OCV with reference to the deteriorated open voltage profile stored in the storage unit 170.
  • the discharge depth DoD of the secondary battery may be determined from m .
  • the degraded open voltage profile is denoted as OCV cell, aged (DoD)
  • the discharge depth DoD calculated from the measured open voltage OCV m is OCV- 1 cell, aged (OCV m ).
  • control unit 130 the discharge depth determined from the measured open voltage OCV m and the determined capacity decay with reference to the degenerate open voltage profile OCV cell, aged (DoD) ( ⁇ capa) can be used to determine the state of charge of the secondary battery from Equation 2 below.
  • DoD max is the discharge depth when the secondary battery reaches the discharge end voltage
  • DoD is the current discharge depth determined from the measured open voltage OCV m
  • ⁇ Capa is Dose degeneration determined according to the invention is shown.
  • controller 130 may optionally store and update the determined charging state in the storage unit 170.
  • the controller 130 may be electrically connected to the display unit 180 and display the parameter of the secondary battery 110 determined as described above through the display unit 180 in a graphic interface. can do.
  • the parameter includes at least one selected from the group consisting of capacity decay, open voltage, discharge depth, and state of charge of the secondary battery 110.
  • the display unit 180 does not necessarily need to be included in the device 100, but may be included in another device.
  • the display unit 180 and the control unit 130 are not directly connected, but are indirectly connected to the display unit 180 through a control means included in the other device. Therefore, it should be understood that the electrical connection between the display unit 180 and the controller 130 also includes such an indirect connection method.
  • the controller 130 may transmit the data to another device including the display unit 180.
  • the control unit 130 may be connected to the other device to enable data transmission, and the other device may receive the parameters of the secondary battery 110 from the control unit 130, and the other device may connect with itself.
  • the received parameter may be displayed in a graphical interface through a connected display unit.
  • the graphic interface can be anything that can display the parameters of the secondary battery to the user. 9 shows various embodiments of the graphical interface.
  • the graphic interface may display a parameter of the secondary battery 110 in the length of a bar graph (a), display in a gauge pointer (b), display in a number (c). Etc. are possible.
  • the controller 130 may select a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, a register, a communication modem, a data processing device, or the like, which are known in the art, to execute various control logics described later. It can be included as.
  • the control logic when the control logic is implemented in software, the controller 130 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in a memory and executed by a processor.
  • the memory may be internal or external to the processor and may be coupled to the processor by a variety of known means.
  • the memory may be included in the storage unit 170 of the present invention.
  • the memory refers to a device that stores information regardless of the type of device, and does not refer to a specific memory device.
  • the secondary battery parameter estimating method is executed by the apparatus 100 described above, and a description thereof will be omitted.
  • the steps included in the secondary battery parameter estimating method may be performed by the controller 130 of the apparatus 100, it is obvious that each of the steps may be included in the apparatus 100 as a function of the controller 130. Do.
  • 10 and 11 are flowcharts sequentially illustrating a method for estimating secondary battery parameters.
  • step S10 the controller 130 determines whether the secondary battery 110 is in a key on state.
  • the key on state refers to a state in which the secondary battery 110 in the no-load state is switched to the state immediately before entering the charging or discharging mode.
  • the key on state may be, for example, a state in which the ignition key is turned on for driving the electric vehicle EV, the hybrid vehicle HEV, or the plugged hybrid vehicle PHEV equipped with the secondary battery 110.
  • the power key of the mobile device is turned on.
  • step S20 When it is confirmed that the secondary battery 110 is in the key on state, the controller 130 proceeds to step S20.
  • step S20 the controller 130 determines whether an open voltage measurement condition is established.
  • the open-circuit measurement condition is when the operation of the secondary battery 110 is stopped for a sufficient time and the voltage of the secondary battery 110 is stabilized, or because the magnitude of the current flowing out from the secondary battery 110 is small and thus the secondary battery 110 is present. This can be achieved if the polarization voltage of) is negligible.
  • the open-voltage measurement conditions, the no-load state of the secondary battery 110 should be maintained for a predetermined time or more, the temperature of the secondary battery 110 should be in a certain range, the magnitude of the current entering and exiting the secondary battery 110 It may include at least one or more of the conditions, such as the small, the state in which the small amount of current flowing out from the secondary battery 110 is maintained for a predetermined time or more.
  • Preferable ranges such as the maintenance time of the no-load state, the temperature of the secondary battery 110, the magnitude of the current, the maintenance time of the low current, etc. may be determined by trial and error (Trial & Error), and the control unit 130 May be stored in the accessible storage unit 170.
  • the controller 130 stores the time when the secondary battery 110 is keyed off in the storage unit 170 and refers to the stored time information when the secondary battery 110 is in the key on state. It is possible to determine whether the open voltage measurement condition is established by calculating a load-free state maintaining time and comparing the calculated time with a preferable time range stored in the storage unit 170.
  • the controller 130 may receive the temperature measurement value of the secondary battery 110 at time intervals through the sensor 120, and the received temperature measurement value and the preferable temperature stored in the storage unit 170. By comparing the ranges, it is possible to determine whether the open voltage measurement condition is established.
  • the controller 130 may receive the current measurement value of the secondary battery 110 at time intervals through the sensor 120, and provide the current measurement value and the desired current stored in the storage unit 170. The magnitude range may be compared to determine whether the open voltage measurement condition is established.
  • the control unit 130 when the current measurement value provided from the sensor 120 falls within the preferred current magnitude range stored in the storage unit 170, the control unit 130 accumulates the time that the current of the magnitude flows and adds the integration time to the storage unit. It may be determined whether the open-circuit measurement condition is established by comparing with the preferred time range stored in 170.
  • Two or more may be combined in a manner of determining whether the open voltage measurement condition is established. In this case, when two or more conditions are satisfied at the same time, it may be determined that the open voltage measurement condition is established.
  • the controller 130 is provided with a current measurement value entering and exiting the secondary battery 110 through the sensor 120 while the secondary battery 110 is being charged or discharged, and the received current measurement.
  • the discharge depth may be calculated by integrating the values, and the calculated discharge depth may be stored and updated in the storage unit 170.
  • step S20 If it is determined in step S20 that the open voltage measurement condition is established, the controller 130 proceeds to step S30.
  • the controller 130 reads the discharge depth most recently calculated from the storage unit 170 based on the time point when the open voltage measurement condition is established, and determines the first discharge depth DoD ′ as the first discharge depth.
  • step S40 when the secondary battery 110 is in the first discharge depth state, the controller 50 controls the sensor 120 to measure the open voltage OCV m of the secondary battery 110 and to measure the measured opening.
  • the voltage OCV m is stored in the storage unit 170.
  • the controller 130 may refer to the original anode voltages V c and o stored in the storage unit 170 for each discharge depth, and correspond to the original anode depths DoD ′. by subtracting the voltage (V c, o) the open-circuit voltage measured from the crystal, and the determined original anode voltage (V c, o) OCV m determines the cathode voltage V of a secondary battery (110).
  • step S60 the controller 130 determines the determined negative voltage V a as the original negative voltage V a, o of the secondary battery 110.
  • step S70 the control unit 130 refers to the original negative voltage V a, o stored in the storage unit 170 for each discharge depth , and corresponds to the discharge depth corresponding to the original negative voltage V a, o determined. Is identified, and the identified discharge depth is determined as the second discharge depth DoD ".
  • the controller 130 may determine the capacity decay ⁇ capa of the secondary battery 110 based on a difference between the first discharge depth DoD ′ and the second discharge depth DoD ′′.
  • the controller 130 may store the determined capacity decay ⁇ capa in the storage unit 170, and / or display the determined capacity decay ⁇ capa on the display unit 180 through a graphic interface, and / or the determined The capacity decay ⁇ capa can be transmitted to an external device.
  • the controller 130 may further perform at least one or more of the following steps.
  • the steps do not necessarily need to be performed sequentially in a temporal order, and the order in which the steps are performed may be changed in any way.
  • the control unit 130 shifts the original negative voltage profile V a, o (DoD) of the secondary battery 110 by the determined capacity decay ⁇ capa in step S100, and the original positive voltage profile V c, o (DoD).
  • the degenerated open voltage profile OCV cell, aged (DoD) of the secondary battery 110 may be determined by subtracting the shifted original negative voltage profile V a, o (DoD- ⁇ capa) from
  • the controller 130 may update the deteriorated open voltage profile OCV cell, aged (DoD) of the secondary battery 110 whenever ⁇ capa is updated.
  • step S110 the controller 130 stores the deteriorated open voltage profile OCV cell, aged (DoD) in the storage unit 170 and / or displays it on the display unit 180 through a graphic interface. And / or to an external device.
  • the control unit 130 calculates the depth of discharge of the secondary battery 110 by using the current accumulation amount calculated by the ampere counting method in step S120, and the deteriorated open voltage profile stored in the storage unit 170.
  • the opening voltage of the secondary battery 110 corresponding to the calculated discharge depth may be determined with reference to the OCV cell, aged (DoD).
  • step S130 the controller 130 stores the determined opening voltage of the secondary battery 110 in the storage unit 170, and / or displays the determined opening voltage on the display unit 180 through a graphic interface. And / or transmit the determined open voltage to an external device.
  • the control unit 130 measures the open voltage OCV m of the secondary battery 110 in step S140, and stores the deteriorated open voltage profile OCV cell, aged according to the depth of discharge stored in the storage unit 170 ( DoD) may be used to determine the discharge depth DoD of the secondary battery from the measured open voltage OCV m .
  • the discharge depth DoD calculated from the measured open voltage OCV m is OCV ⁇ 1 cell, aged (OCV m ).
  • step S150 the controller 130 stores the determined depth of discharge OCV- 1 cell, aged (OCV m ) in the storage unit 170, and / or displays it on the display unit 180 through a graphic interface. And / or to an external device.
  • the control unit 130 in step S160, with reference to the deteriorated open voltage profile OCV cell, aged (DoD), the discharge depth DoD determined from the measured open voltage OCV m and the determined capacity decay ( ⁇ capa) Using may determine the state of charge (SOC) of the secondary battery.
  • SOC state of charge
  • the state of charge of the secondary battery may be determined using Equation 2 described above.
  • the controller 130 may store the determined charging state in the storage unit 170, and / or display the determined charging state on the display unit 180 through a graphic interface, and / or transmit it to an external device. have.
  • the open-circuit voltage of the secondary battery 110 OCV m is of has been described in which measurement by a sensor 120 when the open-circuit voltage measurement condition is satisfied, the open-circuit voltage OCV m is a secondary battery 110 It may be a value estimated from the measurement data for voltage, current and temperature.
  • the discharge depth DoD and the state of charge SOC of the secondary battery 110 may be converted to each other by Equation 2, and the former may be converted from the secondary battery 110 in view of the discharge of the secondary battery 110. It is a parameter that can quantify the available capacity remaining in the secondary battery 110 from the charging point of view. Therefore, the discharge depth DoD and the state of charge SOC may be interpreted as equivalent parameters to each other in terms of a parameter quantitatively indicating the available capacity of the secondary battery 110.
  • the parameters determined by the controller 130 may be used for the charge / discharge control of the secondary battery 110, the calculation of the maximum discharge power, the calculation of the minimum charge power, and / or other control via the communication interface. May be provided to the device.
  • control logics of the controller 130 may be combined, and the combined control logics may be written in a computer readable code system and stored in a computer readable recording medium.
  • the recording medium is not particularly limited as long as it is accessible by a processor included in the computer.
  • the recording medium includes at least one selected from the group consisting of a ROM, a RAM, a register, a CD-ROM, a magnetic tape, a hard disk, a floppy disk, and an optical data recording device.
  • the code system may be modulated into a carrier signal to be included in a communication carrier at a specific point in time, and may be distributed and stored and executed in a networked computer.
  • functional programs, code and code segments for implementing the combined control logics can be easily inferred by programmers in the art to which the present invention pertains.
  • each component may be selectively integrated with other components or each component may be divided into subcomponents for efficient execution of control logic (s).
  • control logic control logic
  • the integrated or divided components should also be interpreted as being within the scope of the present invention, provided that the functional identity can be recognized even if the components are integrated or divided.

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Abstract

본 발명은 이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법을 제공한다. 상기 장치는, 제1방전심도(DOD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DOD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 센서; 및 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하고, 상기 오리지널 음극 전압(Va,o)에 대응되는 제2방전심도(DOD'')를 결정하고, 상기 제1방전심도(DOD')와 상기 제2방전심도(DOD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 제어부(control unit);을 포함한다.

Description

이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 전기적 상태를 나타내는 파라미터를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2012년 4월 30일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2012-0045868호 및 2013년 3월 15일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2013-0028284호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
2전지는 전기화학적인 산화 및 환원 반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 것으로, 광범위하게 다양한 용도로 이용된다. 예를 들어, 전지는 휴대 전화, 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 태블릿 컴퓨터, 전동 공구 등과 같이 사람의 손에 휴대할 수 있는 장치; 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치; 신재생 에너지를 통해 발전된 전력이나 잉여 발전 전력을 저장하는데 사용되는 전력 저장 장치; 서버 컴퓨터와 통신용 기지국을 비롯한 각종 정보 통신 장치에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 무 정전 전원 공급 장치 등에 이르기까지 사용 영역이 점차 확대되고 있다.
전지는, 3가지의 기본 구성요소를 포함하는데, 이는, 방전되는 동안 전자를 방출하면서 산화되는 물질을 포함하는 음극(anode), 방전되는 동안 전자를 수용하면서 환원되는 물질을 포함하는 양극(cathode), 그리고 음극과 양극 사이에서 이온 이동이 가능하게 하는 전해질이 바로 그것이다. 전지에는 방전된 후에는 재사용이 불가능한 일차 전지와, 전기화학 반응이 적어도 부분적으로는 가역적이어서 반복적인 충전과 방전이 가능한 이차 전지로 분류될 수 있다.
이차 전지로는, 납-산 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-아연 전지, 니켈-철 전지, 은 산화물 전지, 니켈 금속 수화물(hydride) 전지, 아연-망간 산화물 전지, 아연-브로마이드 전지, 금속-공기 전지, 리튬 이차 전지 등이 공지되어 있다. 이들 중에서, 리튬 이차 전지는 다른 이차 전지에 비해 에너지 밀도가 높고 전지 전압이 높으며 보존 수명이 길다는 이유로 상업적으로 가장 큰 관심을 끌고 있다.
한편, 이차 전지의 방전 심도(Depth of Discharge: DoD)는 이차 전지가 방전될 때 이차 전지의 오리지널 용량을 기준으로 이차 전지의 용량이 어느 정도 방전되었는지를 0-1의 범위에서 상대적으로 나타내 준다.
여기서, 상기 오리지널 용량은 BOL(Beginning Of Life) 상태에 있는 이차 전지가 충전 상한 전압부터 방전 종지 전압까지 방전되는 과정에서 이차 전지로부터 흘러 나가는 전류의 량을 적산한 값을 의미한다.
예를 들어, 이차 전지의 오리지널 용량이 1000mAh이고 이차 전지가 만 충전된 이후에 이차 전지로부터 흘러 나간 방전 전류를 적산한 값이 700mAh라고 가정하면, 이 때의 방전 심도는 0.7로 계산될 수 있다.
이차 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 화학 물질(예컨대, 리튬 이온)은 충전 및 방전 사이클이 증가함에 따라서 비가역적으로 소실된다. 이러한 화학 물질의 소실은 이차 전지의 용량 퇴화(capacity degradation)를 야기하며, 용량 퇴화가 진행된 이차 전지는 방전 심도가 1에 도달하기도 전에 이차 전지의 전압이 방전 종지 전압에 도달하게 된다. 따라서, 방전 종지 전압에 도달할 때의 방전 심도는 용량 퇴화에 비례하여 감소한다.
예를 들어, 이차 전지의 방전 종지 전압이 3.0V이고 이차 전지의 용량 퇴화가 20% 진행되었으면, 이차 전지의 방전 심도가 0.80까지 증가하였을 때 이차 전지의 전압이 방전 종지 전압인 3.0V까지 감소하게 된다.
이차 전지의 용량 퇴화는, 이차 전지의 충전 상태(State Of Charge)를 정확하게 계산하는데 필요한 파라미터이다. 충전 상태는, 용량 퇴화가 반영된 이차 전지의 전체 용량을 기준으로 현재 남아 있는 이차 전지의 용량을 0-1의 범위에서 상대적으로 나타내는 파라미터이다.
이차 전지의 충전 상태는, 하기 수학식 1과 같이 이차 전지의 방전 심도를 이용하여 계산이 가능하다.
[수학식 1]
SOC = (DoDmax - DoD) / DoDmax
DoDmax=1-△Capa
여기서, SOC는 이차 전지의 충전 상태를, DoDmax는 이차 전지가 방전 종지 전압에 도달할 때의 방전 심도를, DoD는 현재의 방전 심도를, 및 △Capa는 0-1의 범위에서 이차 전지의 용량 퇴화를 나타내는 파라미터들이다.
상기 수학식 1에서, DoD는 측정 가능한 파라미터이므로, 결국 이차 전지의 충전 상태는 △Capa로 나타낸 이차 전지의 용량 퇴화에 의해 결정된다.
이차 전지의 용량 퇴화는, 이차 전지를 충전 상한 전압까지 충전시킨 후 방전 종지 전압까지 완전 방전(full discharge)을 진행하는 과정에서 이차 전지로부터 흘러 나가는(drawn) 전류의 량을 적산하고, 적산된 전류량을 오리지널 용량과 비교하면 정확한 계산이 가능하다.
하지만 이차 전지가 실제 사용되는 환경에서는 이차 전지의 용량 퇴화를 정확하게 계산할 수 있는 완전 방전 이벤트가 좀처럼 발생되지 않는다. 따라서 당업계에서는 간접적으로 이차 전지의 용량 퇴화를 추정하는 방법이 사용되고 있다.
예를 들어, 이차 전지의 내부 저항은 용량 퇴화와 상관 관계가 있으므로 이차 전지의 전압과 전류를 샘플링하여 이차 전지의 내부 저항 변화를 추정하고 내부 저항 변화 량에 따라 이차 전지의 용량 퇴화를 추정할 수 있다.
하지만, 이러한 방법으로는 이차 전지의 용량 퇴화를 정확하게 측정할 수 없으며, 이차 전지의 온도 변화에 따라 용량 퇴화에 대한 추정의 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 이차 전지가 사용되는 환경에서 이차 전지의 용량 퇴화를 간단하고 정확하게 추정할 수 있는 이차 전지의 파라미터 추정 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 추정된 용량 퇴화를 이용하여 이차 전지의 개방 전압, 방전 심도 또는 충전 상태를 추정할 수 있는 이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 이차 전지의 파라미터 추정 장치는, 제1방전심도(DoD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DoD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 센서; 및 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하고, 상기 오리지널 음극 전압(Va,o)에 대응되는 제2방전심도(DoD'')를 얻고, 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 제어부;을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 오리지널 음극 전압(Va, o)는 각각 이차 전지의 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때 방전 심도에 따라 미리 측정한 이차 전지의 양극 전압과 음극 전압으로서 실험을 통해 미리 측정해 놓는 전압 값이다.
상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 오리지널 음극 전압(Va, o)은 전위가 0이 될 수 있는 기준 전극(예컨대, 리튬 전극)을 기준으로 측정될 수 있다.
상기 이차 전지의 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때란, 이차 전지가 제조된 직후로서, 예를 들어 이차 전지의 충/방전 사이클이 아직 시작되지 않은 때(Beginning Of Life: BOL)를 의미한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치는, 방전 심도 별로 측정한 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 오리지널 음극 전압(Va, o)을 프로파일 데이터로서 저장하고 있는 저장부를 더 포함할 수 있다.
이하, 방전 심도 별로 측정된 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 오리지널 음극 전압(Va, o)을 각각 오리지널 양극 전압 프로파일과 오리지널 음극 전압 프로파일로서 명명한다.
상기 음극 전압(Va)은 이차 전지의 음극에 형성된 현재 전압을 의미하며, 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)의 차이로부터 계산할 수 있다.
상기 제1방전 심도(DoD')는, 암페어 카운팅 방법에 의해 계산한 이차 전지의 전류 적산량과 이차 전지의 오리지널 용량의 상대적 비율에 해당한다.
바람직하게, 상기 센서는 이차 전지가 충전 또는 방전되는 동안 전류를 측정하고 전류의 측정 값을 제어부로 제공할 수 있고, 상기 제어부는 방전 전류의 측정 값을 적산하여 상기 제1방전 심도(DoD')를 산출할 수 있다. 상기 저장부는 이차 전지의 오리지널 용량을 저장할 수 있고, 상기 제어부는 상기 제1방전 심도(DoD')의 산출 시 상기 저장부에 저장된 이차 전지의 오리지널 용량을 참조할 수 있다. 상기 개방 전압(OCVm)을 측정하는 기준이 되는 제1방전 심도(DoD')의 레벨은 고정된 값으로 미리 설정될 수도 있고 임의로 가변될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 결정된 용량 퇴화만큼 이차 전지의 오리지널 음극 전압 프로파일을 쉬프트시키고, 상기 오리지널 양극 전압 프로파일과 상기 쉬프트된 오리지널 음극 전압 프로파일로부터 이차 전지의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻을 수 있고, 선택적으로 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일을 저장부에 저장할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 이차 전지의 개방 전압을 측정하고, 상기 측정된 개방 전압을 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 방전심도(DoD)를 결정할 수 있고, 선택적으로 상기 결정된 방전 심도(DoD)와 상기 결정된 용량 퇴화(△capa)를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 추정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 결정된 용량 퇴화, 상기 결정된 개방 전압, 상기 결정된 방전 심도 및 상기 결정된 충전 상태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 파라미터를 저장하거나 전송하거나 표시할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 제1방전심도(DOD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DOD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 단계; 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하는 단계; 상기 오리지널 음극 전압(Va,o)에 대응되는 제2방전심도(DOD'')를 얻는 단계; 및 상기 제1방전심도(DOD')와 상기 제2방전심도(DOD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
선택적으로, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 상기 결정된 용량 퇴화만큼 이차 전지의 오리지널 음극 전압 프로파일을 쉬프트시키고, 상기 오리지널 양극 전압 프로파일과 상기 쉬프트된 오리지널 음극 전압 프로파일로부터 이차 전지의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 이차 전지의 개방 전압을 측정하고, 상기 측정된 개방 전압을 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 방전심도를 결정하는 단계; 및 선택적으로 상기 결정된 방전심도와 상기 결정된 용량 퇴화를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도를 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 개방 전압을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 상기 결정된 용량 퇴화, 상기 결정된 개방 전압, 상기 결정된 방전 심도 및 상기 결정된 충전 상태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 파라미터를 저장하거나 전송하거나 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이차 전지는, 서로 다른 동작 전압 범위를 가지는 제1양극재 및 제2양극재를 포함하는 혼합 양극재를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1양극재 및 상기 제2양극재 중 적어도 하나는 전압 평탄 영역을 포함하는 전압 프로파일을 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2양극재들은 전압이 변화함에 따라 이들과 반응하는 작동 이온의 반응 농도가 서로 상이하며, 고유 전압 대역에서 유휴 상태 또는 무 부하 상태가 되었을 때 상호 간에 상기 작동 이온을 전달하는 것을 통해 전압 이완(voltage relaxation)이 가능하다. 상기 이차 전지는 상기 고유 전압 대역을 포함하는 전압 범위에서 충전 또는 방전될 수 있다.
여기서, 상기 작동 이온은 혼합 양극재가 포함된 이차 전지가 충전 또는 방전되는 과정에서 상기 제1 및 제2양극재와 전기 화학적으로 반응을 하는 이온을 지칭한다. 상기 작동 이온은 이차 전지의 종류에 따라 달라질 수 있다. 일 예로, 리튬 이차 전지인 경우 작동 이온은 리튬 이온일 수 있다.
상기 전기 화학적 반응은 이차 전지의 작동 메커니즘에 따라 달라질 수 있다. 일 예시로서, 상기 전기 화학적 반응은 작동 이온이 상기 제1양극재 및/또는 상기 제2양극재의 내부로 삽입되거나 그 반대로 내부로부터 탈리되는 것을 의미할 수 있다. 이러한 경우, 상기 제1 및 제2양극재에 삽입되는 작동 이온의 농도 또는 상기 제1 및 제2양극재로부터 탈리되는 작동 이온의 농도는 이차 전지의 전압이 변함에 따라 달라질 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 및 제2양극재는 작동 이온에 대하여 동작 전압 범위가 서로 다르다. 일 예로, 이차 전지가 방전되는 조건에서 어느 전압 대역에서는 상기 제2양극재보다 상기 제1양극재에 작동 이온이 우선적으로 삽입되고 다른 전압 대역에서는 그 반대가 될 수 있다. 다른 예로, 이차 전지가 충전되는 조건에서 어느 전압 대역에서는 상기 제1양극재보다 상기 제2양극재로부터 작동 이온이 우선적으로 탈리되고 다른 전압 대역에서는 그 반대가 될 수 있다.
상기 유휴 상태는, 이차 전지가 탑재된 장치의 메인 부하 측으로 크기가 큰 방전 전류가 이차 전지로부터 빠져 나가는(drawn) 상태가 중단되고 상기 장치에 포함된 전자 디바이스에서 필요로 하는 최소한의 방전 전류가 이차 전지로부터 빠져 나가는(drawn) 상태를 의미한다. 상기 이차 전지가 유휴 상태가 되면, 상기 이차 전지로부터 빠져 가나는 방전 전류의 크기가 상당히 작다. 상기 이차 전지가 유휴 상태가 되었을 때 이차 전지로부터 빠져 나가는 전류의 크기는 일정하거나 실질적으로 일정하거나 가변될 수 있다.
예를 들어, (i) 이차 전지가 전기 자동차에 탑재되어 있는 경우, 운전자가 키 온을 한 직후에 상기 이차 전지가 모터 측으로 방전 전류를 공급하지는 않지만, 전기 자동차에 탑재되어 있는 컴퓨터 유닛이나 오디오 기기 등에 크기가 작은 방전 전류를 공급하는 상태, (ii) 상기 전기 자동차가 운행 중에 교통 신호 대기를 위해 잠시 멈추거나 상기 전기 자동차가 주차된 이후 컴퓨터 유닛이 슬립 모드로 전환된 상태, (iii) 이차 전지가 탑재된 정보 통신 기기의 사용이 전원의 턴 오프 없이 일정 시간 이상 중단된 경우 상기 정보 통신 기기의 프로세서가 에너지 절약을 위해 슬립 모드로 전환된 상태 등을 들 수 있다.
상기 무 부하 상태는 이차 전지의 충전 또는 방전이 중단되어 이차 전지의 용량 변화가 실질적으로 없는 상태를 의미한다.
상기 전압 이완은 이차 전지가 유휴 상태 또는 무 부하 상태가 되었을 때 상기 제1 및 제2양극재 사이에 전위차가 생기고 상기 전위차에 의해 양극재들 사이에서 작동 이온의 이동이 유발됨으로써 상기 전위차가 시간의 흐름에 따라 해소되는 현상을 지칭한다.
여기서, 상기 전압 이완은 혼합 양극재가 포함된 이차 전지가 고유 전압 대역에서 방전 상태에 있다가 유휴 상태 또는 무 부하 상태로 전환되었을 때 생긴다. 상기 이차 전지가 고유 전압 대역에서 방전 상태에 있게 되면, 상기 제1 및 제2양극재 중에서 작동 이온과 반응을 잘하는 양극재는 작동 이온과 반응을 할 수 있는 잔여 용량이 얼마 남아 있지 않은 상태가 됨으로써 다른 한 쪽 양극재가 작동 이온과 반응을 하기 시작한다.
이러한 조건에서, 이차 전지가 유휴 상태 또는 무 부하 상태로 전환되면, 상기 제1양극재와 상기 제2양극재의 표면 근처에 있던 작동 이온이 서로 다른 확산 속도를 가지고 해당 양극재의 중심부로 확산되면서 양극재들 사이에 전위차가 생기게 된다. 이렇게 생긴 전위차는 양극재들 사이에서 작동 이온의 이동을 유발시키며 그 결과로서 양극재들의 전위차가 해소되는 전압 이완을 일으킨다.
이러한 전압 이완을 고려할 때, 유휴 상태 또는 무 부하 상태를 다음과 같은 관점에서도 정의할 수 있다. 즉, 이차 전지로부터 방전 전류가 빠져나가면 작동 이온이 양극재들에 삽입된다. 하지만, 방전 전류의 크기가 작으면 작동 이온이 양극재들에 삽입되더라도 전압 이완이 여전히 나타날 수 있다. 따라서 양극재들 사이에 전압 이완이 생기는 것을 방해하지 않을 정도의 작은 방전 전류가 흐르는 상태 또는 방전 전류가 전혀 흐르지 않는 상태를 유휴 상태 또는 무 부하 상태라고 정의할 수 있다.
상기 고유 전압 대역은 상기 제1 및 제2양극재의 종류, 이차 전지의 충전 또는 방전 전류의 크기, 이차 전지가 유휴 상태 또는 무 부하 상태가 되었을 때 이차 전지의 충전 상태 등을 포함한 다양한 요인에 의해 변동될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재가 고유 전압 대역에서 보여주는 전압 이완 현상은 다음과 같은 조건 중 적어도 하나 이상을 충족하는 양극재들 사이에서 발생될 수 있다.
일 예로, 상기 전압 이완은 상기 제1 및 제2양극재에 대해 dQ/dV 분포를 측정하였을 때 각 양극재의 dQ/dV 분포에서 나타나는 메인 피크의 위치 및/또는 상기 메인 피크의 강도가 차이를 보일 때 발생될 수 있다. 여기서, dQ/dV 분포는 양극재에 대한 작동 이온의 전압 별 용량 특성을 의미한다. 따라서, dQ/dV 분포에서 나타나는 메인 피크의 위치 및/또는 상기 메인 피크의 강도가 차이를 보이는 양극재들은 서로 다른 동작 전압 범위를 가진다고 볼 수 있다. 상기 메인 피크에 대한 위치 차이는 상기 제1 및 제2양극재의 종류에 따라 달라질 수 있는데, 일 예로 상기 메인 피크의 위치 차이는 0.1 ~ 4V일 수 있다.
다른 예로, 상기 전압 이완은 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지에 대해 SOC 별로 방전 저항을 측정해 보았을 때 방전 저항 프로파일이 Convex 패턴(소위 볼록한 모양)을 가질 때 발생될 수 있다.
또 다른 예로, 상기 전압 이완은 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지에 대해 SOC 별로 방전 저항을 측정해 보았을 때 방전 저항 프로파일이 상기 Convex 패턴의 정점을 전후로 하여 적어도 2개의 변곡점을 가질 때 발생될 수 있다.
또 다른 예로, 상기 전압 이완은 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지가 적어도 1번의 전압 평탄 영역(plateau)이 포함된 충전 또는 방전 프로파일을 가질 때 발생될 수 있다. 여기서, 상기 전압 평탄 영역은 변곡점이 존재하면서 변곡점을 전후로 하여 전압 변화가 작은 영역을 의미한다.
또 다른 예로, 상기 전압 이완은 상기 혼합 양극재에 포함된 제1양극재 및 제2양극재 중 적어도 하나가 전압 평탄 영역을 포함하는 전압 프로파일을 가질 때 발생될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재로서 사용될 수 있는 물질은 고유 전압 대역에서 전압 이완을 일으킬 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 측면에 따르면, 상기 제1양극재는, 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, -0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물일 수 있다.
선택적으로, 상기 제1양극재는, US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제2양극재는, 일반 화학식 LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함] 로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1양극재는 Li[LiaNibCocMndO2+z](a≥0; a+b+c+d=1; b, c 및 d 중 적어도 하나 이상은 0이 아님; -0.1 ≤ z ≤ 2)일 수 있다. 또한, 상기 제2양극재는, LiFePO4, LiMnxFeyPO4(0 <x+y ≤ 1), 및 Li3Fe2(PO4)3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1양극재 및/또는 상기 제2양극재는, 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 탄소층을 포함하거나, Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물층 또는 불화물층을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재의 혼합 비율은 제조하고자 하는 이차 전지의 용도를 고려한 전기 화학적 설계 조건, 양극재들 사이에서 전압 이완을 일으키기 위해 필요한 양극재들의 전기 화학적 특성, 전압 이완을 일으키는 고유 전압 대역의 범위 등을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다.
또한, 상기 혼합 양극재에 포함될 수 있는 양극재들의 수는 2 가지로 한정되지 않는다. 또한, 혼합 양극재의 물성 개선을 위해 다른 첨가물들, 예컨대 도전제, 바인더 등이 혼합 양극재에 첨가되는 것을 특별히 제한하지 않는다. 따라서 고유 전압 대역에서 무 부하 상태가 되었을 때 전압 이완을 일으킬 수 있는 적어도 2개의 양극재들이 포함된 혼합 양극재라면, 양극재들의 수와 다른 첨가물의 존재 여부와 무관하게 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 함은 당업자에게 자명하다.
상기 이차 전지는 다양한 종류의 전기구동 장치에 탑재될 수 있으며, 그 종류에 특별히 제한이 없다.
일 측면에 따르면, 상기 전기구동 장치는, 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 모바일 컴퓨터 장치, 또는 디지털 카메라, 비디오 카메라, 오디오/비디오 재생 장치 등을 포함한 핸드 헬드 멀티미디어 장치일 수 있다. 다른 측면에 따르면, 상기 전기 구동 장치는, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 열차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같이 전기에 의해 이동이 가능한 전기 동력 장치, 또는 전기 드릴, 전기 그라인더 등과 같이 모터가 포함된 파워 툴일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전기 구동 장치는, 전력 그리드에 설치되어 신재생 에너지나 잉여 발전 전력을 저장하는 대용량 전력 저장 장치, 또는 정전 등의 비상 상황에서 서버 컴퓨터나 이동 통신 장비 등을 포함한 각종 정보 통신 장치의 전원을 공급하는 무 정전 전원 공급 장치일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이차 전지는, 상기 혼합 양극재를 포함하는 양극, 음극 및 분리막을 포함할 수 있다. 상기 이차 전지는 또한 작동 이온이 포함된 전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질은 작동 이온을 포함하여 작동 이온을 매개로 양극과 음극에서 전기 화학적인 산화 또는 환원 반응을 일으킬 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
상기 이차 전지는 또한 상기 양극, 음극 및 분리막을 밀봉하는 포장재를 더 포함할 수 있다. 상기 포장재는 화학적으로 안전성을 갖는 것이라면 그 재질에 특별한 제한이 없다. 상기 이차 전지의 외형은 상기 포장재의 구조에 의해 결정된다. 상기 포장재의 구조는 당업계에 공지된 다양한 구조들 중 하나일 수 있는데, 대표적으로 원통형, 각형, 파우치형, 코인형 등의 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차 전지를 제어할 때 파라미터로서 사용되는 용량 퇴화, 개방 전압, 방전 심도, 충전 상태 등을 간단하고 정확하게 추정할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 BOL(Beginning Of Life) 및 EOL(End Of Life) 상태에 있는 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일을 방전 심도의 변화에 따라 보여주는 그래프이다.
도 2는 리튬 이차 전지가 퇴화되면 오리지널 음극 전압 프로파일이 쉬프트되는 것을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 가정에 의해 추정된 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일이 실제 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일과 잘 부합된다는 것을 보여주는 도면이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 가정이 단일 양극재가 사용된 리튬 이차 전지에도 유효하게 적용될 수 있음을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 7 및 도 8은 제1방전심도(DoD')와 제2방전심도(DoD'')의 차이가 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)에 해당한다는 것을 개념적으로 보여주는 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 결정된 리튬 이차 전지의 파라미터를 표시할 때 사용되는 그래픽 인터페이스의 다양한 예시들을 보여주는 도면이다.
도 10 및 도 11은, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 방법을 순차적으로 도시한 순서도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서 설명되는 실시예들은, 본 발명의 기술적 사상이 리튬 이차 전지에 적용된 경우에 관한 것이다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다. 상기 작동 이온은 이차 전지가 충전 또는 방전되는 과정에서 전기 화학적인 산화 및 환원 반응에 참여하는 이온을 의미하는 것으로, 예를 들어 리튬이 이에 해당될 수 있다. 따라서 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차 전지를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 이차 전지는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 이차 전지는 음극, 전해질 및 양극을 기본 단위로 하는 단일 셀을 비롯하여 단일 셀의 어셈블리, 다수의 어셈블리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 모듈, 다수의 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 팩, 다수의 팩이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 전지 시스템 등도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 리튬 이차 전지에 대한 2개의 개방 전압 프로파일을 보여준다. 하나는 리튬 이차 전지의 활성화를 위해 3 사이클의 충/방전을 시행한 후, 즉 BOL 상태에서 방전 심도에 따라 측정한 개방 전압 프로파일 OCVcell_BOL(DoD)이다. 리튬 이차 전지가 BOL 상태에 있으면, 리튬 이차 전지의 용량 퇴화는 실질적으로 없다. 그리고 다른 하나는 621 사이클의 충방전을 시행하여 리튬 이차 전지의 용량을 7.2% 감퇴시킨 후 방전 심도에 따라 측정한 개방 전압 프로파일 OCVcell_EOL(DoD)이다. 설명의 편의를 위해, 621 사이클의 충방전이 시행된 리튬 이차 전지는 EOL(End Of Life) 상태에 있다고 가정한다. 리튬 이차 전지가 EOL 상태에 도달하면 새로운 전지로 교체가 필요하다.
도 1에서, 가로축에 표시된 DoD는 리튬 이차 전지의 방전 심도를 나타낸다. OCVcell_BOL(DoD)를 기준으로 할 때, DoD가 1이 되면 리튬 이차 전지의 용량이 모두 방전된 상태에 해당하고, DoD가 0이면 리튬 이차 전지가 완전히 충전된 상태에 해당한다.
DoD가 0인 상태에서, 리튬 이차 전지가 방전되면 방전 심도는 서서히 증가한다. 따라서, 리튬 이차 전지의 개방 전압은 방전 심도가 증가함에 따라 감소하며, 리튬 이차 전지가 방전 종지 전압에 도달할 때까지 방전되면 방전 심도는 1이 된다. 방전 심도는 리튬 이차 전지의 오리지날 용량 대비 리튬 이차 전지로부터 네트로 흘러 나간 전류 적산량의 상대적 비율이다. 그리고, 상기 오리지널 용량은 리튬 이차 전지의 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때, 예를 들어 BOL 상태에서 측정한 용량을 의미한다.
상기 리튬 이차 전지는 혼합 양극재를 포함하는 양극과 그라파이트를 포함하는 음극을 가지고 있다. 상기 혼합 양극재는 층상 구조를 가지는 리튬 전이금속 산화물인 Li1+xNiaCobMncO2(x≥0; a = b = c =1/3; 이하 NMC 양극재로 약칭함)와 감람석 구조를 가지는 LiFePO4(LFP 양극재로 약칭함)가 7:3(중량비)으로 브랜딩된 것이다. 이하의 실시예에서 언급되는 리튬 이차 전지는 특별한 언급이 없는 한 상기 리튬 이차 전지와 사양이 동일하다.
한편, 혼합 양극재에 포함된 양극재의 종류는 상술한 여러 가지 종류의 물질 중에서 다양하게 선택될 수 있고, 음극재 또한 공지된 물질 중에서 변경이 가능하다.
도 1을 참조하면, BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일 OCVcell_BOL(DoD)은 적어도 하나의 전압 평탄 영역(Plateau)을 갖는다(점선 박스 참조). 상기 전압 평탄 영역은 변곡점을 포함하고 프로파일의 모양이 거의 수평에 가까운 영역을 의미한다. OCVcell_BOL(DoD)에서, 전압 평탄 영역은 개방 전압을 기준으로 3.00V와 3.50V의 대략 중간에 위치한다. OCVcell_EOL(DoD)은 OCVcell_BOL(DoD)보다 오른쪽으로 쉬프트되어 있고 전압 평탄 영역도 사라진 것처럼 보인다. 도 1은 리튬 이차 전지의 충방전 사이클이 증가하여 리튬 이차 전지의 용량이 퇴화되면 개방 전압 프로파일이 변한다는 것을 뒷받침한다.
상기 전압 평탄 영역은, 혼합 양극재에 포함된 2개의 양극재에 대해 dQ/dV 분포를 측정하였을 때 각 양극재의 dQ/dV 분포에서 나타나는 메인 피크의 위치 및/또는 상기 메인 피크의 강도가 차이를 보일 때 생긴다. 여기서, dQ/dV 분포는 양극재에 대한 작동 이온의 전압별 용량 특성을 의미한다. 상기 메인 피크에 대한 위치 차이는 양극재들의 종류에 따라 달라질 수 있다. 다른 측면에서, 상기 전압 평탄 영역은, 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지에 대해 방전 심도 별로 방전 저항을 측정해 보았을 때 방전 저항 프로파일이 Convex 패턴(소위 볼록한 모양)을 가질 때 생긴다. 또 다른 측면에서, 상기 전압 평탄 영역은 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지에 대해 방전 심도 별로 방전 저항을 측정해 보았을 때 방전 저항 프로파일이 상기 Convex 패턴의 정점을 전후로 하여 적어도 2개의 변곡점을 가질 때 생긴다. 또 다른 측면에서, 상기 전압 평탄 영역은, 상기 혼합 양극재에 포함된 적어도 하나의 양극재가 하프 셀(음극은 리튬 전극)의 양극재로서 사용될 때 전압 평탄 영역을 포함하는 전압 프로파일을 가질 때 생긴다.
도 2는 이차 전지의 용량 퇴화가 전기화학적으로 어떠한 의미가 있는지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에는, 3개의 개방 전압 프로파일이 도시되어 있다. ①번으로 나타낸 개방 전압 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 양극에 대한 개방 전압 프로파일을 방전 심도 DoD의 함수로서 나타낸 것이다. 이하, 상기 양극에 대한 개방 전압 프로파일을 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)라고 명명한다. 또한, ②번으로 나타낸 개방 전압 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 음극에 대한 개방 전압 프로파일을 방전 심도 DoD의 함수로서 나타낸 것이다. 이하, 상기 음극에 대한 개방 전압 프로파일을 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)라고 명명한다. 또한, ③번으로 나타낸 개방 전압 프로파일은 용량이 20% 퇴화된 상태에 있는 리튬 이차 전지의 음극에 대한 개방 전압 프로파일을 방전 심도 DoD의 함수로서 나타낸 것이다. 이하, 용량 퇴화가 이루어진 이차 전지의 음극에 대한 개방 전압 프로파일을 음극 전압 프로파일 Va(DoD)라고 명명한다. 참고로, 양극과 음극의 개방 전압 프로파일은 리튬 이차 전지를 4.2V까지 충전시킨 후 정전류로 방전을 하면서 주기적으로 전지를 무 부하 상태로 만든 후 일정 시간 방치한 후 리튬 금속을 기준 전위(0V)로 사용하여 양극 및 리튬 금속 사이, 그리고 음극 및 리튬 금속 사이의 전압을 측정하여 얻을 수 있다.
도 2를 참조하면, 음극 전압 프로파일 Va(DoD)은 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)을 0.20 만큼 오른쪽으로 쉬프트시킨 프로파일임을 알 수 있다. 즉, BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 용량을 기준으로 80%의 용량만 방전되어도 음극의 개방 전압은 방전 종지 전압에 해당하는 약 1.5까지 상승하게 된다. 또한, Va(DoD)는 Va,o(DoD)와 비교하였을 때 프로파일의 위치만 쉬프트되고 프로파일의 모양은 실질적으로 동일한 것을 알 수 있다. 따라서 Va(DoD)는 근사적으로 Va,o(DoD-0.2)와 동일하다고 볼 수 있다. 알려진 바와 같이, 리튬 이차 전지가 방전될 때 수반되는 전지의 용량 감소는 리튬의 전기화학적 반응에서 비롯된다. 따라서 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 용량을 기준으로 80%의 용량만 방전되더라도 음극의 개방 전압이 방전 종지 전압에 이르는 것은 결국 리튬 이차 전지의 용량 퇴화는 리튬 이차 전지가 방전되는 과정에서 전기화학적 산화 및 환원에 참여할 수 있는 가용 리튬의 양이 리튬 이차 전지의 퇴화에 따라 비가역적으로 감소하였기 때문이라고 볼 수 있다.
이러한 실험 결과는, 리튬 이차 전지가 퇴화되면, 음극의 개방 전압 프로파일이 리튬 이차 전지의 용량 퇴화에 따라 쉬프트된다는 가정을 가능하게 한다.
도 3은 상기 가정이 실제 리튬 이차 전지의 개방 전압 변화 거동과 잘 부합된다는 것을 보여준다.
도 3은 2개의 추정된 개방 전압 프로파일들과 2개의 측정된 개방 전압 프로파일들을 보여주고 있다. 각각의 개방 전압 프로파일은 방전 심도의 변화에 따라 표시되었다. 먼저, 실선으로 표시된 개방 전압 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 추정된 개방 전압 프로파일 OCVcell,o(DoD)로서 도 2에 도시된 Vc,o(DoD)와 Va,o(DoD)의 차이에 해당한다. 다음으로, 점선으로 도시된 개방 전압 프로파일은 20%의 용량 퇴화가 이루어진 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일 OCVcell(DoD)로서 도 2에 도시된 Vc,o(DoD)와 Va(DoD)의 차이에 해당한다. 또한 ○로 표시된 개방 전압 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지에 대한 측정된 개방 전압 프로파일 OCVcell,o,m(DoD)에 해당한다. 마지막으로, △로 표시된 개방 전압 프로파일은 20%의 용량 퇴화가 이루어진 리튬 이차 전지에 대한 측정된 개방 전압 프로파일 OCVcell,m(DoD)에 해당한다. 도면을 참조하면, BOL 상태 및 20%의 용량 퇴화가 진행된 상태 모두에서, 추정된 개방 전압 프로파일이 측정된 개방 전압 프로파일과 잘 정합된다는 것을 알 수 있다. 도 3에 나타난 결과는, 리튬 이차 전지의 용량이 퇴화되면, 음극의 개방 전압 프로파일이 용량 퇴화 정도에 따라 쉬프트된다는 가정을 실험적으로 뒷받침해 준다.
도 4와 도 5는 본 발명의 상기 가정이 단일 양극재가 사용된 리튬 이차 전지에도 유효하게 적용될 수 있음을 보여준다.
도 4는 단일의 양극재, 즉 NMC 양극재가 양극에 사용된 리튬 이차 전지의 Vc,o(DoD), Va,o(DoD), 및 Va(DoD)을 나타낸 것이다.
여기서도, Vc,o(DoD) 및 Va,o(DoD)는, 각각 리튬 이차 전지가 BOL 상태에 있을 때, 즉, 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때, 방전 심도 별로 측정한 양극과 음극의 개방 전압 프로파일을 나타낸다. 그리고, Va(DoD)는 리튬 이차 전지의 용량이 20% 퇴화되었을 때 방전 심도 별로 측정한 음극의 개방 전압 프로파일을 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 개방 전압 프로파일들을 이용하여 추정된 개방 전압 프로파일에 해당하는 OCVcell,o(DoD) 및 OCVcell(DoD)와 실제 측정한 개방 전압 프로파일에 해당하는 OCVcell,o,m(DoD) 및 OCVcell,m(DoD)을 나타낸다.
도 4 및 도 5에 나타난 결과는, 리튬 이차 전지의 용량이 퇴화되면, 음극의 개방 전압 프로파일이 용량 퇴화 정도에 따라 쉬프트된다는 가정을 단일 양극재를 포함하는 리튬 이차 전지에도 적용할 수 있음을 실험적으로 뒷받침한다.
이하에서는, 상기에서 설명된 내용을 바탕으로 이차 전지의 동작을 제어하는데 사용되는 여러 가지 파라미터를 추정하는 장치와 방법을 개시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)는, 이차 전지(110)에 전기적으로 결합된다. 상기 이차 전지(110)는 충전과 방전이 반복될 수 있는 전지를 지칭하며, 전지의 구체적인 종류에 의해 발명이 한정되지 않는다. 바람직하게, 상기 이차 전지(110)는 리튬 이차 전지일 수 있다.
상기 장치(100)는, 센서(120)와 제어부(130)를 포함한다. 상기 센서(120)는, 전압 측정부(140), 전류 측정부(150) 및 온도 측정부(160)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 전압 측정부(140) 및/또는 상기 전류 측정부(150) 및/또는 상기 온도 측정부(160)는 제어부(130)의 제어에 따라 이차 전지(110)의 전압 및/또는 전류 및/또는 온도를 측정하고 측정된 값을 제어부(130)로 제공한다.
상기 장치(100)는 선택적인 요소로서 저장부(170)를 더 포함할 수 있다. 상기 저장부(170)는, 상기 제어부(130)가 파라미터를 추정하는 과정에서 사용하는 프로그램과 상기 프로그램이 실행되는 과정에서 필요한 데이터들 또는 상기 프로그램이 실행되는 과정에서 생성되는 데이터들을 저장하고 갱신한다.
바람직하게, 상기 저장부(170)는 이차 전지(110)가 실질적으로 용량 퇴화가 되지 않았을 때 방전 심도 별로 측정한 복수의 오리지널 양극 전압(Vc,o) 및 방전 심도 별로 측정한 복수의 오리지널 음극 전압 전압(Va,o)을 프로파일 데이터로서 사전에 저장하고 있을 수 있다. 또한, 상기 저장부(170)는 이차 전지(110)가 실질적으로 용량 퇴화가 되지 않았을 때 측정한 오리지널 용량에 관한 데이터를 사전에 저장할 수 있다. 상기 오리지널 용량은 용량 퇴화가 실질적으로 없는 이차 전지를 만 충전 시킨 후 방전 종지 전압까지 연속적으로 방전시키면서 방전 전류를 적산하여 산출할 수 있다.
상기 이차 전지의 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때란, 이차 전지가 제조된 직후로서, 예를 들어 이차 전지의 충/방전 사이클이 아직 시작되지 않은 때(Beginning Of Life: BOL), 또는 충/방전 사이클의 수가 작을 때, 예컨대 충/방전 사이클이 10회 미만인 상태를 의미할 수 있다.
상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 오리지널 음극 전압(Va, o)은 전위가 0이 될 수 있는 기준 전극(예컨대, 리튬 전극)을 기준으로 측정될 수 있다.
이하, 방전 심도 별로 측정된 복수의 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 복수의 오리지널 음극 전압(Va, o)을 각각 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)과 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)로서 명명한다.
상기 저장부(170)는 DRAM, SRAM, ROM, EEPROM, Flash Memory, Register 등과 같이 정보가 저장될 수 있는 디바이스라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
상기 센서(120)는, 전압 측정부(140)를 통해, 제1방전심도(DoD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)을 측정하여 상기 제어부(130)로 제공한다.
여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DoD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 현재의 음극 전압(Va) 차이에 해당한다.
바람직하게, 상기 제1방전심도(DoD')는 방전 또는 충전 모드에 있는 이차 전지의 동작이 충분한 시간 동안 중단되어 개방 전압 측정 조건이 성립되었을 때, 이차 전지의 동작이 중단되기 직전에 계산된 방전 심도일 수 있다.
상기 개방 전압 측정 조건은, 이차 전지(110)의 무 부하 상태가 일정한 시간 이상으로 유지되었을 것, 이차 전지(110)의 온도가 일정 범위에 속할 것, 이차 전지(110)에 들어가고 나가는 전류의 크기가 작을 것, 이차 전지(110)에서 나가고 들어오는 전류의 크기가 작은 상태가 일정한 시간 이상 유지되었을 것 등의 조건 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 무 부하 상태의 유지 시간, 이차 전지(110)의 온도, 전류의 크기, 낮은 전류의 유지 시간 등의 바람직한 범위는, 시행 착오법(Trial & Error)에 의해 결정될 수 있고, 상기 제어부(130)가 접근 가능한 저장부(170)에 저장될 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 개방 전압 측정 조건의 성립을 모니터하기 위해, 이차 전지(110)의 동작이 중단된 시간을 계수할 수 있고, 및/또는 상기 센서(120)의 온도 측정부(160)를 통해 이차 전지(110)의 온도 측정 값을 제공받아 이차 전지(110)의 온도를 모니터할 수 있고, 및/또는 상기 센서(120)의 전류 측정부(150)를 통해 이차 전지(110)의 전류 측정 값을 제공 받아 이차 전지(110)의 전류 크기 변화를 시간에 따라 모니터할 수 있다.
상기 제1방전심도(DoD')는, 암페어 카운팅을 통해 제어부(130)에 의해 계산될 수 있다.
이를 위해, 상기 센서(120)는 전류 측정부(150)를 통해 이차 전지(110)가 충전 또는 방전되는 동안 이차 전지(110)에 들어가고 나가는 전류를 측정하고 측정된 전류 값을 제어부(130)로 제공할 수 있다.
그러면, 상기 제어부(130)는, 이차 전지(110)의 만 충전 상태를 기준으로 전지(110)로부터 네트(net)로 흘러 나간 전류 적산량을 산출한다. 그리고, 상기 제어부(130)는 저장부(170)에 저장된 이차 전지(110)의 오리지널 용량을 참조하여 오리지널 용량 대비 전류 적산량의 상대적 비율을 계산함으로써 이차 전지의 방전 심도를 산출할 수 있다.
예를 들어, 이차 전지의 오리지널 용량이 1000mAh이고, 이차 전지(110)로부터 네트로 흘러 나간 전류 적산량이 800mAh이면, 방전 심도는 0.8이 된다.
상기 제어부(130)는 산출된 방전 심도를 저장부(170)에 저장하고 이차 전지(110)가 동작하는 동안 지속적으로 갱신할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 제1방전 심도(DoD')에서 측정된 개방 전압(OCVm)이 센서(120)로부터 제공되면, 저장부(170)에 방전 심도 별로 저장되어 있는 복수의 오리지널 양극 전압(Vc,o)들 중에서 상기 제1방전 심도(DoD')에 해당하는 오리지널 양극 전압(Vc,o)을 식별한다.
또한, 상기 제어부(120)는, 상기 식별된 오리지널 양극 전압(Vc,o)으로부터 상기 측정된 개방 전압(OCVm)을 감산하여 현재 이차 전지(110)의 음극이 가지는 음극 전압(Va)을 산출하고 그 값을 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압(Va,o)으로 결정한다.
또한, 상기 제어부(120)는, 저장부(170)에 방전 심도 별로 저장되어 있는 복수의 오리지널 음극 전압(Va,o)들 중에서 상기 결정된 오리지널 음극 전압(Va,o)에 대응되는 제2방전심도(DoD'')를 얻는다.
또한, 상기 제어부(120)는, 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이를 계산한다.
상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이는, 이차 전지(110)의 음극에 형성되는 음극 전압 프로파일 Va(DoD)가 이차 전지의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)로부터 어느 정도 쉬프트되었는지를 정량적으로 나타낸다. 그리고, 상기 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)의 쉬프트 량은 이차 전지(110)의 용량 퇴화 정도를 나타낸다.
따라서, 상기 제어부(120)는 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이를 이차 전지(110)의 용량 퇴화(△capa)로서 결정할 수 있다.
도 7은 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이가 이차 전지(110)의 용량 퇴화(△capa)에 해당한다는 것을 개념적으로 보여주는 그래프이다.
도 7에서, 프로파일 ①은 방전 심도에 따라 이차 전지(110)의 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)를 측정하여 나타낸 것이고, 프로파일 ②는 방전 심도에 따라 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)를 측정하여 나타낸 것이다.
상기 Vc,o(DoD) 및 Va,o(DoD)를 얻은 이차 전지는, 양극과 음극에 NMC 양극재와 탄소를 각각 포함하고 있으며, 각각의 전압 프로파일은 전위가 0인 리튬 전극을 기준 전극으로 사용하여 측정한 것이다. 프로파일 ① 및 ②는 도 4의 그래프 ① 및 ②와 실질적으로 동일하다.
도 7을 참조하면, 위치 A는 이차 전지(110)의 개방 전압이 측정된 시점을 마킹한 것으로서, 개방 전압이 측정된 시점에서 이차 전지(110)의 방전 심도는 0.85이다. 여기서, 방전 심도 0.85는 상술한 실시예에서 제1방전 심도(DoD')에 해당한다. 제1방전 심도(DoD')가 0.85일 때 이차 전지(110)의 오리지널 양극 전압(Vc,o)은 저장부(170)로부터 참조 가능하고, 방전 심도가 0.85일 때의 개방 전압(OCVm)은 측정을 통해 그 값을 알 수 있다. 이차 전지(110)의 개방 전압(OCVm)은 양극 전압과 음극 전압의 차이에 해당하므로, 방전 심도가 0.85일 때의 음극 전압 Va(0.85)의 크기는 Vc,o(0.85)-OCVm(0.85)로서 쉽게 계산할 수 있다. 한편, 상기 음극 전압(Va)은 프로파일 ②가 이차 전지(110)의 용량 퇴화만큼 쉬프트된 프로파일 상에 위치한다. 프로파일 ②의 쉬프트 량은, 프로파일 ② 상에서, 상기 음극 전압 Va(0.85)와 동일한 크기의 오리지널 음극 전압에 대응하는 제2방전 심도(DoD'')를 식별하면 쉽게 구할 수 있다. 즉, 제2방전 심도(DoD'')는 점선 화살표로 표시된 바와 같이 V-1 a,o(Va(0.85))이며, 프로파일 ②의 쉬프트 량은, 0.85- V-1 a,o(Va(0.85))이고, 이 값이 바로 이차 전지(110)의 용량 퇴화 △capa에 해당한다.
도 8은, 이차 전지(110)가 혼합 양극재를 포함하는 경우에도, 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이가 이차 전지(110)의 용량 퇴화(△capa)에 해당한다는 것을 개념적으로 보여주는 그래프이다.
도 8에서, 프로파일 ①은 방전 심도에 따라 이차 전지(110)의 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)를 측정하여 나타낸 것이고, 프로파일 ②는 방전 심도에 따라 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)를 측정하여 나타낸 것이다.
상기 Vc,o(DoD) 및 Va,o(DoD)를 얻은 이차 전지는, 양극에는 NMC 양극재와 LFP 양극재가 7:3(중량비)으로 브랜딩된 혼합 양극재가 포함되어 있고 음극에는 탄소가 포함되어 있으며, 각각의 전압 프로파일은 전위가 0인 리튬 전극을 기준 전극으로 사용하여 측정한 것이다. 프로파일 ① 및 ②는 도 2에 도시된 그래프 ① 및 ②와 실질적으로 동일하다.
도 8을 참조하면, 혼합 양극재가 포함되어 있는 이차 전지의 경우에도 제1방전 심도(DOD')가 0.85일 때 개방 전압 OCVm(0.85)를 측정하면, 프로파일 ②의 쉬프트 량은 0.85- V-1 a,o(Va(0.85))이고, 이 값이 바로 이차 전지(110)의 용량 퇴화 △capa에 해당한다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는, 상기 결정된 용량 퇴화 △capa 만큼 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)을 쉬프트시키고, 상기 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)로부터 상기 쉬프트된 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD-△capa)를 감산하여 이차 전지(110)의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻을 수 있다. 상기 제어부(130)는, 선택적으로, 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일을 저장부(170)에 저장하고 △capa가 갱신될 때마다 이차 전지(110)의 개방 전압 프로파일도 함께 갱신할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는 암페어 카운팅 법에 의해 계산한 전류 적산량을 이용하여 이차 전지(110)의 방전 심도를 계산하고, 상기 저장부(170)에 저장된 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일을 참조하여 상기 계산된 방전 심도에 대응되는 이차 전지(110)의 개방 전압을 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는, 이차 전지의 개방 전압 OCVm을 측정하고, 상기 저장부(170)에 저장되어 있는 퇴화된 개방 전압 프로파일을 참조하여 상기 측정된 개방 전압 OCVm로부터 상기 이차 전지의 방전심도(DoD)를 결정할 수 있다. 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일을 OCVcell,aged(DoD)라고 표시할 때, 상기 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 계산되는 방전심도(DoD)는 OCV-1 cell,aged(OCVm)이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는, 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)를 참조하여 상기 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 결정된 방전 심도(DoD)와 상기 결정된 용량 퇴화(△capa)를 이용하여 하기 수학식 2로부터 이차 전지의 충전 상태를 결정할 수 있다.
[수학식 2]
SOC = (DoDmax - DoD) / DoDmax
DoDmax=1-△Capa
여기서, SOC는 이차 전지의 충전 상태를, DoDmax는 이차 전지가 방전 종지 전압에 도달할 때의 방전 심도를, DoD는 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 결정된 현재의 방전 심도를, 및 △Capa는 본 발명에 따라 결정된 용량 퇴화를 나타낸다.
또한, 상기 제어부(130)는, 선택적으로, 상기 결정된 충전 상태를 저장부(170)에 저장하고 갱신할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는, 표시부(180)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상술한 바에 따라 결정된 이차 전지(110)의 파라미터를 상기 표시부(180)를 통해 그래픽 인터페이스로 표시할 수 있다.
여기서, 상기 파라미터는, 이차 전지(110)의 용량 퇴화, 개방 전압, 방전 심도 및 충전 상태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 표시부(180)는 반드시 상기 장치(100) 내부에 포함될 필요는 없으며, 다른 장치에 포함된 것일 수 있다. 이러한 경우, 상기 표시부(180)와 상기 제어부(130)는 직접적으로 연결되지 않으며, 상기 다른 장치에 포함된 제어 수단을 매개로 상기 표시부(180)와 간접적으로 연결된다. 따라서 상기 표시부(180)와 상기 제어부(130)의 전기적 연결은 이러한 간접 연결 방식도 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
한편, 상기 제어부(130)가 이차 전지(110)의 파라미터를 표시부(180)를 통해 직접적으로 표시할 수 없는 경우, 상기 표시부(180)를 포함하는 다른 장치로 전송할 수 있다. 이러한 경우, 상기 제어부(130)는 상기 다른 장치와 데이터 전송이 가능하도록 연결될 수 있고, 상기 다른 장치는 제어부(130)로부터 이차 전지(110)의 파라미터를 수신할 수 있고, 상기 다른 장치는 자신과 연결된 표시부를 통해 상기 수신된 파라미터를 그래픽 인터페이스로 표시할 수 있다.
상기 그래픽 인터페이스는 이차 전지의 파라미터를 사용자에게 나타낼 수 있는 것이라면 어떠한 것이라고 가능하다. 도 9는 상기 그래픽 인터페이스의 다양한 실시예들을 보여준다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 그래픽 인터페이스는 이차 전지(110)의 파라미터를 막대 그래프의 길이로 표시하는 방식(a), 게이지 포인터로 표시하는 방식(b), 숫자로 표시하는 방식(c) 등이 가능하다.
상기 제어부(130)는, 이후에 개시되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 저장부(170)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
이하에서는, 상술한 구성을 토대로, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 파라미터 추정 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 이차 전지 파라미터 추정 방법은, 상술한 장치(100)에 의해 실행되며, 이미 설명된 사항에 대해서는 반복적인 설명을 생략하기로 한다.
또한, 이차 전지 파라미터 추정 방법이 포함하는 단계들은, 장치(100)의 제어부(130)에 의해 수행될 수 있으므로, 각각의 단계들은 제어부(130)의 기능으로서 장치(100)에 포함될 수 있음은 자명하다.
도 10 및 도 11은 이차 전지 파라미터 추정 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 단계 S10에서, 상기 제어부(130)는 이차 전지(110)가 Key on 상태가 되었는지 판단한다.
여기서, Key on 상태는 무 부하 상태에 있던 이차 전지(110)가 충전 또는 방전 모드로 들어가기 직전의 상태로 전환된 상태를 의미한다.
Key on 상태는, 일 예시로서 이차 전지(110)가 장착된 전기 자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV) 또는 플러그드 하이브리드 자동차(PHEV)의 운행을 위해 시동 키가 온 된 상태를 들 수 있다. 다른 예시로서, 모바일 디바이스의 전원 Key가 온 된 상태를 들 수 있다.
상기 제어부(130)는 이차 전지(110)가 Key on 상태가 된 것이 확인되면, 프로세스를 단계 S20으로 이행한다.
단계 S20에서, 상기 제어부(130)는 개방 전압 측정 조건이 성립되었는지 판단한다.
상기 개방 전압 측정 조건은, 이차 전지(110)의 동작이 충분한 시간 동안 중단되어 이차 전지(110)의 전압이 안정화된 경우, 또는 이차 전지(110)에서 나가고 들어오는 전류의 크기가 작아서 이차 전지(110)의 분극 전압이 무시할 만한 수준인 경우에 성립될 수 있다.
상기 개방 전압 측정 조건은, 이차 전지(110)의 무 부하 상태가 일정한 시간 이상으로 유지되었을 것, 이차 전지(110)의 온도가 일정 범위에 속할 것, 이차 전지(110)에 들어가고 나가는 전류의 크기가 작을 것, 이차 전지(110)에서 나가고 들어오는 전류의 크기가 작은 상태가 일정한 시간 이상 유지되었을 것 등의 조건 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 무 부하 상태의 유지 시간, 이차 전지(110)의 온도, 전류의 크기, 낮은 전류의 유지 시간 등의 바람직한 범위는, 시행 착오법(Trial & Error)에 의해 결정될 수 있고, 상기 제어부(130)가 접근 가능한 저장부(170)에 저장될 수 있다.
상기 제어부(130)는, 이차 전지(110)가 Key off된 시간을 저장부(170)에 저장하고 이차 전지(110)가 Key on 상태가 되었을 때 저장된 시간 정보를 참조하여 이차 전지(110)의 무 부하 상태 유지 시간을 계산하고 계산된 시간과 저장부(170)에 저장된 바람직한 시간 범위를 비교하여 상기 개방 전압 측정 조건의 성립 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 센서(120)를 통해 시간 간격을 두고 이차 전지(110)의 온도 측정 값을 제공 받을 수 있고, 상기 제공 받은 온도 측정 값과 상기 저장부(170)에 저장된 바람직한 온도 범위를 비교하여 상기 개방 전압 측정 조건의 성립 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 센서(120)를 통해 시간 간격을 두고 이차 전지(110)의 전류 측정 값을 제공 받을 수 있고, 상기 제공 받은 전류 측정 값과 상기 저장부(170)에 저장된 바람직한 전류 크기 범위를 비교하여 상기 개방 전압 측정 조건의 성립 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 센서(120)로부터 제공 받은 전류 측정 값이 상기 저장부(170)에 저장된 바람직한 전류 크기 범위에 속할 때 해당 크기의 전류가 흐른 시간을 적산하고 적산 시간을 상기 저장부(170)에 저장된 바람직한 시간 범위와 비교하여 상기 개방 전압 측정 조건의 성립 여부를 판단할 수 있다.
상기 개방 전압 측정 조건이 성립되었는지를 판단하는 방식은, 2개 이상이 조합될 수 있다. 이러한 경우, 2개 이상의 성립 조건이 동시에 만족이 될 때, 상기 개방 전압 측정 조건이 성립된 것으로 판단될 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제어부(130)는, 이차 전지(110)가 충전 또는 방전되는 동안, 센서(120)를 통해 이차 전지(110)로 들어가고 나가는 전류 측정 값을 제공 받고, 제공 받은 전류 측정 값을 적산하여 방전 심도를 계산하고, 계산된 방전 심도를 저장부(170)에 저장하고 갱신할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S20에서, 개방 전압 측정 조건이 성립되었다고 판단되면, 프로세스를 단계 S30으로 이행한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S30에서, 개방 전압 측정 조건이 성립된 시점을 기준으로 가장 최근에 계산된 방전 심도를 저장부(170)로부터 읽어내어 제1방전 심도(DoD')로 결정한다.
상기 제어부(50)는, 단계 S40에서, 이차 전지(110)가 제1방전 심도 상태에 있을 때, 센서(120)를 제어하여 이차 전지(110)의 개방 전압 OCVm 을 측정하고, 측정된 개방 전압 OCVm을 저장부(170)에 저장한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S50에서, 상기 저장부(170)에 방전 심도 별로 저장되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)를 참조하여 상기 제1방전 심도(DoD')에 대응되는 오리지널 양극 전압(Vc,o)을 결정하고 결정된 오리지널 양극 전압(Vc,o)으로부터 상기 측정된 개방 전압 OCVm을 감산함으로써 이차 전지(110)의 음극 전압 Va를 결정한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S60에서, 상기 결정된 음극 전압 Va를 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 Va,o 으로 결정한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S70에서, 상기 저장부(170)에 방전 심도 별로 저장되어 있는 오리지널 음극 전압(Va,o)을 참조하여 상기 결정된 오리지널 음극 전압 Va,o에 대응되는 방전 심도를 식별하고, 식별된 방전 심도를 제2방전 심도(DoD'')로서 결정한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S80에서, 상기 제1방전 심도(DoD')와 상기 제2방전 심도(DoD'')의 차이로부터 이차 전지(110)의 용량 퇴화 △capa를 결정할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S90에서, 상기 결정된 용량 퇴화 △capa를 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 상기 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시할 수 있고, 및/또는 상기 결정된 용량 퇴화 △capa를 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 다음과 같은 단계들 중 적어도 하나 이상을 선택적으로 더 수행할 수 있다. 2개 이상의 단계들이 선택되어 수행될 때, 각각의 단계들이 반드시 시간적인 순서를 두고 순차적으로 수행될 필요는 없고, 각각의 단계들이 수행되는 순서는 얼마든지 변경될 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S100에서, 상기 결정된 용량 퇴화 △capa 만큼 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)을 쉬프트시키고, 상기 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)로부터 상기 쉬프트된 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD-△capa)를 감산하여 이차 전지(110)의 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)을 결정할 수 있다. 또한, 상기 제어부(130)는, △capa가 갱신될 때마다 이차 전지(110)의 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)도 함께 갱신할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S110에서, 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)을, 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시하고, 및/또는 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S120에서, 암페어 카운팅 법에 의해 계산한 전류 적산량을 이용하여 이차 전지(110)의 방전 심도를 계산하고, 상기 저장부(170)에 저장된 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)을 참조하여 상기 계산된 방전 심도에 대응되는 이차 전지(110)의 개방 전압을 결정할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S130에서, 상기 결정된 이차 전지(110)의 개방 전압을 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 상기 결정된 개방 전압을 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시하고, 및/또는 상기 결정된 개방 전압을 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S140에서, 이차 전지(110)의 개방 전압 OCVm을 측정하고, 상기 저장부(170)에 저장되어 있는, 방전 심도에 따른 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)을 참조하여 상기 측정된 개방 전압 OCVm로부터 상기 이차 전지의 방전심도(DoD)를 결정할 수 있다. 상기 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 계산되는 방전심도(DoD)는 OCV-1 cell,aged(OCVm)이다.
상기 제어부(130)는, 단계 S150에서, 상기 결정된 방전 심도 OCV-1 cell,aged(OCVm)를 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시하고, 및/또는 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S160에서, 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)를 참조하여 상기 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 결정된 방전 심도(DoD)와 상기 결정된 용량 퇴화(△capa)를 이용하여 이차 전지의 충전 상태(SOC)를 결정할 수 있다. 이차 전지의 충전 상태는 앞서 설명한 수학식 2를 이용하여 결정할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S170에서, 상기 결정된 충전 상태를 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 상기 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시하고, 및/또는 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상술한 실시예에서, 이차 전지(110)의 개방 전압 OCVm은 개방 전압 측정 조건이 성립되었을 때 센서(120)를 통해 측정되는 값으로 설명하였지만, 상기 개방 전압 OCVm은 이차 전지(110)의 전압, 전류 및 온도에 대한 측정 데이터로부터 추정된 값일 수도 있다.
또한, 이차 전지(110)의 방전 심도(DoD)와 충전 상태(SOC)는 수학식 2에 의해 서로 변환될 수 있고, 전자는 이차 전지(110)의 방전 관점에서 후자는 이차 전지(110)의 충전 관점에서 이차 전지(110)에 남아 있는 가용 가능한 용량을 정량화할 수 있는 파라미터이다. 따라서 상기 방전 심도(DoD)와 충전 상태(SOC)는 이차 전지(110)의 가용 가능한 용량을 정량적으로 나타내는 파라미터라는 관점에서 서로 균등한 파라미터라고 해석될 수 있다.
또한, 상기 제어부(130)에 의해 결정되는 파라미터들은, 이차 전지(110)의 충/방전 제어, 최대 방전 전력의 계산, 최소 충전 전력의 계산 등에 사용될 수 있고, 및/또는 통신 인터페이스를 통해 다른 제어 장치에 제공될 수 있다.
또한, 상기 제어부(130)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (17)

  1. 제1방전심도(DOD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DOD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 센서; 및
    상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하고, 상기 오리지널 음극 전압(Va,o)에 대응되는 제2방전심도(DOD'')를 결정하고, 상기 제1방전심도(DOD')와 상기 제2방전심도(DOD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 제어부(control unit);을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 오리지널 양극 전압에 대한 프로파일과 상기 용량 퇴화만큼 쉬프트된 상기 오리지널 음극 전압에 대한 프로파일로부터 상기 이차 전지의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이차 전지의 개방 전압을 측정하고, 상기 측정된 개방 전압을 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 방전심도를 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도를 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 개방 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도와 상기 결정된 용량 퇴화를 이용하여 상기 이차 전지의 충전 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    방전 심도 변화에 따른 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)의 프로파일 데이터, 및 방전 심도 변화에 따른 상기 오리지널 음극 전압(Va,o)의 프로파일 데이터를 포함하고 있는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 결정된 용량 퇴화, 상기 결정된 개방 전압, 상기 결정된 방전 심도, 또는 상기 결정된 충전 상태를 저장, 표시 또는 전송하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 제1양극재 및 제2양극재를 포함하는 혼합 양극재를 포함하고,
    상기 양극재는 서로 다른 동작 전압 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치를 포함하는 전기 구동 장치.
  10. 제1방전심도(DOD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DOD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 단계; 및
    상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하는 단계;
    상기 오리지널 음극 전압(Va,o)에 대응되는 제2방전심도(DOD'')를 얻는 단계; 및
    상기 제1방전심도(DOD')와 상기 제2방전심도(DOD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 오리지널 양극 전압에 대한 프로파일과 상기 용량 퇴화만큼 쉬프트된 상기 오리지널 음극 전압에 대한 프로파일로부터 상기 이차 전지의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이차 전지의 개방 전압을 측정하고, 상기 측정된 개방 전압을 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 방전심도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도를 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 개방 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도와 상기 결정된 용량 퇴화로부터 이차 전지의 충전 상태를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정된 용량 퇴화, 상기 결정된 개방 전압, 상기 결정된 방전 심도, 또는 상기 결정된 충전 상태를 저장, 표시 또는 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 제1양극재 및 제2양극재를 포함하는 혼합 양극재를 포함하고,
    상기 양극재는 서로 다른 동작 전압 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 방법을 프로그램화하여 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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