JP5946955B2 - 二次電池のパラメータ推定装置及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2012年4月30日出願の韓国特許出願第10−2012−0045868号及び2013年3月15日出願の韓国特許出願第10−2013−0028284号に基づく優先権を主張するものであり、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
ここで、前記オリジナル容量とは、BOL(Beginning Of Life)状態にある二次電池が充電上限電圧から放電終止電圧まで放電する過程で、二次電池から流れる電流の量を積算した値を意味する。
例えば、二次電池のオリジナル容量が1000mAhであって、二次電池が満充電された後に二次電池から流れた放電電流を積算した値が700mAhであったと仮定すれば、このときの放電深度は0.7に計算される。
例えば、二次電池の放電終止電圧が3.0Vであって、二次電池の容量劣化が20%進行したならば、二次電池の放電深度が0.80まで増加したときに二次電池の電圧が放電終止電圧である3.0Vまで減少する。
二次電池の充電状態は、下記数式1のように二次電池の放電深度を用いて計算することができる。
[数式1]
SOC=(DoDmax−DoD)/DoDmax
DoDmax=1−ΔCapa
ここで、SOCは二次電池の充電状態、DoDmaxは二次電池が放電終止電圧に到達するときの放電深度、DoDは現在の放電深度、ΔCapaは0から1の範囲で二次電池の容量劣化を表すそれぞれのパラメータである。
二次電池の容量劣化は、二次電池を充電上限電圧まで充電した後、放電終止電圧まで完全放電(full discharge)を行う過程で、二次電池から流れる(drawn)電流の量を積算し、積算された電流量をオリジナル容量と比べることで正確に計算することができる。
例えば、二次電池の内部抵抗は容量劣化と相関関係があるため、二次電池の電圧と電流をサンプリングして二次電池の内部抵抗変化を推定し、内部抵抗変化量によって二次電池の容量劣化を推定することができる。
しかしながら、このような方法では二次電池の容量劣化を正確に測定できず、二次電池の温度変化によって容量劣化に対する推定の正確度が低下するという問題がある。
本発明は、推定された容量劣化を用いて二次電池の開放電圧、放電深度、または充電状態を推定することができる二次電池のパラメータ推定装置及び方法を提供することを別の目的とする。
前記オリジナル正極電圧(Vc,o)及び前記オリジナル負極電圧(Va,o)は、電位が0になり得る基準電極(例えば、リチウム電極)を基準に測定することができる。
前記二次電池の容量劣化が実質的に無いときとは、二次電池が製造された直後であって、例えば、二次電池の充/放電サイクルがまだ始まっていないとき(Beginning Of Life:BOL)を意味する。
以下、放電深度毎に測定されたオリジナル正極電圧(Vc,o)及びオリジナル負極電圧(Va,o)をそれぞれオリジナル正極電圧プロファイル及びオリジナル負極電圧プロファイルと称する。
前記第1放電深度(DoD’)は、アンペアカウンティング(ampere counting)方法によって計算した二次電池の電流積算量と二次電池のオリジナル容量との相対的な比率に該当する。
さらに別の態様によれば、前記制御部は、二次電池の開放電圧を測定し、前記測定された開放電圧を用いて前記劣化した開放電圧プロファイルから前記二次電池の放電深度(DoD)を決定でき、選択的に、前記決定された放電深度(DoD)及び前記決定された容量劣化(Δcapa)を用いて二次電池の充電状態を推定することができる。
本発明において、前記制御部は、前記決定された容量劣化、前記決定された開放電圧、前記決定された放電深度、及び前記決定された充電状態からなる群より選択された少なくとも1つのパラメータを保存、伝送、または表示することができる。
選択的に、二次電池のパラメータ推定方法は、二次電池の開放電圧を測定し、前記測定された開放電圧を用いて前記劣化した開放電圧プロファイルから前記二次電池の放電深度を決定する段階と、選択的に、前記決定された放電深度及び前記決定された容量劣化を用いて二次電池の充電状態を推定する段階をさらに含むことができる。
選択的に、二次電池のパラメータ推定方法は、二次電池の放電深度を測定し、前記測定された放電深度を用いて前記劣化した開放電圧プロファイルから前記二次電池の開放電圧を決定する段階をさらに含むことができる。
選択的に、二次電池のパラメータ推定方法は、前記決定された容量劣化、前記決定された開放電圧、前記決定された放電深度、及び前記決定された充電状態からなる群より選択された少なくとも1つのパラメータを保存、伝送、または表示する段階をさらに含むことができる。
望ましくは、前記第1正極材及び第2正極材のうち少なくとも1つは電圧平坦領域(plateau)を含む電圧プロファイルを有し得る。
前記第1及び第2正極材は、電圧の変化に従ってこれらと反応する動作(operating)イオンの反応濃度が相異なり、固有電圧帯域で遊休状態または無負荷状態になったとき、相互間の前記動作イオンの伝達を通じて電圧弛緩(voltage relaxation)を起こすことができる。前記二次電池は、前記固有電圧帯域を含む電圧範囲で充電または放電することができる。
前記電気化学的反応は、二次電池の動作メカニズムによって変わり得る。一例として、前記電気化学的反応は、動作イオンが前記第1正極材及び/または前記第2正極材の内部に挿入されるか又は逆に内部から脱離することを意味し得る。このような場合、前記第1及び第2正極材に挿入される動作イオンの濃度、または、前記第1及び第2正極材から脱離する動作イオンの濃度は、二次電池の電圧の変化に従って変わり得る。換言すれば、前記第1及び第2正極材は、動作イオンに対する動作電圧範囲が相異なる。一例として、二次電池が放電する条件において、ある電圧帯域では前記第2正極材よりも前記第1正極材に動作イオンが優先的に挿入され、他の電圧帯域ではその逆になり得る。別の例として、二次電池が充電される条件において、ある電圧帯域では前記第1正極材よりも前記第2正極材から動作イオンが優先的に脱離し、他の電圧帯域ではその逆になり得る。
また、前記電圧弛緩(voltage relaxation)とは、二次電池が遊休状態または無負荷状態になったとき、前記第1正極材と第2正極材との間に電位差が生じ、前記電位差によって正極材の間で動作イオンの移動が引き起こされることで、前記電位差が経時的に解消される現象を称する。
ここで、前記電圧弛緩は、混合正極材が含まれた二次電池が固有電圧帯域で放電状態から遊休状態または無負荷状態に切り換わったときに生じる。前記二次電池が固有電圧帯域で放電状態にあれば、前記第1及び第2正極材のうち動作イオンとの反応が円滑な正極材が、動作イオンと反応可能な残余容量があまり残らない状態になることで、他方の正極材が動作イオンと反応し始める。
このような条件で、二次電池が遊休状態または無負荷状態に切り換われば、前記第1正極材及び前記第2正極材の表面付近にあった動作イオンが相異なる拡散速度で該当正極材の中心部に拡散しながら、正極材の間に電位差が生じるようになる。このように生じた電位差は、正極材の間で動作イオンの移動を引き起こし、その結果として正極材同士の電位差が解消される電圧弛緩を起こす。
前記固有電圧帯域は、前記第1及び第2正極材の種類、二次電池の充電または放電電流の量、二次電池が遊休状態または無負荷状態になったときの二次電池の充電状態などを含む多様な要因によって変動し得る。
一例として、前記電圧弛緩は、前記第1及び第2正極材に対してdQ/dV分布を測定したとき、それぞれの正極材のdQ/dV分布で現れるメインピークの位置及び/または前記メインピークの強度に差があるときに生じ得る。ここで、dQ/dV分布とは、正極材に対する動作イオンの電圧毎の容量特性を意味する。したがって、dQ/dV分布で現れるメインピークの位置及び/または前記メインピークの強度に差がある正極材は、相異なる動作電圧範囲を有すると見なせる。前記メインピークの位置の差は前記第1及び第2正極材の種類によって変わり得、一例として前記メインピークの位置の差が0.1〜4Vであり得る。
さらに別の例として、前記電圧弛緩は、前記混合正極材が含まれた二次電池に対してSOC毎に放電抵抗を測定したとき、放電抵抗プロファイルが前記コンベックスパターンの頂点の前後に少なくとも2個の変曲点を有するときに生じ得る。
さらに別の例として、前記電圧弛緩は、前記混合正極材が含まれた二次電池が少なくとも1回の電圧平坦領域(plateau)が含まれた充電または放電プロファイルを有するときに生じ得る。ここで、前記電圧平坦領域は、変曲点が存在しながらも、変曲点を前後にしての電圧変化が小さい領域を意味する。
さらに別の例として、前記電圧弛緩は、前記混合正極材に含まれた第1正極材及び第2正極材のうち少なくとも1つが電圧平坦領域を含む電圧プロファイルを有するときに生じ得る。
一態様によれば、前記第1正極材は、一般化学式A[AxMy]O2+z(Aは、Li、Na、及びKのうち少なくとも1つの元素を含む;Mは、Ni、Co、Mn、Ca、Mg、Al、Ti、Si、Fe、Mo、V、Zr、Zn、Cu、Al、Mo、Sc、Zr、Ru、及びCrから選択された少なくとも1つの元素を含む;x≧0、1≦x+y≦2、−0.1≦z≦2;x、y、z、及びMに含まれた成分の化学量論係数は化合物が電気的中性を維持するように選択される)で表されるアルカリ金属化合物であり得る。
選択的に、前記第1正極材は、米国特許第6,677,082号、米国特許第6,680,143号などに開示されたアルカリ金属化合物xLiM1O2−(1−x)Li2M2O3(M1は平均酸化状態3を有する少なくとも1つの元素を含む;M2は平均酸化状態4を有する少なくとも1つの元素を含む;0≦x≦1)であり得る。
さらに別の態様によれば、前記第1正極材及び/または前記第2正極材は、コーティング層を含むことができる。前記コーティング層は、炭素層を含むか、若しくは、Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al、Mg、Al、As、Sb、Si、Ge、V、及びSからなる群より選択された少なくとも1つの元素を含む酸化物層またはフッ化物層を含むことができる。
また、前記混合正極材に含まれる正極材の数は2種に限定されない。また、混合正極材の物性を改善するために他の添加物、例えば導電材、バインダーなどを混合正極材に添加することは特に制限されない。したがって、固有電圧帯域で無負荷状態になったとき、電圧弛緩を起こせる少なくとも2つの正極材が含まれた混合正極材であれば、正極材の数と他の添加物の存在如何とは関係なく、本発明の範疇に含まれると解釈せねばならないことは当業者にとって自明である。
一態様によれば、前記電気駆動装置は、携帯電話、ラップトップパソコン、タブレットパソコンなどのモバイルコンピュータ装置、またはデジタルカメラ、ビデオカメラ、オーディオ/ビデオ再生装置などを含む手持ち式のマルチメディア装置であり得る。別の態様によれば、前記電気駆動装置は、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気自転車、電気バイク、電気列車、電気船、電気飛行機などのように電気によって移動可能な電気動力装置、または電気ドリル、電気グラインダーなどのようにモーターを備えるパワーツールであり得る。
さらに別の態様によれば、前記電気駆動装置は、電力グリッドに設けられて新再生エネルギーや余剰発電電力を貯蔵する大容量電力貯蔵装置、または停電などの非常状況でサーバーコンピュータや移動通信装備などを含む各種の情報通信装置の電源を供給する無停電電源供給装置であり得る。
また、前記二次電池は、前記正極、負極、及び分離膜を密封する包装材をさらに含むことができる。前記包装材は、化学的に安全性を有するものであれば、その材質に特に制限がない。前記二次電池の外形は前記包装材の構造によって決定される。前記包装材の構造は、当業界で既知の多様な構造のうち1つであり得るが、代表的に円筒型、角形、パウチ型、コイン型などの構造を有し得る。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものあり、本発明は、図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
また、二次電池は、それを構成する要素の数によって限定されない。したがって、二次電池は、負極、電解質、及び正極を基本単位にする単一セルを始めとして、単一セルのアセンブリ、多数のアセンブリが直列及び/または並列で接続されたモジュール、多数のモジュールが直列及び/または並列で接続されたパック、多数のパックが直列及び/または並列で接続された電池システムなども含むと解釈されねばならない。
DoDが0である状態で、リチウム二次電池が放電すれば、放電深度は徐々に増加する。従って、リチウム二次電池の開放電圧は放電深度の増加と共に減少し、リチウム二次電池が放電終止電圧に到達するまで放電すれば、放電深度は1になる。放電深度は、リチウム二次電池のオリジナル容量に対するリチウム二次電池から流れ出た電流積算量の相対的な比率である。また、前記オリジナル容量は、リチウム二次電池の容量劣化が実質的に無いとき、例えばBOL状態で測定した容量を意味する。
一方、混合正極材に含まれた正極材の種類は、上述した様々な種類の物質から多様に選択でき、負極材も既知の物質から変更自在である。
図2には、3つの開放電圧プロファイルが示されている。1番の開放電圧プロファイルは、BOL状態にあるリチウム二次電池の正極に対する開放電圧プロファイルを放電深度DoDの関数で示したものである。以下、前記正極に対する開放電圧プロファイルをオリジナル正極電圧プロファイルVc,o(DoD)と称する。また、2番の開放電圧プロファイルは、BOL状態にあるリチウム二次電池の負極に対する開放電圧プロファイルを放電深度DoDの関数で示したものである。以下、前記負極に対する開放電圧プロファイルをオリジナル負極電圧プロファイルVa,o(DoD)と称する。また、3番の開放電圧プロファイルは、容量が20%劣化した状態にあるリチウム二次電池の負極に対する開放電圧プロファイルを放電深度DoDの関数で示したものである。以下、容量劣化が進んだ二次電池の負極に対する開放電圧プロファイルを負極電圧プロファイルVa(DoD)と称する。参考までに、正極と負極の開放電圧プロファイルは、リチウム二次電池を4.2Vまで充電した後、定電流で放電しながら周期的に電池を無負荷状態にし、一定時間放置した後、リチウム金属を基準電位(0V)として、正極とリチウム金属との間、及び負極とリチウム金属との間の電圧を測定することで得られる。
このような実験結果は、リチウム二次電池が劣化すれば、負極の開放電圧プロファイルがリチウム二次電池の容量劣化に伴ってシフトすると仮定できるようにする。
図3には、2つの推定された開放電圧プロファイル及び2つの測定された開放電圧プロファイルが示されている。それぞれの開放電圧プロファイルは放電深度の変化に従って示された。まず、実線で示された開放電圧プロファイルは、BOL状態にあるリチウム二次電池の推定された開放電圧プロファイルOCVcell,o(DoD)であって、図2に示されたVc,o(DoD)とVa,o(DoD)との差に該当する。次に、点線で示された開放電圧プロファイルは、20%の容量劣化が進んだリチウム二次電池の開放電圧プロファイルOCVcell(DoD)であって、図2に示されたVc,o(DoD)とVa(DoD)との差に該当する。また、○で示された開放電圧プロファイルは、BOL状態にあるリチウム二次電池に対する、測定された開放電圧プロファイルOCVcell,o,m(DoD)に該当する。最後に、△で示された開放電圧プロファイルは、20%の容量劣化が進んだリチウム二次電池に対する、測定された開放電圧プロファイルOCVcell,m(DoD)に該当する。図面を参照すれば、BOL状態及び20%の容量劣化が進行した状態のいずれも、推定された開放電圧プロファイルが測定された開放電圧プロファイルとよく整合するということが分かる。図3に示された結果は、リチウム二次電池の容量が劣化すれば、負極の開放電圧プロファイルが容量劣化の程度に応じてシフトするという仮定を実験的に裏付けている。
図4には、単一の正極材、すなわちNMC正極材が正極に使用されたリチウム二次電池のVc,o(DoD)、Va,o(DoD)、及びVa(DoD)が示されている。
ここでも、Vc,o(DoD)及びVa,o(DoD)は、それぞれリチウム二次電池がBOL状態にあるとき、すなわち、容量劣化が実質的に無いとき、放電深度毎に測定した正極と負極の開放電圧プロファイルを示す。そして、Va(DoD)は、リチウム二次電池の容量が20%劣化したとき、放電深度毎に測定した負極の開放電圧プロファイルを示す。
図4及び図5に示された結果は、リチウム二次電池の容量が劣化すれば、負極の開放電圧プロファイルが容量劣化の程度に応じてシフトするという仮定を単一正極材を含むリチウム二次電池にも適用できることを実験的に裏付けている。
図6は、本発明の一実施形態による二次電池のパラメータ推定装置100の構成を示したブロック図である。
図6を参照すれば、本発明の実施形態による装置100は、二次電池110に電気的に接続される。前記二次電池110は、繰り返して充電と放電が可能な電池を称し、電池の具体的な種類によって本発明が限定されることはない。望ましくは、前記二次電池110はリチウム二次電池であり得る。
前記電圧測定部140及び/または前記電流測定部150及び/または前記温度測定部160は、制御部130の制御によって二次電池110の電圧及び/または電流及び/または温度を測定し、測定された値を制御部130に提供する。
望ましくは、前記記憶部170は、二次電池110が実質的に容量劣化していないとき、放電深度毎に測定した複数のオリジナル正極電圧Vc,o及び放電深度毎に測定した複数のオリジナル負極電圧Va,oをプロファイルデータとして事前に保存することができる。また、前記記憶部170は、二次電池110が実質的に容量劣化していないとき、測定したオリジナル容量に関するデータを事前に保存することができる。前記オリジナル容量は、容量劣化が実質的に無い二次電池を満充電させた後、放電終止電圧まで連続的に放電しながら放電電流を積算することで算出することができる。
前記オリジナル正極電圧(Vc,o)と前記オリジナル負極電圧(Va,o)は、電位が0になり得る基準電極(例えば、リチウム電極)を基準に測定することができる。
以下、放電深度毎に測定された複数のオリジナル正極電圧(Vc,o)と複数のオリジナル負極電圧(Va,o)をそれぞれオリジナル正極電圧プロファイルVc,o(DoD)とオリジナル負極電圧プロファイルVa,o(DoD)と称する。
前記センサ120は、電圧測定部140を通じて、第1放電深度(DoD’)における二次電池の開放電圧(OCVm)を測定して前記制御部130に提供する。
ここで、前記開放電圧(OCVm)は、前記第1放電深度(DoD’)において、予め決められているオリジナル正極電圧(Vc,o)と現在の負極電圧(Va)との差に該当する。
望ましくは、前記第1放電深度(DoD’)は、放電または充電モードにある二次電池の動作が十分な時間中断して開放電圧の測定条件が成立したとき、二次電池の動作が中断する直前に計算された放電深度であり得る。
前記無負荷状態の維持時間、二次電池110の温度、電流の量、低い電流の維持時間などの望ましい範囲は、試行錯誤法(Trial and Error)によって決定でき、前記制御部130がアクセス可能な記憶部170に保存することができる。
前記制御部130は、前記開放電圧の測定条件の成立をモニタリングするため、二次電池110の動作が中断した時間を計数でき、及び/または前記センサ120の温度測定部160を通じて二次電池110の温度測定値の提供を受けて二次電池110の温度をモニタリングでき、及び/または前記センサ120の電流測定部150を通じて二次電池110の電流測定値の提供を受けて二次電池110の電流量の変化を経時的にモニタリングすることができる。
そのために、前記センサ120は、二次電池110の充電または放電中に、電流測定部150を通じて二次電池110に出入りする電流を測定し、測定された電流値を制御部130に提供することができる。
すると、前記制御部130は、二次電池110の満充電状態を基準に電池110から流れ出た電流積算量を算出する。そして、前記制御部130は、記憶部170に保存された二次電池110のオリジナル容量を参照して、オリジナル容量対比電流積算量の相対的な比率を計算することで、二次電池の放電深度を算出することができる。
例えば、二次電池のオリジナル容量が1000mAhであり、二次電池110から流れ出た電流積算量が800mAhであれば、放電深度は0.8になる。
前記制御部130は、算出された放電深度を記憶部170に保存し、二次電池110の動作中に持続的に更新することができる。
また、前記制御部130は、前記識別されたオリジナル正極電圧(Vc,o)から前記測定された開放電圧(OCVm)を引いて、現在二次電池110の負極が有する負極電圧(Va)を算出し、その値を二次電池110のオリジナル負極電圧(Va,o)として決定する。
また、前記制御部130は、記憶部170に放電深度毎に保存されている複数のオリジナル負極電圧(Va,o)から前記決定されたオリジナル負極電圧(Va,o)に対応する第2放電深度(DoD”)を得る。
また、前記制御部130は、前記第1放電深度(DoD’)と前記第2放電深度(DoD”)との差を計算する。
したがって、前記制御部130は、前記第1放電深度(DoD’)と前記第2放電深度(DoD”)との差を二次電池110の容量劣化(Δcapa)として決定することができる。
図7において、プロファイル1は、放電深度毎に測定した二次電池110のオリジナル正極電圧プロファイルVc,o(DoD)を示したものであり、プロファイル2は、放電深度毎に測定した二次電池110のオリジナル負極電圧プロファイルVa,o(DoD)を示したものである。
前記Vc,o(DoD)及びVa,o(DoD)が得られた二次電池は、正極と負極にNMC正極材と炭素をそれぞれ含み、それぞれの電圧プロファイルは電位が0であるリチウム電極を基準電極にして測定したものである。プロファイル1及び2は、図4のグラフ1及び2と実質的に同一である。
図8において、プロファイル1は、放電深度毎に測定した二次電池110のオリジナル正極電圧プロファイルVc,o(DoD)を示したものであり、プロファイル2は、放電深度毎に測定した二次電池110のオリジナル負極電圧プロファイルVa,o(DoD)を示したものである。
前記Vc,o(DoD)及びVa,o(DoD)が得られた二次電池は、正極にはNMC正極材とLFP正極材とが7:3(重量比)で混合された混合正極材が含まれ、負極には炭素が含まれている。それぞれの電圧プロファイルは電位が0であるリチウム電極を基準電極にして測定したものである。プロファイル1及び2は、図2に示されたグラフ1及び2と実質的に同一である。
本発明の別の態様によれば、前記制御部130は、前記決定された容量劣化Δcapaほど二次電池110のオリジナル負極電圧プロファイルVa,o(DoD)をシフトさせ、前記オリジナル正極電圧プロファイルVc,o(DoD)から前記シフトしたオリジナル負極電圧プロファイルVa,o(DoD−Δcapa)を引いて、二次電池110の劣化した開放電圧プロファイルを得ることができる。前記制御部130は、選択的に、前記劣化した開放電圧プロファイルを記憶部170に保存し、Δcapaが更新される度に二次電池110の開放電圧プロファイルも共に更新することができる。
本発明の別の態様によれば、前記制御部130は、二次電池の開放電圧OCVmを測定し、前記記憶部170に保存されている劣化した開放電圧プロファイルを参照して、前記測定された開放電圧OCVmから前記二次電池の放電深度(DoD)を決定することができる。前記劣化した開放電圧プロファイルをOCVcell,aged(DoD)とするとき、前記測定された開放電圧OCVmから計算される放電深度(DoD)はOCV−1 cell,aged(OCVm)である。
[数式2]
SOC=(DoDmax−DoD)/DoDmax
DoDmax=1−ΔCapa
ここで、SOCは二次電池の充電状態、DoDmaxは二次電池が放電終止電圧に到達するときの放電深度、DoDは測定された開放電圧OCVmから決定された現在の放電深度、ΔCapaは本発明によって決定された容量劣化をそれぞれ示す。
本発明の別の態様によれば、前記制御部130は、表示部180と電気的に接続でき、上記のようにして決定された二次電池110のパラメータを前記表示部180を通じてグラフィックインターフェースで表示することができる。
ここで、前記パラメータは、二次電池110の容量劣化、開放電圧、放電深度及び充電状態からなる群より選択された少なくとも1つを含む。
一方、前記制御部130が二次電池110のパラメータを表示部180を通じて直接表示できない場合、前記表示部180を含む他の装置に伝送することができる。このような場合、前記制御部130は前記他の装置とデータ伝送ができるように接続され、前記他の装置は制御部130から二次電池110のパラメータを受信し、前記他の装置はそれに接続された表示部を通じて前記受信したパラメータをグラフィックインターフェースで表示することができる。
図9に示されたように、前記グラフィックインターフェースは、二次電池110のパラメータを棒グラフの長さで表示する方式(a)、ゲージポインタで表示する方式(b)、数字で表示する方式(c)などが可能である。
前記制御部130は、後述する多様な制御ロジックを実行するために当業界で既知のプロセッサ、ASIC(application−Specific integrated circuit)、他のチップセット、論理回路、レジスタ、通信モデム、データ処理装置などを選択的に含むことができる。また、前記制御ロジックがソフトウェアとして具現されるとき、前記制御部130はプログラムモジュールの集合として具現され得る。このとき、プログラムモジュールはメモリに保存され、プロセッサによって実行され得る。前記メモリは、プロセッサの内部または外部にあり得、既知の多様な手段でプロセッサと接続され得る。また、前記メモリは、本発明の記憶部170に含まれ得る。また、前記メモリは装置の種類に関係なく情報が保存される装置を総称し、特定メモリ装置を称しない。
前記二次電池のパラメータ推定方法は、上述した装置100によって実行され、上述された事項については繰り返される説明を省略する。
また、二次電池のパラメータ推定方法に含まれる段階は、装置100の制御部130によって行われるため、それぞれの段階が制御部130の機能として装置100に含まれ得ることは自明である。
まず、段階S10において、前記制御部130は二次電池110がキーオン(key on)状態になったのか否かを判断する。
ここで、キーオン状態とは、無負荷状態にあった二次電池110が充電または放電モードに入る直前の状態に切り換わった状態を意味する。
キーオン状態は、一例として二次電池110が装着された電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、またはプラグインハイブリッド自動車(PHEV)の運行のため、始動キーがオンになった状態を挙げられる。別の例として、モバイル装置の電源キーがオンになった状態が挙げられる。
段階S20において、前記制御部130は開放電圧の測定条件が成立したか否かを判断する。
前記開放電圧の測定条件は、二次電池110の動作が十分な時間中断して二次電池110の電圧が安定化した場合、または、二次電池110から出入りする電流の量が少なくて二次電池110の分極電圧が無視できる程度である場合に成立され得る。
前記開放電圧の測定条件は、二次電池110の無負荷状態が一定時間以上続いたこと、二次電池110の温度が一定範囲に属すること、二次電池110から出入りする電流の量が少ないこと、二次電池110から出入りする電流の量の少ない状態が一定時間以上続いたことなどの条件のうち少なくとも1つを含むことができる。
前記無負荷状態の維持時間、二次電池110の温度、電流の量、低い電流の維持時間などの望ましい範囲は、試行錯誤法によって決定でき、前記制御部130がアクセス可能な記憶部170に保存することができる。
前記制御部130は、前記センサ120を通じて定期的に二次電池110の温度測定値の提供を受け、前記提供された温度測定値と前記記憶部170に保存された望ましい温度範囲とを比べて前記開放電圧測定条件の成立如何を判断することができる。
前記制御部130は、前記センサ120を通じて定期的に二次電池110の電流測定値の提供を受け、前記提供された電流測定値と前記記憶部170に保存された望ましい電流量の範囲とを比べて前記開放電圧測定条件の成立如何を判断することができる。
前記制御部130は、前記センサ120から提供された電流測定値が前記記憶部170に保存された望ましい電流量の範囲に属するとき、該当量の電流が流れた時間を積算し、積算時間を前記記憶部170に保存された望ましい時間範囲と比べて、前記開放電圧測定条件の成立如何を判断することができる。
図示していないが、前記制御部130は、二次電池110の充電または放電中に、センサ120を通じて二次電池110から出入りする電流測定値の提供を受け、提供された電流測定値を積算して放電深度を計算し、計算された放電深度を記憶部170に保存し更新することができる。
前記制御部130は、段階S30において、開放電圧の測定条件が成立した時点を基準に最も直近に計算された放電深度を記憶部170から読み出して第1放電深度(DoD’)として決定する。
前記制御部(50)は、段階S40において、二次電池110が第1放電深度状態にあるとき、センサ120を制御して二次電池110の開放電圧OCVmを測定し、測定された開放電圧OCVmを記憶部170に保存する。
前記制御部130は、段階S60において、前記決定された負極電圧Vaを二次電池110のオリジナル負極電圧Va,oとして決定する。
前記制御部130は、段階S70において、前記記憶部170に放電深度毎に保存されているオリジナル負極電圧(Va,o)を参照して前記決定されたオリジナル負極電圧Va,oに対応する放電深度を識別し、識別された放電深度を第2放電深度(DoD”)として決定する。
前記制御部130は、段階S80において、前記第1放電深度(DoD’)と前記第2放電深度(DoD”)との差から二次電池110の容量劣化Δcapaを決定することができる。
前記制御部130は、段階S90において、前記決定された容量劣化Δcapaを記憶部170に保存し、及び/または前記表示部180にグラフィックインターフェースを通じて表示し、及び/または前記決定された容量劣化Δcapaを外部の装置に伝送することができる。
前記制御部130は、段階S100において、前記決定された容量劣化Δcapaほど二次電池110のオリジナル負極電圧プロファイルVa,o(DoD)をシフトさせ、前記オリジナル正極電圧プロファイルVc,o(DoD)から前記シフトしたオリジナル負極電圧プロファイルVa,o(DoD−Δcapa)を引いて、二次電池110の劣化した開放電圧プロファイルOCVcell,aged(DoD)を決定することができる。また、前記制御部130は、Δcapaが更新される度に二次電池110の劣化した開放電圧プロファイルOCVcell,aged(DoD)も共に更新することができる。
前記制御部130は、段階S110において、前記劣化した開放電圧プロファイルOCVcell,aged(DoD)を記憶部170に保存し、及び/または表示部180にグラフィックインターフェースを通じて表示し、及び/または外部の装置に伝送することができる。
前記制御部130は、段階S130において、前記決定された二次電池110の開放電圧を記憶部170に保存し、及び/または前記決定された開放電圧を表示部180にグラフィックインターフェースを通じて表示し、及び/または前記決定された開放電圧を外部の装置に伝送することができる。
前記制御部130は、段階S150において、前記決定された放電深度OCV−1 cell,aged(OCVm)を記憶部170に保存し、及び/または表示部180にグラフィックインターフェースを通じて表示し、及び/または外部の装置に伝送することができる。
前記制御部130は、段階S170において、前記決定された充電状態を記憶部170に保存し、及び/または前記表示部180にグラフィックインターフェースを通じて表示し、及び/または外部の装置に伝送することができる。
また、二次電池110の放電深度(DoD)と充電状態(SOC)は数式2によって互いに変換できるが、前者は二次電池110の放電観点で、後者は二次電池110の充電観点で二次電池110に残っている可用容量を定量化するパラメータである。したがって、前記放電深度(DoD)と充電状態(SOC)は、二次電池110の可用容量を定量的に表すパラメータであるという点で相互均等なパラメータであると解釈され得る。
また、前記制御部130によって決定されるパラメータは、二次電池110の充放電制御、最大放電電力の計算、最小充電電力の計算などに使用でき、及び/または通信インターフェースを通じて他の制御装置に提供され得る。
110 二次電池
120 センサ
130 制御部
140 電圧測定部
150 電流測定部
160 温度測定部
170 記憶部
180 表示部
Claims (17)
- 二次電池の電圧及び電流を測定するセンサと、
前記センサから電圧測定値及び電流測定値の入力を受け、予め設定された開放電圧の測定条件が成立した時点を基準に前記電圧測定値及び前記電流測定値を用いて前記二次電池の第1放電深度(DoD’)及び開放電圧(OCVm)をそれぞれ決定し、前記第1放電深度(DoD’)で予め決められているオリジナル正極電圧(Vc,o)及び前記開放電圧(OCVm)から負極電圧(Va)を算出し、オリジナル負極電圧(Va,o)が前記負極電圧(Va)に等しいと決定し、前記オリジナル負極電圧(Va,o)で予め決められている第2放電深度(DoD”)を決定し、前記第1放電深度(DoD’)と前記第2放電深度(DoD”)との差によって前記二次電池の容量劣化(Δcapa)を決定する制御部と
を具備することを特徴とする二次電池のパラメータ推定装置。 - 前記制御部が、放電深度とオリジナル負極電圧との対応関係を予め決めたオリジナル負極電圧プロファイルを前記容量劣化ほどシフトさせ、放電深度とオリジナル正極電圧との対応関係を予め決めたオリジナル正極電圧プロファイルから、シフトされたオリジナル負極電圧プロファイルを引いて、前記二次電池の劣化した開放電圧プロファイルを決定することを特徴とする請求項1に記載の二次電池のパラメータ推定装置。
- 前記制御部が、前記センサを用いて前記二次電池の開放電圧を測定し、前記劣化した開放電圧プロファイルから、測定された前記開放電圧に対応する前記二次電池の放電深度を決定することを特徴とする請求項2に記載の二次電池のパラメータ推定装置。
- 前記制御部が、前記センサを用いて前記二次電池の放電深度を測定し、前記劣化した開放電圧プロファイルから、測定された前記放電深度に対応する前記二次電池の開放電圧を決定することを特徴とする請求項2に記載の二次電池のパラメータ推定装置。
- 前記制御部が、前記センサを用いて前記二次電池の放電深度を測定し、測定された前記放電深度及び決定された前記容量劣化を用いて前記二次電池の充電状態を決定することを特徴とする請求項2に記載の二次電池のパラメータ推定装置。
- 各放電深度に対応するオリジナル正極電圧(Vc,o)のデータと、各放電深度に対応するオリジナル負極電圧(Va,o)のデータとを保存している記憶部をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の二次電池のパラメータ推定装置。
- 前記制御部が、決定された容量劣化、決定された開放電圧、決定された放電深度、または決定された充電状態を保存、表示、または伝送することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の二次電池のパラメータ推定装置。
- 前記二次電池が、第1正極材及び第2正極材を含む混合正極材を含み、
前記第1正極材及び前記第2正極材は、相異なる動作電圧範囲を有することを特徴とする請求項1に記載の二次電池のパラメータ推定装置。 - 請求項1ないし8のいずれか一項に記載の二次電池のパラメータ推定装置を具備する電気駆動装置。
- センサから二次電池の電圧測定値及び電流測定値の入力を受ける段階と、
予め設定された開放電圧の測定条件が成立した時点を基準に前記電圧測定値及び前記電流測定値を用いて前記二次電池の第1放電深度(DoD’)及び開放電圧(OCVm)をそれぞれ決定する段階と、
前記第1放電深度(DoD’)で予め決められているオリジナル正極電圧(Vc,o)及び前記開放電圧(OCVm)から負極電圧(Va)を算出し、オリジナル負極電圧(Va,o)が前記負極電圧(Va)に等しいと決定する段階と、
前記オリジナル負極電圧(Va,o)で予め決められている第2放電深度(DoD”)を決定する段階と、
前記第1放電深度(DoD’)と前記第2放電深度(DoD”)との差によって前記二次電池の容量劣化(Δcapa)を決定する段階と
を有することを特徴とする二次電池のパラメータ推定方法。 - 放電深度とオリジナル負極電圧との対応関係を予め決めたオリジナル負極電圧プロファイルを前記容量劣化ほどシフトさせる段階と、
放電深度とオリジナル正極電圧との対応関係を予め決めたオリジナル正極電圧プロファイルから、シフトされたオリジナル負極電圧プロファイルを引いて、前記二次電池の劣化した開放電圧プロファイルを決定する段階と
をさらに有することを特徴とする請求項10に記載の二次電池のパラメータ推定方法。 - 前記センサを用いて前記二次電池の開放電圧を測定する段階と、
前記劣化した開放電圧プロファイルから、測定された前記開放電圧に対応する前記二次電池の放電深度を決定する段階と
をさらに有することを特徴とする請求項11に記載の二次電池のパラメータ推定方法。 - 前記センサを用いて前記二次電池の放電深度を測定する段階と、
前記劣化した開放電圧プロファイルから、測定された前記放電深度に対応する前記二次電池の開放電圧を決定する段階と
をさらに有することを特徴とする請求項11に記載の二次電池のパラメータ推定方法。 - 前記センサを用いて前記二次電池の放電深度を測定する段階と、
測定された前記放電深度及び決定された前記容量劣化から二次電池の充電状態を決定する段階と
をさらに有することを特徴とする請求項10に記載の二次電池のパラメータ推定方法。 - 決定された容量劣化、決定された開放電圧、決定された放電深度、または決定された充電状態を保存、表示、または伝送する段階をさらに有することを特徴とする請求項10ないし14のいずれか一項に記載の二次電池のパラメータ推定方法。
- 前記二次電池が、第1正極材及び第2正極材を含む混合正極材を含み、
前記第1正極材及び前記第2正極材は、相異なる動作電圧範囲を有することを特徴とする請求項10に記載の二次電池のパラメータ推定方法。 - 請求項10ないし16のいずれか一項に記載の二次電池のパラメータ推定方法がプログラム化されて書き込まれたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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