JP7429823B2 - リチウム‐硫黄電池の残量を判別する方法及び前記方法を具現する電池パック - Google Patents
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Description
本出願は２０２０年１０月２１日付韓国特許出願第１０‐２０２０‐０１３６６２５号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は本明細書の一部として組み込む。
本発明はリチウム‐硫黄電池の残量を判別する方法及び前記方法を具現する電池パックに関する。
最近携帯用電子機器、電気自動車及び大容量電力貯蔵システムなどが発展することにつれ、大容量電池の必要性が台頭されている。リチウム‐硫黄電池はＳ‐Ｓ結合（Ｓｕｌｆｕｒ‐ｓｕｌｆｕｒ ｂｏｎｄ）を持つ硫黄系列物質を正極活物質で使用し、リチウム金属を負極活物質で使用する二次電池で、正極活物質の主材料である硫黄は資源がとても豊かで、毒性がなく、単位原子あたり低い重さを持つ長所がある。
リチウム‐硫黄電池の理論放電容量は１６７２ｍＡｈ／ｇ‐ｓｕｌｆｕｒで、理論エネルギー密度が２，６００Ｗｈ／ｋｇであって、現在研究されている他の電池システムの理論エネルギー密度に比べてとても高いため、高エネルギー密度特性を持つ電池として注目されている。
典型的なリチウム‐硫黄電池は、リチウム金属またはリチウム金属合金で形成されるアノード（負極）及び元素硫黄（ｅｌｅｍｅｎｔａｌ ｓｕｌｐｈｕｒ）または他の電気活性（ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ）硫黄物質で形成されるカソード（正極）を含む。
リチウム‐硫黄電池のカソードにある硫黄は放電の際に２段階で還元される。第一段階で、硫黄（例えば、元素硫黄）がリチウムポリスルフィド（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｐｏｌｙｓｕｌｆｉｄｅ：Ｌｉ２Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ６、Ｌｉ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ４）に還元される。この種は電解液に大概溶解される。第二段階で、前記リチウムポリスルフィドはアノードの表面上に沈積されることもできるＬｉ２Ｓに還元される。逆に、充電の際にはＬｉ２Ｓがリチウムポリスルフィド（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｐｏｌｙｓｕｌｆｉｄｅ：Ｌｉ２Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ６、Ｌｉ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ４）に酸化され、その後はリチウムと硫黄に酸化される。
前記リチウムポリスルフィドはリチウム‐硫黄電池の残量（ＳＯＣ）が７０％の時点で最大に存在し、以後減るようになる。このようなメカニズムによってリチウム‐硫黄電池は残量（ＳＯＣ）が７０％の時点で電気化学反応が変化され、図１に示されたように、リチウム‐硫黄電池のＯＣＶまたは運転電圧と残量が比例しない特性を示す。
したがって、リチウム‐硫黄電池は放電量によって電圧が持続的に減少し、電圧測定だけで残量を判別することができる通常のリチウムイオン電池と違って、残量が７０％以下の場合は電圧測定だけで残量を信頼性があるように判断することができない特性を持つ。
このような問題を解消するための従来の技術では複雑なモデリングを導入して内部抵抗を類推するか、光学的方法で電解質の特性変化をモニタリングする方式などが知られている。
しかし、前記のような従来の技術は、残量を推正するための方法が複雑なだけでなく、残量推定の精密度も十分ではないものとみられる。
本発明は、前記のような従来技術の問題を解消するために案出されたもので、リチウム‐硫黄電池で簡単な方法で信頼性があるように残量を判別することができるリチウム‐硫黄電池の残量判別方法及び前記方法を具現する電池パックを提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、
リチウム‐硫黄電池の残量を判別する方法であって、
ａ）オープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態で電池に定電流を印加した後、０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点で初期電圧降下値ｄＶ１を測定する段階；
ｂ）前記定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で後期電圧降下値ｄＶ２を測定する段階；
ｃ）下記数式１によって追加電圧降下値ｄＶ３を演算する段階；
ｄ）下記数式２によってＸ値を演算する段階；及び
ｅ）前記Ｘ値から電池の残量（ＳＯＣ、ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を判断する段階；を含むリチウム‐硫黄電池の残量判別方法を提供する。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
リチウム‐硫黄電池の残量を判別する方法であって、
ａ）オープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態で電池に定電流を印加した後、０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点で初期電圧降下値ｄＶ１を測定する段階；
ｂ）前記定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で後期電圧降下値ｄＶ２を測定する段階；
ｃ）下記数式１によって追加電圧降下値ｄＶ３を演算する段階；
ｄ）下記数式２によってＸ値を演算する段階；及び
ｅ）前記Ｘ値から電池の残量（ＳＯＣ、ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を判断する段階；を含むリチウム‐硫黄電池の残量判別方法を提供する。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
また、本発明は
リチウム‐硫黄電池を持つ電池パックにおいて、
電池に定電流を印加する定電流源；
電池の電圧及び電流を測定する測定部；
前記定電流源及び測定部を制御する制御部；及び
前記測定部で測定された電圧値及び電流値を演算して電池の残量を判別する演算部；を含み、
電池の残量判別の時
前記制御部は定電流源からオープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態の電池に定電流を印加させ、測定部が前記定電流印加後０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点及び定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で電圧を測定するように制御し、
前記演算部は前記電圧測定値から０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ１及び０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ２を演算した後、下記数式１及び数式２によってｄＶ３及びＸ値を求め、前記Ｘ値から電池の残量を算出することを特徴とする電池パックを提供する。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
リチウム‐硫黄電池を持つ電池パックにおいて、
電池に定電流を印加する定電流源；
電池の電圧及び電流を測定する測定部；
前記定電流源及び測定部を制御する制御部；及び
前記測定部で測定された電圧値及び電流値を演算して電池の残量を判別する演算部；を含み、
電池の残量判別の時
前記制御部は定電流源からオープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態の電池に定電流を印加させ、測定部が前記定電流印加後０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点及び定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で電圧を測定するように制御し、
前記演算部は前記電圧測定値から０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ１及び０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ２を演算した後、下記数式１及び数式２によってｄＶ３及びＸ値を求め、前記Ｘ値から電池の残量を算出することを特徴とする電池パックを提供する。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
本発明のリチウム‐硫黄電池の残量判別方法は簡単な方法で信頼性あるようにリチウム‐硫黄電池の残量を判別することができる効果を提供する。特に、残量が７０％以下の場合も高い正確度で残量を判別することができる効果を提供する。
また、本発明の電池パックは前記のような方法を具現することで、リチウム‐硫黄電池の適用対象を拡大させ、使用便利性を向上させる効果を提供する。
以下、添付の図面を参考して本発明の好ましい実施例について詳しく説明する。本発明を説明するに先立って、関連公知機能及び構成についた具体的説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすることができると判断される場合、それに対する説明は省略する。
以下の説明と図面は当業者が説明される装置と方法を容易に実施できるように特定実施例を例示する。他の実施例は、構造的、論理的に他の変形を含むことができる。個別構成要素と機能は明確に要求されない限り、一般的に選択されることができ、過程の手順は変わることができる。幾つかの実施例部分と特徴は、他の実施例に含まれたり、他の実施例に取り替えられることができる。
リチウム‐硫黄電池のカソードにある硫黄は放電する時２段階に還元される。第一段階で、硫黄（例えば、元素硫黄）がリチウムポリスルフィド（ Ｌｉｔｈｉｕｍ ｐｏｌｙｓｕｌｆｉｄｅ：Ｌｉ２Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ６、Ｌｉ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ４）に還元される。第二段階で、前記リチウムポリスルフィドはアノードの表面上に沈積されることもできるＬｉ２Ｓに還元される。逆に、充電時にはＬｉ２Ｓがリチウムポリスルフィド（ Ｌｉｔｈｉｕｍ ｐｏｌｙｓｕｌｆｉｄｅ：Ｌｉ２Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ６、Ｌｉ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ４）に酸化され、その後はリチウムと硫黄に酸化される。
前記リチウムポリスルフィドはリチウム‐硫黄電池の残量（ＳＯＣ）が７０％の時点で最大に存在し、以後減るようになる。このようなメカニズムによってリチウム‐硫黄電池は残量（ＳＯＣ）が７０％の時点で電気化学反応が変化され、図１に示されたように、リチウム‐硫黄電池のＯＣＶまたは運転電圧と残量が比例しない特性を示す。
本発明者らはリチウム‐硫黄電池のこのような特性にもかかわらず、簡単な方法で信頼性高く残量を判別することができる方法を見つけ出して本発明を完成した。
本発明は、リチウム‐硫黄電池の残量を判別する方法であって、
ａ）オープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態で電池に定電流を印加した後、０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点で初期電圧降下値ｄＶ１を測定する段階；
ｂ）前記定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で後期電圧降下値ｄＶ２を測定する段階；
ｃ）下記数式１によって追加電圧降下値ｄＶ３を演算する段階；
ｄ）下記数式２によってＸ値を演算する段階；及び
ｅ）前記Ｘ値から電池の残量（ＳＯＣ、ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を判断する段階；を含むリチウム‐硫黄電池の残量判別方法を提供する。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
ａ）オープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態で電池に定電流を印加した後、０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点で初期電圧降下値ｄＶ１を測定する段階；
ｂ）前記定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で後期電圧降下値ｄＶ２を測定する段階；
ｃ）下記数式１によって追加電圧降下値ｄＶ３を演算する段階；
ｄ）下記数式２によってＸ値を演算する段階；及び
ｅ）前記Ｘ値から電池の残量（ＳＯＣ、ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を判断する段階；を含むリチウム‐硫黄電池の残量判別方法を提供する。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
本発明者らはリチウム‐硫黄電池で放電中に高出力パルスが印加される場合、図２の右側のグラフに示すように、とても短い時間でＯＣＶから電圧降下が行われ（ｄＶ１）、以後はゆっくりさらなる電圧降下（ｄＶ３）が行われることに注目した。このような現象は、ｄＶ１は電解液のイオン伝導度と電子伝達反応に大きい影響を受け、ｄＶ３は物質拡散遅延による物質伝達抵抗に大きい影響を受けるので発生する。
すなわち、リチウム‐硫黄電池の特性上、湧出ポリスルフィドの量はＳＯＣ ７０％で最も多く、この時点で電解液の粘度も最も高いので、これによってイオン伝導度は最も低い値を示す。一方、抵抗が大きいため高出力パルスの印加時に初期電圧降下（ｄＶ１）が最も大きく示される。以後、放電ではポリスルフィドがＬｉ２Ｓ形態に還元されて固形化されながらポリスルフィドの量が返って減って初期電圧降下（ｄＶ１）が低くなる傾向を示す。
一方、ＳＯＣが７０％以下に進められながら反応溶液中の反応物質の量は段々減るようになるので、濃度低下によって物質伝達抵抗は段々大きくなり、これによって物質伝達抵抗に大きい影響を受けるさらなる電圧降下（ｄＶ３）は段々もっと大きくなる。
図３はリチウム‐硫黄電池の高出力パルス（定電流、１．０Ｃ）印加時、時間による初期電圧降下（ｄＶ１）及びさらなる電圧降下（ｄＶ３）の和及び差の値とＳＯＣの関係を示す。図３で確認されるように、初期電圧降下値（ｄＶ１）から追加電圧降下値（ｄＶ３）を引いた値Ｘを示すグラフの場合、ＳＯＣが７０％以下の場合、ＳＯＣの減少傾向に符合して持続的にＸ値が減少する傾向を示す。
したがって、このような結果から前記Ｘ値からリチウム‐硫黄電池の残量（ＳＯＣ）を判断することができることが確認される。
本発明の残量判別方法において、前記初期電圧降下値（ｄＶ１）は定電流を印加した後０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点で測定することができ、好ましくは０．０１ないし０．２秒範囲、より好ましくは０．０１ないし０．１秒範囲のある一時点で測定することができる。
図４はリチウム‐硫黄電池に高出力パルス（定電流、１．０Ｃ）印加時に各ＳＯＣで時間によるセルの電圧変化を示す。前記図４から確認されるように、初期電圧降下値（ｄＶ１）の測定時点が０．３秒を超える場合、物質伝達抵抗の増加による追加電圧降下が示されるので、残量測定の正確度のために０．３秒以内に初期電圧降下値（ｄＶ１）を測定することが好ましい。
本発明の残量判別方法において、前記追加電圧降下値（ｄＶ３）は前記定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で後期電圧降下値（ｄＶ２）を測定して、下記数式１によって演算して求めることができる。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
この時、前記後期電圧降下値ｄＶ２は１秒ないし２０秒の範囲で測定することが好ましく、２秒ないし１０秒の範囲で測定することがさらに好ましい。
図５は高出力パルス（定電流、１．０Ｃ）印加後、初期電圧降下値（ｄＶ１）を０．１秒に測定し、後期電圧降下値（ｄＶ２）を０．５秒ないし１０秒の範囲で測定して（この場合、ｄＶ３の測定時点もｄＶ２と同一である）、追加電圧降下値（ｄＶ３）を得て、下記数式２によってＸ値を演算し、ｄＶ３測定時点（ｄＶ２の測定時点も同一）によるＸ値とＳＯＣの関係を示すグラフである。
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
前記図５から確認されるように、後期電圧降下値ｄＶ２（または追加電荷降下値ｄＶ３）を１秒ないし１０秒範囲で測定した場合、０．５秒で測定した場合よりＸ値がＳＯＣの減少傾向によく符合することが分かる。
特に、後期電圧降下値（ｄＶ２）を２秒ないし１０秒範囲で測定した場合、Ｘ値がＳＯＣの減少傾向にもっとよく符合することが分かる。
本発明の残量判別方法において、定電流は０．５Ｃ以上に印加することが好ましい。定電流が０．５Ｃ未満で印加される場合、電圧降下値が小さくて正確、且つ信頼性あるように残量を判別することが難しくなるので好ましくない。
また、前記定電流は２Ｃ以下で印加することが好ましく、１Ｃ以下で印加することがさらに好ましい。定電流が２Ｃを超えて印加される場合、さらなる正確度改善が大きくない一方、電力量が多く消耗されるので好ましくない。
図６は高出力パルス（定電流、０．５Ｃまたは１．０Ｃ）印加後、初期電圧降下値（ｄＶ１）を０．１秒に測定し、１秒ないし１０秒の範囲で追加電圧降下値（ｄＶ３）を求め、前記ｄＶ３測定時点（ｄＶ２の測定時点も同一）によるＸ値とＳＯＣの関係を示すグラフである。
前記図６から確認されるように、定電流を０．５Ｃで印加する場合、または１．０Ｃで印加する場合のいずれにおいて、Ｘ値はＳＯＣの減少傾向によく符合することが分かる。
本発明の残量判別方法において、前記定電流印加は電池運転時に発生する定電流によって行われるか；別途定電流源から行われるか；または前記電池運転時に発生する定電流及び別途定電流源によって複合的に行われることができる。
例えば、電池運転時に定電流が発生する場合は、この定電流を利用することができ、電池運転時に定電流が発生しない区間では、互いに異なる電池モジュールでこれらどうしが互いに充／放電するようにするか、ＳＯＣ測定のための別途小型蓄電器を設置して蓄電器を充電する方式で定電流を印加させることができる。
また、別途定電流源によって印加される定電流のみを使用することもでき、電池運転時に定電流が充分発生する場合は別途の定電流源を活用する必要なく運転時に定電流のみを利用することもできる。
図７は各残量（ＳＯＣ）で高出力パルス（定電流、１．０Ｃ）を印加した後、初期電圧降下値（ｄＶ１）を０．１秒時点で測定し、５秒時点で後期電圧降下値（ｄＶ２）を測定した後、追加電圧降下値（ｄＶ３）及びＸ値を求めて、Ｘ値とＳＯＣの関係を示し、該当曲線に最も接した３次関数を通常の多項関数近似法を使用して得たＳＯＣフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）曲線を比べて示すものである。
前記図７から確認されるように、ＳＯＣによるＸ値と前記ＳＯＣフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）曲線はほぼ一致することが分かる。したがって、このような事実から本発明の残量判別方法の正確度を確認することができる。
本発明の残量判別方法は、リチウム‐硫黄電池の化学反応特性上、電池の残量が７０％以下の場合に好ましく使われることができる。
本発明の一実施形態において、残量が７０％を超える場合の電池残量は電池のＯＣＶ（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）値によって判別することが好ましい。なぜなら、図１に示されたように、リチウム‐硫黄電池の場合も残量が７０％を超える範囲ではＯＣＶ（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）の変化値がＳＯＣ減少の成り行きと一致する傾向を示すためである。
本発明の一実施形態において、本発明の残量判別方法は電池の残量が７０％を超える場合、残量は電池のＯＣＶ（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）値によって判別し、残量が７０％以下の場合は本発明のＸ値によって判別する方式で行われることができる。
また、本発明の一実施形態において、本発明の残量判別方法は電池電圧を測定することによって電池の残量を検出する電圧法；電圧と電流を測定して積算することによって電池の残量を求める積算法；または前記電圧法と積算法を併用する方法；によって残量判断を補完する方式で行われることができる。
前記電池電圧を測定することによって電池の残量を検出する電圧法；電圧と電流を測定して積算することによって電池の残量を求める積算法；または前記電圧法と積算法を併用する方法では、この分野に公知された方法が制限されずに利用されることができる。
例えば、前記電池電圧を測定することによって電池の残量を検出する電圧法を利用する検出方法は、電池セルの端子電圧を測定し、電池の電圧と電池容量（残量率）との間の相関性に基づいて残量を算出するものであって、例えば、リチウム‐硫黄電池の場合は、電池電圧が２．４Ｖ／セルであればフル充電と判断し、電池電圧が１．８Ｖ／セルになると、電池が過放電状態と判断することができ、これによって容易に測定できる。しかし、放電時に前記電圧法を利用して残量を検出すれば、前述したように、電池のＳＯＣが７０％以下の範囲で残量検出の正確度がとても悪くなるという問題がある。したがって、このような問題は本発明の残量判別方法によって解消されることができる。
前記電圧と電流を測定して積算することによって電池の残量を求める積算法は、電流を測定してこの測定電流を一定時間ごとに積算する電流積算法と、電圧と電流を測定して測定された電圧と測定された電流を互いに乗ずることで電力量を算出し、また一定時間ごとに算出された電力量を積算する電力積算法に分類されることができる。前記積算法は、いずれも、放電電流量または放電電力量を算出した後、電池が持つ使用可能な電流量または電力量に対し、その算出された放電電流または算出された放電電力量の割合から電池の残量を求めることができ、これによって電圧の変動に左右されることなく、残量の安定した検出が可能となる。
しかし、前記積算法を利用して残量を検出する場合は放電末期になると残量検出の正確度が悪くなるという問題がある。これは、電圧と電流の測定誤差や熱損失によって積算された電流または電力とともに誤差も蓄積され、放電末期には大きい誤差が発生し、これによって正確度の低下がもたらされるためである。
そのため、積算法と電圧法を併用して充電容量を検出する他の方法が利用される。この検出方法は、充電開始時からフル充電に近くなるまでは積算法を利用し、フル充電付近で積算法から電圧法に切り換えて充電容量を検出することであり、これによって前記方法が最も効果を発する領域で計測を行うことができる。
しかし、電圧法は、電池の電流が小さい値を示す場合、その容量の計算に高い精密度を提供する一方、この電流が大きい値を示す場合、周り温度による直接電流Ｉｍｐ（Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）または電池内のＩｍｐ変動などによって正確な開放回路電圧を得られないし、これによって電池容量を正確に算出することができない。さらに、積算法は電池の電流が大きい値を示す場合、容量の計算に高い精密度を提供する一方、減少する電流では積算エラーが増加して容量の計算において精密度が落ちるようになる。よって、電圧法と積算法を共に他の方法を併用して電池容量を検出することもできる。
また、本発明の一実施形態において、本発明の残量判別方法は残量による各Ｘ値を予め求めて、前記Ｘ値による残量値を決めてレファレンスとして使用し、電池の残量を判断する方式に遂行されることができる。
この時、前記Ｘ値による残量値は前述された多様な方法を利用して決めるか、これらを複合して、より精密な残量値を決めて使用することができる。
また、本発明は、
リチウム‐硫黄電池を持つ電池パックにおいて、
電池に定電流を印加する定電流源；
電池の電圧及び電流を測定する測定部；
前記定電流源及び測定部を制御する制御部；及び
前記測定部で測定された電圧値及び電流値を演算して電池の残量を判別する演算部；を含み、
電池の残量判別時、
前記制御部は定電流源からオープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態の電池に定電流を印加させ、測定部が前記定電流印加後０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点及び定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で電圧を測定するように制御し、
前記演算部は前記電圧測定値から０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ１及び０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ２を演算した後、下記数式１及び数式２によってｄＶ３及びＸ値を求め、前記Ｘ値から電池の残量を算出することを特徴とする電池パックに関する。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
リチウム‐硫黄電池を持つ電池パックにおいて、
電池に定電流を印加する定電流源；
電池の電圧及び電流を測定する測定部；
前記定電流源及び測定部を制御する制御部；及び
前記測定部で測定された電圧値及び電流値を演算して電池の残量を判別する演算部；を含み、
電池の残量判別時、
前記制御部は定電流源からオープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態の電池に定電流を印加させ、測定部が前記定電流印加後０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点及び定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で電圧を測定するように制御し、
前記演算部は前記電圧測定値から０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ１及び０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ２を演算した後、下記数式１及び数式２によってｄＶ３及びＸ値を求め、前記Ｘ値から電池の残量を算出することを特徴とする電池パックに関する。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３
前記電池パックは、例えば図８に示された形態を持つことができる。この時、電池は一つまたは２個以上が含まれることができるし、定電流源、制御部、演算部、測定部などではこの分野に公知された装置が制限されずに使われることができる。
前記電池パックで残量の判別方法に対しては、前述された方法がそのまま適用されることができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は電池運転時に発生する定電流を利用することができる場合は、定電流源が稼動されないように制御し、前記運転時に発生する定電流を利用して残量を判別するように運用されることができる。
本発明の一実施形態において、電池パックは前記制御部が電池の残量が７０％を超える場合は定電流源が稼動されないようにし、測定部で電池のＯＣＶ（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）値を測定するように制御し、
前記演算部が電池の残量が７０％を超える場合は、前記測定されたＯＣＶ（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）値から電池の残量を算出する方式で運用されることができる。
前記演算部が電池の残量が７０％を超える場合は、前記測定されたＯＣＶ（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）値から電池の残量を算出する方式で運用されることができる。
本発明の一実施形態において、前記電池パックは電池電圧を測定することによって電池の残量を検出する電圧法；電圧と電流を測定して積算することによって電池の残量を求める積算法；または前記電圧法と積算法を併用する方法；をさらに遂行して残量判断を補完することができる。
本発明の一実施形態において、電池パックの演算部は電池の残量値によるＸ値及び前記Ｘ値による残量データを予め求めてレファレンスとして格納し、前記演算によって求められたＸ値と前記レファレンスを比べて電池の残量を判断する方式で運用されることができる。
図９は本発明の一実施形態による残量（ＳＯＣ）推定論理回路の一例を模式的に示したものである。図９を参照して残量（ＳＯＣ）推定論理回路の駆動方式を例えて説明すれば次のとおりである。
先ず、電池のＯＣＶを測定する。もし前記ＯＣＶ値が２．１５Ｖを超える場合、ＳＯＣが７０％を超えるので、ＯＣＶでＳＯＣを推定する（電池の設計によって基準ＯＣＶは２．１５Ｖと小幅相違であり、２．１５Ｖに固定されたものではなくＳＯＣ ７０％以下で同一に維持されるＯＣＶが基準値になる。）
この時、前述された多様な方法でＳＯＣを推定することももちろん可能である。
この時、前述された多様な方法でＳＯＣを推定することももちろん可能である。
一方、ＯＣＶ値が２．１５Ｖ以下の場合、ＳＯＣが７０％以下であるため、高電流パルス（定電流）を印加して初期電圧降下ｄＶ１及び後期電圧降下ｄＶ２を測定し、ｄＶ３及びＸ値を求めてＳＯＣ値を推定する。
この時、前記ＳＯＣ値の推定はデータベースに予め求めて格納したＳＯＣ別Ｘ値と上で求めたＸ値を比べてＳＯＣ値を算出する方式で行われる。
この時、前記で算出されたＳＯＣ値はの上で説明された電池電圧を測定することによって電池の残量を検出する電圧法；電圧と電流を測定して積算することによって電池の残量を求める積算法；または前記電圧法と積算法を併用する方法；などによって補完されることができる。
前記でＯＣＶ値で使われた２．１５Ｖは、リチウム‐硫黄電池の一般的なＯＣＶ値を適用したものであって、これは多様な形態のリチウム‐硫黄電池の個別特性によって変更されることができる。
たとえ、本発明が前記言及された好ましい実施例と係って説明されたが、発明の要旨と範囲から脱することがなく多様な修正や変形をすることが可能である。したがって、添付の特許請求範囲は本発明の要旨に属する限り、このような修正や変形を含む。
Claims (12)
- リチウム‐硫黄電池の残量を判別する方法であって、
ａ）オープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態で電池に定電流を印加した後、０．０１秒ないし０．３秒範囲のある一時点で初期電圧降下値ｄＶ１を測定する段階；
ｂ）前記定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で後期電圧降下値ｄＶ２を測定する段階；
ｃ）下記数式１によって追加電圧降下値ｄＶ３を演算する段階；
ｄ）下記数式２によってＸ値を演算する段階；及び
ｅ）前記Ｘ値から電池の残量（ＳＯＣ、ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を判断する段階；を含むリチウム‐硫黄電池の残量判別方法。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３ - 前記定電流は０．５Ｃないし２．０Ｃで印加することを特徴とする、請求項１に記載のリチウム‐硫黄電池の残量判別方法。
- 前記定電流印加は電池運転時に発生する定電流によって行われるか；別途定電流源から行われるか；または前記電池運転時に発生する定電流及び別途定電流源によって複合的に行われることを特徴とする、請求項１又は２に記載のリチウム‐硫黄電池の残量判別方法。
- 前記方法は電池の残量が７０％以下の場合に適用することを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のリチウム‐硫黄電池の残量判別方法。
- 電池の残量が７０％を超える場合の電池残量は、電池のＯＣＶ（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）値によって判別することを特徴とする請求項３に記載のリチウム‐硫黄電池の残量判別方法。
- 前記方法は電池電圧を測定することによって電池の残量を検出する電圧法；電圧と電流を測定して積算することによって電池の残量を求める積算法；または前記電圧法と積算法を併用する方法；によって残量判断を補完して残量を判別することを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のリチウム‐硫黄電池の残量判別方法。
- 残量による各Ｘ値を予め求め、レファレンスとして使用して電池の残量を判断することを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のリチウム‐硫黄電池の残量判別方法。
- リチウム‐硫黄電池を持つ電池パックにおいて、
電池に定電流を印加する定電流源；
電池の電圧及び電流を測定する測定部；
前記定電流源及び測定部を制御する制御部；及び
前記測定部で測定された電圧値及び電流値を演算して電池の残量を判別する演算部；を含み、
電池の残量判別時、
前記制御部は定電流源からオープンサーキット（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）状態の電池に定電流を印加させ、測定部が前記定電流印加後０．０１秒ないし０．３秒範囲のある一時点及び定電流印加後０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点で電圧を測定するように制御し、
前記演算部は前記電圧測定値から０．０１ないし０．３秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ１及び０．５秒ないし２０秒範囲のある一時点の電圧降下値ｄＶ２を演算した後、下記数式１及び数式２によってｄＶ３及びＸ値を求め、前記Ｘ値から電池の残量を算出することを特徴とする電池パック。
［数式１］
ｄＶ３＝ｄＶ２‐ｄＶ１
［数式２］
Ｘ＝ｄＶ１‐ｄＶ３ - 前記制御部は電池運転時に発生する定電流を利用することができる場合は、定電流源が稼動されないように制御することを特徴とする、請求項８に記載の電池パック。
- 前記制御部は、電池の残量が７０％を超える場合は定電流源が稼動されないようにし、測定部で電池のＯＣＶ（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）値を測定するように制御し、
前記演算部は電池の残量が７０％を超える場合は前記測定されたＯＣＶ（ｏｐｅｎ‐ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）値から電池の残量を算出することを特徴とする、請求項８又は９に記載の電池パック。 - 前記電池パックは電池電圧を測定することによって電池の残量を検出する電圧法；電圧と電流を測定して積算することによって電池の残量を求める積算法；または前記電圧法と積算法を併用する方法；をさらに遂行して残量判断を補完することを特徴とする、請求項８～１０のいずれか一項に記載の電池パック。
- 前記演算部は電池の残量値によるＸ値及び前記Ｘ値による残量データを予め求めてレファレンスとして格納し、前記演算によって求められたＸ値と前記レファレンスを比べて電池の残量を判断することを特徴とする、請求項８～１１のいずれか一項に記載の電池パック。
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