KR101145469B1 - 전지의 충전상태 판단방법 - Google Patents

전지의 충전상태 판단방법 Download PDF

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Abstract

간단한 공정으로 오차를 최소로 하면서 개방형 전지 뿐만아니라, 밀폐형 전지에서도 수행가능한 전지의 충전상태 판단방법이 제안된다. 제안된 전지의 충전상태 판단방법에서는, 전지의 임피던스를 측정하고 이를 기초로 전지의 등가회로를 구성하는 소자들의 파라미터들을 결정하여 파라미터를 이용하여 전지의 충전상태를 판단한다.

Description

전지의 충전상태 판단방법{METHOD OF DETERMINING STATE-OF-CHARGE OF BATTERY}
본 발명은 전지의 충전상태 판단방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 간단한 공정으로 오차를 최소로 하면서 개방형 전지뿐만 아니라 밀폐형 전지에서도 수행가능한 전지의 충전상태 판단방법에 관한 것이다.
일차전지 또는 이차 전지의 전기화학적 과정, 예를 들면, 물질전달, 전극반응 또는 전하이동과 같은 과정은 이해하기가 복잡하고, 구성요소에 많이 의존하기 때문에 실제 전지의 특성파악이 어렵다. 따라서, 잔여용량, 가용용량, 특히 제조사에서 제공하는 공칭용량에 대한 가용용량의 비로 표시되는 충전상태(SoC, State-of-Charge) 파악은 사용자에게 전지에 남은 잔류용량, 실제 사용할 수 있는 용량 등 많은 정보를 제공한다. 이러한 충전상태를 파악하기 위해 지금까지 여러 전지 시스템에 다양한 방법이 실험되었다.
납축전지는 값이 싸고 신뢰성 있는 에너지 저장매체로 널리 사용되어 왔으며, 최근에 전해액 보충이 불필요하고, 설치 위치에 제한이 없으며, 내진동, 내충격이 우수한 기계적 특성과 아울러 높은 체적에너지 밀도, 우수한 충전 효율성, 장수명 등과 같은 성능특성이 우수한 밀폐형 납축전지인 밸브조정 납축전지(VRLA, Valve Regulated Lead Acid Battery)가 개발되어 통신용, 거치용, 자동차용 등과 같은 여러 분야에서 일반 액식 납축전지(Flooded Lead Acid Battery)를 대체하고 있다. 액식 납축전지에서는 개로전압 측정과 더불어 반응에 참여하는 전해액의 물리적 특성(색상, 비중, 농도 등)을 파악하여 충전상태를 판단할 수 있으나, 무보수형 밀폐형 납축전지인 VRLA 전지는 이러한 물리적 특성을 파악하기가 구조적으로 어려워서 충전상태 판단이 어렵다.
충전상태 파악을 위한 방법 중, 방전시험은 전지의 충전상태를 판단하는데 있어 가장 확실하고, 신뢰성이 있는 방법이다. 그러나 방전시험방법은 시간이 오래 소요되고, 방전에 이어 바로 재충전이 이루어져야 한다. 또한, 시험을 위해 시스템의 기능을 멈추고 시스템으로부터 분리해야 한다는 단점을 가지고 있다.
두번째로, 전지 충전상태를 파악하기 위하여 입출력 전류량을 측정할 수 있다. 입출력 전류량 측정방법은 충전상태를 전지에 입출력된 전류와 시간을 계산하여 파악하는 기법이다. 일정한 용량을 가진 전지의 초기 시점을 기준으로 하여 충전과 방전을 통해 공급되거나, 인출된 전류와 소요된 시간을 적산하면 규정용량에서 얼마나 사용되었고, 잔여량이 얼마나 되는지 파악할 수 있고, 이는 충전상태를 나타낼 수 있는 직접적인 표시가 된다. 이 방법에서는 두 가지 사항이 문제점으로 지적된다. 첫째로는 부정확한 전류측정에서는 매우 큰 오차가 발생할 수 있고, 정확한 전류측정을 위해서는 정밀 계측기의 구비가 요구된다. 둘째로는 충전 시에 전지에 공급된 모든 전류가 전적으로 충전에만 소비되는 것이 아니고, 열로 손실될 수도 있고, 만충전에 도달하기 위해 추가적으로 전류가 소요되기 때문에, 단순한 전류와 시간의 적산값으로는 정확한 충전상태를 예측하고, 판단하는 데 있어 오차가 발생할 수 있다.
한편, 전해액의 물리적 특성분석을 통하여 전지의 충전상태를 파악할 수 있다. 축전지에서 전해액은 충전-방전동안 반응에 참여한다. 반응에 참여한 전해액은 충전상태에 따라, 액면, 색상 농도 등이 변화할 수 있다. 특히 전해액의 농도 변화와 충전상태와의 관계는 선형적이어서 충전상태를 결정하는데 이용될 수 있다. 이러한 방법은 거치용 전지와 같은 개방형 액식 납축전지에 적합하나, VRLA 전지와 같이 밀폐형 구조에서는 전지 내의 비중을 측정하기가 어려워 적용하기 곤란하다. 또한, 전해액의 농도를 이온농도, 전도도, 반사계수, 점도, 초음파 등으로 활용하여 직-간접으로 충전상태를 예측할 수 있다. 그러나, 이 방법은 전해액의 성층화, 과충전에 의한 전해액 내의 물손실, 그리고 장시간에 걸쳐 사용되는 센서의 안정성 등이 에러를 발생시킬 수 있다. 또한 전극의 기공내에서 소비되거나 생성되는 전해액의 농도를 측정하기 어렵다는 것인데, 이는 큰 전류가 흐르는 동안 늦은 전해액의 확산으로 인해 오차가 발생할 수 있다는 것을 의미한다.
마지막으로, 납축전지의 개로전압을 측정하는 방법이 있다. 전해액 비중과 유사하게, 개로전압 또한 충전상태와 선형적인 관계가 있다. 이것은 상대적으로 긴 거치 기간을 가진 통신용과 백업용 액식 납축전지에 주로 이용되고, 일반적으로 전해액 비중 측정과 같은 다른 방법과 결합되어 사용된다. 이러한 조합에서 개로전압 측정은 다른 기법을 보정하는데 사용될 수 있다.
완전 충전상태에서 개방형 액식 전지의 개로전압 차이는 약 100mV 미만이다. 그러나 장시간에 걸쳐 안정화가 이루어지는 VRLA전지에서는 에러를 일으킬 수 있고, 사용하지 않고 장기 방치된 전지에서 발생하는 자기방전에 의한 전압감소, 지속적인 모니터링에 사용되는 전류로 인해 개로전압에 결코 도달할 수 없을 때에는 측정에 신뢰도가 떨어진다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 보다 간단한 공정으로 오차를 최소로 하면서 개방형 전지뿐만 아니라 밀폐형 전지에서도 수행가능한 전지의 충전상태 판단방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전지의 충전상태 판단방법은, 전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정단계; 상기 임피던스 측정단계에서 측정된 임피던스를 기초로, 상기 전지의 등가회로를 구성하는 소자들의 파라미터들을 결정하는 파라미터 결정단계; 및 상기 파라미터 결정단계에서 결정된 파라미터들 중 제1파라미터를 이용하여 상기 전지의 제1충전상태를 판단하는 제1충전상태 판단단계;를 포함하되, 상기 등가회로는 상기 전지의 동작으로 인한 변화를 모델링한 소자 및 상기 전지에 마련된 단자의 전기적 성분을 모델링한 소자를 더 포함하며, 상기 전지의 동작으로 인한 변화를 모델링한 소자는, 이온의 확산 및 전극의 다공도에 따른 Warburg 임피던스이고, 상기 전지에 마련된 단자의 전기적 성분을 모델링한 소자는, 단자인덕터 및 단자저항인 것을 특징으로 한다.
제1충전상태 판단단계는 제1파라미터와 전지의 제1충전상태의 대응관계를 참고하여, 전지의 충전상태를 판단할 수 있다.
등가회로는 저항성 소자, 제1용량성 소자, 및 제2용량성 소자를 포함하고, 제1파라미터는 저항성 소자, 제1용량성 소자 및 제2용량성 소자 중 어느 하나의 파라미터일 수 있다. 여기서, 제1용량성 소자는 제1저항 및 제1커패시터를 포함하고, 제1파라미터는 제1저항 및 제1커패시터 중 어느 하나에 대한 파라미터일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전지의 충전상태 판단방법은 파라미터 결정단계에서 결정된 파라미터들 중 제2파라미터를 이용하여 전지의 제2충전상태를 판단하는 제2충전상태 판단단계를 더 포함할 수 있다.
제2용량성 소자는 제2저항 및 제2커패시터를 포함하고, 제2파라미터는 제2저항 및 제2커패시터 중 어느 하나에 대한 파라미터일 수 있다.
제1충전상태 및 제2충전상태의 평균을 전지의 충전상태로 산출할 수 있다.
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전지는 밀폐형 납축전지인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전지의 충전상태 판단방법에 따르면, 전지를 시스템으로부터 분리하지 않고서도 임피던스를 측정하고 이를 통하여 충전상태를 판단하기 때문에 방전시험과 같이 장시간에 걸친 방전 후 재충전할 필요 없이 단시간 동안 간단한 방법으로 전지의 충전상태를 측정할 수 있다.
또한, 임피던스 측정을 비파괴방식으로 측정할 수 있어서, 시스템으로부터 전지를 분리하지 않으면서 개방형 전지 뿐만 아니라 밀폐형 전지에서도 오차를 최소로 하여 전지의 충전상태를 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 무보수 밀폐형 VRLA 전지를 0.1C(A)로 방전종지전압 1.75V까지 방전시킨 용량 그래프이다.
도 2는 50% 충전상태에서의 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 Nyquist도이다.
도 3a 및 도 3b는 50% 충전상태에서의 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 Bode 선도이다.
도 4는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 5는 다양한 충전상태에서의 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 Nyquist도이다.
도 6은 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 충전상태에 따른 오믹 저항 Rs의 그래프이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 100%, 50%, 0% 충전상태에 따른 양극 표면의 SEM 이미지를 각각 나타낸 도면들이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 100%, 50%, 0% 충전상태에 따른 음극 표면의 SEM 이미지를 각각 나타낸 도면들이다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 100%, 50%, 0% 충전상태에 따른 양극활물질의 XRD 패턴을 각각 나타낸 도면들이다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 100%, 50%, 0% 충전상태에 따른 음극활물질의 XRD 패턴을 각각 나타낸 도면들이다.
도 11a는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 충전상태에 따른 전하이동저항 R1의 그래프이고, 도 11b는 전하이동저항 R2의 그래프이다.
도 12a는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 충전상태에 따른 전기이중층 커패시턴스 C1의 그래프이고, 도 12b는 전기이중층 커패시턴스 C2의 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에 따른 전지의 충전상태 판단방법은, 전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정단계; 상기 임피던스 측정단계에서 측정된 임피던스를 기초로, 상기 전지의 등가회로를 구성하는 소자들의 파라미터들을 결정하는 파라미터 결정단계; 및 상기 파라미터 결정단계에서 결정된 파라미터들 중 제1파라미터를 이용하여 상기 전지의 제1충전상태를 판단하는 제1충전상태 판단단계;를 포함하되, 상기 등가회로는 상기 전지의 동작으로 인한 변화를 모델링한 소자 및 상기 전지에 마련된 단자의 전기적 성분을 모델링한 소자를 더 포함하며, 상기 전지의 동작으로 인한 변화를 모델링한 소자는, 이온의 확산 및 전극의 다공도에 따른 Warburg 임피던스이고, 상기 전지에 마련된 단자의 전기적 성분을 모델링한 소자는, 단자인덕터 및 단자저항인 것을 특징으로 한다. 이러한 판단방법은 밀폐형 납축전지와 같이 종래의 충전상태 판단방법을 이용하기 어려운 전지에 사용되는 것이 바람직하다. 이하, 밀폐형 납축전지, 즉 무보수 VRLA 전지를 예로 들어 충전상태 판단방법을 설명하기로 한다.
본 실시예에 따르면, 전지의 충전상태를 판단하기 위하여 전지의 임피던스를 측정한다. 임피던스 측정방법은 비파괴방식을 이용할 수 있다. 측정된 임피던스 데이터에는 저항성분과 용량성 성분, 유도성 성분과 같은 전기적인 성분을 포함하고 있다. 이 성분들을 분리하여 분석하면, 전지의 여러 전기화학 파라미터, 예를 들면 오믹(ohmic) 저항, 전하전달저항, 이중층 커패시턴스와 같은 파라미터를 산출 및 비교할 수 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 충전상태를 파악하고, 가용용량을 추정할 수 있다.
즉, 임피던스 측정단계에서 측정된 임피던스를 기초로, 전지의 등가회로를 구성하고, 구성된 소자들의 파라미터들을 산출하여 결정한다. 산출된 파라미터를 이용하여 전지의 충전상태를 판단한다. 파라미터를 이용하여 충전상태를 판단하는 방법은 파라미터와 전지 충전상태의 대응관계를 참고하여, 전지의 충전상태를 판단할 수 있다. 이에 대하여는 이하 도 6 내지 도 12b를 참조하여 더 설명하기로 한다.
도 1은 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 0.1C(A)로 방전종지전압 1.75V까지 방전시킨 용량 그래프이다. 도 1에 도시된 방전곡선은 일반적인 납축전지의 방전 특성을 나타낸 그래프로서, 방전 개시 후 전압이 일시 급격하게 저하하고, 그 다음에 서서히 전압 저하를 나타내며 방전종지전압 근처에 다다르면서 급격히 전압하강이 일어난다.
도 2는 50% 충전상태에서 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 Nyquist도이고, 도 3a 및 도 3b는 50% 충전상태에서의 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 Bode 선도이다. ○은 측정된 임피던스 데이터이고, 실선은 피팅한 계산값이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 측정값 및 계산값이 일치함을 알 수 있다.
도 4는 일반적인 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 등가회로를 나타낸 도면이다. 등가회로는 저항성 소자 및 용량성 소자를 포함하고 있다. 또한, 등가회로는 전지의 동작으로 인한 변화를 모델링한 소자 및 전지에 마련된 단자의 전기적 성분을 모델링한 소자를 더 포함할 수 있다.
도 4에서, 등가회로는 저항성 소자로서 오믹저항 R5를 포함하고 있고, 용량성 소자로서 제1 용량성 소자 및 제2 용량성 소자를 포함하고 있다. R1 및 R2는 각각 전극에서의 전하이동저항이고, C1 및 C2는 각각 전극계면에 형성된 커패시터로서, 전기이중층, 흡착, 부동태막 등과 관련된 커패시터 성분이다. 제1 용량성 소자는 제1 저항인 R1 및 제1 커패시터 C1을 포함하고, 제1 파라미터는 제1 저항 및 제1 커패시터 중 어느 하나에 대한 파라미터, 즉, 전하이동저항값 또는 커패시턴스일 수 있다. 제2 용량성 소자는 제2 저항인 R2 및 제2 커패시터 C2를 포함하고, 제2 파라미터는 제2 저항 및 제2 커패시터 중 어느 하나에 대한 파라미터 즉, 전하이동저항값 또는 커패시턴스일 수 있다.
제2 용량성 소자 뒤에는 전지의 동작으로 인한 변화를 모델링한 소자 및 전지에 마련된 단자의 전기적 성분을 모델링한 소자가 더 포함되어 있다. 전지의 동작으로 인한 변화를 모델링한 소자는 이온의 확산 및 전극의 다공도에 따른 Warburg 임피던스 W1이고, 전지에 마련된 단자의 전기적 성분을 모델링한 소자는 전지의 단자와 관련된 인덕터 성분 및 저항성분인 단자인덕터 L1 및 단자저항 R3이다.
도 5는 다양한 충전상태에서의 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 Nyquist도이다. 도 5의 Nyquist도로부터 전지의 충전상태에 따른 전기적 동적 특성을 분석한다. 다만, 등가회로에서 단자인덕터 L1과 단자저항 R3는 전지의 출력단자 구조나 전도체인 전극의 기하학적인 성질과 관련된 소자이므로 셀의 특성과는 무관하므로 분석을 위한 파라미터에서 제외한다.
전지의 충전상태를 판단하기 위하여, 전지의 임피던스를 측정하고 이를 기초로 하여 오믹저항, 전하이동전하 및 전기이중층 커패시턴스 파라미터를 결정하고, 이를 이용하여 충전상태를 판단한다. 전지의 충전상태는 오믹저항, 전하이동전하 및 전기이중층 커패시턴스 파라미터와 전지의 충전상태의 대응관계를 참고하여 판단한다. 도 5의 다양한 충전상태에서 측정한 결과로부터 전지의 충전상태에 따른 오믹저항의 변화는 도 6에, 전하이동전하의 변화는 각각 도 11a 및 도 11b에, 그리고, 전기이중층 커패시턴스는 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있어, 각각 파라미터와 전지의 충전상태의 대응관계로서 이용할 수 있다.
도 6은 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 충전상태에 따른 오믹 저항 Rs의 그래프이다. 도 6을 참조하면, 충전상태 100%상태에서 충전상태 50%상태까지 변화함에 따라 완만하게 증가하다가 충전상태가 50%에서 25%로 변화할 때 급격히 증가하였고, 이후 25%에서 0%까지는 급격히 증가하지는 않았지만, 증가추세를 유지하는 특성을 나타내었다. 이런 결과는 양극의 활물질인 PbO2와 음극의 Pb가 방전이 진행함에 따라 PbSO4 결정에 의해 전극표면이 덮히기 때문이다. 즉, 각각의 전극의 활물질들은 부동태인 PbSO4로 변하면서 전도도가 감소하고, 황산전해질에서도 SO4 2 - 이온의 농도감소로 인해 전해질의 상태를 반영하여 변화하기 때문에, 전지의 충전상태를 판단하기 위한 중요한 파라미터이다.
오믹 저항 Rs에 대한 전극의 활물질 변화의 영향을 확인하기 위하여, 충전상태에 따른 전극표면의 SEM 이미지를 도 7a 내지 도 8c에 도시하였고, 충전상태에 따른 전극표면의 XRD 패턴 데이터를 도 9a 내지 10c에 도시하였다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 100%, 50%, 0% 충전상태에 따른 양극전극표면의 SEM 이미지를 각각 나타낸 도면들이다. 충전상태 100%인 도 7a는 대부분 작고 둥근 형태의 PbO2의 입자가 덩어리져 응집되어 있고, 입자사이에 다공이 많이 포함되어 있다. 전극의 방전이 진행됨에 따라, 반응을 통해 PbSO4 결정이 생성된다. 충전상태가 50%인 도 7b의 경우에는 크기가 큰 PbSO4 입자와 작은 PbO2 둥근 입자들과 혼재되어 있고, 결합이 느슨해진 것이 관찰된다. 충전 상태가 더 낮아진 도 7c와 같은 상태에서는 초기의 둥글고 다공성이 풍부한 형태에서 일정한 형태없이 조밀하고 작은 입자들로 구성되어 있으며 결합력도 많이 약해져 보인다. 충전상태가 변화함에 따라 양극의 활성물질인 PbO2가 반응을 통해 용해되어 새로운 성분인 PbSO4로 침적, 생성된 것을 전극 표면 관찰을 통해 확인하였다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 100%, 50%, 0% 충전상태에 따른 음극전극표면의 SEM 이미지를 각각 나타낸 도면들이다. 충전상태 100%인 도 8a에서는 결정들이 수지상으로 서로 연결되어있으면서 산호형태를 이루고 있는 금속 납의 형태를 보이고 있다. 도 8b의 경우에는 수지상 금속납과 크기가 큰 PbSO4입자가 혼재되어 있으며, 도 8c에서는 대부분이 큰 크기의 PbSO4 입자로 구성되어 있다. 양극과 마찬가지로 음극에서는 높은 충전상태와 낮은 충전상태를 비교해 보면 확실한 형상변화를 볼 수 있다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 100%, 50%, 0% 충전상태에 따른 양극활물질의 XRD 패턴을 각각 나타낸 도면들이다. 100% 충전상태인 도 9a에서는 대부분이 PbO2이고, PbSO4에 대한 피크는 관찰되지 않았다. 충전상태 50%인 도 9b에서는 PbO2 피크와 PbSO4 피크가 보이고 있다. 이는 방전이 진행하여 양극 활성물질인 PbO2가 점차 PbSO4로 변화되고 있음을 의미한다. 충전상태가 0%인 도 9c에서는 활성물질 대부분이 PbSO4로 변화되었음을 나타낸다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 100%, 50%, 0% 충전상태에 따른 음극활물질의 XRD 패턴을 각각 나타낸 도면들이다. 충전상태가 감소함에 따라 점차 Pb가 감소하면서, PbSO4가 증가하는 모습을 볼 수 있다. 이는 충전상태가 낮아짐에 따라 음극 전극에서의 조성이 변화되고 있음을 의미한다.
도 11a는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 충전상태에 따른 전하이동저항 R1의 그래프이고, 도 11b는 전하이동저항 R2의 그래프이다. R1과 R2는 각각 전극에서의 전하이동전하로서 R1은 충전상태가 50%지점까지 감소하다가 다시 증가하는 특성을 나타내었다. R2는 방전에 따라 서서히 증가하다가 충전상태가 25%에서 0%로 변화함에 따라 급격히 증가하였다.
충전상태가 0%에 가까울 때 R2가 크게 변하는 것으로 보아 완전방전상태에 다다를수록 전지의 반응은 R2쪽 전극에 의해 제한을 받을 것이다. 또한, 음극 활물질인 Pb가 양극 활물질인 PbO2보다 전기 전도도가 높기 때문에, 값이 큰 R2가 PbO2 양극쪽의 전하이동저항이라는 것을 알 수 있다. 따라서, R2의 경우 충전 상태가 줄어듦에 따라 서서히 증가하는 패턴을 나타내어 충전상태를 판단하는 파라미터임을 확인할 수 있다.
도 12a는 무보수 밀폐형 VRLA 전지의 충전상태에 따른 전기이중층 커패시턴스 C1의 그래프이고, 도 12b는 전기이중층 커패시턴스 C2의 그래프이다. C1과 C2는 각각 전극에서의 커패시터의 커패시턴스로서, 전기이중층, 흡착, 부동태막 등과 관련된 캐패시터 성분으로 전극표면의 활물질 이용율과 관련 있다. C1의 경우 75% SoC 까지 증가하다 다시 감소하지만 값 자체가 C2에 비해 매우 낮게 나타난다. C2의 경우 75%, 50% 및 25%에서는 약 0.66F에서 0.71F 사이의 비슷한 값을 나타내었으나 100% 및 0% SoC에서 각각 0.47에서 0% SoC에서 0.38F을 나타내었다. C2가 C1보다 크다는 것은 PbO2 양극에서의 전극 활물질 이용율이 훨씬 높기 때문이다.
전술한 바와 같이 전지의 충전상태를 판단하기 위하여 등가회로 중 오믹저항이나 전하이동저항 및 커패시턴스 중 어느 하나의 파라미터와 충전상태의 대응관계를 이용하여 충전상태를 판단할 수 있다. 또는, 파라미터 결정단계에서 결정된 파라미터들 중 제1파라미터와 서로 다른 제2파라미터를 이용하여 전지의 충전상태를 판단, 즉 2이상의 파라미터를 이용하여 각각의 충전상태를 판단하고, 이를 이용하여 전지의 충전상태를 전체적으로 판단할 수 있다. 여러 파라미터를 이용하여 각각의 충전상태를 판단하고, 판단된 여러 충전상태값을 이용하여 다양하게 충전상태를 판단할 수 있다.
예를 들어, 전지의 전체적인 충전상태는 제1파라미터로부터의 충전상태 및 제2파라미터로부터의 충전상태의 평균값으로 나타낼 수 있다. 오믹저항 Rs로부터의 전지의 충전상태가 25%라고 판단되고, 전기이중층 커패시턴스 C1으로부터 전지의 충전상태가 29%라고 판단된 경우라면, 전지의 충전상태는 이들 충전상태의 평균값인 27%로 판단될 수 있다. 이러한 경우는 파라미터가 2이상인 경우, 각각의 파라미터에 따른 충전상태의 평균값으로 전지의 충전상태를 판단하여 개별 파라미터로부터 충전상태 판단시 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있다.
또한, 예를 들어 파라미터 개수가 4개이상이면, 오차를 줄이기 위하여 최소값 및 최대값을 제외한 나머지 파라미터에 따른 충전상태의 평균값을 취하여 전지의 충전상태를 평가할 수 있다. 이에 따라 파라미터의 개수가 증가하면 충전상태 판단시 발생할 수 있는 오차를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Rs 오믹저항
R1, R2 전하이동저항
C1, C2 커패시턴스
W1 Warburg 임피던스
L1 단자인덕터
R3 단자저항

Claims (10)

  1. 전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정단계;
    상기 임피던스 측정단계에서 측정된 임피던스를 기초로, 상기 전지의 등가회로를 구성하는 소자들의 파라미터들을 결정하는 파라미터 결정단계; 및
    상기 파라미터 결정단계에서 결정된 파라미터들 중 제1파라미터를 이용하여 상기 전지의 제1충전상태를 판단하는 제1충전상태 판단단계;를 포함하되,
    상기 등가회로는 상기 전지의 동작으로 인한 변화를 모델링한 소자 및 상기 전지에 마련된 단자의 전기적 성분을 모델링한 소자를 더 포함하며,
    상기 전지의 동작으로 인한 변화를 모델링한 소자는, 이온의 확산 및 전극의 다공도에 따른 Warburg 임피던스이고,
    상기 전지에 마련된 단자의 전기적 성분을 모델링한 소자는, 단자인덕터 및 단자저항인 것을 특징으로 하는 전지의 충전상태 판단방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1충전상태 판단단계는,
    상기 제1파라미터와 상기 전지의 제1충전상태의 대응관계를 참고하여, 상기 전지의 충전상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 전지의 충전상태 판단방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 등가회로는,
    저항성 소자, 제1용량성 소자, 및 제2용량성 소자를 포함하고,
    상기 제1파라미터는,
    저항성 소자, 제1용량성 소자 및 제2용량성 소자 중 어느 하나의 파라미터인 것을 특징으로 하는 전지의 충전상태 판단방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1용량성 소자는,
    제1저항 및 제1커패시터를 포함하고,
    상기 제1파라미터는,
    상기 제1저항 및 상기 제1커패시터 중 어느 하나에 대한 파라미터인 것을 특징으로 하는 전지의 충전상태 판단방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 파라미터 결정단계에서 결정된 파라미터들 중 제2파라미터를 이용하여 상기 전지의 제2충전상태를 판단하는 제2충전상태 판단단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 충전상태 판단방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2용량성 소자는,
    제2저항 및 제2커패시터를 포함하고,
    상기 제2파라미터는,
    상기 제2저항 및 상기 제2커패시터 중 어느 하나에 대한 파라미터인 것을 특징으로 하는 전지의 충전상태 판단방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1충전상태 및 상기 제2충전상태의 평균을 전지의 충전상태로 산출하는 것을 특징으로 하는 전지의 충전상태 판단방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지는 밀폐형 납축전지인 것을 특징으로 하는 전지의 충전상태 판단방법.
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