KR101167801B1 - 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법 및 리튬 이온 2차 전지 시스템 - Google Patents

리튬 이온 2차 전지의 제어 방법 및 리튬 이온 2차 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법에 관한 것으로, 상기 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법은, 방전 정극 전위 곡선(K1)의 플랫부(F1)의 정극 전위의 최대값을 B(V)라 하고 용해 부극 전위를 C(V)라 할 때, 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 (B - C)V 보다 높고 (B - C + 0.2)V 이하의 범위의 값으로 설정된 하한 전지 전압까지 저하되는 경우, 소정의 전기량으로 리튬 이온 2차 전지(100)를 충전하는 충전 스텝(S5 내지 S7)을 수행하는 단계를 포함한다. 내부 단락으로 인해 전지 수명이 단축되는 것을 방지하도록 리튬 이온 2차 전지(100)의 부극 집전 부재(158)의 용해를 억제할 수 있다.

Description

리튬 이온 2차 전지의 제어 방법 및 리튬 이온 2차 전지 시스템{CONTROL METHOD FOR LITHIUM ION SECONDARY BATTERY, AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY SYSTEM}
본 발명은 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법 및 리튬 이온 2차 전지 시스템에 관한 것이다.
최근, 정극 활물질로서, 조성식 LiFePO4 등으로 표현되는 올리빈(olivine) 구조의 리튬 천이 금속 복합 산화물을 사용하고, 부극 활물질로서 탄소계 재료를 사용하는 리튬 이온 2차 전지가 제안되어 있다. [일본 특허 출원 공개 제2003-36889호(JP-A-2003-36889) 및 일본 특허 출원 공개 제2006-12613호(JP-A-2006-12613)] LiFePO4 등으로 표현되는 올리빈 구조의 리튬 천이 금속 복합 산화물은 충방전 전위가 충방전 시에도 거의 일정하다. 상기 충방전 전위는 리튬 이온이 이탈 또는 흡장될 때에도 거의 변화하지 않는다. 이것은, 예를 들어, LiFePO4로 표현되는 올리빈 구조의 리튬 천이 금속 복합 산화물이, Li가 흡장 또는 이탈될 때, LiFePO4과 FePO4의 2상 공존 상태로 되기 때문이다.
2상 공존 사태에서 충방전을 행하는 LiFePO4과 같은 정극 활물질을 사용함으로써, 충전 상태의 변화에 수반하는 입력 밀도나 출력 밀도의 변화가 적고 안정적인 출력 특성을 갖는 리튬 이온 2차 전지를 구성할 수 있다. 최근, 이러한 리튬 이온 2차 전지를 하이브리드 자동차의 구동용 전원으로서 사용하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
또한, 상기 리튬 이온 2차 전지는 방전 말기에 부극 전위가 상승하는 특성을 갖고 있다. 일본 특허 출원 공개 제2003-36889호 및 일본 특허 출원 공개 제 2006-12613호에는 부극 집전 부재의 소재로서 구리를 사용하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 구리로 제조된 부극 집전 부재(동박 등)는 부극 전위가 약 1.2V 정도까지 상승하면 용해된다. 그 후, 용해된 구리의 석출에 의해, 정부극들 사이에서 단락(내부 단락)이 발생하여 수명을 단축시킬 수 있다. 이로 인해, 부극 전위가 부극 집전 부재가 용해되는 용해 전위까지 상승하지 않도록 제어할 필요가 있었다.
리튬 이온 2차 전지를 하이브리드 자동차의 전원으로서 사용했을 경우, 하이브리드 자동차가 정차 상태(주행하진 않지만 주행 가능하고, 엔진은 가동하지 않고 있는 상태)에서도, 예를 들어, 자동차에 탑재되어 있는 전자 기기(전지 컨트롤러, 에어 컨디셔너, 오디오 기기 등)에 의해 리튬 이온 2차 전지에 축전된 전력이 소비된다. 따라서, 부극 전위가 부극 집전 부재의 용해 전위에 가까운 값에 도달한 상태에서 하이브리드 자동차가 장시간 정차 상태인 경우, 축전량의 감소에 따라 부극 전위가 상승하여 부극 전위가 부극 집전 부재의 용해 전위에 도달할 가능성이 있다.
본 발명은 내부 단락에 의해 전지의 수명이 단축되는 것을 방지하기 위해 부극 집전 부재의 용해를 억제하는 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법 및 리튬 이온 2차 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 태양은, 2상 공존 상태에서 충방전을 행하는 정극 활물질을 갖는 정극과, 부극 활물질 및 부극 집전 부재를 갖는 부극을 구비하는 리튬 이온 2차 전지 제어 방법에 관한 것이다. 상기 리튬 이온 2차 전지는, 상기 부극 집전 부재가 용해하는 부극 전위를 용해 부극 전위라 하고 상기 부극 전위가 용해 부극 전위에 도달했을 때의 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압을 용해 전지 전압이라 할 때, 상기 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 용해 전지 전압으로 저하되도록 리튬 이온 2차 전지가 방전되었을 때의 정극 전위의 거동을 나타내는 방전 정극 전위 곡선에 위치하는 점들 중, 부극 전위가 용해 부극 전위일 때의 정극 전위를 나타내는 점을 용해 정극 대응점이라 하고 전지 전압이 상한 전지 전압일 때의 정극 전위를 나타내는 점을 상한 정극 대응점이라고 할 때, 상기 방전 정극 전위 곡선에서, 상기 상한 정극 대응점으로부터 용해 정극 대응점까지의 전기량 범위에서 용해 정극 대응점으로부터 상한 정극 대응점까지의 범위의 50% 이상에 걸쳐 정극 전위의 변동 폭이 0.1V 이내가 되는 플랫부가 나타나고, 상기 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상기 상한 전지 전압으로부터 용해 전지 전압으로 저하되도록 리튬 이온 2차 전지가 방전될 때, 부극 전위는 방전 말기에서 상기 용해 부극 전위에 도달함에 따라 상승한 뒤 용해 부극 전위에 이르는 특성을 갖습니다. 상기 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법은, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이, 상기 플랫부의 정극 전위의 최대값을 B(V)라 하고 상기 용해 부극 전위를 C(V)라 할 때 (B - C)V 보다 크고 (B - C + 0.2)V 이하의 범위의 값으로 설정된 하한 전지 전압까지 저하하는 경우, 리튬 이온 2차 전지를 소정의 전기량으로 충전하는 충전 스텝을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제1 태양에 따른 제어 방법에서, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이, 플랫부의 정극 전위의 최대값을 B(V)라 하고 용해 부극 전위를 C(V)라고 할 때 (B - C)V 보다 크고 (B - C + 0.2)V 이하의 범위의 값으로 설정된 하한 전지 전압까지 저하하는 경우, 리튬 이온 2차 전지는 소정의 전기량으로 강제 충전된다.
여기서, 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]에 도달했을 때의 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압(용해 전지 전압)은 이때의 정극 전위(A로 언급하는 용해 정극 전위)(V)로부터 용해 부극 전위[C(V)]를 차감하여 얻어진 값 (A - C)V 이다. 본 발명의 제1 태양에서, 제어되는 리튬 이온 2차 전지[부극의 용량이 저하하기 전(예를 들어, 초기 상태)]는 상한 정극 대응점으로부터 용해 정극 대응점까지의 전기량 범위 내에서 용해 정극 대응점으로부터 상한 정극 대응점까지의 범위의 50% 이상에 걸치는 플랫부가 방전 정극 전위 곡선에 나타나는 특성을 갖는다. 따라서, 용해 정극 전위 A(V)는 방전 정극 전위 곡선의 플랫부 상의 점(용해 정극 대응점)으로 나타낸 값이다. 플랫부의 정극 전위가 B - 0.1(V) 이상 B(V)이하의 범위 내의 값이기 때문에, 용해 전지 전압(A - C)은 (B - 0.1 - C)V 이상 (B - C)V 이하의 범위 내의 값이다.
따라서, 하한 전지 전압을 (B - C)V 보다 큰 값으로 설정하고, 전지 전압이 상기 하한 전지 전압까지 저하되었을 경우, 리튬 이온 2차 전지는 소정의 전기량으로 강제 충전된다. 이렇게 함으로써, 전지 전압이 용해 전지 전압까지 저하되는 것을 방지, 즉 부극 전위가 용해 부극 전위 C(V)까지 상승하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 내부 단락으로 인한 전지 수명의 단축을 방지하도록 부극 집전 부재의 용해를 억제할 수 있다.
또한, 본원 발명의 제1 태양에 따른 제어 방법에서, 하한 전지 전압은 (B - C + 0.2)V 이하의 값으로 설정된다. 따라서, 하한 전지 전압과 용해 전지 전압 사이의 차는 최대로 (B - C + 0.2) - (B - 0.1 - C) = 0.3V 이다. 즉, 하한 전지 전압은 용해 전지 전압에 매우 근접한 값으로 설정되고, 하한 전지 전압과 용해 전지 전압 사이의 차는 0.3V 이내이다. 이렇게 함으로써, 전지 전압이 용해 전지 전압에 근접한 값에 도달할 때까지 리튬 이온 2차 전지의 방전이 가능해지므로, 방전 용량이 증가될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 태양에서, 제어되는 리튬 이온 2차 전지의 용량은 사용에 따라 열화될 수 있다. 그러나, 이것은 주로 부극(부극 활물질)의 열화(용량 저하)에 기인한다. 2상 공존 상태에서 충방전을 행하는 정극 활물질(LiFePO4 등)은 열화(용량 저하)에 대해 큰 저항을 갖기 때문이다. 따라서, 사용에 따라 용량 저하가 진행될 때에도, 방전 정극 전위 곡선의 플랫부의 정극 전위는 대부분 변동하지 않는다. 또한, 용해 부극 전위는 부극 집전 부재를 구성하는 성분(금속)을 기초로 하여 결정되므로, 사용에 따라 용량 저하가 진행될 때에도 대부분 변동하지 않는다.
또한, 부극의 용량이 저하하는 전(초기 상태)의 리튬 이온 2차 전지에서, 방전 정극 전위 곡선은, 용해 정극 대응점으로부터 상한 정극 대응점까지의 전기량 범위에서 용해 정극 대응점으로부터 상한 정극 대응점까지의 범위의 50% 이상에 걸친 플랫부를 갖는다. 따라서, 사용에 따라 용량의 저하가 진행될 때에도(적어도 용량이 절반으로 감소될 때까지), 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달할 때의 정극 전위는 플랫부의 정극 전위의 최대값(B) 이하이고, 전지 전압은 (B - C)V 이하이다.
상기 전지 특성을 고려할 때, 상술한 바와 같이 본 발명의 제1 태양에서, 하한 전지 전압은 (B - C)V 보다 높은 값으로 설정되고, 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하될 때, 리튬 이온 2차 전지는 소정의 전기량으로 강제 충전된다. 이렇게 함으로써, 전지(부극)의 용량 저하가 진행될 때에도(적어도 용량이 절반으로 감소될 때까지), 전지 전압이 용해 전지 전압까지 저하하는 것을 방지, 즉 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]까지 상승하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 전지(부극)의 용량 저하가 진행될 때에도, 부극 집전 부재의 용해가 억제되어, 내부 단락에 의해 전지의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
본 명세서에서, 정극 전위 및 부극 전위는 리튬 이온에 대한 전위(vs. Li/Li+)을 말한다는 점을 알아야 한다. 또한, 제어되는 리튬 이온 2차 전지의 부극 활물질은 예를 들어, 탄소계 재료일 수 있다. 탄소계 재료로는 천연 흑연계 재료, 인조 흑연계 재료[메소카본 미크로비즈(mesocarbon microbead) 등], 난흑연화 탄소계 재료 등일 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 태양에서, 리튬 이온 2차 전지는 하이브리드 자동차에 탑재될 수 있고, 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법은 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때 충전 스텝을 수행할 수 있다.
종래에서, 전지 전압이 용해 전지 전압에 가까운 값에 도달할 때까지 방전 가능하도록 구성되는 경우, 상술한 바와 같이, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때 전지 전압이 용해 전지 전압에 도달(즉, 부극 전위가 용해 부극 전위에 도달)하여 부극 집전 부재의 용해가 진행할 가능성이 있다.
여기서, 하이브리드 자동차가 정차 상태라는 것은, 하이브리드 자동차가 주행하지는 않지만 주행 가능하고, 엔진은 가동하지 않은 상태를 의미한다. 하이브리드 자동차가 주행 가능한 상태는 리튬 이온 2차 전지로부터 하이브리드 자동차의 구동용 모터에 전력을 공급할 수 있고 가속 페달을 밟으면 주행할 수 있는 상태를 의미한다. 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때, 리튬 이온 2차 전지에 저장된 전력은 자동차에 탑재된 전자 기기(전지 컨트롤러, 에어 컨디셔닝, 오디오 기기 등)에 의해 소비된다.(즉, 리튬 이온 2차 전지가 방전하고 있다).
이와 달리, 본 발명의 제1 태양에 따른 제어 방법에서, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되는 경우, 리튬 이온 2차 전지는 소정의 전기량으로 강제 충전된다. 이렇게 함으로써, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때에도, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 용해 전지 전압에 도달되는 것이 방지(즉, 부극 전위가 용해 부극 전위에 도달하는 것이 방지)될 수 있어 부극 집전 부재의 용해를 억제할 수 있다. 따라서, 내부 단락에 의해 전지의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 가동 중의 전자 기기를 계속해서 가동시킬 수 있다.
충전 스텝에서 리튬 이온 2차 전지를 충전하는 방법은 예를 들어, 엔진의 가동에 의한 발전을 통해 충전하는 방법 또는 차량에 탑재된 보조 전지로부터 리튬 이온 2차 전지로 전력을 공급하는 방법일 수 있다.
또한, 상기 충전 스텝에서, 소정의 전기량은, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압까지 저하될 때 리튬 이온 2차 전지로부터 방전되는 전기량의 5% 이상에 상당할 수 있다.
충전 스텝에서 리튬 이온 2차 전지를 충전하는 전기량이 소량일 경우, 전지 전압은 단시간에 하한 전지 전압까지 다시 저하된다. 하한 전지 전압이 부극 집전 부재가 용해하는 용해 전지 전압에 매우 가까운 값이므로, 전지 전압은 하한 전지 전압에 도달하지 않도록 설정될 수 있다.
이후, 충전 스텝에서, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압까지 저하될 때, 리튬 이온 2차 전지로부터 방전되는 전기량의 5% 이상에 상당하는 전기량을 충전함으로써, 전지 전압을 하한 전지 전압으로부터 멀리 유지할 수 있다. 이렇게 함으로써, 부극 전위를 용해 부극 전위(C)로부터 멀리 유지할 수 있다. 따라서, 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달할 가능성을 감소시킬 수 있다.
또한, 충전 스텝에서, 소정의 전기량은 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압까지 저하될 때 리튬 이온 2차 전지로부터 방전되는 전기량의 5% 이상 10% 이하에 상당하는 전기량일 수 있다.
전지를 충전하는 전기량이 충전 스텝에서 증가될 때, 부극 전위는 용해 부극 전위(C)에 도달할 가능성은 저하될 수 있다. 그러나, 과잉 충전은 에너지 효율을 저하시킨다.(예를 들어, 전지 충전을 위한 발전을 위해 엔진이 가동될 때 연료는 쓸데없이 소비된다.) 전치를 충전하는 전기량은, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압까지 저하될 때 리튬 이온 2차 전지로부터 방전되는 전기량의 5% 이상 10% 이하에 상당하는 전기량으로 설정된다. 따라서, 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달할 가능성을 감소시키면서 에너지 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 상기 설명한 임의의 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법은, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압을 검출하는 전압 검출 스텝을 수행하는 단계와, 전압 검출 스텝에서 검출된 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었는지를 판정하는 하한 판정 스텝을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 하한 판정 스텝에서 전지 전압이 하한 전지 전압에까지 저하되었음을 판정한 경우 상기 충전 스텝이 수행될 수 있다.
본 발명의 제1 태양에 따른 제어 방법에서, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때에 검출된 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었다고 판정된 경우, 충전 스텝이 수행된다. 전지 전압은 하이브리드 자동차가 주행 상태일때 보다 정차 상태일 때 안정적이다. 따라서, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때에 검출된 전지 전압에 기초하여 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었는지를 판정함으로써 판정 정밀도를 높일 수 있다. 본 발명의 제1 태양에 따른 제어 방법에서, 상기 정확한 판정 결과에 기초하여 충전 스텝이 수행되므로, 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]까지 상승하는 것을 더욱 적절하게 방지할 수 있다.
또한, 상기 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법은, 충전 스텝이 수행된 이후의 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 하한 전지 전압보다 크지 않을 때, 리튬 이온 2차 전지가 이상하다고 판정하기 위한 이상 판정 스텝을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
리튬 이온 2차 전지가 정상(사용 가능 상태)이면, 충전 스텝이 수행된 이후의 전지 전압은 하한 전지 전압보다 커야 한다. 따라서, 본 발명의 제1 태양에 따른 제어 방법에서, 리튬 이온 2차 전지에서의 이상(예를 들어, 내부 단락)이 발생한 경우, 적절하게 이상을 판정할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 태양에서, 정극 활물질은, LiM1(1-X)M2XPO4[여기서, M1은 Fe 또는 Mn 중 임의의 하나이며, M2는 Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, B, Nb 중 적어도 임의의 하나이고,(M1이 Mn일 때 Mn은 제외), 0≤ X ≤ 0.1]로 표현되는 화합물일 수 있다.
상기 조성식으로 표현되는 화합물이 정극 활물질로서 사용되는 경우, 플랫부는 방전 정극 전위 곡선에서 넓은 전기량 범위에 걸쳐 나타난다. 또한, 이 화합물은 열화에 대해 매우 높은 저항성을 갖는다. 따라서, 부극 활물질이 크게 열화될 때에도, 방전 정극 전위 곡선의 변동이 매우 적다. 따라서, 사용에 따라 용량 저하가 진행될 때에도, 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달했을 때의 정극 전위는 플랫부의 정극 전위의 최대값(B) 이하이고, 전지 전압은 (B - C)V 이하이다.
따라서, 본 발명의 제1 태양에 따른 제어 방법에서, 전지(부극) 용량의 저하가 진행될 때에도, 전지 전압이 용해 전지 전압에까지 저하하는 것을 적절히 방지, 즉, 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]까지 상승하는 것을 적절하게 방지할 수 있다. 따라서, 부극 집전 부재의 용해를 방지하여, 내부 단락에 의해 전지의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 태양에서, 정극 활물질은 LiFePO4이고, 부극 집전 부재는 구리로 이루어지고, 하한 전지 전압은 2.2V 보다 크게 2.4V 이하의 범위의 값으로 설정될 수 있다.
LiFePO4가 정극 활물질로서 사용될 경우, 플랫부의 정극 전위의 최대값(B)은 약 3.4V 이다. 구리제의 부극 집전 부재가 사용된 경우, 용해 부극 전위(C; 부극 집전 부재가 용해하는 부극 전위)는 약 1.2V 이다. 따라서, 용해 전지 전압[부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달했을 때의 전지 전압]은 약 2.2V (= 3.4 - 1.2)이다.
따라서, 하한 전지 전압이 2.2V 보다 크고 2.4V 이하의 범위의 값으로 설정되는 방식으로 제어를 수행함으로써, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때에도 부극 전위가 1.2V[용해 부극 전위(C)]까지 상승하는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 제2 태양은 리튬 이온 2차 전지 시스템에 관한 것이다. 리튬 이온 2차 전지 시스템은 2상 공존 상태에서 충방전을 행하는 정극 활물질을 갖는 정극과, 부극 활물질 및 부극 집전 부재를 갖는 부극을 구비하는 리튬 이온 2차 전지와, 리튬 이온 2차 전지의 충방전을 제어하는 제어 수단을 포함한다. 상기 리튬 이온 2차 전지는, 부극 집전 부재가 용해하는 부극 전위를 용해 부극 전위라 하고 부극 전위가 용해 부극 전위에 도달했을 때의 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압을 용해 전지 전압이라 할 때, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 용해 전지 전압으로 저하되도록 리튬 이온 2차 전지를 방전했을 때의 정극 전위의 거동을 나타내는 방전 정극 전위 곡선에 위치하는 점들 중, 부극 전위가 용해 부극 전위일 때의 정극 전위를 나타내는 점을 용해 정극 대응점이라 하고 전지 전압이 상한 전지 전압일 때의 정극 전위를 나타내는 점을 상한 정극 대응점이라 할 때, 방전 정극 전위 곡선은, 상한 정극 대응점으로부터 용해 정극 대응점까지의 전기량 범위에서 용해 정극 대응점으로부터 상한 정극 대응점까지의 범위의 50% 이상에 걸쳐 정극 전위의 변동 폭이 0.1V 이내가 되는 플랫부를 갖고, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 용해 전지 전압으로 저하되도록 리튬 이온 2차 전지가 방전될 때, 부극 전위는 방전 말기에서 용해 부극 전위에 도달함에 따라 상승한 뒤 용해 부극 전위에 이르는 것을 특징으로 한다. 상기 제어 수단은, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이, 플랫부의 정극 전위의 최대값을 B(V)라 하고 용해 부극 전위를 C(V)라고 할 때, (B - C)V 보다 크고 (B - C + 0.2)V 이하의 범위의 값으로 설정된 하한 전지 전압까지 저하했을 경우, 리튬 이온 2차 전지를 소정의 전기량으로 충전하기 위한 제어를 수행한다.
본 발명의 2차 태양에 따른 리튬 이온 2차 전지 시스템에서, 리튬 이온 2차 전지는, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이, 플랫부의 정극 전위의 최대값을 B(V)라 하고 용해 부극 전위를 C(V)라 할 때 (B - C)V 보다 크고 (B - C + 0.2)V 이하의 범위의 값으로 설정된 하한 전지 전압까지 저하되었을 때, 소정의 전기량으로 강제 충전된다.
상술한 바와 같이, 하한 전지 전압은 (B - C)V 보다 큰 값으로 설정되고, 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었을 경우, 리튬 이온 2차 전지는 소정의 전기량으로 강제 충전된다. 이렇게 함으로써, 전지 전압이 용해 전지 전압까지 저하하는 것을 방지, 즉 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]까지 상승하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 부극 집전 부재의 용해를 억제하여, 내부 단락에 의해 전지의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 하한 전지 전압은 (B - C + 0.2)V 이하의 값, 즉 용해 전지 전압에 매우 가까운 값으로 설정된다. 이렇게 함으로써, 전지 전압이 용해 전지 전압에 가까운 값에 도달할 때까지 리튬 이온 2차 전지의 방전이 가능해지므로, 방전 용량이 커질 수 있다.
또한, 하한 전지 전압을 (B - C)V 보다 큰 값으로 설정함으로써, 전술한 바와 같이, 전지(부극)의 용량 저하가 진행될 때에도(적어도 용량이 절반으로 저하될 때까지), 전지 전압이 용해 전지 전압까지 저하하는 것을 방지, 즉, 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]까지 상승하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 전지(부극)의 용량 저하가 진행될 때에도, 부극 집전 부재의 용해를 억제하여, 내부 단락으로 인한 전지의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 리튬 이온 2차 전지의 부극 활물질은, 예를 들어, 탄소계 재료일 수 있다. 탄소계 재료는 천연 흑연계 재료, 인조 흑연계 재료(메소카본 미크로비즈 등), 난흑연화 탄소계 재료 등일 수 있다.
또한, 상기 리튬 이온 2차 전지 시스템에서, 리튬 이온 2차 전지 시스템은 하이브리드 자동차에 탑재될 수 있고, 제어 수단은 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때 리튬 이온 2차 전지를 소정의 전기량으로 충전하기 위한 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 제2 태양에 따른 리튬 이온 2차 전지 시스템에서, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었을 때, 리튬 이온 2차 전지는 소정의 전기량으로 강제 충전된다. 이렇게 함으로써, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때에도, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 하한 전지 전압에 도달하는 것이 방지(즉, 부극 전위가 용해 부극 전위에 도달하는 것이 방지)될 수 있고, 이로써 부극 집전 부재의 용해를 억제할 수 있다. 따라서, 내부 단락으로 인한 전지 수명의 단축이 방지될 수 있다. 또한, 가동 중의 전자 기기를 계속해서 가동시킬 수 있다.
또한, 상기 리튬 이온 2차 전지 시스템에서, 상기 소정의 전기량은, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압까지 저하될 때 리튬 이온 2차 전지로부터 방전되는 전기량의 5% 이상에 상당할 수 있다.
리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압까지 감소될 때, 리튬 이온 2차 전지로부터 방전되는 전기량의 5% 이상에 상당하는 전기량을 충전함으로써, 전지 전압을 하한 전지 전압으로부터 멀리 유지할 수 있다. 이렇게 함으로써, 부극 전위를 용해 부극 전위(C)로부터 멀리 유지할 수 있다. 따라서, 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달할 가능성을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 리튬 이온 2차 전지 시스템에서, 소정의 전기량은, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압까지 감소할 때 리튬 이온 2차 전지로부터 방전되는 전기량의 5% 이상 10% 이하에 상당할 수 있다.
전지를 충전하는 전기량은, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압까지 저하될 때 리튬 이온 2차 전지로부터 방전되는 전기량의 5% 이상 10% 이하에 상당하는 전기량으로 설정된다. 따라서, 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달할 가능성을 저하시키면서 에너지 효율의 감소를 억제할 수 있다.
또한, 상기 임의의 리튬 이온 2차 전지 시스템은, 하이브리드 자동차가 정차 상태인지를 판정하는 정차 판정 수단과, 하이브리드 자동차가 정차 상태라고 판정한 경우 하이브리드 자동차의 정차 중에 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압 검출을 지시하는 전압 검출 지시 수단과, 상기 지시에 의해 검출된 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었는지를 판정하는 하한 판정 수단을 포함하고, 상기 검출된 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었다고 하한 판정 수단이 판정한 경우, 제어 수단은 리튬 이온 2차 전지를 소정의 전기량으로 충전하는 제어를 행할 수 있다.
본 발명의 제2 태양에 따른 리튬 이온 2차 전지 시스템에서, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때 검출된 전지 전압에 기초하여 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었는지를 판정한다. 이렇게 함으로써, 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었는지에 대한 판정의 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 이러한 정밀도의 좋은 판정 결과에 기초하여 리튬 이온 2차 전지가 충전되므로, 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]까지 상승하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 임의의 리튬 이온 2차 전지 시스템은, 소정의 전기량으로 충전된 후 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 하한 전지 전압보다 큰지 않은 경우, 리튬 이온 2차 전지가 이상하다고 판정하는 이상 판정 수단을 포함할 수 있다.
리튬 이온 2차 전지가 정상(사용 가능 상태)이면, 소정의 전기량으로 충전된 후 전지 전압은 하한 전지 전압보다 커야 한다. 따라서, 본 발명의 제2 태양에 따른 리튬 이온 2차 전지 시스템에서, 리튬 이온 2차 전지에 이상 (예를 들어, 내부 단락)이 있는 경우, 이상을 판정할 수 있다.
또한, 상기 임의의 리튬 이온 2차 전지 시스템에서, 정극 활물질은 LiM1(1-X)M2XPO4[여기서, M1은 Fe 또는 Mn 중 임의의 하나이고, M2은 Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, B 또는 Nb 중 적어도 임의의 하나(단, M1이 Mn인 경우 Mn은 제외)이며, 0 ≤ X ≤ 0.1]로 표현되는 화합물일 수 있다.
본 발명의 제2 태양에 따른 리튬 이온 2차 전지 시스템에서는, 상기 정극 활물질이 사용되기 때문에, 전술한 바와 같이, 전지(부극)의 용량 저하가 진행될 때에도, 전지 전압이 용해 전지 전압까지 저하하는 것을 방지, 즉, 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]까지 상승하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 전지(부극)의 용량 저하가 진행된 경우에도, 부극 집전 부재의 용해를 억제하여, 내부 단락으로 인한 전지 수명의 단축을 방지할 수 있다.
또한, 리튬 이온 2차 전지 시스템에서, 정극 활물질은 LiFePO4일 수 있고, 부극 집전 부재는 구리로 제조될 수 있고, 하한 전지 전압은 2.2V 보다 크고 2.4V 이하의 범위의 값으로 설정될 수 있다.
정극 활물질로서 LiFePO4가 사용된 경우, 플랫부의 정극 전위의 최대값(B)은 약 3.4V 이다. 구리로 제조된 부극 집전 부재가 사용된 경우, 용해 부극 전위(C; 부극 집전 부재가 용해하는 부극 전위)는 약 1.2V 이다. 따라서, 용해 전지 전압[부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달할 때의 전지 전압)은 약 2.2V (= 3.4 - 1.2)이다. 따라서, 하한 전지 전압을 2.2V 보다 크게 2.4V 이하의 값(예를 들어, 2.3V)으로 설정함으로써, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때에도, 부극 전위가 1.2V[용해 부극 전위(C)]까지 상승하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 특징, 이점 및 기술·산업상 중요성은, 유사한 부분을 유사한 도면 부호로 도시한 첨부 도면을 참조하여 이루어진 이하의 본 발명의 실시예의 상세한 설명에서 설명한다.
도 1은 하이브리드 자동차의 개략도이다.
도 2는 리튬 이온 2차 전지 시스템의 개략도이다.
도 3은 리튬 이온 2차 전지의 단면도이다.
도 4는 전극체의 단면도이다.
도 5는 전극체의 부분 확대 단면도이며, 도 4에서 B로 나타낸 부분의 확대도이다.
도 6은 리튬 이온 2차 전지(용량 열화 전)의 방전 특성도이다.
도 7은 리튬 이온 2차 전지(용량 열화 후)의 방전 특성도이다.
도 8은 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법의 흐름을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참고하여 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드 자동차(1)는 차체(2), 엔진(3), 프론트 모터(4), 리어 모터(5), 리튬 이온 2차 전지 시스템(6), 케이블(7) 및 발전기(9)를 포함한다. 하이브리드 자동차(1)는 엔진(3), 프론트 모터(4) 및 리어 모터(5)에 의해 구동된다. 구체적으로, 하이브리드 자동차(1)는 리튬 이온 2차 전지 시스템(6)을 프론트 모터(4) 및 리어 모터(5)의 구동용 전원으로서 사용하고, 엔진(3), 프론트 모터(4) 및 리어 모터(5)를 사용하여 주행할 수 있다.
리튬 이온 2차 전지 시스템(6)은 하이브리드 자동차(1)의 차체(2)에 조립되고, 케이블(7)에 의해 프론트 모터(4) 및 리어 모터(5)에 접속된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 2차 전지 시스템(6)은 조전지(10), 전압 검지 수단(40), 전류 검지 수단(50), 온도 검지 수단(70) 및 전지 컨트롤러(30)를 구비한다. 조전지(10)는 복수의 리튬 이온 2차 전지(100, 단전지)가 서로 직렬로 전기 접속된 것이다.
전압 검지 수단(40)은 조전지(10)를 구성하는 각각의 2차 전지(100)의 전지 전압(단자들 사이의 전압)을 검지한다. 전류 검지 수단(50)은 조전지(10)의 2차 전지(100)를 흐르는 전류를 검지한다. 온도 검지 수단(70)은 조전지(10)의 2차 전지(100)들 각각의 온도와, 조전지(10) 주위의 환경 온도를 검지한다.
전지 컨트롤러(30)는 ROM(31), CPU(32) 및 RAM(33) 등을 갖는다. 전지 컨트롤러(30)는, 하이브리드 자동차(1)가 주행 상태일 때, 전압 검지 수단(40)에 의해 검지된 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압에 기초하여 리튬 이온 2차 전지(100)의 충방전을 제어한다. 구체적으로, 전지 컨트롤러(30)는 방전 하한 전지 전압(본 실시 형태에서는 2.3V) 및 상한 전지 전압(본 실시 형태에서는 4.0V)을 ROM(31)에 미리 기억시켜 두고, 하이브리드 자동차(1)의 주행 시, 조전지(10)의 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 상한 전지 전압과 하한 전지 전압 사이의 범위를 벗어나지 않도록, 리튬 이온 2차 전지(100)의 충방전을 제어한다.
또한, 전지 컨트롤러(30)는 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태인지를 판정한다. 구체적으로, 전지 컨트롤러(30)는, 하이브리드 자동차(1)의 제어를 담당하는 컨트롤 유닛(60)으로부터 송신되는 신호에 기초하여, 하이브리드 자동차(1)가 주행 정지 상태이지만 주행 가능하고 엔진이 가동하지 않는(정지) 상태인지를 판정한다. 리튬 이온 2차 전지 시스템(6)이 기동되고, 시프트 포지션이 "N 포지션" 또는 "P 포지션"일 때, 컨트롤 유닛(60)은 하이브리드 자동차(1)가 주행 정지 상태라고 판정하고, 주행 정지 상태 신호를 전지 컨트롤러(30)에 송신한다.
또한, 시스템 메인 릴레이(SMR)가 온(접속 상태)일 때, 컨트롤 유닛(60)은 하이브리드 자동차(1)가 주행 상태인지를 판정하여, 전지 컨트롤러(30)에 송신한다. SMR 스위치는 조전지(10)로부터 자동차의 다양한 유닛[프론트 모터(4), 리어 모터(5) 등]으로의 전력 공급 및 차단을 전환한다. 또한, 엔진 회전수가 거의 0인 경우 컨트롤 유닛(60)은 엔진(3)이 가동하지 않고 있다고 판정하고, 엔진(3)이 정지 상태라는 취지의 엔진 정지 상태 신호를 전지 컨트롤러(30)에 송신한다. 따라서, 전지 컨트롤러(30)는 주행 정지 상태 신호, 주행 가능 상태 신호 및 엔진 정지 상태 신호를 검지했을 경우에, 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태라고 판정한다.
또한, 본 실시 형태의 전지 컨트롤러(30)는 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태라고 판정한 경우, 전압 검지 수단(40)을 사용하여 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압을 검지하고, 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 하한 전지 전압(본 실시 형태에서는 2.3V)에 도달하지 않았는지를 판정한다. 구체적으로, 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태라고 판정한 경우, 전지 컨트롤러(30)는 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태일 때 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압을 검출할 것을 전압 검지 수단(40)에 지시한다. 그 후, 전지 컨트롤러(30)는 전압 검지 수단(40)에 의해 검출된 임의의 전지 전압이 하한 전지 전압에 도달했는지를 판정한다.
또한, 전지 전압은 하이브리드 자동차(1)가 주행 상태일 때보다 정차 상태일 때 안정적이다. 본 실시 형태에서, 상술한 바와 같이, 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태일 때 검출한 전지 전압에 기초하여 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었는지를 판정하므로, 판정 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 전지 컨트롤러(30)는 전압 검지 수단(40)에 의해 검출된 임의의 전지 전압이 하한 전지 전압에 도달하였다고 판정한 경우, 엔진(3)의 시동을 지시한다. 이렇게 함으로써, 엔진(3)은 가동 상태(아이들링 상태)가 되고, 이에 따라 발전기(9)가 구동된다. 발전기(9)에 의해 발전된 전력을 조전지(10)의 리튬 이온 2차 전지(100)에 공급함으로써, 리튬 이온 2차 전지(100)를 소정의 전기량으로 충전할 수 있다.
또한, 전지 컨트롤러(30)는 리튬 이온 2차 전지(100)를 소정의 전기량으로 충전한 뒤, 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압을 검출할 것을 전압 검지 수단(40)에 지시한다. 또한, 전지 컨트롤러(30)는 전압 검지 수단(40)에 의해 검출된 모든 전지 전압이 하한 전지 전압보다 큰지를 판정한다. 전지 전압이 하한 전지 전압보다도 큰 임의의 리튬 이온 2차 전지(100)가 있을 경우, 전지 컨트롤러(30)는 그 리튬 이온 2차 전지(100)가 이상하다고 판정한다. 이것은, 리튬 이온 2차 전지(100)가 정상(사용 가능 상태)이면, 충전을 행한 후의 전지 전압은 하한 전지 전압보다 커야하기 때문이다.(도 6 참조). 따라서, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지 시스템(6)에서, 리튬 이온 2차 전지(100) 중 임의의 것에 이상(예를 들어, 내부 단락)이 있는 경우, 적절하게 이상을 판정할 수 있다.
본 실시 형태에서, 전지 컨트롤러(30)는 제어 수단, 정차 판정 수단, 전압 검출 지시 수단, 하한 판정 수단 및 이상 판정 수단에 상당한다.
이후, 리튬 이온 2차 전지(100)에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 2차 전지(100)는 직사각형 밀폐식 리튬 이온 2차 전지이고, 직육면체형 전지 케이스(110), 정극 단자(120) 및 부극 단자(130)를 구비한다. 전지 케이스(110)는 금속으로 이루어진다. 전지 케이스(110)는 직사각형 수용부(111) 및 금속 덮개부(112)를 갖는다. 직사각형 수용부(111)는 직육면체 형상의 수용 공간을 형성한다. 전지 케이스(110)[직사각형 수용부(111)]는 전극체(150), 정극 집전 부재(122), 부극 집전 부재(132) 등을 수용한다.
전극체(150)는 긴 원의 단면 형상을 갖는다. 전극체(150)는 함께 권회된 시트 형상의 정극(155), 부극(156) 및 세퍼레이터(157)로 형성된 편평형 권회체이다.(도 4 및 도 5 참조). 정극(155)은 정극 집전 부재(151) 및 정극 합재(152)를 갖는다. 정극 집전 부재(151)는 알루미늄박으로 이루어진다. 정극 합재(152)는 정극 집전 부재(151)의 표면에 도포된다. 부극(156)은 부극 집전 부재(158) 및 부극 합재(159)를 갖는다. 부극 집전 부재(158)는 동박으로 이루어진다. 부극 합재(159)는 부극 집전 부재(158)의 표면에 도포된다.
전극체(150)는 정극 권회부(155b) 및 부극 권회부(156b)를 갖는다. 정극 권회부(155b)는 축선 방향(도 3에서 횡방향)의 한쪽 단부(도 3에서 우측 단부)에 위치된다. 정극 집전 부재(151)의 일부만이 정극 권회부(155b)에 나선형으로 중첩된다. 부극 권회부(156b)는 축선 방향의 타단부(도 3에서 좌측 단부)에 위치된다. 부극 집전 부재(158)의 일부만이 부극 권회부(156b)에 나선형으로 중첩된다.
정극 활물질(153)을 구비한 정극 합재(152)는 정극 권회부(155b)를 제외한 정극(155)의 일부에 위치된다.(도 5 참조). 또한, 부극 활물질(154)을 구비하는 부극 합재(159)는 부극 권회부(156b)를 제외한 부극(156)의 일부에 도포된다.(도 5 참조). 정극 권회부(155b)는 정극 집전 부재(122)를 통해 정극 단자(120)에 전기 접속된다. 부극 권회부(156b)는 부극 집전 부재(132)를 통해 부극 단자(130)에 전기 접속된다.
본 실시 형태에서, LiFePO4로 표현되는 화합물이 정극 활물질(153)로서 사용된다. LiFePO4로 표현되는 화합물은 2상 공존 상태에서 충방전을 행하는 활물질이며, 결정 구조가 다른 2 타입의 결정이 공존하는 상태에서 충방전의 반응이 발생한다. 또한, 천연 흑연계 탄소 재료가 부극 활물질(154)로서 사용된다. 상세하게, 천연 흑연계 재료는 20㎛의 평균 입자 직경, 0.67㎚의 격자 정수(C0), 27㎚의 결정자 크기(Lc) 및 0.9 이상의 흑연화도를 갖는다.
또한, 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌 3층 구조 복합체 다공질 시트가 세퍼레이터(157)로서 사용된다. 6불화 인산 리튬(LiPF6)은 비수전해액으로서 에틸렌 카보네이트(EC)과 디에틸 카보네이트(DEC)를 4:6의 비(체적비)로 혼합한 용액에 1 몰/리터의 비율로 용해된다.
리튬 이온 2차 전지(100)와 관련하여, 방전 정극 전위 곡선(K1) 및 방전 부극 전위 곡선(K2)는 공지된 방법으로 취득된다. 방전 정극 전위 곡선(K1)은 방전 중의 정극 전위의 거동을 나타낸다. 방전 부극 전위 곡선(K2)은 방전 중의 부극 전위의 거동을 나타낸다. 구체적으로는, 우선, 전지 전압이 상한 전지 전압(4.0V)에 이를 때까지 정전류 충전이 1/5C의 전류에서 행해진다. 이후, 전지 전압을 상한 전지 전압으로 유지하면서 정전압 충전이 행해진다. 이후, 정전압 충전이 개시되었을 때 전류가 전류의 1/10 까지 저하하면, 충전이 종료된다.
계속해서, 막대형 금속 리튬으로 이루어지는 참조극(reference electrode)이 리튬 이온 2차 전지(100)의 내부에 삽입된 뒤, 2차 전지(100)는 1/5C의 정전류로 방전된다. 이때, 정극 전위(vs. Li/Li+) 및 부극 전위(vs. Li/Li+)가 소정 시간마다 측정된 뒤, 측정 결과에 기초하여, 방전 정극 전위 곡선(K1) 및 방전 부극 전위 곡선(K2)이 작성된다. 얻어진 방전 정극 전위 곡선(K1) 및 방전 부극 전위 곡선(K2)을 도 6에 도시한다. 도 6에서는, 방전 정극 전위 곡선(K1)을 실선으로 도시하고, 방전 부극 전위 곡선(K2)을 파선으로 도시하였다는 점을 알아야 한다.
1C는, 리튬 이온 2차 전지(100)의 정극 활물질 (153, LiFePO4)이 이론적으로 최대한 축적할 수 있는 이론 전기 용량[리튬 이온 2차 전지(100)는 정극 규제이므로, 이것은 전지 이론 용량에 상응한다)을 1시간 동안 충전(또는 방전)할 수 있는 전류를 나타낸다는 점을 알아야 한다.
또한, 정극 전위(vs. Li/Li+)으로부터 부극 전위(vs. Li/Li+)을 차감해서 얻어진 값을 전지 전압으로서 취득하고, 이러한 전지 전압에 기초하여 방전 전지 전압 곡선(K3)이 작성된다. 방전 전지 전압 곡선(K3)은 방전 중의 전지 전압의 거동을 나타낸다. 방전 전지 전압 곡선(K3)은 도 6에서 1점 쇄선으로 나타낸다. 도 6에서, 전지 전압이 상한 전지 전압(4.0V)일 때, 방전 심도는 0%이고, 전지 전압이 하한 전지 전압(2.3V)에 도달했을 때, 방전 심도는 100%이라는 점을 알아야 한다.
또한, 본 실시 형태에 따른 리튬 이온 2차 전지(100)에서, 동박이 부극 집전 부재(158)로서 사용된다. 따라서, 부극의 전위가 약 1.2V 로 상승하면, 부극 집전 부재(158)를 구성하는 구리가 용해한다. 그 후, 용해한 구리의 석출이 정부극들 사이에서의 단락(내부 단락)을 발생시킨다. 이러한 점은 수명을 단축시킬 수 있다. 여기서, 부극 집전 부재(158)가 용해하는 부극 전위를 용해 부극 전위(본 실시 형태에서는 1.2V)라고 한다. 또한, 부극 전위가 용해 부극 전위에 도달했을 때의 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압을 용해 전지 전압(본 실시 형태에서는 2.1V)이라고 한다.
도 6에서, 방전 정극 전위 곡선(K1) 상에 위치된 점들 중, 용해 정극 대응점(P1)은 부극 전위가 용해 부극 전위(1.2V)일 때의 정극 전위를 나타내고, 상한 정극 대응점(P2)은 전지 전압이 상한 전지 전압(본 실시 형태에서는 4.0V)일 때의 정극 전위를 나타낸다. 이때, 도 6에 도시한 바와 같이, 방전 정극 전위 곡선(K1)은, 상한 정극 대응점(P2)로부터 용해 정극 대응점(P1)까지의 전기량 범위(E1)에서, 용해 정극 대응점(P1)으로부터 상한 정극 대응점(P2)까지의 범위의 50% 이상 (본 실시 형태에서는 약 95%)에 걸쳐, 정극 전위의 변동 폭이 0.1V 이내(본 실시 형태에서는 정극 전위가 3.3V 내지 3.4V의 범위)인 플랫부(F1)를 갖는다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 용해 전지 전압으로 저하하도록 리튬 이온 2차 전지(100)가 방전되는 경우, 부극 전위는 방전 말기에서 전지 전압이 용해 부극 전위에 도달함에 따라 상승한 뒤 용해 부극 전위에 이른다. 구체적으로, 방전 부극 전위 곡선(K2) 상에 위치된 점들 중, 용해 부극 대응점(P3)은 용해 부극 전위(1.2V)를 나타내고, 상한 부극 대응점(P4)은 전지 전압이 상한 전지 전압(본 실시 형태에서는 4.0V)일 때의 부극 전위를 나타낸다. 이때, 도 6에 도시한 바와 같이, 방전 부극 전위 곡선(K2)은 상한 부극 대응점(P4)으로부터 용해 부극 대응점(P3)까지의 전기량 범위(E2)에서, 상한 부극 대응점(P4)으로부터 용해 부극 대응점(P3)까지의 범위의 약 85% 이상[플랫부(F2)로서 언급됨]의 부극 전위가 0.2V 만 상승한다.(본 실시 형태에서, 부극 전위는 0.1V 로부터 0.3V 까지 상승) 그러나, 플랫부(F2)를 초과한 방전 말기에서, 부극 전위는 용해 부극 전위(1.2V)에 도달함에 따라 크게 상승하여, 부극 전위는 용해 부극 전위(1.2V)에 도달한다.
여기서, 플랫부(F1)의 정극 전위의 최대값이 B(본 실시 형태에서는 3.4V)이고, 용해 부극 전위가 C(본 실시 형태에서는 1.2V)일 경우, 본 실시 형태에서 하한 전지 전압은 (B - C)V 보다 크고 (B - C + 0.2)V 이하의 범위로 설정된다. 구체적으로, 본 실시 형태에서 B는 3.4이고, C는 1.2이고, 하한 전지 전압은 2.3V 로 설정되어, 하한 전지 전압은 B - C + 0.1이 된다.
여기서, 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]에 도달했을 때 나타낸 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압(용해 전지 전압)은, 이때의 정극 전위[용해 정극 전위(A)로서 언급됨](V)로부터 용해 부극 전위[C(V)]를 차감해서 얻어진 (A - C)V 이다. 용해 정극 전위[A(V)]는 방전 정극 전위 곡선(K1)의 플랫부(F1)의 단부점[용해 정극 대응점(P1)]에서 나타낸 값 즉, (B - 0.1)V 이다. (도 6 참조) 따라서, 본 실시 형태에서, 용해 전지 전압은 (B - 0.1 - C)V 이다.
본 실시 형태에 따른 리튬 이온 2차 전지 시스템(6)에서, 하한 전지 전압은 용해 전지 전압(B - 0.1 - C)V 보다 큰 값(본 실시 형태에서는 B - C + 0.1)으로 설정되고, 임의의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하했을 경우에, 리튬 이온 2차 전지(100)는 소정의 전기량으로 충전된다. 따라서, 전지 전압이 용해 전지 전압까지 저하하는 것을 방지 즉, 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]까지 상승하는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 본 실시 형태에서, 부극 전위는 1.0V 이상이 되는 것을 방지할 수 있다 (도 6 참조). 이렇게 함으로써, 내부 단락에 의해 전지 수명이 단축되는 것을 방지하도록 부극 집전 부재의 용해를 억제할 수 있다.
또한, 하한 전지 전압은 (B - C + 0.2)V 이하의 값으로 설정된다. 구체적으로, 하한 전지 전압은 (B - C + 0.1)V 로 설정된다. 따라서, 하한 전지 전압과 용해 전지 전압 사이의 차는 (B - C + 0.1) - (B - 0.1 - C) = 0.2V 이다. 즉, 하한 전지 전압은, 하한 전지 전압과 용해 전지 전압 사이의 차가 0.2V 가 되도록 용해 전지 전압에 매우 가까운 값으로 설정된다. 이렇게 함으로써, 전지 전압이 용해 전지 전압에 가까운 값에 도달할 때까지, 리튬 이온 2차 전지(100)의 방전이 가능해지므로, 방전 용량이 증가될 수 있다.(도 6 참조).
또한, 종래, 전지 전압이 용해 전지 전압에 가까운 값에 도달할 때까지 방전 가능하게 구성된 경우, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때, 전지 전압이 용해 전지 전압에 도달(즉, 부극 전위가 용해 부극 전위에 도달)하고 부극 집전 부재의 용해가 진행할 가능성이 있다. 구체적으로, 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때에도, 예를 들어, 자동차에 탑재된 전자 기기(전지 컨트롤러, 에어 컨디셔닝, 오디오 기기 등)에 의해 리튬 이온 2차 전지의 전력은 소비된다. 따라서, 부극 전위가 부극 집전 부재의 용해 전위에 가까운 값에 도달한 상태에서, 장시간 하이브리드 자동차의 정차 상태가 계속되면, 리튬 이온 2차 전지의 축전량이 감소됨에 따라 부극 전위가 상승하고, 그 결과 부극 전위가 용해 부극 전위에 도달할 가능성이 있다.
이와 달리, 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이, 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태일 때, 전지 전압이 하한 전지 전압에까지 저하된 임의의 리튬 이온 2차 전지(100)는 소정의 전기량으로 강제 충전된다. 이렇게 함으로써, 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태일 때에도, 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 용해 전지 전압에 도달하는 것을 방지[즉, 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달하는 것을 방지]할 수 있어, 부극 집전 부재(158)의 용해를 억제할 수 있다. 따라서, 내부 단락에 의해 전지의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 가동 중의 전자 기기를 계속해서 가동시킬 수 있다.
또한, 리튬 이온 2차 전지(100)를 충전하는 전기량이 작은 경우, 전지 전압은 단시간에 하한 전지 전압까지 다시 감소한다. 하한 전지 전압은 부극 집전 부재(158)가 용해하는 용해 전지 전압에 매우 가까운 값이므로, 전지 전압은 하한 전지 전압에 접근하지 않도록 설정될 수 있다.
이러한 점을 고려하여, 본 실시 형태에서는, 임의의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하했을 경우, 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압까지 감소할 때 리튬 이온 2차 전지(100)로부터 방전되는 전기량(E3, 도 6에서, 방전 심도 0%로부터 100%까지의 방전 전기량)의 5%에 상당하는 전기량(E4)을 충전하도록 했다. 전기량(E3)의 5% 이상에 상당하는 전기량을 충전함으로써, 전지 전압을 하한 전지 전압으로부터 멀게 유지할 수 있다. 이렇게 함으로써, 부극 전위를 용해 부극 전위(C)로부터 멀게 유지할 수 있다. 따라서, 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달할 가능성을 감소시킬 수 있다.
한편, 리튬 이온 2차 전지(100)를 충전하는 전기량이 증가하면, 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달할 가능성이 감소될 수 있다. 그러나, 과잉 충전은 에너지 효율을 열화시킨다.(예를 들어, 엔진이 전지를 충전하기 위한 발전을 위해 가동될 때, 연료는 쓸데없이 소비된다) 이와 달리, 본 실시 형태에서는, 전지를 충전하는 전기량이 전기량(E3)의 5% 이상 10% 이하에 상당하는 전기량(구체적으로는 5%)으로 설정된다. 따라서, 부극 전위가 용해 부극 전위(C)에 도달할 가능성을 감소시키면서 에너지 효율의 저하도 억제할 수 있다.
리튬 이온 2차 전지(100)를 충전하는 전기량은 전류 검지 수단(50)으로 검지된 전류를 적산해서 산출할 수 있음을 알아야 한다. 따라서, 전기량(E3)의 5%에 상당하는 전기량(E4)이 전지 컨트롤러(30)의 ROM(31)에 미리 기억되고, 전지 컨트롤러(30)는 충전이 개시된 뒤 전류 검지 수단(50)에 의해 검지된 전류를 적산하고, 전류 적산값이 전기량(E4)에 도달하면 충전을 정지한다. 이렇게 함으로써, 전기량(E3)의 5%에 상당하는 전기량(E4)으로 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)를 충전할 수 있다.
또한, 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 용량은 사용에 따라 열화될 수 있다. 그러나, 이것은 주로 부극[156, 부극 활물질(154)]의 열화(용량 저하)에 기인한다. 이것은 정극 활물질(153, LiFePO4)이 열화(용량 저하)에 대해 매우 큰 저항성을 갖고 있기 때문이다. 여기서, 도 7은 리튬 이온 2차 전지(100)의 용량이 열화된 후의 방전 정극 전위 곡선, 방전 부극 전위 곡선 및 방전 전지 전압 곡선을 도시한다. 도 7에서, 용량 저하 전의 방전 부극 전위 곡선 및 방전 전지 전압 곡선은 2점 쇄선으로 나타낸다는 점을 알아야 한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 전지 용량이 사용에 따라 저하될 때에도, 방전 정극 전위 곡선에는 플랫부(F4)가 나타난다. 이것은, 도 6에 도시한 바와 같이, 부극(156)의 용량이 저하되기 전의 리튬 이온 2차 전지(100)에서, 플랫부(F1)는, 방전 정극 전위 곡선(K1)에서 상한 정극 대응점(P2)으로부터 용해 정극 대응점(P1)까지의 전기량 범위(E1) 중, 용해 정극 대응점(P1)으로부터 상한 정극 대응점(P2)까지의 범위의 50% 이상 (본 실시 형태에서는 약 95%)에 걸치고 있기 때문이다.
또한, 방전 정극 전위 곡선의 플랫부(F4)의 정극 전위는 용량 저하 전의 플랫부(F1)의 정극 전위와 대부분 동일하다.(도 6 참조) 또한, 용해 부극 전위(C)는 부극 집전 부재(158)를 구성하는 성분(구리)에 기초하여 결정되므로, 사용에 따라 용량 저하가 진행했을 경우라도 대부분 변동하지 않는다.
따라서, 도 7에 도시한 바와 같이, 사용에 따라 용량이 저하했을 경우라도, 부극 전위가 용해 부극 전위(C, 1.2V)에 도달했을 때의 정극 전위[용해 정극 전위(A)]는 플랫부(F1)의 정극 전위의 최대값(B, 3.4V) 이하(구체적으로는, 3.35V)이다. 이후, 용해 전지 전압은 (B - C)V (= 3.4 - 1.2 = 2.2V) 이하(구체적으로는, 2.15V)이다.
상기의 전지 특성을 고려하여, 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이, 하한 전지 전압이 (B - C)V (= 2.2V)보다 큰 값(구체적으로는, B - C + 0.1 = 2.3V)으로 설정되고, 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하했을 경우, 리튬 이온 2차 전지(100)는 소정의 전기량으로 강제 충전된다. 이렇게 함으로써, 리튬 이온 2차 전지(100)[부극(156)]의 용량이 저하했을 때에도, 전지 전압이 용해 전지 전압까지 저하하는 것을 방지 즉, 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]까지 상승하는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 본 실시 형태에서는, 부극 전위가 1.0V 이상이 되는 것을 억제할 수 있다 (도 7 참조). 따라서, 리튬 이온 2차 전지(100)[부극(156)]의 용량 저하가 진행했을 경우라도, 내부 단락에 의해 전지의 수명이 단축되는 것을 방지하도록 부극 집전 부재(158)의 용해를 억제할 수 있다.
따라서, 하한 전지 전압을 (B - C)V 보다 큰 값으로 설정하는 방식으로 전지를 충전함으로써, 각각의 리튬 이온 2차 전지의 용량이 저하하기 전(예를 들어, 초기 상태) 뿐만 아니라, 각각의 리튬 이온 2차 전지의 용량이 저하했을 때에도, 내부 단락에 의해 전지의 수명이 단축되는 것을 방지하기 위해 부극 집전 부재(158)의 용해를 억제할 수 있다.
이후, 리튬 이온 2차 전지(100)의 제어 방법에 대해서 설명한다. 도 8은 본 실시 형태에 따른 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법의 흐름을 도시하는 흐름도다. 우선, 스텝 S1에서, 전지 컨트롤러(30)는 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태인지를 판정한다. 전술한 바와 같이, 전지 컨트롤러(30)는 컨트롤 유닛(60)으로부터 송신된 주행 정지 상태 신호, 주행 가능 상태 신호 및 엔진 정지 상태 신호를 검지했을 때, 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태라고 판정한다. 스텝 S1에서, 전지 컨트롤러(30)는 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태가 아니라고 판정한 때에는("아니오"), 소정 시간 경과 후 스텝 S1의 처리를 다시 행한다.
한편, 스텝 S1에서 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태라고 판정한 경우("예"), 스텝 S2로 진행한다. 스텝 S2에서, 전지 컨트롤러(30)는, 조전지(10)의 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압(단자들 사이의 전압)의 검출할 것을 전압 검지 수단(40)에 지시한다. 이렇게 함으로써, 조전지(10)의 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압(단자들 사이의 전압)이 전압 검지 수단(40)에 의해 검출된다. 그 후, 스텝 S3에서, 전압 검지 수단(40)에 의해 검출된 임의의 전지 전압이 하한 전지 전압(본 실시 형태에서는 2.3V)에 도달했는지를 판정한다.
스텝 S3에서, 어느 전지 전압도 하한 전지 전압(2.3V)에 도달하고 있지 않다고 판정한 경우("아니오"), 전지 컨트롤러(30)는 소정 시간 경과 후 스텝 S2 및S3의 처리를 다시 행한다. 한편, 스텝 S3에서, 임의의 전지 전압이 하한 전지 전압(2.3V)에 도달한 것으로 판정한 경우("예"), 스텝 S4로 진행한다. 스텝 S4에서, 전지 컨트롤러(30)는 엔진(3)의 시동을 지시한다. 이렇게 함으로써, 엔진(3)은 가동 상태(아이들링 상태)가 되고, 이에 따라, 발전기(9)가 구동한다.
계속해서, 스텝 S5에서, 전지 컨트롤러(30)는 리튬 이온 2차 전지(100)의 충전을 개시한다. 구체적으로, 전지 컨트롤러(30)는 발전기(9)에 의해 발전된 전력을 조전지(10)의 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)에 공급한다. 그 후, 스텝 S6에서, 전지 컨트롤러(30)는, 충전량이 전기량(E3, 도 6에서 방전 심도 0%로부터 100%까지 방전된 전기량)의 5%에 상당하는 전기량(E4)에 도달했는지를 판정한다. 구체적으로, 전지 컨트롤러(30)는 충전 개시 후 전류 검지 수단(50)에 의해 검지된 전류를 적산하여, 전류 적산값이 전기량(E4)에 도달했는 지를 판정한다.
스텝 S6에서, 충전량(전류 적산값)이 전기량(E4)에 도달하지 않았다고 판정한 경우("아니오"), 전지 컨트롤러(30)는 소정 시간 경과 후 스텝 S6의 처리를 다시 행한다. 한편, 스텝 S6에서, 충전량(전류 적산값)이 전기량(E4)에 도달했다고 판정한 경우("예"), 스텝 S7로 진행한다. 스텝 S7에서, 전지 컨트롤러(30)는 리튬 이온 2차 전지(100)의 충전을 정지한다. 그 후, 스텝 S8에서, 전지 컨트롤러(30)는 엔진(3) 정지를 지시한다.
이후, 스텝 S9에서, 전지 컨트롤러(30)는 충전이 정지된 이후 1분이 경과했는지를 판정한다. 스텝 S9에서, 1분 경과하지 않았다고 판정한 경우("아니오"), 전지 컨트롤러(30)는 스텝 S9의 처리를 다시 행한다. 한편, 스텝 S9에서, 1분 경과했다고 판정한 경우("예"), 스텝 SA로 진행한다. 스텝 SA에서, 전지 컨트롤러(30)는 조전지(10)의 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압(단자들 사이의 전압)의 검출을 전압 검지 수단(40)에 지시한다. 이렇게 함으로써, 조전지(10)의 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압(단자들 사이의 전압)이 전압 검지 수단(40)에 의해 검출된다.
충전 직후, 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압은 불안정해지는 경향이 있어, 본 실시 형태에서는 상술한 바와 같이, 전지 컨트롤러(30)는 스텝 S9에서 충전된 후 1분이 경과할 때까지 기다린 이후, 스텝 SA에서 전지 전압을 검출한다는 점을 알아야 한다. 이렇게 함으로써, 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압을 정확하게 검출할 수 있다.
계속해서, 스텝 SB에서, 전지 컨트롤러(30)는 전압 검지 수단(40)에 의해 검출된 모든 전지 전압이 하한 전지 전압(2.3V)보다 큰지를 판정한다. 스텝 SB에서, 모든 전지 전압이 하한 전지 전압보다 크다고 판정한 경우("예"), 스텝 SC로 진행한다. 스텝 SC에서, 조전지(10)를 구성하는 모든 리튬 이온 2차 전지(100)가 정상이라고 판정한다. 이것은, 리튬 이온 2차 전지(100)가 정상(사용 가능 상태)일 경우, 전지 전압이 하한 전지 전압(2.3V)에 도달된 이후 전기량(E3)의 5%에 상당하는 전기량(E4)으로 리튬 이온 2차 전지(100)가 충전된 후의 전지 전압이 하한 전지 전압보다 커지게(약2.8V) 되기 때문이다.(도 6 참조)
한편, 스텝 SB에서, 임의의 전지 전압이 하한 전지 전압 이하라고 판정한 경우("아니오"), 스텝 SD로 진행한다. 스텝 SD에서, 전지 컨트롤러(30)는 대응 리튬 이온 2차 전지(100)가 이상하다고 판정한다. 이 경우, 예를 들어, 전지 컨트롤러(30)는 운전자 등에게 전지 이상 발생을 경고하기 위해 전지 이상 신호를 출력한다.(예를 들어, 전지 이상 경고 램프를 점등시킨다) 스텝 SC 또는 스텝 SD의 처리가 수행된 후, 일련의 처리가 종료한다. 그 후, 소정 시간이 경과하면, 전지 컨트롤러(30)는 스텝 S1의 처리를 다시 행한다.
본 실시 형태에서, 스텝 S2의 처리는 전압 검출 스텝에 상당하다. 또한, 스텝 S3의 처리는 하한 판정 스텝에 상당하다. 또한, 스텝 S5 내지 S7의 처리는 충전 스텝에 상당하다. 또한, 스텝 SB 내지 SD의 처리는 이상 판단 스텝에 상당하다.
상기 설명에서, 본 발명 태양을 실시 형태에 입각해서 설명했지만, 본 발명은 태양은 상기 실시 형태로 한정되지 않는다. 물론, 본 발명의 태양은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 형태로 적절하게 변경될 수 있다.
예를 들어, 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지 시스템(6)에서, 각각의 리튬 인온 2차 전지(100)는 정극 활물질로서 LiFePO4을 포함한다. 대신, 리튬 이온 2차 전지의 정극 활물질은 LiFePO4에 한정되지 않고, LiMnPO4가 정극 활물질로서 사용될 수 있다. 리튬 이온 2차 전지가 정극 활물질로서 LiMnPO4을 포함할 때, 플랫부의 정극 전위의 최대값(B)은 약 4.0V 이다. 용해 부극 전위(C)는 1.2V 로 바뀌지 않는다.
따라서, 각각의 리튬 이온 2차 전지가 정극 활물질로서 LiMnPO4을 포함하는 경우, 하한 전지 전압이 2.8V(= B - C)보다 크고 3.0V(= B - C + 0.2)이하의 범위의 값(예를 들어, 2.9V)으로 설정되고, 상기 실시 형태와 유사한 제어(스텝 S1 내지 SD의 처리)가 수행될 필요가 있다. 이렇게 함으로써, 내부 단락에 의해 전지 수명이 단축되는 것을 방지하도록 부극 집전 부재의 용해를 억제할 수 있다. 또한, 리튬 이온 2차 전지의 방전 용량을 증가시킬 수 있다.
또한, 실시 형태에서, 하이브리드 자동차가 정차 상태인 경우, 전지는, 전지 전압이 하한 전지 전압에 도달했을 때 충전된다. 그러나, 자동차가 정차 상태 이외의 다른 상태(주행 상태나 아이들링 상태 등)일 때에도, 전지 전압이 하한 전지 전압에 도달했을 때 전지가 충전될 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서, 하이브리드 자동차에 탑재한 리튬 이온 2차 전지가 제어된다. 그러나, 하이브리드 자동차용 전원으로서 사용되는 리튬 이온 2차 전지뿐만 아니라 다른 전자 기기용 전원으로서 사용되는 리튬 이온 2차 전지가, 전지 전압이 하한 전지 전압에 도달했을 때 충전될 수 있다. 이렇게 함으로써, 내부 단락으로 인해 전지의 수명이 단축되는 것을 방지하도록 부극 집전 부재의 용해를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서, 스텝 S1에서 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태라고 판정한 후, 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압은 스텝 S2에서 검출된다. 그러나, 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태라고 판정한 후, 조전지(10) 주위의 환경 온도와 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 온도가 온도 검지 수단(70)에 의해 검출되고, 검출된 모든 온도가 0℃ 내지 40℃ 사이의 범위일 때에만, 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 검출된다. 이것은, 임의의 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 전지 전압이 불안정해질 수 있기 때문이다.
또한, 하이브리드 자동차(1)가 정차 상태라고 판정한 후, 지난 10초에 걸친 조전지(10) 주위의 환경 온도의 변동 폭이 3℃ 이내인지를 판정하고, 상기 변동 폭이 3℃ 이내인 경우에만 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압을 검출할 수도 있다. 이것은 환경 온도의 변동이 큰 경우, 조전지(10) 주위의 환경 온도와 각각의 리튬 이온 2차 전지(100)의 온도가 모두 0℃ 내지 40℃ 사이의 범위일 때에도 전지 전압이 불안정할 수 있기 때문이다.
상기 실시형태의 다양한 구성요소를 다양한 조합 및 구성으로 도시하였으나, 본 발명의 범위 내에서 단일 구성 요소 또는 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하는 다른 조합 및 구성이 이루어질 수 있다.

Claims (16)

  1. 하이브리드 자동차에 탑재되고, 2상 공존 상태에서 충방전을 행하는 정극 활물질(153)을 갖는 정극(155)과, 부극 활물질(154) 및 부극 집전 부재(158)를 갖는 부극(156)을 구비하는 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법이며,
    상기 리튬 이온 2차 전지(100)는, 상기 부극 집전 부재(158)가 용해하는 부극 전위를 용해 부극 전위[C(V)]라 하고 상기 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]에 도달했을 때의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압을 용해 전지 전압이라 할 때, 상기 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 용해 전지 전압으로 저하되도록 리튬 이온 2차 전지(100)가 방전되었을 때의 정극 전위의 거동을 나타내는 방전 정극 전위 곡선(K1)에 위치하는 점들 중, 상기 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]일 때의 정극 전위를 나타내는 점을 용해 정극 대응점(P1)이라 하고 상기 전지 전압이 상한 전지 전압일 때의 정극 전위를 나타내는 점을 상한 정극 대응점(P2)이라고 할 때, 상기 방전 정극 전위 곡선(K1)은, 상기 상한 정극 대응점(P2)으로부터 용해 정극 대응점(P1)까지의 전기량 범위(E1)에서 상기 용해 정극 대응점(P1)으로부터 상한 정극 대응점(P2)까지의 범위의 50% 이상에 걸쳐 정극 전위의 변동 폭이 0.1V 이내가 되는 플랫부(F1)를 갖고, 상기 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 용해 전지 전압으로 저하되도록 리튬 이온 2차 전지(100)가 방전될 때, 상기 부극 전위는 방전 말기에서 용해 부극 전위[C(V)]에 도달함에 따라 상승한 뒤 용해 부극 전위[C(V)]에 이르는 특성을 갖고,
    상기 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이, 상기 플랫부(F1)의 정극 전위의 최대값을 B(V)라 하고 용해 부극 전위를 C(V)라고 할 때 (B - C)V 보다 크고 (B - C + 0.2)V 이하의 범위의 값으로 설정된 하한 전지 전압까지 저하하는 경우, 상기 리튬 이온 2차 전지를 소정의 전기량으로 충전하는 충전 스텝(S5 내지 S7)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소정의 전기량은, 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압으로 저감되는 경우, 상기 리튬 이온 2차 전지(100)로부터 방전되는 전기량의 5% 이상에 대응하는, 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전 스텝은 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때 수행(S5 내지 S7)되는, 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때, 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압을 검출하는 전압 검출 스텝(S2)을 수행하는 단계와,
    상기 전압 검출 스텝에서 검출된 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었는지를 판정하는 하한 판정 스텝(S3)을 수행하는 단계를 더 포함하고,
    상기 하한 판정 스텝에서 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었다고 판정되었을 경우, 상기 충전 스텝이 수행(S5 내지 S7)되는, 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전 스텝(S5 내지 S7)이 수행된 이후의 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 상기 하한 전지 전압보다 크지 않을 경우, 상기 리튬 이온 2차 전지가 이상하다고 판정하는 이상 판정 스텝(SD)을 수행하는 단계를 더 포함하는, 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정극 활물질(153)은, LiM1(1-X)M2XPO4(M1은 Fe 또는 Mn 중 하나이고, M2은 Mn, Cr, Co, Cu, Ni ,V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, B 또는 Nb 중 적어도 임의의 하나(단, M1이 Mn일 경우 Mn은 제외)이며, 0 ≤ X ≤ 0.1)로 표현되는 화합물인, 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 정극 활물질(153)은 LiFePO4이며,
    상기 부극 집전 부재(158)는 구리로 이루어지고,
    상기 하한 전지 전압은 2.2V 보다 크고 2.4V 이하의 범위의 값으로 설정되는, 리튬 이온 2차 전지의 제어 방법.
  8. 리튬 이온 2차 전지 시스템이며,
    하이브리드 자동차에 탑재되고, 2상 공존 상태에서 충방전을 행하는 정극 활물질(153)을 갖는 정극(155)과, 부극 활물질(154) 및 부극 집전 부재(158)를 갖는 부극(156)을 구비하는 리튬 이온 2차 전지와,
    상기 리튬 이온 2차 전지(100)의 충방전을 제어하는 제어 수단(30)을 포함하고,
    상기 리튬 이온 2차 전지(100)는, 상기 부극 집전 부재(158)가 용해하는 부극 전위를 용해 부극 전위[C(V)]라 하고 상기 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]에 도달했을 때의 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압을 용해 전지 전압이라 할 때, 상기 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 용해 전지 전압으로 저하되도록 리튬 이온 2차 전지(100)를 방전했을 때의 정극 전위의 거동을 나타내는 방전 정극 전위 곡선(K1)에 위치하는 점들 중, 상기 부극 전위가 용해 부극 전위[C(V)]일 때의 정극 전위를 나타내는 점을 용해 정극 대응점(P1)이라 하고 상기 전지 전압이 상한 전지 전압일 때의 정극 전위를 나타내는 점을 상한 정극 대응점(P2)이라 할 때, 상기 방전 정극 전위 곡선(K1)은, 상한 정극 대응점(P2)으로부터 용해 정극 대응점(P1)까지의 전기량 범위(E1)에서 상기 용해 정극 대응점(P1)으로부터 상한 정극 대응점(P2)까지의 범위의 50% 이상에 걸쳐 정극 전위의 변동 폭이 0.1V 이내가 되는 플랫부(F1)를 갖고, 상기 리튬 이온 2차 전지(100)의 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 용해 전지 전압으로 저하되도록 리튬 이온 2차 전지(100)가 방전될 때, 상기 부극 전위는 방전 말기에서 용해 부극 전위[C(V)]에 도달함에 따라 상승한 뒤 용해 부극 전위[C(V)]에 이르는 특성을 갖고,
    상기 제어 수단은, 상기 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이, 상기 플랫부(F1)의 정극 전위의 최대값을 B(V)라 하고 용해 부극 전위를 C(V)라고 할 때 (B - C)V 보다 크고 (B - C + 0.2)V 이하의 범위의 값으로 설정된 하한 전지 전압까지 저하했을 경우, 상기 리튬 이온 2차 전지를 소정의 전기량으로 충전하는 제어(S5 내지 S7)를 수행하는 것을 특징으로 하는, 리튬 이온 2차 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 부극 활물질(154)은 천연 흑연계 재료, 인조 흑연계 재료 및 난흑연화 탄소계 재료로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 탄소계 재료를 포함하는, 리튬 이온 2차 전지 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 소정의 전기량은, 상기 리튬 이온 2차 전지의(100) 전지 전압이 상한 전지 전압으로부터 하한 전지 전압으로 저감될 때 리튬 이온 2차 전지(100)로부터 방전되는 전기량의 5% 이상에 상응하는, 리튬 이온 2차 전지 시스템.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 리튬 이온 2차 전지 시스템은 하이브리드 자동차에 탑재되고,
    상기 제어 수단은 하이브리드 자동차가 정차 상태일 때, 리튬 이온 2차 전지를 소정의 전기량으로 충전하도록 제어(S5)를 수행하는, 리튬 이온 2차 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 하이브리드 자동차가 정차 상태인지를 판정하는 정차 판정 수단(60)과,
    상기 하이브리드 자동차가 정차 상태라고 판정한 경우, 하이브리드 자동차의 정차 중에 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압의 검출을 지시하는 전압 검출 지시 수단과,
    상기 지시에 의해 검출된 전지 전압이 상기 하한 전지 전압까지 저하되었는지를 판정하는 하한 판정 수단을 더 포함하고,
    상기 검출된 전지 전압이 하한 전지 전압까지 저하되었다고 상기 하한 판정 수단이 판정할 경우(S4), 상기 제어 수단(30)은 리튬 이온 2차 전지에 소정의 전기량으로 충전하는 제어(S5)를 수행하는, 리튬 이온 2차 전지 시스템.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 소정의 전기량으로 충전된 후의 리튬 이온 2차 전지의 전지 전압이 하한 전지 전압보다 크지 않은 경우, 상기 리튬 이온 2차 전지가 이상하다고 판정하는 이상 판정 수단을 더 포함하는, 리튬 이온 2차 전지 시스템.
  14. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 정극 활물질(153)은, LiM1(1-X)M2XPO4[M1은 Fe 또는 Mn 중 임의의 하나이고, M2은 Mn, Cr, Co, Cu, Ni ,V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, B 또는 Nb 중 적어도 임의의 하나(단, M1이 Mn일 때 Mn을 제외), 0 ≤ X ≤ 0.1]로 표현되는 화합물인, 리튬 이온 2차 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 정극 활물질(153)은 LiFePO4이고,
    상기 부극 집전 부재(158)는 구리로 이루어지고,
    상기 하한 전지 전압은 2.2V 보다 크고 2.4V 이하의 범위의 값으로 설정되는, 리튬 이온 2차 전지 시스템.
  16. 삭제
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