KR101454833B1 - 이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 장치는, 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 과정에서, 상기 충전 전류가 감소하는 동안 복수의 전류-전압 데이터를 측정하는 센서 수단; 및 상기 센서 수단으로부터 상기 복수의 전류-전압 데이터를 입력 받고, 상기 복수의 전류-전압 데이터로부터 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식을 산출하고, 상기 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하고, 추정된 개방 전압으로부터 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 제어 수단;을 포함한다.

Description

이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법{Apparatus for Estimating Parameter of Secondary Battery and Method thereof}
본 발명은 이차 전지의 개방전압 또는 충전 상태와 같이 이차 전지의 충전 또는 방전에 따라 변화되는 이차 전지의 전기화학적 물성을 나타내는 파라미터를 추정하는 장치와 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2012년 12월 3자에 출원된 특허출원 제10-2012-0139050호의 우선권 주장 출원으로서 상기 특허출원의 명세서에 기재된 내용은 본 명세서의 일부로서 합체된다.
전지는 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 무정전 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.
리튬 이차 전지는, 양극과 음극에서 리튬 이온의 삽입(intercalation)과 탈리(de-intercalation) 반응이 일어나는 특성이 있다. 즉, 방전이 진행되는 동안에는, 음극에 포함된 음극재로부터 리튬 이온이 탈리된 후 전해질을 통해 양극으로 이동하여 양극에 포함된 양극재에 삽입되고 충전이 진행되는 동안에는 그 반대가 된다.
리튬 이차 전지에 있어서, 양극재로 사용되는 물질이 이차 전지의 성능에 중요한 영향을 미치기 때문에, 고온에서 안정성을 유지하면서도 높은 에너지 용량을 제공할 수 있고, 또한 제조비용이 낮은 양극재를 제공하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 하지만, 아직까지는 어느 하나의 양극재만으로 시장에서 요구하는 성능을 모두 충족시키는 것은 한계가 있다.
최근들어 화석 연료의 고갈과 대기 오염의 심화로 인해 친환경 에너지에 대한 요구가 급증하고 있다. 이에 따라, 이차 전지로부터 공급되는 전기 에너지를 사용하여 운행이 가능한 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기 구동 자동차의 상용화가 선진국을 중심으로 활발하게 진행되고 있다.
전기구동 자동차가 운행될 때, 이차 전지의 충전 상태(SOC: State Of Charge)는 전기구동 자동차의 주행 가능 거리를 가늠하게 하고, 이차 전지의 충전 또는 방전의 개시와 종료를 제어하는데 필요한 파라미터이다.
이차 전지의 충전 상태는 이차 전지의 개방 전압(Open Circuit Voltage)을 측정하면 정확한 추정이 가능하다. 이차 전지의 충전 상태는 개방 전압과 1:1의 관계에 있기 때문이다. 하지만 이차 전지가 충전 또는 방전되고 있는 동안에는 이차 전지의 개방 전압을 측정하는 것이 불가능하다.
따라서, 종래에는, 복잡한 수학적 모델이나 실험을 통해서 만든 룩업 테이블(이차 전지의 온도와 전압을 개방 전압으로 맵핑)을 이용하여 이차 전지의 개방 전압을 추정하는 방법이 사용되고 있다.
하지만 전자의 방법은 복잡한 계산이 필요하다는 단점이 있고 후자의 방법은 다이나믹한 조건에서 이차 전지가 충전 또는 방전될 때 적용하면 정확도가 떨어지는 단점이 있다. 특히, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 경우는, 운전자가 가속 패달을 밟으면 다양한 조건의 방전율(C-rate)로 이차 전지가 방전되다가, 운전자가 브레이크 패달을 밟으면 재생 충전(regeneration charging)이 이루어지는 과정이 반복된다. 따라서 이러한 다이나믹한 이차 전지의 사용 환경에서 충전 상태를 간단하고 정확하게 추정하기 위해서는 새로운 접근법이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 인식하여 창안된 것으로서, 이차 전지가 다이나믹하게 사용되는 과정에서 이차 전지의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 간단하고 정확하게 추정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 또한 시장이 요구하는 이차 전지의 성능을 고려하여 2개 이상의 양극재를 브랜딩한 혼합 양극재를 포함하고, 상기 혼합 양극재로 인해 특이한 전기화학적 거동을 나타내는 이차 전지의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 간단하고 정확하게 추정할 수 있는 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치는, 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 과정에서, 상기 충전 전류가 감소하는 동안 복수의 전류-전압 데이터를 측정하는 센서 수단; 및 상기 센서 수단으로부터 상기 복수의 전류-전압 데이터를 입력 받고, 상기 복수의 전류-전압 데이터로부터 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식을 산출하고, 상기 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 제어 수단을 포함한다.
바람직하게, 상기 제어 수단은 상기 추정된 개방 전압으로부터 이차 전지의 충전 상태를 더 추정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 센서 수단은, 충전 전류가 0부터 피크 값까지 증가하였다가 다시 0으로 감소하는 충전 전류 프로파일에 의해 이차 전지가 충전될 때, 상기 충전 전류가 피크 값으로부터 0까지 감소하는 동안, 상기 복수의 전류-전압 데이터를 측정할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 센서 수단은, 상기 이차 전지의 방전 전류가 0까지 서서히 감소한 후 상기 충전 전류 프로파일에 의해 이차 전지가 충전될 때, 상기 복수의 전류-전압 데이터를 측정할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 센서 수단은, 상기 충전 전류의 크기가 피크 값 대비 1/3 미만으로 감소된 이후에 상기 복수의 전류-전압 데이터를 측정할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 센서 수단은, 상기 충전 전류의 크기가 피크 값 대비 1/6 미만으로 감소된 이후에 상기 복수의 전류-전압 데이터를 측정할 수 있다.
바람직하게, 상기 센서 수단은, 2개 이상의 전류-전압 데이터를 측정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어 수단은, 개방 전압과 충전 상태의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 이용하여 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 센서 수단은, 이차 전지의 온도를 측정하여 상기 제어 수단으로 제공하고, 상기 제어 수단은, 개방 전압 및 온도와 충전 상태의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 이용하여 상기 이차 전지의 온도와 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치는, 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 동안 시간 간격을 두고 전류-전압 데이터를 반복적으로 측정하는 센서 수단; 및 상기 센서 수단으로부터 상기 전류-전압 데이터를 입력 받고, 상기 충전 전류가 상기 피크값으로부터 감소하는 동안 측정된 복수의 전류-전압 데이터를 식별하고, 상기 복수의 전류-전압 데이터로부터 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식을 산출하고, 상기 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 제어 수단을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 수단은, 상기 추정된 개방 전압으로부터 이차 전지의 충전 상태를 더 추정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어 수단은, 상기 충전 전류의 크기가 상기 피크 값 대비 1/3 미만으로 감소된 이후에 측정된 전류-전압 데이터 중에서 상기 복수의 전류-전압 데이터를 식별할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어 수단은, 상기 충전 전류의 크기가 상기 피크 값 대비 1/6 미만으로 감소된 이후에 측정된 전류-전압 데이터 중에서 상기 복수의 전류-전압 데이터를 식별할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 수단은, 2개 이상의 전류-전압 데이터를 식별할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어 수단은, 개방 전압과 충전 상태의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 이용하여 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 센서 수단은, 이차 전지의 온도를 측정하여 상기 제어 수단으로 제공하고, 상기 제어 수단은, 개방 전압 및 온도와 충전 상태의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 이용하여 상기 이차 전지의 온도와 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 센서 수단은, 충전 전류가 0부터 피크값까지 증가하였다가 다시 0으로 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 동안, 시간 간격을 두고 전류-전압 데이터를 반복적으로 측정할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 센서 수단은, 상기 이차 전지의 방전 전류가 0까지 서서히 감소한 후 상기 이차 전지가 충전될 때, 시간 간격을 두고 전류-전압 데이터를 반복적으로 측정할 수 있다.
상술한 이차 전지의 파라미터 추정 장치들은, 상기 제어 수단과 결합된 표시 수단을 더 포함할 수 있고, 상기 제어 수단은 상기 표시 수단을 통해 상기 추정된 이차 전지의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 그래픽 인터페이스(문자, 숫자, 그래프 등)로 출력할 수 있다.
또한, 상술한 이차 전지의 파라미터 추정 장치들은, 상기 추정된 이차 전지의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 외부의 컨트롤 유닛으로 전송할 수 있다.
또한, 상술한 이차 전지의 파라미터 추정 장치들은, 상기 제어 수단과 결합된 저장 수단을 더 포함할 수 있고, 상기 제어 수단은 상기 복수의 전류-전압 데이터, 및/또는, 상기 근사 선형 방정식의 기울기 및 Y 절편, 및/또는, 상기 룩업 테이블 또는 룩업 함수, 및/또는, 상기 추정된 개방 전압 및/또는 충전 상태를 상기 저장 수단에 기록 및/또는 소거 및/또는 갱신 및/또는 전송할 수 있다.
또한, 상술한 이차 전지의 파라미터 추정 장치들은, 이차 전지로부터 에너지를 공급 받는 다양한 전기구동 장치에 포함될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 과정에서, 상기 충전 전류가 감소하는 동안 복수의 전류-전압 데이터를 측정하는 단계; 상기 측정된 복수의 전류-전압 데이터로부터 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식을 산출하는 단계; 및 상기 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 단계;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이차 전지의 충전 상태 추정 방법은, 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 동안 시간 간격을 두고 전류-전압 데이터를 반복적으로 측정하는 단계; 상기 측정된 전류-전압 데이터 중에서, 상기 충전 전류가 상기 피크값으로부터 감소하는 동안 측정된 복수의 전류-전압 데이터를 식별하는 단계; 상기 식별된 복수의 전류-전압 데이터로부터 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식을 산출하는 단계; 및 상기 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 단계;를 포함한다.
바람직하게, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 상기 추정된 개방 전압으로부터 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 추정된 개방 전압 및/또는 충전 상태를 저장 및/또는 전송 및/또는 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이차 전지는 또한 작동 이온이 포함된 전해질과, 양극과 음극을 전기적으로 분리하고 작동 이온의 이동을 허락하는 분리막을 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 전지가 다이나믹하게 충전되는 동안 이차 전지의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 신뢰성 있게 추정할 수 있다. 특히, 특이한 전압 변화 패턴을 보이는 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지에 대해서도 신뢰성 있는 개방 전압 및/또는 충전 상태의 추정이 가능하다. 또한, 분극의 누적이 완화된 상태에 있는 이차 전지의 전류-전압 데이터를 이용하여 이차 전지의 파라미터를 추정하기 때문에 파라미터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 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 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치에 관한 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 3은 이차 전지의 충방전 전류 프로파일과 이차 전지의 전압 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다(실험예1).
도 4는 이차 전지가 충전되는 동안 측정된 이차 전지의 전류-전압 데이터를 플로팅한 그래프이다(실험예1).
도 5는 이차 전지의 충방전 전류 프로파일과 전압 변화 프로파일을 측정하여 나타낸 그래프이다(실험예2).
도 6과 도 7은 각각 이차 전지의 충전 상태 별로 측정한 이차 전지의 방전 저항 프로파일과 이차 전지의 방전 심도(DOD) 별로 측정한 개방 전압 프로파일을 나타낸 그래프들이다(실험예2).
도 8은 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 충방전 전류 프로파일과 이차 전지의 전압 변화를 측정한 그래프이다(실험예2).
도 9는 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지가 구간 B에서 충전되는 동안 측정된 이차 전지의 전류-전압 데이터를 플로팅한 그래프이다(실험예2).
도 10은 근사 선형 방정식을 산출할 때 사용한 2개의 전류-전압 데이터(보간 데이터)를 전류-전압 프로파일 상에 표시한 것이다.
도 11은, 2개의 전류-전압 데이터를 이용하여 근사 선형 방정식을 산출하였을 때, Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 개념을 표시한 그래프이다.
도 12는, LA 드라이빙을 모사할 수 있는 운전 패턴에 따라 이차 전지를 방전(주행 시) 및 회생 충전(정차를 위한 브레이킹 시)시키고, 이차 전지가 회생 충전되는 동안 본 발명을 이용하여 충전 상태를 추정하였을 때 그 정확도가 어느 정도 되는지 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시 예들은, 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 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다. 일부 실시 예들에서, 리튬 이차 전지라는 용어 대신 이차 전지라는 용어를 사용할 경우 해당 실시 예에서의 이차 전지는 다양한 종류의 이차 전지를 포함하는 개념으로 사용되었음을 밝혀둔다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치에 관한 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이차 전지(110)의 고전위 및 저전위 단자(P+, P-)는 전기구동 장치(200)의 저전위 및 고전위 접속 단자(T+, T-)와 전기적으로 커플링된다.
상기 이차 전지(110)는 리튬 이차 전지일 수 있으나, 본 발명이 전지의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 상기 전기구동 장치(200)는, 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 실시예에서, 상기 전기구동 장치(200)는, 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 실시예에서, 상기 전기구동 장치(200)는, 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 무정전 전원 공급 장치일 수 있다.
상기 전기구동 장치(200)는, 부하(210) 및/또는 충전 유닛(220)을 포함한다.
상기 부하(210)는 이차 전지(110)의 전기 에너지를 소모하는 장치로서, 비제한적인 예시로서 모터와 같은 회전 동력 장치, 컨버터나 인버터와 같은 전력 변환 장치 등이 될 수 있다.
상기 충전 유닛(220)은 이차 전지(110)에 충전 전류를 인가하는 장치로서, 비제한적인 예시로서 충전회로, 전기구동 자동차의 엔진에 결합된 제너레이터(generator), 전기구동 자동차의 브레이크와 결합된 회생 충전기(regeneration charger) 등이 될 수 있다.
상기 전기구동 장치(200)는, 부하(210) 및/또는 충전 유닛(220)의 동작을 제어하기 위해 컨트롤 유닛(230)을 포함할 수 있다. 상기 컨트롤 유닛(230)은 전기구동 장치(200)의 제어를 위한 소프트웨어 알고리즘을 실행할 수 있는 마이크로컴퓨터를 포함할 수 있다.
상기 전기구동 장치(200)는, 또한, 이차 전지(110)와 부하(210), 또는 이차 전지(110)와 충전 유닛(220)을 선택적으로 연결하기 위해, 제1 내지 제4스위치(SW1-SW4)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2스위치(SW1 및 SW2)는, 상기 컨트롤 유닛(230)으로부터 제어 신호를 인가 받아 이차 전지(110)와 부하(210) 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프시킨다.
상기 제3 및 제4스위치(SW3 및 SW4)는, 상기 컨트롤 유닛(230)으로부터 제어 신호를 인가 받아 이차 전지(110)와 충전 유닛(220) 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프시킨다.
바람직하게. 상기 제1내지 제4스위치(SW1-SW4)는 반도체 스위치나 기계식 릴레이 스위치일 수 있다.
상기 컨트롤 유닛(230)은, 이차 전지(110)와 부하(210), 또는 이차 전지(110)와 충전 유닛(220) 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프시킨다.
일 예에서, 상기 컨트롤 유닛(230)은, 이차 전지(110)의 충전 상태가 높을 때, 부하(210)를 이차 전지(110)에 저장된 전기 에너지로 구동시키기 위해, 제1 및 제2스위치(SW1, SW2)를 온시켜 이차 전지(110)를 부하(210)와 연결시킨다. 그러면, 이차 전지(110)가 방전되어 부하(210)에 전기 에너지가 공급된다.
다른 예에서, 상기 컨트롤 유닛(230)은, 이차 전지(110)의 충전 상태가 낮을 때, 이차 전지(110)에 충전 전류를 인가하기 위해, 제3 및 제4스위치(SW3, SW4)를 온시켜 충전 유닛(220)을 이차 전지(110)와 연결시킨다. 그러면, 상기 충전 유닛(220)은 충전 전류를 이차 전지(110) 측으로 인가한다.
다른 예에서, 상기 컨트롤 유닛(230)은, 부하(210)가 구동되는 동안에는, 이차 전지(110)를 부하(210)에 연결시키고, 부하(210)의 구동이 한시적으로 중단된 경우에, 이차 전지(110)를 충전 유닛(220)에 연결하여 이차 전지(110)를 충전시킬 수 있다.
이러한 실시예에서, 상기 컨트롤 유닛(230)은 이차 전지(110)에 공급되는 충전 전류가 일정 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴을 갖도록 충전 유닛(220)을 제어할 수 있다.
일 예시로서, 상기 컨트롤 유닛(230)은, 상기 충전 유닛(220)을 제어하여 충전 전류의 크기가 0으로부터 일정 피크값까지 서서히 증가하였다가 다시 0까지 서서히 감소하도록 할 수 있다.
다른 예시로서, 상기 컨트롤 유닛(230)은, 상기 충전 유닛(220)을 제어하여 상기 이차 전지(110)의 방전 전류가 0까지 서서히 감소하고 난 후, 상기 충전 전류의 크기가 0으로부터 일정 피크값까지 서서히 증가하였다가 다시 0까지 서서히 감소하도록 할 수 있다.
위와 같은 실시예의 대표적인 예시로서, 전기 또는 하이브리드 자동차의 재생 충전을 들 수 있다. 재생 충전은 자동차가 브레이크 조작을 통해 감속될 때 브레이크 시스템에서 생성되는 재생 에너지를 이용하여 이차 전지를 충전하는 것을 일컫는다. 재생 충전은 브레이크가 조작되었을 때 이루어지므로, 재생 충전이 개시되기 전까지 이차 전지(110)의 방전 전류가 서서히 0까지 감소한다. 그리고, 재생 충전이 이루어지는 동안에는, 충전 전류의 크기가 0부터 일정한 피크값까지 증가하였다가 다시 0까지 감소한다. 이러한 실시예에서, 상기 충전 유닛(220)은 재생 에너지를 생산하는 브레이크 시스템과 유기적으로 결합되고, 상기 컨트롤 유닛(230)은 재생 충전의 전반적인 과정을 제어할 수 있다. 상기 재생 충전 기술은 본 발명이 속한 기술분야에 널리 알려져 있는 기술이므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 파라미터 추정 장치(100)는, 이차 전지(110)의 개방 전압이나 충전 상태와 같이 이차 전지(110)가 충전 또는 방전되는 과정에서 변화되는 전기화학적 물성을 나타내는 파라미터를 추정하는 장치로서, 센서 수단(120)과 제어 수단(130)을 포함한다.
상기 센서 수단(120)은 충전 유닛(220)으로부터 이차 전지(110) 측으로 충전 전류가 공급되는 동안, 충전 전류의 크기와 이차 전지 전압을 측정하여 제어 수단(130)으로 제공한다.
상기 센서 수단(120)은 충전 전류가 흐르는 동안 이차 전지의 전류와 전압을 측정하기 위해, 측정 제어 신호를 제어 수단(130)으로부터 수신할 수 있다. 즉, 상기 센서 수단(120)은 상기 측정 제어 신호가 수신될 때마다, 이차 전지의 전류와 전압을 측정하여 제어 수단(130)으로 제공한다.
일 예시에 따르면, 상기 센서 수단(120)은, 상기 충전 전류의 크기가 0으로부터 일정 피크값까지 증가하였다가 다시 0까지 감소되는 과정에서, 충전 전류가 일정 피크값에서 0까지 감소하는 동안 시간 간격을 두고 여러 번에 걸쳐 충전 전류의 크기와 이차 전지(110)의 전압을 반복적으로 측정하여 제어 수단(130)으로 제공한다.
다른 예시에 따르면, 상기 센서 수단(120)은, 상기 충전 전류의 크기가 0으로부터 일정 피크값까지 증가하였다가 다시 0까지 감소되는 과정에서, 시간 간격을 두고 여러 번에 걸쳐 충전 전류의 크기와 이차 전지(110)의 전압을 반복적으로 측정하여 제어 수단(130)으로 제공한다.
이하, 설명의 편의를 위해, 어느 한 시점에서 측정된 충전 전류의 크기와 이차 전지(110)의 전압을 전류-전압 데이터라고 명명하기로 한다.
상기 예시들에 있어서, 충전 전류의 크기와 이차 전지(110)의 전압은 여러 번에 걸쳐 측정되므로, 상기 제어 수단(130)은 복수의 전류-전압 데이터를 센서 수단(120)으로부터 제공받는다.
일 측면에 따르면, 상기 센서 수단(120)은, 상기 이차 전지(110)의 동작 모드가 방전 모드에서 충전 모드로 변경된 이후에, 여러 번에 걸쳐서 충전 전류의 크기와 이차 전지(110)의 전압을 측정할 수 있다. 이 경우, 이차 전지(110)의 방전 전류가 0까지 서서히 감소한 이후에 전류-전압 데이터를 측정할 수 있다.
상기 예시들에 있어서, 상기 센서 수단(120)은, 충전 전류의 크기가 피크 값 대비 1/3 미만, 바람직하게는 1/6 미만으로 감소된 이후에 여러 번에 걸쳐서 이차 전지의 전류와 전압을 측정할 수 있다. 물론, 상기 감소 비율들은 일 예시에 불과하므로 다른 수치로 변경이 가능하다.
상기 복수의 전류-전압 데이터는 이차 전지(110)의 개방전압과 충전상태를 추정하는데 사용되는데, 상기와 같은 측정 조건 하에서 측정된 전류-전압 데이터는 이차 전지(110)의 분극 누적이 완화된 상태에서 얻은 것이므로, 본 발명에 따라 추정되는 개방전압과 충전상태의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
상기 제어 수단(130)은, 센서 수단(120)의 동작을 제어 한다. 즉, 상기 제어 수단(130)은 이차 전지(110)가 충전되는 동안 이차 전지(110)의 전류와 전압을 여러 번에 걸쳐 측정하기 위해 상기 센서 수단(120)으로 여러 번에 걸쳐 측정 제어 신호를 전송할 수 있다. 그리고, 상기 센서 수단(120)이 상기 측정 제어 신호에 응답하여 이차 전지의 전류와 전압을 측정 및 제공하면 이를 수신한다.
상기 제어 수단(130)은, 복수의 전류-전압 데이터를 수신한 후, 수신된 전류-전압 데이터들을 이용하여 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식(V=a*I + b)을 산출한다.
여기서, 상기 근사 선형 방정식의 입력 변수 I와 출력 변수 V는 각각 이차 전지(110)의 전류 및 전압이고, 기울기 a는 저항 특성을 나타내고, Y 절편 b는 이차 전지의 전류가 0일 때의 전압, 즉 개방 전압을 나타낸다. 따라서, 상기 근사 선형 방정식이 산출되면, Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정할 수 있다.
상기 근사 선형 방정식을 산출할 때 사용하는 전류-전압 데이터의 수는 2개 이상인 것이 바람직하다. 물론, 개방 전압의 추정을 보다 정확하게 하기 위해, 전류-전압 데이터의 수를 3 이상으로 증가시키는 것을 특별히 제한하지 않는다.
또한, 상기 근사 선형 방정식을 산출할 때 사용하는 전류-전압 데이터의 측정 시점은, 충전 전류의 크기가 피크값에 도달하는 시점을 Tp, 피크값에서 0으로 감소하는 시점을 T0라 할 때, 되도록이면 T0에 가까운 시점을 선택하는 것이 바람직하다. 전류-전압 데이터의 측정 시점이 T0에 가까운 시점일수록 이차 전지(120)의 분극 누적이 완화된 상태에 있게 되므로, 근사 선형 방정식의 Y 절편이 이차 전지(110)의 개방 전압과 보다 가까워지기 때문이다.
일 예시로서, 상기 제어 수단(130)은, 상기 센서 수단(120)으로부터 수신한 복수의 전류-전압 데이터들 중에서, 충전 전류의 크기가 피크 값 대비 1/3 미만, 바람직하게는 1/6 미만으로 감소된 이후의 시점에 측정된 2개 이상의 전류-전압 데이터를 선별하여 근사 선형 방정식을 산출할 때 이용할 보간(interpolation) 데이터를 얻는다. 이 방식은, 센서 수단(120)이 제공하는 복수의 전류-전압 데이터들 중에서 근사 선형 방정식을 산출할 때 사용할 전류-전압 데이터를 샘플링하는 방식이다. 상기 제어 수단(130)은 상기와 같은 방식으로 얻은 보간 데이터를 이용하여 근사 선형 방정식을 산출할 수 있다.
다른 예시로서, 상기 제어 수단(130)은, 센서 수단(120)을 통해서 미리 정해진 수의 전류-전압 데이터를 얻기 위해, 이차 전지(110)로 흐르는 충전 전류의 크기가 피크 값 대비 1/3 미만, 바람직하게는 1/6 미만으로 감소되는 시점 이후에, 센서 수단(120)으로 측정 제어 신호를 주기적으로 출력하여 상기 센서 수단(120)으로부터 근사 선형 방정식의 산출에 이용할 적어도 2개 이상의 전류-전압 데이터를 수신할 수 있다. 이렇게 수신된 2개 이상의 전류-전압 데이터는 근사 선형 방정식을 산출할 때 사용되는 보간 데이터를 구성한다. 이 방식은 상술한 샘플링 방식과 달리 제어 수단(130)이 센서 수단(120)을 이용하여 근사 선형 방정식의 산출에 사용할 복수의 전류-전압 데이터를 직접 측정하는 방식이다. 상기 제어 수단(130)은 상기와 같은 방식으로 얻은 보간 데이터를 이용하여 근사 선형 방정식을 산출할 수 있다.
상기 제어 수단(130)은, 근사 선형 방정식을 산출한 후, 산출된 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지(110)의 개방 전압으로 추정할 수 있다.
선택적으로, 상기 제어 수단(130)은 개방 전압과 충전 상태 사이의 상관 관계를 미리 정의한 룩업 테이블이나 룩업 함수를 이용하여 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 이차 전지의 충전 상태를 더 추정할 수 있다.
여기서, 상기 룩업 테이블은, 실험을 통하여 이차 전지(110)의 개방 전압 별로 충전 상태를 측정하고, 측정 결과를 테이블의 형태로 만든 것이다. 상기 룩업 테이블에서, 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 맵핑하면, 이차 전지(110)의 충전 상태를 간단하게 추정할 수 있다.
상기 룩업 함수는, 실험을 통하여 이차 전지(110)의 개방 전압 별로 충전 상태를 측정하고, 측정된 개방 전압의 프로파일을 함수로서 정의한 것이다. 상기 룩업 함수의 입력 변수 및 출력 변수는 각각 개방 전압 및 충전 상태이다. 상기 룩업 함수의 입력 변수로서 추정된 개방 전압을 대입하면, 룩업 함수의 출력 값으로서 충전 상태를 얻을 수 있다.
한편, 이차 전지(110)의 충전 상태는 온도에 대한 의존성을 갖는다. 따라서, 상기 룩업 테이블과 상기 룩업 함수에 온도 파라미터를 더 추가할 수 있다. 즉, 실험을 통해 룩업 테이블과 룩업 함수를 온도 별로 생성할 수 있다. 이러한 경우, 상기 센서 수단(120)은 이차 전지(110)로 충전 전류가 흐를 때 이차 전지(110)의 온도를 측정하여 제어 수단(130)으로 제공할 수 있다. 그러면, 제어 수단(130)은 이차 전지(110)의 온도에 대응되는 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 식별하고, 식별된 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 이용하여 추정된 개방 전압에 대응되는 이차 전지(110)의 충전 상태를 추정할 수 있다.
다른 한편, 이차 전지가 다이나믹하게 충전되는 동안, 양극과 음극 사이에서 측정되는 전압은, 양극과 음극의 전하 누적에 의한 분극(polarization)으로부터 비롯되는 전압 성분도 포함할 수 있다.
따라서, 상기 분극에 의한 전압 성분을 고려하여 근사 선형 방정식의 Y 절편을 보정하면, 보다 정확하게 이차 전지의 개방 전압을 추정할 수 있다.
상기 이차 전지의 파라미터 추정 장치(100)는, 저장 수단(160)을 더 포함할 수 있다. 상기 저장 수단(160)은 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 예시로서, 상기 저장 수단(160)은, RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다. 상기 저장 수단(160)은 또한 상기 제어 수단(130)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 상기 제어 수단(130)과 연결될 수 있다.
상기 저장 수단(160)은 또한 상기 제어 수단(130)이 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 상기 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송한다.
상기 저장 수단(160)은 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 상기 제어 수단(130) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
상기 저장 수단(160)은, 상기 센서 수단(120)이 측정한 복수의 전류-전압 데이터, 근사 선형 방정식의 산출에 이용된 적어도 2개 이상의 전류-전압 데이터를 포함하는 보간 데이터, 또는 근사 선형 방정식을 이용하여 추정된 파라미터(개방 전압 및/충전 상태)를 유지(maintain)할 수 있다.
상기 제어 수단(130)은, 다양한 제어 로직들 및/또는 계산 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 제어 수단(130)은 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 저장 수단(160)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
상기 이차 전지의 파라미터 추정 장치(100)는, 또한 표시 수단(150)을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 상기 표시 수단(150)은 상기 제어 수단(130)이 추정한 이차 전지(140)의 개방 전압 및/또는 충전 상태에 관한 정보를 그래픽 인터페이스(문자, 숫자, 그래프 등)로 표시할 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 예시로서, 상기 표시 수단(150)은 액정 디스플레이, LED 디스플레이, OLED 디스플레이, E-INK 디스플레이, 플렉서블 디스플레이 등일 수 있다.
상기 표시 수단(150)은 상기 제어 수단(130)과 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 후자의 방식이 채택될 때, 상기 표시 수단(150)은 상기 제어 수단(130)이 위치하는 영역과 물리적으로 분리된 영역에 위치할 수 있다. 그리고 상기 표시 수단(150)과 상기 제어 수단(130) 사이에 제3의 제어 수단(미도시)이 개재되어 상기 제3의 제어 수단이 상기 제어 수단(130)으로부터 표시 수단(150)에 표출할 정보를 제공 받아 표시 수단(150)에 표출할 수 있다. 이를 위해, 상기 제3의 제어 수단과 상기 제어 수단(130)이 통신 선로(예: CNN 통신망)에 의해 연결될 수 있다.
상기 표시 수단(150)은 반드시 본 발명에 따른 장치의 내부에 포함될 필요는 없으며, 본 발명에 따른 장치와 연결된 다른 장치에 포함된 것일 수 있다. 이러한 경우, 상기 표시 수단(150)과 상기 제어 수단(130)은 직접적으로 연결되지 않으며, 상기 다른 장치에 포함된 제어 수단을 매개로 상기 표시 수단(150)과 간접적으로 연결된다. 따라서 상기 표시 수단(150)과 상기 제어 수단(130)의 전기적 연결은 이러한 간접 연결 방식도 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
상기 제어 수단(130)은 외부의 제어 장치와 통신 인터페이스를 형성할 수 있다. 그리고, 상기 통신 인터페이스를 통해서 상기 외부의 제어 수단으로 이차 전지(110)의 개방 전압 및/또는 충전 상태에 관한 데이터를 전송할 수 있다. 상기 외부의 제어 수단은, 전기구동 장치(200)의 컨트롤 유닛(230)일 수 있다.
일 예로, 이차 전지(110)가 전기 자동차에 탑재되어 있는 경우, 상기 제어 수단(130)은 이차 전지(110)의 개방 전압 및/또는 충전 상태에 관한 데이터를 전기 자동차의 구동 메카니즘을 통합적으로 제어하는 컨트롤 유닛(230)으로 전송할 수 있다. 그러면, 상기 컨트롤 유닛(230)은 전송 받은 이차 전지(110)의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 이용하여 이차 전지(110)의 충전과 방전을 제어하고, 이차 전지(110)의 사용 효율을 극대화할 수 있다.
본 발명에 있어서, 이차 전지(110)는 양극 활물질과 음극 활물질을 포함하는데, 상기 양극 활물질은 단일 양극재일 수도 있고, 2가지 이상의 양극재가 브랜딩된 혼합 양극재일 수 있다.
후자의 경우, 상기 혼합 양극재는, 이차 전지의 전압 레벨에 따라서 작동 이온과 반응하는 농도가 다르거나 작동 전압 범위가 다른 제1양극재와 제2양극재를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제1양극재는, 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나를 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 하나의 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 화합물이거나,
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 하나의 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 하나의 원소를 포함; M3는 F를 포함하는 할로겐족 원소들로부터 선택된 적어도 하나의 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, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
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]이고, 상기 제2양극재는, LiFePO4, LiMnxFeyPO4(0 < x+y ≤ 1) 또는 Li3Fe2(PO4)3 일 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 종류와 혼합 비율은, 제조하고자 하는 이차 전지의 용도와 성능을 고려하되, 이차 전지(110)의 충전 상태 별로 측정한 방전 저항 프로파일에서 convex 패턴(정점을 전후로 하여 변곡점이 있음)이 나타나거나, 이차 전지(110)의 방전 심도 별로 측정한 개방 전압 프로파일에서 적어도 하나의 변곡점이 나타나도록 선택한다.
일 실시예에서, 방전 출력이 좋은 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 5:5로 설정할 수 있다.
다른 실시예에서, 고온 안전성이 좋은 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 2:8로 설정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제조 비용이 저렴한 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 1:9로 설정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 방전 출력이 좋고 고온 안전성이 우수한 이차 전지를 소망하는 경우, [Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 4:6으로 설정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 무게당 용량이 큰 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 9:1로 설정할 수 있다.
상술한 상기 제1 및 제2양극재의 선택과 혼합 비율의 조절 방식은 일 예시에 지나지 않는다. 따라서 혼합 양극재에 부여하고자 하는 전기화학적 물성들의 상대적 가중치와 밸런스를 고려하여 상기 제1 및 제2양극재를 적절하게 선택하고 각 양극재의 혼합 비율을 적절하게 설정할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명에 있어서, 상기 혼합 양극재에 포함될 수 있는 양극재들의 수는 2 가지로 한정되지 않는다. 일 실시예로서, 상기 혼합 양극재는 3가지의 서로 다른 양극재들을 포함할 수 있으며, 그 예로는 LiMn2O4, Li[LiaNixCoyMnzO2[a≥0; x+y+z=1; x, y 및 z 중 적어도 하나 이상은 0이 아님] 및 LiFePO4가 포함된 혼합 양극재를 들 수 있다. 또 다른 실시예로서, 상기 혼합 양극재는 4가지의 서로 다른 양극재들을 포함할 수 있으며, 그 예로는 LiNiO2, LiMn2O4, Li[LiaNixCoyMnzO2[a≥0; x+y+z=1; x, y 및 z 중 적어도 하나 이상은 0이 아님] 및 LiFePO4가 포함된 혼합 양극재를 들 수 있다.
또한, 혼합 양극재의 물성 개선을 위해 다른 첨가물들, 예컨대 도전제, 바인더 등이 혼합 양극재에 첨가되는 것을 특별히 제한하지 않는다. 따라서 적어도 2개의 양극재들이 포함된 혼합 양극재라면, 양극재들의 수와 다른 첨가물의 존재 여부와 무관하게 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '수단'이라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 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
상기 제어 수단(130)의 다양한 제어 로직들 및/또는 계산 로직들은 적어도 하나 이상이 선택적으로 조합됨으로써 그 자체로서 본 발명에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 방법의 일 실시 양태가 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 단계 S10에서, 상기 제어 수단(130)은 상기 저장 수단(160)으로부터 이차 전지의 파라미터를 추정하는데 필요한 제어 로직을 읽고 실행한다.
이어서, 단계 S20에서, 상기 제어 수단(130)은 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 한시적으로 충전되는 동안, 센서 수단(120)을 제어하여 근사 선형 방정식을 산출하는데 사용될 적어도 2개 이상의 전류-전압 데이터(보간 데이터)를 얻는다.
바람직하게, 상기 제어 수단(130)은, 이차 전지(110)의 분극 누적이 완화되었을 때 측정된 전류-전압 데이터를 얻기 위해, 방전 상태에 있는 이차 전지(110)의 방전 전류가 0까지 서서히 감소하다가 충전 모드로 전환되었을 때, 센서 수단(120)을 제어하여 근사 선형 방정식을 산출하는데 사용될 적어도 2개 이상의 전류-전압 데이터(보간 데이터)를 얻는다.
여기서, 상기 제어 수단(130)은 샘플링 방식 또는 직접 측정 방식에 의해 보간 데이터를 얻는다. 이에 대해서는, 이미 상술하였다.
바람직하게, 상기 보간 데이터에 포함된 전류-전압 데이터는, 충전 전류의 크기가 피크값에서 0으로 떨어지는 동안 측정된 전류-전압 데이터일 수 있다.
일 예시로서, 상기 보간 데이터에 포함된 전류-전압 데이터는, 충전 전류의 크기가 피크값을 기준으로, 1/3 미만, 바람직하게는 1/6 미만으로 떨어진 이후에 측정된 전류-전압 데이터일 수 있다. 물론, 전류-전압 데이터가 측정되는 충전 전류의 크기 조건은 이차 전지의 종류나 성능에 따라서 변경이 가능하다.
다음으로, 제어 수단(130)은, 단계 S30에서, 상기 보간 데이터를 이용하여 근사 선형 방정식을 산출한다. 그런 다음, 제어 수단(120)은, 단계 S40 에서, 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정한다. 그 다음, 제어 수단(120)은 단계 S50에서 추정된 개방 전압으로부터 이차 전지(110)의 충전 상태를 더 추정할 수 있다. 이차 전지(110)의 충전 상태는, 상술한 바와 같이, 룩업 테이블이나 룩업 함수를 이용하여 산출될 수 있다.
이차 전지(110)의 충전 상태 추정 시 이차 전지(110)의 온도가 고려되는 경우 도 2의 순서도는 제어 수단(130)이 센서 수단(120)을 이용하여 이차 전지(110)가 충전되는 동안 이차 전지(110)의 온도에 관한 데이터를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이차 전지(110)의 온도가 고려되는 경우, 상기 제어 수단(130)의 동작은 이미 설명한 바 있다.
또한, 도 2의 순서도는, 선택적인 단계로서, S60 내지 S80 단계 중에서 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
즉, 제어 수단(130)은, 단계 S60에서, 추정된 이차 전지(110)의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 저장 수단(160)에 기록할 수 있다. 또한, 상기 제어 수단(130)은, 단계 S70에서, 추정된 이차 전지(110)의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 표시 수단(150)을 통하여 그래픽 인터페이스(문자, 숫자, 그래프 등)로 출력할 수 있다. 또한, 상기 제어 수단(130)은 추정된 이차 전지(110)의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 전기구동 장치(200)의 컨트롤 유닛(230)으로 전송할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제어 수단(130)의 다양한 제어 로직들 및/또는 계산 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.
이하에서는 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나, 실험예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실험예1>
이차 전지의 제작
단일 양극재를 포함하는 이차 전지를 다음과 같은 규격으로 제작하였다.
- 양극재: LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2
- 음극재: 그라파이트
- 전해질: EC(Ethyl Carbonate)/DMC(DiMethyl Carbonate)/EMC(EthylMethyl Carbonate)가 3:4:3의 중량비로 혼합된 용매에 LiPF6 첨가
- 분리막: 양면에 무기물 입자가 코팅된 다공성 폴리올레핀 필름
- 포장재: 파우치 포장재
충방전 실험
도 3은 이차 전지의 충방전 전류 프로파일과 이차 전지의 전압 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
상기 충방전 전류 프로파일은 이차 전지가 하이브리드 자동차에 사용되는 것으로 가정하고 미국의 하이브리드 자동차 업계에서 차량 테스트의 표준으로 제시하는 LA(로스엔젤레스) 드라이빙 패턴을 모사한 것이다.
상기 충방전 전류 프로파일 중에서, 구간 A는 이차 전지가 방전되는 구간, 구간 B는 이차 전지가 충전되는 구간, 그리고 구간 C는 이차 전지의 충전과 방전이 중단되는 구간이다. 구간 B의 충전 전류 프로파일은, 하이브리드 자동차의 감속 시 이차 전지가 재생 충전되는 상황을 모사하고 있다. 따라서, 구간 B의 충전 전류 프로파일은, 충전 전류의 크기가 0으로부터 소정의 피크값까지 증가하였다가 다시 0으로 감소하는 패턴을 가진다. 충전 전류의 증가는 브레이크가 푸슁(pushing)될 때 일어나고 충전 전류의 감소는 브레이크가 풀링(pulling)될 때 일어난다.
도 4는 이차 전지가 도 3의 B 구간에서 충전되는 동안 측정된 이차 전지의 전류-전압 데이터를 플로팅한 그래프이다. 도 4를 참조하면, 전류-전압 데이터는 히스테리시스 루프의 형태를 갖는 프로파일로서 플로팅되며, 충전 전류의 크기가 피크값으로부터 0까지 감소하는 구간에서 측정된 전류-전압 데이터는 이차 전지의 실제 개방 전압(X 표시 지점)을 향해서 근사적으로 접근하는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
이차 전지의 제작
혼합 양극재를 포함하는 이차 전지를 다음과 같은 규격으로 제작하였다.
- 양극재: LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2와 LiFePO4가 7:3의 중량 비율로 브랜딩된 혼합 양극재
- 음극재: 그라파이트
- 전해질: EC/DMC/EMC가 3:4:3의 중량비로 혼합된 용매에 LiPF6 첨가
- 분리막: 양면에 무기물 입자가 코팅된 다공성 폴리올레핀 필름
- 포장재: 파우치 포장재
이차 전지의 특성 관찰
이차 전지가 충전되는 동안에는, 양극재로부터 리튬 이온이 탈리되어 음극재에 삽입된다. 그런데, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2와 LiFePO4는 이차 전지의 충전 전압이 변화함에 따라서 리튬 이온의 탈리 농도가 변화한다. 즉, 전압이 낮은 충전 구간에서는, LiFePO4로부터 리튬 이온이 탈리되고, 전압이 높은 충전 구간에서는 LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2로부터 리튬 이온이 탈리된다. 따라서 중간 전압 구간에서 리튬 이온이 탈리되는 양극재의 종류가 LiFePO4에서 LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2로 변경된다.
이러한 현상의 발생은, 이차 전지의 충전 과정에서 측정되는 전압 프로파일에서 변곡점이 생기는 것을 통해 간접적으로 확인할 수 있다. 변곡점이 생기는 이유는, 리튬 이온의 탈리 반응에 관여하는 양극재가 변경되면 이차 전지의 내부 저항이 달라져서 동일한 충전전류가 이차 전지에 흘러도 전압 변화 폭이 달라지기 때문이다.
도 5는 이차 전지의 충방전 전류 프로파일과 전압 변화 프로파일을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도면을 참조하면, 이차 전지는 10-20초 구간에서 방전된 후 20초부터 정전류로 충전이 되었으며, 20초부터 측정된 전압 프로파일에서 변곡점(3.35V 부근)이 관찰된다. 점선 프로파일은 양극재로서 LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2만 사용된 이차 전지의 전압 변화 프로파일이다. 점선 프로파일은 실선 프로파일과 상당한 대조를 이룬다.
변곡점 부근에서는, 전압의 변화율이 빠르게 변화한다. 따라서, 변곡점 근처의 전압 대역에서 리튬 이온이 탈리되는 양극재가 LiFePO4에서 LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2로 변경되었다고 볼 수 있다. 변곡점이 생기는 전압 대역은 양극재를 구성하는 양극재들의 종류와 브랜딩 비율에 따라서 얼마든지 변경될 수 있다.
2개 이상의 양극재가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지는, 방전 저항 프로파일 및 개방 전압 프로파일에서도 독특한 변화 양상을 보여준다.
도 6과 도 7은 각각 이차 전지의 충전 상태 별로 측정한 이차 전지의 방전 저항 프로파일과 이차 전지의 방전 심도(DOD) 별로 측정한 개방 전압 프로파일을 나타낸 그래프들이다.
도면에서, SOC(State Of Charge)는 충전 상태를, DOD(Depth Of Discharge)는 방전 심도를 나타내고, DOD는 (1-SOC)에 해당한다.
도 6을 참조하면, 이차 전지의 내부 저항이 국소적으로 증가하였다가 감소하는 convex 패턴이 나타나고, convex 패턴의 정점을 전후로 2개의 변곡점(점선 원 참조)이 생기는 것을 관찰할 수 있다. 그리고, 도 7을 참조하면, 개방 전압 프로파일에서도 변곡점을 관찰할 수 있다.
이처럼, 방전 저항 및 개방 전압 프로파일에서 Convex 패턴과 변곡점이 관찰되는 이유는, 이차 전지가 충전될 때 리튬 이온이 탈리되는 양극재의 종류가 변경되면서 이차 전지의 내부 저항 특성이 달라지기 때문이다.
충방전 실험
도 8은 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 충방전 전류 프로파일과 이차 전지의 전압 변화를 측정한 그래프이다.
상기 충방전 전류 프로파일은 이차 전지가 하이브리드 자동차에 사용된다고 가정하고 미국의 하이브리드 자동차 업계에서 차량 테스트의 표준으로 제시되는 LA(로스엔젤레스) 드라이빙 패턴을 모사한 것이다.
상기 충방전 전류 프로파일 중에서, 구간 A는 이차 전지가 방전되는 구간, 구간 B는 이차 전지가 충전되는 구간, 그리고 구간 C는 이차 전지의 충전과 방전이 중단되는 휴지 구간이다. 구간 B의 충전 전류 프로파일은, 하이브리드 자동차의 감속 시 이차 전지가 재생 충전되는 상황을 모사하고 있다. 따라서, 구간 B의 충전 전류 프로파일은, 충전 전류의 크기가 0으로부터 소정의 피크값까지 증가하였다가 다시 0으로 감소하는 패턴을 가진다.
도 8의 전압 변화를 참고하면, 구간 B에 대응되는 이차 전지의 전압 프로파일에서 변곡점(점선 원)이 관찰된다. 따라서 구간 B에서 충전이 진행될 때 변곡점 근처에서 리튬 이온이 탈리되는 양극재가 LiFePO4에서 LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2로 변경된다고 볼 수 있다.
도 9는 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지가 구간 B에서 충전되는 동안 측정된 이차 전지의 전류-전압 데이터를 플로팅한 그래프이다. 도 9를 참조하면, 전류-전압 데이터는 히스테리시스 루프의 형태를 갖는 프로파일로서 플로팅되며, 충전 전류의 크기가 피크값으로부터 0까지 감소하는 구간에서 측정된 전류-전압 데이터는 이차 전지의 실제 개방 전압(X 표시 지점)을 향해서 근사적으로 접근하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 실험 결과는 단일 양극재를 포함하는 이차 전지의 실험 결과와 동일하다.
<실험예 3>
본 실험에서는, 본 발명을 이용하여 실험예 1에서 제작한 이차 전지의 충전 상태를 추정하였을 때 이차 전지의 실측된 충전 상태와 어느 정도의 오차를 보이는지 측정해 보았다.
도 10은 근사 선형 방정식을 산출할 때 사용한 2개의 전류-전압 데이터(보간 데이터)를 전류-전압 프로파일 상에 표시한 것이다. 하나는, 충전 전류의 크기가 피크값에서 15A까지 떨어졌을 때 측정한 데이터이고, 다른 하나는 전류의 크기가 피크값에서 5A까지 떨어졌을 때 측정한 데이터이다. 상기 보간 데이터를 구성하는 전류-전압 데이터는 모두 충전 전류의 크기가 피크값(65 ampere) 대비 전 1/3 미만(20 ampere)으로 떨어졌을 때 측정한 데이터이다.
도 11은, 2개의 전류-전압 데이터를 이용하여 근사 선형 방정식을 산출하였을 때, Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 개념을 표시한 그래프이다.
도 12는, LA 드라이빙을 모사할 수 있는 운전 패턴에 따라 이차 전지를 소정 시간 동안 방전(주행 시) 및 회생 충전(브레이킹 시)시키는 과정을 반복하는 동안, 이차 전지가 회생 충전되는 동안 본 발명을 이용하여 충전 상태를 추정하였을 때 그 정확도가 어느 정도 되는지 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
이차 전지의 충전 상태를 추정할 때에는, 이차 전지가 회생 충전되는 동안 도 10에 도시된 조건에 의해 2개의 전류-전압 데이터를 샘플링하고, 샘플링된 데이터를 이용하여 근사 선형 방정식의 Y 절편을 구하고, Y절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하고, 개방 전압 별로 충전 상태를 사전에 정의한 룩업 테이블을 참조하여 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 맵핑하는 방식으로 이차 전지의 충전 상태를 추정하였다.
도 12에서, 가로축은 시간(min)을, 세로축은 방전심도(DOD)를 나타낸다. 방전심도 DOD는 (1-충전상태)에 해당하므로, 도 12는 충전 상태의 측정 결과라고 보아도 무방하다.
도 12에는 2개의 프로파일이 도시되어 있는 데, 삼각형으로 표시된 프로파일은 본 발명에 의해 추정된 충전 상태의 변화를, 원으로 표시된 프로파일은 실제 충전 상태의 변화를 보여준다.
도 12에는 4개의 타임 라인(세로 점선)이 표시되어 있는데, 각각의 타임 라인이 표시된 포인트에서, 이차 전지의 방전과 회생 충전을 1시간 동안 휴지시켰다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 의해 추정된 이차 전지의 충전 상태가 실제 충전 상태를 잘 추종하는 것을 볼 수 있으며, 오차도 5% 이내임을 확인할 수 있다.
암페어 카운팅을 통해 이차 전지의 충전 상태를 추정할 경우, 전류 카운팅의 오차가 시간 경과에 따라 누적되는데 반해, 본 발명은 오차의 누적 없이 이차 전지의 충전 상태를 5% 이내의 오차 범위 내에서 비교적 정확하게 추정할 수 있음을 알 수 있다.
이상의 실험 결과는, 본 발명에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법이, 이차 전지가 충전 및 방전되는 다이나믹한 상황에서도 이차 전지의 개방 전압 및/또는 충전 상태를 간단하고 정확하게 추정할 수 있음을 뒷받침해 준다.
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.
110: 이차 전지 120: 센서 수단
130: 제어 수단 150: 표시 수단
160: 저장 수단 210: 부하
220: 충전 유닛 230: 컨트롤 유닛

Claims (25)

  1. 이차 전지의 동작 모드가 방전 모드에서 충전 모드로 변경된 이후에 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 과정에서, 상기 충전 전류가 감소하는 동안 복수의 전류-전압 데이터를 측정하는 센서 수단; 및
    상기 센서 수단으로부터 상기 복수의 전류-전압 데이터를 입력받고, 상기 복수의 전류-전압 데이터로부터 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식을 산출하고, 상기 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 추정된 개방 전압으로부터 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서 수단은, 상기 충전 전류의 크기가 피크 값 대비 1/3 미만으로 감소된 이후에 상기 복수의 전류-전압 데이터를 측정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센서 수단은, 상기 충전 전류의 크기가 피크 값 대비 1/6 미만으로 감소된 이후에 상기 복수의 전류-전압 데이터를 측정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 개방 전압과 충전 상태의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 이용하여 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 센서 수단은, 이차 전지의 온도를 측정하여 상기 제어 수단으로 제공하고,
    상기 제어 수단은, 개방 전압 및 온도와 충전 상태의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 이용하여 상기 이차 전지의 온도와 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서 수단은, 충전 전류가 0부터 피크 값까지 증가하였다가 다시 0으로 감소하는 충전 전류 프로파일에 의해 이차 전지가 재생 충전될 때, 상기 충전 전류가 피크 값으로부터 0까지 감소하는 동안, 상기 복수의 전류-전압 데이터를 측정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 센서 수단은, 상기 이차 전지의 방전 전류가 0까지 서서히 감소한 후 상기 충전 전류 프로파일에 의해 이차 전지가 재생 충전될 때, 상기 복수의 전류-전압 데이터를 측정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 2개 이상의 양극재가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  10. 이차 전지의 동작 모드가 방전 모드에서 충전 모드로 변경된 이후에 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 동안 시간 간격을 두고 전류-전압 데이터를 반복적으로 측정하는 센서 수단; 및
    상기 센서 수단으로부터 상기 전류-전압 데이터를 입력 받고, 상기 충전 전류가 상기 피크값으로부터 감소하는 동안 측정된 복수의 전류-전압 데이터를 식별하고, 상기 복수의 전류-전압 데이터로부터 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식을 산출하고, 상기 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 추정된 개방 전압으로부터 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 충전 전류의 크기가 상기 피크 값 대비 1/3 미만으로 감소된 이후에 측정된 전류-전압 데이터 중에서 상기 복수의 전류-전압 데이터를 식별하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 충전 전류의 크기가 상기 피크 값 대비 1/6 미만으로 감소된 이후에 측정된 전류-전압 데이터 중에서 상기 복수의 전류-전압 데이터를 식별하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    개방 전압과 충전 상태의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 이용하여 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 센서 수단은, 이차 전지의 온도를 측정하여 상기 제어 수단으로 제공하고,
    상기 제어 수단은, 개방 전압 및 온도와 충전 상태의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블 또는 룩업 함수를 이용하여 상기 이차 전지의 온도와 상기 추정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  16. 제10항에 있어서, 상기 센서 수단은,
    충전 전류가 0부터 피크값까지 증가하였다가 다시 0으로 감소하는 패턴으로 이차 전지가 재생 충전될 때, 상기 충전 전류가 피크 값으로부터 0까지 감소하는 동안, 시간 간격을 두고 전류-전압 데이터를 반복적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 센서 수단은,
    상기 이차 전지의 방전 전류가 0까지 서서히 감소한 후 상기 이차 전지가 재생 충전될 때, 시간 간격을 두고 전류-전압 데이터를 반복적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 이차 전지는 2개 이상의 양극재가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  19. 제1항에 따른 장치를 포함하는 전기구동 장치.
  20. 이차 전지의 동작 모드가 방전 모드에서 충전 모드로 변경된 이후에 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 과정에서, 상기 충전 전류가 감소하는 동안 복수의 전류-전압 데이터를 측정하는 단계;
    상기 측정된 복수의 전류-전압 데이터로부터 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식을 산출하는 단계; 및
    상기 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 추정된 개방 전압으로부터 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 추정된 개방 전압 또는 상기 추정된 충전 상태를 표시, 저장 또는 출력하는 하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  23. 이차 전지의 동작 모드가 방전 모드에서 충전 모드로 변경된 이후에 충전 전류가 피크값까지 증가하였다가 다시 감소하는 패턴으로 이차 전지가 충전되는 동안 시간 간격을 두고 전류-전압 데이터를 반복적으로 측정하는 단계;
    상기 측정된 전류-전압 데이터 중에서, 상기 충전 전류가 상기 피크값으로부터 감소하는 동안 측정된 복수의 전류-전압 데이터를 식별하는 단계;
    상기 식별된 복수의 전류-전압 데이터로부터 전류와 전압 사이의 상관 관계를 나타내는 근사 선형 방정식을 산출하는 단계; 및
    상기 근사 선형 방정식의 Y 절편을 이차 전지의 개방 전압으로 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 추정된 개방 전압으로부터 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 추정된 개방 전압 또는 상기 추정된 충전 상태를 표시, 저장 또는 전송하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2952919B1 (en) * 2012-12-04 2021-03-24 LG Chem, Ltd. Method and system with an apparatus for estimating a parameter of a secondary battery
KR101798201B1 (ko) 2014-10-01 2017-11-15 주식회사 엘지화학 이차 전지의 방전 출력 추정 방법 및 장치
KR102038610B1 (ko) 2016-12-05 2019-10-30 주식회사 엘지화학 배터리 관리 장치 및 방법
CN106383324B (zh) * 2016-12-07 2019-07-09 上海动力储能电池系统工程技术有限公司 一种基于容量衰减机理分解分析的锂离子电池寿命预测方法
CN111164437B (zh) * 2018-04-10 2022-05-31 株式会社Lg化学 用于诊断电池的设备和方法
PL3674730T3 (pl) * 2018-04-10 2021-08-16 Lg Chem, Ltd. Sposób i urządzenie do diagnostyki akumulatora
KR102258821B1 (ko) * 2018-04-30 2021-05-31 주식회사 엘지에너지솔루션 이차 전지 테스트 장치 및 방법
WO2020090429A1 (ja) * 2018-10-30 2020-05-07 住友電気工業株式会社 パラメータ推定システム、パラメータ推定装置、車両、コンピュータプログラム及びパラメータ推定方法
JP7396813B2 (ja) * 2019-06-06 2023-12-12 パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブ アメリカ 開回路電圧計測方法、開回路電圧計測装置、及びプログラム
US11342594B2 (en) * 2019-11-29 2022-05-24 Robert Bosch Gmbh Management systems and methods for silicon-containing lithium-ion batteries
CN112834935A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 东软睿驰汽车技术（沈阳）有限公司 一种获得电池电芯开路电压的方法及装置
KR102560584B1 (ko) * 2021-03-11 2023-08-02 경북대학교 산학협력단 클라우드 기반 배터리 상태 분석 시스템 및 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002186104A (ja) 2000-10-06 2002-06-28 Yazaki Corp バッテリ容量演算方法及びその装置
KR20060039445A (ko) * 2003-07-29 2006-05-08 파나소닉쿠 이브이에나지 가부시키가이샤 2차 전지의 충방전 전기량 추정 방법 및 장치
JP2007121030A (ja) * 2005-10-26 2007-05-17 Denso Corp 車両用蓄電装置の内部状態検出装置
JP2009145065A (ja) 2007-12-11 2009-07-02 Toyota Motor Corp 二次電池の状態検出装置

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH054736U (ja) * 1991-06-28 1993-01-22 星和電機株式会社 バツテリ充電装置
JPH0831461A (ja) * 1994-07-11 1996-02-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd リチウム２次電池の充電器
JP3752888B2 (ja) * 1999-05-11 2006-03-08 トヨタ自動車株式会社 電池状態検出装置
JP2001223033A (ja) * 2000-02-07 2001-08-17 Hitachi Ltd 電池システム及び電池の状態検出方法
US6677082B2 (en) 2000-06-22 2004-01-13 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
US6680143B2 (en) 2000-06-22 2004-01-20 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
DE10207659B4 (de) * 2001-02-23 2006-09-28 Yazaki Corp. Verfahren und Vorrichtung zum Schätzen einer Klemmenspannung einer Batterie, Verfahren und Vorrichtung zum Berechnen einer Leerlaufspannung einer Batterie sowie Verfahren und Vorrichtung zum Berechnen der Batteriekapazität
JP4043977B2 (ja) * 2003-03-11 2008-02-06 株式会社日本自動車部品総合研究所 二次電池の内部抵抗検出装置および内部抵抗検出方法
CN100520431C (zh) * 2003-07-29 2009-07-29 松下电动车辆能源股份有限公司 二次电池的充放电电量推定方法及装置
JP4623448B2 (ja) * 2005-04-20 2011-02-02 株式会社デンソー 二次電池の残存容量演算方法
KR100985667B1 (ko) 2007-08-22 2010-10-05 주식회사 엘지화학 배터리 개방전압 추정장치, 이를 이용한 배터리 충전상태추정장치 및 그 제어 방법
JP5091067B2 (ja) * 2008-09-17 2012-12-05 カルソニックカンセイ株式会社 組電池の残量推定方法及び装置
EP2351184A4 (en) * 2008-10-10 2014-07-09 Deeya Energy Technologies Inc METHOD AND APPARATUS FOR ESTABLISHING BATTERY CHARGE STATUS
EP2405510B1 (en) * 2009-03-03 2015-11-25 LG Chem, Ltd. Lithium secondary battery containing high energy density positive electrode materials and an organic/inorganic composite microporous separator membrane
JP5332983B2 (ja) * 2009-07-08 2013-11-06 トヨタ自動車株式会社 電池システム
JP5638779B2 (ja) * 2009-08-24 2014-12-10 三洋電機株式会社 二次電池の特性検出方法および二次電池装置
KR101863036B1 (ko) * 2011-11-30 2018-06-01 주식회사 실리콘웍스 배터리 잔존전하량 추정방법 및 배터리 관리시스템
EP2952919B1 (en) * 2012-12-04 2021-03-24 LG Chem, Ltd. Method and system with an apparatus for estimating a parameter of a secondary battery

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002186104A (ja) 2000-10-06 2002-06-28 Yazaki Corp バッテリ容量演算方法及びその装置
KR20060039445A (ko) * 2003-07-29 2006-05-08 파나소닉쿠 이브이에나지 가부시키가이샤 2차 전지의 충방전 전기량 추정 방법 및 장치
JP2007121030A (ja) * 2005-10-26 2007-05-17 Denso Corp 車両用蓄電装置の内部状態検出装置
JP2009145065A (ja) 2007-12-11 2009-07-02 Toyota Motor Corp 二次電池の状態検出装置

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