KR101487494B1 - 이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법 - Google Patents

이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법을 제공한다. 상기 장치는, 제1방전심도(DOD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DOD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 센서; 및 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하고, 상기 오리지널 음극 전압(Va,o)에 대응되는 제2방전심도(DOD'')를 결정하고, 상기 제1방전심도(DOD')와 상기 제2방전심도(DOD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 제어부(control unit);을 포함한다.

Description

이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법{Apparatus and Method for estimating parameter for secondary battery}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 전기적 상태를 나타내는 파라미터를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
2전지는 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 무 정전 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.
한편, 이차 전지의 방전 심도(Depth of Discharge: DoD)는 이차 전지가 방전될 때 이차 전지의 오리지널 용량을 기준으로 이차 전지의 용량이 어느 정도 방전되었는지를 0-1의 범위에서 상대적으로 나타내 준다.
여기서, 상기 오리지널 용량은 BOL(Beginning Of Life) 상태에 있는 이차 전지가 충전 상한 전압부터 방전 종지 전압까지 방전되는 과정에서 이차 전지로부터 흘러 나가는 전류의 량을 적산한 값을 의미한다.
예를 들어, 이차 전지의 오리지널 용량이 1000mAh이고 이차 전지가 만 충전된 이후에 이차 전지로부터 흘러 나간 방전 전류를 적산한 값이 700mAh라고 가정하면, 이 때의 방전 심도는 0.7로 계산될 수 있다.
이차 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 화학 물질(예컨대, 리튬 이온)은 충전 및 방전 사이클이 증가함에 따라서 비가역적으로 소실된다. 이러한 화학 물질의 소실은 이차 전지의 용량 퇴화(capacity degradation)를 야기하며, 용량 퇴화가 진행된 이차 전지는 방전 심도가 1에 도달하기도 전에 이차 전지의 전압이 방전 종지 전압에 도달하게 된다. 따라서, 방전 종지 전압에 도달할 때의 방전 심도는 용량 퇴화에 비례하여 감소한다.
예를 들어, 이차 전지의 방전 종지 전압이 3.0V이고 이차 전지의 용량 퇴화가 20% 진행되었으면, 이차 전지의 방전 심도가 0.80까지 증가하였을 때 이차 전지의 전압이 방전 종지 전압인 3.0V까지 감소하게 된다.
이차 전지의 용량 퇴화는, 이차 전지의 충전 상태(State Of Charge)를 정확하게 계산하는데 필요한 파라미터이다. 충전 상태는, 용량 퇴화가 반영된 이차 전지의 전체 용량을 기준으로 현재 남아 있는 이차 전지의 용량을 0-1의 범위에서 상대적으로 나타내는 파라미터이다.
이차 전지의 충전 상태는, 하기 수학식 1과 같이 이차 전지의 방전 심도를 이용하여 계산이 가능하다.
[수학식 1]
SOC = (DoDmax - DoD) / DoDmax
DoDmax=1-△Capa
여기서, SOC는 이차 전지의 충전 상태를, DoDmax는 이차 전지가 방전 종지 전압에 도달할 때의 방전 심도를, DoD는 현재의 방전 심도를, 및 △Capa는 0-1의 범위에서 이차 전지의 용량 퇴화를 나타내는 파라미터들이다.
상기 수학식 1에서, DoD는 측정 가능한 파라미터이므로, 결국 이차 전지의 충전 상태는 △Capa로 나타낸 이차 전지의 용량 퇴화에 의해 결정된다.
이차 전지의 용량 퇴화는, 이차 전지를 충전 상한 전압까지 충전시킨 후 방전 종지 전압까지 완전 방전(full discharge)을 진행하는 과정에서 이차 전지로부터 흘러 나가는(drawn) 전류의 량을 적산하고, 적산된 전류량을 오리지널 용량과 비교하면 정확한 계산이 가능하다.
하지만 이차 전지가 실제 사용되는 환경에서는 이차 전지의 용량 퇴화를 정확하게 계산할 수 있는 완전 방전 이벤트가 좀처럼 발생되지 않는다. 따라서 당업계에서는 간접적으로 이차 전지의 용량 퇴화를 추정하는 방법이 사용되고 있다.
예를 들어, 이차 전지의 내부 저항은 용량 퇴화와 상관 관계가 있으므로 이차 전지의 전압과 전류를 샘플링하여 이차 전지의 내부 저항 변화를 추정하고 내부 저항 변화 량에 따라 이차 전지의 용량 퇴화를 추정할 수 있다.
하지만, 이러한 방법으로는 이차 전지의 용량 퇴화를 정확하게 측정할 수 없으며, 이차 전지의 온도 변화에 따라 용량 퇴화에 대한 추정의 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 이차 전지가 사용되는 환경에서 이차 전지의 용량 퇴화를 간단하고 정확하게 추정할 수 있는 이차 전지의 파라미터 추정 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 추정된 용량 퇴화를 이용하여 이차 전지의 개방 전압, 방전 심도 또는 충전 상태를 추정할 수 있는 이차 전지의 파라미터 추정 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 이차 전지의 파라미터 추정 장치는, 제1방전심도(DoD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DoD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 센서; 및 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하고, 상기 오리지널 음극 전압(Va ,o)에 대응되는 제2방전심도(DoD'')를 얻고, 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 제어부;을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 오리지널 음극 전압(Va, o)는 각각 이차 전지의 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때 방전 심도에 따라 미리 측정한 이차 전지의 양극 전압과 음극 전압으로서 실험을 통해 미리 측정해 놓는 전압 값이다.
상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 오리지널 음극 전압(Va, o)은 전위가 0이 될 수 있는 기준 전극(예컨대, 리튬 전극)을 기준으로 측정될 수 있다.
상기 이차 전지의 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때란, 이차 전지가 제조된 직후로서, 예를 들어 이차 전지의 충/방전 사이클이 아직 시작되지 않은 때(Beginning Of Life: BOL)를 의미한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치는, 방전 심도 별로 측정한 오리지널 양극 전압(Vc ,o)과 오리지널 음극 전압(Va , o)을 프로파일 데이터로서 저장하고 있는 저장부를 더 포함할 수 있다.
이하, 방전 심도 별로 측정된 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 오리지널 음극 전압(Va, o)을 각각 오리지널 양극 전압 프로파일과 오리지널 음극 전압 프로파일로서 명명한다.
상기 음극 전압(Va)은 이차 전지의 음극에 형성된 현재 전압을 의미하며, 상기 오리지널 양극 전압(Vc ,o)과 상기 개방 전압(OCVm)의 차이로부터 계산할 수 있다.
상기 제1방전 심도(DoD')는, 암페어 카운팅 방법에 의해 계산한 이차 전지의 전류 적산량과 이차 전지의 오리지널 용량의 상대적 비율에 해당한다.
바람직하게, 상기 센서는 이차 전지가 충전 또는 방전되는 동안 전류를 측정하고 전류의 측정 값을 제어부로 제공할 수 있고, 상기 제어부는 방전 전류의 측정 값을 적산하여 상기 제1방전 심도(DoD')를 산출할 수 있다. 상기 저장부는 이차 전지의 오리지널 용량을 저장할 수 있고, 상기 제어부는 상기 제1방전 심도(DoD')의 산출 시 상기 저장부에 저장된 이차 전지의 오리지널 용량을 참조할 수 있다. 상기 개방 전압(OCVm)을 측정하는 기준이 되는 제1방전 심도(DoD')의 레벨은 고정된 값으로 미리 설정될 수도 있고 임의로 가변될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 결정된 용량 퇴화만큼 이차 전지의 오리지널 음극 전압 프로파일을 쉬프트시키고, 상기 오리지널 양극 전압 프로파일과 상기 쉬프트된 오리지널 음극 전압 프로파일로부터 이차 전지의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻을 수 있고, 선택적으로 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일을 저장부에 저장할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 이차 전지의 개방 전압을 측정하고, 상기 측정된 개방 전압을 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 방전심도(DoD)를 결정할 수 있고, 선택적으로 상기 결정된 방전 심도(DoD)와 상기 결정된 용량 퇴화(△capa)를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 추정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 결정된 용량 퇴화, 상기 결정된 개방 전압, 상기 결정된 방전 심도 및 상기 결정된 충전 상태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 파라미터를 저장하거나 전송하거나 표시할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 제1방전심도(DOD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DOD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 단계; 상기 오리지널 양극 전압(Vc ,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va ,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하는 단계; 상기 오리지널 음극 전압(Va,o)에 대응되는 제2방전심도(DOD'')를 얻는 단계; 및 상기 제1방전심도(DOD')와 상기 제2방전심도(DOD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
선택적으로, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 상기 결정된 용량 퇴화만큼 이차 전지의 오리지널 음극 전압 프로파일을 쉬프트시키고, 상기 오리지널 양극 전압 프로파일과 상기 쉬프트된 오리지널 음극 전압 프로파일로부터 이차 전지의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 이차 전지의 개방 전압을 측정하고, 상기 측정된 개방 전압을 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 방전심도를 결정하는 단계; 및 선택적으로 상기 결정된 방전심도와 상기 결정된 용량 퇴화를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도를 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 개방 전압을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 이차 전지의 파라미터 추정 방법은, 상기 결정된 용량 퇴화, 상기 결정된 개방 전압, 상기 결정된 방전 심도 및 상기 결정된 충전 상태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 파라미터를 저장하거나 전송하거나 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이차 전지는, 서로 다른 동작 전압 범위를 가지는 제1양극재 및 제2양극재를 포함하는 혼합 양극재를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1양극재 및 상기 제2양극재 중 적어도 하나는 전압 평탄 영역을 포함하는 전압 프로파일을 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2양극재들은 전압이 변화함에 따라 이들과 반응하는 작동 이온의 반응 농도가 서로 상이하며, 고유 전압 대역에서 유휴 상태 또는 무 부하 상태가 되었을 때 상호 간에 상기 작동 이온을 전달하는 것을 통해 전압 이완(voltage relaxation)이 가능하다. 상기 이차 전지는 상기 고유 전압 대역을 포함하는 전압 범위에서 충전 또는 방전될 수 있다.
여기서, 상기 작동 이온은 혼합 양극재가 포함된 이차 전지가 충전 또는 방전되는 과정에서 상기 제1 및 제2양극재와 전기 화학적으로 반응을 하는 이온을 지칭한다. 상기 작동 이온은 이차 전지의 종류에 따라 달라질 수 있다. 일 예로, 리튬 이차 전지인 경우 작동 이온은 리튬 이온일 수 있다.
상기 전기 화학적 반응은 이차 전지의 작동 메커니즘에 따라 달라질 수 있다. 일 예시로서, 상기 전기 화학적 반응은 작동 이온이 상기 제1양극재 및/또는 상기 제2양극재의 내부로 삽입되거나 그 반대로 내부로부터 탈리되는 것을 의미할 수 있다. 이러한 경우, 상기 제1 및 제2양극재에 삽입되는 작동 이온의 농도 또는 상기 제1 및 제2양극재로부터 탈리되는 작동 이온의 농도는 이차 전지의 전압이 변함에 따라 달라질 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 및 제2양극재는 작동 이온에 대하여 동작 전압 범위가 서로 다르다. 일 예로, 이차 전지가 방전되는 조건에서 어느 전압 대역에서는 상기 제2양극재보다 상기 제1양극재에 작동 이온이 우선적으로 삽입되고 다른 전압 대역에서는 그 반대가 될 수 있다. 다른 예로, 이차 전지가 충전되는 조건에서 어느 전압 대역에서는 상기 제1양극재보다 상기 제2양극재로부터 작동 이온이 우선적으로 탈리되고 다른 전압 대역에서는 그 반대가 될 수 있다.
상기 유휴 상태는, 이차 전지가 탑재된 장치의 메인 부하 측으로 크기가 큰 방전 전류가 이차 전지로부터 빠져 나가는(drawn) 상태가 중단되고 상기 장치에 포함된 전자 디바이스에서 필요로 하는 최소한의 방전 전류가 이차 전지로부터 빠져 나가는(drawn) 상태를 의미한다. 상기 이차 전지가 유휴 상태가 되면, 상기 이차 전지로부터 빠져 가나는 방전 전류의 크기가 상당히 작다. 상기 이차 전지가 유휴 상태가 되었을 때 이차 전지로부터 빠져 나가는 전류의 크기는 일정하거나 실질적으로 일정하거나 가변될 수 있다.
예를 들어, (i) 이차 전지가 전기 자동차에 탑재되어 있는 경우, 운전자가 키 온을 한 직후에 상기 이차 전지가 모터 측으로 방전 전류를 공급하지는 않지만, 전기 자동차에 탑재되어 있는 컴퓨터 유닛이나 오디오 기기 등에 크기가 작은 방전 전류를 공급하는 상태, (ii) 상기 전기 자동차가 운행 중에 교통 신호 대기를 위해 잠시 멈추거나 상기 전기 자동차가 주차된 이후 컴퓨터 유닛이 슬립 모드로 전환된 상태, (iii) 이차 전지가 탑재된 정보 통신 기기의 사용이 전원의 턴 오프 없이 일정 시간 이상 중단된 경우 상기 정보 통신 기기의 프로세서가 에너지 절약을 위해 슬립 모드로 전환된 상태 등을 들 수 있다.
상기 무 부하 상태는 이차 전지의 충전 또는 방전이 중단되어 이차 전지의 용량 변화가 실질적으로 없는 상태를 의미한다.
상기 전압 이완은 이차 전지가 유휴 상태 또는 무 부하 상태가 되었을 때 상기 제1 및 제2양극재 사이에 전위차가 생기고 상기 전위차에 의해 양극재들 사이에서 작동 이온의 이동이 유발됨으로써 상기 전위차가 시간의 흐름에 따라 해소되는 현상을 지칭한다.
여기서, 상기 전압 이완은 혼합 양극재가 포함된 이차 전지가 고유 전압 대역에서 방전 상태에 있다가 유휴 상태 또는 무 부하 상태로 전환되었을 때 생긴다. 상기 이차 전지가 고유 전압 대역에서 방전 상태에 있게 되면, 상기 제1 및 제2양극재 중에서 작동 이온과 반응을 잘하는 양극재는 작동 이온과 반응을 할 수 있는 잔여 용량이 얼마 남아 있지 않은 상태가 됨으로써 다른 한 쪽 양극재가 작동 이온과 반응을 하기 시작한다.
이러한 조건에서, 이차 전지가 유휴 상태 또는 무 부하 상태로 전환되면, 상기 제1양극재와 상기 제2양극재의 표면 근처에 있던 작동 이온이 서로 다른 확산 속도를 가지고 해당 양극재의 중심부로 확산되면서 양극재들 사이에 전위차가 생기게 된다. 이렇게 생긴 전위차는 양극재들 사이에서 작동 이온의 이동을 유발시키며 그 결과로서 양극재들의 전위차가 해소되는 전압 이완을 일으킨다.
이러한 전압 이완을 고려할 때, 유휴 상태 또는 무 부하 상태를 다음과 같은 관점에서도 정의할 수 있다. 즉, 이차 전지로부터 방전 전류가 빠져나가면 작동 이온이 양극재들에 삽입된다. 하지만, 방전 전류의 크기가 작으면 작동 이온이 양극재들에 삽입되더라도 전압 이완이 여전히 나타날 수 있다. 따라서 양극재들 사이에 전압 이완이 생기는 것을 방해하지 않을 정도의 작은 방전 전류가 흐르는 상태 또는 방전 전류가 전혀 흐르지 않는 상태를 유휴 상태 또는 무 부하 상태라고 정의할 수 있다.
상기 고유 전압 대역은 상기 제1 및 제2양극재의 종류, 이차 전지의 충전 또는 방전 전류의 크기, 이차 전지가 유휴 상태 또는 무 부하 상태가 되었을 때 이차 전지의 충전 상태 등을 포함한 다양한 요인에 의해 변동될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재가 고유 전압 대역에서 보여주는 전압 이완 현상은 다음과 같은 조건 중 적어도 하나 이상을 충족하는 양극재들 사이에서 발생될 수 있다.
일 예로, 상기 전압 이완은 상기 제1 및 제2양극재에 대해 dQ/dV 분포를 측정하였을 때 각 양극재의 dQ/dV 분포에서 나타나는 메인 피크의 위치 및/또는 상기 메인 피크의 강도가 차이를 보일 때 발생될 수 있다. 여기서, dQ/dV 분포는 양극재에 대한 작동 이온의 전압 별 용량 특성을 의미한다. 따라서, dQ/dV 분포에서 나타나는 메인 피크의 위치 및/또는 상기 메인 피크의 강도가 차이를 보이는 양극재들은 서로 다른 동작 전압 범위를 가진다고 볼 수 있다. 상기 메인 피크에 대한 위치 차이는 상기 제1 및 제2양극재의 종류에 따라 달라질 수 있는데, 일 예로 상기 메인 피크의 위치 차이는 0.1 ~ 4V일 수 있다.
다른 예로, 상기 전압 이완은 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지에 대해 SOC 별로 방전 저항을 측정해 보았을 때 방전 저항 프로파일이 Convex 패턴(소위 볼록한 모양)을 가질 때 발생될 수 있다.
또 다른 예로, 상기 전압 이완은 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지에 대해 SOC 별로 방전 저항을 측정해 보았을 때 방전 저항 프로파일이 상기 Convex 패턴의 정점을 전후로 하여 적어도 2개의 변곡점을 가질 때 발생될 수 있다.
또 다른 예로, 상기 전압 이완은 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지가 적어도 1번의 전압 평탄 영역(plateau)이 포함된 충전 또는 방전 프로파일을 가질 때 발생될 수 있다. 여기서, 상기 전압 평탄 영역은 변곡점이 존재하면서 변곡점을 전후로 하여 전압 변화가 작은 영역을 의미한다.
또 다른 예로, 상기 전압 이완은 상기 혼합 양극재에 포함된 제1양극재 및 제2양극재 중 적어도 하나가 전압 평탄 영역을 포함하는 전압 프로파일을 가질 때 발생될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재로서 사용될 수 있는 물질은 고유 전압 대역에서 전압 이완을 일으킬 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 측면에 따르면, 상기 제1양극재는, 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 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 하나 이상의 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 화합물일 수 있다.
선택적으로, 상기 제1양극재는, 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 하나 이상의 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 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1 x, M2 x, 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, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함] 로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
또 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)일 수 있다. 또한, 상기 제2양극재는, LiFePO4, LiMnxFeyPO4(0 <x+y ≤ 1), 및 Li3Fe2(PO4)3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 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 혼합 비율은 제조하고자 하는 이차 전지의 용도를 고려한 전기 화학적 설계 조건, 양극재들 사이에서 전압 이완을 일으키기 위해 필요한 양극재들의 전기 화학적 특성, 전압 이완을 일으키는 고유 전압 대역의 범위 등을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다.
또한, 상기 혼합 양극재에 포함될 수 있는 양극재들의 수는 2 가지로 한정되지 않는다. 또한, 혼합 양극재의 물성 개선을 위해 다른 첨가물들, 예컨대 도전제, 바인더 등이 혼합 양극재에 첨가되는 것을 특별히 제한하지 않는다. 따라서 고유 전압 대역에서 무 부하 상태가 되었을 때 전압 이완을 일으킬 수 있는 적어도 2개의 양극재들이 포함된 혼합 양극재라면, 양극재들의 수와 다른 첨가물의 존재 여부와 무관하게 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 함은 당업자에게 자명하다.
상기 이차 전지는 다양한 종류의 전기구동 장치에 탑재될 수 있으며, 그 종류에 특별히 제한이 없다.
일 측면에 따르면, 상기 전기구동 장치는, 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 측면에 따르면, 상기 전기 구동 장치는, 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 측면에 따르면, 상기 전기 구동 장치는, 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 무 정전 전원 공급 장치일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이차 전지는, 상기 혼합 양극재를 포함하는 양극, 음극 및 분리막을 포함할 수 있다. 상기 이차 전지는 또한 작동 이온이 포함된 전해질을 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 전지를 제어할 때 파라미터로서 사용되는 용량 퇴화, 개방 전압, 방전 심도, 충전 상태 등을 간단하고 정확하게 추정할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 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 BOL(Beginning Of Life) 및 EOL(End Of Life) 상태에 있는 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일을 방전 심도의 변화에 따라 보여주는 그래프이다.
도 2는 리튬 이차 전지가 퇴화되면 오리지널 음극 전압 프로파일이 쉬프트되는 것을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 가정에 의해 추정된 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일이 실제 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일과 잘 부합된다는 것을 보여주는 도면이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 가정이 단일 양극재가 사용된 리튬 이차 전지에도 유효하게 적용될 수 있음을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 7 및 도 8은 제1방전심도(DoD')와 제2방전심도(DoD'')의 차이가 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)에 해당한다는 것을 개념적으로 보여주는 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 결정된 리튬 이차 전지의 파라미터를 표시할 때 사용되는 그래픽 인터페이스의 다양한 예시들을 보여주는 도면이다.
도 10 및 도 11은, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 방법을 순차적으로 도시한 순서도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 실시예들은, 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 상관없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
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 리튬 이차 전지에 대한 2개의 개방 전압 프로파일을 보여준다. 하나는 리튬 이차 전지의 활성화를 위해 3 사이클의 충/방전을 시행한 후, 즉 BOL 상태에서 방전 심도에 따라 측정한 개방 전압 프로파일 OCVcell_BOL(DoD)이다. 리튬 이차 전지가 BOL 상태에 있으면, 리튬 이차 전지의 용량 퇴화는 실질적으로 없다. 그리고 다른 하나는 621 사이클의 충방전을 시행하여 리튬 이차 전지의 용량을 7.2% 감퇴시킨 후 방전 심도에 따라 측정한 개방 전압 프로파일 OCVcell_EOL(DoD)이다. 설명의 편의를 위해, 621 사이클의 충방전이 시행된 리튬 이차 전지는 EOL(End Of Life) 상태에 있다고 가정한다. 리튬 이차 전지가 EOL 상태에 도달하면 새로운 전지로 교체가 필요하다.
도 1에서, 가로축에 표시된 DoD는 리튬 이차 전지의 방전 심도를 나타낸다. OCVcell_BOL(DoD)를 기준으로 할 때, DoD가 1이 되면 리튬 이차 전지의 용량이 모두 방전된 상태에 해당하고, DoD가 0이면 리튬 이차 전지가 완전히 충전된 상태에 해당한다.
DoD가 0인 상태에서, 리튬 이차 전지가 방전되면 방전 심도는 서서히 증가한다. 따라서, 리튬 이차 전지의 개방 전압은 방전 심도가 증가함에 따라 감소하며, 리튬 이차 전지가 방전 종지 전압에 도달할 때까지 방전되면 방전 심도는 1이 된다. 방전 심도는 리튬 이차 전지의 오리지날 용량 대비 리튬 이차 전지로부터 네트로 흘러 나간 전류 적산량의 상대적 비율이다. 그리고, 상기 오리지널 용량은 리튬 이차 전지의 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때, 예를 들어 BOL 상태에서 측정한 용량을 의미한다.
상기 리튬 이차 전지는 혼합 양극재를 포함하는 양극과 그라파이트를 포함하는 음극을 가지고 있다. 상기 혼합 양극재는 층상 구조를 가지는 리튬 전이금속 산화물인 Li1+xNiaCobMncO2(x≥0; a = b = c =1/3; 이하 NMC 양극재로 약칭함)와 감람석 구조를 가지는 LiFePO4(LFP 양극재로 약칭함)가 7:3(중량비)으로 브랜딩된 것이다. 이하의 실시예에서 언급되는 리튬 이차 전지는 특별한 언급이 없는 한 상기 리튬 이차 전지와 사양이 동일하다.
한편, 혼합 양극재에 포함된 양극재의 종류는 상술한 여러 가지 종류의 물질 중에서 다양하게 선택될 수 있고, 음극재 또한 공지된 물질 중에서 변경이 가능하다.
도 1을 참조하면, BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일 OCVcell_BOL(DoD)은 적어도 하나의 전압 평탄 영역(Plateau)을 갖는다(점선 박스 참조). 상기 전압 평탄 영역은 변곡점을 포함하고 프로파일의 모양이 거의 수평에 가까운 영역을 의미한다. OCVcell _ BOL(DoD)에서, 전압 평탄 영역은 개방 전압을 기준으로 3.00V와 3.50V의 대략 중간에 위치한다. OCVcell _ EOL(DoD)은 OCVcell _ BOL(DoD)보다 오른쪽으로 쉬프트되어 있고 전압 평탄 영역도 사라진 것처럼 보인다. 도 1은 리튬 이차 전지의 충방전 사이클이 증가하여 리튬 이차 전지의 용량이 퇴화되면 개방 전압 프로파일이 변한다는 것을 뒷받침한다.
상기 전압 평탄 영역은, 혼합 양극재에 포함된 2개의 양극재에 대해 dQ/dV 분포를 측정하였을 때 각 양극재의 dQ/dV 분포에서 나타나는 메인 피크의 위치 및/또는 상기 메인 피크의 강도가 차이를 보일 때 생긴다. 여기서, dQ/dV 분포는 양극재에 대한 작동 이온의 전압별 용량 특성을 의미한다. 상기 메인 피크에 대한 위치 차이는 양극재들의 종류에 따라 달라질 수 있다. 다른 측면에서, 상기 전압 평탄 영역은, 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지에 대해 방전 심도 별로 방전 저항을 측정해 보았을 때 방전 저항 프로파일이 Convex 패턴(소위 볼록한 모양)을 가질 때 생긴다. 또 다른 측면에서, 상기 전압 평탄 영역은 상기 혼합 양극재가 포함된 이차 전지에 대해 방전 심도 별로 방전 저항을 측정해 보았을 때 방전 저항 프로파일이 상기 Convex 패턴의 정점을 전후로 하여 적어도 2개의 변곡점을 가질 때 생긴다. 또 다른 측면에서, 상기 전압 평탄 영역은, 상기 혼합 양극재에 포함된 적어도 하나의 양극재가 하프 셀(음극은 리튬 전극)의 양극재로서 사용될 때 전압 평탄 영역을 포함하는 전압 프로파일을 가질 때 생긴다.
도 2는 이차 전지의 용량 퇴화가 전기화학적으로 어떠한 의미가 있는지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에는, 3개의 개방 전압 프로파일이 도시되어 있다. ①번으로 나타낸 개방 전압 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 양극에 대한 개방 전압 프로파일을 방전 심도 DoD의 함수로서 나타낸 것이다. 이하, 상기 양극에 대한 개방 전압 프로파일을 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)라고 명명한다. 또한, ②번으로 나타낸 개방 전압 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 음극에 대한 개방 전압 프로파일을 방전 심도 DoD의 함수로서 나타낸 것이다. 이하, 상기 음극에 대한 개방 전압 프로파일을 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)라고 명명한다. 또한, ③번으로 나타낸 개방 전압 프로파일은 용량이 20% 퇴화된 상태에 있는 리튬 이차 전지의 음극에 대한 개방 전압 프로파일을 방전 심도 DoD의 함수로서 나타낸 것이다. 이하, 용량 퇴화가 이루어진 이차 전지의 음극에 대한 개방 전압 프로파일을 음극 전압 프로파일 Va(DoD)라고 명명한다. 참고로, 양극과 음극의 개방 전압 프로파일은 리튬 이차 전지를 4.2V까지 충전시킨 후 정전류로 방전을 하면서 주기적으로 전지를 무 부하 상태로 만든 후 일정 시간 방치한 후 리튬 금속을 기준 전위(0V)로 사용하여 양극 및 리튬 금속 사이, 그리고 음극 및 리튬 금속 사이의 전압을 측정하여 얻을 수 있다.
도 2를 참조하면, 음극 전압 프로파일 Va(DoD)은 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)을 0.20 만큼 오른쪽으로 쉬프트시킨 프로파일임을 알 수 있다. 즉, BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 용량을 기준으로 80%의 용량만 방전되어도 음극의 개방 전압은 방전 종지 전압에 해당하는 약 1.5까지 상승하게 된다. 또한, Va(DoD)는 Va,o(DoD)와 비교하였을 때 프로파일의 위치만 쉬프트되고 프로파일의 모양은 실질적으로 동일한 것을 알 수 있다. 따라서 Va(DoD)는 근사적으로 Va,o(DoD-0.2)와 동일하다고 볼 수 있다. 알려진 바와 같이, 리튬 이차 전지가 방전될 때 수반되는 전지의 용량 감소는 리튬의 전기화학적 반응에서 비롯된다. 따라서 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 용량을 기준으로 80%의 용량만 방전되더라도 음극의 개방 전압이 방전 종지 전압에 이르는 것은 결국 리튬 이차 전지의 용량 퇴화는 리튬 이차 전지가 방전되는 과정에서 전기화학적 산화 및 환원에 참여할 수 있는 가용 리튬의 양이 리튬 이차 전지의 퇴화에 따라 비가역적으로 감소하였기 때문이라고 볼 수 있다.
이러한 실험 결과는, 리튬 이차 전지가 퇴화되면, 음극의 개방 전압 프로파일이 리튬 이차 전지의 용량 퇴화에 따라 쉬프트된다는 가정을 가능하게 한다.
도 3은 상기 가정이 실제 리튬 이차 전지의 개방 전압 변화 거동과 잘 부합된다는 것을 보여준다.
도 3은 2개의 추정된 개방 전압 프로파일들과 2개의 측정된 개방 전압 프로파일들을 보여주고 있다. 각각의 개방 전압 프로파일은 방전 심도의 변화에 따라 표시되었다. 먼저, 실선으로 표시된 개방 전압 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 추정된 개방 전압 프로파일 OCVcell,o(DoD)로서 도 2에 도시된 Vc,o(DoD)와 Va,o(DoD)의 차이에 해당한다. 다음으로, 점선으로 도시된 개방 전압 프로파일은 20%의 용량 퇴화가 이루어진 리튬 이차 전지의 개방 전압 프로파일 OCVcell(DoD)로서 도 2에 도시된 Vc ,o(DoD)와 Va(DoD)의 차이에 해당한다. 또한 ○로 표시된 개방 전압 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지에 대한 측정된 개방 전압 프로파일 OCVcell,o,m(DoD)에 해당한다. 마지막으로, △로 표시된 개방 전압 프로파일은 20%의 용량 퇴화가 이루어진 리튬 이차 전지에 대한 측정된 개방 전압 프로파일 OCVcell,m(DoD)에 해당한다. 도면을 참조하면, BOL 상태 및 20%의 용량 퇴화가 진행된 상태 모두에서, 추정된 개방 전압 프로파일이 측정된 개방 전압 프로파일과 잘 정합된다는 것을 알 수 있다. 도 3에 나타난 결과는, 리튬 이차 전지의 용량이 퇴화되면, 음극의 개방 전압 프로파일이 용량 퇴화 정도에 따라 쉬프트된다는 가정을 실험적으로 뒷받침해 준다.
도 4와 도 5는 본 발명의 상기 가정이 단일 양극재가 사용된 리튬 이차 전지에도 유효하게 적용될 수 있음을 보여준다.
도 4는 단일의 양극재, 즉 NMC 양극재가 양극에 사용된 리튬 이차 전지의 Vc,o(DoD), Va ,o(DoD), 및 Va(DoD)을 나타낸 것이다.
여기서도, Vc,o(DoD) 및 Va,o(DoD)는, 각각 리튬 이차 전지가 BOL 상태에 있을 때, 즉, 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때, 방전 심도 별로 측정한 양극과 음극의 개방 전압 프로파일을 나타낸다. 그리고, Va(DoD)는 리튬 이차 전지의 용량이 20% 퇴화되었을 때 방전 심도 별로 측정한 음극의 개방 전압 프로파일을 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 개방 전압 프로파일들을 이용하여 추정된 개방 전압 프로파일에 해당하는 OCVcell,o(DoD) 및 OCVcell(DoD)와 실제 측정한 개방 전압 프로파일에 해당하는 OCVcell,o,m(DoD) 및 OCVcell,m(DoD)을 나타낸다.
도 4 및 도 5에 나타난 결과는, 리튬 이차 전지의 용량이 퇴화되면, 음극의 개방 전압 프로파일이 용량 퇴화 정도에 따라 쉬프트된다는 가정을 단일 양극재를 포함하는 리튬 이차 전지에도 적용할 수 있음을 실험적으로 뒷받침한다.
이하에서는, 상기에서 설명된 내용을 바탕으로 이차 전지의 동작을 제어하는데 사용되는 여러 가지 파라미터를 추정하는 장치와 방법을 개시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)는, 이차 전지(110)에 전기적으로 결합된다. 상기 이차 전지(110)는 충전과 방전이 반복될 수 있는 전지를 지칭하며, 전지의 구체적인 종류에 의해 발명이 한정되지 않는다. 바람직하게, 상기 이차 전지(110)는 리튬 이차 전지일 수 있다.
상기 장치(100)는, 센서(120)와 제어부(130)를 포함한다. 상기 센서(120)는, 전압 측정부(140), 전류 측정부(150) 및 온도 측정부(160)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 전압 측정부(140) 및/또는 상기 전류 측정부(150) 및/또는 상기 온도 측정부(160)는 제어부(130)의 제어에 따라 이차 전지(110)의 전압 및/또는 전류 및/또는 온도를 측정하고 측정된 값을 제어부(130)로 제공한다.
상기 장치(100)는 선택적인 요소로서 저장부(170)를 더 포함할 수 있다. 상기 저장부(170)는, 상기 제어부(130)가 파라미터를 추정하는 과정에서 사용하는 프로그램과 상기 프로그램이 실행되는 과정에서 필요한 데이터들 또는 상기 프로그램이 실행되는 과정에서 생성되는 데이터들을 저장하고 갱신한다.
바람직하게, 상기 저장부(170)는 이차 전지(110)가 실질적으로 용량 퇴화가 되지 않았을 때 방전 심도 별로 측정한 복수의 오리지널 양극 전압(Vc ,o) 및 방전 심도 별로 측정한 복수의 오리지널 음극 전압 전압(Va,o)을 프로파일 데이터로서 사전에 저장하고 있을 수 있다. 또한, 상기 저장부(170)는 이차 전지(110)가 실질적으로 용량 퇴화가 되지 않았을 때 측정한 오리지널 용량에 관한 데이터를 사전에 저장할 수 있다. 상기 오리지널 용량은 용량 퇴화가 실질적으로 없는 이차 전지를 만 충전 시킨 후 방전 종지 전압까지 연속적으로 방전시키면서 방전 전류를 적산하여 산출할 수 있다.
상기 이차 전지의 용량 퇴화가 실질적으로 없을 때란, 이차 전지가 제조된 직후로서, 예를 들어 이차 전지의 충/방전 사이클이 아직 시작되지 않은 때(Beginning Of Life: BOL), 또는 충/방전 사이클의 수가 작을 때, 예컨대 충/방전 사이클이 10회 미만인 상태를 의미할 수 있다.
상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 오리지널 음극 전압(Va, o)은 전위가 0이 될 수 있는 기준 전극(예컨대, 리튬 전극)을 기준으로 측정될 수 있다.
이하, 방전 심도 별로 측정된 복수의 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 복수의 오리지널 음극 전압(Va, o)을 각각 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)과 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)로서 명명한다.
상기 저장부(170)는 DRAM, SRAM, ROM, EEPROM, Flash Memory, Register 등과 같이 정보가 저장될 수 있는 디바이스라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
상기 센서(120)는, 전압 측정부(140)를 통해, 제1방전심도(DoD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)을 측정하여 상기 제어부(130)로 제공한다.
여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DoD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 현재의 음극 전압(Va) 차이에 해당한다.
바람직하게, 상기 제1방전심도(DoD')는 방전 또는 충전 모드에 있는 이차 전지의 동작이 충분한 시간 동안 중단되어 개방 전압 측정 조건이 성립되었을 때, 이차 전지의 동작이 중단되기 직전에 계산된 방전 심도일 수 있다.
상기 개방 전압 측정 조건은, 이차 전지(110)의 무 부하 상태가 일정한 시간 이상으로 유지되었을 것, 이차 전지(110)의 온도가 일정 범위에 속할 것, 이차 전지(110)에 들어가고 나가는 전류의 크기가 작을 것, 이차 전지(110)에서 나가고 들어오는 전류의 크기가 작은 상태가 일정한 시간 이상 유지되었을 것 등의 조건 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 무 부하 상태의 유지 시간, 이차 전지(110)의 온도, 전류의 크기, 낮은 전류의 유지 시간 등의 바람직한 범위는, 시행 착오법(Trial & Error)에 의해 결정될 수 있고, 상기 제어부(130)가 접근 가능한 저장부(170)에 저장될 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 개방 전압 측정 조건의 성립을 모니터하기 위해, 이차 전지(110)의 동작이 중단된 시간을 계수할 수 있고, 및/또는 상기 센서(120)의 온도 측정부(160)를 통해 이차 전지(110)의 온도 측정 값을 제공받아 이차 전지(110)의 온도를 모니터할 수 있고, 및/또는 상기 센서(120)의 전류 측정부(150)를 통해 이차 전지(110)의 전류 측정 값을 제공 받아 이차 전지(110)의 전류 크기 변화를 시간에 따라 모니터할 수 있다.
상기 제1방전심도(DoD')는, 암페어 카운팅을 통해 제어부(130)에 의해 계산될 수 있다.
이를 위해, 상기 센서(120)는 전류 측정부(150)를 통해 이차 전지(110)가 충전 또는 방전되는 동안 이차 전지(110)에 들어가고 나가는 전류를 측정하고 측정된 전류 값을 제어부(130)로 제공할 수 있다.
그러면, 상기 제어부(130)는, 이차 전지(110)의 만 충전 상태를 기준으로 전지(110)로부터 네트(net)로 흘러 나간 전류 적산량을 산출한다. 그리고, 상기 제어부(130)는 저장부(170)에 저장된 이차 전지(110)의 오리지널 용량을 참조하여 오리지널 용량 대비 전류 적산량의 상대적 비율을 계산함으로써 이차 전지의 방전 심도를 산출할 수 있다.
예를 들어, 이차 전지의 오리지널 용량이 1000mAh이고, 이차 전지(110)로부터 네트로 흘러 나간 전류 적산량이 800mAh이면, 방전 심도는 0.8이 된다.
상기 제어부(130)는 산출된 방전 심도를 저장부(170)에 저장하고 이차 전지(110)가 동작하는 동안 지속적으로 갱신할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 제1방전 심도(DoD')에서 측정된 개방 전압(OCVm)이 센서(120)로부터 제공되면, 저장부(170)에 방전 심도 별로 저장되어 있는 복수의 오리지널 양극 전압(Vc,o)들 중에서 상기 제1방전 심도(DoD')에 해당하는 오리지널 양극 전압(Vc,o)을 식별한다.
또한, 상기 제어부(120)는, 상기 식별된 오리지널 양극 전압(Vc ,o)으로부터 상기 측정된 개방 전압(OCVm)을 감산하여 현재 이차 전지(110)의 음극이 가지는 음극 전압(Va)을 산출하고 그 값을 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압(Va,o)으로 결정한다.
또한, 상기 제어부(120)는, 저장부(170)에 방전 심도 별로 저장되어 있는 복수의 오리지널 음극 전압(Va,o)들 중에서 상기 결정된 오리지널 음극 전압(Va,o)에 대응되는 제2방전심도(DoD'')를 얻는다.
또한, 상기 제어부(120)는, 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이를 계산한다.
상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이는, 이차 전지(110)의 음극에 형성되는 음극 전압 프로파일 Va(DoD)가 이차 전지의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va ,o(DoD)로부터 어느 정도 쉬프트되었는지를 정량적으로 나타낸다. 그리고, 상기 오리지널 음극 전압 프로파일 Va ,o(DoD)의 쉬프트 량은 이차 전지(110)의 용량 퇴화 정도를 나타낸다.
따라서, 상기 제어부(120)는 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이를 이차 전지(110)의 용량 퇴화(△capa)로서 결정할 수 있다.
도 7은 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이가 이차 전지(110)의 용량 퇴화(△capa)에 해당한다는 것을 개념적으로 보여주는 그래프이다.
도 7에서, 프로파일 ①은 방전 심도에 따라 이차 전지(110)의 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)를 측정하여 나타낸 것이고, 프로파일 ②는 방전 심도에 따라 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va ,o(DoD)를 측정하여 나타낸 것이다.
상기 Vc,o(DoD) 및 Va,o(DoD)를 얻은 이차 전지는, 양극과 음극에 NMC 양극재와 탄소를 각각 포함하고 있으며, 각각의 전압 프로파일은 전위가 0인 리튬 전극을 기준 전극으로 사용하여 측정한 것이다. 프로파일 ① 및 ②는 도 4의 그래프 ① 및 ②와 실질적으로 동일하다.
도 7을 참조하면, 위치 A는 이차 전지(110)의 개방 전압이 측정된 시점을 마킹한 것으로서, 개방 전압이 측정된 시점에서 이차 전지(110)의 방전 심도는 0.85이다. 여기서, 방전 심도 0.85는 상술한 실시예에서 제1방전 심도(DoD')에 해당한다. 제1방전 심도(DoD')가 0.85일 때 이차 전지(110)의 오리지널 양극 전압(Vc,o)은 저장부(170)로부터 참조 가능하고, 방전 심도가 0.85일 때의 개방 전압(OCVm)은 측정을 통해 그 값을 알 수 있다. 이차 전지(110)의 개방 전압(OCVm)은 양극 전압과 음극 전압의 차이에 해당하므로, 방전 심도가 0.85일 때의 음극 전압 Va(0.85)의 크기는 Vc,o(0.85)-OCVm(0.85)로서 쉽게 계산할 수 있다. 한편, 상기 음극 전압(Va)은 프로파일 ②가 이차 전지(110)의 용량 퇴화만큼 쉬프트된 프로파일 상에 위치한다. 프로파일 ②의 쉬프트 량은, 프로파일 ② 상에서, 상기 음극 전압 Va(0.85)와 동일한 크기의 오리지널 음극 전압에 대응하는 제2방전 심도(DoD'')를 식별하면 쉽게 구할 수 있다. 즉, 제2방전 심도(DoD'')는 점선 화살표로 표시된 바와 같이 V-1 a,o(Va(0.85))이며, 프로파일 ②의 쉬프트 량은, 0.85- V-1 a,o(Va(0.85))이고, 이 값이 바로 이차 전지(110)의 용량 퇴화 △capa에 해당한다.
도 8은, 이차 전지(110)가 혼합 양극재를 포함하는 경우에도, 상기 제1방전심도(DoD')와 상기 제2방전심도(DoD'')의 차이가 이차 전지(110)의 용량 퇴화(△capa)에 해당한다는 것을 개념적으로 보여주는 그래프이다.
도 8에서, 프로파일 ①은 방전 심도에 따라 이차 전지(110)의 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc,o(DoD)를 측정하여 나타낸 것이고, 프로파일 ②는 방전 심도에 따라 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va,o(DoD)를 측정하여 나타낸 것이다.
상기 Vc,o(DoD) 및 Va,o(DoD)를 얻은 이차 전지는, 양극에는 NMC 양극재와 LFP 양극재가 7:3(중량비)으로 브랜딩된 혼합 양극재가 포함되어 있고 음극에는 탄소가 포함되어 있으며, 각각의 전압 프로파일은 전위가 0인 리튬 전극을 기준 전극으로 사용하여 측정한 것이다. 프로파일 ① 및 ②는 도 2에 도시된 그래프 ① 및 ②와 실질적으로 동일하다.
도 8을 참조하면, 혼합 양극재가 포함되어 있는 이차 전지의 경우에도 제1방전 심도(DOD')가 0.85일 때 개방 전압 OCVm(0.85)를 측정하면, 프로파일 ②의 쉬프트 량은 0.85- V-1 a,o(Va(0.85))이고, 이 값이 바로 이차 전지(110)의 용량 퇴화 △capa에 해당한다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는, 상기 결정된 용량 퇴화 △capa 만큼 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va ,o(DoD)을 쉬프트시키고, 상기 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc ,o(DoD)로부터 상기 쉬프트된 오리지널 음극 전압 프로파일 Va ,o(DoD-△capa)를 감산하여 이차 전지(110)의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻을 수 있다. 상기 제어부(130)는, 선택적으로, 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일을 저장부(170)에 저장하고 △capa가 갱신될 때마다 이차 전지(110)의 개방 전압 프로파일도 함께 갱신할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는 암페어 카운팅 법에 의해 계산한 전류 적산량을 이용하여 이차 전지(110)의 방전 심도를 계산하고, 상기 저장부(170)에 저장된 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일을 참조하여 상기 계산된 방전 심도에 대응되는 이차 전지(110)의 개방 전압을 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는, 이차 전지의 개방 전압 OCVm을 측정하고, 상기 저장부(170)에 저장되어 있는 퇴화된 개방 전압 프로파일을 참조하여 상기 측정된 개방 전압 OCVm로부터 상기 이차 전지의 방전심도(DoD)를 결정할 수 있다. 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일을 OCVcell , aged(DoD)라고 표시할 때, 상기 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 계산되는 방전심도(DoD)는 OCV-1 cell , aged(OCVm)이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는, 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)를 참조하여 상기 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 결정된 방전 심도(DoD)와 상기 결정된 용량 퇴화(△capa)를 이용하여 하기 수학식 2로부터 이차 전지의 충전 상태를 결정할 수 있다.
[수학식 2]
SOC = (DoDmax - DoD) / DoDmax
DoDmax=1-△Capa
여기서, SOC는 이차 전지의 충전 상태를, DoDmax는 이차 전지가 방전 종지 전압에 도달할 때의 방전 심도를, DoD는 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 결정된 현재의 방전 심도를, 및 △Capa는 본 발명에 따라 결정된 용량 퇴화를 나타낸다.
또한, 상기 제어부(130)는, 선택적으로, 상기 결정된 충전 상태를 저장부(170)에 저장하고 갱신할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(130)는, 표시부(180)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상술한 바에 따라 결정된 이차 전지(110)의 파라미터를 상기 표시부(180)를 통해 그래픽 인터페이스로 표시할 수 있다.
여기서, 상기 파라미터는, 이차 전지(110)의 용량 퇴화, 개방 전압, 방전 심도 및 충전 상태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 표시부(180)는 반드시 상기 장치(100) 내부에 포함될 필요는 없으며, 다른 장치에 포함된 것일 수 있다. 이러한 경우, 상기 표시부(180)와 상기 제어부(130)는 직접적으로 연결되지 않으며, 상기 다른 장치에 포함된 제어 수단을 매개로 상기 표시부(180)와 간접적으로 연결된다. 따라서 상기 표시부(180)와 상기 제어부(130)의 전기적 연결은 이러한 간접 연결 방식도 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
한편, 상기 제어부(130)가 이차 전지(110)의 파라미터를 표시부(180)를 통해 직접적으로 표시할 수 없는 경우, 상기 표시부(180)를 포함하는 다른 장치로 전송할 수 있다. 이러한 경우, 상기 제어부(130)는 상기 다른 장치와 데이터 전송이 가능하도록 연결될 수 있고, 상기 다른 장치는 제어부(130)로부터 이차 전지(110)의 파라미터를 수신할 수 있고, 상기 다른 장치는 자신과 연결된 표시부를 통해 상기 수신된 파라미터를 그래픽 인터페이스로 표시할 수 있다.
상기 그래픽 인터페이스는 이차 전지의 파라미터를 사용자에게 나타낼 수 있는 것이라면 어떠한 것이라고 가능하다. 도 9는 상기 그래픽 인터페이스의 다양한 실시예들을 보여준다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 그래픽 인터페이스는 이차 전지(110)의 파라미터를 막대 그래프의 길이로 표시하는 방식(a), 게이지 포인터로 표시하는 방식(b), 숫자로 표시하는 방식(c) 등이 가능하다.
상기 제어부(130)는, 이후에 개시되는 다양한 제어 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 제어부(130)는 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 본 발명의 저장부(170)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
이하에서는, 상술한 구성을 토대로, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 파라미터 추정 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 이차 전지 파라미터 추정 방법은, 상술한 장치(100)에 의해 실행되며, 이미 설명된 사항에 대해서는 반복적인 설명을 생략하기로 한다.
또한, 이차 전지 파라미터 추정 방법이 포함하는 단계들은, 장치(100)의 제어부(130)에 의해 수행될 수 있으므로, 각각의 단계들은 제어부(130)의 기능으로서 장치(100)에 포함될 수 있음은 자명하다.
도 10 및 도 11은 이차 전지 파라미터 추정 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 단계 S10에서, 상기 제어부(130)는 이차 전지(110)가 Key on 상태가 되었는지 판단한다.
여기서, Key on 상태는 무 부하 상태에 있던 이차 전지(110)가 충전 또는 방전 모드로 들어가기 직전의 상태로 전환된 상태를 의미한다.
Key on 상태는, 일 예시로서 이차 전지(110)가 장착된 전기 자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV) 또는 플러그드 하이브리드 자동차(PHEV)의 운행을 위해 시동 키가 온 된 상태를 들 수 있다. 다른 예시로서, 모바일 디바이스의 전원 Key가 온 된 상태를 들 수 있다.
상기 제어부(130)는 이차 전지(110)가 Key on 상태가 된 것이 확인되면, 프로세스를 단계 S20으로 이행한다.
단계 S20에서, 상기 제어부(130)는 개방 전압 측정 조건이 성립되었는지 판단한다.
상기 개방 전압 측정 조건은, 이차 전지(110)의 동작이 충분한 시간 동안 중단되어 이차 전지(110)의 전압이 안정화된 경우, 또는 이차 전지(110)에서 나가고 들어오는 전류의 크기가 작아서 이차 전지(110)의 분극 전압이 무시할 만한 수준인 경우에 성립될 수 있다.
상기 개방 전압 측정 조건은, 이차 전지(110)의 무 부하 상태가 일정한 시간 이상으로 유지되었을 것, 이차 전지(110)의 온도가 일정 범위에 속할 것, 이차 전지(110)에 들어가고 나가는 전류의 크기가 작을 것, 이차 전지(110)에서 나가고 들어오는 전류의 크기가 작은 상태가 일정한 시간 이상 유지되었을 것 등의 조건 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 무 부하 상태의 유지 시간, 이차 전지(110)의 온도, 전류의 크기, 낮은 전류의 유지 시간 등의 바람직한 범위는, 시행 착오법(Trial & Error)에 의해 결정될 수 있고, 상기 제어부(130)가 접근 가능한 저장부(170)에 저장될 수 있다.
상기 제어부(130)는, 이차 전지(110)가 Key off된 시간을 저장부(170)에 저장하고 이차 전지(110)가 Key on 상태가 되었을 때 저장된 시간 정보를 참조하여 이차 전지(110)의 무 부하 상태 유지 시간을 계산하고 계산된 시간과 저장부(170)에 저장된 바람직한 시간 범위를 비교하여 상기 개방 전압 측정 조건의 성립 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 센서(120)를 통해 시간 간격을 두고 이차 전지(110)의 온도 측정 값을 제공 받을 수 있고, 상기 제공 받은 온도 측정 값과 상기 저장부(170)에 저장된 바람직한 온도 범위를 비교하여 상기 개방 전압 측정 조건의 성립 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 센서(120)를 통해 시간 간격을 두고 이차 전지(110)의 전류 측정 값을 제공 받을 수 있고, 상기 제공 받은 전류 측정 값과 상기 저장부(170)에 저장된 바람직한 전류 크기 범위를 비교하여 상기 개방 전압 측정 조건의 성립 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 센서(120)로부터 제공 받은 전류 측정 값이 상기 저장부(170)에 저장된 바람직한 전류 크기 범위에 속할 때 해당 크기의 전류가 흐른 시간을 적산하고 적산 시간을 상기 저장부(170)에 저장된 바람직한 시간 범위와 비교하여 상기 개방 전압 측정 조건의 성립 여부를 판단할 수 있다.
상기 개방 전압 측정 조건이 성립되었는지를 판단하는 방식은, 2개 이상이 조합될 수 있다. 이러한 경우, 2개 이상의 성립 조건이 동시에 만족이 될 때, 상기 개방 전압 측정 조건이 성립된 것으로 판단될 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제어부(130)는, 이차 전지(110)가 충전 또는 방전되는 동안, 센서(120)를 통해 이차 전지(110)로 들어가고 나가는 전류 측정 값을 제공 받고, 제공 받은 전류 측정 값을 적산하여 방전 심도를 계산하고, 계산된 방전 심도를 저장부(170)에 저장하고 갱신할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S20에서, 개방 전압 측정 조건이 성립되었다고 판단되면, 프로세스를 단계 S30으로 이행한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S30에서, 개방 전압 측정 조건이 성립된 시점을 기준으로 가장 최근에 계산된 방전 심도를 저장부(170)로부터 읽어내어 제1방전 심도(DoD')로 결정한다.
상기 제어부(50)는, 단계 S40에서, 이차 전지(110)가 제1방전 심도 상태에 있을 때, 센서(120)를 제어하여 이차 전지(110)의 개방 전압 OCVm 을 측정하고, 측정된 개방 전압 OCVm을 저장부(170)에 저장한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S50에서, 상기 저장부(170)에 방전 심도 별로 저장되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)를 참조하여 상기 제1방전 심도(DoD')에 대응되는 오리지널 양극 전압(Vc,o)을 결정하고 결정된 오리지널 양극 전압(Vc,o)으로부터 상기 측정된 개방 전압 OCVm을 감산함으로써 이차 전지(110)의 음극 전압 Va를 결정한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S60에서, 상기 결정된 음극 전압 Va를 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 Va , o 으로 결정한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S70에서, 상기 저장부(170)에 방전 심도 별로 저장되어 있는 오리지널 음극 전압(Va,o)을 참조하여 상기 결정된 오리지널 음극 전압 Va,o에 대응되는 방전 심도를 식별하고, 식별된 방전 심도를 제2방전 심도(DoD'')로서 결정한다.
상기 제어부(130)는, 단계 S80에서, 상기 제1방전 심도(DoD')와 상기 제2방전 심도(DoD'')의 차이로부터 이차 전지(110)의 용량 퇴화 △capa를 결정할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S90에서, 상기 결정된 용량 퇴화 △capa를 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 상기 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시할 수 있고, 및/또는 상기 결정된 용량 퇴화 △capa를 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 다음과 같은 단계들 중 적어도 하나 이상을 선택적으로 더 수행할 수 있다. 2개 이상의 단계들이 선택되어 수행될 때, 각각의 단계들이 반드시 시간적인 순서를 두고 순차적으로 수행될 필요는 없고, 각각의 단계들이 수행되는 순서는 얼마든지 변경될 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S100에서, 상기 결정된 용량 퇴화 △capa 만큼 이차 전지(110)의 오리지널 음극 전압 프로파일 Va ,o(DoD)을 쉬프트시키고, 상기 오리지널 양극 전압 프로파일 Vc ,o(DoD)로부터 상기 쉬프트된 오리지널 음극 전압 프로파일 Va ,o(DoD-△capa)를 감산하여 이차 전지(110)의 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)을 결정할 수 있다. 또한, 상기 제어부(130)는, △capa가 갱신될 때마다 이차 전지(110)의 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell , aged(DoD)도 함께 갱신할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S110에서, 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)을, 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시하고, 및/또는 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S120에서, 암페어 카운팅 법에 의해 계산한 전류 적산량을 이용하여 이차 전지(110)의 방전 심도를 계산하고, 상기 저장부(170)에 저장된 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)을 참조하여 상기 계산된 방전 심도에 대응되는 이차 전지(110)의 개방 전압을 결정할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S130에서, 상기 결정된 이차 전지(110)의 개방 전압을 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 상기 결정된 개방 전압을 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시하고, 및/또는 상기 결정된 개방 전압을 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S140에서, 이차 전지(110)의 개방 전압 OCVm을 측정하고, 상기 저장부(170)에 저장되어 있는, 방전 심도에 따른 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)을 참조하여 상기 측정된 개방 전압 OCVm로부터 상기 이차 전지의 방전심도(DoD)를 결정할 수 있다. 상기 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 계산되는 방전심도(DoD)는 OCV-1 cell , aged(OCVm)이다.
상기 제어부(130)는, 단계 S150에서, 상기 결정된 방전 심도 OCV-1 cell,aged(OCVm)를 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시하고, 및/또는 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S160에서, 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일 OCVcell,aged(DoD)를 참조하여 상기 측정된 개방 전압 OCVm으로부터 결정된 방전 심도(DoD)와 상기 결정된 용량 퇴화(△capa)를 이용하여 이차 전지의 충전 상태(SOC)를 결정할 수 있다. 이차 전지의 충전 상태는 앞서 설명한 수학식 2를 이용하여 결정할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 단계 S170에서, 상기 결정된 충전 상태를 저장부(170)에 저장하고, 및/또는 상기 표시부(180)에 그래픽 인터페이스를 통해 표시하고, 및/또는 외부의 장치로 전송할 수 있다.
상술한 실시예에서, 이차 전지(110)의 개방 전압 OCVm은 개방 전압 측정 조건이 성립되었을 때 센서(120)를 통해 측정되는 값으로 설명하였지만, 상기 개방 전압 OCVm은 이차 전지(110)의 전압, 전류 및 온도에 대한 측정 데이터로부터 추정된 값일 수도 있다.
또한, 이차 전지(110)의 방전 심도(DoD)와 충전 상태(SOC)는 수학식 2에 의해 서로 변환될 수 있고, 전자는 이차 전지(110)의 방전 관점에서 후자는 이차 전지(110)의 충전 관점에서 이차 전지(110)에 남아 있는 가용 가능한 용량을 정량화할 수 있는 파라미터이다. 따라서 상기 방전 심도(DoD)와 충전 상태(SOC)는 이차 전지(110)의 가용 가능한 용량을 정량적으로 나타내는 파라미터라는 관점에서 서로 균등한 파라미터라고 해석될 수 있다.
또한, 상기 제어부(130)에 의해 결정되는 파라미터들은, 이차 전지(110)의 충/방전 제어, 최대 방전 전력의 계산, 최소 충전 전력의 계산 등에 사용될 수 있고, 및/또는 통신 인터페이스를 통해 다른 제어 장치에 제공될 수 있다.
또한, 상기 제어부(130)의 다양한 제어 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.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기보다 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.
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
130: 제어부 140: 전압 측정부
150: 전류 측정부 160: 온도 측정부
170: 저장부 180: 표시부

Claims (17)

  1. 제1방전심도(DOD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DOD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 센서; 및
    상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하고, 상기 오리지널 음극 전압(Va ,o)에 대응되는 제2방전심도(DOD'')를 결정하고, 상기 제1방전심도(DOD')와 상기 제2방전심도(DOD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 제어부(control unit);을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 오리지널 양극 전압에 대한 프로파일과 상기 용량 퇴화만큼 쉬프트된 상기 오리지널 음극 전압에 대한 프로파일로부터 상기 이차 전지의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이차 전지의 개방 전압을 측정하고, 상기 측정된 개방 전압을 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 방전심도를 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도를 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 개방 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도와 상기 결정된 용량 퇴화를 이용하여 상기 이차 전지의 충전 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    방전 심도 변화에 따른 상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)의 프로파일 데이터, 및 방전 심도 변화에 따른 상기 오리지널 음극 전압(Va,o)의 프로파일 데이터를 포함하고 있는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 결정된 용량 퇴화, 상기 결정된 개방 전압, 상기 결정된 방전 심도, 또는 상기 결정된 충전 상태를 저장, 표시 또는 전송하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 제1양극재 및 제2양극재를 포함하는 혼합 양극재를 포함하고,
    상기 양극재는 서로 다른 동작 전압 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 장치.
  9. 제1항 내지 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 장치를 포함하는 전기 구동 장치.
  10. 제1방전심도(DOD')에서 이차 전지의 개방 전압(OCVm)-여기서, 상기 개방 전압(OCVm)은 상기 제1방전심도(DOD')에서 미리 결정(predetermined)되어 있는 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 음극 전압(Va)의 차이에 해당함-을 측정하는 단계; 및
    상기 오리지널 양극 전압(Vc,o)과 상기 개방 전압(OCVm)으로부터 음극 전압(Va)을 산출하고, 오리지널 음극 전압(Va,o)이 상기 음극 전압(Va)과 동일하다고 결정하는 단계;
    상기 오리지널 음극 전압(Va ,o)에 대응되는 제2방전심도(DOD'')를 얻는 단계; 및
    상기 제1방전심도(DOD')와 상기 제2방전심도(DOD'')의 차이에 의해 상기 이차 전지의 용량 퇴화(△capa)를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 오리지널 양극 전압에 대한 프로파일과 상기 용량 퇴화만큼 쉬프트된 상기 오리지널 음극 전압에 대한 프로파일로부터 상기 이차 전지의 퇴화된 개방 전압 프로파일을 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이차 전지의 개방 전압을 측정하고, 상기 측정된 개방 전압을 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 방전심도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도를 이용하여 상기 퇴화된 개방 전압 프로파일로부터 상기 이차 전지의 개방 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 이차 전지의 방전 심도를 측정하고, 상기 측정된 방전 심도와 상기 결정된 용량 퇴화로부터 이차 전지의 충전 상태를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정된 용량 퇴화, 상기 결정된 개방 전압, 상기 결정된 방전 심도, 또는 상기 결정된 충전 상태를 저장, 표시 또는 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 제1양극재 및 제2양극재를 포함하는 혼합 양극재를 포함하고,
    상기 양극재는 서로 다른 동작 전압 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파라미터 추정 방법.
  17. 제10항 내지 제14항 및 제16항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지의 파라미터 추정 방법을 프로그램화하여 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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