KR101717182B1 - 가속 인자를 사용하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지의 실제 충전 상태(State of Charge; SOC)를 추정하는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit; MCU)을 포함하고 있는 이차전지의 충전 상태 측정 장치로서, 상기 마이크로 컨트롤러 유닛에 의해 추정되는 이차전지의 추정 SOC는 실제 SOC와 오차를 갖고, 상기 마이크로 컨트롤러 유닛은, 방전 시간에 따라 감소하는 이차전지의 실제 SOC 전압이 사전에 설정되어 있는 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점부터, 방전 시간에 따른 실제 SOC의 감소에 대응하여, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록, 상기 추정 SOC를 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치를 제공한다.

Description

가속 인자를 사용하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치 {Apparatus for Measuring State of Charge of Secondary Battery by Using Acceleration Factor}

본 발명은 가속 인자를 사용하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.

특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

한편, 소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈을 포함하는 전지팩이 사용된다

이러한 이차전지가 디바이스의 전원으로 사용되는 경우, 상기 디바이스는 이차전지의 충전 상태(State of Charge; SOC)를 측정하기 위한 측정 장치를 포함하며, 이러한 충전 상태 측정 장치는 상기 이차전지의 양극 단자 및 음극 단자에 전기적으로 연결된 상태로, 이차전지의 충전 상태 내지 잔여 용량을 추정하여 측정한다.

그러나, 이러한 이차전지의 충전 상태 측정 장치는 상기 이차전지의 충전 상태 내지 잔여 용량을 추정하는 경우, 상기 이차전지의 내부 온도로 인한 열역학적 요인을 비롯하여, 다양한 요인에 의한 전류의 변화 등으로 인해, 상기 이차전지의 실제 SOC와 추정 SOC가 소정의 오차를 갖게 되며, 이로 인해, 상기 이차전지의 방전 말기에 추정 SOC가 순간적으로 하락하는 현상이 발생한다.

도 1에는 종래의 이차전지의 충전 상태 측정 장치를 통해 측정한 이차전지의 추정 SOC 및 실제 SOC의 변화를 나타낸 그래프가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 이차전지의 실제 SOC 전압이 4%인 경우, 충전 상태 측정 장치에 의해 측정된 추정 SOC 전압은 6%를 나타내고, 이와 마찬가지로, 이차전지의 실제 SOC이 3%인 경우, 충전 상태 측정 장치에 의해 측정된 추정 SOC 전압은 5%를 나타내는 바, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압과 충전 상태 측정 장치에 의해 측정된 추정 SOC는 2%의 오차를 갖는다.

이 때, 이차전지의 실제 SOC 전압이 1%인 경우, 충전 상태 측정 장치에 의해 측정된 추정 SOC 전압은 3%를 나타내고, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 0%가 되는 시점에, 추정 SOC 전압은 3%에서 0%로 갑작스럽게 하락하게 된다.

이러한 추정 SOC의 갑작스러운 하락은 제품에 대한 불신을 일으키며, 이차전지의 잔여 용량 부족시 자동으로 작동하는 자동 백업 시스템 또는 자동 전원 장치와 같이 이차전지의 잔여 용량 정보를 사용하는 시스템의 오작동을 일으킬 수 있으며, 이로 인한 시스템 셧다운으로 인해, 이차전지의 실제 남은 잔여 용량을 모두 사용하지 못한 상태로 디바이스의 구동이 정지될 수 있는 문제점이 있다.

최근에는, 상기 문제점을 해결하기 위해, 이차전지의 온도와 전류 특성 등의 변수를 반영하여 테스트한 결과를 대조 테이블(Look-up Table)로 만들어, 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit; MCU)의 펌웨어(Firmware)에 저장하여 사용한다.

이와 관련하여, 종래의 이차전지의 충전 상태 측정 장치에 저장되어 사용되는 대조 테이블을 하기 표 1에 예시적으로 나타내었다.

	T rate 1	T rate 2	T rate 3	T rate 4	T rate 5
C rate 1	3.551V	3.575V	3.616V	3.640V	3.618V
C rate 2	3.228V	3.362V	3.468V	3.527V	3.531V
C rate 3	3.089V	3.106V	3.262V	3.335V	3.415V
C rate 4	3.083V	3.083V	3.083V	3.164V	3.182V

상기 표 1에서 보이는 바와 같이, 종래의 이차전지의 충전 상태 측정 장치는 온도와 전류 특성 등의 변수를 반영하여 태스트한 대조 테이블로서, 보정 전압 데이터를 저장하여 사용함으로써, 추정 SOC가 갑작스럽게 하락하는 현상을 방지한다.

그러나, 이러한 대조 테이블을 구성하기 위해서는, 많은 실험을 거쳐 다양한 변수에 따른 데이터를 확보해야 하므로, 시간이 오래 걸리고, 상기 데이터의 많은 양으로 인해, 상기 대조 테이블 값들을 저장하기 위해 지나치게 많은 저장 공간이 필요하며, SOC를 추정하는데 있어서, 복잡한 선형 알고리즘을 적용해야 하므로, 마이크로 컨트롤러 유닛의 많은 리소스를 소모하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 이차전지의 실제 SOC가 1%가 되는 전압 값을 기준 SOC 1% 전압으로 설정하여, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점부터, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록, 상기 추정 SOC를 연속적으로 변화시키도록 구성됨으로써, 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지하고, 이에 따라, 이차전지의 잔여 용량 정보를 사용하는 시스템의 소망하지 않는 오작동 및 셧다운을 효과적으로 방지할 수 있으며, 종래의 대조 테이블을 활용하는 장치에 비해, 적은 데이터를 마이크로 컨트롤러 유닛에 저장하여 활용함으로써, 상기 데이터 저장 공간의 활용도를 향상시키고, 간단한 알고리즘만으로 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지함으로써, 마이크로 컨트롤러 유닛의 리소스를 불필요하게 많이 소모하지 않으므로, 상기 리소스를 공유하는 다른 시스템의 작동 속도를 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지의 충전 상태 측정 장치는,

이차전지의 실제 충전 상태(State of Charge; SOC)를 추정하는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit; MCU)을 포함하고 있는 이차전지의 충전 상태 측정 장치로서,

상기 마이크로 컨트롤러 유닛에 의해 추정되는 이차전지의 추정 SOC는 실제 SOC와 오차를 갖고,

상기 마이크로 컨트롤러 유닛은, 방전 시간에 따라 감소하는 이차전지의 실제 SOC 전압이 사전에 설정되어 있는 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점부터, 방전 시간에 따른 실제 SOC의 감소에 대응하여, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록, 상기 추정 SOC를 연속적으로 변화시키는 구조로 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지의 충전 상태 측정 장치는 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지하고, 이에 따라, 이차전지의 잔여 용량 정보를 사용하는 시스템의 소망하지 않는 오작동 및 셧다운을 효과적으로 방지할 수 있으며, 종래의 대조 테이블을 활용하는 장치에 비해, 적은 데이터를 마이크로 컨트롤러 유닛에 저장하여 활용함으로써, 상기 데이터 저장 공간의 활용도를 향상시키고, 간단한 알고리즘만으로 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지함으로써, 마이크로 컨트롤러 유닛의 리소스를 불필요하게 많이 소모하지 않으므로, 상기 리소스를 공유하는 다른 시스템의 작동 속도를 향상시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 기준 SOC 1% 전압은, 이차전지를 특정 온도 및 특정 C-레이트(C-rate)로 방전함으로써 얻어지는 방전 프로파일에서, 상기 이차전지의 실제 SOC가 1%가 되는 시점의 전압 값일 수 있다.

이 때, 상기 특정 온도는 섭씨 영하 15도 내지 영상 15도의 범위에서 선택될 수 있고, 상세하게는 섭씨 영하 10도 내지 영상 10도, 더욱 상세하게는, 섭씨 영하 5도 내지 0도 범위에서 선택될 수 있다.

또한, 상기 특정 C-레이트는 0.5C 내지 1.5C-레이트 범위에서 선택될 수 있고, 상세하게는, 1C-레이트일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 기준 SOC 1% 전압은 이차전지가 직면할 수 있는 환경에서 가질 수 있는 가장 낮은 수준의 SOC 1% 전압으로서, 이차전지의 Over-potential Voltage가 가장 크고, 용량이 가장 작은 환경에서의 SOC 전압이며, 이러한 환경은 일반적으로 저온 상황에서 높은 전류로 방전되는 환경을 의미한다.

따라서, 상기 기준 SOC 1% 전압은 이차전지가 실제로 가질 수 있는 가장 낮은 수준의 SOC 1% 전압으로 설정되며, 상기 이차전지가 어떠한 환경에서 방전되더라도, 가장 낮은 수준의 SOC 1% 전압에 도달할 경우, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록, 상기 추정 SOC를 연속적으로 변화시킴으로써, 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지할 수 있다.

한편, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 상기 기준 SOC 1% 전압과 동일한 시점에서, 상기 추정 SOC는 실제 SOC에 비해 높은 값을 가질 수 있다.

또한, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이후의 추정 SOC의 방전 시간에 따른 변화율은, 상기 시점 이전에 비해, 더 클 수 있다.

구체적으로, 본원발명에 따른 이차전지의 충전 상태 측정 장치는 이차전지의 SOC를 추정하여 측정하기 위한 마이크로 컨트롤러 유닛을 포함하며, 상기 마이크로 컨트롤러 유닛에 의해 추정되는 이차전지의 추정 SOC는 실제 SOC와 소정의 오차를 갖는다.

이 때, 상기 추정 SOC는 일반적으로 다양한 요인들에 의해 실제 SOC보다 높은 값을 가질 수 있다.

따라서, 상기 마이크로 컨트롤러 유닛은 이차전지의 실제 SOC 전압이 사전에 설정되어 있는 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점부터, 방전 시간에 따른 실제 SOC의 감소에 대응하여, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록, 상기 추정 SOC를 연속적으로 감소시키는 바, 상기 추정 SOC는 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이전에 비해, 더욱 급격하게 변화하고, 이에 따라, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이후의 추정 SOC의 방전 시간에 따른 변화율은, 상기 시점 이전에 비해, 더 클 수 있다.

그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 상기 기준 SOC 1% 전압과 동일한 시점에서, 상기 추정 SOC가 실제 SOC에 비해 낮은 값을 가질 수도 있다.

이러한 경우에, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이후의 추정 SOC의 방전 시간에 따른 변화율은, 상기 시점 이전에 비해, 더 작을 수 있다.

구체적으로, 상기 추정 SOC가 다양한 요인들에 의해 실제 SOC보다 낮은 값을 가질 경우, 상기 마이크로 컨트롤러 유닛은 이차전지의 실제 SOC 전압이 사전에 설정되어 있는 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점부터, 방전 시간에 따른 실제 SOC의 감소에 대응하여, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록, 상기 추정 SOC를 연속적으로 감소시키는 바, 상기 추정 SOC는 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이전에 비해, 더욱 완만하게 변화하고, 이에 따라, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이후의 추정 SOC의 방전 시간에 따른 변화율은, 상기 시점 이전에 비해, 더 작을 수 있다.

이 때, 상기 추정 SOC의 변화율의 차이는 가속 인자의 적용에 의해 이루어질 수 있으며, 구체적으로, 상기 가속 인자는 마이크로 컨트롤러 유닛에 저장되고, 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점부터 추정 SOC에 적용될 수 있다.

또한, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 상기 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이후의 추정 SOC의 방전 시간에 따른 변화는, 상기 실제 SOC가 0%가 되는 시점에서, 상기 추정 SOC와 실제 SOC가 일치하도록 이루어질 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 가속 인자는, 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점을 기준으로, 추정 SOC의 변화율을 더욱 크거나 작게 변화시키는 인자로서, 상기 가속 인자의 적용에 의해, 추정 SOC가 이차전지의 실제 SOC에 수렴하도록 변화할 수 있으며, 이에 따라, 이차전지의 실제 SOC가 0%가 되는 시점에서, 추정 SOC가 실제 SOC와 동일하게 수정됨으로써, 상기 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지할 수 있고, 이에 따라, 이차전지의 잔여 용량 정보를 사용하는 시스템의 소망하지 않는 오작동 및 셧다운을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 다양한 변수에 따른 보정 전압 내지 SOC 정보를 대조 테이블형태로 저장하여 활용하는 종래의 장치에 비해, 기준 SOC 1% 전압만을 마이크로 컨트롤러 유닛에 저장하여 활용하므로, 상기 데이터 저장 공간의 활용도를 향상시키고, 간단한 알고리즘만으로 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지함으로써, 마이크로 컨트롤러 유닛의 리소스를 불필요하게 많이 소모하지 않으므로, 상기 리소스를 공유하는 다른 시스템의 작동 속도를 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 장치는, 이차전지의 양극 단자 및 음극 단자에 전기적으로 연결되는 전극 단자 연결부; 및 상기 추정 SOC를 표시하는 표시부;를 포함할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지의 충전 상태 측정 장치는 기본적으로 상기 이차전지에 전기적으로 연결됨으로써, 상기 이차전지의 충전 상태를 추정하여 측정하는 바, 상기 이차전지의 양극 단자 및 음극 단자에 전기적으로 연결되는 전극 단자 연결부를 포함할 수 있으며, 조작자가 마이크로 컨트롤러 유닛에 의해 추정되어 측정된 추정 SOC를 확인할 수 있도록, 상기 추정 SOC를 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 장치를 이용하는 이차전지의 충전 상태를 측정하는 방법을 제공하는 바, 상기 방법은,

측정 장치의 전극 단자 연결부에 이차전지의 양극 단자 및 음극 단자를 각각 전기적으로 연결하는 단계;

상기 이차전지의 방전에 따라, SOC를 추정하는 단계;

상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 사전에 설정된 기준 SOC 1% 전압과 동일한지 여부를 확인하는 단계;

상기 단계(iii)에서 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일한 경우, 가속 인자가 적용됨으로써, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록 변화하는 단계;

를 포함할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지의 충전 상태 측정 장치는 상기 단계 iii)에서 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일한지 여부를 확인하고, 상기 단계(iii)에서 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일하지 않은 경우, 즉, 방전 시간에 따라 점차 감소하는 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압에 도달하지 않은 경우에는, SOC를 추정하는데 있어, 가속 인자를 적용하지 않는 상태를 유지하며, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압에 도달한 시점 이후에, 상기 가속 인자를 적용함으로써, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록 변화시킬 수 있다.

이러한 경우에, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 추정 SOC의 변화는, 상기 실제 SOC가 0%가 되는 시점에서, 상기 추정 SOC와 실제 SOC가 일치하도록 이루어질 수 있다.

또한, 상기 추정 SOC의 변화는 연속적으로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 추정 SOC는 이차전지의 실제 SOC와 소정의 오차를 가지므로, 상기 실제 SOC가 방전 전압에 가까워질 경우, 예를 들어, 추정 SOC가 5%에서 1%로 갑작스럽게 하락하는 현상이 발생할 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 충전 상태 측정 장치는 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이후에, 상기 추정 SOC에 가속 인자가 적용될 수 있다.

이 때, 상기 가속 인자는, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점을 기준으로, 추정 SOC의 방전 시간에 따른 변화율이 더 커지도록 유도하는 역할을 할 수 있다.

따라서, 상기 가속 인자는 상기 추정 SOC의 변화율을 변화시키는 바, 예를 들어, 상기 추정 SOC가 5%로부터 4%, 3%, 2%, 1%를 단계적으로 거쳐, 보다 빠르게 연속적으로 변화하며, 실제 SOC가 0%가 되는 시점에서, 상기 추정 SOC와 실제 SOC가 일치하도록 이루어져 있으므로, 상기 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 장치에 의해 충전 상태가 측정되는 이차전지를 제공하는 바, 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.

일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe’_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.

상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.

이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.

또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.

상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.

리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

본 발명에 따른 장치는 단일의 이차전지 뿐만 아니라, 상기 이차전지를 포함하는 전지팩의 충전 상태 역시, 측정할 수 있는 바, 본 발명은 상기 장치에 의해 충전 상태가 측정될 수 있는 전지팩을 제공한다.

상기 전지팩의 상세한 구조 내지 구성은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지의 충전 상태 측정 장치는, 이차전지의 실제 SOC가 1%가 되는 전압 값을 기준 SOC 1% 전압으로 설정하여, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점부터, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록, 상기 추정 SOC를 연속적으로 변화시키도록 구성됨으로써, 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지하고, 이에 따라, 이차전지의 잔여 용량 정보를 사용하는 시스템의 소망하지 않는 오작동 및 셧다운을 효과적으로 방지할 수 있으며, 종래의 대조 테이블을 활용하는 장치에 비해, 적은 데이터를 마이크로 컨트롤러 유닛에 저장하여 활용함으로써, 상기 데이터 저장 공간의 활용도를 향상시키고, 간단한 알고리즘만으로 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 방지함으로써, 마이크로 컨트롤러 유닛의 리소스를 불필요하게 많이 소모하지 않으므로, 상기 리소스를 공유하는 다른 시스템의 작동 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 이차전지의 충전 상태 측정 장치를 통해 측정한 이차전지의 추정 SOC 및 실제 SOC의 변화를 나타낸 그래프이다;
도 2는 실험예에서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 충전 상태 측정 장치를 통해 측정한 이차전지의 추정 SOC 및 실제 SOC의 변화를 나타낸 그래프이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<전지셀의 제조>

양극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극 및 음극 활물질로서, 탄소계 물질을 포함하는 음극을 제조하고, 분리막으로 셀가드TM를 사용하여 상기 양극 및 음극을 포함하는 전극조립체를 제조하였으며, 리튬 비수계 전해액을 첨가하여 상기 전극조립체와 함께 셀 케이스에 내장하여 4.2V의 만충 전압을 갖는 전지셀을 제조하였다.

<기준 SOC 1% 전압 측정>

상기 전지셀을 섭씨 5도의 챔버 내에서, 2200 mAh (= 1C-rate, 2200mAh 전지셀 기준)의 방전 전류로 방전을 실시하고, 상기 전지셀의 실제 SOC 전압이 1%가 되는 시점의 전압 값을 측정하였으며, 이 때, 상기 전압 값은 3.036V임을 확인하였다.

<실시예 1>

상기 전지셀의 실제 SOC 전압이 1%가 되는 시점의 전압 값인 3.036V를 기준 SOC 1% 전압으로 설정하여, 충전 상태 측정 장치의 마이크로 컨트롤러 유닛에 저장하고, 상기 전지셀의 방전 과정에서, 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 일치하는 시점 이후에, 가속 인자가 적용됨으로써, 추정 SOC가 연속적으로 변화하도록 설정하였다.

<비교예 1>

상기 전지셀의 기준 SOC 1% 전압 설정, 저장 및 가속 인자의 적용이 이루어지지 않도록 충전 상태 측정 장치를 설정하였다.

<실험예 1>

상기 전지셀을 섭씨 5도의 챔버 내에서, 1500 mAh (0.7C-rate, 2200mAh 전지셀 기준)의 방전 전류로 방전을 실시하면서, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 설정한 충전 상태 측정 장치를 이용해, 상기 전지셀의 방전 시간에 따른 추정 SOC를 측정하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

참고로, 상기 방전 조건은 통상적인 시스템에서 사용되는 전류 범위인 0.5C 내지 0.7C로 실험하기 위해 0.7C-rate로 설정하였다.

도 2를 참조하면, 비교예 1의 충전 상태 측정 장치에 의해 측정된 추정 SOC는 대체적으로 균일하게 감소하는 반면에, 실시예 1의 충전 상태 측정 장치에 의해 측정된 추정 SOC는 약 7.5%인 시점을 기준으로, 상기 추정 SOC의 변화율이 더 커지는 것을 알 수 있다.

이는 상기 전지셀의 실제 SOC 전압이 1%가 되는 시점이 추정 SOC가 약 7.5%가 되는 시점이라는 것을 의미하며, 상기 실시예 1의 충전 상태 측정 장치는 기준 SOC 1% 전압으로서, 상기 전지셀의 실제 SOC 전압이 1%일 때의 전압 값을 마이크로 컨트롤러 유닛에 포함하고 있는 바, 상기 전지셀의 실제 SOC 전압이 1%가 되는 시점, 즉, 추정 SOC가 약 7.5%가 되는 시점에서, 가속 인자가 적용됨으로써, 상기 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록 더 빠르게 감소하기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지의 충전 상태 측정 장치는 기준 SOC 1% 전압을 설정하여, 상기 기준 SOC 1% 전압만을 마이크로 컨트롤러 유닛에 저장하고, 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점에서, 추정 SOC에 가속 인자가 적용되도록 설정하는 것만으로, 상기 이차전지의 방전 말기에 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록 보정되는 바, 종래의 충전 상태 측정 장치에 비해, 적은 데이터를 마이크로 컨트롤러 유닛에 저장하여 활용하는 것만으로, 추정 SOC의 갑작스러운 하락을 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

1. 이차전지의 실제 충전 상태(State of Charge; SOC)를 추정하는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit; MCU)을 포함하고 있는 이차전지의 충전 상태 측정 장치로서,
   상기 마이크로 컨트롤러 유닛에 의해 추정되는 이차전지의 추정 SOC는 실제 SOC와 오차를 갖고,
   상기 마이크로 컨트롤러 유닛은, 방전 시간에 따라 감소하는 이차전지의 실제 SOC 전압이 사전에 설정되어 있는 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점부터, 방전 시간에 따른 실제 SOC의 감소에 대응하여, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록, 상기 추정 SOC를 연속적으로 변화시키고,
   상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이후의 추정 SOC의 방전 시간에 따른 변화율은, 상기 시점 이전에 비해, 더 크고,
   상기 추정 SOC의 변화율의 차이는 가속 인자의 적용에 의해 이루어지며,
   상기 가속 인자는 마이크로 컨트롤러 유닛에 저장되고, 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점부터 추정 SOC에 적용되고,
   상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 상기 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점 이후의 추정 SOC의 방전 시간에 따른 변화는, 상기 실제 SOC가 0%가 되는 시점에서, 상기 추정 SOC와 실제 SOC가 일치하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 SOC 1% 전압은, 이차전지를 특정 온도 및 특정 C-레이트(C-rate)로 방전함으로써 얻어지는 방전 프로파일에서, 상기 이차전지의 실제 SOC가 1%가 되는 시점의 전압 값인 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 특정 온도는 섭씨 영하 15도 내지 영상 15도의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 특정 C-레이트는 0.5C 내지 1.5C-레이트 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 기준 SOC 1% 전압은 이차전지의 종류에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 상기 기준 SOC 1% 전압과 동일한 시점에서, 상기 추정 SOC는 실제 SOC에 비해 높은 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는,
    이차전지의 양극 단자 및 음극 단자에 전기적으로 연결되는 전극 단자 연결부; 및
    상기 추정 SOC를 표시하는 표시부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 장치.
12. 제 1 항에 따른 장치를 이용하는 이차전지의 충전 상태를 측정하는 방법으로서,
    i) 측정 장치의 전극 단자 연결부에 이차전지의 양극 단자 및 음극 단자를 각각 전기적으로 연결하는 단계;
    ii) 상기 이차전지의 방전에 따라, SOC를 추정하는 단계;
    iii) 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 사전에 설정된 기준 SOC 1% 전압과 동일한지 여부를 확인하는 단계;
    iv) 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일한 경우, 가속 인자가 적용됨으로써, 추정 SOC가 실제 SOC에 수렴하도록 변화하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 추정 SOC의 변화는, 상기 실제 SOC가 0%가 되는 시점에서, 상기 추정 SOC와 실제 SOC가 일치하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 방법.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 추정 SOC의 변화는 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 방법.
15. 제 12 항에 있어서, 상기 가속 인자는, 상기 이차전지의 실제 SOC 전압이 기준 SOC 1% 전압과 동일해지는 시점을 기준으로, 추정 SOC의 방전 시간에 따른 변화율이 더 커지도록 유도하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 충전 상태 측정 방법.
16. 제 1 항에 따른 장치에 의해 충전 상태가 측정되는 이차전지.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
18. 제 1 항에 따른 장치에 의해 충전 상태가 측정되는 전지팩.

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