KR102364846B1 - 배터리 팩 및 배터리 팩의 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

일 예시에 따른 배터리 팩은 전지 셀 모듈에서 배출되는 배출 가스의 조성비 또는 전류와 전압을 측정하여 리튬 공기 전지의 SOH를 측정할 수 있으며, 이러한 배터리 팩은 리튬 공기 전지의 배출 가스, 전압 및 전류를 이용하여 추가적인 회로 구성이나 복잡한 알고리즘의 적용 없이 간단하고 추가적인 비용이 거의 들지 않는 방식으로 리튬 공기 전지의 SOH를 추정할 수 있을 뿐만 아니라, 부하에 방전 중인 리튬 공기 전지나 충전 장치로부터 충전되고 있는 리튬 공기 전지에 대해서도 배출 가스, 전압 및 전류를 측정할 수 있기 때문에, 동작 중인 배터리 팩에 대해서도 실시간으로 리튬 공기 전지의 SOH는 추정될 수 있다.

Description

배터리 팩 및 배터리 팩의 관리 방법 {Battery pack and method of managing the battery pack}
리튬 공기 전지를 포함하는 배터리 팩 및 리튬 공기 전지의 건강 상태(state of health, 이하 'SOH'라 함)를 추정하는 방법을 포함하는 배터리 팩의 관리 방법이 개시된다.
이차 배터리는 충전이 불가능한 일차 배터리와는 달리, 충전이 가능한 배터리를 말하는 것으로서, 스마트폰, 노트북 컴퓨터, PDA 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 전기 자동차, 에너지 저장 시스템에 이르기까지 널리 사용되고 있다. 사용 환경, 사용 기간, 충방전 횟수 등에 따라 배터리 용량은 감소하게 된다. 배터리 용량이 스펙에 기재된 초기 배터리 용량보다 얼마나 감소하였는지를 나타내는 지표로서, 배터리의 SOH는 배터리를 평가하는 중요한 파라미터 중 하나이다.
배터리의 SOH를 추정하는 데에 전류 적산 방법이 사용될 수 있다. 전류 적산 방법은 만충전과 만방전을 통해 배터리 용량을 전류 적산 방식으로 측정하고, 이를 초기 배터리 용량과 비교함으로써 배터리의 SOH를 추정하는 방법이다. 이 방법은 온도나 방전 속도의 편차가 적절히 보상될 수 있다면 배터리의 SOH를 상당히 정확히 추정할 수 있지만, 배터리를 만충전시킨 후 만방전시켜야 하므로 효율적이지 않다.
본 개시는 리튬 공기 전지의 배출 가스 조성비를 이용하여 실시간으로 리튬 공기 전지의 SOH를 추정할 수 있는 배터리 팩을 제공한다.
더불어 본 개시는 리튬 공기 전지의 배출 가스 조성비를 이용하여 실시간으로 리튬 공기 전지의 SOH를 추정할 수 있는 방법을 포함하는 배터리 팩의 관리 방법을 제공한다.
일 예시에 따른 배터리 팩은, 공기가 유입되고 배출 가스가 방출되며, 리튬 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈이 구비되는 리튬 공기 전지; 및 상기 리튬 공기 전지의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하고, 상기 배터리 관리부는, 상기 배출 가스의 조성비 및 전류를 측정하여 배출 가스 데이터 및 전류 데이터를 생성하는 측정부; 상기 배출 가스 데이터 및 상기 전류 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 현재 용량을 추정하여, 현재 용량 데이터를 생성하는 용량 추정부; 및 상기 현재 용량 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 건강 상태(SOH)를 추정하는 SOH 추정부;를 포함할 수 있다.
상기 현재 용량 데이터는, 상기 배출 가스에 포함된 일산화탄소 또는 이산화탄소를 감지하여 획득된 카본 조성비가 미리 설정된 임계 카본 조성비 보다 작은 구간에서 적산된 충전 전류량을 이용하여 산출될 수 있다.
초기 용량 데이터 및 열화 용량 데이터가 저장된 메모리;를 더 포함할 수 있다.
상기 SOH 추정부는 상기 현재 용량 데이터, 상기 초기 용량 데이터 및 상기 열화 용량 데이터를 이용하여 현재 사이클의 임계 충전 용량, 제1 사이클의 임계 충전 용량 및 열화 사이클의 임계 충전 용량을 획득하고, 상기 리튬 공기 전지의 제1 SOH는 상기 현재 사이클의 임계 충전 용량과 상기 열화 사이클의 임계 충전 용량의 차를 상기 제1 사이클의 임계 충전 용량과 상기 열화 사이클의 임계 충전 용량의 차로 나눔으로써 산출될 수 있다.
상기 전지 셀 모듈은 양극층, 음극층 및 상기 양극층과 음극층 사이에 배치되는 전해질 막을 포함하며, 상기 전해질 막은 비수계 전해질을 포함할 수 있다.
상기 비수계 전해질은 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계 용매, 유기인(organophosphorous)계 용매 또는 비양성자성 용매 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 리튬 공기 전지의 전압을 측정하여 상기 측정부에서 생성된 전압 데이터 및 상기 전류 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 현재 내부 저항을 추정하여, 현재 내부 저항 데이터를 생성하는 내부 저항 추정부;를 더 포함하고, 상기 SOH 추정부는 상기 현재 내부 저항 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH를 추정할 수 있다.
초기 내부 저항 데이터 및 열화 내부 저항 데이터가 저장된 메모리;를 더 포함할 수 있다.
상기 SOH 추정부는 상기 현재 내부 저항 데이터, 상기 초기 내부 저항 데이터 및 상기 열화 내부 저항 데이터를 이용하여 현재 충전 사이클의 내부 저항, 제1 충전 사이클의 내부 저항 및 열화 충전 사이클의 내부 저항을 획득하고, 상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH는 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항과 상기 현재 충전 사이클의 내부 저항의 차를 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항과 상기 제1 충전 사이클의 내부 저항의 차로 나눔으로써 산출될 수 있다.
상기 현재 충전 사이클의 내부 저항, 상기 제1 충전 사이클의 내부 저항 및 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항은 동일한 온도 및 동일한 충전 상태(SOC) 조건에서 획득될 수 있다.
상기 SOH 추정부는 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 SOH를 추정할 수 있다.
상기 SOH는 상기 제1 SOH와 상기 제2 SOH의 평균(average)으로 산출될 수 있다.
공기가 유입되고 배출 가스가 방출되며, 리튬 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈이 구비되는 리튬 공기 전지 및 상기 리튬 공기 전지의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하는 일 예시에 따른 배터리 팩의 관리 방법은, 상기 배출 가스의 조성비 및 전류를 측정하여, 배출 가스 데이터 및 전류 데이터를 생성하는 단계; 상기 배출 가스 데이터 및 상기 전류 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 현재 용량을 추정하여, 현재 용량 데이터를 생성하는 단계; 상기 현재 용량 데이터와 미리 설정된 초기 용량 데이터 및 열화 용량 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 제1 SOH를 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 배출 가스 데이터를 이용하여 상기 배출 가스의 카본 조성비를 산출하는 단계; 상기 카본 조성비와 미리 설정된 임계 카본 조성비의 크기를 비교하는 단계; 상기 카본 조성비가 상기 카본 조성비 보다 작은 구간에서 충전 전류량을 적산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 리튬 공기 전지의 제1 SOH를 추정하는 단계에서, 상기 현재 용량 데이터, 상기 초기 용량 데이터 및 상기 열화 용량 데이터를 이용하여 현재 사이클의 임계 충전 용량, 제1 사이클의 임계 충전 용량 및 열화 사이클의 임계 충전 용량이 획득되고, 상기 리튬 공기 전지의 제1 SOH는 상기 현재 사이클의 임계 충전 용량과 상기 열화 사이클의 임계 충전 용량의 차를 상기 제1 사이클의 임계 충전 용량과 상기 열화 사이클의 임계 충전 용량의 차로 나눔으로써 산출될 수 있다.
상기 리튬 공기 전지의 전압을 측정하는 단계; 상기 전압 데이터 및 상기 전류 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 현재 내부 저항을 추정하여, 현재 내부 저항 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 SOH 추정부는 상기 현재 내부 저항 데이터 및 미리 설정된 초기 내부 저항 데이터 및 열화 내부 저항 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH를 추정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 현재 충전 사이클의 내부 저항, 상기 제1 충전 사이클의 내부 저항 및 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항은 동일한 온도 및 동일한 충전 상태(SOC) 조건에서 획득될 수 있다.
상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH를 추정하는 단계에서, 상기 현재 내부 저항 데이터, 상기 초기 내부 저항 데이터 및 상기 열화 내부 저항 데이터를 이용하여 현재 충전 사이클의 내부 저항, 제1 충전 사이클의 내부 저항 및 열화 충전 사이클의 내부 저항이 획득되고, 상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH는 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항과 상기 현재 충전 사이클의 내부 저항의 차를 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항과 상기 제1 충전 사이클의 내부 저항 의 차로 나눔으로써 산출될 수 있다.
상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH를 기초로 상기 배터리 셀의 상기 SOH를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다양한 예시들에 따르면, 리튬 공기 전지의 SOH는 리튬 공기 전지의 배출 가스, 전압 및 전류를 이용하여 추가적인 회로 구성이나 복잡한 알고리즘의 적용 없이 간단하고 추가적인 비용이 거의 들지 않는 방식으로 추정될 수 있다. 뿐만 아니라, 부하에 방전 중인 리튬 공기 전지나 충전 장치로부터 충전되고 있는 리튬 공기 전지에 대해서도 배출 가스, 전압 및 전류를 측정할 수 있기 때문에, 동작 중인 배터리 팩에 대해서도 실시간으로 리튬 공기 전지의 SOH는 추정될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 블록도이다.
도 2a는 일 예시에 따른 리튬 공기 전지의 개략도이며, 도 2b는 도 2a에 도시된 전지 셀의 개략도이다.
도 3a는 일 예시에 따른 리튬 공기 전지의 충방전 사이클을 나타내는 그래프이다. 도 3b 내지 도 3d는 리튬 공기 전지의 충전 사이클이 진행됨에 따라 변화되는 전해질막과 양극층에 대한 개략도이다.
도 4는 다른 예시에 따른 리튬 공기 전지의 충 충방전 사이클을 나타내는 그래프이다.
도 5는 리튬 공기 전지의 배출 가스 조성비에 따른 충전 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 리튬 공기 전지의 사이클 진행에 따른 충전 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 리튬 공기 전지의 사이클 진행에 따른 내부 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 일 예시에 따른 배터리 팩의 관리 방법에 대한 흐름도이다.
도 9는 다른 예시에 따른 배터리 팩의 관리 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 블록도를 도시한다. 배터리 팩에는 충전 가능한 이차 전지 예를 들어, 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등이 사용될 수 있으나, 본 명세서에서는 리튬 공기 전지(lithium air battery)를 중점적으로 서술한다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(100)은 리튬 공기 전지(110) 및 배터리 관리부(120)를 포함한다. 배터리 관리부(120)는 측정부(130), 용량 측정부(140), 내부 저항 추정부(150) 건강 상태(SOH) 추정부(160) 및 메모리(180)를 포함한다.
리튬 공기 전지(110)는 전력을 저장하는 부분으로서 방전시에 하기 반응식 1과 같이 리튬(Li)과 산소가 반응하여 과산화리튬(Li2O2)을 생성하는 반응을 통해 전기를 생성하거나, 충전시에 하기 반응식 2와 같이 과산화리튬(Li2O2)이 분해되어 리튬 이온 및 산소를 배출할 수 있다. 리튬 공기 전지(110)에 대해서는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 후술한다.
[반응식 1]
2Li + 2e- + O2 → Li2O2
[반응식 2]
Li2O2　→ 2Li+　+ 2e-　+ O2
배터리 관리부(120)는 리튬 공기 전지(110)의 상태를 모니터링하고 리튬 공기 전지(110)의 충전 및 방전 동작을 포함하는 전반적인 동작을 제어한다. 배터리 관리부(120)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)으로 지칭될 수 있다.
배터리 관리부(120)는 리튬 공기 전지(110)의 파라미터들, 예를 들어, 전압, 온도, 배출가스의 조성비, 충전 및 방전 전류 등을 측정하고, 측정된 데이터들을 기초로 리튬 공기 전지(110)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 배터리 관리부(120)는 측정된 데이터들로부터 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, 이하 'SOC'라 함) 등을 산출하거나, 리튬 공기 전지(110)에 이상이 발생하였는지를 판단할 수 있다. 예컨대, 과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열, 배터리 셀 임밸런싱, 배터리 셀의 열화 등과 같은 이상이 발생하였는지를 판단할 수 있다. 이상이 발생한 경우, 배터리 관리부(120)는 내부의 알고리즘에 따라 정해진 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(120)는 충전 스위치 및/또는 방전 스위치를 제어하거나, 퓨즈를 절단시킬 수 있다. 배터리 관리부(120)는 측정된 데이터들 및 미리 정해진 알고리즘에 따라서 리튬 공기 전지(110)의 동작을 제어할 수 있다.
배터리 관리부(120)는 리튬 공기 전지(110)의 배출 가스의 조성비, 전압 및 전류를 측정하는 측정부(130, 배출 가스 데이터(BD), 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 현재 용량을 추정하여 현재 용량 데이터(CCD)를 생성하는 용량 측정부(140), 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 현재 내부 저항을 추정하여 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 생성하는 내부 저항 추정부(150), 및 현재 용량 데이터(CCD) 및 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 추정하는 SOH 추정부(160)를 포함한다. 측정부(130), 용량 측정부(140), 내부 저항 추정부(150) 및 SOH 추정부(160)가 각각의 구성요소로 제시되었지만, 측정부(130), 용량 측정부(140), 내부 저항 추정부(150) 및 SOH 추정부(160)는 모두 하나의 칩 내에서 구현될 수 있다. 다른 예에 따르면, 측정부(130)는 아날로그 프론트 엔드(AFE, analog front end)로 지칭되는 장치에서 구현되고, 용량 측정부(140), 내부 저항 추정부(150) 및 SOH 추정부(160)는 배터리 모니터링 유닛(BMU, battery monitoring unit)으로 지칭되는 마이크로 컨트롤러에서 구현될 수 있다.
전압 측정부(131)는 리튬 공기 전지(110)의 셀 전압을 측정하여 전압 데이터(VD)를 생성한다. 전압 측정부(131)는 리튬 공기 전지(110)의 양 단자와 배선들을 통해 연결되어 리튬 공기 전지(110)의 전압을 직접 측정할 수 있다. 전압 측정부(131)는 측정된 측정 전압을 전압 데이터(VD)로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기(ADC, analog-digital converter)를 포함할 수 있다. 측정 전압의 변동, 노이즈, 및 측정 오차를 고려하여, 전압 데이터(VD)는 리튬 공기 전지(110)의 소정 시간 동안의 전압 값들의 평균에 대응할 수 있다. 상기 소정 시간은 예컨대 1초, 10초 또는 1분일 수 있다.
전류 측정부(132)는 리튬 공기 전지(110)의 충전 및 방전 전류를 측정하여 전류 데이터(CD)를 생성한다. 일 예로서, 전류 측정부(132)는 미리 정해진 시작 시간에서 미리 정해진 종료 시간까지 전류 측정 신호에 대한 전류 적분을 수행하는 전류 적분기일 수 있다. 리튬 공기 전지(110)의 전류 측정 신호는 전류 적분기에 공급될 수 있으며, 전류 적분기는 소정의 시간 간격 동안 전류 측정 신호에 대한 전류 적분을 수행하여 리튬 공기 전지(110)의 전류 데이터(CD)를 생성할 수 있다.
배출 가스 측정부(133)는 가스 배출부(113)에 배치되어 전지 셀 모듈(111)로부터 배출되는 배출 가스, 예를 들어 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 조성비를 측정하여 배출 가스 데이터(BD)를 생성한다. 일 예로서 가스 측정부(40) 비분산 적외선 센서(Non-dispersive infrared sensor) 또는 적외선 센서(Infrared sensor) 등으로 형성되어 배출 가스 데이터(BD)를 생성할 수 있다.
온도 측정부(134)는 전지 셀 모듈(111) 내부의 온도를 측정하여 온도 데이터(TD)를 생성할 수 있다.
용량 측정부(140)는 전류 데이터(CD) 및 배출 가스 데이터(BD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 현재 용량을 추정하여, 현재 용량 데이터(CCD)를 생성한다. 용량 측정부(140)는 전류 측정부(132) 및 배출 가스 측정부(133)로부터 전류 데이터(CD) 및 배출 가스 데이터(BD)를 수신할 수 있으며, 수신된 전류 데이터(CD) 및 배출 가스 데이터(BD)를 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 현재 용량을 추정할 수 있다. 수신된 전류 데이터(CD) 및 배출 가스 데이터(BD)를 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 현재 용량을 추정하는 방법은 도 5 및 도 6을 참조하여 후술한다.
내부 저항 추정부(150)는 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 현재 내부 저항을 추정하여, 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 생성한다. 내부 저항 추정부(150)는 측정부(130)로부터 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 수신할 수 있으며, 수신된 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 내부 저항을 추정할 수 있다. 리튬 공기 전지(110)의 내부 저항은 리튬 공기 전지(110)가 노화될수록 커지는 것으로 알려져 있다. 수신된 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 내부 저항을 추정 하는 방법은 도 7을 참조하여 후술한다.
SOH 추정부(160)는 현재 용량 데이터(CCD) 또는 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 추정한다. SOH 추정부(160)는 용량 측정부(140)로부터 현재 용량 데이터(CCD)를 수신하고, 내부 저항 추정부(150)로부터 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 수신하고, 현재 용량 데이터(CCD) 또는 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 추정할 수 있다.
일 예로서, SOH 추정부(160)는 상기 리튬 공기 전지(110)의 초기 용량 데이터(ICD)와 열화 용량 데이터(ECD) 및 현재 용량 데이터(CCD)를 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 추정할 수 있다. 이 때, 초기 용량 데이터(ICD)는 리튬 공기 전지(110)의 스펙 상의 용량으로서, 리튬 공기 전지(110)의 제조 시에 갖게 되는 용량을 의미하고, 열화 용량 데이터(ECD)는 리튬 공기 전지(110)가 열화된 상태에서 갖게 되는 용량을 의미하며, 초기 용량 데이터(ICD)와 열화 용량 데이터(ECD)는 미리 설정되어 후술하게 될 메모리(180)에 저장될 수 있다.
또한, SOH 추정부(160)는 상기 리튬 공기 전지(110)의 초기 내부 저항 데이터(IIRD)와 열화 내부 저항 데이터(EIRD) 및 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 추정할 수 있다. 이 때, 초기 내부 저항 데이터(IIRD)는 리튬 공기 전지(110)의 스펙 상의 내부 저항으로서, 리튬 공기 전지(110)의 제조 시에 갖게 되는 내부 저항을 의미하고, 열화 내부 저항 데이터(EIRD)는 리튬 공기 전지(110)가 열화된 상태에서 갖게 되는 내부 저항을 의미하며, 초기 내부 저항 데이터(IIRD)와 열화 내부 저항 데이터(EIRD)는 미리 설정되어 후술하게 될 메모리(180)에 저장될 수 있다.
메모리(180)는 상술한 바와 같이 리튬 공기 전지(110)의 초기 용량 데이터(ICD), 열화 용량 데이터(ECD), 초기 내부 저항 데이터(IIRD) 및 열화 내부 저항 데이터(EIRD)를 저장할 수 있는 저장 장치이다. 메모리(80)는 통상적인 저장매체로서 예를 들어, 하드디스크드라이브(Hard Disk Drive, HDD), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래쉬메모리 (Flash Memory) 및 메모리카드(Memory Card)를 포함할 수 있다.
도 2a는 일 예시에 따른 리튬 공기 전지(110)의 개략도이며, 도 2b는 도 2a에 도시된 전지 셀(C)의 개략도이다.
리튬 공기 전지(110)는 전지 셀 모듈(111), 공기 유입부(112) 및 가스 배출부(113)를 포함할 수 있다. 전지 셀 모듈(111)은 복수의 전지 셀(C)들을 포함할 수 있으며, 전지 셀(C) 각각은 하우징(111-1), 음극층(111-2), 전해질막(111-3), 양극층(111-5) 및 기체 확산층(111-6)을 포함할 수 있다.
하우징(111-1)은 음극층(111-2), 전해질막(111-3), 양극층(111-5) 및 기체 확산층(111-6)을 수용할 수 있다.
음극층(111-2)은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬(Li) 금속 및 바인더를 포함할 수 있다. 일 예로서, 음극층(111-2)에는 리튬 금속외에, 리튬 금속 기반의 합금 또는 리튬 삽입 화합물(lithium intercalating compound)등이 사용될 수 있다. 바인더로서는 일례로 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 들 수 있으며, 바인더의 함량은 특별히 한정된 것은 아니며 예를 들어 30중량% 이하일 수 있다.
전해질막(111-3)은 음극층(111-2)과 양극층(111-5) 사이에 배치될 수 있으며, 음극층(111-2)에서 생성된 리튬 이온을 양극층(111-5)으로 전달할 수 있는 전해질을 포함할 수 있다. 일례로서, 전해질은 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상이거나, 금속염을 용매에 용해시켜 형성된 것일 수 있다. 또한, 전해질은 수계, 비수계 또는 이온성액체 전해질일 수 있다. 이하에서는 물을 포함하지 않는 비수계 전해질을 중심으로 서술한다.
비수계 전해질은 물을 포함하지 않는 유기용매를 사용할 수 있으며, 비수계 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계 용매, 유기인(organophosphorous)계 용매 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다.
에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란등이 사용될 수 있으며, 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다.
또한 유기황계 및 유기인계 용매로는 메탄설포닐클로라이드(methanesulfonyl chloride)와 p-트리클로로-n-디클로로포스포릴모노포스파젠(p-Trichloro-n-dichlorophosphorylmonophosphazene) 등이 사용될 수 있으며, 비양성자성 용매로는 R'CN(R'은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상, 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있음) 등의 니트릴류, 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 비수계 유기용매는 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 둘 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당업자가 이해될 수 있는 범위이다.
또한, 비수계 유기용매는 리튬염을 포함할 수 있으며, 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용할 수 있다. 리튬염으로는 LiPF6, LiTFSI(Lithium bis(fluorosulfonly)imide), LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiF, LiBr, LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.
리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0몰 범위 내에서 사용할 수 있다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해액 이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로, 우수한 전해액 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다. 또한, 비수계 유기용매는 리튬염 이외에도 다른 금속염을 추가로 포함할 수 있으며, 일례로 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등이 있다.
양극층(111-5)은 리튬 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화 및 환원을 위한 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상술한 전해질, 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후 용매를 첨가하여 양극 슬러리를 제조하고, 양극 슬러리를 기체 확산층(111-6)에 도포한 후 건조시킴으로써 양극층(111-5)을 형성할 수 있다. 용매는 전해질막(111-3)에 포함된 전해질의 제조에 사용된 용매와 동일한 것일 수 있다.
도전성 재료로는 예를 들어 다공성을 갖는 탄소계 재료 또는 도전성 유기 재료 등을 사용하거나 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 예컨대, 탄소계 재료로서는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다.
촉매로는, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등을 사용할 수 있으며, 또는 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 산화물을 사용할 수도 있다. 또한, 바인더로는, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
기체 확산층(111-6)은 양극층(111-5)에 공기를 골고루 공급할 수 있다. 기체 확산층(111-6)은 다공성 구조를 갖는 금속, 세라믹, 폴리머, 탄소 소재, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 기체 확산층(111-6)은 다공성 구조를 가짐으로써, 리튬 공기 전지(110)에 유입된 공기를 흡수하여 기체 확산층(111-6)에 구비된 캐비티(cavity)로 원활하게 확산시킬 수 있다.
공기 유입부(112)는 리튬 공기 전지(110)의 외부와 전지 셀 모듈(111) 사이에 배치되어 전지 셀 모듈(111)로 외부 공기를 유입할 수 있는 유입 장치이다. 본 명세서에서 사용되는 용어인 "공기(air)"는 대기 공기로 제한되는 것은 아니며, 산소를 포함하는 기체의 조합, 또는 순수 산소 기체를 포함할 수도 있다. 이에 따라 공기 유입부(112)에는 공기 중의 수분 및 이산화탄소와 같은 불순물을 제거하여 공기를 정화시킬 수 있는 공기 정화 모듈(미도시) 등이 포함될 수도 있다.
가스 배출부(113)는 전지 셀 모듈(111) 내부에서 생성된 가스, 예를 들어 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 등을 배출할 수 있는 배출 장치이다. 가스 배출부(113)는 전지 셀 모듈(111)과 리튬 공기 전지(110)의 외부 사이에 배치되어 전지 셀 모듈(111)과 리튬 공기 전지(110)를 유체 연통시킬 수 있는 연결 채널(미도시)등을 포함할 수 있다.
도 3a는 일 예시에 따른 리튬 공기 전지의 충방전 사이클을 나타내는 그래프이다. 도 3b 내지 도 3d는 리튬 공기 전지의 충전 사이클이 진행됨에 따라 변화되는 전해질막과 양극층에 대한 개략도이다. 도 4는 다른 예시에 따른 리튬 공기 전지의 충 충방전 사이클을 나타내는 그래프이다.
반응식 1 및 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 리튬 공기 전지(110)는 방전시에 리튬(Li)과 산소가 반응하여 과산화리튬(Li2O2)을 생성하는 반면, 충전시에 하기 과산화리튬(Li2O2)이 분해되어 리튬 이온 및 산소를 배출할 수 있다. 다만, 반응식 1 및 2에 의해 리튬 공기 전지(110)에서 생성 및 배출되는 생성물과 배출물은 이상적인 반응 과정에 대한 것이며, 실제 리튬 공기 전지(110)의 충전 과정에서는 과전압 및 과산화리튬(Li2O2)의 높은 반응성에 의해 전해질막(111-3) 및 양극층(111-5)의 표면에서 탄산 리튬(Li2CO3 ) 및 카르복시산염 (LiRCO3) 이 생성되어 전해질막(111-3) 및 양극층(111-5)의 표면을 열화시킬 수 있다.
일 예로서, 도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 리튬 공기 전지(110)의 충전 사이클 중 초기 단계(A)에서는 과산화리튬(Li2O2)이 분해되어 산소가 배출되고 전해질막(111-3) 및 양극층(111-5)에 포함된 탄소(C)와 과산화리튬(Li2O2)이 반응하여 탄산 리튬(Li2CO3 ) 및 카르복시산염 (LiRCO3)이 생성될 수 있다.
리튬 공기 전지(110)의 충전 사이클이 진행(후기 단계: B)됨에 따라 과산화리튬(Li2O2)으로부터 분해되어 배출되는 산소의 양이 감소하고, 전해질막(111-3) 및 양극층(111-5)에 포함된 탄소(C)와 과산화리튬(Li2O2)이 반응하여 생성된 탄산 리튬(Li2CO3 ) 및 카르복시산염 (LiRCO3)이 분해되는 과정에서 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)가 생성될 수 있다.
리튬 공기 전지(110)의 충전 사이클이 종료되는 단계에서(말기 단계: C) 과산화리튬(Li2O2)은 대부분 분해됨으로써 과산화리튬(Li2O2)으로부터 분해되어 배출되는 산소는 소멸되고, 탄산 리튬(Li2CO3) 및 카르복시산염 (LiRCO3)이 분해되는 과정에서 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)만이 생성될 수 있다. 이 때, 리튬 공기 전지(110)의 충전 사이클이 종료되어 미처 분해되지 못한 탄산 리튬(Li2CO3) 및 카르복시산염 (LiRCO3)은 전해질막(111-3) 및 양극층(111-5)에 잔존할 수 있으며, 이로 인해 전해질막(111-3) 및 양극층(111-5)의 표면은 열화 될 수 있다. 이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 제1 충전 사이클(Cy1) 보다 제2 충전 사이클(Cy2)에서 과전압이 발생될 수 있으며 이로 인해 리튬 공기 전지(110)의 충전 용량(Q)이 감소되고, 리튬 공기 전지(110)의 수명이 단축될 수 있다.
도 5는 리튬 공기 전지의 배출 가스 조성비에 따른 충전 용량의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6은 리튬 공기 전지의 사이클 진행에 따른 충전 용량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1, 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 일 예시에 따른 배출 가스 측정부(133)는 전지 셀 모듈(111)로부터 배출되는 배출 가스의 조성비를 측정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 리튬 공기 전지(110)의 충전 사이클의 초기에는 산소(O2)가 배출되는 반면, 충전 사이클이 진행됨에 따라 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2) 등이 배출될 수 있다. 이로 인해, 배출 가스의 산소 조성비(Xo)는 충전 사이클이 진행됨에 따라 감소되는 반면, 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)에 의한 카본 조성비(Xc)는 점진적으로 증가될 수 있다. 이 때, 메모리(180)에는 미리 설정된 임계 카본 조성비(Xc _ th)가 저장될 수 있으며, 리튬 공기 전지(110)의 충전 사이클은 카본 조성비(Xc)가 임계 카본 조성비(Xc _ th)를 초과하지 않는 범위에서 이루어지도록 제어될 수 있다.
용량 측정부(140)는 카본 조성비(Xc)가 임계 카본 조성비(Xc _ th)를 초과하지 않는 범위에서 리튬 공기 전지(110)의 충전 사이클이 진행되는 동안 상기 전지 셀 모듈(111)의 충전 전류를 적산하여, 현재 사이클의 임계 충전 용량(Qt)를 측정할 수 있다.
다음으로, SOH 추정부(160)는 용량 측정부(140)로부터 전달된 현재 용량 데이터(CCD)와 메모리(180)로부터 전달된 초기 용량 데이터(ICD)와 열화 용량 데이터(ECD)를 기초로 현재 사이클의 임계 충전 용량(Qt), 제1 사이클의 임계 충전 용량(Q1) 및 열화 사이클의 임계 충전 용량(QEOL)을 획득할 수 있다.
일 예로서, SOH 추정부(160)는 메모리(180)로부터 전달된 초기 용량 데이터(ICD)를 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 제1 충전 사이클이 진행되는 동안 카본 조성비(Xc)가 임계 카본 조성비(Xc _ th)를 초과하지 않는 범위에서 상기 전지 셀 모듈(111)의 충전 전류를 적산하여 획득된 제1 사이클의 임계 충전 용량(Q1)을 획득할 수 있 있다. 또한, SOH 추정부(160)는 메모리(180)로부터 전달된 열화 용량 데이터(ECD)를 이용하여 전해질막(111-3) 및 양극층(111-5)의 표면이 열화된 리튬 공기 전지(110)의 충전 사이클이 진행되는 동안 카본 조성비(Xc)가 임계 카본 조성비(Xc _ th)를 초과하지 않는 범위에서 상기 전지 셀 모듈(111)의 충전 전류를 적산하여 획득된 열화 충전 사이클의 임계 충전 용량(QEOL)을 획득할 수 있다.
현재 사이클의 임계 충전 용량(Qt)은 제1 사이클의 임계 충전 용량(Q1) 보다 작을 수 있으며, 열화 충전 사이클의 임계 충전 용량(QEOL)은 현재 사이클의 임계 충전 용량(Qt) 보다 작을 수 있다. 이와 같은 임계 충전 용량(Q)의 차이는, 충전 사이클이 반복됨에 따라 전해질막(111-3) 및 양극층(111-5)의 표면이 열화되어 전해질막(111-3) 및 양극층(111-5)에 미처 분해되지 못한 탄산 리튬(Li2CO3) 및 카르복시산염 (LiRCO3)이 잔존함으로서 카본 조성비(Xc)가 임계 카본 조성비(Xc _ th)를 초과하지 않는 시점이 점점 빨라지기 때문에 발생된다.
이 후, SOH 추정부(160)는 아래 수식 1 및 제1 시점과 상기 제2 시점 사이에 리튬 공기 전지(110)의 변동 충전 용량을 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 연산할 수 있다. 여기서, 시점이란 시간의 짧은 순간을 의미하지만, 본 명세서에서 제1 시점과 제2 시점은 각각 시간의 짧은 순간 뿐만 아니라, 시간 내에 정의되는 시구간을 의미할 수도 있다. 즉, 제1 시점은 소정의 시간 길이를 갖는 제1 충전 사이클을 의미하고, 제2 시점은 제1 시구간과 중첩하지 않는 제2 충전 사이클을 의미할 수 있다.
[수식 1]
SOH(%)= (Qt - QEOL)/ (Q1 - QEOL) X 100
상술한 수식 1에 따라 리튬 공기 전지(110)의 SOH는 제1 사이클의 임계 충전 용량(Q1)과 열화 충전 사이클의 임계 충전 용량(QEOL)의 차이에 대한 현재 사이클의 임계 충전 용량(Qt)과 열화 충전 사이클의 임계 충전 용량(QEOL)의 차이의 비율을 이용하여 결정될 수 있다. 이 때, 상기 SOH는 일반적으로 0 이상 1 이하인 실수로 표시되거나 백분율로 표시될 수 있다.
도 7은 리튬 공기 전지의 사이클 진행에 따른 내부 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1, 도 2 및 도 7을 참조하면, 일 예시에 따른 내부 저항 추정부(150)는 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 현재 충전 사이클의 내부 저항(Rt)을 추정하여, 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 생성할 수 있다. 이 때, 메모리(180)에는 상술한 바와 같이 초기 내부 저항 데이터(IIRD) 및 열화 내부 저항 데이터(EIRD)가 저장될 수 있다.
내부 저항 변화를 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 측정하기 위해 현재 내부 저항 데이터(CIRD), 초기 내부 저항 데이터(IIRD) 및 열화 내부 저항 데이터(EIRD)는 동일한 온도 및 동일한 충전 상태(SOC) 조건에서 비교되어야 한다. 이에 따라 내부 저항 추정부(150)에 입력되는 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)는 온도 측정부(134)에서 측정된 소정의 온도 조건, 및 용량 측정부(140)에서 측정된 현재 용량 데이터(CCD)와 개방 회로 전압(OCV)을 이용하여 연산된 소정의 SOC 조건에서 측정될 수 있다. 이 때, 메모리(180)에 저장된 초기 내부 저항 데이터(IIRD) 및 열화 내부 저항 데이터(EIRD) 또한, 상기 소정의 온도 및 상기 소정의 SOC 조건과 동일한 조건에서 설정될 수 있다.
SOH 추정부(160)는 제1 시점과 상기 제2 시점 사이에 리튬 공기 전지(110)의 내부 저항 변화량을 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 연산할 수 있다. 일 예로서, SOH 추정부(160)는 아래 수식 2를 이용하여 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 연산할 수 있다.
[수식 2]
SOH(%)= (REOL - Rt)/ (REOL - R1) X 100
이 때, SOH 추정부(160)는 내부 저항 추정부(150)로부터 전달된 현재 내부 저항 데이터(CIRD)와 메모리(180)로부터 전달된 초기 내부 저항 데이터(IIRD) 및 열화 내부 저항 데이터(EIRD)를 기초로 현재 충전 사이클의 내부 저항(Rt), 제1 충전 사이클의 내부 저항(R1) 및 열화 충전 사이클의 내부 저항(REOL)을 획득할 수 있다. 이에 따라 리튬 공기 전지(110)의 SOH는 열화 충전 사이클의 내부 저항(REOL)과 제1 충전 사이클의 내부 저항(R1)의 차이에 대한 열화 충전 사이클의 내부 저항(REOL)과 현재 충전 사이클의 내부 저항(Rt)의 차이의 비율을 이용하여 결정될 수 있다. 상기 SOH는 일반적으로 0 이상 1 이하인 실수로 표시되거나 백분율로 표시될 수 있다.
이와 같이, SOH 추정부(160)는 초기 내부 저항 데이터(IIRD), 열화 내부 저항 데이터(EIRD) 및 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 기초로 전지 셀 모듈(111)의 내부 저항 관점의 SOH를 추정할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 SOH 추정부(160)는 초기 용량 데이터(ICD), 열화 용량 데이터(ECD) 및 현재 용량 데이터(CCD)를 기초로 전지 셀 모듈(111)의 용량 관점의 SOH를 추정할 수 있다. 이 때, 편의상 용량 관점의 SOH는 제1 SOH라고 지칭하고 내부 저항 관점의 SOH는 제2 SOH라고 지칭한다.
일 예시에 따른 SOH 추정부(160)는 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 추정할 수 있다. 예컨대, 리튬 공기 전지(110)의 SOH는 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH의 산술 평균으로 결정될 수 있다. 다른 예에 따르면, 리튬 공기 전지(110)의 SOH는 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH의 가중 평균으로 결정될 수 있다. 리튬 공기 전지(110)의 용량에 따라 상기 제1 SOH의 제1 가중치와 상기 제2 SOH의 제2 가중치는 조절될 수 있다. 예컨대, 리튬 공기 전지(110)의 용량이 클수록, 상기 제1 가중치가 상기 제2 가중치보다 커지도록 결정될 수 있다. 반대로 리튬 공기 전지(110)의 용량이 작아질수록, 상기 제2 가중치가 상기 제1 가중치보다 커지도록 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 일 예시에 따른 측정부(130)는 동작 중인 배터리 팩(100)의 리튬 공기 전지(110)의 배출 공기 조성, 전압 및 전류를 측정하여, 배출 공기 데이터(BD), 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 실시간으로 생성한다. 용량 측정부(140) 및 내부 저항 추정부(150)는 별도의 추가 회로 장치를 연결하지 않고, 배출 공기 데이터(BD), 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 현재 용량을 추정하여 현재 용량 데이터(CCD)를 실시간으로 생성하고, 리튬 공기 전지(110)의 현재 내부 저항을 추정하여 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 실시간으로 생성한다. SOH 추정부(160)는 현재 용량 데이터(CCD) 및 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 기초로 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 실시간으로 추정한다. 따라서, 배터리 팩(100)은 동작 중인 상태에서 리튬 공기 전지(110)의 SOH를 비교적 간단한 방법으로 정확하게 추정할 수 있다.
도 8은 일 예시에 따른 배터리 팩의 관리 방법에 대한 흐름도이다.
도 1, 도 2 및 도 8을 참조하면, 배출 가스의 조성비 및 전류를 측정하여, 배출 가스 데이터(BD) 및 전류 데이터(CD)를 생성할 수 있다. (S110) 배출 가스 측정부(133) 및 전류 측정부(132)를 이용하여 전지 셀 모듈(111)에서 배출되는 배출 가스에 대한 배출 가스 데이터(BD) 및 리튬 공기 전지(110)의 전류 데이터(CD)를 생성할 수 있다.
용량 측정부(140)에서는 전류 측정부(132)에서 전달된 전류 데이터(CD)를 이용하여 현재 사이클에서 생성된 전류량을 적산한다. (S120) 이 때, 용량 측정부(140)는 배출 가스 측정부(133)에서 전달된 배출 가스 데이터(BD)를 이용하여 현재 충전 사이클에서 배출된 배출 가스의 카본 조성비(Xc)를 산출할 수 있다. (S130)
용량 측정부(140)는 현재 충전 사이클에서 배출된 배출 가스의 카본 조성비(Xc)와 미리 설정된 임계 카본 조성비(Xc _ th)의 크기를 비교한다. (S140) 만약 카본 조성비(Xc)가 임계 카본 조성비(Xc _ th)보다 이하라면 현재 충전 사이클이 추가적으로 진행되고, 충전 사이클에 대한 새로운 배출 가스 데이터(BD) 및 전류 데이터(CD)가 측정될 수 있다. 이 때, 용량 측정부(140)에는 새로운 전류 데이터(CD)를 이용하여 추가적으로 진행된 충전 사이클에서 생성된 전류량을 적산한다. 만약 카본 조성비(Xc)가 임계 카본 조성비(Xc _ th)를 초과한다면 충전 사이클은 더 이상 진행되지 않으며, 용량 측정부(140)는 지금까지 적산된 전류량을 이용하여 현재 용량 데이터(CCD)를 생성할 수 있다.(S150)
SOH 추정부(160)는 현재 용량 데이터(CCD), 초기 용량 데이터(ICD)와 열화 용량 데이터(ECD)를 기초로 현재 사이클의 임계 충전 용량(Qt), 제1 사이클의 임계 충전 용량(Q1) 및 열화 사이클의 임계 충전 용량(QEOL)을 획득할 수 있으며, 이를 이용하여 제1 SOH를 생성할 수 있다. (S160) 이와 관련된 사항은 도 5 및 도 6에서 설명한 내용과 실질적으로 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다.
도 9는 다른 예시에 따른 배터리 팩의 관리 방법에 대한 흐름도이다.
도 1, 도 2 및 도 9를 참조하면, 전압 측정부(131) 및 전류 측정부(132)는 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 생성할 수 있다. (S210) 내부 저항 추정부(150)는 상기 전압 데이터(VD) 및 전류 데이터(CD)를 이용하여 현재 내부 저항 데이터(CIRD)를 생성할 수 있다. (S220)
SOH 추정부(160)는 내부 저항 추정부(150)로부터 전달된 현재 내부 저항 데이터(CIRD)와 메모리(180)로부터 전달된 초기 내부 저항 데이터(IIRD) 및 열화 내부 저항 데이터(EIRD)를 기초로 현재 충전 사이클의 내부 저항(Rt), 제1 충전 사이클의 내부 저항(R1) 및 열화 충전 사이클의 내부 저항(REOL)을 획득할 수 있으며, 이를 이용하여 제2 SOH를 생성할 수 있다. (S230) 이와 관련된 사항은 도 7에서 설명한 내용과 실질적으로 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다.
이러한 일 실시예에 따른 배터리 팩은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 실시예의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 배터리 팩 110: 리튬 공기 전지
120: 배터리 관리부 130: 측정부
140: 용량 추정부 150: 내부 저항 추정부
160: SOH 추정부 180: 메모리

Claims (19)

  1. 공기가 유입되고 배출 가스가 방출되며, 리튬 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈이 구비되는 리튬 공기 전지; 및
    상기 리튬 공기 전지의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하고,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 배출 가스의 조성비 및 전류를 측정하여 배출 가스 데이터 및 전류 데이터를 생성하는 측정부;
    상기 배출 가스 데이터 및 상기 전류 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 현재 용량을 추정하여, 현재 용량 데이터를 생성하는 용량 추정부; 및
    상기 현재 용량 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 건강 상태(SOH)를 추정하는 SOH 추정부;를 포함하는
    배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 현재 용량 데이터는, 상기 배출 가스에 포함된 일산화탄소 또는 이산화탄소를 감지하여 획득된 카본 조성비가 미리 설정된 임계 카본 조성비 보다 작은 구간에서 적산된 충전 전류량을 이용하여 산출되는,
    배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    초기 용량 데이터 및 열화 용량 데이터가 저장된 메모리;를 더 포함하는,
    배터리 팩.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 SOH 추정부는 상기 현재 용량 데이터, 상기 초기 용량 데이터 및 상기 열화 용량 데이터를 이용하여 현재 사이클의 임계 충전 용량, 제1 사이클의 임계 충전 용량 및 열화 사이클의 임계 충전 용량을 획득하고,
    상기 리튬 공기 전지의 제1 SOH는 상기 현재 사이클의 임계 충전 용량과 상기 열화 사이클의 임계 충전 용량의 차를 상기 제1 사이클의 임계 충전 용량과 상기 열화 사이클의 임계 충전 용량의 차로 나눔으로써 산출되는
    배터리 팩.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전지 셀 모듈은 양극층, 음극층 및 상기 양극층과 음극층 사이에 배치되는 전해질 막을 포함하며,
    상기 전해질 막은 비수계 전해질을 포함하는,
    배터리 팩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 비수계 전해질은 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 유기황(organosulfur)계 용매, 유기인(organophosphorous)계 용매 또는 비양성자성 용매 중 하나 이상을 포함하는,
    배터리 팩.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 리튬 공기 전지의 전압을 측정하여 상기 측정부에서 생성된 전압 데이터 및 상기 전류 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 현재 내부 저항을 추정하여, 현재 내부 저항 데이터를 생성하는 내부 저항 추정부;를 더 포함하고,
    상기 SOH 추정부는 상기 현재 내부 저항 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH를 추정하는,
    배터리 팩.
  8. 제 7 항에 있어서,
    초기 내부 저항 데이터 및 열화 내부 저항 데이터가 저장된 메모리;를 더 포함하는,
    배터리 팩.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 SOH 추정부는 상기 현재 내부 저항 데이터, 상기 초기 내부 저항 데이터 및 상기 열화 내부 저항 데이터를 이용하여 현재 충전 사이클의 내부 저항, 제1 충전 사이클의 내부 저항 및 열화 충전 사이클의 내부 저항을 획득하고,
    상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH는 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항과 상기 현재 충전 사이클의 내부 저항의 차를 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항과 상기 제1 충전 사이클의 내부 저항의 차로 나눔으로써 산출되는
    배터리 팩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 현재 충전 사이클의 내부 저항, 상기 제1 충전 사이클의 내부 저항 및 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항은 동일한 온도 및 동일한 충전 상태(SOC) 조건에서 획득된,
    배터리 팩.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 SOH 추정부는 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 SOH를 추정하는
    배터리 팩.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 SOH는 상기 제1 SOH와 상기 제2 SOH의 평균(average)으로 산출되는
    배터리 팩.
  13. 공기가 유입되고 배출 가스가 방출되며, 리튬 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈이 구비되는 리튬 공기 전지 및 상기 리튬 공기 전지의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하는 배터리 팩의 관리 방법으로서,
    상기 배출 가스의 조성비 및 전류를 측정하여, 배출 가스 데이터 및 전류 데이터를 생성하는 단계;
    상기 배출 가스 데이터 및 상기 전류 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 현재 용량을 추정하여, 현재 용량 데이터를 생성하는 단계;
    상기 현재 용량 데이터와 미리 설정된 초기 용량 데이터 및 열화 용량 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 제1 SOH를 추정하는 단계;를 포함하는
    배터리 팩의 관리 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 배출 가스 데이터를 이용하여 상기 배출 가스의 카본 조성비를 산출하는 단계;
    상기 카본 조성비와 미리 설정된 임계 카본 조성비의 크기를 비교하는 단계;
    상기 카본 조성비가 상기 카본 조성비 보다 작은 구간에서 충전 전류량을 적산하는 단계;를 더 포함하는,
    배터리 팩의 관리 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 리튬 공기 전지의 제1 SOH를 추정하는 단계에서, 상기 현재 용량 데이터, 상기 초기 용량 데이터 및 상기 열화 용량 데이터를 이용하여 현재 사이클의 임계 충전 용량, 제1 사이클의 임계 충전 용량 및 열화 사이클의 임계 충전 용량이 획득되고,
    상기 리튬 공기 전지의 제1 SOH는 상기 현재 사이클의 임계 충전 용량과 상기 열화 사이클의 임계 충전 용량의 차를 상기 제1 사이클의 임계 충전 용량과 상기 열화 사이클의 임계 충전 용량의 차로 나눔으로써 산출되는,
    배터리 팩의 관리 방법.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 리튬 공기 전지의 전압을 측정하는 단계;
    상기 리튬 공기 전지의 전압을 측정하여 생성되는 전압 데이터 및 상기 전류 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 현재 내부 저항을 추정하여, 현재 내부 저항 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 현재 내부 저항 데이터 및 미리 설정된 초기 내부 저항 데이터 및 열화 내부 저항 데이터를 기초로 상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH를 추정하는 단계;를 더 포함하는,
    배터리 팩의 관리 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 현재 내부 저항 데이터, 상기 초기 내부 저항 데이터 및 상기 열화 내부 저항 데이터를 이용하여 현재 충전 사이클의 내부 저항, 제1 충전 사이클의 내부 저항 및 열화 충전 사이클의 내부 저항을 획득하며,
    상기 현재 충전 사이클의 내부 저항, 상기 제1 충전 사이클의 내부 저항 및 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항은 동일한 온도 및 동일한 충전 상태(SOC) 조건에서 획득된,
    배터리 팩의 관리 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH를 추정하는 단계에서, 상기 현재 내부 저항 데이터, 상기 초기 내부 저항 데이터 및 상기 열화 내부 저항 데이터를 이용하여 현재 충전 사이클의 내부 저항, 제1 충전 사이클의 내부 저항 및 열화 충전 사이클의 내부 저항이 획득되고,
    상기 리튬 공기 전지의 제2 SOH는 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항과 상기 현재 충전 사이클의 내부 저항의 차를 상기 열화 충전 사이클의 내부 저항과 상기 제1 충전 사이클의 내부 저항 의 차로 나눔으로써 산출되는,
    배터리 팩의 관리 방법.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH를 기초로 상기 배터리 팩의 상기 SOH를 추정하는 단계를 더 포함하는,
    배터리 팩의 관리 방법.
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