KR102452626B1 - Soc-ocv 프로파일 추정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사전에 저장된 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 토대로 이차전지의 퇴화율이 반영된 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 SOC-OCV 프로파일 추정 장치는, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 양극 사용영역, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 음극 사용영역 및 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 풀셀 전체 용량이 저장되어 있는 저장부; 및 MOL 상태의 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는 이차전지가 MOL 상태가 되었을 때 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전되는 동안 MOL 풀셀 전체 용량을 산출하고, 상기 BOL 풀셀 전체 용량 대비 상기 MOL 풀셀 전체 용량의 비가, 상기 BOL 양극 사용영역 대비 MOL 양극 사용영역의 비 및 상기 BOL 음극 사용영역 대비 MOL 음극 사용영역 비와 각각 일치하도록, 상기 MOL 양극 사용영역과 상기 MOL 음극 사용영역을 결정하도록 구성된 사용영역 결정 모듈; 및 상기 MOL 양극 사용영역에 대응되는 상기 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분과 상기 MOL 음극 사용영역에 대응되는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분의 차이에 해당하는 차분 프로파일을 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로서 추정하고, 상기 저장부에 저장된 상기 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 상기 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 갱신하도록 구성된 프로파일 관리 모듈을 포함한다.

Description

SOC-OCV 프로파일 추정 방법 및 장치{Apparatus and method for estimating SOC-OCV profile}
본 발명은 이차전지의 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 사전에 저장된 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 토대로 이차전지의 퇴화율이 반영된 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이차전지는 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 휴대 가능 장치, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치 등에 이르기까지 사용 영역이 점차 확대되고 있다.
전지는, 방전되는 동안 전자를 방출하면서 산화되는 물질을 포함하는 음극(anode), 방전되는 동안 전자를 수용하면서 환원되는 물질을 포함하는 양극(cathode) 및 음극과 양극 사이에서 이온 이동이 가능하게 하는 전해질을 3가지의 기본 구성요소로서 포함한다. 전지에는 방전된 후에는 재사용이 불가능한 일차 전지와, 반복적인 충전과 방전이 가능한 이차 전지로 분류될 수 있다.
이차전지를 포함하는 시스템은 이차전지와 결합된 관리 장치를 포함하며, 상기 관리 장치는 이차전지의 충전 상태(SOC: state of charge)를 통해 잔여 사용량을 알려주는 기능을 일반적으로 탑재하고 있다. 상기 관리 장치는 개방 전압(OCV : Open Circuit Voltage)과 충전 상태(SOC)와의 관계를 나타내는 SOC-OCV 프로파일을 저장하고, 현재 측정된 또는 추정된 이차전지의 개방 전압과 대응하는 SOC를 S0C-OCV 프로파일에서 확인한다.
상기 S0C-OCV 프로파일은 실험적인 측정에 의해서 생성되어 관리 장치에 구비된 메모리 디바이스에 저장된다. 즉, 이차전지의 충전과 방전을 수차례 반복하여, 각 개방 전압(OCV)이 측정될 때의 SOC 데이터를 수집하고, 이 수집된 데이터를 토대로 개방 전압과 SOC의 상관관계를 나타내는 S0C-OCV 프로파일을 생성하고, 메모리 디바이스에 저장한다.
그런데 이차전지의 퇴화가 진행되는 경우, 상기 이차전지의 개방 전압과 SOC를 다시 측정하여 측정된 데이터를 토대로 퇴화율이 반영된 새로운 SOC-OCV 프로파일이 생성되어야 한다. 그러나 새로운 SOC-OCV 프로파일 생성하는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있으며, 상기 새로운 SOC-OCV 프로파일을 업데이트하는 것도 간단하지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 퇴화시에 적용되는 SOC-OCV 프로파일을 단시간에 추정하여, 이 추정된 SOC-OCV 프로파일로 기존의 SOC-OCV 프로파일을 갱신하는 SOC-OCV 프로파일 추정 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 SOC-OCV 프로파일 추정 장치는, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 양극 사용영역, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 음극 사용영역 및 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 풀셀 전체 용량이 저장되어 있는 저장부; 및 MOL 상태의 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 이차전지가 MOL 상태가 되었을 때 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전되는 동안 MOL 풀셀 전체 용량을 산출하고, 상기 BOL 풀셀 전체 용량 대비 상기 MOL 풀셀 전체 용량의 비가, 상기 BOL 양극 사용영역 대비 MOL 양극 사용영역의 비 및 상기 BOL 음극 사용영역 대비 MOL 음극 사용영역 비와 각각 일치하도록, 상기 MOL 양극 사용영역과 상기 MOL 음극 사용영역을 결정하도록 구성된 사용영역 결정 모듈; 및 상기 MOL 양극 사용영역에 대응되는 상기 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분과 상기 MOL 음극 사용영역에 대응되는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분의 차이에 해당하는 차분 프로파일을 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로서 추정하고, 상기 저장부에 저장된 상기 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 상기 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 갱신하도록 구성된 프로파일 관리 모듈을 포함한다.
상기 사용영역 결정 모듈은, 상기 BOL 양극 사용영역 및 상기 BOL 음극 사용영역을 기준으로 상기 MOL 양극 사용영역의 최대 허용 SOC 값과 상기 MOL 음극 사용영역의 최소 허용 SOC 값은 불변 값으로 결정하고, 아래의 수학식을 이용하여 상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 최소 허용 SOC값(pi) 및 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 최대 허용 SOC값(nf)을 산출하여, 상기 MOL 양극 사용영역 및 상기 MOL 음극 사용영역을 결정하도록 구성될 수 있다.
Figure 112018023179544-pat00001
상기 사용영역 결정 모듈은, 상기 이차전지가 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전하는 동안 이차전지의 전류를 누적해서 적산하여 적산 전류량을 산출하고, 산출된 적산 전류량을 상기 MOL 풀셀 전체 용량으로서 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 프로파일 관리 모듈은, 상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 차이가 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일에 가장 근사하도록, 상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 서로에 대해 상대적으로 쉬프트시키고, 상대적으로 쉬프트된 2개의 프로파일의 차분 프로파일을 상기 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 이차전지는 Ni-Mn-Co계 양극재를 양극에 포함하고, 그라파이트를 음극에 포함하는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지의 퇴화율가 반영된 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 방법은, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 양극 사용영역, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 음극 사용영역 및 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 풀셀 전체 용량을 저장하는 단계; 이차전지가 MOL 상태가 되었을 때 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전되는 동안 MOL 풀셀 전체 용량을 산출하는 단계; BOL 풀셀 전체 용량 대비 상기 MOL 풀셀 전체 용량의 비가, 상기 BOL 양극 사용영역 대비 MOL 양극 사용영역의 비 및 상기 BOL 음극 사용영역 대비 MOL 음극 사용영역 비와 각각 일치하도록, 상기 MOL 양극 사용영역과 상기 MOL 음극 사용영역을 결정하는 단계; 상기 결정한 상기 MOL 양극 사용영역에 대응되는 상기 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분과 상기 결정한 MOL 음극 사용영역에 대응되는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분의 차이에 해당하는 차분 프로파일을 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로서 추정하는 단계; 및 기존에 저장된 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 상기 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 갱신하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 사전에 저장된 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 토대로, 퇴화율이 반영된 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 추정하고, 상기 추정한 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 기존의 프로파일을 갱신함으로써, 신속하게 SOC-OCV 프로파일을 업데이트할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 장시간의 실험에 의해 생성되는 SOC-OCV 프로파일을 대신에, 사전에 저장된 데이터(즉, 하프셀 SOC-OCV 프로파일)와 측정된 데이터(즉, 풀셀 전체 용량)를 토대로 SOC-OCV 프로파일을 생성하기 때문에, SOC-OCV 프로파일의 생성하는데 투입되는 시간을 절감시키는 장점이 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 SOC-OCV 프로파일 추정 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 그래프 형태로 예시한 도면이다.
도 3은 전처리가 완료된 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 그래프로서 예시하는 도면이다.
도 4는 이차전지의 충방전 사이클 수가 미리 설정된 수치를 초과하여 퇴화가 진행됨으로써 MOL 상태로 진입한 경우, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 변화된 MOL 양극 사용영역 및 MOL 음극 사용영역을 예시하는 도면이다.
도 5는 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 그래프 형태로 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 방법을 설명하는 순서도이다.
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 실시예에 있어서, 이차전지는 리튬 이차전지를 일컫는다. 여기서, 리튬 이차전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차전지를 총칭한다.
한편, 리튬 이차전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차전지를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 이차전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차전지라면 모두 상기 리튬 이차전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 이차전지 이외의 다른 이차전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차전지라면 그 종류에 상관없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 이차전지는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 이차전지는 하나의 포장재 내에 양극/분리막/음극의 조립체 및 전해질이 포함된 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 SOC-OCV 프로파일 추정 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC-OCV 프로파일 추정 장치(100)는 이차전지(200)의 퇴화에 따른 SOC-OCV 프로파일을 추정하여 갱신하는 장치로서, 전압 측정부(110), 전류 측정부(120), 저장부(130), 선택적인 구성요소로서의 통신부(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
전압 측정부(110)는 공지된 전압 측정 회로(예를 들어, 차동증폭기)를 포함하고, 사전에 설정된 시간 간격으로 이차전지(200)의 전압을 주기적으로 측정하여, 측정된 전압값을 제어부(150)로 전달한다.
전류 측정부(120)는 센스 저항이나 홀 센서를 포함하고, 사전에 설정된 시간 간격으로 이차전지(200)의 전류를 주기적으로 측정하여, 측정된 전류값을 제어부(150)로 전달한다.
저장부(130)는 전기적, 자기적, 광학적 또는 양자역학적으로 데이터를 기록하고 소거할 수 있는 저장매체로서, RAM, ROM, EPROM, 플래시 메모리, 레지스터, 디스크 장치 등 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 저장부(130)는 제어부(150)가 접근할 수 있도록, 데이터 버스 등을 통해서 제어부(150)와 연결될 수 있다.
상기 저장부(130)는 제어부(150)에 의해 실행되는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램과 미리 정의된 파라미터들 및/또는 상기 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장할 수 있으며, 프로그램 또는 데이터를 갱신하거나 소거할 수 있다. 상기 저장부(130)는 논리적 또는 물리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 상기 제어부(150)와 통합되어 구현될 수도 있다.
바람직하게, 저장부(130)는 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 저장한다. 상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일은 이차전지(200)가 퇴화되기 전의 출하 상태(즉, Beginning Of Life 상태, 이하 'BOL 상태'로 지칭함)일 때 실험을 통해서 양극 하프셀에 대해서 측정한 개방 전압과 SOC 간의 관계를 나타내는 데이터(예컨대, 룩업 테이블 또는 함수)로서 저장부(130)에 미리 기록된다. 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일은 이차전지가 BOL 상태일 때 실험을 통해서 음극 하프셀에 대해서 측정한 개방 전압과 SOC 간의 관계를 나타내는 데이터(예컨대, 룩업 테이블 또는 함수)로서 저장부(130)에 미리 기록된다. SOC는 0부터 1 사이의 값을 가지며, 1은 하프셀이 사용 영역의 최대(즉, 100%)까지 충전된 상태를 나타낸다.
본 발명에 있어서, 양극 하프셀은 풀셀을 구성하는 양극과 리튬 금속을 각각 양극 및 음극으로 하여 제작한 전지를 의미한다. 또한, 음극 하프셀은 풀셀을 구성하는 음극과 리튬 금속을 각각 양극 및 음극으로 하여 제작한 전지를 의미한다. 양극 하프셀과 음극 하프셀은 풀셀과 비교하여 전극의 종류만 다르고 전지의 구조와 전해질은 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 상기 저장부(130)에는 풀셀 SOC-OCV 프로파일이 미리 기록될 수 있다. 풀셀 SOC-OCV 프로파일은 이차전지(200)가 BOL 상태 또는 사용 상태(즉, Middle Of Life 상태, 이하 'MOL 상태'로 지칭함)일 때, 개방 전압과 SOC 간의 관계를 나타내는 데이터(예컨대, 룩업 테이블 또는 함수)이다. SOC 값의 범위는 0부터 1 사이이며, 1은 풀셀이 사용 영역의 최대(즉, 100%)까지 충전된 상태를 나타낸다.
상기 저장부(130)는 BOL 상태의 풀셀 전체 용량(BOL 풀셀 전체 용량)에 대응하는 전류 적산값을 저장할 수 있다. 상기 BOL 풀셀 전체 용량에 대응하는 전류 적산값은 이차전지(200)가 방전 하한 전압과 충전 사한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전되는 동안 이차전지(200)의 전류를 누적해서 적산한 값으로서, 사전에 실험을 통해서 측정되어 저장부(130)에 미리 저장될 수 있다.
상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일은 충방전 실험을 통해서 생성되어 저장부(130)에 사전에 저장된다. BOL 상태에서의 풀셀 SOC-OCV 프로파일도, 충방전 실험을 통해서 생성되어 저장부(130)에 이미 저장되나, 이차전지(200)가 퇴화되면(즉, 이차전지가 MOL 상태가 되면), 제어부(150)에 의해 생성된 새로운 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 변경 또는 갱신된다.
통신부(140)는 장치(100)에 선택적으로 구비될 수 있는 구성요소로서 외부 디바이스(300)와 통신하는 기능을 수행한다. 상기 통신부(140)는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해서, 외부 디바이스(300)와 통신할 수 있으며, 또는 다른 공지된 유선 또는 무선 통신 프로토콜을 이용하여 외부 디바이스(300)와 통신을 수행할 수 있다.
바람직하게, 상기 외부 디바이스(300)는 이차 전지(200)가 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 탑재된 경우 차량의 전장 부품에 대한 제어를 관장하는 ECU(Electronic Control Unit)일 수 있다.
상기 통신부(140)는 제어부(150)의 제어에 따라, 저장부(130)에 저장된 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 외부 디바이스(300)로 전송할 수 있다.
제어부(150)는 프로세서를 포함하고, SOC-OCV 프로파일 추정 장치(100)의 전반적인 기능을 제어한다. 상기 제어부(150)는 후술하는 로직에 따라 퇴화율이 반영된 이차전지의 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 추정하고, 저장부(130)에 저장된 기존의 BOL 풀셀 S0C-OCV 프로파일을 상기 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 변경 또는 갱신한다. 바람직하게, 상기 제어부(150)는 일정 주기 간격으로 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 다시 추정하여, 저장부(130)에 저장된 기존의 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 주기적으로 갱신할 수 있다.
상기 제어부(150)는 통신부(140)에 데이터 버스를 통해서 접근할 수 있으며, 단일 보드 형태로 통신부(140)와 통합될 수도 있다. 상기 제어부(150)는 전압 측정부(110)를 통해서 이차전지(200)가 충 방전되기 전에 개방 전압을 측정하고, 이 측정한 개방 전압과 대응되는 이차전지의 충전 상태(즉, SOC)를 저장부(130)에 기록된 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 이용하여 결정할 수 있다. 일 예로, SOC-OCV 프로파일은 룩업 테이블일 수 있으며, 제어부(150)는 룩업 테이블로부터 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 맵핑하여 SOC 값을 결정할 수 있다.
실시 형태에 따라, 상기 제어부(150)는 저장부(130)에 저장되어 있는 갱신된 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 이용하여 결정한 이차전지(200)의 충전 상태를 상기 통신부(140)를 통해서 외부 디바이스(300)로 전송할 수 있다. 상기 외부 디바이스(300)는 상술한 ECU와 같이 이차전지(200)로부터 전기 에너지를 공급받는 부하 장치의 제어기일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제어부(150)는 사용영역 결정 모듈(151), 프로파일 관리 모듈(152) 및 SOC 추정 모듈(153)을 포함한다. 일 예에서, 사용영역 결정 모듈(151), 프로파일 관리 모듈(152) 및 SOC 추정 모듈(153)은 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 모듈일 수 있다. 다른 예에서, 사용영역 결정 모듈(151), 프로파일 관리 모듈(152) 및 SOC 추정 모듈(153)은 후술하는 제어 로직을 실행하도록 개발된 집적회로 칩셋, 예를 들어 ASIC 칩셋일 수 있다.
사용영역 결정 모듈(151)은 이차전지(200)가 MOL 상태가 되면, 후술하는 바와 같이 변화된 MOL 양극 사용영역 및 MOL 음극 사용영역(도 4의 pf ~ pi, nf ~ ni 참조)을 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 각각에서 결정한다. 상기 프로파일 관리 모듈(152)은 결정된 MOL 양극 사용영역에 대응되는 BOL 양극 SOC-OCV 프로파일 부분과 결정된 MOL 음극 사용영역에 대응되는 BOL 음극 SOC-OCV 프로파일 부분의 차이로부터 생성한 차분 프로파일을 MOL 상태에서의(즉, 퇴화율이 반영된) MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로서 추정하고, 저장부(130)에 저장된 기존의 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 상기 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 변경 또는 갱신한다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 제어부(150)에 의해 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일이 추정되는 제어 로직에 대해서 더욱 자세하게 설명한다.
도 2는 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 그래프 형태로 예시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 3개의 프로파일, 즉, BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일이 실험을 통해 획득되어 저장부(130)에 사전에 저장된다.
도 2에서는 Y축은 개방 전압값을 나타내며 아래에서 위쪽으로 갈수록 개방 전압값이 상승된다. 또한, X축은 용량을 나타내며 용량은 시간에 따른 적산 전류량 단위인 mAh로 표현될 수 있다. 각 SOC-OCV 프로파일에 있어서, 좌측 끝점은 SOC가 1에 해당하고, 우측 끝점은 SOC가 0에 해당한다. X축의 용량은 좌측에서 우측으로 갈수록 감소하는 크기를 갖는다.
각 SOC-OCV 프로파일에 있어서, 좌측 끝점의 용량은 만 방전된 상태에 있는 하프셀 또는 풀셀이 최대로 충전되는 동안 충전전류를 누적해서 적산한 적산 전류값에 해당한다. 또한, 각 SOC-OCV 프로파일에 있어서, 우측 끝점의 용량은 만 충전 상태에 있는 하프셀 또는 풀셀이 방전 하한 전압까지 방전되는 과정에서 방전 전류를 누적해서 적산한 적산 전류값을 좌측 끝점의 용량에서 감산한 값에 해당한다.
일 예로, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에 있어서, 좌측 끝점의 용량이 1000mAh(SOC 1에 해당)이고, 양극 하프셀이 완전 충전 상태에서 방전 하한 전압까지 방전되는 동안 방전전류에 대한 전류 적산값이 600mAh라면 오른쪽 끝점의 용량은 400mAh(SOC 0에 해당)일 수 있다.
다른 예로, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에 있어서, 좌측 끝점의 용량이 1040mAh(SOC 1에 해당)이고, 음극 하프셀이 완전 충전 상태에서 방전 하한 전압까지 방전되는 동안 방전전류에 대한 전류 적산값이 590mAh라면 오른쪽 끝점의 용량은 450mAh(SOC 0에 해당)일 수 있다.
또 다른 예로, BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일에 있어서, 좌측 끝점의 용량이 1000mAh(SOC 1에 해당)이고, 풀셀이 완전 충전 상태에서 방전 하한 전압까지 방전되는 동안 방전전류에 대한 전류 적산값이 500mAh라면 오른쪽 끝점의 용량은 500mAh(SOC 0에 해당)일 수 있다.
본 발명에 따르면, 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 차이가 풀셀 SOC-OCV 프로파일에 가장 근사하도록, 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및/또는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일이 X 축 방향으로 쉬프트(shift)되어 전처리될 수 있다.
부연하면, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 차이로부터 생성된 차분 프로파일이 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일과 가장 일치되도록, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 중 하나 이상이 왼쪽 또는 오른쪽 방향으로 이동될 수 있다.
이러한 BOL 양극/음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에 대한 전처리(즉, 쉬프트)는 제어부(150)의 프로파일 관리 모듈(152)에서 수행될 수 있다.
도 3은 전처리가 완료된 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 그래프로서 예시하는 도면이다.
도 3에 따른 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 나타내는 그래프는, 도 2와 비교하여 왼쪽 방향으로 쉬프트되어 전처리된 상태이다. 또한, 도 3에 있어서 Q+,0은 전처리된 BOL 양극 하프셀 전체 용량을 나타내며, Q-,0은 전처리된 BOL 음극 하프셀 전체 용량을 나타낸다. 전체 용량은 하프셀의 프로파일에서 왼쪽 끝점과 오른쪽 끝 점에 대응되는 용량 값의 차이에 해당한다. BOL 프로파일에 있어서, (pf,0 - pi,0)×Q+,0과 (nf,0 - ni,0)×Q-,0의 결과는 동일하다.
사용영역 결정 모듈(151)은, 전처리된 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에 있어서 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일의 가장 왼쪽 점에 대응되는 SOC값을 최대 허용 SOC값(pf,0)으로 결정하고, BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일의 가장 오른쪽 점에 대응되는 SOC값을 최소 허용 SOC값(pi,0)으로 결정할 수 있다.
마찬가지로, 사용영역 결정 모듈(151)은 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에 있어서 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일의 가장 왼쪽 점에 대응되는 SOC값을 최대 허용 SOC값(nf,0)으로 결정하고, BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일의 가장 오른쪽 점에 대응되는 SOC값을 최소 허용 SOC값(ni,0)으로 결정할 수 있다.
즉, pi,0 및 pf,0은 풀셀 SOC-OCV 프로파일의 오른쪽 끝점과 왼쪽 끝점을 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에 투사했을 때 만나는 점의 SOC 값이고, ni,0 및 nf,0은 풀셀 SOC-OCV 프로파일의 오른쪽 끝점과 왼쪽 끝점을 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에 투사했을 때 만나는 점의 SOC 값이다.
상기 최소 허용 SOC값(pi,0, ni,0)은 방전의 하한 임계점을 나타내는 용량 값으로서, 이차전지의 안전성을 위하여 이론적인 최대 방전 임계점보다 높게 설정된다. 즉, 이차전지는 상기 최소 허용 SOC값(pi,0, ni,0)에 도달하는 상황에서도 실질적으로 이차전지의 방전을 진행할 수 있으나 상기 이론적인 최대 방전 임계점까지 이차전지의 방전이 진행되는 경우 이차전지의 수명과 특성이 저하되므로, 이차전지의 안전성을 위하여 상기 최소 허용 SOC값(pi,0, ni,0)과 대응되는 전압까지 이차전지가 방전되는 경우 방전이 중단된다.
마찬가지로, 상기 최대 허용 SOC값(pf,0, nf,0)은 충전의 상한 임계점을 나타내는 SOC 값으로서, 이차전지의 안전성을 위하여 이론적인 충전 임계점 보다 낮게 설정된다. 즉, 이차전지는 상기 최대 허용 SOC값(pf,0, nf,0)에 도달하는 상황에서도, 실질적으로 이차전지의 충전을 진행할 수 있으나 상기 이론적인 충전 임계점까지 이차전지의 충전이 진행되는 경우 이차전지의 수명과 특성이 저하되므로, 이차전지의 안전성을 위하여 상기 최대 허용 SOC값(pf,0, nf,0)과 대응되는 전압까지 충전이 진행되는 경우 충전이 중단된다.
이렇게 최소 허용 SOC값(pi,0, ni,0)과 최대 허용 SOC값(pf,0, nf,0)이 결정되면, 사용영역 결정 모듈(151)은 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 BOL 양극 사용영역을 pf,o ~ pi,0 범위로 결정하고, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 BOL 음극 사용영역은 nf,o ~ ni,0의 범위로 설정한다.
이로써, 이차전지(200)가 BOL 상태에 있을 때 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일과 대응되는 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 사용영역이 최소 허용 SOC값(pi,0, ni,0) ~ 최대 허용 SOC값(pf,0, nf,0) 범위로 결정된다.
프로파일 관리 모듈(152)은 BOL 양극 사용영역 및 BOL 음극 사용영역의 결정이 완료되면, BOL 풀셀 용량(Qf,0)을 결정한다. 풀셀 용량(Qf,0)는 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일의 왼쪽 끝점과 오른쪽 끝점에 대응되는 2개의 용량 값에 대한 차이에 해당하다. BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일에 있어서 최대 허용 SOC값(pf,0, nf,0)에 해당하는 왼쪽 끝점의 SOC 값은 SOC의 최대값으로 설정되고, 최소 허용 SOC값(pi,0, ni,0)에 해당하는 오른쪽 끝점의 SOC값은 SOC의 최소값으로 설정한다.
이렇게 SOC의 최대값과 최소값이 풀셀의 용량 범위에서 설정되면, 풀셀이 BOL 상태에서 충전 또는 방전될 때 SOC 추정 모듈(153)은 전류 측정부(120)에서 측정된 전류량을 누적해서 적산하고 풀셀 용량(Qf,0)을 기준으로 적산 전류량의 상대적인 비율을 이용하여 현재 시점의 SOC 값을 결정할 수 있다.
바람직하게, BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일은 이차전지(200)의 충방전 사이클 수가 미리 설정된 수치까지 도달될 때까지 사용될 수 있다.
도 4는 이차전지의 충방전 사이클 수가 미리 설정된 수치를 초과하여 퇴화가 진행됨으로써 MOL 상태로 진입한 경우, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 변화된 MOL 양극 사용영역 및 MOL 음극 사용영역을 예시하는 도면이다.
도 5는 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 그래프 형태로 예시하는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이차전지가 퇴화되어 MOL 상태에 진입하면, 사용영역 결정 모듈(151)은 이차전지(100)가 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전되는 동안 전압 측정부(110) 및 전류 측정부(120)를 이용하여 이차 전지(200)의 전압과 전류를 주기적으로 측정하고, 측정된 전압 및 전류에 대한 데이터를 저장부(130)에 기록한다.
또한, 사용영역 결정 모듈(151)은 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전이 진행되는 동안 반복적으로 측정된 전류를 적산하여 전류 적산값을 결정한다.
여기서, 전류 적산값은 MOL 상태에 있는 이차전지(200)의 MOL 풀셀 전체 용량(Qf)에 대응한다. MOL 풀셀 전체 용량(Qf)은 여기서 설명된 방법 이외에도 본 발명이 속한 기술분야에서 공지된 다른 방법으로도 결정될 수 있다.
사용영역 결정 모듈(151)은 산출한 MOL 풀셀 전체 용량(Qf)을 토대로, MOL 상태에 있는 이차전지(200)에 대하여 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 변화된 MOL 양극 사용영역 및 MOL 음극 사용영역(pf ~ pi, nf ~ ni)을 각각 결정한다. 이때, 사용영역 결정 모듈(151)은 BOL 풀셀 전체 용량(Qf,0) 대비 MOL 풀셀 전체 용량(Qf)의 비가, BOL 양극 사용영역(pf,0 ~ pi,0) 대비 MOL 양극 사용영역(pf ~ pi)의 비와 BOL 음극 사용영역(nf,0 ~ ni,0) 대비 MOL 음극 사용영역(nf ~ ni)의 비가 일치하도록 MOL 양극 사용영역 및 MOL 음극 사용영역(pf ~ pi, nf ~ ni)을 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 각각에서 결정한다.
MOL 양극 사용영역과 MOL 음극 사용영역을 결정하기 위하여, 사용영역의 대한 시작점과 끝점(즉, 최대 허용 SOC 값과 최소 허용 SOC값)을 결정해야 되는데, 사용영역의 시작점과 끝점에 대한 결정 로직은 아래와 같다.
본 발명은 이차전지(200)가 퇴화하더라도 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 모양은 변하지 않는다고 가정한다. 즉, BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 왼쪽 끝점과 오른쪽 끝점에 대응되는 용량의 차이 값과 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 왼쪽 끝점과 오른쪽 끝점에 대응되는 용량의 차이 값을 변화하지 않는다고 가정한다. 또한, 본 발명은, BOL 상태에서의 양극 하프셀의 최대 허용 SOC값(pf,0)과 BOL 상태의 음극 하프셀의 최소 허용 SOC값(ni,0)도 변하지 않는다고 가정한다. 이러한 가정은 Ni-Mn-Co계 양극재를 양극에 포함하고 그라파이트를 음극에 포함하는 리튬 이차전지에 적용될 수 있다.
또한, 상기와 같은 가정을 통해서 아래의 관계식을 도출할 수 있다.
Q+ = Q+, 0 Q- = Q-,0
Q+ = Qf/(pf - pi) Q- = Qf/(nf - ni)
pf = pf,0 ni = ni,o
여기서, Q+는 MOL 상태의 양극 하프셀 전체 용량이고, Q+,0은 BOL 상태의 양극 하프셀 전체 용량이며, Q-는 MOL 상태의 음극 하프셀 전체 용량이고, Q-,0은 BOL 상태의 음극 하프셀 전체 용량이다. 또한, Qf는 MOL 풀셀 전체 용량이고, pf는 MOL 상태에서 양극 하프셀의 최대 허용 SOC값이며, pi는 MOL 상태에서 양극 하프셀의 최소 허용 SOC값(0과 1 사이의 값)이다. nf는 MOL 상태에서 음극 하프셀의 최대 허용 SOC값(0과 1 사이의 값)이며, ni는 MOL 상태에서 음극 하프셀의 최소 허용 SOC값이다. 또한, pf,0은 BOL 상태에서 양극 하프셀의 최대 허용 SOC값이고, ni,0은 BOL 상태에서의 음극 하프셀의 최소 허용 SOC값이다.
또한, BOL 풀셀 전체 용량(Qf,0) 대비 MOL 풀셀 전체 용량(Qf)의 비가, BOL 상태에서 결정한 사용영역(pf,0 ~ pi,0, nf,0 ~ ni,0) 대비 MOL 상태의 사용영역(pf ~ pi, nf ~ ni) 비와 일치한다는 조건은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018023179544-pat00002
상기 관계식 및 상기 수학식 1을 이용하여, pi와 nf를 구하는 수식을 정리하면 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112018023179544-pat00003
여기서, pi는 이차전지(200)의 퇴화에 따라 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 재결정되는(즉, MOL 상태에서 재결정되는) 최소 허용 SOC값이고, nf는 이차전지(200)의 퇴화에 따라 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 재결정되는(즉, MOL 상태에서 재결정되는) 최대 허용 SOC값이다. 또한, pf는 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 결정되는 MOL 상태의 최대 허용 SOC값으로서, 전처리 완료된 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 토대로 사전에 설정되며 pf,0과 동일한 값을 갖는다. ni은 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 결정되는 MOL 상태의 최소 허용 SOC값으로서, 전처리 완료된 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 토대로 사전에 설정되며 ni,0과 동일한 값을 갖는다. 또한, (pf - pi)×Q+과 (nf - ni)×Q-는 동일하다.
수학식 2에서 우변에 대입되는 각 팩터는 알고 있으므로, 사용영역 결정 모듈(151)은 상기 수학식 2를 이용하여 MOL 상태에서 변화된 양극 및 음극 사용영역 중에서 pi, nf를 계산한 후에, MOL 상태에서 변화된 양극 및 음극 사용영역(pf ~ pi 및 nf ~ ni)을 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 각각에서 결정한다.
프로파일 관리 모듈(152)은 상기 변화된 사용영역에 대응되는 영역을 BOL 하 프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 각각 확인한 후, 상기 확인한 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 사용영역(이하, '음극 사용영역'이라고 지칭힘)과 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 사용영역(이하, '양극 사용영역'이라고 지칭함) 간의 차이를 계산함으로써, MOL 상태의 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일(도 5 참조)을 추정한다. 이때, 사용영역 결정 모듈(151)은 상기 음극 사용영역의 최소 허용 SOC값(ni)과 상기 양극 사용영역의 최소 허용 SOC값(pi)이 서로 일치하도록, 상기 음극 사용영역에 대응되는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분, 상기 양극 사용영역에 대응되는 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분 중 어느 하나를 왼쪽 방향 또는 오른쪽 방향으로 쉬프트시켜, 두 개의 사용영역에 대한 용량 범위(즉, X축 범위)를 중첩시킬 수 있다. 그리고 사용영역 결정 모듈(151)은 변경된 양극 사용영역에 대응하는 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분과 변경된 음극 사용영역에 대응되는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 차이에 대응되는 프로파일을 산출하고, 이 산출된 프로파일을 MOL 상태의 풀셀 SOC-OCV 프로파일로서 생성할 수 있다.
도 5를 참조하면, MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일은 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일에 비교하여 전체 용량(즉, 그래프 가로 길이)이 감소되었음을 알 수 있다. 또한, 도 5에서는, 상기 음극 사용영역의 최소 허용 SOC값(ni)과 상기 양극 사용영역의 최소 허용 SOC값(pi)이 서로 일치하도록, 상기 음극 사용영역에 대응되는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분이 왼쪽 방향으로 쉬프트되어 있다.
이와 같이, 이차전지(200)의 퇴화가 진행됨에 따라, 용량 감소가 반영된 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일이, 프로파일 관리 모듈(152)에 의해서 생성되고 갱신될 수 있다.
프로파일 관리 모듈(152)은 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일에서 풀셀의 전체 용량 범위를 확인하고 가장 왼쪽 점에 해당하는 최대 허용 SOC값에 대해서는 '1'을 재설정하고, 가장 오른쪽 점에 해당하는 최소 허용 SOC 값에 대해서는 '0'을 재설정할 수 있다. 또한, 프로파일 관리 모듈(152)은 저장부(130)에 저장된 기존의 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 상기 생성한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 갱신한다. 예를 들어, 기존의 풀셀 SOC-OCV 프로파일이 룩업 테이블로서 저장부(130)에 기록되어 있는 경우 각 OCV에 대응되는 SOC 값을 상기 생성한 SOC-OCV 프로파일을 구성하는 좌표 데이터를 이용하여 재설정한다.
이렇게 저장부(130)에 저장된 풀셀 SOC-OCV 프로파일이 갱신되면, 제어부(150)의 SOC 추정 모듈(153)은 갱신된 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 이용하여 이차전지가 충 방전되는 동안 이차전지(200)의 SOC를 추정할 수 있다.
구체적으로, SOC 추정 모듈(153)은 이차전지(200)의 충방전이 시작되기 전에 전압 측정부(110)를 이용하여 이차전지(200)의 개방전압을 측정하고, 측정된 개방전압에 대응되는 SOC 값을 저장부(130)에 저장된 갱신된 SOC-OCV 프로파일(룩업 테이블 맵핑)로부터 결정한다. 그런 다음, SOC 추정 모듈(153)은 이차전지(200)가 충방전되는 동안 전류를 적산해서 적산 전류량을 계산하고 적산 전류량과 풀셀 전체 용량(Qf)의 비율에 의해 SOC 변화량을 산출하고, 산출된 SOC 변화량을 개방 전압으로부터 결정한 SOC 값에 가산하여 이차전지(200)의 전체 용량을 기준으로 한 잔여 용량의 상대적 비율, 즉 현재 SOC 값을 추정할 수 있다.
SOC 추정 모듈(153)은 추정된 현재 SOC 값을 저장부(130)에 기록하거나, 통신부(140)를 통해 외부 디바이스(300) 측으로 전송할 수 있다. 외부 디바이스(300)는 전송된 현재 SOC 값을 참조하여 이차전지(200)의 충전과 방전을 적절하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 외부 디바이스(300)는 현재 SOC 값이 1에 도달되면 충전을 차단하고 반대로 현재 SOC 값이 0에 도달되면 방전을 차단한다. 충전 차단과 방전 차단은 충전전류 또는 방전전류가 흐르는 선로에 설치된 스위치를 턴 오프시키는 것에 의해 구현될 수 있다.
한편, 상기 제어부(150)는, 본 명세서에 개시된 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, 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(150)에 포함된 사용영역 결정 모듈(151), 프로파일 관리 모듈(152) 및 SOC 추정 모듈(153)은 프로그램 형태로 구현될 수 있다. 이때, 각 모듈들은 프로세서에 의해서 실행되는 프로그램, 명령어 세트 등으로 상기 저장부(130)에 저장될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 사용영역 결정 모듈(151)은 사전에 설정된 프로파일 갱신 주기가 도래하는지 여부를 모니터링 한다(S10). 상기 프로파일의 갱신 주기는 이차전지 사용횟수(충방전 사이클 수), 이차전지의 사용기간 등을 기초로 사전에 설정되어 저장부(130)에 저장될 수 있다. 상기 이차전지의 사용횟수에 관한 정보 또는 이차전지의 사용기간에 대한 정보는 저장부(130)에 기록되어 참조된다. 도면에 도시하지 않았지만, 제어부(150)는 이차전지의 사용횟수(충전과 방전을 하나의 사이클로 볼 때 해당 사이클이 반복된 횟수)를 계수하여 저장부(130)에 기록하는 모듈 또는 이차전지의 사용기간(충전시간과 방전시간을 누적한 시간)을 계수하여 저장부(130)에 기록하는 모듈을 더 포함할 수 있다. 상기 갱신 주기가 도래되면 이차전지(200)가 BOL 상태에서 MOL 상태로 진입했음을 나타낸다.
다음으로, 사용영역 결정 모듈(151)은 상기 프로파일 갱신 주기가 도래하면, 이차전지(200)가 만충전 또는 만방전되는 동안 전압 측정부(110) 및 전류 측정부(120)를 이용하여 이차전지(200)의 전압과 전류를 반복적으로 측정하고 측정된 전압 및 전류 데이터를 저장부(130)에 저장한다(S20). 여기서, 만충전은 이차전지(200)가 방전 하한 전압부터 충전 상한 전압까지 충전되는 경우를, 만방전은 이차전지(200)가 충전 상한 전압부터 방전 하한 전압까지 방전되는 경우를 일컫는다.
이어서, 사용영역 결정 모듈(151)은 이차전지(200)가 만방전 또는 만충전되는 동안 이차전지(200)의 전류를 적산함으로써 MOL 상태에 진입된 이차전지(200)의 MOL 풀셀 전체 용량(Qf)을 결정한다(S30).
다음으로, 사용영역 결정 모듈(151)은 BOL 상태의 풀셀 전체 용량(Qf,0) 대비 MOL 상태의 풀셀 전체 용량(Qf)의 비가, BOL 상태에서 결정한 사용영역(pf,0 ~ pi,0, nf,0 ~ ni,0) 대비 MOL 상태의 사용영역(pf ~ pi, nf ~ ni) 비와 일치하도록 MOL 상태에서 변화된 양극 및 음극 사용영역(pf ~ pi, nf ~ ni)을 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 각각에서 결정한다(S40). 이때, 사용영역 결정 모듈(151)은 이미 인지하고 있는 팩터(pf,0, pi,0, Qf, Qf,0, ni,0, nf,0)를 상기 수학식 2에 대입함으로써, 미지수인 pi, nf를 산출한 후, 상기 산출한 pi, nf를 토대로 MOL 상태에서 변화된 양극 및 음극 사용영역(pf ~ pi 및 nf ~ ni)을 결정한다.
이어서, 프로파일 관리 모듈(152)은 상기 결정한 변화된 양극 및 음극 사용영역과 대응되는 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분과 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분의 차이에 대응되는 차분 프로파일을 생성하고, 생성된 차분 프로파일을 MOL 상태의 풀셀 SOC-OCV 프로파일(도 5 참조)로서 추정한다(S50).
바람직하게, 사용영역 결정 모듈(151)은 차분 프로파일을 생성하기 전에 상기 변환된 음극 사용영역의 최소 허용 SOC값(ni)과 상기 양극 사용영역의 최소 허용 SOC값(pi)이 일치하도록, 또는 상기 변화된 음극 사용영역의 최대 허용 SOC값(nf)과 상기 양극 사용영역의 최대 허용 SOC값(pf)이 일치하도록 상기 변화된 음극 사용영역에 해당하는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분 및/또는 상기 변화된 양극 사용영역에 해당하는 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분을 왼쪽 방향 또는 오른쪽 방향으로 쉬프트시켜, 두 개의 사용영역에 대한 용량 범위(즉, X축 범위)를 중첩시킬 수 있다.
프로파일 관리 모듈(152)은 차분 프로파일로부터 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일에서 풀셀의 용량 범위를 확인하고 이 중에서 프로파일 좌측 끝점에 해당하는 최대 허용 SOC 값에 대해 '1'을 재설정하고, 프로파일 우측 끝점에 해당하는 최소 허용 SOC 값에 대해 '0'을 재설정할 수 있다. 또한, 프로파일 관리 모듈(152)은 저장부(130)에 저장된 기존의 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 상기 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 갱신한다(S60). 일 예로, 기존의 풀셀 SOC-OCV 프로파일이 룩업 테이블의 형태로 저장부(130)에 기록되어 있는 경우, 프로파일 관리 모듈(152)은 각각의 OCV 값에 대해 할당된 SOC 값을 갱신된 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 이용하여 재설정한다.
한편, 제어부(150)의 사용영역 결정 모듈(151)은 다음 프로파일 갱신 주기가 도래하는지 여부를 모니터링할 수 있고, 프로파일 갱신주기가 도래하면, S10 단계 이후의 과정을 다시 반복할 수 있다.
NCM(니켈, 코발트, 망간) 물질로 형성된 양극재, 그라파이트 물질로 형성된 음극재, 50.6496 Ah에 해당하는 BOL 풀셀 전체 용량(Qf,0), 사용 전압 범위가 4.2 ~ 2.5V, 사용 전류 범위가 0 ~ 150A인 스펙을 가지는 리튬 이차 전지에 대해서, 3 사이클의 충방전을 시도하였다. 실험에 이용된 상기 리튬 이차 전지의 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에 있어서, BOL 양극 하프셀의 전체 용량(Q+,0)은 54.7831 Ah이고, pf,0과 1 이고 pi,0은 0.075451로서, 도 2와 같은 프로파일 형태를 가진다. 또한, 실험에 이용된 상기 리튬 이차 전지의 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에 있어서, BOL 음극 하프셀의 전체 용량(Q-,0)은 63.7795 Ah이고, nf,0는 0.79971 이고 ni,0은 0.0055728로서, 도 2와 같은 프로파일 형태를 가진다.
한편, 400 사이클의 충방전이 진행된 상기 리튬 이차 전지의 MOL 풀셀 전체 용량(Qf)은 46.237 Ah로 측정되었다.
이러한 리튬 이차 전지의 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 및 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 얻을 수 있는 팩터(pf,0, pi,0, Qf,0, ni,0, nf,0)와 MOL 풀셀 전체 용량(Qf)을 수학식 2에 대입하면 pi는 0.155997로 산출되고 nf는 0.730524로 산출된다. 이에 따라, MOL 양극 사용영역은 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 pf ~ pi 범위로 결정되고, MOL 음극 사용영역은 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 nf ~ ni 범위로 결정된다. MOL 양극 사용영역에 대응되는 BOL 양극 SOC-OCV 프로파일 부분과 결정된 MOL 음극 사용영역에 대응되는 BOL 음극 SOC-OCV 프로파일 부분의 차이로부터 생성한 차분 프로파일은 도 5에 도시된 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일 형태로 추정되었다.
상기 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 400 사이틀에 해당하는 실제 충방전 실험을 통해서 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 얻었더니, 상기 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일과 실질적으로 일치하였다. 즉, 400 사이클 만큼 상기 리튬 이차 전지의 충전과 방전을 수차례 반복하여, 각 개방 전압이 측정될 때의 SOC 데이터를 수집하고, 이 수집된 데이터를 토대로 개방 전압과 SOC의 상관관계를 나타내는 MOL 풀셀 S0C-OCV 프로파일을 생성한 후, 이렇게 생성한 MOL 풀셀 S0C-OCV 프로파일과 본 발명에 따라 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 비교할 결과, 두 개의 프로파일은 실질적으로 일치하였다.
한편, 도 6에 예시된 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 발명에 따른 SOC-OCV 프로파일 추정 장치(100)는 BMS(Battery Management System)라고 불리는 시스템의 일부로서 포함될 수 있다. 또한, 상기 BMS는 이차전지(200)가 제공하는 전기 에너지로 동작이 가능한 다양한 종류의 전기구동 장치에 탑재될 수 있다.
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 무정전 전원 공급 장치일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부' 또는 '모듈'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.
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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : SOC-OCV 프로파일 추정 장치
110 : 전압 측정부
120 : 전류 측정부
130 : 저장부
140 : 통신부
150 : 제어부
151 : 사용영역 결정 모듈
152 : 프로파일 관리 모듈
200 : 이차전지

Claims (11)

  1. BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 양극 사용영역, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 음극 사용영역 및 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 풀셀 전체 용량이 저장되어 있는 저장부; 및
    MOL 상태의 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    이차전지가 MOL 상태가 되었을 때 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전되는 동안 MOL 풀셀 전체 용량을 산출하고, 상기 BOL 풀셀 전체 용량 대비 상기 MOL 풀셀 전체 용량의 비가, 상기 BOL 양극 사용영역 대비 MOL 양극 사용영역의 비 및 상기 BOL 음극 사용영역 대비 MOL 음극 사용영역 비와 각각 일치하도록, 상기 MOL 양극 사용영역과 상기 MOL 음극 사용영역을 결정하도록 구성된 사용영역 결정 모듈; 및
    상기 MOL 양극 사용영역에 대응되는 상기 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분과 상기 MOL 음극 사용영역에 대응되는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분의 차이에 해당하는 차분 프로파일을 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로서 추정하고, 상기 저장부에 저장된 상기 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 상기 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 갱신하도록 구성되고,
    상기 사용영역 결정 모듈은,
    상기 BOL 양극 사용영역 및 상기 BOL 음극 사용영역을 기준으로 상기 MOL 양극 사용영역의 최대 허용 SOC 값과 상기 MOL 음극 사용영역의 최소 허용 SOC 값은 불변 값으로 결정하고,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 최소 허용 SOC값(pi) 및 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 최대 허용 SOC값(nf)을 산출하여, 상기 MOL 양극 사용영역 및 상기 MOL 음극 사용영역을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 SOC-OCV 프로파일 추정 장치.
    (수학식)
    Figure 112022061965960-pat00004

    pf,0은 BOL 상태에서 양극 하프셀의 최대 허용 SOC 값이고, pi,0은 BOL 상태에서 양극 하프셀의 최소 허용 SOC 값이며, nf,0은 BOL 상태에서 음극 하프셀의 최대 허용 SOC 값이고, ni,0은 BOL 상태에서 음극 하프셀의 최소 허용 SOC 값이며, Qf,0은 BOL 상태에서 풀셀의 전체 용량이고, Qf는 MOL 상태의 풀셀 전체 용량임.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사용영역 결정 모듈은,
    상기 이차전지가 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전하는 동안 이차전지의 전류를 누적해서 적산하여 적산 전류량을 산출하고, 산출된 적산 전류량을 상기 MOL 풀셀 전체 용량으로서 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 SOC-OCV 프로파일 추정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로파일 관리 모듈은,
    상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 차이가 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일에 가장 근사하도록, 상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 서로에 대해 상대적으로 쉬프트시키고, 상대적으로 쉬프트된 2개의 프로파일의 차분 프로파일을 상기 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 SOC-OCV 프로파일 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지는 Ni-Mn-Co계 양극재를 양극에 포함하고, 그라파이트를 음극에 포함하는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 SOC-OCV 프로파일 추정 장치.
  6. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 SOC-OCV 프로파일 추정 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  7. 이차전지의 퇴화율가 반영된 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 방법에 있어서,
    BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 양극 사용영역, BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 음극 사용영역 및 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일과 BOL 풀셀 전체 용량을 저장하는 단계;
    이차전지가 MOL 상태가 되었을 때 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전되는 동안 MOL 풀셀 전체 용량을 산출하는 단계;
    BOL 풀셀 전체 용량 대비 상기 MOL 풀셀 전체 용량의 비가, 상기 BOL 양극 사용영역 대비 MOL 양극 사용영역의 비 및 상기 BOL 음극 사용영역 대비 MOL 음극 사용영역 비와 각각 일치하도록, 상기 MOL 양극 사용영역과 상기 MOL 음극 사용영역을 결정하는 단계;
    상기 결정한 상기 MOL 양극 사용영역에 대응되는 상기 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분과 상기 결정한 MOL 음극 사용영역에 대응되는 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일 부분의 차이에 해당하는 차분 프로파일을 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로서 추정하는 단계; 및
    기존에 저장된 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일을 상기 추정한 MOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일로 갱신하는 단계를 포함하고,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 BOL 양극 사용영역 및 상기 BOL 음극 사용영역을 기준으로 상기 MOL 양극 사용영역의 최대 허용 SOC 값과 상기 MOL 음극 사용영역의 최소 허용 SOC 값은 불변 값으로 결정하고,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 최소 허용 SOC값(pi) 및 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일에서 최대 허용 SOC값(nf)을 산출하여, 상기 MOL 양극 사용영역 및 상기 MOL 음극 사용영역을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 SOC-OCV 프로파일 추정 방법.
    (수학식)
    Figure 112022061965960-pat00005

    pf,0은 BOL 상태에서 양극 하프셀의 최대 허용 SOC 값이고, pi,0은 BOL 상태에서 양극 하프셀의 최소 허용 SOC 값이며, nf,0은 BOL 상태에서 음극 하프셀의 최대 허용 SOC 값이고, ni,0은 BOL 상태에서 음극 하프셀의 최소 허용 SOC 값이며, Qf,0은 BOL 상태에서 풀셀의 전체 용량이고, Qf는 MOL 상태의 풀셀 전체 용량임.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 MOL 풀셀 전체 용량을 산출하는 단계는,
    상기 이차전지가 방전 하한 전압과 충전 상한 전압 사이에서 만충전 또는 만방전하는 동안 이차전지의 전류를 누적해서 적산하여 적산 전류량을 산출하고, 산출된 적산 전류량을 상기 MOL 풀셀 전체 용량으로서 결정하는 것을 특징으로 하는 SOC-OCV 프로파일 추정 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일의 차이가 BOL 풀셀 SOC-OCV 프로파일에 가장 근사하도록, 상기 BOL 양극 하프셀 SOC-OCV 프로파일과 상기 BOL 음극 하프셀 SOC-OCV 프로파일을 서로에 대해 상대적으로 쉬프트시키는 단계를 더 포함하는 SOC-OCV 프로파일 추정 방법.
  11. 제7항, 제9항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 SOC-OCV 프로파일 추정 방법을 프로그램화하여 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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