KR102544901B1 - 리튬 이온 배터리 안전성 감시 - Google Patents

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Abstract

충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법 및 시스템이 제공된다. LIB의 초기 전기 상태가 결정되고, 시변 응답을 발생시키기 위해 DC 전기 자극을 인가 또는 제거함으로써 변경된다. 상기 LIB의 시변 응답이 측정되고, 상기 측정된 응답의 기능 형태와 연관된 적어도 하나의 1차 응답 파라미터가 추출된다. 적어도 하나의 2차 응답 파라미터가 상기 1차 응답 파라미터로부터 도출된다. 복합 응답 파라미터가 상기 1차 응답 파라미터 및 상기 2차 응답 파라미터로부터 또한 도출될 수 있다. 단락 회로 전조 조건의 가능성이 상기 1차 응답 파라미터, 상기 2차 응답 파라미터 및/또는 상기 복합 응답 파라미터에 따라 결정된다. 상기 결정된 가능성에 기초하여, 잠재적 단락 회로 도출 위험요소의 경고가 제공되고 및/또는 단락 회로 도출 위험요소를 완화 또는 금지하는 보정 방책이 구현될 수 있다.

Description

리튬 이온 배터리 안전성 감시
본 발명은 일반적으로 배터리 및 소비자 안전에 관한 것으로, 특히 리튬 이온 배터리의 안전성을 감시하는 진단 툴에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리(LIB)는 가전 제품에서 일반적으로 사용하는 충전식 배터리의 일 유형이다. LIB의 양전극(캐소드)은 전형적으로 리튬 층간 삽입 화합물을 포함하고 음전극(애노드)은 흑연으로 제조되어, 리튬 이온이 충전시에는 양전극으로부터 음전극으로 흐르고 방전시에는 역방향으로 흐른다. LIB는 다른 유형의 충전식 배터리에 비하여 매우 높은 에너지 밀도, 예를 들면 일부 니켈-금속 수소화물 전지보다 2배 이상의 에너지 밀도를 갖는 점이 특징이다. LIB는 또한 고전력 밀도, 광범위의 온도에 걸친 양호한 성능 및 낮은 자기 방전율에 가치가 있다. 더욱이, LIB는 다양한 셀 설계 및 구성(예를 들면, 프리즘, 원통, 평판, 코인 또는 파우치(pouch) 설계)에서 사용하는 것뿐만 아니라 액체 유기 전해질 및 중합체 전해질과 함께 사용하는 것에 대한 적응성이 높다.
그러나 LIB는 때때로 불에 잘 붙는다는 점에서 중대한 단점을 또한 갖는다. 이러한 불은 전형적으로 잠복 결함 및/또는 동작 결함의 누적에 의해 발생할 수 있는 내부 단락 회로에 의해 야기된다. 잠복 결함은 오염물질의 존재, 또는 애노드와 캐소드 사이에서 또는 그들 각각의 집전체 사이에서 발생할 수 있는 접촉과 같은 제조상의 결함을 포함할 수 있다. 동작 결함은 예를 들면 사용 중에 LIB에서 리튬 금속 도금에 의해 야기되는 리튬 수상돌기(dendrite)의 성장(또는 리튬 도금 자체); 구리 도금에 의해 야기되는 구리 수상돌기의 성장(또는 구리 도금 자체); 및 애노드와 캐소드가 물리적으로 접촉하는 기회를 생성하는 물리적 또는 열적 응력에 기인하여 분리막에 형성되는 째진 틈(tear) 또는 구멍(hole)을 포함할 수 있다. LIB 셀에서의 단락 회로는 물리적 충격(예를 들면, 떨어뜨림 또는 진동), 큰 온도 변화, 충격 쇼크(impact shock) 등과 같은 열화 및 환경 효과로부터 또한 야기할 수 있다. 단락 회로는 셀 내의 배터리 화학물질에서 연쇄 반응을 일으켜서 셀 내에서 급격한 온도 증가 및 결과적인 압력 상승을 일으키고, 셀을 파열 또는 연소시킬 수 있다. 열은 이어서 다른 배터리 셀로 전이하여 전체 배터리가 폭발하거나 화염에 휩싸이게 할 수 있다.
단락 회로가 발생한 때, 내부 LIB 셀 온도는 단 몇 초만에 안전하지 않은 수준까지 상승하여 열폭주 및 결과적인 연소를 유도할 수 있다. LIB가 다른 유형의 배터리에 비하여 더 반응적이고 열적 안정성이 낮기 때문에, LIB는 고온 동작(예를 들면, 80℃ 이상) 또는 과충전(예를 들면, 저온에서의 고속 충전)과 같은 소정의 조건에서 열폭주를 받기가 더 쉽다. 고온에서, 캐소드 분해는 산소를 생성하고, 이 산소는 배터리 셀의 유기물(예를 들면, 인화성 유기 용매 전해질 및 탄소 애노드)과 방열성으로 반응한다. 높은 방열성의 연쇄 반응은 극히 빠르고 열폭주를 일으켜서 단 수 초만에 과도한 온도 및 압력(예를 들면, 700~1000℃ 및 약 500psi)에 도달할 수 있다. 연쇄 반응이 시작되면, 그 반응은 효과적으로 정지할 수 없고, 따라서 제1 장소에서 이 연쇄 반응의 시작을 금지하는 것이 사람이 다치고 재산이 손상되는 것을 방지할뿐만 아니라 배터리 동작을 유지하기 위해 매우 중요하다.
간단히 말해서, LIB 셀에서 초기에 내부적으로 발생된 오류 또는 결함은 단락 회로를 야기할 수 있고, 이 단락 회로는 가열 및 후속적으로 방열성 연쇄 반응을 유도하여 열폭주 및 궁극적으로 발화/폭발을 일으킬 수 있다.
과도한 고전압 또는 저온에서 충전하거나 및/또는 너무 빨리 충전하면 애노드에서 리튬 수상돌기가 형성되고, 이 수상돌기는 단락 회로를 유도할 수 있다(수상돌기가 분리막에 침투하여 캐소드 접촉을 일으킴으로써 및/또는 전극의 기계적 응력에 의해서). 반대로, 너무 낮은 전압에서의 방전은 구리 수상돌기 성장을 촉진하여(즉, 여기에서 구리는 애노드 집전체에 존재한다) 역시 단락 회로를 일으킬 수 있다. 높은 주변 온도, 급속 충전, 고부하 방전 및 배터리 패키지 내의 이웃 셀들 간의 근접으로 인한 셀 가열은 모두 열폭주의 가능성을 증가시키는 요소들이다.
따라서 심각한 안전성 위험요소가 랩톱 및 셀폰으로부터 전기/하이브리드 자동차 및 항공기에 이르기까지 광범위한 LIB 함유 기기 및 컴포넌트에서 나타나고, 해마다 위험한 사건들이 보고되고 많은 제품이 리콜된다. 그러한 사건들의 위험은 셀 및 배터리 패키지의 성능 및 크기에서의 요구가 증가할 때 상승하고, 그 에너지 밀도가 더 커지며, LIB는 공중에 대한 노출이 더 큰 추가적인 상업 제품에서 더 널리 유행한다. LIB 셀의 연소는 임의의 사전 경고 없이 정상 사용시에도 발생할 수 있고, 일부 경우에는 비극적인 결과를 가져올 수 있다. 결과적으로, 많은 제조업자들은 대체로 LIB의 사용을 피하고 있고, 예를 들면 LIB의 많은 장점에도 불구하고 최근의 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 중요한 부분에는 LIB에 의한 전원을 사용하지 않는다.
현재 이용 가능한 배터리 진단 툴은 특정 셀 파라미터를 수동으로 검출 또는 감시하는 본질적으로 반응성 시스템이고, 잠재적인 위험요소를 미리 식별하여 LIB 셀이 불붙는 것을 예방하는데 있어서 비효과적일 수 있다(또는 효과가 충분하지 않을 수 있다). 현존하는 진단 접근법은 일반적으로 셀 또는 배터리의 일상적인 동작 전류 및 전압을 측정하고, 때로는 저항 및/또는 임피던스와 아마도 온도를 또한 측정한다. 일부 방법은 개회로 모드로의 LIB 충전/방전 전류를 급히 차단하고(예를 들면, 셀 전압의 거의 순간적인 변화를 포착하기 위한 수십 마이크로초의 짧은 지속기간), 그 다음에 셀 용량, 오믹 저항 및 충전 상태를 결정하기 위해 충전/방전을 재개한다. 일부 제조업자는 과충전, 과방전, 과열, 단락 회로화 또는 다른 잠재적으로 위험한 상황으로부터 보호하기 위해 셀 또는 배터리 패키지 수준에서 LIB의 보호 메카니즘을 통합한다. 일부 메카니즘은 만일 소정의 동작 한계가 초과되면 배터리 전류를 차단할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 그러한 반응 조절 시스템의 반응 시간은 일반적으로 열폭주 및 이어지는 필연적인 배터리 연소의 발생을 방지하기엔 불충분하다. 특히, 종래의 시스템은 전형적으로 온도 및 셀 동작 전압 및 전류(및 때로는 교류 임피던스)만을 추적하는데, 이들은 모두 비가역적 열폭주 및 셀 연소를 유도하는 연쇄 반응을 방지하기에 너무 늦은 때 위험요소 발생의 후기 단계에서 의미 있게 검출 가능한 변화만을 묘사한다. LIB 안전성 감시의 복잡도 및 필요한 속도는 다수의 셀이 존재할 때, 예를 들면 복수의 셀이 직렬 또는 병렬(또는 직렬과 병렬의 조합)로 접속된 때 크게 증가한다. 예를 들면, 칩이 12개의 셀에 접속되고 31개의 칩에 데이지 체인(daisy-chain) 방식으로 연결(직렬로 접속)된 경우, 총 12×31=372개의 셀이 (바람직하게) 개별적으로 감시되어야 한다.
"배터리 특히 리튬 배터리의 충전 상태 결정 방법 및 장치"의 명칭으로 펠레드(Peled) 등에게 허여된 미국 특허 제4,725,784호에는 리튬 배터리와 같이 일정한 방전 곡선을 가진 배터리의 충전 상태를 결정하는 방법이 개시되어 있다. 배터리 온도가 측정되고, 그 다음에 배터리가 짧은 시구간 동안 높은 방전을 행하도록 부하가 걸린다. 짧은 회복 시간 후에, 회복된 개회로 전압 및 대응하는 배터리 회복 시간이 측정된다. 배터리의 잔여 충전 상태는 측정된 온도 및 회복된 개회로 전압으로부터, 예를 들면 참조 표를 이용하여 결정된다.
"배터리 관리 장치"의 명칭으로 남바(Namba)에게 허여된 미국 특허 제7,202,632호에는 잔류 용량 및 열화 정도를 결정하는 것과 같은 배터리 관리 목적으로 배터리 임피던스의 변화를 감시하는 것이 개시되어 있다. 임피던스는 전류 및 온도의 변동이 미리 정해진 범위 내에 있을 때 단자 전압, 개회로 전압 및 배터리의 전류를 이용하여 계산된다. 계산된 임피던스는 배터리의 초기 상태로부터 미리 획득된 초기 임피던스와 비교되어, 배터리의 열화 정도에 따라 임피던스 보정치를 결정한다.
"다중 셀 배터리 팩에서 열폭주의 전파 완화"의 명칭으로 베르디쳅스키(Berdichevsky) 등에게 허여된 미국 특허 제7,433,794호에는 전기 자동차 다중 셀 배터리 팩에서 열폭주를 완화시키는 방법이 개시되어 있다. 배터리 팩 및 복수의 셀 내의 열원이 먼저 식별된다. 배터리 팩과 셀의 온도는 예를 들면 습도, 연기, 유기 증기, 온도, 전압 또는 전류를 감시함으로써 미리 정해진 조건들을 검출하는 동안 제어된다. 조건을 검출한 때, 과열된 셀이 인근 셀로 전파되지 못하게 하는 미리 정해진 동작이 수행된다.
"임피던스 및/또는 배터리 상태의 결정을 이용하여 배터리의 건강 상태를 결정하는 방법"의 명칭으로 데스프레즈(Desprez) 등에게 허여된 미국 특허 제8,269,502호에는 배터리 충전 또는 사용량을 제어하기 위해 충전식 배터리의 건강 상태(state of health, SOH)를 연속적으로 평가하는 것에 대해 개시되어 있다. 적어도 하나의 배터리 셀의 임피던스가 실시간으로 결정된다. 그 다음에 적어도 하나의 신뢰 계수가 배터리 셀의 적어도 하나의 변수의 함수로서 결정된다(전류; 온도; 충전 상태; 및/또는 그 도함수 또는 적분). 주어진 시점에서 배터리의 SOH는 주어진 시점에 임피던스의 함수로서 보정되고 신뢰 계수에 의해 가중된 이전 시점에서의 SOH를 이용하여 결정된다.
"배터리 전압 변동 패턴에 기초하여 배터리의 건강 상태를 추정하는 장치 및 방법"의 명칭으로 엘지화학(LG Chem Ltd.)이 출원한 PCT 국제 공개 번호 WO2010/016647에는 배터리의 충전 상태(SOC)에 기초하여 건강 상태(SOH)를 추정하는 방법이 개시되어 있다. 배터리 전압, 전류 및 온도 데이터가 각각의 SOH 추정시에 센서로부터 획득된다. 제1 SOC는 배터리 전류 데이터를 이용한 전류 적분에 의해 추정된다. 개회로 전압은 배터리 전압 변동 패턴으로부터 추정된다. 추정된 개회로 전압 및 배터리 온도에 대응하는 제2 SOC는 개회로 전압/온도와 SOC 간의 상관관계를 이용하여 추정된다. 제1 SOC 변동에 대한 제2 SOC 변동의 비의 가중 평균치에 대한 수렴 값이 계산된다. 상기 가중 평균 수렴 값에 대응하는 배터리 용량이 상기 가중 평균 수렴 값과 용량 간의 상관관계를 이용하여 추정된다. 추정된 배터리 용량과 초기 배터리 용량의 상대적 비율이 배터리 SOH로서 저장된다.
"병렬 접속된 배터리의 차동 전류 모니터링"의 명칭으로 맥코이(McCoy) 등이 출원한 미국 특허 출원 공개 제2012/0182021호에는 병렬 접속된 2개의 배터리 간의 전류 차를 측정하는 배터리 감시 시스템이 개시되어 있다. 차동 전류는 2개의 배터리 사이에 위치된 스위치 및 전류 측정 장치를 이용하여 측정될 수 있다. 측정된 차동 전류는 배터리들 중 하나에서 장애를 검출하기 위해 사용된다.
"배터리 건강 감시 시스템 및 방법"의 명칭으로 로베(Love) 등이 출원한 미국 특허 출원 공개 제2013/0141109호에는 충전식 배터리의 건강 상태 감시 및 서비스에서 제외되는 결함 배터리의 식별 방법이 개시되어 있다. 임피던스 응답을 얻기 위해 임피던스 분광 장비로 주파수 스윕(frequency sweep) 전역에서 교류 전류 또는 전압 섭동을 인가하고, 권장되는 배터리 전압 창 내에서 각종 충전 상태의 임피던스 응답에 관한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 임피던스 곡선 위에 그리고, 각종의 충전 상태에서 임피던스 곡선을 분석함으로써 배터리의 정밀 주파수가 결정된다. 교류 전류 또는 전압 섭동은 정밀 주파수에서 인가되고 임피던스 응답을 발생한다. 임피던스 응답의 값이 기록되고, 임피던스 값이 포함되는 배터리 분류 구역이 결정된다.
"전기 또는 전기화학 시스템을 측정 및 분석하는 방법 및 장치"의 명칭으로 월드 에너지 랩스(2)(World Energy Labs(2) Inc.)가 출원한 PCT 국제 공개 WO2004/106946에는 시변 전기 신호에 의해 여기된 때 전기/전기화학 요소 또는 셀에서 생성된 시변 응답을 측정 및 분석하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 응답 신호 및 선택적으로 여기 신호는 동기식으로 샘플링되고, 샘플링된 값들을 분석하여 충전 상태 및 건강 상태를 비롯한 각종 특성들을 결정한다. 이 방법은 전기 임피던스(또는 어드미턴스)의 속성을 나타내는 시스템의 시간 도메인 응답을 평가하기 위해 사용될 수 있다. 이 방법은 측정 및 분석의 결과가 제공되는 개루프 형태, 또는 결과들이 시스템 또는 장치의 행동을 조절하게끔 피드백을 제공하기 위해 사용되는 폐루프 형태로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라서, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법이 제공된다. 이 방법은 LIB의 초기 전기 상태를 결정하고, 시변 응답을 발생하도록 상기 LIB에 직류(DC) 전기 자극을 인가하거나 제거함으로써 LIB의 전기 상태를 변경하고, 상기 변경된 전기 상태에 대한 상기 LIB의 시변 응답을 측정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 적어도 상기 측정된 응답의 기능 형태와 연관된 적어도 하나의 1차 응답 파라미터를 추출하고, 상기 1차 응답 파라미터로부터 적어도 하나의 2차 응답 파라미터를 도출하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 1차 응답 파라미터 및/또는 상기 2차 응답 파라미터에 따라 단락 회로 전조 조건(SCPC)의 가능성을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 1차 응답 파라미터 및/또는 상기 2차 응답 파라미터로부터 적어도 하나의 복합 응답 파라미터를 도출하여 상기 SCPC 가능성이 상기 복합 응답 파라미터에 따라 또한 결정되게 하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 결정된 SCPC 가능성에 따라 잠재적 단락 회로 도출 위험요소(SCDH)의 경고를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 결정된 SCPC 가능성에 따라 SCDH를 완화 또는 금지하도록 적어도 하나의 보정 방책을 구현하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 보정 방책은 상기 LIB에 특정 방전 전압을 인가하여 상기 인가된 방전 전압이 상기 LIB 내 리튬 도금의 적어도 일부를 산화시키게 하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 LIB의 전기 상태를 변경하는 단계는 방전 전압; 충전 전압; 정전위(potentiostatic) 전압; 선형으로 변하는 전압; 방전 전류; 충전 전류; 정전류(galvanostatic) 전류; 선형으로 변하는 전류; 방전 저항 부하; 방전 정전력(constant power); 및/또는 충전 정전력과 같은 전기 자극 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 LIB의 전기 상태를 변경하는 단계는 상기 LIB를 방전 상태 또는 충전 상태로부터 개회로 상태 또는 휴지 상태로 전환하고; 상기 LIB를 개회로 상태 또는 방전 상태 또는 휴지 상태로부터 충전 상태로 전환하고; 및/또는 상기 LIB를 개회로 상태 또는 충전 상태 또는 휴지 상태로부터 방전 상태로 전환하는 동작 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 LIB의 전기 상태를 변경하는 단계는 i) 순간 전압 변화; ii) 이중 층(double-layer) 충전 위상; 및 iii) 패러데이 반응 위상을 포함한 적어도 하나의 응답 부분이 특징인 전압 응답을 발생하도록 스텝 전류를 인가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 LIB의 전기 상태를 변경하는 단계는 i) 저분극에서 전압에 대한 전류의 선형 의존 영역; 및 ii) 고분극에서 전압에 대한 전류의 대수 의존 영역을 포함한 적어도 하나의 응답 부분이 특징인 전류 응답을 발생하도록 선형 전압 스캔(scan)을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 1차 응답 파라미터는 다른 시간에서의 전압 응답치; 다른 시간에서의 전류 응답치; 및 전기 상태 변경에 관한 파라미터 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 응답 파라미터는 순간 전압 강하(iR 강하); iR 강하의 저항; 이중 층 용량(C); 이중 층 충전 또는 방전 위상의 시상수(전이 시간 Tr); 샌드 방정식(Sand equation) 파라미터; 이중 층 충전 또는 방전 중의 전압 변화; 인가된 전류 스텝의 패러데이 반응 위상 중의 전압 변화; 반응 저항(Rrxn); 교환 전류 밀도(io); 타펠(Tafel) 기울기(βa 또는 βc); 반응 분극(Rpol); 전류 편차 값(id); 인가 전압의 함수로서의 전류 응답; 전압 스캔의 전압-전류 기능 형태의 도함수 및 2차 도함수; 전류치의 도함수; 랜드레스-세빅(Randles-Sevcik) 방정식 파라미터; 인가 전류의 함수로서의 전압 응답; 순간 전류 변화; 순간 전류 변화의 저항값; 코트렐(Cottrell) 방정식 파라미터; 및/또는 LIB 전극의 활성 영역의 변화 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 LIB와 연관된 온도를 측정하는 단계를 포함할 수 있고, 이때 상기 LIB의 전기 상태를 변경하는 단계와 상기 LIB의 시변 응답을 측정하는 단계는 상기 측정된 온도를 고려한다. 상기 방법은 또한 사용자 피드백 또는 이력 데이터에 따라 SCPC 가능성의 결정을 수정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 측정된 응답이 미리 정해진 한계를 넘어서 벗어나는지 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 SCPC 가능성은 1차 파라미터, 2차 파라미터 및/또는 복합 파라미터의 변화율에 따라 결정될 수 있다. 상기 SCPC 가능성은 1차 파라미터, 2차 파라미터 및/또는 복합 파라미터의 파라미터들 간의 일관성에 따라 결정될 수 있다. 상기 방법은 상기 LIB의 적어도 하나의 인증 특징을 결정하는 예비 단계를 포함할 수 있고, 그래서 상기 방법 단계의 구현은 상기 인증 특징에 조건적이다. 상기 SCDH는 i) LIB의 연소 이벤트; ii) LIB의 자기 방전; 또는 iii) LIB의 휴면 양성(benign) 단락 회로 상태를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템이 제공된다. 이 시스템은 시변 응답을 발생하도록 상기 LIB에 직류(DC) 전기 자극을 인가하거나 제거함으로써 LIB의 전기 상태를 변경하도록 구성된 자극 인가 장치를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 변경된 전기 상태에 대한 상기 LIB의 시변 응답을 측정하도록 구성된 응답 측정 장치를 포함한다. 상기 시스템은 또한 적어도 상기 측정된 응답의 기능 형태와 연관된 적어도 하나의 1차 응답 파라미터를 추출하도록 구성되고, 또한, 상기 1차 응답 파라미터로부터 적어도 하나의 2차 응답 파라미터를 도출하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는 또한 상기 1차 응답 파라미터 및/또는 상기 2차 응답 파라미터에 따라 단락 회로 전조 조건(SCPC)의 가능성을 결정하도록 구성된다. 상기 프로세서는 또한 상기 1차 응답 파라미터 및/또는 상기 2차 응답 파라미터로부터 적어도 하나의 복합 응답 파라미터를 도출하여 상기 SCPC 가능성이 상기 복합 응답 파라미터에 따라 또한 결정되게 하도록 구성될 수 있다. 상기 SCPC 가능성은 1차 파라미터, 2차 파라미터 및/또는 복합 파라미터의 변화율에 따라 결정될 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 결정된 SCPC 가능성에 따라 잠재적 단락 회로 도출 위험요소(SCDH)의 경고를 제공하도록 구성된 통지 유닛을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 결정된 SCPC 가능성에 따라 SCDH를 완화 또는 금지하도록 적어도 하나의 보정 방책을 구현하도록 구성된 안전성 프로토콜(protocol) 유닛을 포함할 수 있다. 상기 보정 방책은 상기 LIB에 특정 방전 전압을 인가하여 상기 인가된 방전 전압이 상기 LIB 내 리튬 도금의 적어도 일부를 산화시키게 하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자극 인가 장치는 i) 순간 전압 변화; ii) 이중 층 충전 위상; 및 iii) 패러데이 반응 위상을 포함한 적어도 하나의 응답 부분이 특징인 전압 응답을 발생하도록 스텝 전류를 인가하게끔 구성될 수 있다. 상기 자극 인가 장치는 i) 저분극에서 전압에 대한 전류의 선형 의존 영역; 및 ii) 고분극에서 전압에 대한 전류의 대수 의존 영역을 포함한 적어도 하나의 응답 부분이 특징인 전류 응답을 발생하도록 선형 전압 스캔을 인가하게끔 구성될 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 LIB와 연관된 온도를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 온도 센서를 포함할 수 있고, 이때 상기 LIB의 전기 상태를 변경하는 단계와 상기 LIB의 시변 응답을 측정하는 단계는 상기 측정된 온도를 고려한다. 상기 SCPC 가능성 결정은 사용자 피드백 또는 이력 성능 데이터에 기초하여 수정될 수 있다. 상기 SCDH는 i) LIB의 연소 이벤트; ii) LIB의 자기 방전; 또는 iii) LIB의 휴면 양성 단락 회로 상태를 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부 도면과 함께하는 이하의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따라 구성되고 동작하는 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 각종 자극에 응답하는 LIB의 예시적인 방전 전압 프로파일을 묘사한 타이밍 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 각종 자극에 응답하는 LIB의 예시적인 충전 프로파일을 묘사한 타이밍 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 개회로 상태에서 각종 자극에 응답하는 LIB의 예시적인 전압 프로파일을 묘사한 타이밍 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, LIB의 대수 전류 응답의 함수로서 예시적인 인가 전압 스캔을 묘사한 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 인가된 구형파 방전 전류에 대한 LIB의 예시적인 전압 응답을 묘사한 타이밍 그래프이다.
도 5b는 전압 응답 프로파일의 다른 세그멘트를 묘사한 도 5a의 타이밍 그래프이다.
도 5c는 전압 응답 프로파일의 순간 전압 변화 및 나머지 분극 성분을 묘사한 도 5a의 타이밍 그래프이다.
도 5d는 전압 응답 프로파일의 기능 형태를 묘사한 도 5a의 타이밍 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 예시적인 정전위 -스텝 전압 자극을 묘사한 타이밍 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 도 6a의 인가된 -스텝 전압 자극에 대한 LIB의 예시적인 전류 응답을 묘사한 타이밍 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, LIB의 안전성을 감시하는 방법의 블록도이다.
도 8은 감시되는 LIB의 내부 저항의 변화를 묘사한 2개의 상이한 유형의 파라미터의 활용을 비교하여 보인 막대 그래프이다.
본 발명은 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 개선된 진단 방법 및 시스템을 제공함으로써 종래 기술의 단점들을 극복한다. 진단 방법은 그 개발의 조기 단계에서 LIB 셀의 곧 나타날 단락 회로의 가능성을 결정하고, 그에 따라서 결과적인 가능한 LIB 연소 발생을 실시간으로 식별하여 사용자 안전을 보장하는 적어도 하나의 예방 방책을 구현하게 한다. 특히, 상기 방법은 열폭주 및 필연적인 연소로 발전할 수 있는 내부 셀 오류의 조기 단계 예측자 또는 표시자를 나타내는 특정 표식(marker)을 독특하게 검출하고 처리한다. 상기 표식들은 변경된 전기 상태에 대한 LIB의 시변 응답의 1차, 2차 및 복합 응답 파라미터의 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 시변 응답은 LIB에 인가된 (가변적이거나 일정한) 전압, 전류, 저항 또는 전력에 응답하여 변하는 LIB의 전압, 전류, 저항, 전력 및/또는 온도를 포함할 수 있다.
내부 LIB 단락 회로는 초기에 고저항으로 시작하고, 이 고저항은 이어서 연장된 사이클링 또는 길어진 지속기간을 가진 값으로 감소한다. 초기의 "소프트 쇼트"(soft short)는 비교적 긴 유도 시간 및 고저항이 특징인 양성(benign) 상태로부터 훨씬 더 낮은 저항(셀 연령으로서)을 가진 "하드 쇼트"(hard short)로 천천히 전이할 수 있다. 임계적인 저저항에 도달한 때, 발생된 열은 유기 전해질을 가연성 증기로 분해하기 시작하여 캐소드를 절연파괴시키고 산소를 방출한다. 열적 열화에 의해 형성되는 열 및 연소 가능한 생성물은 급격히 반응하여 온도를 수 백도까지 상승시키고 연쇄 반응을 또한 일으킨다. 비가역적인 열폭주는 후속적으로 LIB 셀의 발화 또는 폭발을 유도할 수 있다. 따라서 개시되는 방법은 LIB의 거의 알 수 없는 초기 소프트 쇼트를, 쇼트로 유도할 수 있는 제1 징후를 식별함으로써 그 개발 단계에서 조기에 식별하고, 열폭주가 시작하기 훨씬 전에 상기 징후를 검출한다. 개시되는 발명은 각종 응용에서 나타나는 실질적으로 모든 유형의 LIB에서 전개 가능하고, 광범위한 환경 및 동작 조건에서 동작 가능하다.
여기에서 사용하는 용어인 일반적으로 "배터리", 특히 "리튬 이온 배터리(LIB)", 및 그 임의의 변체는 임의의 구성(예를 들면, 직렬, 병렬, 및 직렬과 병렬의 조합)으로 접속된 임의 수의 전기화학 셀(또는 셀들의 그룹)을 포함하고, 또한 단일 셀 배터리를 포함할 뿐만 아니라 모든 유형의 셀 지오메트리(예를 들면, 비제한적으로, 원통, 프리즘, 파우치, 코인 및 버튼 셀을 포함함), 크기 및 셀 디자인(예를 들면, 비제한적으로, 젤리롤 디자인 셀, 감겨진 셀, 보빈(bobbin) 셀, Z-접힘 전극을 가진 셀, 도그본(dog-bone) 접힘 전극을 가진 셀, 타원 접힘 전극을 가진 셀, 및 평행판 전극 셀을 포함하고, 바이폴라 여부는 상관없음)을 포함한 임의의 배터리를 말한다. LIB는 일반적으로 적어도 한 쌍의 전극(애노드, 캐소드), 리튬 이온을 전도하는 전해질(액체, 고체, 반고체 및/또는 중합체), 및 분리막을 포함한다. 배터리는 적어도 하나의 전기 또는 전자 장치 또는 컴포넌트(예를 들면, 비제한적으로, 커패시터; 수퍼커패시터; 인쇄 회로 기판(PCB); 배터리 관리 시스템; 전자 제어 유닛; 파워 어댑터; 충전기; 무선 충전 시스템; 퓨즈; 센서; 정 온도 계수(PTC) 장치; 전류 차단 장치(CID); 및 이들의 임의 조합을 포함함)와 통합되거나 그 부품을 형성할 수 있다.
여기에서의 "리튬 이온(Li-ion)"은 리튬-금속 충전식 배터리, 리튬 이온 충전식 배터리 및 리튬 이온 중합체 충전식 배터리뿐만 아니라, 비제한적으로, 예비형 배터리, 열형 배터리, 소위 리튬 이온 커패시터 및 리튬-공기 및 리튬-유황 배터리를 포함한 이러한 유형의 배터리를 또한 포함한다는 점에 주목한다.
뒤에서 상세히 설명하는 바와 같이, "단락 회로 전조 조건(SCPC)"은 적어도 하나의 LIB 셀에서 (비양성) 내부 단락 회로를 유도하고 이어서 다수의 바람직하지 않은 결과들을 유도할 수 있는 임의의 조건으로서 여기에서 규정된다. 따라서 여기에서 용어 "단락 회로 도출 위험요소(SCDH)"는 i) 열폭주 및 후속적인 연소(즉, "연소 이벤트")가 뒤따르는 발열 연쇄 반응; ii) LIB 셀의 원치않은 자기 방전; 또는 iii) 알 수 없는 시구간 동안 휴면 양성 SCPC 상태로 유지하는 LIB 셀을 포함하고 궁극적으로 연소 이벤트로 발전할 미지의 확률을 가진 LIB (하드) 단락 회로의 가능한 결과들 중의 임의의 하나를 말한다. 여기에서 사용하는 용어 "연소 이벤트"는, 비제한적으로, 적어도 부분적으로, 화재, 폭발, 타오름(enflaming), 파열, 전해질 용액 누출, 팽윤, 분출 등을 받는 LIB(및/또는 관련 전자 컴포넌트)를 포함한, 열폭주에 따르거나 열폭주에 의해 야기되는 모든 형태의 잠재적으로 불안전한 배터리 상태를 포함하도록 넓게 사용된다.
여기에서 사용하는 용어 "충전 상태" 및 "방전 상태"와 각각의 문법적 변체는 LIB 셀이 얼마나 많이 충전/방전되었는지(예를 들면, "50% 충전 상태" 또는 "25% 방전 깊이")를 말할 수 있고, 용어 "충전" 및 "방전"은 셀이 능동적으로 충전/방전되는 것을 말할 수 있다.
이제, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시형태에 따라 구성되고 동작하는 리튬 이온 배터리(LIB)(110)의 안전성을 감시하는 시스템(100)이 개략적으로 도시되어 있다. 시스템(100)은 전기 자극 인가 장치(112), 응답 측정 장치(114), 온도 센서(116), 프로세서(118), 통지 유닛(120), 안전성 프로토콜 유닛(122), 데이터 저장 유닛(124), 사용자 인터페이스(126) 및 데이터 통신 링크(128)를 포함한다. 프로세서(118)는 전기 자극 인가 장치(112), 응답 측정 장치(114), 온도 센서(116), 통지 유닛(120), 안전성 프로토콜 유닛(122), 데이터 저장 유닛(124), 사용자 인터페이스(126) 및 데이터 통신 링크(128)와 결합된다.
전기 자극 인가 장치(112)는 예를 들면 인가 전압 또는 인가 전류와 같은 소정 형태의 전기 자극을 LIB(110)에 인가하고, 및/또는 LIB(110)를 휴지 조건 또는 개회로 조건으로/으로부터 변환시키는 것과 같이, LIB(110)의 전기 상태를 소정 방식으로 변경하도록 구성된다. 전기 자극 인가 장치(112)는 반복 빈도, 유형, 크기 및 지속기간과 같은 인가 자극의 상이한 파라미터들을 확립 또는 조정하기 위해 자동으로 또는 수동으로 제어될 수 있다. 인가 자극의 조정은 실시간으로 행하여질 수 있고 및/또는 사전 구성될 수 있다. 자극은 적어도 계획된 시구간 동안 또는 LIB의 동작 변화에 응답하여 인가될 수 있고, 및/또는 LIB(110)의 어떤 내부 또는 외부 이벤트에 의해 발생될 수 있다. 전기 자극 인가 장치(112)의 예로는, 비제한적으로, 전압 발생기, 전류 발생기, 전자 회로, 회로를 개방하고 및/또는 LIB를 휴지 상태로 두도록 구성된 장치, 부하(예를 들면, 저항성 부하)를 인가하는 장치, 전원 장치, 전기 컨버터(AC 및/또는 DC), 전기 인버터(AC 및/또는 DC), LIB 충전기, LIB 파워 어댑터, LIB 무선 충전기 등이 있다(전체적으로 또는 부분적으로, 상기 장치들 중 적어도 하나를 통합한 기구를 포함함).
응답 측정 장치(114)는 인가된 전기 자극(및/또는 인가된 전기 상태 변경)에 대한 LIB(110)의 응답을 측정하는 것을 포함하여 LIB(110)의 전기 상태 및 특성을 측정하도록 구성된다. 응답 측정 장치(114)의 예로는, 비제한적으로, 전압 감시 장치, 전류 감시 장치, 전자 회로, 응답 분석기, 전압계, 전류계, 저항계, 임피던스 측정 장치, 주파수 응답 분석기, LCD 미터 등이 있다((전체적으로 또는 부분적으로, 상기 장치들 중 적어도 하나를 통합한 기구를 포함함).
온도 센서(116)는 LIB(110)의 온도를 검출하고 및/또는 LIB(110) 부근의 주변 온도를 검출한다. 온도 센서(116)는 복수의 센서(예를 들면, 배터리 온도를 검출하는 제1 센서, 및 주변 온도를 검출하는 제2 센서)에 의해 구현될 수 있다. LIB(110)의 온도는 다수의 요소(예를 들면, 배터리 크기; 배터리 연령; 동작 지속기간; 충전 또는 방전율; 배터리가 매립되는 응용의 유형)에 의존할 수 있고, 뒤에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 인가된 전기 자극에 대한 LIB(110)의 응답에 영향을 줄 수 있다. 온도 센서(116)는 예를 들면 열전쌍, 반도체 또는 실리콘 다이오드, 광학 고온계, 적외선 측정 장치, 또는 열 정보를 검출하도록 작용하는 임의의 다른 유형의 센서에 의해 구체화될 수 있다.
통지 유닛(120)은 LIB(110)의 안전성 조건의 표시를 제공한다. 특히, 통지 유닛(120)은 단락 회로 전조 조건이 검출된 경우에 경보 또는 경고를 제공하도록 구성된다. 통지 유닛(120)은 또한 예를 들면 LIB(110)의 건강 상태(SOH) 및/또는 충전 상태(SOC)에 관한 추가 유형의 표시를 제공할 수 있다. 통지 유닛(120)은 시각적 표시(예를 들면, 텍스트, 마킹 및/또는 기호들을 디스플레이하는 것, 그래픽 정보의 색을 변경하는 것 등) 및/또는 청각적 표시(예를 들면, 알람, 경적음, 부저, 벨, 호출음)와 같은 각종의 경고 수단을 활용할 수 있다. 통지 유닛(120)은 예를 들면 상기 표시를 클라우드 컴퓨팅 네트워크의 원격 서버 또는 애플리케이션; 서비스 센터, 감시국 등 중의 적어도 하나에 예를 들면 데이터 통신 링크(128)를 통해 전송함으로써 원격 위치에 제공하도록 또한 구성될 수 있다. 따라서, 통지 유닛(120)은 청각적 통신(예를 들면, 오디오 스피커, 음성 발생 유닛) 및/또는 시각적 통신(예를 들면, 디스플레이 화면; 그래픽 사용자 인터페이스; 플래시 라이트)용으로 구성된 하나 이상의 장치 또는 기구를 포함할 수 있다. 통지 유닛(120)은 옵션으로 사용자 인터페이스(126)와 통합될 수 있고, 또는 별도의 유닛으로 될 수 있다. 복수의 통지 유닛(120)이 상이한 위치에서(예를 들면, LIB(110)의 위치에서, 서비스 센터에서, 및/또는 원격 감시국에서) 예컨대 동시에 경고를 제공할 수 있다.
안전성 프로토콜 유닛(122)은 예를 들면 LIB(110)의 전기 상태를 변경함으로써 LIB(110)의 잠재적으로 위험한 조건을 없애거나 중화시키는 적어도 하나의 처리 또는 동작을 구현 또는 발생하도록 구성된다. 예를 들면, LIB(110)의 SCPC가 식별된 때, 안전성 프로토콜 유닛(122)은 문제 있는 LIB 셀을 LIB(110)의 다른 셀로부터 전기적으로 격리시킬 수 있고, 또는 LIB(110)에 대한 전원 공급을 자동으로 차단할 수 있다. 다른 예로서, 안전성 프로토콜 유닛(122)은 의심되는 LIB를 교체하고, 다중 셀 배터리의 보조 시스템을 통해 셀 균형화를 개시하고, 또는 방전 전압을 인가하여 도금된 리튬을 제거하도록 구성될 수 있다. 또 다른 예로서, 안전성 프로토콜 유닛(122)은 예를 들면 유체 기반 또는 공기 기반 냉각 메카니즘을 적용하거나, 및/또는 고온 가스를 LIB(110)로부터 배출함으로써 LIB(110)의 적어도 일부를 즉시 냉각시킬 수 있다. 안전성 프로토콜 유닛(122)은 소정 배터리가 특수한 안전성 조건에 맞닥뜨린 때 상기 소정 배터리에 대하여 선택적인 보정 방책을 수행하도록 사전 구성된 것과 같이 자동화될 수 있다. 안전성 프로토콜 유닛(122)은 또한 예를 들면 최적의 안전성 방책을 선택하고 실제 배터리 시나리오에 따라 상기 선택된 안전성 방책의 설정을 실시간으로 규정함으로써 수동으로 제어 및 동작될 수 있다.
사용자 인터페이스(126)는 시스템(100)의 사용자가 시스템(100)의 각종 컴포넌트와 연관된 각종 파라미터 또는 세팅을 제어하게 한다. 예를 들면, 사용자 인터페이스(126)는 사용자가 통지 유닛(120)의 파라미터 또는 세팅(예를 들면, 제공되는 경보의 유형을 선택하는 것, 및 어떤 검출 한계 또는 조건에서 경보를 제공할 것인지) 및/또는 안전성 프로토콜 유닛(122)의 파라미터 또는 세팅(예를 들면, 구현될 안전성 프로토콜의 유형을 선택하는 것, 및 어떤 조건하에서)을 조정하게 할 수 있다. 사용자 인터페이스(126)는 또한 자극 인가 장치(112) 및/또는 응답 측정 장치(114)의 동작 세팅을 선택하도록 구성될 수 있다. 사용자 인터페이스(126)는 커서 또는 터치화면 메뉴 인터페이스, 및/또는 사용자가 음성 명령으로 명령어 또는 데이터를 입력할 수 있게 하는 음성 인식 능력을 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(126)는 원격에서, 예를 들면 서비스 센터, 감시국, 및/또는 클라우드 컴퓨팅 네트워크의 원격 서버, 애플리케이션 또는 데이터베이스로부터 (예를 들면, 데이터 통신 링크(128)를 통해) 입력 데이터를 수신하도록 또한 구성될 수 있고, 이때 입력은 미리 정해진 커맨드에 의해 또는 실시간으로 제공될 수 있다.
데이터 저장 유닛(124)은 시스템(100)의 동작과 관련된 데이터의 저장을 제공한다. 예를 들면, 데이터 저장 유닛(124)은 배터리 크기, 동작 한계, 전압/전류 한계, 충전/방전율, 온도 계수 및/또는 각종 전기 자극 및 응답에 대한 요소(예를 들면, 필요한 경우에 LIB에 인가되는 자극의 적당한 조정을 가능하게 하는 것)와 같이, 다른 유형 또는 구성의 LIB에 관한 미리 규정된 데이터를 포함할 수 있다. 데이터 저장 유닛(124)은 또한 인가되는 자극 및 응답 데이터(시간의 경과에 따른 이들의 변체를 포함함), 자극의 인가 전 및 후의 셀 동작 파라미터(예를 들면, 전압, 전류, 온도), LIB 주위의 환경 온도, 사이클 번호, 충전 상태, 건강 상태, 방전 깊이, 자극이 인가된 때 LIB의 상태(예를 들면, LIB가 충전 상태, 방전 상태, 휴지 상태 또는 개회로 상태에 있는지), 측정된 응답에 대한 예상 응답치, LIB의 물리적 및 화학적 특성에 관한 데이터, 및 동작 중에 LIB 행동에 대한 정보(예를 들면, 환경 온도의 함수로서 충전 및 방전 중의 공칭 용량 및 전압, 및 대응하는 충전 및 방전의 비율) 등과 같은, 감시되는 LIB(110)에 관한 실시간 데이터를 저장할 수 있다. 데이터 저장 유닛(124)은 감시 세션의 이력적 개관, 및 감시되는 LIB의 시간 경과에 따른 전기 상태 및 측정 응답을 포함한 크라우드소스 데이터(및 안전성 결과)와 같은, 이전에 감시된 LIB(LIB(110)를 포함함)에 관한 정보를 또한 저장할 수 있다. 데이터 저장 유닛(124)은 강화된 접근 특권을 가진 감독자 계정과 같이, 소정의 사용자에게만 제한되는 정보를 포함할 수 있다.
데이터 통신 링크(128)는 내부 시스템 컴포넌트들 간에 또는 외부 위치로/로부터 정보를 전송 및 수신하게 한다. 데이터 통신 링크(128)는 임의의 적당한 형태(예를 들면, 전자, 광학, 전자기 및/또는 무선 주파수 기반 신호)로 유선 또는 무선 통신(예를 들면, 셀룰러, 블루투스, 와이파이 통신 등)을 하는 수단을 포함할 수 있다. 데이터 통신 링크(128)는 또한 예를 들면 LIB(110) 부근의 무선 또는 셀룰러 네트워크에 접근함으로써 기존 시스템 통신 플랫폼에 매립되거나 기존 시스템 통신 플랫폼과 결합될 수 있다.
프로세서(118)는 시스템(100)의 각 컴포넌트로부터 명령어 및 데이터를 수신한다. 프로세서(118)는 뒤에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 단락 회로 전조 조건이 발생한 때를 검출하기 위해 LIB(110)와 연관된 많은 파라미터(1차 파라미터, 2차 파라미터 및 복합 파라미터를 포함함)의 처리 및 분석을 수행한다. 프로세서(118)는 또한 LIB(110)의 검출된 안전성 위험요소 또는 안전성 상태(SoS)에 따라 경고를 발생하거나 보정 방책을 각각 구현하도록 통지 유닛(120) 및/또는 안전성 프로토콜 유닛(122)에 명령어를 제공할 수 있다. 프로세서(118)는 시스템(100)의 다른 컴포넌트로부터 떨어진 장소에 위치할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(118)는 통신 매체 또는 네트워크를 통해 접근 가능한 원격 컴퓨터 또는 원격 컴퓨팅 시스템 또는 머신(클라우드 기반 컴퓨팅 시스템을 포함함)과 같은 서버의 일부일 수 있다. 대안적으로, 프로세서(118)는 LIB(110) 부근에 위치하거나 및/또는 시스템(100)의 다른 컴포넌트 내에 집적될 수 있다. 예를 들면, 프로세서(118)는 무선 접속, 유선 접속 또는 통신 버스를 통해 시스템(100)의 각종 컴포넌트에 결합될 수 있다. 대안적으로, 프로세서(118)는 응답 측정 장치(114)와 연관된 컴퓨터와 통합될 수 있다. 프로세서(118)는 또한 예를 들면 기계 학습 기술을 통해 시스템(100)의 기능을 최적화하도록 구성될 수 있다.
시스템(100)의 각 컴포넌트는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 기초를 둘 수 있다. 시스템(100)의 각각의 개별 컴포넌트와 연관된 기능은 단일 장소에 또는 복수의 장소에 있을 수 있는 복수의 컴포넌트에 분산될 수 있다. 예를 들면, 프로세서(118)와 연관된 기능은 복수의 처리 유닛(예를 들면, 응답 분석용의 전용 이미지 프로세서)들 간에 분산될 수 있다. 시스템(100)은 선택적으로 개시된 주제의 구현을 위해 도 1에 도시되지 않은 추가 컴포넌트들을 포함하거나 및/또는 추가 컴포넌트들과 연관될 수 있다. 예를 들면, 시스템(100)은 각종 컴포넌트에 전력을 제공하는 전원 장치(도시 생략됨)를 포함할 수 있고, 셀 동작 파라미터 또는 다른 유형의 데이터의 임시 저장을 위한 추가 메모리 또는 저장 유닛(도시 생략됨)을 또한 포함할 수 있다. 시스템(100)은 추가로 온/오프 스위치, 및 라이트 또는 다른 시각적 표식(예를 들면, 진행중인 기능이 발생하고 있거나 완료된 것을 표시하기 위한 것; 시스템 상태 등을 표시하기 위한 것)을 포함할 수 있다. 시스템(100)의 일부 컴포넌트들은 선택적이고, 본 발명의 적어도 일부 실시형태에서는 활용되지 않는다는 점에 주목한다.
시스템(100)은 자극 인가 장치(112) 및/또는 시스템(100)의 다른 컴포넌트를 작동시키기 위한 인증 기능 또는 유닛(도시 생략됨)을 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 그러한 인증은 인증 특징을 구별하기 위해 LIB(110)를 자극하는 시스템(100)의 컴포넌트의 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 시스템(100)은 LIB(110)가 개시된 방법을 적용하기 위한 허용된 LIB임을 증명하기 위해 (예를 들면, 소프트웨어 프로그램의 형태로) LIB(110)에 매립된 전자 회로에 저장된 데이터를 시험하거나, 특징적 기능 형태를 가진 "사전 검사 자극"에 대한 응답을 기록할 수 있다. 다른 실시형태에서, LIB(110)는 시스템(100)에 다운로드되고 개시된 방법의 작동을 위해 필요한 매립 데이터(예를 들면, 소프트웨어 프로그램의 형태)를 구비한 전자 회로가 제공될 수 있다.
이제, 시스템(100)의 동작을 일반적인 용어로 설명하고, 그 다음에 특정 구현예의 구체적인 예가 제공될 것이다. 시스템(100)은 LIB(110)가 기능하는 동안 계속적으로 동작하거나, 및/또는 외부 장치 또는 미리 정해진 이벤트에 의해 작동되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 시스템(100)은 충전기의 접속 또는 분리에 의해 및/또는 LIB(110)가 통합된 장치(예를 들면, 배터리 관리 시스템, 전자 제어 유닛, 파워 어댑터 등)의 작동에 의해 작동될 수 있다. 시스템(100)은 LIB(110)의 초기 전기 상태를 먼저 측정한다. 시스템(100)은 그 다음에 예컨대 (자극 인가 장치(112)를 통해) LIB(110)에 DC 전기 자극을 인가(또는 제거)하거나 LIB(110)를 개회로 상태 또는 휴지 상태로 전이시킴으로써 상기 초기 전기 상태에 따라 LIB(110)의 전기 상태를 변경한다. 시스템(100)은 또한 장래의 인가되는 자극 또는 전기 상태 변경을 예기하고 LIB(110)의 전기 상태를 주기적으로 및/또는 연속적으로 감시할 수 있다.
각종 자극/변경이 인가되는 LIB(110)의 초기 상태는 충전 모드(정전류, 정전압, 정전력, 또는 이들의 조합 또는 변체); 방전 모드(정전류, 정전압, 정전력, 저항 부하, 또는 이들의 조합 또는 변체); 개회로(전자 회로로부터의 물리적 분리); 또는 휴지 모드(LIB에 전류, 전압, 전력 또는 저항이 인가되지 않지만 LIB는 여전히 시스템 전자장치에 접속되어 있고, 전자 컴포넌트로부터의 누설 전류 또는 전기 배출(electrical drain)의 가능성이 있음)일 수 있다. 일반적으로, 초기 상태에 대한 인가되는 자극은 임의의 충전 상태 또는 방전의 깊이로부터 임의의 순서로 전압 인가(방전 또는 충전); 전류 인가(방전 또는 충전); 저항 부하 인가(방전); 정전력 인가(전압과 전류의 방전 또는 충전이 조절되고, 정전력을 유지하도록 전압과 전류 중 어느 하나가 조정될 수 있음); 개회로 적용; 휴지 모드 적용; 및 전술한 임의의 것들 간의 전이의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
LIB(110)의 전기 상태 변경은 LIB(110)를 방전 상태 또는 충전 상태로부터 개회로 상태로 전환; LIB(110)를 방전 상태 또는 충전 상태로부터 휴지 상태로 전환; LIB(110)를 개회로 상태, 휴지 상태, 다른 충전 상태 또는 방전 상태로부터 충전 상태로 전환; 및 LIB(110)를 개회로 상태, 휴지 상태, 다른 방전 상태 또는 충전 상태로부터 방전 상태로 전환하는 것 중 적어도 하나를 또한 포함할 수 있다. 일반적으로, "방전"과 "충전"은 전류, 전압, 전력 또는 저항 부하(방전의 경우) 중의 임의의 하나에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들면, LIB(110)의 충전 또는 방전은 LIB(110)가 임시 개회로 조건으로 전이하는 것을 방해할 수 있다. 다른 예로서, 이러한 임시 개회로 조건 중에, LIB(110)가 그 각각의 충전 또는 방전 상태로 복귀하기 전에 자극이 인가된다. 대안적으로, LIB(110)는 개회로 상태 전에 그 초기 상태가 아닌 다른 조건으로 복귀될 수 있다(즉, LIB(110)는 만일 사전 개회로 조건이 충전이었으면 방전 상태로, 또는 만일 사전 개회로 조건이 방전이었으면 충전 상태로, 또는 만일 사전 개회로 조건이 방전이었으면 다른 방전 상태로, 또는 만일 사전 개회로 조건이 충전이었으면 다른 충전 상태로, 또는 이들의 조합으로 전이한다). 인가된 자극의 값은 예컨대 시간과 관련한 규정된 변화율로 값을 증가 및/또는 감소시키는 것을 포함하여 그 인가 과정에서 변할 수도 있고 일정할 수도 있다.
LIB(110)에 인가되는 자극의 크기 및 지속기간은 LIB(110)에 대한 임의의 피해 발생을 피하도록 선택될 수 있다. 이와 같이, 인가되는 자극의 크기(예를 들면, 전압 수준 또는 전류 수준), 또는 인가 자극에 관한 다른 파라미터는 자극의 인가 중에(및 전기 상태 간의 전이 중에) 그에 따라서 변화 또는 조정될 수 있다. 전형적인 전압 제한은 LIB 셀이 충전시에 약 4.1-4.25 볼트를 초과하지 않고, 방전시에 2.5-2.75 볼트 이하로 떨어지지 않아야 한다는 점이다. 그러나 이러한 제한은 셀 화학에 의존한다(예를 들면, 일부 LIB는 4.2 볼트 이상에서 동작할 수 있고, 일부 LIB는 2.5 볼트 이하로 방전될 수 있다). 본 발명은 LIB의 모든 전압 범위에 대하여 적용할 수 있다.
인가 자극의 형상은 펄스; 하프펄스; 사각 또는 스텝 스캔 또는 램프; 정현파; 직사각; 삼각; 톱니파; 및 계단 파형 중의 적어도 하나와 같은 임의의 신호 패턴을 포함할 수 있다. 자극 파형은 아날로그 또는 디지털(예를 들면, 작은 이산 단계들)일 수 있다. 자극 패턴(또는 임의의 그 세그멘트)은 선형 또는 비선형일 수 있고, 단일 전이 또는 복수 전이를 포함한 대칭 또는 비대칭일 수 있으며, 각종의 시간 길이 및 비율로 인가되는 일정하거나 가변적인 펄스 폭 및 일정하거나 가변적인 펄스 크기를 포함할 수 있다. 자극은 배경이 일정한지 여부와 상관 없이 배경 전류/전압/전력에 대하여 인가될 수 있다. 자극은 복수의 주기를 통해 (변동 있게 또는 변동 없이) 반복적으로 또는 순차적으로 인가되는 상이한 자극 세그멘트를 포함한 반복 패턴을 포함할 수 있다. 인가되는 자극의 과정 중에 LIB의 충전 상태 또는 방전 상태는 0% 내지 100% 사이의 범위일 수 있다는 점에 또한 주목한다.
이제, 도 2a를 참조하면, 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 각종 자극에 응답하는 LIB의 예시적인 방전 전압 프로파일을 묘사한 타이밍 그래프(160)가 개략적으로 도시되어 있다. 그래프(160)의 예에서, 배경 방전 전압은 저항 또는 전류 배출에 대한 전압의 관측된 변화를 표시할 수 있다. 부분 "A"는 (임시) 저저항 또는 고 방전 전류의 인가 및 그 각각의 해제 후의 전압 응답을 예시한다. 부분 "B"는 (임시) 고저항 또는 저 방전 전류의 인가 및 그 각각의 해제 후의 대략적인 전압 응답을 예시한다. 부분 "C"와 "D"는 인가되는 "A"형 자극의 순서(즉, 저저항 또는 고 방전 전류 및 그 해제의 순서)에 대한 전압 응답을 표시한다.
이제, 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 각종 자극에 응답하는 LIB의 예시적인 충전 프로파일을 묘사한 타이밍 그래프(170)가 도시되어 있다. 그래프(170)의 예에서, 충전 모드는 점선의 좌측에 있는 정전류이고, 충전 모드는 점선의 우측에 있는 정전압이다. 점선의 좌측에서, 상측 곡선 세그멘트(172)는 정전류(AC) 충전 모드 중에 인가된 하측 곡선 세그멘트(174)의 전류 변경 스텝(AS)(즉, 구형파)에 대한 전압 응답(AR)의 표시를 나타내고, 이때 인가되는 충전 전류(AS)는 충전 정전류(AC)보다 낮다. 전류 스텝(AS)이 해제된 후, 충전 전류는 원래(AC)의 정전류 충전 레벨로 복귀하고 결과적으로 전압이 변화한다. 점선의 우측에 있는 하측 곡선 세그멘트(178)는 충전 모드 중에 인가된 상측 곡선 세그멘트(176)의 정전압 스텝(BS)(즉, 구형파)에 대한 전류 응답(BR)을 나타내고, 이때 스텝의 인가 전압은 충전 정전압보다 낮다. 대안적인 예로서, 스텝 전류 자극(AS)은 배경의 충전 정전류보다 더 클 수 있고, 방전 전류일 수 있고, 개회로 조건일 수 있고, 또는 휴지 조건일 수 있으며, 한편, 스텝 전압 자극(BS)은 충전 정전압보다 더 클 수 있고, 방전 전압일 수 있고, 개회로 조건일 수 있고, 또는 휴지 조건일 수 있다. 또 다른 예로서, 다른 전기 자극의 시퀀스가 다른 조합으로 인가될 수 있다. 시퀀스 내의 각 자극은 변화하는 펄스 폭, 변화하는 스텝 크기 또는 규모(magnitude) 등과 같은 상이한 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 충전 정전류(또는 전압)는 충전치보다 더 큰 충전 전류가 뒤따르거나 충전치보다 더 낮은 충전 전류가 뒤따를 수 있다. 이러한 시퀀스는 그 다음에 추가의 사이클에서 반복될 수 있고, 또는 변경될 수 있다(예를 들면, 제1 자극 그룹 뒤에 다른 자극 그룹이 이어지고 및/또는 동일한 자극 그룹이 다른 순서의 개별 자극 부분과 함께 인가되도록, 등).
일 실시예에 따르면, 인가 자극의 펄스 길이는 주기 시간에 비하여 짧고, 공칭 전류/전압에 관계가 있는 전류/전압 규모의 차도 또한 비교적 작다. 예를 들면, 펄스 폭은 0.25초 미만 또는 0.1초 미만과 같이 1초 미만일 수 있다. 대안적으로, 펄스 폭은 수 초(예를 들면, 약 6초, 12초 또는 30초) 동안 지속될 수 있다.
이제, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 개회로 상태에서 각종 자극에 응답하는 LIB의 예시적인 전압 프로파일을 묘사한 타이밍 그래프(180)가 도시되어 있다. 그래프(180)의 예에서, y축은 LIB의 셀 전압을 표시하고, 정전압치 "V0"는 개회로 전압이다. 부분 "A"는 방전 자극(전압, 전류, 저항 부하 또는 전력 중의 어느 하나)에 기인하는 전압의 응답이고, 부분 "B"는 충전 자극(전압, 전류 또는 전력 중의 어느 하나)에 기인하는 응답이다. 또한, 다른 전기 자극의 시퀀스가 다른 조합으로, 예를 들면 충전 자극인 제1 전압 스텝 다음에 방전 자극인 제2 전압 스텝 등과 같이 인가될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, LIB(110)의 전기 상태가 변경된 후에, 프로세서(118)는 LIB(110)의 응답(응답 측정 장치(114)를 이용하여 측정된 것)을 분석하고 그 응답으로부터 단락 회로 전조 조건의 가능성을 결정한다. "단락 회로 전조 조건(SCPC)"은 LIB(110) 내에서 (비양성의) 내부 단락 회로를 유도할 수 있는 임의의 조건을 포함하고, 이것은 그 다음에 "단락 회로 도출 위험요소(SCDH)"를 유도한다. 단락 회로 도출 위험요소는 i) 열폭주 및 후속 연소가 뒤따르는 내부 LIB 반응; ii) LIB 셀의 자기 방전; 또는 iii) 궁극적으로 연소 이벤트로 발전하는 미지의 확률을 가진 미지의 시구간 동안 휴면 양성 상태로 유지하는 LIB 셀을 포함한다. 단락 회로 전조 조건의 예로는, 비제한적으로, 내부 셀 물리적 결함(예를 들면, 애노드와 캐소드가 물리적으로 접촉하게 하는 통로를 제공하는 찢어진 분리막 또는 기계적 변형에 기인하는 것); 리튬 수상돌기의 성장(예를 들면, 충전, 특히 저온에서의 고속 충전에 기인하는 것); 구리 수상돌기의 성장(예를 들면, 과잉 방전에 기인하는 것); 셀 내의 오염물질의 존재; 셀의 잘못된 성분 또는 상태; 셀의 퇴화된 상태; 셀의 남용 또는 과도한 동작 조건; 셀을 내부적으로, 특히 초기에 양성의 사소한 방식으로 손상시키는 물리적 충격 또는 응력(예를 들면, 전극의 체적 변화를 일으키고 그 집전체로부터 전극의 층간박리 및 다른 전극과의 후속적인 간헐적 또는 다른 방식의 접촉을 일으킬 수 있는 반복적 사이클링); 및 이들의 조합이 있다. 응답의 분석에 대해서는 뒤에서 더 설명할 것이다.
만일 단락 회로 전조 조건이 검출되고 LIB(110)가 단락 회로 도출 위험요소(즉, 열폭주, 자기 방전 또는 휴면 양성 상태)로 진행할 가능성이 충분히 높으면, 경보가 제공되고(통지 유닛(120)을 통해) 및/또는 적어도 하나의 보정 방책이 구현될 수 있다(안전성 프로토콜 유닛(122)을 통해). 보정 방책은 SCDH의 발생을 완화 또는 금지하는 임의 유형의 동작 또는 처리를 포함할 수 있다. 그 예로는 LIB 셀 또는 셀 그룹을 배터리의 나머지로부터 전기적으로 또는 열적으로 격리하는 것; 의심되는 LIB 셀 또는 셀 그룹의 운영 창에서 제한을 부여하는 것(예를 들면, 충전시 또는 방전시 전압 범위 또는 전류 범위를 제한하는 것, 충전 또는 방전의 지속기간 또는 속도를 제한하는 것, 주변의 열적 조건에 대하여 셀 동작을 조정하는 것, 특정 범위 내로 충전 상태(SoC)를 제한하는 것, 소정 범위 내로 방전 깊이(DoD)를 제한하는 것 등); 배터리에의 전력 공급을 중지하는 것; LIB를 개회로 상태 또는 휴지 상태로 전환하는 것; 의심되는 LIB 셀 또는 셀 그룹을 냉각시키는 것(예를 들면, 액체 또는 기체 기반 냉각재를 포함한 냉각 메카니즘을 적용함으로써, 냉각 팬을 작동시킴으로써, 셀로부터 고온 가스를 배출함으로써); 열 장벽을 작동시키는 것; 진화 수단 또는 진화 물질을 작동시키는 것; 통풍 또는 배기 메카니즘을 작동시키는 것; 열적으로 차단 가능한 전기 도체를 작동시키는 것; 동작 중인 장치로부터 LIB(또는 개별 셀 또는 셀 그룹) 간의 약한 결합을 활성화하는 것; 의심되는 셀을 장치로부터 물리적으로 제거 또는 분리하는 것, 또는 만일 다중 셀 팩이면 의심되는 셀을 다중 셀 팩으로부터 물리적으로 분리 또는 제거하는 것; 및/또는 배터리의 추가적인 평가(예를 들면, 인증 센터에서 서비스하기 위한 관련 장비를 취하는 것) 등이 있다. 추가적인 보정 방책은 LIB(110)의 단락 회로를 실제로 제거 또는 중화하기 위해 시도할 수 있고, LIB(110)가 임의의 예방 차원의 제한 없이 동작을 계속할 수 있게 한다. 예를 들면, 특정 방전 전압이 리튬 도금에 기인하는 SCPC를 갖는 것으로 식별된 LIB 셀에 인가될 수 있고, 이때 상기 인가된 방전 전압은 LIB 셀에 도금된 리튬의 적어도 일부를 벗기는(산화시키는) 반응을 일으킨다. 적당한 특정 방전 전압은 LIB에 인가된 적어도 하나의 자극에 대한 적어도 하나의 응답의 기능 형태로부터 결정될 수 있다.
이제, 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, LIB의 대수 전류 응답의 함수로서 예시적인 인가 전압 스캔을 묘사한 그래프(190)가 도시되어 있다. 그래프의 y축은 스캔 중의 인가 전압을 나타내고, 이 전압은 미리 정해진 고정 비율(dV/dt, 여기에서 "V"는 인가 전압이고 "t"는 시간이다)로 스캔된다. 그래프(190)의 x축은 LIB의 전류 응답의 자연 대수를 표시한다. 스캔은 LIB의 개회로 전압(V0) 부근에서 시작된다. 전압 스캔은 시작 전압으로부터 충전 방향 또는 방전 방향 또는 그 조합으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 스캔은 스캔 전압이 개회로 전압을 통과하고 그 다음에 음극 영역으로 들어가도록 개회로 전압에서 양극을 시작하고 그 다음에 음극으로 스캔할 수 있다. 대안적으로, 스캔은 스캔 전압이 개회로 전압을 통과하고 그 다음에 양극 영역으로 들어가도록 개회로 전압에서 음극을 시작하고 그 다음에 양극으로 스캔할 수 있다. 스캔의 전압 제한은 인가 전압 대 측정 전류 관계의 기능 형태를 획득하도록 설정될 수 있다. 그래프(190)는 전압-전류 관계가 선형인 낮은 인가 전압치에서의 저분극 영역과, 전압-전류 관계가 인가 전압과 측정 전류의 (자연) 대수의 선형 관계에 의해 특징화되는 더 큰 인가 전압에서의 고분극 영역을 보이고 있다. 스캔 속도는 적당한 한계 내에서 설정될 수 있다. 예를 들면, 스캔 속도는 약 1mV/sec 내지 10mV/sec의 범위 내에서 설정될 수 있다.
다수의 유용한 파라미터가 도 4의 예시적인 프로토콜 내의 측정 전류 응답으로부터 추출될 수 있다. 일부 일반적인 예로는 내부 단락의 형성 및 전개에 기인하는 변화일 수 있는 셀 저항 측정치; LIB 전극 표면에서의 전기화학 반응 속도를 나타내는 측정치; 리튬 또는 구리 수상돌기와 같이, 내부 단락의 형성 및 전개에 기인하는 전극 표면의 화학물질의 변화에 의해 영향을 받을 수 있는 전극의 성질(예를 들면, 특히 표면에서의 그 조성)을 나타내는 측정치; 내부 단락이 발생한 때 전극 표면적 및 거칠기와 같은 물리적 품질(예를 들면, 리튬 수상돌기 또는 구리 수상돌기가 LIB에서 형성 및 성장할 때 전극들의 계면의 특성이 그에 따라 변할 것이다); 전극 표면의 화학적 조성 및 물리적 특성에서의 내부 단락 회로 효과에 의해 영향을 받고 이로써 반응 메카니즘에 충격을 주는, 전극 표면에서 발생하는 반응 메카니즘을 나타내는 측정치; 전류-전압 관계의 고정 데이터가 실제 데이터로부터 벗어날 때 미리 정해진 규칙에 따른 전류치의 측정치 등이 있다.
도 4의 프로토콜에서 추출될 수 있는 특히 유용한 파라미터는 반응 분극; 교환 전류 밀도; 및 타펠 기울기를 포함한다. 낮은 인가 전압치(즉, 저분극 영역)에서, 전류-전압 관계는 전형적으로 선형이고, 이 영역에서 곡선의 기울기는 반응 분극(Rpol)이라고 부르는 저항 파라미터를 제공하도록 옴의 법칙에 의해 계산될 수 있다. LIB의 저항은 내부 단락의 형성 및 전개에 응답하여 변화하는 것으로 알려져 있고, 따라서 Rpol은 단락의 점진적 성장의 표시자로서 사용될 수 있다. 분극 저항 측정은 개회로 전압(V0)에 가까운 전압 범위를 통한 스캔에 의해 수행될 수 있다.
전형적으로 "i0"로서 표시되는 교환 전류 밀도 파라미터는 셀 전해질과의 LIB 전극 계면에서 본질적인 전자 전달 속도를 반영하고, 전극 물질의 촉매 특성을 표시한다. 교환 전류는 임계적으로 전극의 성질(예를 들면, 특히 표면에서의 그 조성)에 의존하고, 그 표면적 및 거칠기와 같은 물리적 품질에 의존한다. 내부 단락이 발생한 때(예를 들면, 리튬 수상돌기 또는 구리 수상돌기가 LIB에서 형성 및 전개될 때) 전극들의 계면의 특성이 그에 따라 변할 것이다. 예를 들면, 흑연 또는 다른 유형의 애노드의 표면은 수상돌기 내로 성장하여 셀을 단락 회로화할 수 있는 리튬 금속 증착에 의해 적어도 부분적으로 덮여질 수 있다. 이 초기 리튬 증착은 애노드에서 충전 및 방전의 속도 동역학을 변화시킬 것이고, 또한 그 표면적에 영향을 주어서 교환 전류 밀도의 값에 영향을 준다. 교환 전류 밀도의 결정은 전하 전달 제어(인가 전압이 측정 전류의 로그에 비례하는 영역에서 비교적 높은 인가 전압과 연관됨)하에 있을 때 전류-전압 관계에 대한 각종 맞춤 프로토콜에 의해 사용될 수 있고 제로 전류(개회로 전압)에 외삽된다.
타펠 기울기("타펠 상수"라고도 부르고 가끔 β로 표시됨)는 이 관계가 인가 전압과 함께 측정 전압의 로그의 선형 관계에 의해 특징화되는 영역(즉, 그래프(190)의 고분극 영역)에서, 비교적 높은 인가 전압에서 전류 응답의 로그 값과 함께 인가 전압의 변화율로부터 결정될 수 있다. 특히, 타펠 기울기는 하기의 공지된 타펠 방정식으로 표시될 수 있다:
E = βa log i measured / 로그 교환 전류 밀도(양극 스캔의 경우), 및
E = -βc log i measured / 로그 교환 전류 밀도(음극 스캔의 경우).
여기에서 "i0"는 교환 전류 밀도이고, "βa"는 양극(충전) 스캔시의 타펠 기울기이며, "βc"는 음극(방전) 스캔시의 타펠 기울기이고, "E"는 전류(i)가 통과한 때 측정된 전위와 LIB의 평형 또는 개회로 전압 간의 차이다. 타펠 기울기는 전하 이동 반응 및 반응의 메카니즘에 참여하는 전자의 수에 대한 정보를 제공한다. 따라서 전극에서 반응의 변화는 타펠 기울기의 값에 반영될 것이다.
프로세서(118)는 예상 응답과 비교하여 LIB(110)의 측정 응답을 또한 분석할 수 있다는 점에 주목한다. 특히, 특정 응답 특성은 예상 범위 내의 값을 가진 관련 응답 파라미터와 같은 특정 인가 자극에 응답하여 예상될 수 있다. 따라서 만일 실제 응답 파라미터가 예상치를 초과하면, 그 응답은 부정확한 것 또는 의심스러운 것으로 표시될 수 있다(예를 들면, 추가 검증을 야기하거나, 및/또는 인가 자극을 반복 또는 변경함).
이제, 도 5a, 5b, 5c 및 5d를 참조한다. 도 5a는 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 인가된 구형파 방전 전류에 대한 LIB의 예시적인 전압 응답을 묘사한 타이밍 그래프(210)이다. 도 5b는 전압 응답 프로파일의 다른 세그멘트를 묘사한 타이밍 그래프(210)이다. 도 5c는 전압 응답 프로파일의 순간 전압 변화 및 나머지 분극 성분을 묘사한 타이밍 그래프(210)이다. 도 5d는 전압 응답 프로파일의 기능 형태를 묘사한 타이밍 그래프(210)이다.
그래프(210)의 y축은 LIB의 전압 응답을 표시하고, x축은 시간을 표시한다. 그래프(210)는 저항 부하 또는 일정한 방전 전류가 개회로 조건으로부터 스텝(구형파)으로서 인가되고 그 다음에 개회로 조건으로 복귀하도록 해제된 때 LIB에서의 효과를 예시한다. 도 5a의 프로토콜은 저항성(iR) 손실에 기인하는 순간 전압 변화; 후속되는 이중 층 충전 위상; 및 전압 변화가 활성화(동역학) 및 집중도 손실(도 5d에 도시된 것처럼)에 기인하는 패러데이(전하 이동) 반응 위상을 포함한 전압 응답의 기능 형태를 야기한다.
전압의 섹션 211은 LIB의 사전 스텝(pre-step) 조건에 대응한다. 섹션 212는 자극이 인가된 때의 전압을 표시하고, 섹션 213과 214는 자극이 해제된 후의 전압을 표시한다. LIB의 사전 스텝 조건이 대안적으로 충전, 방전 또는 휴지 상태 중의 하나일 때 유사한 곡선이 얻어질 수 있다. 스텝 전류 프로토콜은 만일 스텝 바로 전의 초기 정전압 레벨이 충전 전압이면 정전류 충전 모드에 있는 LIB 조건에 대응한다. 스텝 자극은 사전 스텝 레벨보다 더 높은 충전 전류치, 사전 스텝 레벨보다 더 낮은 충전 전류치, 방전 전류, 휴지 조건, 또는 개회로 조건인 전압일 수 있다.
다수의 유용한 파라미터가 그래프(210)의 예시적인 프로토콜의 측정 전압 응답으로부터 추출될 수 있다. 일 예는 SCPC와 같은 셀 오류의 가능한 조기 표식을 검출하는데 유용한 정보를 제공하는 LIB의 내부 저항을 포함한다. 다른 추출된 파라미터는 자극이 인가될 때의 전압의 순간 강하 및 현재 스텝 자극이 해제된 때의 전압의 순간 상승을 포함할 수 있고, 이것은 "iR 강하"(iR drop)라고 부른다. iR 강하는 LIB의 전체 내부 저항의 값을 제공한다. iR 강하의 저항은 순간 전압 변화를 현재 스텝의 값으로 나눔으로써 계산된다. 자극 스텝이 해제된 때, 사전 자극 조건 동안보다 자극 인가 동안 셀의 전체 내부 저항을 표시하는 회복 iR 강하가 있다.
추출된 파라미터의 다른 예는 LIB의 전극 표면의 표면적 및 조성에 관련된다. 측정된 전체 이중 층 용량은 전극 표면적 및 그 조성의 함수이다. 전극의 표면적과 조성은 전극 위에 리튬 수상돌기를 증착함으로써 변화하는 것으로 기대된다. 따라서 이중 층 용량의 변동은 SCPC와 같은 잘못된 조건의 진행을 반영한다.
이중 층 용량은 하기 수학식을 통해 도 5d에 "이중 층 충전"이라고 표시된 영역(전형적으로 시스템 과전위가 낮고 및/또는 거의 평형인 비교적 낮은 전류 스텝에 대한 것)에서의 과도 전압으로부터 계산될 수 있다.
[수학식 1]
I = C dV/dt
여기에서 "I"는 스텝 중에 인가된 전류치이고, "dV/dt"는 이중 층 충전 영역에서의 과도 전압의 측정 기울기이며, "C"는 활성 표면적에 관련된 계산된 이중 층 용량이다. "C"의 변화는 셀 전극의 활성 표면적의 변화를 표시한다. 대안적으로, 다른 전류 레벨의 몇 개의 전류 스텝이 각각 인가되고 과도적인 dV/dt가 각각의 스텝마다 측정될 수 있다. 스텝 전류 대 dV/dt의 선도(plot)의 기울기는 "C"에 대응한다.
다른 하나의 유용한 추출 파라미터는 순간 전압 강하 및 자극 해제 후의 스텝의 나머지 분극을 말하는 "반응 저항(Rrxn)"이다. 상기 나머지 분극은 2개의 주요 성분, 즉 이 경우에 리튬 이온의 확산에 기인하는 집중 분극 손실, 및 동역학(전자 속도 전달 동역학)으로 구성된다. 전압 변화를 전류 자극으로 나누면 반응 저항이 구해진다. 반응 저항은 수상돌기에 의해 방해되는 확산 경로, 반응 동역학에 영향을 주는 전극 표면의 조성 변화 등과 같은 내부 단락에 민감한 셀의 특성에 의해 영향을 받을 것이다.
도 5a에서, 시구간 Δt2는 스텝 해제의 시작과 미리 정해진 안정 상태에 도달하는 전압 간의 시간인 전이 시간 "Tr"(RC 시상수라고도 부름)을 표시한다. 스텝이 인가된 때 유사한 "Ta" 주기가 있다. Tr과 Ta는 셀 전해질 내의 전기화학 활성종의 농도에 관계되고, 그들의 확산 상수, 전극의 면적, 및 화학량론적 반응에 수반된 전자의 수와 같은 요소에 의존한다. 후자의 요소들이 일정하게 유지되어야 하기 때문에, Tr 및 Ta의 변화에 의해 표시되는 이들의 변화는 SCPC와 같은 셀 장애의 시작에 상관되는 셀의 기본적인 화학적 변화를 검출하는데 사용될 수 있다. 샌드 방정식을 통하여, 의존성은 다음과 같다(여기에서 첨자 "x"는 "r" 또는 "a"를 표시한다)
[수학식 2]
Tx 0 .5 = Π0 . 5nFAD0 .5C/2I
여기에서 "T"는 전이 시간이고, "n"은 반응에 참여한 전자의 수이며, "F"는 패러데이 상수이고, "A"는 전극 계면의 면적이고, "D"는 확산 계수(이 경우에는 리튬 이온의 확산 계수)이고, "C"는 벌크 LIB 셀 전해질 내 리튬 이온의 농도이고, "I"는 인가 전류이다.
다른 하나의 유용한 추출 파라미터는 "타펠 상수(i0)"이다. 타펠 상수는 전극의 활동 및 반응의 동역학을 평가하는데 유용한 전기화학 반응률 상수이다. 타펠 상수는 저분극(비교적 낮은 전류 스텝 또는 파)에 대한 하기 수학식에 의해 Rrxn이 결정된 때 전류 스텝 데이터로부터 계산될 수 있다.
[수학식 3]
i0 = RT/Rrxn F n
여기에서 "R"은 보편 기체 상수이고, "F"는 패러데이 상수이고, "n"은 화학량론적 반응에 참여한 전자의 수이고, "T"는 켈빈 온도(도)이다. 대안적으로, 타펭 상수는 Rrxn을 도출하기 위해 사용된 전압 및 전류의 기본 측정치로부터 직접 계산될 수 있다.
이제, 도 6a 및 도 6b를 참조한다. 도 6a는 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 예시적인 정전위 스텝 전압 자극을 묘사한 타이밍 그래프(220)이다. 도 6b는 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, 도 6a의 인가된 스텝 전압 자극에 대한 LIB의 예시적인 전류 응답을 묘사한 타이밍 그래프(230)이다. 인가된 스텝 전압은 LIB(110)에서 전기화학 반응을 일으키도록 충분히 크게 확립된다. 스텝 전압은 스텝 바로 앞의 초기 정전압 레벨이 충전 전압인 경우에 정전압 충전 모드에 있는 LIB에 대응한다. 스텝 전압 자극은 사전 스텝 레벨보다 더 높은 충전 전류치, 사전 스텝 레벨보다 더 낮은 충전 전류치, 방전 전류, 휴지 조건, 또는 개회로 조건인 전압일 수 있다.
전류 응답(I)은 공지의 코트렐 방정식에 의해 묘사될 수 있다.
[수학식 4]
I = nFAD1 / 2Cbulk/(Π×t)1/2
여기에서 "F"는 패러데이 상수이고, "n"은 반응에 참여한 전자의 수이고, "D"는 확산 계수(이 경우에는 리튬 이온의 확산 계수)이고, "C"는 전기활성종(이 경우에는 LIB 셀의 전해질 내의 리튬 이온)의 벌크 농도이고, "A"는 전극 계면의 표면적이다. 전술한 바와 같이, 전극 면적은 SCDH를 유도할 수 있는 리튬 및/또는 구리 수상돌기의 증착시에 변할 것이고, 따라서 전류 응답의 기능 형태(t-1/2의 함수로서 전류의 선형성 정도)뿐만 아니라 전류 응답으로부터 도출된 파라미터가 단락 회로 전조 조건의 표시자로서 사용될 수 있다.
측정된 전류 응답으로부터 추출될 수 있는 유용한 파라미터는 LIB의 저항이고, 이것은 스텝의 전압치로 전류의 순간 변화를 나눈 값으로부터 계산될 수 있다. 다른 하나의 유용한 파라미터는 전극 인터페이스의 면적이고, 그 값의 변화는 리튬 수상돌기의 성장과 같은 SCPC를 표시할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 개시된 감시 방법의 적용으로 수집된 데이터는 "크라우드소싱"(crowdsourcing)형 모델과 닮은 미래의 감시 세션의 예측 능력을 강화하기 위해 많은 사용자로부터 집계될 수 있다. 예를 들면, 집계된 데이터는 추출된 파라미터 값 및 도출된 파라미터 값과 상관될 수 있는 성능 패턴을 식별하기 위해 사용될 수 있다.
예시적인 시나리오에서, 자동차의 플릿와이드(fleet-wide) 안전 관리 네트워크의 일부로서 전기 자동차의 플릿(fleet)의 최적화는 수집된 성능(예를 들면, 크라우드소스된) 데이터를 이용하여 달성될 수 있다. 수집된 데이터는 일반적으로 "연결된 자동차"(connected vehicle)라고 부르는 것에 의해 가능하게 되는 것처럼, 전용 무선 송신기를 통해서 또는 기존의 전용 무선 통신 플랫폼(예를 들면, GM OnStar™ 서비스)과의 인터페이싱에 의해 중앙 설비에 무선으로 통신될 수 있다. 전송은 와이파이, 블루투스, 셀룰러 통신 네트워크 등을 통합할 수 있는 데이터 통신 링크(128)를 통해 구현될 수 있다. 다른 예로서, 수집된 성능 데이터는 예를 들면 인터넷, 텍스트 메시징 서비스(SMS), 소셜 미디어 플랫폼 등을 이용하여 중앙 집중화 방식 또는 분산 방식으로 적어도 하나의 데이터 처리 유닛과 통신될 수 있다. 이 방식으로, 본 발명의 시스템 및 방법은 모든 사용자 중에서 배터리 사용량 및 안전 상태를 추적 및 분석할 수 있다. 데이터는 예를 들면 공통 특징(예를 들면, 동일 유형의 배터리, 동일 모델 자동차의 플릿마다, 유사한 사용량 패턴마다, 지리적 영역 등)에 기초하여 사용자를 다른 그룹 또는 카테고리로 분할함으로써 분석될 수 있다. 더 많은 통계가 누적되었을 때, 예측 능력은 배터리 수명의 조기 단계에서 고장을 예측하기 위해, 예측의 신뢰도를 높이기 위해, 그 정확성을 개선하기 위해, 통계의 분산을 줄이기 위해 정제될 수 있다. 예를 들면, 단일 사용 사례(use case)의 안전성 예측을 위해 중요한 것으로 인식되지 않는 정상적 배터리 행동의 미묘한 변화는 전술한 크라우드소싱 데이터 집계 및 분석 모델을 이용하여 고장의 표식으로서 궁극적으로 식별될 수 있다. 동일한 원리가 동일한 LIB에서 잠재적인 안전성 위험요소의 미래의 감시 및 검출을 향상시키기 위해 개별 LIB 또는 관련 LIB 전원형 장치로부터 수집된 데이터(즉, 복수의 감시 세션에서의 이력적 성능 데이터)를 정제하는데 또한 적용될 수 있다는 점에 또한 주목하고, 이것은 "기계 학습"이라고 부를 수 있다. 이러한 기계 학습은 공통의 특성을 가진 LIB의 그룹(또는 관련 장치)에 또한 적용될 수 있다.
이제, 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시형태에 따라 동작하는, LIB의 안전성을 감시하는 방법의 블록도가 도시되어 있다. 단계 252에서, 리튬 이온 배터리(LIB)의 초기 전기 상태가 결정된다. 도 1을 참조하면, 응답 관리 장치(114)는 예를 들면 전압; 전류; LIB(110)가 충전 상태인지 방전 상태인지 개회로 상태인지 또는 휴지 상태인지; 및 SoC 또는 방전 깊이 중의 적어도 하나를 결정함으로써 LIB(110)의 초기 전기 상태를 측정한다. LIB(110)의 초기 전기 상태는 실시간 측정에 의해 결정될 수 있고, 수동으로 제공될 수 있고, 및/또는 다른 소스로부터 획득될 수 있다. 예를 들면, 시스템(100)은 사이클 번호, 충전 용량 또는 상태(SoC) 및 건강 상태(SoH)와 같은, 데이터 저장 유닛(124)에 저장된 배터리 파라미터로부터 LIB(110)의 전기 상태에 관한 정보를 획득할 수 있다.
단계 254에서, LIB의 전기 상태가 시변 응답을 발생하도록 변경된다. 도 1을 참조하면, LIB(110)의 초기 전기 상태는 예를 들면 DC 전기 자극을 자극 인가 장치(112)에 의해 LIB(110)에 인가함으로써 변경된다. 예를 들면, 자극 인가 장치(112)는 LIB(110)에 DC 전류 자극 또는 DC 전압 자극을 인가할 수 있다(그래프(190, 220)로 나타낸 것처럼). 자극은 스텝에서처럼 일정한 레벨로, 또는 일정하거나 변화하는 변화율의 전압 램프와 같은 시변 모드로 유지될 수 있다. 대안적으로, LIB(110)는 충전 모드 또는 방전 모드로부터 개회로 상태 또는 휴지 상태로 전이될 수 있다.
예를 들면, 자극 인가 장치(112)는 LIB(110)에 전류 스텝 자극을 인가하여 순간 IR 전압 강하, 후속적인 이중 층 충전 위상, 및 후속적인 패러데이 반응 위상 중의 적어도 하나에 의해 기능 형태로 특징화되는 임시 전압 응답을 야기할 수 있다(그래프(210)로 나타낸 것처럼). 다른 예로서, 자극 인가 장치(112)는 LIB(110)에 전압 스캔 자극을 인가하여 전류가 인가 전압과 선형인 저분극 영역, 및 전류의 자연 대수가 인가 전압과 선형인 고분극 영역 중의 적어도 하나에 의해 기능 형태로 특징화되는 전류 응답을 야기할 수 있다. 또 다른 예로서, 자극 인가 장치(112)는 LIB(110)에 전압 스텝 자극을 인가하여 전류의 순간 변화; 및 후속적인 시간에 따른 점진적 변화 중의 적어도 하나에 의해 특징화되는 임시 전류 응답을 야기할 수 있다. 또 다른 예로서, 자극 인가 장치(112)는 LIB(110)에 전압 스캔 자극을 인가하여 인가 전압치의 함수로서 전류의 기능 형태에 의해 특징화되는 전류 응답을 야기할 수 있다. 전압 스캔은 2개의 전압(시작 전압과 끝 전압) 사이에서 선형일 수 있고, 또는 그러한 전압 한계 사이에서 주기적일 수 있으며, 그 경우에 그러한 전압들 사이의 적어도 하나의 주기가 인가될 수 있다. 또 다른 예로서, 자극 인가 장치(112)는 LIB(110)에 전류 스캔 자극(일정한 비율로 또는 시간의 함수로서 일정하지 않은 비율로 변화하는 전류)을 인가하여 전압 응답을 야기할 수 있다.
LIB(110)의 전기 상태를 변경하기 전에, 프로세서(118)는 LIB(110)의 초기 전기 상태에 관한 정보를 처리하고, 그 다음에 그에 따라서 어떻게 진행할 것인지 결정할 수 있다. 특히 프로세서(118)는 현재 시점에서 LIB(110)의 전기 상태를 변경할 것인지 여부를 결정할 수 있고, 만일 변경해야 하면 인가된 자극 또는 변경된 상태의 값 및/또는 유형을 수정하는 것과 같이 어떤 방식으로 변경할 것인지 결정할 수 있다. 예를 들면, 초기 전기 상태에 기초해서, 프로세서(118)는 LIB(110)가 그 기존 전기 상태에서 계속하여 동작하도록, 또는 대안적으로 LIB(110)의 동작을 종료하도록, 또는 대안적으로 LIB(110)의 동작 조건을 초기 전기 상태 전에 시행되었던 것과 다른 조건으로 변경하도록 결정할 수 있다.
단계 256에서, 변경된 전기 상태에 대한 LIB의 응답이 측정된다. 도 1을 참조하면, 응답 관리 장치(114)는 변경된 전기 상태, 예를 들면, 인가된 DC 전기 자극에 대한 LIB(110)의 시변 응답을 측정한다. 예를 들면, 응답 관리 장치(114)는 인가 전류에 대한 LIB(110)의 전압 응답 프로파일을 측정하거나(그래프(210)로 나타낸 것처럼), 또는 인가된 스텝 전압 또는 전압 스캔에 대한 LIB(110)의 전류 응답 프로파일을 측정한다(그래프(190, 230)로 나타낸 것처럼). 측정은 기능 형태 또는 응답 형상을 포함한 응답 프로파일의 모든 특징과, 특히 응답 프로파일의 다른 세그멘트를 고려한 시간에 따른 응답치의 변화를 포함한다.
단계 258에서, 배터리 온도 및/또는 주변 온도가 측정된다. 도 1을 참조하면, 온도 센서(116)는 예를 들면 감시 세션 전에, 중에 및 후에 LIB(110)의 온도를 측정한다. 또한, 온도 센서(116)는 LIB(110) 부근의 주변 온도를 측정할 수 있다. 시스템(100)은 LIB(110)의 변경된 전기 상태를 인가하는 법 및 인가할 것인지, 및 LIB(110)의 응답 데이터를 처리할 때를 결정할 때 상기 측정된 온도치를 고려할 수 있다.
단계 260에서, 응답이 미리 정해진 한계 이상으로 벗아나는지 결정된다. 도 1을 참조하면, 프로세서(118)는 LIB(110)의 응답 특성(예를 들면, 전압 프로파일 또는 전류 프로파일)을 체크하여 응답이 미리 정해진 동작 한계로부터 벗어나는지 확인한다. 예를 들면, LIB 전압은 충전시에 약 4.1-4.25 볼트를 넘지 않고 방전시에 약 2.5-2.75 볼트 아래로 떨어지지 않도록 지향될 수 있다(예를 들면, 셀 화학작용, 셀 설계 및 제조자 사양이 조정되고, 이들 모두는 데이터 저장 유닛(124)을 통해 접근될 수 있다). 만일 응답이 미리 정해진 한계로부터 벗어나면, 인가되는 자극을 중지하고 LIB(110)를 자극의 인가 전에 있었던 상태로 복귀시키는 것; LIB(110)를 다른 상태로 전이시키는 것; 또는 LIB(110)의 동작을 종료시키는 것과 같은 각종 방책이 취해질 수 있다.
단계 262에서, 1차 응답 파라미터가 추출된다. 도 1을 참조하면, 프로세서(118)는 LIB(110)의 응답(그 기능 형태를 포함함)을 분석하고 파라미터들의 초기 집합을 추출한다. 예를 들면, 인가된 전기 자극의 유형에 따라서, 1차 응답 파라미터는 전압 응답의 각종 세그멘트를 따르는 상이한 시점에서 전압 응답의 값, 및/또는 전류 응답의 각종 세그멘트를 따르는 상이한 시점에서 전류 응답의 값을 포함할 수 있다. 1차 응답 파라미터는 또한 응답/변경 적용 전, 중 및 후를 포함한 시점에 응답을 생성하기 위해 적용되는 변경의 값을 포함한다.
1차 응답 파라미터는 변경의 적용 전, 중 및/또는 직후의 미리 정해진 시구간을 포함한, 전기 상태의 변경에 걸치는 임의의 시점에서 추출될 수 있다. 예를 들면, 데이터 수집 기간은 경우에 따라 적어도 사전 변경 기간으로부터 변경된 상태 기간으로의 전이, 변경된 상태 기간으로부터 변경 후 상태로의 전이, 및/또는 하나의 변경된 상태로부터 다른 변경된 상태로의 전이를 포함하도록 선택될 수 있다. 데이터 수집은 미리 정해진 수의 데이터 기록 포인트(예를 들면, 전체 300 포인트)에 대해서, 또는 고정된 데이터 수집률(즉, 초당 10 포인트 같이 단위 시간당 설정된 수의 포인트)로 구현될 수 있다. 대안적으로, 데이터 수집률은 측정된 1차 응답의 소정 변화(예를 들면, 1mV 또는 1mA의 각 변화에 대하여 1 포인트와 같이 기록당 전압 또는 전류의 미리 정해진 변화)에 링크될 수 있다.
또한, 1차 응답 파라미터의 각각의 기록된 데이터 포인트와 관련된 인가 자극의 값이 또한 기록될 수 있다. 예를 들어서 만일 자극이 전류 스텝이면, 전류의 값은 전압 응답의 각각의 데이터 획득 포인트에 대하여 기록된다. 또한, 각각의 수집된 1차 응답 데이터 포인트(및 관련 자극 파라미터)의 시간(및 날짜)이 역시 기록될 수 있다. 타임스탬프는 예를 들면 절대 시간(즉, LIB 동작의 시작으로부터의 시간); 상대 시간(즉, 감시 세션의 시작으로부터의 시간), 또는 실시간(즉, LIB 동작과 관계없는 실제 현지 시간)으로서 표시될 수 있다. 임의 유형의 기록 데이터에 대한 측정의 단위는 예를 들면 시스템(100)에 의해 미리 정해지거나; 시스템(100)에 의해 자동으로 조정되며, 및/또는 사용자 또는 외부 소스에 의해 확립될 수 있다(미리 정해지거나 실시간으로).
일반적으로, 본 발명의 "1차 응답 파라미터"는 단일 추출 1차 응답 파라미터에 적어도 하나의 수학적 함수를 적용함으로써 도출된 임의의 파라미터를 또한 포함할 수 있다. 그러한 수학적 함수는 예를 들면 로그, 자연대수, 거듭제곱, 루트, 역, 지수, 삼각함수(예를 들면, 사인, 코사인, 탄젠트, 코사인, 코탄젠트), 및/또는 업계에 공지된 다른 수학 함수 중의 적어도 하나를 포함한 임의의 시퀀스 또는 조합으로 적용될 수 있다.
단계 264에서, 2차 응답 파라미터가 도출된다. 도 1을 참조하면, 프로세서(118)는 추출된 1차 응답 파라미터로부터 제2 파라미터 그룹을 도출한다. 예를 들어서 만일 인가된 전기 자극이 전류 스텝이면, 2차 응답 파라미터는 순간 전압 강하(iR 강하); iR 강하의 저항; 이중 층 용량(C); 이중 층 충전 위상의 시상수(전이 시간 Tr); 샌드 방정식 파라미터(수학식 2에 제공됨); 이중 층 충전 양식(regime)의 끝에서의 전압치의 변화 및 인가 전류 스텝의 끝에서의 전압; 및 교환 전류 밀도(i0)를 포함할 수 있다.
만일 인가된 전기 자극이 전류 응답이 전류의 로그로서 기록되는 전압 스캔이면, 2차 응답 파라미터는 타펠 기울기(βa 또는 βc); 교환 전류 밀도(i0); 반응 분극(Rpol); 전류 편차 값(id); 인가 전압의 함수로서의 전류 응답, 및 이들로부터 도출된 파라미터를 포함할 수 있다.
만일 인가된 전기 자극이 전류 응답이 인가 전압의 함수로서 기록되는 전압 스캔이면, 2차 응답 파라미터는 예를 들면 스캔의 전압-전류 기능 형태의 도함수 및 2차 도함수; 그려지거나 다른 방식으로 취해진 스캔 대 스캔 속도 또는 스캔 속도의 제곱근의 기능적 특징에서의 전류치의 도함수를 포함할 수 있다. 만일 전압 응답이 (그래프(190)에서와 같은 대수 전류가 아닌) 전류의 함수로서 직접 그려지면, 추가의 파라미터는 하기의 랜드레스-세빅 방정식으로부터 도출될 수 있다.
[수학식 5]
if = 269n3/2 AD1/2 v 1/2 C
여기에서, "if"는 스캔의 기능적 특징에서의 전류이고; "n"은 반응에 참여하는 전자의 수이고; "A"는 전극 계면의 기하학적 표면적이고; "D"는 전기활성종(이 경우에는 리튬 이온)의 확산 계수이고; "v"는 스캔 속도이고; "C"는 전해질(이 경우에는 리튬 염) 내 전기활성종의 벌크 농도이다. 스캔은 2개의 전압 한계 사이에서 주기적일 수 있고, 상기 한계들 사이에서 적어도 1회 구동할 수 있다.
만일 인가된 전기 자극이 전류 스캔이면, 2차 응답 파라미터는 예를 들면 전압, 인가 전류의 함수로서의 전압 응답, 및 이들로부터 도출된 파라미터를 포함할 수 있다.
만일 인가된 전기 자극이 전위 스텝이면, 2차 응답 파라미터는 순간 전류 변화; 저항치; 및 LIB 전극의 활성 영역에서의 변화(수학식 4를 통해)를 포함할 수 있다.
프로세서(118)는 예를 들면 관련 파라미터를 도출하기 위한 계산을 수행할 때 각종 선 맞춤법(예를 들면, 데이터 저장 유닛(124)에 저장됨)을 활용할 수 있다는 점에 주목한다. 선 맞춤법의 선택은 미리 정해지거나, 또는 1차 응답 파라미터의 분석에 기초를 둘 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 "2차 응답 파라미터"는 복수의 파라미터, 예를 들면, 적어도 하나의 1차 응답 파라미터와 적어도 하나의 자극 파라미터의 임의 조합에 수학적 연산을 적용함으로써 도출된 임의의 파라미터를 또한 포함할 수 있다. 그러한 수학적 연산은 예를 들면 시간 또는 다른 1차 응답 파라미터에 관한 도함수, 적분, 시간 또는 다른 1차 응답 파라미터에 관한 제2 또는 더 높은 수준의 도함수, 변경된 전기 상태에 대한 응답의 기능 형태의 선형 회귀, 제산, 승산, 감산, 가산, 다항식 곡선 맞춤을 포함한 곡선 맞춤, 및 업계에 공지된 다른 수학적 연산을 포함한 임의의 시퀀스 또는 조합으로 적용될 수 있다. 2차 파라미터는 또한 수학적, 물리적 또는 화학적 상수 또는 계수와 2차 파라미터의 조합으로부터 도출될 수 있다.
단계 266에서, 복합 응답 파라미터가 도출된다. 도 1을 참조하면, 프로세서(118)는 예를 들면 추출된 1차 파라미터 및 도출된 2차 파라미터의 조합에 적어도 하나의 수학적 연산을 적용함으로써 상기 추출된 1차 파라미터 및 상기 도출된 2차 파라미터로부터 제3 파라미터 그룹을 도출한다. 복합 파라미터의 예로는 Id/Rrxn, 1/β×1/Rrxn, iR 강하의 Rpol/R, i0/Rrxn, i0/Rpol, id/Rpol, iR 강하의 1/R×1/Rpol, 1/Rrxn×iR 강하의 1/R, 1/Rrxn×1/Rpol, i0×1/β, id×1/β, β/Rrxn, β/Rpol, β/iR 강하의 R, β/i0, β/id, id×Rpol, i0×Rpol, 1/β×iR 강하의 1/R, 1/β×1/Rpol이 있다.
단계 268에서, 단락 회로 전조 조건의 가능성이 측정된 응답의 기능 형태, 및 1차, 2차 및/또는 복합 응답 파라미터에 기초하여 결정된다. 도 1을 참조하면, 프로세서(118)는 1차, 2차 및 복합 응답 파라미터의 일부 조합을 포함하는, 변경된 상태에 대하여 LIB(110)의 시변 응답으로부터 도출된 수집 정보에 따라 LIB(110)에서의 단락 회로(즉 "단락 회로 전조 조건")의 조기 단계의 가능성을 결정한다.
결정된 가능성은 응답의 기능 형태와 같은 응답 프로파일에 관한 적절한 정보, 및 예를 들면 파라미터의 값에만 기초를 둘 때 가능한 것보다 더 조기에 SCPC의 가능성을 계획할 수 있는 추세를 표시하기 위해 시간에 따른 1차, 2차 및 복합 응답 파라미터의 변화율을 고려한다. 다시 말해서, 각종 응답 파라미터의 변화는 소정 SCPC의 전개의 경향을 표시하기 위해 사용될 수 있고, 이러한 경향은 다른 방식에서 명백하지 않을 수 있다. 프로세서(118)는 수집된 정보를 이용하여 적절한 메트릭을 결정할 수 있고, 이로부터 SCPC의 가능성이 결정될 수 있다.
프로세서(118)는 또한 SCPC의 가능성을 결정하기 위해 1차 파라미터, 2차 파라미터 및 복합 파라미터 사이(즉, 파라미터들의 동일한 카테고리 내 및/또는 다른 카테고리들 사이)의 일관성을 고려할 수 있다는 점에 주목한다. 이러한 일관성 분석은 위양성 검출(false positive detection) 또는 위음성 검출(false negative detection)을 줄이는데 도움이 될 수 있다. SCPC 예측은 어떤 특정(1차/2차/복합) 파라미터를 고려하는가에 따라서 크게 변할 수 있다. 예를 들면, 5개 파라미터의 그룹 중에서, 4개의 파라미터는 실질적으로 높은 SCPC 가능성을 표시하고 제5 파라미터는 훨씬 낮은 가능성을 표시할 수 있다. 그러므로 만일 제5 파라미터만을 고려하면 위음성 결정을 야기할 수 있다. 따라서, 프로세서(118)는 복수의 응답 파라미터의 분석으로부터 도출된 SCPC 가능성의 집계 결과를 활용할 수 있다. 또한, 프로세서(118)는 초기 예측의 신뢰 수준에 기초하여 SCPC 가능성 예측을 검증 또는 정제하기 위해 추가의 응답 파라미터를 조사할 수 있다.
단계 270에서, 잠재적 단락 회로 도출 위험 요소의 경보가 제공된다. 도 1을 참조하면, 만일 프로세서(118)가 예컨대 미리 정해진 확률 수준(예를 들면, 적어도 50%)에 따라 LIB(110)의 단락 회로 전조 조건이 충분히 가능성이 있다고 결정하면, 통지 유닛(120)은 경보 또는 경고를 제공하도록 지시된다. 예를 들면, 통지 유닛(120)은 LIB(110)가 검출된 SCPC에 이어서 곧 SCDH(예를 들면, 연소 이벤트, 자기 방전 또는 휴면 양성 상태)를 받을 수 있다고 표시하는 시각적 표시(예를 들면, 텍스트, 마킹 및/또는 기호들을 디스플레이하는 것, 그래픽 정보의 색을 변경하는 것) 및/또는 청각적 표시(예를 들면, 알람, 경적음)를 제공한다. 통지 유닛(120)은 또한 데이터 통신 링크(128)를 통해 원격 위치에 경보를 통신할 수 있다.
단계 272에서, 적어도 하나의 보정 방책이 단락 회로 도출 위험요소를 완화 또는 금지하도록 구현된다. 도 1을 참조하면, 만일 프로세서(118)가 예컨대 미리 정해진 확률 수준(예를 들면, 적어도 50%)에 따라 LIB(110)의 단락 회로 전조 조건이 충분히 가능성이 있다고 결정하면, 안전성 프로토콜 유닛(122)은 적어도 하나의 보정 방책을 구현하도록 지시된다. 예를 들면, 안전성 프로토콜 유닛(122)은 문제가 있는 LIB 셀을 LIB(110)의 다른 셀로부터 전기적으로 격리시키거나, 또는 LIB(110)의 충전을 자동으로 금지시킬 수 있다. 다른 예로서, 안전성 프로토콜 유닛(122)은 예를 들면 유체 기반 또는 공기 기반 냉각 메카니즘을 적용하거나, 및/또는 고온 가스를 LIB(110)로부터 배출함으로써 LIB(110)의 적어도 일부를 즉시 냉각시킬 수 있다. 시스템(100)은 또한 LIB(110)가 현재 전력을 공급하는 컴포넌트(예를 들면, 전자 장치 또는 시스템)의 동작을 중지시키고, 잠재적 SCDH의 가능성을 확인하기 위해 LIB(110)의 추가의 평가를 제공하도록 감독자(예를 들면, LIB(110)의 부근에 있거나 원격 위치에 있는 감독자)에게 통지할 수 있다. 추가의 보정 방책은 예를 들면 리튬 도금 도출 SCPC로 식별된 LIB에 특정 방전 전압을 인가함으로써 단락 회로를 실제로 제거하도록 시도하고, 그 응용은 리튬 도금의 적어도 일부를 벗긴다(산화시킨다).
단계 274에서, 단락 회로 전조 조건의 결정이 사용자 피드백 또는 이력 데이터에 기초하여 수정된다. 도 1을 참조하면, 프로세서(118)는 단락 회로 전조 조건의 가능성을 결정할 때 사용자 명령어뿐만 아니라 이전의 감시 세션 및/또는 복수의 사용자로부터 누적된 집계된 이력 데이터를 고려할 수 있다. 예를 들면, 사용자는 "더 보수적인 안전성 메트릭"을 적용하게 하는 특정 명령어를 제공하여(사용자 인터페이스(126)를 통해), SCPC가 다른 방식보다 더 낮은 확률로 확립되게 할 수 있다(예를 들어서 만일 이전에 50% 가능성을 적용하였으면, 이제는 40% 또는 30%로 낮추어질 수 있다). 대안적으로, 사용자는 만일 이전에 50% 가능성을 적용하였으면, 이제는 60% 또는 70%로 상승될 수 있도록 SCPC를 확립하기 위해 더 높은 확률 수준을 적용하도록 지시할 수 있다. 더욱이, 데이터 저장 유닛(124)은 각종 유형의 LIB(LIB(110) 자체를 포함함)의 이전 감시 세션과 연관된 저장된 정보를 포함할 수 있다. 프로세서(118)는 유사한 응답 프로파일에 의해 특징화되는 유사한 LIB의 실제 결과(예를 들면, 어떤 조건이 실제로 SCDH 이벤트를 발생하였는지, 및/또는 어떤 상태하에서 SCDH가 실제로 그러한 LIB에서 발생하였는지)에 기초하여 SCPC를 확립하기 위한 확률을 높이거나 낮추도록 적절한 저장 정보를 고려할 수 있다. 저장 정보는 이력 데이터에 기초하여 다른 LIB의 특성을 자동으로 학습하기 위해 사용되는 인공 지능 기술뿐만 아니라 미래의 감시 세션에 데이터를 적용하기 위한 최적의 기술에 의해 획득 또는 갱신될 수 있다. 프로세서(118)는 또한 동일한 LIB에서의 잠재적 단락 회로 도출 위험요소의 미래의 감시 및 결정을 향상시키기 위해 개별 LIB로부터 수집된 소정의 이력적 성능 데이터를 고려할 수 있다(즉, "기계 학습" 접근법을 이용해서).
이제, 도 8을 참조하면, 감시되는 LIB의 내부 저항의 변화를 묘사한 2개의 상이한 유형의 파라미터의 활용을 비교하여 보인 막대 그래프(290)가 도시되어 있다. 그래프(290)는 주변 온도에서 18650-모델 LIB(공칭 용량 2.6 amp-hours)의 1kHz의 AC 임피던스로 측정된 내부 저항이 2개의 상이한 충전 상태에서 57mΩ으로부터 55mΩ까지 변할 때 2개의 파라미터의 백분율 변화를 비교한다. 제1 파라미터는 AC 임피던스이고 제2 파라미터는 본 발명에 따라 도출된 예시적인 복합 파라미터, 즉 id×1/βa이다. AC 임피던스의 변화는 약 4%이다. AC 임피던스는 내부 단락 회로의 전개에 대한 대용물로서 취해진다. 기준 값으로서 57mΩ을 사용하면, 내부 셀 저항의 2mΩ 감소는 약 1.5Ω의 내부 단락 회로 저항을 표시한다(내부 단락 저항은 전체 셀 저항에 병행하는 것으로서 보여질 수 있기 때문에). 그러한 낮은 단락 저항에서, 열폭주는 거의 즉시 개시하는 것으로 기대할 수 있다. 이와 대조적으로, 복합 파라미터(id×1/βa)는 동일한 조건하에서 약 390% 변화를 나타낸다. 약 25Ω의 내부 단락 저항을 표시하는 약 1%의 AC 임피던스의 변화의 경우에, 동일한 복합 파라미터는 약 175%만큼 변하였다(그래프(290)에 도시되지 않음). 따라서 예시적인 복합 파라미터는 AC 임피던스 파라미터에 비하여 (내부 저항 변화 및 그에 따라서 SCPC의 조기 검출에 대하여) 훨씬 더 큰 감도를 제공한다. 25Ω과 같은 비교적 높은 내부 단락 회로 저항치에서도, LIB가 임박한 열폭주의 상태에 아직 도달하지 않았을 때, 예시적인 복합 파라미터는 훨씬 더 큰 감도를 나타내고, SCDH를 완화 또는 금지하기 위해 훨씬 조기의 단계에서 보정 동작의 구현을 가능하게 한다.
본 발명의 개시된 방법은 이 방법이 잠재적인 단락 회로 도출 위험요소의 조기 검출 및 경고를 허용하는 유용한 정보를 제공하는 특정 응답을 이끌어내는 특수한 방법으로 LIB를 자극하거나 변경하는 것을 수반한다는 점에서 능동(즉, 수동이 아닌) 기술이라는 점을 이해할 것이다. 경고는 LIB에서 (양성) 내부 단락 회로의 시작 전에 제공될 수 있고, 그 결과, 보정 동작은 연소 이벤트와 같은 단락 회로 도출 위험요소를 효과적으로 완화 또는 금지하기 위해 제때에 구현될 수 있다. 개시된 방법은 감시되는 LIB에서 내부 단락 회로의 발생에 특히 민감하고 그러한 발생을 검출하기에 적절한 표식을 식별한다. 개시된 방법은 또한 LIB의 수동 감시를 위한 부가 센서, 배선 및 하드웨어와 같은 추가의 전용 하드웨어를 요구하지 않고 구현을 위한 기존의 배선 및 전자 하부구조를 활용할 수 있다. 그 결과, 개시된 방법은 비교적 저렴하고 설치, 유지 및 업그레이드가 용이하며, 추가의 무게 또는 부피를 필요로 하지 않는다. 더욱이, 개시된 방법은 자동화 감시를 제공할 수 있고, 감시는 단일 LIB 셀 또는 복수의 LIB 셀 또는 셀 모듈에 적용할 수 있으며, 셀 또는 모듈이 직렬로 접속되는지 및/또는 병렬로 접속되는지는 관계가 없다. 또한, 개시된 방법은 복수의 플랫폼 및 각종 LIB 유형/설계/구성에서 구현될 수 있어서 다양성 및 융통성을 제공한다. 개시된 방법은 마이크로프로세서 및 ASIC 칩과 같은 반도체 집적 회로 칩에 매립될 있고, 및/또는, 비제한적인 예를 들자면, 충전기(유선 또는 무선), 충전 스테이션, 파워 어댑터(유선 또는 무선), 배터리 관리 시스템, 전자 제어 유닛, 컴퓨터 등을 포함한, LIB를 체크, 관리 또는 감시하는 기존의 기구 또는 컴포넌트 내의 소프트웨어에 통합될 수 있다.
본 발명의 개시된 방법은 전용 ASIC 장치(단일 칩/복수의 칩/마이크로프로세서) 또는 다른 집적 회로 또는 인쇄 회로 또는 반도체 장치에 매립될 수 있다. 개시된 방법은 또한 LIB의 동작 및 안전을 조작 또는 관리하기 위해 사용되는 소프트웨어 또는 임의의 컴퓨터 또는 전자 판독가능 매체에 통합될 수 있다. 개시된 방법은 또한 LIB를 테스트, 측정 또는 순환시키는 기구, LIB 제조 공정에서 사용하는 기구, 전위차계(potentiostat), 갈바노스탯(galvanostat), QA/QC 장비 등에 통합될 수 있다.
본 발명은 매우 다양한 응용에서 배터리 안전을 감시하는데 적용할 수 있다. 특히, 개시된 안전성 감시 방법은, 비제한적인 예를 들자면, 가전제품(예를 들면, 모바일 폰; 랩톱 컴퓨터; 태블릿 컴퓨터; 전자책 리더; 스마트워치 또는 다른 웨어러블 전자 제품 등), 차량(예를 들면, 항공기; 육상 자동차; 전기 기차; 순수 전기 자동차(EV), 하이브리드 및 플러그인을 포함한 전기 자동차(EV); 전기 버스; 전기 카트; 전기 휠체어; 지게차를 포함한 전기 중장비; 전기 보트 및 잠수함 및 다른 해양 선박; 전기 자전거(e-바이크); 전기 스쿠터(e-스쿠터); UAV 드론; 통신 장치(예를 들면, 라디오, 양방향 라디오, 수신기, 송신기, 송수신기 등); 전기 장비(예를 들면, 파워 툴; 전자 담배; 이식 장치를 비롯한 의료 기기; 및 에너지 축적 설비(예를 들면, 충전 스테이션, 그리드 에너지 축적 시스템, 솔라 패널 에너지 축적, 풍력 터빈 에너지 축적, 수력전기 및 파도와 조수 에너지 축적; 위성)를 포함한 임의의 기술 분야에서 임의의 리튬 이온 배터리 전원형 장치, 제품 또는 시스템에 적용될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 안전성 감시 방법은 생물 의학 응용과 같은 전기 자극뿐만 아니라 공기 응용(예를 들면, 공기 밸브, 기류) 및 유체 시스템(예를 들면, 오일 시스템 및 수도 설비)과 같은 비전기 자극을 이용하는 비배터리 응용에까지 또한 확대될 수 있다.
비록 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 개시된 주제의 각종 실시형태를 설명하였지만, 전술한 설명은 단지 예를 든 것으로 의도된다. 전술한 설명은 개시된 주제의 범위를 한정하는 것으로 사용되지 않아야 하고, 개시된 주제의 범위는 첨부된 특허 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (29)

  1. 충전식 리튬 이온 배터리(Li-ion battery; LIB)의 안전성을 감시(monitor)하는 방법에 있어서,
    상기 LIB의 초기 전기 상태를 결정하는 단계 - 상기 초기 전기 상태는, 상기 LIB의 충전/방전과 관련된 상태 또는 파라미터; 전류; 및 전압, 중 적어도 하나와 관련됨 - ;
    시변(time-varying) 응답을 트리거(trigger)하도록 상기 LIB에 직류(direct current; DC) 전기 자극을 인가 또는 제거함으로써 상기 LIB의 전기 상태를 변경하는 단계;
    상기 변경된 전기 상태에 대한 상기 LIB의 시변 응답을 측정하는 단계;
    상기 측정된 응답의 기능 형태(functional form)와 연관된 적어도 하나의 1차 응답 파라미터를 추출하는 단계 - 상기 1차 응답 파라미터는, 전압 응답 프로파일에 따른 적어도 하나의 전압 응답 값, 전류 응답 프로파일에 따른 적어도 하나의 전류 응답 값, 및 상기 전기 상태 변경과 관련되는 적어도 하나의 파라미터로 이루어진 리스트로부터 선택됨 - ;
    상기 1차 응답 파라미터로부터 적어도 하나의 2차 응답 파라미터를 도출하는 단계 - 상기 2차 응답 파라미터는, 적어도 하나의 1차 응답 파라미터 및 적어도 하나의 전기 자극 파라미터, 중 적어도 하나에 적어도 하나의 수학적 연산을 적용함으로써 도출됨 - ; 및
    적어도 상기 2차 응답 파라미터에 따라 단락 회로 전조 조건(short circuit precursor condition)의 가능성을 결정하는 단계
    를 포함하는, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 응답 파라미터 및 상기 2차 응답 파라미터에 적어도 하나의 수학적 연산을 적용함으로써 적어도 하나의 복합(composite) 응답 파라미터를 도출하는 단계를 더 포함하고;
    상기 단락 회로 전조 조건의 가능성은 또한 상기 복합 응답 파라미터에 따라 결정되는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결정된 단락 회로 전조 조건의 가능성에 따라 잠재적 단락 회로 도출 위험요소(hazard)의 경고(alert)를 제공하는 단계; 및
    상기 결정된 단락 회로 전조 조건의 가능성에 따라 단락 회로 도출 위험요소를 완화 또는 금지하도록 적어도 하나의 시정 조치(corrective measure)를 구현하는 단계
    로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 단계를 더 포함하는, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시정 조치는, 상기 LIB에 방전 전압을 인가하여, 상기 방전 전압이 상기 LIB 내 리튬 도금의 적어도 일부를 산화시키는 단계를 포함하는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 LIB의 전기 상태를 변경하는 단계는,
    방전 전압;
    충전 전압;
    정전위 전압;
    선형적 가변 전압;
    방전 전류;
    충전 전류;
    정전류 전류;
    선형적 가변 전류;
    방전 저항 부하;
    방전 정전력;
    충전 정전력; 및
    이들의 임의의 조합
    으로 이루어진 리스트로부터 선택된 적어도 하나의 전기 자극을 인가하는 단계를 포함하는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 LIB의 전기 상태를 변경하는 단계는:
    상기 LIB를 방전 상태로부터 개회로 상태 또는 휴지 상태로 전환하는 동작;
    상기 LIB를 충전 상태로부터 개회로 상태 또는 휴지 상태로 전환하는 동작;
    상기 LIB를 개회로 상태 또는 방전 상태 또는 휴지 상태로부터 충전 상태로 전환하는 동작;
    상기 LIB를 개회로 상태 또는 충전 상태 또는 휴지 상태로부터 방전 상태로 전환하는 동작;
    i) 순간 전압 변화; ii) 이중 층 충전 위상(phase); 및 iii) 패러데이 반응 위상으로 이루어진 리스트로부터 선택된 적어도 하나의 응답 부분에 의해 특징지어진 전압 응답을 트리거하도록 스텝(step) 전류를 인가하는 동작;
    i) 저분극에서 전압에 대한 전류의 선형 의존 영역; 및 ii) 고분극에서 전압에 대한 전류의 대수 의존 영역으로 이루어진 리스트로부터 선택된 적어도 하나의 응답 부분에 의해 특징지어진 전류 응답을 트리거하도록 선형 전압 스캔을 인가하는 동작; 및
    상기의 동작들의 임의의 조합
    으로 이루어진 리스트로부터 선택된 적어도 하나의 동작을 포함하는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2차 응답 파라미터는:
    순간 전압 강하(iR 강하);
    상기 iR 강하의 저항;
    이중 층 용량(C);
    이중 층 충전 또는 방전 위상의 시상수(전이 시간 Tr);
    샌드 방정식(Sand equation) 파라미터;
    이중 층 충전 또는 방전 동안의 전압 변화;
    상기 인가된 전류 스텝의 패러데이 반응 위상 동안의 전압 변화;
    반응 저항(Rrxn);
    교환 전류 밀도(io);
    타펠 기울기(βa 또는 βc);
    반응 분극(Rpol);
    전류 편차 값(id);
    인가된 전압의 함수로서의 전류 응답;
    전압 스캔의 전압-전류 기능 형태의 도함수 및 2차 도함수;
    전류값의 도함수;
    랜들스-세브직(Randles-Sevcik) 방정식 파라미터;
    인가 전류의 함수로서의 전압 응답;
    순간 전류 변화;
    상기 순간 전류 변화의 저항값;
    코트렐(Cottrell) 방정식 파라미터; 및
    LIB 전극의 활성 영역의 변화
    로 이루어진 리스트로부터 선택되는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LIB와 연관된 온도를 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 LIB의 전기 상태는 측정된 온도에 따라 변경되는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    사용자 피드백 또는 이력 성능 데이터에 따라 상기 단락 회로 전조 조건의 가능성의 결정을 수정하는 단계를 더 포함하는, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 단락 회로 전조 조건의 가능성을 결정하는 단계는, 상기 1차 응답 파라미터, 상기 2차 응답 파라미터, 및 상기 복합 응답 파라미터, 중 적어도 하나의 변화율에 따라 상기 가능성을 결정하는 단계를 포함하는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 방법.
  11. 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템에 있어서,
    시변 응답을 트리거하도록 상기 LIB에 직류(DC) 전기 자극을 인가 또는 제거함으로써 상기 LIB의 전기 상태를 변경하도록 구성되는 자극 인가 장치;
    상기 변경된 전기 상태에 대한 상기 LIB의 시변 응답을 측정하도록 구성되는 응답 측정 장치; 및
    상기 응답 측정 장치와 결합되는 프로세서 - 상기 프로세서는 상기 측정된 응답의 기능 형태와 연관된 적어도 하나의 1차 응답 파라미터를 추출하도록 구성되고, 상기 1차 응답 파라미터는, 전압 응답 프로파일에 따른 적어도 하나의 전압 응답 값, 전류 응답 프로파일에 따른 적어도 하나의 전류 응답 값, 및 상기 전기 상태 변경과 관련되는 적어도 하나의 파라미터로 이루어진 리스트로부터 선택되고, 상기 프로세서는 또한 상기 1차 응답 파라미터로부터 적어도 하나의 2차 응답 파라미터를 도출하도록 구성되며, 상기 2차 응답 파라미터는, 적어도 하나의 1차 응답 파라미터 및 적어도 하나의 전기 자극 파라미터, 중 적어도 하나에 적어도 하나의 수학적 연산을 적용함으로써 도출되고, 상기 프로세서는 또한 적어도 상기 2차 응답 파라미터에 따라 단락 회로 전조 조건의 가능성을 결정하도록 구성됨 -
    를 포함하는, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서는 또한, 상기 1차 응답 파라미터 및 상기 2차 응답 파라미터에 적어도 하나의 수학적 연산을 적용함으로써 적어도 하나의 복합 응답 파라미터를 도출하도록, 그리고 추가로 상기 복합 응답 파라미터에 따라 상기 단락 회로 전조 조건의 가능성을 결정하도록 구성되는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서는 또한, 상기 1차 응답 파라미터, 상기 2차 응답 파라미터, 및 상기 복합 응답 파라미터, 중 적어도 하나의 변화율에 따라 상기 단락 회로 전조 조건의 가능성을 결정하도록 구성되는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 단락 회로 전조 조건의 결정된 가능성에 따라 잠재적 단락 회로 도출 위험요소의 경고를 제공하도록 구성되는 통지 유닛을 더 포함하는, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 단락 회로 전조 조건의 결정된 가능성에 따라 단락 회로 도출 위험요소를 완화 또는 금지하도록 적어도 하나의 시정 조치를 구현하도록 구성되는 안전성 프로토콜 유닛을 더 포함하는, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 시정 조치는, 상기 LIB에 방전 전압을 인가하여 상기 방전 전압이 상기 LIB 내 리튬 도금의 적어도 일부를 산화시키는 것을 포함하는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 자극 인가 장치는,
    i) 순간 전압 변화; ii) 이중 층 충전 위상; 및 iii) 패러데이 반응 위상으로 이루어진 리스트로부터 선택된 적어도 하나의 응답 부분에 의해 특징지어진 전압 응답을 트리거하기 위한 스텝 전류; 및
    i) 저분극에서 전압에 대한 전류의 선형 의존 영역; 및 ii) 고분극에서 전압에 대한 전류의 대수 의존 영역으로 이루어진 리스트로부터 선택된 적어도 하나의 응답 부분에 의해 특징지어진 전류 응답을 트리거하기 위한 선형 전압 스캔
    으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 동작을 적용하도록 구성되는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 LIB와 연관된 온도를 측정하도록 구성되는 적어도 하나의 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 자극 인가 장치는 측정된 온도에 따라 상기 LIB의 전기 상태를 변경하도록 구성되는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서는 또한, 사용자 피드백 또는 이력 성능 데이터에 기초하여 상기 단락 회로 전조 조건의 가능성의 결정을 수정하도록 구성되는 것인, 충전식 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성을 감시하는 시스템.
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