KR20120123346A

KR20120123346A - 2차 전지의 충전 상태 측정 장치 및 2차 전지의 충전 상태 측정 방법

Info

Publication number: KR20120123346A
Application number: KR1020127018930A
Authority: KR
Inventors: 마사시 나카무라; 히데후미 하세가와
Original assignee: 가부시키가이샤 지에스 유아사
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2012-11-08
Also published as: US20120293131A1; WO2011090020A1; US9263773B2; CN102695961A; JP6252875B2; EP2527855A1; KR101750739B1; CN105277899A; CN105277899B; EP2527855B1; JP2016186487A; JPWO2011090020A1; EP2527855A4; CN102695961B

Abstract

2차 전지의 SOC를 양호한 정밀도로 측정 가능할 수 있도록 한다.
개방 회로 전압-충전 상태 특성에 있어, 상기 2차 전지(1a)의 열화에 의해서도 개방 회로 전압과 충전 상태와의 관계는 변화하지 않는다고 간주하는 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역에서, 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 또는 방전 전류를 적산하여 적산 전류를 측정하고, 그 측정 결과에 기초하여 상기 기준 시점부터의 전지 용량의 저하 정도를 추정하고, 추정한 전지 용량의 저하 정도와, 미리 구해져 있는 기준 시점부터의 상기 2차 전지(1a)의 전지 용량의 저하 정도와 개방 회로 전압-충전 상태 특성의 대응 관계에 기초하여 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 특정하고, 특정한 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 적용하여 개방 회로 전압의 측정 결과로부터 충전 상태를 구한다.

Description

2차 전지의 충전 상태 측정 장치 및 2차 전지의 충전 상태 측정 방법 { DEVICE FOR MEASURING STATE OF CHARGE OF SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MEASURING STATE OF CHARGE OF SECONDARY BATTERY}

본 발명은 미리 구해져 있는 개방 회로 전압-충전 상태 특성에 따라 2차 전지의 충전 상태를 측정하는 2차 전지의 충전 상태 측정 장치, 및 2차 전지의 충전 상태 측정 방법에 관한 것이다.

이러한 2차 전지의 충전 상태 측정 장치 및 충전 상태 측정 방법은 2차 전지의 충방전 제어 등에 필요한 충전 상태(이하, "SOC"라고도 한다. SOC는 State of Charge의 약어이다.)의 값을 측정하기 위한 장치 및 방법이다.

여기서, SOC는 완전 충전 시의 2차 전지의 잔존 용량(이른바, 전지 용량)에 대한 각 시점의 2차 전지의 잔존 용량의 비율을 말한다.

2차 전지의 SOC를 측정하기 위한 방법으로서, 일반적으로, 하기 특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 이용하여, 개방 회로 전압(이하, "OCV"라고도 한다. OCV는 Open circuit voltage의 약어이다.)의 측정값으로부터 SOC를 구하는 방법과, 2차 전지의 충방전 전류를 적산(積算)하여, 그 적산값의 2차 전지의 총용량에 대한 비율로서 구하는 방법이 있다.

후자의 2차 전지의 충방전 전류를 적산하는 방법에서는, SOC를 구할 때의 분모가 되는 2차 전지의 총 용량으로서, 통상은 2차 전지의 초기의 총용량을 사용하므로, 2차 전지가 열화되어 전지 용량이 저하되면, 구한 SOC가 오차를 포함하게 된다.

이 점에서, 전자의 개방 회로 전압-충전 상태 특성(이하, "OCV-SOC 특성"이라고도 한다.)을 이용하는 방법에서는, 통상, 2차 전지가 열화되어 2차 전지의 총용량이 변화되어도 OCV-SOC 특성 자체는 변화되지 않는다고 생각되며, 자주 이용되고 있다.

특허 문헌 1: 일본 공개특허공보 제2003-68369호

그러나, 상기의 OCV-SOC 특성을 이용하여 OCV의 측정값으로부터 단순하게 SOC를 구하는 방법에서는, 반드시 정확하게 SOC를 측정할 수 없는 경우도 있을 수 있음이 밝혀졌다.

본 발명은, 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 2차 전지의 SOC를 양호한 정밀도로 측정 가능하도록 하는 점에 있다.

본 발명에 의한 2차 전지의 충전 상태 측정 장치의 제1 특징적 구성은, 2차 전지의 충전 상태 측정 장치가, 2차 전지의 개방 회로 전압을 측정하는 개방 회로 전압 측정 수단; 상기 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 적산하는 전류 적산 수단; 기준 시점부터의 상기 2차 전지의 전지 용량의 저하 정도와 개방 회로 전압-충전 상태 특성의 대응 관계 및 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 기억하고 있는 기억 수단; 및 기준 시점부터의 2차 전지의 열화에 의해서도 개방 회로 전압과 충전 상태의 관계는 변화하지 않는다고 간주하는 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역에서, 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 또는 방전 전류의 적산 전류값을 상기 전류 적산 수단에 측정하게 하고, 상기 적산 전류값과 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 사용하여 전지 용량의 저하 정도를 추정하고, 추정한 전지 용량의 저하 정도와 상기 대응 관계에 기초하여 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 특정하고, 특정한 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 적용하여 상기 개방 회로 전압 측정 수단에 의한 개방 회로 전압의 측정 결과로부터 충전 상태를 구하는 충전 상태 연산 수단을 포함하여 구성되어 있는 점에 있다.

통상은 2차 전지의 열화에 의해서도 변화하지 않는다고 생각되고 있는 OCV-SOC 특성도, 2차 전지에 따라서는 변화되는 경우도 있다 것이 밝혀졌다. 또한, 그 변화의 태양에는 일정한 특징이 존재하는 것을 알았다.

즉, 2차 전지의 열화에 의해 OCV-SOC 특성이 전역에서 각각 다르게 변화되는 것은 아니고, 어떤 영역에서는 OCV-SOC 특성이 2차 전지의 열화에 의해 변화하지만, 그 이외의 영역에서는 종래의 이해대로 OCV-SOC 특성이 2차 전지의 열화에 의해서도 변화하지 않는 것이다. 이 경향은, 양극(정극) 활물질로서 2종류 이상의 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 2차 전지에서 현저하다.

2차 전지의 OCV-SOC 특성이 2차 전지의 열화에 의해 변화되어도, 2차 전지의 열화 상태에 따라 OCV-SOC 특성이 어떻게 변화하는지를 미리 파악하여 두면, 2차 전지의 열화 상태를 검출함으로써, OCV-SOC 특성을 이용한 SOC의 측정을 행할 수 있다.

이 2차 전지의 열화 상태의 검출에, OCV-SOC 특성이 2차 전지의 열화에 의해서도 변화하지 않는 영역을 이용한다.

구체적으로는, OCV-SOC 특성이 2차 전지의 열화에 의해서도 변화하지 않는 개방 회로 전압 영역에서, 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서 충전 전류 또는 방전 전류를 적산하여 적산 전류를 측정한다.

이 개방 회로 전압 영역에서는, 개방 회로 전압과 충전 상태의 관계가 2차 전지의 열화 상태에 관계없이 유일하게 정해지므로, 상기의 적산 전류가 충전 상태의 변화분에 상당하게 되어, 실질적으로는 그 측정 시점의 전지 용량을 구한 것이되어 있다.

그것을 기준 시점의 것과 비교함으로써, 기준 시점부터의 전지 용량의 저하 정도를 추정할 수 있다.

그리고, 이 기준 시점으로서는, 2차 전지를 제조했을 때인 초기로 하는 것이 매우 적합하지만, 사용자 측에서 실제로 2차 전지의 사용을 개시한 시점 등을 적당히 기준 시점으로서 설정할 수 있는 것이다.

전지 용량의 저하 정도와 OCV-SOC 특성의 대응 관계를 미리 구하여 둠으로써, 추정한 전지 용량의 저하 정도로부터 적절한 OCV-SOC 특성을 특정할 수 있다.

기준 시점부터의 전지 용량의 저하 정도는 2차 전지의 열화의 정도에 대응하므로, 상기와 같이 하여 특정한 OCV-SOC 특성을 사용하여, 개방 회로 전압의 측정 결과로부터 충전 상태를 구하고, 2차 전지의 열화에 의한 OCV-SOC 특성의 변화도 고려한 상태에서 충전 상태를 측정할 수 있게 된다.

여기서, 동일한 충전 상태에서의 상기 기준 시점과 열화에 의한 용량 저하 후의 개방 회로 전압의 차이가 10mV 이하인 영역을, 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역으로 하는 것이 바람직하다.

또, 동일한 충전 상태에서의 상기 기준 시점과 열화에 의한 용량 저하 후의 개방 회로 전압의 차이가 2mV 이하인 영역을, 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 개방 회로 전압-충전 상태 특성에서의 충전 상태가 100%보다 작은 개방 회로 전압 영역에서, 상기 적산 전류값을 측정하는 것이 바람직하다.

개방 회로 전압이 3.4V 이하 또는 3.8V 이상인 영역에서, 상기 적산 전류값을 측정하는 것이 바람직하다.

상기 2차 전지는, 2종류 이상의 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 양극 활물질을 함유하는 전지인 것이 바람직하고, 스피넬 구조(spinel structure)를 가지는 리튬 함유 금속 산화물과 층상 구조를 가지는 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 양극 활물질을 함유하는 2차 전지인 것이 더욱 바람직하다.

상기 충전 상태 연산 수단은, 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역에서, 상기 개방 회로 전압 측정 수단으로 복수의 개방 회로 전압값을 측정하게 하고, 상기 개방 회로 전압 측정 수단으로 개방 회로 전압을 측정한 상기 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 또는 방전 전류의 적산 전류값을 측정하게 하여, 상기 복수의 개방 회로 전압값과 상기 적산 전류값과 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 사용하여 전지 용량의 저하 정도를 추정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 2차 전지의 충전 상태 측정 장치의 제2 특징적 구성은, 2차 전지의 개방 회로 전압을 측정하는 개방 회로 전압 측정 장치; 상기 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 적산하는 전류 적산 장치; 기준 시점부터의 상기 2차 전지의 전지 용량의 저하 정도와 개방 회로 전압-충전 상태 특성의 대응 관계 및 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 기억하고 있는 기억 장치; 및 기준 시점부터의 2차 전지의 열화에 의해서도 개방 회로 전압과 충전 상태의 관계는 변화하지 않는다고 간주하는 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역에서, 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 또는 방전 전류의 적산 전류값을 상기 전류 적산 장치에 측정하게 하여, 상기 적산 전류값과 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 사용하여 전지 용량의 저하 정도를 추정하고, 추정한 전지 용량의 저하 정도와 상기 대응 관계에 기초하여 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 특정하고, 특정한 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 적용하여 상기 개방 회로 전압 측정 장치에 의한 개방 회로 전압의 측정 결과로부터 충전 상태를 구하는 충전 상태 연산 장치를 포함하는 점에 있다.

본 발명에 의한 2차 전지의 충전 상태 측정 방법의 특징적 구성은, 기준 시점부터의 2차 전지의 열화에 의해서도 개방 회로 전압과 충전 상태의 관계는 변화하지 않는다고 간주하는 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역에서, 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 또는 방전 전류를 적산하여 적산 전류값을 측정하고, 상기 적산 전류값과 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값을 사용하여 전지 용량의 저하 정도를 추정하고, 추정한 전지 용량의 저하 정도와 미리 구해져 있는 기준 시점부터의 상기 2차 전지의 전지 용량의 저하 정도와, 개방 회로 전압-충전 상태 특성의 대응 관계에 기초하여 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 특정하고, 특정한 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 적용하여 개방 회로 전압의 측정 결과로부터 충전 상태를 구하는 점에 있다.

즉, 상기의 충전 상태 측정 장치의 제1 특징적 구성에 대하여 설명한 바와 같이, OCV-SOC 특성이 2차 전지의 열화에 의해서도 변화하지 않는 개방 회로 전압 영역에 있어, 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서 충전 전류 또는 방전 전류를 적산하여 적산 전류를 측정한다.

이 적산 전류가 충전 상태의 변화분에 상당하게 되어, 실질적으로 그 측정 시점의 전지 용량을 구한 것이 되므로, 그것을 기준 시점의 것과 비교함으로써, 기준 시점부터의 전지 용량의 저하 정도를 추정한다.

미리 구해져 있는 전지 용량의 저하 정도와 OCV-SOC 특성의 대응 관계를 이용하여, 추정한 전지 용량의 저하 정도로부터 적절한 OCV-SOC 특성을 특정할 수 있다.

기준 시점부터의 전지 용량의 저하 정도는 2차 전지의 열화 정도에 대응하므로, 상기와 같이 하여 특정한 OCV-SOC 특성을 사용하여, 개방 회로 전압의 측정 결과로부터 충전 상태를 구하면, 2차 전지의 열화에 의한 OCV-SOC 특성의 변화도 고려한 상태에서 충전 상태를 측정할 수 있게 된다.

개방 회로 전압이 3.4V 이하 또는 3.8V 이상인 영역에서, 상기 적산 전류값을 측정하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 2차 전지는, 2종류 이상의 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 양극 활물질을 함유하는 전지인 것이 바람직하고, 상기 2차 전지는, 스피넬 구조를 가지는 리튬 함유 금속 산화물과 층상 구조를 가지는 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 양극 활물질을 함유하는 2차 전지인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 의한 2차 전지의 충전 상태 측정 장치 및 방법에 의하면, OCV-SOC 특성에 기초하여 SOC를 측정하는 것을 기본으로 하면서, 2차 전지의 열화 상태도 고려한 OCV-SOC 특성을 이용하므로, 2차 전지의 SOC를 양호한 정밀도로 측정할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전체 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 OCV-SCO 특성의 변화를 나타내는 설명도이다.
도 3은 2차 전지의 용량 저하를 설명하는 특성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시예의 2차 전지의 충전 상태 측정 장치는, 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 조(組)전지(1)를 구성하는 각 단(單)전지(1a)를 감시하는 전지 감시 장치(2) 내의 한 기능으로서 구비되어 있으며, 다시 말해, 전지 감시 장치(2) 자체가 충전 상태 측정 장치로서 기능하고 있다.

본 실시예에서는, 상기 각 단전지(1a)가 2차 전지이다.

더욱 구체적으로는, 각 단전지(1a)는, 리튬 이온 전지, 특히, 양극 활물질로서 2종류 이상의 리튬 함유 금속 산화물을 사용한 리튬 이온 전지를 예시하여 설명한다.

그리고, 상기의 리튬 함유 금속 산화물로서는, 예를 들면, Co, Mn 또는 Ni 등의 각 원소를 1종류 또는 2종류 이상 포함하는 것이 있다.

결정 구조로 말하면, 예를 들면, 양극 활물질로서 스피넬 구조를 가지는 리튬 함유 금속 산화물과 층상 구조를 가지는 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 것을 사용해도 된다. 층상 구조를 가지는 대표적인 리튬 함유 금속 산화물로서는, 코발트계의 LiCoO₂, 니켈계의 LiNiO₂, 또는 Li-Co-Ni-Mn계 산화물(이른바 3성분계)이 있다. 또, 스피넬 구조를 가지는 대표적인 리튬 함유 금속 산화물로서는, LiMn₂O₄가 있다.

본 실시예에서는, 조전지(1)에 대하여 충전 전원(3)으로 충전하는 동시에, 이들과 병렬로 접속되어 있는 부하(4)에 대하여, 조전지(1) 또는 충전 전원(3)으로부터 전력을 공급하는 경우를 예시하여 설명한다.

전지 감시 장치(2)에는, A/D컨버터 등을 구비하여 각 단전지(1a)의 전압(셀 전압)을 측정하는 전압 측정부(2a)와, 조전지(1)로부터의 방전 전류 및 조전지(1)로의 충전 전류를 검출하는 전류 센서(5)의 검출 정보에 기초하여 상기 방전 전류 및 충전 전류를 측정하여 적산하는 전류 적산 수단(CS)인 전류 적산부(2b)와, 전지 감시 장치(2)의 동작을 제어하는 제어부(2c)와, 각 단전지(1a)의 충전 상태를 측정하기 위해 필요한 각종 데이터를 기억 유지하는 기억 수단(MM)인 메모리(2d) 등이 구비되어 있다.

전지 감시 장치(2)는, 충전 상태 측정 장치로서의 기능에 의해 얻은 충전 상태(SOC)의 데이터를 기초로, 조전지(1)가 적정하게 동작하고 있는지를 감시하고, 필요에 따라 충전 전원(3)에 각종 제어 신호를 보낸다.

전지 감시 장치(2)는, 개방 회로 전압-충전 상태 특성(이하, 단지 "OCV-SOC 특성"이라고도 한다.)을 사용하여, 각 단전지(1a)의 개방 회로 전압의 측정값으로부터 충전 상태를 측정하는 것을 기본으로 한다.

단, 본 실시예의 리튬 이온 전지에서는, OCV-SOC 특성이 불변이 아니고, 단전지(1a)의 열화의 정도에 의해 변동되는 것을 확인하고 있다.

이 단전지(1a)의 열화에 의한 OCV-SOC 특성의 변화에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 2에, 본 실시예의 리튬 이온 전지의 OCV-SOC 특성의 일례를 나타낸다. 도 2의 OCV-SOC 특성은, 1개의 단전지(1a)에 대한 특성을 나타낸 것이며, 도 2에서는, 4단계로 강제 열화 시험(가속 열화 시험)을 행하고, 각 단계에서의 OCV-SOC 특성을 초기(전지의 제조 당초)의 데이터와 함께 기재하고 있다. 그리고, 도 2로 나타낸 예에서는, 개방 회로 전압이 4.1V일 때를, 완전 충전으로 하고 있다.

도 2에서, 부호 "A"로 나타낸 데이터는 초기의 OCV-SOC 특성이며, 부호 "B"완전 충전?부호 "E"로 나타낸 데이터는, 각각, 300회, 700회, 1000회 및 1500회의 충방전 사이클로 강제적으로 열화 시켰을 때의 OCV-SOC 특성을 나타내고 있다.

도 2로부터 특징적으로 파악할 수 있는 것은, OCV-SOC 특성은 단전지(1a)의 열화에 의해 변화되어 있는 것, 및 그 OCV-SOC 특성의 변화는, OCV-SOC 특성의 전역에 걸쳐 변화되어 있는 것은 아니고, 도 2에서 "α"로 나타낸 열화의 정도가 상이하여도 OCV-SOC 특성에 거의 변화가 없는 영역과, 도 2에서 "β"로 나타낸 단전지(1a)의 열화의 정도에 의해 OCV-SOC 특성이 변화하는 영역이 존재하는 것이다.

다음에, 상기의 강제 열화 시험을 행하여, 단전지(1a)의 전지 용량이 어떻게 변화하는지를 측정한 결과를 도 3에 나타낸다. 도 3에서는, 세로축에 "개방 회로 전압"을 취하고, 가로축에 "방전 용량"을 취하여, 완전 충전 상태로부터 세로축의 "개방 회로 전압"으로 저하되기까지, 얼마만큼의 전기량을 방전할 수 있었는지를 가로축에 나타내고 있다.

도 3에서는, 부호 "A＇"로 나타낸 데이터는 초기의 데이터이며, 부호 "B＇"?부호 "E＇"로 나타낸 데이터는, 각각, 300회, 700회, 1000회 및 1500회의 충방전 사이클로 강제적으로 열화 시켰을 때의 데이터를 나타내고 있다.

도 3으로부터는, 단전지(1a)의 열화 정도에 의존하여, 전지 용량이 저하된 상태를 이해할 수 있다.

이상으로부터, 전지 감시 장치(2)는, 기준 시점부터의 전지 용량의 저하 정도를 구함으로써, 단전지(1a)의 열화 정도를 추정하고, 그 열화 정도에 따라 OCV-SOC 특성을 특정하여, 그 특정한 OCV-SOC 특성을 이용하여 "개방 회로 전압"의 측정값으로부터 "충전 상태"를 얻는다. 본 실시예에서는, 이 "기준 시점"으로서, 전술한 바와 같이 "초기", 즉, 조전지(1)의 제조 당초를 설정하고 있지만, 각종 의 데이터의 기준 시점이 통일되어 있기만 하면 임의의 시점을 "기준 시점"으로 설정할 수 있다.

상기의 초기(기준 시점)로부터의 전지 용량의 저하 정도를 얻기 위하여, 조전지(1)의 사용 개시 후의 적당한 타이밍에서의 전지 용량을 구한다.

이 때문에, 도 2에 나타낸 OCV-SOC 특성에서의 "α"의 영역에 대응하는 개방 회로 전압 영역을 이용한다.

이 "α"로 나타낸 영역은, 단전지(1a)의 열화에 의해서도 OCV-SOC 특성이 변화하지 않는다고 간주하는 영역이며, 단전지(1a)의 열화 상태에 관계없이, "개방 회로 전압"의 측정값의 변화로부터 유일하게 "충전 상태"의 변화를 특정할 수 있다.

따라서, 복수의 "개방 회로 전압" 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 조전지(1)로의 충전 전류 또는 조전지(1)로부터의 방전 전류를 적산하여 적산 전류를 측정함으로써, "개방 회로 전압"의 측정값의 변화에 대응하는 "충전 상태"의 변화가 얼마만큼의 전기량(적산 전류값)에 상당하는지를 알고, 그 시점의 전지 용량을 얻을 수 있다. 그리고, 본 실시예에서는, 상기 복수의 "개방 회로 전압"으로서, 처리의 간소화를 위해 2점의 "개방 회로 전압"을 사용한다.

상기와 같이 하여 얻은 전지 용량을 초기(기준 시점)의 전지 용량과 대비하여 초기부터의 전지 용량의 저하 정도를 추정함으로써, 단전지(1a)의 열화 정도를 파악할 수 있고, 그 열화의 정도(실제로는, 초기부터의 전지 용량의 저하 정도)에 대응하여 미리 설정되어 있는 OCV-SOC 특성을, 충전 상태의 측정을 위해 이용한다.

즉, 상기 "α"로 나타낸 영역을, 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역으로 하고 있다.

엄밀하게는, 상기 "α"로 나타내는 영역은, 동일한 충전 상태에서의 상기 기준 시점과 열화에 의한 용량 저하 후의 개방 회로 전압의 차이가 최대로 30mV 정도이며, 30mV 이하인 영역을 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역으로 하고 있다.

동일한 충전 상태에서의 상기 기준 시점과 열화에 의한 용량 저하 후의 개방 회로 전압의 차이가 10mV 이하인 영역을, 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역으로 하면, 충전 상태의 검출 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있고, 동일한 충전 상태에서의 상기 기준 시점과 열화에 의한 용량 저하 후의 개방 회로 전압의 차이가 2mV 이하인 영역을, 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영으로 하면, 더한층 충전 상태의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이 일련의 처리를 위하여, 초기(기준 시점)에서의 전지 용량의 값이 메모리(2d)에 기억 유지되고, 또한 초기(기준 시점)부터의 전지 용량의 저하 정도와 OCV-SOC 특성의 대응 관계가 미리 구해져, 메모리(2d)에 기억 유지되어 있다.

이 초기(기준 시점)부터의 전지 용량의 저하 정도와 OCV-SOC 특성의 대응 관계는, 도 2에 나타낸 바와 같은 강제 열화 시험으로 OCV-SOC 특성을 구하는 동시에, 각 열화 단계에서의 전지 용량을 측정하고, 초기(기준 시점)로부터의 전지 용량의 저하 정도를, 예를 들면, "초기의 전지 용량"-"열화 후의 전지 용량"으로 표현하고, 그것과 OCV-SOC 특성의 대응 관계를 메모리(2d) 상에서 데이터 테이블화하여 둔다.

상기의 처리를 수식을 이용하여 설명한다.

조전지(1)를 운용중인 어느 시점에서, 개방 회로 전압: Vp를 얻을 수 있으면(도 2 참조), 그 시점에서 사용하고 있는 OCV-SOC 특성으로부터 충전 상태: Sp를 구하고, 그와 동시에 조전지(1)로의 충전 전류 또는 조전지(1)로부터의 방전 전류의 적산을 개시한다. 충전 전류와 방전 전류가 혼재하는 상황에서는, 양자 사이에서 양음의 부호를 상이하게 하여 적산한다.

이 충전 전류 또는 방전 전류의 적산 동작을 계속하면서, 다음에, 개방 회로 전압: Vq를 얻을 수 있었을 때(도 2 참조), 그 시점에서 사용하고 있는 OCV-SOC 특성으로부터 충전 상태: Sq를 구하면 동시에, 충전 전류 또는 방전 전류의 적산을 정지하여 적산 전류값: Ci를 얻는다.

이 Vq-Vp 사이의 충전 상태의 차: Sq-Sp(%)가, 이 사이의 적산 전류값: Ci에 상당하므로, 이 시점의 전지 용량: Crt는, Crt=Ci*(100)/(Sq-Sp)

(*는, 곱을 의미하는 연산자)로 구해진다.

초기의 전지 용량: Cini는 이미 알고 있으며, 초기부터의 전지 용량의 저하 정도를, 예를 들면, Cini-Crt로서 특정한다.

전지 용량의 저하 정도에 따른 OCV-SOC 특성을 미리 구하여 둠으로써, 이들 OCV-SOC 특성 중에서, 상기와 같이 하여 측정한 전지 용량의 저하 정도에 대응하는 OCV-SOC 특성을 선택하고, 그것을 충전 상태의 측정에 이용한다.

다음에, 전지 감시 장치(2)의 제어부(2c)에 의한 처리를 도 4의 흐름도를 사용하여 설명한다.

전지 감시 장치(2)는, 전술한 바와 같이, 측정한 "개방 회로 전압(OCV)"에 기초하여 OCV-SOC 특성으로부터 "충전 상태(SOC)"를 구하는 것을 기본 동작으로 하고, 충전 상태 연산 수단으로서 기능 한다.

단, 1개의 OCV-SOC 특성을 영속적으로 사용하는 것이 아니고, 단전지(1a)의 열화 상태에 따라 사용하는 OCV-SOC 특성을 변경한다.

도 4에 나타내는 "테이블 갱신 처리"는, 상기의 전지 용량의 저하 정도를 측정하여, 그 시점에서 사용해야 할 OCV-SOC 특성을 특정하는 처리이다.

도 4의 처리는, 고속으로 항상 실행되며, 전지 감시 장치(2)에서의 다른 처리부에서 "갱신 실행 플래그"를 적당한 타이밍으로 "1"로 세트하면, 실질적으로 처리를 개시한다(단계 ＃1).

먼저, 전류 센서(5)의 검출 정보에 기초하여, 조전지(1)에 흐르는 전류가 거의 "0"이 되어 있는지 여부를 확인하여(단계 ＃2), 거의 "0"이 되어 있으면 개방 회로 상태가 되어 있는 것이라고 보아, 이 시점에서의 전압 측정부(2a)에 의한 각 단전지(1a)의 측정 전압을 "개방 회로 전압"으로서 취급한다(단계 ＃3). 따라서, 전압 측정부(2a) 및 전류 센서(5)는 각 단전지(1a)의 개방 회로 전압을 측정하는 개방 회로 전압 측정 수단(OV)으로서 기능 한다.

다음에, 측정한 전압이, 전지 용량의 저하 정도의 측정에 이용할 수 있는 전압 범위에 있는지 여부를 확인한다(단계 ＃4).

구체적으로는, 도 2의 OCV-SOC 특성에 있어서, "α" 영역에 대응하는 "개방 회로 전압"의 전압 범위가, 전지 용량의 저하 정도의 측정에 이용할 수 있는 개방 회로 전압 영역(상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역)이며, 그 범위 내에 있는지 여부를 확인한다. 구체적인 개방 회로 전압값으로 말하면, 개방 회로 전압이 3.4V 이하인 영역과 3.8V 이상인 영역이다.

상기 범위 내(개방 회로 전압이 3.4V 이하 또는 3.8V 이상인 영역)에 들어가 있으면, "갱신중 플래그"가 "1"인지 여부를 확인한다(단계 ＃5). 본 실시예에서는, 전술한 바와 같이, 2개의 "개방 회로 전압"사이에서의 전류 적산값과 SOC 차로부터 전지 용량을 구하므로, "개방 회로 전압"을 아직 측정하지 않은 상태를 "갱신중 플래그"=0, 1개째의 "개방 회로 전압"을 측정한 상태를 "갱신중 플래그"=1로서 관리하고 있다.

"갱신중 플래그"=0의 상태이었다고 하면, 단계 ＃3에서 측정한 "개방 회로 전압"과 그 시점에서 사용하고 있는 OCV-SOC 특성으로부터, 그 시점에서의 충전 상태(SOC)를 구하여 메모리(2d)에 기억한다(단계 ＃6). 예를 들면, 도 2에서, 측정한 "개방 회로 전압"이 Vp이면, 충전 상태: Sp를 메모리(2d)에 기억한다.

그 후, 전류 적산부(2b)에 대하여, 전류 센서(5)의 검출 정보에 의해 조전지(1)로부터의 방전 전류와 조전지(1)로의 충전 전류를 적산하는 처리를 개시하게 하고(단계 ＃7)), "갱신중 플래그"를 "1"로 세트한다. 그리고, 전류 적산부(2b)는, 방전 전류와 충전 전류를 부호를 고려하여(부호를 상이하게 하여) 적산한다.

이 상태에서, 다음에, 조전지(1)에 흐르는 전류가 거의 "0"이 되었을 때(단계 ＃2)), 상기와 마찬가지로 "개방 회로 전압"을 측정하여, 그 측정 전압(가령, Vq이었다고 한다)이 전술한 소정의 전압 범위 내에 있는지 여부를 확인한다(단계 ＃3, ＃4).

여기서는, "갱신중 플래그"=1이 되어 있으므로(단계 ＃5)), 전번의 "개방 회로 전압"의 측정값 Vp와 이번의 "개방 회로 전압"의 측정값 Vq의 차가 설정값 이상이 되어 있는지 여부를 확인한다(단계 ＃9). 즉, Vp와 Vq가 너무나 가까운 전압값이면, 충전 상태의 차이를 구해도 양호한 정밀도로 전지 용량으로 환산할 수 없기 때문에, 어느 정도의 전압 차를 필요로 한다. 상기의 설정값은, 구하는 전지 용량의 정밀도와의 관계로 적절한 값을 설정하면 된다.

Vq와 Vp의 차가 설정값 이상이면(단계 ＃9)), "개방 회로 전압" Vq와 그 시점에서 사용하고 있는 OCV-SOC 특성으로부터, 그 시점에서의 충전 상태(즉 Sq)를 구하여 메모리(2d)에 기억하고(단계 ＃10)), 전류 적산부(2b)에 대하여 전류의 적산 동작을 정지시킨다(단계 ＃11).

다음에, 전류 적산부(2b)로부터 전류 적산값: Ci를 취득하여, 전지 용량의 저하 정도를 구한다(단계 ＃12).

구체적으로는, 전술한 바와 같이, Crt=Ci*(100)/(Sq-Sp)의 관계식에서, 그 시점의 전지 용량: Crt를 구하고, 메모리(2d)에 기억되어 있는 초기의 전지 용량: Cini와의 차(Cini-Crt)를, 전지 용량의 저하 정도로서 구한다.

이와 같이, SCO가 100%보다 작은 개방 회로 전압 영역에 있어서, 적산 전류값을 측정함으로써, 완전 충전이 되는 것을 기다리지 않고 측정할 수 있어 측정 기회를 확보하기 쉽다.

그리고, 구한 전지 용량의 저하 정도에 대응하는 OCV-SOC 특성을 메모리(2d)의 상기 데이터 테이블로부터 선택하고, 그 선택한 OCV-SOC 특성에 의해 그 시점에 사용하고 있는 OCV-SOC 특성을 갱신한다(단계 ＃13).

이것으로 일련의 처리가 종료하였으므로, "갱신중 플래그" 및 "갱신 실행 플래그"를 "0"으로 리세트한다(단계 ＃14, ＃15).

이 이후는, 단계 ＃13에서 갱신된 OCV-SOC 특성을 이용하여 "개방 회로 전압"의 측정값으로부터 충전 상태를 구한다.

[다른 실시예]

이하, 본 발명의 다른 실시예를 열거 기재한다.

(1) 상기 실시예에서는, 전류 센서(5)의 검출 정보에 기초하여 "개방 회로 전압"으로서 측정할 수 있는 정도로 전류가 거의 "0"이 되는 것을 기다리는 경우를 예시하여 설명하고 있지만, 스위치 장치 등으로 조전지(1)와 충전 전원(3) 사이의 회로 접속을 차단하여, 강제적으로 "개방 회로 전압"을 측정하도록 해도 된다.

이와 같이 하여 "개방 회로 전압"을 측정하는 경우에는, 적당한 타이밍에서 "개방 회로 전압"을 측정함으로써, 측정 시점의 전지 용량을 구하기 위한 "개방 회로 전압"(상기 실시예에서의 Vp, Vq)을 고정적으로 미리 설정하여 둘 수도 있다.

측정 시점의 전지 용량을 구하기 위한 "개방 회로 전압" Vp, Vq를 고정적으로 설정하면, 상기 실시예와 같이, 충전 상태의 차(Sq-Sp)로부터 전지 용량: Crt를 반드시 구할 필요는 없다.

"개방 회로 전압" Vp, Vq 사이에 대응하는 충전 상태의 차(Sq-Sp)도 고정적으로 설정되므로, 이 사이의 적산 전류량으로 전지 용량을 대표하게 할 수 있다.

상기 실시예에서의 "초기(기준 시점)의 전지 용량: Cini" 대신에, "초기(기준 시점)의 전지 용량에 대응하는 값"으로서, 초기의 충전 상태 Sp와 충전 상태 Sq 사이의 적산 전류량을 메모리(2d)에 기억 유지해 두고, 상기 실시예에서의 Ci와의 직접 비교로 초기부터의 전지 용량의 저하 정도를 구하는 것이다.

이 경우, 초기(기준 시점)부터의 전지 용량의 저하 정도와 OCV-SOC 특성의 대응 관계를 기억하는 메모리(2d)의 데이터 테이블의 내용도, 충전 상태 Sp와 충전 상태 Sq 사이의 적산 전류량을 기초로 한 데이터 내용이 된다.

(2) 상기 실시예에서는, 조전지(1)를 충전 전원(3) 및 부하(4)와 접속한 상태로, 충전 상태를 측정하는 경우를 예시하고 있으므로, 조전지(1)로의 충전 전류 및 조전지(1)로부터의 방전 전류의 양쪽을, 음양의 부호를 상이하게 하여 적산하고 있지만, 조전지(1)를 부하(4)에만 접속하여 방전 상태로만 사용하는 경우이면, 방전 전류만을 적산하면 되고, 역으로, 조전지(1)를 충전 전원(3)에만 접속하여 충전 상태로만 사용하는 경우이면, 충전 전류만을 적산하면 된다.

(3) 상기 실시예에서는, 전지 용량의 저하 정도를 평가하는 것으로서, 초기의 전지 용량과 측정 시점의 전지 용량의 차(Cini-Crt)를 사용하고 있지만, 전지 용량의 저하 정도를 양자의 비(Crt/Cini)로 평가하는 등, 평가값의 구체적인 연산 방법은 여러 가지로 변경 가능하다.

(4) 상기 실시예에서는, 미리 구한 전지 용량의 저하 정도와 OCV-SOC 특성의 대응 관계를 데이터 테이블에 기억 유지하는 경우를 예시하고 있지만, 예를 들면, 도 2에 "β"로 나타낸 영역에서, SOC의 값에 대응하는 OCV의 값이, 전지 용량의 저하 정도의 변화에 따라 어떻게 변화하는지를 SOC 값마다 함수 근사시켜 구해 두고, 얻은 전지 용량의 저하 정도로부터, 각 SOC 값에 대응하는 OCV 값을 상기 함수에 의해 구함으로써, 사용하는 OCV-SOC 특성을 구성하도록 해도 된다.

(5) 상기 실시예에서는, 얻은 전지 용량의 저하 정도로부터, 그에 대응하는 OCV-SOC 특성을 선택하여, 충전 상태의 측정에 사용하는 OCV-SOC 특성을 갱신하는 경우를 예시하고 있지만, OCV-SOC 특성의 전체를 갱신하는 것이 아니라, OCV-SOC 특성이 변화하는 도 2의 "β"로 나타낸 영역의 데이터만을 갱신하도록 구성해도 된다.

(6) 상기 실시예에서는, 2차 전지로서 조전지(1)를 구성하는 단전지(1a)를 예시하고 있지만, 조전지가 아니라 단전지만으로 사용하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.

(7) 상기 실시예에서는, Vp와 Vq인 2개의 개방 회로 전압 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 및 방전 전류의 적산 전류를 측정하는 경우를 예시하고 있지만, 3개 이상의 개방 회로 전압 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 등의 적산 전류를 측정하도록 해도 된다.

이 경우, 적산 전류값과 충전 상태를 그래프에 플로팅하여, 최소 제곱법 등에 의해 검출 오차를 매우 작게 하여, 충전 상태와 적산 전류값의 대응 관계를 특정할 수 있다.

1a: 2차 전지
CS: 전류 적산 수단
MM: 기억 수단
OV: 개방 회로 전압 측정 수단

Claims

2차 전지의 개방 회로 전압을 측정하는 개방 회로 전압 측정 수단;
상기 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 적산하는 전류 적산 수단;
기준 시점부터의 상기 2차 전지의 전지 용량의 저하 정도와 개방 회로 전압-충전 상태 특성의 대응 관계 및 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 기억하고 있는 기억 수단; 및
기준 시점부터의 2차 전지의 열화에 의해서도 개방 회로 전압과 충전 상태의 관계는 변화하지 않는다고 간주하는 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역에서, 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 또는 방전 전류의 적산 전류값을 상기 전류 적산 수단에 측정하게 하고, 상기 적산 전류값과 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 사용하여 전지 용량의 저하 정도를 추정하고, 추정한 전지 용량의 저하 정도와 상기 대응 관계에 기초하여 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 특정하고, 특정한 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 적용하여 상기 개방 회로 전압 측정 수단에 의한 개방 회로 전압의 측정 결과로부터 충전 상태를 구하는 충전 상태 연산 수단
을 포함하는 2차 전지의 충전 상태 측정 장치.
제1항에 있어서,
동일한 충전 상태에서의 상기 기준 시점과 열화에 의한 용량 저하 후의 개방 회로 전압의 차이가 10mV 이하인 영역을, 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역으로 하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 장치.
제1항에 있어서,
동일한 충전 상태에서의 상기 기준 시점과 열화에 의한 용량 저하 후의 개방 회로 전압의 차이가 2mV 이하인 영역을, 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역으로 하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
개방 회로 전압-충전 상태 특성에서의 충전 상태가 100%보다 작은 개방 회로 전압 영역에서, 상기 적산 전류값을 측정하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 장치.
제1항에 있어서,
개방 회로 전압이 3.4V 이하 또는 3.8V 이상인 영역에서, 상기 적산 전류값을 측정하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 전지는, 2종류 이상의 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 양극 활물질을 함유하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 장치.
제6항에 있어서,
상기 2차 전지는, 스피넬 구조를 가지는 리튬 함유 금속 산화물과 층상 구조를 가지는 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 양극 활물질을 함유하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 충전 상태 연산 수단은,
상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역에서, 상기 개방 회로 전압 측정 수단으로 복수의 개방 회로 전압값을 측정하게 하고,
상기 개방 회로 전압 측정 수단으로 개방 회로 전압을 측정한 상기 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 또는 방전 전류의 적산 전류값을 측정하게 하고,
상기 복수의 개방 회로 전압값과 상기 적산 전류값과 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 사용하여 전지 용량의 저하 정도를 추정하는, 2차 전지의 충전 상태 장치.
2차 전지의 개방 회로 전압을 측정하는 개방 회로 전압 측정 장치;
상기 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 적산하는 전류 적산 장치;
기준 시점부터의 상기 2차 전지의 전지 용량의 저하 정도와 개방 회로 전압-충전 상태 특성의 대응 관계 및 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 기억하고 있는 기억 장치; 및
기준 시점부터의 2차 전지의 열화에 의해서도 개방 회로 전압과 충전 상태의 관계는 변화하지 않는다고 간주하는 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역에서, 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 또는 방전 전류의 적산 전류값을 상기 전류 적산 장치에 측정하게 하여, 상기 적산 전류값과 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값 또는 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값에 대응하는 값을 사용하여 전지 용량의 저하 정도를 추정하고, 추정한 전지 용량의 저하 정도와 상기 대응 관계에 기초하여 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 특정하고, 특정한 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 적용하여, 상기 개방 회로 전압 측정 장치에 의한 개방 회로 전압의 측정 결과로부터 충전 상태를 구하는 충전 상태 연산 장치
를 포함하는 2차 전지의 충전 상태 측정 장치.
기준 시점부터의 2차 전지의 열화에 의해서도 개방 회로 전압과 충전 상태의 관계는 변화하지 않는다고 간주하는 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역에서, 복수의 개방 회로 전압값 사이에서 충전 상태가 변화하는 과정에서의 충전 전류 또는 방전 전류를 적산하여 적산 전류값을 측정하고,
상기 적산 전류값과 상기 기준 시점에서의 전지 용량의 값을 사용하여 전지 용량의 저하 정도를 추정하고,
추정한 전지 용량의 저하 정도와, 미리 구해져 있는 기준 시점부터의 상기 2차 전지의 전지 용량의 저하 정도와 개방 회로 전압-충전 상태 특성의 대응 관계에 기초하여 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 특정하고,
특정한 개방 회로 전압-충전 상태 특성을 적용하여, 개방 회로 전압의 측정 결과로부터 충전 상태를 구하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 방법.
제10항에 있어서,
동일한 충전 상태에서의 상기 기준 시점과 열화에 의한 용량 저하 후의 개방 회로 전압의 차이가 10mV 이하인 영역을, 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역으로 하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 방법.
제10항에 있어서,
동일한 충전 상태에서의 상기 기준 시점과 열화에 의한 용량 저하 후의 개방 회로 전압의 차이가 2mV 이하인 영역을, 상기 용량 저하 추정용 개방 회로 전압 영역으로 하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
개방 회로 전압-충전 상태 특성에서의 충전 상태가 100%보다 작은 개방 회로 전압 영역에서, 상기 적산 전류값을 측정하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 방법.
제10항에 있어서,
개방 회로 전압이 3.4V 이하 또는 3.8V 이상인 영역에서, 상기 적산 전류값을 측정하는, 2차 전지의 충전 상태 측정 방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 전지는, 2종류 이상의 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 양극 활물질을 함유하는 전지인, 2차 전지의 충전 상태 측정 방법.
제15항에 있어서,
상기 2차 전지는, 스피넬 구조를 가지는 리튬 함유 금속 산화물과 층상 구조를 가지는 리튬 함유 금속 산화물을 혼합하여 이루어지는 양극 활물질을 함유하는 2차 전지인, 2차 전지의 충전 상태 측정 방법.