KR20140070471A - 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력 추정 장치 및 방법 - Google Patents

혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력 추정 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 장치는, 적어도 제1양극재 및 제2양극재가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력을 추정하는 장치로서, 서로 다른 복수의 방전율(c-rate) 조건에서 이차 전지를 방전시키는 방전 수단; 상기 복수의 방전율 조건에 대응되는 복수의 방전 종료 전압(Vf)을 측정하는 센서 수단; 및 상기 복수의 방전율과 상기 복수의 방전 종료 전압 사이의 상관 관계를 2 차원의 선형 방정식으로 근사하고, 상기 선형 방정식을 이용하여 방전 하한 전압(Vmin)에 대응되는 이차 전지의 최대 방전율(Cmax)을 계산하고, 계산된 최대 방전율로부터 이차 전지의 최대 출력(Pmax)을 추정하는 제어 수단;을 포함한다.

Description

혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력 추정 장치 및 방법{Apparatus of Estimating Power of Secondary Battery including Blended Cathode Material and Method thereof}
본 발명은 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력을 추정하는 장치와 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2012년 11월 29일자로 출원된 한국 특허출원 번호 10-2012-0137320호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
전지는 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 사람의 손에 휴대할 수 있는 장치; 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치; 신재생 에너지를 통해 발전된 전력이나 잉여 발전 전력을 저장하는데 사용되는 전력 저장 장치; 서버 컴퓨터와 통신용 기지국을 비롯한 각종 정보 통신 장치에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 무정전 전원 공급 장치 등에 이르기까지 사용 영역이 점차 확대되고 있다.
전지는, 3가지의 기본 구성요소를 포함하는데, 이는, 방전되는 동안 전자를 방출하면서 산화되는 물질을 포함하는 음극(anode), 방전되는 동안 전자를 수용하면서 환원되는 물질을 포함하는 양극(cathode), 그리고 음극과 양극 사이에서 이온 이동이 가능하게 하는 전해질이 바로 그것이다.
전지에는 방전된 후에는 재사용이 불가능한 일차 전지와, 전기화학 반응이 적어도 부분적으로는 가역적이어서 반복적인 충전과 방전이 가능한 이차 전지로 분류될 수 있다.
이차 전지로는, 납-산 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-아연 전지, 니켈-철 전지, 은 산화물 전지, 니켈 금속 수화물(hydride) 전지, 아연-망간 산화물 전지, 아연-브로마이드 전지, 금속-공기 전지, 리튬 이차 전지 등이 공지되어 있다. 이들 중에서, 리튬 이차 전지는 다른 이차 전지에 비해 에너지 밀도가 높고 전지 전압이 높으며 보존 수명이 길다는 이유로 상업적으로 가장 큰 관심을 끌고 있다.
리튬 이차 전지는, 양극과 음극에서 리튬 이온의 삽입(intercalation)과 탈리(de-intercalation) 반응이 일어나는 특성이 있다. 즉, 방전이 진행되는 동안에는, 음극에 포함된 음극재로부터 리튬 이온이 탈리된 후 전해질을 통해 양극으로 이동하여 양극에 포함된 양극재에 삽입되고 충전이 진행되는 동안에는 그 반대가 된다.
리튬 이차 전지에 있어서, 양극재로 사용되는 물질이 이차 전지의 성능에 중요한 영향을 미치기 때문에, 고온에서 안정성을 유지하면서도 높은 에너지 용량을 제공할 수 있고, 또한 제조비용이 낮은 양극재를 제공하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 하지만, 아직까지는 어느 하나의 양극재만으로 시장에서 요구하는 성능을 모두 충족시키는 것은 한계가 있다.
한편, 최근들어 화석 연료의 고갈과 대기 오염의 심화로 인해 친환경 에너지에 대한 요구가 급증하고 있다. 이에 따라, 이차 전지로부터 공급되는 전기 에너지를 사용하여 운행이 가능한 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기 구동 자동차의 상용화가 선진국을 중심으로 활발하게 진행되고 있다.
전기구동 자동차의 운행 속도는 이차 전지의 출력에 비례한다. 따라서 전기구동 자동차의 컨트롤 유닛은 이차 전지가 제공할 수 있는 출력이 어느 정도인지 모니터하는 기능을 가진다. 그리고 상기 컨트롤 유닛은 이차 전지가 낼 수 있는 최대 출력의 범위 내에서 전기구동 자동차가 안전하게 구동될 수 있도록 모터를 포함한 각종 구동 장치를 제어한다. 따라서 전기구동 자동차의 주행 성능을 최적화하기 위해서는 이차 전지의 출력을 정확하게 계산할 수 있는 방법이 필요하다.
이차 전지의 출력은 양극재의 전기화학적 물성에 의해 영향을 받는다. 따라서 이차 전지에 포함된 양극재의 종류에 따라 이차 전지가 특이한 전기화학적 거동을 나타낼 수 있다. 이러한 경우, 이차 전지의 출력을 정확하게 추정하는데 더욱 어려움이 따른다.
본 발명은 시장이 요구하는 이차 전지의 성능을 고려하여 2개 이상의 양극재를 브랜딩한 혼합 양극재를 포함하고, 상기 혼합 양극재로 인해 특이한 전기화학적 거동을 나타내는 이차 전지의 출력을 정확하게 추정하는 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 적어도 제1양극재 및 제2양극재가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력을 추정하는 장치로서, 서로 다른 복수의 방전율(c-rate) 조건에서 이차 전지를 방전시키는 방전 수단; 상기 복수의 방전율 조건에 대응되는 복수의 방전 종료 전압(Vf)을 측정하는 센서 수단; 및 상기 복수의 방전율과 상기 복수의 방전 종료 전압 사이의 상관 관계를 2 차원의 선형 방정식으로 근사하고, 상기 선형 방정식을 이용하여 방전 하한 전압(Vmin)에 대응되는 이차 전지의 최대 방전율(Cmax)을 계산하고, 계산된 최대 방전율로부터 이차 전지의 최대 출력(Pmax)을 추정하는 제어 수단;을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 방법은, (a) 적어도 제1양극재 및 제2양극재가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지를 서로 다른 복수의 방전율(c-rate) 조건에서 방전시키는 단계; (b) 상기 복수의 방전율 조건에 대응되는 복수의 방전 종료 전압(Vf)을 측정하는 단계; (c) 상기 복수의 방전율과 상기 복수의 방전 종료 전압 사이의 상관 관계를 2차원의 선형 방정식으로 근사하고, 상기 선형 방정식을 이용하여 방전 하한 전압(Vmin)에 대응되는 이차 전지의 최대 방전율(Cmax)을 계산하는 단계; 및 (d) 상기 계산된 최대 방전율로부터 이차 전지의 최대 출력(Pmax)을 추정하는 단계를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 방전 수단은, 서로 다른 복수의 방전율 조건에서 이차 전지를 일정한 시간 간격을 두고 펄스 방전시킨다.
다른 측면에 따르면, 상기 복수의 방전율 조건은, 이차 전지의 충전 상태(SOC: State Of Charge) 별로 측정한 I-V 프로파일에서 관찰되는 전이 방전율의 최대 값보다 크다.
여기서, 상기 I-V 프로파일은, 충전 상태가 동일한 이차 전지를 서로 다른 크기의 방전율로 일정한 시간 동안 방전시킨 직후에 측정한 이차 전지의 방전 종료 전압(Vf)을 방전율의 변화에 따라 플로팅한 그래프이다.
상기 I-V 프로파일은 충전 상태가 동일한 조건에서 방전율을 변화시켰을 때 이차 전지의 동적 전압(Dynamic voltage)이 얼마나 강하하는지 보여준다. 상기 I-V 측정 프로파일은 보통 기울기가 음수인 일차 함수의 형태를 갖는다.
하지만, 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지는 충전 상태(또는 개방 전압)가 특정한 범위에 속할 때, 상기 I-V 측정 프로파일은 특정한 방전율을 기준으로 프로파일의 기울기가 변한다.
이처럼, I-V 프로파일의 기울기가 변화하는 방전율을 전이 방전율이라고 정의할 수 있으며, 상기 전이 방전율은 이차 전지의 충전 상태(또는 개방 전압)에 의존하여 변화한다. 상기 I-V 측정 프로파일은 이차 전지의 충전 상태 별로 플로팅될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어 수단은, 적어도 2 쌍의 방전율 및 방전 종료 전압을 이용하여 선형 방정식을 근사할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어 수단은, 하기 수학식 1 및 2를 이용하여 이차 전지의 최대 방전율(Cmax)과 최대 출력(Pmax)을 계산한다.
여기서, 상기 최대 방전율은 C-rate 단위로 표시되지만, Ampere 단위로 변환하여 표시할 수도 있음은 자명하다.
<수학식 1>
최대 방전율( C max ) = (선형 방정식의 Y 절편 - 방전 하한 전압)/선형 방정식
기울기의 절대값
<수학식 2>
P max = 최대 방전율( C max )* 방전 하한 전압( V min )
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재들은 전압이 변화함에 따라 이들과 반응하는 작동 이온의 반응 농도가 서로 상이하다.
이러한 경우, 상기 제1 및 제2양극재를 포함하는 이차 전지는, 충전 상태의 변화에 따라 저항 프로파일을 측정하였을 때, 저항 프로파일 상에 convex 패턴을 가지며, convex 패턴의 정점을 전후로 2개의 변곡점이 나타난다.
또한, 상기 제1 및 제2양극재를 포함하는 이차 전지는, 충전 상태의 변화에 따라 개방 전압(OCV: Open Circuit Voltage) 프로파일을 측정하였을 때, 개방 전압 프로파일 상에 적어도 하나의 전압 평탄 영역(plateau)을 갖는다.
여기서, 상기 작동 이온은 혼합 양극재가 포함된 이차 전지가 충전 또는 방전 되는 과정에서 상기 제1 및 제2양극재와 전기 화학적 반응을 하는 이온을 지칭한다.
상기 작동 이온은 이차 전지의 종류에 따라 달라질 수 있다. 일 예로, 리튬 이차 전지인 경우 작동 이온은 리튬 이온일 수 있다.
상기 전기 화학적 반응은 이차 전지의 충전과 방전 과정에서 수반되는 상기 제1 및 제2양극재의 산화 및 환원 반응을 포함하는 것으로서, 이차 전지의 작동 메커니즘에 따라 달라질 수 있다.
일 예시로서, 상기 전기 화학적 반응은 작동 이온이 상기 제1양극재 및/또는 상기 제2양극재의 내부로 삽입되거나 그 반대로 내부로부터 탈리되는 것을 의미할 수 있다.
이러한 경우, 상기 제1 및 제2양극재에 삽입되는 작동 이온의 농도 또는 상기 제1 및 제2양극재로부터 탈리되는 작동 이온의 농도는 이차 전지의 전압이 변함에 따라 달라질 수 있다.
일 예로, 이차 전지가 방전되는 조건에서 어느 전압 대역에서는 상기 제2양극재보다 상기 제1양극재에 작동 이온이 우선적으로 삽입되고 다른 전압 대역에서는 그 반대가 될 수 있다.
다른 예로, 이차 전지가 충전되는 조건에서 어느 전압 대역에서는 상기 제1양극재보다 상기 제2양극재로부터 작동 이온이 우선적으로 탈리되고 다른 전압 대역에서는 그 반대가 될 수 있다.
이하에서는, 이차 전지가 방전될 때, 높은 전압 대역에서는 작동 이온이 상기 제2양극재보다 제1양극재에 우선적으로 삽입되고 낮은 전압 대역에서는 작동 이온이 상기 제1양극재보다 제2양극재에 우선적으로 삽입되는 것으로 설명한다.
이차 전지의 개방 전압은, 이차 전지의 충전 또는 방전이 중단되고 이차 전지가 전기 화학적으로 안정화된 상태에 있을 때 측정한 전압을 의미한다. 상기 개방 전압은 이차 전지의 충전 상태와 1:1의 대응 관계를 가지므로 충전 상태와 균등한 개념이라고 볼 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재로서 사용될 수 있는 물질은 이차 전지의 전압 레벨에 따라서 작동 이온과 반응하는 농도가 차이를 보이는 물질이라면 특별한 제한이 없다.
일 측면에 따르면, 상기 제1양극재는, 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤ 2, -0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물일 수 있다. -
선택적으로, 상기 제1양극재는, US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0=x=1)일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제2양극재는, 일반 화학식 LiaM1 xFe1 - xM2 yP1 - yM3 zO4 -z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 포함하는 할로겐족 원소들로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함; 0 < a ≤ 2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함] 로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1양극재는 Li[LiaNibCocMndO2 +z](a≥0; a+b+c+d=1; b, c 및 d 중 적어도 하나 이상은 0이 아님; 0.1 ≤ z ≤ 2)일 수 있다. 또한, 상기 제2양극재는, LiFePO4, LiMnxFeyPO4(0 < x+y ≤ 1), 및 Li3Fe2(PO4)3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1양극재 및/또는 상기 제2양극재는, 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 탄소층을 포함하거나, Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물층 또는 불화물층을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재의 종류와 혼합 비율은, 제조하고자 하는 이차 전지의 용도와 성능을 고려하되, 방전 저항 프로파일에서 convex 패턴이 나타나거나 개방 전압 프로파일에서 적어도 하나의 전압 평탄 영역이 나타나도록 선택한다.
일 실시예에서, 방전 출력이 좋은 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 5:5로 설정할 수 있다.
다른 실시예에서, 고온 안전성이 좋은 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 2:8로 설정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제조 비용이 저렴한 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 1:9로 설정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 방전 출력이 좋고 고온 안전성이 우수한 이차 전지를 소망하는 경우, [Ni1 /3Mn1 /3Co1 /3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 4:6으로 설정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 무게당 용량이 큰 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 9:1로 설정할 수 있다.
상술한 상기 제1 및 제2양극재의 선택과 혼합 비율의 조절 방식은 일 예시에 지나지 않는다. 따라서 혼합 양극재에 부여하고자 하는 전기화학적 물성들의 상대적 가중치와 밸런스를 고려하여 상기 제1 및 제2양극재를 적절하게 선택하고 각 양극재의 혼합 비율을 적절하게 설정할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명에 있어서, 상기 혼합 양극재에 포함될 수 있는 양극재들의 수는 2 가지로 한정되지 않는다. 일 실시예로서, 상기 혼합 양극재는 3가지의 서로 다른 양극재들을 포함할 수 있으며, 그 예로는 LiMn2O4, Li[LiaNixCoyMnzO2[a≥0; x+y+z=1; x, y 및 z 중 적어도 하나 이상은 0이 아님] 및 LiFePO4가 포함된 혼합 양극재를 들 수 있다. 또 다른 실시예로서, 상기 혼합 양극재는 4가지의 서로 다른 양극재들을 포함할 수 있으며, 그 예로는 LiNiO2, LiMn2O4, Li[LiaNixCoyMnzO2[a≥0; x+y+z=1; x, y 및 z 중 적어도 하나 이상은 0이 아님] 및 LiFePO4포함된 혼합 양극재를 들 수 있다.
또한, 혼합 양극재의 물성 개선을 위해 다른 첨가물들, 예컨대 도전제, 바인더 등이 혼합 양극재에 첨가되는 것을 특별히 제한하지 않는다. 따라서 적어도 2개의 양극재들이 포함된 혼합 양극재라면, 양극재들의 수와 다른 첨가물의 존재 여부와 무관하게 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 이차 전지는 개방 전압을 기준으로 미리 정의된 방전 하한 전압과 방전 상한 전압 사이에서 충전 또는 방전된다. 일 예로, 상기 방전 하한 전압은 2.0~3.0V로, 상기 방전 상한 전압은 4.0~4.6V일 수 있다. 이하, 상기 방전 하한 전압과 상기 방전 상한 전압 사이의 전압 범위를 이차 전지의 사용 전압 범위라고 지칭한다.
여기서, 상기 사용 전압 범위는, 제1양극재 및 제2양극재의 종류와 브랜딩 비율에 따라 달라질 수 있고, 크게 3 가지의 전압 구간, 즉 제1양극재 전압 구간(△V1), 전이 전압 구간(△Vt) 및 제2양극재 전압 구간(△V2)으로 나눌 수 있다.
여기서, 상기 제1양극재 전압 구간(△V1)은, 이차 전지가 방전될 때, 방전율의 크기에 상관 없이 주로 제1양극재에 작동 이온이 삽입되는 전압 구간이다. 또한, 상기 전이 전압 구간(△Vt)은, 이차 전지가 방전될 때, 특정한 방전율(전이 방전율)을 기준으로 작동 이온이 주로 삽입되는 양극재가 제1양극재에서 제2양극재로 변경되는 전압 구간이다. 또한, 상기 제2양극재 전압 구간(△V2)은, 이차 전지가 방전될 때, 방전율의 크기에 상관 없이 주로 제2양극재에 작동 이온이 삽입되는 전압 구간이다.
상기 이차 전지가 펄스 방전될 때 방전율(C-rate)을 증가시키면, 방전 종료 전압(Vf)은 방전율이 증가할수록 감소하게 된다. 즉, 펄스 방전이 되기 전의 이차 전지 개방 전압(OCV0)이 동일하더라도(즉, 충전 상태가 동일하더라도), 방전율이 증가할수록 이차 전지의 방전 종료 전압(Vf)이 감소한다. 방전율이 증가할수록 이차 전지로부터 빠져나가는 에너지가 증가하여 이차 전지의 충전 상태가 낮아지기 때문이다. 그런데, OCV0이 상기 3가지 전압 구간 중 어디에 속하는지 여부에 따라 방전율의 증가에 따른 방전 종료 전압(Vf)의 감소 패턴이 달라질 수 있다.
< Case1 : OCV 0 이 제1양극재 전압 구간(△ V 1 )에 속함>
이차 전지가 펄스 방전될 때 작동 이온이 제1양극재에 주로 삽입되므로 이차 전지의 방전율에 상관 없이 방전 종료 전압(Vf)이 제1양극재의 저항 특성에 의존성을 보이면서 감소한다. 따라서 I-V 프로파일은 방전율의 증가에 따라 방전 종료 전압(Vf)이 음의 기울기를 가지고 선형적으로 감소하는 패턴을 가지며, 제1양극재 전압 구간(△V1) 내에서 OCV0이 낮아질수록 상기 I-V 프로파일은 아래쪽으로 이동한다.
< Case2 : OCV 0 이 전이 전압 구간(△ V t )에 속함>
이차 전지가 펄스 방전될 때 전이 방전율을 기준으로 작동 이온이 주로 삽입되는 양극재의 종류가 제1양극재에서 제2양극재로 변경된다.
설명의 편의를 위해, 상기 전이 방전율보다 크기가 작은 방전율 구간을 제1방전율 구간이라 하고, 상기 전이 방전율 구간보다 크기가 큰 방전율 구간을 제2방전율 구간이라고 명명한다. 그리고, 상기 제1방전율 구간에서 관찰되는 I-V 프로파일을 제1프로파일이라고 하고, 상기 제2방전율 구간에서 관찰되는 I-V 프로파일을 제2프로파일이라고 명명한다.
상기 이차 전지가 펄스 방전될 때, 방전율이 상기 제1방전율 구간에 속하는 경우는, 작동 이온이 상기 Case1과 마찬가지로 제1양극재에 주로 삽입된다. 따라서, 제1방전율 구간에서 관찰되는 제1프로파일은 제1양극재의 저항 특성에 의존하여 감소하는 패턴을 보인다. 하지만, 상기 제1프로파일의 감소 기울기는 상기 Case1의 I-V 프로파일보다 크다. 제1양극재에 삽입된 작동 이온의 량이 증가할수록 제1양극재의 저항이 증가하기 때문이다. 또한, 상기 전이 전압 구간(△Vt) 내에서 OCV0이 낮을수록 상기 제1프로파일의 감소 기울기는 증가한다. 상기 전이 전압 구간(△Vt) 내에서 OCV0이 낮아질수록 제1양극재에 작동 이온이 삽입될 수 있는 용량이 소진되면서 제1양극재의 저항이 더욱 증가하기 때문이다. 여기서, 상기 제1프로파일의 감소 기울기 증가 정도는 제1양극재의 종류에 따라서 달라질 수 있다.
반면, 상기 이차 전지가 방전될 때, 방전율이 상기 제2방전율 구간에 속하는 경우는, 제1양극재에 작동 이온이 삽입될 수 있는 용량이 실질적으로 소진되어 제2양극재에 작동 이온이 삽입되기 시작한다. 따라서 제2방전율 구간에서 관찰되는 제2프로파일은 제2양극재의 저항 특성에 의존성을 보이면서 감소하는 패턴을 가진다. 다만, 상기 제2프로파일의 감소 기울기는 상기 제1프로파일의 감소 기울기보다 작다.
한편, OCV0이 상기 전이 전압 구간(△Vt)의 하한 전압에 해당하고 이차 전지의 방전율이 상기 제2방전율 구간에 속하는 경우, 상기 제2방전율 구간에서 관찰되는 제2프로파일은 하방 경계 프로파일(lower-bounded profile)이라고 부를 수 있다. OCV0이 상기 전이 전압 구간(△Vt)의 하한 전압으로 근접할수록 제2방전율 구간에서 관찰되는 제2프로파일이 상기 하방 경계 프로파일로 수렴하기 때문이다.
또한, 상기 전이 방전율은 일정한 값으로 고정되지 않고, 전이 전압 구간(△Vt) 내에서 이차 전지의 OCV0이 감소함에 따라 함께 감소하는 경향을 갖는다. OCV0이 감소하면 그 만큼 제1양극재에 작동 이온이 삽입될 수 있는 용량이 감소하여 이차 전지가 낮은 방전율로 방전되더라도 제2양극재로 작동 이온이 삽입되기 시작하기 때문이다.
< Case 3: OCV 0 이 제2양극재 전압 구간(△ V 2 )에 속함>
이차 전지가 펄스 방전될 때 방전율의 크기에 상관 없이 작동 이온이 제2양극재에 주로 삽입된다. 따라서, 전체 방전율 구간에 걸쳐서 I-V 프로파일은 일정한 기울기를 가지고 선형적으로 감소하는 패턴을 가지며, 상기 제2양극재 전압 구간 (△V2) 내에서 OCV0이 낮을수록 I-V 프로파일의 감소 기울기는 증가한다. OCV0이 낮아질수록 제2양극재에 작동 이온이 삽입될 수 있는 용량이 소진되면서 제2양극재의 저항이 함께 증가하거나 음극재의 저항이 증가하기 때문이다. 여기서, 상기 감소 기울기의 증가 정도는 제2양극재의 종류에 따라서 달라질 수 있다.
바람직하게, 상기 방전 수단이 이차 전지를 크기가 다른 방전율로 방전을 시킬 때, 각각의 방전율은 상기 전이 방전율보다 크게 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 방전 수단이 이차 전지를 크기가 다른 방전율로 방전을 시킬 때, 각각의 방전율은 상기 전이 방전율의 최대값보다 크게 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 선형 방정식의 근사를 수행할 때 사용되는 방전율과 방전 종료 전압(Vf)에 관한 데이터 쌍을 I-V 데이터라고 정의할 때, 상기 I-V 데이터의 수는 적어도 2개 이상, 바람직하게는 3개 이상일 수 있다.
한편, 이차 전지의 OCV0이 전이 전압 구간(△Vt)에 속할 때, 상기 수학식1 및 2에 의해 계산되는 최대 출력 Pmax는 이차 전지가 낼 수 있는 최대 출력의 하한 값에 해당한다. 따라서 이차 전지가 실제로 낼 수 있는 최대 출력은 계산된 최대 출력(Pmax)보다 크거나 같은 값을 갖는다.
본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 상기 제어 수단과 결합된 표시 수단을 더 포함할 수 있고, 상기 제어 수단은 상기 표시 수단을 통해 상기 추정된 이차 전지의 최대 출력을 출력할 수 있다. 상기 최대 출력은, 숫자, 문자, 그래프 또는 이들의 조합으로 표시될 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 상기 추정된 이차 전지의 최대 출력을 외부의 컨트롤 유닛으로 전송할 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 상기 제어 수단과 결합된 저장 수단을 더 포함할 수 있고, 상기 제어 수단은 상기 복수의 방전율 및 방전 종료 전압(Vf), 및/또는, 상기 근사된 선형 방정식의 기울기 및 Y 절편, 및/또는, 상기 추정된 이차 전지의 최대 출력을 상기 저장 수단에 기록할 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 전기구동 장치에 포함될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 전기 구동 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.
상기 이차 전지는 또한 작동 이온이 포함된 전해질과, 양극과 음극을 전기적으로 분리하고 작동 이온의 이동을 허락하는 분리막을 더 포함할 수 있다.
상기 전해질은 작동 이온을 포함하여 작동 이온을 매개로 양극과 음극에서 전기 화학적인 산화 또는 환원 반응을 일으킬 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
상기 이차 전지는 또한 상기 양극, 음극 및 분리막을 밀봉하는 포장재를 더 포함할 수 있다. 상기 포장재는 화학적으로 안전성을 갖는 것이라면 그 재질에 특별한 제한이 없다.
상기 이차 전지의 외형은 상기 포장재의 구조에 의해 결정된다. 상기 포장재의 구조는 당업계에 공지된 다양한 구조들 중 하나일 수 있는데, 대표적으로 원통형, 각형, 파우치형, 코인형 등의 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지가 특이한 방전 거동을 나타내더라도 이차 전지의 출력을 신뢰성 있게 추정할 수 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 이차 전지가 충전 상태(SOC) 별로 낼 수 있는 최대 출력을 확인하기 위해서 이차 전지에 대해 10 sec 및 5c의 펄스 방전 조건으로 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization) 실험을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 이차 전지를 5c의 방전율로 펄스 방전을 시키면서 충전 상태의 변화에 따라 이차 전지의 내부 저항을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 이차 전지를 5c의 방전율로 펄스 방전을 시키면서 충전 상태의 변화에 따라 이차 전지의 개방 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 이차 전지의 충전 상태를 변화시키면서 이차 전지를 서로 다른 크기의 방전율로 펄스 방전시켰을 때 방전 종료 전압(Vf)의 변화 패턴을 측정하여 기록한 I-V 프로파일들을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치에 관한 구성을 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 추정 방법에 관한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예들은, 본 발명의 기술적 사상이 리튬 이차 전지에 적용된 경우에 관한 것이다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다. 상기 작동 이온은 이차 전지가 충전 또는 방전되는 과정에서 전기 화학적인 산화 및 환원 반응에 참여하는 이온을 의미하는 것으로, 예를 들어 리튬 이온이 이에 해당될 수 있다. 따라서 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차 전지를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석될 수 있다.
또한, 본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
일부 실시 예들에서, 리튬 이차 전지라는 용어 대신 이차 전지라는 용어를 사용할 경우 해당 실시 예에서의 이차 전지는 다양한 종류의 이차 전지를 포함하는 개념으로 사용되었음을 밝혀둔다.
또한, 이차 전지는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 이차 전지는 음극, 전해질 및 양극을 기본 단위로 하는 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.
본 발명의 실시 예에서, 이차 전지는 제1양극재 및 제2양극재로서 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC 양극재) 및 LiFePO4(LFP 양극재)를 포함한다. 상기 NMC 양극재와 상기 LFP 양극재의 혼합 비율은 7:3(중량비)이다. 이차 전지에 포함된 음극재는 그라파이트이고, 전해질로는 EC(ethylene carbonate): DMC(dimethyl carbonate): EMC(ethyl methyl carbonate)가 3:4:3(중량비) 비율로 혼합된 용매에 리튬염 LiPF6가 첨가된 전해액이다. 분리막으로는, 다공성 폴리올레핀 기재의 표면에 무기물 입자를 코팅한 것을 사용하였다. 이차 전지는 파우치형 이차 전지로 제작되었으며, 43.05Ah의 용량을 갖는다. 이차 전지는 개방전압을 기준으로 2.6 내지 4.2V 범위에서 충전 및 방전이 가능하도록 제작되었다.
도 1은 이차 전지가 충전 상태(SOC) 별로 낼 수 있는 최대 출력을 확인하기 위해서 이차 전지에 대해 10 sec 및 5c의 펄스 방전 조건으로 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization) 실험을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
이차 전지의 최대 출력은 아래의 수학식 3을 이용하여 계산하였다. 수학식 3에 있어서, Vmin은 이차 전지의 방전 하한 전압(=2.6V)을, OCV0은 이차 전지가 펄스 방전 되기 전의 개방 전압을, Vf은 펄스 방전이 끝난 직후에 측정한 이차 전지의 동적 전압(dynamic voltage)을, Rdis는 이차 전지가 방전되는 동안 관찰된 전압 감소량으로부터 계산할 수 있는 이차 전지의 내부 저항을, Cdis는 방전율(5c)을 나타낸다.
<수학식 3>
Pmax = Vmin*(OCV0 - Vmin)/ Rdis
Rdis = (OCV0 - Vf)/Cdis
도 1을 참조하면, 이차 전지의 최대 출력(Pmax)은 충전 상태에 따라 선형적으로 감소하다가 충전 상태가 대략 15-40%일 때 Dip 패턴(점선 박스 참조)을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이하, Dip 패턴이 생기는 충전 상태 구간을 전이 상태 구간이라고 명명한다.
한편, 전이 상태 구간에서 ■ 로 표시된 점선 프로파일은 수학식 2를 사용하지 않고 CP(Constant Power) 방전 실험을 통해 실제 측정한 이차 전지의 최대 출력을 나타낸다.
Dip 패턴 근처에서, 실선 및 점선 프로파일을 비교하면, 수학식 3을 사용하여 계산한 이차 전지의 최대 출력은 실측된 최대 출력과 상당한 오차를 보이는 것을 확인할 수 있다. 즉, 수학식 3을 이용하여 계산된 최대 출력이 실측된 최대 출력보다 작다.
이처럼, 이차 전지가 전이 상태 구간에서 방전이 될 때 최대 출력의 오차가 생기는 이유는 이차 전지의 저항 특성이 상기 전이 상태 구간에서 급격하게 변화되기 때문이다.
도 2 및 도 3은 이차 전지를 5c의 방전율로 펄스 방전을 시키면서 충전 상태의 변화에 따라 이차 전지의 내부 저항과 개방 전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 2를 참조하면, 전이 상태 구간에서 이차 전지의 내부 저항이 국소적으로 증가하였다가 감소하는 convex 패턴이 나타나고, convex 패턴의 정점을 전후로 2개의 변곡점(점선 원 참조)이 생기는 것을 관찰할 수 있다.
도 3을 참조하면, 전이 상태 구간에서 변곡점이 포함된 전압 평탄 구간(점선 박스 참조)을 관찰할 수 있다. 여기서, 전압 평탄 구간이라 함은 변곡점을 기준으로 하여 전압의 변화가 작은 프로파일 부분을 의미한다.
이처럼, 내부 저항 및 개방 전압 프로파일에서 Convex 패턴과 전압 평탄 구간이 관찰되는 이유는, 이차 전지가 방전될 때 리튬 이온이 삽입되는 양극재의 종류가 NMC 양극재에서 LFP 양극재로 변경되면서 이차 전지의 내부 저항에 기여하는 양극재의 종류가 달라지기 때문이다.
즉, 전이 상태 구간보다 큰 충전 상태 구간에서 이차 전지가 방전되면 주로 NMC 양극재에 리튬 이온이 삽입되며, NMC 양극재에 삽입된 리튬 이온의 량이 증가할수록 이차 전지의 개방 전압은 낮아진다. 반면, 전이 상태 구간보다 낮은 충전 상태 구간에서 이차 전지가 방전되면 주로 LFP 양극재에 리튬 이온이 삽입되며, LFP 양극재에 삽입된 리튬 이온의 량이 증가할수록 이차 전지의 개방 전압은 낮아진다. 그리고, 이차 전지가 전이 상태 구간에서 방전될 때에는 리튬 이온이 주로 삽입되는 양극재의 종류가 NMC 양극재에서 LFP 양극재로 변경된다. 이러한 양극재의 종류 변경은, 도 3에 나타낸 개방 전압 프로파일에서, 변곡점이 생기는 개방 전압(3.2V) 부근의 충전 상태에서 이차 전지가 방전될 때 이루어진다.
한편, 도 2에 나타낸 내부 저항의 convex 패턴을 더 구체적으로 관찰하면, 이차 전지의 내부 저항이 갑자기 증가하는 충전 상태 구간(정점 오른쪽)과, 이와는 반대로 이차 전지의 내부 저항이 다시 낮아지는 충전 상태 구간(정점 왼쪽)을 확인할 수 있다.
여기서, 이차 전지의 내부 저항이 갑자기 증가하는 이유는, NMC 양극재가 리튬 이온을 받아들일 수 있는 용량의 대부분을 소진하면서 NMC 양극재의 저항이 갑자기 증가하기 때문이다.
또한, 이차 전지의 내부 저항이 다시 낮아지는 이유는, LFP 양극재로 리튬 이온이 삽입되기 시작하면서 LFP 양극재의 낮은 저항 특성이 이차 전지의 내부 저항으로서 나타나기 때문이다.
나아가, 이차 전지가 전이 상태 구간보다 낮은 충전 상태 구간에서 방전될 경우 충전 상태가 낮아질수록 이차 전지의 내부 저항이 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 내부 저항의 증가는 음극재(그라파이트)로 사용된 물질의 저항이 전이 상태 구간 이하에서 증가한다는 점에서 그 원인을 찾을 수 있다.
도 4는 이차 전지의 충전 상태를 변화시키면서 이차 전지를 서로 다른 크기의 방전율로 펄스 방전시켰을 때 방전 종료 전압(Vf)의 변화 패턴을 측정하여 기록한 I-V 프로파일들을 나타낸 그래프이다. 도 4에 나타낸 그래프의 가로축은 이차 전지의 방전율(c-rate)이고, 세로축은 이차 전지의 방전 종료 전압(Vf)이다. 세로축에는, 이차 전지의 사용 전압 범위가 2.60-4.20V인 점을 감안하여, 전체 사용 전압 범위를 표시하였다. 물론, 이차 전지의 사용 전압 범위는 제1양극재 및 제2양극재의 종류와 브랜딩 비율에 따라서 달라질 수 있다.
여기서, 방전 종료 전압(Vf)은 10초 동안 이차 전지를 펄스 방전시킨 직후에 측정한 이차 전지의 동적 전압을 의미한다. 그리고, 이차 전지를 다수의 방전율 조건에서 펄스 방전을 시킬 때, 펄스 방전이 시작되기 전의 이차 전지 개방 전압(OCV0)은 동일하게 설정하였다. 따라서 동일한 프로파일 상에 있는 복수의 점들은 충전 상태가 동일한 조건에서 서로 다른 방전율로 펄스 방전되었을 때의 방전 종료 전압(Vf)에 대한 측정 결과를 나타낸다.
도 4에 있어서, 각각의 프로파일이 Y축과 교차하는 점은 펄스 방전이 시작되기 전의 이차 전지 개방 전압(OCV0)을 나타낸다. 예를 들어, 충전 상태 100%에 해당하는 I-V 프로파일(①)은, OCV0이 4.20V인 이차 전지를 각각 5c 및 10c의 방전율 조건에서 10초 동안 방전을 했을 때, 방전 종료 전압(Vf)이 어떻게 변화되는지를 보여준다.
도 4의 세로축에 나타낸 사용 전압 범위는, 크게 제1전압 구간(△V1), 전이 전압 구간(△Vt) 및 제2전압 구간(△V2)으로 나눌 수 있다.
Y 절편(즉, OCV0)이 제1전압 구간(△V1)과 제2전압 구간(△V2)에 속하는 I-V 프로파일은 일정한 기울기로 방전 종료 전압(Vf)이 감소하는 패턴을 가진다. 반면, Y 절편(즉, OCV0)이 전이 전압 구간(△Vt)에 속하는 프로파일은 방전 종료 전압(Vf)이 감소하는 기울기가 변화되는 패턴을 가진다.
먼저, 이차 전지의 OCV0이 제1전압 구간(△V1)에 속할 때 이차 전지가 펄스 방전되면, 작동 이온이 NMC 양극재에 주로 삽입된다. 따라서 이차 전지의 방전율에 상관 없이 방전 종료 전압(Vf)이 NMC 양극재의 저항 특성에 의존성을 보이면서 감소한다. 따라서 I-V 프로파일들(① 내지 ⑤)은 방전율의 증가에 따라 일정한 기울기를 가지고 선형적으로 감소하는 패턴을 가지며, 제1전압 구간(△V1) 내에서 OCV0이 낮아질수록 I-V 프로파일은 아래쪽으로 이동한다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 이차 전지의 OCV0이 전이 전압 구간(△Vt)에 속할 때 이차 전지가 펄스 방전되면, 전이 방전율(C1-C4)을 기준으로 작동 이온이 삽입되는 양극재의 종류가 NMC 양극재에서 LFP 양극재로 변경된다. 여기서, 전이 방전율(C1-C4)은 도 3에 도시된 개방 전압 프로파일에서 전압 평탄 구간이 나타내는 개방 전압(약 3.2V)을 Y 절편으로 하는 수평 직선(A)과 I-V 프로파일들(⑥-⑨)이 교차하는 지점의 방전율을 의미한다. 상기 전이 방전율(C1-C4)은 이차 전지의 OCV0이 낮을수록 좌측으로 쉬프트된다. OCV0이 감소하면 그 만큼 NMC 양극재에 작동 이온이 삽입될 수 있는 용량이 감소하여 이차 전지가 낮은 방전율로 방전되더라도 LFP 양극재로 작동 이온이 삽입되기 때문이다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 상기 전이 방전율보다 크기가 작은 방전율 구간을 제1방전율 구간이라 하고, 상기 전이 방전율보다 크기가 큰 방전율 구간을 제2방전율 구간이라고 명명한다. 그리고, 상기 제1방전율 구간에서 관찰되는 I-V 프로파일을 제1프로파일(B)이라고 하고, 상기 제2방전율 구간에서 관찰되는 I-V 로파일을 제2프로파일(D)이라고 명명한다.
상기 이차 전지가 펄스 방전될 때, 방전율이 상기 제1방전율 구간에 속하는 경우는, 작동 이온이 여전히 NMC 양극재에 삽입된다. 따라서, 제1방전율 구간에서 관찰되는 제1프로파일(B)은 NMC 양극재의 저항 특성에 의존하여 감소하는 패턴을 보인다. 그리고, 상기 제1프로파일(B)의 감소 기울기는 I-V 프로파일(①-⑤)보다 크다. NMC 양극재에 삽입된 작동 이온의 량이 증가할수록 NMC 양극재의 저항이 증가하기 때문이다. 또한, 상기 전이 전압 구간(△Vt) 내에서 OCV0이 낮을수록 상기 제1프로파일(B)의 감소 기울기는 증가한다. 상기 전이 전압 구간(△Vt) 내에서 OCV0이 낮아질수록 NMC 양극재에 작동 이온이 삽입될 수 있는 용량이 소진되면서 NMC 양극재의 저항이 더욱 증가하기 때문이다. 물론, 상기 제1프로파일(B)의 감소 기울기 증가 정도는 제1양극재의 종류에 따라서 달라질 수 있다.
반면, 상기 이차 전지가 방전될 때, 방전율이 상기 제2방전율 구간에 속하는 경우는, NMC 양극재에 작동 이온이 삽입될 수 있는 용량이 실질적으로 소진되어 LFP 양극재에 작동 이온이 삽입되기 시작한다. 따라서 제2방전율 구간에서 관찰되는 제2프로파일(D)은 LFP 양극재의 저항 특성에 의존성을 보이면서 감소하는 패턴을 가진다. 다만, 상기 제2프로파일(D)의 감소 기울기는 상기 제1프로파일(B)의 감소 기울기보다 작다.
한편, OCV0이 상기 전이 전압 구간(△Vt)의 하한 전압(3.2V 근처)에 해당하고 이차 전지의 방전율이 상기 제2방전율 구간에 속하는 경우, 상기 제2방전율 구간에서 관찰되는 I-V 프로파일(E)은 하방 경계 프로파일(lower-bounded profile)이라고 부를 수 있다. OCV0이 상기 전이 전압 구간(△Vt)의 하한 전압으로 근접할수록 제2방전율 구간에서 관찰되는 I-V 프로파일이 상기 하방 경계 프로파일로 수렴하기 때문이다.
다음으로, 이차 전지의 OCV0이 제2전압 구간(△V2)에 속할 때 이차 전지가 펄스 방전되면, 방전율의 크기에 상관 없이 작동 이온이 LFP 양극재에 주로 삽입된다. 따라서, 전체 방전율 구간에 걸쳐서 I-V 프로파일(⑩ 및 ⑪)은 일정한 기울기를 가지고 선형적으로 감소하는 패턴을 가지며, I-V 프로파일(⑩ 및 ⑪)의 기울기는 상기 제2전압 구간 (△V2) 내에서 OCV0이 낮아질수록 증가한다. OCV0이 낮아질수록 음극재로 사용된 물질의 저항이 증가하여 이차 전지의 내부 저항이 증가하기 때문이다.
도 4에 나타낸 I-V 프로파일은 이차 전지의 전압이 방전율의 크기에 따라 어떻게 변화하는지를 보여주므로, I-V 프로파일의 기울기는 실질적으로 이차 전지의 내부 저항에 해당한다.
I-V 프로파일들 ①-⑤와 ⑩-⑪은 기울기가 일정하므로, 이차 전지의 방전율이 변화하여도 이차 전지의 내부 저항은 일정하다고 볼 수 있다. 반면, I-V 프로파일들 ⑥-⑨은 이차 전지의 방전율이 증가함에 따라 기울기가 감소하다가 하방 경계 프로파일(E)로 수렴한다. 따라서 이차 전지의 OCV0이 전이 전압 구간(△Vt)에 속할 때 이차 전지를 방전시키면 방전율이 증가할수록 이차 전지의 내부 저항이 서서히 감소하다가 일정한 값으로 수렴한다고 볼 수 있다.
이차 전지의 최대 출력은, 이차 전지를 방전 하한 전압(2.6V)까지 떨어지게 만드는 최대 방전율(Cmax)과 방전 하한 전압(Vmin)의 곱셈 연산에 의해 산출할 수 있다.
상기 최대 방전율(Cmax)은 도 4에 나타낸 프로파일들을 X 축 방향으로 연장하였을 때 X 축과 만나는 지점의 방전율(즉, X축 교차 방전율)에 해당한다.
상기 X축 교차 방전율(Cmax)은 상술한 수학식 3의 (OCV0 - Vmin)/Rdis에 해당하는데, 분모의 Rdis는 이차 전지가 방전될 때 방전율과 방전 종료 전압(Vf)을 샘플링하면 수식 (OCV0 - Vf)/Cdis을 사용하여 실시간 계산이 가능하다.
이차 전지의 OCV0이 제1전압 구간(△V1) 또는 제2전압 구간(△V2)에 속할 때에는, 이차 전지의 방전 종료 전압(Vf)이 방전율의 크기와 상관 없이 일정한 기울기를 가지고 감소하기 때문에 수학식 3을 이용하여 이차 전지의 최대 출력을 실시간으로 추정하더라도 실측되는 최대 출력과 오차를 보이지 않는다. 하지만, 이차 전지의 OCV0이 전이 전압 구간(△Vt)에 속할 때 수학식 3을 이용하여 최대 출력을 추정하면 실측되는 최대 출력과 오차를 보이게 된다.
예를 들어, OCV0이 3.55V인 이차 전지를 방전하면 방전율의 크기에 따라 방전 종료 전압(Vf)은 I-V 프로파일 ⑨번을 따라서 변화한다. 그리고, I-V 프로파일 ⑨를 X 축으로 연장시켜 X축 교차 방전율(Cmax)을 구하면 약 14c의 정도의 방전율을 얻을 수 있고 실측되는 최대 방전율과 실질적으로 동일하다. 그런데, 이차 전지를 2c의 방전율로 방전을 하고 그 때 측정된 방전 종료 전압(Vf)으로 이차 전지의 내부 저항 Rdis를 계산하고, 수식 (OCV0 - Vmin)/ Rdis에 의해 최대 방전율을 구하면, 그 값은 직선 F를 X 축으로 연장하였을 때 X 축과 만나는 지점의 방전율(약 5c)에 해당하고 그 값은 I-V 프로파일 ⑨가 X축과 만나는 지점의 최대 방전율 14c보다 상당히 작다. 따라서 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 OCV0이 전이 전압 구간(△Vt)에 속할 때 수학식 3을 이용하여 실시간으로 산출된 최대 방전율을 이용하여 최대 출력을 추정하면 실제의 최대 출력보다 낮게 추정되는 문제가 있다. 그러므로, 이차 전지의 OCV0이 전이 전압 구간(△Vt)에 속할 경우, 이차 전지의 최대 출력을 추정할 수 있는 새로운 방안이 요구된다.
본 출원의 발명자는, 이차 전지의 OCV0이 전이 전압 구간(△Vt)에 속할 때 제2방전율 구간에서 관찰되는 제2프로파일(D)이 하방 경계 프로파일(E)로 수렴한다는 점, 제2프로파일(D)의 X 축 교차 방전율(Cmax)은 실측되는 이차 전지의 최대 방전율과 실질적으로 동일하다는 점, 그리고 제2프로파일(D)의 X 축 교차 방전율은 하방 경계 프로파일(E)이 X 축과 교차하는 지점의 방전율(C* max)로 근사적으로 수렴한다는 사실에 주목하였다.
본 출원의 발명자는, 또한, 이차 전지의 최대 출력을 실시간으로 추정함에 있어서, 충분히 크기가 큰 복수의 방전율(c)에서 복수의 방전 종료 전압(Vf)을 샘플링하고, 샘플링된 데이터를 이용하여 2차원 선형 방정식 "Vf = -Rdis*c + OCV0"로 근사화된 프로파일을 얻고, 상기 선형 방정식의 Y 절편 OCV0와 기울기 Rdis, 그리고 이차 전지의 방전 하한 전압 Vmin 이용하여 수식 Cmax=(OCV0 - Vmin)/ Rdis에 의해 이차 전지의 최대 방전율(Cmax)을 얻고, 수식 Pmax = Cmax*Vmin에 의해 이차 전지의 최대 출력(Pmax)을 추정하면 오차를 최소화할 수 있다는 것을 확인하였다.
이하에서는, 상술한 종래의 문제점과 새로운 실험적 사실의 발견을 기초로 안출된 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치에 관하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치(100)는, 방전 수단(110), 센서 수단(120) 및 제어수단(130)을 포함한다.
상기 장치(100)는, 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지(140)의 최대 출력을 추정하기 위해 이차 전지(140)와 부하(150) 사이에 연결될 수 있다.
상기 이차 전지(140)는 리튬 이차 전지일 수 있으나, 본 발명이 전지의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 이차 전지(140)는 전기 에너지로 동작이 가능한 다양한 종류의 전기구동 장치에 탑재될 수 있고, 상기 전기구동 장치는 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 실시예에서, 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 실시예에서, 상기 전기구동 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 실시예에서, 상기 전기구동 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.
상기 부하(150)는 각종 전기구동 장치에 포함된 것으로서, 상기 이차 전지(140)가 방전될 때 공급되는 전기 에너지에 의해 작동되는 상기 전기구동 장치 내에 포함된 에너지 소모 장치를 의미한다. 상기 부하(150)는 비제한적인 예시로서 모터와 같은 회전 동력 장치, 인버터와 같은 전력 변환 장치 등이 될 수 있는데, 본 발명이 부하의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 방전 수단(110)은, 상기 제어 수단(130)의 제어하여 시간 간격을 두고 방전율(C-rate)이 다른 복수의 방전 전류로 이차 전지(140)를 펄스 방전시킨다. 여기서, 방전율은 적어도 2개 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 펄스 방전 시간과 방전 휴지 시간은 임의로 설정할 수 있다. 일 예로, 상기 펄스 방전 시간과 방전 휴지 시간은 각각 10초로 설정할 수 있다. 상기 방전 수단(110)은 이차 전지(140)의 방전율을 조절하기 위한 제어 신호를 상기 제어 수단(130)으로부터 수신할 수 있다. 상기 제어 신호가 수신되면, 상기 방전 수단(110)은 이차 전지(140)의 방전율을 한 값에서 다른 값으로 변경시킨다.
상기 방전 수단(110)이 이차 전지(140)를 방전시킬 때 적용되는 방전율 조건은 충분히 큰 것이 바람직하다. 일 예로서, 상기 방전율 조건은 이차 전지(140)에 대한 I-V 프로파일에서 관찰되는 전이 방전율의 최대값보다 크게 설정한다.
비제한적인 예시로서, 혼합 양극재가 LMC 양극재와 LFP 양극재를 7:3(중량비)의 비율로 포함하고 있을 때, 상기 방전율 조건은 5c 이상인 것이 바람직하다(도 4 참조).
비제한적인 예시로서, 상기 방전율 조건이 5c 이상일 때, 상기 방전율 조건은 6c 및 8c(2가지), 또는 6c, 8c 및 10c(3가지)로 설정할 수 있다.
상기 방전 수단(110)은, 일 예로, 부하(150)로 공급되는 부하 전류의 크기를 가변적으로 제어하는 수단일 수 있다. 부하 전류의 크기를 제어하는 수단은, 공지의 회로를 통해 쉽게 구현이 가능하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
다른 예로, 상기 방전 수단(110)은 방전 회로를 포함하여 서로 다른 크기의 방전율로 이차 전지(140를 강제 방전시키는 수단일 수 있다.
후자의 경우, 상기 방전 회로는 다수의 저항 성분을 포함할 수 있고, 상기 방전 수단(110)은 저항 성분의 선택적 연결을 통해 방전 전류의 방전율을 제어할 수 있다.
상기 센서 수단(120)은, 상기 제어 수단(130)의 제어 하에, 각각의 펄스 방전이 종료되었을 때, 이차 전지의 방전 종료 전압(Vf)을 측정한다. 바람직하게, 상기 센서 수단(120)은 이차 전지(140)의 양극과 음극 사이에 형성되는 전압을 측정할 수 있는 전압 측정 회로를 포함한다.
상기 방전 종료 전압(Vf)은 펄스 방전의 인가가 종료된 시점에서 측정된 이차 전지의 동적 전압을 의미한다. 만약, 방전율 조건이 n개로 설정되었다면, 상기 측정되는 방전 종료 전압(Vf)의 수 또한 n개가 된다.
상기 센서 수단(120)은 상기 측정된 방전 종료 전압(Vf)을 상기 제어 수단(130)으로 출력할 수 있다. 상기 센서 수단(120)은 방전 종료 전압(Vf)을 측정하기 위한 제어 신호를 상기 제어 수단(130)으로부터 수신할 수 있다. 상기 제어 신호가 수신되면, 상기 센서 수단(120)은 방전 종료 전압(Vf)을 측정하여 제어 수단(130)으로 출력한다.
상기 제어 수단(130)은, 상기 방전 수단(110)과 상기 센서 수단(120)을 제어함으로써 복수의 방전율 조건에서 측정된 복수의 방전 종료 전압(Vf)을 획득한다.
또한, 상기 제어 수단(130)은, 상기 복수의 방전율(c) 및 이에 대응되는 복수의 상기 방전 종료 전압(Vf)을 2차원 선형 방정식 Vf=-Rdis*c + OCV0로 근사한다. 상기 선형 방정식에서, 방전율(c) 및 방전 종료 전압(Vf)이 입력 및 출력 변수이고, -Rdis 및 OCV0은 각각 기울기 및 Y 절편이다.
또한, 상기 제어 수단(130)은, 상기 선형 방정식을 이용하여 방전율이 0일 때의 개방 전압(OCV0)을 외삽(interpolation)한다. 여기서, 개방 전압(OCV0)은 이차 전지(140)가 펄스 방전되기 전의 전압으로서 실질적으로 무부하 상태의 개방 전압을 의미한다.
또한, 상기 제어 수단(130)은, 방전 하한 전압(Vmin)을 기준으로 상기 개방 전압(OCV0)의 옵셋(OCV0-Vmin)을 구하고, 상기 옵셋과 상기 선형 방정식의 기울기(Rdis)를 이용하여 이차 전지의 최대 방전율(Cmax)를 계산한다. 여기서, 상기 최대 방전율(Cmax)은 이차 전지(140)의 전압을 방전 하한 전압(Vmin)까지 떨어뜨리는 방전율을 의미한다. 그런 다음, 상기 제어 수단(130)은 계산된 최대 방전율(Cmax)과 방전 하한 전압(Vmin)을 이용하여 이차 전지의 최대 출력(Cmax*Vmin)을 추정한다.
상기 이차 전지의 출력 추정 장치(100)는, 저장 수단(160)을 더 포함할 수 있다. 상기 저장 수단(160)은 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 예시로서, 상기 저장 수단(160)은, RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다.
상기 저장 수단(160)은 또한 상기 제어 수단(130)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 상기 제어 수단(130)과 연결될 수 있다.
상기 저장 수단(160)은 또한 상기 제어 수단(130)이 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 상기 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송한다.
상기 저장 수단(160)은 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 상기 제어 수단(130) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
상기 저장 수단(160)은, 크기가 다른 방전율 조건에 관한 데이터, 상기 센서 수단(120)에 의해 측정된 다수의 방전 종료 전압(Vf)에 관한 데이터, 2차원 선형 방정식의 기울기 및 Y 절편 데이터와 방전 하한 전압(Vmin)에 관한 데이터, 계산된 최대 방전율과 최대 출력에 관한 데이터를 포함할 수 있다.
상기 제어 수단(130)은, 다양한 제어 로직들 및/또는 계산 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, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어 수단(130)은 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 저장 수단(160)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
상기 이차 전지의 출력 추정 장치(100)는, 또한 표시 수단(150)을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 상기 표시 수단(150)은 상기 제어 수단(130)이 추정한 이차 전지(140)의 최대 출력에 관한 정보를 그래픽 인터페이스로 표시할 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 표시 수단(150)은 액정 디스플레이, LED 디스플레이, OLED 디스플레이, E-INK 디스플레이, 플렉서블 디스플레이 등일 수 있다. 상기 표시 수단(150)은 상기 제어 수단(130)과 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 후자의 방식이 채택될 때, 상기 표시 수단(150)은 상기 제어 수단(130)이 위치하는 영역과 물리적으로 분리된 영역에 위치할 수 있다. 그리고 상기 표시 수단(150)과 상기 제어 수단(130) 사이에 제3의 제어 수단(미도시)이 개재되어 상기 제3의 제어 수단이 상기 제어 수단(130)으로부터 표시 수단(150)에 표출할 정보를 제공 받아 표시 수단(150)에 표출할 수 있다. 이를 위해, 상기 제3의 제어 수단과 상기 제어 수단(130)이 통신 선로에 의해 연결될 수 있다.
상기 표시 수단(150)은 반드시 본 발명에 따른 장치 내부에 포함될 필요는 없으며, 본 발명에 따른 장치와 연결된 다른 장치에 포함된 것일 수 있다. 이러한 경우, 상기 표시 수단(150)과 상기 제어 수단(130)은 직접적으로 연결되지 않으며, 상기 다른 장치에 포함된 제어 수단을 매개로 상기 표시 수단(150)과 간접적으로 연결된다. 따라서 상기 표시 수단(150)과 상기 제어 수단(130)의 전기적 연결은 이러한 간접 연결 방식도 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
상기 제어 수단(130)은 외부의 제어 장치와 통신 인터페이스를 형성할 수 있다. 그리고, 상기 통신 인터페이스를 통해서 상기 외부의 제어 수단으로 이차 전지의 최대 방전율 및/또는 최대 출력에 관한 데이터를 전송할 수 있다. 상기 외부의 제어 수단은, 부하(150)가 장착된 장치의 제어 수단일 수 있다. 일 예로, 이차 전지(140)가 전기 자동차에 탑재되어 있는 경우, 상기 제어 수단(130)은 이차 전지(140)의 최대 방전율 및/또는 최대 출력에 관한 데이터를 전기 자동차의 구동 메카니즘을 통합적으로 제어하는 컨트롤 유닛으로 상기 최대 방전율 및/또는 최대 출력을 전송할 수 있다. 그러면, 상기 컨트롤 유닛은 전송 받은 최대 방전율 및/또는 최대 출력을 이용하여 이차 전지(140)의 방전 효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '수단'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.
상기 제어 수단(130)의 다양한 제어 로직들 및/또는 계산 로직들은 적어도 하나 이상이 선택적으로 조합됨으로써 그 자체로서 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 방법의 일 실시 양태가 될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 최대 출력 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 단계 S10에서, 상기 제어 수단(130)은 상기 저장 수단(160)으로부터 이차 전지의 최대 출력을 추정하는데 필요한 제어 로직을 읽고 실행한다.
이어서, 단계 S20에서, 상기 제어 수단(130)은 출력을 추정할 수 있는 조건이 충족되었는지 판단한다. 여기서, 추정 조건은, 이차 전지가 일정 시간(예: 수십초에서 수분) 이상 무부하 상태로 유지되었을 것이라는 조건을 포함할 수 있다. 선택적으로, 단계 S20은 생략이 가능하다.
단계 S20에서, 추정 조건이 충족되었다고 판단되면, 제어 수단(130)은 프로세스를 단계 S30으로 이행한다. 반면, S20에서, 추정 조건이 충족되지 않았다고 판단되면, 프로세스를 단계 S20으로 이행한다.
단계 S30에서, 제어 수단(130)은 방전 수단(110)과 센서 수단(120)을 제어하여 크기가 다른 복수의 방전율 조건에서 이차 전지(140)를 펄스 방전시켜 각각의 방전율 조건 별로 이차 전지의 방전 종료 전압(Vf)을 획득한다.
여기서, 하나의 방전율 조건과 이에 대응되는 방전 종료 전압(Vf)은 I-V 데이터를 구성한다. 따라서, 이차 전지(140)가 3개의 서로 다른 방전율 조건에서 펄스 방전되었다면, 상기 제어 수단(130)은 3개의 I-V 데이터를 획득한다.
상기 복수의 방전율 조건은 충분히 큰 것이 바람직하다. 일 예로서, 상기 복수의 방전율 조건은 이차 전지(140)에 대한 I-V 프로파일에서 관찰되는 전이 방전율의 최대값보다 큰 것이 바람직하다.
단계 S40에서, 제어 수단(130)은 단계 S30에서 획득한 복수의 I-V 데이터를 저장 수단(160)에 기록한다. 그런 다음, 단계 S50에서, 상기 제어 수단(130)은 복수의 I-V 데이터를 이용하여 방전율(c)과 방전 종료 전압(Vf)의 상관 관계를 정의한 선형 방정식 "Vf = -Rdis*c + OCV0"을 근사적으로 산출한다.
이어서, 단계 S60에서, 제어 수단(130)은 상기 선형 방정식으로부터 방전율이 0일 때의 개방 전압(OCV0)을 계산하고, 방전 하한 전압(Vmin)을 기준으로 개방 전압(OCV0)의 옵셋을 산출한다.
그런 다음, 단계 S70에서, 제어 수단(130)은 상기 옵셋 값과 상기 선형 방정식의 기울기(Rdis)를 이용하여 이차 전지의 최대 방전율(Cmax)을 계산한다. 그 다음, 단계 S80에서, 제어 수단(130)은 최대 방전율(Cmax)과 방전 하한 전압(Vmin)을 이용하여 이차 전지(140)의 최대 출력(Cmax*Vmin)을 추정한다.
한편, 상기 제어 수단(130)은, 선택적으로, 단계 S90 및/또는 S100 및/또는 S110을 수행할 수 있다. 즉, 상기 제어 수단(130)은, 단계 S90에서, 추정된 이차 전지(140)의 최대 출력을 저장 수단(160)에 기록할 수 있다. 또한, 상기 제어 수단(130)은, 단계 S100에서, 추정된 이차 전지(140)의 최대 출력을 표시 수단(150)을 통하여 그래픽 인터페이스로 출력할 수 있다. 또한, 상기 제어 수단(130)은 추정된 이차 전지(140)의 최대 출력을 외부의 컨트롤 유닛으로 전송할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제어 수단(130)의 다양한 제어 로직들 및/또는 계산 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.
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 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (22)

  1. 적어도 제1양극재 및 제2양극재가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지를 서로 다른 복수의 방전율 조건에서 방전시키는 방전 수단;
    상기 복수의 방전율 조건에 대응되는 복수의 방전 종료 전압을 측정하는 센서 수단; 및
    상기 복수의 방전율과 상기 복수의 방전 종료 전압 사이의 상관 관계를 2차원의 선형 방정식으로 근사하고, 상기 선형 방정식을 이용하여 방전 하한 전압에 대응되는 이차 전지의 최대 방전율을 계산하고, 계산된 최대 방전율로부터 이차 전지의 최대 출력을 추정하는 제어 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전 수단은, 서로 다른 복수의 방전율 조건에서 이차 전지를 펄스 방전시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1양극재 및 제2양극재의 종류 및 브랜딩 비율은, 상기 이차 전지의 방전 저항 프로파일이 convex 패턴을 갖도록 설정된 것임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1양극재 및 제2양극재의 종류 및 브랜딩 비율은, 상기 이차 전지의 개방 전압 프로파일이 적어도 하나의 전압 평탄 영역을 갖도록 설정된 것임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1양극재 및 상기 제2양극재는, 방전 모드에서 이차 전지의 작동 이온과 반응하는 전압 대역이 서로 다른 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 적어도 2 쌍의 방전율 및 방전 종료 전압을 이용하여 선형 방정식을 근사하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방전율 조건은, 상기 이차 전지의 충전 상태 별로 측정된 I-V 프로파일에서 관찰되는 전이 방전율의 최대값보다 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 하기 수학식을 이용하여,
    최대 방전율( C max ) = (선형 방정식의 Y 절편 - 방전 하한 전압)/선형 방정식 기울기의 절대값 ,
    상기 최대 방전율을 계산하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  9. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 하기 수학식을 이용하여,
    P max = 최대 방전율* 방전 하한 전압= {(선형 방정식의 Y 절편 - 방전 하한 전압)/선형 방정식 기울기의 절대값 }*방전 하한 전압,
    이차 전지의 최대 출력을 추정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단과 결합된 표시 수단을 더 포함하고,
    상기 제어 수단은, 상기 표시 수단을 통해 상기 추정된 이차 전지의 최대 출력을 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 추정된 이차 전지의 최대 출력을 외부의 컨트롤 유닛으로 전송하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단과 결합된 저장 수단을 더 포함하고,
    상기 제어 수단은, 상기 복수의 방전율 및 방전 종료 전압, 상기 근사된 선형 방정식의 기울기 및 Y 절편, 또는 상기 추정된 이차 전지의 최대 출력을 상기 저장 수단에 기록하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1양극재는, 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤ 2, -0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물이고,
    상기 제2양극재는, 일반 화학식 LiaM1 xFe1 - xM2 yP1 - yM3 zO4 -z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 포함하는 할로겐족 원소들로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함; 0 < a ≤ 2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함] 로 표시되는 리튬 금속 포스페이트인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  14. 제1항에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치를 포함하는 전기구동 장치.
  15. (a) 적어도 제1양극재 및 제2양극재가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지를 서로 다른 복수의 방전율 조건에서 방전시키는 단계;
    (b) 상기 복수의 방전율 조건에 대응되는 복수의 방전 종료 전압을 측정하는 단계;
    (c) 상기 복수의 방전율과 상기 복수의 방전 종료 전압 사이의 상관 관계를 2차원의 선형 방정식으로 근사하고, 상기 선형 방정식을 이용하여 방전 하한 전압(Vmin)에 대응되는 이차 전지의 최대 방전율(Cmax)을 계산하는 단계; 및
    (d) 상기 계산된 최대 방전율로부터 이차 전지의 최대 출력을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 서로 다른 복수의 방전율 조건에서 상기 이차 전지를 펄스 방전시키는 단계임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 적어도 2쌍의 방전율 및 방전 종료 전압을 이용하여 상기 선형 방정식을 근사하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 복수의 방전율 조건은, 상기 이차 전지의 충전 상태별로 측정된 I-V 프로파일에서 관찰되는 전이 방전율의 최대 값보다 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 (d) 단계는, 하기 수학식을 이용하여,
    Pmax = 최대 방전율* 방전 하한 전압 = {(선형 방정식의 Y 절편 - 방전 하한 전압)/선형 방정식 기울기의 절대값}*방전 하한 전압,
    이차 전지의 최대 출력을 추정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 추정된 이차 전지의 최대 출력을 표시하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 추정된 이차 전지의 최대 출력을 외부로 전송하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 방전율 및 방전 종료 전압, 상기 근사된 선형 방정식의 기울기 및 Y 절편, 또는 상기 추정된 이차 전지의 최대 출력을 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
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