KR20160030264A - 병렬로 연결된 전기 화학 소자의 복수의 브랜치를 포함하는 이차 전지의 충전 관리 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전압 제어부(voltage control) 또는 강도 제어부를 이용하여 직렬로 연결된 복수(n)의 브랜치(branches)를 포함하는 이차 전지(rechargeable battery) 충전 관리 방법에 관한 것이며, 각각의 상기 브랜치는 병렬로 연결된 복수(p)의 전기 화학 소자를 포함하며, 각각의 상기 전기 화학 소자는 경사진 구간(sloping zone) 바로 다음에 적어도 하나의 평탄 구간(plateau zone)이 있는 충전 프로파일(charging profile; CP)을 포함하고, 충전 상태의 함수로서 상기 평탄 구간에서의 전압 변화는 상기 경사진 구간에서의 전압 변화보다 적어도 10배 느리다.

Description

병렬로 연결된 전기 화학 소자의 복수의 브랜치를 포함하는 이차 전지의 충전 관리 방법 및 시스템{Method and system for managing the charging of a rechargeable battery comprising several branches of electrochemical elements connected in parallel}
본 발명은 병렬로 연결된 전기 화학 소자(electrochemical elements)의 복수의 브랜치(branches)를 포함하는 이차 전지(rechargeable battery)의 충전을 관리하는 방법의 기술 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전압이 연속 비례 방식으로 충전 상태와 다르지 않은 적어도 하나의 영역(zone)을 포함하는 충전 프로파일(charging profile)을 가지는 전기 화학 소자에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이러한 타입의 이차 전지의 충전을 관리하는 방법을 향상시킬 수 있는 전자 시스템에 관한 것이다.
전기 화학 발전기(electrochemical generator) 또는 어큐물레이터(accumulator)(또한 "소자(element)"로 불림)는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 전력을 생성하는 장치이다. 화학 에너지는 소자에 배치된 적어도 하나의 전극 단면 위에 증착된 전기화학적 활성 화합물에 의해 발생한다. 전기 에너지는 소자가 방전되는 동안 전기 화학적 반응에 의해 생성된다. 컨테이너에 배치된 전극은 전극 및 소자가 결합된 전기 소비 장치 사이에서 전기 도전 상태(electrical continuity)를 보장하는 전류 출력 터미널(current output terminals)에 전기적으로 연결된다.
일반적으로, 이차 전지는 하나의 동일한 인클로져(enclosure) 내에서 함께 그룹화될 수 있는 복수의 소자를 포함한다. 이차 전지는 모듈들(modules)로 분리될 수 있으며, 각각의 모듈은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 소자로 구성된다. 이차 전지는 외부에서 이용하는 동안 전기 에너지를 제공하기 위한 것이다. 일반적으로, 이차 전지가 소자를 재충전하기 위하여 연결되는 충전 회로(charging circuit)가 제공된다. 이용에 의영역하여 더 크거나 더 작은 면적으로 개선된, 측정 센서(measurement sensors) 및 전자 제어 회로를 포함하는 측정 시스템이 이차 전지와 관련이 있을 수 있다.
리튬-이온 이차 전지에 관한 EP-A-2 144 075, EP-A-2 239 826 및 EP A 2 309 615로부터 소자용 활성 전극 물질로서 적어도 하나의 전이 물질의 리튬 함유 포스페이트(lithium-containing phosphates), 특히 M이 Fe, Co, Ni, Mn 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 LiMPO4 타입의 화합물을 이용하는 것이 알려져 있다. 이러한 리튬-함유 포스페이트는 M1이 일반적으로 Co, Ni 및 Mn으로부터 선택된 적어도 하나의 전이 원소를 나타내는, 종래적으로 리튬 소자에 이용된 LiM1O2 타입의 리튬 함유 전기 금속 산화물보다 우수한 열 안정성을 가진다. 따라서, 리튬 함유 포스페이트를 이용하면, 어큐물레이터가 과부하 조건 하에 있을 때 격렬한 반응 위험을 감소시킬 수 있다.
활성 물질로서, LiMPO4를 포함하는 혼합물 및 LiM1O2 타입의 화합물을 이용하는 것이 알려져 있으며, 상기 M1은 일반적으로 Co, Ni, Fe, Mn 및 Al으로부터 선택된 적어도 하나의 전이 원소를 나타낸다. 특히, EP-A-2 269 954는 다음을 포함하며 이후에 "NCA/LEP 타입으로 불리는 혼합물인 전기 화학적 활성 물질을 개시하였다:
a) 적어도 10중량%의, 알루미늄을 포함하는 리튬 함유 산화물 및 적어도 니켈 및 코발트를 함유하는 전이 금속; 및
b) 적어도 90중량%의, 적어도 하나의 전이 금속의 리튬 함유 포스페이트;
상기 리튬 함유 포스페이트의 표면은 탄소층으로 적어도 부분적으로 보호된다. 활성 물질 타입은 대용량 및 열 안정성 사이에서 우수한 절충안을 제공한다. 소자에서, 양극(positive electrode)은 리튬 함유 포스페이트 타입의 전기 화학적 활성 물질 또는 EP-A-2 269 954에 기술된 타입의 전기 화학적 활성 물질을 포함하며, 소자의 전압은 약 30~90%의 충전 상태 동안 소자 전압의 충전 상태의 함수로서 아주 조금 달라진다.
충전 상태(SOC)는 완충된 이차 전지의 에너지에 관한 이차 전지에서 이용가능한 에너지 양으로서 측정되는 것이 알려져 있다. 충전 상태는 퍼센트(%)로 표시되며, 사용자에게 이용가능한 에너지의 잔여 부분을 반영한다. 리튬 함유 포스페이트 타입의 적어도 하나의 전기 화학적 활성 물질을 포함하는 소자 타입에서, 충전 상태의 함수로서 개회로(open-circuit) 전압에서의 변화는 30~90%의 충전 상태 영역을 가지며, 여기에서 개회로 전압은 충전 상태의 함수로서 90~100%의 충전 상태보다 평균적으로 적어도 10배 덜 빠르게 증가한다.
개회로 전압(open-circuit voltage)은 임의의 전류를 방전시키지 않는, 소자의 터미널에서 측정된 전압을 의미한다(OCV: IEC standard 60050-482:2004의 정의 482-03-32에 따라, International Electrochemical Vocabulary part 482: Primary and secondary cells and batteries).
충전 상태의 함수로서 전압 변화는 충전 상태에 관한 전압 드리프트(voltage drift) 또는 관계식
Figure pct00001
둘 중 하나를 의미하며,
· 상기 V1 및 V2는 충전 상태의 함수로서 전압 곡선 위에 위치한 두 개의 점에서의 전압 값을 나타내고; 및
· SOC1 및 SOC2는 전압 값 V1 및 V2에 대응하는 충전 상태를 나타낸다.
예를 들어, C/5 암페어의 전류에서 충전된 10% NCA로 리튬 철 포스페이트(lithium iron phosphate) LiFePO4 타입의 전기 화학적 활성 물질을 포함하는 소자의 양극은 30~90%의 충전 상태에 대하여 분당 약 0.5 밀리볼트(millivolts)가 증가하며 90~100%의 충전 상태에 대하여 분당 약 20 밀리볼트가 증가하는 전압을 가지며, 상기 C는 소자의 규격 용량(nominal capacity)을 나타낸다. 매우 적은 전압의 변화 때문에, 충전 상태가 약 30~90%일 때 소자의 전압 함수로서 소자의 충전 상태를 정확히 추정하기 어려울 수 있다.
도 1은 소자의 충전 프로파일(CP)를 도식적으로 나타내며, 상기 소자의 양극은 EP-A-2 269 954에 기술된 타입의 전기 화학적 활성 물질을 포함한다.
3개의 주요 영역이 나타난다:
영역 1: 영역 1은 VmaxZone1 이하의 전압을 가진다. MinSOCZone2과 동일한 충전 상태는 값 VmaxZone1에 대응한다. 대체로, VmaxZone1은 3~3.30V이며 일반적으로 3.25V이다. 대체로, MinSOCZone2는 14~30%, 일반적으로 30%이다. 영역 1에서, 전압은 충전 상태와 거의 비례적으로 달라진다; 즉, 주어진 충전 상태는 소자의 주어진 전압과 동일하다. 영역 1은 0~10% 미만의 제 1 상태의 충전 영역 및 일반적으로 10%~30%의 제 2 상태의 충전 영역으로 다시 분할되고, 상기 제 1 상태의 충전 영역에서 소자의 전압은 300mV 이상으로 달라지며, 상기 제 2 상태의 충전 영역에서 전압은 충전 상태 함수로서 예를 들어 충전 상태에서 20%가 증가하는 동안 약 100mV로 덜 빠르게 달라진다.
영역 23: 영역 23은 VmaxZone1 이상 및 VminZone4 이하의 전압을 가진다. 대체로 VminZone4은 3.35~3.45V이며, 일반적으로 3.35V이다. MaxSOCZone3와 같은 충전 상태는 값 VminZone4과 일치한다. 대체로, MaxSOCZone3은 80~95%이며, 일반적으로 90%이다. 대체로, 영역 23은 대체로 30~90%의 충전 상태에 대응하여 3.25~3.35V의 전압 영역에 대응한다. 30~60%의 충전 상태 및 65~90%의 충전 상태에 대한 소자의 전압 변화가 사실상 제로(0)인 것이 알려져 있다. 영역 23에서, 소자의 전압은 대체로 약 30~90%의 충전 상태 동안 약 100mV로 약간 달라진다. 즉, 주어진 전압 값이 30~90%의 넓은 범위 내에 있는 충전 상태에 대응함에 따라, 영역 23에서의 충전 상태의 측정을 통해 매우 불확실한 것으로 나타난다. 영역 23은 도 1의 확대도인 도 2에 도시한대로 2개의 서브-영역(sub-zones)으로 분리된다 : 제 1 서브-영역: MinSOCZone2~MaxSOCZone2 사이, 즉 30~60%의 영역 2 및 제 2 서브-영역: MinSOCZone3~MaxSOCZone3 사이, 즉 65~90%의 영역 3. 영역 2 및 영역 3은 60~65%의 충전 상태에서 만난다.
영역 4: 영역 4는 VminZone4 이상의 전압을 가진다. MaxSOCZone3와 동일한 충전 상태는 값 VminZone4에 대응한다. VminZone4는 양 90%의 충전 상태에 있다. 영역 4에서, 전압은 충전 상태와 비례적으로 달라진다. 전압은 대략 적어도 300mV로 달라진다. 주어진 충전 상태는 주어진 소자 전압과 일치한다.
충전 프로파일은 M이 Fe, Co, Ni, Mn 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 LiMPO4 타입의 화합물이 일반적이다.
영역 1에서, 충전 상태 함수로서, 전압 Vmaxzone1에 대응하여 MinSOCzone2 미만의 충전 상태 동안 소자의 전압 변화는 MinSOCZone2~MaxSOCZone3 사이의 충전 상태 동안 전압 변화보다 평균적으로 적어도 2배 더 빠르다.
직렬로 연결된 전기 화학 소자를 포함하며 브랜치를 형성하는 이차 전지의 충전을 관리하는 방법이 US 7 940 027B로부터 알려져 있다. 각각의 전기 화학 소자는 주어진 온도 및 충전 상태 조건을 따르는 미리 결정된 최대 연속 충전 전류 IMR_C를 가진다. 각각의 브랜치는 브랜치의 전기 화학 소자에서 순환하는 전류를 측정할 수 있는 전류 센서(current sensor)를 포함하며, 펄스 충전(pulse charging, IMR) 및 US 7 940 027 B의 방법에 따른 연속 충전을 허용하는 최대 전류(IMR_C)를 영구적으로 업데이트하는 컨트롤러(controller)를 포함한다. 이차 전지 컨트롤러는 각각의 브랜치의 펄스 충전(IMR) 및 연속 충전을 허용하는 최대 전류 (IMR_C)뿐만 아니라 각각의 브랜치를 통과하는 전류 측정값을 수집한다. 이러한 컨트롤러는 펄스 및 연속 전류 셋포인트를 가지는 충전기(charger)를 제공하여, (비례 적분 방식을 이용하여)각각의 브랜치를 통과하는 전류가 펄스 충전(IMR) 및 연속 충전용 최대 허용 전류에 따른다.
많은 에너지 저장 용량을 필요로 하는 몇몇 이용에 있어서, 다수의 전기 화학 소자는 이차 전지 용량을 증가시키기 위하여 병렬로 연결되어야 한다. US 7 940 027B에 제안된 해결안으로, 컨트롤러로 소자의 보단 전압 측정값을 전송하기 위해 각각의 브랜치 및 연결된 전선를 제어하는데 필요한 모든 컨트롤러 때문에 장치의 크기가 매우 커야한다는 것이다. 때문에, 상당한 부피가 손실되며, 부가 중량이 부피 에너지 또는 질량 에너지와 결합하여 시스템의 성능을 감소시킨다.
병렬로 직접 연결된 소자를 가지는, 예를 들어 리튬 이온 타입의 각각의 전기 화학 커플(electrochemical couple)은 이차 전지의 조기 노화를 유도하는, 특히 충전 동안 브랜치들 사이에서 다른 전류를 가질 위험성이 있다. 이러한 전류의 차이가 발생하는 이유는 양극의 활성 물질(N이 니켈, C는 코발트, A는 알루미늄 및 M은 망간인 NCA/NMC 또는 L이 리튬, F는 철 및 P는 인산인 LFP 타입)에 의영역하기 때문이다.
사실상, (예를 들어 NCA/NMC 타입의 음극 물질을 가지는 리튬 이온과 같은)SOC의 함수로서 개회로 전압의 경사가 상승하는 전기 화학적 커플에 대하여, 병렬로 연결된 소자들 사이에서 나타날 수 있는 불균형한 충전 상태가 충전, 방전 및 휴지 단계 동안 균형이 맞춰질 것이다. 그러나, 공칭 노화(nominal ageing)를 고려한 전류보다 큰 충전 전류는 연결부(connections) 및 버스 바(bus bars)를 포함하는 소자의 저항 분산 때문에 상승할 수 있다.
충전이 끝나기 전 (예를 들어 인산철 LFP 또는 NCA/LFP 혼합물과 같은) 큰 플래토(plateau) 또는 (L이 리튬, F는 철, M은 망간 및 P는 인산인 LFMP와 같은) 복수의 플래토를 가지는 SOC의 함수로서 개회로 전압이 매우 적게 증가하는 전기 화학적 커플에 대하여, 소자들 사이에서 동일한 충전 상태에 있어서 연결부 및 버스 바를 포함하는 소자의 저항 분산 때문에 공칭 노화를 허용하는 전류보다 큰 충전 전류가 있을 수 있다.
그럼에도 불구하고, 병렬로 연결된 소자들 사이에서 있을 수 있는 불균형한 충전 상태는 충전 동안 균형이 맞춰지지 않을 것이며, 따라서, 하나의 소자가 충전이 끝날 때쯤, 즉 경사진 구간(sloping zone)에서, 다른 소자는 그때까지 소자를 통과하는 충전 전류를 흡수해야 할 것이다.
초기 충전 상태의 차이는 "하부-기반(bottom-based)" 균형을 형성하는 완전 방전 동안 다른 자체 방전율, 다른 저항성 또는 다른 용량에서 비롯된다. 소자가 경사진 구간에 도달함에 따라, 플래토에 도달하는 마지막 소자는 최종적으로 소자를 통과하는 매우 큰 이차 전지의 전류 부분을 가질 것이다.
충전하는 동안 및 특히 충전이 끝난 후, 즉 수용되는 충전 전류가 낮은 때 전류가 매우 높은 경우, 음극 위에 리튬을 증착시키고 용량을 감소시키며 및/또는 소자의 저항성을 증가시켜 매우 빠르게 소자를 노화시킬 수 있다. 조기 노화 문제점은 알칼리 이차 전지에도 알려져 있다.
병렬로 연결된 전기 화학 소자, 특히 리튬-이온 타입의 전기 화학 소자의 브랜치를 포함하는 이차 전지의 충전을 관리하는데 적합한 방법이 현재 없다.
따라서, 매우 빠르게 전기 화학 소자가 노화될 위험성 없이 이차 전지를 충전할 수 있는, 충전을 관리하는 시스템 및 방법이 필요하다. 특히, 충전 상태의 함수로서 개회로 전압의 특성으로 충전이 끝나기 전에 큰 플래토를 가지는 전기 화학 소자에 있어서, 이차 전지의 공칭 수명을 보장하는 소자의 제조 업자의 충전 전류 추천에 따를 수 있는 전류 프로파일에 따라 충전할 필요성이 있다.
이차 전지의 최대 허용된 충전 전류의 추천은 최대 연속 전류(IMR_C)로 표현될 수 있으며, 또한, 주어진 펄스 주기(pulse duration)에 대한 최대 펄스 충전 전류(IMR)로서 또는 알고리즘에 따라 표현될 수 있다.
본 발명은 병렬로 연결된 복수(p)의 전기 화학 소자를 포함하는 이차 전지의 충전을 관리하는 방법을 제안하였다. 각각의 전기 화학 소자는 경사진 구간(sloping zone)에 바로 뒤이어 적어도 하나의 평탄 구간이 있는 충전 프로파일(CP)을 가지는 활성 물질을 포함하는 전극을 포함하며, 충전 상태의 함수로서 평탄 구간에서의 전압 변화는 경사진 구간에서의 전압 변화보다 평균적으로 적어도 10배 느리다. 상기 방법은 리튬-이온 타입의 전기 화학 소자를 가지는 이차 전지의 충전을 관리하는데 이용된다.
따라서, 본 발명은 직렬로 연결된 복수(n)의 브랜치를 포함하는, 전압 제어부(voltage control) 또는 강도 제어부(intensity control)를 이용하여 이차 전지의 충전을 관리하는 방법에 관한 것이며, 상기 각각의 브랜치는 병렬로 연결된 복수(p)의 전기 화학 소자를 포함하며, 각각의 전기 화학 소자는 경사진 구간에 바로 뒤이은 적어도 하나의 평탄 구간을 포함하는 충전 프로파일(CP)을 가지며, 충전 상태의 함수로서 평탄 구간에서의 전압 변화는 경사진 구간에서의 전압 변화보다 평균적으로 적어도 10배는 느리고, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 전기 화학 소자의 특성 데이터(characteristic data)를 제공하는 단계;
상기 특성 데이터는 적어도 다음을 포함하며,
· 온도(T)의 함수로서 이차 전지의 전기 화학 소자의 내부 저항(Rcell) 값의 변화를 나타내는 미리 결정된 함수;
· 온도(T)의 함수로서 허용된 소자에 대하여 미리 결정된 최대 충전 전류 (IMR, IMR_C)값; 및
· 평탄 구간(E0_plateau)에서 평균 전압 값;
b) 병렬로 연결된 전기 화학 소자의 각각의 브랜치의 터미널에서 전압(Vcell_n)을 실시간 측정하는 단계;
c) 이차 전지의 온도(T)를 실시간 측정하는 단계;
d) 평탄 구간(E0_plateau)의 평균 전압 값에 측정된 온도(T)의 함수로서 전기 화학 소자의 내부 저항(Rcell) 값과 허용된 미리 결정된 최대 충전 전류(IMR, IMR_C)를 곱한 값을 더한 값과 동일한 제어 전압(Vcontrol)을 실시간 평가하는 단계; 및 강도 제어부의 경우
e1) 각각의 브랜치의 터미널에서 측정된 최대 전압(Vcell_n)으로서 정의된 이차 전지의 전기 화학 소자의 최대 전압(Vmax)을 실시간 평가하는 단계;
e2) 전기 화학 소자의 최대 전압(Vmax)가 평가된 제어 전압(Vcontrol)과 동일하도록 임계 최대 순간 충전 전류(threshold maximum instantaneous charging current)를 조절하여, 평가된 제어 전압(Vcontrol)의 함수로서 병렬로 연결된 전기 화학 소자를 통과하는 임계 최고 순간 충전 전류를 실시간 평가하는 단계;
e3) 전기 화학 소자에 적용될 최대 순간 충전 전류(IMR_parallel 또는 IMR_C_parallel)를 실시간 결정하는 단계; 최대 순간 충전 전류는 측정된 임계 최대 순간 충전 전류 및 브랜치 당 전기 화학 소자 수(p)와 미리 결정된 최대 허용 충전 전류(IMR, IMR_C)를 곱한 값 사이의 최저 값과 동일하고; 및
e4) 미리 결정된 최대 순간 충전 전류의 최대 값 이하의 강도로 이차 전지의 전기 화학 소자의 전력을 공급하기 위하여 이차 전지에 포함된 충전 조절기(charger regulator)로 결정된 최대 순간 충전 전류(IMR_parallel 또는 IMR_C_parallel)를 실시간 전송하는 단계;
및 전압 제어부의 경우
f) 이차 전지의 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여 이차 전지에 포함된 충전 조절기로 평가된 제어 전압(Vcontrol) 값을 실시간 전송하는 단계.
방법은 소자의 노화와 동일한 노화를 보장하기 위하여 병렬로 직접 연결된 소자로 이루어진 이차 전지의 충전 전류를 조절할 수 있으며, 상기 충전 전류는 소자에 대하여 규정된 최대 전류에 따른다. 이런 구성으로, 병렬로 연결된 소자의 브랜치 당 이용가능한 측정은 소자 당 전류 센서가 없는 전압 측정뿐이다. 본 발명은 상기 전압을 이용하며, 전압 셋포인트 또는 전류 셋포인트 둘 중 하나로, 이러한 타입에 의존하여, 충전기를 제공하는 각각의 소자를 통과하는 최대 전류를 보장하기 위하여 상기 전압으로부터 최대 전압을 이용하였다.
이차 전지의 충전을 관리하는 방법은 전기 화학 소자가 연속 충전 또는 펄스 충전에 적합하든 아니든 이용될 수 있다.
상기 방법의 실시예에 따라, 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 단계는 적어도 다음을 포함하는 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 다른 단계로 대체될 수 있다:
- 온도(T)의 함수로서 이차 전지의 전기 화학 소자의 내부 저항(Rcell)의 값의 변화 및 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태(SOC) 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태(SOH)를 나타내는 미리 결정된 함수;
- 온도(T)의 함수로서 허용된 미리 결정된 최대 충전 전류(IMR, IMR_C) 값 및 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태(SOC) 값 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태(SOH) 값; 및
- 온도(T)의 함수로서 평탄 구간(E0)에서의 전압 값 및 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태(SOC) 값 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태(SOH) 값; 및
제어 전압(Vcontrol)을 실시간으로 평가하는 단계는 평탄 구간(E0)에서의 평균 전압 값 및 측정된 온도(T)의 함수로서 전기 화학 소자의 내부 저항(Rcell) 값에 허용된 미리 결정된 최대 충전 전류(IMR, IMR_C) 값 및 각각의 전기 화학 소자의 측정된 충전 상태(SOC) 값 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 측정된 노화 상태(SOH) 값을 곱한 값을 더한 값과 동일한 제어 전압(Vcontrol)을 실시간으로 평가하는 다른 단계로 대체된다.
상기 실시예는 이차 전지의 충전을 관리하기 위하여, 이차 전지의 충전, 최적으로 각각의 전기 화학 소자의 충전 관리를 향상시킬 수 있는 다른 전기 화학 소자의 충전 상태(SOC) 및/또는 노화 상태(SOH)와 같이 온도 외에 매개변수를 고려할 수 있다.
실제로, 평탄 구간(E0)의 특성 전압 값은 이차 전지의 충전 상태(SOC)에 의존할 수 있거나 온도 및/또는 이차 전지의 노화 상태에도 의존할 수 있다. 유사하게, 전기 화학 소자의 저항성은 전기 화학 소자의 충전 상태 및 전기 화학 소자의 온도 및/또는 이들의 노화 상태에 따를 수 있다. 예를 들어, 탄소(그래파이트 또는 그외)로 이루어진 음극 위의 리튬 증착물로 인해 형성될 수 있는, 충전 동안 적용된 최대 전류는 충전 상태 및 온도에 의존할 수 있다.
상기 실시예는 특히 충전 상태를 식별하여 전기 화학 소자의 충전 종료를 관리할 수 있다.
다른 실시예에 따라, 방법은 다음의 단계를 포함한다:
g1) 전기 화학 소자의 충전 종료 전압(Veoc) 값을 제공하는 단계;
g2) 미리 결정된 충전 종료 계수(Coef_eoc)를 제공하든 단계;
상기 충전 종료 계수는 각각의 브랜치에서 병렬로 연결된 전기 화학 소자의 개수 보다 적으며,
강도 제어부의 경우, 이차 전지에 포함된 충전 조절기(charger regulator)에 최대 순간 충전 전류(IMR_parallel 또는 IMR_C_parallel) 값을 실시간으로 전송하는 단계 e4) 전에:
h1) 전기 화학 소자에 적용될 최대 순간 충전 전류(IMR_parallel 또는 IMR_C_parallel)을 실시간으로 측정하는 단계 e3) 후, 미리 결정된 최대 허용 충전 전류(IMR, IMR_C)와 충전 전류 계수(Coef_eoc)를 곱한 값 및 평가된 임계 최대 순간 충전 전류 사이의 최대 값과 동일한 제 1 중간 최대 순간 충전 전류를 실시간으로 측정하는 단계(S50)가 수행되며;
h2) 단계(S12)~(S50)와 동시에, 전기 화학 소자의 최대 전압(Vmax)이 충전 종료 전압(Veoc)과 동일하도록 제 2 임계 최대 순간 충전 전류를 조절하여, 제 2 중간 최대 순간 충전 전류가 충전 종료 전압(Veoc) 값의 함수로서 실시간으로 평가(S52)되고;
h3) 최대 순간 충전 전류(IMR_parallel 또는 IMR_C_parallel)를 실시간으로 측정하는 단계(S54)는 전기 화학 소자에 적용되며, 최대 순간 전류는 평가된 제 1 중간 최대 순간 충전 전류 및 제 2 중간 최대 순간 충전 전류 사이의 최소 값과 동일하고,
전압 제어부의 경우, 제어 전압부를 실시간으로 평가하는 단계 d) 전, 다음의 단계가 수행된다:
i3) 초기엔 0인, 기록된 충전 종료 변수(end of charge variable)(Flag_eoc)를 업데이트 하는 단계;
i4) 충전 종료 변수(Flag_eoc)가 0이면, 다음의 단계가 수행된다:
- 제어 전압을 실시간으로 평가하는 단계 d를 수행하는 단계; 및
- 이차 전지의 순간 전류 값이 충전 종료 계수(Coef_eoc)와 미리 결정된 최대 허용 충전 전류(IMR, IMR_C)를 곱한 값보다 클 때, 단계 d에서 평가된 제어 전압(Vcontrol, Vcontrol_C) 값을 이차 전지의 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여 이차 전지에 통합된 충전 조절기(charger regulator)로 실시간 전송시키는 단계;
i5) 충전 종규 변수(Flag_eoc)가 1인 경우 또는 이차 전지의 순간 전류 값이 충전 종료 계수(Coef_eoc)와 미리 결정된 최대 허용 충전 전류(IMR, IMR_C)를 곱한 값 이하의 값인 경우, 이차 전지의 순간 전류 값이 충전 종료 계수(Coef_eoc)와 미리 결정된 최대 허용 충전 전류 값을 곱한 값과 동일하도록, 미리 결정된 최대 허용 순간 충전 전류를 조절하여 제 2 제어 전압을 평가하는 단계(S74)를 수행하는 단계;
- 평가된 제 2 제어 전압이 충전 종료 전압(Veoc) 미만인 경우, 이차 전지의 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여 이차 전지에 통합된 충전 조절기로 측정된 제 2 제어 전압(Vcontrol, Vcontrol_C)을 실시간 전송시키는 단계;
- 반면, 이차 전지의 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여 이차 전지에 통합된 충전 조절기로 충전 종료 전압(Veoc)을 전송시키는 단계;를 수행한다.
실시예는 경사진 구간, 즉 충전 상태(SOC)에 대한 정보를 필요로 하는 이전의 실시예와는 다르게, 충전 상태(SOC)에 대한 정보가 없이 커플의 충전 상태(SOC)와 개회로 전압의 매우 빠른 변동 부분에서 충전을 종료시킬 수 있다.
바람직한 보조 실시예에 따라, 충전 종료 계수(Coef_eoc)는 이차 전지의 충전을 종료하는 동안 전기 화학 소자의 충전 전류를 초과하는 위험을 방지하기 위하여 1과 같다.
바람직한 보조 실시예의 변형에 따라, 충전 종료 계수(Coef_eoc)는 브랜치 당 전기 화학 소자의 개수의 1/3 또는 1/2으로 이루어진다. 상기 충전 종료 계수 값은 1과 같은 값에 관하여 충전 시간을 감소시키는 동안 전기 화학 소자에서의 대전류를 방지할 수 있다. 상기 충전 종료 계수 값은 아래에 정의될 예정인 NCA/LFP의 소자의 경우와 같이 소자의 용량의 약 500mV/10%에서 충전 상태 함수로서 개회로 전압(OCV)의 변화량을 가지는 시스템의 경우에 바람직하다.
본 발명의 다른 주제는 상술한 방법을 수행하는 프로그램을 포함하는 메모리를 포함하는 이차 전지 충전 조절기에 있으며, 상기 조절기는 결정된 최대 허용 순간 충전 전류(IMR, IMR_C) 값으로 충전 전류(I)를 제한할 수 있는 정보를 제한하거나 제공한다.
본 발명의 다른 주제는 직렬로 연결된 적어도 두 개의 브랜치를 포함하는 이차 전지에 있으며, 각각의 브랜치는 병렬로 연결된 적어도 두 개의 전기 화학 소자 및 이전에 기술한 충전 조절기를 포함하며, 각각의 전기 화학 소자는 경사진 구간에 바로 뒤이은 적어도 하나의 플래토를 포함하는 충전 프로파일(CP)를 가지는 전기 화학 소자를 가지며, 경사진 구간에서 평탄 구간의 충전 상태의 함수로서 전류 변화율은 경사진 구간에서의 전압 변화율 보다 평균 적어도 10배 느리다.
실시예에 따라, 각각의 전기 화학 소자는 리튬 이온 타입이다.
바람직한 실시예에 따라, 각각의 전기 화학 소자는 다음으로 이루어진 목록으로부터 선택된 양극에 대하여 적어도 하나의 활성 물질을 포함하는 리튬 이온타입이다:
- M' 및 M''은 B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb 및 Mo로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, M' 및 M''이 서로 다르고, 0.8≤x≤1.2, 0≤y≤0.6 및 0≤z≤0.2인 화학식 LixMn1 -y- zM'yM''zPO4을 가지는 LMFP 타입의 화합물; 및
- M이 B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb 및 Mo로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 0.8≤x≤1.2, 0≤y≤0.6인 화학식 LixFe1 - yMyPO4을 가지는 LFP 타입의 화합물.
다른 바람직한 실시예에 따라, 각각의 전기 화학 소자는 리튬 이온 타입이며, 전기 화학 소자의 양극은 다음을 포함한다:
a) 적어도 니켈 및 코발트를 포함하는 전이 금속 및 알루미늄을 포함하는 리튬 함유 옥사이드(lithium-containing oxide); 및
b) 적어도 하나의 전이 금속의 리튬 함유 포스페이트(lithium-containing phosphate);를 포함하고,
상기 전기 화학 소자의 양극은 탄소층으로 적어도 부분적으로 덮여지며,
적어도 니켈, 코발트 및 알루미늄을 포함하는 전이 금속의 리튬 함유 옥사이드의 질량비는 조성물의 10중량% 이하이고,
적어도 하나의 전이 금속의 리튬 함유 포스페이트의 질량비는 조성물의 90중량% 이상이다.
적어도 니켈, 코발트 및 알루미늄을 함유하는 전이 금속의 리튬 함유 옥사이드는 화학식 Liw(NixCoyAlz)O2을 가지며, 상기 화학식에서 w는 0.9~1.1; x > 0; y > 0; z > 0이고, 적어도 하나의 전이 금속의 리튬 함유 포스페이트는 화학식 LiaMbPcO4-t을 가지며, 상기 화학식에서 M은 Fe, Mn, Co =및 Ni, 바람직하게 Fe로 선택되고, a, b 및 c는 0.9~1.1이며, t는 0.4이하이다.
본 발명의 다른 주제는 프로세서에 저장된 적어도 하나의 일련 정보를 포함하며 프로세서에 접근가능한 컴퓨터 프로그램 제품에 있으며, 프로세서에 의한 실행은 상술한 방법 단계를 수행한다.
본 발명의 다른 주제는 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 하나의 일련 정보를 수행할 수 있는, 컴퓨터에 의해 판독될 수 있는 데이터 매체에 있다.
도 1은 소자의 충전 상태의 함수로서 30℃에서의 개회로 전압의 변화율을 나타내며, 상기 소자의 EP-A-2 269 954에 기술된 타입의 전기 화학적 활성 물질을 포함한다.
도 2는 영역 23에서 도 1의 도표 확대도이다.
도 3은 이차 전지의 충전 상태를 관리하는 시스템의 기능성 블록 다이어그램이며, 상기 이차 전지는 m 전기화학 소자(Cell_p_n)를 각각 포함하는 n 브랜치를 포함한다.
도 4~12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 충전을 관리하는 원리를 도식적으로 나타내는 흐름도이며, 이용된 참조는 다음에 정의된 매게 변수에 관련되어 있다:
- p는 브랜치 당 병렬로 연결된 전기 화학 소자의 개수이고;
- DTime은 본 발명에 따라 충전을 관리하는 방법을 수행할 수 있는 프로그램의 업데이트 기간(updating period)이며,
- IMR_C는 암페어(amperes)(A)로 표현된, 전기 화학 소자에 허용된 최대 연속 충전 전류이고;
- IMR은 암페어(A)로 표현된, 전기 화학 소자에 허용된 최대 펄스-모드 충전 전류(maximum pulsed-mode charging current)이며;
- Veoc는 볼트(volts)(V)로 표현된, 전기 화학 소자의 최대 허용 충전 전압이고;
- I는 암페어(A)로 표현된, 이차 전지 또는 셀을 통과하는 순간 전류이며, I는 충전 동안 양성을 띄고;
- T는 이차 전지의 온도이거나 시간 t에서 이차 전지의 전기 화학 소자의 온도 센서에 의해 측정된 최대 온도이고, 섭씨 온도(Celsius)(℃)로 표현되며;
- Rcell은 이차 전지의 온도에 의존하여 및 선택적으로 이차 전지의 충전 상태 및/또는 노화 상태의 함수로서 이차 전지의 수명이 개시될 때 전기 화학 소자의 내부 저항 값을 얻을 수 있는 미리 결정된 표 또는 법칙이며, 옴(Ω)으로 표현되고;
- Vmax(t)는 시간 t에서 이차 전지(또는 셀)의 전기 화학 소자의 터미널에서의 최대 전압이며,
- SOC는 이차 전지 또는 전기 화학 소자(또는 셀)의 충전 상태(%)이고; 및
- SOH는 이차 전지 또는 전기 화학 소자(또는 셀)의 노화 상태(%)이다.
도 4 및 도 5는 전기 화학 소자의 온도(T)만을 고려하는, 소자의 연속 또는 펄스 충전 전류를 관리하는 전류 셋포인트를 설정하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지의 충전을 관리하는 원리를 도식적으로 나타낸 흐름도이다.
도 6 및 도 7은 전압 셋포인트를 설정하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지의 충전을 관리하는 원리를 도식적으로 나타낸 흐름도이다.
도 8 및 도 9는 전기 화학 소자의 온도(T) 및 충전 상태(SOC) 둘 다를 고려하는, 소자의 연속 충전 전류 또는 펄스 충전 전류를 관리하는 전류 셋포인트를 설정하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차 전지의 충전을 관리하는 원리를 도식적으로 나타내는 흐름도이다.
도 10 및 도 11은 전류 셋포인트를 설정하여 본 발명의 제 3 실시예 따른 이차 전지의 충전을 관리하는 원리를 도식적으로 나타내는 흐름도이다.
도 12는 소자의 충전 전류를 효율적으로 관리할 수 있는 전압 셋 포인트를 각각 설정하여 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이차 전지의 충전을 관리하는 원리를 도식적으로 나타내는 흐름도이다.
도 13~18은 본 발명에 따른 관리 방법과 종래의 관리 방법을 비교할 수 있는 모의 실험에 의해 얻어진 결과를 나타낸다.
도 13은 이차 전지의 충전이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방법을 이용하여 관리되는 경우 이차 전지의 각각의 전기 화학 소자에서 전류의 평가 뿐 아니라, 충전 동안 이차 전지의 전류(Ibat) 및 전압(Vbat)의 평가를 나타낸다.
도 14는 모의 실험에 이용된 전기 화학 소자의 충전 프로파일을 나타낸다.
도 15 및 도 16은 각각 종래의 관리 방법 및 본 발명에 따라 초기에 불균형한 하나의 동일한 브랜치의 소자를 가지는 이차 전지의 연속 모드 충전을 관리하는 방법에 관한 것이다.
도 17 및 18은 각각 종래의 관리 방법 및 본 발명에 따라 초기에 불균형한 하나의 동일한 브랜치의 소자를 가지는 이차 전지의 펄스-모드 충전을 관리하는 법에 관한 것이다.
본 발명은 소자의 조기 노화의 위험 없이, 병렬로 직접 연결된 적어도 두 개의 소자를 포함하는 이차 전지의 충전을 관리하는 방법을 제공한다.
A - 본 발명에 따른 이차 전지의 설명
본 발명에 따른 이차 전지는 직렬로 서로 연결된 적어도 두 개의 브랜치를 포함하며, 각각의 브랜치는 병렬로 서로 연결된 적어도 두 개의 전기 화학 소자(또는 셀) Cell_p_n 및 전기 화학 소자의 충전을 관리하는데 적합한 충전 조절기를 포함한다.
각각의 전기 화학 소자 Cell_p_n는 경사진 구간에 바로 뒤이은 적어도 하나의 평탄 구간을 포함하는 충전 프로파일 CP를가지며, 충전 상태의 함수로서, 평탄 구간에서의 전압 변화율은 경사진 구간에서의 전압 변화율보다 평균 적어도 10배는 느린 것으로 확인되었다.
도 3은 P 전기 화학 소자 E_1_1~E_p_1가 제 1 브랜치 또는 모듈 M1을 형성하기 위하여 병렬로 연결되는 배열 예이다. 유사하게, p 전기 화학 소자 E_1_2~E_p_2는 제 2 브랜치 또는 모듈 M2를 형성하기 위해 병렬로 연결된다; p 전기 화학 소자 E_1_n~E_p_n은 nth 브랜치를 형성하도록 병렬로 연결된다.
n 브랜치는 이차 전지 Bat를 형성하기 위해 직렬로 연결된다. 이차 전지의 브랜치는 기계 에너지(mechanical energy)가 전기 에너지로 전환될 때, 제동 동안 하이브리드 차량(hybrid vehicle)의 경우와 같이, 비조절 충전 전류를 제공하는 충전기 또는 어플리케이션일 수 있는 전류 소스(current source)에 연결된다.
각각의 브랜치는 브랜치의 터미널 Vcell_n에서 전압을 측정하기 위한 수단을 갖춘다. 바람직하세, 소자는 또한 소자의 작동 온도를 측정할 수 있는 수단을 갖춘다. 측정 수단은 평균 온도 및/또는 최고 온도 및/또는 최저 온도를 나타내기 위해 소자의 선택된 지점에 배치된다. 이차 전지가 복수의 소자를 포함하는 경우, 각각의 소자는 온도 센서를 포함할 수 있으나 전자 회로가 더 복잡해질 수 있다.
다른 전기 화학 소자를 함께 그룹화하는 브랜치의 경우, 전압 및 온도를 측정하는 수단은 브랜치에 결합된 전자 시스템(Si) 내에서 함께 그룹화될 수 있다. 또한, 각각의 전자 시스템은 소자의 노화 상태를 저장할 수 있는 메모리를 포함할 수 있다. 소자의 노화 상태는 신규 상태 및 수명 종결 상태 사이의 모듈 노화 정도를 표시하는 매개 변수 SOH에 의한 것을 특징으로 한다. 기술의 숙련자는 기술의 숙련자가 소자 또는 모듈의 노화 상태를 측정할 수 있는 복수의 기술을 이용가능하다. 소자의 노화 상태는 예를 들어 주어진 시간에서의 소자의 임피던스에 대한 동일한 온도에서의 신규 상태에서 소자의 임피던스 비율 또는 신규 상태에서 소자의 용량과 비교된 용량 손질을 추정하여 측정될 수 있다.
또한, 이차 전지는 예를 들어 출원서 FR 1 251 925에 기술된 방법에 따라 개별적으로 각각의 브랜치의 충전 상태를 측정하는데 적합한 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 시스템은 다음의 컨트롤러를 포함하는 전자 관리 시스템 G를 포함한다:
상기 컨트롤러는
- 각각의 브랜치를 통과하는 전류 I의 측정을 수집하고;
- 각각의 브랜치의 전압 측정 및 선택적으로 온도 측정을 수집하며;
- 전류 값에 대한 측정 오류를 고려하여 전량 분석(coulometry)에 의해 각각의 브랜치의 충전 상태 SOC를 측정하고;
- 본 발명의 방법에 따른 각각의 브랜치의 충전 상태를 제거한다.
병렬로 연결된 브랜치의 모든 전기 화학 소자에 대한 브랜치의 "평균" 충전 상태만 충전 장치 및 이차 전지 전체 크기 및 중량을 최적화하기 위하여, 브랜치의 각각의 전기 화학 소자를 통과하는 전류가 측정되지 않음에 따라 측정된다.
바람직하게, 시스템은 예를 들어 소자 또는 이차 전지의 상태를 사용자에게 정보로서 전송하기 위하여, 적어도 하나의 커뮤니케이션 버스(BUS)(CAN, "Control Area Network", Ethernet)를 가진다.
또한, 바람직하게 컨트롤러는 소자의 노화 상태를 수집한다.
시스템은 소자의 충전 상태를 추정하는데 적합하며, 소자의 양극 물질은 경사진 구간에 바로 뒤이은 적어도 하나의 평탄 구간을 포함하는 충전 프로파일을 가지며, 평탄 구간에서 충전 상태의 함수로서 전압 변화율은 경사진 구간에서의 변화율보다 평균 적어도 10배 느리다.
바람직하게, 각각의 전기 화학 소자는 리튬 이온 타입이다.
바람직한 실시예에 따라, 각각의 전기 화학 소자는 다음으로 이루어진 리스트로부터 선택된 양극용 적어도 하나의 활성 물질을 포함하는 리튬 이온 타입이다:
- 화학식 LixMn1 -y- zM'yM''zPO4을 가지는 LMFP 타입의 화합물; M' 및 M''은 B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb 및 Mo로 이루어진 그룹으로 부터 선택되며, M' 및 M''은 서로와 다르며, 0.8≤x≤1.2, 0≤y≤0.6 및 0≤z≤0.2이고, 및
- 화학식 LixFe1 - yMyPO4을 가지는 LFP 타입의 화합물; M은 B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb 및 Mo로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 0.8≤x≤1.2 및 0≤y≤0.6이다.
다른 바람직한 실시예에 따라, 각각의 전기 화학 소자는 리튬 이온 타입이며, 소자의 양극은:
a) 적어도 니켈, 코발트 및 알루미늄을 포함하는 전이 금속의 리튬 함유 옥사이드; 및
b) 적어도 하나의 전이 금속의 리튬 함유 포스페이트;를 포함하며,
소자의 양극 표면은 탄소층으로 적어도 부분적으로 보호되며,
적어도 니켈, 코발트 및 알루미늄을 포함하는 전이 금속의 리튬 함유 옥사이드의 질량비는 조성물의 10중량% 이하이고,
적어도 하나의 전이 금속의 리튬 함유 포스페이트의 질량비는 조성물의 90중량% 이상이다.
적어도 니켈, 코발트 및 알루미늄을 포함하는 전이 금속의 리튬 함유 옥사이드는 화학식 Liw(NixCoyAlz)O2을 가지며, 상기 w는 0.9~1.1; x > 0; y > 0; z > 0이고, 적어도 하나의 전이 금속의 리튬 함유 포스페이트는 화학식 LiaMbPcO4 -t을 가지며, 상기 M은 Fe, Mn, Co 및 Ni, 바람직하게 Fe로 선택되고, b 및 c는 0.9~1.1; t는 0.4 이하이다.
이러한 이차 전지는 전기 화학 셀 및 소자의 전기 화학 성질 및 이들의 크기에 으존하는 매개 변수와 함께 제공된다.
정의된 바와 같이, 매개 변수는 다음을 포함한다:
- IMR_C는 암페어(amperes)(A)로 표현된, 전기 화학 소자에 허용된 최대 연속 충전 전류이고;
- IMR은 암페어(A)로 표현된, 전기 화학 소자에 허용된 최대 펄스-모드 충전 전류(maximum pulsed-mode charging current)이며;
- Veoc는 볼트(volts)(V)로 표현된, 전기 화학 소자의 최대 허용 충전 전압이다.
최대 허용 연속 IMR_C 충전 전류 또는 펄스 모드 IMR 충전 전류는 US 7 940 027B에 기술된 방법에 따라 결정될 수 있다.
본 발명은 각각의 순간에서 충전기 타입의 함수로서, 최대 허용 충전 전류(펄스형 IMR_Parallel 또는 연속형 IMR_C_Parallel) 또는 제어 전압(펄스형 Vcontrol 또는 연속형 Vcontrol_C)을 결정하는 방법을 제안하였다. 최대 허용 순간 충전 전류 또는 제어 전압 값을 제공하기 위한 변수가 측정되거나 결정되었다:
- I는 암페어(A)로 표현된, 이차 전지 또는 셀을 통과하는 순간 전류이며, I는 충전 동안 양성을 띄고;
- T는 이차 전지의 온도이거나 시간 t에서 이차 전지의 전기 화학 소자의 온도 센서에 의해 측정된 최대 온도이고, 섭씨 온도(Celsius)(℃)로 표현되며;
- Rcell은 이차 전지의 온도에 의존하여 및 선택적으로 이차 전지의 충전 상태 및/또는 노화 상태의 함수로서 이차 전지의 수명이 개시될 때 전기 화학 소자의 내부 저항 값을 얻을 수 있는 미리 결정된 표 또는 법칙이며, 옴(Ω)으로 표현되고;
- Vmax(t)는 시간 t에서 이차 전지(또는 셀)의 전기 화학 소자의 터미널에서의 최대 전압:
Figure pct00002
이고;
- SOC는 이차 전지 또는 전기 화학 소자(또는 셀)의 충전 상태(%)이고; 및
- SOH는 이차 전지 또는 전기 화학 소자(또는 셀)의 노화 상태(%)이다.
B) 이차 전지의 충전을 관리하는 방법의 설명
이전에 기술된 바와 같이 이차 전지의 충전을 관리하는 방법은 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 단계를 포함한다. 특히, 제공된 특성 데이터는 이차 전지의 전기 화학 소자의 내부 저항에 관련된 적어도 데이터, 소자의 미리 결정된 최대 허용 충전 전류 값 및 평탄 구간에서의 평균 전압 값(E0_plateau)을 포함한다.
전기 화학 소자의 내부 저항(Rcell)은 이차 전지의 온도에 의존할 수 있다. 이 경우, 온도의 함수로서 이차 전지의 내부 저항 값의 변화율을 나타내는 미리 결정된 함수가 제공된다.
유사하게, 소자의 미리 결정된 최대 허용 전류 값(IMR, IMR_C)이 온도(T)에 의존한다.
B1) 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시예의 설명
본 발명에 따른 방법은 최대 허용 순간 연속 충전 전류 IMR_C_Parallel을 결정하는 것을 제안하였다. 도 4의 흐름도는 허용 충전 전류의 동적 값(dynamic value)의 측정 값을 나타낸다.
최대 허용 순간 충전 전류 IMR는 이차 전지에 결합된 충전 컨트롤러에 포함된 알고리즘을 이용하여 측정된다.
또한, 방법은 병렬로 연결된 전기 화학 소자의 각각의 브랜치 n의 터미널에서 전압 Vcell_n을 실시간으로 측정하는 단계를 포함한다.
측정된 전압으로부터, 각각의 브랜치 n의 터미널에서 측정된 전압 Vcell_n의 최대 값으로 정의한대로, 이차 전지의 전기 화학 소자의 최대 전압 Vmax가 실시간으로 평가된다.
또한 방법은 이차 전지의 온도 T를 실시간으로 측정하는 단계를 포함한다.
방법은 연속 충전 전류를 관리하기 위하여, 평탄 구간에서의 평균 전압 값 E0_plateau에 측정된 온도 T의 함수로서 전기 화학 소자의 내부 저항 값 Rcell과 허용된 미리 결정된 최대 충전 전류 값 IMR_C을 곱한 값을 더한 값:
Figure pct00003
과 동일한 제어 전압 Vcontrol_C을 실시간으로 평가하는 단계 S12를 계속 진행한다. Dtime은 방법에 따라 충전을 관리하는 단계를 수행하는 프로그램의 업데이트 기간이며, 즉 이들의 주파수로 측정되거나 산출된 데이터가 갱신된다.
S14에서 측정된 제어 전압 Vcontrol_C으로부터, 병렬로 연결된 전기 화학 소자를 통과하는 임계 최대 순간 충전 전류는 평가된 제어 전압 Vcontrol_C 함수로서, 전기 화학 소자의 최대 전압 Vmax이 평가된 제어 전압 Vcontrol_C과 동일하도록, 임계 최대 순간 충전 전류를 조정하여 실시간으로 평가된다.
예를 들어, 최대 전압 Vmax이 평가된 제어 전압 Vcontrol_C 이상일 때, 전기 화학 소자의 최대 전압 Vmax가 평가된 제어 전압 Vcontrol_C과 동일하도록 임계 최대 순간 충전 전류가 감소되며, 최대 전압 Vmax이 평가된 제어 전압 Vcontrol_C 이하일 때, 전기 화학 소자의 최대 전압 Vmax가 평가된 제어 전압 Vcontrol_C과 동일하도록 임계 최대 순간 충전 전류가 증가한다.
다른 예시에 따라, 조정은 비례형, 적분형 또는 미분형 및 이들의 결합물, 온-오프 타입, 자기 이력 타입, 상태 피드백 타입일 수 있으며 상태 관측기(state observer)를 이용할 수 있다.
이러한 조정 단계는 최대 이용가능한 전류 셋포인트에서 수행되는, CCCV, 즉 "정전류(Constant Current), 정전압(Constant Voltage)"으로 불리는 이차 전지를 충전하는 알려진 방법과 동일하다.
최대 순간 충전 전류 IMR_C_parallel는 실시간으로 측정될 수 있다. 측정된 최대 순간 충전 전류는 전기 화학 소자에 적용될 것이다. 최대 순간 충전 전류 IMR_C_parallel는 연속 충전 전류를 관리하기 위하여 평가된 임계 최대 순간 충전 전류 및 브랜치 당 전기 화학 소자의 개수 p와 미리 결정된 최대 허용 충전 전류 IMR_C를 곱한 값 사이의 최소 값과 동일하도록 측정된다:
Figure pct00004
.
S16에서, 측정된 최대 순간 충전 전류 값 IMR_C_parallel은 측정된 최대 순간 충전 전류의 최대 값 이하의 강도로 이차 전지의 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여 이차 전지에 포함된 충전 조절기에 실시간으로 전송된다.
도 5는 펄스 모드 전류의 충전을 관리하는데 이용된 본 발명에 따른 방법으 나타낸다. 연속 모드에 관련된 매개 변수가 펄스 모드에 관련된 매게 변수로 대체되는 경우, 즉
- 연속 제어 전압 Vcontrol_C를 펄스 모드 제어 전압 Vcontrol으로;
- 최대 허용 순간 충전 전류 IMR_C를 펄스 모드 IMR로; 및
- 최대 순간 연속 충전 전류 IMR_C_parallel를 펄스 모드 IMR_parallel로;
각각 대체 하여, 연속 모드에 대하여 이전에 기술된 단계가 펄스 모드에 모두 적용 된다.
연속 모드에 대하여 도 4에 나타낸 실시예에서, 최대 허용 연속 모드 충전 전류 IMR_C_Parallel는 소자 당 최대 값 IMR_C과 p를 곱한 값, 즉 p x IMR_C을 초과할 수 없으며, 상기 p는 브랜치당 전기 화학 소자의 개수이다. 상기 최대 값에서 최대 허용 연속 모드 충전 전류 IMR_C_Parallel의 포화 값(saturation value)은 예를 들어 전압의 가능한 측정 부정확성 또는 가능한 특성의 부정확성 또는 소자의 저항성 또는 조절기에 의한 셋포인트의 초과 가능성에 대한 알고리즘의 강인성을 증가시킬 수 있다. 또한, 포화 값은 도 5에 나타낸 최대 허용 펄스 모드 충전 전류에 적용되며, IMR_Parallel은 소자 IMR 당 최대 값을 p와 곱한 값, 즉 p x IMR을 초과할 수 없다.
따라서, 상기 실시예에 따른 충전을 관리하는 방법은 병렬로 바로 연결된 전기 화학 소자의 내부 저항이 항상 알려지지 않음에 따라, 바로 측정될 수 없는 시간 t+Dtime에서 최대 허용된 연속 모드 IMR_C_Parallel(t+DTime) 또는 펄스 모드 IMR_Parallel(t+DTime) 전류의 셋포인트를 충전기에 제공할 수 있다.
또한, 충전을 관리하는 방법은 이차 전지의 펄스 용량을 이용하기 위하여 연속 충전에 대한 최대 전압 Vcontrol_C 또는 Vcontrol을 제공할 수 있다.
도 4(연속 모드) 및 도 5(펄스 모드)에 나타낸 제 1 실시예는 충전기에 제공된 전류 셋포인트에 의한 제어로 불리는, 강도 제어부를 이용하여 이차 전지의 충전을 관리하는데 적합하다. 제 1 실시예는 전류 셋포인트를 충전기에 제공하여 각각의 소자를 통과하는 최대 전류를 보장할 수 있다.
도 6 및 도 7은 각각 연속 모드의 셋포인트 또는 펄스 모드 전압 Vcontrol_C 또는 Vcontrol을 충전기에 제공하여, 각각의 소자를 통과하는 최대 전류를 보장할 수 있는 본 발명에 따른 이차 전지의 충전을 관리하는 방법의 제 1 실시예의 대안을 나타낸다.
전압 셋포인트를 수신하는데 적합한 충전기의 경우, 이차 전지의 충전을 관리하는 방법은 전압 제어부를 이용하여 수행되며, 이전에 기술된 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 동일한 단계를 포함한다. 특히, 제공된 특성 데이터는 이차 전지의 전기 화학 소자의 내부 저항 Rcell, 소자 IMR(펄스 모드), IMR_C(연속 모드)에 대하여 미리 결정된 최대 허용 충전 전류 값 및 평탄 구간에서의 평균 전압 값(E0_plateau)에 관련된 적어도 데이터를 포함한다.
또한, 방법은 이차 전지의 온도 T를 실시간으로 측정하는 단계를 포함한다.
연속 모드에 대한 도 6에 관하여, 방법은 연속 충전 전류를 관리하기 위하여, 평탄 구간에서의 평균 전압 값 E0_plateau에 측정된 온도 T의 함수로서 전기 화학 소자의 내부 저항 값 Rcell과 허용된 미리 결정된 최대 충전 전류 IMR_C를 곱한 값을 합한 값:
Figure pct00005
과 동일한 제어 전압 Vcontrol_C을 실시간으로 평가하는 동일한 단계 S12를 계속 진행한다.
결정된 전압 Vcontrol_C의 값은 제어 전압 하에 이차 전지의 전기 화학 소자를 충전하기 위하여 이차 전지에 포함된 충전 조절기에 실시간으로 전송되는 셋포인트 전압을 형성한다.
물론, 제어 전압을 이용하여 이차 전지의 충전을 관리하는 방법은 연속 모드 및 펄스 모드 둘 다에 적합하다. 도 7에 나타낸 경우, 방법은 연속 충전 전류를 관리하기 위하여, 평탄 구간에서의 평균 전압 값 E0_plateau에 측정된 온도 T의 함수로서 전기 화학 소자의 내부 저항 Rcell 값과 허용된 미리 결정된 최대 충전 전류 IMR 값을 곱한 값을 합한 값:
Figure pct00006
과 동일한 제어 전압 Vcontrol을 평가하는 동일한 단계 S22를 계속 진행한다.
전압 Vcontrol은 제어 전압 하에 이차 전지의 전기 화학 소자를 충전하기 위하여 이차 전지에 포함된 충전 조절기에 실시간으로 전송되는 셋포인트 전압을 형성한다.
B2) 본 발명에 따른 방법의 제 2 실시예의 설명
도 4~7에 나타낸 실시예에서, 내부 저항 값 Rcell, 미리 결정된 최대 충전 전류 IMR 및 IMR_C 및 평탄 구간 E0에서의 전압은 이차 전지의 온도 T에만 의존한다.
상기 값들은 각각의 전기 화학 소자 SOC의 충전 상태 및 각각의 전기 화학 소자 SOH의 노화 상태에 의존할 수 있다.
사실상, 평탄 구간 E0에서의 전압 값은 이차 전지의 충전 상태 SOC 및 온도 또는 이차 전지의 노화 상태에 의존할 수 있다. 유사하게, 전기 화학 소자의 내부 저항 값 Rcell은 전기 화학 소자의 충전 상태 및 이들의 온도 또는 이들의 노화 상태의 함수에도 따르는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 탄소(그래파이트 또는 그 외)로 이루어진 음극에서 리튬의 증착물로 인해 형성될 수 있는 최대 허용 충전 전류 IMR 또는 IMR_C도 충전 상태 및 온도 또는 노화 상태에도 의존할 수 있다.
따라서, 본 발명은 온도 T 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태 SOC 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태 SOH의 함수로서 매개 변수의 영향 및 변화를 고려하는데 적합한 충전 방법을 제안하였다.
실시예에 따라, 방법은 또한 실시간으로 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태 SOC 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태 SOH를 측정하는 단계를 포함한다.
또한, 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 단계는 적어도 다음을 포함하는 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 다른 단계로 대체된다:
- 온도 T의 함수로서 이차 전지의 전기 화학 소자의 내부 저항 Rcell 값 및 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태 SOC 및/또는 각각의 전기 화학 소자 SOH의 노화 상태의 변화를 나타내는 미리 결정된 함수;
- 온도 T의 함수로서 미리 결정된 최대 허용 펄스 모드 IMR 또는 연속 모드 IMR_C 값 및 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태 SOC 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태 SOH; 및
- 온도 T의 함수로서 평탄 구간 E0에서의 전압 값 및 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태 SOC 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태 SOH.
또한, 제어 전압 Vcontrol_C 또는 Vcontrol을 실시간으로 평가하는 단계 S12 및 S22는 다른 단계, 즉 평탄 구간 E0에서의 평균 전압 값에 측정된 온도 T의 함수로서 전기 화학 소자의 내부 저항 Rcell 값과 미리 결정된 최대 허용 충전 전류 IMR_C 또는 IMR 값을 곱한 값을 더한 값과 동일한 제어 전압 Vcontrol_C 또는 Vcontrol를 실시간으로 평가하고 적절한 곳에서 각각의 전기 화학 소자의 측정된 충전 상태 SOC 및/또는 각각의 전기 화학 소자의 측정된 노화 상태 SOH를 실시간으로 평가하는 연속 모드용 단계 S32 또는 펄스 모드용 단계 S42로 대체된다.
도 8 및 도 9는 각각 연속 모드 방법 및 펄스 모드 방법의 예시를 나타내며, 내부 저항 값 Rcell, 미리 결정된 최대 충전 전류 값 IMR 및 IMR_C 및 평탄 구간 E0에서의 전압은 이차 전지의 온도 T 및 이차 전지의 셀의 충전 상태에 의존한다.
이러한 이차 전지의 충전 상태는 출원서 FR 1 251 925에 기술된 방법에 따라 측정될 수 있다. 이전의 실시예와 같이, 연속 모드에 대하여 도 8에 나타낸 제 2 실시예에서, 최대 허용 연속 모드 충전 전류 IMR_C_Parallel는 소자 당 최대 값 IMR_C에 p를 곱한 값, 즉 p x IMR_C를 초과할 수 없으며, p는 브랜치 당 전기 화학 소자의 개수를 말한다. 상기 최대 값에서 최대 허용 연속 모드 충전 전류 IMR_C_Parallel의 포화 값은 예를 들어 전압의 가능한 측정 부정확성 또는 가능한특성의 부정확성, 예를 들어 소자의 저항 또는 조절기에 의한 셋포인트의 추가 가능성에 대한 알고리즘의 강인성을 증가시킬 수 있다. 또한, 포화 값은 도 9에 관하여 p와 소자 당 최대 값 IMR을 곱한 값, 즉 p x IMR을 초과할 수 없는, 최대 허용 펄스 모드 충전 전류에 적용된다.
실시예는 내부 저항, 온도의 함수로서 최대 허용 충전 전류 및 평탄 구간에서의 전압, 충전 상태 또는 노화 상태의 변동을 고려할 수 있다.
충전 상태가 알려져 있기 때문에, 평탄 구간에서 또는 충전이 종료될 때 이차 전지의 전기 화학 소자를 최적으로 충전할 수 있다.
특히, 실시예는 E0_plateau의 평균 값이 아닌 정확한 값을 적용하기 위하여 약간 경사진 구간 플래토를 가지는 커플일 수 있다. 따라서, 평균 전압이 너무 높으면 소자의 과부하를 방지하거나 평균 전압이 너무 낮으면 충전 시간이 증가되는 것을 방지한다. 유사하게, 저항성을 가지는게 사실이며, 여기에서 평균 값이 약간 높은 충전 전류 또는 충전 시간이 증가 되는 것을 국부적으로 야기한다.
B3) 본 발명에 따른 방법의 제 3 실시예의 설명
도 10의 흐름도는 제 3 실시예에 따라 최대 허용 순간 충전 전류 값을 측정하기 위하여 이차 전지에 결합된 충전 컨트롤러에서 시행되는 알고리즘을 나타낸다.
도 10에 나타낸 예에서, 내부 저항 값, 최대 허용 충전 전류 값 및 평탄 구간에서의 전압은 온도에만 의존한다.
제 3 실시예에 따른 알고리즘은 이차 전지의 전기 화학 소자의 충전 프로파일(CP)의 평탄 구간에서 이차 전지의 충전을 관리할 수 있는 단계 S12 및 단계 S14에 대하여 도 4에 나타낸 제 1 실시예에 나타낸 알고리즘과 동일하다.
제 3 실시예에서 이차 전지의 충전이 종료되는 것을 관리하기 위하여, 방법은 전기 화학 소자의 충전 종료 전압 Veoc를 제공하는 단계를 포함한다.
또한, 방법은 Coef_eoc로 표기한, 미리 결정된 충전 종료 계수를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 계수는 각각의 브랜치에 병렬로 연결된 전기 화학 소자의 개수 p보다 작다. 상기 계수는 더 경사진 구간으로 충전 프로파일 CP의 평탄 구간의 충전을 통과시키는 특징이 있다.
상기 계수 Coef_eoc에 대하여 더 강력한 값은 허용된 충전 종료 전류 보다 큰 전류를 방지해야 하기 때문에 1이다. 그럼에도 불구하고, 충전 종료 충전 시간을 감소시키기 위하여, 테스트, 예를 들어 컴퓨터 시뮬레이션 또는 교정하여 허용된 충전 전류를 초과하는 것을 방지하는 Coef_eoc 보다 큰 값, 일반적으로 p/2 및 p/3을 결정할 수 있으며, 상기 p는 병렬로 연결된 브랜치 당 전기 화학 소자의 개수이다.
전기 화학 소자에 적용되는 최대 순간 연속 충전 전류 IMR_C_parallel를 실시간으로 측정하는 단계 S14 후 및 이차 전지에 포함된 충전 조절기에 최대 순간 충전 전류 IMR_C_parallel 값을 실시간으로 전송하는 단계 전, 제 1 중간 최대 순간 충전 전류를 측정하는 단계 S50가 수행된다.
S50에서, 제 1 중간 최대 순간 충전 전류는 평가된 임계 최대 순간 충전 전류와 미리 결정된 최대 허용 연속 충전 전류 IMR_C와 충전 종료 계수 Coef_eoc를 곱한 값 사이의 최대값과 동일하도록 실시간으로 측정된다:
Figure pct00007
.
단계 S12~S50과 병행하여, IMR_C_Parallel_eoc로 표기한 제 2 중간 최대 순간 충전 전류는 S52에서 평가된다. "in parallel(동시에)"는 단계 S12~S50에서 수행되는 것과 관련이 없는 제 2의 측정 또는 평가를 의미한다. 이러한 두 개의 측정은 동시적이거나 연속적일 수 있다. 제 2 중간 최대 순간 충전 전류는 병렬로 연결된 전기 화학 소자를 통과한다. 평가 단계 S52 동안, 전기 화학 소자의 최대 전압 Vmax가 충전 종료 전압 Veoc와 동일하도록 제 2 임계 최대 순간 충전 전류를 조절하여, 충전 종료 전압 Veoc 값의 함수로서 실시간으로 제 2 중간 최대 순간 충전 전류가 평가된다.
예를 들어, 최대 전압 Vmax이 충전 종료 전압 Veoc보다 높을 때, 전기 화학 소자의 최대 전압 Vmax이 충전 종료 전압 Veoc와 동일하도록, 제 2 중간 최대 순간 충전 전류 IMR_C_Parallel_eoc가 감소되며, 최대 전압 Vmax이 충전 종료 전압 Veoc 이하인 경우, 제 2 중간 최대 순간 충전 전류는 증가한다.
다른 예시에 따라, 조정은 비례형, 적분형 또는 미분형 및 이들의 결합물, 온-오프 타입, 자기 이력 타입, 상태 피드백 타입일 수 있으며 상태 관측기(state observer)를 이용할 수 있다.
이러한 조정 단계는 최대 이용가능한 전류 셋포인트에서 수행되는, CCCV, 즉 "정전류(Constant Current), 정전압(Constant Voltage)"으로 불리는 이차 전지를 충전하는 알려진 방법과 동일하다.
그 후, S54에서, 최대 순간 충전 전류 IMR_C_parallel가 실시간으로 측정된다. 최대 순간 충전 전류는 전기 화학 소자에 적용될 것이다. 최대 순간 충전 전류 IMR_C_parallel는 평가된 제 1 중간 최대 순간 충전 전류 및 평가된 제 2 중간 최대 순간 충전 전류 사이의 최소값과 동일하도록 결정된다:
Figure pct00008
.
상기 값은 측정된 최대 순간 충전 전류의 최대값 이하인 강도로 이차 전지의 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여 이차 전지에 포함된 충전 조절기로 실시간 전송된다.
제 1 중간 최대 순간 충전 전류 값은 평탄 구간에서 충전을 관리하는데 적합하며, 제 2 중간 최대 순간 충전 전류 값은 얻기 어려울 수 있는, 전기 화학 소자의 충전 상태 SOC의 정보 없이도 전기 화학 커플의 경사진 구간으로 충전이 종료되는 것을 관리하는데 적합하다.
도 11은 펄스 모드 전류의 충전을 관리하는데 적용된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 방법을 나타낸다. 연속 모드에 관련된 매개 변수가 펄스 모드에 관련된 매개 변수로, 즉
- 연속 제어 전압 Vcontrol_C을 펄스 모드 제어 전압 Vcontrol으로;
- 최대 허용 순간 충전 전류 IMR_C를 펄스 모드 IMR로; 및
- 최대 순간 연속 충전 전류 IMR_C_parallel를 펄스 모드 IMR_parallel로;
각각 대체 하여, 연속 모드에 대하여 이전에 기술된 단계가 펄스 모드에 모두 적용 된다.
특히, 제 3 실시예는 전기 화학 소자에 매우 적합하며, 전기 화학 소자의 충전 프로파일은 충전 상태와 개회로 전압이 매우 빠르게 변하는 평탄 구간을 가진다. 충전 프로파일은 얻기 어려운 전기 화학 소자의 충전 상태 SOC의 정보 없이, 커플의 경사진 구간으로 충전을 종료시킬 수 있다.
도 10 및 도 11에 나타낸 예시에서, 내부 저항 값, 최대 허용 충전 전류 값 및 평탄 구간의 전압은 온도에만 의존한다. 물론, 충전 상태의 함수 또는 노화 상태의 함수로서 이들의 변화는 제 2 실시예와 같이 충전 관리가 더 견고하도록 고려될 것이다.
도 10 및 도 11에 나타낸 실시예는 전류 셋포인트를 충전기에 제공하여, 각각의 소자를 통과하는 최대 전류를 보장할 수 있다.
도 12는 펄스 모드 전압 Vcontrol의 셋포인트를 충전기에 제공하여, 각각의 소자를 통과하는 최대 전류를 보장할 수 있는 본 발명에 따른 이차 전지의 충전을 관리하는 방법의 제 3 실시예의 대안을 나타내었다. 물론, 펄스 모드에 대하여 아래에 기술한 단계는 연속 경우로 바뀔 수 있다.
펄스 모드에 대하여 도 12에 나타낸 대안에 따라, 방법은 이전에 기술한 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 동일한 단계를 포함한다. 특히, 제공된 특성 데이터는 이차 전지의 전기 화학 소자의 내부 저항 Rcell, 소자에 대하여 미리 결정된 최대 허용 충전 전류(IMR) 및 평탄 구간에서의 평균 전압 값(E0_plateau)에 관련된 적어도 데이터를 포함한다.
또한 방법은 이차 전지의 온도 T를 실시간으로 측정하는 단계를 포함한다.
상기 실시예에서 이차 전지의 충전 종료를 관리하기 위하여, 방법은 이전에 기술한대로 전기 화학 소자의 충전 종료 전압 Veoc 및 미리 결정된 충전 종료 계수 Coef_eoc를 제공하는 단계를 더 포함한다.
방법은 첫째로 Flag_eoc로 표기한 충전 종료 변수를 업데이트하는 단계 S72를 포함한다. 업데이트하는 단계는 알고리즘이 프로세서에 의해 실행될 때 이차 전지의 충전을 관리하는데 적함한 알고리즘을 업데이트 하는 시간 Dtime에서 수행된다. 이차 전지의 충전이 종료될 때, 즉 충전 프로파일의 경사진 구간에서 변수는 1이며, 상기 경사진 구간의 외에선 0과 같다. 따라서, 변수 값의 함수로서, 충전 프로파일의 평탄 구간에 있을 때, 즉 Flag_eoc(t)=0일 때, 방법은 펄스 모드 충전 전류를 관리하기 위하여, 평탄 구간에서의 평균 전압 값 E0_plateau에 온도 T의 함수로서 허용된 전기 화학 소자의 내부 저항 값 Rcell 및 미리 결정된 최대 충전 전류 IMR을 곱한 값을 더한 값:
Figure pct00009
과 동일한 제어 전압 Vcontrol을 실시간으로 평가하는 이전에 기술한 단계와 동일한 단계 S22를 포함한다.
제어 전압 Vcontrol은 충전 프로파일의 평탄 구간에 있는 동안, 즉 이차 전지의 순간 전류 값이 충전 종료 계수 Coef_eoc와 미리 결정된 최대 허용 펄스 모드 충전 전류값 IMR을 곱한 값 보다 클 때:
Figure pct00010
상기 제어 전압 아래로 이차 전지의 전기 화학 소자를 충전하기 위하여 이차 전지에 포함된 충전 조절기로 실시간 전송되는 셋포인트 전압을 형성한다.
따라서, 상기 단계는 이차 전지의 전기 화학 소자의 충전 프로파일(CP)의 평탄 구간에서 이차 전지의 충전을 관리할 수 있다.
이차 전지의 순간 전류 통로는 충전 종료 계수 Coef_eoc와 미리 결정된 최대 허용 펄스 모드 충전 전류 값 IMR을 곱한 값 이하의 값:
Figure pct00011
이며,
충전 프로파일의 평탄 구간에서 경사진 구간까지가 통로인 것을 특징으로 한다. 즉, 이차 전지의 전기 화학 소자가 충전이 종료되었음을 의미한다.
따라서, 이차 전지의 순간 전류 값이 충전 종료 계수 Coef_eoc와 미리 결정된 최대 허용 펄스 모드 충전 전류 값 IMR을 곱한 값 이하:
Figure pct00012
이면, Flag_eoc로 표기된 충전 종료 변수는 1과 같다.
이차 전지의 전기 화학 소자의 충전 종료를 관리하기 위하여, 방법은 제 2 제어 전압을 평가하는 단계 S74를 포함한다.
상기 단계 S74는 Flag_eoc로 표기한 변수가 1일 때 수행된다.
평가 단계 S74 동안, 이차 전지의 순간 전류 값이 충전 종료 계수 Coef_eoc와 최대 허용 펄스 모드 충전 전류 값 IMR을 곱한 값과 동일하도록:
Figure pct00013
제 2 제어 전압은 미리 결정된 최대 허용 순간 충전 전류를 조절하여, 충전 종료 전압 Veoc값의 함수로서 실시간으로 평가된다.
예를 들어, 조정은 비례형, 적분형 또는 미분형 및 이들의 결합물, 온-오프 타입, 자기 이력 타입, 상태 피드백 타입일 수 있으며 상태 관측기(state observer)를 이용할 수 있다.
이 때, 단계 S74에서 평가된 제 2 제어 전압이 충전 종료 전압 Veoc 미만인 경우, 제 2 제어 전압은 충전이 종료될 때까지 제어 전압 아래로 이차 전지의 전기 화학 소자를 충전하기 위하여 이차 전지에 포함된 충전 조절기로 실시간 전송되는 셋포인트 전압을 형성한다.
그렇지 않으면, 단계 S74에서 평가된 제 2 제어 전압이 충전 종료 전압 Veoc 이상인 경우, 제 2 제어 전압 값은 충전 종료 전압 값으로 대체되며, 이 값은 충전이 종료될 때까지 제어 전압 아래로 이차 전지의 전기 화학 소자를 충전하기 위하여 이차 전지에 포함된 충전 조절기에 실시간으로 전송되는 셋포인트를 형성하는 값이다.
물론, 제어 전압을 이용하여 이차 전지의 충전을 관리하는 방법은 연속 모드와 펄스 모드 둘 다에 적합하다.
본 발명에 따른 제 3 실시예에서, 충전의 관리는 전압 또는 강도 셋포인트를 이용하여 제어되며, 1과 같은 충전 종료 계수 Coef_eoc는 이차 전지의 충전이 종료되는 동안 소자의 충전 전류를 초과할 위험을 방지한다.
바람직한 실시예에 따라, 충전 종료 계수는 브랜치 당 전기 화학 소자의 개수 p의 1/3 및 1/2이다. 상기 충전 종료 계수 값은 1과 동일한 충전 종료 계수에 관하여 충전 시간을 감소시키는 동안 소자의 전류가 높아지는 것을 방지할 수 있다. 상기 충전 종료 계수 값은 충전 프로파일을 가지는 NCA/LFP-타입 시스템의 경우에 바람직하며, 충전 상태의 함수로서 OCV의 변화는 경사진 구간에서 소자의 용량의 약 500mV/10%이다.
C) 예시
도 13~16은 본 발명에 따른 관리 방법과 종래의 정전류 관리 방법을 비교하는 시뮬레이션에 의해 얻어진 결과를 나타낸다.
제 1 시뮬레이션 시스템은 병렬로 직접 연결된 NCA/LFP 타입의 5개의 소자를 포함하는 이차 전지가다.
충전 전류는 병렬로 연결된 소자 당 IMR_C=10로 충전되는 것이 이상적이다.
본 발명에 따른 관리 방법에 의해 실현된 기술적 효과를 증명하기 위하여, 다른 소자 cell2~cell5가 10%로만 충전되는 동안 cell1로 표기한 소자 1는 30% 충전된다. 결과적으로, 전기 화학 소자는 처음에 다른 충전 상태에 있다.
도 14는 시뮬레이션에 이용된 전기 화학 소자의 충전 프로파일을 나타낸다.
평탄 구간의 평균 값 E0_plateau은 3.333V이며, 충전 종료 전압 Veoc는 3.8V이다.
본 발명에 따른 충전 방법에 대한 충전 종료 계수 Coef_eoc는 p/3, 즉 5/3이며, 이용된 규정은 비례 적분(proportional integral; PI) 타입이다.
도 13은 이차 전지의 충전이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방법을 이용하여 관리되는 경우, p=1~5에 대한 각각의 전기 화학 소자의 전류 Icell_p를 평가할 뿐 아니라, 충전 동안 이차 전지의 전류 Ibat 및 전압 Vbat의 평가를 나타낸다.
전류가 약간 초과될 때 및 충전 상태가 낮을 때, 음극이 충전 전류가 높아지는 것을 지지하는 영역이 있다. 셋포인트 IMR_C는 정전류 위상을 통해 높은 충전 상태를 초과하지 않는다.
충전 시간은 10A의 최대 충전 전류를 고려한 최적 충전 시간에 가깝다.
물론, 예를 들어 비례 적분 타입의 전류 제어를 이용한 임계치 Vcontrol_C로 정전압에서의 규정 또는 기술의 숙련자에게 알려진 다른 규정과 같은 규정이 가능하다.
제 2 시뮬레이션 시스템은 병렬로 직접 연걸된 NCA/LFP 타입의 10개의 소자를 포함하는 이차 전지가다. 여기에서, 우수한 전류 제어(current regulation)가 "밸런싱(balancing)"이라 불리는 기간을 최적화하기 위하여 이용된다.
끝으로, 이차 전지는 IMR_C*p(여기에서 p=10)와 동일한 셋포인트 전류에 따라 충전된다. 제어는 "Maximum Regen Intensity Maximum Discharge Intensity"라 불리는 알고리즘 또는 US 7 940 027에 기술된 방법에 따른 IMRIMD에 따라 수행된다. 상기 제어 단계 동안, IMR_C는 허용된 연속 충전 값과 동일하며, IMRIMD 알고리즘에서 과부화 용량(overload capacity) Cap에 관련된 내부 변수(internal variable)가 양수일 때 펄스 전류 IMR가 허용된다. 과부화 용량 Cap은 순간 충전 전류 및 최대 연속 전류 충전 사이의 차이를 적분하여 정의되었다. 과부화 욜양은 최대 허용 펄스 충전 전류 및 최대 허용 연속 충전 전류 값 사이의 차이가 양수(IMR-IMR_C>0)일 때 감소하며, 그 반대일때도 마찬가지로 감소한다.
본 발명의 목적은 소자의 과노화(over-ageing) 위험에 미치는 영향으로 각각의 소자에 대하여 초과되지 않는 IMR_C에 있다.
첫 번째 경우, 연속 충전
· 이차 전지의 특성
- NCA/LFP 타입의 병렬로 직접 연결된 10개의 소자의 이차 전지
- 전기 화학 소자 중 하나는 초기에 30%로 충전되고, 그 외의 소자는 50%, 그 밖의 소자는 8~40%로 충전됨.
· 전기 화학 소자의 특성
도 14는 시뮬레이션에 이용된 전기 화학 소자의 충전 프로파일을 나타낸다. 평탄 구간의 평균 값 E0_plateau은 3.333V이며, 충전 종료 전압 Veoc은 3.8V이다.
내부 저항 값은 1.1mOhm이며, 소자당 최대 충전 전류는 IMR_C=100 A이다.
도 15는 비례 적분 타입으로 제어하여 10x100A의 전류 및 3.8V의 전압으로 제한된 CCCV 타입의 종래의 관리 방법에 따라 시뮬레이션하여 얻어진 결과를 나타낸다.
도 15a는 충전 동안 p=1~10에 대한 각각의 전기 화학 소자 Icell_p의 전류를 평가하였다.
도 15b 및 도 15c는 충전 동안 이차 전지의 전류 Ibat 및 전압 Vbat의 평가를 각각 나타낸다.
도 15d는 충전 동안 p=1~10에 대한 전기 화학 소자 Icell_p의 온도를 평가하였다.
종래의 충전이 최대 허용 충전 전류가 100A인 동안 적어도 처음에 cell_1로 충전된 소자에서 38초 동안 충전이 종료될 때(t>400s) 175A이상의 전류를 유도하여 이차 전지의 조기 노화를 야기한 것이 밝혀졌다.
도 16은 충전 종료 계수가 p/3, 즉 10/3이며 비례 적분 타입의 제어를 이용하는 본 발명에 따른 관리 방법에 따라 시뮬레이션하여 얻어진 결과를 나타내었다.
도 16a는 충전 동안 p=1~10에 대한 각각의 전기 화학 소자 Icell_p의 전류를 평가하였다.
도 16b 및 도 16c는 충전 동안 전류 Ibat 및 전압 Vbat의 평가를 각각 나타내었다.
도 16d는 충전 동안 p=1~10에 대한 전기 화학 소자 Icell_p의 온도를 평가하였다.
최대 충전 종료 전류(t>400s)소자에 주어진 100A의 전류 셋포인트에 따르며 소자의 조기 노화 위험을 없애는 것으로 밝혀졌다.
또한, 충전 시간은 최대 전류를 수용하는 소자 cell1이 충전이 종료될 때를 제외하고 소자가 지지할 수 있는 최대 전류 셋포인트를 정확히 따르기 때문에 충전 시간이 최적화된다. 즉, 이차 전지의 성능을 감소시키지 않는다.
두 번째 경우: 펄스 모드 충전
· 이차 전지의 특성
- NCA/LFP 타입의 병렬로 직접 연결된 10개의 소자의 이차 전지
- 모든 전기 화학 소자는 처음에 65%로 충전됨(SOC_cellp=65%).
· 전기 화학 소자의 특성
도 14는 시뮬레이션에 이용된 전기 화학 소자의 충전 프로파일을 나타낸다. 평탄 구간의 평균 값 E0_plateau은 3.333V이며, 충전 종료 전압 Veoc은 3.8V이다.
내부 저항 값은 소자 1~5에 대하여 1.1mOhm이며, 소자 6~10에 대하여 2.2mOhm이다.
소자 당 최대 연속 충전 전류는 IMR_C=100A이고, 소자 당 최대 펄스 충전 전류는 10s 동안 IMR=150A이다.
도 17은 비례 적분 타입의 제어를 이용하여, 3.8V의 전압 및 10초 동안 10*150A에서 10*100A로 전류를 제한하는 CCCV 타입의 종래의 관리 방법에 따른 시뮬레이션에 의해 얻어진 결과를 나타내었다.
도 17a는 충전 동안 p=1~10에 대하여 각각의 전기 화학 소자 Icell_p의 전류를 평가하였다.
도 17b 및 도 17c는 충전 동안 이차 전지의 전류 Ibat 및 전압 Vbat를 각각 평가하였다.
도 17d는 충전 동안 p=1~10에 대하여 전기 화학 소자의 온도를 평가하였다.
종래의 충전은 150A에서 허용된 펄스의 10s 동안 소자 1~5를 통해 200A의 펄스 전류를 유도한 후, 펄스 후 위상 동안 과충전됨에 따라, 이차 전지의 조기 노화를 야기하였다.
도 18은 충전 종료 계수가 p/3, 즉 10/3이며 비례 적분 타입의 제어를 이용하는 본 발명에 따른 관리 방법에 따라 시뮬레이션하여 얻어진 결과를 나타내었다.
도 18a는 충전 동안 p=1~10에 대한 각각의 전기 화학 소자 Icell_p의 전류를 평가하였다.
도 18b 및 도 18c는 충전 동안 전류 Ibat 및 전압 Vbat를 각각 평가하였다.
도 18d는 충전 동안 p=1~10에 대한 전기 화학 소자 Icell_p의 온도를 평가하였다.
최대 충전 종료 전류는 조절기의 특정 반응 시간 후 펄스 당 주어진 150A의 셋포인트에 따르며, 소자의 조기 노화 위험을 없애는 것으로 밝혀졌다.
또한, 충전 시간은 최대 전류를 수용하는 소자 cell1이 충전이 종료될 때를 제외하고 소자가 지지할 수 있는 최대 전류 셋포인트를 정확히 따르기 때문에 충전 시간이 최적화된다. 즉, 이차 전지의 성능을 감소시키지 않는다.
대안 해결안으로 이차 전지가 150A, 이후 100A의 이차 전지에서 최대 허용 전류 IMR로 충전하여 과노화되지 않는 것을 확인하였다. 그러나, 충전 시간은 10배가 될 것이며, 이차 전지의 성능을 매우 많이 감소시킬 것이다.

Claims (13)

  1. 직렬로 연결된 복수(n)의 브랜치(branches)를 포함하는 전압 제어부(voltage control) 또는 강도 제어부를 이용하여 이차 전지(rechargeable battery) 충전 관리 방법으로서,
    각각의 상기 브랜치는 병렬로 연결된 복수(p)의 전기 화학 소자를 포함하며,
    각각의 상기 전기 화학 소자는 경사진 구간(sloping zone) 바로 다음에 적어도 하나의 평탄 구간(plateau zone)이 있는 충전 프로파일(charging profile; CP)을 포함하고,
    충전 상태의 함수로서 상기 평탄 구간에서의 전압 변화는 상기 경사진 구간에서의 전압 변화보다 적어도 10배 느리며,
    상기 이차 전지의 충전을 관리하는 방법은
    a) 상기 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 단계;
    상기 특성 데이터는 적어도
    - 온도(T)의 함수로서 상기 이차 전지의 전기 화학 소자의 내부 저항 값(Rcell)의 변화를 나타내는 미리 결정된 함수;
    - 온도(T)의 함수로서 소자에 대하여 미리 결정된 최대 충전 전류 값(IMR, IMR_C); 및
    - 상기 평탄 구간에서의 평균 전압 값(E0_plateau);를 포함하며,
    e) 병렬로 연결된 상기 전기 화학 소자의 각 브랜치의 터미널에서 전압(Vcell_n)을 실시간으로 측정하는 단계;
    f) 상기 이차 전지의 온도(T)를 실시간으로 측정하는 단계;
    g) 측정된 온도(T)의 함수로서 허용된 상기 전기 화학 소자의 내부 저항값(Rcell)과 상기 미리 결정된 최대 충전 전류 값(IMR, IMR_C)을 곱한 값을 상기 경사 구간에서의 평균 전압 값(E0_plateau)에 더한 값과 동일한 제어 전압(Vcontrol)을 실시간으로 평가하는 단계;
    상기 강도 제어부의 경우
    e5) 상기 각각의 브랜치의 터미널에서 측정된 최대 전압(Vcell_n)으로서 형성된 상기 이차 전지의 상기 전기 화학 소자의 최대 전압(Vmax)을 실시간으로 평가하는 단계;
    e6) 상기 전기 화학 소자의 최대 전압(Vmax)이 평가된 제어 전압(Vcontrol)과 동일하도록 임계 최대 순간 충전 전류(threshold maximum instantaneous charging current)를 조절하여, 평가된 제어 전압(Vcontrol)의 함수로서 병렬로 연결된 상기 전기 화학 소자를 통과하는 임계 최고 순간 충전 전류를 실시간으로 평가하는 단계;
    e7) 최대 순간 충전 전류가 측정된 임계 최대 순간 충전 전류 및 브랜치 당 전기 화학 소자 수(p)와 미리 결정된 최대 허용 충전 전류(IMR, IMR_C)를 곱한 값 사이의 최저값과 동일한, 상기 전기 화학 소자에 적용되는 최대 순간 충전 전류 값(IMR_parallel 또는 IMR_C_parallel)을 실시간으로 결정하는 단계; ; 및
    e8) 미리 결정된 최대 순간 충전 전류의 최대 값 이하의 강도로 상기 이차 전지의 상기 전기 화학 소자의 전력을 공급하기 위하여, 결정된 최대 순간 충전 전류 값(IMR_parallel 또는 IMR_C_parallel)을 상기 이차 전지에 포함된 충전 조절기(charger regulator)로 실시간으로 전송하는 단계;
    및 상기 전압 제어부의 경우
    f) 상기 이차 전지의 상기 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여, 평가된 제어 전압 값(Vcontrol)을 이차 전지에 포함된 충전 조절기(charger regulator)로 실시간으로 전송하는 단계;를 포함하는, 이차 전지 충전 관리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태(state of charge, SOC) 및/또는 상기 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태(ageing state, SOH)를 측정하는 단계를 포함하며,
    상기 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 단계는 적어도
    - 온도(T)의 함수로서 상기 이차 전지의 상기 전기 화학 소자의 내부 저항 값(Rcell)의 변화 및 상기 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태(SOC)의 변화 및/또는 상기 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태(SOH)의 변화를 나타내는 미리 결정된 함수;
    - 온도(T)의 함수로서 허용된 미리 결정된 최대 충전 전류 값(IMR, IMR_C) 및 상기 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태(SOC) 및/또는 상기 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태(SOH); 및
    - 온도(T)의 함수로서 상기 평탄 구간에서의 전압 값(E0) 및 상기 각각의 전기 화학 소자의 충전 상태(SOC) 및/또는 상기 각각의 전기 화학 소자의 노화 상태(SOH);를 포함하는 상기 전기 화학 소자의 특성 데이터를 제공하는 다른 단계로 대체되며,
    제어 전압(Vcontrol)을 실시간으로 평가하는 단계는 측정된 온도(T) 및 상기 각각의 전기 화학 소자의 측정된 충전 상태(SOH) 및/또는 상기 각각의 전기 화학 소자의 측정된 노화 상태(SOH)의 함수로서 허용된 상기 전기 화학 소자의 내부 저항 값(Rcell)과 미리 결정된 최대 충전 전류 값(IMR, IMR_C)를 곱한 값을 상기 평탄 구간에서의 평균 전압 값(E0)에 더한 값과 동일한 제어 전압(Vcontrol)을 실시간으로 평가하는 다른 단계로 대체되는, 이차 전지 충전 관리 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    g1) 상기 전기 화학 소자의 충전 종료 전압 값(end of charge voltage, Veoc)을 제공하는 단계; 및
    g2) 미리 결정된 충전 종료 계수(Coef_eoc)를 제공하는 단계;를 포함하며,
    상기 충전 종료 계수는 상기 각각의 브랜치에 병렬로 연결된 상기 전기 화학 소자의 개수(p)보다 적으며,
    상기 강도 제어부의 경우,
    최대 순간 충전 전류 값(IMR_parallel or IMR_C_parallel)을 상기 이차 전지에 포함된 상기 충전 조절기에 실시간으로 전송하는 상기 단계 e4) 전:
    h1) 상기 전기 화학 소자에 적용되는 최대 순간 충전 전류(IMR_parallel 또는 IMR_C_parallel)을 실시간으로 측정하는 단계 e3) 후, 미리 결정된 최대 허용 충전 전류(IMR, IMR_C)와 충전 전류 계수(Coef_eoc)를 곱한 값과 평가된 임계 최대 순간 충전 전류 사이의 최대값과 동일한 제 1 중간 최대 순간 충전 전류를 실시간으로 측정하는 단계(S50)가 수행되며;
    h2) 단계 e), e3) 및 h1)와 동시에, 전기 화학 소자의 최대 전압(Vmax)이 충전 종료 전압 값(Veoc)과 동일하도록 제 2 임계 최대 순간 충전 전류를 조절하여, 제 2 중간 최대 순간 충전 전류가 충전 종료 전압 값(Veoc)의 함수로서 실시간으로 평가하는 단계(S52) 수행되고;
    h3) 최대 순간 전류가 평가된 제 1 중간 최대 순간 충전 전류 및 제 2 중간 최대 순간 충전 전류 사이의 최소값과 동일한, 상기 전기 화학 소자에 적용되는 최대 순간 충전 전류(IMR_parallel 또는 IMR_C_parallel)를 실시간으로 측정하는 단계(S54)가 수행되며;
    상기 전압 제어부의 경우,
    제어 전압을 실시간으로 평가하는 단계 d) 전,
    i3) 초기 값이 0인, 기록된 충전 종료 변수(end of charge variable)(Flag_eoc)를 업데이트 하는 단계;
    i4) 상기 충전 종료 변수(Flag_eoc)가 0인 경우,
    - 제어 전압을 실시간으로 평가하는 상기 단계 d)를 수행하는 단계를 수행하고;
    - 상기 이차 전지의 순간 전류 값이 충전 종료 계수(Coef_eoc)와 미리 결정된 최대 허용 충전 전류(IMR, IMR_C)를 곱한 값보다 클 때, 상기 이차 전지의 상기 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여, 단계 d)에서 평가된 제어 전압(Vcontrol, Vcontrol_C) 값을 상기 이차 전지에 포함된 충전 조절기(charger regulator)로 실시간으로 전송시키는 단계를 수행하며;
    i5) 충전 종규 변수(Flag_eoc)가 1인 경우 또는 이차 전지의 순간 전류 값이 충전 종료 계수(Coef_eoc)와 미리 결정된 최대 허용 충전 전류(IMR, IMR_C)를 곱한 값 이하의 값인 경우,
    이차 전지의 순간 전류 값이 충전 종료 계수(Coef_eoc)와 미리 결정된 최대 허용 충전 전류 값(IMR, IMR_C)을 곱한 값과 동일하도록, 미리 결정된 최대 허용 순간 충전 전류를 조절하여 제 2 제어 전압을 평가하는 단계(S74)를 수행하는 단계를 수행하고;
    - 평가된 제 2 제어 전압이 충전 종료 전압(Veoc) 미만인 경우, 상기 이차 전지의 상기 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여 측정된 제 2 제어 전압(Vcontrol, Vcontrol_C)을 상기 이차 전지에 포함된 충전 조절기로 실시간 전송시키는 단계를 수행하며;
    - 반면, 상기 이차 전지의 전기 화학 소자에 전력을 공급하기 위하여, 충전 종료 전압(Veoc)을 상기 이차 전지에 통합된 충전 조절기로 전송시키는 단계를 수행하는, 이차 전지 충전 관리 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 화학 소자는 연속 충전 또는 펄스 충전에 적합한, 이차 전지 충전 관리 방법.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 충전 종료 계수(Coef_eoc)는 1인, 이차 전지 충전 관리 방법.
  6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 충전 종료 계수(Coef_eoc)는 브랜치당 상기 전기 화학 소자 개수의 1/3~1/2인, 이차 전지 충전 관리 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는 프로그램을 포함하는 메모리가 마련된 전지 충전 조절기(battery charging regulator)로서,
    결정된 최대 허용 순간 충전 전류 값(IMR, IMR_C)으로 충전 전류(I)를 제한 할 수 있는 정보를 제한하거나 제공하는, 전지 충전 조절기.
  8. 직렬로 연결된 적어도 두 개의 브랜치를 포함하는 이차 전지로서,
    각각의 상기 브랜치는 병렬로 연결된 적어도 두 개의 전기 화학 소자 및 제 7항에 따른 상기 충전 조절기를 포함하며,
    각각의 상기 전기 화학 소자는 경사진 구간(sloping zone) 바로 다음에 적어도 하나의 평탄 구간(plateau zone)이 있는 충전 프로파일(charging profile; CP)을 포함하고,
    충전 상태의 함수로서 상기 평탄 구간에서의 전압 변화는 상기 경사진 구간에서의 전압 변화보다 적어도 10배 느린, 이차 전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 각각의 전기 화학 소자는 리튬 이온 타입인, 이차 전지.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 각각의 전기 화학 소자는
    - M' 및 M''은 B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb 및 Mo로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, M' 및 M''이 서로 다르고, 0.8≤x≤1.2, 0≤y≤0.6 및 0≤z≤0.2인 화학식 LixMn1 -y- zM'yM''zPO4을 가지는 LMFP 타입의 화합물; 및
    - M이 B, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb 및 Mo로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 0.8≤x≤1.2, 0≤y≤0.6인 화학식 LixFe1 - yMyPO4을 가지는 LFP 타입의 화합물;로 이루어진 리스트로부터 선택된 양극에 대한 적어도 하나의 활성 물질을 포함하는 리튬 이온 타입인, 이차 전지.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 각각의 전기 화학 소자는 리튬 이온 타입이며,
    상기 전기 화학 소자의 양극은
    a) 적어도 니켈 및 코발트를 포함하는 전이 금속 및 알루미늄을 포함하는 리튬 함유 옥사이드(lithium-containing oxide); 및
    b) 적어도 하나의 전이 금속의 리튬 함유 포스페이트(lithium-containing phosphate);를 포함하고,
    상기 전기 화학 소자의 양극은 탄소층으로 적어도 부분적으로 덮여지며,
    적어도 니켈, 코발트 및 알루미늄을 포함하는 전이 금속의 리튬 함유 옥사이드의 질량비는 조성물의 10중량% 이하이고,
    적어도 하나의 전이 금속의 리튬 함유 포스페이트의 질량비는 조성물의 90중량% 이상인, 이차 전지.
  12. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 단계를 수행하는 프로세서에 저장된 적어도 하나의 일련 정보를 포함하며 프로세서로 접근 가능한 컴퓨터 프로그램 제품.
  13. 제 12항의 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 하나의 일련 정보를 수행할 수 있는, 컴퓨터 판독가능 데이터 매체.


KR1020167003251A 2013-07-04 2014-07-01 병렬로 연결된 전기 화학 소자의 복수의 브랜치를 포함하는 이차 전지의 충전 관리 방법 및 시스템 KR102179395B1 (ko)

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