KR20210074001A - 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치 및 방법 - Google Patents

전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 동작 제어 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 충전 제어 방법은, 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 포함하는 동작 특성값을 측정하는 단계; 미리 설정된 퇴화진단 충전상태 구간에서 이차 전지를 통해 펄스 전류가 흐를 때마다 상기 동작 특성값을 이용하여 이차 전지의 충전상태를 결정하는 단계; 각 펄스 전류 구간 중에서 미리 설정된 초기 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 전기화학반응저항을 결정하고, 상기 초기 시간을 제외한 나머지 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 리튬이온확산저항을 결정하는 단계; 전기화학반응저항 대비 리튬이온확산저항의 상대적 비율인 퇴화진단 저항비율과 미리 설정된 기준 퇴화진단 저항비율을 비교하여 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극을 결정하는 단계; 및 상기 퇴화 편중 전극의 종류에 따라 다음 충방전 사이클의 운용 조건을 적응적으로 조절하는 단계;를 포함한다.

Description

전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치 및 방법{Apparatus of Controlling Operation of Secondary Battery using Relative Deterioration Degree of Electrode and Method thereof}
본 발명은 이차 전지의 동작 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 양극과 음극 중에서 퇴화도가 상대적으로 큰 전극의 종류에 따라 충방전 운용 조건을 적응적으로 조절할 수 있는 이차 전지의 동작 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 스마트 폰, 스마트 패드 등의 모바일 디바이스뿐만 아니라 전기로 구동되는 자동차(EV, HEV, PHEV)나 대용량 전력 저장 장치(ESS) 등의 분야로까지 그 용도가 급속도로 확산되고 있다.
이차 전지는 충방전 사이클이 증가함에 따라서 퇴화도가 증가한다. 퇴화도는 이차 전지의 저항 증가 또는 용량 감소를 기준으로 산출될 수 있다.
퇴화도는 이차 전지의 저항 또는 용량을 고려하여 건강상태(SOH: State Of Health)라는 파라미터로 수치화해서 나타낸다.
예를 들어, BOL(Beginning Of Life) 상태에 있는 이차 전지 저항을 RBOL이라고 정의하고, MOL (Middle Of Life) 상태, 즉 충방전 사이클이 증가한 현재 상태의 이차 전지 저항을 RMOL이라고 정의할 때, 저항을 이용한 SOH는 RBOL/RMOL로 나타낼 수 있다.
또한, BOL(Beginning Of Life) 상태에 있는 이차 전지 용량을 CBOL이라고 정의하고, MOL (Middle Of Life) 상태, 즉 충방전 사이클이 증가한 현재 상태의 이차 전지 저항을 CMOL이라고 정의할 때, 용량을 이용한 SOH는 CMOL/CBOL로 정의할 수 있다.
이차 전지의 퇴화 원인으로는, 전기 화학적 반응을 일으키는 작동 이온(리튬 이차 전지의 경우 리튬 이온)의 비가역적 손실, 활물질의 구조 손상, 작동 이온의 석출, 전해질의 부반응 증가 등을 들 수 있다.
이차 전지의 퇴화도는 양극 퇴화도와 음극 퇴화도의 정량적 합에 해당한다. BOL 상태에 있거나 충방전 사이클이 작은 이차 전지는 양극과 음극의 퇴화도가 거의 동일하다. 하지만, MOL 상태에 있는 이차 전지는 양극과 음극의 퇴화도가 상대적인 편차를 나타낸다. 양극과 음극은 집전체에 코팅된 활물질의 종류에 따라 퇴화의 메커니즘이 상이하기 때문이다.
통상적으로, 이차 전지의 충방전 운용 조건은 이차 전지의 퇴화도에 따라 적응적으로 조절된다. 일 예로, 퇴화도가 증가하면, 충전 컷오프 전압을 감소시키거나 충전상태(State Of Charge) 별로 설정되는 충전 씨레이트(C-rate)를 감소시킨다.
하지만, 충방전 운용 조건의 제어 관점은 양극과 음극 중에서 퇴화도가 상대적으로 더 증가한 전극의 종류에 따라 달라질 필요가 있다.
예를 들어, 양극이 음극보다 더 퇴화된 경우는 충전구간의 말단 근처에서 양극 활물질의 구조 손상이 가속화되므로 충전 컷오프 전압을 감소시키고 충전구간의 말단에서 충전 씨레이트를 감소시키는 것에 충전제어의 주안점을 두어야 한다.
반면, 음극이 양극보다 더 퇴화된 경우는 음극 활물질의 구조 손상 보다는 음극 표면에서 발생되는 작동 이온의 석출을 방지하는 것이 중요하다. 따라서, 충전시작 전의 휴지 시간을 조절하고 작동 이온의 석출이 예상되는 충전구간에서 충전전류의 씨레이트를 감소시키는 것에 충전제어의 주안점을 두어야 한다.
하지만, 종래 기술은 퇴화도가 상대적으로 큰 전극의 종류에 따라 충방전운용 조건을 적응적으로 제어하는 것에 대해 기술적 대안을 제시하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, MOL 상태에 있는 이차 전지에 대해 양극과 음극 중에서 퇴화도가 상대적으로 큰 전극의 종류를 식별하고 해당 전극의 전기화학적 특성을 고려하여 충방전 운용 조건을 적응적으로 제어할 수 있는 이차 전지의 동작 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치는, 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 포함하는 동작 특성값을 측정하는 센서 유닛; 및 상기 센서 유닛과 동작 가능하게 결합된 제어 유닛을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 유닛은, 상기 센서 유닛으로부터 동작 특성값을 수신하고, 미리 설정된 퇴화진단 충전상태 구간에서 이차 전지를 통해 펄스 전류가 흐를 때마다 상기 동작 특성값을 이용하여 이차 전지의 충전상태를 결정하고, 각 펄스 전류 구간 중에서 미리 설정된 초기 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 전기화학반응저항을 결정하고, 상기 초기 시간을 제외한 나머지 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 리튬이온확산저항을 결정하고, 전기화학반응저항 대비 리튬이온확산저항의 상대적 비율인 퇴화진단 저항비율과 미리 설정된 기준 퇴화진단 저항비율을 비교하여 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극을 결정하고, 상기 퇴화 편중 전극의 종류에 따라 다음 충방전 사이클의 운용 조건을 적응적으로 조절하도록 구성될 수 있다.
일 예에서, 상기 펄스 전류 구간 중에서 미리 설정된 초기 시간은 0.1msec 내지 1 초일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 이차 전지는, 음극의 충전상태에 따른 개방전압 프로파일이 평탄 구간을 가지고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간은 상기 평탄 구간에 대응될 수 있다.
이러한 경우, 상기 제어 유닛은, 상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 큰 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성되고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 작은 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성될 수 있다.
대안적으로, 상기 제어 유닛은, 상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 큰 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성되고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 작은 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 이차 전지는, 양극의 충전상태에 따른 개방전압 프로파일이 평탄 구간을 가지고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간은 상기 평탄 구간에 대응될 수 있다.
이러한 경우, 상기 제어 유닛은, 상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 큰 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성되고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 작은 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성될 수 있다.
대안적으로, 상기 제어 유닛은, 상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 큰 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성되고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 작은 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 유닛은, 상기 퇴화 편중 전극이 양극일 경우 충전상태 별로 결정한 상기 퇴화진단 저항비율의 평균값과 충전상태 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압, 방전 컷오프 전압, 펄스 전류의 휴지 구간 및 펄스 전류의 씨레이트 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 동작 조건을 조절하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 유닛은, 상기 퇴화 편중 전극이 음극일 경우 충전상태 별로 결정한 상기 퇴화진단 저항비율의 평균값과 충전상태 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압, 방전 컷오프 전압, 펄스 전류의 휴지 구간 및 펄스 전류의 씨레이트 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 동작 조건을 조절하도록 구성될 수 있다.
상기 기술적 과제는 상술한 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템 또는 전기 구동 장치에 의해 달성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법은, (a) 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 포함하는 동작 특성값을 측정하는 단계; (b) 미리 설정된 퇴화진단 충전상태 구간에서 이차 전지를 통해 펄스 전류가 흐를 때마다 상기 동작 특성값을 이용하여 이차 전지의 충전상태를 결정하는 단계; (c) 각 펄스 전류 구간 중에서 미리 설정된 초기 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 전기화학반응저항을 결정하고, 상기 초기 시간을 제외한 나머지 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 리튬이온확산저항을 결정하는 단계; (d) 전기화학반응저항 대비 리튬이온확산저항의 상대적 비율인 퇴화진단 저항비율과 미리 설정된 기준 퇴화진단 저항비율을 비교하여 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극을 결정하는 단계; 및 (e) 상기 퇴화 편중 전극의 종류에 따라 다음 충방전 사이클의 운용 조건을 적응적으로 조절하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, MOL 상태에 있는 이차 전지에 대해 양극과 음극 중에서 퇴화도가 상대적으로 큰 전극의 종류를 식별하고 해당 전극의 전기화학적 특성을 고려하여 이차 전지의 충방전 운용 조건을 적응적으로 제어할 수 있다.
따라서, 이차 전지의 전체 퇴화도를 고려하여 충방전 운용 조건을 조절하는 종래 기술과 비교하여 MOL 상태에 있는 이차 전지의 동작을 안전하게 제어할 수 있다.
또한, 퇴화도가 상대적으로 큰 전극에 초점을 맞추어 충방전 운용 조건이 적응적으로 조절되므로 이차 전지의 퇴화도 증가 속도를 감소시켜 이차 전지의 수명을 그 만큼 증가시킬 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차전지의 동작 제어 장치의 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 2는 양극에 활물질로서 리튬전이금속산화물인 LiaNixCoyMnzO2를 포함하고, 음극에 활물질로서 그라파이트를 포함하는 리튬 이차 전지에 대한 셀 개방전압 프로파일, 양극 개방전압 프로파일 및 음극 개방전압 프로파일을 나타낸 그래프들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 이차 전지가 퇴화진단 충전상태 구간에서 충전되는 동안 이차 전지를 통해서 흐르는 펄스 전류의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법을 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 이차 전지의 충전 운용 조건을 조절하는 과정을 자세하게 도시한 순서도이다.
도 6은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지를 퇴화진단 충전상태 구간에서 충전하는 동안 산출한 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k을 개방전압에 따라서 플로팅한 그래프이다.
도 7은 MOL1 상태에 있는 리튬 이차 전지와 MOL2 상태에 있는 리튬 이차전지를 준비하고, 각 리튬 이차 전지를 통해서 퇴화진단 충전상태 구간인 67% 내지 97%에서 충전 펄스 전류가 흐르는 동안 산출한 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k을 개방전압에 따라서 플로팅한 그래프이다.
도 8은 MOL1 상태에 있는 리튬 이차 전지의 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k과, MOL2 상태에 있는 리튬 이차 전지의 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k과, BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer을 함께 플로팅한 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 동작 제어 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 동작 제어 장치를 포함하는 전기 구동 장치의 블록 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판정되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 '프로세서'또는 '제어유닛'과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, 이차 전지는, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미할 수 있다.
일 예로, 파우치형 리튬 이차 전지가 이차 전지로 간주될 수 있다. 또한, 이차 전지는 직렬 및/또는 병렬 연결된 셀들의 어셈블리를 의미할 수 있다. 일 예로, 복수의 리튬 이차 전지들을 설계 용량에 맞게 직렬 및/또는 병렬 연결시킨 모듈이나 팩이 이차 전지로 간주될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차전지의 동작 제어 장치의 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치(10)는, 이차 전지(20)에 결합되어 MOL 상태에 있는 이차 전지(20)의 양극과 음극 중에서 퇴화도가 상대적으로 큰 전극의 종류를 식별하고 식별된 전극의 종류에 따라 충방전 운용 조건을 적응적으로 제어한다.
본 발명에 따른 이차 전지의 동작 제어 장치(10)는, 이차 전지(20)가 충전 또는 방전되는 동안 이차 전지의 동작 특성값을 측정하는 센서 유닛(30)과, 이차 전지(20)의 양극과 음극 중에서 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극을 식별하고 퇴화 편중 전극의 종류에 따라 이차 전지(20)의 충방전 운용 조건을 적응적으로 제어하는 제어 유닛(40)과, 이차 전지(20)의 동작 특성값과 제어 로직들의 실행을 위해 필요한 프로그램과 제어 로직의 실행 과정에서 파생되는 데이터와 미리 정의된 파라미터 등을 저장하는 저장 유닛(60)을 포함한다.
바람직하게, 센서 유닛(30)은, 전압 측정부(30a), 전류 측정부(30b) 및 온도 측정부(30C)를 포함하고, 이차 전지(20)가 동작하는 동안 제어 유닛(40)의 통제하에 이차 전지(20)의 전압, 전류 및 온도를 측정한다.
전압 측정부(30a)는 제어 유닛(40)의 요청에 따라 주기적으로 이차 전지(20)의 양극과 음극 사이의 전압을 측정하고, 전압 측정값을 제어 유닛(40)으로 출력한다. 그러면, 제어 유닛(40)은 전압 측정값을 수신하여 저장 유닛(60)에 기록한다.
전압 측정부(30a)는 이차 전지(20)의 전압을 충전 및 홀드하는 부동 캐패시터, 부동 캐패시터에 충전 및 홀드된 이차 전지(20)의 전압을 측정하는 전압 센싱 회로 등을 포함할 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전압 측정부(30a)는, 이차 전지(20)가 직렬로 연결된 복수의 셀을 포함할 때, 복수의 셀에 대한 단자 전압을 동시에 또는 이시적(time-differentially)으로 측정할 수 있도록 설계 변경될 수 있다. 복수의 셀에 대한 전압 측정 기술은 당업계에 널리 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
전류 측정부(30b)는 제어 유닛(40)의 요청에 따라 주기적으로 이차 전지(20)를 통해서 흐르는 전류를 측정하고 전류 측정값을 제어 유닛(40)으로 출력한다. 이차 전지(20)를 통해 흐르는 전류는 충전 전류 또는 방전 전류이다.
전류 측정부(30b)는 이차 전지(20)를 통해 전류가 흐를 때 센스 저항(R)의 양단에 인가되는 전압을 측정하여 제어 유닛(40)으로 출력할 수 있다. 센스 저항(R)의 양단 전압은 전류 측정값에 해당한다. 제어 유닛(40)은 오옴의 법칙(V=IR)을 이용하여 센스 저항(R)의 양단 전압값을 전류 측정값으로 변환할 수 있다. 전류 측정부(30b)는 홀 센서와 같은 다른 공지된 전류 센서로 대체 가능함은 물론이다.
온도 측정부(30c)는 제어 유닛(40)의 요청에 따라 주기적으로 이차 전지(20)의 온도를 측정하고 온도 측정값을 제어 유닛(40)으로 출력한다.
온도 측정부(30c)는 열전대(thermocouple)와 같이 당업계에 공지된 온도 센서일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 측면에 따르면, 이차 전지의 동작 제어 장치(10)는 충전 유닛(C)과 동작 가능하게 결합될 수 있다. 충전 유닛(C)은 제어 유닛(40)의 요청에 따라 미리 설정된 충전 프로토콜에 따라서 이차 전지(20)에 충전전류를 인가한다.
바람직하게, 충전전류는 정전류 또는 펄스 전류이다. 펄스 전류는 DC 전류가 이차 전지(20)에 인가되는 충전구간과 DC 전류가 이차 전지(20)에 인가되지 않는 휴지구간이 반복되는 충전전류이다.
충전 유닛(C)은 이차 전지(20)가 탑재된 장치에 따라 달라질 수 있다.
일 예로, 이차 전지(20)가 전기 자동차에 탑재된 경우 충전 유닛(C)은 전기 자동차용 충전 스테이션일 수 있다.
다른 예로, 이차 전지(20)가 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차에 탑재된 경우 충전 유닛(C)은 자동차의 감속 과정에서 충전 전력을 제공하는 재생충전 유닛일 수 있다.
또 다른 예로, 이차 전지(20)가 스마트폰이나 랩탑 컴퓨터와 같은 모바일 단말기인 경우 충전 유닛(C)은 해당 단말기에 구비된 충전 회로일 수 있다.
바람직하게, 충전 유닛(C)은 제어 유닛(40)의 요청에 따라 이차 전지(20)에 인가되는 충전전류를 조절하는 제어 시스템(미도시)과 결합될 수 있다.
부하(L)는 이차 전지(20)로부터 방전전류를 공급 받는 요소이다. 부하(L)는 전기 구동 자동차의 모터와 결합된 인버터, 전기 구동 자동차의 전장 부품과 전기적으로 결합된 DC/DC 컨버터, 모바일 단말기의 회로에 전력을 공급하는 전력변환 회로 등일 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 방전전류는 정전류 또는 펄스 전류이다. 펄스 전류는 DC 전류가 부하(L)에 인가되는 방전구간과 DC 전류가 부하(L)에 인가되지 않는 휴지구간이 반복되는 방전전류이다.
제어 유닛(40)은 충전 유닛(C)과 전기적으로 동작 가능하게 결합할 수 있다. 또한, 제어 유닛(40)은 이차 전지(20)의 충전이 진행될 때 충전 유닛(C)을 제어하여 이차 전지(20)에 공급되는 충전전류의 종류(펄스 전류 또는 정전류), 충전전류의 씨레이트, 듀티비(Duty ratio), 듀레이션(duration) 등 충전 운용 조건을 적응적으로 변경할 수 있다.
제어 유닛(40)은 또한 부하(L)와 전기적으로 동작 가능하게 결합된다. 이 경우, 제어 유닛(40)은 이차 전지(20)의 방전을 제어하여 방전전류를 부하(L)에 인가할 수 있다. 부하(L)의 제어를 관장하는 부하 관리 시스템(미도시)은 제어 유닛(40)으로부터 가용 방전 출력에 관한 정보를 제공 받아 부하(L)에서 소비되는 전력을 가용 방전 출력의 범위 내에서 통제할 수 있다.
또한, 제어 유닛(40)은 이차 전지(20)의 방전이 진행될 때 부하 관리 시스템(미도시)을 제어하여 이차 전지(20)로부터 부하(L) 측으로 공급되는 방전전류의 종류(펄스 전류 또는 정전류), 방전전류의 씨레이트, 듀티비(Duty ratio), 듀레이션(duration) 등 방전 운용 조건을 적응적으로 변경할 수 있다.
제어 유닛(40)은 충전 유닛(C)의 제어 시스템 및 부하 관리 시스템과 통신 선로를 통해 서로 연결될 수 있고, 이차 전지(20)의 충전과 방전을 제어하기 위해 필요한 명령 메시지를 통신을 통해 충전 유닛(C)의 제어 시스템 및 부하 관리 시스템과 주고 받을 수 있다.
제어 유닛(40)은 이차 전지(20)가 충전 또는 방전되는 과정에서 퇴화진단 충전상태 구간에서 이차 전지(20)의 전기화학반응저항과 리튬이온확산저항을 산출하고, 전기화학반응저항에 대한 리튬이온확산저항의 상대적 비율을 고려하여 이차 전지(20)의 전극 중에서 퇴화도가 상대적으로 큰 전극을 결정할 수 있다.
이하, 전기화학반응저항은 Rt1으로, 리튬이온확산저항은 Rt2로 표시한다. 또한, 복수의 전기화학반응저항을 나타낼 때에는 Rt1,k로, 복수의 리튬이온확산저항을 나타낼 때에는 Rt2,k로 나타낸다. 여기서, k는 1 이상 n 이하의 자연수이다.
퇴화진단 충전상태 구간은 이차 전지(20)가 충전 또는 방전되는 동안 이차 전지(20)의 양극과 음극 중에서 퇴화도가 상대적으로 큰 전극의 종류를 식별하기 위해 미리 설정된 충전상태 구간을 의미한다.
본 발명에 있어서, 퇴화도가 상대적으로 큰 전극은 퇴화 편중 전극이라 명명하며, 퇴화 편중 전극은 양극 또는 음극 중에서 어느 하나일 수 있다.
바람직하게, 이차 전지(20)는 음극 또는 양극의 충전상태에 따른 개방전압 프로파일이 평탄 구간을 가지며, 퇴화진단 충전상태 구간은 다름 아닌 개방전압 프로파일의 평탄 구간에 대응된다.
바람직하게, 이차 전지는 리튬 이차 전지로서 양극은 활물질로서 Li1+aNixCoyMnzO2(0≤a≤0.2, 0≤x,y,z≤1)를 포함하고 음극은 활물질로서 흑연, LTO(LiTiO2) 또는 LFP(LiFePO4)를 포함할 수 있다.
도 2는 양극에 활물질로서 리튬전이금속산화물인 LiaNixCoyMnzO2를 포함하고, 음극에 활물질로서 그라파이트를 포함하는 리튬 이차 전지에 대한 셀 개방전압 프로파일, 양극 개방전압 프로파일 및 음극 개방전압 프로파일을 나타낸 그래프들이다. 일점 쇄선 프로파일은 개방전압 프로파일이고, 실선 프로파일은 저항 프로파일을 나타낸다.
실시예에 있어서, 리튬 이차 전지는 파우치형 리튬 폴리머 셀이며, 동작 전압 범위는 3.0 내지 4.2V이다. 리튬 이차 전지의 전해질은 용매와 리튬염을 포함한다. 용매는 EC(Ethylene carbonate)와 EMC(Ethyl methyl carbonate)를 3:7의 중량비로 포함하고 있다. 리튬염은 LiPF6이고 농도는 1mol이다.
도 2에 도시된 셀 개방 전압 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지에 대한 풀 충전실험을 통해서 얻은 충전상태 별 개방전압 데이터에 근거하여 작성된 것이다.
또한, 양극 개방전압 프로파일과 음극 개방전압 프로파일은 리튬 이차 전지에 삽입된 기준 전극을 이용하여 셀 개방 전압 프로파일을 측정할 때 동시에 측정하였다.
도 2를 참조하면, 양극 개방전압 프로파일은 리튬 이차 전지의 충전상태가 증가함에 따라서 개방전압이 증가하는 패턴을 가지고, 음극 개방전압 프로파일은 리튬 이차 전지의 충전상태가 증가함에 따라서 개방전압이 감소하다가 충전상태가 67% 내지 97%일 때 개방전압이 일정하게 유지되는 평탄 구간을 가진다.
따라서, 실시예에 따른 리튬 이차 전지에 대해서는 충전상태가 67% 내지 97%인 평탄구간이 퇴화진단 충전상태 구간으로 미리 설정될 수 있다.
본 발명에 있어서, 퇴화진단 충전상태 구간은 양극과 음극에 포함된 활물질의 종류에 따라 변경되므로, 퇴화진단 충전상태 구간이 실시예에서 제시된 수치범위로 한정되지 않음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명에 따르면, 전기화학반응저항 Rt1은 리튬이온이 활물질 입자의 표면에서 전기화학적 반응을 일으켜 활물질 입자에 삽입되는 과정에서 수반되는 전기적 저항이다.
또한, 리튬이온확산저항 Rt2는 리튬 이온이 전기화학 반응에 의해 활물질 입자 내부로 삽입된 후 활물질 입자의 내부까지 확산을 하는 과정에서 수반되는 전기적 저항이다.
참고로, 이차 전지(20)가 충전될 때 리튬이온이 삽입되는 활물질 입자는 음극 활물질이고, 이차 전지(20)가 방전될 때 리튬이온이 삽입되는 활물질 입자는 양극 활물질이다.
전기화학반응저항 Rt1은, 리튬이온의 전기화학적 반응에 필요한 전기화학 반응시간 동안 이차 전지(20)를 통해 펄스 전류가 흐르게 하고, 펄스 전류의 흐름에 따른 이차 전지(20)의 전압 변화량을 측정하고, 오옴의 법칙을 이용하여 전압 변화량과 펄스 전류의 크기로부터 결정할 수 있다.
또한, 리튬이온확산저항 Rt2는, 리튬이온이 전기화학적 반응을 일으켜 활물질 입자 내로 삽입된 후 활물질 입자의 내부에서 확산할 수 있는 시간 동안 이차 전지(20)를 통해 펄스 전류가 흐르게 하고, 펄스 전류의 흐름에 따른 이차 전지(20)의 전압 변화량을 측정하고, 오옴의 법칙을 이용하여 전압 변화량과 펄스 전류의 크기로부터 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 이차 전지(20)가 퇴화진단 충전상태 구간에서 충전되는 동안 이차 전지(20)에 인가되는 충전 펄스 전류의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 듀레이션이 △t인 충전 펄스 전류가 이차 전지(20)에 인가되면, 초반의 짧은 시간(t-1) 동안에는 음극 활물질의 표면에서 리튬이온의 전기화학적 반응이 일어나고 그 이후의 잔여 시간(t2) 동안에는 음극 활물질의 내부에서 리튬이온의 확산이 일어난다.
이하에서는, 충전 펄스 전류의 구간 중에서 전기화학적 반응이 일어나는 시간 구간을 전기화학 반응구간(t1)이라고 정의하고, 리튬이온의 확산이 일어나는 시간 구간을 리튬확산 구간(t2)이라고 정의한다.
바람직하게, 리튬이온 확산 구간(t2)의 듀레이션은 전기화학 반응 구간(t-1)의 듀레이션보다 길다.
일 예에서, 이차 전지(20)에 포함된 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 LiaNixCoyMnzO2 및 그라파이트이고, 충전펄스의 크기 Ipulse가 0.5씨레이트일 때, 전기화학 반응 구간(t1)은 0초부터 0.1초까지이고, 리튬이온 확산 구간(t2)은 0.1초부터 10초까지일 수 있다. 즉, 전기화학 반응 구간(t-1)의 듀레이션은 0.1초이고, 리튬이온 확산 구간(t2)의 듀레이션은 9.9초일 수 있다.
한편, 전기화학 반응 구간(t-1)의 듀레이션과 리튬이온 확산 구간(t2)의 듀레이션은 리튬이온의 반응 메커니즘과 활물질 입자의 종류와 직경 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
바람직하게, 전기화학 반응 구간(t-1)의 듀레이션과 리튬이온 확산 구간(t2)의 듀레이션은 실험을 통해 미리 설정될 수 있고, 저장 유닛(60)에 미리 저장될 수 있다.
제어 유닛(40)은 이차 전지(20)가 충전될 때 퇴화 편중 전극의 종류를 결정하기 위해 이차 전지(40)의 충전상태가 미리 설정된 퇴화진단 충전상태 구간을 통과하는 동안 충전 유닛(C)을 제어하여 듀레이션이 △t이고 DC 전류의 크기가 Ipulse인 충전 펄스 전류를 이차 전지(20)에 주기적으로 인가할 수 있다.
충전 펄스 전류는 이차 전지(20)가 정전류 모드로 충전되는 동안 정전류와 함께 이차 전지(20)에 인가될 수도 있고, 정전류 충전을 중단한 상태에서 이차 전지(20)에 인가될 수도 있다.
제어 유닛(40)은 또한 각 충전 펄스 전류가 인가되는 동안 센서 유닛(30)으로부터 이차 전지(20)의 동작 특성값을 주기적으로 입력 받아 저장 유닛(60)에 기록하고, 동작 특성값을 참조하여 전기화학 반응 구간(t-1)에서 생기는 제1전압 변화량(△V1,k)과 리튬이온 확산 구간(t2)에서 생기는 제2전압 변화량(△V1,k)을 산출하고, 오옴의 법칙을 이용하여 전기화학반응저항 Rt1,k(△V1,k/Ipulse)과 리튬이온확산저항 Rt2,k(△V2,k/Ipulse)을 각각 산출할 수 있다.
여기서, k는 충전 펄스 전류의 순서 인덱스이다. 따라서, k+1번째 충전 펄스 전류가 인가될 때의 전기화학반응저항 Rt1,k+1과 리튬이온확산저항 Rt2,k+1은 각각 △V1,k+1/Ipulse 및 △V2,k+1/Ipulse이다. 또한, k+2번째 충전 펄스 전류가 인가될 때의 전기화학반응저항 Rt1,k+2과 리튬이온확산저항 Rt2,k+2은 각각 △V1,k+2/Ipulse 및 △V2,k+2/Ipulse이다. 또한, n번째 충전 펄스 전류가 인가될 때의 전기화학반응저항 Rt1,n과 리튬이온확산저항 Rt2,n은 △V1,n/Ipulse 및 △V2,n/Ipulse이다.
제어 유닛(40)은 또한 충전유닛(C)에 의해 이차 전지(20)가 퇴화진단 충전상태 구간에서 충전되는 동안 각 충전 펄스 전류가 이차 전지(20)에 인가될 때마다 센서 유닛(30)으로부터 동작 특성값을 수신하여 저장 유닛(60)에 기록하고, 동작 특성값을 참조하여 이차 전지(20)의 충전상태(SOCk)를 결정할 수 있다.
여기서, k는 충전 펄스 전류의 순서 인덱스로서, SOCk는 k번째 충전 펄스 전류가 이차 전지(20)에 인가된 이후를 기준으로 산출된 이차 전지(20)의 충전상태를 나타낸다.
일 예로서, 제어 유닛(40)은 이차 전지(20)에 충전 펄스 전류가 인가될 때마다 이차 전지(20)의 전류 측정값(Ipulse)을 시간에 따라 적산하여 충전상태 변화량(Ipulse*△t/Q)을 산출하고 직전의 충전상태(SOCk-1)에 충전상태 변화량 (Ipulse*△t/Qcell)을 가산하여 충전상태(SOCk)를 결정할 수 있다.
여기서, Ipulse는 충전 펄스 전류의 크기이고, △t는 충전펄스에 있어서 충전구간의 듀레이션이고, Qcell은 이차 전지(20)의 충전용량이다.
다른 예로, 제어 유닛(40)은 확장 칼만 필터를 이용하여 이차 전지(20)가 퇴화진단 충전상태 구간에서 충전되는 동안 각 충전 펄스 전류가 인가될 때마다 이차 전지(20)의 충전상태(SOCk)를 결정할 수 있다.
확장 칼만 필터는 본 발명이 속한 기술분야에 널리 알려져 있다. 일 예로서, 확장 칼만 필터는 등가 회로 모델 또는 전기화학적 ROM(Reduced Order Model)에 기초한 적응적 알고리즘일 수 있다.
확장　칼만　필터를 이용한 충전상태의 추정은, 일 예로서 그레고리 엘 플레트(Gregory L. Plett)씨의　논문　“Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Parts 1, 2 and 3”(Journal of Power Source 134, 2004, 252-261)를 참조 가능하고, 본 명세서의 일부로서 위　논문이 합체될 수 있다.
물론, 이차 전지(20)의 충전상태(SOCk)는 전술한 전류 적산법 또는 확장　칼만　필터　이외에도 이차 전지(20)의 동작 특성값을 선택적으로 활용하여 충전상태를 결정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.
바람직하게, 제어 유닛(40)은 각 충전 펄스 전류가 이차 전지(20)에 인가될 때마다 결정한 충전상태(SOCk)와 전기화학반응저항 Rt1,k(△V1,k/Ipulse)과 리튬이온 확산저항 Rt2,k(△V2,k/Ipulse)을 저장 유닛(60)에 기록할 수 있다. 저장 유닛(60)에 기록되는 데이터의 수는 충전 펄스 전류의 수와 동일하다.
제어 유닛(40)은 충전상태 별로 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k에 대한 데이터가 저장 유닛(60)에 저장되면, 충전 유닛(C)을 제어하여 통상적인 충전 모드로 전환하여 이차 전지(20)의 충전을 계속 진행함으로써 이차 전지(20)를 만충전 상태까지 충전시킨다.
통상적인 충전 모드에서, 제어 유닛(40)은 충전 유닛(C)을 제어하여 충전 펄스 전류 또는 정전류를 이차 전지(20)에 인가할 수 있다.
제어 유닛(40)은 퇴화진단 충전상태 구간에서 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k에 관한 복수의 데이터를 획득한 후 충전상태(SOCk) 별로 전기화학반응저항 Rt1,k을 기준으로 한 리튬이온확산저항 Rt2,k의 상대적 비율 Rt2,k/Rt1,k을 산출하여 저장 유닛(60)에 기록한다.
여기서, Rt2,k/Rt1,k은 충전상태(SOCk)에 대응되는 퇴화진단 저항비율이라고 명명하며, 저장 유닛(60)에 기록되는 퇴화진단 저항비율의 수는 충전 펄스 전류의 수와 동일하다.
제어 유닛(40)은 또한 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k과 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer을 비교하여 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극을 식별한다.
기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer은 BOL 상태에 있는 이차 전지(20)를 기준으로 상술한 방법에 따라 결정한 후 저장 유닛(60)에 미리 기록할 수 있다. 저장 유닛(60)에 기록된 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 수는 충전 펄스 전류의 수와 동일하다.
일 측면에 따르면, 제어 유닛(40)은 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값이 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값보다 큰 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다. 대안적으로, 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k이 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer보다 큰 충전상태 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
반대로, 제어 유닛(40)은 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값이 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값보다 작은 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다. 대안적으로, 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k이 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer보다 작은 충전상태 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
위와 같은 결정 기준은 이차 전지(20)의 음극이 평탄구간을 포함하는 개방전압 프로파일을 구비하고, 이차 전지(20)의 양극이 평탄 구간을 포함하지 않는 개방전압 프로파일을 구비하는 경우에 유효하다.
다른 측면에서, 제어 유닛(40)은 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값이 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값보다 큰 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다. 대안적으로, 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k이 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer보다 큰 충전상태 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
반대로, 제어 유닛(40)은 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값이 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값보다 작은 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다. 대안적으로, 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k이 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer보다 작은 충전상태 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
위와 같은 결정 기준은 이차 전지(20)의 양극이 평탄 구간을 포함하는 개방전압 프로파일을 구비하고, 이차 전지(20)의 음극이 평탄 구간을 포함하지 않는 개방전압 프로파일을 구비하는 경우에 유효하다.
제어 유닛(40)은 퇴화 편중 전극을 결정한 후 퇴화 편중 전극의 종류와 충전상태(SOCk) 별로 산출된 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k과 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 편차에 따라 충전 유닛(C) 또는 부하 관리 시스템을 제어하여 이차 전지(20)의 충방전 운용 조건을 적응적으로 조절할 수 있다.
바람직하게, 충방전 운용 조건은, 충전 컷오프 전압, 방전 컷오프 전압, 충전 펄스 전류의 휴지 구간, 방전 펄스 전류의 휴지 구간, 충전 전류의 씨레이트 및 방전 전류의 씨레이트 중에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
일 예에서, 제어 유닛(40)은 퇴화 편중 전극이 양극일 경우 다음 충방전 사이클을 진행함에 있어서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압을 감소시키거나 방전 컷오프 전압을 증가시키거나 충전전류 또는 방전전류의 씨레이트를 감소시키거나 충전 펄스 전류 또는 방전 펄스 전류의 휴지 구간을 증가시킬 수 있다.
위와 같이, 이차 전지(20)의 충방전 운용 조건이 변경되면, 충전 말기 또는 방전 말기에 양극에 포함된 활물질 입자의 구조가 붕괴되는 것을 완화할 수 있다.
바람직하게, 각 충방전 운용 조건에 관한 변동량은 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 룩업 테이블의 형태로 정의되어 저장 유닛(60)에 미리 기록될 수 있다.
이 경우, 제어 유닛(40)은 룩업 테이블을 참조하여 충전 유닛(C)을 제어함으로써 다음 충방전 사이클에서 이차 전지(20)의 충방전 운용조건을 적응적으로 조절할 수 있다.
다른 예에서, 제어 유닛(40)은 퇴화 편중 전극이 음극일 경우 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압을 감소시키거나 방전 컷오프 전압을 증가시키거나 충전전류 또는 방전전류의 씨레이트를 감소시키거나 충전 펄스 전류 또는 방전 펄스 전류의 휴지 구간을 증가시킬 수 있다.
위와 같이, 이차 전지(20)의 충방전 운용 조건이 변경되면, 리튬 이온이 활물질 입자 내부로 충분히 확산할 수 있도록 하여 리튬이 음극에서 석출되는 현상을 방지할 수 있다.
바람직하게, 각 충방전 운용 조건에 관한 변동량은 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 룩업 테이블의 형태로 정의되어 저장 유닛(60)에 미리 기록될 수 있다.
이 경우, 제어 유닛(40)은 룩업 테이블을 참조하여 충전 유닛(C)을 제어함으로써 다음 충방전 사이클에서 이차 전지(20)의 충방전 운용조건을 적응적으로 조절할 수 있다.
한편, 본 발명은, 상술한 실시예와 달리, 이차 전지(20)가 방전 모드로 동작할 때에도 적용될 수 있다. 이 경우, 제어 유닛(40)은 방전 모드에서 이차 전지(40)의 충전상태가 퇴화진단 충전상태 구간을 통과하는 동안 부하 관리 시스템을 제어하여 이차 전지(40)를 통해 방전 펄스 전류가 흐르게 할 수 있다.
방전 펄스 전류는 전류의 방향이 충전 펄스 전류와 반대라는 점만 제외하면 충전 펄스 전류와 동일하다. 방전 펄스 전류는 이차 전지(20)의 정전류 방전을 유지하면서 이차 전지(20)를 통해 흐르게 할 수도 있고, 이차 전지(20)의 정전류 방전을 중단하고 이차 전지(20)를 통해 흐르게 할 수도 있다.
제어 유닛(40)은 미리 설정된 퇴화진단 충전상태 구간에서 이차 전지(20)를 통해 방전 펄스 전류가 흐를 때마다 센서 유닛(30)을 통해 측정한 이차 전지(20)의 동작 특성값을 이용하여 이차 전지의 충전상태를 결정할 수 있다. 또한, 제어 유닛(40)은 각 방전 펄스 전류 구간 중에서 미리 설정된 초기 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 전기화학반응저항을 결정하고, 상기 초기 시간을 제외한 나머지 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 리튬이온확산저항을 결정할 수 있다. 또한, 제어 유닛(40)은 전기화학반응저항 대비 리튬이온확산저항의 상대적 비율인 퇴화진단 저항비율과 미리 설정된 기준 퇴화진단 저항비율을 비교하여 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극을 결정할 수 있다. 또한, 제어 유닛(40)은 상술한 실시예와 마찬가지로 상기 퇴화 편중 전극의 종류에 따라 다음 충방전 사이클의 운용 조건을 적응적으로 조절할 수 있다.
본 발명에 있어서, 저장 유닛(60)은, 전기적, 자기적, 광학적 또는 양자역학적으로 데이터를 기록하고 소거할 수 있는 저장매체이다. 저장 유닛(60)은 비제한적인 예시로서, RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다. 저장 유닛(60)은 제어 유닛(40)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 제어 유닛(40)과 전기적으로 결합될 수 있다.
저장 유닛(60)은 제어 유닛(40)에 의해 실행되는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터, 및/또는 각종 제어 로직의 실행을 위해 필요한 미리 정의된 데이터, 파라미터, 룩업 테이블 등을 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거할 수 있다. 저장 유닛(60)은 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하다.
본 발명에 있어서, 제어 유닛(40)은 상술한 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어 유닛(40)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 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 저장 유닛(60)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
또한, 제어 유닛(40)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지의 동작 제어 장치(10)는 도 9에 도시된 바와 같이 배터리 관리 시스템(100)에 포함될 수 있다. 배터리 관리 시스템(100)은, 배터리의 충방전과 관련된 전반적인 동작을 제어하는 것으로서, 당업계에서 Battery Management System으로 불리는 컴퓨팅 시스템이다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지의 동작 제어 장치(10)는 도 10에 도시된 바와 같이 다양한 종류의 전기 구동 장치(200)에 탑재될 수 있다.
일 측면에 따르면, 전기구동 장치(200)는, 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, 전기 구동 장치(200)는, 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.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법을 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저, 제어 유닛(40)은 프로세스가 개시되면 단계 S10에서 충전시작 요청이 있는지 판단한다.
일 예에서, 이차 전지(20)가 충전 유닛(C)에 연결되면 충전 유닛(C)의 제어 시스템은 충전시작 요청을 제어 유닛(40)으로 전달할 수 있다.
단계 S10의 판단이 YES이면 단계 S20이 진행되고 단계 S10의 판단이 NO이면 프로세스의 진행이 유보된다.
제어 유닛(40)은 단계 S20에서 센서 유닛(30)을 이용하여 이차 전지(20)의 개방전압값을 측정하고 저장 유닛(60)에 기록한다. 여기서, 개방전압값은 충전이 시작되기 전에 측정된 이차 전지(20)의 전압 측정값에 해당한다. 단계 S20 이후에 단계 S30이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S30에서 이차 전지(20)와 충전유닛(C)을 연결하는 선로에 설치된 스위치를 턴 온 시키고, 충전 유닛(C)을 제어하여 미리 설정된 충전 프로토콜에 따라 충전전류를 이차 전지(20) 측으로 인가한다.
바람직하게, 충전 프로토콜은 CC-CV 충전 프로토콜, 펄스 충전 프로토콜, 정전류-정전력 충전 프로토콜 등일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 단계 S30 이후에 단계 S40이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S40에서 센서 유닛(30)을 이용하여 이차 전지(20)의 동작 특성값을 측정하여 저장 유닛(60)에 기록한다. 여기서, 동작 특성값은 이차 전지의 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 포함한다. 단계 S40 이후에 단계 S50이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S50에서 저장 유닛(60)에 기록된 이차 전지(20)의 동작 특성값을 이용하여 충전상태를 산출하여 저장 유닛(60)에 저장한다.
여기서, 충전상태는 전류 적산법 또는 확장 칼만 필터를 이용하여 산출할 수 있다. 단계 S50 이후에 단계 S60이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S60에서 이차 전지(20)의 충전상태가 퇴화진단 충전상태 구간에 속하는지 판단한다. 바람직하게, 퇴화진단 충전상태 구간은 양극의 개방전압 프로파일 또는 음극의 개방전압 프로파일에 포함된 평탄 구간에 대응하는 충전상태 구간이다.
단계 S60의 판단이 YES이면, 단계 S70이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S70에서 충전 유닛(C)을 제어하여 충전 펄스 전류를 이차 전지(20)에 인가한다. 충전 펄스 전류는 도 3에 도시된 바와 같이, DC 전류가 인가되는 충전구간과 DC 전류가 인가되지 않은 휴지 구간을 포함한다. 충전구간은 미리 설정된 전기화학 반응 구간(t1)과 리튬이온 확산 구간(t2)을 포함한다. 충전구간에서 이차 전지(20)에 인가되는 DC 전류의 크기는 Ipulse이다. 단계 S70 이후에 단계 S80이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S80에서 충전 펄스 전류가 인가되는 동안 센서 유닛(30)을 이용하여 이차 전지(20)의 동작 특성값을 주기적으로 측정하여 저장 유닛(60)에 기록한다. 또한, 제어 유닛(40)은 저장 유닛(60)에 기록된 동작 특성값을 참조하여 전기화학 반응 구간(t-1)에서 생기는 제1전압 변화량(△V1,k)과 리튬이온 확산 구간(t2)에서 생기는 제2전압 변화량(△V2,k)을 산출하고, 오옴의 법칙을 이용하여 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k을 각각 산출하여 저장 유닛(60)에 기록한다. 여기서, k는 충전 펄스 전류의 순서 인덱스이다. 단계 S80 이후에 단계 S90이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S90에서 저장 유닛(60)에 기록된 이차 전지(20)의 동작 특성값을 참조하여 충전 펄스 전류의 인가에 따른 충전상태 변화량(Ipulse*△t/Qcell)을 산출한다. 또한, 제어 유닛(40)은 직전의 충전상태에 충전상태 변화량(Ipulse*△t/Qcell)을 적산하여 충전 펄스 전류가 인가된 후의 충전상태(SOCk)를 결정하고 저장 유닛(60)에 기록한다. 여기서, Ipulse는 충전 펄스 전류의 크기이고, △t는 충전구간의 듀레이션이고, Qcell은 이차전지(20)의 충전용량이다. 단계 S90 이후에 단계 S100이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S100에서 충전 펄스 전류의 인가주기가 경과되었는지 판단한다. 만약, 단계 S100의 판단이 NO이면 프로세스의 진행이 보류되고, 단계 S100의 판단이 YES이면 프로세스는 S60으로 되돌아간다.
제어 유닛(40)은 단계 S60으로 프로세스가 되돌아가면 이차 전지(20)의 충전상태(SOCk)가 퇴화진단 충전상태 구간에 속하면 충전 펄스 전류를 다시 인가하고 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k을 산출하여 저장 유닛(60)에 기록하고 충전 펄스 전류의 인가에 따른 충전상태 변화량(Ipulse*△t/Qcell)을 산출하여 충전 펄스 전류가 인가된 후의 충전상태(SOCk)를 산출하여 저장 유닛(60)에 기록하는 과정을 다시 반복한다. 따라서, 단계 S70 내지 단계 S90은 이차 전지(20)의 충전상태(SOCk)가 퇴화진단 충전상태 구간에 속하는 동안 이차 전지(20)에 충전 펄스 전류가 인가될 때마다 계속 반복된다.
이로써, 제어 유닛(40)은 이차 전지(20)의 충전상태(SOCk)가 퇴화진단 충전상태 구간을 통과하는 동안 충전상태(SOCk) 별로 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k에 관한 복수의 데이터를 획득할 수 있다.
한편, 단계 S60의 판단이 NO인 경우, 즉 이차 전지(20)의 충전상태(SOCk)가 퇴화진단 충전상태 구간에 속하지 않으면, 프로세스는 단계 S110으로 이행한다.
제어 유닛(40)은 단계 S110에서 이차 전지(20)가 만충전 되었는지 판단한다. 일 예에서, 제어 유닛(40)은 이차 전지(20)의 충전상태(SOCk)가 100%가 되면 이차전지(20)가 만 충전된 것으로 결정할 수 있다.
제어 유닛(40)은, 단계 S110의 판단 결과가 YES이면 단계 S120에서 이차 전지의 충전을 종료하고, 단계 S110의 판단 결과가 NO이면 프로세스를 단계 S30으로 이행하여 미리 설정된 충전 프로토콜에 따라 충전 유닛(C)을 제어하여 이차 전지(20)에 충전전류를 계속해서 인가한다. 인가되는 충전전류는 정전류 또는 펄스전류일 수 있다. 단계 S120 이후에 단계 S130이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S130에서 이차 전지(20)에 대한 방전시작 요청이 있는지 판단한다. 일 예에서, 제어 유닛(40)은 부하 제어 시스템으로부터 방전시작 요청을 수신할 수 있다.
제어 유닛(40)은 단계 S130의 판단이 YES이면 단계 S140에서 이차 전지(20)와 부하(L)를 연결하는 선로의 스위치를 턴 온시켜 이차 전지(20)을 방전시키고 단계 S130의 판단이 NO이면 프로세스의 진행을 보류한다. 단계 S140 이후에 단계 S150이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S150에서 충전시작 요청이 있는지 판단한다. 충전시작 요청은 충전 유닛(40)의 제어 시스템으로부터 제공될 수 있다.
제어 유닛(40)은 단계 S150의 판단이 NO이면 이차 전지(20)의 방전을 유지하고 단계 S150의 판단이 YES이면 단계 S160에서 이차 전지(20)의 방전을 중단한다. 단계 S160 이후에 단계 S170이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 S170에서 이차 전지(20)의 충방전 운용 조건을 조정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제어 유닛(40)이 이차 전지(20)의 충방전 운용 조건을 조정하는 과정을 자세하게 도시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 제어 유닛(40)은 단계 P10에서 저장 유닛(60)에 충전상태(SOCk) 별로 저장되어 있는 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k을 이용하여 충전상태(SOCk) 별로 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/ Rt1,k을 산출한다.
여기서, k는 1 이상 n 이하의 자연수이고, n은 이차 전지(20)의 충전상태(SOCk)가 퇴화진단 충전상태 구간에 속하는 동안 이차 전지(20)에 인가된 충전 펄스 전류의 총 수이다. 단계 P10 이후에 단계 P20이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 P20에서 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/ Rt1,k과 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정된 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer을 비교하여 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극을 식별한다.
일 측면에 따르면, 제어 유닛(40)은 단계 P20에서 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/ Rt1,k의 평균값이 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값보다 큰 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
대안적으로, 제어 유닛(40)은 단계 P20에서 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k이 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer보다 큰 충전상태 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
반대로, 제어 유닛(40)은 단계 P20에서 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값이 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값보다 작은 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
대안적으로, 제어 유닛(40)은 단계 P20에서 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k이 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer보다 작은 충전상태 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
위와 같은 결정 기준은 이차 전지(20)의 음극이 평탄구간을 포함하는 개방전압 프로파일을 구비하고, 이차 전지(20)의 양극이 평탄 구간을 포함하지 않는 개방전압 프로파일을 구비하는 경우에 유효하다.
다른 측면에서, 제어 유닛(40)은 단계 P20에서 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값이 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값보다 큰 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
대안적으로, 제어 유닛(40)은 단계 P20에서 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k이 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer 보다 큰 충전상태 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
반대로, 제어 유닛(40)은 단계 P20에서 충전상태(SOCk) 별로 산출한 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값이 충전상태(SOCk) 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값보다 작은 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
대안적으로, 제어 유닛(40)은 단계 P20에서 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k이 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer보다 작은 충전상태 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정할 수 있다.
위와 같은 결정 기준은 이차 전지(20)의 양극이 평탄 구간을 포함하는 개방전압 프로파일을 구비하고, 이차 전지(20)의 음극이 평탄 구간을 포함하지 않는 개방전압 프로파일을 구비하는 경우에 유효하다.
단계 P20 이후에 단계 P30이 진행된다.
제어 유닛(40)은 단계 P30에서 퇴화 편중 전극이 양극인지 판단한다.
제어 유닛(40)은 단계 P30의 판단이 YES이면, 즉 퇴화 편중 전극이 양극이면, 단계 P40에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 다음 충방전 사이클에서 적용되는 충방전 운용 조건을 적응적으로 조절할 수 있다.
바람직하게, 충방전 운용 조건은, 충전 컷오프 전압, 방전 컷오프 전압, 충전 펄스 전류의 휴지 구간, 방전 펄스 전류의 휴지 구간, 충전 전류의 씨레이트 및 방전 전류의 씨레이트 중에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
일 예에서, 제어 유닛(40)은 퇴화 편중 전극이 양극일 경우 다음 충방전 사이클을 진행함에 있어서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압을 감소시키거나 방전 컷오프 전압을 증가시키거나 충전전류 또는 방전전류의 씨레이트를 감소시키거나 충전 펄스 전류 또는 방전 펄스 전류의 휴지 구간을 증가시킬 수 있다.
퇴화 편중 전극이 양극일 때, 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따른 각 충방전 운용 조건의 변동량은 룩업 테이블로서 미리 설정될 수 있다.
위와 같이, 이차 전지(20)의 충방전 운용 조건이 변경되면, 충전 말기 또는 방전 말기에 양극에 포함된 활물질 입자의 구조가 붕괴되는 것을 완화할 수 있다.
제어 유닛(40)은 단계 P30의 판단이 NO이면 단계 P50에서 퇴화 편중 전극이 음극인지 판단한다.
제어 유닛(40)은 단계 P50의 판단이 YES이면, 즉 퇴화 편중 전극이 음극이면, 단계 P60에서 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 다음 충방전 사이클에서 적용되는 충방전 운용 조건을 적응적으로 조절할 수 있다.
구체적으로, 제어 유닛(40)은 단계 P60에서 퇴화 편중 전극이 음극일 경우 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압을 감소시키거나 방전 컷오프 전압을 증가시키거나 충전전류 또는 방전전류의 씨레이트를 감소시키거나 충전 펄스 전류 또는 방전 펄스 전류의 휴지 구간을 증가시킬 수 있다.
퇴화 편중 전극이 음극일 때, 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k의 평균값과 기준 퇴화진단 비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따른 각 충방전 운용 조건의 변동량은 룩업 테이블로서 미리 설정될 수 있다.
위와 같이, 이차 전지(20)의 충방전 운용 조건이 변경되면, 리튬 이온이 활물질 입자 내부로 충분히 확산할 수 있도록 하여 리튬이 음극에서 석출되는 현상을 방지할 수 있다.
제어 유닛(40)은 단계 P40 또는 단계 P60에서 다음 충방전 사이클에서 적용할 충방전 운용 조건을 조정한 후 단계 S30으로 프로세스를 이행하여 변경된 조건에 따라서 이차전지(20)에 충전전류를 인가할 수 있다.
한편, 본 발명은, 상술한 실시예와 달리, 이차 전지(20)가 방전 모드로 동작할 때에도 적용될 수 있다.
이 경우, 도 4에 도시된 제어 로직은 이차 전지(20)의 방전 모드에 맞도록 용이하게 변경될 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
즉, 제어 유닛(40)은 이차 전지(20)가 퇴화진단 충전상태 구간에서 방전될 때 부하 관리 시스템을 제어하여 이차 전지(20)를 통해 방전 펄스 전류가 흐르게 하고, 각 방전 펄스 전류가 흐를 때마다 충전상태 별로 전기화학반응저항 및 리튬이온환산저항의 비율을 산출하여 퇴화진단 저항비율을 결정하고, 충전상태 별로 산출된 퇴화진단 저항비율과 미리 설정된 기준 퇴화진단 저항비율을 비교하여 퇴화 편중 전극을 결정하고, 퇴화 편중 전극의 종류에 따라서 다음 충방전 사이클에서 적용할 충방전 운용 조건을 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, MOL 상태에 있는 이차 전지에 대해 양극과 음극 중에서 퇴화도가 상대적으로 큰 전극의 종류를 식별하고 해당 전극의 전기화학적 특성을 고려하여 충방전 운용 조건을 적응적으로 제어할 수 있다.
따라서, 이차 전지의 전체 퇴화도를 고려하여 충방전 운용 조건을 조절하는 종래 기술과 비교하여 MOL 상태에 있는 이차 전지의 충방전 동작을 안전하게 제어할 수 있다.
또한, 퇴화도가 상대적으로 큰 전극에 초점을 맞추어 충방전 운용 조건이 적응적으로 조절되므로 양극 퇴화도와 음극 퇴화도의 균형을 맞춤으로써 이차 전지의 수명을 증가시킬 수 있다.
<실험예>
이하에서는 본 발명의 실험예를 설명한다. 본 실험예는 본 발명의 효과를 설명하기 위해 제공하는 것으로서, 본 발명의 범위가 이하에서 서술되는 실험예에 의해 한정되지 않음은 자명하다.
도 6은 도 2에 도시된 개방전압 프로파일을 가지는 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지를 퇴화진단 충전상태 구간인 67% 내지 97%에서 충전하는 동안 이차 전지에 충전 펄스 전류를 인가할 때마다 산출한 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k을 개방전압에 따라서 플로팅한 그래프이다.
개방전압은 충전상태와 1:1의 관계에 있으므로 각 그래프는 충전상태에 따른 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k의 프로파일과 실질적으로 동일하다.
리튬 이차 전지에 인가된 충전 펄스 전류의 충전구간 및 휴지구간의 길이는 각각 10초이고, 충전구간 중에서 전기화학반응저항이 결정되는 구간은 0.1초이고, 리튬이온확산저항이 결정되는 구간은 9.9초이다. 충전펄스의 전류 크기 Ipulse는 0.5 씨레이트이다.
리튬 이차 전지는 리튬 폴리머 셀이며, 양극 활물질로서 리튬전이금속산화물인 LiaNixCoyMnzO2를 포함하고, 음극에 활물질로서 그라파이트를 포함한다. 리튬 이차 전지의 전해질은 용매와 리튬염을 포함한다. 용매는 EC(Ethylene carbonate)와 EMC(Ethyl methyl carbonate)를 3:7의 중량비로 포함하고 있다. 리튬염은 LiPF6이고 농도는 1mol이다.
도 6에 있어서, 폐쇄 사각형은 전기화학반응저항 Rt1,k을 나타내고, 개방사각형은 리튬이온확산저항 Rt2,k을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 전기화학반응저항 Rt1,k은 리튬이온 확산저항 Rt2,k 보다 값이 상대적으로 크다.
도 7은 MOL1 상태에 있는 리튬 이온 전지와 MOL2 상태에 있는 리튬 이차전지를 준비하고, 각 리튬 이온 전지를 퇴화진단 충전상태 구간인 67% 내지 97%에서 펄스 충전하는 동안 산출한 전기화학반응저항 Rt1,k과 리튬이온확산저항 Rt2,k을 개방전압에 따라서 플로팅한 그래프이다.
MOL1 상태에 있는 리튬 이차 전지는 양극의 퇴화도가 음극의 퇴화도보다 상대적으로 큰 이차 전지로서, 이차 전지의 과충전을 의도적으로 야기하여 양극에 포함된 활물질의 구조를 열화시킴으로써 양극의 퇴화도를 음극의 퇴화도보다 상대적으로 더 증가시킨 전지이다.
MOL2 상태에 있는 리튬 이차 전지는 음극의 퇴화도가 양극의 퇴화도보다 상대적으로 큰 이차 전지로서 의도적으로 음극에 포함된 활물질 입자의 표면에 리튬이 석출되는 충전조건을 적용하여 음극의 퇴화도를 양극의 퇴화도보다 상대적으로 더 증가시킨 전지이다.
도 7에 있어서, 폐쇄 사각형으로 플로팅된 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 전기화학반응저항 Rt1,k을 나타내고, 개방 사각형으로 플로팅된 프로파일은 BOL 상태에 있는 리튬 이차 전지의 리튬이온확산저항 Rt2,k를 나타낸다.
또한, 폐쇄 원으로 플로팅된 프로파일은 MOL1 상태에 있는 리튬 이차 전지의 전기화학반응저항 Rt1,k을 나타내고, 개방 원으로 플로팅된 프로파일은 MOL1 상태에 있는 리튬 이차 전지의 리튬이온확산저항 Rt2,k를 나타낸다.
또한, 폐쇄 삼각형으로 플로팅된 프로파일은 MOL2 상태에 있는 리튬 이차 전지의 전기화학반응저항 Rt1,k을 나타내고, 개방 삼각형으로 플로팅된 프로파일은 MOL2 상태에 있는 리튬 이차 전지의 리튬이온확산저항 Rt2,k를 나타낸다.
도 8에 있어서, 폐쇄 사각형으로 나타낸 프로파일은 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer을 나타내고, 폐쇄 원으로 나타낸 프로파일은 MOL1 상태에 있는 리튬 이온 전지의 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k을 나타내고, 폐쇄 삼각형으로 나타낸 프로파일은 MOL2 상태에 있는 리튬 이온 전지의 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k을 나타낸다.
도 7 및 도 8을 참조하면, MOL1 상태에 있는 리튬 이온 전지의 전기화학반응저항 Rt1,k는 기준 값인 Rt1,refer와 비교하여 큰 변화가 없지만 리튬이온확산저항 Rt2,k의 크기는 퇴화진단 충전상태의 전 구간에서 기준 값인 Rt2,refer보다 증가하였고, 그 결과로 MOL1 상태에 있는 리튬 이온 전지의 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k은 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer 보다 상대적으로 크다는 것을 확인할 수 있다.
또한, MOL2 상태에 있는 리튬 이온 전지의 전기화학반응저항 Rt1,k는 퇴화진단 충전상태의 전 구간에서 기준 값인 Rt1,refer보다 증가하였고 리튬이온확산저항 Rt2,k의 크기는 기준 값인 Rt2,refer와 비교하여 큰 변화가 없고, 그 결과로 MOL2 상태에 있는 리튬 이온 전지의 퇴화진단 저항비율 Rt2,k/Rt1,k은 기준 퇴화진단 저항비율 Rt2,k,refer/Rt1,k,refer 보다 상대적으로 작다는 것을 확인할 수 있다.
위와 같은 결과는, MOL1 상태에 있는 리튬 이차 전지의 경우 퇴화 편중 전극이 양극이고, MOL2 상태에 있는 리튬 이차 전지의 경우 퇴화 편중 전극이 음극이라는 사실과 잘 부합된다.
따라서, 본 발명이 개시한 바와 같이, MOL 상태에 있는 이차 전지의 전극 중에서 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극의 종류를 식별하고, 퇴화 편중 전극의 종류에 따라 다음 충방전 사이클에서 적용할 충방전 운용 조건을 적응적으로 조절하면 퇴화 편중 전극의 퇴화 속도를 완화시킬 수 있으므로 충전(특히, 고속충전)의 안전성을 향상시킬 수 있고 양극 퇴화도와 음극 퇴화도의 균형을 맞추어 이차 전지의 수명을 증가시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~유닛' 또는 '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (20)

  1. 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 포함하는 동작 특성값을 측정하는 센서 유닛; 및
    상기 센서 유닛과 동작 가능하게 결합된 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 센서 유닛으로부터 동작 특성값을 수신하고,
    미리 설정된 퇴화진단 충전상태 구간에서 이차 전지를 통해 펄스 전류가 흐를 때마다 상기 동작 특성값을 이용하여 이차 전지의 충전상태를 결정하고,
    각 펄스 전류 구간 중에서 미리 설정된 초기 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 전기화학반응저항을 결정하고, 상기 초기 시간을 제외한 나머지 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 리튬이온확산저항을 결정하고,
    전기화학반응저항 대비 리튬이온확산저항의 상대적 비율인 퇴화진단 저항비율과 미리 설정된 기준 퇴화진단 저항비율을 비교하여 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극을 결정하고,
    상기 퇴화 편중 전극의 종류에 따라 다음 충방전 사이클의 운용 조건을 적응적으로 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 전류 구간 중에서 미리 설정된 초기 시간은 0.1msec 내지 1 초임을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 음극의 충전상태에 따른 개방전압 프로파일이 평탄 구간을 가지고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간은 상기 평탄 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 큰 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성되고,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 작은 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 큰 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성되고,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 작은 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 양극의 충전상태에 따른 개방전압 프로파일이 평탄 구간을 가지고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간은 상기 평탄 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 큰 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성되고,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 작은 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 큰 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성되고,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 작은 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 퇴화 편중 전극이 양극일 경우 충전상태 별로 결정한 상기 퇴화진단 저항비율의 평균값과 충전상태 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압, 방전 컷오프 전압, 펄스 전류의 휴지 구간 및 펄스 전류의 씨레이트 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 동작 조건을 조절하고,
    상기 퇴화 편중 전극이 음극일 경우 충전상태 별로 결정한 상기 퇴화진단 저항비율의 평균값과 충전상태 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압, 방전 컷오프 전압, 펄스 전류의 휴지 구간 및 펄스 전류의 씨레이트 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 동작 조건을 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치.
  10. 제1항에 따른 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  11. 제1항에 따른 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 장치를 포함하는 전기 구동 장치.
  12. (a) 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 포함하는 동작 특성값을 측정하는 단계;
    (b) 미리 설정된 퇴화진단 충전상태 구간에서 이차 전지를 통해 펄스 전류가 흐를 때마다 상기 동작 특성값을 이용하여 이차 전지의 충전상태를 결정하는 단계;
    (c) 각 펄스 전류 구간 중에서 미리 설정된 초기 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 전기화학반응저항을 결정하고, 상기 초기 시간을 제외한 나머지 시간 동안 측정된 전압 변화량으로부터 리튬이온확산저항을 결정하는 단계;
    (d) 전기화학반응저항 대비 리튬이온확산저항의 상대적 비율인 퇴화진단 저항비율과 미리 설정된 기준 퇴화진단 저항비율을 비교하여 퇴화도가 상대적으로 큰 퇴화 편중 전극을 결정하는 단계; 및
    (e) 상기 퇴화 편중 전극의 종류에 따라 다음 충방전 사이클의 운용 조건을 적응적으로 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 펄스 전류 구간 중에서 미리 설정된 초기 시간은 0.1msec 내지 1 초임을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 이차 전지는 음극의 충전상태에 따른 개방전압 프로파일이 평탄 구간을 가지고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간은 상기 평탄 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 큰 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하고,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 작은 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 큰 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하고,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 작은 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 이차 전지는 양극의 충전상태에 따른 개방전압 프로파일이 평탄 구간을 가지고, 상기 퇴화진단 충전상태 구간은 상기 평탄 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 큰 경우 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하고,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간에서 산출한 퇴화진단 저항비율의 평균값이 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값보다 작은 경우 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 큰 구간의 비율이 임계치 이상일 때 음극을 퇴화 편중 전극으로 결정하고,
    상기 퇴화진단 충전상태 구간 중에서 퇴화진단 저항비율이 기준 퇴화진단 저항비율보다 작은 구간의 비율이 임계치 이상일 때 양극을 퇴화 편중 전극으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 (e) 단계에서,
    상기 퇴화 편중 전극이 양극일 경우 충전상태 별로 결정한 상기 퇴화진단 저항비율의 평균값과 충전상태 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압, 방전 컷오프 전압, 펄스 전류의 휴지 구간 및 펄스 전류의 씨레이트 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 동작 조건을 조절하고,
    상기 퇴화 편중 전극이 음극일 경우 충전상태 별로 결정한 상기 퇴화진단 저항비율의 평균값과 충전상태 별로 미리 설정한 기준 퇴화진단 저항비율의 평균값 사이에 존재하는 편차에 따라 충전 컷오프 전압, 방전 컷오프 전압, 펄스 전류의 휴지 구간 및 펄스 전류의 씨레이트 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 동작 조건을 조절하는 것을 특징으로 하는 전극의 상대적 퇴화도를 이용한 이차 전지의 동작 제어 방법.
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