WO2014084680A1 - 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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WO2014084680A1
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secondary battery
discharge
discharge rate
voltage
positive electrode
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조원태
차선영
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for estimating the output of a secondary battery comprising a mixed cathode material.
  • a battery may be a device that can be carried in a human hand such as a mobile phone, a laptop computer, a digital camera, a video camera, a tablet computer, a power tool, or the like;
  • Various electric drive power devices such as electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles, hybrid vehicles, electric boats, electric airplanes, and the like;
  • a power storage device used to store power generated by renewable energy or surplus generated power;
  • the field of use extends to an uninterruptible power supply for stably supplying power to various information communication devices including server computers and communication base stations.
  • the cell comprises three basic components: an anode comprising a material that is oxidized while releasing electrons during discharge, and a cathode comprising a material that is reduced while receiving electrons during discharge. And an electrolyte that allows ion transport between the cathode and the anode.
  • the battery may be classified into a primary battery that cannot be reused after being discharged and a secondary battery capable of repetitive charging and discharging because the electrochemical reaction is at least partially reversible.
  • secondary batteries examples include lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-zinc batteries, nickel-iron batteries, silver oxide batteries, nickel metal hydride batteries, zinc-manganese oxide batteries, zinc-bromide batteries, and metal- Air batteries, lithium secondary batteries and the like are known. Among them, lithium secondary batteries have attracted the greatest commercial interest because of their higher energy density, higher battery voltage, and longer shelf life than other secondary batteries.
  • Lithium secondary batteries have characteristics in which intercalation and de-intercalation reactions of lithium ions occur in a positive electrode and a negative electrode. That is, during discharge, lithium ions are detached from the negative electrode material included in the negative electrode and then moved to the positive electrode through the electrolyte and inserted into the positive electrode material included in the positive electrode, and vice versa while charging is in progress.
  • the material used as the cathode material since the material used as the cathode material has a significant effect on the performance of the secondary battery, it is possible to provide a cathode material having a high energy capacity while maintaining stability at high temperature and having a low manufacturing cost. Various attempts are being made. However, there is a limit to satisfying all the performance demands of the market with only one cathode material.
  • the running speed of the electric drive vehicle is proportional to the output of the secondary battery. Therefore, the control unit of the electric drive vehicle has a function of monitoring how much output the secondary battery can provide.
  • the control unit controls various driving devices including a motor so that the electric drive car can be safely driven within the range of the maximum output power of the secondary battery. Therefore, in order to optimize the driving performance of an electric drive vehicle, a method for accurately calculating the output of a secondary battery is required.
  • the output of the secondary battery is affected by the electrochemical properties of the cathode material. Therefore, the secondary battery may exhibit an unusual electrochemical behavior according to the type of cathode material included in the secondary battery. In this case, it is more difficult to accurately estimate the output of the secondary battery.
  • the present invention includes a mixed positive electrode material branding two or more positive electrode materials in consideration of the performance of the secondary battery required by the market, and an apparatus for accurately estimating the output of the secondary battery exhibiting an unusual electrochemical behavior due to the mixed positive electrode material And its purpose is to provide a method.
  • An apparatus for estimating output of a secondary battery according to the present invention for achieving the above technical problem is an apparatus for estimating the output of a secondary battery including a mixed cathode material in which at least a first cathode material and a second cathode material are branded, and a plurality of different Discharge means for discharging the secondary battery under a discharge rate (c-rate) of; Sensor means for measuring a plurality of discharge termination voltages V f corresponding to the plurality of discharge rate conditions; And approximating a correlation between the plurality of discharge rates and the plurality of discharge termination voltages by a two-dimensional linear equation, and using the linear equation, the maximum discharge rate (C max ) of the secondary battery corresponding to the discharge lower limit voltage (V min ). ) And control means for estimating the maximum power P max of the secondary battery from the calculated maximum discharge rate.
  • a mixed cathode material in which at least a first cathode material and a second cathode material are branded, and a pluralit
  • a method for estimating output of a secondary battery including: (a) a plurality of discharge rates different from each other of a secondary battery including a mixed cathode material in which at least a first cathode material and a second cathode material are branded; discharging at -rate) conditions; (b) measuring a plurality of discharge end voltages V f corresponding to the plurality of discharge rate conditions; (c) the correlation between the plurality of discharge rates and the plurality of discharge termination voltages is approximated by a two-dimensional linear equation, and the maximum discharge rate of the secondary battery corresponding to the discharge lower limit voltage V min using the linear equation ( Calculating C max ); And (d) estimating the maximum output power P max of the secondary battery from the calculated maximum discharge rate.
  • the discharge means pulse discharge the secondary battery at regular intervals under a plurality of different discharge rate conditions.
  • the plurality of discharge rate conditions are greater than the maximum value of the transition discharge rate observed in the I-V profile measured for each state of charge (SOC) of the secondary battery.
  • the IV profile is a graph in which the discharge end voltage (V f ) of the secondary battery measured immediately after the secondary battery having the same state of charge is discharged for a predetermined period of time with different discharge rates is plotted according to the change of the discharge rate.
  • the I-V profile shows how the dynamic voltage of the secondary battery drops when the discharge rate is changed under the same state of charge.
  • the I-V measurement profile usually takes the form of a linear function with a negative slope.
  • the I-V measurement profile changes the slope of the profile based on a specific discharge rate.
  • the discharge rate at which the slope of the I-V profile changes may be defined as a transition discharge rate, and the transition discharge rate varies depending on the state of charge (or open voltage) of the secondary battery.
  • the I-V measurement profile may be plotted for each state of charge of the secondary battery.
  • control means may approximate a linear equation using at least two pairs of discharge rates and discharge termination voltages.
  • control means calculates the maximum discharge rate (C max ) and the maximum output (P max ) of the secondary battery using the following equations (1) and (2).
  • the maximum discharge rate is expressed in units of C-rate, but it is obvious that the unit may be converted to and displayed in units of Ampere.
  • the first and second cathode materials have different reaction concentrations of the working ions reacting with them as the voltage changes.
  • the secondary battery including the first and second positive electrode materials has a convex pattern on the resistance profile when the resistance profile is measured according to the change in the state of charge, and two inflection points before and after the peak of the convex pattern are included. appear.
  • the secondary battery including the first and second cathode materials may include at least one voltage flat region on the open voltage profile when the open circuit voltage (OCV) profile is measured according to a change in the state of charge. plateau)
  • the operating ions refer to ions which undergo an electrochemical reaction with the first and second cathode materials during the charging or discharging of the secondary battery including the mixed cathode material.
  • the operating ions may vary depending on the type of secondary battery.
  • the operating ion may be lithium ion.
  • the electrochemical reaction includes oxidation and reduction reactions of the first and second cathode materials, which are involved in the charging and discharging of the secondary battery, and may vary according to the operation mechanism of the secondary battery.
  • the electrochemical reaction may mean that operating ions are inserted into the first cathode material and / or the second cathode material or vice versa from the inside.
  • the concentration of operating ions inserted into the first and second cathode materials or the concentration of operating ions detached from the first and second cathode materials may vary as the voltage of the secondary battery changes.
  • operating ions may be preferentially inserted into the first cathode material in a certain voltage band, and vice versa in another voltage band.
  • operating ions may be preferentially desorbed from the second cathode material in one voltage band under the condition that the secondary battery is charged, and vice versa in another voltage band.
  • operating ions are preferentially inserted into the first positive electrode material in the high voltage band and the second positive electrode material in the low voltage band when the secondary battery is discharged. It is described as being inserted first.
  • the open circuit voltage of the secondary battery means a voltage measured when charging or discharging of the secondary battery is stopped and the secondary battery is in an electrochemically stabilized state. Since the open voltage has a 1: 1 relationship with the state of charge of the secondary battery, the open voltage may be considered to be equivalent to the state of charge.
  • the material that can be used as the first and second cathode materials is not particularly limited as long as the material reacts with the working ions according to the voltage level of the secondary battery.
  • the first cathode material the general formula A [A x M y ] O 2 + z
  • A includes at least one element of Li, Na and K; M is Ni, Co, Mn, Ca, At least one element selected from Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, and Cr; x ⁇ 0, 1 ⁇ x + y ⁇ 2, -0.1 ⁇ z ⁇ 2; the stoichiometric coefficients of the components included in x, y, z, and M may be alkali metal compounds represented by).
  • the first cathode material comprises at least one alkali metal compound xLiM 1 O 2- (1-x) Li 2 M 2 O 3 (M 1 has an average oxidation state of 3) disclosed in US 6,677,082, US 6,680,143 and the like.
  • the second cathode material is a general formula Li a M 1 x Fe 1-x M 2 y P 1-y M 3 z O 4-z
  • M 1 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, At least one element selected from V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, and Al
  • M 2 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg
  • M 3 comprises at least one element selected from halogenated elements including F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; the stoichiometric coefficients of the components contained in a, x, y, z, M 1 , M 2 , and M 3 are chosen so that the compound maintains electrical neutrality ), Or Li 3 M 2 (PO 4 ) 3, wherein M comprises at least one element selected
  • the second positive electrode material may be at least one selected from the group consisting of LiFePO 4 , LiMn x Fe y PO 4 (0 ⁇ x + y ⁇ 1), and Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 .
  • the first positive electrode material and / or the second positive electrode material may include a coating layer.
  • the coating layer includes a carbon layer, or in the group consisting of Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V and S It may include an oxide layer or a fluoride layer containing at least one element selected.
  • the convex pattern appears in the discharge resistance profile or at least one voltage flat in the open voltage profile Select the area to appear.
  • Li [Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ] O 2 and LiFePO 4 are selected as the first cathode material and the second cathode material, respectively.
  • the mixing ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material can be set to 5: 5.
  • Li [Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ] O 2 and LiFePO 4 are selected as the first cathode material and the second cathode material, respectively.
  • the mixing ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material can be set to 2: 8.
  • Li [Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ] O 2 and LiFePO 4 are selected as the first cathode material and the second cathode material, respectively.
  • the mixing ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material can be set to 1: 9.
  • [Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ] O 2 and LiFePO 4 may be formed into a first positive electrode material and a second positive electrode, respectively. It can be selected as the ash, and the mixing ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material can be set to 4: 6.
  • Li [Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 ] O 2 and LiFePO 4 are selected as the first cathode material and the second cathode material, respectively, and the first anode
  • the mixing ratio of the ash and the second cathode material can be set to 9: 1.
  • first and second cathode materials selection of the first and second cathode materials and the adjustment method of the mixing ratio are merely examples. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that the first and second cathode materials can be appropriately selected and the mixing ratio of each cathode material can be appropriately set in consideration of the relative weights and balances of the electrochemical properties to be applied to the mixed cathode material.
  • the number of cathode materials that may be included in the mixed cathode material is not limited to two.
  • LiNiO 2 LiMn 2 O 4
  • the addition of other additives such as a conductive agent, a binder, etc. to the mixed cathode material is not particularly limited in order to improve physical properties of the mixed cathode material. Therefore, a mixed cathode material including at least two cathode materials may be interpreted as being included in the scope of the present invention regardless of the number of cathode materials and the presence of other additives.
  • the secondary battery is charged or discharged between a predefined discharge lower limit voltage and an discharge upper limit voltage based on the open voltage.
  • the discharge lower limit voltage may be 2.0 to 3.0V
  • the discharge upper limit voltage may be 4.0 to 4.6V.
  • the voltage range between the discharge lower limit voltage and the discharge upper limit voltage is referred to as the use voltage range of the secondary battery.
  • the use voltage range may vary according to the type and branding ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material, and may be classified into three voltage sections, that is, the first positive electrode material voltage section ⁇ V 1 and the transition voltage section. ( ⁇ V t ) and the second positive electrode material voltage range ( ⁇ V 2 ).
  • the first cathode material voltage interval ( ⁇ V 1) is, when the secondary battery discharges, the voltage interval, regardless of the size of the discharge rate is mainly the working ion into the first cathode material.
  • the transition voltage section ⁇ V t is a voltage at which the positive electrode material into which the operating ions are mainly inserted is changed from the first positive electrode material to the second positive electrode material based on a specific discharge rate (transition discharge rate) when the secondary battery is discharged. It is a section.
  • the second cathode material voltage interval ( ⁇ V 2) is, when the secondary battery discharges, the voltage interval, regardless of the size of the discharge rate mainly the second operation ions into the cathode material.
  • the discharge termination voltage V f decreases as the discharge rate increases. That is, even if the secondary battery opening voltage OCV 0 before pulse discharge is the same (that is, even if the state of charge is the same), the discharge end voltage V f of the secondary battery decreases as the discharge rate increases. This is because as the discharge rate increases, the energy exiting from the secondary battery increases, thereby lowering the state of charge of the secondary battery.
  • a reduction pattern of the discharge termination voltage V f may increase depending on an increase in the discharge rate.
  • ⁇ Case1 belongs to the first positive electrode material voltage range ( ⁇ V 1 )>
  • the IV profile has a pattern in which the discharge end voltage V f decreases linearly with a negative slope as the discharge rate increases, and as the OCV 0 decreases in the first positive electrode material voltage range ⁇ V 1 , The IV profile moves downwards.
  • OCV 0 belongs to the transition voltage range ( ⁇ V t )>
  • the type of the cathode material into which the operating ions are mainly inserted is changed from the first cathode material to the second cathode material based on the transition discharge rate.
  • a discharge rate section having a smaller size than the transition discharge rate is called a first discharge rate section
  • a discharge rate section having a larger size than the transition discharge rate section is called a second discharge rate section.
  • the I-V profile observed in the first discharge rate section is called a first profile
  • the I-V profile observed in the second discharge rate section is called a second profile.
  • the first profile observed in the first discharge rate section shows a decreasing pattern depending on the resistance characteristics of the first cathode material.
  • the decreasing slope of the first profile is larger than the IV profile of Case1. This is because the resistance of the first cathode material increases as the amount of operating ions inserted into the first cathode material increases.
  • the OCV 0 is lower in the transition voltage section ⁇ V t , the decreasing slope of the first profile increases.
  • the resistance of the first cathode material is further increased as the capacity for inserting operating ions into the first cathode material is exhausted.
  • the degree of increase in the decreasing slope of the first profile may vary depending on the type of the first cathode material.
  • the second profile observed in the second discharge rate section has a decreasing pattern showing dependence on the resistance characteristics of the second cathode material.
  • the decreasing slope of the second profile is smaller than the decreasing slope of the first profile.
  • the second profile observed in the second discharge rate section has a lower boundary profile ( lower-bounded profile). This is because the closer the OCV 0 to the lower limit voltage of the transition voltage section ⁇ V t , the second profile observed in the second discharge rate section converges to the lower boundary profile.
  • the transition discharge rate is not fixed to a constant value and tends to decrease together as the OCV 0 of the secondary battery decreases in the transition voltage section ⁇ V t . This is because when OCV 0 decreases, the capacity to insert operating ions into the first positive electrode material decreases, and even though the secondary battery is discharged at a low discharge rate, the operating ions start to be inserted into the second positive electrode material.
  • OCV 0 belongs to the second positive electrode material voltage range ( ⁇ V 2 )>
  • IV profile throughout the discharge rate interval shall have a constant gradient has a pattern which decreases linearly, the OCV 0 lower in the second cathode material voltage interval ( ⁇ V 2) increased reducing the slope of the IV profile .
  • the degree of increase of the decrease slope may vary depending on the type of the second cathode material.
  • each discharge rate is preferably set larger than the transition discharge rate.
  • each discharge rate is set larger than the maximum value of the transition discharge rate.
  • the number of the IV data is at least two or more, preferably May be three or more.
  • the maximum output P max calculated by Equations 1 and 2 corresponds to the lower limit of the maximum output that the secondary battery can produce. Therefore, the maximum output that the secondary battery can actually produce has a value equal to or greater than the calculated maximum output P max .
  • the apparatus for estimating the output of a secondary battery according to the present invention may further include display means combined with the control means, and the control means may output the maximum output of the estimated secondary battery through the display means.
  • the maximum output may be displayed in numbers, letters, graphs or a combination thereof.
  • the apparatus for estimating the output of the secondary battery according to the present invention may transmit the estimated maximum output of the secondary battery to an external control unit.
  • the apparatus for estimating output of a secondary battery according to the present invention may further include storage means coupled with the control means, wherein the control means comprises the plurality of discharge rates and discharge termination voltages V f , and / or the approximation.
  • the slope and Y intercept of the linear equation thus obtained, and / or the maximum output of the estimated secondary battery can be recorded in the storage means.
  • An output estimating apparatus for a secondary battery according to the present invention may be included in an electric driving apparatus.
  • the electric drive device may be a mobile computer device such as a mobile phone, a laptop computer, a tablet computer, or a handheld multimedia device including a digital camera, a video camera, an audio / video playback device, and the like.
  • a mobile computer device such as a mobile phone, a laptop computer, a tablet computer, or a handheld multimedia device including a digital camera, a video camera, an audio / video playback device, and the like.
  • the electric drive device may be an electric power device capable of being moved by electricity, such as an electric car, a hybrid car, an electric bicycle, an electric motorcycle, an electric train, an electric boat, an electric plane, or an electric drill, an electric grinder, or the like. It can be a power tool with a motor as well.
  • the electric drive device a large-capacity power storage device installed in the power grid to store renewable energy or surplus power generation, or various information including a server computer or mobile communication equipment in an emergency situation, such as a power outage It may be an uninterruptible power supply for supplying power to a communication device.
  • the secondary battery may further include an electrolyte including operating ions, and a separator for electrically separating the positive electrode and the negative electrode and allowing movement of the operating ions.
  • the electrolyte is not particularly limited as long as it can generate an electrochemical oxidation or reduction reaction at the anode and the cathode through the working ions, including the working ions.
  • the secondary battery may further include a packing material for sealing the positive electrode, the negative electrode, and the separator.
  • the packaging material is not particularly limited as long as it is chemically safe.
  • the appearance of the secondary battery is determined by the structure of the packaging material.
  • the structure of the packaging material may be one of various structures known in the art, and may typically have a structure such as a cylinder, a square, a pouch, a coin, and the like.
  • the output of the secondary battery can be reliably estimated even if the secondary battery including the mixed positive electrode material exhibits a unique discharge behavior.
  • 1 is a graph showing the results of performing a hybrid pulse power characterization (HPPC) experiment with a pulse discharge conditions of 10 sec and 5c for the secondary battery to determine the maximum output power that can be produced by the secondary battery SOC. .
  • HPPC hybrid pulse power characterization
  • FIG. 2 is a graph illustrating a result of measuring internal resistance of a secondary battery according to a change in state of charge while pulse discharge is performed at a discharge rate of 5c of the secondary battery.
  • FIG. 3 is a graph illustrating a result of measuring an opening voltage of a secondary battery according to a change in state of charge while pulse discharge of the secondary battery at a discharge rate of 5c.
  • FIG. 4 is a graph illustrating IV profiles obtained by measuring a change pattern of the discharge end voltage V f when the secondary battery is pulsed at different discharge rates while changing the state of charge of the secondary battery.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of an apparatus for estimating an output of a secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of estimating output of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the lithium secondary battery is a generic term for a secondary battery in which lithium ions act as operating ions during charging and discharging to induce an electrochemical reaction in the positive electrode and the negative electrode.
  • the working ions refer to ions participating in the electrochemical oxidation and reduction reaction in the process of charging or discharging the secondary battery, for example, lithium ions. Therefore, even if the name of the secondary battery is changed according to the type of electrolyte or separator used in the lithium secondary battery, the type of packaging material used to package the secondary battery, the internal or external structure of the lithium secondary battery, the lithium ion is used as the working ion. Any secondary battery may be interpreted as being included in the category of the lithium secondary battery.
  • this invention is applicable also to other secondary batteries other than a lithium secondary battery. Therefore, even if the operating ion is not a lithium ion, any secondary battery to which the technical idea of the present invention can be applied should be construed as being included in the scope of the present invention regardless of its type.
  • the secondary battery in the corresponding embodiment is used as a concept including various types of secondary batteries.
  • secondary batteries are not limited by the number of elements which comprise it.
  • secondary batteries may include a single cell based on a negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode, an assembly of a single cell, a module in which a plurality of assemblies are connected in series and / or in parallel, a pack in which a plurality of modules are connected in series and / or in parallel, Should be interpreted to include battery systems connected in series and / or in parallel.
  • the secondary battery includes LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NMC cathode material) and LiFePO 4 (LFP cathode material) as the first cathode material and the second cathode material.
  • the mixing ratio of the NMC cathode material and the LFP cathode material is 7: 3 (weight ratio).
  • the negative electrode material included in the secondary battery is graphite, and as an electrolyte, lithium salt LiPF 6 is contained in a solvent in which an EC (ethylene carbonate): DMC (dimethyl carbonate): EMC (ethyl methyl carbonate) is mixed in a 3: 4: 3 (weight ratio) ratio. Is an added electrolyte.
  • the separator As the separator, an inorganic particle coated on the surface of the porous polyolefin substrate was used.
  • the secondary battery was made of a pouch type secondary battery and had a capacity of 43.05 Ah.
  • the secondary battery is manufactured to be charged and discharged in the range of 2.6 to 4.2V based on the open voltage.
  • 1 is a graph showing the results of performing a hybrid pulse power characterization (HPPC) experiment with a pulse discharge conditions of 10 sec and 5c for the secondary battery to determine the maximum output power that can be produced by the secondary battery SOC. .
  • HPPC hybrid pulse power characterization
  • Equation 3 The maximum output power of the secondary battery was calculated using Equation 3 below.
  • OCV 0 is the open circuit voltage before the secondary battery is pulse discharged
  • V f is the secondary battery measured immediately after the end of the pulse discharge.
  • the dynamic voltage, R dis represents the internal resistance of the secondary battery, which can be calculated from the amount of voltage reduction observed while the secondary battery is discharged
  • C dis represents the discharge rate 5c.
  • the maximum output P max of the secondary battery decreases linearly according to the state of charge, and then shows a Dip pattern (see dotted line box) when the state of charge is about 15-40%.
  • the charging state section in which the Dip pattern occurs is called a transition state section.
  • the dotted line profile marked with ⁇ in the transition state section represents the maximum output of the secondary battery actually measured through the CP (Constant Power) discharge experiment without using Equation 2.
  • the reason why the maximum output error occurs when the secondary battery is discharged in the transition state section is that the resistance characteristic of the secondary battery changes rapidly in the transition state section.
  • 2 and 3 are graphs showing the results of measuring the internal resistance and the open voltage of the secondary battery according to the change of the charging state while pulse discharge the secondary battery at a discharge rate of 5c.
  • the voltage flat section (see dotted line box) including the inflection point in the transition state section may be observed.
  • the voltage flat section means a profile portion having a small change in voltage on the basis of the inflection point.
  • the reason why the convex pattern and the voltage flatness are observed in the internal resistance and the open voltage profile is that the type of cathode material into which lithium ions are inserted when the secondary battery is discharged is changed from the NMC cathode material to the LFP cathode material. This is because the type of cathode material contributing to the resistance is different.
  • lithium ions are mainly inserted into the NMC cathode material, and as the amount of lithium ions inserted into the NMC cathode material increases, the open voltage of the secondary battery decreases.
  • the secondary battery is discharged in the charging state section lower than the transition state section, lithium ions are mainly inserted into the LFP cathode material, and as the amount of lithium ions inserted into the LFP cathode material increases, the open circuit voltage of the secondary battery is lowered.
  • the type of cathode material into which lithium ions are mainly inserted is changed from an NMC cathode material to an LFP cathode material.
  • the kind change of the positive electrode material is made when the secondary battery is discharged in the state of charge near the open voltage (3.2 V) where the inflection point occurs in the open voltage profile shown in FIG.
  • the reason why the internal resistance of the secondary battery suddenly increases is because the resistance of the NMC cathode material suddenly increases while the NMC cathode material exhausts most of the capacity for accepting lithium ions.
  • the reason why the internal resistance of the secondary battery is lowered again is that since lithium ions are inserted into the LFP cathode material, the low resistance characteristic of the LFP cathode material appears as the internal resistance of the secondary battery.
  • FIG. 4 is a graph illustrating IV profiles obtained by measuring a change pattern of the discharge end voltage V f when the secondary battery is pulsed at different discharge rates while changing the state of charge of the secondary battery.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 4 is the discharge rate (c-rate) of the secondary battery, and the vertical axis is the discharge end voltage (V f ) of the secondary battery.
  • V f discharge end voltage
  • shaft considering the point that the use voltage range of the secondary battery is 2.60-4.20V, the whole use voltage range was shown.
  • the operating voltage range of the secondary battery may vary depending on the type and branding ratio of the first cathode material and the second cathode material.
  • the discharge end voltage (V f ) means the dynamic voltage of the secondary battery measured immediately after the pulse discharge of the secondary battery for 10 seconds.
  • the secondary battery opening voltage (OCV 0 ) before the start of the pulse discharge was set in the same manner. Therefore, the plurality of points on the same profile represent a measurement result of the discharge end voltage V f when the state of charge is pulsed at different discharge rates under the same conditions.
  • the point where each profile intersects the Y axis indicates the secondary battery opening voltage (OCV 0 ) before the pulse discharge starts.
  • the IV profile (1) corresponding to 100% state of charge is the discharge end voltage (V f ) when a secondary battery having an OCV 0 of 4.20V is discharged for 10 seconds under discharge rate conditions of 5c and 10c, respectively. Shows how this changes.
  • the operating voltage range shown on the vertical axis of FIG. 4 may be largely divided into a first voltage section ⁇ V 1 , a transition voltage section ⁇ V t , and a second voltage section ⁇ V 2 .
  • the IV profile whose Y-intercept (ie, OCV 0 ) belongs to the first voltage section ⁇ V 1 and the second voltage section ⁇ V 2 has a pattern in which the discharge end voltage V f decreases with a constant slope.
  • the profile where the Y-intercept (ie, OCV 0 ) belongs to the transition voltage section ⁇ V t has a pattern in which the slope of the discharge termination voltage V f decreases.
  • the secondary battery is pulse discharged when OCV 0 of the secondary battery belongs to the first voltage section ⁇ V 1 , operating ions are mainly inserted into the NMC cathode material. Therefore, regardless of the discharge rate of the secondary battery, the discharge termination voltage (V f ) decreases while showing a dependency on the resistance characteristics of the NMC cathode material. Therefore, the IV profiles 1 to 5 have a pattern that decreases linearly with a constant slope as the discharge rate increases, and as the OCV 0 decreases in the first voltage range ⁇ V 1 , the IV profile moves downward. It can be seen that.
  • the type of cathode material into which the operating ions are inserted is based on the transition discharge rate (C 1 -C 4 ). It is changed from ash to LFP cathode material.
  • the transition discharge ratios (C 1 -C 4 ) are horizontal straight lines A and IV profiles (6--) having the open voltage (about 3.2 V) represented by the voltage flat section represented by the Y intercept in the open voltage profile shown in FIG. 3. It means the discharge rate at the point where 9) crosses.
  • the transition discharge rate (C 1 -C 4 ) is shifted to the left as the OCV 0 of the secondary battery is lower. If the OCV 0 decreases, the capacity to insert the operating ions into the NMC cathode material decreases, and even though the secondary battery is discharged at a low discharge rate, the operating ions are inserted into the LFP cathode material.
  • a discharge rate section having a smaller size than the transition discharge rate is referred to as a first discharge rate section
  • a discharge rate section having a larger size than the transition discharge rate is referred to as a second discharge rate section.
  • the I-V profile observed in the first discharge rate section is called a first profile (B)
  • the I-V profile observed in the second discharge rate section is called a second profile (D).
  • the first profile B observed in the first discharge rate section shows a decreasing pattern depending on the resistance characteristics of the NMC cathode material.
  • the decrease inclination of the first profile B is larger than the IV profile (1-5). This is because the resistance of the NMC cathode material increases as the amount of working ions inserted into the NMC cathode material increases.
  • the OCV 0 is lower in the transition voltage section ⁇ V t , the decreasing slope of the first profile B increases.
  • the resistance of the NMC cathode material is further increased as the capacity for inserting operating ions into the NMC cathode material is exhausted.
  • the degree of increase in the decreasing slope of the first profile B may vary depending on the type of the first cathode material.
  • the second profile D observed in the second discharge rate section has a decreasing pattern showing dependence on the resistance characteristics of the LFP cathode material.
  • the decreasing slope of the second profile D is smaller than the decreasing slope of the first profile B.
  • the IV profile observed in the second discharge rate section ( E) may be called a lower-bounded profile. This is because the closer the OCV 0 to the lower limit voltage of the transition voltage section ⁇ V t , the IV profile observed in the second discharge rate section converges to the lower boundary profile.
  • IV profile (10 and 11) throughout the discharge rate region has a pattern which decreases linearly with a constant slope
  • IV profile (10 and 11) of the slope is within the second voltage range ( ⁇ V 2) It increases as OCV 0 goes down. This is because the lower the OCV 0 , the higher the resistance of the material used as the negative electrode material, thereby increasing the internal resistance of the secondary battery.
  • the slope of the I-V profile shown in FIG. 4 shows how the voltage of the secondary battery changes with the magnitude of the discharge rate
  • the slope of the I-V profile substantially corresponds to the internal resistance of the secondary battery.
  • IV profiles 1-5 and 10-11 are inclined so that the internal resistance of the secondary battery is constant even if the discharge rate of the secondary battery changes.
  • the IV profiles 6-9 decrease in slope as the discharge rate of the secondary battery increases and converge to the lower boundary profile (E). Therefore, when the secondary battery is discharged when OCV 0 of the secondary battery belongs to the transition voltage range ⁇ V t , the internal resistance of the secondary battery gradually decreases as the discharge rate increases, and then converges to a constant value.
  • the maximum output of the secondary battery can be calculated by the multiplication calculation of the maximum discharge rate C max and the discharge lower limit voltage V min that cause the secondary battery to fall to the discharge lower limit voltage (2.6 V).
  • the maximum discharge rate C max corresponds to the discharge rate (that is, the X-axis cross discharge rate) at the point where the profiles shown in FIG. 4 meet the X axis when the profiles shown in FIG. 4 are extended in the X axis direction.
  • the X-axis intersecting the discharge rate (C max) is in the above equation 3 (OCV 0 - V min) / R discharge rate and the discharge end voltage (V f) as to correspond to the dis, R dis of the denominator be the secondary battery discharges Sampling allows for real-time calculations using the formula (OCV 0 -V f ) / C dis .
  • the discharge end voltage V f of the secondary battery has a constant slope regardless of the magnitude of the discharge rate. Since it decreases, even when the maximum output power of the secondary battery is estimated in real time using Equation 3, the maximum output power and the measured error are not shown. However, when OCV 0 of the secondary battery belongs to the transition voltage range ⁇ V t , the maximum output is estimated by using Equation 3, and the maximum output and the measured error are shown.
  • the discharge end voltage V f changes according to the IV profile 9 according to the magnitude of the discharge rate.
  • the IV profile 9 is extended to the X-axis to obtain the X-axis cross discharge rate C max , a discharge rate of about 14c can be obtained and is substantially the same as the maximum discharge rate actually measured.
  • the secondary battery is discharged at a discharge rate of 2c, and the internal resistance R dis of the secondary battery is calculated from the discharge end voltage V f measured at that time, and the maximum discharge rate is calculated by the formula (OCV 0 -V min ) / R dis .
  • the value corresponds to the discharge rate at the point where the straight line F extends on the X axis (about 5c) when the straight line F is extended to the X axis, and the value is considerably smaller than the maximum discharge rate 14c at the point where the IV profile 9 meets the X axis. Therefore, when OCV 0 of the secondary battery including the mixed cathode material is in the transition voltage range ( ⁇ V t ), the maximum output is estimated using the maximum discharge rate calculated in real time using Equation 3 to be lower than the actual maximum output. There is an estimated problem. Therefore, when OCV 0 of the secondary battery belongs to the transition voltage section ⁇ V t , a new method for estimating the maximum output of the secondary battery is required.
  • the second profile (D) observed in the second discharge rate interval converges to the lower boundary profile (E) when OCV 0 of the secondary battery belongs to the transition voltage interval ( ⁇ V t ),
  • the X-axis cross discharge rate (C max ) of the profile (D) is substantially the same as the maximum discharge rate of the measured secondary battery, and the X-axis cross discharge rate of the second profile (D) is the X-axis of the lower boundary profile (E). Note that it converges approximately with the discharge rate (C * max ) at the point where it intersects with.
  • FIG. 5 is a block diagram schematically illustrating a configuration of an output estimating apparatus 100 of a secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the output estimating apparatus 100 of the secondary battery according to the present invention includes a discharge means 110, a sensor means 120, and a control means 130.
  • the device 100 may be connected between the secondary battery 140 and the load 150 to estimate the maximum output of the secondary battery 140 including the mixed cathode material.
  • the secondary battery 140 may be a lithium secondary battery, but the present invention is not limited to the type of battery.
  • the secondary battery 140 may be mounted in various kinds of electric driving apparatuses capable of operating with electrical energy, and the electric driving apparatus is not particularly limited in kind.
  • the electric drive device may be a mobile computer device such as a mobile phone, a laptop computer, a tablet computer, or a handheld multimedia device including a digital camera, a video camera, an audio / video playback device, and the like.
  • a mobile computer device such as a mobile phone, a laptop computer, a tablet computer, or a handheld multimedia device including a digital camera, a video camera, an audio / video playback device, and the like.
  • the electric drive device may be an electric power device capable of being moved by electricity, such as an electric vehicle, a hybrid car, an electric bicycle, an electric motorcycle, an electric train, an electric boat, an electric plane, or an electric drill, an electric grinder, or the like. It can be a power tool with a motor as well.
  • the electric drive device is a large-capacity power storage device that is installed in the power grid to store renewable energy or surplus power generation, or various information including a server computer or mobile communication equipment in an emergency such as a power failure It may be an uninterruptible power supply for supplying power to a communication device.
  • the load 150 is included in various electric driving apparatuses, and means an energy consuming apparatus included in the electric driving apparatus operated by electric energy supplied when the secondary battery 140 is discharged.
  • the load 150 may be a rotary power device such as a motor or a power converter such as an inverter as a non-limiting example, but the present invention is not limited by the type of load.
  • the discharge means 110 controls the control means 130 to pulse-discharge the secondary battery 140 with a plurality of discharge currents having different discharge rates C-rate at time intervals.
  • the discharge rate is at least two or more.
  • the pulse discharge time and the discharge pause time can be set arbitrarily.
  • the pulse discharge time and the discharge pause time may be set to 10 seconds, respectively.
  • the discharge means 110 may receive a control signal for controlling the discharge rate of the secondary battery 140 from the control means 130. When the control signal is received, the discharge means 110 changes the discharge rate of the secondary battery 140 from one value to another value.
  • the discharge rate condition applied when the discharge means 110 discharges the secondary battery 140 is sufficiently large.
  • the discharge rate condition is set to be greater than the maximum value of the transition discharge rate observed in the I-V profile for the secondary battery 140.
  • the discharge rate condition is preferably 5c or more (see Fig. 4).
  • the discharge rate condition when the discharge rate condition is 5c or more, the discharge rate condition may be set to 6c and 8c (two types), or 6c, 8c and 10c (three types).
  • the discharge means 110 may be a means for variably controlling the magnitude of the load current supplied to the load 150.
  • Means for controlling the magnitude of the load current can be easily implemented through a known circuit, and thus detailed description thereof will be omitted.
  • the discharge means 110 may be a means for forcibly discharging the secondary battery 140 at a discharge rate of a different size including a discharge circuit.
  • the discharge circuit may include a plurality of resistance components, and the discharge means 110 may control the discharge rate of the discharge current through the selective connection of the resistance components.
  • the sensor means 120 measures the discharge end voltage V f of the secondary battery when each pulse discharge is completed.
  • the sensor means 120 includes a voltage measuring circuit capable of measuring a voltage formed between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery 140.
  • the discharge end voltage (V f ) means the dynamic voltage of the secondary battery measured at the time when the application of the pulse discharge is finished. If the discharge rate condition is set to n, the number of discharge end voltages V f measured is also n.
  • the sensor means 120 may output the measured discharge end voltage V f to the control means 130.
  • the sensor means 120 may receive a control signal from the control means 130 for measuring the discharge termination voltage (V f ). When the control signal is received, the sensor means 120 measures the discharge end voltage V f and outputs it to the control means 130.
  • the control means 130 obtains a plurality of discharge end voltages V f measured under a plurality of discharge rate conditions by controlling the discharge means 110 and the sensor means 120.
  • the discharge rate c and the discharge end voltage V f are input and output variables, and -R dis and OCV 0 are the slope and Y intercept, respectively.
  • control means 130 extrapolates the open voltage OCV 0 when the discharge rate is zero using the linear equation.
  • the open voltage OCV 0 is a voltage before the secondary battery 140 is pulse discharged, and means an open voltage in a substantially no-load state.
  • control unit 130 obtains an offset (OCV 0 -V min ) of the open voltage (OCV 0 ) based on the discharge lower limit voltage (V min ), and the slope (R dis ) of the offset and the linear equation.
  • C max maximum discharge rate of the secondary battery.
  • the maximum discharge rate (C max ) means a discharge rate that drops the voltage of the secondary battery 140 to the discharge lower limit voltage (V min ).
  • the control means 130 estimates the maximum output (C max * V min ) of the secondary battery using the calculated maximum discharge rate (C max ) and the discharge lower limit voltage (V min ).
  • the output estimating apparatus 100 of the secondary battery may further include a storage unit 160.
  • the storage means 160 is not particularly limited as long as it is a storage medium capable of recording and erasing information.
  • the storage means 160 may be a RAM, a ROM, a register, a hard disk, an optical recording medium, or a magnetic recording medium.
  • the storage means 160 may also be connected with the control means 130, for example via a data bus or the like, to be accessible by the control means 130.
  • the storage means 160 also stores and / or updates and / or erases and / or a program comprising various control logics performed by the control means 130 and / or data generated when the control logic is executed. send.
  • the storage means 160 may be logically divided into two or more, and is not limited to being included in the control means 130.
  • the storage means 160 includes data relating to discharge rate conditions having different magnitudes, data relating to a plurality of discharge end voltages V f measured by the sensor means 120, slope of a two-dimensional linear equation, and Y intercept data. And data regarding the discharge lower limit voltage (V min ), data on the calculated maximum discharge rate and maximum output.
  • the control means 130 may comprise a processor, application-specific integrated circuit (ASIC), other chipset, logic circuit, register, communication modem, data processing device known in the art for executing various control logics and / or calculation logics. And the like may optionally be included.
  • the control logic when the control logic is implemented in software, the control means 130 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in a memory and executed by a processor.
  • the memory may be internal or external to the processor and may be coupled to the processor by a variety of known means.
  • the memory may be included in the storage means 160.
  • the memory refers to a device that stores information regardless of the type of device, and does not refer to a specific memory device.
  • the output estimating apparatus 100 of the secondary battery may further optionally include a display means 150.
  • the display means 150 is not particularly limited as long as it can display information on the maximum output of the secondary battery 140 estimated by the control means 130 in a graphic interface.
  • the display means 150 may be a liquid crystal display, an LED display, an OLED display, an E-INK display, a flexible display, or the like.
  • the display means 150 may be directly or indirectly connected to the control means 130. When the latter method is adopted, the display means 150 may be located in an area physically separated from the area in which the control means 130 is located.
  • a third control means (not shown) is interposed between the display means 150 and the control means 130 so that the third control means can express the display means 150 from the control means 130.
  • the information may be provided and displayed on the display means 150.
  • the third control means and the control means 130 may be connected by a communication line.
  • the display means 150 is not necessarily included in the device according to the present invention, but may be included in another device connected to the device according to the present invention.
  • the display means 150 and the control means 130 are not directly connected, but are indirectly connected to the display means 150 via a control means included in the other device. Therefore, it should be understood that the electrical connection between the display means 150 and the control means 130 also includes such an indirect connection method.
  • the control means 130 may form a communication interface with an external control device.
  • the data about the maximum discharge rate and / or the maximum output power of the secondary battery may be transmitted to the external control means through the communication interface.
  • the external control means may be a control means of a device on which the load 150 is mounted.
  • the control unit 130 controls data about the maximum discharge rate and / or the maximum output of the secondary battery 140 integrally with the driving mechanism of the electric vehicle.
  • the maximum discharge rate and / or the maximum output may be transmitted to a control unit. Then, the control unit may maximize the discharge efficiency of the secondary battery 140 by using the maximum discharge rate and / or the maximum output received.
  • each component may be selectively integrated with other components or each component may be divided into subcomponents for efficient execution of control logic (s).
  • control logic control logic
  • control logics and / or calculation logics of the control means 130 may be themselves an embodiment of a method for estimating the output of a secondary battery according to the present invention by selectively combining at least one or more thereof.
  • FIG. 6 is a flowchart sequentially illustrating a maximum output method of a rechargeable battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • step S10 the control means 130 reads and executes the control logic necessary to estimate the maximum output of the secondary battery from the storage means 160.
  • step S20 the control means 130 determines whether the condition for estimating the output is satisfied.
  • the estimation condition may include a condition that the secondary battery has been maintained at no load for a predetermined time (eg, several minutes to several minutes).
  • step S20 can be omitted.
  • step S20 If it is determined in step S20 that the estimation condition is satisfied, the control means 130 proceeds to step S30. On the other hand, if it is determined in S20 that the estimation condition is not satisfied, the process proceeds to step S20.
  • step S30 the control means 130 controls the discharge means 110 and the sensor means 120 to pulse the secondary battery 140 under a plurality of discharge rate conditions of different sizes to discharge the secondary battery for each discharge rate condition.
  • the termination voltage V f is obtained.
  • one discharge rate condition and the discharge end voltage V f corresponding thereto constitute IV data.
  • the control means 130 obtains three IV data.
  • the said plurality of discharge rate conditions are large enough.
  • the plurality of discharge rate conditions may be greater than the maximum value of the transition discharge rate observed in the I-V profile for the secondary battery 140.
  • step S60 the control means 130 calculates the open circuit voltage OVC 0 when the discharge rate is 0 from the linear equation, and offsets the open circuit voltage OBC 0 based on the discharge lower limit voltage V min . To calculate.
  • step S70 the control means 130 calculates the maximum discharge rate C max of the secondary battery using the offset value and the slope R dis of the linear equation.
  • step S80 the control means 130 estimates the maximum output C max * V min of the secondary battery 140 using the maximum discharge rate C max and the discharge lower limit voltage V min .
  • control means 130 may optionally perform steps S90 and / or S100 and / or S110. That is, in step S90, the control means 130 may record the estimated maximum output of the secondary battery 140 in the storage means 160. In addition, the control means 130 may output the estimated maximum output of the secondary battery 140 to the graphic interface through the display means 150 in step S100. In addition, the control means 130 may transmit the estimated maximum output of the secondary battery 140 to an external control unit.
  • control logics and / or calculation logics of the control means 130 are combined at least one, and the combined control logics are written in a computer readable code system and are computer readable recordings. May be included in the medium.
  • the recording medium is not particularly limited as long as it is accessible by a processor included in the computer.
  • the recording medium includes at least one selected from the group consisting of a ROM, a RAM, a register, a CD-ROM, a magnetic tape, a hard disk, a floppy disk, and an optical data recording device.
  • code system may be modulated into a carrier signal to be included in a communication carrier at a specific point in time, and may be distributed and stored and executed in a networked computer.
  • functional programs, code and code segments for implementing the combined control logics can be easily inferred by programmers in the art to which the present invention pertains.

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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
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.
본 출원은 2013년 11월 29일자로 출원된 한국 특허출원 번호 10-2013-0147620호에 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: OCV0이 제1양극재 전압 구간(△V1)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: OCV0이 전이 전압 구간(△Vt)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: OCV0이 제2양극재 전압 구간(△V2)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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