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WO2019066294A1 - 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하는 장치 및 방법 - Google Patents

리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하는 장치 및 방법 Download PDF

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WO2019066294A1
WO2019066294A1 PCT/KR2018/010437 KR2018010437W WO2019066294A1 WO 2019066294 A1 WO2019066294 A1 WO 2019066294A1 KR 2018010437 W KR2018010437 W KR 2018010437W WO 2019066294 A1 WO2019066294 A1 WO 2019066294A1
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WO
WIPO (PCT)
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ion battery
battery cell
lithium ion
anode
limit value
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2018/010437
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English (en)
French (fr)
Inventor
임진형
윤두성
조원태
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Chem Ltd filed Critical LG Chem Ltd
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Priority to JP2019538218A priority patent/JP6880424B2/ja
Priority to EP18862145.2A priority patent/EP3598156B1/en
Priority to US16/487,270 priority patent/US11187756B2/en
Publication of WO2019066294A1 publication Critical patent/WO2019066294A1/ko
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for nondestructively acquiring information related to degradation of a lithium ion battery cell due to repetitive charging and discharging.
  • lithium-ion batteries have almost no memory effect compared with nickel- Is very low and has been attracting attention due to its high energy density.
  • the lithium ion battery cell basically includes an anode, a cathode, and an electrolyte. As the lithium ions involved in the electrochemical reaction of the lithium ion battery cell move from the anode to the cathode or from the cathode to the anode, the lithium ion battery cell is charged and discharged.
  • a side reaction occurs between the positive electrode, the negative electrode and the electrolyte of the lithium ion battery cell.
  • This side reaction occurs not only when the lithium ion battery cell is in a used state (i.e., charging or discharging) but also when it is in a storage state.
  • SEI Solid Electrolyte Interface
  • SEI Solid Electrolyte Interface
  • the SEI forms a film on the surface of the anode, which is one of the causes of deterioration of the lithium ion battery cell.
  • the usage region of each of the positive half-cell and the negative half-cell shifts.
  • a three-electrode test method for solving the above-mentioned problem has been proposed.
  • the three-electrode test method by comparing the potentials of the positive electrode and the negative electrode of the lithium ion battery cell with the potential of the reference electrode, the use area of each of the positive half-cell and the negative half- Can be obtained.
  • it is troublesome to manufacture a lithium ion battery cell in which a reference electrode is inserted.
  • the reference electrode since the reference electrode may affect the electrochemical characteristics between the positive electrode, the negative electrode and the electrolyte of the lithium ion battery cell, the result measured from the lithium ion battery cell having the reference electrode is as follows. It may not meet the actual electrochemical characteristics.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a lithium ion secondary battery capable of acquiring information about a cathode use region and a cathode use region of a lithium ion battery cell without disassembling the lithium ion battery cell And to provide a method and an apparatus having the same.
  • the present invention also provides a lithium ion secondary battery comprising a lithium ion battery cell and a lithium ion battery cell based on information on the anode use region and the cathode use region obtained in two different states of health (SOH) And to provide an apparatus and a method capable of determining capacity information of each of the anode and the cathode in accordance with degradation of the anode and the cathode.
  • SOH states of health
  • An apparatus for acquiring degradation information of a lithium ion battery cell includes: a sensing unit for measuring a full-cell open-circuit voltage and current of the lithium ion battery cell; And a control unit operatively coupled to the sensing unit.
  • the control unit estimates a first anode use region of the lithium ion battery cell based on the full-cell open-circuit voltage and current measured by the sensing unit while the lithium ion battery cell is in the first health state. Then, the control unit controls the operation of the lithium ion battery cell based on the open-circuit voltage and the current measured by the sensing unit while the lithium ion battery cell is in the second health state degenerated relative to the first health state And estimates the second anode use area.
  • control unit determines a maximum storage amount of the anode of the lithium ion battery cell for the period from the first health state to the second health state The amount of change in capacity is calculated.
  • the first anode use region may be defined by a first anode upper limit value and a first anode lower limit value.
  • the second anode use region may be defined by a second anode upper limit value and a second anode lower limit value.
  • the first anode upper limit value may correspond to the amount of lithium ions stored in the anode of the lithium ion battery cell when the state of charge of the lithium ion battery cell in the first health state is a predetermined upper limit value.
  • the first anode lower limit value may correspond to the amount of lithium ions stored in the anode of the lithium ion battery cell when the state of charge of the lithium ion battery cell in the first health state is a predetermined lower limit value.
  • the second anode upper limit value may correspond to an amount of lithium ions stored in the anode of the lithium ion battery cell when the state of charge of the lithium ion battery cell in the second health state is the upper limit value.
  • the second anode lower limit value may correspond to an amount of lithium ions stored in the anode of the lithium ion battery cell when the state of charge of the lithium ion battery cell in the second health state is the lower limit value.
  • control unit includes:
  • the amount of change in the maximum discharge capacity of the anode of the lithium ion battery cell may correspond to the total amount of lithium ions consumed due to the side reaction between the anode and the electrolyte during the use period.
  • An apparatus for acquiring degradation information of a lithium ion battery cell includes: a sensing unit for measuring a full-cell open-circuit voltage and current of the lithium ion battery cell; And a control unit operatively coupled to the sensing unit.
  • the control unit estimates a first anode use area of the lithium ion battery cell based on the open voltage and the current measured by the sensing unit while the lithium ion battery cell is in the first health state. Then, the control unit determines, based on the full-cell open-circuit voltage and the current measured by the sensing unit while the lithium ion battery cell is in the second health state degenerated relative to the first health state, And estimates the second cathode use area of the battery cell.
  • control unit controls the maximum storage of the cathode of the lithium ion battery cell for the period from the first health state to the second health state, based on the first anode use region and the second anode use region, The amount of change in capacity is calculated.
  • the first negative electrode use region may be defined by a first negative upper limit value and a first negative lower limit value.
  • the second cathode use region may be defined by a second cathode upper limit value and a second cathode lower limit value.
  • the first negative upper limit value may correspond to the amount of lithium ions stored in the cathode of the lithium ion battery cell when the state of charge of the lithium ion battery cell in the first health state is a predetermined upper limit value.
  • the first negative lower limit value may correspond to the amount of lithium ions stored in the cathode of the lithium ion battery cell when the state of charge of the lithium ion battery cell in the first health state is a predetermined lower limit value.
  • the second upper limit value of the cathode may correspond to the amount of lithium ions stored in the cathode of the lithium ion battery cell when the state of charge of the lithium ion battery cell in the second health state is the upper limit value.
  • the second negative lower limit value may correspond to the amount of lithium ions stored in the cathode of the lithium ion battery cell when the state of charge of the lithium ion battery cell in the second health state is the lower limit value.
  • the amount of change in the maximum storage capacity of the cathode of the lithium ion battery cell can be calculated.
  • control unit includes:
  • the amount of change in the maximum discharge capacity of the negative electrode of the lithium ion battery cell may correspond to the total amount of lithium ions consumed due to the side reaction between the negative electrode and the electrolyte during the use period.
  • the apparatus may further include a communication unit for transmitting the obtained degenerated information to the outside.
  • the battery pack according to another embodiment of the present invention may include the above apparatus.
  • a method of manufacturing a lithium ion secondary battery comprising the steps of: Information can be obtained.
  • the present invention also relates to a lithium ion secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode in accordance with degradation of a lithium ion battery cell based on information on a positive electrode use region and a negative electrode use region obtained in two different states of health, Each capacity information can be determined.
  • FIG. 1 is a functional block diagram of an apparatus for acquiring degradation information of a lithium ion battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 are graphs showing the positive half-cell profile of the reference cell described above with reference to FIG.
  • FIGS. 4 and 5 are graphs illustrating the cathode half-cell profile described above with reference to FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing the full-cell SOC-OCV profile of the reference cell described above with reference to FIG.
  • FIG. 7 shows a full-cell SOC-OCV profile of a lithium ion battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 8 and 9 illustrate techniques for measuring the full-cell open-circuit voltage of a lithium ion battery cell.
  • FIG. 10 is a diagram referred to explain a method of estimating a usage region of a lithium ion battery cell in a specific health state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a method of acquiring information on a usage region of each of an anode and a cathode of a lithium ion battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • " control unit " as described in the specification means a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • the battery cell will be referred to as a 'cell'.
  • various voltage profiles to be described later are not necessarily limited to being continuous, and may have a discrete form.
  • FIG. 1 is a functional block diagram of an apparatus 100 for acquiring degradation information of a lithium ion battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • an apparatus 100 includes a memory 110, a sensing unit 120, and a control unit 130.
  • the memory 110 is configured to store reference information given in advance for each of a plurality of reference cells.
  • the reference information indicates the performance of each reference cell and is utilized as a reference for comparison to acquire degradation information of a lithium ion battery cell to be described later.
  • the reference information includes a cathode half-cell profile, a cathode half-cell profile, an anode upper limit value, an anode lower limit value, a cathode upper limit value, and a cathode lower limit value for each reference cell.
  • the reference information is obtained through a preliminary experiment on each reference cell.
  • One of the plurality of reference cells may be in a different health state than at least one of the remaining reference cells.
  • the bipolar half-cell profile represents a change in the open-circuit voltage of the anode of the reference cell as the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell changes. For example, as the charging of the reference cell progresses, the potential of the anode gradually increases as the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell gradually decreases.
  • the cathode half-cell profile shows the change in the open-circuit voltage of the cathode of the reference cell as the amount of lithium ions stored in the cathode of the reference cell changes. For example, as the charging of the reference cell progresses, the potential of the cathode gradually decreases as the amount of lithium ions stored in the cathode of the reference cell gradually increases.
  • the anode upper limit value of the reference cell corresponds to the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell at an upper limit value (e.g., 100%) of a predetermined SOC range (e.g., 0% to 100%).
  • the anode upper limit value of the reference cell is set such that the SOC (State Of Charge) of the reference cell reaches the upper limit value at the first threshold value on the basis of the first threshold value indicating the maximum amount of lithium ions storable in the anode of the reference cell
  • a stoichiometric value representing a value obtained by subtracting a first experimental value representing the amount of lithium ions stored at the anode of the reference cell at one point within a range of 0 to 1.
  • the anode lower limit value of the reference cell corresponds to the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell at a lower limit value (e.g., 0%) of the predetermined SOC range.
  • the lower limit value of the anode of the reference cell is a value of the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell at the time when the SOC of the reference cell reaches the lower limit of the predetermined SOC range at the first threshold value, And a value obtained by subtracting the second experimental value indicating the stoichiometric value.
  • the cathode upper limit value of the reference cell corresponds to the amount of lithium ions stored in the cathode of the reference cell at the upper limit value of the predetermined SOC range.
  • the lower limit of the cathode of the reference cell corresponds to the amount of lithium ions stored in the cathode of the reference cell at the lower limit of the predetermined SOC range.
  • the fourth experimental value is 5% of the second threshold
  • the memory 110 may additionally store various data commands and software required for the overall operation of the apparatus 100.
  • the memory 110 may be a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type, an SDD type (Silicon Disk Drive type), a multimedia card micro type a random access memory (SRAM), a read-only memory (ROM), an electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), and a programmable read-only memory (PROM) And may include a storage medium corresponding to at least one type.
  • the sensing unit 120 may include at least one of a voltage sensor 121, a current sensor 122, and a temperature sensor 123. At least one of the voltage sensor 121, the current sensor 122 and the temperature sensor 123 is responsive to a control signal provided from the control unit 130 to control at least one of voltage, current and temperature of the lithium ion battery cell 10 And transmits data indicating the measured value to the control unit 130.
  • the control unit 130 may be operatively coupled to the memory 110 and the sensing unit 120. [ Refers to data and instructions stored in the memory 110, or drives software to non-intrusively test the performance of the lithium ion battery cell.
  • the control unit 130 may execute software for at least one of measurement of the voltage, current and temperature of the lithium ion battery cell, SOC calculation, SOH estimation, and temperature management.
  • the controller 130 may be implemented in hardware as application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs) microprocessors, and other electronic units for performing other functions.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • the control unit 130 determines the full-cell SOC-OCV profile for each reference cell based on the positive half-cell profile, the negative half-cell profile, the positive positive upper limit, the positive positive low limit, Can be generated.
  • the full-cell SOC-OCV profile is the difference between the anode open-circuit voltage of the reference cell provided by the anode half-cell profile and the cathode open-circuit voltage of the reference cell provided by the cathode half- And an open-circuit voltage profile formed between both ends.
  • the controller 130 may generate at least one full-cell SOC-OCV profile for the lithium ion battery cell 10.
  • each of the plurality of full-cell SOC-OCV profiles may be related to different health states of the lithium- have.
  • the lithium ion battery cell 10 may be designed and manufactured to have the same electrochemical characteristics as the reference cell.
  • the control unit 130 controls the voltage of the lithium ion battery cell 10 such that the voltage data representing the full-cell open-circuit voltage of the lithium ion battery cell 10 provided from the sensing unit 120 while the lithium ion battery cell 10 is in a certain state of health
  • a full-cell SOC-OCV profile for a given SOC range can be generated. That is, the full-cell SOC-OCV profile indicates a change in open-circuit voltage formed between both ends of the lithium ion battery cell 10 in a specific health state in a predetermined SOC range.
  • the specific health state can be any one of BOL (Beginning Of Life), MOL (Mood of Life), and EOL (End Of Life).
  • the control unit 130 determines (i) the full- Based on the SOC-OCV profile and (ii) the full-cell SOC-OCV profile for the lithium ion battery cell 10 in a particular health state, the upper anode upper limit value of the lithium ion battery cell 10 in a particular health state, The lower limit value, the upper limit value of the cathode and the lower limit value of the cathode.
  • the anode upper limit value of the lithium ion battery cell 10 corresponds to the amount of lithium ions stored in the anode of the lithium ion battery cell 10 when the SOC of the lithium ion battery cell 10 is the upper limit value.
  • the anode lower limit value of the lithium ion battery cell 10 corresponds to the amount of lithium ions stored in the anode of the lithium ion battery cell when the SOC of the lithium ion battery cell is the lower limit value. Specifically, when the SOC of the lithium ion battery cell 10 reaches the lower limit value at the first threshold value, the lower limit value of the anode of the lithium ion battery cell 10 is lower than the first threshold value, Refers to a stoichiometric value representing a value obtained by subtracting a second estimated value representing the amount of lithium ions stored in the anode of the cell 10 from 0 to 1.
  • the SOC of the lithium ion battery cell decreases, the amount of lithium ions stored in the anode of the lithium ion battery cell 10 increases, so that it is obvious to those skilled in the art that the lower limit of the anode of the lithium ion battery cell 10 is smaller than the upper limit of the anode .
  • the lower limit of the cathode of the lithium ion battery cell 10 corresponds to the amount of lithium ions stored in the cathode of the lithium ion battery cell when the SOC of the lithium ion battery cell is the lower limit value.
  • the upper limit value of the cathode of the lithium ion battery cell 10 is set such that the SOC of the lithium ion battery cell 10 reaches the lower limit value on the basis of the second threshold value, Means a stoichiometric value indicating a fourth estimated value indicating the amount of stored ion in a range of 0 to 1.
  • the amount of lithium ions stored in the cathode of the lithium ion battery cell 10 decreases, so that it is apparent to those skilled in the art that the lower limit value of the lithium ion battery cell 10 is lower than the upper limit value of the cathode .
  • the positive electrode and the negative electrode of each of the plurality of reference cells and the lithium ion battery cell 10 are Li x MeO 2 and Li y C 6 .
  • 'x' used as a subscript is a stoichiometric number indicating the amount of lithium ions stored in the anode
  • 'y' used as a subscript is a stoichiometric number indicating the amount of lithium ions stored in the cathode.
  • Me may be a metal element such as Ni, Mn, Mg, or Al. It is assumed that the predetermined SOC range is 0 to 1.
  • the SOC of the lithium ion battery cell 10 When the SOC of the lithium ion battery cell 10 is 1, it means that the voltage across the cell reaches the predetermined upper limit voltage to reach the full charge state, and the SOC of the cell is 0 when the voltage across the cell is lower than a predetermined lower limit It will be understood by those skilled in the art that the voltage reaches the full-discharge state.
  • the apparatus 100 may further include a communication unit 140.
  • the communication unit 140 outputs the data read, processed and / or operated by the control unit 130 in a form recognizable by the user.
  • the communication unit 140 may include a display for outputting data processed by the control unit 130 in a visual form.
  • the communication unit 140 may include a speaker that outputs data read out, processed and / or operated by the device 100 in an audible form.
  • the user may be provided with the degradation information of the lithium ion battery cell 10 through the communication unit 140.
  • the degradation information includes at least one of the capacity information of the anode half-cell and the capacity information of the cathode half-cell due to degradation of the lithium ion battery cell 10.
  • FIGS. 2 and 3 are graphs showing the positive half-cell profile of the reference cell described above with reference to FIG.
  • the amount x of lithium ions stored in the anode (Li x MeO 2 ) of a specific reference cell among a plurality of reference cells is determined through a preliminary experiment using a first experimental value x 1 and a second experimental value cell profile U P (x) that represents the change in the anode open-circuit voltage measured while being regulated in the range between the anode half-cell profile U P (x 2).
  • the anode open-circuit voltage of the reference cell is the difference between the anode potential and the reference potential of the reference cell.
  • the amount of lithium ion stored in the positive electrode of the reference cell (x) is the first experimental value (x1) - a cathode half shown in Figure 2 It can be seen that the anode open-circuit voltage of the reference cell gradually decreases.
  • the amount of lithium ions (x) stored in the anode of the reference cell can be determined from the mathematical formula 1 below.
  • Equation (1) P f is an anode upper limit value, P i is an anode lower limit value, and SOC is a charged state of the reference cell.
  • P f and P i are predetermined constants, x depends on the change of SOC. That is, if any one of x and SOC is known, the remaining one can be known. 3, the controller 130 calculates a positive half-cell profile U P (x) indicating the relationship between the amount of lithium ions stored in the positive electrode and the positive electrode open-circuit voltage, Can be converted to another positive half-cell profile U P (SOC).
  • FIGS. 4 and 5 are graphs illustrating the cathode half-cell profile described above with reference to FIG.
  • the cathode open-circuit voltage of the reference cell is the difference between the cathode potential of the reference cell and the reference potential.
  • the amount (y) of lithium ions can be determined from mathematical formula 2 below.
  • N f is the upper limit value of the cathode
  • N i is the lower limit value of the cathode
  • SOC is the charged state of the reference cell.
  • y depends on the change of SOC. That is, if any one of y and SOC is known, the remaining one can be known.
  • the controller 130 calculates the negative half-cell profile U N (y) indicating the relationship between the amount of lithium ions stored in the negative electrode and the negative electrode open- To another negative voltage profile U N (SOC).
  • FIG. 6 is a graph showing the full-cell profile of the reference cell described above with reference to FIG.
  • Full-cell SOC-OCV profile U R (SOC) of the reference cell can be confirmed.
  • Full-cell SOC-OCV profile U R (SOC) is predetermined in a SOC range of 0 to 1, the cathode shown in Figure 3 half-cell profile U P (SOC) with the negative half shown in Figure 5 - Cell profile U N (SOC).
  • the positive half-cell profile U P (SOC) is an anode half-cell profile U P (x), will associated with the positive electrode upper limit value P f and the positive lower limit value P i, the negative half-cell profile U N (SOC) Is related to the cathode half-cell profile U N (y), the cathode upper limit N f and the cathode lower limit N i .
  • FIG. 7 illustrates a full-cell profile of a lithium ion battery cell according to one embodiment of the present invention
  • FIGS. 8 and 9 illustrate a technique for measuring a full-cell open-circuit voltage of a lithium ion battery cell.
  • the controller 130 changes the SOC of the lithium ion battery cell 10 in a specific health state in a predetermined range 0 to 1, the full-cell SOC-OCV profile U T (SOC) End voltage measured by the sensing unit 120 may be recorded. That is, the controller 130 may generate the full-cell SOC-OCV profile U T (SOC) as shown in FIG. 7 based on the voltage data provided from the sensing unit 120.
  • FIG 8 illustrates the voltage averaging technique.
  • the controller 130 measures the lithium ion battery cell 10 in a fully charged state (i.e., SOC is 1) while discharging it to a predetermined constant current until the battery is fully charged (that is, the SOC is 0) OCV profile U T, corresponding to the average value between D (SOC) and nations around the state of the lithium ion battery cell open circuit voltage profile is measured over 10 to up to the maximum charge state for charging in the constant current U T, C (SOC)
  • the voltage profile U T, A (SOC) can be set to the full-cell SOC-OCV profile U T (SOC).
  • FIG. 9 illustrates voltage relaxation.
  • the voltage relaxation technique is a type of HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) discharge test technique.
  • the voltage relaxation technique is a technique in which the charged state of the lithium ion battery cell 10 is sequentially applied to the predetermined values in the range 0 to 1 while discharging the fully charged lithium ion battery cell 10 to a predetermined constant current until the full discharge state And the lithium ion battery cell 10 is switched to the no-load state every time it reaches.
  • the state of charge of the lithium ion battery cell 10 is obtained by calculating the remaining capacity of the lithium ion battery cell 10 by integrating the current measured by the current sensor 122 at the time of discharging the lithium ion battery cell 10 , Or a value representing the remaining capacity in a range of 0 to 1 or 0% to 100% based on a maximum storage capacity corresponding to a current health state.
  • the sensing unit 120 senses the voltage across the lithium ion battery cell 10 at both ends of the lithium ion battery cell 10 at a point (for example, one hour) elapsed from a point of time when the lithium ion battery cell 10 is switched to the no- Is measured.
  • the full-cell profile U T (SOC) may then be generated from the measured voltage values using an approximation algorithm, such as curve fitting.
  • the voltage profile U R (SOC,?) Can be generated. More specifically, U R (SOC, ⁇ ) is a positive electrode upper limit value p f, the positive lower limit value is a p i, and the negative electrode upper limit n f, the negative lower limit value is the SOC of n i of the lithium ion battery cell 10 Cell SOC-OCV profile that is expected to appear when adjusting in a predetermined SOC range.
  • FIG. 10 is a diagram referred to explain a method of estimating a usage region of a lithium ion battery cell in a specific health state according to an embodiment of the present invention.
  • the control unit 130 has input values of predetermined n (n is an integer greater than 1) sample values within a predetermined SOC range of 0 to 1, and inputs the sampled values to the full-cell of the lithium ion battery cell 10
  • n is an integer greater than 1
  • a cost function may be declared which represents the sum of squares of the residuals between the SOC-OCV profile U T (SOC) and the open-end voltage profile U R (SOC,?).
  • the cost function can be expressed by the following equation (4).
  • Equation (4) SOC i is one of the sample values, and S (?) Is the cost function.
  • the control unit 130 can calculate that the use area of the lithium ion battery cell 10 is equal to?.
  • the controller 130 may estimate the parameters indicating the usage area of the lithium ion battery cell 10 so that the value of the cost function is minimized through a predetermined probability model.
  • the use area 10 of the lithium ion battery cell 10 having a specific health state represents the capacity information of at least one of the positive half-cell and the negative half-cell of the lithium ion battery cell 10.
  • the following algorithms can be utilized to estimate the usage area of the lithium ion battery cell 10 from the cost function.
  • control unit 130 sets specific parameter values corresponding to predetermined rules (e.g., having the largest probability value) from each posterior distribution to an anode upper limit value , The positive lower limit value , Cathode upper limit value And negative lower limit value .
  • predetermined rules e.g., having the largest probability value
  • the controller 130 can calculate the maximum storage capacity of the anode of the lithium ion battery cell 10 in an arbitrary health condition, using Equation (5).
  • Equation (5) The maximum storage capacity of the lithium ion battery cell 10 in any health state, Is an estimated anode upper limit value, Is an estimated lower limit value of the anode, Is the maximum storage capacity of the anode. Based on the data provided from the sensing unit 120, the control unit 130 determines the maximum storage capacity of the lithium ion battery cell 10 May be updated periodically or aperiodically. That is, when the health state changes due to degradation of the lithium ion battery cell 10, Can be updated to a new value.
  • the controller 130 can calculate the maximum storage capacity of the cathode of the lithium ion battery cell 10 in an arbitrary health condition, using Equation (6).
  • Equation (6) Is an estimated upper cathode limit value, Is an estimated lower limit value of the cathode, Is the maximum storage capacity of the cathode.
  • equations (5) and (6) and I an amount of charge that can be stored at maximum in each of the positive electrode and the negative electrode of the lithium ion battery cell 10 and represents the amount of charge that can be extracted from the full- It is obvious that it is larger than.
  • the control unit 130 can calculate the irreversible capacity of the lithium ion battery cell 10 in an arbitrary health state using Equation (7).
  • Equation (7) Is the irreversible capacity of the lithium ion battery cell 10.
  • Wow The irreversible capacity of the anode of the lithium ion battery cell 10, Wow Quot; represents the irreversible capacity of the cathode of the lithium ion battery cell 10, respectively.
  • Is positive it means that the irreversible capacity of the anode is relatively larger than the irreversible capacity of the cathode.
  • Is negative it means that the irreversible capacity of the anode is relatively smaller than the irreversible capacity of the cathode.
  • the controller 130 can calculate the ratio between the maximum storage capacity of the cathode of the lithium ion battery cell 10 in an arbitrary state of health and the maximum storage capacity of the anode using Equation (8).
  • Equation (8) The maximum storage capacity of the cathode of the lithium ion battery cell 10 And the maximum storage capacity of the anode of a lithium ion battery cell .
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a method of acquiring information on a usage region of each of an anode and a cathode of a lithium ion battery cell according to an embodiment of the present invention. The steps shown in Fig. 11 are performed by the apparatus 100 described above.
  • step 1110 the controller 130 acquires the anode half-cell profile, the cathode half-cell profile, the anode upper limit value, the anode lower limit value, the cathode upper limit value, and the cathode lower limit value of each of the plurality of reference cells from the reference information previously stored in the memory 110 Read.
  • step 1120 based on the positive half-cell profile, the negative half-cell profile, the positive upper limit value, the positive positive lower limit value, the negative upper limit value, and the negative lower limit value of each reference cell read out in step 1110, And generates a full-cell SOC-OCV profile.
  • step 1130 the control unit 130 generates a full-cell SOC-OCV profile of the lithium ion battery cell 10, based on the voltage data newly provided from the sensing unit 120. [ Each time step 1130 is executed, the controller 130 may store the full-cell SOC-OCV profile of the lithium ion battery cell 10 in the memory 120.
  • step 1140 based on the full-cell SOC-OCV profile of each of the plurality of reference cells and the full-cell SOC-OCV profile of the lithium ion battery cell 10, the control unit 130 determines the lithium ion At least one of the anode use region and the cathode use region of the battery cell 10 is estimated.
  • the anode use region of the lithium ion battery cell 10 is defined by the anode upper limit value and the anode lower limit value.
  • the cathode use region of the lithium ion battery cell 10 is defined by a cathode upper limit value and a cathode lower limit value.
  • step 1150 the control unit 130 determines whether a predetermined event has occurred.
  • the predetermined event may be reception of a user command from the outside, elapse of a predetermined reference time, increase of a predetermined value of the charge / discharge cycle count of the lithium ion battery cell 10, and the like. If the result of step 1150 is " YES ", the method returns to step 1130. Accordingly, the anode upper limit value, the anode lower limit value, the cathode upper limit value, and the cathode lower limit value of the lithium ion battery cell 10 can be updated whenever a predetermined event occurs. That is, the process including the steps 1130 and 1140 is executed at least twice in terms of time, whereby the use area information when the lithium ion battery cell 10 is relatively less degraded and the use area information when relatively less degraded Can be obtained.
  • the anode upper limit value, the anode lower limit value, the cathode upper limit value, and the cathode lower limit value of the lithium ion battery cell 10 can be estimated.
  • a larger one of the two different health states to which the lithium ion battery cell 10 is sequentially passed is referred to as a 'first health state', and a smaller one is referred to as a 'second health state'.
  • the second health state may be MOL or EOL.
  • the first health state is MOL
  • the second health state may be EOL.
  • the control unit 130 is configured to change from the first health state to the second health state based on the anode use region when the lithium ion battery cell 10 was in the first health state and the anode use region when the lithium ion battery cell 10 was in the second health state (I) the amount of change in the maximum storage capacity of the anode and (ii) the amount of change in the maximum discharge capacity of the anode.
  • the maximum storage capacity of the anode is the maximum amount of charge that can be stored in the anode.
  • the maximum discharge capacity of the anode is the amount of charge that can be discharged to the maximum from the anode of the fully charged lithium ion battery cell 10 as a part of the maximum storage capacity of the anode.
  • the control unit 130 can calculate (i) the amount of change in the maximum storage capacity of the anode using the following equation (9).
  • Equation (9) Indicates the degree of deterioration of the anode of the lithium ion battery cell 10 during the period from the first health state to the second health state.
  • control unit 130 can calculate (ii) the amount of change in the maximum discharge capacity of the anode using the following equation (10).
  • Equation (10) May tend to increase as the lithium ion battery cell 10 degrades, i.e., the greater the difference between the first health state and the second health state.
  • the controller 130 controls the operation of the lithium ion battery cell 10 from the first health state to the second health state based on the anode use region when the lithium ion battery cell 10 was in the first health state and the cathode use region when the lithium ion battery cell 10 was in the second health state (Iii) the change amount of the maximum storage capacity of the cathode of the lithium ion battery cell 10 and the variation amount of the maximum discharge capacity of the cathode can be calculated.
  • the maximum storage capacity of the cathode is the maximum amount of charge that can be stored in the cathode.
  • the maximum discharge capacity of the cathode is the amount of charge that can be discharged to the maximum from the cathode of the fully charged lithium ion battery cell 10 as a part of the maximum storage capacity of the cathode.
  • the control unit 130 can calculate the variation amount of the maximum storage capacity of the cathode by (iii) using the following equation (11).
  • Equation (11) Indicates the degree of deterioration of the cathode of the lithium ion battery cell 10 during the period from the first health state to the second health state.
  • the control section 130 can calculate the variation amount of the maximum discharge capacity of the cathode (iv) using the following expression (12).
  • Equation (12) May tend to increase as the lithium ion battery cell 10 degrades, i.e., the greater the difference between the first health state and the second health state.
  • the control unit 130 can calculate the consumed capacity using the following equation (13).
  • Equation (13) Is a capacity consumed due to a side reaction between the anode and the electrolyte causing consumption of lithium ions in the lithium ion battery cell 10 and a side reaction between the cathode and the electrolyte during the period from the first health state to the second health state.
  • the result calculated using at least one of the above-described equations (5) to (13) may be provided to the user through the communication unit 140 as degradation information of the lithium ion battery cell 10.

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Abstract

리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하는 장치 및 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 장치는, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제1 건강 상태와 관련된 제1 양극 사용 영역을 추정한다. 상기 장치는, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제2 건강 상태와 관련된 제2 양극 사용 영역을 추정한다. 그 다음, 상기 장치는, 상기 제1 양극 사용 영역 및 상기 제2 양극 사용 영역을 기초로, 상기 제1 건강 상태로부터 상기 제2 건강 상태까지의 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출한다.

Description

리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하는 장치 및 방법
본 발명은 반복적인 충방전으로 인한 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화와 관련된 정보를 비파괴적으로 획득하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2017년 9월 28일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2017-0126535호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리, 리튬 이온 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이온 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
리튬 이온 배터리 셀은 기본적으로 양극, 음극 및 전해질을 포함한다. 리튬 이온 배터리 셀의 전기화학적 반응에 관여하는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 또는 음극에서 양극으로 이동함에 따라, 리튬 이온 배터리 셀의 충방전이 이루어지게 된다.
한편, 리튬 이온 배터리 셀의 양극, 음극 및 전해액 사이에서는 부반응이 일어나는데, 이러한 부반응은 리튬 이온 배터리 셀가 사용 상태(즉, 충전, 방전)에 있는 경우는 물론 보관(storage) 상태에 있는 경우에도 일어난다. 부반응의 결과로서 SEI(Solid Electrolyte Interface)가 생성되며, 이는 리튬 이온 배터리 셀 내부에서 충반전에 관여할 수 있는 리튬 이온의 양은 서서히 줄어들게 된다는 것을 의미한다. 또한, SEI(Solid Electrolyte Interface)는 음극 표면에 막을 형성하게 되는데, 이는 리튬 이온 배터리 셀을 퇴화시키는 원인 중 하나가 된다. 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화가 진행됨에 따라, 양극 하프-셀(half-cell)과 음극 하프-셀 각각의 사용 영역이 이동(shift)한다. 리튬 이온 배터리 셀을 안전하게 사용하기 위해서는, 리튬 이온 배터리 셀이 퇴화됨에 따른 양극 하프-셀과 음극 하프-셀 각각의 사용 영역에 관련된 정보를 획득하고, 이를 기초로 리튬 이온 배터리 셀의 충방전을 제어할 수 있어야 한다.
그러나, 종래의 비파괴적 분석 방법을 통해서는 리튬 이온 배터리 셀 양단의 전압 영역(voltage window) 등을 포함하는 풀-셀 사용 영역에 대한 정보를 대략적으로 획득할 수 있을 뿐, 리튬 이온 배터리 셀의 양극 하프-셀과 음극 하프-셀 각각의 사용 영역에 대한 정보까지는 획득하기 어렵다.
전술한 문제를 해결하기 위한 3전극 테스트 방법이 제안된바 있다. 3전극 테스트 방법을 이용할 경우, 리튬 이온 배터리 셀의 양극과 음극 각각의 전위를 기준 전극의 전위와 비교함으로써, 리튬 이온 배터리 셀의 양극 하프-셀과 음극 하프-셀 각각의 사용 영역과 최대 저장 용량에 관한 정보를 획득할 수 있다. 하지만, 3전극 테스트 방법을 수행하기 위해서는, 기준 전극이 삽입된 리튬 이온 배터리 셀을 제작해야하는 번거로움이 있다. 아울러, 기준 전극이 리튬 이온 배터리 셀의 양극, 음극 및 전애질 사이의 전기화학적 특성에 영향을 미칠 수 있으므로, 기준 전극이 있는 리튬 이온 배터리 셀로부터 측정된 결과는 기준 전극이 없는 리튬 이온 배터리 셀의 실제 전기화학적 특성에 부합하지 않을 수 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기준 전극 등을 부착하기 위해 리튬 이온 배터리 셀을 분해하지 않고도 리튬 이온 배터리 셀의 양극 사용 영역과 음극 사용 영역에 관한 정보를 획득할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화가 진행됨에 따라 서로 다른 두 건강 상태(SOH: state of health)에서 각각 획득된 양극 사용 영역과 음극 사용 영역에 관한 정보에 기초하여, 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화에 따른 양극과 음극 각각의 용량 정보를 결정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하는 장치는, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 풀-셀 개방 전압 및 전류를 측정하는 센싱부; 및 상기 센싱부에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 리튬 이온 배터리 셀이 제1 건강 상태에 있는 동안에 상기 센싱부에 의해 측정된 풀-셀 개방 전압 및 전류를 기초로, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제1 양극 사용 영역을 추정한다. 그 다음, 상기 제어부는, 상기 리튬 이온 배터리 셀이 상기 제1 건강 상태에 비하여 퇴화된 제2 건강 상태에 있는 동안에 상기 센싱부에 의해 측정된 개방 전압 및 전류를 기초로, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제2 양극 사용 영역을 추정한다. 그 다음, 상기 제어부는, 상기 제1 양극 사용 영역 및 상기 제2 양극 사용 영역을 기초로, 상기 제1 건강 상태로부터 상기 제2 건강 상태까지의 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출한다.
이 경우, 상기 제1 양극 사용 영역은, 제1 양극 상한값 및 제1 양극 하한값에 의해 정의될 수 있다. 상기 제2 양극 사용 영역은, 제2 양극 상한값 및 제2 양극 하한값에 의해 정의될 수 있다. 상기 제1 양극 상한값은, 상기 제1 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 미리 정해진 상한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응할 수 있다. 상기 제1 양극 하한값은, 상기 제1 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 미리 정해진 하한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응할 수 있다. 상기 제2 양극 상한값은, 상기 제2 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 상기 상한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응할 수 있다. 상기 제2 양극 하한값은, 상기 제2 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 상기 하한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어부는, 하기의 수식:
Figure PCTKR2018010437-appb-I000001
Figure PCTKR2018010437-appb-I000002
: 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량의 변화량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000003
: 상기 제1 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000004
: 상기 제2 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000005
: 상기 제1 양극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000006
: 상기 제1 양극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000007
: 상기 제2 양극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000008
: 상기 제2 양극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000009
: 상기 제1 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000010
: 상기 제2 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 최대 저장 용량
을 이용하여, 상기 사용 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 하기의 수식:
Figure PCTKR2018010437-appb-I000011
Figure PCTKR2018010437-appb-I000012
: 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 방전 용량의 변화량
을 이용하여, 상기 사용 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 방전 용량의 변화량을 산출할 수 있다. 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 방전 용량의 변화량은, 상기 사용 기간 동안 상기 양극과 전해액 간의 부반응으로 인해 소모된 리튬 이온의 총량에 대응할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하는 장치는, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 풀-셀 개방 전압 및 전류를 측정하는 센싱부; 및 상기 센싱부에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 리튬 이온 배터리 셀이 제1 건강 상태에 있는 동안에 상기 센싱부에 의해 측정된 개방 전압 및 전류를 기초로, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제1 음극 사용 영역을 추정한다. 그 다음, 상기 제어부는, 상기 리튬 이온 배터리 셀이 상기 제1 건강 상태에 비하여 퇴화된 제2 건강 상태에 있는 동안에 상기 센싱부에 의해 측정된 풀-셀 개방 전압 및 전류를 기초로, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제2 음극 사용 영역을 추정한다. 그 다음, 상기 제어부는, 상기 제1 음극 사용 영역 및 상기 제2 음극 사용 영역을 기초로, 상기 제1 건강 상태로부터 상기 제2 건강 상태까지의 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출한다.
이 경우, 상기 제1 음극 사용 영역은, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값에 의해 정의될 수 있다. 상기 제2 음극 사용 영역은, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값에 의해 정의될 수 있다. 상기 제1 음극 상한값은, 상기 제1 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 미리 정해진 상한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응할 수 있다. 상기 제1 음극 하한값은, 상기 제1 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 미리 정해진 하한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응할 수 있다. 상기 제2 음극 상한값은, 상기 제2 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 상기 상한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응할 수 있다. 상기 제2 음극 하한값은, 상기 제2 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 상기 하한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어부는, 하기의 수식:
Figure PCTKR2018010437-appb-I000013
Figure PCTKR2018010437-appb-I000014
: 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량의 변화량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000015
: 상기 제1 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000016
: 상기 제2 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000017
: 상기 제1 음극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000018
: 상기 제1 음극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000019
: 상기 제2 음극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000020
: 상기 제2 음극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000021
: 상기 제1 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000022
: 상기 제2 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 최대 저장 용량
을 이용하여 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 하기의 수식:
Figure PCTKR2018010437-appb-I000023
Figure PCTKR2018010437-appb-I000024
: 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 방전 용량의 변화량
을 이용하여, 상기 사용 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 방전 용량의 변화량을 산출할 수 있다. 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 방전 용량의 변화량은, 상기 사용 기간 동안 상기 음극과 전해액 간의 부반응으로 인해 소모된 리튬 이온의 총량에 대응할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 장치는, 상기 획득된 퇴화 정보를 외부로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리팩은, 상기 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 기준 전극 등을 부착하기 위해 리튬 이온 배터리 셀을 분해하지 않고도 리튬 이온 배터리 셀의 양극 하프-셀의 사용 영역과 음극 하프-셀의 사용 영역에 관한 정보를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명은, 리튬 이온 배터리 셀이 서로 다른 두 건강 상태(state of health)에서 각각 획득된 양극 사용 영역과 음극 사용 영역에 관한 정보에 기초하여, 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화에 따른 양극과 음극 각각의 용량 정보를 결정할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하기 위한 장치의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1을 참조하여 전술한 참조 셀의 양극 하프-셀 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 4 및 도 5는 도 1을 참조하여 전술한 음극 하프-셀 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 1을 참조하여 전술한 참조 셀의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 배터리 셀의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 보여준다.
도 8 및 도 9는 리튬 이온 배터리 셀의 풀-셀 개방 전압을 측정하는 기법을 예시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 특정 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀의 사용 영역을 추정하는 방법을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 배터리 셀의 양극과 음극 각각의 사용 영역에 관한 정보를 획득하는 방법을 나타낸 순서도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 배터리 셀을 '셀'이라고 칭하기로 한다. 또한, 후술할 다양한 전압 프로파일들은 반드시 연속적인 형태를 가지는 것으로 한정되지 않으며, 이산적인 형태를 가질 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하기 위한 장치(100)의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 장치(100)는 메모리(110), 센싱부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
메모리(110)는 복수의 참조 셀(reference cell) 각각에 대하여 미리 주어진 참조 정보를 저장하도록 구성된다. 참조 정보는, 각 참조 셀의 성능을 나타내는 것으로서, 후술할 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하기 위한 비교의 기준으로서 활용된다. 참조 정보에는, 각 참조 셀에 대한 양극 하프-셀 프로파일, 음극 하프-셀 프로파일, 양극 상한값, 양극 하한값, 음극 상한값 및 음극 하한값이 포함된다. 참조 정보는, 각 참조 셀에 대한 사전 실험을 통해 획득된 것이다. 복수의 참조 셀 중 어느 하나는, 나머지 참조 셀 중 적어도 하나와 다른 건강 상태를 가지는 것일 수 있다.
구체적으로, 양극 하프-셀 프로파일은, 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 참조 셀의 양극의 개방 전압의 변화를 나타낸다. 예컨대, 참조 셀에 대한 충전이 진행될수록, 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양이 점차적으로 감소함에 따라 양극의 전위는 점차적으로 증가한다.
음극 하프-셀 프로파일은, 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 참조 셀의 음극의 개방 전압의 변화를 나타낸다. 예컨대, 참조 셀에 대한 충전이 진행될수록, 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양이 점차적으로 증가함에 따라 음극의 전위는 점차적으로 감소한다.
참조 셀의 양극 상한값은, 소정 SOC 범위(예, 0%~100%)의 상한값(예, 100%)에서 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 참조 셀의 양극 상한값은, 참조 셀의 양극에 저장 가능한 리튬 이온의 최대량을 나타내는 제1 임계값을 기준으로, 상기 제1 임계값에서 참조 셀의 SOC(State Of Charge)가 상한값에 도달한 시점에 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 제1 실험값을 뺀 값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값(stoichiometric value)을 의미한다. 예컨대, 상기 제1 실험값이 상기 제1 임계값의 10%이면, 참조 셀의 양극 상한값 = (제1 임계값-제1 실험값)/제1 임계값 = (100%-10%)/100% = 0.90이다.
참조 셀의 양극 하한값은, 소정 SOC 범위의 하한값(예, 0%)에서 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 참조 셀의 양극 하한값은, 상기 제1 임계값을 기준으로, 상기 제1 임계값에서 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 하한값에 도달한 시점에 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 제2 실험값을 뺀 값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 상기 제2 실험값이 상기 제1 임계값의 80%이면, 참조 셀의 양극 하한값 = (제1 임계값-제2 실험값)/제1 임계값 = (100%-80%) / 100% = 0.20이다. 참조 셀의 SOC가 감소할수록, 참조 셀의 양극에 저장되는 리튬 이온의 양은 증가하므로, 참조 셀의 양극 하한값은 참조 셀의 양극 상한값보다 작다는 것은 당업자에게 자명하다.
참조 셀의 음극 상한값은, 소정 SOC 범위의 상한값에서 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 참조 셀의 음극 상한값은, 참조 셀의 음극에 저장 가능한 리튬 이온의 최대량을 나타내는 제2 임계값을 기준으로, 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 상한값에 도달한 시점에 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 제3 실험값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 상기 제3 실험값이 상기 제2 임계값의 95%이면, 참조 셀의 음극 상한값 = 제3 실험값/제2 임계값 = 95% / 100% = 0.95이다.
참조 셀의 음극 하한값은, 소정 SOC 범위의 하한값에서 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 참조 셀의 음극 상한값은, 상기 제2 임계값을 기준으로 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 하한값에 도달한 시점에 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 제4 실험값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 상기 제4 실험값이 상기 제2 임계값의 5%이면, 참조 셀의 음극 하한값 = 제4 실험값/제2 임계값 = 5% / 100% = 0.05이다. 참조 셀의 SOC가 감소할수록, 참조 셀의 음극에 저장되는 리튬 이온의 양은 감소하므로, 참조 셀의 음극 하한값은 참조 셀의 음극 상한값보다 작다는 것은 당업자에게 자명하다.
또한, 메모리(110)는 장치(100)의 전반적인 동작에 요구되는 각종 데이터들 명령어 및 소프트웨어를 추가적으로 저장할 수 있다. 이러한 메모리(110)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입에 해당하는 저장 매체를 포함할 수 있다.
센싱부(120)는 전압 센서(121), 전류 센서(122) 및 온도 센서(123) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전압 센서(121), 전류 센서(122) 및 온도 센서(123) 중 적어도 하나는 제어부(130)로부터 제공되는 제어 신호에 응답하여, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나를 개별적으로 측정하고 측정된 값을 나타내는 데이터를 제어부(130)에게 전송한다.
제어부(130)는 메모리(110) 및 센싱부(120)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 메모리(110)에 저장된 데이터들 및 명령어를 참조하거나, 소프트웨어를 구동하여, 리튬 이온 배터리 셀의 성능을 비피괴적으로 테스트하도록 구성된다. 제어부(130)는 리튬 이온 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도의 측정, SOC 연산, SOH 추정 및 온도 관리 중 적어도 하나를 위한 소프트웨어를 실행할 수 있다.
제어부(130)는 하드웨어적으로, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(130)는 복수의 참조 셀들 각각의 양극 하프-셀 프로파일, 음극 하프-셀 프로파일, 양극 상한값, 양극 하한값, 음극 상한값 및 음극 하한값을 기초로, 각 참조 셀에 대한 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 생성할 수 있다. 구체적으로, 풀-셀 SOC-OCV 프로파일은, 양극 하프-셀 프로파일에 의해 제공되는 참조 셀의 양극 개방 전압과 음극 하프-셀 프로파일에 의해 제공되는 참조 셀의 음극 개방 전압 간의 차이 즉, 참조 셀의 양단 사이에 형성되는 개방 전압 프로파일을 나타내는 것이다.
한편, 복수의 참조 셀과는 별개로, 제어부(130)는 리튬 이온 배터리 셀(10)에 대한 적어도 하나의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 생성할 수 있다. 리튬 이온 배터리 셀(10)에 대한 복수의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일이 생성된 경우, 복수의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일 각각은 리튬 이온 배터리 셀(10)의 서로 다른 건강 상태에 관련된 것일 수 있다. 여기서, 리튬 이온 배터리 셀(10)은 참조 셀과 동일한 전기화학적 특성을 가지도록 설계 및 제조된 것일 수 있다.
상세히 설명하면, 제어부(130)는, 리튬 이온 배터리 셀(10)이 특정 건강 상태에 있는 동안에 센싱부(120)로부터 제공되는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 풀-셀 개방 전압을 나타내는 전압 데이터를 기초로, 소정의 SOC 범위에 대한 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 생성할 수 있다. 즉, 풀-셀 SOC-OCV 프로파일은, 소정의 SOC 범위에서 특정 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양단 사이에 형성되는 개방 전압의 변화를 나타내는 것이다. 여기서, 특정 건강 상태는, 일 예로 BOL(Beginning Of Life), MOL(Middel Of Life) 및 EOL(End Of Life) 중 어느 하나일 수 있다.
특정 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)에 대한 풀-셀 SOC-OCV 프로파일의 생성이 완료되면, 제어부(130)는 (i)상기 참조 정보로부터 제공되는 복수의 참조 셀에 대한 풀-셀 SOC-OCV 프로파일 및 (ii)특정 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)에 대한 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 기초로, 특정 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 상한값, 양극 하한값, 음극 상한값 및 음극 하한값을 추정할 수 있다.
이때, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 상한값은, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 SOC가 상기 상한값일 때에 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 상한값은, 상기 제1 임계값을 기준으로, 상기 제1 임계값에서 리튬 이온 배터리 셀의 SOC가 상기 상한값에 도달한 시점에 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 제1 추정값을 뺀 값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 상기 제1 추정값이 상기 제1 임계값의 5%이면, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 상한값은 (100%-5%) / 100% = 0.95이다.
리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 하한값은, 리튬 이온 배터리 셀의 SOC가 상기 하한값일 때에 리튬 이온 배터리 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 하한값은, 상기 제1 임계값을 기준으로, 상기 제1 임계값에서 리튬 이온 배터리 셀(10)의 SOC가 상기 하한값에 도달한 시점에 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 제2 추정값을 뺀 값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 상기 제2 추정값이 상기 제1 임계값의 95%이면, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 하한값은 (100%-95%) / 100% = 0.05이다. 리튬 이온 배터리 셀의 SOC가 감소할수록, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극에 저장되는 리튬 이온의 양은 증가하므로, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 하한값은 양극 상한값보다 작다는 것은 당업자에게 자명하다.
리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극 상한값은, 리튬 이온 배터리 셀의 SOC가 상기 상한값일 때에 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극 상한값은, 상기 제2 임계값을 기준으로, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 SOC가 상기 상한값에 도달한 시점에 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 제3 추정값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 상기 제3 추정값이 상기 제2 임계값의 90%이면, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극 상한값은 90% / 100% = 0.90이다.
리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극 하한값은, 리튬 이온 배터리 셀의 SOC가 상기 하한값일 때에 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극 상한값은, 상기 제2 임계값을 기준으로 리튬 이온 배터리 셀(10)의 SOC가 상기 하한값에 도달한 시점에 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극에 저장된 튬 이온의 양을 나타내는 제4 추정값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 상기 제4 추정값이 상기 제2 임계값의 5%이면, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극 하한값은 10% / 100% = 0.10이다. 리튬 이온 배터리 셀의 SOC가 감소할수록, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극에 저장되는 리튬 이온의 양은 감소하므로, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극 하한값은 음극 상한값보다 작다는 것은 당업자에게 자명하다.
이하에서는, 복수의 참조 셀과 리튬 이온 배터리 셀(10) 각각의 양극과 음극은 LixMeO2과 LiyC6인 것으로 가정한다. 여기서, 첨자로 사용된 'x'는 양극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 화학양론적인 수이고, 첨자로 사용된 'y'는 음극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 화학양론적인 수이다. 또한, Me는 Ni, Mn, Mg, Al과 같은 금속 원소일 수 있다. 또한, 상기 소정 SOC 범위는 0 ~ 1인 것으로 가정하기로 한다. 리튬 이온 배터리 셀(10)의 SOC가 1이라는 것은 셀의 양단 전압이 미리 정해진 상한 전압에 도달하여 만충전 상태에 이르렀다는 것을 의미하고, 셀의 SOC가 0이라는 것은 셀의 양단 전압이 미리 정해진 하한 전압에 도달하여 만방전 상태에 이르렀다는 것을 의미한다는 것을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
장치(100)는 통신부(140)를 더 포함할 수 있다. 통신부(140)는, 제어부(130)에 의해 독출, 처리 및/또는 연산되는 데이터를 사용자가 인지할 수 있는 형태로 출력한다. 예를 들어, 통신부(140)는, 제어부(130)에 의해 처리되는 데이터를 시각적인 형태로 출력하는 디스플레이를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 통신부(140)는, 장치(100)에 의해 독출, 처리 및/또는 연산되는 데이터를 청각적인 형태로 출력하는 스피커를 포함할 수 있다. 사용자는 통신부(140)를 통해 리튬 이온 배터리 셀(10)의 퇴화 정보를 제공받을 수 있다. 여기서, 상기 퇴화 정보는, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 퇴화에 따른 양극 하프-셀의 용량 정보 및 음극 하프-셀의 용량 정보 중 적어도 하나를 포함한다.
도 2 및 도 3은 도 1을 참조하여 전술한 참조 셀의 양극 하프-셀 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 사전 실험을 통해 복수의 참조 셀 중 어느 하나의 특정 참조 셀의 양극(LixMeO2)에 저장된 리튬 이온의 양(x)이 제1 실험값(x1)과 제2 실험값(x2) 사이의 범위에서 조절되는 동안에 측정된 양극 개방 전압의 변화를 나타내는 양극 하프-셀 프로파일 UP(x)을 확인할 수 있다. 이때, 참조 셀의 양극 개방 전압은, 참조 셀의 양극 전위와 기준 전위 간의 차이이다. 도 2에 도시된 양극 하프-셀 프로파일 UP(x)을 확인하면, 참조 셀의 양극에 저장되는 리튬 이온의 양(x)이 제1 실험값(x1)으로부터 제2 실험값(x2)을 향해 증가할수록 참조 셀의 양극 개방 전압은 점차적으로 감소하게 된다는 것을 확인할 수 있다. 참조 셀의 양극에 저장되는 리튬 이온의 양(x)은 아래의 수학적 1로부터 결정될 수 있다.
[수학식 1]
x = Pi + (1 - SOC) Х (Pf - Pi)
수학식 1에서, Pf 는 양극 상한값, Pi 는 양극 하한값, SOC는 참조 셀의 충전 상태이다. 이때, Pf 및 Pi는 미리 결정된 상수이므로, x은 SOC의 변화에 의존한다. 즉, x와 SOC 중 어느 하나를 알면, 나머지 하나를 알 수 있다. 도 2와 함께 도 3을 참조하면, 제어부(130)는 양극에 저장된 리튬 이온의 양과 양극 개방 전압 간의 관계를 나타내는 양극 하프-셀 프로파일 UP(x)을 충전 상태와 양극 개방 전압 간의 관계를 나타내는 다른 양극 하프-셀 프로파일 UP(SOC)로 변환할 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 1을 참조하여 전술한 음극 하프-셀 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 사전 실험을 통해 도 3의 UP(x)을 가지는 상기 특정 참조 셀의 음극(LiyC6)에 저장된 리튬 이온의 양(y)이 제3 실험값(y1)과 제4 실험값(y2) 사이의 범위에서 조절되는 동안에 측정된 음극 개방 전압의 변화를 나타내는 음극 하프-셀 프로파일 UN(y)을 확인할 수 있다. 이때, 참조 셀의 음극 개방 전압은, 참조 셀의 음극 전위와 상기 기준 전위 간의 차이이다. 도 4에 도시된 참조 셀의 음극 하프-셀 프로파일 UN(y)을 확인하면, 참조 셀의 음극에 저장되는 리튬 이온의 양이 제3 실험값(y1)으로부터 제4 실험값(y2)을 향해 증가할수록 참조 셀의 음극 개방 전압이 점차적으로 감소하게 된다는 것을 확인할 수 있다. 리튬 이온의 양(y)은 아래의 수학적 2로부터 결정될 수 있다.
[수학식 2]
y = Ni + SOC Х (Nf - Ni)
수학식 2에서, Nf 는 음극 상한값, Ni는 음극 하한값, SOC은 참조 셀의 충전 상태이다. 이때, Nf 및 Ni 는 미리 결정된 상수이므로, y은 SOC의 변화에 의존한다. 즉, y와 SOC 중 어느 하나를 알면, 나머지 하나를 알 수 있다. 도 4와 함께 도 5를 참조하면, 제어부(130)는 음극에 저장된 리튬 이온의 양과 음극 개방 전압 간의 관계를 나타내는 음극 하프-셀 프로파일 UN(y)을 충전 상태와 양극 개방 전압 간의 관계를 나타내는 다른 음극 전압 프로파일 UN(SOC)로 변환할 수 있다.
도 6은 도 1을 참조하여 전술한 참조 셀의 풀-셀 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 참조 셀의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일 UR(SOC)을 확인할 수 있다. 풀-셀 SOC-OCV 프로파일 UR(SOC)은, 미리 정해진 SOC 범위 0 ~ 1에서, 도 3에 도시된 양극 하프-셀 프로파일 UP(SOC)와 도 5에 도시된 음극 하프-셀 프로파일 UN(SOC) 간의 차이에 해당한다. 전술한 바와 같이, 양극 하프-셀 프로파일 UP(SOC)은 양극 하프-셀 프로파일 UP(x), 양극 상한값 Pf 및 양극 하한값 Pi 에 연관된 것이고, 음극 하프-셀 프로파일 UN(SOC)은 음극 하프-셀 프로파일 UN(y), 음극 상한값 Nf 및 음극 하한값 Ni에 연관된 것이다. 따라서, 제어부(130)는, 참조 정보에 포함된 복수의 참조 셀 각각에 대한 양극 하프-셀 프로파일, 음극 하프-셀 프로파일, 양극 상한값, 양극 하한값, 음극 상한값 및 음극 하한값을 기초로, 각 참조 셀의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 배터리 셀의 풀-셀 프로파일을 보여주고, 도 8 및 도 9는 리튬 이온 배터리 셀의 풀-셀 개방 전압을 측정하는 기법을 예시한다.
도 7을 참조하면, 풀-셀 SOC-OCV 프로파일 UT(SOC)은, 제어부(130)가 특정 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 SOC를 소정의 범위 0 ~ 1에서 변화시키는 동안에 센싱부(120)에 의해 측정되는 양단 개방 전압을 기록한 것일 수 있다. 즉, 제어부(130)는 센싱부(120)로부터 제공되는 전압 데이터를 기초로, 도 7에 도시된 것과 같은 풀-셀 SOC-OCV 프로파일 UT(SOC)을 생성할 수 있다.
도 8은 전압 평균 기법(voltage averaging)을 예시한다. 도 8을 참조하면, 제어부(130)는 만충전 상태(즉, SOC가 1)인 리튬 이온 배터리 셀(10)을 만방전 상태(즉, SOC가 0)까지 소정의 정전류로 방전하는 동안 측정되는 개방 전압 프로파일 UT,D(SOC)과 만방전 상태인 리튬 이온 배터리 셀(10)을 만충전 상태까지 상기 정전류로 충전하는 동안 측정되는 개방 전압 프로파일 UT,C(SOC) 간의 평균치에 해당하는 전압 프로파일 UT,A(SOC)을 상기 풀-셀 SOC-OCV 프로파일 UT(SOC)로 설정할 수 있다.
도 9는 전압 이완 기법(voltage relaxation)을 예시한다. 전압 이완 기법은 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization) 방전 테스트 기법의 한 종류일 있다. 전압 이완 기법은 만충전 상태인 리튬 이온 배터리 셀(10)을 만방전 상태까지 소정의 정전류로 방전하는 동안, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 충전 상태가 범위 0 ~ 1 내의 미리 정해진 값들에 순차적으로 도달할 때마다 리튬 이온 배터리 셀(10)을 무부하 상태로 전환한다. 리튬 이온 배터리 셀(10)의 충전 상태는, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 방전 시에 전류 센서(122)에 의해 측정되는 전류를 시간 적산하여 리튬 이온 배터리 셀(10)의 잔존 용량을 산출하고, 현재의 건강 상태에 대응하는 최대 저장 용량(maximum storage capacity)를 기준으로 상기 잔존 용량을 0 ~ 1 또는 0%~100% 범위에서 나타낸 값으로 표현될 수 있다.
무부하 상태로 전환된 각각의 시점부터 미리 정해진 이완 시간(예, 1시간)만큼 경과한 시점(도 9의, 점선 원 참조)에서, 센싱부(120)에 의해 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양단의 전압이 측정된다. 그 다음, 커브 피팅(curve fitting) 등과 같은 근사화 알고리즘을 이용하여, 상기 측정된 전압값들로부터 상기 풀-셀 프로파일 UT(SOC)을 생성할 수 있다.
제어부(130)는 복수의 참조 셀 각각의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일들을 기초로, 임의의 사용 영역 θ = [pf, pi, nf, ni]을 가지는 배터리 셀로부터 예측되는 양단 개방 전압 프로파일인 UR(SOC, θ)을 생성할 수 있다. 구체적으로, UR(SOC, θ)은, 양극 상한값이 pf이고, 양극 하한값이 pi이며, 음극 상한값이 nf이고, 음극 하한값이 ni인 리튬 이온 배터리 셀(10)의 SOC를 상기 소정 SOC 범위에서 조절할 때에 나타날 것으로 예측되는 풀-셀 SOC-OCV 프로파일이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 특정 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀의 사용 영역을 추정하는 방법을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
제어부(130)는 소정 SOC 범위 0 ~ 1 내에 있는 미리 정해진 n(n은 1보다 큰 정수)개의 샘플값들을 입력값으로 하는 것으로서, 특정 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일 UT(SOC)과 상기 양단 개방 전압 프로파일 UR(SOC, θ)간의 잔차(residual)의 제곱합(sum of squares)을 나타내는 비용 함수(cost function)를 선언할 수 있다. 상기 비용 함수는 다음의 수학식 4로 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000025
수학식 4에서, SOCi는 상기 샘플값들 중 어느 하나이고, 상기 S(θ)는 상기 비용 함수이다.
가령, 임의의 θ이 주어졌을 때, 양단 개방 전압 프로파일 UR(SOC, θ)과 양단 개방 전압 프로파일 UT(SOC)이 완전히 매칭된다고 가정해보자. 이 경우, 상기 비용 함수의 출력값은 0임이 자명하며, 제어부(130)는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 사용 영역이 θ와 동일한다고 연산할 수 있다. 이러한 측면에서, 제어부(130)는 미리 정해진 확률 모델을 통해 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 사용 영역을 나타내는 파라미터들을 추정할 수 있다. 이때, 특정 건강 상태를 가지는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 사용 영역(10)은, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 하프-셀 및 음극 하프-셀 중 적어도 하나의 용량 정보를 나타내는 것이다.
다음과 같은 알고리즘들이, 상기 비용 함수로부터 리튬 이온 배터리 셀(10)의 사용 영역을 추정하는 데에 활용될 수 있다.
1)그라디언트 기반 최적화(gradient base optimization) 알고리즘: fmincon, fminsearch 등
2) 전역 최적화(global optimization) 알고리즘: simulated annealing, genetic algorithm
3) 마코프 연쇄 몬테카를로(MCMC: Markov Chain Monte Carlo) 알고리즘: Metropolis-Hastings, Gibbs Sampling 등
물론, 위에서 열거된 알고리즘 외에 다른 최적화 알고리즘 또는 베이즈 추정 기법이 리튬 이온 배터리 셀(10)의 사용 영역을 추정하는 데에 활용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 10을 참조하면, 상기 확률 모델을 이용하여 상기 비용 함수로부터 연산된 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극과 음극 각각의 사용 영역을 정의하는 4개의 파라미터들(Pf', Pi', Nf', Ni') 각각에 대한 사후 분포(posterior distribution)를 나타내는 히스토그램들을 확인할 수 있다. 각 히스토그램에서, 가로축은 파라미터를 세로축은 확률을 나타낸다.
예컨대, 제어부(130)는 각 사후 분포로부터 미리 정해진 규칙(예, 가장 큰 확률치를 가지는 것)에 해당하는 특정 파라미터값들을 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000026
, 양극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000027
, 음극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000028
및 음극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000029
으로 추정할 수 있다.
제어부(130)는 수학식 5를 이용하여, 임의의 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극의 최대 저장 용량을 연산할 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000030
수학식 5에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000031
는 임의의 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 최대 저장 용량,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000032
는 추정된 양극 상한값,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000033
는 추정된 양극 하한값,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000034
는 양극의 최대 저장 용량이다. 제어부(130)는, 센싱부(120)로부터 제공되는 데이터를 기초로, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000035
을 주기적 또는 비주기적으로 업데이트될 수 있다. 즉, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 퇴화에 따라 건강 상태가 변화하는 경우,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000036
는 새로운 값으로 업데이트될 수 있다.
제어부(130)는 수학식 6을 이용하여, 임의의 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극의 최대 저장 용량을 연산할 수 있다.
[수학식 6]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000037
수학식 6에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000038
는 추정된 음극 상한값,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000039
는 추정된 음극 하한값,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000040
는 음극의 최대 저장 용량이다.
수학식 5와 수학식 6에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000041
과
Figure PCTKR2018010437-appb-I000042
은 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극과 음극 각각에 최대로 저장될 수 있는 전하량으로서, 풀-셀로부터 최대로 추출할 수 있는 전하량을 나타내는
Figure PCTKR2018010437-appb-I000043
보다는 크다는 것은 자명하다.
제어부(130)는 수학식 7을 이용하여, 임의의 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 비가역 용량을 연산할 수 있다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000044
수학식 7에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000045
는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 비가역 용량이다.
Figure PCTKR2018010437-appb-I000046
와
Figure PCTKR2018010437-appb-I000047
의 곱은 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극의 비가역 용량을,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000048
와
Figure PCTKR2018010437-appb-I000049
의 곱은 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극의 비가역 용량을 각각 나타낸다. 만약,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000050
가 양수라면, 음극의 비가역 용량보다 약극의 비가역 용량이 상대적으로 더 크다는 것을 의미한다. 반대로,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000051
가 음수라면, 음극의 비가역 용량보다 양극의 비가역 용량이 상대적으로 더 작다는 것을 의미한다.
제어부(130)는, 수학식 8을 이용하여, 임의의 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극의 최대 저장 용량과 양극의 최대 저장 용량 간의 비율을 연산할 수 있다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000052
수학식 8에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000053
는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000054
과 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000055
간의 비율이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이온 배터리 셀의 양극과 음극 각각의 사용 영역에 관한 정보를 획득하는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 11에 도시된 단계들은 전술한 장치(100)에 의해 수행되는 것이다.
단계 1110에서, 제어부(130)는, 메모리(110)에 미리 저장된 참조 정보로부터 복수의 참조 셀 각각의 양극 하프-셀 프로파일, 음극 하프-셀 프로파일, 양극 상한값, 양극 하한값, 음극 상한값 및 음극 하한값을 독출한다.
단계 1120에서, 제어부(130)는, 단계 1110에서 독출된 각 참조 셀의 양극 하프-셀 프로파일, 음극 하프-셀 프로파일, 양극 상한값, 양극 하한값, 음극 상한값 및 음극 하한값을 기초로, 각 참조 셀의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 생성한다.
단계 1130에서, 제어부(130)는, 센싱부(120)로부터 새롭게 제공되는 전압 데이터를 기초로, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 생성한다. 단계 1130이 실행될 때마다, 제어부(130)는, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 메모리(120)에 저장할 수 있다.
단계 1140에서, 제어부(130)는, 복수의 참조 셀 각각의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일 및 리튬 이온 배터리 셀(10)의 풀-셀 SOC-OCV 프로파일을 기초로, 특정 건강 상태에 있는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 사용 영역 및 음극 사용 영역 중 적어도 하나를 추정한다. 이때, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 사용 영역은, 양극 상한값 및 양극 하한값에 의해 정의된다. 또한, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극 사용 영역은, 음극 상한값 및 음극 하한값에 의해 정의된다.
단계 1150에서, 제어부(130)는, 미리 정해진 이벤트가 발생하였는지 판정한다. 이때, 미리 정해진 이벤트는, 예컨대 외부로부터의 사용자 명령의 수신, 미리 정해진 기준 시간의 경과, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 충방전 사이클 카운트의 소정값 증가 등일 수 있다. 단계 1150의 결과가 "YES"인 경우, 상기 방법은 단계 1130으로 회귀한다. 이에 따라, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 상한값, 양극 하한값, 음극 상한값 및 음극 하한값은, 미리 정해진 이벤트가 발생하는 경우마다 업데이트될 수 있다. 즉, 단계 1130 및 단계 1140를 포함하는 과정이 시간차를 두고 두 번 이상 실행됨으로써, 리튬 이온 배터리 셀(10)가 상대적으로 덜 퇴화된 때의 사용 영역 정보 및 상대적으로 더 퇴화된 때의 사용 영역 정보가 획득될 수 있다.
예를 들어, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 건강 상태가 제1 값(예, SOH=95%)일 때에 실행된 단계 1130과 단계 1140에 의해 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 상한값, 양극 하한값, 음극 상한값 및 음극 하한값이 추정된 다음, 리튬 이온 배터리 셀(10)의 건강 상태가 제1 값보다 작은 제2 값(예, SOH=85%)인 때에 다시 실행된 단계 1130과 단계 1140에 의해 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극 상한값, 양극 하한값, 음극 상한값 및 음극 하한값이 추정될 수 있다.
이하에서는, 리튬 이온 배터리 셀(10)이 순차적으로 거치게 되는 서로 다른 두 건강 상태 중에서 큰 것을 '제1 건강 상태'라고 칭하고 작은 것을 '제2 건강 상태'라고 칭하기로 한다. 예컨대, 제1 건강 상태가 BOL인 경우, 제2 건강 상태는 MOL 또는 EOL일 수 있다. 다른 예로, 제1 건강 상태가 MOL인 경우, 제2 건강 상태는 EOL일 수 있다.
제어부(130)는, 리튬 이온 배터리 셀(10)이 제1 건강 상태에 있었을 때의 양극 사용 영역 및 제2 건강 상태에 있었을 때의 양극 사용 영역을 기초로, 제1 건강 상태로부터 제2 건강 상태까지의 기간에 대한 리튬 이온 배터리 셀(10)의 (i)양극의 최대 저장 용량의 변화량과 (ii)양극의 최대 방전 용량의 변화량을 산출할 수 있다. 여기서, 양극의 최대 저장 용량은, 양극에 최대로 저장 가능한 전하량이다. 양극의 최대 방전 용량은, 양극의 최대 저장 용량의 일부로서, 만충전된 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극으로부터 최대로 방전될 수 있는 전하량이다.
제어부(130)는, 아래의 수학식 9를 이용하여, (i)양극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000056
Figure PCTKR2018010437-appb-I000057
: 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극의 최대 저장 용량의 변화량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000058
: 제1 건강 상태에서 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000059
: 제2 건강 상태에서 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000060
: 제1 건강 상태에서 추정된 양극 사용 영역의 양극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000061
: 제1 건강 상태에서 추정된 양극 사용 영역의 양극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000062
: 제2 건강 상태에서 추정된 양극 사용 영역의 양극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000063
: 제2 건강 상태에서 추정된 양극 사용 영역의 양극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000064
: 제1 건강 상태에서 리튬 이온 배터리 셀(10)의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000065
: 제2 건강 상태에서 리튬 이온 배터리 셀(10)의 최대 저장 용량
수학식 9에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000066
는 제1 건강 상태로부터 제2 건강 상태까지의 기간 동안에 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극이 퇴화된 정도를 나타낸다.
또한, 제어부(130)는, 아래의 수학식 10을 이용하여, (ii)양극의 최대 방전 용량의 변화량을 산출할 수 있다.
[수학식 10]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000067
Figure PCTKR2018010437-appb-I000068
: 리튬 이온 배터리 셀(10)의 양극의 최대 방전 용량의 변화량
수학식 10에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000069
는, 리튬 이온 배터리 셀(10)이 퇴화될수록 즉, 제1 건강 상태와 제2 건강 상태 간의 차이가 클수록 증가하는 경향을 가질 수 있다.
제어부(130)는, 리튬 이온 배터리 셀(10)이 제1 건강 상태에 있었을 때의 음극 사용 영역 및 제2 건강 상태에 있었을 때의 음극 사용 영역을 기초로, 제1 건강 상태로부터 제2 건강 상태까지의 기간에 대한 리튬 이온 배터리 셀(10)의 (iii)음극의 최대 저장 용량의 변화량과 (iv)음극의 최대 방전 용량의 변화량을 산출할 수 있다. 여기서, 음극의 최대 저장 용량은, 음극에 최대로 저장 가능한 전하량이다. 음극의 최대 방전 용량은, 음극의 최대 저장 용량의 일부로서, 만충전된 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극으로부터 최대로 방전될 수 있는 전하량이다.
제어부(130)는, 아래의 수학식 11을 이용하여, (iii)음극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출할 수 있다.
[수학식 11]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000070
Figure PCTKR2018010437-appb-I000071
: 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극의 최대 저장 용량의 변화량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000072
: 제1 건강 상태에서 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000073
: 제2 건강 상태에서 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000074
: 제1 건강 상태에서 추정된 음극 사용 영역의 음극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000075
: 제1 건강 상태에서 추정된 음극 사용 영역의 음극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000076
: 제2 건강 상태에서 추정된 음극 사용 영역의 음극 상한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000077
: 제2 건강 상태에서 추정된 음극 사용 영역의 음극 하한값
Figure PCTKR2018010437-appb-I000078
: 제1 건강 상태에서 리튬 이온 배터리 셀(10)의 최대 저장 용량
Figure PCTKR2018010437-appb-I000079
: 제2 건강 상태에서 리튬 이온 배터리 셀(10)의 최대 저장 용량
수학식 11에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000080
는 제1 건강 상태로부터 제2 건강 상태까지의 기간 동안에 리튬 이온 배터리 셀(10)의 음극이 퇴화된 정도를 나타낸다.
제어부(130)는, 아래의 수학식 12를 이용하여, (iv)음극의 최대 방전 용량의 변화량을 산출할 수 있다.
[수학식 12]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000081
수학식 12에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000082
는, 리튬 이온 배터리 셀(10)이 퇴화될수록 즉, 제1 건강 상태와 제2 건강 상태 간의 차이가 클수록 증가하는 경향을 가질 수 있다.
제어부(130)는, 아래의 수학식 13을 이용하여, 소모 용량을 산출할 수 있다.
[수학식 13]
Figure PCTKR2018010437-appb-I000083
수학식 13에서,
Figure PCTKR2018010437-appb-I000084
은, 제1 건강 상태로부터 제2 건강 상태까지의 기간 동안에, 리튬 이온 배터리 셀(10) 내의 리튬 이온의 소모를 야기하는 양극과 전해액 간의 부반응 및 음극과 전해액 간의 부반응으로 인해 소모된 용량이다.
전술한 수학식 5 내지 13 중 적어도 하나를 이용하여 연산된 결과는 리튬 이온 배터리 셀(10)의 퇴화 정보로서 통신부(140)를 통해 사용자에게 제공될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
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.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
<부호의 설명>
100: 퇴화 정보 획득 장치
110: 메모리
120: 센싱부
130: 제어부
140: 통신부

Claims (10)

  1. 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하는 장치에 있어서,
    상기 리튬 이온 배터리 셀의 풀-셀 개방 전압 및 전류를 측정하는 센싱부; 및
    상기 센싱부에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 리튬 이온 배터리 셀이 제1 건강 상태에 있는 동안에 상기 센싱부에 의해 측정된 풀-셀 개방 전압 및 전류를 기초로, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제1 양극 사용 영역을 추정하고,
    상기 리튬 이온 배터리 셀이 상기 제1 건강 상태에 비하여 퇴화된 제2 건강 상태에 있는 동안에 상기 센싱부에 의해 측정된 개방 전압 및 전류를 기초로, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제2 양극 사용 영역을 추정하며,
    상기 제1 양극 사용 영역 및 상기 제2 양극 사용 영역을 기초로, 상기 제1 건강 상태로부터 상기 제2 건강 상태까지의 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 사용 영역은, 제1 양극 상한값 및 제1 양극 하한값에 의해 정의되고,
    상기 제2 양극 사용 영역은, 제2 양극 상한값 및 제2 양극 하한값에 의해 정의되되,
    상기 제1 양극 상한값은, 상기 제1 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 미리 정해진 상한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제1 양극 하한값은, 상기 제1 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 미리 정해진 하한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며,
    상기 제2 양극 상한값은, 상기 제2 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 상기 상한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제2 양극 하한값은, 상기 제2 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 상기 하한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식:
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000085
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000086
    : 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량의 변화량
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000087
    : 상기 제1 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000088
    : 상기 제2 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000089
    : 상기 제1 양극 상한값
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000090
    : 상기 제1 양극 하한값
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000091
    : 상기 제2 양극 상한값
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000092
    : 상기 제2 양극 하한값
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000093
    : 상기 제1 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 최대 저장 용량
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000094
    : 상기 제2 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 최대 저장 용량
    을 이용하여, 상기 사용 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출하는, 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식:
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000095
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000096
    : 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 방전 용량의 변화량
    을 이용하여, 상기 사용 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 방전 용량의 변화량을 산출하되,
    상기 리튬 이온 배터리 셀의 양극의 최대 방전 용량의 변화량은, 상기 사용 기간 동안 상기 양극과 전해액 간의 부반응으로 인해 소모된 리튬 이온의 총량에 대응하는, 장치.
  5. 리튬 이온 배터리 셀의 퇴화 정보를 획득하는 장치에 있어서,
    상기 리튬 이온 배터리 셀의 풀-셀 개방 전압 및 전류를 측정하는 센싱부; 및
    상기 센싱부에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 리튬 이온 배터리 셀이 제1 건강 상태에 있는 동안에 상기 센싱부에 의해 측정된 개방 전압 및 전류를 기초로, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제1 음극 사용 영역을 추정하고,
    상기 리튬 이온 배터리 셀이 상기 제1 건강 상태에 비하여 퇴화된 제2 건강 상태에 있는 동안에 상기 센싱부에 의해 측정된 풀-셀 개방 전압 및 전류를 기초로, 상기 리튬 이온 배터리 셀의 제2 음극 사용 영역을 추정하며,
    상기 제1 음극 사용 영역 및 상기 제2 음극 사용 영역을 기초로, 상기 제1 건강 상태로부터 상기 제2 건강 상태까지의 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출하는, 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 음극 사용 영역은, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값에 의해 정의되고,
    상기 제2 음극 사용 영역은, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값에 의해 정의되되,
    상기 제1 음극 상한값은, 상기 제1 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 미리 정해진 상한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제1 음극 하한값은, 상기 제1 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 미리 정해진 하한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며,
    상기 제2 음극 상한값은, 상기 제2 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 상기 상한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제2 음극 하한값은, 상기 제2 건강 상태에 있는 상기 리튬 이온 배터리 셀의 충전 상태가 상기 하한값인 때에 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하는, 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식:
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000097
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000098
    : 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량의 변화량
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000099
    : 상기 제1 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000100
    : 상기 제2 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000101
    : 상기 제1 음극 상한값
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000102
    : 상기 제1 음극 하한값
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000103
    : 상기 제2 음극 상한값
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000104
    : 상기 제2 음극 하한값
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000105
    : 상기 제1 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 최대 저장 용량
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000106
    : 상기 제2 건강 상태에서 상기 리튬 이온 배터리 셀의 최대 저장 용량
    을 이용하여 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 저장 용량의 변화량을 산출하는, 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식:
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000107
    Figure PCTKR2018010437-appb-I000108
    : 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 방전 용량의 변화량
    을 이용하여, 상기 사용 기간에 대한 상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 방전 용량의 변화량을 산출하되,
    상기 리튬 이온 배터리 셀의 음극의 최대 방전 용량의 변화량은, 상기 사용 기간 동안 상기 음극과 전해액 간의 부반응으로 인해 소모된 리튬 이온의 총량에 대응하는, 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 획득된 퇴화 정보를 외부로 전송하는 통신부를 더 포함하는, 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 상기 장치를 포함하는, 배터리팩.
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