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KR102253781B1 - 방전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

방전 제어 장치 및 방법 Download PDF

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KR102253781B1
KR102253781B1 KR1020170055259A KR20170055259A KR102253781B1 KR 102253781 B1 KR102253781 B1 KR 102253781B1 KR 1020170055259 A KR1020170055259 A KR 1020170055259A KR 20170055259 A KR20170055259 A KR 20170055259A KR 102253781 B1 KR102253781 B1 KR 102253781B1
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Abstract

본 발명은 방전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리 상태에 따라 방전 종지 전압을 조정하여 종래보다 수명을 연장시키는 방전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

방전 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING DISCHARGE}
본 발명은 방전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리 상태에 따라 방전 종지 전압을 조정하여 종래보다 수명을 연장 시키는 방전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 리튬이온 배터리는 높은 동작전압, 긴 사용수명, 작은 부피와 높은 에너지 밀도의 특성을 가지며 이동 통신장치, 디지털 카메라 및 랩탑(laptop) 등에 널리 사용되고 있다.
또한, 리튬이온 배터리는 양극, 분리막 및 음극 구조로 형성되며, 양극 및 음극은 각각 다른 성분의 활물질이 도포되어 충/방전이 가능하도록 구성된다.
일반적으로 사용되는 양극의 활물질은 LiCoO2 및 LiMn2O4 등과 같은 리튬 계열의 산화물이 주로 사용되고, 음극의 활물질은 높은 안정성과 가역성에 따라 흑연계 활물질을 주로 사용한다.
그러나 현재 흑연계 활물질의 배터리 용량은 이론상 최대 용량에 거의 도달하였으므로 각종 휴대용 장치의 소형화 및 고에너지 밀도와 고전력 밀도인 전지에 관한 광범위한 수요를 만족시키지 못하고 있다.
이러한 문제를 하기 위하여 높은 저장용량을 가진 실리콘계 활물질이 음극 전지재료로 광범위하게 연구되고 있다.
그러나 실리콘계 활물질은 만충전 시 부피 팽창이 발생하고, 방전 시 활물질 간 접촉이 감소됨에 따라 전지 반응에 참여하지 못하는 활성화가 없는 활물질(dead active material)이 만들어지는데, 방전 시 발생되는 활성화가 없는 활물질은 충/방전 사이클이 반복될수록 배터리 수명이 저하되는 큰 문제가 발생된다.
이와 같이 배터리의 음극 전지재료로 실리콘계 활물질을 사용하는 경우, 반복된 충/방전 사이클에서 양호한 수명특성을 가지는 기술개발이 필요하다.
KR 2016-0020426 A
본 발명은 음극에 실리콘계 활물질을 가진 배터리의 수명특성을 종래보다 향상시키는 방전 제어 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 방전 제어장치는 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 종료하는 방전 제어장치에 있어서, 배터리의 방전 프로파일을 생성하는 방전 프로파일 생성부, 상기 방전 프로파일 생성부에서 생성된 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 기울기 연산부 및 상기 기울기 연산부에서 연산된 기울기를 근거로 하여 방전 종료를 수행하는 방전 종료 수행부를 포함하여 구성된다.
상기 방전 프로파일 생성부는, 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부, 배터리의 충전상태(SOC)를 근거로 하여 만충전 상태로부터 배터리의 사용된 용량을 산출하는 배터리 사용용량 산출부 및 상기 전압 측정부에서 측정한 전압 및 배터리 사용용량 산출부에서 산출한 사용용량을 근거로 하여 방전 프로파일을 추정하여 방전 프로파일을 생성하는 방전 프로파일 추정부를 포함하여 구성된다.
상기 방전 종료 수행부는, 상기 기울기 연산부에서 연산된 기울기와 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하는 기울기 비교부, 상기 기울기 비교부에서의 비교결과 연산된 기울기가 기울기 판단 값 이하로 떨어지는 횟수를 카운트하는 카운터, 상기 카운터에서 카운트된 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인지 비교하는 횟수 비교부 및 상기 횟수 비교부에서의 비교결과 카운트된 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인 경우, 방전 스위치에 오프 명령신호를 출력하는 스위치 제어신호 출력부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법은 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 종료하는 방전 제어 방법에 있어서, 배터리의 방전 프로파일을 생성하는 방전 프로파일 생성단계, 상기 방전 프로파일 생성단계에서 생성된 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 기울기 연산단계, 상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값을 근거로 방전 종료 여부를 판단하여 방전을 종료하는 방전 종료단계를 포함하여 구성된다.
상기 방전 프로파일 생성단계는, 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정단계, 배터리의 충전상태(SOC)를 근거로 하여 배터리의 만충전 상태로부터 사용된 용량을 산출하는 배터리 사용용량 산출단계 및 상기 전압 측정단계에서 측정된 전압 및 배터리 사용용량 산출단계에서 산출된 사용용량을 근거로 하여 방전 프로파일을 추정하여 방전 프로파일을 생성하는 방전 프로파일 추정단계를 포함하여 구성된다.
상기 방전 종료단계는, 상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값과 비교하여 방전 종료 여부를 판단하는 방전종료 판단단계, 상기 방전종료 판단단계에서 방전 수행을 종료하는 것으로 판단하는 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어하는 방전스위치 제어단계를 추가로 포함하여 구성된다.
상기 방전종료 판단단계는, 상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하는 기울기 비교단계, 상기 기울기 비교단계에서의 비교결과 연산된 기울기가 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전종료 카운터를 카운트하는 카운트 단계 및 상기 방전종료 카운터의 카운트 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인지 비교하는 횟수 비교단계를 포함하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 방전 제어 방법은 기 생성된 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 종료하는 방전 제어방법에 있어서, 배터리 전압을 근거로 하여 방전 제어 수행 여부를 판단하는 방전 종료제어 판단단계, 상기 방전 종료제어 판단단계에서 방전 종료제어가 필요한 것으로 판단된 경우, 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 기울기 연산단계, 상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값을 근거로 방전 종료 여부를 판단하여 방전을 종료하는 방전 종료단계를 포함하여 구성된다.
상기 방전 종료제어 판단단계는, 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정단계 및 상기 전압 측정단계에서 측정된 전압을 기 설정된 기준 전압 값과 비교하는 전압 비교단계를 포함하여 구성된다.
상기 방전 종료단계는, 상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하는 기울기 비교단계 및 상기 기울기 비교단계에서의 비교결과 연산된 기울기 값이 상기 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어하는 방전스위치 제어단계를 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 장치 및 방법은 방전 시 방전 프로파일의 기울기 변화를 통해 유동적으로 방전이 종료되도록 제어하여 완전방전으로 인해 발생되는 활성화가 없는 활물질의 생성을 감소시키고 활성화가 없는 활물질로 인하여 감소되었던 배터리 수명 특성이 종래보다 향상될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 장치 내 방전 프로파일 생성부 및 방전 종료 수행부의 블록도.
도 3은 방전 프로파일의 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법의 순서도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법 중 방전 프로파일 생성단계의 순서도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법 중 방전 종료단계의 순서도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법 중 방전종료 판단단계의 순서도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법에서의 방전 프로파일 기울기 그래프.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법을 수행한 배터리의 수명 특성 및 종래의 수명 특성의 그래프.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 식별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
<실시 예 1>
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 장치에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 장치는 방전 시 방전 프로파일의 기울기를 연산하고 연산된 기울기의 값이 기 설정된 기준에 해당되는 경우, 방전이 종료되도록 제어하여 방전 상태에 따라 유동적으로 방전이 종료될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 장치의 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 장치(100)는 방전 시 배터리의 전압을 근거로 하여 방전 프로파일을 생성하는 방전 프로파일 생성부(110), 방전 프로파일 생성부(110)에서 생성된 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 기울기 연산부(120), 기울기 연산부(120)에서 연산된 기울기를 근거로 하여 방전 종료를 수행하는 방전 종료 수행부(130)를 포함하여 구성된다.
또한, 이러한 방전 제어 장치(100)는 양(+)극의 초기 효율이 음(-)극의 초기 효율보다 큰 경우에만 사용할 수 있으며, 음극 재료의 성분이 흑연+실리콘계 블렌딩 시스템에 한정된 경우에만 사용될 수 있다.
또한, 하기에서 방전 제어 장치의 각 구성을 더욱 상세하게 설명한다.
상기 방전 프로파일 생성부(110)는 배터리의 전압을 근거로 하여 방전 프로파일을 생성하는 구성으로서, 기 설정된 주기마다 생성되며 도 2를 들어 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 장치 내 방전 프로파일 생성부 및 방전 종료 수행부의 블록도이다.
도 2를 참고하면, 상기 방전 프로파일 생성부(110)는 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부(111), 배터리의 충전상태(SOC)를 근거로 하여 배터리의 사용용량을 산출하는 배터리 사용용량 산출부(112) 및 전압 측정부(111)에서 측정한 전압 및 배터리 사용용량 산출부(112)에서 산출한 사용용량을 근거로 하여 방전 프로파일을 추정하는 방전 프로파일 추정부(113)를 포함하여 구성된다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 전압 측정부(111)는 배터리의 전압을 측정하는 구성으로서, 전압 값은 기 설정된 측정주기마다 전압 센서를 통해 감지된다.
따라서 상기 전압 측정부(111)는 별도의 전압 센서와의 연결 없이 배터리의 BMS내 기 구성된 측정부를 통해 배터리의 전압 값이 전달될 수 있다.
또한, 상기 배터리 사용용량 산출부(112)는 배터리의 충전상태(SOC)를 근거로 하여 상기 전압 측정부(111)의 전압 측정 주기와 동일한 주기로 배터리의 만충전 상태로부터 사용된 용량을 산출한다.
또한, 상기 충전상태(SOC)는 충/방전 전류를 적산하는 전류 적산법, 셀 내부의 화학적 반응을 분자단위로 나타내는 전기화학적 모델 기법, 배터리의 동작시간과 충전상태(SOC)의 동적특성(dynamic behavior)을 순 수학적 실험식으로 표현하는 수학식 기법, 그리고 개방회로 전압(Open Circuit Voltage, 이하 OCV)과 충전상태(SOC) 간의 관계를 이용한 전압 모델링기법 중 하나의 방법을 이용하여 산출되고, 배터리의 BMS내 기 구성된 충전상태(SOC) 산출부를 이용하여 획득할 수 있다.
또한, 상기 방전 프로파일 추정부(113)는 상기 전압 측정부(111)에서 측정한 전압 및 배터리 사용용량 산출부(112)에서 산출한 사용용량을 근거로 하여 방전 프로파일을 추정하여 방전 프로파일을 생성하는 구성으로서, 배터리 사용용량에 따른 전압의 감소량으로 방전 프로파일을 생성한다.
이와 같이 생성된 방전 프로파일은 도 3과 같이 표현될 수 있다.
도 3은 방전 프로파일의 그래프이다.
도 3을 참고하면, 배터리의 사용용량이 커질수록 배터리의 전압은 감소되는 모양을 나타낸다. 도 3의 우측 점선은 종래에 방전이 종료되는 시점을 나타내는 것이고, 좌측 실선은 본 발명의 실시 예에 의하여 방전이 종료되는 시점을 나타낸다. 이는 본 발명이 실리콘의 사용 정도에 따라 방전 시점을 효율적으로 조절하는 것을 의미하는데, 이를 위해서는 상기 방전 프로파일의 기울기를 연산하여 방전 시점을 판단할 수 있다.
따라서 상기 기울기 연산부(120)는 상기 방전 프로파일 생성부(110)에서 생성된 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 구성으로, 기 설정된 주기마다 생성되는 프로파일에 따라 기울기를 생성한다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 기울기를 연산하는 방법은 배터리의 측정된 전압 값을 배터리 사용용량에 따라 미분하는 것으로서, 배터리 전압의 변화량에서 배터리 사용용량의 변화량을 나누는 방법으로 연산된다.
또한, 이러한 기울기 연산은 배터리의 소재에 의해서 수행되는데, 일반적으로 실리콘에 충전된 리튬을 마지막까지 빼내어 양극으로 전체 되돌리는 경우, 활물질의 부피 축소가 크게 발생되고 이로 인하여 활물질 간의 연결이 감소되어 활성화가 없는 활물질(dead active material)이 발생된다.
또한, 활성화가 없는 활물질이 많이 발생할수록 충/방전 효율이 감소됨에 따라 수명이 감소되는 문제가 발생한다.
이러한 문제는 실리콘의 사용을 적정수준 제한함에 따라 예방할 수 있는데, 실리콘의 사용 정도는 방전 프로파일의 기울기를 통해 알 수 있으므로 방전 프로파일의 기울기를 산출하여 실리콘의 사용 정도를 파악할 수 있도록 한다.
또한, 상기 방전 종료 수행부(130)는 상기 기울기 연산부(120)에서 연산된 기울기를 근거로 하여 방전 종료를 수행하는 구성으로서, 상기 도 2를 들어 더욱 상세하게 설명한다.
도 2를 참고하면, 상기 방전 종료 수행부(130)는 상기 기울기 연산부(120)에서 연산된 기울기와 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하는 기울기 비교부(131), 기울기 비교부(131)에서의 비교결과 연산된 기울기가 기울기 판단 값 이하로 떨어지는 횟수를 카운트하는 카운터(132), 카운터에서 카운트된 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인지 비교하는 횟수 비교부(133) 및 횟수 비교부(133)에서의 비교결과 카운트된 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인 경우, 방전 스위치에 오프 명령신호를 출력하는 스위치 제어신호 출력부(134)를 포함하여 구성된다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 기울기 비교부(131)는 상기 방전 종료 수행부(130)에 추가로 포함하여 구성되는 메모리(미도시)에 저장되어 있는 기울기 판단 값을 이용하여 상기 기울기 연산부(120)에서 연산된 기울기를 비교한다.
여기서 메모리(미도시)는 BMS 내부 또는 외부에 기 구성된 메모리를 사용하거나 방전 제어장치에 별도로 구성되어 사용할 수 있다.
또한, 여기에는 상기 카운터(132)에서 카운트된 횟수를 비교하기 위한 기준 값인 판단횟수가 저장되어 있다.
또한, 상기 기 설정된 기울기 판단 값은 일 실시 예로 -0.7로 설정하여 적절한 방전 종료제어가 수행될 수 있도록 한다.
또한, 상기 카운터(132)는 상기 기울기 비교부(131)에서의 비교결과 연산된 기울기가 기울기 판단 값 이하로 떨어지는 횟수를 카운트한다.
예를 들어, 상기 기울기 연산부(120)에서 연산된 기울기가 -0.5인 경우, 기 설정된 기울기 판단 값 -0.7을 초과하므로 카운트하지 않고, 연산된 기울기가 -0.73인 경우에는 기 설정된 기울기 판단 값보다 이하이므로 해당 횟수를 카운트 한다.
또한, 상기 횟수 비교부(133)는 상기 카운터에서 카운트된 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인지 비교하는 구성으로서, 일 실시 예로 3을 설정한다.
이는 일반적인 실리콘계 활물질로 구성된 배터리의 방전 프로파일 미분 곡선을 통해 도출된 값이다.
또한, 상기 스위치 제어신호 출력부(134)는 상기 횟수 비교부에서의 비교결과 카운트된 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인 경우, 방전 스위치에 오프 명령 신호를 출력하는 구성으로서, 방전 스위치가 오프 될 수 있도록 방전 스위치와 제어신호 출력부(134)가 전기적으로 연결되어 방전 스위치에 직접적으로 오프 신호를 출력하거나 배터리 내 BMS와 제어신호 출력부(132)가 전기적으로 연결되어 BMS의 제어부에 방전 스위치 오프 명령신호를 출력하여 제어부가 방전 스위치를 오프 할 수 있도록 한다.
<실시 예 2>
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어방법은 방전 시 방전 프로파일을 생성하고, 생성된 방전 프로파일의 기울기를 산출하여 기 설정된 기울기 값이 소정횟수 검출되는 경우, 방전을 종료시켜 배터리가 효율적으로 방전될 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀 제조 방법은 배터리의 방전 프로파일을 생성하고(방전 프로파일 생성단계: S100), 생성된 방전 프로파일의 기울기를 연산한다(기울기 연산단계: S200).
상기 기울기 연산단계(S200)에서 연산된 기울기 값을 근거로 방전 종료 여부를 판단하여 방전을 종료한다(방전 종료단계: S300).
이러한, 방전 제어 방법은 양(+)극의 초기 효율이 음(-)극의 초기 효율보다 큰 경우에만 사용할 수 있으며, 음극 재료의 성분이 흑연+실리콘계 블렌딩 시스템에 한정된 경우에만 사용될 수 있다.
또한, 상기 방전 제어방법의 각 단계는 하기에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 방전 프로파일 생성단계(S100)는 방전 시 배터리 전압을 근거로 하여 방전 프로파일을 생성하는 단계로서, 도 5를 들어 더욱 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법 중 방전 프로파일 생성단계의 순서도이다.
도 5를 참고하면, 상기 방전 프로파일 생성단계(S100)는 배터리의 전압을 측정하고(전압 측정단계: S110), 배터리의 충전상태(SOC)를 근거로 하여 배터리의 만충전 상태로부터 사용된 용량을 산출한다(배터리 사용용량 산출단계: S120).
또한, 상기 전압 측정단계(S110)에서 측정된 전압 및 배터리 사용용량 산출단계(S120)에서 산출된 사용용량을 근거로 방전 프로파일을 추정하여 방전 프로파일을 생성한다(방전 프로파일 추정단계: S130).
좀 더 상세하게 설명한다면, 상기 전압 측정단계(S110)는 기 설정된 측정주기마다 배터리의 전압을 측정하여 전압의 감소량을 확인할 수 있도록 하고, 상기 배터리 사용용량 산출단계(S120)는 배터리의 BMS에서 추정된 충전상태(SOC)를 근거로 하여 배터리의 만충전 상태로부터 사용된 용량을 산출한다.
이와 같이 배터리의 BMS에서 추정된 충전상태(SOC)를 이용하여 배터리 사용용량을 산출하는 방법은 추정된 충전상태(SOC)를 100(%)에서 빼서 배터리의 총 용량(만충 시 용량)에 곱하여 산출할 수 있으며, (식1)로 나타낸다.
(식 1) 배터리 사용용량(mAh)= {100(%)- SOC(%)} X (총 용량)(mAh)
또한, 상기 방전 프로파일 추정단계(S130)는 상기 전압 측정단계(S110)에서 측정된 전압 및 배터리 사용용량 산출단계(S120)에서 산출된 사용용량을 근거로 방전 프로파일을 추정하여 방전 프로파일을 생성하는 단계로서, 배터리 사용용량에 따른 전압의 변화량으로 방전 프로파일이 생성된다.
상기 기울기 연산단계(S200)는 상기 방전 프로파일 생성단계(S100)에서 생성된 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 단계로서, 실리콘의 사용 정도를 파악하기 위하여 수행한다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 기울기를 연산하는 방법은 배터리의 측정된 전압 값을 배터리 사용용량에 따라 미분하는 것으로서, 배터리 전압의 변화량에서 배터리 사용용량의 변화량을 나누는 방법으로 연산된다.
예를 들어, 이전 주기의 방전 프로파일에서의 전압 값이 4.2V이고 사용용량이 500 mAh 이며 현재 주기에서의 방전 프로파일 생성단계(S100)로부터 획득한 전압 값이 4.06V이고 사용용량이 1000 mAh인 경우, 현재 주기의 기울기는 -0.00028로 연산될 수 있다.
또한, 일반적으로 방전 시 실리콘에 충전된 리튬을 마지막까지 빼내어 양극으로 전체 되돌리는 경우, 활물질의 부피 축소가 크게 발생되고 이로 인하여 활물질 간의 연결이 감소되어 활성화가 없는 활물질(dead active material)이 발생된다.
또한, 활성화가 없는 활물질이 많이 발생할수록 충/방전 효율이 감소됨에 따라 배터리의 수명이 감소되는 문제가 발생된다.
이러한 수명 퇴화 문제는 실리콘의 사용을 적정수준 제한함에 따라 예방할 수 있는데, 실리콘의 사용 정도는 방전 프로파일의 기울기를 통해 알 수 있으므로 방전 프로파일의 기울기를 산출하여 실리콘의 사용 정도를 파악할 수 있도록 한다.
또한, 상기 방전 종료단계(S300)는 상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값을 근거로 방전 종료 여부를 판단하여 방전을 종료하는 단계로서, 도 6을 들어 더욱 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법 중 방전 종료단계(S300)의 순서도이다.
도 6을 참고하면, 상기 방전 종료단계(S300)는 상기 기울기 연산단계(S200)에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값과 비교하여 방전 수행 여부를 판단하고(방전종료 판단단계: S310), 방전 수행을 종료하는 것으로 판단하는 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어한다(방전스위치 제어단계: S320).
또한, 상기 방전 종료단계(S300)의 각 단계는 아래에서 좀 더 상세하게 설명한다.
상기 방전종료 판단단계(S310)는 상기 기울기 연산단계(S200)에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값과 비교하여 방전 수행 여부를 판단하는 단계로서, 도 7을 들어 더욱 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀 제조 방법 중 방전종료 판단단계의 순서도이다.
도 7을 참고하면, 상기 방전종료 판단단계(S310)는 상기 기울기 연산단계(S200)에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하고(기울기 비교단계: S311), 기울기 비교단계(S311)에서의 비교결과 연산된 기울기가 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전종료 카운터를 카운트한다(카운트 단계: S312).
상기 방전종료 카운터의 카운트 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인지 비교한다(횟수 비교단계: S313).
또한, 상기 방전종료 판단단계(S310)는 도 8을 들어 상세하게 설명하는데, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법에서의 방전 프로파일 기울기 그래프이다.
도 8을 참고하여 예를 들어 설명하면, 상기 기울기 비교단계(S311)에서 기울기 판단 값은 도 8과 같이 일 실시 예로 -0.7이고, 상기 기울기 연산단계(S200)에서 연산된 기울기 값이 - 0.53인 경우에는 -0.53이 -0.7보다 크므로 다음 기울기 값을 이용하여 다시 방전종료 판단단계(S310)를 수행한다.
또한, 상기 연산된 기울기 값이 -0.74인 경우에는 -0.74가 -0.7보다 작으므로 상기 카운트 단계(S312)를 수행한다.
또한, 상기 횟수 비교단계(S313)에서의 판단횟수를 도 8과 같이 일 실시 예로서 3으로 설정하고 상기 카운트단계(S312)에서 카운트된 횟수가 2인 경우, 다음 기울기 값을 이용하여 다시 방전종료 판단단계(S310)를 수행한다.
또한, 상기 카운트단계(S312)에서 카운트된 횟수가 3인 경우에는 상기 방전 스위치 제어단계(S320)를 수행한다.
또한, 상기 방전스위치 제어단계(S320)는 상기 방전종료 판단단계(S310)에서 방전 수행을 종료하는 것으로 판단하는 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어하는 단계로서, 방전 스위치와 연결되어 방전 스위치를 직접 오프 시키거나 방전 스위치를 온/오프 시키는 BMS의 제어부와 연결되어 방전 스위치가 오프 될 수 있도록 제어부에 오프 제어명령을 출력한다.
이와 같이 본 발명에 따라 방전 종료가 제어된 배터리는 향상된 수명 특성을 가지게 되는데, 이는 도 9를 들어 상세하게 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법을 수행한 배터리의 수명 특성 및 종래의 수명 특성의 그래프이다.
도 9를 참고하면, 상기 실선은 본 발명의 실시 예에 따른 방전 제어 방법을 수행한 배터리이고, 상기 점선은 종래의 고정된 방전 종지 전압을 가지는 배터리의 수명 특성을 나타내는 그래프이다. 여기서 설정된 기울기 판단 값은 -0.7이고, 판단횟수는 3회로 설정된다.
상기 실선은 사이클이 반복됨에도 일정한 배터리 용량을 유지하는 반면, 점선은 사이클이 반복될수록 배터리 용량이 감소되는 것을 볼 수 있다.
또한, 스웰링(swelling) 현상도 점선과 같이 종래에는 점점 증가하는데 본 발명의 실시 예를 나타내는 실선은 소정 범위 이내로 유지된다.
이와 같이 방전을 종료시키는 지점을 본 발명과 같이 방전이 수행되는 상태에 따라 탄력적으로 조정하면 배터리의 수명이 향상되는 것을 볼 수 있다.
<실시 예 3>
다음으로 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 방전 제어방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 방전 제어방법은 방전 시 전압이 기준 전압 값 이하로 떨어지면 기 생성된 방전 프로파일의 기울기를 지속적으로 연산하고 연산된 기울기 값이 기 설정된 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전을 종료시킴에 따라 배터리가 효율적으로 방전될 수 있도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 셀 제조 방법은 우선, 배터리 전압을 근거로 하여 방전 제어 수행 여부를 판단하고(방전 종료제어 판단단계), 방전 종료제어가 필요한 것으로 판단된 경우, 방전 프로파일의 기울기를 연산한다(기울기 연산단계).
상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값을 근거로 방전 종료 여부를 판단하여 방전을 종료한다(방전 종료단계).
이러한, 방전 제어 방법은 양(+)극의 초기 효율이 음(-)극의 초기 효율보다 큰 경우에만 사용할 수 있으며, 음극 재료의 성분이 흑연+실리콘계 블렌딩 시스템에 한정된 경우에만 사용될 수 있다.
또한, 상기 방전 제어방법의 각 단계는 하기에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 방전 종료제어 판단단계(S100)는 배터리 전압을 근거로 하여 방전 제어 수행 여부를 판단하는 단계로서, 배터리의 전압을 측정하고(전압 측정단계), 측정된 전압을 기 설정된 기준 전압 값과 비교한다(전압 비교단계).
상기 전압 측정단계는 기 설정된 측정주기마다 배터리의 전압을 측정하여 전압이 기 설정된 기준 전압 값으로 감소될 때까지 상기 방전 종료제어 판단단계를 수행한다.
따라서 상기 전압 비교단계를 좀 더 효율적으로 사용하기 위해서는 배터리의 전압구간마다 전압 비교단계를 수행하는 비교주기의 간격을 달리하여 구성한다.
예를 들어 배터리의 전압이 높은 구간(4V 구간)에서는 상기 전압 측정단계에서 측정된 전압 값이 5개 축적된 경우, 상기 전압 비교단계를 수행하고, 배터리의 전압이 적당한 구간(4V 미만 3.5V 이상인 구간)에서는 전압 값이 3개 축적된 경우에만 전압 비교단계를 수행한다.
또한, 배터리의 전압이 적당한 구간(3.5V 미만인 구간)에서는 전압 값이 측정될 때마다 전압 비교단계를 수행하여 방전 종료제어가 효율적으로 이뤄질 수 있도록 한다.
또한, 상기 전압 비교단계에서의 기준 전압 값은 일 실시 예로 3.5V 설정하여 도 8에서의 두 번째 포인트 이후의 전압에서 상기 기울기 연산단계가 수행될 수 있도록 한다.
상기 기울기 연산단계는 상기 방전 종료제어 판단단계에서 방전 종료제어가 필요한 것으로 판단된 경우, 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 단계로서, 실리콘의 사용 정도를 파악하기 위하여 수행한다.
여기서 방전 프로파일은 배터리의 BMS에서 생성되는 방전 프로파일을 사용하거나 방전 프로파일 생성하는 단계를 추가함에 따라 자체적으로 생성하여 사용할 수 있다.
또한, 방전을 종료하는 방전 종지 전압을 고정하여 사용하지 않고 기울기를 연산하여 방전을 종료하는 이유는 방전 시 실리콘에 충전된 리튬을 마지막까지 빼내어 양극으로 전체 되돌리는 경우, 활물질의 부피 축소가 크게 발생되고 이로 인하여 활물질 간의 연결이 감소되어 활성화가 없는 활물질(dead active material)이 발생된다.
또한, 활성화가 없는 활물질이 많이 발생할수록 충/방전 효율이 감소됨에 따라 배터리의 수명이 감소되는 문제가 발생된다.
이러한 수명 퇴화 문제는 실리콘의 사용을 적정수준 제한함에 따라 예방할 수 있는데, 실리콘의 사용 정도는 방전 프로파일의 기울기를 통해 알 수 있으므로 방전 프로파일의 기울기를 산출하여 실리콘의 사용 정도를 파악할 수 있도록 한다.
또한, 상기 방전 종료단계는 상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값을 근거로 방전 종료 여부를 판단하여 방전을 종료하는 단계로서, 상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하고(기울기 비교단계), 비교결과 연산된 기울기 값이 상기 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어한다(방전스위치 제어단계).
예를 들어 좀 더 상세하게 설명한다면, 상기 기울기 비교단계에서 기울기 판단 값은 일 실시 예로 -0.7이고, 상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값이 - 0.53인 경우에는 -0.53이 -0.7보다 크므로 다음 기울기 값을 이용하여 다시 방전 종료단계를 수행한다.
또한, 상기 연산된 기울기 값이 -0.74인 경우에는 -0.74가 -0.7보다 작으므로 상기 방전스위치 제어단계를 수행한다.
또한, 상기 방전스위치 제어단계는 상기 기울기 비교단계에서의 비교결과 연산된 기울기 값이 상기 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어하는 단계로서, 방전 스위치와 연결되어 방전 스위치를 직접 오프 시키거나 방전 스위치를 온/오프 시키는 BMS의 제어부와 연결되어 방전 스위치가 오프 될 수 있도록 제어부에 오프 제어명령을 출력한다.
한편, 상기 또 다른 실시 예에 따른 방전 제어방법의 장치는 아래에서 상세하게 설명한다.
또 다른 실시 예에 따른 방전 제어장치는, 배터리 전압을 근거로 하여 방전종료 제어 수행 여부를 판단하는 방전종료 제어 판단부, 방전종료 제어 판단부의 판단 결과에 따라 기 생성된 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 기울기 연산부 및 기울기 연산부에서 연산된 기울기 값을 근거로 방전 종료 여부를 판단하여 방전을 종료하는 방전 종료부를 포함하여 구성된다.
상기 방전 제어장치의 각 구성을 좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 방전종료 제어 판단부는 배터리 전압을 근거로 하여 방전종료 제어 수행 여부를 판단하는 구성으로서, 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부 및 전압 측정부에서 측정된 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하는 전압 비교부를 포함하여 구성된다.
상기 전압 측정부는 배터리의 전압을 측정하는 구성으로서, 전압 값은 기 설정된 측정주기마다 전압 센서를 통해 감지된다.
따라서 상기 전압 측정부는 BMS와의 연결만으로 전압 센서와의 별도의 연결 없이 배터리의 BMS 내 기 구성된 측정부를 통해 배터리의 전압 값이 전달될 수 있다.
또한, 상기 전압 비교부는 상기 전압 측정부에서 측정된 측정 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하는 구성으로서, 메모리에 저장되어 있는 기준 전압 값을 이용하여 측정 전압과 비교한다.
여기서 메모리는 BMS 내부 또는 외부에 기 구성된 메모리를 사용하거나 방전 제어장치에 별도로 구성시켜 사용할 수 있다.
또한, 상기 기울기 연산부는 상기 방전 종료제어 판단부에서 방전 종료제어가 필요한 것으로 판단한 경우, 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 구성로서, 실리콘의 사용 정도를 파악하기 위하여 수행한다.
여기서 방전 프로파일은 배터리의 BMS에서 생성되는 방전 프로파일을 사용하거나 방전 프로파일 생성하는 단계를 추가함에 따라 자체적으로 생성하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 기울기를 연산하는 방법은 배터리의 측정된 전압 값을 배터리 사용용량에 따라 미분하는 것으로서, 배터리 전압의 변화량에서 배터리 사용용량의 변화량을 나누는 방법으로 연산된다.
또한, 상기 방전 종료부는 상기 기울기 연산부에서 연산한 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하는 기울기 비교부 및 기울기 비교부에서의 비교 결과 연산된 기울기 값이 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어하는 방전스위치 제어부를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 기울기 비교부는 상기 기울기 연산부에서 연산한 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하는 구성으로서, 기울기 판단 값을 일 실시 예로 -0.7로 설정하여 적절한 방전 종료제어가 수행될 수 있도록 한다.
또한, 상기 방전 스위치 제어부는 기울기 비교부에서의 비교결과 연산된 기울기 값이 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어하는 구성으로서, 방전 스위치가 오프 될 수 있도록 방전 스위치와 제어신호 출력부가 전기적으로 연결되어 방전 스위치에 직접적으로 오프 신호를 출력하거나 배터리 내 BMS와 제어신호 출력부가 전기적으로 연결되어 BMS의 제어부에 방전 스위치 오프 명령신호를 전송하여 제어부가 방전 스위치를 오프 할 수 있도록 한다.
100: 방전 제어 장치
110: 방전 프로파일 생성부
111: 전압 측정부
112: 배터리 사용용량 산출부
113: 방전 프로파일 추정부
120: 기울기 연산부
130: 방전 종료 수행부
131: 비교부
132: 카운터
133: 횟수 비교부
134: 스위치 제어신호 출력부

Claims (10)

  1. 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 종료하는 방전 제어 장치에 있어서,
    상기 배터리는 양(+)극의 초기 효율이 음(-)극의 초기 효율보다 크고, 상기 음(-)극이 흑연 및 실리콘계 활물질로 구성된 것을 특징으로 하며,
    배터리의 사용 용량에 따른 전압의 변화량으로 방전 프로파일을 생성하는 방전 프로파일 생성부;
    상기 방전 프로파일 생성부에서 생성된 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 기울기 연산부; 및
    상기 배터리의 음(-)극을 구성하는 실리콘에 충전된 리튬이 소비되는 정도에 근거하여 방전 종료를 수행하기 위해, 상기 기울기 연산부에서 연산된 방전 프로파일의 기울기를 근거로 하여 방전 종료를 수행하는 방전 종료 수행부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전 프로파일 생성부는,
    배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    배터리의 충전상태(SOC)를 근거로 하여 배터리의 만충전 상태로부터 사용된 용량을 산출하는 배터리 사용용량 산출부; 및
    상기 전압 측정부에서 측정한 전압 및 배터리 사용용량 산출부에서 산출한 사용용량을 근거로 방전 프로파일을 추정하여 방전 프로파일을 생성하는 방전 프로파일 추정부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 제어장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전 종료 수행부는,
    상기 기울기 연산부에서 연산된 기울기와 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하는 기울기 비교부;
    상기 기울기 비교부에서의 비교결과 연산된 기울기가 기울기 판단 값 이하로 떨어지는 횟수를 카운트하는 카운터;
    상기 카운터에서 카운트된 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인지 비교하는 횟수 비교부; 및
    상기 횟수 비교부에서의 비교결과 카운트된 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인 경우, 방전 스위치에 오프 명령신호를 출력하는 스위치 제어신호 출력부;
    를 포함하여 구성됨으로써, 상기 방전 프로파일의 기울기를 근거로 방전 종료를 수행하는 것; 을 특징으로 하는 방전 제어장치.
  4. 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 종료하는 방전 제어 방법에 있어서,
    상기 배터리는 양(+)극의 초기 효율이 음(-)극의 초기 효율보다 크고, 상기 음(-)극이 흑연 및 실리콘계 활물질로 구성된 것을 특징으로 하며,
    배터리의 사용 용량에 따른 전압의 변화량으로 방전 프로파일을 생성하는 방전 프로파일 생성단계;
    상기 방전 프로파일 생성단계에서 생성된 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 기울기 연산단계; 및
    상기 배터리의 음(-)극을 구성하는 실리콘에 충전된 리튬이 소비되는 정도에 근거하여 방전 종료를 수행하기 위해, 상기 기울기 연산단계에서 연산된 방전 프로파일의 기울기 값을 근거로 방전 종료 여부를 판단하여 방전을 종료하는 방전 종료단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 방전 프로파일 생성단계는,
    배터리의 전압을 측정하는 전압 측정단계;
    배터리의 충전상태(SOC)를 근거로 하여 배터리의 만충전 상태로부터 사용된 용량을 산출하는 배터리 사용용량 산출단계; 및
    상기 전압 측정단계에서 측정된 전압 및 배터리 사용용량 산출단계에서 산출된 사용용량을 근거로 방전 프로파일을 추정하여 방전 프로파일을 생성하는 방전 프로파일 추정단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 제어방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 방전 종료단계는,
    상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값과 비교하여 방전 종료 여부를 판단하는 방전종료 판단단계; 및
    상기 방전종료 판단단계에서 방전 수행을 종료하는 것으로 판단하는 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어하는 방전스위치 제어단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 방전종료 판단단계는,
    상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하는 기울기 비교단계;
    상기 기울기 비교단계에서의 비교결과 연산된 기울기가 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전종료 카운터를 카운트하는 카운트 단계; 및
    상기 방전종료 카운터의 카운트 횟수가 기 설정된 판단횟수 이상인지 비교하는 횟수 비교단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 제어방법.
  8. 기 생성된 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 종료하는 방전 제어방법에 있어서,
    상기 배터리는 양(+)극의 초기 효율이 음(-)극의 초기 효율보다 크고, 상기 음(-)극이 흑연 및 실리콘계 활물질로 구성된 것을 특징으로 하며,
    배터리 전압이 기준 전압 값 이하로 감소하였는지에 따라 방전종료 제어 수행 여부를 판단하는 방전종료 제어 판단단계;
    상기 방전종료 제어 판단단계에서 배터리의 전압이 기준 전압 값 이하로 감소하여 방전종료 제어가 필요한 것으로 판단된 경우, 방전 프로파일의 기울기를 연산하는 기울기 연산단계; 및
    상기 배터리의 음(-)극을 구성하는 실리콘에 충전된 리튬이 소비되는 정도에 근거하여 방전 종료를 수행하기 위해, 상기 기울기 연산단계에서 연산된 방전 프로파일의 기울기 값을 근거로 방전 종료 여부를 판단하여 방전을 종료하는 방전 종료단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 방전종료 제어 판단단계는,
    배터리의 전압을 측정하는 전압 측정단계; 및
    상기 전압 측정단계에서 측정된 전압을 기 설정된 기준 전압 값과 비교하는 전압 비교단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 방전 종료단계는,
    상기 기울기 연산단계에서 연산된 기울기 값과 기 설정된 기울기 판단 값을 비교하는 기울기 비교단계; 및
    상기 기울기 비교단계에서의 비교결과 연산된 기울기 값이 상기 기울기 판단 값 이하인 경우, 방전 스위치가 오프 되도록 제어하는 방전스위치 제어단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 제어방법.
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