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WO2014137082A1 - 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력 추정 장치 및 방법 - Google Patents

혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력 추정 장치 및 방법 Download PDF

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WO2014137082A1
WO2014137082A1 PCT/KR2014/001277 KR2014001277W WO2014137082A1 WO 2014137082 A1 WO2014137082 A1 WO 2014137082A1 KR 2014001277 W KR2014001277 W KR 2014001277W WO 2014137082 A1 WO2014137082 A1 WO 2014137082A1
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WO
WIPO (PCT)
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secondary battery
voltage
discharge
magnitude
state
Prior art date
Application number
PCT/KR2014/001277
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English (en)
French (fr)
Inventor
조원태
차선영
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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
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Priority to JP2015555113A priority patent/JP5967638B2/ja
Priority to CN201480002904.6A priority patent/CN104769767B/zh
Publication of WO2014137082A1 publication Critical patent/WO2014137082A1/ko
Priority to US14/523,008 priority patent/US9213069B2/en

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    • 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 estimating the output of a secondary battery comprising a mixed cathode material.
  • a battery may be a device that can be carried in a human hand such as a mobile phone, a laptop computer, a digital camera, a video camera, a tablet computer, a power tool, or the like;
  • Various electric drive power devices such as electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles, hybrid vehicles, electric boats, electric airplanes, and the like;
  • a power storage device used to store power generated by renewable energy or surplus generated power;
  • the field of use extends to an uninterruptible power supply for stably supplying power to various information communication devices including server computers and communication base stations.
  • the cell comprises three basic components: an anode comprising a material that is oxidized while releasing electrons during discharge, and a cathode comprising a material that is reduced while receiving electrons during discharge. And an electrolyte that allows ion transport between the cathode and the anode.
  • the battery may be classified into a primary battery that cannot be reused after being discharged and a secondary battery capable of repetitive charging and discharging because the electrochemical reaction is at least partially reversible.
  • secondary batteries examples include lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-zinc batteries, nickel-iron batteries, silver oxide batteries, nickel metal hydride batteries, zinc-manganese oxide batteries, zinc-bromide batteries, and metal- Air batteries, lithium secondary batteries and the like are known. Among them, lithium secondary batteries have attracted the greatest commercial interest because of their higher energy density, higher battery voltage, and longer shelf life than other secondary batteries.
  • Lithium secondary batteries have characteristics in which intercalation and de-intercalation reactions of lithium ions occur in a positive electrode and a negative electrode. That is, during discharge, lithium ions are detached from the negative electrode material included in the negative electrode and then moved to the positive electrode through the electrolyte and inserted into the positive electrode material included in the positive electrode, and vice versa while charging is in progress.
  • the material used as the cathode material since the material used as the cathode material has a significant effect on the performance of the secondary battery, it is possible to provide a cathode material having a high energy capacity while maintaining stability at high temperature and having a low manufacturing cost. Various attempts are being made. However, there is a limit to satisfying all the performance demands of the market with only one cathode material.
  • the running speed of the electric drive vehicle is proportional to the output of the secondary battery. Therefore, the control unit of the electric drive vehicle has a function of monitoring how much output the secondary battery can provide.
  • the control unit controls various driving devices including a motor so that the electric drive car can be safely driven within the range of output that the secondary battery can produce. Therefore, in order to optimize the driving performance of an electric drive vehicle, a method for accurately calculating the output of a secondary battery is required.
  • the output of the secondary battery is affected by the electrochemical properties of the cathode material. Therefore, the secondary battery may exhibit an unusual electrochemical behavior according to the type of cathode material included in the secondary battery. In this case, it is difficult to accurately estimate the output of the secondary battery.
  • the present invention includes a mixed positive electrode material branding two or more positive electrode materials in consideration of the performance of the secondary battery required by the market, and an apparatus for accurately estimating the output of the secondary battery exhibiting an unusual electrochemical behavior due to the mixed positive electrode material And its purpose is to provide a method.
  • an apparatus for estimating output of a secondary battery wherein at least a first cathode material and a second cathode material, wherein an operating voltage range of the first cathode material is higher than an operating voltage range of the second cathode material.
  • a sensor for measuring a discharge current of a secondary battery including a cathode, an anode, and a separator including a blended cathode material; And estimating a state of charge of the secondary battery, and, in a first condition in which the magnitude of the discharge current is smaller than a magnitude of a threshold current, 'the first resistance as a predefined value' corresponding to the state of charge, the magnitude of the discharge current.
  • the discharge voltage of the secondary battery is estimated using the 'second resistance as a predefined value' corresponding to the state of charge, and the estimated discharge voltage and the measured discharge are estimated.
  • a controller for estimating the output of the secondary battery from the current is
  • the operating voltage range refers to a voltage range in which an electrochemical reaction occurs in the process of discharging the secondary battery.
  • the operating voltage range means a voltage range in which lithium ions are inserted into the cathode material.
  • the first positive electrode material first participates in an electrochemical reaction.
  • the second cathode material participates in the electrochemical reaction.
  • the voltage at which the second cathode material starts to participate in the electrochemical reaction may be uniquely determined according to the type and mixing ratio of the first cathode material and the second cathode material. In the present invention, the voltage at which the second cathode material begins to participate in the electrochemical reaction is called a transition voltage.
  • the state of charge is a parameter that indicates the remaining charge of the secondary battery, and is represented as SOC or z in the technical field to which the present invention belongs.
  • the parameter SOC is used to indicate the state of charge in% scale
  • parameter z is used to indicate the state of charge in the normalized range of 0-1.
  • the state of charge may be determined as a relative ratio of the remaining dischargeable capacity based on the total capacity discharged when the secondary battery is discharged from the upper limit to the lower limit of the operating voltage range of the secondary battery.
  • the state of charge is a method of integrating the charge and discharge current of the secondary battery, the method of estimating from the open voltage of the secondary battery, the method of estimating using a Kalman filter or an extended Kalman filter is known in the art.
  • the state of charge can be easily estimated by selectively applying various methods known in the art.
  • the discharge voltage of the secondary battery means a secondary battery voltage when the discharge current flows out of the secondary battery for a predetermined time.
  • the discharge voltage of the secondary battery decreases as the magnitude of the discharge current increases.
  • the discharge voltage of the secondary battery including one cathode material decreases linearly as the magnitude of the discharge current flowing out of the secondary battery increases.
  • the decreasing slope of the discharge voltage corresponds to the resistance of the secondary battery, and the decreasing slope tends to have a constant value regardless of the magnitude of the discharge current.
  • the cathode material involved in the electrochemical reaction is changed according to the voltage range, and the resistance of the secondary battery also changes when such a cathode material is accompanied.
  • the above resistance change phenomenon occurs when the state of charge of the secondary battery falls within an appropriate range and the magnitude of the discharge current increases to some extent, thereby lowering the voltage of the secondary battery to a transition voltage at which the second cathode material can participate in an electrochemical reaction. do.
  • the state of charge of the secondary battery is too large, the voltage of the secondary battery does not decrease to the transition voltage even when the magnitude of the discharge current increases.
  • the state of charge of the secondary battery is too low, since the electrochemical reaction of the first positive electrode material is actually completed and only the second positive electrode material is involved in the electrochemical reaction, there is no change in resistance due to the change of the positive electrode material.
  • a predetermined charge state section in which a resistance change of the secondary battery can be observed while the secondary battery is discharged is called a resistance change section.
  • the present invention refers to the discharge current when the resistance change of the secondary battery starts to be observed substantially.
  • produces a 1st resistance
  • produces a 2nd resistance
  • the magnitude of the threshold current increases as the state of charge of the secondary battery increases within a resistance change period. This is because when the state of charge increases, the voltage of the secondary battery decreases to the transition voltage only when the magnitude of the discharge current increases.
  • the first resistance and the second resistance may be defined in advance for each state of charge of the secondary battery through experiments.
  • the first resistance increases as the state of charge of the secondary battery decreases within the resistance change period.
  • the second resistor does not show a significant change even when the state of charge of the secondary battery changes within the resistance change period.
  • the controller may refer to data regarding the first resistor and / or the second resistor predefined for each charging state in order to obtain the first resistor and / or the second resistor.
  • the controller may obtain the magnitude of the threshold current corresponding to the estimated charging state by referring to data on the magnitude of the threshold current predefined for each charging state and determine the first condition and the second condition. .
  • the controller may estimate the discharge voltage of the secondary battery using a first voltage change calculated from the first resistance and the measured discharge current under the first condition.
  • the first voltage change amount can be calculated by Ohm's law.
  • the controller may estimate the discharge voltage of the secondary battery by subtracting the first voltage change amount from the 'first voltage of the secondary battery as a predefined value' corresponding to the estimated charging state.
  • the first voltage is an open voltage of a secondary battery corresponding to the estimated charging state.
  • the control unit may refer to data regarding an open voltage predefined for each state of charge of the secondary battery to obtain the first voltage.
  • the data regarding the open voltage can be obtained by performing a discharge experiment of the secondary battery under conditions in which the open voltage of the secondary battery can be accurately measured according to the state of charge.
  • control unit may estimate the discharge voltage of the secondary battery using the second voltage change amount calculated from the second resistance and the measured discharge current under the second condition.
  • the second voltage change amount can be calculated by Ohm's law.
  • the controller may estimate the discharge voltage of the secondary battery by subtracting the second voltage change from the 'second voltage of the secondary battery as a predefined value' corresponding to the estimated charging state.
  • the second voltage may be uniquely determined according to the type and mixing ratio of the first cathode material and the second cathode material.
  • the second voltage can be obtained by experimentally observing how the discharge voltage of the secondary battery changes according to the magnitude of the discharge current when the secondary battery in any state of charge is discharged.
  • the second voltage may be predefined as a fixed value or variable value (eg, a transition voltage) for each state of charge of the secondary battery.
  • the second voltage may be defined in advance so that its value may be lowered according to the degree of degeneration of the secondary battery.
  • the apparatus for estimating the output of a secondary battery may further include a storage unit coupled to the control unit, and the controller may store the estimated output of the secondary battery in the storage unit.
  • an output estimating apparatus of a secondary battery further includes a communication interface coupled with the control unit, and the control unit outputs the estimated output of the secondary battery to an external device through the communication interface. can do.
  • an output estimating apparatus for a secondary battery further includes a display unit coupled to the control unit, and the control unit may display the estimated output of the secondary battery through the display unit in a graphic interface.
  • the storage unit at least one data selected from the group consisting of the first resistor, the second resistor, the magnitude of the threshold current, the first voltage and the second voltage, defined for each charging state. Can save and update.
  • the output estimating apparatus of the secondary battery according to the present invention may be included in various electric drive devices using the secondary battery as an energy source.
  • a method for estimating output of a secondary battery wherein at least a first cathode material and a second cathode material, wherein an operating voltage range of the first cathode material is higher than an operating voltage range of the second cathode material.
  • the method for estimating the output of a secondary battery according to the present invention may include storing the estimated output of the secondary battery, and / or outputting the output of the estimated secondary battery to an external device, and / or The method may further include displaying the estimated output of the secondary battery through a graphic interface.
  • the technical problem of the present invention can also be achieved by a computer-readable recording medium in which the above-described method for estimating the output of a secondary battery is programmed.
  • the present invention it is possible to easily and simply estimate the output of the secondary battery including the mixed cathode material in the state of charge in which the resistance of the secondary battery changes.
  • FIG. 1 is a graph illustrating a result of measuring resistance of a secondary battery according to a change in state of charge while performing pulse discharge on a secondary battery at a discharge rate of 5c.
  • FIG. 2 is a graph illustrating a result of measuring an opening voltage of a secondary battery according to a change in state of charge while performing pulse discharge at a discharge rate of 5c.
  • FIG. 3 is a graph illustrating I-V profiles recorded by measuring a change pattern of a discharge voltage when a secondary battery is pulsed at different discharge rates while changing a state of charge of the secondary battery.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of an apparatus for estimating an output of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing that the first resistor and the second term of the present invention correspond to the slope of the straight section of the left and right of the I-V profile.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of estimating output of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the lithium secondary battery is a generic term for a secondary battery in which lithium ions act as operating ions during charging and discharging to induce an electrochemical reaction in the positive electrode and the negative electrode.
  • the working ions refer to ions participating in the electrochemical oxidation and reduction reaction in the process of charging or discharging the secondary battery, for example, lithium. Therefore, even if the name of the secondary battery is changed according to the type of electrolyte or separator used in the lithium secondary battery, the type of packaging material used to package the secondary battery, the internal or external structure of the lithium secondary battery, the lithium ion is used as the working ion. All secondary batteries should be interpreted as being included in the category of the lithium secondary battery.
  • this invention is applicable also to other secondary batteries other than a lithium secondary battery. Therefore, even if the operating ion is not a lithium ion, any secondary battery to which the technical idea of the present invention can be applied should be construed as being included in the scope of the present invention regardless of its type.
  • secondary batteries are not limited by the number of elements which comprise it.
  • secondary batteries may include a single cell based on a negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode, an assembly of a single cell, a module in which a plurality of assemblies are connected in series and / or in parallel, a pack in which a plurality of modules are connected in series and / or in parallel, Should be interpreted to include battery systems connected in series and / or in parallel.
  • the secondary battery includes LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NMC cathode material) and LiFePO 4 (LFP cathode material) as the first cathode material and the second cathode material.
  • the mixing ratio of the NMC cathode material and the LFP cathode material is 7: 3 (weight ratio).
  • the negative electrode material included in the secondary battery is graphite, and the electrolyte is lithium phosphate LiPF 6 in a solvent in which EC (Ethylene Carbonate): DMC (Dimethyl Carbonate): EMC (EthylMethyl Carbonate) is mixed at a ratio of 3: 4: 3 (weight ratio). Added electrolyte.
  • the separator As the separator, an inorganic particle coated on the surface of the porous polyolefin substrate was used.
  • the secondary battery was made of a pouch type secondary battery and had a capacity of 43.05 Ah.
  • the secondary battery is manufactured to be charged and discharged in the range of 2.6V to 4.2V based on the open voltage.
  • 1 and 2 are graphs showing the results of measuring the resistance and the open circuit voltage of the secondary battery according to the change of the charging state while the secondary battery was pulsed at a discharge rate of 5c.
  • the voltage flat section means a profile portion having a small change in voltage on the basis of the inflection point.
  • the reason why the Convex pattern and the voltage flatness are observed in the resistance and the open voltage profile of the secondary battery is that the type of cathode material into which lithium ions are inserted when the secondary battery is discharged in a specific state of charge is defined in the NFP cathode material. Because it changes to.
  • lithium ions are mainly inserted into the NMC cathode material.
  • the secondary battery is discharged in the charging state section lower than the charging state section in which the cathode material is changed, lithium ions are mainly inserted into the LFP cathode material.
  • the secondary battery is discharged in a charged state section in which the cathode material is changed, lithium ions are inserted into the LFP cathode material as the capacity for inserting lithium ions into the NMC cathode material is exhausted.
  • lithium ions are inserted into the LFP cathode material, lithium ions are continuously inserted into the NMC cathode material, and when the NMC cathode material runs out of capacity to accommodate the insertion of lithium ions, the lithium ion is only inserted into the LFP cathode material thereafter. This is done.
  • the type change of the positive electrode material is made when the secondary battery is discharged in the charge state range corresponding to 3.2 V in which the inflection point occurs in the open voltage profile shown in FIG. 2.
  • the reason why the resistance of the secondary battery suddenly increases is that the resistance of the NMC cathode material suddenly increases while the NMC cathode material exhausts most of the capacity for accepting lithium ions.
  • the reason why the resistance of the secondary battery is lowered again is that the lithium ions are inserted into the LFP cathode material and the low resistance characteristics of the LFP cathode material are expressed as the resistance of the secondary battery.
  • FIG. 3 is a graph illustrating IV profiles obtained by measuring a change pattern of a discharge voltage V dis when a secondary battery is pulsed with a discharge current having a different magnitude while changing a state of charge of a secondary battery.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 3 represents the magnitude of the discharge current in terms of discharge rate (c-rate), and the vertical axis represents the discharge voltage (V dis ) of the secondary battery.
  • V dis the discharge voltage of the secondary battery.
  • shaft considering the point that the use voltage range of the secondary battery is 2.60-4.20V, the whole use voltage range was shown.
  • the operating voltage range of the secondary battery may vary depending on the type and branding ratio of the first cathode material and the second cathode material.
  • the discharge voltage (V dis ) means the voltage of the secondary battery measured immediately after the pulse discharge of the secondary battery for 10 seconds.
  • the secondary battery open circuit voltage (OCV) before the pulse discharge started was set to be the same. Accordingly, the plurality of points on the same profile represent a measurement result of the discharge voltage V dis when the secondary battery is pulse discharged with different magnitudes of discharge current under the same state of charge.
  • the IV profile (1) corresponding to 100% state of charge shows that when the secondary battery having an open voltage of 4.20 V is discharged for 10 seconds under the discharge rate conditions of 5c and 10c, respectively, the discharge voltage V dis is increased. Show how it changes.
  • the operating voltage range shown on the vertical axis of FIG. 3 can be largely divided into a first voltage section ⁇ V 1 , a transition voltage section ⁇ V t , and a second voltage section ⁇ V 2 .
  • the IV profile in which the Y intercept (ie, the open voltage) belongs to the first voltage section ⁇ V 1 and the second voltage section ⁇ V 2 has a pattern in which the discharge voltage V dis decreases with a constant slope.
  • a profile in which the Y intercept (ie, the open voltage) belongs to the transition voltage section ⁇ V t has a pattern in which the slope of the discharge voltage V dis decreases.
  • Open-circuit voltage is the first voltage range of the secondary battery, the IV profile belonging to ( ⁇ V 1) (1 to 5) decrease slope is substantially constant and the first voltage interval ( ⁇ V 1) open before the discharge start voltage in the It can be seen that the lower the IV profile moves downward in parallel.
  • the decreasing slope of the IV profiles 1 to 5 is substantially the resistance of the secondary battery since the rate of change of the discharge voltage with respect to the change of the discharge rate.
  • the open-circuit voltage is the first voltage interval ( ⁇ V 1) confirmed that even if the secondary battery is a change in magnitude of the discharge current that belong to the resistance is kept constant Can be.
  • the IV profiles 6-9 when the open voltage of the secondary battery belongs to the transition voltage section ⁇ V t have a characteristic in which the decrease inclination changes around 3.2V.
  • 3.2V corresponds to a transition voltage (see dotted box in FIG. 2) at which the type of cathode material into which lithium ions are inserted starts to change from an NMC cathode material to an LFP cathode material. Therefore, when the magnitude of the discharge current increases to the extent that the voltage of the secondary battery can decrease to around 3.2V, lithium ions start to be inserted into the LFP cathode material. As the LFP cathode material starts to participate in the electrochemical reaction, the resistance change of the secondary battery occurs. Referring to FIG.
  • the present invention defines a predetermined charging state section in which the resistance change of the secondary battery can be observed as the change in the slope of the I-V profile while the secondary battery is discharged.
  • the present invention defines the magnitude of the discharge current at which the resistance change of the secondary battery occurs as the magnitude of the threshold current.
  • the magnitude of the threshold current can be calculated from the discharge rate at the point where the straight line A meets the I-V profiles 6-9.
  • the magnitude of the threshold current increases as the state of charge of the secondary battery increases within a resistance change period. This is because when the state of charge increases, the voltage of the secondary battery becomes low enough that the second cathode material is involved in the electrochemical reaction only when the magnitude of the discharge current increases.
  • this invention defines the secondary battery resistance before a resistance change generate
  • the first resistance is the decreasing slope of the straight section located to the left of the point where the I-V profile intersects the straight line A.
  • the second resistance is a decreasing slope of the straight section located to the right of the point where the I-V profile intersects the straight line A.
  • the straight sections on the left of the intersection have different decreasing slopes, and the decreasing slope increases as the state of charge before discharge starts. This is because the straight section to the left of the intersection corresponds to the section in which the NMC cathode material is involved in the electrochemical reaction, and the lower the state of charge, the more difficult it is to insert lithium ions into the NMC cathode material, thereby increasing the resistance of the secondary battery.
  • the change of the decrease slope hardly occurs even when the state of charge before the discharge starts. This is because the straight section to the right of the intersection corresponds to the section in which the LFP cathode material is involved in the electrochemical reaction, and the LFP cathode material does not have a large change in resistance even when the state of charge before discharge is different.
  • the first resistance increases as the state of charge of the secondary battery decreases within the resistance change period, and the state of charge of the secondary battery changes within the resistance change period. Nor can it be seen that there is no significant change.
  • IV profile (10 and 11) throughout the discharge rate region has a pattern which decreases linearly with a constant slope
  • IV profile (10 and 11) of the slope is within the second voltage interval ( ⁇ V 2) It increases as the open voltage before discharge starts. This is because as the open voltage decreases, the resistance of the material used as the negative electrode material increases, thereby increasing the resistance of the secondary battery.
  • I-V profiles 1- 5 and 10-11 are inclined, the resistance of the secondary battery is constant even if the discharge rate of the secondary battery changes.
  • I-V profiles 6-9 can be seen that the resistance of the secondary battery gradually decreases as the discharge rate increases and then converges to a constant value.
  • the present invention has been devised based on the above experimental observation, and defines the first resistance and the second resistance in advance for each state of charge in the state of charge in which the resistance change occurs, and discharge of the secondary battery according to the magnitude of the discharge current.
  • the resistance value used when estimating the voltage is selected from the first resistor and the second resistor, the discharge voltage of the secondary battery is estimated using the selected resistance value, and the estimated discharge voltage and the magnitude of the discharge current are used.
  • An apparatus and method for estimating the output of a secondary battery are provided.
  • FIG. 4 is a block diagram schematically showing the configuration of an output estimating apparatus 100 of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the output estimating apparatus 100 of the secondary battery according to the present invention includes a sensor 110 and a controller 120.
  • the apparatus 100 may be connected between the secondary battery 130 and the load 135 to estimate the output of the secondary battery 130 including the mixed cathode material in the positive electrode.
  • the mixed positive electrode material includes at least a first positive electrode material and a second positive electrode material, and an operating voltage range of the first positive electrode material is higher than an operating voltage range of the second positive electrode material. Therefore, when the secondary battery is continuously discharged, the first positive electrode material mainly participates in the electrochemical reaction in the high voltage range, and the second positive electrode material mainly participates in the electrochemical reaction in the low voltage range.
  • the first cathode material and the second cathode material may be NMC cathode materials and LFP cathode materials, respectively.
  • the secondary battery 130 may be a lithium secondary battery, but the present invention is not limited by the type of battery.
  • the secondary battery 130 may be mounted on various kinds of electric driving apparatuses capable of operating with electrical energy, and the electric driving apparatus is not particularly limited in kind.
  • the electric drive device may be a mobile computer device such as a mobile phone, a laptop computer, a tablet computer, or a handheld multimedia device including a digital camera, a video camera, an audio / video playback device, and the like.
  • a mobile computer device such as a mobile phone, a laptop computer, a tablet computer, or a handheld multimedia device including a digital camera, a video camera, an audio / video playback device, and the like.
  • the electric drive device may be an electric power device capable of being moved by electricity, such as an electric vehicle, a hybrid car, an electric bicycle, an electric motorcycle, an electric train, an electric boat, an electric plane, or an electric drill, an electric grinder, or the like. It can be a power tool with a motor as well.
  • the electric drive device is a large-capacity power storage device that is installed in the power grid to store renewable energy or surplus power generation, or various information including a server computer or mobile communication equipment in an emergency such as a power failure It may be an uninterruptible power supply for supplying power to a communication device.
  • the load 135 is included in various electric driving apparatuses, and means an energy consuming apparatus included in the electric driving apparatus operated by electric energy supplied when the secondary battery 130 is discharged.
  • the load 135 may be a rotary power device such as a motor, a power converter such as an inverter, or the like as a non-limiting example, but the present invention is not limited by the type of load.
  • the sensor 110 may measure the discharge current of the secondary battery under the control of the controller 120, and output the measured value of the discharge current to the controller 120.
  • the sensor 110 may receive a control signal for measuring a discharge current from the controller 120. When the control signal is received, the sensor 110 outputs a discharge current measurement value to the controller 120.
  • the sensor 110 may further measure the charging current of the secondary battery 130 under the control of the controller 120, and output the measured value of the charging current to the controller 120.
  • the sensor 110 may further measure the voltage of the secondary battery 130 under the control of the controller 120, and may output the voltage measurement value to the controller 120.
  • the sensor 110 may further measure the temperature of the secondary battery 130 under the control of the controller 120, and may output the temperature measurement value to the controller 120.
  • the sensor 110 When the sensor 110 measures a plurality of characteristic values in the group consisting of current, voltage, and temperature for the secondary battery 130, the sensor 110 individually determines a component capable of measuring each characteristic value. It may be included as, it is apparent that the component that can measure each characteristic value may be divided.
  • the controller 120 receives the charge current measurement value and the discharge current measurement value while the secondary battery 130 is operating through the sensor 110 to estimate the state of charge of the secondary battery 130 by the current integration method. can do.
  • the controller 120 may estimate the state of charge by calculating the ratio of the pre-defined full charge capacity of the secondary battery 130 and the amount of current accumulated in the net from the secondary battery 130. For example, if the ratio of current accumulated in the net to the full charge capacity is 20%, the state of charge becomes 80%.
  • the control unit 120 When estimating the state of charge of the secondary battery 130, the control unit 120 is known in the art, such as a method of obtaining from an open voltage of a secondary battery, a method using a Kalman filter or an extended Kalman filter, in addition to the current integration method. Other methods can be used.
  • the control unit 120 obtains a discharge current measurement value by controlling the sensor 110 when the estimation of the output of the secondary battery 130 is required, and when the magnitude of the discharge current is smaller than the magnitude of the threshold current, a first condition As a result, the output of the secondary battery 130 may be estimated. If the magnitude of the discharge current is greater than the threshold current, the output of the secondary battery 130 may be estimated according to the second condition.
  • the magnitude of the threshold current may be predefined for each state of charge of the secondary battery 130.
  • the controller 120 determines a 'predetermined magnitude of the threshold current' corresponding to the current state of charge of the secondary battery 130, and compares the magnitude of the determined threshold current with the magnitude of the discharge current. The condition to use when estimating the output of 130 can be determined.
  • the magnitude of the threshold current can be easily defined by obtaining I-V profiles as illustrated in FIG. 3 through discharge experiments.
  • the threshold current may be defined as the magnitude of the discharge current corresponding to the point where each I-V profile corresponding to the resistance change period passes through the transition voltage (for example, 3.2V).
  • the magnitude of the threshold current may be calculated in real time using a 'predefined I-V profile' corresponding to the current state of charge of the secondary battery 130.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a predefined I-V profile for a given state of charge for secondary battery 130.
  • the slope of the I-V profile indicating the change of the discharge voltage changes according to the magnitude of the discharge current.
  • the I-V profile may be approximated by a combination of the left straight section 200 and the right straight section 300.
  • the magnitude of the threshold current for the IV profile may be approximately defined as the magnitude (I * ) of the discharge current corresponding to the point where the left straight line 200 and the right straight line 300 meet.
  • Equation 1 The linear equations corresponding to the left straight section 200 and the right straight section 300 and the magnitude of the threshold current may be defined as in Equation 1 below.
  • V dis V 1 -I dis * R 1
  • V dis V 2 -I dis * R 2
  • I * (V 1 -V 2 ) / (R 1 -R 2 )
  • V 1 is a voltage corresponding to the Y-intercept of the linear equation of the left linear section 200, and corresponds to an open voltage before the secondary battery 130 is discharged. V 1 may be predefined for each state of charge of the secondary battery 130.
  • V 2 is a voltage corresponding to the Y intercept of the linear equation corresponding to the right linear section 300, and the resistance of the secondary battery 130 is the right linear section regardless of the magnitude of the discharge current while the secondary battery 130 is discharged. Assuming that the resistance value corresponds to the slope of 300, the secondary battery 130 corresponds to an open voltage before the secondary battery 130 is discharged.
  • V 2 may be predefined for each state of charge of the secondary battery 130. Alternatively, V 2 may be set to a fixed value, such as the transition voltage of the secondary battery 130 (see 3.2V in FIG. 3).
  • the transition voltage approximately corresponds to the voltage at which the second cathode material begins to participate in the electrochemical reaction.
  • the transition voltage may be previously defined such that the value decreases as the degree of degeneration of the secondary battery 130 increases.
  • I dis represents the magnitude of the discharge current measured when the secondary battery 130 is discharged.
  • R 1 corresponds to the slope of the left linear section 200, and is a resistance of the secondary battery 130 when the first positive electrode material mainly engages in an electrochemical reaction while the secondary battery 130 is discharged. Corresponds to resistance. R 1 may be predefined for each state of charge of the secondary battery 130. For example, R 1 may be defined as an average slope of an IV profile observed on the left side of the threshold current.
  • R 2 corresponds to the slope of the right straight section 300, and the second battery 130 is a resistance of the secondary battery 130 when the second cathode material is mainly involved in an electrochemical reaction while the secondary battery 130 is discharged. Corresponds to resistance.
  • R 2 may be predefined for each state of charge of the secondary battery 130. For example, R 2 may be defined as an average slope of an IV profile observed to the right of the threshold current.
  • V dis represents the discharge voltage when the secondary battery 130 is discharged with the discharge current I dis .
  • the magnitude of the threshold current corresponding to the I-V profile corresponds to the magnitude of the discharge current corresponding to the intersection of the linear equations.
  • V 1 , V 2 , R 1, and R 2 corresponding to the parameters of the linear equations may be predefined for each state of charge based on a plurality of IV profiles obtained through experiments.
  • the controller 120 determines V 1 , V 2 , R 1, and R 2 corresponding to the current state of charge of the secondary battery 130 with reference to the previously defined parameters, and determines the determined parameters and the Equation 1 may be used to calculate the magnitude of the threshold current.
  • the controller 120 After determining the magnitude of the threshold current corresponding to the state of charge of the secondary battery 130, the controller 120 compares the magnitude of the threshold current with the magnitude of the discharge current flowing out of the secondary battery 130.
  • the controller 120 may define the first resistor R 1 and the secondary battery defined in advance corresponding to the state of charge of the secondary battery 130. using the measured discharge current of 130), obtain the first voltage change amount ( ⁇ V dis1) according to the discharging of the secondary battery 130 and determines a discharge voltage (V dis1) of the secondary battery 130. The controller 120 determines the output P dis1 of the secondary battery 130 from the measured discharge current and the determined discharge voltage V dis1 .
  • the controller 120 may determine a predefined second resistor R 2 and a secondary battery corresponding to the state of charge of the secondary battery 130. using the measured discharge current of 130), obtain a second voltage change amount ( ⁇ V dis2 according to the discharge of the secondary battery 130) to determine a discharge voltage (V dis2) of the secondary battery 130. The controller 120 determines the output P dis2 of the secondary battery 130 from the measured discharge current and the determined discharge voltage V dis2 .
  • the controller 120 may determine the discharge voltages V dis1 and V dis2 of the secondary battery 130 by using Equation 2 below.
  • V 1 and V 2 are predefined values according to the state of charge of the secondary battery.
  • V dis1 V 1 -I dis * R 1
  • V dis2 V 2 -I dis * R 2
  • the controller 120 may be electrically coupled with the storage 140.
  • the controller 120 may store and update all parameters predefined in the storage 140, for example, data regarding a first voltage, a second voltage, a threshold current, a first resistor, and a second resistor.
  • the outputs P dis1 and P dis2 of the secondary battery 130 determined under the first and second conditions may be stored.
  • the storage unit 140 is not particularly limited as long as it is a storage medium capable of recording and erasing information.
  • the storage unit 140 may be a RAM, a ROM, a register, a hard disk, an optical recording medium, or a magnetic recording medium.
  • the storage unit 140 may also be connected to the control unit 120 via, for example, a data bus so as to be accessible by the control unit 120.
  • the storage 140 may also include a program including various control logics performed by the controller 120, and / or data generated when the control logic is executed, such as V dis1 , V dis2 , I dis , P dis1, and P dis2 may be stored and / or updated and / or erased and / or transmitted.
  • the storage 140 may be logically divided into two or more, and is not limited to being included in the controller 120.
  • the controller 120 may be electrically coupled with the communication interface 150 to exchange data with an external device.
  • the controller 120 may transmit the determined output of the secondary battery 130 to an external device through the communication interface 150.
  • the external device may be a control means of a device on which the load 135 is mounted.
  • the controller 120 outputs the data regarding the output of the secondary battery 130 to a control unit that integrally controls the driving mechanism of the electric vehicle. Can be transmitted. Then, the control unit can efficiently control the discharge of the secondary battery 130 by using the output information received.
  • the controller 120 may be electrically coupled to the display unit 160.
  • the controller 120 may display the determined output of the secondary battery 130 through the display unit 160 in a graphic interface.
  • the graphical interface may include numbers, letters, graphs, pictures, or a combination thereof.
  • the display unit 160 may be a liquid crystal display, an LED display, an OLED display, an E-INK display, a flexible display, or the like.
  • the display unit 160 may be directly or indirectly connected to the controller 120. When the latter method is adopted, the display unit 160 may be located in an area physically separated from an area in which the control unit 120 is located.
  • a third control means (not shown) is interposed between the display unit 160 and the control unit 120 to provide the third control means to display information from the control unit 120 to the display unit 160. Can be displayed on the display unit 160. To this end, the third control means and the control unit 120 may be connected by a communication line.
  • the display unit 160 does not necessarily need to be included in the device according to the present invention, but may be included in another device connected to the device according to the present invention.
  • the display unit 160 and the control unit 120 are not directly connected, but are indirectly connected to the display unit 160 through a control means included in the other device. Therefore, it should be understood that the electrical connection between the display unit 160 and the control unit 120 also includes such an indirect connection method.
  • the controller 120 may include a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, a register, a communication modem, a data processing device, and the like, which are known in the art for executing various control logics and / or calculation logics. It may optionally include.
  • the control logic when the control logic is implemented in software, the control unit 120 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in a memory and executed by a processor.
  • the memory may be internal or external to the processor and may be coupled to the processor by a variety of known means.
  • the memory may be included in the storage 140.
  • the memory refers to a device that stores information regardless of the type of device, and does not refer to a specific memory device.
  • elements designated as " ⁇ " should be understood to be functionally separated elements rather than physically separated elements.
  • each component may be selectively integrated with other components or each component may be divided into subcomponents for efficient execution of control logic (s).
  • control logic control logic
  • the integrated or divided components should also be interpreted as being within the scope of the present invention, provided that the functional identity can be recognized even if the components are integrated or divided.
  • control unit 120 may be one embodiment of the method for estimating the output of the secondary battery according to the present invention by itself by selectively combining at least one or more. In the following description of the method for estimating the output of the secondary battery, repeated descriptions of the above-described contents will be omitted.
  • FIG. 6 is a flowchart sequentially illustrating a method of estimating output of a secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • step S10 the controller 120 reads and executes control logic necessary for estimating the output of the secondary battery from the storage 140.
  • the controller 120 determines whether a condition for estimating an output is satisfied.
  • the output estimation condition may be established when an output estimation request signal is received from an external device through the communication interface 150.
  • the controller 120 may monitor whether the output estimation request signal is received through the communication interface 150.
  • the output estimation condition may be set to be established whenever a certain time elapses. To this end, the controller 120 may count time and determine that the output estimation condition is established when the count time reaches a preset reference time.
  • step S20 If it is determined in step S20 that the output estimation condition is satisfied, the control unit 120 proceeds to step S30. On the other hand, if it is determined in S20 that the output estimation condition is not satisfied, the process proceeds.
  • the controller 120 controls the sensor 110 to measure the discharge current I dis of the secondary battery 130.
  • the controller 120 estimates the state of charge of the secondary battery 130.
  • the state of charge may be estimated by the current integration method, but the present invention is not limited thereto.
  • the controller 120 determines the magnitude of the threshold current I * corresponding to the estimated charging state.
  • the magnitude of the threshold current I * may be determined by referring to data previously defined for each state of charge and stored in the storage 140. Alternatively, the magnitude of the threshold current I * may be determined in real time by Equation 1.
  • the controller 120 determines a first resistor R 1 and a second resistor R 2 corresponding to the estimated charging state.
  • the first resistor R 1 and the second resistor R 2 may be determined by referring to data previously defined for each state of charge and stored in the storage 140.
  • the controller 120 compares the magnitude of the measured discharge current I dis with the magnitude of the threshold current I * . If the magnitude of the measured discharge current I dis is smaller than the magnitude of the threshold current I * , the controller 120 reports that the first condition is established and proceeds to step S80. On the other hand, if the magnitude of the measured discharge current I dis is not smaller than the magnitude of the threshold current I * , the controller 120 reports that the second condition is established and proceeds to step S120.
  • the controller 120 calculates the first voltage change amount ⁇ V dis1 when the discharge current I dis flows using the first resistor R 1 .
  • the controller 120 determines the discharge voltage V dis1 using the first voltage change amount ⁇ V dis1 .
  • the discharge voltage V dis1 may be determined by Equation 2 described above, and the parameter V1 of Equation 2 may be determined by referring to the open voltage data stored in the storage 140, which is predefined for each state of charge. have.
  • the controller 120 determines the output P dis1 of the secondary battery 130 from the magnitude of the determined discharge voltage V dis1 and the measured discharge current I dis .
  • the controller 120 stores the determined output P dis1 in the storage 140, and / or displays the graphic interface through the display 160, and / or a communication interface. Through the 150 may be transmitted to an external device.
  • step S120 which proceeds when the second condition is established, the controller 120 calculates the second voltage change amount ⁇ V dis2 when the discharge current I dis flows using the second resistor R 2 .
  • step S130 the controller 120 determines the discharge voltage V dis2 using the second voltage change amount ⁇ V dis2 .
  • the discharge voltage V dis2 may be determined by Equation 2 described above, and the parameter V 2 of Equation 2 may be determined by referring to voltage data stored in the storage 140 that is predefined for each state of charge. have.
  • step S140 the controller 120 determines the output P dis2 of the secondary battery 130 from the determined discharge voltage V dis2 and the measured discharge current I dis .
  • operation S150 the controller 120 stores the determined output P dis2 in the storage 140, and / or displays the graphic interface through the display 160, and / or a communication interface. Through the 150 may be transmitted to an external device.
  • control logics and / or calculation logics of the control unit 120 are combined, and the combined control logics are written in a computer readable code system and are computer readable recording media. It may be included in.
  • the recording medium is not particularly limited as long as it is accessible by a processor included in the computer.
  • the recording medium includes at least one selected from the group consisting of a ROM, a RAM, a register, a CD-ROM, a magnetic tape, a hard disk, a floppy disk, and an optical data recording device.
  • code system may be modulated into a carrier signal to be included in a communication carrier at a specific point in time, and may be distributed and stored and executed in a networked computer.
  • functional programs, code and code segments for implementing the combined control logics can be easily inferred by programmers in the art to which the present invention pertains.
  • the materials that can be used as the first and second cathode materials are not particularly limited as long as the materials have different operating voltage ranges.
  • the first cathode material the general formula A [A x M y ] O 2 + z
  • A includes at least one of Li, Na and K; M is Ni, Co, Mn, Ca, Mg, At least one element selected from Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, and Cr; x ⁇ 0, 1 ⁇ x + y ⁇ 2 Or -0.1 ⁇ z ⁇ 2; the stoichiometric coefficients of the components contained in x, y, z and M are alkali metal compounds represented by
  • the second cathode material is a general formula Li a M 1 x Fe 1-x M 2 y P 1-y M 3 z O 4-z
  • M 1 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, At least one element selected from V, Cr, Mo, Ni, Nd, Mg and Al
  • M 2 is Ti, Mn, Co, Fe, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, As, Sb, Si
  • M 3 comprises at least one element selected from halogenated elements including F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; the stoichiometric coefficients of the components contained in a, x, y, z, M 1 , M 2 , and M 3 are selected so that the compound maintains electrical neutrality or Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 may be a lithium metal phosphate represented by [M includes at least one element selected from
  • the first positive electrode material and / or the second positive electrode material may include a coating layer.
  • the coating layer includes at least one element selected from the group consisting of a carbon layer, Ti, Mn, Co, Fe, Cr, Mo, Ni, Nd, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V and S An oxide layer or a fluoride layer may be included.
  • the convex pattern appears in the discharge resistance profile or at least one voltage flat region in the voltage profile Choose to appear.
  • Li [Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ] O 2 and LiFePO 4 are selected as the first cathode material and the second cathode material, respectively.
  • the mixing ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material can be set to 5: 5.
  • Li [Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ] O 2 and LiFePO 4 are selected as the first cathode material and the second cathode material, respectively.
  • the mixing ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material can be set to 2: 8.
  • Li [Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ] O 2 and LiFePO 4 are selected as the first cathode material and the second cathode material, respectively.
  • the mixing ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material can be set to 1: 9.
  • [Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ] O 2 and LiFePO 4 may be formed into a first positive electrode material and a second positive electrode, respectively. It can be selected as the ash, and the mixing ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material can be set to 4: 6.
  • Li [Ni 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 ] O 2 and LiFePO 4 are selected as the first cathode material and the second cathode material, respectively, and the first anode
  • the mixing ratio of the ash and the second cathode material can be set to 9: 1.
  • first and second cathode materials selection of the first and second cathode materials and the adjustment method of the mixing ratio are merely examples. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that the first and second cathode materials can be appropriately selected and the mixing ratio of each cathode material can be appropriately set in consideration of the relative weights and balances of the electrochemical properties to be applied to the mixed cathode material.
  • the number of cathode materials that may be included in the mixed cathode material is not limited to two.
  • LiNiO 2 LiMn 2 O 4
  • the addition of other additives such as a conductive agent, a binder, etc. to the mixed cathode material is not particularly limited in order to improve physical properties of the mixed cathode material. Therefore, a mixed cathode material including at least two cathode materials may be interpreted as being included in the scope of the present invention regardless of the number of cathode materials and the presence of other additives.

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Abstract

본 발명은, 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력 추정 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 장치는, 적어도 제1양극재 및 제2양극재- 여기서, 제1양극재의 동작 전압 범위가 제2양극재의 동작 전압 범위보다 높음 -가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 이차 전지의 방전 전류를 측정하는 센서; 및 상기 이차 전지의 충전 상태를 추정하고, 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류의 크기보다 작은 제1조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제1저항'을, 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류의 크기보다 큰 제2 조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제2저항'을 이용하여 이차 전지의 방전 전압을 결정하고, 상기 결정된 방전 전압과 상기 측정된 방전 전류로부터 이차 전지의 출력을 결정하는 제어부;를 포함한다.

Description

혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력 추정 장치 및 방법
본 발명은 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력을 추정하는 장치와 방법에 관한 것이다.
본 출원은, 2013년 3월 4일자로 출원된 대한민국 출원 제10-2013-0022963호 및 2014년 02월 17일자로 출원된 대한민국 출원 제10-2014-0017727호의 우선권 주장 출원으로서, 본 참조에 의해 상기 특허출원의 명세서는 본 출원의 일부로서 참조되고 원용된다.
전지는 전기화학적인 산화 및 환원 반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 것으로, 광범위하게 다양한 용도로 이용된다. 예를 들어, 전지는 휴대 전화, 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 태블릿 컴퓨터, 전동 공구 등과 같이 사람의 손에 휴대할 수 있는 장치; 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치; 신재생 에너지를 통해 발전된 전력이나 잉여 발전 전력을 저장하는데 사용되는 전력 저장 장치; 서버 컴퓨터와 통신용 기지국을 비롯한 각종 정보 통신 장치에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 무정전 전원 공급 장치 등에 이르기까지 사용 영역이 점차 확대되고 있다.
전지는, 3가지의 기본 구성요소를 포함하는데, 이는, 방전되는 동안 전자를 방출하면서 산화되는 물질을 포함하는 음극(anode), 방전되는 동안 전자를 수용하면서 환원되는 물질을 포함하는 양극(cathode), 그리고 음극과 양극 사이에서 이온 이동이 가능하게 하는 전해질이 바로 그것이다.
전지에는 방전된 후에는 재사용이 불가능한 일차 전지와, 전기화학 반응이 적어도 부분적으로는 가역적이어서 반복적인 충전과 방전이 가능한 이차 전지로 분류될 수 있다.
이차 전지로는, 납-산 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-아연 전지, 니켈-철 전지, 은 산화물 전지, 니켈 금속 수화물(hydride) 전지, 아연-망간 산화물 전지, 아연-브로마이드 전지, 금속-공기 전지, 리튬 이차 전지 등이 공지되어 있다. 이들 중에서, 리튬 이차 전지는 다른 이차 전지에 비해 에너지 밀도가 높고 전지 전압이 높으며 보존 수명이 길다는 이유로 상업적으로 가장 큰 관심을 끌고 있다.
리튬 이차 전지는, 양극과 음극에서 리튬 이온의 삽입(intercalation)과 탈리(de-intercalation) 반응이 일어나는 특성이 있다. 즉, 방전이 진행되는 동안에는, 음극에 포함된 음극재로부터 리튬 이온이 탈리된 후 전해질을 통해 양극으로 이동하여 양극에 포함된 양극재에 삽입되고 충전이 진행되는 동안에는 그 반대가 된다.
리튬 이차 전지에 있어서, 양극재로 사용되는 물질이 이차 전지의 성능에 중요한 영향을 미치기 때문에, 고온에서 안정성을 유지하면서도 높은 에너지 용량을 제공할 수 있고, 또한 제조비용이 낮은 양극재를 제공하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 하지만, 아직까지는 어느 하나의 양극재만으로 시장에서 요구하는 성능을 모두 충족시키는 것은 한계가 있다.
한편, 최근 들어 화석 연료의 고갈과 대기 오염의 심화로 인해 친환경 에너지에 대한 요구가 급증하고 있다. 이에 따라, 이차 전지로부터 공급되는 전기 에너지를 사용하여 운행이 가능한 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기 구동 자동차의 상용화가 선진국을 중심으로 활발하게 진행되고 있다.
전기구동 자동차의 운행 속도는 이차 전지의 출력에 비례한다. 따라서 전기구동 자동차의 컨트롤 유닛은 이차 전지가 제공할 수 있는 출력이 어느 정도인지 모니터하는 기능을 가진다. 그리고 상기 컨트롤 유닛은 이차 전지가 낼 수 있는 출력의 범위 내에서 전기구동 자동차가 안전하게 구동될 수 있도록 모터를 포함한 각종 구동 장치를 제어한다. 따라서 전기구동 자동차의 주행 성능을 최적화하기 위해서는 이차 전지의 출력을 정확하게 계산할 수 있는 방법이 필요하다.
이차 전지의 출력은 양극재의 전기화학적 물성에 의해 영향을 받는다. 따라서 이차 전지에 포함된 양극재의 종류에 따라 이차 전지가 특이한 전기화학적 거동을 나타낼 수 있다. 이러한 경우, 이차 전지의 출력을 정확하게 추정하는데 어려움이 따른다.
본 발명은 시장이 요구하는 이차 전지의 성능을 고려하여 2개 이상의 양극재를 브랜딩한 혼합 양극재를 포함하고, 상기 혼합 양극재로 인해 특이한 전기화학적 거동을 나타내는 이차 전지의 출력을 정확하게 추정하는 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 적어도 제1양극재 및 제2양극재- 여기서, 제1양극재의 동작 전압 범위가 제2양극재의 동작 전압 범위보다 높음- 가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 이차 전지의 방전 전류를 측정하는 센서; 및 상기 이차 전지의 충전 상태를 추정하고, 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류의 크기보다 작은 제1조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제1저항'을, 상기 방전 전류의 크기가 상기 임계 전류의 크기보다 큰 제2 조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제2저항'을 이용하여 이차 전지의 방전 전압을 추정하고, 상기 추정된 방전 전압과 상기 측정된 방전 전류로부터 이차 전지의 출력을 추정하는 제어부;를 포함한다.
여기서, 동작 전압 범위는 이차 전지가 방전되는 과정에서 전기 화학적 반응이 일어나는 전압 범위를 말한다. 일 예로, 리튬 이차 전지의 방전 과정에서는 리튬 이온이 양극재에 삽입되는 전기 화학적 반응이 일어나므로, 동작 전압 범위는 리튬 이온이 양극재에 삽입되는 전압 범위를 의미한다.
상기 제1양극재의 동작 전압 범위가 상기 제2양극재의 동작 전압 범위보다 상대적으로 높으므로, 이차 전지가 연속적으로 방전되면 상기 제1양극재가 먼저 전기화학적 반응에 참여한다. 그리고, 상기 제1양극재의 전기화학적 반응이 대부분 완료되면 상기 제2양극재가 전기화학적 반응에 참여한다. 상기 제2양극재가 전기화학적 반응에 참여하기 시작하는 전압은 상기 제1양극재와 상기 제2양극재의 종류 및 혼합 비율에 따라 고유하게 결정될 수 있다. 본 발명은, 상기 제2양극재가 전기화학적 반응에 참여하기 시작하는 전압을 전이 전압이라고 명명한다.
상기 충전 상태는, 이차 전지에 남아 있는 충전 잔량을 의미하는 파라미터로서, 본 발명이 속한 기술분야에서는 SOC 또는 z 라는 파라미터로서 나타낸다. 상기 파라미터 SOC는 충전 상태를 % 스케일로 표시할 때 사용되고, 파라미터 z는 충전 상태를 0-1의 노말라이즈된 범위로 표시할 때 사용된다.
상기 충전 상태는, 이차 전지가 가지는 동작 전압 범위의 상한부터 하한까지 이차 전지를 방전시켰을 때 방전되는 전체 용량을 기준으로 현재 남아 있는 방전 가능한 용량의 상대적 비율로서 결정할 수 있다.
상기 충전 상태는, 이차 전지의 충전 및 방전 전류를 적산하여 계산하는 방식, 이차 전지의 개방전압으로부터 추정하는 방식, 칼만 필터 또는 확장 칼만 필터를 이용하여 추정하는 방식 등이 당업계에 공지되어 있다.
따라서, 상기 충전 상태는 본 발명이 속하는 기술 분야에 공지된 여러 가지 방식을 선택적으로 적용하여 쉽게 추정할 수 있다.
상기 이차 전지의 방전 전압은, 소정 시간 동안 상기 방전 전류가 이차 전지로부터 흘러 나갔을 때의 이차 전지 전압을 의미한다. 상기 이차 전지의 방전 전압은, 방전 전류의 크기가 클수록 감소한다.
하나의 양극재를 포함하는 이차 전지의 방전 전압은, 상기 이차 전지로부터 빠져 나가는 방전 전류의 크기가 클수록 선형적으로 감소한다. 그리고, 상기 방전 전압의 감소 기울기는 이차 전지의 저항에 해당하고, 상기 감소 기울기는 방전 전류의 크기와 무관하게 일정한 값을 가지는 경향이 있다.
동작 전압 범위가 다른 제1 및 제2양극재를 포함하는 이차 전지는, 전압 범위에 따라서 전기화학적 반응에 관여하는 양극재가 변경되며, 이러한 양극재의 변경이 수반되면 이차 전지의 저항도 변화한다.
따라서 이차 전지가 방전되는 동안 제2양극재가 전기화학적 반응에 참여하기 시작하면 방전 전압의 감소 기울기, 즉 이차 전지의 저항이 변경되는 현상이 나타난다.
위와 같은 저항 변경 현상은, 이차 전지의 충전 상태가 적절한 범위에 속하고 방전 전류의 크기가 어느 정도 증가하여 이차 전지의 전압이 제2양극재가 전기화학적 반응에 참여할 수 있는 전이 전압까지 낮아졌을 때 발생한다.
바꿔 말하면, 이차 전지의 충전 상태가 너무 크면 방전 전류의 크기가 증가해도 이차 전지의 전압이 전이 전압까지 낮아지지 않는다. 또한, 이차 전지의 충전 상태가 너무 낮으면 제1양극재의 전기화학적 반응이 사실 상 완료되고 제2양극재만 전기화학적 반응에 관여하므로 양극재의 변경에 따른 저항 변화가 생기지 않는다.
본 발명은, 이차 전지가 방전되는 동안 이차 전지의 저항 변화가 관찰될 수 있는 소정의 충전 상태 구간을 저항 변화 구간이라 명명한다.
또한, 본 발명은, 이차 전지의 저항 변화가 실질적으로 관찰되기 시작할때의 방전 전류를 임계 전류라고 명명한다.
또한, 본 발명은, 저항 변화가 생기기 전의 이차 전지 저항을 제1저항, 그리고 저항 변화가 생긴 후의 이차 전지 저항을 제2저항이라고 명명한다.
상기 임계 전류의 크기는 저항 변화 구간 내에서 이차 전지의 충전 상태가 클수록 커진다. 충전 상태가 증가하면 방전 전류의 크기가 증가해야만 이차 전지의 전압이 전이 전압까지 낮아지기 때문이다.
상기 제1저항과 상기 제2저항은, 실험을 통해, 이차 전지의 충전 상태별로 미리 정의될 수 있다. 상기 제1저항은, 상기 저항 변화 구간 내에서 이차 전지의 충전 상태가 낮을수록 증가한다. 그리고, 상기 제2저항은, 상기 저항 변화 구간 내에서 이차 전지의 충전 상태가 변화하여도 의미 있는 변화를 나타내지 않는다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 제1저항 및/또는 상기 제2저항을 얻기 위해, 충전 상태별로 미리 정의되어 있는 제1저항 및/또는 제2저항에 관한 데이터를 참조할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 충전 상태 별로 미리 정의되어 있는 임계 전류의 크기에 대한 데이터를 참조하여 상기 추정된 충전 상태에 대응되는 임계 전류의 크기를 얻고 상기 제1조건 및 제2조건을 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 제1조건에서, 상기 제1저항과 상기 측정된 방전 전류로부터 계산되는 제1전압 변화량을 이용하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 추정할 수 있다. 여기서, 상기 제1전압 변화량은 오옴의 법칙에 의해 계산할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 추정된 충전 상태에 대응되는 '미리 정의된 값으로서의 이차 전지의 제1전압'으로부터 상기 제1전압 변화량을 감산하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 추정할 수 있다.
여기서, 상기 제1전압은, 상기 추정된 충전 상태에 대응되는 이차 전지의 개방전압이다. 상기 제어부는 상기 제1전압을 얻기 위해 이차 전지의 충전 상태 별로 미리 정의되어 있는 개방전압에 관한 데이터를 참조할 수 있다.
상기 개방전압에 관한 데이터는 충전 상태에 따라 이차 전지의 개방전압을 정확하게 측정할 수 있는 조건에서 이차 전지의 방전 실험을 행하여 얻을 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 제2조건에서, 상기 제2저항과 상기 측정된 방전 전류로부터 계산되는 제2전압 변화량을 이용하여 이차 전지의 방전 전압을 추정할 수 있다. 여기서, 상기 제2전압 변화량은 오옴의 법칙에 의해 계산할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 추정된 충전 상태에 대응되는 '미리 정의된 값으로서의 이차 전지의 제2전압'으로부터 상기 제2전압 변화량을 감산하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 추정할 수 있다.
상기 제2전압은 제1양극재 및 제2양극재의 종류와 혼합 비율에 따라서 고유하게 결정될 수 있다. 상기 제2전압은, 임의의 충전 상태에 있는 이차 전지가 방전될 때 이차 전지의 방전 전압이 방전 전류의 크기에 따라 어떻게 변화되는지를 실험적으로 관찰하면 구할 수 있다. 상기 제2전압은 이차 전지의 충전 상태 별로 고정된 값 또는 가변되는 값(예컨대, 전이 전압)으로 미리 정의될 수 있다. 또한, 이차 전지가 퇴화될수록 제2양극재의 동작이 낮은 전압 범위에서 이루어진다. 따라서, 상기 제2전압은 이차 전지의 퇴화 정도에 따라 그 값이 낮아질 수 있도록 사전에 정의될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 상기 제어부와 결합된 저장부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는 상기 추정된 이차 전지의 출력을 상기 저장부에 저장할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 상기 제어부와 결합된 통신 인터페이스를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 추정된 이차 전지의 출력을 상기 통신 인터페이스를 통해 외부 디바이스로 출력할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 상기 제어부와 결합된 표시부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 표시부를 통해 상기 추정된 이차 전지의 출력을 그래픽 인터페이스로 표시할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 저장부는, 충전 상태별로 정의된, 상기 제1저항, 상기 제2저항, 상기 임계 전류의 크기, 상기 제1전압 및 상기 제2전압으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 데이터를 저장하고 갱신할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치는, 이차 전지를 에너지원으로 사용하는 다양한 전기 구동 장치에 포함될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 방법은, 적어도 제1양극재 및 제2양극재- 여기서, 제1양극재의 동작 전압 범위가 제2양극재의 동작 전압 범위보다 높음 -가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 이차 전지의 방전 전류를 측정하는 단계; 상기 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 단계; 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류의 크기보다 작은 제1조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제1저항'을, 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류의 크기보다 큰 제2 조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제2저항'을 이용하여 이차 전지의 방전 전압을 추정하는 단계; 및 상기 추정된 방전 전압과 상기 측정된 방전 전류로부터 이차 전지의 출력을 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 방법은, 상기 추정된 이차 전지의 출력을 저장하는 단계, 및/또는, 상기 추정된 이차 전지의 출력을 외부 디바이스로 출력하는 단계, 및/또는, 상기 추정된 이차 전지의 출력을 그래픽 인터페이스로 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 상술한 이차 전지의 출력 추정 방법을 프로그램화하여 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차 전지의 저항이 변화되는 충전 상태 구간에서 혼합 양극재를 포함하는 이차 전지의 출력을 쉽고 간단하게 추정할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 이차 전지를 5c의 방전율로 펄스 방전을 시키면서 충전 상태의 변화에 따라 이차 전지의 저항을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 이차 전지를 5c의 방전율로 펄스 방전을 시키면서 충전 상태의 변화에 따라 이차 전지의 개방전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 이차 전지의 충전 상태를 변화시키면서 이차 전지를 서로 다른 크기의 방전율로 펄스 방전시켰을 때 방전 전압의 변화 패턴을 측정하여 기록한 I-V 프로파일들을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치에 관한 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제1저항 및 제2항이 I-V 프로파일의 좌측과 우측의 직선 구간에 대한 기울기에 해당하는 것을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 추정 방법에 관한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서 설명되는 실시예들은, 본 발명의 기술적 사상이 리튬 이차 전지에 적용된 경우에 관한 것이다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다. 상기 작동 이온은 이차 전지가 충전 또는 방전되는 과정에서 전기 화학적인 산화 및 환원 반응에 참여하는 이온을 의미하는 것으로, 예를 들어 리튬이 이에 해당될 수 있다. 따라서 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차 전지를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 이차 전지는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 이차 전지는 음극, 전해질 및 양극을 기본 단위로 하는 단일 셀을 비롯하여 단일 셀의 어셈블리, 다수의 어셈블리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 모듈, 다수의 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 팩, 다수의 팩이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 전지 시스템 등도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시 예에서, 이차 전지는 제1양극재 및 제2양극재로서 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC 양극재) 및 LiFePO4(LFP 양극재)를 포함한다. 상기 NMC 양극재와 상기 LFP 양극재의 혼합 비율은 7:3(중량비)이다. 이차 전지에 포함된 음극재는 그라파이트이고, 전해질은 EC(Ethylene Carbonate): DMC(Dimethyl Carbonate): EMC(EthylMethyl Carbonate)가 3:4:3(중량비)의 비율로 혼합된 용매에 리튬염 LiPF6가 첨가된 전해액이다. 분리막으로는, 다공성 폴리올레핀 기재의 표면에 무기물 입자를 코팅한 것을 사용하였다. 이차 전지는 파우치형 이차 전지로 제작되었으며, 43.05Ah의 용량을 갖는다. 이차 전지는 개방전압을 기준으로 2.6V 내지 4.2V 범위에서 충전 및 방전이 가능하도록 제작되었다.
도 1 및 도 2는 이차 전지를 5c의 방전율로 펄스 방전을 시키면서 충전 상태의 변화에 따라 이차 전지의 저항과 개방전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 1을 참조하면, 특정한 충전 상태 구간(대략, 20 내지 40% 구간)에서 이차 전지의 저항이 국소적으로 증가하였다가 감소하는 convex 패턴이 나타나고, convex 패턴의 정점을 전후로 2개의 변곡점(점선 원 참조)이 생기는 것을 관찰할 수 있다.
도 2를 참조하면, 특정한 충전 상태 구간에서 변곡점이 포함된 전압 평탄 구간(점선 박스 참조)을 관찰할 수 있다. 여기서, 전압 평탄 구간이라 함은 변곡점을 기준으로 하여 전압의 변화가 작은 프로파일 부분을 의미한다.
이처럼, 이차 전지의 저항 및 개방전압 프로파일에서 Convex 패턴과 전압 평탄 구간이 관찰되는 이유는, 이차 전지가 특정한 충전 상태 구간에서 방전될 때 리튬 이온이 삽입되는 양극재의 종류가 NMC 양극재에서 LFP 양극재로 변경되기 때문이다.
즉, 양극재가 변경되는 충전 상태 구간보다 큰 충전 상태 구간에서 이차 전지가 방전되면 주로 NMC 양극재에 리튬 이온이 삽입되며, NMC 양극재에 삽입된 리튬 이온의 량이 증가할수록 이차 전지의 개방전압은 낮아진다. 반면, 양극재가 변경되는 충전 상태 구간보다 낮은 충전 상태 구간에서 이차 전지가 방전되면 주로 LFP 양극재에 리튬 이온이 삽입되며, LFP 양극재에 삽입된 리튬 이온의 량이 증가할수록 이차 전지의 개방전압은 낮아진다. 그리고, 이차 전지가 양극재가 변경되는 충전 상태 구간에서 방전될 때에는 NMC 양극재에 리튬 이온이 삽입될 수 있는 용량이 상당 부분 소진되면서 LFP 양극재로 리튬 이온이 삽입되기 시작한다. LFP 양극재로 리튬 이온이 삽입되는 동안에도 NMC 양극재에 리튬 이온이 계속 삽입되며, NMC 양극재가 리튬 이온의 삽입을 수용할 수 있는 용량을 모두 소진하면 그 때부터 LFP 양극재에만 리튬 이온의 삽입이 이루어진다.
이러한 양극재의 종류 변경은, 도 2에 나타낸 개방전압 프로파일에서, 변곡점이 생기는 3.2V에 대응되는 충전 상태 범위에서 이차 전지가 방전될 때 이루어진다.
도 1에 나타낸 내부 저항의 convex 패턴을 더 구체적으로 관찰하면, 이차 전지의 저항이 갑자기 증가하는 충전 상태 구간(정점 오른쪽)과, 이와는 반대로 이차 전지의 저항이 다시 낮아지는 충전 상태 구간(정점 왼쪽)을 확인할 수 있다.
여기서, 이차 전지의 저항이 갑자기 증가하는 이유는, NMC 양극재가 리튬 이온을 받아들일 수 있는 용량의 대부분을 소진하면서 NMC 양극재의 저항이 갑자기 증가하기 때문이다.
또한, 이차 전지의 저항이 다시 낮아지는 이유는, LFP 양극재로 리튬 이온이 삽입되기 시작하면서 LFP 양극재의 낮은 저항 특성이 이차 전지의 저항으로서 발현되기 때문이다.
나아가, 이차 전지가 양극재의 변경이 이루어지는 충전 상태 구간보다 낮은 충전 상태 구간에서 방전될 경우 충전 상태가 낮아질수록 이차 전지의 저항이 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 저항의 증가는 음극재(그라파이트)로 사용된 물질의 저항이 증가한다는 점에서 그 원인을 찾을 수 있다.
도 3은 이차 전지의 충전 상태를 변화시키면서 이차 전지를 서로 다른 크기를 갖는 방전 전류로 펄스 방전을 시켰을 때 방전 전압(Vdis)의 변화 패턴을 측정하여 기록한 I-V 프로파일들을 나타낸 그래프이다.
도 3에 나타낸 그래프의 가로축은 방전전류의 크기를 방전율(c-rate)로 환산하여 나타낸 것이고, 세로축은 이차 전지의 방전 전압(Vdis)을 나타낸다. 세로축에는, 이차 전지의 사용 전압 범위가 2.60-4.20V인 점을 감안하여, 전체 사용 전압 범위를 표시하였다. 물론, 이차 전지의 사용 전압 범위는 제1양극재 및 제2양극재의 종류와 브랜딩 비율에 따라서 달라질 수 있다.
여기서, 방전 전압(Vdis)은 10초 동안 이차 전지를 펄스 방전시킨 직후에 측정한 이차 전지의 전압을 의미한다. 그리고, 이차 전지를 크기가 다른 다수의 방전 전류에 의해 펄스 방전을 시킬 때, 펄스 방전이 시작되기 전의 이차 전지 개방전압(Open Circuit Voltage: OCV)은 동일하게 설정하였다. 따라서 동일한 프로파일 상에 있는 복수의 점들은 충전 상태가 동일한 조건에서 서로 다른 크기의 방전 전류로 이차 전지가 펄스 방전되었을 때의 방전 전압(Vdis)에 대한 측정 결과를 나타낸다.
도 3에 있어서, 각각의 프로파일이 Y축과 교차하는 점은 펄스 방전이 시작되기 전의 이차 전지 전압으로서 실질적으로 개방전압에 해당한다.
예를 들어, 충전 상태 100%에 해당하는 I-V 프로파일(①)은, 개방전압이 4.20V인 이차 전지를 각각 5c 및 10c의 방전율 조건에서 10초 동안 방전을 했을 때, 방전 전압(Vdis)이 어떻게 변화되는지를 보여준다.
도 3의 세로축에 나타낸 사용 전압 범위는, 크게 제1전압 구간(△V1), 전이 전압 구간(△Vt) 및 제2전압 구간(△V2)으로 나눌 수 있다.
Y 절편(즉, 개방전압)이 제1전압 구간(△V1)과 제2전압 구간(△V2)에 속하는 I-V 프로파일은 일정한 기울기로 방전 전압(Vdis)이 감소하는 패턴을 가진다. 반면, Y 절편(즉, 개방전압)이 전이 전압 구간(△Vt)에 속하는 프로파일은 방전 전압(Vdis)이 감소하는 기울기가 변화되는 패턴을 가진다.
먼저, 이차 전지의 개방전압이 제1전압 구간(△V1)에 속할 때 이차 전지가 펄스 방전되면, 작동 이온이 NMC 양극재에 주로 삽입된다. 따라서 이차 전지의 방전율에 상관 없이 방전 전압(Vdis)이 NMC 양극재의 저항 특성에 의존성을 보이면서 감소한다.
이차 전지의 개방전압이 제1전압 구간(△V1)에 속하는 I-V 프로파일들(① 내지 ⑤)의 감소 기울기는 거의 일정하고 제1전압 구간(△V1) 내에서 방전이 시작되기 전의 개방전압이 낮아질수록 I-V 프로파일은 아래쪽으로 평행하게 이동한다는 것을 알 수 있다.
상기 I-V 프로파일들(① 내지 ⑤)의 감소 기울기는 방전율의 변화에 대한 방전 전압의 변화 비율이므로 실질적으로 이차 전지의 저항에 해당한다. 그런데 상기 I-V 프로파일들(① 내지 ⑤)의 감소 기울기는 일정하므로, 개방전압이 제1전압 구간(△V1)에 속하는 이차 전지는 방전 전류의 크기가 변화하여도 저항이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 이차 전지의 개방전압이 전이 전압 구간(△Vt)에 속할 때의 I-V 프로파일들(⑥-⑨)은, 대략 3.2V 근방에서 감소 기울기가 변화하는 특성을 가진다.
상기 3.2V는 리튬 이온이 삽입되는 양극재의 종류가 NMC 양극재에서 LFP 양극재로 변경되기 시작하는 전이 전압(도 2의 점선 박스 참조)에 해당한다. 따라서, 이차 전지의 전압이 3.2V 근처까지 감소할 수 있을 정도로 방전 전류의 크기가 증가하면, LFP 양극재에 리튬 이온이 삽입되기 시작한다. 그리고, LFP 양극재가 전기화학적 반응에 관여하기 시작하면서 이차 전지의 저항 변화가 일어난다. 도 3을 참조하면, 3.2V 근처에서 이차 전지의 저항이 변화하는 현상은 I-V 프로파일들(⑥-⑨)의 감소 기울기가 변화되는 것으로부터 분명하게 관찰되며, 상기 감소 기울기의 변화는 전이 전압 구간(△Vt)에 대응되는 충전 상태 구간에서만 발생되는 것을 알 수 있다.
본 발명은, 이차 전지가 방전되는 동안 이차 전지의 저항 변화가 I-V 프로파일의 기울기 변화로 관찰될 수 있는 소정의 충전 상태 구간을 저항 변화 구간이라고 정의한다.
또한, 본 발명은, 이차 전지의 저항 변화가 일어나는 방전 전류의 크기를 임계 전류의 크기라고 정의한다. 도 3의 그래프에서 임계 전류의 크기는 대략적으로 직선 A와 I-V 프로파일들(⑥-⑨)이 만나는 점의 방전율로부터 산출이 가능하다. 그리고, 상기 임계 전류의 크기는 저항 변화 구간 내에서 이차 전지의 충전 상태가 클수록 커짐을 알 수 있다. 충전 상태가 증가하면 방전 전류의 크기가 증가해야만 제2양극재가 전기화학적 반응에 관여할 정도로 이차 전지의 전압이 낮아지기 때문이다.
또한, 본 발명은, 저항 변화가 생기기 전의 이차 전지 저항을 제1저항, 그리고 저항 변화가 생긴 후의 이차 전지 저항을 제2저항이라고 정의한다.
상기 제1저항은, I-V 프로파일이 직선 A와 교차하는 점의 왼쪽에 위치한 직선 구간의 감소 기울기이다. 그리고, 상기 제2저항은, I-V 프로파일이 직선 A와 교차하는 점의 오른쪽에 위치한 직선 구간의 감소 기울기이다.
상기 I-V 프로파일들(⑥-⑨)의 직선 구간을 관찰하면, 교차점 왼쪽의 직선 구간은 서로 다른 감소 기울기를 가지며, 방전이 시작되기 전의 충전 상태가 낮을수록 감소 기울기가 증가한다. 이것은, 교차점 왼쪽의 직선 구간은 NMC 양극재가 전기화학적 반응에 관여하는 구간에 해당하고 충전 상태가 낮을수록 NMC 양극재에 리튬 이온이 삽입되기 어려워져서 이차 전지의 저항이 그 만큼 증가하기 때문이다.
또한, 교차점 오른쪽의 직선 구간은 방전이 시작되기 전의 충전 상태가 변화하여도 감소 기울기의 변화가 거의 일어나지 않는다. 이것은, 교차점 오른쪽의 직선 구간은 LFP 양극재가 전기화학적 반응에 관여하는 구간에 해당하고 방전 전의 충전 상태가 달라도 LFP 양극재는 저항 변화가 크지 않기 때문이다.
상기한 점을 고려할 때, 상기 제1저항은, 상기 저항 변화 구간 내에서 이차 전지의 충전 상태가 낮을수록 증가하고, 상기 제2저항은, 상기 저항 변화 구간 내에서 이차 전지의 충전 상태가 변화하여도 의미 있는 변화를 나타내지 않는다고 볼 수 있다.
다음으로, 방전이 시작되기 전의 개방전압이 제2전압 구간(△V2)에 속할 때 이차 전지가 펄스 방전되면, 방전 전류의 크기에 상관 없이 리튬 이온이 LFP 양극재에 주로 삽입된다. 따라서, 전체 방전율 구간에 걸쳐서 I-V 프로파일(⑩ 및 ⑪)은 일정한 기울기를 가지고 선형적으로 감소하는 패턴을 가지며, I-V 프로파일(⑩ 및 ⑪)의 기울기는 상기 제2전압 구간 (△V2) 내에서 방전이 시작되기 전의 개방전압이 낮아질수록 증가한다. 개방전압이 낮아질수록 음극재로 사용된 물질의 저항이 증가하여 이차 전지의 저항이 증가하기 때문이다.
I-V 프로파일들 ①-⑤와 ⑩-⑪은 기울기가 일정하므로, 이차 전지의 방전율이 변화하여도 이차 전지의 저항은 일정하다고 볼 수 있다. 반면, I-V 프로파일들 ⑥-⑨은 방전율이 증가할수록 이차 전지의 저항이 서서히 감소하다가 일정한 값으로 수렴한다고 볼 수 있다.
본 발명은, 상기와 같은 실험적 관찰에 근거하여 안출된 것으로서, 저항 변화가 생기는 충전 상태 구간에서 충전 상태 별로 제1저항 및 제2저항을 사전에 정의하고, 방전 전류의 크기에 따라서 이차 전지의 방전 전압을 추정할 때 사용되는 저항값을 상기 제1저항 및 상기 제2저항 중에서 선택하고, 선택된 저항값을 이용하여 이차 전지의 방전 전압을 추정하고, 추정된 방전 전압과 방전 전류의 크기를 이용하여 이차 전지의 출력을 추정할 수 장치와 방법을 제공한다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치(100)는, 센서(110) 및 제어부(120)을 포함한다.
상기 장치(100)는, 혼합 양극재를 양극에 포함하고 있는 이차 전지(130)의 출력을 추정하기 위해 이차 전지(130)와 부하(135) 사이에 연결될 수 있다.
상기 혼합 양극재는, 적어도 제1양극재와 제2양극재를 포함하고, 상기 제1양극재의 동작 전압 범위가 제2양극재의 동작 전압 범위보다 높다. 따라서, 이차 전지가 연속적으로 방전될 때, 높은 전압 범위에서는 제1양극재가 주로 전기화학적 반응에 참여하고, 낮은 전압 범위에서는 제2양극재가 주로 전기화학적 반응에 참여한다.
일 예시로서, 상기 제1양극재와 상기 제2양극재는, 각각 NMC 양극재 및 LFP 양극재일 수 있다.
상기 이차 전지(130)는 리튬 이차 전지일 수 있으나, 본 발명이 전지의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 이차 전지(130)는 전기 에너지로 동작이 가능한 다양한 종류의 전기구동 장치에 탑재될 수 있고, 상기 전기구동 장치는 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 실시예에서, 상기 전기구동 장치는, 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 모바일 컴퓨터 장치, 또는 디지털 카메라, 비디오 카메라, 오디오/비디오 재생 장치 등을 포함한 핸드 헬드 멀티미디어 장치일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 전기구동 장치는, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 열차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같이 전기에 의해 이동이 가능한 전기 동력 장치, 또는 전기 드릴, 전기 그라인더 등과 같이 모터가 포함된 파워 툴일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 전기구동 장치는, 전력 그리드에 설치되어 신재생 에너지나 잉여 발전 전력을 저장하는 대용량 전력 저장 장치, 또는 정전 등의 비상 상황에서 서버 컴퓨터나 이동 통신 장비 등을 포함한 각종 정보 통신 장치의 전원을 공급하는 무정전 전원 공급 장치일 수 있다.
상기 부하(135)는 각종 전기구동 장치에 포함된 것으로서, 상기 이차 전지(130)가 방전될 때 공급되는 전기 에너지에 의해 작동되는 상기 전기구동 장치 내에 포함된 에너지 소모 장치를 의미한다.
상기 부하(135)는 비제한적인 예시로서 모터와 같은 회전 동력 장치, 인버터와 같은 전력 변환 장치 등이 될 수 있는데, 본 발명이 부하의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 센서(110)는, 상기 제어부(120)의 제어 하에, 이차 전지의 방전 전류를 측정하고, 상기 방전 전류의 측정값을 상기 제어부(120)로 출력할 수 있다.
상기 센서(110)는 방전 전류를 측정하기 위한 컨트롤 신호를 상기 제어부(120)로부터 수신할 수 있다. 상기 컨트롤 신호가 수신되면, 상기 센서(110)는 방전 전류 측정값을 제어부(120)로 출력한다.
상기 센서(110)는, 상기 제어부(120)의 제어 하에, 이차 전지(130)의 충전 전류를 더 측정하고, 상기 충전 전류의 측정값을 상기 제어부(120)로 출력할 수 있다.
또한, 상기 센서(110)는, 상기 제어부(120)의 제어 하에, 이차 전지(130)의 전압을 더 측정하고, 상기 전압 측정값을 상기 제어부(120)로 출력할 수 있다.
또한, 상기 센서(110)는, 상기 제어부(120)의 제어 하에, 이차 전지(130)의 온도를 더 측정하고, 상기 온도 측정값을 상기 제어부(120)로 출력할 수 있다.
상기 센서(110)가 이차 전지(130)에 대한 전류, 전압 및 온도로 이루어진 군에서 복수의 특성값을 측정할 때, 상기 센서(110)는 각각의 특성값을 측정할 수 있는 구성 요소를 개별적으로 포함할 수도 있고, 각각의 특성값을 측정할 수 있는 구성요소가 분할될 수도 있음을 자명하다.
상기 제어부(120)은, 상기 센서(110)를 통해, 이차 전지(130)가 동작하는 동안 충전 전류 측정값과 방전 전류 측정값을 입력 받아 전류 적산법에 의해 이차 전지(130)의 충전 상태를 추정할 수 있다.
즉, 상기 제어부(120)는 미리 정의된 이차 전지(130)의 만충전 용량과 이차 전지(130)로부터 네트로 흘러 나간 전류 적산량의 비율을 계산하여 충전 상태를 추정할 수 있다. 예를 들어 만충전 용량 대비 네트로 흘러 나간 전류 적산량의 비율이 20%라면, 충전 상태는 80%가 된다.
상기 제어부(120)는, 이차 전지(130)의 충전 상태를 추정할 때, 상기 전류 적산법 이외에도, 이차 전지의 개방전압으로부터 구하는 방식, 칼만 필터 또는 확장 칼만 필터를 이용하여 구하는 방식 등 당업계에 공지된 다른 방법을 이용할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 이차 전지(130)의 출력에 대한 추정이 필요할 때 센서(110)를 제어함으로써 방전 전류 측정값을 얻고, 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류의 크기보다 작으면 제1조건에 따라 이차 전지(130)의 출력을 추정하고, 반대로 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류보다 크면 제2조건에 따라 이차 전지(130)의 출력을 추정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 임계 전류의 크기는, 이차 전지(130)의 충전 상태 별로 미리 정의될 수 있다. 이 경우, 상기 제어부(120)는 이차 전지(130)의 현재 충전 상태에 대응되는 '미리 정의된 임계 전류의 크기'를 결정하고, 결정된 임계 전류의 크기와 상기 방전 전류의 크기를 비교하여 이차 전지(130)의 출력을 추정할 때 사용할 조건을 결정할 수 있다
상기 임계 전류의 크기는 방전 실험을 통해 도 3에 예시된 것과 같은 I-V 프로파일들을 얻으면 쉽게 정의할 수 있다. 상기 임계 전류의 크기는, 앞서 설명한 바와 같이, 저항 변화 구간에 대응되는 각각의 I-V 프로파일이 전이 전압(예컨대, 3.2V)을 통과하는 점에 대응되는 방전 전류의 크기로 정의할 수 있다
다른 측면에 따르면, 상기 임계 전류의 크기는, 이차 전지(130)의 현재 충전 상태에 대응되는 '미리 정의된 I-V 프로파일'을 이용하여 실시간으로 계산할 수 있다.
도 5는 이차 전지(130)에 대한 소정의 충전 상태에 대하여 미리 정의된 I-V 프로파일을 예시하는 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이차 전지(130)의 충전 상태가 저항 변화 구간에 속하게 되면, 방전 전류의 크기에 따라 방전 전압의 변화를 나타내는 I-V 프로파일의 기울기가 변화한다.
하지만, I-V 프로파일의 좌측과 우측은 대략적으로 직선 구간을 가지므로, I-V 프로파일은 좌측 직선 구간(200)과 우측 직선 구간(300)의 조합으로 근사할 수 있다.
따라서, 상기 I-V 프로파일에 대한 임계 전류의 크기는, 근사적으로, 좌측 직선 구간(200)과 우측 직선 구간(300)이 만나는 점에 대응되는 방전 전류의 크기(I*)로 정의할 수 있다.
상기 좌측 직선 구간(200) 및 상기 우측 직선 구간(300)에 해당하는 선형 방정식과 상기 임계 전류의 크기는 아래의 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.
<수학식 1>
Vdis = V1 - Idis*R1
Vdis = V2 - Idis*R2
I* = (V1-V2) / (R1-R2)
여기에서, V1은 좌측 직선 구간(200)의 선형 방정식에 대한 Y 절편에 해당하는 전압으로서, 이차 전지(130)가 방전되기 전의 개방전압에 해당한다. V1은 이차 전지(130)의 충전 상태 별로 미리 정의될 수 있다.
V2는 우측 직선 구간(300)에 해당하는 선형 방정식의 Y 절편에 해당하는 전압으로서, 이차 전지(130)가 방전되는 동안 방전 전류의 크기에 상관 없이 이차 전지(130)의 저항이 우측 직선 구간(300)의 기울기에 해당하는 저항 값을 가진다고 가정해 볼 때, 이차 전지(130)가 방전되기 전의 개방전압에 해당한다. V2는 이차 전지(130)의 충전 상태 별로 미리 정의될 수 있다. 대안적으로, V2는 고정된 값, 예컨대 이차 전지(130)의 전이 전압(도 3의 3.2V 참조)으로 정할 수 있다. 상기 전이 전압은, 근사적으로, 제2양극재가 전기화학적 반응에 관여하기 시작하는 전압에 해당한다. 상기 전이 전압은 이차 전지(130)의 퇴화 정도가 증가하면 그 값이 낮아지도록 미리 정의될 수 있다.
Idis는 이차 전지(130)가 방전될 때 측정한 방전 전류의 크기를 나타낸다.
R1은 좌측 직선 구간(200)의 기울기에 해당하며, 이차 전지(130)가 방전되는 동안 제1양극재가 주로 전기화학적 반응에 관여할 때 이차 전지(130)가 가지는 저항으로서 본 발명의 제1저항에 해당한다. R1은 이차 전지(130)의 충전 상태 별로 미리 정의될 수 있는데, 일 예로서 임계 전류의 좌측에서 관찰되는 I-V 프로파일의 평균 기울기로 정의할 수 있다.
R2는 우측 직선 구간(300)의 기울기에 해당하며, 이차 전지(130)가 방전되는 동안 제2양극재가 주로 전기화학적 반응에 관여할 때 이차 전지(130)가 가지는 저항으로서 본 발명의 제2저항에 해당한다. R2는 이차 전지(130)의 충전 상태 별로 미리 정의될 수 있는데, 일 예로서 임계 전류 우측에서 관찰되는 I-V 프로파일의 평균 기울기로 정의할 수 있다
Vdis는 이차 전지(130)가 방전 전류 Idis로 방전될 때의 방전 전압을 나타낸다.
상기 I-V 프로파일이, 상기 수학식 1로 나타낸 2개의 선형 방정식으로 정의되면, 상기 I-V 프로파일에 대응되는 임계 전류의 크기는 상기 선형 방정식들의 교차점에 대응되는 방전 전류의 크기에 해당한다.
상기 선형 방정식들의 파라미터에 해당하는 V1, V2, R1 및 R2에 관한 데이터들은 실험을 통해 얻은 복수의 I-V 프로파일들을 기초로 충전 상태 별로 미리 정의될 수 있다. 이러한 경우, 상기 제어부(120)는 사전에 정의된 상기 파라미터들을 참조하여 이차 전지(130)의 현재 충전 상태에 대응되는 V1, V2, R1 및 R2를 결정하고, 결정된 파라미터들과 상기 수학식 1을 이용하여 임계 전류의 크기를 산출할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 이차 전지(130)의 충전 상태에 대응되는 임계 전류의 크기를 결정한 후, 임계 전류의 크기와 이차 전지(130)에서 흘러 나가는 방전 전류의 크기를 비교한다.
상기 제어부(120)는, 임계 전류의 크기가 방전 전류의 크기보다 작은 제1조건이 성립되면, 이차 전지(130)의 충전 상태에 대응되는 미리 정의된 제1저항(R1)과 이차 전지(130)의 측정된 방전 전류를 이용하여 이차 전지(130)의 방전에 따른 제1전압 변화량(△Vdis1)을 구하여 이차 전지(130)의 방전 전압(Vdis1)을 결정한다. 그리고, 상기 제어부(120)는, 상기 측정된 방전 전류와 상기 결정된 방전 전압(Vdis1)으로부터 이차 전지(130)의 출력(Pdis1)을 결정한다.
상기 제어부(120)는, 임계 전류의 크기가 방전 전류의 크기보다 큰 제2조건이 성립되면, 이차 전지(130)의 충전 상태에 대응되는 미리 정의된 제2저항(R2)과 이차 전지(130)의 측정된 방전 전류를 이용하여 이차 전지(130)의 방전에 따른 제2전압 변화량(△Vdis2)을 구하여 이차 전지(130)의 방전 전압(Vdis2)을 결정한다. 그리고, 상기 제어부(120)는, 상기 측정된 방전 전류와 상기 결정된 방전 전압(Vdis2)으로부터 이차 전지(130)의 출력(Pdis2)을 결정한다.
바람직하게, 상기 제어부(120)는, 아래 수학식 2를 이용하여 이차 전지(130)의 방전 전압(Vdis1, Vdis2)을 결정할 수 있다. V1과 V2는 이차 전지의 충전 상태에 따라 미리 정의되는 값이다.
<수학식 2>
Vdis1 = V1 - Idis*R1
Vdis2 = V2 - Idis*R2
일 측면에 따르면, 상기 제어부(120)는 저장부(140)와 전기적으로 결합될 수 있다. 그리고, 상기 제어부(120)는 상기 저장부(140)에 미리 정의되는 모든 파라미터들, 예컨대 제1전압, 제2전압, 임계 전류, 제1저항 및 제2저항에 관한 데이터를 저장 및 갱신할 수 있고, 상기 제1 및 제2조건에서 결정한 이차 전지(130)의 출력(Pdis1, Pdis2)을 저장할 수 있다.
상기 저장부(140)는 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 저장부(140)은, RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다. 상기 저장 부(140)는 또한 상기 제어부(120)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 상기 제어부(120)과 연결될 수 있다. 상기 저장부(140)는 또한 상기 제어부(120)가 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 상기 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터, 예컨대 Vdis1, Vdis2, Idis, Pdis1 및 Pdis2를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송할 수 있다. 상기 저장부(140)는 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 상기 제어부(120) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어부(120)는 외부의 디바이스와 데이터를 교환할 수 있도록 통신 인터페이스(150)와 전기적으로 결합될 수 있다. 그리고, 상기 제어부(120)는 상기 통신 인터페이스(150)를 통해 외부의 디바이스로 상기 결정된 이차 전지(130)의 출력을 전송할 수 있다.
상기 외부의 디바이스는, 부하(135)가 장착된 장치의 제어 수단일 수 있다. 일 예로, 이차 전지(130)가 전기 자동차에 탑재되어 있는 경우, 상기 제어부(120)는 이차 전지(130)의 출력에 관한 데이터를 전기 자동차의 구동 메카니즘을 통합적으로 제어하는 컨트롤 유닛으로 상기 결정된 출력을 전송할 수 있다. 그러면, 상기 컨트롤 유닛은 전송 받은 상기 출력 정보를 이용하여 이차 전지(130)의 방전을 효율적으로 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(120)는 표시부(160)와 전기적으로 결합될 수 있다. 그리고, 상기 제어부(120)는 상기 표시부(160)를 통해 상기 결정된 이차 전지(130)의 출력을 그래픽 인터페이스로 표시할 수 있다. 상기 그래픽 인터페이스는 숫자, 문자, 그래프, 그림, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 표시부(160)는 액정 디스플레이, LED 디스플레이, OLED 디스플레이, E-INK 디스플레이, 플렉서블 디스플레이 등일 수 있다. 상기 표시부(160)는 상기 제어부(120)과 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 후자의 방식이 채택될 때, 상기 표시부(160)는 상기 제어부(120)가 위치하는 영역과 물리적으로 분리된 영역에 위치할 수 있다. 그리고 상기 표시부(160)와 상기 제어부(120) 사이에 제3의 제어 수단(미도시)이 개재되어 상기 제3의 제어 수단이 상기 제어부(120)으로부터 표시 부(160)에 표출할 정보를 제공 받아 상기 표시부(160)에 표시할 수 있다. 이를 위해, 상기 제3의 제어 수단과 상기 제어부(120)가 통신 선로에 의해 연결될 수 있다.
상기 표시부(160)은 반드시 본 발명에 따른 장치 내부에 포함될 필요는 없으며, 본 발명에 따른 장치와 연결된 다른 장치에 포함된 것일 수 있다. 이러한 경우, 상기 표시부(160)와 상기 제어부(120)는 직접적으로 연결되지 않으며, 상기 다른 장치에 포함된 제어 수단을 매개로 상기 표시부(160)와 간접적으로 연결된다. 따라서 상기 표시부(160)와 상기 제어부(120)의 전기적 연결은 이러한 간접 연결 방식도 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
상기 제어부(120)은, 다양한 제어 로직들 및/또는 계산 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)은 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 저장부(140)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, " ~ 부"라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
상기 제어부(120)의 다양한 제어 로직들 및/또는 계산 로직들은 적어도 하나 이상이 선택적으로 조합됨으로써 그 자체로서 본 발명에 따른 이차 전지의 출력 추정 방법의 일 실시 양태가 될 수 있다. 이차 전지의 출력 추정 방법을 이하에서 설명함에 있어서, 앞서 설명된 내용에 대해서는 반복적인 설명을 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 추정 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 단계 S10에서, 상기 제어부(120)는 상기 저장부(140)로부터 이차 전지의 출력을 추정하는데 필요한 제어 로직을 읽고 실행한다.
이어서, 단계 S20에서, 상기 제어부(120)는 출력을 추정할 수 있는 조건이 충족되었는지 판단한다.
여기서, 상기 출력 추정 조건은, 통신 인터페이스(150)를 통해 외부 디바이스로부터 출력 추정 요청 신호가 수신될 때 성립될 수 있다. 이를 위해, 상기 제어부(120)는 통신 인터페이스(150)를 통해 상기 출력 추정 요청 신호가 수신되는지 모니터할 수 있다. 대안적으로, 상기 출력 추정 조건은, 일정한 시간이 경과될 때마다 성립되도록 설정될 수 있다. 이를 위해, 상기 제어부(120)는 시간을 계수하고 계수 시간이 미리 설정한 기준 시간에 도달하면 상기 출력 추정 조건이 성립된 것으로 판단할 수 있다.
단계 S20에서, 출력 추정 조건이 충족되었다고 판단되면, 제어부(120)은 프로세스를 단계 S30으로 이행한다. 반면, S20에서, 출력 추정 조건이 충족되지 않았다고 판단되면, 프로세스의 진행을 홀딩한다.
단계 S30에서, 제어부(120)은 센서(110)를 제어하여 이차 전지(130)의 방전 전류(Idis)를 측정한다. 그런 다음, 단계 S40에서, 제어부(120)는 이차 전지(130)의 충전 상태를 추정한다. 일 예시로서, 상기 충전 상태는 전류 적산법에 의해 추정될 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다
단계 S50에서, 제어부(120)는 상기 추정된 충전 상태에 대응되는 임계 전류(I*)의 크기를 결정한다. 상기 임계 전류(I*)의 크기는, 충전 상태 별로 미리 정의되어 저장부(140)에 저장된 데이터를 참조하여 결정할 수 있다. 대안적으로, 상기 임계 전류(I*)의 크기는, 수학식 1에 의해 실시간으로 결정될 수 있다.
단계 S60에서, 제어부(120)는 상기 추정된 충전 상태에 대응되는 제1저항(R1)과 제2저항(R2)을 결정한다. 상기 제1저항(R1)과 제2저항(R2)은, 충전 상태 별로 미리 정의되어 저장부(140)에 저장된 데이터를 참조하여 결정할 수 있다.
단계 S70에서, 제어부(120)는 측정된 방전 전류(Idis)의 크기와 임계 전류(I*)의 크기를 비교한다. 만약, 상기 측정된 방전 전류(Idis)의 크기가 상기 임계 전류(I*)의 크기보다 작으면, 제어부(120)는 제1조건이 성립된 것으로 보고 프로세스를 단계 S80으로 이행한다. 반면, 상기 측정된 방전 전류(Idis)의 크기가 상기 임계 전류(I*)의 크기보다 작지 않으면 제어부(120)는 제2조건이 성립된 것으로 보고 프로세스를 단계 S120으로 이행한다.
제1조건에서 진행되는 단계 S80에서, 제어부(120)는 제1저항(R1)을 이용하여 방전 전류(Idis)가 흐를 때의 제1전압 변화량(△Vdis1)을 구한다. 그리고, 단계 S90에서, 제어부(120)는 제1전압 변화량(△Vdis1)을 이용하여 방전 전압(Vdis1)을 결정한다. 바람직하게, 상기 방전 전압(Vdis1)은 상술한 수학식 2에 의해 결정될 수 있고, 수학식 2의 파라미터 V1은 충전 상태 별로 미리 정의되어 저장부(140)에 저장된 개방전압 데이터를 참조하여 결정할 수 있다. 또한, 단계 S100에서, 제어부(120)는 결정된 방전 전압(Vdis1)과 측정된 방전 전류(Idis)의 크기로부터 이차 전지(130)의 출력(Pdis1)을 결정한다. 또한, 단계 S110에서, 제어부(120)는 상기 결정된 출력(Pdis1)을 저장부(140)에 저장하거나, 및/또는, 표시부(160)를 통해 그래픽 인터페이스로 표시하거나, 및/또는, 통신 인터페이스(150)를 통해 외부의 디바이스로 전송할 수 있다.
제2조건이 성립될 때 진행되는 단계 S120에서, 제어부(120)는 제2저항(R2)을 이용하여 방전 전류(Idis)가 흐를 때의 제2전압 변화량(△Vdis2)을 구한다. 그리고, 단계 S130에서, 제어부(120)는 제2전압 변화량(△Vdis2)을 이용하여 방전 전압(Vdis2)을 결정한다. 바람직하게, 상기 방전 전압(Vdis2)은 상술한 수학식 2에 의해 결정될 수 있고, 수학식 2의 파라미터 V2는 충전 상태 별로 미리 정의되어 저장부(140)에 저장된 전압 데이터를 참조하여 결정할 수 있다. 또한, 단계 S140에서, 제어부(120)는 결정된 방전 전압(Vdis2)과 측정된 방전 전류(Idis)의 크기로부터 이차 전지(130)의 출력(Pdis2)을 결정한다. 또한, 단계 S150에서, 제어부(120)는 상기 결정된 출력(Pdis2)을 저장부(140)에 저장하거나, 및/또는, 표시부(160)를 통해 그래픽 인터페이스로 표시하거나, 및/또는, 통신 인터페이스(150)를 통해 외부의 디바이스로 전송할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부(120)의 다양한 제어 로직들 및/또는 계산 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다.
상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다.
또한, 상기 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재로서 사용될 수 있는 물질은 동작 전압 범위가 다른 물질이라면 특별한 제한이 없다.
일 측면에 따르면, 상기 제1양극재는, 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, -0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물이거나,
US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제2양극재는, 일반 화학식 LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함; M2는 Ti, Mn, Co, Fe, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함; M3는 F를 포함하는 할로겐족 원소들로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨) 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제1양극재는 Li[LiaNibCocMndO2+z[a≥0; a+b+c+d=1; b, c 및 d 중 적어도 하나 이상은 0이 아님; -0.1 ≤ z ≤ 2]이고, 상기 제2양극재는, LiFePO4, LiMnxFeyPO4(0 < x+y ≤ 1) 또는 Li3Fe2(PO4)3 일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1양극재 및/또는 상기 제2양극재는, 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 탄소층을 포함하거나, Ti, Mn, Co, Fe, Cr, Mo, Ni, Nd, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물층 또는 불화물층을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2양극재의 종류와 혼합 비율은, 제조하고자 하는 이차 전지의 용도와 성능을 고려하되, 방전 저항 프로파일에서 convex 패턴이 나타나거나 전압 프로파일에서 적어도 하나의 전압 평탄 영역이 나타나도록 선택한다.
일 실시예에서, 방전 출력이 좋은 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 5:5로 설정할 수 있다.
다른 실시예에서, 고온 안전성이 좋은 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 2:8로 설정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제조 비용이 저렴한 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 1:9로 설정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 방전 출력이 좋고 고온 안전성이 우수한 이차 전지를 소망하는 경우, [Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 4:6으로 설정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 무게당 용량이 큰 이차 전지를 소망하는 경우, Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2와 LiFePO4를 각각 제1양극재와 제2양극재로 선택하고, 제1양극재와 제2양극재의 혼합 비율을 9:1로 설정할 수 있다.
상술한 상기 제1 및 제2양극재의 선택과 혼합 비율의 조절 방식은 일 예시에 지나지 않는다. 따라서 혼합 양극재에 부여하고자 하는 전기화학적 물성들의 상대적 가중치와 밸런스를 고려하여 상기 제1 및 제2양극재를 적절하게 선택하고 각 양극재의 혼합 비율을 적절하게 설정할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명에 있어서, 상기 혼합 양극재에 포함될 수 있는 양극재들의 수는 2 가지로 한정되지 않는다. 일 실시예로서, 상기 혼합 양극재는 3가지의 서로 다른 양극재들을 포함할 수 있으며, 그 예로는 LiMn2O4, Li[LiaNixCoyMnzO2[a≥0; x+y+z=1; x, y 및 z 중 적어도 하나 이상은 0이 아님] 및 LiFePO4가 포함된 혼합 양극재를 들 수 있다. 또 다른 실시예로서, 상기 혼합 양극재는 4가지의 서로 다른 양극재들을 포함할 수 있으며, 그 예로는 LiNiO2, LiMn2O4, Li[LiaNixCoyMnzO2[a≥0; x+y+z=1; x, y 및 z 중 적어도 하나 이상은 0이 아님] 및 LiFePO4포함된 혼합 양극재를 들 수 있다.
또한, 혼합 양극재의 물성 개선을 위해 다른 첨가물들, 예컨대 도전제, 바인더 등이 혼합 양극재에 첨가되는 것을 특별히 제한하지 않는다. 따라서 적어도 2개의 양극재들이 포함된 혼합 양극재라면, 양극재들의 수와 다른 첨가물의 존재 여부와 무관하게 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (25)

  1. 적어도 제1양극재 및 제2양극재- 여기서, 제1양극재의 동작 전압 범위가 제2양극재의 동작 전압 범위보다 높음 -가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 이차 전지의 방전 전류를 측정하는 센서; 및
    상기 이차 전지의 충전 상태를 추정하고, 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류의 크기보다 작은 제1조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제1저항'을, 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류의 크기보다 큰 제2 조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제2저항'을 이용하여 이차 전지의 방전 전압을 결정하고, 상기 결정된 방전 전압과 상기 측정된 방전 전류로부터 이차 전지의 출력을 결정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1조건에서, 상기 제1저항과 상기 방전 전류의 크기로부터 계산되는 제1전압 변화량을 이용하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 추정된 충전 상태에 대응되는 '미리 정의된 값으로서의 이차 전지의 제1전압'으로부터 상기 제1전압 변화량을 감산하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1전압은 이차 전지의 방전이 시작되기 전의 개방 전압임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2조건에서, 상기 제2저항과 상기 방전 전류의 크기로부터 계산되는 제2전압 변화량을 이용하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 추정된 충전 상태에 대응되는 '미리 정의된 값으로서의 이차 전지의 제2전압'으로부터 상기 제2전압 변화량을 감산하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2전압은, 상기 이차 전지가 방전될 때 상기 제2양극재가 전기화학적 반응에 관여하기 시작하는 전압임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 임계 전류의 크기는, 이차 전지의 충전 상태에 따라 미리 정의된 값임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 임계 전류의 크기는, 이차 전지의 충전 상태에 대응하는 I-V 프로파일로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부와 결합된 저장부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 결정된 이차 전지의 출력을 상기 저장부에 저장하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부와 결합된 통신 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 결정된 이차 전지의 출력을 상기 통신 인터페이스를 통해 외부로 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어부와 결합된 표시부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 결정된 이차 전지의 출력을 상기 표시부를 통해 그래픽 인터페이스로 표시하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  13. 제1항, 제3항, 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 미리 정의된 값을 저장하고 있는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 장치.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지의 출력 추정 장치를 포함하는 전기구동 장치.
  15. (a) 적어도 제1양극재 및 제2양극재- 여기서, 제1양극재의 동작 전압 범위가 제2양극재의 동작 전압 범위보다 높음 -가 브랜딩된 혼합 양극재를 포함하는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 이차 전지의 방전 전류를 측정하는 단계;
    (b) 상기 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 단계;
    (c) 상기 방전 전류의 크기가 임계 전류의 크기보다 작은 제1조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제1저항'을, 상기 방전 전류의 크기가 상기 임계 전류의 크기보다 큰 제2 조건에서는 상기 충전 상태에 대응하는 '미리 정의된 값으로서의 제2저항'을 이용하여 이차 전지의 방전 전압을 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 결정된 방전 전압과 상기 측정된 방전 전류로부터 이차 전지의 출력을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
    상기 제1조건에서, 상기 제1저항과 상기 방전 전류의 크기로부터 계산되는 제1전압 변화량을 이용하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 추정된 충전 상태에 대응되는 '미리 정의된 값으로서의 이차 전지의 제1전압'으로부터 상기 제1전압 변화량을 감산하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1전압은, 이차 전지의 방전이 시작되기 전의 개방전압임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
    상기 제2조건에서, 상기 제2저항과 상기 방전 전류의 크기로부터 계산되는 제2전압 변화량을 이용하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 추정된 충전 상태에 대응되는 '미리 정의된 값으로서의 이차 전지의 제2전압'으로부터 상기 제2전압 변화량을 감산하여 상기 이차 전지의 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2전압은, 이차 전지가 방전될 때 상기 제2양극재가 전기화학적 반응에 관여하기 시작하는 전압임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 임계 전류의 크기는, 이차 전지의 충전 상태에 따라 미리 정의된 값임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 임계 전류의 크기는, 이차 전지의 충전 상태에 따라 미리 정의된 I-V 프로파일로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 결정된 이차 전지의 출력을 저장하는 단계;
    상기 결정된 이차 전지의 출력을 외부로 출력하는 단계; 또는
    상기 결정된 이차 전지의 출력을 그래픽 인터페이스로 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 추정 방법.
  25. 제15항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지의 출력 추정 방법을 프로그램화하여 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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