特許 7517661 バッテリー管理装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-08

(45)【発行日】2024-07-17

(54)【発明の名称】バッテリー管理装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/367 20190101AFI20240709BHJP

   G01R 31/389 20190101ALI20240709BHJP

   G01R 31/385 20190101ALI20240709BHJP

   G01R 31/382 20190101ALI20240709BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20240709BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240709BHJP

【ＦＩ】

G01R31/367

G01R31/389

G01R31/385

G01R31/382

H02J7/00 Y

H01M10/48 P

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022576888

(86)(22)【出願日】2021-11-25

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-07-14

(86)【国際出願番号】 KR2021017567

(87)【国際公開番号】W WO2022114826

(87)【国際公開日】2022-06-02

【審査請求日】2022-12-16

(31)【優先権主張番号】10-2020-0160345

(32)【優先日】2020-11-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】521065355

【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】クワク、ジン－セオプ

(72)【発明者】

【氏名】リュ、セオン－ヒョン

【審査官】永井 皓喜

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－８４５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－７８１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１３２７２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１７６６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３６６０１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１１１０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－９６４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２２１２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２１２８１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０１２３６４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３１／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４８

Ｈ０２Ｊ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バッテリーセルを充電する充電部と、
前記バッテリーセルの電圧及び電流を測定する測定部と、
前記測定部から前記電圧及び電流を含むバッテリー情報を受信し、受信したバッテリー情報に基づいて前記バッテリーセルのＳＯＣを推定し、前記バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度に前記バッテリー情報に基づいて前記バッテリーセルの内部抵抗を算出し、算出された内部抵抗に対する変動パターンと予め設定された基準パターンとを比較し、比較結果に基づいて前記バッテリーセルに対する負極容量を設定する制御部と、を含む、バッテリー管理装置。

【請求項2】

前記制御部は、
前記内部抵抗と前記ＳＯＣとの対応関係を示す抵抗プロファイルを生成し、生成された抵抗プロファイルに基づいて前記内部抵抗の変動パターンを決定し、決定された変動パターンが前記基準パターンにマッチングするか否かを判断する、請求項１に記載のバッテリー管理装置。

【請求項3】

前記基準パターンは、
基準ＳＯＣ区間において、前記内部抵抗が増加してから減少するパターンに予め設定されている、請求項２に記載のバッテリー管理装置。

【請求項4】

前記制御部は、
前記生成された抵抗プロファイルのうちの前記基準ＳＯＣ区間に対して前記内部抵抗の変動パターンを決定する、請求項３に記載のバッテリー管理装置。

【請求項5】

前記制御部は、
前記抵抗プロファイルからターゲットピークを決定し、決定されたターゲットピークに対応するターゲットＳＯＣを選択し、選択されたターゲットＳＯＣに基づいて前記負極容量を設定する、請求項２から４のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。

【請求項6】

前記制御部は、
前記ターゲットＳＯＣに対応する負極容量比を決定し、決定された負極容量比と予め設定された基準比率に基づいて、前記バッテリーセルに対する負極容量を設定する、請求項５に記載のバッテリー管理装置。

【請求項7】

前記制御部は、
前記決定された負極容量比が予め設定された基準比率を超過する場合、前記決定された負極容量比に基づいて前記バッテリーセルに対する負極容量を設定し、
前記決定された負極容量比が予め設定された基準比率以下である場合、前記基準比率に基づいて前記バッテリーセルに対する負極容量を設定する、請求項６に記載のバッテリー管理装置。

【請求項8】

前記制御部は、
前記バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度に、所定の時間前記充電部を制御して前記バッテリーセルに対する充電を中止し、前記所定の時間の前記バッテリー情報に基づいて前記バッテリーセルの内部抵抗を算出する、請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置を含む、バッテリーパック。

【請求項10】

請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置を含む、バッテリー製造装置。

【請求項11】

バッテリーセルを充電する充電段階と、
前記バッテリーセルの充電中に前記バッテリーセルの電圧及び電流を含むバッテリー情報を測定する測定段階と、
前記測定段階で測定された前記バッテリー情報に基づいて前記バッテリーセルのＳＯＣを推定するＳＯＣ推定段階と、
前記バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度に前記バッテリー情報に基づいて前記バッテリーセルの内部抵抗を算出する内部抵抗算出段階と、
算出された内部抵抗の変動パターンと予め設定された基準パターンとを比較し、比較結果に基づいて前記バッテリーセルに対応する負極容量を設定する負極容量設定段階と、を含む、バッテリー管理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０２０年１１月２５日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１６０３４５号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。

【0002】

本発明は、バッテリー管理装置及び方法に関し、より詳しくは、バッテリーセルの負極容量を設定することができるバッテリー管理装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

近年、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に伸び、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれて、繰り返して充放電可能な高性能バッテリーに対する研究が活発に行われている。

【0004】

現在、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムバッテリーなどのバッテリーが商用化しているが、中でもリチウムバッテリーはニッケル系のバッテリーに比べてメモリ効果が殆ど起きず充放電が自在であって、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。

【0005】

このようなバッテリーは過充電されると、バッテリーの負極に金属リチウムが析出されるリチウムメッキが生じ得、析出された金属リチウムによってバッテリーの正極と負極との間で内部短絡が発生するおそれがある。

【0006】

バッテリーを設計する際、正極に対比して、負極に確保されたリチウム余裕空間を示す指標を通常Ｎ／Ｐ比と称する。すなわち、Ｎ／Ｐ比は、バッテリーの正極容量に対する負極容量の比であると言える。

【0007】

リチウムメッキの発生を防止するため、バッテリーのＮ／Ｐ比は１（または１００％）を超過するように設計される。但し、Ｎ／Ｐ比が１（または１００％）を超過するように設計されても、バッテリーの活性化過程及び退化によって最適のＮ／Ｐ比が設計された値から変わり得る。したがって、バッテリーの安定性を向上させるため、実測を通じてバッテリーに対する最適のＮ／Ｐ比及び最適の負極容量を設定することが重要である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーセルに対する最適の負極容量を設定するバッテリー管理装置及び方法を提供することを目的とする。

【0009】

本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の一態様によるバッテリー管理装置は、バッテリーセルを充電するように構成された充電部と、バッテリーセルの電圧及び電流を測定するように構成された測定部と、測定部から電圧及び電流を含むバッテリー情報を受信し、受信したバッテリー情報に基づいてバッテリーセルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：充電状態）を推定し、バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度にバッテリー情報に基づいてバッテリーセルの内部抵抗を算出し、算出された内部抵抗の変動パターンと予め設定された基準パターンとを比較し、比較結果に基づいてバッテリーセルに対する負極容量を設定するように構成された制御部と、を含む。

【0011】

制御部は、内部抵抗とＳＯＣとの対応関係を示す抵抗プロファイルを生成し、生成された抵抗プロファイルに基づいて内部抵抗の変動パターンを決定し、決定された変動パターンが基準パターンにマッチングするか否かを判断するように構成され得る。

【0012】

基準パターンは、基準ＳＯＣ区間において、内部抵抗が増加してから減少するパターンに予め設定され得る。

【0013】

制御部は、生成された抵抗プロファイルのうちの基準ＳＯＣ区間に対して内部抵抗の変動パターンを決定するように構成され得る。

【0014】

制御部は、抵抗プロファイルからターゲットピークを決定し、決定されたターゲットピークに対応するターゲットＳＯＣを選択し、選択されたターゲットＳＯＣに基づいて負極容量を設定するように構成され得る。

【0015】

制御部は、ターゲットＳＯＣに対応する負極容量比を決定し、決定された負極容量比と予め設定された基準比率に基づいて、バッテリーセルに対する負極容量を設定するように構成され得る。

【0016】

制御部は、決定された負極容量比が予め設定された基準比率を超過する場合、決定された負極容量比に基づいてバッテリーセルに対する負極容量を設定するように構成され得る。

【0017】

制御部は、決定された負極容量比が予め設定された基準比率以下である場合、基準比率に基づいてバッテリーセルに対する負極容量を設定するように構成され得る。

【0018】

制御部は、バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度に、所定の時間充電部を制御してバッテリーセルに対する充電を中止し、所定の時間のバッテリー情報に基づいてバッテリーセルの内部抵抗を算出するように構成され得る。

【0019】

本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、本発明の一態様によるバッテリー管理装置を含む。

【0020】

本発明のさらに他の一態様によるバッテリーパックは、本発明の一態様によるバッテリー管理装置を含む。

【0021】

本発明のさらに他の一態様によるバッテリー管理方法は、バッテリーセルを充電する充電段階と、バッテリーセルの充電中にバッテリーセルの電圧及び電流を含むバッテリー情報を測定する測定段階と、測定段階で測定されたバッテリー情報に基づいてバッテリーセルのＳＯＣを推定するＳＯＣ推定段階と、バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度にバッテリー情報に基づいてバッテリーセルの内部抵抗を算出する内部抵抗算出段階と、算出された内部抵抗の変動パターンと予め設定された基準パターンとを比較し、比較結果に基づいてバッテリーセルに対応する負極容量を設定する負極容量設定段階と、を含む。

【発明の効果】

【0022】

本発明の一態様によれば、バッテリーセルの内部抵抗が減少するＳＯＣに基づいてバッテリーセルに対応する負極容量を設定することができる。すなわち、バッテリーセルに対する負極容量が理論的なＮ／Ｐ比に基づいて画一的に設定されず、実際の検証を通じて設定される。

【0023】

本発明の効果は上述した効果に制限されず、言及されていない本発明の他の効果は請求範囲の記載から当業者により明らかに理解されるだろう。

【0024】

本明細書に添付される次の図面は、後述する発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものであり、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置を概略的に示した図である。

【図2】本発明の一実施形態による抵抗プロファイルを概略的に示した図である。

【図3】本発明の他の一実施形態によるバッテリーパックの例示的構成を概略的に示した図である。

【図4】本発明のさらに他の一実施形態によるバッテリー管理方法を概略的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

本明細書及び特許請求の範囲において使われた用語や単語は通常的及び辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。

【0027】

したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

【0028】

また、本発明の説明において、関連する公知の構成または機能についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合、その詳細な説明を省略する。

【0029】

第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちのある一つをその他の要素と区別するために使われたものであり、これら用語によって構成要素が限定されることはない。

【0030】

明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは特に言及されない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

【0031】

また、明細書に記載された制御部のような用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの組合せで具現され得る。

【0032】

さらに、明細書の全体において、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されるとするとき、これは「直接的な連結（接続）」だけでなく、他の素子を介在した「間接的な連結（接続）」も含む。

【0033】

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。

【0034】

図１は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００を概略的に示した図である。

【0035】

図１を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、充電部１１０、測定部１２０及び制御部１３０を含む。

【0036】

充電部１１０は、バッテリーセルを充電するように構成され得る。

【0037】

ここで、バッテリーセルは、負極端子及び正極端子を備え、物理的に分離可能な一つの独立したセルを意味する。一例として、一つのパウチ型リチウムポリマーセルをバッテリーとして見なし得る。

【0038】

望ましくは、充電部１１０は、バッテリーセルを定電流（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ、ＣＣ）で充電し得る。例えば、充電部１１０は、バッテリーセルを０．２Ｃ（Ｃレート）で定電流充電し得る。

【0039】

測定部１２０は、バッテリーセルの電圧及び電流を測定するように構成され得る。

【0040】

測定部１２０は、バッテリーセルの正極端子及び負極端子に接続され得る。測定部１２０は、バッテリーセルの正極電圧及び負極電圧を測定し、測定された正極電圧と負極電圧との差に基づいてバッテリーセルの電圧を測定し得る。

【0041】

また、測定部１２０は、バッテリーセルの充放電経路に備えられた電流測定ユニットと接続され得る。測定部１２０は、電流測定ユニットを通じてバッテリーセルに対する充電電流を測定し得る。ここで、充放電経路は、バッテリーセルの充電電流及び／または放電電流が流れる大電流経路であり得る。また、電流測定ユニットは、電流計またはシャント抵抗であり得る。

【0042】

制御部１３０は、測定部１２０から電圧及び電流を含むバッテリー情報を受信するように構成され得る。

【0043】

具体的には、制御部１３０は、測定部１２０と通信可能に接続され得る。測定部１２０は、測定したバッテリーセルの電圧及び電流に対するバッテリー情報を制御部１３０に送信し得る。制御部１３０は、測定部１２０からバッテリー情報を受信し、バッテリー情報を取得し得る。

【0044】

制御部１３０は、受信したバッテリー情報に基づいてバッテリーセルのＳＯＣを推定するように構成され得る。

【0045】

例えば、制御部１３０は、バッテリーセルに対して予め設定された等価回路モデル（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｅｌ、ＥＣＭ）及び拡張カルマンフィルタ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｋａｌｍａｎ Ｆｉｌｔｅｒ、ＥＫＦ）を用いて、バッテリーセルの電圧に基づいてバッテリーセルのＳＯＣを推定し得る。他の例として、制御部１３０は、電流積算法を用いて、バッテリーセルの電流に基づいてバッテリーセルのＳＯＣを推定してもよい。拡張カルマンフィルタまたは電流積算法に基づいてバッテリーセルのＳＯＣを推定する過程は公知であるため、詳しい説明は省略する。

【0046】

制御部１３０は、バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度に、バッテリー情報に基づいてバッテリーセルの内部抵抗を算出するように構成され得る。

【0047】

バッテリーセルは、充電部１１０によって定電流充電されるため、制御部１３０は、バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度に電圧変化量と電流に基づいてバッテリーセルの内部抵抗を算出し得る。

【0048】

例えば、内部抵抗は、電流に対する電圧変化量の比として算出され得る。すなわち、制御部１３０は、「電圧変化量÷電流」の数式を計算してバッテリーセルの内部抵抗を算出し得る。

【0049】

制御部１３０は、算出された内部抵抗の変動パターンと予め設定された基準パターンとを比較するように構成され得る。

【0050】

ここで、内部抵抗の変動パターンは、バッテリーセルのＳＯＣ増加に対する内部抵抗の増減パターンであり得る。

【0051】

まず、制御部１３０は、内部抵抗とＳＯＣとの対応関係を示す抵抗プロファイルを生成するように構成され得る。

【0052】

図２は、本発明の一実施形態による抵抗プロファイルを概略的に示した図である。

【0053】

図２を参照すると、抵抗プロファイルは、ＳＯＣと内部抵抗との対応関係を示すプロファイルであり得る。具体的には、抵抗プロファイルはＳＯＣをＸ軸におき、内部抵抗をＹ軸においた場合のＸ－Ｙグラフで表され得る。

【0054】

図２の実施形態において、バッテリーセルは、充電部１１０によってＳＯＣ０％から１１３％まで充電され得る。そして、制御部１３０は、算出した内部抵抗とバッテリーセルのＳＯＣとの対応関係を示す抵抗プロファイルを生成し得る。

【0055】

制御部１３０は、生成された抵抗プロファイルに基づいて内部抵抗の変動パターンを決定するように構成され得る。

【0056】

具体的には、制御部１３０は、生成された抵抗プロファイルのうちの基準ＳＯＣ区間に対して内部抵抗の変動パターンを決定するように構成され得る。

【0057】

ここで、基準ＳＯＣ区間は、基準ＳＯＣ（ＲＳＯＣ）を超過するＳＯＣ区間であり得る。すなわち、制御部１３０は、生成された抵抗プロファイルのうちの基準ＳＯＣ（ＲＳＯＣ）超過区間に対して内部抵抗の変動パターンを決定し得る。

【0058】

例えば、図２の実施形態において、基準ＳＯＣ（ＲＳＯＣ）は１００％に予め設定され、基準ＳＯＣ区間はＳＯＣ１００％超過区間に予め設定され得る。制御部１３０は、ＳＯＣ１００％超過区間に対して内部抵抗の変動パターンを決定し得る。

【0059】

具体的には、図２の実施形態において、基準ＳＯＣ（ＲＳＯＣ）の以後、ＳＯＣの増加とともに内部抵抗が増加する。そして、ＳＯＣ１１１％を基準にして、内部抵抗が減少する。したがって、制御部１３０は、バッテリーセルに対する内部抵抗の変動パターンを「増加後減少パターン」と決定し得る。

【0060】

制御部１３０は、決定された変動パターンが基準パターンにマッチングするか否かを判断するように構成され得る。

【0061】

具体的には、基準パターンは、基準ＳＯＣ区間において、内部抵抗が増加してから減少するパターンに予め設定され得る。すなわち、制御部１３０は、決定された変動パターンが、内部抵抗が増加してから減少するパターンであるか否かを判断し得る。

【0062】

例えば、図２の実施形態において、制御部１３０は、バッテリーセルに対する内部抵抗の変動パターンを「増加後減少パターン」と決定し得る。この場合、制御部１３０は、内部抵抗の変動パターンと基準パターンとが互いにマッチングすると判断し得る。

【0063】

制御部１３０は、比較結果に基づいてバッテリーセルに対する負極容量を設定するように構成され得る。

【0064】

具体的には、制御部１３０は、抵抗プロファイルにおいて内部抵抗が減少する地点に対応するＳＯＣに基づいて、バッテリーセルに対するＮ／Ｐ比を算出し得る。そして、制御部１３０は、算出されたＮ／Ｐ比に基づいてバッテリーセルに対する負極容量を設定し得る。

【0065】

ここで、Ｎ／Ｐ比は、負極の面積及びｇ（グラム）当たりの容量に鑑みて算出した負極容量を、正極の面積及びグラム当たりの容量に鑑みて取得した正極容量で除した値であり得る。すなわち、Ｎ／Ｐ比は、バッテリーセルの負極容量比であって、バッテリーセルの正極容量に対する負極容量の比であり得る。例えば、Ｎ／Ｐ比は「負極容量÷正極容量」または「負極容量÷正極容量×１００」の数式で算出され得る。

【0066】

このようなＮ／Ｐ比は、バッテリーセルの安全性及び容量に重大な影響を及ぼすため、一般に１（または１００％）超過の値を有する。すなわち、バッテリーセルは、含まれる負極の容量が正極の容量よりも多く製作され得る。参考までに、Ｎ／Ｐ比が１（または１００％）以下であれば、バッテリーセルの充放電過程で金属リチウムが析出されるリチウムメッキが発生するおそれがある。リチウムメッキが発生すると、高率充放電時にバッテリーセルの安全性を急激に劣化させる原因として作用する。

【0067】

例えば、図２の実施形態において、内部抵抗が減少する地点に対応するＳＯＣは１１１％である。したがって、制御部１３０は、バッテリーセルに対するＮ／Ｐ比を１．１１または１１１％と算出し得る。そして、制御部１３０は、設定されたＮ／Ｐ比及びバッテリーセルに対する正極容量に基づいて、バッテリーセルに対する負極容量を設定し得る。

【0068】

望ましくは、正極容量は、ＢＯＬ（Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｏｆ Ｌｉｆｅ）状態のバッテリーセルに対して予め設定され得る。したがって、制御部１３０は、予め設定された正極容量及び算出されたＮ／Ｐ比に基づいて、バッテリーセルに対応する負極容量を設定し得る。

【0069】

本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、バッテリーセルの内部抵抗が減少するＳＯＣに基づいてバッテリーセルに対応する負極容量を設定することができる。すなわち、バッテリー管理装置１００によれば、バッテリーセルに対する負極容量が理論的なＮ／Ｐ比に基づいて画一的に設定されず、実際の検証を通じて設定される。

【0070】

例えば、バッテリー管理装置１００によって設定された負極容量に基づいて、バッテリーセルと同種のセルに含まれる負極容量を決定することができる。すなわち、バッテリー管理装置１００によって設定された負極容量に対応するように製造されたセルでは、リチウムメッキの発生可能性を低減させることができる。

【0071】

一方、バッテリー管理装置１００に備えられた制御部１３０は、本発明で行われる多様な制御ロジックを実行するため、当業界に知られたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ、特定用途向け集積回路）、他のチップセット、論理回路、レジスタ、通信モデム、データ処理装置などを選択的に含み得る。また、制御ロジックがソフトウェアとして具現されるとき、制御部１３０は、プログラムモジュールの集合として具現され得る。このとき、プログラムモジュールはメモリに保存され、制御部１３０によって実行され得る。メモリは、制御部１３０の内部または外部に備えられ得、周知の多様な手段で制御部１３０と接続され得る。

【0072】

また、バッテリー管理装置１００は、保存部１４０をさらに含み得る。保存部１４０は、バッテリー管理装置１００の各構成要素が動作及び機能を行うのに必要なデータ、若しくは、プログラムまたは動作及び機能が行われる過程で生成されるデータなどを保存し得る。保存部１４０は、データを記録、消去、更新及び読出できると知られた公知の情報記録手段であれば、その種類に特に制限がない。一例として、情報記録手段にはＲＡＭ、フラッシュ（登録商標）メモリ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、レジスタなどが含まれ得る。また、保存部１４０は、制御部１３０によって実行可能なプロセスが定義されたプログラムコードを保存し得る。

【0073】

例えば、保存部１４０は、バッテリーセルの正極容量についての情報を予め保存し得る。制御部１３０は、保存部１４０にアクセスしてバッテリーセルの正極容量についての情報を取得し得る。

【0074】

以下、図２を参照して、制御部１３０が負極容量を設定する過程をより具体的に説明する。

【0075】

制御部１３０は、抵抗プロファイルからターゲットピークＴＰを決定するように構成され得る。

【0076】

制御部１３０は、基準ＳＯＣ区間でターゲットピークＴＰを決定し得る。ここで、ターゲットピークＴＰは、抵抗プロファイルにおいて上方に向かって凸状の概形を有する地点であり得る。具体的には、ターゲットピークＴＰは、ＳＯＣに対する内部抵抗の瞬間変化率が０である地点であり得る。すなわち、ターゲットピークＴＰを基準にして瞬間変化率が正から負に変わり得る。

【0077】

例えば、図２の実施形態において、制御部１３０は、基準ＳＯＣ（ＲＳＯＣ）超過区間でターゲットピークＴＰを決定し得る。

【0078】

また、制御部１３０は、決定されたターゲットピークＴＰに対応するターゲットＳＯＣ（ＴＳＯＣ）を選択するように構成され得る。

【0079】

例えば、図２の実施形態において、制御部１３０は、ターゲットピークＴＰに対応するターゲットＳＯＣ（ＴＳＯＣ）を１１１％と選択し得る。

【0080】

そして、制御部１３０は、選択されたターゲットＳＯＣ（ＴＳＯＣ）に基づいて負極容量を設定するように構成され得る。

【0081】

上述したように、制御部１３０は、ターゲットＳＯＣ（ＴＳＯＣ）に対応する負極容量比を決定するように構成され得る。

【0082】

例えば、図２の実施形態において、制御部１３０は、ターゲットＳＯＣ（ＴＳＯＣ）に基づいて負極容量比を１．１１または１１１％と決定し得る。

【0083】

もし、決定された負極容量比が予め設定された基準比率を超過する場合、制御部１３０は、決定された負極容量比に基づいてバッテリーセルに対する負極容量を設定するように構成され得る。

【0084】

逆に、決定された負極容量比が予め設定された基準比率以下である場合、制御部１３０は、基準比率に基づいてバッテリーセルに対する負極容量を設定するように構成され得る。

【0085】

一般に、充電電流は、バッテリーセルの負極界面における電気化学反応を促進させ、負極へのリチウムイオンの挿入（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）を可能にする。この場合、バッテリーセルの正極及び負極のリチウム濃度に応じた酸化－還元反応によって算出されるバッテリーセルの内部抵抗が次第に増加し得る。しかし、負極に金属リチウムが析出されれば、充電電流の一部が析出された金属リチウムを通じて流れるため、算出されるバッテリーセルの内部抵抗が徐々に減少し得る。これは、充電電流のうちの一部のみが酸化－還元反応を促進させるためである。

【0086】

したがって、制御部１３０は、決定された負極容量比及び基準比率のうちのより大きい値に基づいて、リチウムメッキの発生可能性が低くなるように、バッテリーセルの負極容量を十分に大きい容量に設定する。

【0087】

例えば、図２の実施形態において、決定された負極容量比１．１１（または１１１％）が基準比率よりも大きいと仮定する。制御部１３０は、決定された負極容量比と予め設定された正極容量に基づいてバッテリーセルの負極容量を設定し得る。具体的には、制御部１３０は、「Ｎ／Ｐ比×正極容量」または「Ｎ／Ｐ比×正極容量÷１００」の数式によって負極容量を算出し得る。

【0088】

このように、予め設定された基準比率と算出されたＮ／Ｐ比とが相異なることは、バッテリーセルの活性化過程で負極及び電解液界面における反応によって負極にＳＥＩ（ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ）層が形成され、形成されたＳＥＩ層によって負極の非可逆容量が増加したためであると見られる。

【0089】

したがって、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、実測されたバッテリーセルのＮ／Ｐ比と予め設定された（予め設計された）基準比率とを比較し、より大きい容量で負極容量を設定できるという長所がある。したがって、設定された負極容量に基づいて製造されるセルはリチウムメッキに対してより強い。

【0090】

一方、制御部１３０は、バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度に、所定の時間充電部１１０を制御してバッテリーセルに対する充電を中止するように構成され得る。

【0091】

そして、制御部１３０は、所定の時間のバッテリー情報に基づいてバッテリーセルの内部抵抗を算出するように構成され得る。

【0092】

例えば、制御部１３０は、バッテリーセルのＳＯＣが１％だけ増加する度に、３秒間充電を中止し得る。そして、制御部１３０は、充電が中止された３秒間のバッテリーセルの電圧変化率に基づいてバッテリーの内部抵抗を算出し得る。そして、制御部１３０は、１％増加したＳＯＣと３秒間の電圧変化率に基づいて算出された内部抵抗とをマッピングして抵抗プロファイルを生成し得る。

【0093】

一般に、バッテリーセルに電流が印加されると、電気的及び電解液イオン性抵抗（Ｒｏ、オーム抵抗）によって瞬間的な電圧降下が発生し得る。例えば、オーム抵抗（Ｒｏ）による電圧降下は、電流が印加された後、約０．１秒内に発生し得る。

【0094】

その後、電極及び電解液表面の電荷移動（ｃｈａｒｇｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）反応による抵抗（Ｒ_ＣＴ）によって電圧降下が発生し得る。例えば、約３秒間電荷移動反応による抵抗（Ｒ_ＣＴ）によって電圧降下が発生し得る。

【0095】

そして、固体表面へのイオン拡散（ｉｏｎｉｃ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）による分極抵抗（Ｒ_Ｐ）によって電圧降下が発生し得る。例えば、分極抵抗（Ｒ_Ｐ）による電圧降下は、電流が印加される間に線形的に発生し得る。

【0096】

負極に金属リチウムが析出された場合は、充電電流のうちの一部が金属リチウムを通じて流れるため、電荷移動反応による抵抗（Ｒ_ＣＴ）が減少し得る。これは、充電電流のうちの一部のみによって、正極及び負極における酸化－還元反応によるリチウムイオンの脱離及び挿入が行われ、残りの充電電流は金属リチウムを通じて流れるためである。すなわち、負極にリチウムメッキが発生した場合、オーム抵抗（Ｒｏ）、電荷移動反応による抵抗（Ｒ_ＣＴ）及び分極抵抗（Ｒ_Ｐ）のうち、電荷移動反応による抵抗（Ｒ_ＣＴ）が影響を受け得る。

【0097】

したがって、制御部１３０は、バッテリーセルに対する電荷移動反応による抵抗（Ｒ_ＣＴ）を算出するため、バッテリーセルのＳＯＣが基準量だけ増加する度に充電を中止し、所定の時間のバッテリーセルの電圧変化率に基づいてバッテリーセルの内部抵抗（特に、電荷移動反応による抵抗（Ｒ_ＣＴ））を算出し得る。

【0098】

例えば、制御部１３０は、バッテリーセルのＳＯＣが１％だけ増加する度に充電を中止し、３秒間のバッテリーセルの電圧変化率に基づいてバッテリーセルの内部抵抗を算出し得る。その後、制御部１３０は、充電部１１０を制御してバッテリーセルの充電を再開し得る。

【0099】

また、本発明によるバッテリー管理装置１００は、バッテリーパック１に備えられ得る。すなわち、本発明によるバッテリーパック１は、上述したバッテリー管理装置１００及び一つ以上のバッテリーセルＢを含み得る。また、バッテリーパック１は、電装品（リレー、ヒューズなど）及びケースなどをさらに含み得る。

【0100】

図３は、本発明の他の一実施形態によるバッテリーパック１の例示的構成を概略的に示した図である。

【0101】

図３の実施形態において、測定部１２０は、第１センシングラインＳＬ１、第２センシングラインＳＬ２及び第３センシングラインＳＬ３に接続され得る。測定部１２０は、第１センシングラインＳＬ１を通じてバッテリーセルＢの正極電圧を測定し、第２センシングラインＳＬ２を通じてバッテリーセルＢの負極電圧を測定し得る。そして、測定部１２０は、測定された正極電圧と負極電圧との差を算出してバッテリーセルＢの電圧を測定し得る。

【0102】

また、測定部１２０は、第３センシングラインＳＬ３を通じて電流測定ユニットＡに接続され得る。電流測定ユニットＡは、バッテリーセルＢの充放電経路上に備えられ得る。例えば、電流測定ユニットＡは、電流計またはシャント抵抗であり得る。

【0103】

また、充放電経路とは、バッテリーセルＢの充電電流及び放電電流が流れる大電流経路であり得る。したがって、測定部１２０は、電流測定ユニットＡに接続された第３センシングラインＳＬ３を通じてバッテリーセルＢの電流を測定し、測定された電流に基づいてバッテリーセルＢの容量を測定し得る。

【0104】

また、充電部１１０は、両端がバッテリーセルＢの充放電経路に接続され得る。例えば、充電部１１０の一端は、充放電経路においてバッテリーセルＢの正極側に接続され得る。また、充電部１１０の他端は、充放電経路においてバッテリーセルＢの負極側に接続され得る。そして、充電部１１０は、制御部１３０の制御によってバッテリーセルＢを充電する。

【0105】

例えば、図３の実施形態において、充電部１１０は、バッテリーセルＢを定電流で充電する過程で、バッテリーセルＢのＳＯＣが基準量だけ増加する度に、所定の時間充電を中止し得る。その後、所定の時間が経過した後、充電部１１０は、バッテリーセルＢを定電流で再度充電し得る。

【0106】

また、本発明によるバッテリー管理装置１００は、バッテリー製造装置に備えられ得る。

【0107】

例えば、バッテリー製造装置は、基準セルに対して負極容量を設定し、設定された負極容量に基づいて同種のセルを量産し得る。すなわち、バッテリー管理装置１００によって基準セルに対する負極容量が設定され、設定された負極容量に基づいてセルが製造され得る。

【0108】

したがって、バッテリー製造装置によって製造されたセルは、正極容量に対比して十分に大きい負極容量を有するため、リチウムメッキの発生可能性が著しく低くなる。また、バッテリー製造装置によって製造されたセルの負極容量は、過充電された基準セルでリチウムメッキが発生し始めるＮ／Ｐ比に対応するように設定されるため、過度ではなく、最適の容量に設定できる。

【0109】

結果的に、バッテリー製造装置によって製造されるセルは、最適の負極容量を含むため、リチウムメッキの発生可能性が著しく低下した最適の体積で製造できる。したがって、バッテリー製造装置によって製造されるセルを含むバッテリーモジュール、バッテリーパック１及び／またはバッテリーラックの体積も合理的に減少させることができる。

【0110】

図４は、本発明のさらに他の一実施形態によるバッテリー管理方法を概略的に示した図である。

【0111】

具体的には、バッテリー管理方法の各段階は、バッテリー管理装置１００によって実行できる。以下では、説明の便宜上、上述した説明と重なる内容は省略するか又は簡単に説明する。

【0112】

図４を参照すると、バッテリー管理方法は、充電段階Ｓ１００、測定段階Ｓ２００、ＳＯＣ推定段階Ｓ３００、内部抵抗算出段階Ｓ４００、及び負極容量設定段階Ｓ５００を含む。

【0113】

充電段階Ｓ１００は、バッテリーセルＢを充電する段階であって、充電部１１０によって実行できる。

【0114】

例えば、図３の実施形態において、充電部１１０は、バッテリーセルＢを定電流で充電し得る。

【0115】

測定段階Ｓ２００は、バッテリーセルＢの充電中にバッテリーセルＢの電圧及び電流を含むバッテリー情報を測定する段階であって、測定部１２０によって実行できる。

【0116】

例えば、図３の実施形態において、測定部１２０は、第１センシングラインＳＬ１及び第２センシングラインＳＬ２を通じてバッテリーセルＢの電圧を測定し、第３センシングラインＳＬ３を通じてバッテリーセルＢの電流を測定し得る。

【0117】

ＳＯＣ推定段階Ｓ３００は、測定段階Ｓ２００で測定されたバッテリー情報に基づいてバッテリーセルＢのＳＯＣを推定する段階であって、制御部１３０によって実行できる。

【0118】

例えば、制御部１３０は、バッテリー情報に基づいて、拡張カルマンフィルタまたは電流積算法を用いることでバッテリーセルＢのＳＯＣを推定し得る。

【0119】

内部抵抗算出段階Ｓ４００は、バッテリーセルＢのＳＯＣが基準量だけ増加する度にバッテリー情報に基づいてバッテリーセルＢの内部抵抗を算出する段階であって、制御部１３０によって実行できる。

【0120】

例えば、制御部１３０は、バッテリーセルＢのＳＯＣが基準量だけ増加する度に、所定の時間のバッテリーセルＢの電圧変化量と電流に基づいてバッテリーセルＢの内部抵抗を算出し得る。具体的には、制御部１３０は「電圧変化量÷電流」の数式を計算してバッテリーセルＢの内部抵抗を算出し得る。

【0121】

負極容量設定段階Ｓ５００は、算出された内部抵抗の変動パターンと予め設定された基準パターンとを比較し、比較結果に基づいてバッテリーセルＢに対応する負極容量を設定する段階であって、制御部１３０によって実行できる。

【0122】

例えば、図２の実施形態において、制御部１３０は、バッテリーセルＢのＳＯＣと内部抵抗との対応関係を示す抵抗プロファイルを生成し得る。そして、制御部１３０は、抵抗プロファイルからターゲットピークＴＰを決定し、決定されたターゲットピークＴＰに対応するターゲットＳＯＣ（ＴＳＯＣ）に基づいてバッテリーセルＢに対する負極容量比（例えば、Ｎ／Ｐ比）を決定し得る。最後に、制御部１３０は、決定された負極容量比と基準比率とを比較した結果に基づいてバッテリーセルＢに対する最適の負極容量を設定し得る。

【0123】

上述した本発明の実施形態は、装置及び方法のみによって具現されるものではなく、本発明の実施形態の構成に対応する機能を実現するプログラムまたはそのプログラムが記録された記録媒体を通じても具現され得、このような具現は上述した実施形態の記載から当業者であれば容易に具現できるであろう。

【0124】

以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

【0125】

また、上述した本発明は、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者により、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であって、上述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではなく、多様な変形のため各実施形態の全部または一部が選択的に組み合わせられて構成され得る。

【符号の説明】

【0126】

１：バッテリーパック
１００：バッテリー管理装置
１１０：充電部
１２０：測定部
１３０：制御部
１４０：保存部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】