(57)【要約】  本発明は、相異なる電気化学的特性を有して相互に並列に接続された第１二次電池及び第２二次電池を含むハイブリッド二次電池の電圧を推定する装置及びその方法に関する。本発明による装置は、ハイブリッド二次電池の動作電流を測定するセンサーユニットと、前記動作電流及び電圧方程式を用いて前記ハイブリッド二次電池の電圧を推定する制御ユニットとを含む。前記電圧方程式は、第１開放電圧要素及び選択的に第１インピーダンス要素によって前記第１二次電池の電圧変化をシミュレートする第１回路ユニットと、第２開放電圧要素及び選択的に第２インピーダンス要素によって前記第２二次電池の電圧変化をシミュレートする、前記第１回路ユニットに並列に接続された第２回路ユニットとを含む回路モデルから誘導される。
2017501372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相異なる電気化学的特性を有して相互に並列に接続された第１二次電池及び第２二次電池を含むハイブリッド二次電池の電圧を推定する装置であって、
ハイブリッド二次電池の動作電流を測定するセンサーユニットと、
前記動作電流及び電圧方程式を用いて前記ハイブリッド二次電池の電圧を推定する制御ユニットと
を含み、
前記電圧方程式は、第１開放電圧要素及び選択的に第１インピーダンス要素によって前記第１二次電池の電圧変化をシミュレートする第１回路ユニットと、第２開放電圧要素及び選択的に第２インピーダンス要素によって前記第２二次電池の電圧変化をシミュレートする、前記第１回路ユニットに並列に接続された第２回路ユニットとを含む回路モデルから誘導されることを特徴とするハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項２】
前記第１二次電池及び前記第２二次電池は、独立的な電池として異なる包装材に包装されているものであるか、または、１つの包装材内に一緒に包装されているものであることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項３】
前記第１二次電池及び前記第２二次電池のうち少なくとも１つは、複数の単位セルまたは複数の電池モジュールを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項４】
前記制御ユニットは、
前記第１開放電圧要素によって形成される第１開放電圧を、前記第１二次電池の第１充電状態と前記第１開放電圧との間の予め定義された第１相関関係から決定し、
前記第２開放電圧要素によって形成される第２開放電圧を、前記第２二次電池の第２充電状態と前記第２開放電圧との間の予め定義された第２相関関係から決定することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項５】
前記第１相関関係は、前記第１二次電池の充電状態の変化による開放電圧プロファイルから得たルックアップテーブルまたはルックアップ関数であり、
前記第２相関関係は、前記第２二次電池の充電状態の変化による開放電圧プロファイルから得たルックアップテーブルまたはルックアップ関数であることを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項６】
前記第１インピーダンス要素及び前記第２インピーダンス要素は、少なくとも１つの抵抗、少なくとも１つのキャパシタ、少なくとも１つのインダクタ、またはこれらの組合せを含むことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項７】
前記第１インピーダンス要素及び前記第２インピーダンス要素は、抵抗とキャパシタとが並列に接続された少なくとも１つのＲＣ回路、及び前記ＲＣ回路に直列に接続された抵抗を含むことを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項８】
前記第１開放電圧要素と前記第１インピーダンス要素とは、かつ前記第２開放電圧要素と前記第２インピーダンス要素とは、互いに直列に接続されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項９】
前記制御ユニットは、
前記第１インピーダンス要素に含まれた回路要素の接続関係及び電気的特性値から誘導された第１インピーダンス電圧計算式を使用して、前記第１インピーダンス要素によって形成される第１インピーダンス電圧を決定し、
前記第２インピーダンス要素に含まれた回路要素の接続関係及び電気的特性値から誘導された第２インピーダンス電圧計算式を使用して、前記第２インピーダンス要素によって形成される第２インピーダンス電圧を決定することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項１０】
前記制御ユニットは、
前記回路モデルから、前記第１回路ユニット及び前記第２回路ユニットにそれぞれ流れる第１電流及び第２電流を決定し、
前記第１電流及び前記第２電流をそれぞれ積算して前記第１二次電池の第１充電状態及び前記第２二次電池の第２充電状態を時間更新し、
時間更新された前記第１充電状態及び前記第２充電状態、並びに前記第１電流及び前記第２電流を用いて、前記第１インピーダンス要素によって形成される第１インピーダンス電圧及び前記第２インピーダンス要素によって形成される第２インピーダンス電圧を時間更新し、
時間更新された前記第１充電状態及び前記第２充電状態に対応する前記第１二次電池の第１開放電圧及び前記第２二次電池の第２開放電圧を決定し、
決定された前記第１開放電圧及び前記第２開放電圧、時間更新された前記第１インピーダンス電圧及び前記第２インピーダンス電圧、並びに測定された前記動作電流を前記電圧方程式に代入して、前記ハイブリッド二次電池の電圧を推定することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置。
【請求項１１】
相異なる電気化学的特性を有して相互に並列に接続された第１二次電池及び第２二次電池を含むハイブリッド二次電池の電圧を、第１開放電圧要素及び選択的に第１インピーダンス要素によって前記第１二次電池の電圧変化をシミュレートする第１回路ユニットと、第２開放電圧要素及び選択的に第２インピーダンス要素によって前記第２二次電池の電圧変化をシミュレートする、前記第１回路ユニットに並列に接続された第２回路ユニットとを含む回路モデルを用いて推定する方法であって、
ハイブリッド二次電池の動作電流を測定する段階と、
前記回路モデルから前記第１回路ユニット及び前記第２回路ユニットにそれぞれ流れる第１電流及び第２電流を決定する段階と、
決定された前記第１電流及び前記第２電流をそれぞれ積算して前記第１二次電池の第１充電状態及び前記第２二次電池の第２充電状態を時間更新する段階と、
時間更新された前記第１充電状態及び前記第２充電状態、並びに前記第１電流及び前記第２電流を用いて、前記第１インピーダンス要素によって形成される第１インピーダンス電圧及び前記第２インピーダンス要素によって形成される第２インピーダンス電圧を時間更新する段階と、
時間更新された前記第１充電状態及び前記第２充電状態に対応する前記第１二次電池の第１開放電圧及び前記第２二次電池の第２開放電圧を決定する段階と、
決定された前記第１開放電圧及び前記第２開放電圧、時間更新された前記第１インピーダンス電圧及び前記第２インピーダンス電圧、並びに測定された前記動作電流を、前記回路モデルから誘導された電圧方程式に代入して、前記ハイブリッド二次電池の電圧を推定する段階と
を含むことを特徴とするハイブリッド二次電池の電圧推定方法。
【請求項１２】
前記ハイブリッド二次電池の動作開始電圧を測定する段階と、
前記動作開始電圧に対応する前記第１二次電池の充電状態及び前記第２二次電池の充電状態を初期条件として決定する段階と
をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定方法。
【請求項１３】
前記第１インピーダンス電圧及び前記第２インピーダンス電圧に対する初期条件を決定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定方法。
【請求項１４】
前記第１電流及び前記第２電流は、それぞれ、前記第１開放電圧及び前記第２開放電圧、前記第１インピーダンス電圧及び前記第２インピーダンス電圧、並びに前記動作電流を入力変数として含んでいる第１電流分配方程式及び第２電流分配方程式から決定されることを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定方法。
【請求項１５】
請求項１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定装置を含む電気駆動装置。
【請求項１６】
請求項１１に記載のハイブリッド二次電池の電圧推定方法をプログラム化して書き込んだコンピューター可読の記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド二次電池の電圧を推定することができる装置及び方法に関する。
本出願は、２０１３年１０月１４日出願の韓国特許出願第１０−２０１３−０１２２２７２号及び２０１４年１０月１３日出願の韓国特許出願第１０−２０１４−０１３７７２４号に基づく優先権を主張するものであり、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
【背景技術】
【０００２】
電池は、電気化学的な酸化及び還元反応を通じて電気エネルギーを生成するものであって、幅広い範囲で多様な用途で用いられる。例えば、携帯電話、ラップトップパソコン、デジカメ、ビデオカメラ、タブレットパソコン、電動工具などのように持ち運び可能な装置；電気自転車、電気バイク、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気船、電気飛行機などのような各種電気駆動動力装置；再生可能なエネルギーを通じて発電した電力や余剰発電電力を貯蔵するときに使用される電力貯蔵装置；サーバーコンピューターと通信用基地局を含む各種情報通信装置に電力を安定的に供給するための無停電電源供給装置などに至るまで、電池の使用領域はますます拡がっている。
【０００３】
電池は、３つの基本構成要素を含む。つまり、放電する間に電子を放出しながら酸化する物質を含む負極（ａｎｏｄｅ）、放電する間に電子を収容しながら還元される物質を含む正極（ｃａｔｈｏｄｅ）、そして負極と正極との間で作動イオンの移動を可能にする電解質である。
【０００４】
電池は、放電した後は再使用が不可能な一次電池と、電気化学反応が少なくとも部分的には可逆的であって、繰り返して充電と放電が可能な二次電池とに分類することができる。
二次電池としては、鉛‐酸電池、ニッケル‐カドミウム電池、ニッケル‐亜鉛電池、ニッケル‐鉄電池、銀酸化物電池、ニッケル金属水素化物（ｈｙｄｒｉｄｅ）電池、亜鉛‐マンガン酸化物電池、亜鉛‐臭化物電池、金属‐空気電池、リチウム二次電池などが知られている。
そのうち、リチウム二次電池は、他の二次電池に比べてエネルギー密度及び電池電圧が高く、保存寿命が長いという点で商業的に多大な関心を集めている。
【０００５】
二次電池においては、正極材及び負極材として使用される物質が二次電池の性能に重要な影響を及ぼす。したがって、高温で安定性を有しながらも高いエネルギー容量を提供でき、製造コストの低い正極材及び負極材を提供しようとして多様に試みられている。
しかしながら、あらゆる面で優れた性能を有する正極材と負極材を開発することは容易ではないため、相異なる種類の正極材と負極材を含む二次電池を並列に接続することでそれぞれの二次電池が有する短所を補おうとする試みが最近行われている。
以下、相異なる種類の二次電池を並列接続させた形態の二次電池をハイブリッド二次電池と称する。
【０００６】
一方、ハイブリッド二次電池は、構成電池が相異なる動作電圧範囲を有する場合、変曲点を含む電圧プロファイルを有することが多い。構成電池の動作電圧範囲が異なれば、ハイブリッド二次電池の充電または放電中に支配的な反応速度（ｒｅａｃｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ）が変わるためである。
なお、ハイブリッド二次電池の電圧プロファイルに変曲点が存在すれば、変曲点の付近では充電状態に比べて電圧の変化量が相対的に少ない。すなわち、充電状態がかなり変わっても電圧は殆ど変化しない。ところで、センサーで測定した電圧には、センサーの誤差や動的に変化する分極電圧などによって誤差が生じる。したがって、変曲点の付近で測定電圧をそのまま用いてハイブリッド二次電池を制御する場合は、その正確度を保障し難い。通常の電池制御システムでは、変曲点の付近で測定電圧が少し変わっただけでも電池の電気化学的状態が相当変化したと推定するためである。
したがって、ハイブリッド二次電池に対しては、電圧を直接測定せず、測定可能な他のパラメータを用いて電圧を間接的に推定できる方法が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、相異なる電気化学的特性を有する二次電池を並列接続したハイブリッド二次電池に対し、電圧を直接測定せず、再帰的アルゴリズム（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて間接的に推定できる装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を達成するために、本発明によるハイブリッド二次電池の電圧推定装置は、相異なる電気化学的特性を有して相互に並列に接続された第１二次電池及び第２二次電池を含むハイブリッド二次電池の電圧を推定する装置であって、ハイブリッド二次電池の動作電流を測定するセンサーユニットと、予め定義された回路モデルから誘導された電圧方程式及び前記動作電流を用いてハイブリッド二次電池の電圧を推定する制御ユニットとを含む。
【０００９】
一態様によれば、前記第１二次電池と前記第２二次電池とは、相互に独立した電池であって、異なる包装材に包装されているものであって良く、同じ包装材内に一緒に包装されているものであっても良い。
後者の場合、前記第１二次電池及び前記第２二次電池は、正極板、負極板、及び正極板と負極板との間に介在する分離膜を含む単位セルから構成される。そして、前記第１二次電池及び前記第２二次電池は、正極板及び／または負極板に電気化学的特性の異なる活物質のコーティング層を含むことができる。
別の態様によれば、前記第１二次電池及び前記第２二次電池は、それぞれ直列及び／または並列に接続された複数の単位セルまたは複数の電池モジュールを含むことができる。
【００１０】
望ましくは、前記回路モデルは、前記第１二次電池の第１開放電圧要素及び選択的に第１インピーダンス要素によって前記第１二次電池の電圧変化をシミュレートする第１回路ユニットと、前記第１回路ユニットに並列接続され、前記第２二次電池の第２開放電圧要素及び選択的に第２インピーダンス要素によって前記第２二次電池の電圧変化をシミュレートする第２回路ユニットとを含むことができる。
望ましくは、前記第１開放電圧要素によって形成される第１開放電圧は、前記第１二次電池の第１充電状態と第１開放電圧との間の予め定義された相関関係から決定することができる。
同様に、前記第２開放電圧要素によって形成される第２開放電圧は、前記第２二次電池の第２充電状態と第２開放電圧との間の予め定義された相関関係から決定することができる。
【００１１】
参考までに、前記充電状態は、当業界でＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）というパラメータとして知られている。前記充電状態は、ＳＯＣ及びｚというパラメータによってその値を定量的に表示することができる。充電状態を０ないし１００％の百分率として表示するときはＳＯＣパラメータを使用し、充電状態を０ないし１の数値で表示するときはｚパラメータを使用する。前記充電状態は、非制限的な例として、アンペアカウンティング（ａｍｐｅｒｅ ｃｏｕｎｔｉｎｇ）方法で測定することができる。
【００１２】
望ましくは、前記予め定義された相関関係は、充電状態の変化に従って測定した開放電圧プロファイルから得られる。
一態様によれば、前記予め定義された相関関係は、充電状態毎に対応する開放電圧をマッピングできるルックアップテーブルであり得る。
前記ルックアップテーブルは、第１及び第２二次電池に対して充電状態毎に測定した開放電圧データを用いて得られる。前記開放電圧データは実験を通じて得られる。
別の態様によれば、前記予め定義された相関関係は、充電状態及び開放電圧をそれぞれ入力変数及び出力変数として含んでいるルックアップ関数であり得る。
前記ルックアップ関数は、第１及び第２二次電池に対して充電状態毎に測定した開放電圧プロファイルを構成する座標データを数値解析（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ）して得られる。
【００１３】
望ましくは、前記第１インピーダンス要素及び前記第２インピーダンス要素は、それぞれ、前記第１二次電池及び前記第２二次電池の動作時に生じるＩＲ電圧及び／または分極電圧などをシミュレートするため、少なくとも１つの回路要素を含むことができる。
ここで、ＩＲ電圧は、二次電池が充電または放電するとき二次電池の内部抵抗によって生ずる電圧を意味する。
ＩＲ電圧のため、二次電池が充電される間は二次電池の電圧が開放電圧より高く、二次電池が放電する間はその逆である。
【００１４】
一態様によれば、前記第１及び／または第２インピーダンス要素は、少なくとも１つの抵抗、少なくとも１つのキャパシタ、少なくとも１つのインダクタ、またはこれらの組合せを含むことができる。
別の態様によれば、前記第１及び／または第２インピーダンス要素は、抵抗とキャパシタとが並列接続されたＲＣ回路、及びそれに直列に接続された抵抗を含むことができる。
さらに別の態様によれば、前記第１及び／または第２インピーダンス要素は、抵抗とキャパシタとが並列接続された複数のＲＣ回路を含み、前記複数のＲＣ回路は直列及び／または並列に接続され得る。
望ましくは、前記第１開放電圧成分と前記第１インピーダンス要素とは直列に接続され得る。同様に、前記第２開放電圧成分と前記第２インピーダンス要素とは直列に接続され得る。
【００１５】
望ましくは、前記制御ユニットは、前記第１インピーダンス要素に含まれた回路要素の接続関係及び電気的特性値から誘導された第１インピーダンス電圧算式を使用して、前記第１インピーダンス要素によって形成される第１インピーダンス電圧を決定することができる。
同様に、前記制御ユニットは、前記第２インピーダンス要素に含まれた回路要素の接続関係及び電気的特性値から誘導された第２インピーダンス電圧算式を使用して、前記第２インピーダンス要素によって形成される第２インピーダンス電圧を決定することができる。
ここで、各回路要素の電気的特性値は、該当回路要素の種類によって決定されるが、抵抗値、キャパシタンス値、またはインダクタンス値のうちいずれか１つであり得る。
【００１６】
本発明において、前記動作電流は、前記第１回路ユニットに流れる第１電流と前記第２回路ユニットに流れる第２電流との和と等しい。
望ましくは、前記制御ユニットは、前記回路モデルから誘導される第１電流分配方程式及び第２電流分配方程式を用いて、前記第１電流及び前記第２電流をそれぞれ決定することができる。
望ましくは、前記第１電流方程式は、入力変数として、前記第１及び第２開放電圧、前記第１及び第２インピーダンス電圧、並びに前記動作電流を含むことができる。同様に、前記第２電流方程式は、入力変数として、前記第１及び第２開放電圧、前記第１及び第２インピーダンス電圧、並びに前記動作電流を含むことができる。
【００１７】
一態様によれば、前記第１インピーダンス要素が直列抵抗を含むとき、前記第１インピーダンス電圧は、前記直列抵抗を除いた他の回路要素によって形成された電圧によって決定することができる。
同様に、前記第２インピーダンス要素が直列抵抗を含むとき、前記第２インピーダンス電圧は、前記直列抵抗を除いた他の回路要素によって形成された電圧によって決定することができる。
望ましくは、前記制御ユニットは、前記第１電流を時間毎に積算して第１充電状態を時間更新することができる。同様に、前記制御ユニットは、前記第２電流を時間毎に積算して前記第２充電状態を時間更新することができる。
【００１８】
前記制御ユニットは、二次電池と電気的に結合可能な電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）または前記電池管理システムに含まれる制御要素であり得る。
前記電池管理システムは、本発明が属する技術分野でＢＭＳと呼ばれるシステムを意味し得るが、機能的観点から、本発明で説明する少なくとも１つの機能を果たすシステムであれば如何なるものでも前記電池管理システムの範疇に含まれ得る。
【００１９】
前記電池管理システムは、前記回路モデルをプロセッサによって実行可能なソフトウェアアルゴリズムとして含むことができる。一例として、前記回路モデルは、プログラムコードとして作成され、メモリ装置に保存され、前記プロセッサによって実行され得る。
【００２０】
上記の課題を達成するため、本発明は、ハイブリッド二次電池の電圧推定方法を提供する。
一態様によれば、前記ハイブリッド二次電池の電圧推定方法は、相異なる電気化学的特性を有して相互に並列に接続された第１二次電池及び第２二次電池を含むハイブリッド二次電池の電圧を推定する方法であって、ハイブリッド二次電池の動作電流を測定する段階と、前記回路モデルから誘導された第１及び第２電流分配方程式から前記第１回路ユニット及び前記第２回路ユニットにそれぞれ流れる第１電流及び第２電流を決定する段階と、前記第１電流及び前記第２電流を積算して前記第１二次電池の第１充電状態及び前記第２二次電池の第２充電状態を時間更新する段階と、前記第１充電状態及び前記第２充電状態にそれぞれ対応する第１開放電圧及び第２開放電圧を決定する段階と、前記第１回路ユニットに含まれた第１インピーダンス要素によって形成される第１インピーダンス電圧を前記第１電流を用いて時間更新し、前記第２回路ユニットに含まれた第２インピーダンス要素によって形成される第２インピーダンス電圧を前記第２電流を用いて時間更新する段階と、決定された前記第１及び第２開放電圧、時間更新された前記第１及び第２インピーダンス電圧、並びに前記動作電流を用いてハイブリッド二次電池の電圧を推定する段階とを含む。
【００２１】
上記の課題を達成するため、本発明は、本発明によるハイブリッド二次電池の電圧を推定する方法をプログラム化して書き込んだコンピューター可読の記録媒体を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一態様によれば、動作電流と回路モデルから誘導された電圧方程式を用いて簡単にハイブリッド二次電池の電圧を推定することができる。
本発明の別の態様によれば、変曲点が含まれた電圧プロファイルを有するハイブリッド二次電池の電圧を、特に変曲点付近の充電状態区間でも正確に推定することができる。
本発明のさらに別の態様によれば、ハイブリッド二次電池の電圧を高い信頼性で推定できるため、二次電池の使用目的に合わせて最適化した組合せのハイブリッド二次電池を提供することができる。
本発明のさらに別の態様によれば、電気自動車や電力貯蔵装置のように新たな応用分野で求められる多様な仕様に対応できる二次電池を提供することができる。
【００２３】
本明細書に添付される以下の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、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ためのものであって、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】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態によるハイブリッド二次電池の電圧推定装置の構成を概略的に示したブロック図である。
【図２】第１二次電池と第２二次電池が異なる包装材に包装され、並列に接続された場合を示した概念図である。
【図３】第１二次電池と第２二次電池が同じ包装材内に一緒に包装され、包装材の内部で並列接続された場合を示した概念図である。
【図４】本発明の実施形態による回路モデルを示した回路構成図である。
【図５】本発明の実施形態によるハイブリッド二次電池の電圧推定方法を示したフロー図である。
【図６】本発明によるハイブリッド二次電池の電圧推定方法の効果を検証するために実施した電圧推定実験の結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や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。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。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態によるハイブリッド二次電池の電圧推定装置１００の構成を概略的に示したブロック図である。
図示されたように、前記電圧推定装置１００は、センサーユニット１２０及び制御ユニット１３０を含み、ハイブリッド二次電池１１０に電気的に接続されてハイブリッド二次電池１１０の電圧を推定する。
【００２７】
前記ハイブリッド二次電池１１０は、少なくとも、相互に並列に接続され、かつ電気化学的特性が相異なる第１及び第２二次電池を含む。
前記電気化学的特性は、電池の容量、電池の使用電圧帯域、充電状態による電池の最大／最小充電率または最大／最小放電率、低率放電特性、高率放電特性、温度毎の最大／最小充電率または最大／最小放電率、充電または放電プロファイル、充電状態の変化に従う抵抗プロファイル、充電状態の変化に従う開放電圧プロファイル、及び電圧に対する電池の容量特性を示したｄＱ／ｄＶ分布のうち選択された少なくとも１つを意味する。
望ましくは、前記第１及び第２二次電池は、リチウムイオンによって電気化学的反応が起きるリチウム二次電池であり得る。このような場合、前記第１及び第２二次電池は、正極材の種類、負極材の種類、及び電解質の種類のうち少なくとも１つが異なり得る。
【００２８】
一実施形態として、前記第１二次電池は、正極材として、一般化学式Ａ［ＡｘＭｙ］Ｏ２＋ｚ（ＡはＬｉ、Ｎａ、及びＫのうち少なくとも１つの元素を含む；ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｒｕ、及びＣｒから選択された少なくとも１つの元素を含む；ｘ≧０、１≦ｘ＋ｙ≦２、−０．１≦ｚ≦２；ｘ、ｙ、ｚ、及びＭに含まれた成分の化学量論係数は化合物が電気的中性を維持するように選択される）で表されるアルカリ金属化合物を含むことができる。
【００２９】
代案的に、前記第１二次電池は、正極材として、米国特許第６，６７７，０８２号、米国特許第６，６８０，１４３号などに開示されたアルカリ金属化合物ｘＬｉＭ１Ｏ２‐（１−ｘ）Ｌｉ２Ｍ２Ｏ３（Ｍ１は平均酸化状態３を有する少なくとも１つの元素を含む；Ｍ２は平均酸化状態４を有する少なくとも１つの元素を含む；０≦ｘ≦１）を含むことができる。
【００３０】
また、前記第２二次電池は、正極材として、一般化学式ＬｉａＭ１ｘＦｅ１‐ｘＭ２ｙＰ１‐ｙＭ３ｚＯ４‐ｚ（Ｍ１はＴｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｍｇ、及びＡｌから選択された少なくとも１つの元素を含む；Ｍ２はＴｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｖ、及びＳから選択された少なくとも１つの元素を含む；Ｍ３はＦを選択的に含むハロゲン族元素を含む；０＜ａ≦２、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１；ａ、ｘ、ｙ、ｚ、Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３に含まれた成分の化学量論係数は化合物が電気的中性を維持するように選択される）、または、Ｌｉ３Ｍ２（ＰＯ４）３（ＭはＴｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｍｇ、及びＡｌから選択された少なくとも１つの元素を含む）で表されるリチウム金属フォスフェートを含むことができる。
【００３１】
選択的に、前記第１及び／または第２二次電池に含まれる正極材は、コーティング層を含むことができる。前記コーティング層は、炭素層を含むか、または、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｖ、及びＳからなる群より選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物層またはフッ化物層を含むことができる。
【００３２】
また、前記第１及び第２二次電池は、相異なる電気化学的特性を有するように、負極に相異なる種類の負極材を含むことができる。負極材は、炭素材、リチウム金属、ケイ素、またはスズなどを含み、または、電位が２Ｖ未満のＴｉＯ２、ＳｎＯ２のような金属酸化物も含むことができる。前記炭素材としては、低結晶性炭素、高結晶性炭素などを全て使用することができる。低結晶性炭素としては、軟質炭素（ｓｏｆｔ ｃａｒｂｏｎ）及び硬質炭素（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）が代表的であり、高結晶性炭素としては天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛（Ｋｉｓｈ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、熱分解炭素（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ）、液晶ピッチ系炭素繊維（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、メソカーボンマイクロビーズ（ｍｅｓｏ−ｃａｒｂｏｎ ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ）、液晶ピッチ（Ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈｅｓ）、石油系コークス（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｄｅｒｉｖｅｄ ｃｏｋｅｓ）、及び石炭系コークス（ｔａｒ ｐｉｔｃｈ ｄｅｒｉｖｅｄ ｃｏｋｅｓ）などの高温焼成炭素が代表的である。
【００３３】
また、前記第１及び／または第２二次電池は、相異なる電気化学的特性を有するように、相異なる種類の電解質を含むことができる。前記電解質は、Ａ＋Ｂ−のような構造を有する塩を含むことができる。ここで、前記Ａ＋は、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋のようなアルカリ金属陽イオンまたはこれらの組合せからなるイオンを含む。また、Ｂ−は、Ｆ−、Ｃｌ−、Ｂｒ−、Ｉ−、ＮＯ３−、Ｎ（ＣＮ）２−、ＢＦ４−、ＣｌＯ４−、ＡｌＯ４−、ＡｌＣｌ４−、ＰＦ６−、ＳｂＦ６−、ＡｓＦ６−、ＢＦ２Ｃ２Ｏ４−、ＢＣ４Ｏ８−、（ＣＦ３）２ＰＦ４−、（ＣＦ３）３ＰＦ３−、（ＣＦ３）４ＰＦ２−、（ＣＦ３）５ＰＦ−、（ＣＦ３）６Ｐ−、ＣＦ３ＳＯ３−、Ｃ４Ｆ９ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ３−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、（ＦＳＯ２）２Ｎ−、ＣＦ３ＣＦ２（ＣＦ３）２ＣＯ−、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＣＨ−、（ＳＦ５）３Ｃ−、（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ−、ＣＦ３（ＣＦ２）７ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＯ２−、ＣＨ３ＣＯ２−、ＳＣＮ−、及び（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２Ｎ−からなる群より選択されたいずれか１つ以上の陰イオンを含む。
【００３４】
また、前記電解質は、有機溶媒を含むことができる。前記有機溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、Ｎ‐メチル‐２‐ピロリドン（ＮＭＰ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ‐ブチロラクトン（γ‐ＢＬ）、またはこれらの混合物を使用することができる。
【００３５】
本発明において、前記第１二次電池と前記第２二次電池は、電気化学的特性が相異なって互いに並列に接続されているものであれば、各二次電池の包装形態や各二次電池を構成する単位セルの数によって構成が制限されることはない。
また、前記第１二次電池と前記第２二次電池は、単位セル、複数の単位セルを含むモジュール、複数のモジュールを含むパックなどのように多数の電池要素からなるアセンブリも含む概念で理解せねばならない。
【００３６】
一態様によれば、前記第１二次電池と前記第２二次電池は、図２に示されたように独立的な電池として異なる包装材に包装されているものであって良く、図３に示されたように１つの包装材内に一緒に包装されているものであっても良い。
一例として、前記第１及び第２二次電池は、軟性のパウチ包装材内に個別的に包装された相異なる種類のリチウム二次電池であり得る。または、前記第１及び第２二次電池は、１つのパウチ包装材内に一緒に包装された相異なる種類のリチウム二次電池であり得る。
【００３７】
また、１つの包装材内に相異なる種類の第１単位セルと第２単位セルとが交互に積層されて並列に接続される場合、交互に積層された第１単位セルのグループと第２単位セルのグループもそれぞれ第１二次電池及び第２二次電池に該当すると見なせる。
前記第１単位セルと前記第２単位セルは、少なくとも、正極板、負極板、及び正極板と負極板との間に介在する分離膜を含む。前記第１単位セルと前記第２単位セルとは電気化学的特性が相異なるため、前記第１単位セルと前記第２単位セルの正極板及び／または負極板は、相異なる活物質コーティング層を含むことができる。
【００３８】
別の態様によれば、前記第１二次電池と前記第２二次電池は、負極／分離膜／正極を最小単位にする少なくとも１つの単位セルを含むか、または、少なくとも２個以上の単位セルが直列及び／または並列に接続されて積層された単位セルの組立体を含むことができる。
さらに別の態様によれば、前記第１二次電池は、個別的に包装された第１電気化学的特性を有する複数の二次電池を直列及び／または並列に接続した二次電池モジュールを含むことができる。同様に、前記第２二次電池は、個別的に包装された第２電気化学的特性を有する複数の二次電池を直列及び／または並列に接続した二次電池モジュールを含むことができる。
【００３９】
前記二次電池１１０は負荷１４０と電気的に接続することができる。前記負荷１４０は、多様な電気駆動装置に含まれたものであって、前記二次電池１１０が放電するとき供給される電気エネルギーによって作動する前記電気駆動装置内に含まれたエネルギー消耗装置を意味する。
前記電気駆動装置は、非制限的な例として、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、または電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）のような電気駆動移動装置；携帯電話、スマートフォン、またはスマートパッドのような持ち運び可能な装置；ラップトップパソコンのようなモバイルコンピューター；カムコーダまたはデジタルカメラのような手持ち式の映像撮影装置；電力グリッドや無停電電源装置で使用される大容量の電力貯蔵装置（ＥＳＳ）などであり得る。
前記負荷は、非制限的な例として、モーターのような回転動力装置、インバーターのような電力変換装置などが挙げられるが、本発明が負荷の種類によって限定されることはない。
【００４０】
選択的に、前記電圧推定装置１００は、記憶ユニット１６０をさらに含むことができる。前記記憶ユニット１６０は、情報を記録し消去できる記憶媒体であれば、その種類に特に制限がない。一例として、前記記憶ユニット１６０はＲＡＭ、ＲＯＭ、レジスタ、ハードディスク、光記録媒体、または磁気記録媒体であり得る。また、前記記憶ユニット１６０は、前記制御ユニット１３０によってアクセスできるように、例えばデータバスなどを通じて前記制御ユニット１３０に接続され得る。また、前記記憶ユニット１６０は、前記制御ユニット１３０が実行する各種制御ロジックを含むプログラム及び／または前記制御ロジックが実行されるときに発生するデータを、保存及び／または更新及び／または消去及び／または伝送する。前記記憶ユニット１６０は、論理的に２つ以上に分割でき、前記制御ユニット１３０内に含まれることを制限しない。
【００４１】
また選択的に、前記電圧推定装置１００は、表示ユニット１５０をさらに含むことができる。前記表示ユニット１５０は、前記制御ユニット１３０が生成した情報をグラフィックインターフェースで表示できるものであれば、その種類に特に制限がない。一例として、前記表示ユニット１５０は、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、ＯＬＥＤディスプレイ、Ｅ−ＩＮＫディスプレイ、フレキシブルディスプレイなどであり得る。前記表示ユニット１５０は、前記制御ユニット１３０に直接または間接的に接続され得る。後者の方式が採択される場合、前記表示ユニット１５０は、前記制御ユニット１３０が位置する領域と物理的に分離した領域に位置することができる。そして、前記表示ユニット１５０と前記制御ユニット１３０との間に第３制御ユニット（図示せず）が介在して、前記第３制御ユニットが前記制御ユニット１３０から表示ユニット１５０に表示する情報の提供を受けて表示ユニット１５０に表示することができる。そのために、前記第３制御ユニットと前記制御ユニット１３０とが通信インターフェースを通じて接続され得る。
【００４２】
前記センサーユニット１２０は、前記制御ユニット１３０の統制の下、時間間隔を置いてハイブリッド二次電池１１０の動作電流Ｉを繰り返して測定し、前記測定された動作電流Ｉを制御ユニット１３０に出力することができる。ここで、前記動作電流Ｉは、ハイブリッド二次電池１１０の充電電流または放電電流を意味する。
選択的に、前記センサーユニット１２０は、前記制御ユニット１３０の統制の下、ハイブリッド二次電池１１０の電圧を測定し、前記測定された電圧を制御ユニット１３０に出力することができる。このような電圧測定は回路モデルで用いられる一部変数の初期条件を設定するためのものであって、詳しくは後述する。
【００４３】
前記センサーユニット１２０は、電圧測定部と電流測定部を含むことができる。前記電圧測定部は、基準電位を基準にハイブリッド二次電池１１０の電圧を測定する回路で構成することができる。前記電流測定部は、充電電流または放電電流が流れる線路に設けられたセンス抵抗で構成することができる。しかしながら、本発明が電圧測定部と電流測定部の具体的な構成によって限定されることはない。
前記電圧測定部と前記電流測定部は、１つのセンサーユニット１２０内に含まれて良く、物理的に互いに分離されても良い。このような場合、前記センサーユニット１２０は、互いに分離されている電圧測定部と電流測定部を含む概念として理解せねばならない。
【００４４】
前記制御ユニット１３０は、ハイブリッド二次電池１１０の電圧推定に必要な少なくとも１つの制御ロジックを実行できる構成要素であって、非制限的な例として、予め定義された回路モデルを用いてハイブリッド二次電池１１０の電圧を推定することができる。
望ましい実施形態として、前記回路モデルは、ハイブリッド二次電池１１０の電圧変化をシミュレートするため、直列及び／または並列に接続された少なくとも１つの回路ユニットを含むことができる。
【００４５】
図４は、本発明の一実施形態による回路モデル２００を示した回路構成図である。
図４を参照すれば、前記回路モデル２００は、ハイブリッド二次電池１１０の電圧変化をモデリングするため、並列に接続された第１回路ユニット２１０及び第２回路ユニット２２０を含む。
前記第１回路ユニット２１０は、前記第１二次電池の電圧変化をシミュレートするためのものであって、直列に接続された第１開放電圧要素２１０ａ、及び選択的に第１インピーダンス要素２１０ｂを含む。
同様に、前記第２回路ユニット２２０は、前記第２二次電池の電圧変化をシミュレートするためのものであって、直列に接続された第２開放電圧要素２２０ａ、及び選択的に第２インピーダンス要素２２０ｂを含む。
【００４６】
前記ハイブリッド二次電池１１０が充電または放電するとき、前記第１開放電圧要素２１０ａの両端には、前記第１二次電池の第１充電状態ｚｃ１に従って大きさが変化する第１開放電圧ＯＣＶｃ１（ｚｃ１）が形成され、前記第２開放電圧要素２２０ａの両端には、前記第２二次電池の第２充電状態ｚｃ２に従って大きさが変化する第２開放電圧ＯＣＶｃ２（ｚｃ２）が形成される。
望ましくは、前記第１開放電圧ＯＣＶｃ１（ｚｃ１）は、前記第１充電状態ｚｃ１とそれに対応する前記第１二次電池の開放電圧との間の予め定義された相関関係から決定することができる。
同様に、前記第２開放電圧ＯＣＶｃ２（ｚｃ２）は、前記第２充電状態ｚｃ２とそれに対応する前記第２二次電池の開放電圧との間の予め定義された相関関係から決定することができる。
【００４７】
望ましくは、前記予め定義された相関関係は、充電状態の変化に従って測定した開放電圧プロファイルから得られる。
一実施形態として、前記予め定義された相関関係は、充電状態毎に対応する開放電圧をマッピングできるルックアップテーブルであり得る。このようなルックアップテーブルは、第１及び第２二次電池に対して充電状態毎に測定した開放電圧データを活用して得られる。ここで、前記開放電圧データは実験を通じて得られる。
別の実施形態として、前記予め定義された相関関係は、充電状態と開放電圧をそれぞれ入力変数と出力変数として含んでいるルックアップ関数であり得る。このようなルックアップ関数は、第１及び第２二次電池に対して充電状態毎に測定した開放電圧プロファイルに含まれた座標データを数値解析して得られる。
【００４８】
望ましくは、前記第１インピーダンス要素２１０ｂと前記第２インピーダンス要素２２０ｂは、それぞれ、前記第１二次電池と前記第２二次電池が動作するとき生じるＩＲ電圧及び／または分極電圧などをシミュレートするため、少なくとも１つの回路要素を含む。
ここで、ＩＲ電圧は、二次電池が充電または放電するとき二次電池の内部抵抗によって生じる電圧を意味する。
ＩＲ電圧のため、二次電池が充電される間は二次電池の電圧が開放電圧より高く、二次電池が放電する間はその逆である。
【００４９】
前記第１インピーダンス要素２１０ｂ及び前記第２インピーダンス要素２２０ｂに含まれる回路要素の数と種類、回路要素同士の接続関係は、前記第１二次電池及び第２二次電池の電気化学的物性によって決定できるが、望ましくは交流インピーダンス測定実験を通じる試行錯誤法によって決定することができる。また、各回路要素の電気的特性値は、交流インピーダンス測定実験を通じて近似値を決定した後、本発明によって推定される電圧と精密な実験条件で測定した電圧との誤差が最小化するようにチューニングすることで最適値に調整することができる。
【００５０】
一態様によれば、前記第１インピーダンス要素２１０ｂ及び／または前記第２インピーダンス要素２２０ｂは、少なくとも１つの抵抗、少なくとも１つのキャパシタ、少なくとも１つのインダクタ、またはこれらの選択的組合せを含むことができる。前記第１インピーダンス要素２１０ｂ及び／または前記第２インピーダンス要素２２０ｂが、複数の回路要素を含むとき、各回路要素は他の回路要素に直列及び／または並列に接続され得る。
具体的な実施形態において、前記第１インピーダンス要素２１０ｂは抵抗とキャパシタとが並列に接続された少なくとも１つのＲＣ回路ＲＣｎ，ｃ１と、それに直列に接続された抵抗Ｒ０，ｃ１とを含むことができる。ここで、前記ｎはｎ番目のＲＣ回路を示すインデックスである。
同様に、前記第２インピーダンス要素２２０ｂは、抵抗とキャパシタとが並列に接続された少なくとも１つのＲＣ回路ＲＣｍ，ｃ２と、それに直列に接続された抵抗Ｒ０，ｃ２とを含むことができる。ここで、前記ｍはｍ番目のＲＣ回路を示すインデックスである。
【００５１】
前記ＲＣ回路ＲＣｎ，ｃ１、ＲＣｍ，ｃ２は、前記第１二次電池及び前記第２二次電池が動作するとき生じる分極電圧をシミュレートするための回路要素に該当する。前記ＲＣ回路ＲＣｎ，ｃ１、ＲＣｍ，ｃ２に含まれた抵抗とキャパシタの電気的特性値、素子の数、そして前記ＲＣ回路ＲＣｎ，ｃ１、ＲＣｍ，ｃ２の数は、前記第１二次電池及び前記第２二次電池の分極電圧特性によって変化し得る。また、前記第１二次電池及び前記第２二次電池の分極電圧が無視できる程小さければ、前記ＲＣ回路ＲＣｎ，ｃ１、ＲＣｍ，ｃ２は省略できる。
前記直列抵抗Ｒ０，ｃ１、Ｒ０，ｃ２は、前記第１二次電池及び前記第２二次電池が動作するとき生じるＩＲ電圧をシミュレートするための回路要素に該当する。前記直列抵抗Ｒ０，ｃ１、Ｒ０，ｃ２の電気的特性値はＩＲ電圧特性によって変化し得る。また、前記直列抵抗Ｒ０，ｃ１、Ｒ０，ｃ２の数は必要に応じて２つ以上になり得る。もし、前記第１二次電池及び前記第２二次電池のＩＲ電圧が無視できる程小さければ、前記直列抵抗Ｒ０，ｃ１、Ｒ０，ｃ２は省略できる。
【００５２】
望ましくは、前記制御ユニット１３０は、前記第１インピーダンス要素２１０ｂに含まれた回路要素の接続関係と電気的特性値から誘導された第１インピーダンス電圧計算式を用いて、前記第１インピーダンス要素によって形成される第１インピーダンス電圧Ｖｉ，ｃ１を決定することができる。同様に、前記制御ユニット１３０は、前記第２インピーダンス要素２２０ｂに含まれた回路要素の接続関係と電気的特性値から誘導された第２インピーダンス電圧計算式を用いて、前記第２インピーダンス要素２２０ｂによって形成される第２インピーダンス電圧Ｖｉ，ｃ２を決定することができる。ここで、各回路要素の電気的特性値は、該当回路要素の種類によって決定されるが、抵抗値、キャパシタンス値、またはインダクタンス値のうちいずれか１つであり得る。
【００５３】
前記第１インピーダンス電圧Ｖｉ，ｃ１は、第１インピーダンス要素２１０ｂに含まれている直列回路要素によって形成される電圧の和で決定でき、前記第２インピーダンス電圧Ｖｉ，ｃ２は、第２インピーダンス要素２２０ｂに含まれている直列回路要素によって形成される電圧の和で決定することができる。
望ましくは、前記第１インピーダンス要素２１０ｂ及び前記第２インピーダンス要素２２０ｂが直列抵抗を含む場合、前記第１インピーダンス電圧Ｖｉ，ｃ１及び前記第２インピーダンス電圧Ｖｉ，ｃ２を決定するとき、前記直列抵抗によって形成された電圧を考慮しなくても良い。
前記第１インピーダンス要素２１０ｂ及び／または前記第２インピーダンス要素２２０ｂが少なくとも１つのＲＣ回路を含むとき、それぞれのＲＣ回路によって形成される電圧は下記の数式（１）のような離散時間方程式によって決定することができる。下記離散時間方程式は、当業界で周知されているため、具体的な誘導過程は省略する。
【００５４】
【数１】
2017501372.tif 000003
【００５５】
数式（１）において、ｋは時間インデックスを示し、Δｔは時間インデックスｋと時間インデックスｋ＋１との間の時間間隔を示し、ＲとＣは、それぞれ、ＲＣ回路に含まれた抵抗の抵抗値とキャパシタのキャパシタンス値を示し、ＩＲＣ［ｋ］はＲＣ回路に流れる電流を示す。
一方、前記動作電流Ｉは、前記第１回路ユニット２１０に流れる第１電流Ｉｃ１と前記第２回路ユニット２２０に流れる第２電流Ｉｃ２との和と等しい。したがって、前記動作電流Ｉ、前記第１電流Ｉｃ１及び前記第２電流Ｉｃ２の関係は、下記の数式（２）のような離散時間方程式で表すことができる。
【００５６】
【数２】
2017501372.tif 000004
【００５７】
数式（２）において、ハイブリッド二次電池１１０の充電時には、Ｉ［ｋ］、Ｉｃ１［ｋ］、及びＩｃ２［ｋ］が正の値を有する。逆に、ハイブリッド二次電池１１０の放電時には、Ｉ［ｋ］、Ｉｃ１［ｋ］、及びＩｃ２［ｋ］が負の値を有する。
前記制御ユニット１３０は、前記回路モデル２００から誘導される第１電流分配方程式と第２電流分配方程式を用いて前記第１電流Ｉｃ１［ｋ］及び前記第２電流Ｉｃ２［ｋ］をそれぞれ決定することができる。
前記第１電流分配方程式と前記第２電流分配方程式を離散時間方程式の形態で誘導する過程は次のようである。
まず、時間インデックスｋにおいて、前記第１電流と前記第２電流は下記の数式（３）及び（４）のように表すことができる。
【００５８】
【数３】
2017501372.tif 000005
【００５９】
上記の数式において、Ｖ［ｋ］はハイブリッド二次電池の電圧を示す。
【数４】
2017501372.tif 000006
は、第１回路ユニット２１０に含まれた少なくとも１つのＲＣ回路ＲＣｎ，ｃ１によって形成される電圧の和であって、ＶｎＲＣ，ｃ１は、ｎ番目ＲＣ回路に形成される電圧を示す。ｎは１ないしｐの自然数であり、ｐの最小値は１である。同様に、
【数５】
2017501372.tif 000007
は、第２回路ユニット２２０に含まれた少なくとも１つのＲＣ回路ＲＣｍ，ｃ２によって形成される電圧の和であって、ＶｍＲＣ，ｃ２は、ｍ番目ＲＣ回路に形成される電圧を示す。ｍは１ないしｑの自然数であり、ｑの最小値は１である。ｚｃ１［ｋ］とｚｃ２［ｋ］は、それぞれ、第１二次電池と第２二次電池の充電状態を示す。Ｒ０，ｃ１及びＲ０，ｃ２は、第１回路ユニット２１０及び第２回路ユニット２２０にそれぞれ含まれた直列抵抗の抵抗値を示す。
数式（３）及び（４）を数式（２）に代入して、ハイブリッド二次電池の電圧Ｖ［ｋ］に対して整理すれば、下記の数式（５）のような電圧方程式が得られる。
【００６０】
【数６】
2017501372.tif 000008
【００６１】
その後、数式（５）を数式（３）及び（４）にそれぞれ代入すれば、次のように第１電流分配方程式（６）及び第２電流分配方程式（７）が得られる。
【００６２】
【数７】
2017501372.tif 000009
【００６３】
数式（６）と（７）は、ハイブリッド二次電池の動作電流Ｉが第１二次電池側と第２二次電池側とに分かれて流れる場合、電流の大きさを定量的に決定するとき使用することができる。
また、数式（６）と（７）は、第１二次電池の充電状態ｚｃ１［ｋ］と第２二次電池の充電状態ｚｃ２［ｋ］を下記の数式（８）と（９）を用いてアンペアカウンティング法によって時間更新するとき使用することができる。
【００６４】
【数８】
2017501372.tif 000010
【００６５】
数式（８）及び（９）において、Ｑｃ１及びＱｃ２は、それぞれ、第１二次電池及び第２二次電池の容量を示す。Δｔは時間インデックスｋとｋ＋１との間の時間間隔を示す。
数式（６）及び（７）において、
【数９】
2017501372.tif 000011
と
【数１０】
2017501372.tif 000012
は、第１二次電池と第２二次電池の開放電圧プロファイルを用いて決定でき、
【数１１】
2017501372.tif 000013
と
【数１２】
2017501372.tif 000014
は、数式（１）、第１電流Ｉｃ１［ｋ］、及び第２電流Ｉｃ２［ｋ］を活用して決定することができる。
【００６６】
一方、前記制御ユニット１３０が離散時間方程式で表された上述した数式を用いてハイブリッド二次電池の電圧を推定するためには、第１二次電池の充電状態ｚｃ１［ｋ］、第２二次電池の充電状態ｚｃ２［ｋ］、第１回路ユニット２１０に含まれた少なくとも１つのＲＣ回路によって形成される電圧
【数１３】
2017501372.tif 000015
、及び第２回路ユニット２２０に含まれた少なくとも１つのＲＣ回路によって形成される電圧
【数１４】
2017501372.tif 000016
に対する初期条件を設定することが望ましい。
一実施形態において、前記制御ユニット１３０は、下記の数式（１０）のように、初期条件を設定できるが、本発明がこれによって限定されることはない。
【００６７】
【数１５】
2017501372.tif 000017
【００６８】
前記初期条件において、Ｖ［０］は、ハイブリッド二次電池の充電または放電が始まるとき、センサーユニット１２０を通じて初めで測定した二次電池の動作開始電圧であって、近似的には二次電池の充電または放電開始時の開放電圧に該当する。演算子ＯＣＶｃ１−１は、第１二次電池の充電状態を開放電圧に変換する演算子であるＯＣＶｃ１（ｚｃ１［ｋ］）の逆変換演算子であり、演算子ＯＣＶｃ２−１は、第２二次電池の充電状態を開放電圧に変換する演算子であるＯＣＶｃ２（ｚｃ２［ｋ］）の逆変換演算子である。演算子ＯＣＶｃ１−１及び演算子ＯＣＶｃ２−１の計算結果は、実験を通じて予め得た第１二次電池の開放電圧プロファイル及び第２二次電池の開放電圧プロファイルを用いて決定することができる。
【００６９】
以下、図５を参照して、ハイブリッド二次電池の充電または放電開始直後から△ｔの時間が経過する度に、前記制御ユニット１３０が二次電池の電圧を推定する方法をより具体的に説明する。
まず、段階Ｓ１０において、前記制御ユニット１３０は、センサーユニット１２０を用いてハイブリッド二次電池１１０を通じて流れる動作電流の方向と大きさをモニタリングし、二次電池の動作（充電または放電）が開始したか否かを判断する。
前記制御ユニット１３０は、二次電池１１０の動作が開始したと判断すれば、段階Ｓ２０で時間インデックスｋを０に初期化する。
【００７０】
その後、前記制御ユニット１３０は、段階Ｓ３０において、前記センサーユニット１２０を通じて二次電池１１０の動作開始電圧に該当するＶ［０］と動作開始電流に該当するＩ［０］を測定し、記憶ユニット１６０に保存する（Ｓ３０）。
前記制御ユニット１３０は、Ｖ［０］及びＩ［０］を測定及び保存した後、段階Ｓ４０において、回路モデルから誘導された数式を用いてハイブリッド二次電池の電圧を推定するため、下記のように初期条件を設定する。
【００７１】
【数１６】
2017501372.tif 000018
【００７２】
前記制御ユニット１３０は、前記初期条件を設定するとき、前記第１回路ユニット２１０と前記第２回路ユニット２２０に含まれた各種回路要素の電気的特性値を参照できるように、前記電気的特性値は記憶ユニット１６０に予め保存されていることが望ましい。各回路要素の電気的特性値は、固定値または可変値として保存され得る。前記電気的特性値が可変値として保存される場合、前記電気的特性値はハイブリッド二次電池の充電状態、温度、容量退化度などによって変化し得る。
【００７３】
次いで、前記制御ユニット１３０は、段階Ｓ５０において、第１電流分配方程式（６）及び第２電流分配方程式（７）を用いて、下記のように第１電流Ｉｃ１［０］及び第２電流Ｉｃ２［０］を決定する。このとき、Ｓ４０段階で設定した初期条件、前記第１二次電池及び前記第２二次電池に対する予め定義された開放電圧プロファイルＯＣＶｃ１［ｚｃ１］及びＯＣＶｃ２［ｚｃ２］、前記第１回路ユニット２１０及び前記第２回路ユニット２２０に含まれた各回路要素の電気的特性値が用いられる。
【００７４】
【数１７】
2017501372.tif 000019
【００７５】
その後、前記制御ユニット１３０は、段階Ｓ６０において、時間インデックスｋを１ほど増加させる。次いで、段階Ｓ７０において、段階Ｓ５０で決定した第１電流Ｉｃ１［０］及び第２電流Ｉｃ２［０］、数式（１）、数式（８）、及び数式（９）を用いて、下記のように前記第１二次電池の充電状態ｚｃ１、前記第２二次電池の充電状態ｚｃ２、第１回路ユニット及び第２回路ユニットに含まれた各ＲＣ回路によって形成される電圧に対して時間更新を行う。以下、時間更新される４つの変数を入力変数と称する。
【００７６】
【数１８】
2017501372.tif 000020
【００７７】
上記の数式において、Ｒｎ，ｃ１及びＣｎ，ｃ１は、それぞれ、第１回路ユニットに含まれたｎ番目ＲＣ回路の抵抗値及びキャパシタンス値を示す。同様に、Ｒｍ，ｃ２及びＣｍ，ｃ２は、それぞれ、第２回路ユニットに含まれたｍ番目ＲＣ回路の抵抗値及びキャパシタンス値を示す。ｎとｍは１またはそれ以上の自然数であり得、第１回路ユニット及び／または第２回路ユニットにＲＣ回路が含まれない場合、ＲＣ回路によって形成される電圧の時間更新を省略することができる。
【００７８】
次いで、前記制御ユニット１３０は、段階Ｓ８０において、センサーユニット１２０を通じてハイブリッド二次電池の動作電流を測定し、動作電流に対して測定更新を行う。
その後、前記制御ユニット１３０は、段階Ｓ９０において、時間更新された入力変数と測定更新された動作電流を電圧方程式に該当する数式（５）に代入し、下記のようにハイブリッド二次電池の電圧を推定する。
【００７９】
【数１９】
2017501372.tif 000021
【００８０】
上記の数式において、
【数２０】
2017501372.tif 000022
及び
【数２１】
2017501372.tif 000023
は、第１二次電池及び第２二次電池に対して予め定義された開放電圧プロファイルを用いて決定することができる。また、
【数２２】
2017501372.tif 000024
及び
【数２３】
2017501372.tif 000025
は、時間更新されたＲＣ回路電圧を用いて決定することができる。Ｉ［１］はセンサーユニット１２０によって測定更新された動作電流である。第１及び第２回路ユニットの直列抵抗値Ｒ０，ｃ１、Ｒ０，ｃ２は、実験を通じて予め決定されるものであって、固定値または可変値である。
数式（５）を用いた電圧推定が完了すれば、段階Ｓ１００において、前記制御ユニット１３０は、入力変数に対する時間更新周期に該当するΔｔが経過したか否かを判断する。
【００８１】
前記制御ユニット１３０は、時間Δｔが経過したと判断すれば、段階Ｓ１１０において、センサーユニット１２０を通じて二次電池の動作電流をモニタリングして二次電池の充電または放電が続いているか否かを判断する。
前記制御ユニット１３０は、二次電池の充電または放電が続いていると判断すれば、プロセスを段階Ｓ５０に移行することで、第１電流及び第２電流の時間更新段階からハイブリッド二次電池の電圧推定段階までの過程を再度繰り返す。
このような再帰的アルゴリズムは、二次電池の充電または放電が続いている間、入力変数の時間更新週期（Δｔ）が経過する度に繰り返される。
【００８２】
一方、前記制御ユニット１３０は、段階Ｓ１１０で充電または放電が実質的に終了したと判断すれば、段階Ｓ１２０において、充電または放電が終了してから十分な時間が経過したか否かを判断する。
ここで、十分な時間とは、ハイブリッド二次電池の電圧が開放電圧に該当する電圧レベルに安定化するまでに要する時間を意味する。
前記制御ユニット１３０は、充電または放電が終了した後、十分な時間が経過したと判断すれば、回路モデルを用いたハイブリッド二次電池の電圧推定プロセスを終了する。
【００８３】
前記制御ユニット１３０は、各段階で決定した結果を記憶ユニット１６０に保存するか、外部の他の制御ユニットに伝送するか、または、表示ユニット１５０を通じてグラフィックインターフェースで表示することができる。ここで、グラフィックインターフェースは、文字、絵、グラフィック、またはこれらの組合せを含む。
【００８４】
また、前記制御ユニット１３０は、回路モデルを用いて推定したハイブリッド二次電池の電圧を二次電池の充電または放電制御に用いることができる。また、前記制御ユニット１３０は、前記推定されたハイブリッド二次電池の電圧を二次電池の充電状態や容量退化などの決定に参照することができる。このような場合、前記制御ユニット１３０は、二次電池の動作を全般的に制御する電池管理システム（ＢＭＳ）の一部として含まれ得る。
代案的に、前記制御ユニット１３０は、前記推定されたハイブリッド二次電池の電圧を二次電池の制御を担当する制御ユニットに伝送することができる。例えば、ハイブリッド二次電池が電気自動車やハイブリッド自動車に搭載された場合、前記制御ユニット１３０は、前記推定されたハイブリッド二次電池の電圧を自動車の中央制御装置に伝送することができる。
【００８５】
前記制御ユニット１３０は、上述した多様な制御ロジックを実行するために当業界に周知されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、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むことができる。また、前記制御ロジックがソフトウェアとして具現されるとき、前記制御ユニット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、プロセッサによって実行され得る。前記メモリは、プロセッサの内部または外部にあり得、周知された多様なコンピューターの部品でプロセッサに接続され得る。また、前記メモリは、本発明の記憶ユニット１６０に含まれ得る。また、前記メモリは、デバイスの種類に関係なく情報が保存される装置を総称し、特定のメモリ装置を称しない。
【００８６】
また、前記制御ユニット１３０の制御ロジックが本発明の実施形態によるハイブリッド二次電池の電圧推定方法のプロセスを構成できることは自明である。
また、前記制御ユニット１３０の多様な制御ロジックは少なくとも１つが組み合わせられ、組み合わせられた制御ロジックはコンピューター可読のコード体系に作成されてコンピューター可読の記録媒体に書き込まれ得る。前記記録媒体は、コンピューターに含まれたプロセッサによってアクセス可能なものであれば、その種類に特に制限がない。一例として、前記記録媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、レジスタ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、ハードディスク、フロッピー(登録商標)ディスク、及び光データ記録装置を含む群から選択された少なくとも１つを含む。また、前記コード体系は、キャリア信号に変調されて特定時点に通信キャリアに含まれ得、ネットワークで接続されたコンピューターに分散して保存されて実行され得る。また、本発明が属する技術分野のプログラマーは、前記組み合わせられた制御ロジックを具現するための機能的なプログラム、コード、及びコードセグメントを容易に推論することができる。
【００８７】
＜実験例＞
まず、Ｌｉ［ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ］Ｏ２及び炭素材をそれぞれ正極及び負極に含んでいる３０Ａｈ容量のパウチ型第１リチウム二次電池と、ＬｉＦｅＰＯ４及び炭素材をそれぞれ正極及び負極に含んでいる５Ａｈ容量のパウチ型第２リチウム二次電池とを製作した。
その後、第１リチウム二次電池と第２リチウム二次電池とを並列に接続してハイブリッド二次電池を製作し、充放電テスタの恒温チャンバにローディングした後、ハイブリッド二次電池の温度を２５℃に維持しながら、開放電圧が３．７Ｖになるまで放電し、十分な時間の休止期を置いた。その後、２００Ａの高率放電条件で数十秒間短く放電するパルス放電実験を行った。
【００８８】
図６は、前記パルス放電実験の実行中に、本発明によって推定されたハイブリッド二次電池の電圧を経時的に示したグラフである。
図６を参照すれば、ハイブリッド二次電池がパルス放電する間、推定された電圧の波形がパルス放電で観察される電圧波形と実質的に同じであることが確認できる。また、パルス放電が終了した直後に推定された電圧の変化パターンもハイブリッド二次電池の実際電圧が見せる変化パターンと実質的に同じく開放電圧に向かって収束することが確認できる。また、実験例で製作したハイブリッド二次電池の場合、実際の電圧変化を観察すればパルス放電の終了直後に変曲点が生じるが、推定された電圧のプロファイルでも変曲点が現れることが確認できる。このような実験結果から、本発明による回路モデルがハイブリッド二次電池の電圧を高い信頼性でシミュレートでき、特に電圧変化プロファイルで変曲点が現れる場合にも有効にハイブリッド二次電池の電圧を高い信頼性でシミュレートできることが分かる。
【００８９】
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。
【符号の説明】
【００９０】
１００  ハイブリッド二次電池の電圧推定装置
１１０  ハイブリッド二次電池
１２０  センサーユニット
１３０  制御ユニット
１４０  負荷
１５０  表示ユニット
１６０  記憶ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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