KR20140052558A - 배터리의 잔존수명 추정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리의 초기 및 종기 내부저항을 측정하고, 상기 배터리를 온도, 전류를 달리하여, 완전충전 및 완전방전을 반복하며 각각의 SOC에 따라 사이클의 충방전 횟수에 따른 개로전압을 측정하여 기준개로전압으로 저장하고, 배터리의 온도, 전류, SOC 및 분극전압을 측정하여 상기 기준 개로전압을 이용하여 배터리의 내부저항을 연산하고 상기 초기 및 종기 내부저항과 비교하여 정확한 추정을 가능하게 하는 배터리의 잔존수명 추정방법이다.

Description

배터리의 잔존수명 추정방법{Method for Estimating State of Battery Health}

본 발명은 배터리의 잔존수명을 추정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 배터리의 노화과정에 영향을 미치는 배터리의 온도, 전류, SOC 등의 요인들과 분극현상에 따른 영향을 고려한 내부저항을 연산하여, 배터리의 잔존수명의 정확한 추정이 가능하도록 하는 배터리 잔존수명 추정방법에 관한 것이다.

배터리는 전기화학적인 반응을 통해서 충전 및 방전되고, 충전 및 방전이 거듭되면 배터리 내부의 화학물질들이 화학적 변성을 거치거나, 전기적 구조 또는 기계적 특성이 변형됨으로서 노화과정을 거치게 된다. 이러한 노화과정이 계속되면서 차츰 초기의 성능보다 저하된 성능을 갖게 되며 마지막에는 배터리의 수명을 다하게 된다. 배터리를 이용하는 많은 시스템에서 배터리의 노화에 의한 기능저하 및 교체필요시기를 추정하는 것은 시스템의 안정적인 운영에 있어 중요하므로, 잔존수명에 대한 관리가 필요하며 이를 위한 정확한 배터리의 수명예측은 매우 중요하다.

일반적으로 배터리의 SOH(State Of Health)는 배터리의 잔존 수명을 정격수명에 대하여 % 단위로 나타낸 것으로서, 배터리의 잔존수명을 나타내는 값으로 널리 사용된다. 기존의 배터리 수명의 추정방법은 여러 방법이 있으나, 그중 하나는 배터리의 내부저항 변화를 이용한 방법으로써, 배터리를 사용하게 되면 그 내부의 화학적 물리적 노화로 인하여 사용이 거듭 될수록 내부저항의 값이 증가하는 현상을 이용한 것이다. 종래의 내부저항을 이용한 배터리 수명 추정방법은 단순히 연속적으로 변화하는 입력전류를 발생시키고 그 입력전류에 따른 전압이 출력되면 이를 검출하여 내부저항값을 연산하고, 그 내부저항값으로부터 배터리 수명을 추정하는 방법을 사용한다. 그러나, 이러한 내부저항의 증가는 언제나 동일한 변화를 보이는 것이 아니라, 배터리의 온도, 방전심도(Deep Of Discharge : DOD), 충전상태(State od charge : SOC), 충전 및 방전 전류량 등의 요인에 따라 다른 변화특성을 보인다. 또한, 배터리는 전기화학적 작용으로 인해 분극현상이 발생하고, 분극현상으로 인하여 입력전류에 대응하는 전압의 출력이 일정하게 고정되어 나타나지 않으므로 정확한 출력전압의 측정이 어려워 오차가 크게 발생하게 되면 내부저항값도 큰 오차를 보일 수밖에 없는 문제점이 있다. 종래의 배터리 수명 추정방법들은 이러한 배터리의 잔존 수명을 추정함에 있어 영향을 미치는 여러 변수들을 충분히 고려하지 않아, 배터리 수명의 정확한 예측이 어려운 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 상기 문제점을 고려하여, 배터리의 초기 및 종기 내부저항을 측정하고, 상기 배터리의 온도, 전류별로 그 충방전 사이클의 횟수에 따라 각각의 SOC별로 개로전압을 측정하여 저장하고, 배터리의 온도, 전류, SOC 및 분극전압을 측정하여 배터리의 내부저항을 연산하고 상기 초기 및 종기 내부저항과 비교하여 배터리의 잔존수명의 정확한 추정이 가능하게 하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리의 잔존수명을 추정하는 방법은, 배터리의 수명 추정을 위한 기준값을 측정하고 저장하는 제 1 단계, 배터리의 수명 추정을 위한 현재값을 측정하는 제 2 단계, 상기 측정된 값들을 이용하여 배터리의 현재 내부저항을 연산하는 제 3 단계 및 상기 연산된 현재 내부저항과 상기 기준값을 비교하여 배터리의 잔존수명을 추정하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 단계는 배터리의 출고시의 초기내부저항을 측정하여 저장하는 단계, 상기 배터리를 일정 온도에 따라 완전 충전 및 완전 방전시키면서, 각 SOC에 따라 충방전 사이클 횟수당 개로전압의 변화를 측정하여 저장하는 단계, 상기 배터리를 수명이 끝날때까지 일정 전류에 따라 완전 충전 및 완전 방전시키면서, 각 SOC에 따라 충방전 사이클 횟수당 개로전압의 변화를 측정하여 저장하는 단계 및 상기 배터리의 수명이 끝난 시점의 종기내부저항을 측정하여 저장하는 단계를 더 포함하고, 상기 측정단계를 온도, 전류를 달리하면서 추가로 반복하며 그 결과를 저장하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1단계에서 상기 완전 방전은 배터리를 사용하는 시스템이 동작할 수 있는 최소의 전압 레벨 이하로 배터리의 전압이 떨어지는 시점을 기준으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2단계는 배터리의 온도, 전류, SOC, 충방전 사이클, 분극전압을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 3 단계는 상기 제 1단계에서 저장한 결과 중 상기 배터리의 해당 온도, 전류, SOC, 충방전 사이클에 따른 개로전압과 제 2단계에서 측정한 전류와 분극전압을 이용하여, 배터리의 현재 내부저항을 연산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 4 단계는 상기 배터리의 초기내부저항, 종기내부저항과 상기 배터리의 현재 내부저항을 이용하여 SOH를 연산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 배터리의 잔존수명 추정방법은 배터리의 노화과정에 영향을 미치는 온도, 전류, SOC 등의 요인들과 분극현상에 의한 영향을 고려하여 잔존수명을 추정함으로써, 더 정확한 배터리의 잔존수명 추정이 가능하도록 하여 배터리가 이용되는 시스템의 운영 및 관리에 있어서 효율 및 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 실시예에 따른 본 발명의 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 2는 배터리의 SOC와 내부저항 변화 간의 관계를 충방전 사이클에 대해 나타낸 것이다
도 3은 배터리의 온도와 내부저항 변화 간의 관계를 충방전 사이클에 대해 나타낸 것이다
도 4는 배터리의 전기적 등가회로를 나타낸 회로도이다.
도 5는 배터리의 SOC와 배터리 전압 간의 관계를 도시한 것이다.
도 6은 충전시의 배터리의 화학반응에 의한 분극 전압과 일정 시간 후의 개로전압과의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 방전시의 배터리의 화학반응에 의한 분극 전압과 일정 시간 후의 개로전압과의 관계를 도시한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따라 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 흐름도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예는 배터리의 초기내부저항 및 종기내부저항을 측정 저장하고, 개로전압의 기준값을 측정 및 저장하는 단계(10)와 현재 배터리의 잔존수명을 측정하기 위한 온도, 전류, 분극전압을 측정하고 상기 기준값을 이용하여 배터리의 현재 내부저항을 연산하는 단계(20), 상기 초기내부저항, 종기내부저항과 상기 현재 내부저항을 이용하여 SOH 연산하는 단계(30)로 이루어진다.

먼저 초기, 종기 내부저항 및 기준값을 측정 저장하는 단계(10)를 설명하면, 배터리가 처음 공장에서 출고되면, 배터리의 초기내부저항을 측정하여 저장한다. 그리고 배터리를 온도별, 전류별로 완전 충전 및 완전 방전시키면서 각 사이클 횟수별로 SOC별 개로전압을 측정하여 별도로 저장한다. 또한 상기 온도, 전류를 각기 달리하는 조건 하에서 SOC별로 각 충방전 사이클 횟수 당 개로전압을 측정하고 저장하는 과정을 반복한다. 이는 더 정확한 기준을 정하기 위한 데이터의 축적 과정으로서, 상기 데이터를 통해 특정온도, 전류, 충방전 사이클 횟수, SOC에 따라 나타나는 개로전압을 데이터베이스화한다. .

도 2는 사이클 횟수에 따른 각 SOC별 내부저항의 변화를 나타낸 것이고 도 3은 사이클 횟수에 따른 각 온도별 내부저항의 변화를 나타낸 것이다. 도 2 및 도 3에서 도시한 바와 같이 , 배터리는 사이클이 반복될수록 점차 배터리 노화가 일어나서 성능이 저하되고 내부저항은 증가하는데, 이러한 변화는 온도, 전류, SOC에 따라 다른 변화를 보인다. 따라서, 상기 방법으로 각 변수를 달리 고려한 측정 결과를 축적하고 이를 이용하면 정확한 내부 저항을 연산할 수 있다.

또한 도 4는 배터리의 전기적 등가회로를 도시한 것이며, 도 5는 배터리의 SOC에 따른 전압의 변화를 나타낸 것이다. 도 4에서의 배터리의 전기적 등가회로를 참조하면 배터리의 개로전압(Vbatt)은,

으로 나타낼 수 있다. 여기서 Emf는 배터리의 설계상의 전압이며, 실제 배터리의 개로전압은 커패시터(C) 및 내부저항(Rd, Rc)에 의한 저항성분에 의하여 전압강하가 이루어진다. 이때, 커패시터 성분에 해당하는 부분은 도 5의 빗금친 부분(100)에 해당되며 이 부분은 전압 자체가 급격히 하강하여 구동전압 이하의 전압을 나타내는 부분이다. 배터리를 사용하는 여러 시스템은 일정 레벨 이상의 전압에서 시스템이 작동하게 되므로, 배터리가 상기 일정 레벨 이하의 전압을 나타낸다면 그 잔여 충전용량과 상관없이 완전 방전된 것과 같으므로, 결국 도 5에서의 빗금친 부분(100)은 시스템 관점에서 무시할 수 있는 사용범위에 해당한다. 따라서, 배터리의 등가회로는 커패시터를 제거하고 내부저항만으로 이루어진 모델로 생각할 수 있으며 결국 배터리의 전압이 배터리의 내부저항을 결정한다고 이해할 수 있다.

결국 본 발명의 바람직한 실시예로써 상기 완전 방전의 기준은 배터리의 SOC가 20%인 시점으로 정해질 수 있으며, 이 경우 측정되는 배터리의 전압으로 내부저항을 선형적인 관계에 따라 연산할 수 있다.

상기 완전충전 및 완전충전을 여러 번 반복한 후, 배터리가 수명이 끝나게 되면 그때 배터리의 내부저항을 측정하여 종기내부저항으로 저장한다.

그 다음으로, 도 1에서의 현재 배터리의 잔존수명을 측정하기 위한 온도, 전류, SOC, 충방전 사이클, 분극전압을 측정하고 기준값을 이용하여 배터리의 현재 내부저항을 연산하는 단계(20)를 설명하면, 잔존수명을 추정하고자 하는 배터리의 온도, 전류, 분극전압을 측정하고, 축적된 기준값들 중에서 동일한 온도, 전류, SOC, 충방전 사이클에서의 개로전압 값을 얻는다. 이러한 개로전압의 기준값과 현재 측정된 전류, 분극전압으로 배터리의 내부저항을 연산한다.

도 6은 충전시의 배터리의 화학반응에 의한 분극 전압과 일정 시간 후의 개로전압과의 관계를 도시한 도면이며, 도 7은 방전시의 배터리의 화학반응에 의한 분극 전압과 일정 시간 후의 개로전압과의 관계를 도시한 도면이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 실제 배터리 사용중에 충전 또는 방전상태에서는 초기에 배터리의 화학반응으로 인해 분극현상이 발생하며, 이는 분극전압(V1)으로 나타난다. 상기 분극전압(V1)은 방전시에는 개로전압(V2)보다 낮은 전압이 나타나고, 충전시에는 그 반대로 개로전압(V2)보다 높은 분극전압(V1)이 나타난다. 이러한 전압의 변화 때문에, 배터리의 충전 방전중에 내부전압을 구하기 위해서는 개로전압 외에 상기 분극전압의 영향도 고려하여야 한다. 분극전압(V1) 개로전압(V2), 배터리전류(Ibatt)를 이용하여 배터리의 현재 내부저항을 구하는 방법은 아래의 수식에 의한다.

상기 수식에서 Rc는 충전상태에서의 내부저항이며, Rd는 방전상태에서의 내부저항이다. 상기 수식에 의하여, 배터리의 분극현상을 고려한 내부저항(Rd 또는 Rc)을 연산할 수 있으며 이때 개로전압(V2)은 상기 기준값 중 현재 배터리와 동일 조건 하에서의 개로전압이 이용되어야 한다. 결국, 상기 연산과정에서 배터리의 분극전압이 반영됨으로써 배터리의 더 정확한 내부저항(Rd 또는 Rc)을 구할 수 있다.

이하, 도 1에서의 상기 초기내부저항, 종기내부저항과 상기 현재 내부저항을 이용하여 SOH 연산단계(30)를 설명하면, 미리 측정한 초기 내부저항(Rend)과 종기내부저항(Rinit) 및 연산한 상기 배터리 내부저항(Rd 또는 Rc)를 이용하여 SOH를 연산한다. 연산을 위한 수식은 다음과 같다.

상기 수식에서 Rc,d는 현재 배터리의 충전 또는 방전 상태 여부에 따라서 Rc 또는 Rd를 대입하여 SOH를 연산하는 것이며, 상기 연산된 SOH값에 의하여 배터리의 잔존 수명을 판단하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 배터리의 잔존수명 추정방법은 배터리의 노화과정에 따른 성능변화에 영향을 미치는 온도, 전류, SOC, 충방전 사이클 횟수 등의 요소들 및 분극현상에 의한 영향을 고려한 정확한 잔존수명의 예측이 가능하다.

본 발명을 설명하는데 있어서 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.

따라서 본 발명의 해당 기술분야의 통상의 기술자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서, 상황에 따라 크기 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이며, 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위 내에 포함된다.

100 : 커패시터 전압성분

Claims (6)

1. 배터리의 잔존수명을 추정하는 방법에 있어서,
   배터리의 수명 추정을 위한 기준값을 측정하고 저장하는 제 1 단계;
   배터리의 수명 추정을 위한 현재값을 측정하는 제 2 단계;
   상기 측정된 값들을 이용하여 배터리의 현재 내부저항을 연산하는 제 3 단계; 및,
   상기 연산된 현재 내부저항과 상기 기준값을 비교하여 배터리의 잔존수명을 추정하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 잔존수명 추정방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1 단계는,
   배터리의 출고시의 초기내부저항을 측정하여 저장하는 단계;
   상기 배터리를 수명이 끝날 때까지 일정 온도에 따라 완전 충전 및 완전 방전시키면서, 각 SOC에 따라 충방전 사이클 횟수당 개로전압의 변화를 측정하여 저장하는 단계;
   상기 배터리를 일정 전류에 따라 완전 충전 및 완전 방전시키면서, 각 SOC에 따라 충방전 사이클 횟수당 개로전압의 변화를 측정하여 저장하는 단계; 및
   상기 배터리의 수명이 끝난 시점의 종기내부저항을 측정하여 저장하는 단계를 더 포함하고,
   상기 측정단계를 온도, 전류를 달리하면서 추가로 반복하며 그 결과를 저장하는 것을 특징으로 하는 배터리의 잔존수명 추정방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 완전 방전은 배터리를 사용하는 시스템이 동작할 수 있는 최소의 전압 레벨 이하로 배터리의 전압이 떨어지는 시점을 기준으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리의 잔존수명 추정방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2단계는,
   배터리의 온도, 전류, SOC, 충방전 사이클, 분극전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 잔존수명 추정방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제 3 단계는,
   상기 제 1단계에서 저장한 결과 중 상기 배터리의 해당 온도, 전류, SOC, 충방전 사이클에 따른 개로전압과 제 2단계에서 측정한 전류와 분극전압을 이용하여, 배터리의 현재 내부저항을 연산하는 것을 특징으로 하는 배터리의 잔존수명 추정방법.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제 4 단계는,
   상기 배터리의 초기내부저항, 종기내부저항과 상기 배터리의 현재 내부저항을 이용하여 SOH를 연산하는 것을 특징으로 하는 배터리의 잔존수명 추정방법.

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