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KR20230130238A - 배터리 상태 추정 방법 - Google Patents

배터리 상태 추정 방법 Download PDF

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Publication number
KR20230130238A
KR20230130238A KR1020220027147A KR20220027147A KR20230130238A KR 20230130238 A KR20230130238 A KR 20230130238A KR 1020220027147 A KR1020220027147 A KR 1020220027147A KR 20220027147 A KR20220027147 A KR 20220027147A KR 20230130238 A KR20230130238 A KR 20230130238A
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KR
South Korea
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battery
pulse current
soc
current
charging
Prior art date
Application number
KR1020220027147A
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Inventor
홍영진
이영재
주유진
최성호
명석한
김두리
정지현
김태훈
Original Assignee
주식회사 민테크
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Publication date
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Priority to PCT/KR2022/019495 priority patent/WO2023167394A1/ko
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Abstract

배터리　상태 추정 방법,　배터리　상태 추정 장치가 개시된다. 본 발명은 배터리의 SOC를 판단하는 단계, SOC 판단 결과에 기초하여, 배터리에 충전전류 또는 방전전류를 인가하는 단계, 배터리에 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류를 인가하는 단계, 충전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vc를 측정하고, 방전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vd를 측정하는 단계, Vc와 Vd의 평균 값을 배터리의 Nernst OCV로 추정하는 단계를 통해 Nernst OCV를 추정하고, 이를 통해 SOC를 계산하여 배터리의 용량 수명(SOH)을 산출할 수 있다.

Description

배터리 상태 추정 방법 {BATTERY STATE ESTIMATION METHOD}
본 발명은 배터리의 상태를 추정할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
배터리는 모바일 기기 및 전기자동차 등의 전력원으로 사용되는데, 최근 전기자동차의 대중화와 함께 그 수요가 폭발적으로 늘고 있다. 특히, 단가가 낮은 소형 배터리와 달리, 단가가 높은 중대형 배터리의 수요가 늘어남에 따라, 배터리를 재활용/재사용하거나, 배터리를 안정적으로 오랫동안 사용하고자 하는 방법에 대한 수요가 증가하고 있다.
배터리를 재사용(re-use)하거나 배터리를 안정적이고 오랫동안 사용하기 위해서는 배터리의 상태를 정확히 진단하는 것이 중요하다. 배터리의 상태를 정확하게 진단할 수 있다면, 배터리의 재사용에 있어서 효율적으로 배터리를 재사용하도록 방향을 설정할 수 있고, 배터리의 충방전 시, 과충전 또는 과방전을 미연에 방지하여 배터리의 수명이 향상될 수 있다.
배터리의 상태를 추정하기 위해서 배터리의 열역학적인 정보를 나타낼 수 있는 개방회로전압 (Open Circuit Voltage; OCV) 또는 SOC (State of Charge)가 이용되고 있다. OCV는 회로가 개방(open)된 상태에서 측정된 배터리의 전압으로, 배터리에 인가되는 전류가 0인 상태에서 측정한 배터리의 전압을 의미한다. 여기서, 배터리의 OCV는 단순히 회로가 개방된 상태에서 측정한 전압 또는 회로가 개방된 상태에서 오랜 시간이 지나 전기화학적으로 평형을 이룬 상태에서 측정된 전압을 의미할 수 있는데, 전기화학적으로 평형을 이룬 상태에서 측정된 전압을 Nernst OCV (네른스트 OCV)라고 정의할 수 있다. 여기서, Nernst OCV는 전기화학적 평형을 이룬 상태에서 측정되는 전압이므로, 배터리의 열역학적인 상태에 관한 정보를 제공하는 것으로 고려될 수 있다.
배터리의 상태를 정확히 추정하기 위해 배터리의 Nernst OCV 및 SOC를 측정하는 다양한 방식들이 제안되고 있다. 통상적으로 배터리의 Nernst OCV를 추정하는 방법은 배터리에 외부적인 전기 자극을 가하지 않은 상태에서 일정 시간 (예: 2시간 이상)동안 안정화하였을 때 수렴하는 전압 값을 이용하여 추정하는 방법이 있다. 다만, 이와 같은 방법으로 Nernst OCV를 추정하기 위해서는 배터리의 내부 상태가 전기화학적 평형에 도달하여야 하므로, 많은 비용과 시간이 발생한다는 단점이 있었다.
따라서, Nernst OCV를 정확하고 빠르게 추정하고, 이를 기초로 배터리 상태를 정확하게 추정할 수 있는 방법 및 장치의 개발이 요구되고 있다.
1. 대한민국 공개특허 제10-2020-0017367 호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배터리의 Nernst OCV를 수분 이내로 신속하고 정확하게 추정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 추정된 Nernst OCV를 기초로 배터리의 SOC를 계산하고, 계산된 SOC를 이용하여 용량 수명(State of Health; SOH)을 산출하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 상태 추정 방법은
(S100) 배터리의 SOC를 판단하는 단계;
(S200) SOC 판단 결과에 기초하여, 배터리에 충전전류 또는 방전전류를 인가하는 단계;
(S300) 배터리에 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류를 배터리에 인가하는 단계;
(S400) 충전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vc를 측정하고, 방전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vd를 측정하는 단계;
(S500) 상기 Vc와 Vd의 평균 값을 배터리의 Nernst OCV로 추정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, (S100) 단계에서 판단되는 배터리의 SOC가 기준 SOC 이하인 경우, (S200) 단계에서 충전전류를 인가하고, (S100) 단계에서 판단되는 배터리의 SOC가 기준 SOC 이상인 경우, (S200) 단계에서 방전전류를 인가할 수 있다. 상기 기준 SOC는 20% 내지 80% 중 일 지점일 수 있다.
본 발명에 따르면, (S300) 단계에서 인가되는 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류는 교대로 인가될 수 있다.
본 발명에 따르면, (S300) 단계에서 인가되는 펄스 전류는 (S200) 단계에서 인가된 전류와 반대 부호의 펄스 전류가 먼저 인가될 수 있다.
본 발명에 따르면, (S300) 단계에서 인가되는 적어도 하나의 충전 펄스 전류에 의한 총 충전 용량(Ah)과 적어도 하나의 방전 펄스 전류에 의한 총 방전 용량(Ah)은 서로 같을 수 있다.
본 발명에 따르면, (S300) 단계에서 인가되는 펄스 전류 크기는 0.1C-rate 내지 10.0C-rate이고, 펄스 전류가 인가되는 시간은 0.1초 내지 500초일 수 있다.
본 발명에 따르면, (S300) 단계의 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류 인가 단계 사이에 적어도 하나의 휴지 단계가 삽입될 수 있다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류 인가 단계 사이에 삽입되는 휴지 단계는 0.1초 내지 500초, 또는 0.1초 내지 120초 동안 유지될 수 있다.
본 발명에 따르면, (S300) 단계의 적어도 하나의 충전 펄스 전류가 인가되는 총 시간(τA)과 적어도 하나의 방전 펄스가 인가되는 총 시간(τB)은 서로 같을 수 있다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류 인가 단계 사이에 삽입되는 휴지 단계는 0.1·τA 내지 10·τA 동안 유지될 수 있다.
본 발명에 따르면, (S500) 단계의 평균은, 산술평균, 기하평균, 조화평균 중 어느 하나 또는 그 조합으로 계산되는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 추정된 Nernst OCV를 사용하여 배터리의 SOC를 계산하는 단계(S600)를 더 포함할 수 있고, SOC를 계산하는 단계는 추정된 Nernst OCV에 대응하는 레퍼런스 테이블(Reference table)을 참조하여 계산하거나 특정 수식을 사용하여 SOC를 계산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상술한 배터리의 SOC 계산은 배터리의 다른 충전 상태에서 복수회차 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 계산된 복수회차의 SOC에 기초하여, 용량 수명(SOH)을 산출하는 단계(S700)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리의 SOC를 판단하고, 상기 SOC 판단 결과에 기초하여, 충전전류 또는 방전전류를 인가하고, 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류를 배터리에 인가하고, 충전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vc를 측정하고, 방전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vd를 측정하고, 상기 Vc와 Vd의 평균 값을 Nernst OCV로 추정하는 프로세서를 포함하는, 배터리 상태 추정 장치를 제공할 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 배터리의 Nernst OCV를 신속하고 정확하게 추정하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 부분 충방전 전후로 추정된 Nernst OCV 값을 이용하여 부분 충방전 동안 변화된 배터리의 SOC를 계산하고, 계산된 SOC 변화량을 이용하여 배터리의 용량 수명(SOH)을 산출하는 방법을 제공할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 펄스 전류 및 방전 펄스 전류 인가 프로파일과 각 펄스 전류에 의한 총 충전/방전 용량이 서로 같음을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전전류 및 방전전류의 인가의 순서도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 따른 배터리 상태 추정 방법의 예시를 나타낸 것으로, 전류를 인가하였을 때 전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 모듈, 팩 형태의 배터리에서 본 발명의 방법으로 Nernst OCV를 추정하고, 실제 Nernst OCV와의 오차율을 계산한 것을 도시한 표이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법의 예시를 나타낸 것으로, 각기 다른 시점에서 부분 방전 전후로 Nernst OCV 및 SOC를 추정하는 것을 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면과 설명을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세히 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술되는 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 방법 중에서 바람직한 실시 방법에 대한 것이며, 본 발명이 하기의 도면과 설명만으로 한정되는 것은 아니다.
한편, 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 상태 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명에서의 배터리는 충전에 의해 전력을 저장하는 축전기 또는 2차 전지를 포함하고, 배터리를 채용한 장치는 배터리로부터 부하로 전력을 공급받을 수 있다. 여기서, 배터리는 복수의 배터리 모듈로 구성된 배터리 팩, 배터리 팩 내의 적어도 하나의 배터리 모듈, 복수의 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈, 배터리 모듈 내의 적어도 하나의 배터리 셀, 복수의 배터리 모듈을 대표하는 대표 모듈 및 복수의 배터리 셀을 대표하는 대표 셀 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이하에서 배터리는 이러한 예시들을 지칭하는 것으로 해석될 수도 있다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법은 배터리의 SOC(State of Charge)를 판단하는 단계를 포함한다 (S100).
여기서, SOC는 배터리의 충전 상태를 나타내는 파라미터이다. SOC는 배터리에 저장된 에너지가 어느 정도인지 나타내므로, 퍼센트(%) 단위를 사용하여 0 내지 100%로 그 양이 표시될 수 있다. 예를 들면, 0%는 완전 방전 상태이고, 100%는 완전 충전 상태를 의미할 수 있는데, 이러한 표현 방식은 설계의도나 실시예에 따라 다양하게 변형되어 정의될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법은 휴지(rest) 상태 배터리의 SOC를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 휴지 상태는 배터리가 충전 또는 방전되고 있지 않은 상태를 의미하는 것으로, 배터리는 재사용 목적으로 수집된 뒤, 장시간 보관된 배터리일 수 있다.
한편, (S100) 단계를 통한 배터리의 SOC 판단은 배터리의 상태 진단에 앞서 배터리의 최초 상태를 대략적으로 추정하기 위한 단계로, 후술하는 (S600) 단계의 SOC 계산과는 구분된다. 배터리의 정확한 SOC를 계산하고자 하는 (S600) 단계와는 달리, (S100) 단계의 SOC 판단은 후속하는 전류 인가 단계인 (S200) 단계의 전류 부호를 결정하기 위한 목적을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 (S100) 단계의 SOC 측정은 전압 측정법, 저항 측정법 등 공지의 방법을 사용할 수 있으며, 특정한 SOC 측정 기법에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법은 배터리의 SOC를 판단하는 단계 (S100) 이전에 배터리의 파손, 팽창, 변색 중 적어도 하나의 상태가 기 설정된 유효 범위 내에 포함되는지 판단하는 외관 검사 단계를 더 포함할 수 있다. 배터리의 파손, 팽창, 변색 중 적어도 하나를 센싱하는 외관 검사는 카메라, 광학 센서 또는 전기화학 임피던스 분광법을 통해 수행될 수 있고, 해당 검사 결과가 기 설정된 유효 범위 내에 포함된다고 판단되면 다음 단계를 진행할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 배터리 상태 추정 방법은 배터리에 충전전류 또는 방전전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다 (S200).
여기서, 배터리에 인가해주는 충전전류 또는 방전전류의 크기는 0.1 C-rate 내지 1 C-rate, 바람직하게는 0.2 C-rate 내지 0.5 C-rate일 수 있고, 충전전류 또는 방전전류는 전지의 공칭 용량(nominal capacity)의 0 내지 40% 바람직하게는 0 내지 20%의 범위 내에서 인가될 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 상태 추정 방법은 (S200) 단계 이후, 배터리의 휴지 (rest) 단계를 더 포함할 수 있다 (S201). 여기서 휴지 단계는 1 내지 60분, 바람직하게는 2 내지 30분동안 휴지 단계를 유지할 수 있으며, (S201)의 휴지 단계는 충전전류 및 방전전류 인가에 따른 배터리의 내부 과전압(overpotential)이 남아있을 정도로 짧은 시간이면 충분하다.
(S200) 및 (S201) 단계를 통해 배터리를 미리 충전 또는 방전하고 일정 시간동안 휴지 단계를 유지하여, Nernst OCV 추정 단계 이전에 배터리를 활성화하고 배터리 내부 상태를 균일하게 만들 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서는, Nernst OCV 추정 단계 이전에 배터리를 미리 충전/방전하여 휴지 단계를 유지하는 과정을 pre-conditioning으로 정의한다. Pre-conditioning은 낮은 C-rate만으로도 실시가 가능하여 범용성이 높은 장점이 있다.
한편, (S200) 단계에서 충전전류 또는 방전전류 인가는 (S100) 단계의 배터리 SOC 판단에 의해 결정된다. 여기서, 판단된 SOC가 기준 SOC 이하로 판단되는 경우, 충전전류가 먼저 인가되도록 설계할 수 있고, 기준 SOC 이상으로 판단되는 경우, 방전전류가 먼저 인가되도록 설계할 수 있다.
예컨대, 기준 SOC가 50%로 설계된 경우, (S100) 단계에서 판단된 배터리의 SOC가 SOC 50% 보다 낮다면, 충전전류를 인가하여 배터리를 충전할 수 있고, 측정 대상이 되는 배터리의 SOC가 SOC 50%보다 높다면, 방전전류를 인가하여 배터리를 방전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기준 SOC는 20% 내지 80%, 바람직하게는 30% 내지 70% 범위 중 일 지점일 수 있다.
본 발명의 배터리 상태 추정 방법은 (S201) 단계 이후 전기화학 임피던스 (Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다 (S202). 이 때, 전기화학 임피던스는 측정 단계는 4kHz 내지 0.1Hz 사이의 주파수 조건에서 수행될 수 있다. 전기화학 임피던스 측정 단계 (S202)는 (S201)의 휴지 단계 (rest time) 이후에 수행되는 것이 바람직하나, (S201) 단계 이전에 수행될 수도 있으며, 특정한 순서에 제한되지 않는다. 여기서, 전기화학 임피던스 측정 단계는 배터리 내 저항을 측정하기 위한 단계로 Nernst OCV 추정의 정확도를 높이는 지표로 활용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 배터리 상태 추정 방법은 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류를 배터리에 인가하는 단계를 포함한다 (S300). 여기서, 충전 펄스 전류 및 방전 펄스 전류의 인가는 전류 프로파일을 배터리에 적용하여 충전 펄스 전류 및 방전 펄스 전류를 인가하는 방식으로 진행된다. 전류 프로파일은 배터리에 전류/전압을 인가하는 방식 또는 명령을 결정하는 정책을 의미하며, 적어도 하나의 충전 펄스 및 적어도 하나의 방전 펄스를 포함하는 형태로 설계될 수 있다.
이 때, 충전 펄스 전류, 방전 펄스 전류의 인가 순서 및 횟수를 설정하는 것은 설계 의도에 따라 변형되어 적용될 수 있다. 충전 펄스 전류의 인가 및 방전 펄스 전류의 인가를 포함하는 전류 프로파일의 일 실시예를 도 2에 나타내었다. 도 2는, 하나의 충전 펄스 전류 및 하나의 방전 펄스 전류를 포함하고, 충전 펄스 전류 및 방전 펄스 전류 인가 사이에 휴지기 (rest time)가 삽입되어 있는 전류 프로파일의 일 실시예를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류 프로파일은 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류가 교대로 포함된 형태로 설계될 수 있다. 예컨대, 배터리에 충전 펄스 전류가 먼저 인가되면, 다음은 방전 펄스 전류가 인가될 수 있고, 방전 펄스 전류가 먼저 인가되면 다음은 충전 펄스 전류가 인가될 수 있다.
(S300) 단계에서 충전 펄스 전류 또는 방전 펄스 전류 인가 순서는 (S200) 단계에서 인가된 전류의 종류(전류의 부호)에 의해 결정되며, (S200) 단계에서 인가된 전류 부호와 반대되는 펄스 전류가 인가될 수 있다. 예를 들어, (S200) 단계에서 인가된 전류가 충전 전류인 경우, 방전 펄스 전류가 먼저 인가되도록 설계할 수 있고, (S200) 단계에서 인가된 전류가 방전 전류인 경우, 충전 펄스 전류가 먼저 인가되도록 설계할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법에서, 인가해주는 충전펄스 전류 및 방전 펄스 전류의 크기는 0.1 C-rate 내지 10.0 C-rate, 바람직하게는 0.1 C-rate 내지 3.0C-rate 범위일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법에서, 충전 펄스 전류 및 방전 펄스 전류는 0.1초 내지 500초, 바람직하게는 0.1초 내지 60초, 더 바람직하게는 0.1초 내지 10초 동안 인가될 수 있다.
한편, (S300) 단계에서 배터리에 인가되는 적어도 하나의 충전 펄스 전류에 의한 총 충전 용량(Ah) 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류에 의한 총 방전 용량(Ah)은 서로 같을 수 있다 (도 2). 충전 펄스 전류에 의한 총 충전 용량(Ah) 및 방전 펄스 전류에 의한 총 방전 용량(Ah)을 같게 함으로써, 배터리 내부의 비-패러데이(non-faradaic) 전류가 상쇄되고, 패러데이(faradaic) 전류에 의한 반응만을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, (S300) 단계에서 적용되는 전류 프로파일은 적어도 하나의 충전 펄스 전류와 적어도 하나의 방전 펄스 전류 사이에 휴지 (rest) 단계가 삽입된 형태로 설계될 수 있다. 휴지 단계가 삽입됨으로써, 해당 펄스 전류 인가에 따른 배터리 내부의 상태를 안정화할 수 있고, 이어지는 후속 펄스 전류 인가에 따른 전압 변화 측정에 있어서 보다 정확한 전압 변화 값을 측정할 수 있다. 휴지 단계는 1회 이상 포함될 수 있으며, 설계 의도에 따라 변형되어 적용될 수 있고, 특별히 제한되지 않는다 (도 2 참조).
본 발명의 배터리 상태 추정 방법에 있어서, 적어도 하나의 충전 펄스 전류와 적어도 하나의 방전 펄스 전류 사이에 삽입되는 휴지 단계는 0.1초 내지 500초, 바람직하게는 0.1초 내지 120초 동안 유지될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 충전 펄스 전류가 인가되는 총 시간(τA)과 적어도 하나의 방전 펄스가 인가되는 총 시간(τB)도 서로 같을 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 충전 펄스 전류와 적어도 하나의 방전 펄스 전류 사이에 삽입되는 휴지 단계는 0.1·τA 내지 10·τA 범위의 시간 동안 유지되도록 설정될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법은 배터리에 충전 펄스 전류 및 방전 펄스 전류를 인가했을 때 나타나는 배터리의 전압 변화를 측정하는 단계를 포함한다 (S400). 상술한 전류 프로파일에 따른 충전 펄스 전류 또는 방전 펄스 전류를 배터리에 인가하면 배터리의 전압이 변화하며, 해당 펄스 전류 인가에 따른 변화된 전압을 측정한다. 이 때의 전압은 전류가 인가된 상태에서 측정되므로 폐회로 전압(Closed Circuit Voltage; CCV)이다.
예컨대, 충전 펄스 전류를 인가했을 때 측정되는 전압을 충전 전압(Vc)라 고 정의할 수 있고, 방전 펄스를 인가했을 때 측정되는 전압을 방전 전압(Vd)이라고 정의할 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전류를 인가했을 때 나타나는 배터리의 전압 변화 양상을 나타낸 것이다. 도 4의 예시에 따르면, 충전 펄스 인가에 의한 전압 Vc는 3.558 V이고, 방전 펄스 인가에 의한 전압 Vd는 3.494 V로 측정될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법은 상기 Vc 와 Vd값을 기초로 평균 값을 계산하고, 상기 평균 값을 배터리의 Nernst OCV로 추정하는 단계를 포함한다 (S500). 이 때, Vc, Vd의 평균은 산술 평균, 기하 평균, 조화 평균 중 어느 하나일 수 있다.
도 4의 예시에 따르면, Vc는 3.558 V이고, Vd는 3.494 V이며, 하나의 실시예인 산술 평균을 사용하여 계산하면 (3.558 V+3.494 V)/2 =3.526V이 계산된다. 도 4의 예시에서는 3.526V가 배터리의 Nernst OCV로 추정될 수 있다.
일반적으로, 배터리에 전류가 인가되면 전기화학 반응이 일어나고, 전기화학반응으로 인해 배터리의 에너지 상태 (전압)가 변할 수 있다. 그리고 어느 시점에서 인가해주는 전류가 0이 되면 배터리의 전압은 일정 전압으로 수렴한다. 여기서 배터리의 전압이 수렴하는 값에 기초하여 배터리의 Nernst OCV가 추정될 수 있다. Nernst OCV 안정화 시간은 배터리의 Nernst OCV를 추정하기 위해 소요되는 시간으로서, 휴지 상태인 배터리의 전압이 Nernst OCV를 추정할 수 있을 정도로 일정하게 수렴하여 안정화되는데 걸리는 시간을 가리킨다. 예를 들면, Nernst OCV 안정화 시간은 대략 12시간 이상 또는 24시간 이상일 수 있는데, Nernst OCV 안정화 시간이 길어질수록 많은 비용과 시간이 소모되므로 이를 단축할 필요가 있다.
본 발명은 충전 펄스 전류 인가 후의 전압 (Vc)과 방전 펄스 인가 후 전압 (Vd)을 측정하고, 상기 Vc와 Vd의 평균 전압 값이 해당 배터리의 실제 Nernst OCV와 큰 오차가 없음을 확인하였다. 본 발명은 Nernst OCV 안정화 시간을 거치지 않고도, CCV를 통해 Nernst OCV를 추정할 수 있다는 점에서 기술적 의의가 있다.
본 발명의 기술적 의미를 설명하면 다음과 같다.
전기화학 반응 (electrochemical reaction)이란 전자가 관여된 산화 또는 환원 반응을 의미한다. 일반적으로 전기화학 반응을 위해 전류를 인가하면(전자를 흘려주면), 전자가 관여되는 전기화학 반응이 일어날 뿐만 아니라, 전기 이중층(electric double-layer)과 같이 전극 표면에 전하가 축적되는 전기화학 반응이 아닌 다른 용도에 전자가 쓰이기도 한다. 이 때, 전기화학 반응에 소요되는 전류를 패러데이 전류(faradaic current)라고 하고, 전기 이중층 생성과 같이 전기화학 반응이 아닌 다른 용도에 소요된 전류를 비-패러데이 전류(non-faradaic current)라고 한다.
예를 들어, 배터리에 전류를 인가했을 때, 패러데이 전류에 의한 반응은 배터리 전극의 산화/환원 반응일 수 있고, 산화/환원 반응으로 인해 해당 전극의 열역학적인 상태가 변화할 수 있다. 따라서 패러데이 전류에 의한 반응은 전극의 에너지 준위, 다시 말해 전극의 열역학적인 에너지 준위가 변화하는 것으로 해석할 수 있다.
이와 달리, 배터리에 전류를 인가했을 때, 비-패러데이 전류에 의한 반응은 배터리 전극 표면에서 생성되는 전기 이중층 생성 반응일 수 있고, 이 반응은 전자는 소모되었지만 (전류는 인가되었지만) 전극으로 전자가 이동하면서 산화/환원된 것이 아니므로, 배터리의 에너지 준위가 변화하지 못한다. 따라서, 비-패러데이 전류에 의한 반응은 전극의 에너지 준위, 다시 말해 전극의 열역학적인 에너지 준위가 변하지 않는 반응으로 해석될 수 있다.
따라서, 배터리 내 전류를 인가했을 때 해당 배터리의 열역학적인 에너지 정보만을 얻기 위해서는 패러데이 전류에 의한 에너지 준위 변화 값을 측정해야 하는데, 배터리에 전류를 가하면, 배터리의 특성으로 인해 패러데이 반응과 비-패러데이 반응이 동시에 나타나므로 패러데이 전류에 기초한 배터리의 상태 변화만을 검출하기는 어려운 점이 있었다.
본 발명에서는 동일한 충전용량/방전용량을 갖는 충전 펄스 전류와 방전 펄스 전류를 교대로 흘려주고, 그에 따라 변화된 전압 값의 평균 전압 값을 Nernst OCV로서 추정한다. 이 때, 인가되는 충전 펄스 전류 및 방전 펄스 전류의 총량이 동일하므로, 펄스 전류의 인가로 인해 발생하는 다양한 전기화학 반응들 중 비-패러데이 전류에 의한 반응은 상쇄되고, 패러데이 전류에 의한 반응만 관측되는 것으로 생각할 수 있다.
따라서, 펄스 전류 인가에 따라 변화된 전압의 평균 값은 배터리의 열역학적인 정보(OCV)로 고려될 수 있고, 이 값이 실제 Nernst OCV와 비교하였을 때 큰 오차가 없는 것이라고 생각된다.
본 발명의 방법을 통해 Nernst OCV를 추정한 값과, 실제 Nernst OCV를 비교한 것을 도 5에 나타내었다. 도 5는 팩 및 모듈 형태의 배터리를 사용하여 실험한 예시를 나타낸 것이다. 실제 Nernst OCV는 동일한 조건의 배터리를 24시간 동안 개방회로 상태로 보관하여 수렴하는 전압을 측정한 것이고, 추정 Nernst OCV는 본 발명의 방법을 사용하여 추정한 Nernst OCV를 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 실제 Nernst OCV와 추정 Nernst OCV는 오차율이 100ppm 단위로 매우 적은 것을 확인할 수 있고, 이를 통해 본 발명의 방법을 사용하여 추정한 Nernst OCV가 신뢰성이 높은 값임을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법은 본 발명의 방법으로 추정한 Nernst OCV를 사용하여 SOC를 계산하는 단계를 포함한다 (S600).
구체적인 본 발명의 일 실시예에 있어서, 추정된 Nernst OCV를 사용하여 SOC를 계산하는 단계는 추정된 Nernst OCV에 대응하는 레퍼런스 테이블(Reference table)을 참조하여 SOC를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 추정된 Nernst OCV에 대응하는 레퍼런스 테이블(Reference table)을 데이터베이스화 하여 미리 충방전 장치에 저장할 수 있고, 추정된 Nernst OCV를 미리 저장한 레퍼런스 테이블에 대응시켜 SOC를 계산할 수 있다. 데이터베이스는 충방전 장치에 포함된 메모리로 구현되거나 배터리 상태 추정 장치와 유선, 무선, 또는 네트워크 등으로 연결 가능한 서버 등의 외부 장치로 구현될 수 있다 본 발명의 방법으로 추정된 OCV에 대응하는 레퍼런스 테이블(Reference table)을 이용하기 때문에, 직전 배터리의 상태에 대응하는 레퍼런스 테이블을 별도로 관리하는 번거로움을 없앨 수 있고, OCV 히스테리시스로 인해 배터리 상태 추정의 오차를 줄일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 본 발명에서 추정된 Nernst OCV를 특정 수식에 대입하여 SOC를 계산할 수 있다. 상술한 수식은 공지의 수식을 사용할 수 있으며, 특정한 수식에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법은 상술한 Nernst OCV 추정 단계 및 SOC 계산 단계를 복수회차 수행할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 배터리 상태 추정 방법은, 다른 충전상태 구간에서 Nernst OCV 추정 및 SOC 계산을 복수회차 (1회, 2회, 3회? 등) 수행할 수 있다. Nernst OCV 추정 및 SOC 계산을 다른 충전상태 구간에서 수행하기 위해, 각 회차 사이에는 배터리를 부분적으로 충전 또는 방전할 수 있다 (도 6 참조). 예컨대, 도 6에서 나타낸 바와 같이, A 구간에서 SOC 1을 계산한 뒤, 배터리를 일정 시간 동안 방전하고, B 구간에서 SOC 2를 계산할 수 있다.
여기서, 복수회차의 SOC 계산 사이에는 배터리의 전체 용량 대비 일부분의 용량만 충전 또는 방전을 수행하여 다른 충전 상태에서 SOC를 계산한다. 이 때 배터리의 충전 또는 방전은 배터리 전체 용량의 10% 내지 50% 범위에서만 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법은 복수회차 수행을 통해 계산된 SOC를 사용하여 △SOC를 계산하고, △SOC를 사용하여 배터리의 용량 수명(SOH)을 산출하는 단계를 포함한다 (S700).
본 발명에서 용량 수명 (SOH)은 배터리의 노화 정도를 나타낸다. 용량수명(SOH)과 관련하여, 전혀 노화되지 않은 배터리는 SOH 100%로 나타내고, 반대로 노화가 지속되어 배터리의 사용이 불가능한 상태는 SOH 0%로 나타낼 수 있다.
여기서, 용량 수명(SOH)은 아래 수식을 통해 계산될 수 있으나, 특정 수식에 제한되는 것은 아니다.
[수학식 1]
용량 수명(SOH)=Qoccupied/(Capacitynominal·△SOC)
여기서, Qoccupied는 인가된 전류 총량을 의미하고,
Capacitynominal은 공칭용량을 의미한다.
ΔSOC = SOC2 - SOC1
본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법은 적어도 하나의 소프트웨어 모듈에 구현되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 상태 추정 방법은 BMS(Battery Management System)에 의해 구현될 수 있다.
한편, 본 발명은 배터리의 SOC를 판단하고, 상기 SOC 판단 결과에 기초하여, 충전전류 또는 방전전류를 인가하고, 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류를 배터리에 인가하고, 충전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vc를 측정하고, 방전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vd를 측정하고, 상기 Vc와 Vd의 평균 값을 Nernst OCV로 추정하는 프로세서를 포함하는, 배터리 상태 추정 장치를 제공한다.
여기서, 본 발명의 배터리 상태 추정 장치는 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있고, 상기 프로세서는 본 발명의 배터리 상태 추정 방법을 수행할 수 있다. 메모리는 안정화된 Nernst OCV에 대응하는 레퍼런스 테이블(Reference table)을 저장하거나 배터리 상태 추정 방법이 구현된 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다. 프로세서는 프로그램을 실행하고, 배터리 상태 추정 장치를 제어할 수 있다. 프로세서에 의하여 실행되는 프로그램의 코드는 메모리에 저장될 수 있다. 배터리 상태 추정 장치는 입출력 장치(도면 미표시)를 통하여 외부 장치(예를 들어, 퍼스널 컴퓨터 또는 네트워크)에 연결되고, 데이터를 교환할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다 른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태 로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. (S100) 배터리의 SOC를 판단하는 단계;
    (S200) SOC 판단 결과에 기초하여, 배터리에 충전전류 또는 방전전류를 인가하는 단계;
    (S300) 배터리에 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류를 인가하는 단계;
    (S400) 충전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vc를 측정하고, 방전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vd를 측정하는 단계;
    (S500) Vc와 Vd의 평균 값을 배터리의 Nernst OCV로 추정하는 단계;
    를 포함하는, 배터리 상태 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (S100) 단계에서 판단되는 배터리의 SOC가 기준 SOC 이하인 경우, (S200) 단계에서 충전전류를 인가하고,
    (S100) 단계에서 판단되는 배터리의 SOC가 기준 SOC 이상인 경우, (S200) 단계에서 방전전류를 인가하는 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    기준 SOC는 SOC 20% 내지 80% 중 일 지점인, 배터리 상태 추정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    (S300) 단계의 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류는 교대로 인가되는 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    (S300) 단계에서 인가되는 펄스 전류는 (S200) 단계에서 인가된 전류와 반대 부호의 펄스 전류가 먼저 인가되는 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    (S300) 단계에서 인가되는 적어도 하나의 충전 펄스 전류에 의한 총 충전 용량(Ah)과 적어도 하나의 방전 펄스 전류에 의한 총 방전 용량(Ah)은 서로 같은 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    (S300) 단계에서 인가되는 적어도 하나의 펄스 전류 크기는 0.1C-rate 내지 10.0C-rate이고, 각 펄스 전류가 인가되는 시간은 0.1초 내지 500초인, 배터리 상태 추정 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    (S300) 단계의 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류 인가 단계 사이에 적어도 하나의 휴지 단계가 삽입되는 것인,
    배터리 상태 추정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    휴지 단계는 0.1초 내지 500초, 또는 0.1초 내지 120초 동안 유지되는 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    (S300) 단계의 적어도 하나의 충전 펄스 전류가 인가되는 총 시간(τA)과 적어도 하나의 방전 펄스가 인가되는 총 시간(τB)은 서로 같은 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    휴지 단계는 0.1·τA 내지 10·τA 동안 유지되는 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    (S500) 단계의 평균은, 산술평균, 기하평균, 조화평균 중 어느 하나 또는 그 조합으로 계산되는 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    (S600) 추정된 Nernst OCV를 사용하여 배터리의 SOC를 계산하는 단계를 더 포함하는, 배터리 상태 추정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    배터리의 SOC를 계산하는 단계는 추정된 Nernst OCV에 대응하는 레퍼런스 테이블(Reference table)을 참조하여 SOC를 계산하는 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    배터리의 SOC를 계산하는 단계는 복수회차 수행하는 것인, 배터리 상태 추정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    (S700) 계산된 복수회차의 SOC에 기초하여 용량 수명(SOH)을 산출하는 단계를 더 포함하는, 배터리 상태 추정 방법.
  17. 배터리의 SOC를 판단하고,
    SOC 판단 결과에 기초하여, 배터리에 충전전류 또는 방전전류를 인가하고,
    배터리에 적어도 하나의 충전 펄스 전류 및 적어도 하나의 방전 펄스 전류를 배터리에 인가하고,
    충전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vc를 측정하고, 방전 펄스 전류를 인가했을 때 변화된 전압 Vd를 측정하고,
    Vc와 Vd의 평균 값을 Nernst OCV로 추정하는 프로세서를 포함하는, 배터리 상태 추정 장치.
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