KR101944751B1

KR101944751B1 - 배터리 재사용 수명 진단 방법

Info

Publication number: KR101944751B1
Application number: KR1020170113720A
Authority: KR
Inventors: 명희경; 이준희
Original assignee: 주식회사 민테크
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-02-01
Also published as: EP3680675A4; US11391783B2; US20200249280A1; EP3680675A1; WO2019050279A1

Abstract

본 발명은 배터리 재사용 수명을 진단하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리의 용량 수명과 파워 수명을 구분하여 진단함으로써, 배터리 재사용시 전체적인 배터리의 수명을 진단할 수 있는 배터리 재사용을 위한 수명 진단 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법은 OCV(Open Circuit Voltage)의 변화에 따른 SOC(State Of Charge)를 추정하는 단계; 상기 SOC를 이용하여 용량 수명 SOH(State Of Health)를 추정하는 단계; 현재 배터리의 출력을 고려한 파워 수명 SOP(State Of Power)를 계산하는 단계; 및 상기 SOH와 SOP를 이용하여 재사용 수명 SOR(State Of Reuse)를 계산하는 단계;를 포함하는 배터리 재사용을 위한 수명 진단 방법을 제공한다.

Description

배터리 재사용 수명 진단 방법{REMAINING LIFE EVALUATION METHOD FOR REUSING OF BATTERY}

본 발명은 배터리 재사용 수명 진단 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리의 용량 수명과 파워 수명에 모두 관계되는 새로운 개념의 배터리의 재사용 수명을 진단할 수 있는 배터리 재사용 수명 진단 방법에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 배터리는 축전지 또는 2차 전지라고도 하며, 화석 연료의 사용을 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

때문에, 배터리는 휴대용 기기를 비롯하여 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(Elective Vehicle; EV) 또는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 등에 보편적으로 응용되고 있으며, 보다 효율적인 배터리 관리를 위하여 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS), 배터리 밸런싱 회로 및 릴레이 회로 등에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

특히, BMS는 배터리의 상태 정보를 이용하여 배터리의 잔존용량(State Of Charging; SOC), 잔존수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등을 관리할 수 있고, 이 가운데 배터리의 수명을 예측하여 교체 시기를 추정하는 기술은 보다 안정적인 시스템 운영에 있어서 핵심 기술이 되고 있다.

최근 전기 자동차 등 배터리를 사용하는 다양한 장치들이 급증함에 따라, BMS(Battery Management System)를 통해 배터리의 SOH(State Of Health)를 정확히 추정하는 기술에 대한 관심과 연구가 급격히 증가하고 있다. 배터리의 SOH가 부정확하게 추정되는 경우, 예기치 않은 시스템 정지가 발생하거나, 배터리의 과충전 또는 과방전으로 인한 화재나 폭발 등 심각한 사고를 초래할 수 있기 때문이다.

2차 전지는 과방전 또는 과충전 등 비정상적인 사용에 2차 전지로서의 기능을 상실하기도 하지만, 정상적으로 사용되는 경우에도 전기 에너지를 저장하는 능력인 용량이 충전 및 방전 횟수에 따라 점진적으로 감소한다. 그 결과, 본래 사용되는 용도에 부합하기 위해서는 해당 용도에 따라 2차 전지로서 요구되는 최소한의 기능을 상실하기 전까지 사용되고, 최소한의 기능을 상실하는 경우 새로운 2차 전지로 교체되어 사용된다. 통상, 전기 자동차의 경우 2차 전지의 용량이 초기 용량의 80% 내지 50%로 감소하게 되면, 교체된다.

2차 전지는 일반적으로 가격이 높고, 이렇게 교체된 2차 전지는 전기 자동차의 본래 사용 용도에는 부합하지 않더라도 다른 어플리케이션의 사용 용도에는 부합하는 전기 에너지 저장 능력을 가지고 있는 경우가 많다. 따라서, 전기 자동차에 사용되기에 적합하지 않아 전기 자동차로부터 교체된 2차 전지를 폐기하는 것보다는 교체된 2차 전지가 가지는 에너지 저장 능력만큼을 필요로 하는 다른 어플리케이션에 재활용/재사용하는 방안은 자원의 낭비를 막을 뿐만 아니라, 전기 자동차 및 상기 다른 장치 등의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.

그러나, 이러한 배터리 재사용을 위한 재사용 가능 여부의 판단 및 재사용 가능 정도를 산정하기 위한 재사용 가능 용량에 대해서는 종래 알려지거나 연구된 바 없다.

한국 등록특허공보 제10-1399362호 한국 공개특허공보 제10-2010-0063343호

본 발명은 상술한 배터리 재사용이 필요한 환경에서의 재사용 수명을 명확하게 예측하여야 하는 문제점을 해소하기 위해 배터리의 잔존 용량 뿐만 아니라 파워 수명을 함께 고려하여 배터리의 재사용 수명을 산정할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여

개방 회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 변화에 따른 SOC(State Of Charge)를 추정하는 단계;

용량 수명 SOH(State Of Health)를 추정하는 단계;

파워 수명 SOP(State Of Power)를 계산하는 단계; 및

상기 용량 수명 SOH(State Of Health)과 파워 수명 SOP(State Of Power)를 이용하여 재사용 수명 SOR(State Of Reuse)를 계산하는 단계;를 포함하는 배터리 재사용 수명 진단 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 재사용 수명 SOR(State Of Reuse)은 사용하다가 더 이상 사용하지 않는 배터리를 진단하고 등급화하여 용도에 맞게 재사용하려고 할 때 재사용이 가능한 수명을 의미한다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 재사용 수명 SOR(State Of Reuse)은 단순히 용량 수명 SOH(State Of Health) 또는 파워 수명 SOP(State Of Power) 어느 하나에 의하여 결정되지 않고, 용량 수명 SOH(State Of Health)과 파워 수명 SOP(State Of Power)이 일정 관계를 맺고 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 재사용 수명 SOR(State Of Reuse)은 아래 수학식 1로 표시되는 것을 특징으로 한다.

<수학식 1>

(상기 수학식 1에서 0≤a≤1, 0≤b≤1, 및 a+b=1 임)

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 파워 수명 SOP(State Of Power)는 아래 수학식 2로 표시되는 것을 특징으로 한다.

<수학식 2>

여기서, Rso는 25℃ 상태에서 SOH가 100%이며 SOC가 50%일 때의 Rs 값이고,

Rpo는 25℃ 상태에서 SOH가 100%이며 SOC가 50%일 때의 Rp 값이며,

Rs'은 25℃ 상태에서 현재 SOH 값과 SOC가 50%일 때의 Rs 값이고,

Rp'은 25℃ 상태에서 현재 SOH 값과 SOC가 50%일 때의 Rp 값이며,

is는 표준 C rate 전류값이다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법은 배터리의 용량 수명과 파워 수명을 모두 고려하여 배터리 재사용 수명을 새롭게 정의하고 산정하기 때문에 사용자가 계획한 수명기간에 맞도록 배터리의 재사용 여부가 결정될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 재사용을 위한 수명 진단 방법의 단계를 설명한 것이다.
도 2는 온도-SOC에 따른 OCV 를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 등가회로를 도시한 것이다.
도 4는 온도-SOC 에 따른 Rp 를 나타낸다.
도 5는 온도-SOH 에 따른 Rs 를 나타낸다.

이하, 본 발명에 따른 배터리 재사용을 위한 수명 진단 방법의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 재사용을 위한 수명 진단 방법은 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 변화에 따른 SOC(State Of Charge)를 추정하는 단계; 용량 수명 SOH(State Of Health)를 추정하는 단계; 파워 수명 SOP(State Of Power)를 계산하는 단계; 및 상기 용량 수명 SOH(State Of Health)과 파워 수명 SOP(State Of Power)를 이용하여 재사용 수명 SOR(State Of Reuse)를 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 SOC는 충전 상태를 의미하는 것으로 배터리의 사용 가능한 용량, 즉, 잔존 용량을 백분율로 나타낸다. 즉, 최대 충전 상태에서 SOC는 100%를 나타내며, 최소 충전 상태에서 SOC는 0%를 나타낸다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 SOC는 OCV의 변화에 따라 추정된다.

상기 OCV와 SOC의 관계에 대한 일 예로 아래 수학식이 알려져 있다.

여기서 α 및 β는 각각 배터리의 특성 및 온도에 따른 값이며, Vocv는 개방 회로 전압을 의미한다.

온도, OCV와 SOC의 관계는 실험적 측정이나 수학식 등을 통해 일정한 수치로 표현될 수 있다. 도 2는 온도와 SOC에 따른 OCV 를 나타낸다. 도 2에서, 예를 들어, 25℃에서 SOC가 50%라면 OCV는 370.0V가 됨을 알 수 있다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 용량 수명 SOH(State Of Health) 는 배터리의 노화 정도를 나타낸다. 용량 수명 SOH(State Of Health)는 전혀 노화되지 않은 상태를 Fresh라 정의하고, 이 경우 SOH는 100%로 나타낸다. 반대로, 노화가 지속되어 배터리의 사용이 불가능한 상태를 Aged라 정의하고 이 경우 SOH는 0%로 나타낸다. 이러한 SOH(State Of Health)는 Fresh 한 상태의 배터리 용량과 어느 정도 Aged 된 상태의 배터리 용량을 비교한 것으로 다른 인자(예를 들어 배터리가 사용된 기기의 전압 등)의 고려 없이 배터리의 현재 용량만을 고려한 값이다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 용량 수명 SOH(State Of Health) 는 아래 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 현재 저항(Current Resistance)은 내부 저항의 현재 값을 나타낼 수 있고, 초기 저항(Initial Resistance)은 내부 저항의 초기 값을 나타낼 수 있다.

종래기술을 살펴보면, 배터리의 전류 적산 및 SOC 변화량의 비율을 이용하여 배터리의 SOH를 추정하고 있다. 종래 일반적으로 배터리의 잔존용량(State Of Charging; SOC)의 진단을 위해 내부 임피던스 측정에 의한 방법이 사용되었다. 내부 임피던스 측정에 의한 배터리의 잔존 수명의 진단하는 방법에는 교류 임피던스를 측정하는 AC 측정법과 직류 저항을 측정하는 DC 측정법 등이 있다.

교류전압 주파수가 1kHz ~ 0.1kHz 인 AC 측정법에 의할 경우 도 3을 참조하면, 배터리 등가회로에서 AC 측정법에 의한 내부 임피던스는 아래 수학식과 같이 표현될 수 있다.

상기 식에서 Z는 배터리 내부 임피던스, Cp는 배터리 용량, Rs는 OCV 측정시 순간적으로 떨어지는 순간 내부 직렬저항, Rp는 커패시턴스(Cp)와 병렬로 지수함수적으로 떨어지는 내부저항을 의미한다. 상기 식을 통해 Rs, Rp 및 Cp 값을 구할 수 있다.

도 4는 온도와 SOC에 따른 Rp 를 나타낸다. 온도, SOC와 Rp의 관계는 실험적 측정이나 수학식 등을 통해, 일정한 수치로 표현될 수 있다. 도 4에 의해 온도 변화에 따른 SOC를 통해 Rp가 추정될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 25℃에서 SOC가 50%라면 Rp는 23.6mΩ이 됨을 알 수 있다.

도 5는 온도와 SOH에 따른 Rs를 나타낸다. 배터리는 온도변화나 사용기간에 따라 가용 용량이 감소하거나 저항이 증가할 수 있으므로, 상기 용량 수명 SOH(State Of Health)는 배터리의 내부저항인 Rs와 온도에 따라 그 값이 달라질 수 있다. SOH와 Rs의 관계는 실험적 측정이나 수학식 등을 통해 나타낼 수 있다. 도 5와 같은 온도변화에 따른 SOH와 Rs의 관계를 통해 Rs가 추정될 수 있다. 예를 들어, 상기 도 5를 참조하면, 25℃에서 SOH가 100%라면 Rs는 73.0mΩ이 됨을 알 수 있다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 파워 수명 SOP를 계산하는 단계는 배터리 내부저항을 고려하여 Fresh 상태의 배터리의 전압과 어느 정도 Aged 된 배터리의 전압을 비교함으로써 현재 상태의 배터리가 어느 정도의 출력을 발휘할 수 있는지를 나타내는 파워 수명 SOP를 계산한다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 파워 수명 SOP는 아래 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.

<수학식 2>

Rpo는 25℃ 상태에서 SOH가 100%이며 SOC가 50%일 때의 Rp 값이며,

Rs'은 25℃ 상태에서 현재 SOH 값과 SOC가 50%일 때의 Rs 값이고,

Rp'은 25℃ 상태에서 현재 SOH 값과 SOC가 50%일 때의 Rp 값이며,

is는 표준 C rate 전류값이다.

도 4에서 Rpo 및 Rp'은 구할 수 있으며, 도 5에서 Rso 및 Rs'은 구할 수 있다. 예를 들어 25℃에서 SOH가 80%라면, 도 4에서 Rpo는 23.6mΩ이고, 도 5에서 Rso는 73.0mΩ이며, Rs'은 102.7mΩ이 됨을 알 수 있다.

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 재사용 수명 SOR은 추정된 용량 수명 SOH(State Of Health)과 계산된 파워 수명 SOP(State Of Power)를 모두 고려하여 진단된다.

구체적으로 본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 재사용 수명 SOR은 아래 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

<수학식 1>

(상기 수학식 1에서 0≤a≤1, 0≤b≤1, 및 a+b=1 임).

본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법에 있어서, 상기 재사용 수명 SOR은 상기 수학식 1에서 a와 b의 값을 설정함에 따라 용량 수명 SOH(State Of Health)만 또는 파워 수명 SOP(State Of Power)만의 특성으로 나타내어 질 수 있으며, 용량 수명 SOH(State Of Health)과 파워 수명 SOP(State Of Power)에 모두 관계될 수 있다.

예를 들어, a 값을 1로 하고 b 값을 0으로 하면 상기 재사용 수명 SOR은 용량 수명 SOH(State Of Health)에 의하여만 결정되고, a 값을 0으로 하고 b 값을 1로 하면 상기 재사용 수명 SOR은 파워 수명 SOP(State Of Power)에 의하여만 결정된다. 또한, a 값을 0.3으로 하고 b 값을 0.7로 하면 상기 재사용 수명 SOR은 용량 수명과 파워 수명 모두에 의하여 결정되고, 파워 수명 SOP(State Of Power)에 더 가중치를 두고 결정된다.

결국, 본 발명에 의한 배터리 재사용 수명 진단 방법은 a와 b의 값을 설정하는 것에 따라 용량 수명 SOH(State Of Health) 뿐만 아니라 출력을 반영한 파워 수명 SOP(State Of Power)까지 고려하여 배터리 재사용 수명을 설정할 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.

Claims

OCV(Open Circuit Voltage)의 변화에 따른 SOC(State Of Charge)를 추정하는 단계;
상기 SOC를 이용하여 용량 수명 SOH(State Of Health)를 추정하는 단계;
현재 배터리의 출력을 고려한 파워 수명 SOP(State Of Power)를 계산하는 단계; 및
상기 SOH와 SOP를 모두 고려한 재사용 수명 SOR(State Of Reuse)를 계산하는 단계;를 포함하고,
상기 재사용 수명 SOR은 상기 용량 수명 SOH와 상기 파워 수명 SOP에 각각 가중치를 적용함으로써 결정되는
배터리 재사용 수명 진단 방법.
제1항에 있어서,
상기 재사용 수명 SOR(State Of Reuse)은 아래 수학식 1로 표시되는 것인 배터리 재사용 수명 진단 방법.
<수학식 1>

(상기 수학식 1에서 0≤a≤1, 0≤b≤1, 및 a+b=1 임).
제1항에 있어서,
상기 파워 수명 SOP(State Of Power)는 아래 수학식 2로 표시되는 것인 배터리 재사용 수명 진단 방법.
<수학식 2>

여기서, Rso는 25℃ 상태에서 SOH가 100%이며 SOC가 50%일 때의 Rs 값이고,
Rpo는 25℃ 상태에서 SOH가 100%이며 SOC가 50%일 때의 Rp 값이며,
Rs'은 25℃ 상태에서 현재 SOH 값과 SOC가 50%일 때의 Rs 값이고,
Rp'은 25℃ 상태에서 현재 SOH 값과 SOC가 50%일 때의 Rp 값이며,
is는 표준 C rate 전류값이다.