KR102255485B1

KR102255485B1 - Soh 분석 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102255485B1
Application number: KR1020180009875A
Authority: KR
Inventors: 윤효정
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2021-05-24
Also published as: US20210148985A1; EP3671244B1; HUE062070T2; US11187757B2; ES2956379T3; WO2019146928A1; PL3671244T3; EP3671244A1; KR20190090993A; CN110799849B; CN110799849A; EP3671244A4

Abstract

배터리의 SOH를 분석할 수 있는 장치와 방법, 이를 이용하여 배터리 재사용 여부를 진단할 수 있는 장치와 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 SOH 분석 장치는, 레퍼런스(reference) 배터리의 방전깊이(DOD : Depth Of Discharge)에 따른 레퍼런스 온도 데이터 또는 그로부터 계산된, 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 레퍼런스 온도 증가율(K1)이 저장된 메모리부; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 만충전 상태의 배터리가 방전되는 동안 방전깊이에 따른 온도 데이터를 측정하여 상기 메모리부에 저장하는 측정기록부; 상기 측정기록부에 의해 취득된 방전깊이에 따른 온도 데이터에서 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 온도 증가율(K2)을 계산하는 계산부; 및 상기 레퍼런스 온도 증가율(K1)과 상기 온도 증가율(K2)을 비교해 상기 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화된 정도를 판단하는 판단부를 포함한다.

Description

SOH 분석 장치 및 방법{Apparatus and Method for Estimating SOH of Secondary Battery}

본 발명은 배터리의 건강 상태(State Of Health : SOH)를 분석하는 장치와 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 배터리의 온도를 측정하여 퇴화 정도를 판단하는 장치와 방법에 관계되어 있다.

반복적인 충전과 방전이 가능한 배터리가 화석 에너지의 대체 수단으로서 각광을 받고 있다. 배터리는 휴대폰, 비디오 카메라, 전동 공구와 같은 전통적인 핸드 헬드 디바이스에 주로 사용되었다. 하지만, 최근에는 전기로 구동되는 자동차(EV, HEV, PHEV), 대용량의 전력 저장 장치(ESS), 무정전 전원 공급 시스템(UPS) 등으로 그 응용 분야가 점차 증가하는 추세이다.

배터리는 양극 및 음극, 전극 사이에 개재된 분리막, 양극과 음극에 코팅된 활물질과 전기화학적으로 반응하는 전해질을 포함하는데, 충방전 회수가 증가할수록 용량이 감소한다. 용량의 감소는, 전극에 코팅된 활물질의 열화, 전해질의 부반응, 분리막의 기공 감소 등에서 그 원인을 찾을 수 있다.

배터리의 용량이 감소하면 저항이 증가하여 열로 소실되는 전기 에너지가 증가한다. 따라서, 배터리의 용량이 임계치 이하로 감소하면 배터리의 성능이 현저하게 떨어지고 발열량이 증가하여 점검 또는 교체가 필요하다.

배터리 기술 분야에서, 배터리의 용량 감소 정도는 SOH라는 팩터에 의해 정량적으로 나타낼 수 있다. SOH는, 여러 가지 방법으로 분석할 수 있는데, 그 중 하나가 현재 시점을 기준으로 한 배터리의 저항이 BOL(Beginning Of Life) 상태에 있을 때의 저항 대비 증가된 정도를 정량화하는 것으로 계산이 가능하다. 예를 들어, 배터리의 저항이 BOL 상태일 때의 저항 대비 20% 증가하였다면, SOH는 80%라고 추정할 수 있다. 다른 방법으로는 배터리의 전류 및 전압에 기초하여 분석하는 것도 있다.

배터리는 SOH에 의해 허용하는 최대 전류를 컨트롤함으로써 수명을 길게 할 수 있다. 이것을 실현하려면, 배터리의 SOH를 정확하게 분석할 필요가 있다.

한편, 배터리가 ESS나 EV, HEV, PHEV 등으로 확대 적용되면서, 배터리 용도 전환을 통하여 재사용(reuse)하려는 연구들이 활발히 진행되고 있다.

특히, 최근에는 비용(cost) 절감을 위하여, 전기로 구동되는 자동차 용도로 사용되었던 배터리를 보다 심하지 않은 마일드한 컨디션에서 구동되는 ESS용 배터리로 전환하는 것을 시도하고 있다.

그러나 배터리는 수백회의 충방전 사이클이 진행되면서 부반응에 의한 가스 발생, Li 플레이팅(plating), 전해질 분해, 전해질 고갈 등의 이유로 갑작스럽게 수명을 종료하는 서든 데스(sudden death) 현상도 적지 않게 나타나고 있다. 따라서 기존 배터리의 재사용을 위해서는, 재사용 시점에서의 SOH를 정확히 분석하여 재사용 여부를 진단하는 등 적절히 분류해내는 일이 중요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배터리의 SOH를 분석할 수 있는 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 배터리의 SOH를 분석하여 재사용 여부를 진단할 수 있는 장치와 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 SOH 분석 장치는, 레퍼런스(reference) 배터리의 방전깊이(DOD : Depth Of Discharge)에 따른 레퍼런스 온도 데이터 또는 그로부터 계산된, 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 레퍼런스 온도 증가율(K1)이 저장된 메모리부; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 만충전 상태의 배터리가 방전되는 동안 방전깊이에 따른 온도 데이터를 측정하여 상기 메모리부에 저장하는 측정기록부; 상기 측정기록부에 의해 취득된 방전깊이에 따른 온도 데이터에서 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 온도 증가율(K2)을 계산하는 계산부; 및 상기 레퍼런스 온도 증가율(K1)과 상기 온도 증가율(K2)을 비교해 상기 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화된 정도를 판단하는 판단부를 포함한다.

바람직하게, 본 발명에 따른 SOH 분석 장치는 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부; 배터리의 전류를 측정하는 전류 측정부; 및 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 전압 측정 값, 전류 측정 값 및 온도 측정 값을 상기 메모리부에 저장하도록 구성된 것일 수 있다.

본 발명에 따른 SOH 분석 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 퇴화된 정도를 판단하여 배터리의 출력을 결정하거나, 상기 퇴화된 정도는 외부 디바이스로 전송하도록 구성된 것일 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 SOH 분석 방법은, (a)만충전 상태의 레퍼런스 배터리를 방전하면서, 방전깊이에 따른 상기 레퍼런스 배터리의 온도를 측정하여 방전깊이에 따른 레퍼런스 온도 데이터를 얻는 단계; (b)상기 방전깊이에 따른 레퍼런스 온도 데이터에서 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 레퍼런스 온도 증가율(K1)을 계산하는 단계; (c)만충전 상태의 배터리를 방전하면서, 방전깊이에 따른 배터리 온도를 측정하여 방전깊이에 따른 온도 데이터를 얻는 단계; (d)상기 방전깊이에 따른 온도 데이터에서 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 온도 증가율(K2)을 계산하는 단계; 및 (e)상기 레퍼런스 온도 증가율(K1)과 상기 온도 증가율(K2)을 비교해 상기 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화된 정도를 판단하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 SOH 분석 방법에서, 상기 (a), (c) 단계에서의 방전은 정전류(CC) 방전이고, 상기 온도는 배터리 표면 온도인 것이 바람직하다.

상기 (b), (d) 단계에서 온도 증가율을 계산하는 단계는, 방전깊이에 따른 온도 데이터를 플롯(plot)하여 온도 프로파일(profile)을 작성하는 단계; 및 상기 온도 프로파일에서 온셋(onset) 두번째 변곡점을 찾은 후 방전깊이 후반부의 그래프 접선 기울기를 구하는 단계에 의해 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 SOH 분석 방법에서, 상기 온도 증가율(K2)이 클수록 퇴화된 정도가 큰 배터리라고 판단할 수 있다.

본 발명의 과제는 상기 SOH 분석 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)과, 상기 SOH 분석 방법을 프로그램화하여 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 의해서도 달성될 수 있다.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 재사용 진단 장치 는, 본 발명에 따른 SOH 분석 장치; 배터리 거치대; 및 상기 SOH 분석 장치의 계산 결과 또는 판단 결과를 표시하는 디스플레이 장치를 포함한다.

본 발명에 따른 배터리 재사용 진단 방법은, (a)만충전 상태의 레퍼런스 배터리를 정전류로 방전하면서, 방전깊이에 따른 상기 레퍼런스 배터리 표면 온도를 측정하여 방전깊이에 따른 레퍼런스 온도 프로파일을 얻는 단계; (b)상기 레퍼런스 온도 프로파일에서 기울기 S1을 계산하는 단계; (c)만충전 상태의 재사용 진단 대상 배터리를 정전류로 방전하면서, 방전깊이에 따른 상기 재사용 진단 대상 배터리 표면 온도를 측정하여 재사용 진단 대상 배터리의 방전깊이에 따른 온도 프로파일을 얻는 단계; (d)상기 재사용 진단 대상 배터리의 방전깊이에 따른 온도 프로파일에서 기울기 S2'를 계산하는 단계; 및 (e) S1과 S2'를 비교해 상기 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화된 정도를 판단해 재사용 가부를 결정하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 (b) 단계와 (c) 단계 사이에, (b-1)만충전 상태의 다른 샘플 배터리를 정전류로 방전하면서, 방전깊이에 따른 샘플 배터리 표면 온도를 획득하여 방전깊이에 따른 샘플 온도 프로파일을 얻는 단계; (b-2)상기 방전깊이에 따른 샘플 온도 프로파일에서 기울기 S2를 계산하는 단계; (b-3)S1보다 S2가 크면 상기 샘플 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화되었다고 판단하고, 퇴화 정도와 S2간의 상관 관계 데이터를 기록하는 단계; 및 (b-4)또 다른 샘플 배터리들에 대하여 상기 (b-1) 내지 (b-3) 단계를 반복하여, 퇴화 정도와 S2 간의 상관 관계 데이터를 누적하는 단계;를 더 포함하고, 상기 (e) 단계에서는 상기 퇴화 정도와 S2간의 상관 관계 데이터로부터 S2'에 해당하는 퇴화 정도를 찾아 상기 재사용 진단 대상 배터리의 퇴화 정도를 진단해 재사용 가부를 결정한다.

본 발명에 따르면, 방전깊이에 따른 배터리 온도 변화를 모니터링하여 비교적 간단한 방법에 의해 배터리의 SOH를 분석할 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존 배터리 재사용 시점에서의 SOH를 정확히 분석하여, 진단 대상 배터리의 용도 전환이 가능한지 폐기해야 할지 적절히 분류해 낼 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면들에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOH 분석 장치에 대한 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOH 분석 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 배터리의 방전깊이에 따른 온도 프로파일이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 재사용 진단 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하에서 설명되는 실시예에 있어서, 배터리는 리튬 배터리를 일컫는다. 여기서, 리튬 배터리라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 배터리를 총칭한다.

한편, 리튬 배터리에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 배터리를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 배터리의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 배터리의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 배터리라면 모두 상기 리튬 배터리의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.

본 발명은 리튬 배터리 이외의 다른 배터리에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 배터리라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.

또한, 배터리는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 배터리는 하나의 포장재 내에 양극/분리막/음극의 조립체 및 전해질이 포함된 단일 셀을 비롯하여 단일 셀의 어셈블리, 다수의 어셈블리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 모듈, 다수의 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 팩, 다수의 팩이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 전지 시스템 등도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOH 분석 장치에 대한 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이고, 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOH 분석 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 SOH 분석 장치 및 방법에 관하여 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 SOH 분석 장치(100)는, 배터리(B)의 SOH를 분석할 수 있는 장치로서 적어도 메모리부(110)와 제어부(120)를 포함한다.

상기 제어부(120)는 논리 연산을 수행할 수 있는 프로세서를 포함하고, 후술하는 제어 로직에 따라 배터리(B)의 SOH를 분석할 수 있는 기능을 수행한다.

상기 메모리부(110)는, 전기적, 자기적, 광학적 또는 양자역학적으로 데이터를 기록하고 소거할 수 있는 저장매체이고, 비제한적인 예시로서, RAM, ROM 또는 레지스터일 수 있다.

바람직하게, 상기 메모리부(110)는 상기 제어부(120)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 상기 제어부(120)와 연결될 수 있다.

상기 메모리부(110)는 상기 제어부(120)에 의해 실행되는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램과 미리 정의된 파라미터들, 및/또는 상기 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거할 수 있다.

상기 메모리부(110)는 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 상기 제어 부(120) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.

바람직하게, 상기 메모리부(110)는, 레퍼런스(reference) 배터리의 방전깊이(DOD : Depth Of Discharge)에 따른 레퍼런스 온도 데이터 또는 그로부터 계산된, 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 레퍼런스 온도 증가율(K1)이 미리 저장하고 있다.

레퍼런스 온도 데이터 또는 레퍼런스 온도 증가율(K1)은 레퍼런스 배터리, 예를 들어 BOL 상태의 배터리에 대한 방전 실험을 통하여 사전에 측정함으로써 얻을 수 있다(SOH 분석 방법의 제1 단계로서 도 2의 s1에 해당함). 만충전 상태의 레퍼런스 배터리를 방전하면서, 방전깊이에 따른 상기 레퍼런스 배터리의 온도를 측정하여 방전깊이에 따른 레퍼런스 온도 데이터를 얻을 수 있다. 이 때 방전은 정전류(CC) 방전이고, 온도는 레퍼런스 배터리 표면 온도를 측정하여 얻는 것이 바람직하다.

만충전 상태일 때 방전깊이는 0%, 만방전 상태일 때 방전깊이는 100%이다. 방전이 진행되면서 방전깊이가 깊어지면, 즉 방전깊이 0%에서 100%로 갈수록, 레퍼런스 배터리의 온도가 점차 증가하며 대체로 방전깊이 증가에 따라 상승하는 온도 프로파일이 얻어진다.

예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같은 레퍼런스 온도 프로파일을 플롯할 수 있다. 메모리부(110)에 미리 저장된 레퍼런스 온도 데이터는 방전깊이에 따른 온도에 관한 데이터 쌍들의 매트릭스 구조일 수도 있고, 그로부터 계산된, 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 레퍼런스 온도 증가율(K1)이다. 레퍼런스 온도 증가율(K1)은 레퍼런스 온도 데이터로부터 직접 계산하여 구할 수도 있고, 도 3에 나타낸 바와 같이 온도 프로파일에서 방전깊이 후반부의 그래프 접선 기울기로부터 구할 수도 있다(SOH 분석 방법의 제2 단계로서 도 2의 s2에 해당함). 특히 레퍼런스 온도 프로파일에서 온셋(onset) 두번째 변곡점을 찾은 후 방전깊이 후반부의 그래프 접선 기울기를 구할 수 있다. 방전깊이 후반부의 온도 증가율이 방전깊이 전반부의 온도 증가율에 비하여 배터리의 내부 상태를 잘 나타내주는 것으로 판단하여 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 레퍼런스 온도 증가율(K1)을 비교 기준이 되는 값으로 정하였다.

배터리는 측정 중에 주변 환경의 온도에도 영향을 받을 수 있으므로 미리 실험을 통하여 다양한 온도 환경에서 레퍼런스 배터리의 표면 온도를 측정해두어 데이터화하는 것이 바람직하다. 예를 들어 -5℃, 10℃, 25℃ 등과 같이 여러 온도에서 레퍼런스 배터리의 표면 온도 변화를 측정해둔다.

바람직하게, 상기 제어부(120)는, 배터리(B)의 충전 상태, 저항 등 다른 변수를 결정하기 위해, 전압 측정부(130), 전류 측정부(140) 및 온도 측정부(150)와 전기적으로 결합될 수 있다.

상기 전압 측정부(130)는 공지된 전압 측정 회로를 포함하고, 상기 제어부(120)의 통제하에 시간 간격을 두고 배터리(B)의 전압을 주기적으로 측정하고, 측정된 전압 값을 상기 제어부(120)로 출력한다. 그러면 상기 제어부(120)는 주기적으로 입력되는 전압 측정 값을 상기 메모리부(110)에 저장한다. 배터리(B)의 전압을 측정하면 이로부터 방전깊이를 알 수 있다.

상기 전류 측정부(140)는 센스 저항이나 홀 센서를 포함하고, 상기 제어부(120)의 통제하에 시간 간격을 두고 배터리(B)의 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 측정하여 전류 측정 값을 상기 제어부(120)로 출력한다. 그러면 상기 제어부(120)는 주기적으로 입력되는 전류 측정 값을 상기 메모리부(110)에 저장한다.

상기 온도 측정부(150)는 온도 센서의 한 종류인 열전대(thermocouple)를 포함하고, 상기 제어부(120)의 통제하에 시간 간격을 두고 배터리(B)의 온도를 주기적으로 측정하여 온도 측정 값을 상기 제어부(120)로 출력한다. 그러면, 상기 제어부(120)는 주기적으로 입력되는 온도 측정 값을 상기 메모리부(110)에 저장한다.

상기 제어부(120)의 측정기록부(122)는 만충전 상태의 배터리(B)가 방전되는 동안 방전깊이에 따른 온도 데이터를 측정하여 상기 메모리부(110)에 저장한다(SOH 분석 방법의 제3 단계로서 도 2의 s3에 해당함). 상기 온도 측정부(150)로부터 측정되는 배터리(B)의 온도가 상기 측정기록부(122)에 의해 방전깊이에 따른 온도 데이터로서 상기 메모리부(110)에 저장된다.

이 때 레퍼런스 배터리에 대한 것과 동일하게, 방전은 정전류(CC) 방전이고, 온도는 배터리(B) 표면 온도를 측정하여 얻는 것이 바람직하다.

레퍼런스 배터리에서의 경우와 마찬가지로, 방전깊이가 깊어지면 배터리(B)의 온도가 점차 증가하며 대체로 방전깊이 증가에 따라 상승하는 온도 프로파일이 얻어진다. 예를 들어 도 3에 도시하였다.

상기 제어부(120)의 계산부(124)는 상기 측정기록부(122)에 의해 취득된 방전깊이에 따른 온도 데이터에서 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 온도 증가율(K2)을 계산한다. 이 때에도 온도 증가율(K2)은 온도 데이터로부터 직접 계산하거나, 도 3에 나타낸 바와 같이 온도 프로파일에서 방전깊이 후반부의 그래프 접선 기울기로부터 구할 수 있다(SOH 분석 방법의 제4 단계로서 도 2의 s4에 해당함). 특히 온도 프로파일에서 온셋 두번째 변곡점을 찾은 후 방전깊이 후반부의 그래프 접선 기울기를 구할 수 있음은 앞서 레퍼런스 온도 프로파일에 관하여 설명한 바와 동일하다.

상기 제어부(120)의 판단부(126)는 상기 레퍼런스 온도 증가율(K1)과 상기 온도 증가율(K2)을 비교해 상기 배터리(B)가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화된 정도를 판단한다(SOH 분석 방법의 제5 단계로서 도 2의 s5에 해당함).

이 때 예를 들어 배터리(B)의 실제 측정 환경에서의 온도가 25℃라고 판단되면, 25℃에서 측정해 둔 레퍼런스 배터리의 온도 데이터와 비교할 수 있도록 하는 등, 측정시의 주변 온도도 함께 고려될 수 있도록 한다.

일반적으로 배터리는 사용 사이클이 진행되면서 음극과 양극에서의 리튬 이온 삽입과 탈리가 반복됨에 따라 상전이가 되고 구조적 변화가 퇴화된다. 본 발명자는 그 구조적 변화의 퇴화 정도가 배터리 내부에서 생성되는 엔트로픽 열(entropic heat)의 양에 큰 영향을 미친다는 점을 연구를 통해 알아내었다. 사용 사이클이 많이 진행된 배터리는 초기 배터리, 즉 레퍼런스 배터리와 비교시 엔트로픽 열이 달라지는 점을 실험적으로 확인하였다. 따라서 온도 변화를 비교 분석하면, 배터리의 퇴화 정도를 유추할 수 있음에 착안하여 본 발명을 제안하기에 이르렀다.

이와 같이 본 발명은, 정전류 방전 동안, 배터리의 전압(이로부터 방전심도를 알 수 있음)과 배터리 표면의 온도 변화를 측정하되, 온도 증가율을 비교 대상으로 하여 배터리의 퇴화 정도를 파악하도록 하는 것이다.

도 3에 도시한 온도 프로파일에서 직선의 기울기를 K라고 하면,

K=Δ표면 온도(surface temperature)/ΔDOD이고,

측정 대상인 배터리(B)에서의 K의 절대값이 레퍼런스 배터리의 K 절대값보다 크다고 하면, 즉,|K|>|레퍼런스 배터리의 K| 라면,

레퍼런스 배터리 대비 퇴화가 진행된 배터리라고 추측 가능하다. 배터리 퇴화가 진행될수록 엔트로픽 열 생성에 따른 온도 변화가 커질 것이므로, 기울기 K가 클수록 퇴화 정도가 큰 배터리라고 할 수 있다.

따라서, 상기 온도 증가율(K2)이 클수록 퇴화된 정도가 큰 배터리라고 판단할 수 있다.

이 때, 판단부(126)에서 배터리(B)가 퇴화된 정도를 정량적으로 구해내기 위해서 다른 여러 샘플 배터리에 대한 정보도 수집되어 있으면 좋다. 여러 샘플 배터리에 대하여 상기 SOH 분석 방법의 제3 단계(s3) 내지 제5 단계(s5)를 수행하여 퇴화 정도와 온도 증가율 간의 상관 관계 데이터를 누적해 두면, 모든 데이터를 종합해, 온도 증가율의 값이 어느 정도일 때 SOH를 몇%라고 판단해야 할 지 결정할 수 있다. 일 예를 들어, 측정해 본 배터리의 온도 증가율이 레퍼런스 온도 증가율과 동일한 경우에 그 배터리는 SOH 100%이고, 온도 증가율이 레퍼런스 온도 증가율에 비해 10% 이내로 증가하였으면 SOH 90%, 온도 증가율이 레퍼런스 온도 증가율에 비해 20% 이내로 증가하였으면 SOH 80% 등과 같이 구간을 나누어 정할 수 있다. 이것은 배터리 종류마다 다를 수 있어 실험적으로 결정하여야 한다. 이렇게 하여 온도 증가율별로 그에 해당하는 SOH 값을 미리 정해두면, 예를 들어 룩업테이블화해두면, 실제 배터리(B) 온도 증가율(K2) 계산 후 그에 해당하는 SOH 값을 바로 찾아내어 정량적으로 나타낼 수도 있게 된다.

이렇게 분석한 배터리(B)의 SOH는 이후 설명하는 바와 같이 재사용 가능 여부를 판단하는 데에 중요한 지표로 작용할 수 있으며, 배터리(B)를 사용하는 동안에는 출력 추정 등에 이용이 될 수 있다.

상기 제어부(120)는 또한 상기와 같이 분석한 배터리(B)의 SOH를 활용하여 배터리(B)의 출력을 결정하고, 결정된 출력 정보를 상기 메모리부(110)에 저장할 수도 있다.

다른 측면에 따르면, 상기 제어부(120)는 통신 인터페이스(I/F, 160)와 결합될 수 있고, 추정된 출력 값 및 SOH 중에서 적어도 하나를 상기 통신 인터페이스(160)를 통해서 외부 디바이스(미도시) 측으로 출력할 수 있다.

바람직하게, 상기 외부 디바이스는 배터리(B)로부터 전기 에너지를 공급 받는 부하 장치의 제어기일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기와 같이 배터리(B)를 만충전한 후 정전류 방전하면서 온도 측정을 하려면 배터리(B)를 충방전시키는 동안의 사용 사이클 중에는 하기 어렵다. 따라서, 예를 들어 배터리(B)가 자동차용 배터리라면 차량 시동 키가 오프(key off)되었을 때와 같이 배터리 충방전이 종료되어 있을 때에 배터리(B) 만충전 후 방전이 이루어지도록 제반 관련 시스템을 구성해 SOH 분석 방법을 수행하도록 할 수 있다. 또한 SOH 분석 단계 이후에는 배터리(B)가 만방전 상태이므로, 배터리(B) 사용을 위해 충전이 이루어질 수 있도록 시스템을 구성할 수도 있다. 배터리(B)의 종류가 특별히 항상 만충전 후 만방전 시점까지 정전류 방전을 하면서 사용하는 경우에 해당한다면, 별도의 SOH 분석을 위한 단계를 배터리 사용 정지 중에 구현할 것이 아니라, 배터리 사용 중에 위와 같은 SOH 분석 방법이 실행되도록 시스템을 구성하면 더 바람직할 것이다.

나아가, 상기 제어부(120)는, 본 명세서에 개시된 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 상기 메모리부(110)에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리부(110)는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다.

앞서 설명한 SOH 분석 방법의 제1 단계(s1) 내지 제5 단계(s2)와 관련된 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

본 발명에 따른 SOH 분석 장치는, BMS라고 불리는 시스템의 일부로서 포함될 수 있다. 또한, 상기 BMS는 배터리(B)가 제공하는 전기 에너지로 동작이 가능한 다양한 종류의 전기구동 장치에 탑재될 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 전기구동 장치는, 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 모바일 컴퓨터 장치, 또는 디지털 카메라, 비디오 카메라, 오디오/비디오 재생 장치 등을 포함한 핸드 헬드 멀티미디어 장치일 수 있다.

다른 측면에 따르면, 상기 전기 구동 장치는, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 열차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같이 전기에 의해 이동이 가능한 전기 동력 장치, 또는 전기 드릴, 전기 그라인더 등과 같이 모터가 포함된 파워 툴일 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 전기 구동 장치는, 전력 그리드에 설치되어 신재생 에너지나 잉여 발전 전력을 저장하는 대용량 전력 저장 장치, 또는 정전 등의 비상 상황에서 서버 컴퓨터나 이동 통신 장비 등을 포함한 각종 정보 통신 장치의 전원을 공급하는 무정전 전원 공급 장치일 수 있다.

그러면, 이하에서는, 상술한 구성을 바탕으로 도 4를 더 참조하여 본 발명에 따른 배터리 재사용 진단 장치와 방법을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 재사용 진단 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

배터리 재사용 진단 장치(300)는 본 발명에 따른 SOH 분석 장치(100), 배터리 거치대(200), 디스플레이 장치(220) 등을 포함한다.

최근 연구 개발에 의해, EV나 HEV 등이 실용화되어 있다. 이러한 자동차용의 배터리 사용이 본격화되면, 자동차의 폐기나 배터리의 교환 등에 의해, 중고 배터리가 다수 발생할 것이다. 중고 배터리 중에는 고장나 있거나, 특성 불량 혹은 수명이 다 된 것도 포함이 되겠지만 아직 사용 가능한 배터리도 포함이 되어 있을 수 있다. 특히 자동차용의 배터리는 보다 마일드한 컨디션에서 사용할 수 있는 ESS용의 배터리로 재사용될 수가 있다. 따라서, 중고 배터리 중에 고장 혹은 크게 열화한 특정 배터리는 제거해 폐기하고, 아직 사용 가능한 배터리는 따로 분류해 용도 전환해 사용하는 방법이 경제적, 환경적으로도 각광받을 것이다.

본 발명의 배터리 재사용 진단 장치(300)는 이와 같은 중고 배터리의 적절한 분류에 이용이 될 수 있다.

예를 들어, 배터리 거치대(200)에 재사용 진단 대상 배터리(B)를 두고, SOH 분석 장치(100)와 회로(210)를 통해 연결한다. 배터리(B)를 정전류 방전시키면서 그 전압을 측정해 SOH 분석 장치(100)의 메모리부로 보내고 온도 측정부(150)를 통해 배터리(B) 표면 온도를 측정해 SOH 분석 장치(100)의 측정기록부에 전송하면 방전깊이에 따른 배터리(B) 온도 데이터가 취득된다.

SOH 분석 장치(100)는 앞에서 설명한 바와 같이 레퍼런스 온도 증가율과 배터리(B)의 온도 증가율을 비교하여 배터리(B)의 퇴화 정도를 판단한다. 이 때 수행되는 SOH 분석 장치(100)의 계산 결과와 판단 결과는 디스플레이 장치(220)를 통해 표시될 수 있다. 예를 들어 도 3을 참조하여 설명한 것과 같은 온도 프로파일이라든지, 온도 증가율별로 미리 정해둔 SOH 값으로부터 읽어낸 배터리(B)의 SOH 값 등을 사용자가 쉽게 파악할 수 있도록 표시할 수 있다. 사용자는 디스플레이 장치(220)의 결과를 보고 배터리(B)를 폐기할지 재사용할지 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 재사용 진단 방법은 상기와 같은 배터리 재사용 진단 장치의 사용을 통해 달성될 수 있다. 또는 상기와 같은 SOH 분석 방법을 이용하여 달성될 수 있다.

바람직한 배터리 재사용 진단 방법에 관하여 부연 설명하자면, 먼저 만충전 상태의 레퍼런스 배터리를 정전류로 방전하면서, 방전깊이에 따른 상기 레퍼런스 배터리 표면 온도를 측정하여 방전깊이에 따른 레퍼런스 온도 프로파일을 얻는다. 이것은 도 2의 단계 s1에 대응된다.

다음으로 상기 레퍼런스 온도 프로파일에서 기울기 S1을 계산한다. 이것은 도 2의 단계 s2에 대응된다.

이어서 만충전 상태의 재사용 진단 대상 배터리를 정전류로 방전하면서, 방전깊이에 따른 상기 재사용 진단 대상 배터리 표면 온도를 측정하여 재사용 진단 대상 배터리의 방전깊이에 따른 온도 프로파일을 얻는다. 이것은 도 2의 단계 s3에 대응되고, 또한 도 4의 배터리 재사용 진단 장치의 사용에 해당되기도 한다.

다음으로 상기 재사용 진단 대상 배터리의 방전깊이에 따른 온도 프로파일에서 기울기 S2'를 계산한다. 이것은 도 2의 단계 s4에 대응되고, 또한 도 4의 배터리 재사용 진단 장치의 사용에 해당되기도 한다.

이어서, S1과 S2'를 비교해 상기 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화된 정도를 판단해 재사용 가부를 결정한다. 이것은 도 2의 단계 s5에 대응되고, 또한 도 4의 배터리 재사용 진단 장치의 사용에 해당되기도 한다.

특히, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 미리 실험을 통하여, 퇴화 정도가 제각각인 여러 샘플 배터리를 준비해, 만충전 상태의 각 샘플 배터리를 정전류로 방전하면서, 방전깊이에 따른 각 샘플 배터리 표면 온도를 획득하여 방전깊이에 따른 각 샘플 온도 프로파일을 얻고, 거기에서 기울기 S2를 계산해 둔 후, 퇴화 정도와 S2간의 상관 관계 데이터를 누적 기록해 두면, 진단 대상 배터리의 기울기 S2'에 해당하는 퇴화 정도를 찾아 상기 재사용 진단 대상 배터리의 퇴화 정도를 진단할 수 있다. 예를 들어 SOH 70% 이상이고 SOH 80% 이하인 배터리만 재사용 하기로 결정해 두었다면, 재사용 진단 대상 배터리의 SOH가 75%로 분석되는 경우에는 재사용 배터리로 분류해 다음 용도를 위한 후속 처리를 하겠지만, 재사용 진단 대상 배터리의 SOH가 60%로 분석되는 경우에는 폐기 배터리로 분류해 후속 처리를 하는 식으로, 본 발명에 따른 배터리 재사용 진단 방법을 활용한다.

본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: SOH 분석 장치 110: 메모리부
120: 제어부 122: 측정기록부
124: 계산부 126: 판단부
130: 전압 측정부 140: 전류 측정부
150: 온도 측정부 160: 통신 인터페이스
200: 배터리 거치대 210: 회로
220: 디스플레이 장치 300: 배터리 재사용 진단 장치

Claims

레퍼런스(reference) 배터리를 정전류(CC) 방전하면서 측정한 상기 레퍼런스 배터리의 방전깊이(DOD : Depth Of Discharge)에 따른 레퍼런스 온도 데이터 또는 그로부터 계산된, 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 레퍼런스 온도 증가율(K1)이 저장된 메모리부; 및
제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
만충전 상태의 배터리를 정전류 방전하면서 상기 배터리가 방전되는 동안 방전깊이에 따른 온도 데이터를 측정하여 상기 메모리부에 저장하는 측정기록부;
상기 측정기록부에 의해 취득된 방전깊이에 따른 온도 데이터에서 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 온도 증가율(K2)을 계산하는 계산부; 및
상기 레퍼런스 온도 증가율(K1)과 상기 온도 증가율(K2)을 비교해 상기 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화된 정도를 판단하고, 상기 온도 증가율(K2)이 클수록 퇴화된 정도가 큰 배터리라고 판단하는 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOH 분석 장치.
(a)만충전 상태의 레퍼런스 배터리를 정전류 방전하면서, 방전깊이에 따른 상기 레퍼런스 배터리의 온도를 측정하여 방전깊이에 따른 레퍼런스 온도 데이터를 얻는 단계;
(b)상기 방전깊이에 따른 레퍼런스 온도 데이터에서 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 레퍼런스 온도 증가율(K1)을 계산하는 단계;
(c)만충전 상태의 배터리를 정전류 방전하면서, 방전깊이에 따른 배터리 온도를 측정하여 방전깊이에 따른 온도 데이터를 얻는 단계;
(d)상기 방전깊이에 따른 온도 데이터에서 방전깊이 50% 이상의 방전 후반부의 온도 증가율(K2)을 계산하는 단계; 및
(e)상기 레퍼런스 온도 증가율(K1)과 상기 온도 증가율(K2)을 비교해 상기 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화된 정도를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 온도 증가율(K2)이 클수록 퇴화된 정도가 큰 배터리라고 판단하는 것을 특징으로 하는 SOH 분석 방법.
제2항에 있어서, 상기 온도는 배터리 표면 온도인 것을 특징으로 하는 SOH 분석 방법.
제2항에 있어서, 상기 (b), (d) 단계에서 온도 증가율을 계산하는 단계는,
방전깊이에 따른 온도 데이터를 플롯(plot)하여 온도 프로파일(profile)을 작성하는 단계; 및
상기 온도 프로파일에서 온셋(onset) 두번째 변곡점을 찾은 후 방전깊이 후반부의 그래프 접선 기울기를 구하는 단계에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 SOH 분석 방법.
삭제
제1항에 따른 SOH 분석 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 SOH 분석 방법을 프로그램화하여 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
제1항에 따른 SOH 분석 장치;
배터리 거치대; 및
상기 SOH 분석 장치의 계산 결과 또는 판단 결과를 표시하는 디스플레이 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 재사용 진단 장치.
(a)만충전 상태의 레퍼런스 배터리를 정전류로 방전하면서, 방전깊이에 따른 상기 레퍼런스 배터리 표면 온도를 측정하여 방전깊이에 따른 레퍼런스 온도 프로파일을 얻는 단계;
(b)상기 레퍼런스 온도 프로파일에서 기울기 S1을 계산하는 단계;
(c)만충전 상태의 재사용 진단 대상 배터리를 정전류로 방전하면서, 방전깊이에 따른 상기 재사용 진단 대상 배터리 표면 온도를 측정하여 재사용 진단 대상 배터리의 방전깊이에 따른 온도 프로파일을 얻는 단계;
(d)상기 재사용 진단 대상 배터리의 방전깊이에 따른 온도 프로파일에서 기울기 S2'를 계산하는 단계; 및
(e)S1과 S2'를 비교해 상기 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화된 정도를 판단해 재사용 가부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 재사용 진단 방법.
제9항에 있어서, 상기 (b) 단계와 (c) 단계 사이에,
(b-1)만충전 상태의 다른 샘플 배터리를 정전류로 방전하면서, 방전깊이에 따른 샘플 배터리 표면 온도를 획득하여 방전깊이에 따른 샘플 온도 프로파일을 얻는 단계;
(b-2)상기 방전깊이에 따른 샘플 온도 프로파일에서 기울기 S2를 계산하는 단계;
(b-3)S1보다 S2가 크면 상기 샘플 배터리가 상기 레퍼런스 배터리에 비해 퇴화되었다고 판단하고, 퇴화 정도와 S2간의 상관 관계 데이터를 기록하는 단계; 및
(b-4)또 다른 샘플 배터리들에 대하여 상기 (b-1) 내지 (b-3) 단계를 반복하여, 퇴화 정도와 S2 간의 상관 관계 데이터를 누적하는 단계;를 더 포함하고,
상기 (e) 단계에서는 상기 퇴화 정도와 S2간의 상관 관계 데이터로부터 S2'에 해당하는 퇴화 정도를 찾아 상기 재사용 진단 대상 배터리의 퇴화 정도를 진단해 재사용 가부를 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 재사용 진단 방법.