KR102532643B1 - 전기차 배터리 잔존수명 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기차 배터리 잔존수명 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도, 충방전 싸이클 및 방전율 파라미터를 통해 배터리의 잔존수명을 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리 잔존수명 측정방법은, 배터리의 초기용량을 측정하는 단계와, 상기 배터리가 일정기간 이상 사용된 이후의 배터리 온도와 충방전된 사이클 횟수를 측정하는 단계와, 상기 배터리 온도와 충방전된 사이클 횟수로부터 일정기간 이상 사용된 이후 배터리의 잔존용량을 측정하는 단계 및 상기 배터리의 초기용량에서 잔존용량의 차를 기초로 배터리의 잔존수명을 측정하는 단계를 포함한다.

Description

전기차 배터리 잔존수명 측정방법{Electric vehicle battery remaining life measuring method}

본 발명은 전기차 배터리 잔존수명 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도, 충방전 싸이클 및 방전율 파라미터를 통해 배터리의 잔존수명을 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

최근 핸드폰이나 노트북 등 다양한 전자기기에 사용되는 배터리뿐만 아니라, 환경오염 문제로 인해 내연기관에서 전기차로 점차 변화되는 추세에 따라 전기차에 사용되는 배터리 수요도 증가하면서 배터리 기술에 대한 중요성이 커지고 있다.

특히, 전기차는 충전 및 방전이 가능한 배터리를 주요 에너지원으로 사용하기 때문에 최대로 충전가능한 전기량이나 충전속도가 중요한 요소로 작용하고, 충전 및 방전이 반복되면서 배터리의 에너지 저장기능이 점차 감소하게 되며, 일정기준 이하의 충방전 기능을 보이는 경우(예를 들어, 초기 대비 80% 이하의 용량을 가지게 된 경우) 해당 배터리를 폐기하고 새로운 배터리로 교체해야 한다. 여기서, 폐기된 배터리의 경우 성능이 감소된 것이지 충전 및 방전이 아예 불가능한 배터리가 아니므로, 폐기된 배터리 중에서 사용가능한 배터리를 다른 분야에 재활용할 수도 있다.

그에 따라, 폐기된 배터리의 재활용 시 얼마만큼의 재활용 성능을 보이는지 알기 위하여 폐배터리의 잔존수명을 예측하는 것이 핵심이라고 볼 수 있는데, 상기 예측방법으로는 인위적으로 배터리를 충전 및 방전시키는 테스트를 실시하여 잔존수명을 예측하는 방법이나 배터리의 충전곡선 기울기를 이용하여 배터리의 용량을 평가하고 이를 바탕으로 잔존수명을 예측하는 방법 등 다양한 방법이 존재한다.

이와 관련하여, 대한민국 특허공개 제10-2021-0134137호에서는, 전기차 배터리의 잔존수명 예측방법 및 장치를 개시하고 있으며, 보다 상세하게는 배터리의 충전 사이클의 누적에 따라 각각의 충전 사이클에서 충전 파라미터의 변화에 대한 정보를 포함하는 충전 히스토리 정보를 획득하는 단계 및 상기 컴퓨팅 장치가, 상기 획득된 충전 히스토리 정보에 포함된 충전 사이클 각각에서의 충전 파라미터의 변화율에 기초하여 상기 배터리의 잔존 수명에 대한 정보를 출력하는 단계를 포함하는 방법을 개시한다.

여기서, 배터리의 잔존수명에 큰 영향을 주는 파라미터로는 온도, 충방전 싸이클 또는 배터리용량 대비 충방전전류의 양을 알 수 있는 방전율 등이 존재하는데, 이러한 파라미터들이 배터리 잔존수명을 계산하는 각각의 요소가 되어서는 정확한 잔존수명값을 얻을 수 없어, Primary Parameter를 전부 포함하는 잔존수명 측정식을 통해 정확한 잔존수명을 계산할 필요가 있다.

1. 한국 특허공개 제10-2021-0134137호(2021.11.09 공개)

본 발명은 온도, 충방전 싸이클 및 방전율 파라미터를 통해 배터리의 잔존수명을 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

또한, 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리 잔존수명 측정방법은, 배터리의 초기용량을 측정하는 단계와, 상기 배터리가 일정기간 이상 사용된 이후의 배터리 온도와 충방전된 사이클 횟수를 측정하는 단계와, 상기 배터리 온도와 충방전된 사이클 횟수로부터 일정기간 이상 사용된 이후 배터리의 잔존용량을 측정하는 단계 및 상기 배터리의 초기용량에서 잔존용량의 차를 기초로 배터리의 잔존수명을 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기배터리의 잔존수명을 측정하는 단계는, 다음의 수식을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.

여기서, Y는 폐배터리의 잔존용량, Y_i는 zone i에서의 배터리의 초기용량, E_a는 활성화 에너지(J/mol), A_i는 "Constant for Reference Mapping Condition", R은 기체상수(8.314J/mol·K), T_JR은 배터리 내부 온도, tⁿ은 n회 충방전했을 때의 수명(cycle), tⁿ _i-1은 zone i에서의 n회 충방전 후 수명(cycle)을 의미한다. 참고로, EV(Electric Vehicle, 전기차) 기준 배터리셀 용량 60Ah, 1 Cycle : DOD100(SOC 0~100%)으로 5C-rate으로 충전/방전, 위 조건으로 했을 때 1cycle은 1day 이다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 T_JR은, 상기 배터리 내 복수의 셀(cell) 중에서 가장 높은 온도를 가진 셀의 온도인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 T_JR은 다음의 수식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

T_JR = T_i + T_C-rate

여기서, T_i는 외기조건과 평형상태를 유지한 배터리 셀의 온도, T_C-rate는 충방전율에 따라 배터리가 스트레스를 받아 가열되어 증가된 온도를 의미한다.

본 발명에 따르면, 온도, 충방전 싸이클 및 방전율 파라미터를 통해 배터리의 잔존수명을 정확하게 측정함으로써 폐배터리 활용가능성에 대한 정확한 정보를 제공할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리 잔존수명 측정방법에 있어서, 충방전 사이클에 따른 배터리 잔존용량값을 영역(zone)별로 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 폐배터리 잔존수명 측정방법의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.

우선 배터리는 그 기본이 되는 복수의 셀(cell)로 구성되는데, 상기 셀은 전기에너지를 충전 및 방전해서 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본 단위이다. 세부적으로는 양극, 음극, 분리막, 전해액을 가지고 사각형의 알루미늄 케이스에 삽입하여 제작이 되며, 자동차 내부 한정된 공간 내에서 최대한의 성능을 발휘하기 위해서는 단위부피당 높은 용량을 필요로 하며, 긴 수명을 가져야 한다. 또한, 주행 중에 발생하는 외부충격을 잘 견디고 고온/저온 환경에서도 성능에 이상이 없도록 안정적인 구조를 가져야 한다.

외부충격이나 열, 진동 등으로부터 상기 복수의 셀은 보호하기 위하여, 일정 개수의 셀이 번들(bundle) 단위로 구획되어 하나의 배터리 팩(pack)을 형성할 수 있으며, 복수의 배터리 팩을 하나의 모듈(module)에 장착하여 배터리 모듈을 구성하며, 배터리 모듈 내부에 배터리 관리시스템(Battery Management System), 냉각시스템 등 각종 제어 및 보호시스템을 장착되어 배터리의 전압이나 충방전 상태 등을 전체적으로 제어할 수 있게 된다.

우선, 배터리 팩이 전기차 등에 장착되어 일정기간동안 충전 및 방전이 반복적으로 이루어지면서, 배터리 용량이 감소한다. 일정기간 이상의 충방전 사이클이 지나면서 기존 용량대비 일정비율 이상을 잃게 되면 배터리를 폐기해야 하는데, 충전 후 50%의 용량만 사용하고 재충전하면서 반복 사용한 경우에는 초기 예상보다 잔존수명이 늘어나게 된다. 따라서, 본 발명에서는 배터리의 잔존수명을 단순히 충방전 횟수만으로 단일화해서 지정하는 것이 아니라, 온도, 충방전 싸이클, 방전율에 따른 온도증가, 충방전시 완충여부에 대한 파라미터를 종합적으로 고려하여 배터리의 잔존수명을 정확하게 측정하는 방법을 제시하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리 잔존수명 측정방법은, 배터리의 초기용량을 측정하는 단계(s1)와, 상기 배터리가 일정기간 이상 사용된 이후의 배터리 온도와 충방전된 사이클 횟수를 측정하는 단계(s2)와, 상기 배터리 온도와 충방전된 사이클 횟수로부터 일정기간 이상 사용된 이후 배터리의 잔존용량을 측정하는 단계(s3) 및 상기 배터리의 초기용량에서 잔존용량의 차를 기초로 배터리의 잔존수명을 측정하는 단계(s4)를 포함한다.

우선, 배터리가 사용되기 전의 초기용량을 측정하게 되는데(s1), 이는 배터리 팩 내부에 존재하는 복수의 셀(Cell)이 가진 전체 용량을 의미한다. 다음으로, 배터리가 일정기간 이상 사용된 이후의 배터리 온도와 충방전된 사이클 횟수를 측정하는 단계(s2)를 거친다.

배터리의 잔존수명을 예측하기 위하여 가장 중요한 파라미터로는, 배터리 내부온도와 충방전 사이클이 존재한다. 상기 배터리 내부온도는 배터리 팩을 이루는 복수의 셀 각각의 온도의 평균으로 이루어질 수 있으며, 후술하는 배터리 팩 내부의 복수의 셀 중에서 가장 높은 온도를 갖는 셀의 온도를 의미할 수도 있다. 또한, 배터리의 충방전 사이클 횟수를 측정하게 되는데, 이는 초기 배터리 용량에서 충전 및 방전이 이루어지면서 배터리 전체용량이 감소하게 되므로, 충방전이 이루어진 횟수로부터 배터리의 잔존용량을 계산하기 위함이다.

상기 배터리 온도와 충방전된 사이클 횟수를 구한 이후에, 일정기간 이상 사용된 배터리의 잔존용량을 측정하는 단계(s3)를 거치고, 배터리 초기용량에서 잔존용량의 차를 기초로 잔존수명을 측정하는 단계(s4)를 통해 폐배터리의 잔존수명을 계산할 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기배터리의 잔존수명을 측정하는 단계는, 다음의 수식을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.

여기서, Y는 폐배터리의 잔존용량, Y_i는 zone i에서의 배터리의 초기용량, E_a는 활성화 에너지(J/mol), A_i는 "Constant for Reference Mapping Condition", R은 기체상수(8.314J/mol·K), T_JR은 배터리 내부 온도, tⁿ은 n회 충방전했을 때의 수명(cycle), tⁿ _i-1은 zone i에서의 n회 충방전 후 수명(cycle)을 의미한다.

우선, Y는 폐배터리의 잔존용량으로써 본 수식을 통해 구하고자 하는 값이고, Yi는 zone i에서의 배터리의 초기용량을 의미한다. 여기서, zone i는 완충상태에서 일정한 SOC(State-of-Charge, 전체용량 대비 사용가능한 용량)지점까지 방전하고 다시 일정 SOC 지점까지 충전하는 것을 하나의 사이클로 하였을 때의 zone을 의미한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 그래프에서 zone 2는 95%에서 80%까지의 구간을 반복적으로 충방전하는 zone을 의미한다. 또한, 도 1에 도시된 그래프에서, 세로축은 SOC(State-of-Charge)로 전체용량 대비 사용가능한 용량에 대한 것으로 충방전에 따라 그 값이 계속 변화된다. 가로축은 Cycle에 대한 변수 t를 의미하고, 가로축인 t가 커질수록 사용 Cycle이 증가됨에 따라 사용가능한 용량이 감소됨을 알 수 있다. 상기 도 1의 그래프를 아래 표와 같이 다시 표기하여 추가 설명하면, 전체용량 대비 사용가능용량은 사용 시간이 증가하면서 배터리의 사용가능용량은 점차 열화되어 각 영역 zone 1, 2, 3으로 갈수록 저하되는 수치를 나타내고, 각각의 영역 zone에서 배터리가 갖는 A_i의 상수도 감소하는 값을 나타낸다. 이와 같은 변수들의 수치를 상기 본 발명의 수식에서 고려하는 것이다.

다음으로, E_a는 활성화 에너지(J/mol), A_i는 "Constant for Reference Mapping Condition", R은 기체상수(8.314J/mol·K)를 의미하고, 상기 3가지 값은 전부 상수이다.

또한, T_JR은 배터리 내부 온도, t_n은 n회 충방전했을 때의 수명(cycle), tⁿ _i-1은 zone i에서의 n회 충방전 후 수명(cycle)을 의미한다.

상기 수식으로부터, 배터리의 초기용량 Y_i에서 일정기간동안 배터리를 사용했을때의 사용된 배터리 용량값인

에 반복된 충방전을 통한 수명에 대한 변수인 tⁿ - t_i-1 ⁿ를 곱한 값의 차를 계산함으로써 배터리의 잔존수명을 계산할 수 있다. 상기 수식에서 나타난 바와 같이, 온도와 충방전된 사이클이 변수로서 작용하고, 온도가 높을수록, 충방전된 사이클 횟수가 많을수록 잔존용량은 감소하게 된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 T_JR은, 상기 배터리 내 복수의 셀(cell) 중에서 가장 높은 온도를 가진 셀의 온도인 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이, 배터리 팩 내부에는 복수의 셀이 존재하는데, 일반적으로는 각각의 셀이 균등하게 사용되고 충전됨에 따라 전체 온도는 유사한 값을 가진다. 여기서, 보다 정확한 계산값을 도출하기 위하여 상기 배터리 팩 내부의 복수의 셀 중에서 가장 높은 온도를 가진 셀의 온도를 특정하여 해당 온도값을 전술한 배터리 잔존용량 측정수식에 대입함으로써, 폐배터리의 잔존용량을 계산한 값이 실제 잔존용량보다 많아 해당 폐배터리를 수거하여 2차적으로 활용하는 경우에 계산값보다 적게 사용되는 문제점을 해결하고 보다 정확한 잔존용량값을 제공해줄 수 있게 된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 T_JR은 T_JR = T_i + T_C-rate 수식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

여기서, T_i는 외기조건과 평형상태를 유지한 배터리 셀의 온도, T_C-rate는 충방전율에 따라 배터리가 스트레스를 받아 가열되어 증가된 온도를 의미하는데, 온도가 배터리의 잔존수명을 계산하는데 중요한 인자로 작용하고, 특히 배터리 셀의 온도뿐만 아니라 충전 및 방전이 반복됨에 따라 배터리가 스트레스를 받아 열이 발생하면서 온도가 상승하게 된다. 그에 따라, 단순히 배터리 셀의 온도만으로 계산하면 그 정확도가 떨어질 수 있어, 외기조건과 평형상태를 유지한 배터리 셀의 온도(T_i)에 충방전율에 따라 배터리가 스트레스를 받아 가열되어 증가된 온도(T_C-rate)를 더해줌으로써 보다 정밀한 온도값으로 잔존용량을 계산할 수 있게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

1. 배터리의 초기용량을 측정하는 단계;
   상기 배터리가 일정기간 이상 사용된 이후의 배터리 온도와 충방전 사이클 횟수를 측정하는 단계;
   측정된 상기 배터리 온도와 충방전 사이클 횟수로부터 일정기간 이상 사용된 이후의 배터리의 잔존용량을 측정하는 단계; 및
   상기 배터리의 초기용량과 상기 배터리의 잔존용량의 차를 기초로 상기 배터리의 잔존수명을 측정하는 단계;를 포함하되,
   상기배터리의 잔존수명은, 다음의 수식을 통해 산출되고, T_JR = T_i + T_C-rate의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 폐배터리 잔존수명 측정방법.
   

   

   
   (여기서, Y는 폐배터리의 잔존용량, Y_i는 zone i에서의 배터리의 초기용량,
   E_a는 활성화 에너지(J/mol), A_i는 zone i에서의 "Constant for Reference Mapping Condition", R은 기체상수(8.314J/mol·K), T_JR은 배터리 내 복수의 셀(cell) 중에서 가장 높은 온도를 가진 셀의 온도, tⁿ은 n회 충방전했을 때의 수명(cycle), tⁿ _i-1은 zone i에서의 n회 충방전 후 수명(cycle), T_i는 외기조건과 평형상태를 유지한 배터리 셀의 온도, T_C-rate는 충방전율에 따라 배터리가 스트레스를 받아 가열되어 배터리 내 복수의 셀 중에서 가장 높은 온도를 가진 셀의 증가된 온도).
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