KR102652223B1

KR102652223B1 - 2차 전지의 SoH 측정방법

Info

Publication number: KR102652223B1
Application number: KR1020240000797A
Authority: KR
Inventors: 진병진
Original assignee: (주)온테스트
Priority date: 2024-01-03
Filing date: 2024-01-03
Publication date: 2024-03-29

Abstract

본 발명은 2차 전지의 SoH 측정방법을 제안한다. 본 발명의 측정 방법은, DC 전원, 전류계, 스위치, 전압계의 구성을 포함하는 자가 방전 분석기 및 상기 자가 방전 분석기와 연결되며, 상기 DC 전원에 의해 충전되는 2차 전지가 포함된 셋-업 구성에서, 상기 2차 전지의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage)를 측정하는 단계, 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)를 기준으로 일정한 주기의 반복적인 신호를 추가한 전압을 2차 전지에 공급하는 단계 및 상기 2차 전지에 공급되는 전압과 연동하여 락 인 알고리즘(Lock-in Algorithm)을 적용하여, 상기 2차 전지의 누설 전류를 통해 SoH를 측정하는 단계를 포함하여 수행하게 된다. 이에 따라 온도 및 노이즈에 의한 영향을 최소화한 상태에서 2차 전지의 SoH를 더 정확하게 측정할 수 있는 이점이 있다.

Description

2차 전지의 SoH 측정방법{SoH measurement method for secondary cell}

본 발명은 재사용 가능한 2차 전지의 SoH(State of Health) 측정방법에 관한 것이다.

최근 스마트폰, 노트북, PDA 등의 휴대용 전자기기 분야뿐만 아니라, 전기차(전기 자동차), 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 이르기까지 다양한 분야에서 리튬 배터리 등과 같은 재사용(재충전)이 가능한 2차 전지의 사용이 증가되고 있다.

그런데 이러한 2차 전지는 지속적인 사용기간이 길수록, 그리고 충/방전을 거듭할수록 수명이 단축되는 특성이 있고, 이로 인해 2차 전지의 용량 및 성능이 점차 저하되는 단점이 있다. 따라서 2차 전지의 잔존 수명(SoH: State of Health)을 정확하게 측정하는 방안이 필요하다. 이를 통해 2차 전지의 교체가 필요한 시기를 파악할 수 있게 하고, 2차 전지의 용량 및 성능 저하로 인해 발생할 수 있는 부정적인 영향을 최소화함으로써 2차 전지를 이용하는 시스템이 안정적으로 운영될 수 있어야 한다.

2차 전지의 SoH를 측정하는 기술은 다양하다. 가장 널리 사용되는 방법으로 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)를 이용하는 방안이 있다. 한국공개특허 10-2021-0077948호(선행기술 1) 등에서도 이러한 개방전압을 이용하여 SoH를 진단하는 방안이 기재되어 있다. 그러나 개방 회로 전압을 이용하는 방법은 전압의 변화가 느리고 미세하여 정밀도가 떨어지고, 특히 측정 시간이 오래 소요되는 문제가 있다.

도 1은 개방전압(OCV)을 사용하여 SoH을 측정하는 과정을 보인 도면으로, 이를 보면 SoH 측정을 위해서는 개방 회로 전압을 최소한 3번 정도 수행해야 하며, 특히 3번째 개방 회로 전압 측정은 30일 정도 시간이 경과한 후에 가능하다. 이는 설비 증설 비용이 증대되고, 출하시기나 느려지며, 가성불량을 초래할 수 있는 문제를 내재하고 있다.

다른 방법으로 도 2에 도시한 바와 같이 SDM(Self Discharging Measurement, 자체 방전 측정)이 있다. 그러나 SDM 방법은 온도에 의한 영향과 다양한 노이즈 성분으로 SoH를 정확하게 측정할 수 없다. 예를 들면 Rsd는 2차 전지 내부의 병렬 저항으로 금속물질의 온도 변화에 따라 변하기도 하지만, 전해액의 온도에 영향을 많이 받기 때문이다.

이러한 영향으로 도 3의 (a) 및 (b)와 같이 2차 전지의 누설 전류의 측정 시 노이즈(noise)가 많이 발생하게 된다. SDM 측정 시의 이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 다양한 필터 및 커브 피팅(Curve fitting) 알고리즘을 사용해야 하는 복잡한 과정이 필요했다.

한국공개특허 10-2021-0077948호(2021. 06. 28)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 미리 지정된 특정 주파수를 갖는 가변 전압을 인가하여, 종래 SDM 측정 결과에 영향을 미쳤던 온도 및 노이즈 영향을 최소화하면서 2차 전지의 SoH 값을 측정할 수 있는 방안을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 2차 전지의 SoH 측정방법은, DC 전원, 전류계, 스위치, 전압계의 구성을 포함하는 자가 방전 분석기 및 상기 자가 방전 분석기와 연결되며, 상기 DC 전원에 의해 충전되는 2차 전지가 포함된 셋-업 구성에서, 상기 2차 전지의 SoH(State of Health)를 측정하는 방법이고, 상기 2차 전지의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage)를 측정하는 단계; 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)를 기준으로 일정한 주기의 반복적인 신호를 추가한 전압을 2차 전지에 공급하는 단계; 및 상기 2차 전지에 공급되는 전압과 연동하여 락 인 알고리즘(Lock-in Algorithm)을 적용하여, 상기 2차 전지의 누설 전류를 통해 SoH를 측정하는 단계를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 일정한 주기의 반복적인 신호는, 동일한 주기를 가지면서 반복적으로 발생할 수 있는 규칙적인 파형 신호 또는 펄스 신호일 수 있다.

상기 일정한 주기의 반복적인 신호는 사전 시험을 통해 진폭과 주파수가 결정된다.

상기 사전 시험은 상기 2차 전지에 전압과 온도, 그리고 압력을 변경하여 결정할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 2차 전지의 SoH 측정방법은, 2차 전지의 누설 전류를 SDM(Self Discharging Measurement) 방법으로 측정하는 제1 단계; 상기 제1 단계를 수행하면서 상기 2차 전지의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage)에 일정한 주기의 반복적인 신호를 추가한 전압을 2차 전지에 공급하는 제2 단계; 및 상기 2차 전지에 공급되는 전압과 연동하여 락 인 알고리즘(Lock-in Algorithm)을 적용하여, 상기 2차 전지의 누설 전류를 통해 SoH(State of Health)를 측정하는 제3 단계를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 일정한 주기의 반복적인 신호는 사전 시험을 통해 진폭과 주파수가 결정되며, 상기 사전 시험은 상기 2차 전지에 전압과 온도, 그리고 압력을 변경하여 결정할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 온도 및 노이즈에 의한 영향을 최소화하여 2차 전지의 누설전류를 측정할 수 있고, 이는 2차 전지의 SoH를 더 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 2차 전지의 열화, 늦은 교체 시기 등으로 인해 2차 전지가 적용된 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 개방전압(OCV)을 사용하여 SoH을 측정하는 종래 예를 보인 도면이다.
도 2는 자체방전측정(SDM)을 사용하여 SoH를 측정하는 종래 예를 보인 도면이다.
도 3은 도 2의 방법에 의한 측정 시 노이즈 발생상태를 보인 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 2차 전지의 SoH을 측정하기 위한 셋업 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 2차 전지의 SoH을 측정하는 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 의한 측정 시 노이즈 발생상태를 보인 그래프이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

공간적으로 상대적인 용어인 아래(below, beneath, lower), 위(above, upper) 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관 관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 아래(below, beneath)로 기술된 소자는 다른 소자의 위(above, upper)에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 아래는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 “부” 또는 “부분” 등의 일부분을 나타내는 표현은 해당 구성요소가 특정 기능을 포함할 수 있는 장치, 특정 기능을 포함할 수 있는 소프트웨어, 또는 특정 기능을 포함할 수 있는 장치 및 소프트웨어의 결합을 나타낼 수 있음을 의미하나, 꼭 표현된 기능에 한정된다고 할 수는 없으며, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

또한, 본 발명에서 사용되는 모든 전기 신호들은 일 예시로서, 본 발명의 회로에 반전기 등을 추가적으로 구비하는 경우 이하 설명될 모든 전기 신호들의 부호가 반대로 바뀔 수 있음을 유의해야 한다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 신호의 방향에 한정되지 않는다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에서 2차 전지의 SoH을 측정하는 것은 그 2차 전지의 누설전류를 측정하는 것임을 전제로 한다. 누설전류를 측정하게 되면 SoH을 측정할 수 있는 것이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 2차 전지의 SoH을 측정하기 위한 셋-업 구성도이다.

도 4를 참조하면 셋-업 구성도(100)는, DC 전원, 전류계(A), 스위치(SW), 전압계(V), 2차 전지(120)를 포함할 수 있다.

DC 전원, 전류계(A), 스위치(SW), 전압계(V) 등을 포함하는 구성은 자가 방전 분석기(110)로 부를 수 있다. 그리고 전위 가변기로 말할 수 있는 DC 전원은 접지를 기준으로 하며, 2차 전지의 개방 회로 전압(OCV)과 매칭하기 위해 가변되는 전위 가변기 전압을 제공한다.

2차 전지(120)는 상기 DC 전원에 의해 충전할 수 있는 다양한 종류의 전지 중 하나일 수 있다. 실시 예는 재충전 가능한 리튬 이온 전지일 수 있고, 2차 전지(120)는, 전지(121), 제1 저항(122), 제2 저항(123)으로 나타낼 수 있다. 제1 저항(122)은 2차 전지의 유효 직렬 저항(ESR: Effective Series Resistance)을 나타내며, 제2 저항(123)은 2차 전지를 통해 전파되는 누설 전류에 기여하는 누설 저항을 나타낸다.

상기와 같은 셋-업 구성을 이용하여 2차 전지의 누설전류를 측정하는 방법은, 스위치(SW) 오프 조건에 따라 DC 전원과 2차 전지를 서로 차단시킨 상태에서 수행될 수 있다. 그러면 2차 전지의 개방 회로 전압(OCV)은 전압계(V)를 사용하여 제1 노드(N1, 124)와 제2 노드(N2, 125) 사이에서 측정한다. DC 전원은 개방 회로 전압(OCV)과 매칭하는 전위 가변기 전압을 제공하도록 조정한다. 이후 스위치(SW)가 온 되어 DC 전원을 2차 전지에 연결한다. 그러면 전위 가변기 전압은 2차 전지의 측정된 개방 회로 전압(OCV)과 완벽히 매칭하기 때문에 전류계(A)를 통해 흐르는 전류는 없다. 즉 누설전류의 발생이 없다.

2차 전지는 재사용 횟수가 증가할수록 2차 전지의 전압은 2차 전지에서 누설 전류의 흐름의 결과로서 강하하기 시작한다. 본 실시 예는 이러한 누설전류를 통해 2차 전지의 SoH 값을 측정하게 된다.

본 실시 예에서 상기 2차 전지의 SoH 값 측정은 도 4에서 점선으로 표시한 부분과 같이 2차 전지의 개방 회로 전압(OCV)(200)에 일정한 주기의 반복적인 신호(300)를 추가한 전압을 전압계(V)에 공급하고, 추후 락 인 알고리즘(Lock-in Algorithm)을 적용하게 된다. 이러한 방법에 의한 2차 전지의 SoH 값 측정 과정은 후술하여 상세하게 설명할 것이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 2차 전지의 SoH을 측정하는 과정을 설명하는 흐름도이다.

첫 번째로, 2차 전지의 개방 회로 전압(OCV)를 측정한다(S100). 개방 회로 전압(OCV)의 측정은 스위치 오프 조건에서 DC 전원과 2차 전지를 서로 차단시킨 상태에서 수행된다.

두 번째로, 스위치 온 조건에서 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)를 기준으로 일정한 주기의 반복적인 신호를 추가한 전압을 2차 전지에 공급한다(S200). 즉 도 4에서 시간 흐름에 따라 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)를 기준으로 하여 반복적인 주기를 가지는 신호, 실시 예는 사인파형을 추가하고 있음을 알 수 있다. 여기서 본 실시 예는 사인파형을 예시하고 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 즉 동일한 주기를 가지면서 반복적으로 발생할 수 있는 어떠한 파형 또는 펄스 등의 신호를 적용할 수 있다.

세 번째로, 2차 전지에 공급되는 전압과 연동하여 락 인 알고리즘(Lock-in Algorithm)을 적용한다(S300). 상기 락 인 알고리즘은 기본적으로 미소 신호(Micro Signal)를 측정하는 데 있어서 다양한 노이즈에 의해 필요한 정밀도를 얻을 수 없는 경우와 같이 노이즈가 많은 환경에서 원하는 신호를 얻기 위해 사용되는 알고리즘을 말할 수 있다. 다시 말해 상기 락 인 알고리즘은 특정하게 반복하는 외부변화에 따른 미세한 측정결과를 검출하는 것으로, 반복하는 외부변화 이외의 결과값은 제거하는 일종의 고차원 필터 알고리즘이다.

이와 같이 락 인 알고리즘을 적용하면, 온도 및 노이즈 영향을 최소화하면서 SoH를 정확하게 측정할 수 있다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 SDM 측정 방법의 경우 온도에 의한 영향과 다양한 노이즈 성분으로 SoH를 정확하게 측정할 수 없었던 문제를 해결할 수 있음을 의미한다.

즉 도 6은 본 발명에 의한 측정 시 노이즈 발생상태를 보인 그래프로서, 이를 종래 SDM 측정 방법에 의한 노이즈 상태를 보인 그래프와 비교하면, 그 결과는 쉽게 알 수 있다.

도 6을 보면, 시간 경과에 따른 2차 전지의 누설전류를 노이즈 없이 측정할 수 있음을 나타낸다. 이처럼 노이즈 성분이 없거나 감소된 것은 개방 회로 전압에 주기적인 신호를 추가한 전압을 공급하면서 이후 락-인 알고리즘을 적용함으로써 온도 영향을 무시할 수 있기 때문이다.

한편, 상기 도 5에서 상기 개방 회로 전압에 추가된 반복적인 신호의 진폭과 주파수는 사전에 테스트를 통해 가장 최적의 진폭과 주파수를 가지는 신호로 결정하는 것이 바람직하다. 여기서 사전에 실시되는 테스트는 2차 전지에 전압과 온도, 그리고 압력을 변경하여 결정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 SDM 측정 방법을 기준으로, 개방 회로 전압에 일정한 주기의 반복 신호를 추가한 전압을 2차 전지에 공급한 후 락 인 알고리즘을 적용함으로써, 온도 영향을 최소화로 인해 노이즈가 감소된 상태로 2차 전지의 누설 전류를 측정할 수 있음을 알 수 있고, 이로 인해 2차 전지의 SoH를 더 정확하게 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

S100: 개방 회로 전압(OCV) 측정 단계
S200: 일정한 주기의 반복적인 신호를 추가한 전압을 2차 전지에 공급하는 단계
S300: 락 인 알고리즘(Lock-in Algorithm)을 적용단계

Claims

DC 전원, 전류계, 스위치, 전압계의 구성을 포함하는 자가 방전 분석기 및 상기 자가 방전 분석기와 연결되며, 상기 DC 전원에 의해 충전되는 2차 전지가 포함된 셋-업 구성에서, 상기 2차 전지의 SoH(State of Health)를 측정하는 방법이고,
상기 2차 전지의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage)를 측정하는 단계;
상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)를 기준으로 일정한 주기의 반복적인 신호를 추가한 전압을 2차 전지에 공급하는 단계; 및
상기 2차 전지에 공급되는 전압과 연동하여 락 인 알고리즘(Lock-in Algorithm)을 적용하여, 상기 2차 전지의 누설 전류를 통해 SoH를 측정하는 단계를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는, 2차 전지의 SoH 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 일정한 주기의 반복적인 신호는,
동일한 주기를 가지면서 반복적으로 발생할 수 있는 규칙적인 파형 신호 또는 펄스 신호인, 2차 전지의 SoH 측정방법,
제1항에 있어서,
상기 일정한 주기의 반복적인 신호는,
사전 시험을 통해 진폭과 주파수가 결정되는, 2차 전지의 SoH 측정방법.
제3항에 있어서,
상기 사전 시험은 상기 2차 전지에 전압과 온도, 그리고 압력을 변경하여 결정되는, 2차 전지의 SoH 측정방법.
2차 전지의 누설 전류를 SDM(Self Discharging Measurement) 방법으로 측정하는 제1 단계;
상기 제1 단계를 수행하면서 상기 2차 전지의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage)에 일정한 주기의 반복적인 신호를 추가한 전압을 2차 전지에 공급하는 제2 단계; 및
상기 2차 전지에 공급되는 전압과 연동하여 락 인 알고리즘(Lock-in Algorithm)을 적용하여, 상기 2차 전지의 누설 전류를 통해 SoH(State of Health) 를 측정하는 제3 단계를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는, 2차 전지의 SoH 측정방법.
제5항에 있어서,
상기 일정한 주기의 반복적인 신호는 사전 시험을 통해 진폭과 주파수가 결정되며,
상기 사전 시험은 상기 2차 전지에 전압과 온도, 그리고 압력을 변경하여 결정되는, 2차 전지의 SoH 측정방법.