KR20080077572A - 전지의 에너지 용량을 결정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 축전지의 가용 에너지를 결정하는 방법은 축전지의 제1 및 제2 개로 전압과 이들 사이에서 발생하는 에너지 레벨의 변화를 측정하는 단계를 제공한다. 두 개의 개로 전압은 충전 상태의 레벨과 연관되며 측정된 에너지 변화량은 충전 상태의 변화로 나눈다.

축전지, 가용 에너지, 개로 전압, 충전 상태, 에너지 레벨

Description

전지의 에너지 용량을 결정하는 방법 {METHOD OF DETERMINING THE ENERGY CAPACITY OF A BATTERY}

본 발명 분야는 전기 화학적 전지의 에너지 용량을 결정하는 방법에 관한 것이다.

전기 화학적 전지는 광범위하게 사용되고 있으며 특히, 탁상용 컴퓨터로부터 하이브리드(Hybrid) 및 모든 전기 차량과 같은 자동차에 이르기까지, 다양한 기기에 사용되는 충전식 전지라는 점에서 특히 중요하다.

전지는 시간이 지남에 따라 기능이 저하되는 것으로 알려져 있다. 충전식 전지의 용량은 감소하며 즉, 가용 에너지의 총량은 충전 상태에 관계없이 시간이 지남에 따라 감소한다. 그러므로, 바람직하게는 전지의 충전 상태(즉, 개로 전압(open circuit voltage;OCV)과 합쳐진 저장된 에너지의 레벨)뿐 아니라 에너지를 저장하기 위한 용량도 알아야 한다. 새 전지를 완전한 상태(state of health)로 간주할 때, 전지의 용량은 종종 정격 용량(Rated Capacity)에 비교된다. 전지의 용량이 너무 적으면 보조 부하를 지지하지 못할 수 있고, 자동차 용품에 클랭킹 이벤트를 유발할 수 있으며, 전지는 유효 수명의 최후에 도달하게 된다.

전지의 용량을 결정하기 위한 방법이 공지되어 있으며, 이 방법에서 전압이 빠르게 증가할 때까지 전류가 램핑된다. 전압의 피크는 전지의 가용 에너지 또는 현재의 충전 상태와 관계한다. 전류의 램핑(ramping)은, 통상적인 자동차에서는 일반적으로 결핍되고 있는 충전 전류의 제어를 요구한다.

전지의 용량을 결정하기 위해 공지된 다른 방법은 전지가 저 충전 상태로 방전되는 것을 요구한다. 시간 암페어시 적분법은 충전 사이클 동안 에너지 주입량을 탐지하는데 사용된다. 그러나 저 충전 상태에서의 전지의 손상 및 기능과 관련된 전지의 손실로 인해 대부분의 하이브리드 차량 또는 통상적인 차량에서는 심방전(deep discharge) 사이클링이 적용되지 않는다.

전지의 심방전이나 제어 전류 없이도 전지의 용량을 결정할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 전지의 가용 에너지를 결정하는 방법은, 제1 충전 상태와 연관지어 제1 충전 상태를 결정하기 위해 전지의 제1 개로 전압을 측정하는 단계와, 측정된 양으로 전지의 가용 에너지 레벨을 변화시키는 단계와, 그 후 제2 충전 상태를 결정하기 위해 전지의 제2 개로 전압(OCV)을 측정하는 단계와, 전지의 가용 에너지 용량을 결정하기 위해 제1 충전 상태로부터 제2 충전 상태까지 계산된 충전 상태의 변화로 전지에서 측정된 에너지 변화량을 나누는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 전지에 확산 평형 상태를 얻기 위해, 제1 개로 전압 및 제2 개로 전압을 측정하는 각각의 단계 이전에 전지를 휴지시키는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 에너지 레벨을 변화시키는 단계는 전지에 가해지는 방전 이벤트이다. 다른 실시예에서, 에너지 레벨을 변화시키는 단계는 과전압의 전지를 미리 설정된 저 전류로 낮춰서 충전시키는 단계를 포함한다. 미리 설정된 저 전류는 사살상 3A 이하일 수 있다. 다르게, 과충전 전압은 전지의 가스 발생 한계치보다 낮은 레벨로 설정된다. 미리 설정된 저 전류는 사실상 3A 이하이다. 일 실시예에서, 미리 설정된 저 전류는 사실상 0A이다. 다른 실시예에서, 에너지 레벨을 변화시키는 단계는 대체로 일정한 전류에서의 방전 이벤트를 포함한다.

일 실시예로 리튬 전지와 같은 전지를 취할 수 있으며, 전지는 평형 상태에 도달하기 위해 휴지된다. 휴지 주기는 픽의 법칙(Fick's law)에 의해 좌우된다.

Q = 단위 시간당 반응물의 확산량

D = 확산 계수

ΔC = 분리 기공 내부와 기공 외부의 반응물의 농도 차

a = 기공의 총 단면적

l = 반응물의 확산 거리

확산 계수는 다음 방정식에 의해 결정된다.

D₀ = 최대 확산 계수

E_A = 확산을 위한 활성화 에너지

R = 기체 상수

T = 온도

종종, 개로 전압(OCV)이 20,000 내 1파트 내에서 일정해지기 전 실온에서 20 시간 이상의 휴지될 필요가 있다.

그 후, 개로 전압이 측정된다. 네른스트 방정식(Nernst Equation)은 다음과 같다.

E⁰ = 반응 물질의 농도가 1몰랄 농도일 때의 표준 평형 전압

R = 이상 기체 상수(8. 314J/mole°K)

a = 종 활성도(유효 농도)

n = 반응에 참여한 전자 수

F = 페러데이 상수(96,487C)

OCV 레벨은 반응 물질의 유효 농도의 함수이다. 납축전지에서, OCV는 산의 농도와 직접적으로 연관된다. 예를 들어, 완전 고 충전 상태(SOC)에서, 산의 레벨은 100% 농도로 있으며 통상적인 레벨의 산 전지(acid-battery)에서 각각의 셀에 대한 전압 레벨은 2.4V가 될 것이다. 한편, 완전히 방전된 셀에서 모든 산은 물로 전환될 것이다. 환언하면, 산 농도는 0%로 감소하며, 산은 전도도에 전혀 기여하지 않는 H₂O로 전환된다. 이 완전 방전 상태에서의 전압 레벨(OCV)은 각각의 셀에서 1.75V로 떨어진다. 0%와 100% 사이의 변화 상태에 있어서 중간 전압이 판독된다. SOC의 퍼센트와 함께 OCV 레벨을 제공하는 가용 표준 테이블이 존재한다. SOC는 0%와 100% 사이의 퍼센트 대신 0과 1 사이의 분수로도 표현될 수 있다.

따라서 개로 전압 레벨은 충전 상태와 상호 연관됨을 알 수 있다. 따라서 전지를 순환 및 실행시킬 수 있으며 충전 상태의 변화를 결정한 후 총 충전량을 계획하거나 추정할 수 있다.

이제 도1을 참조하면, 평형에 도달한 후, 개로 전압의 초기 웨이크업(Wake Up) 리딩값이 판독된다. 그 후, 전지는 충전 격감 이벤트를 겪으며, 이때 암페어시(Ah)가 탐지된다. 그 후, 전지는 제2 평형 상태에 도달할 때까지 다시 휴지하게 된다. 제2 평형 상태에 도달한 후, 제2 OCV 웨이크 업 리딩값이 나타난다. 그 후, 전압 변화는 가용의 공지된 룩업 테이블에 기초하는 충전 상태의 변화와 상호 연관된다. 두 전압 리딩값은 두 충전 상태의 리딩값과 상호 연관된다. 그 후, 초기 충전 상태와 최종 충전 상태의 차이가 결정되는데, 즉, 통상적으로 충전 상태의 변화가 초기 SOC와 최종 SOC 사이의 분율 차이로 다시 설정된다.

그 후, 다음의 방적식에 나타나는 바와 같이, 암페어시인 탐지된 방전을 충전 상태의 변화로 나누어서 전지의 용량을 결정할 수 있다.

방전 이벤트는 충전 이벤트로 대체될 수 있으며, 최종 OCV가 초기 OCV보다 높을 때, 그래프는 도2에 도시된 것과 같이 도시될 수 있다. 사용되는 암페어시의 변화가 음이고, 충전 상태의 변화도 음이면 전지의 용량은 동일하게 양의 값으로 나타날 것이다.

이 방법은 고 충전 상태(즉, 100%)로 충전되어 72시간 동안 유지되는 VRLA-BCI 그룹 31의 AGM 전지로 테스트 되었다. 그 후, 전지는 11.6Ah로 방전되어 다시 72시간 동안 유지되었다. OCV는 전지가 18.65%의 차이에 대해 81.35%의 충전 상태에 있을 때 측정된다.

그러므로, 계산된 용량은 다음과 같다.

그 후, 계산된 예상량은 총 방전량과 비교된다. 그 후, 전지는 25A에서 10.5V 레벨로 방전되어 15분 동안 유지되었다. 25A에서의 방전은 총 방전 레벨을 62.3Ah로 상승시켰다. 그 후, 3A에서의 10.5V로의 방전도 실행되어 방전된 총 암페어시를 69.9Ah로 상승시켰다. 이 총 실제 용량 값은 계산된 예상 값의 12.4% 내의 값이다.

SOC의 용량을 결정하기 위한 다른 실시예로, 납축 전지를 예로 들면, 화학 반응은 하기 방정식의 좌측과 우측 사이를 이동한다.

모든 전지의 열역학 안정 상태는 방전 상태이다. 작동은 화학적 평형이 전술된 방정식의 좌측으로 진행되도록 실행되어야 한다. 그러므로, 전지의 충전은 화학적 평형이 좌로 진행되게 하는 최소량의 과전압을 요구한다. 특정의 활성 전위 위의 에너지가 높아질수록, 더 많은 반응 물질이 활성 재료(예를 들어, 납축 전지에서의 PbO₂, Pb 및H₂SO₄)로 전환된다.

인가된 전압이 높을수록, 전지는 최대 한계치까지 더 충전된다. 예를 들어, 최종 전류가 0A에 접근할 때 13.8V로 충전된 전지는, 전류가 동일하게 0A에 접근할 때 14.2V로 충전되는 전지만큼 충전되지 않는다. 상기 한계치는 온도 의존 전 압(RT에서 약 15V)에 존재하며, 이때 프로세스는 더 이상 좌측으로 진행되지 못하며, 전지는 100%의 충전 상태이다. 추가 전압만이 반응 재료를 분해하여 가스를 발생시킨다.

또한, 일 실시예로, 전지가 평형에 도달하는 충분한 주기 동안 유지되는 부분적으로 방전된 전지를 취할 수 있으며, 제1 초기 OCV/SOC 레벨은 도2에 도시된 것과 같이 결정된다. 충전 사이클 동안의 피크 전류는 충전 상태와 상호 연관된다. 예를 들어, 저 레벨의 충전 상태에 있는 전지는 더 많은 충전 전류를 수용하는 반면에, 고 레벨의 충전 상태에 있는 동일한 전지는 충전 전류를 적게 수용할 것이다. 그 후, 전지가 충전되며, 충전이 실질적으로 정지되는 레벨로 전류가 떨어질 때까지 암페어시가 기록된다(예를 들어, 전류 레벨이 3A 이하로 이동할 때까지 14.2V로 충전). 3A 이하로 저하시킬 수 있으나, 충전의 진행 과정이 비효율적이며, 또한 충전 전압이 가스 발생 한계치 이하가 되어야만 한다.

유효한 100%의 SOC 레벨이 얻어지면, 완전 충전 레벨에서의 OCV 레벨이 취해지며, 그 후 초기 리딩값으로부터 완전 방전 레벨까지의 SOC 변화를 사용하여 방정식이 계산된다.

이제 충전 상태의 변화 및 암페어시 방전량을 사용한 제3 변동이 도2를 참조하여 기재될 것이다. 제1 단계에서의 충전 상태에 기초한 전압을 측정한다. 그 후, 일정한 전류에 근접하는 방전 이벤트를 사용하며, 이때 제거되는 암페어시가 판독된다. 최종 개방 충전 전압이 측정되며, 상호 관련된 최종 충전 상태의 퍼센트가 상호 연관된다. 그 후 아래 함수를 사용하여 용량이 결정된다.

이 일정한 전류 방전 이벤트 작동에 플루디드 그룹 34(flooded group 34)의 pbA 형태의 5개의 전지가 시험 되었으며, 이 방법에 의해 결정된 계산된 용량, 이로부터의 측정된 용량, 이로부터의 퍼센트 에러는 다음과 같다.

용량의 합성 값을 구하기 위해 전술된 세 개의 다른 방법론들이 결합될 수 있다. 또한, 합성 값을 결정할 때, 과거 이력 또는 현재 상황에 따라 세 개의 방법론들에 의해 얻어진 값이 다양하게 가중될 수 있다.

당업자라면 본 발명이 폭넓은 사용과 응용이 가능하다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 전술된 것 외의 본 발명에 대한 다양한 실시예 및 개조뿐만 아니라 다양한 변경, 수정, 및 균등물이 본 발명의 내용과 범주 내에서 본 발명 및 전술한 설명에 의해 명백해지거나 합리적으로 제안될 것이다. 따라서, 본 발명은 바람직한 실시예와 관련하여 본원에 상세하게 개시되었지만, 이러한 개시는 단지 도시를 위한 본 발명의 예시이며 단지 본 발명의 전체적이고 합법적인 개시를 제공할 목적 으로 이루어졌다는 것이 이해되어야만 한다. 전술한 개시는 본 발명을 제한하거나 그렇지 않으면 다른 임의의 실시예, 개조, 변경, 수정, 및 균등물을 배제하도록 해석되거나 의도되지 않고, 본 발명은 이하의 청구항 및 균등물에 의해서만 제한된다.

도1은 방전 이벤트를 겪는 초기 OCV 레벨 및 최종 OCV 레벨을 도시한 개략적인 차트.

도2는 초기 OCV 레벨 및 최종 OCV 레벨의 충전 이벤트를 도시한 개략도.

Claims (8)

1. 전지의 가용 에너지를 결정하는 방법이며,

   제1 충전 상태와 상호 연관지어 제1 충전 상태를 결정하기 위해 상기 전지의 제1 개로 전압을 측정하는 단계와,

   측정된 양으로 상기 전지의 가용 에너지 레벨을 변화시키는 단계와,

   제2 충전 상태를 결정하기 위해 에너지 레벨을 변화시킨 후에 상기 전지의 제2 개로 전압을 측정하는 단계와,

   상기 전지의 가용 에너지 용량을 결정하기 위해 제1 충전 상태로부터 제2 충전 상태까지 계산된 충전 상태의 변화로 상기 전지에서 측정된 에너지 변화량을 나누는 단계를 포함하는 가용 에너지 결정 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전지 내에 확산 평형 상태를 얻기 위해, 각각의 상기 제1 개로 전압 및 상기 제2 개로 전압을 측정하는 각각의 단계 이전에 상기 전지를 휴지시키는 단계를 더 포함하는 가용 에너지 결정 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 에너지 레벨을 변화시키는 단계는 방전 이벤트를 더 포함하는 가용 에너지 결정 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 에너지 레벨을 변화시키는 단계는 과전압의 전지를 미 리 설정된 저 전류로 낮춰서 충전시키는 단계를 더 포함하는 가용 에너지 결정 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 미리 설정된 저 전류는 사실상 3A 이하인 것을 더 포함하는 가용 에너지 결정 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 과충전 전압이 상기 전지의 가스 발생 한계치보다 낮은 레벨인 것과,

   상기 미리 설정된 저 전류가 사실상 3A 이하인 것을 더 포함하는 가용 에너지 결정 방법.
7. 제6항에 있어서, 미리 설정된 저 전류는 사실상 0A인 것을 더 포함하는 가용 에너지 결정 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 에너지 레벨을 변화시키는 단계는 대체로 일정한 전류에서의 방전 이벤트를 더 포함하는 가용 에너지 결정 방법.

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