KR20160011449A

KR20160011449A - 전해질의 밀도변화를 이용한 배터리의 노화상태 산출 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20160011449A
Application number: KR1020140092542A
Authority: KR
Inventors: 양시원
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2016-02-01

Abstract

본 발명은 전해질의 밀도변화를 이용한 배터리의 노화상태 산출 장치 및 방법을 제공한다. 상기 전해질의 밀도변화를 이용한 배터리의 노화상태 산출 장치는 배터리 내 전해질을 통과한 초음파신호의 속도를 계산하는 초음파속도계산부, 상기 계산된 초음파신호의 속도를 이용하여 상기 배터리 내 전해질의 밀도를 계산하는 전해질밀도계산부 및 상기 배터리의 노화상태(SOH, State Of Health)산출모드가 온(On) 상태이고 상기 배터리가 충전 중이면 상기 배터리 내 전해질의 밀도와 상기 배터리가 최초로 충전될 때 계산된 상기 배터리 내 전해질의 밀도를 비교하여 상기 배터리의 노화상태를 산출하는 노화상태산출부를 포함한다.

Description

전해질의 밀도변화를 이용한 배터리의 노화상태 산출 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR CALCULATING STATE OF HEALTH OF BATTERY USING DENSITY CHANGE OF ELECTROLYTE}

본 발명은 배터리의 노화상태(SOH, State Of Health)를 산출하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는, 충방전의 반복으로 노화되는 배터리의 노화상태를 산출하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

배터리는 전해질의 화학적 작용에 의해 전기적 에너지를 발생시켜 기기에 전력을 공급하는 역할을 한다. 전력을 공급하기 위해 충전과 방전이 반복되는 배터리는 시간이 경과됨에 따라 노화하는데, 배터리의 노화상태를 정확히 파악하는 것은 기기의 안정된 작동을 위하여 필수적이다.

일반적으로 배터리가 노화할수록 배터리에 충전되는 전류량의 손실이 발생한다. 예컨대 리튬-이온 배터리(Li-Ion Battery)는 500회 정도, 니켈-망간 배터리(Ni-Mn Battery)는 300회 정도 충방전 싸이클이 반복되면 초기용량(정격용량)의 60%로 배터리에 유입되는 전류량이 감소한다.

따라서 배터리의 노화상태는 충전 또는 방전 시에 배터리에 유입되는 전류량을 이용하여 산출이 가능하다.

종래의 배터리에 충전 또는 방전되는 전류적산값을 이용하여 배터리의 노화상태를 산출하는 장치('배터리 잔존 수명 추정 장치 및 방법' 공개특허 제10-2014-0053585호)는 전류감지부, 산출구간설정부, 충방전SOH산출부, 평균SOH산출부 및 SOH갱신부로 구성된다.

전류감지부는 배터리에 연결되어 배터리에 흐르는 전류를 감지하고, 감지된 전류의 방향을 이용하여 배터리가 충전 중인지 또는 방전 중인지 여부를 판단한다. 산출구간설정부는 배터리의 전체 충전 구간 중에서 SOH를 산출하기 위한 구간을 설정한다. 충방전SOH산출부는 배터리에 충전되는 전류량을 적산하여 충전SOH를 산출하고, 배터리에 방전되는 전류량을 적산하여 방전SOH를 산출한다. 평균SOH산출부는 산출된 충전SOH와 방전SOH의 평균을 이용하여 평균SOH를 산출하고, SOH갱신부는 산출된 평균SOH가 이전에 산출된 평균SOH보다 작으면 배터리의 SOH를 새로 산출된 값으로 갱신한다.

그러나 종래의 전류적산값을 이용하여 배터리의 노화상태를 산출하는 장치는 배터리 출고 후 사용자의 편의에 따라 추가로 연결되는 전장부품(예컨대, 블랙박스, 네비게이션 등)에 의한 전류량의 변화를 감지할 수 없는 문제점이 존재한다.

또한 오차가 한 번 발생하면 SOH를 산출할 때 마다 오차 또한 지속적으로 적산되어 실제 배터리의 SOH와 산출된 SOH의 차이가 커지는 문제점이 존재한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 배터리가 충전모드일 때 배터리 내 전해질을 통과한 초음파신호의 속도 값을 이용하여 기설정된 시간 동안 전해질의 밀도 변화율을 계산하고, 계산된 밀도 변화율을 이용하여 배터리의 노화상태를 산출하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 배터리의 노화상태 산출 장치는 배터리 내 전해질을 통과한 초음파신호의 속도를 계산하는 초음파속도계산부, 상기 계산된 초음파신호의 속도를 이용하여 상기 배터리 내 전해질의 밀도를 계산하는 전해질밀도계산부 및 상기 배터리의 노화상태(SOH, State Of Health)산출모드가 온(On) 상태이고 상기 배터리가 충전 중이면 상기 배터리 내 전해질의 밀도와 상기 배터리가 최초로 충전될 때 계산된 상기 배터리 내 전해질의 밀도를 비교하여 상기 배터리의 노화상태를 산출하는 노화상태산출부를 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 일면에 따른 배터리의 노화상태 산출 방법은 배터리 내 전해질을 통과한 초음파신호의 속도를 계산하는 단계, 상기 계산된 초음파신호의 속도를 이용하여 상기 전해질의 밀도를 계산하는 단계, 상기 전해질의 밀도를 기설정된 시간 동안 측정하여 상기 전해질의 밀도 변화율을 산출하는 단계 및 상기 밀도 변화율을 이용하여 상기 배터리의 노화상태를 산출하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 배터리 내 전해질의 밀도 변화율을 이용하여 배터리의 노화상태를 산출함으로써 종래의 배터리의 전류량을 이용한 배터리의 노화상태 산출 방법보다 오차가 적고 신뢰성이 향상된 결과값을 산출하는 이점을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 노화상태 산출 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 초음파신호의 속도와 배터리 내 전해질의 밀도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 노화상태 산출 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정하여진다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 본 발명의 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 노화상태 산출 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 노화상태 산출 장치(100)는 초음파속도계산부(101), 전해질밀도계산부(102) 및 노화상태산출부(103)를 포함한다.

초음파속도계산부(101) 배터리(10) 내 전해질을 통과한 초음파신호의 속도를 계산하고, 계산된 초음파신호의 속도를 전해질밀도계산부(102)로 전달한다.

구체적으로 초음파속도계산부(101)는 배터리(10)에 장착된 초음파송신부(11)에서 송신된 초음파신호가 배터리(10) 내 전해질을 통과하여 배터리(10)의 다른 한 면에 장착된 초음파수신부(12)에 수신되기까지 걸린 시간을 측정한다. 그리고 측정된 시간과 초음파송신부(11)와 초음파수신부(12) 사이의 거리를 이용하여 초음파신호의 속도를 계산하고, 계산된 초음파신호의 속도를 전해질밀도계산부(102)로 전달한다.

전해질밀도계산부(102)는 초음파속도계산부(101)로부터 전달된 초음파신호의 속도를 이용하여 배터리(10) 내 전해질의 밀도를 계산하고, 계산된 전해질의 밀도를 노화상태산출부(103)로 전달한다.

구체적으로 전해질밀도계산부(102)는 초음파신호의 속도가 초음파신호가 통과하는 매질의 밀도에 따라 달라지는 특성을 이용한다.

도 2는 초음파신호의 속도와 배터리(10) 내 전해질의 밀도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이 매질의 밀도는 초음파신호의 속도가 증가할수록 감소하는 특성을 가지며, 구체적으로는 수학식 1과 같이 초음파신호의 속도의 제곱에 반비례하는 특성을 갖는다.

여기서 v는 초음파신호의 속도이고, p는 매질의 밀도를 나타낸다.

이러한 초음파신호의 속도와 매질의 밀도 사이의 관계를 이용하여 배터리(10) 내 전해질의 밀도를 수학식 2를 통해 계산할 수 있다.

여기서 v는 초음파신호의 속도이고, E는 탄성계수이며, p는 전해질의 밀도를 나타낸다. 탄성계수는 전해질이 힘(압력)을 받았을 때 압축되는 정도를 나타내는 상수로서, 그 값이 클수록 잘 압축되지 않는 특성을 갖는다.

전해질밀도계산부(102)는 전술학 수학식 2를 이용하여 계산된 배터리(10) 내 전해질의 밀도를 노화상태산출부(103)로 전달한다.

노화상태산출부(103)는 배터리(10)의 노화상태를 산출하기 위한 조건이 만족되면 전해질밀도계산부(102)에서 계산된 전해질의 밀도를 기설정된 시간 동안 측정하고, 측정된 전해질의 밀도 변화율을 이용하여 배터리(10)의 노화상태(SOH, State Of Health)를 산출한다.

구체적으로 노화상태산출부(103)는 배터리(10)의 노화상태를 산출하는 노화상태산출모드의 On, Off여부를 확인한다.

노화상태산출부(103)는 배터리(10)의 노화상태산출모드가 On으로 확인되면 배터리(10)의 전압을 측정하여 배터리(10)가 충전상태인지를 확인한다. 예컨대, 충전 중인 배터리(10)의 정상적인 전압은 14V 이상이므로, 노화상태산출부(103)는 측정된 배터리(10)의 전압이 14V 이상이면 배터리(10)를 충전상태로 판단할 수 있다.

노화상태산출부(103)는 배터리(10)가 충전상태로 확인되지 않으면 배터리(10)의 노화상태산출모드를 Off시키고 과정을 종료한다.

한편 배터리(10)가 충전상태로 확인되며, 배터리(10)의 충전시간이 기설정된 충전시간을 경과한 경우, 노화상태산출부(103)는 수학식 3을 이용하여 배터리(10)의 노화상태를 산출한다.

여기서 SOH는 배터리(10)의 노화상태(State Of Health)이고, '

전해질의 밀도_{노화된배터리}'는 노화된 배터리(10)의 단위시간 동안의 밀도 변화율이며, '

전해질의 밀도_새배터리'는 새 배터리(10)의 단위시간 동안의 밀도 변화율이다.

배터리(10)가 노화할수록 배터리(10) 내 전해질의 밀도 변화율은 최초 배터리(10)가 충전될 때와는 상이하게 된다. 따라서 현재 배터리(10) 내 전해질의 밀도 변화율을 배터리(10)가 최초로 충전될 때 계산된 전해질의 밀도 변화율과 비교함으로써 배터리(10)의 노화상태를 산출할 수 있다.

노화상태산출부(103)는 배터리(10)의 노화상태 산출과정이 종료되면 노화상태산출모드를 Off한다.

한편 배터리(10)의 충전시간이 기설정된 충전시간을 경과하지 않은 경우 노화상태산출부(103)는 배터리(10)의 밀도 측정을 반복 수행하고, 기설정된 충전시간이 경과하면 전술한 방식과 동일한 방식으로 배터리(10)의 노화상태를 산출한다.

노화상태산출부(103)는 배터리(10)의 노화상태산출모드가 Off로 확인되면 배터리(10)의 충전량(SOC, State Of Charge)을 계산하여, 계산된 배터리(10)의 충전량이 기설정된 범위(예컨대, 55% < SOC < 65%)이내인지를 확인한다.

노화상태산출부(103)가 배터리(10)의 전체 충전 구간 중에서 중간 정도(약 60%)의 충전량을 가질 때 배터리(10)의 노화상태를 산출함으로써 충전초기 또는 충전말기에 전해질의 흐름이 불안정하여 발생하게 되는 노화상태 산출 값의 오차를 감소시킬 수 있다.

확인된 배터리(10)의 충전량이 기설정된 범위이면 노화상태산출부(103)는 배터리(10)의 전압을 측정하여 배터리(10)가 충전상태인지를 확인하고, 배터리(10)가 충전상태이면 배터리(10)의 노화상태산출모드를 On시켜 전술한 방식과 동일한 방식으로 배터리(10)의 노화상태를 산출한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 노화상태 산출 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.

배터리에 장착된 초음파송신부에서 초음파신호를 발생시킨다(S300). 발생된 초음파신호는 배터리 내 전해질을 통과하여 배터리에 다른 한 면에 장착된 초음파수신부에 수신되고, 이때 초음파신호가 초음파수신부에 수신되기까지 걸린 시간과 초음파송신부와 초음파수신부 사이의 거리를 이용하여 초음파신호의 속도를 계산한다(S310).

계산된 초음파신호의 속도와 전술한 수학식 2를 이용하여 배터리 내 전해질의 밀도를 계산한다(S320).

배터리 내 전해질의 밀도 계산이 완료되면 배터리의 노화상태를 산출하기 위한 SOH모드가 On인지 여부를 판단한다(S330).

SOH모드가 On이면 배터리의 전압을 측정하여 배터리의 충전모드가 On인지 여부를 판단한다(S340). 이때, 배터리의 충전모드가 Off로 판단되면 배터리의 SOH모드를 Off시키고 과정을 종료한다(S370). 충전 중인 배터리의 정상적인 전압은 14V 이상이므로, 측정된 배터리의 전압이 14V 이상이면 배터리를 충전 중으로 판단할 수 있다.

만약 배터리의 충전모드가 On으로 판단되며, 배터리의 충전시간이 기설정된 충전시간을 경과하면 현재 배터리 내 전해질의 밀도 변화율과 배터리가 최초로 충전될 때 계산된 전해질의 밀도 변화율을 이용하여 배터리의 노화상태를 SOH를 산출한다(S360).

한편 배터리의 충전시간이 기설정된 충전시간을 경과하지 않은 경우 배터리의 밀도 측정을 반복 수행하고, 기설정된 충전시간이 경과하면 전술한 방식과 동일한 방식으로 배터리의 노화상태를 산출한다.

SOH 산출이 끝나면 SOH모드를 Off시켜 배터리의 노화상태 산출 과정을 종료한다(S370).

한편 배터리의 SOH모드가 Off로 판단되면, 배터리의 충전량을 계산하고, 계산된 배터리의 충전량이 기설정된 범위 이내인지 여부를 확인한다(S331).

배터리의 충전량이 기설정된 범위 이내이면 배터리의 전압을 측정하여 배터리의 충전모드가 On인지 여부를 판단한다(S332). 배터리의 충전모드가 On으로 판단되면 배터리의 SOH모드를 On시키고(S333), 초음파신호를 배터리 내 전해질에 통과시켜 배터리의 SOH를 산출하는 과정을 반복한다.

본 발명은 배터리에 유입되는 전류량에 따라 달라지는 전해질의 밀도변화를 이용하여 배터리의 노화상태를 산출하는 장치 및 그 방법을 제공한다. 본 발명은 종래의 전류적산값을 이용하여 배터리의 노화상태를 산출하는 방법과 달리 배터리에 추가로 연결된 전장부품에 의한 전해질의 밀도변화까지 고려할 수 있어 정확성이 향상된 결과값이 산출되는 이점이 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

배터리 내 전해질을 통과한 초음파신호의 속도를 계산하는 초음파속도계산부;
상기 계산된 초음파신호의 속도를 이용하여 상기 배터리 내 전해질의 밀도를 계산하는 전해질밀도계산부; 및
상기 배터리의 노화상태(SOH, State Of Health)산출모드가 온(On) 상태이고 상기 배터리가 충전 중이면 상기 배터리 내 전해질의 밀도와 상기 배터리가 최초로 충전될 때 계산된 상기 배터리 내 전해질의 밀도를 비교하여 상기 배터리의 노화상태를 산출하는 노화상태산출부
를 포함하는 배터리의 노화상태 산출 장치.
제1항에 있어서, 상기 노화상태산출부는
기설정된 시간 동안의 상기 배터리 내 전해질의 밀도 변화율과 상기 배터리가 최초로 충전될 때 계산된 상기 기설정된 시간 동안의 상기 배터리 내 전해질의 밀도 변화율을 비교하여 상기 배터리의 노화상태를 산출하는 것
인 배터리의 노화상태 산출 장치.
제1항에 있어서, 상기 노화상태산출부는
상기 배터리의 노화상태산출모드가 온(On) 상태이면 상기 배터리의 충전모드를 확인하고, 상기 확인된 배터리의 충전모드가 오프(Off) 상태이면 상기 노화상태산출모드를 오프(Off) 시키는 것
인 배터리의 노화상태 산출 장치.
제1항에 있어서, 상기 노화상태산출부는
상기 배터리의 노화상태산출모드가 오프(Off) 상태이면 상기 배터리의 충전량을 계산하고, 상기 충전량이 기설정된 범위 이내이며 상기 배터리의 충전모드가 온(On) 상태이면 상기 노화상태산출모드를 온(On) 시키는 것
인 배터리의 노화상태 산출 장치.
제1항에 있어서, 상기 노화상태산출부는
상기 배터리의 전압이 기설정된 임계치 이상이면 상기 배터리의 충전모드를 온(On) 상태로 판단하고 상기 배터리의 노화상태를 산출하는 것
인 배터리의 노화상태 산출 장치.
제1항에 있어서, 상기 초음파속도계산부는
상기 배터리에 장착된 초음파송신부와 초음파수신부 사이의 거리와 상기 초음파송신부로부터 발생한 상기 초음파신호가 상기 배터리 내 전해질을 통과하여 상기 초음파수신부에 수신되기까지 걸린 시간을 이용하여 상기 초음파신호의 속도를 계산하는 것
인 배터리의 노화상태 산출 장치.
배터리 내 전해질을 통과한 초음파신호의 속도를 계산하는 단계;
상기 계산된 초음파신호의 속도를 이용하여 상기 전해질의 밀도를 계산하는 단계;
상기 전해질의 밀도를 기설정된 시간 동안 측정하여 상기 전해질의 밀도 변화율을 산출하는 단계; 및
상기 밀도 변화율을 이용하여 상기 배터리의 노화상태를 산출하는 단계
를 포함하는 배터리의 노화상태 산출 방법.
제7항에 있어서, 상기 배터리의 노화상태를 산출하는 단계는
상기 배터리가 최초로 충전될 때 계산된 상기 전해질의 밀도 변화율에 대한 상기 전해질의 밀도 변화율의 비를 이용하여 상기 배터리의 노화상태를 산출하는 것
인 배터리의 노화상태 산출 방법.
제7항에 있어서, 상기 전해질의 밀도 변화율을 산출하는 단계는
상기 배터리가 충전 중이면 상기 배터리 내 전해질의 밀도를 기설정된 시간 동안 측정하여 상기 밀도 변화율을 산출하는 것
인 배터리의 노화상태 산출 방법.
제7항에 있어서,
상기 배터리의 노화상태를 디스플레이장치를 이용하여 출력하는 단계
를 더 포함하는 배터리의 노화상태 산출 방법.