KR20200054738A - Method for measuring entropy through cooling of battery and method for calculating battery temperature change using the entropy - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a battery entropy measurement method which comprises the following steps of: charging a battery by a predetermined state of charge (SOC); cooling the battery; measuring the temperature and open circuit voltage (OCV) of the battery during a cooling process; and using the measured temperature and OCV of the battery to calculate the entropy of the battery. According to the present invention, the method provides effect of precisely measuring entropy characteristics for each SOC of the battery. And, a battery temperature change calculation method of the present invention provides effects of precisely predicting temperature characteristics of the battery in accordance with a ration of a charging current value to a battery capacity (I/q_0) during charging and discharging of the battery, measuring thermochemical characteristics of the battery in an insulation state to figure out temperature information inside the battery, which cannot be physically measured, setting a current range for safe operation of the battery, and making a heat radiating measure for safely using devices and equipment using the battery. Moreover, the battery temperature change calculation method provides effects of providing a precise heating relational expression of the battery with respect to charging or discharge of the battery to be applied to various physics programs for predicting thermal behavior of the battery and being used for a field for investigating relation between the battery and power consumption of the battery.

Description

배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법{Method for measuring entropy through cooling of battery and method for calculating battery temperature change using the entropy}Method for measuring entropy through cooling of battery and method for calculating battery temperature change using the entropy}

본 발명은 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리를 점진적으로 냉각하는 방법으로 배터리의 엔트로피를 측정한 후, 상기 엔트로피를 이용하여 배터리의 온도 변화를 계산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery. More specifically, after measuring the entropy of a battery by a method of gradually cooling the battery, the entropy of the battery is used. It is about how to calculate the temperature change.

리튬 이차전지의 에너지밀도는 현재 260 Wh/kg의 수준에 이르렀다. 용량적으로는 단위전지당 120 Ah 수준까지 상품화 하고 있으며, 이들을 직렬과 병렬의 조합으로 집합한 다중-적층의 배터리 집합체로 사용하고 있다. 배터리의 충전이나 방전 그리고 단락의 경우에 배터리 내부에 전류가 흐르게 된다. 배터리를 충전하거나 방전하는 경우에는 인위적인 조정으로 제어가 가능한 상태로 배터리에 전류가 흐르게 된다. 이 경우에는 통상적인 구분으로 정전류, 정출력과 정전압의 3가지 배터리 전류 흐름 모드로 대별 할 수 있는데, 배터리의 연구과정에서는 정전류 기법이 주로 사용된다. 또한, 배터리의 충전 또는 방전은 대개 열린 공간에서 행해진다. 이에 따라, 겨울의 저온이나 여름의 고온 등 일반적으로 권장되는 배터리 동작 온도를 벗어난 상태에서의 배터리 사용 시에는 배터리의 작동에 문제가 발생할 수 있다. The energy density of lithium secondary batteries has now reached the level of 260 Wh / kg. It is commercially available up to 120 Ah per unit cell in capacity, and is used as a multi-layered battery assembly, which is a combination of series and parallel. In the case of battery charging or discharging and short circuit, current flows inside the battery. When charging or discharging the battery, current flows in the battery in a state that can be controlled by artificial adjustment. In this case, there are three types of battery current flow modes: constant current, constant output, and constant voltage, which are usually classified. In the process of researching the battery, the constant current technique is mainly used. Further, charging or discharging of the battery is usually performed in an open space. Accordingly, when using the battery in a state outside the generally recommended operating temperature of the battery, such as a low temperature in winter or a high temperature in summer, a problem may occur in operation of the battery.

배터리의 용도에 관하여, 소형 전력 기기를 위한 용도에서 대형 전력 기기를 위한 용도가 증가함에 따라, 대형 직병렬 집합 배터리 시스템을 사용하는 경우가 늘어나고 있다. 대형 직병렬 집합 배터리 시스템에서는 배터리의 방열이 원활하지 못하게 되는 경우가 많고, 이에 따라 배터리가 완전 단열 상태에 가까운 환경에서 동작될 수 있다. Regarding the use of the battery, as the use for a large power device increases from a use for a small power device, a case of using a large series and parallel set battery system is increasing. In a large series-parallel set battery system, the heat dissipation of the battery is often not smooth, and accordingly, the battery may be operated in an environment close to a completely insulated state.

대형 직병렬 집합 배터리 시스템의 한 예로, 전기자동차 배터리 시스템이 있는데, 전기자동차 업계는 전기자동차의 완전 충전 시간이 30분 이내가 되도록 하고, 일 충전 주행거리는 450 km 수준이 되도록 배터리 시스템을 개발하고 있다. 이러한 자동차 업계의 배터리 시스템을 고려하면, 비에너지가 260 Wh/kg인 배터리의 평균전압은 약 3.7 V이므로 비용량은 70.3 Ah/kg이 된다. 4.5시간 주행에 대한 평균비출력은 57.8 W/kg이고, 평균 비전류값으로는 15.6 A/kg에 해당한다. An example of a large series parallel parallel battery system is an electric vehicle battery system. The electric vehicle industry is developing a battery system so that a full charge time of the electric vehicle is within 30 minutes and a daily charging mileage is 450 km. . Considering the battery system of the automobile industry, the average voltage of a battery with a specific energy of 260 Wh / kg is about 3.7 V, so the cost is 70.3 Ah / kg. The average specific power for 4.5 hours driving is 57.8 W / kg, and the average specific current value is 15.6 A / kg.

대형 직병렬 집합 배터리 시스템의 또 다른 한 예로, 배터리 에너지 저장 시스템(BESS; Battery energy storage system)이 있는데, 배터리 에너지 저장 시스템의 규모는 시스템 설계 특성에 따라서 다양하고, 통상 배터리 에너지 저장 시스템의 구성은 100 MWh 수준 정도로 볼 수 있다. 배터리 에너지 저장 시스템은 1 MWh급 정도의 컨테이너에 배터리 랙(rack)으로 구현될 수 있다. 배터리 랙(Rack)은 50~100 kWh급의 다중 배터리로 구성될 수 있고, 배터리 비에너지가 250 Wh/kg인 경우, 단위 배터리 200~400 개의 집합 배터리로 구성될 수 있다. 배터리 랙(rack)은 발열 관리의 목적으로 배터리 간 이격 거리가 통상 70 cm 정도가 되도록 설계되고 있는데, 이러한 이격 거리는 배터리 랙 내에서 배터리의 충전과 방전 중에 발생하는 열을 배출할 수 있는 가장 좁은 간격이다. 이처럼, 배터리 에너지 저장 시스템에서는 에너지밀도를 가장 효율적으로 높일 수 있도록 배터리 간의 이격 거리가 최소 간격으로 배치되도록 설계되고 있다.Another example of a large series-parallel set battery system is a battery energy storage system (BESS). The size of a battery energy storage system varies according to system design characteristics, and the configuration of a battery energy storage system is usually It can be seen at around 100 MWh. The battery energy storage system may be implemented as a battery rack in a container of about 1 MWh. The battery rack may be composed of multiple batteries of 50 to 100 kWh class, and when the specific energy of the battery is 250 Wh / kg, it may be composed of 200 to 400 unit batteries. The battery rack is designed so that the separation distance between the batteries is usually about 70 cm for the purpose of heat management, and this separation distance is the narrowest gap capable of discharging heat generated during charging and discharging of the battery in the battery rack. to be. As described above, in the battery energy storage system, the separation distance between the batteries is designed to be arranged at a minimum distance so as to increase the energy density most efficiently.

대형 배터리를 생산하는 어느 한 제조 업체의 경우, 소형 전자 기기, 배터리 에너지 저장 시스템 및 전기 자동차 용도의 배터리의 충전 온도를 배터리 표면 온도를 기준으로 0℃ ~ 50℃? 범위로 권고하고 있고, 방전 온도를 배터리 표면 온도를 기준으로 -20℃ ~ 75℃? 범위로 권고하고 있다. 배터리의 대형화에 따라 방열에 따른 배터리의 표면 온도와 배터리의 내부 온도의 차이는 점차 커지게 될 수 있는데, 배터리의 표면 온도와 내부 온도의 차이가 커진 경우, 배터리 표면 온도가 안전한 범위에 있다고 하더라도 내부 온도는 열폭주(thermal runaway)를 일으킬 수 있는 온도로 증가 할 수도 있다. For one manufacturer that produces a large battery, the charging temperature of the battery for small electronic devices, battery energy storage systems, and electric vehicles is 0 ° C to 50 ° C based on the battery surface temperature? The range is recommended, and the discharge temperature is -20 ℃ ~ 75 ℃ based on the battery surface temperature? Recommended by scope. As the size of the battery increases, the difference between the surface temperature of the battery and the internal temperature of the battery due to heat dissipation may gradually increase. When the difference between the surface temperature and the internal temperature of the battery increases, even if the battery surface temperature is within a safe range, the internal The temperature may increase to a temperature that can cause a thermal runaway.

근래에는 미래형 배터리로서 전고체전지에 대한 기술개발이 활발히 추진되고 있으나, 개발 중인 수준의 전고체전지도 내부 저항이 높아서 충전과 방전 중에 발열이 많이 일어날 것으로 예견되고, 널리 상용화된 리튬 배터리는 비수계로서 수계 배터리에 비교하여 비열이 약 25% 수준의 낮은 비열로 말미암아 동일 열량에 대하여 리튬배터리는 수계 배터리 보다 매우 빠른 온도 증가를 나타내게 되어 열폭주(thermal runaway)가 일어날 가능성이 높다는 문제점이 있다.In recent years, technology development of all-solid-state batteries as future batteries has been actively promoted, but all-solid-state batteries of the level under development are expected to generate a lot of heat during charging and discharging, and widely used lithium batteries are non-aqueous. Compared to a water-based battery, a specific heat has a problem that a lithium run battery has a much faster temperature increase than a water-based battery for a same amount of heat due to a specific heat having a low specific heat of about 25%, so that there is a high possibility of thermal runaway.

따라서, 배터리의 충전과 방전 시에 배터리 용량에 대한 배터리 전류 비율에 따른 온도 특성을 도출하여 배터리의 최적 운전 조건을 규정하는 것은 매우 중요한데, 근본 적인 발열 특성을 규정하기 위해서는 깁스 자유 에너지 관계를 정립하여 방열이 어려운 상황을 나타내는 단열 조건에 대한 열화학적인 특성을 규정하는 것이 필요하다. 즉, 배터리 내부 저항에 의한 비가역적인 발열과 전류의 방향에 따른 가역적인 엔트로피(ENTROPY) 발열을 구분하여 규명하고 정리하여, 배터리의 전류와 SOC 구간에 따른 열화학적 발열과 흡열 특성을 규정하는 것이 필요하다. 다시 말해, 배터리의 특성을 규명하기 위하여 선행되어야 할 것이 배터리의 엔트로피를 정확히 측정하여 배터리 엔트로피 지표를 확립하는 것이라고 할 수 있다. Therefore, it is very important to define the optimal operating conditions of the battery by deriving the temperature characteristics according to the ratio of the battery current to the capacity of the battery during charging and discharging of the battery. It is necessary to define thermochemical properties for the adiabatic conditions that indicate a situation where heat dissipation is difficult. That is, it is necessary to classify and arrange irreversible heat generated by the internal resistance of the battery and reversible entropy heat generated according to the direction of the current, and to define thermochemical heat and endothermic properties according to the current and SOC section of the battery. Do. In other words, it can be said that the first thing to be done to characterize the battery is to accurately measure the entropy of the battery and establish the battery entropy indicator.

도 1은 종래 기술인 등온 정전류 간헐적 과도 방법(I-GITT; Isothermal galvanostatic intermittent transient technique)에 따른 배터리 엔트로피 측정의 일 실시 예를 도시한 도면이다. 1 is a view showing an embodiment of measuring the battery entropy according to the prior art isothermal constant current intermittent transient method (I-GITT; Isothermal galvanostatic intermittent transient technique).

도 1을 참조하면, I-GITT 는 하나의 배터리를 이용하여 동일한 SOC 조건에서 배터리의 초기 온도(T)를 달리하여 배터리의 개방회로전압(OCV)을 측정하는 방법으로 배터리의 엔트로피(dOCV/dT)를 측정하는 방법이다. Referring to FIG. 1, I-GITT is a method of measuring the open circuit voltage (OCV) of a battery by varying the initial temperature (T) of the battery in the same SOC condition using one battery, and thus entropy (dOCV / dT) of the battery. ).

보다 상세하게, 도 1은 간헐 전류 과도 전류 기술을 사용하여 배터리를 충전 및 방전하는 방법으로, 18, 25, 40, 55 및 60 ℃ 등온 조건에서 배터리에 30 분 동안 9.4 A/셀의 전류를 가하고, 그 후 배터리에 60분의 휴식 시간을 제공하는 방법으로 실험된 결과로서, 이러한 주기적 과전류는 배터리의 전하를 4.15V로, 2.7V로 방전시켰고, 배터리의 각 온도 별 개방회로전압 데이터를 측정하여 배터리의 엔트로피를 계산한 결과를 도시한다.More specifically, FIG. 1 is a method of charging and discharging a battery using an intermittent current transient technique, applying a current of 9.4 A / cell to the battery for 30 minutes at isothermal conditions of 18, 25, 40, 55 and 60 ° C. As a result of experimenting by providing a 60-minute break time to the battery, the periodic overcurrent discharged the battery's electric charge to 4.15V and 2.7V, and measured the open circuit voltage data for each temperature of the battery. The result of calculating the entropy of the battery is shown.

I-GITT 에 따르면 하나의 배터리를 이용하여 상이한 초기 온도 조건의 개방회로 전압을 측정해야 하기 때문에, 두 번의 실험을 시간 차를 두고 실시해야 하므로 실험 환경이 달라지게 되어 완전히 동일한 조건에서 배터리의 두 온도 상태를 동시에 측정할 수 없기에 데이터의 객관성이 떨어지는 문제점이 있고, 배터리 충전 또는 방전 과정에서 배터리 내부 온도 변화를 측정할 수 없기 때문에 배터리 내부 온도 변화를 반영할 수 없어서 I-GITT에 의한 엔트로피 값은 정확하지 않다는 문제점이 있다. 따라서, I-GITT에 따른 배터리 엔트로피 측정 결과는 배터리 엔트로피의 대표성이 없다는 문제점이 있다.According to I-GITT, since the open circuit voltage of different initial temperature conditions must be measured using one battery, the experiment environment is different because the two experiments must be conducted with a time difference, so the two temperatures of the battery under the exact same conditions Since the state cannot be measured at the same time, there is a problem that data objectivity is poor, and since the temperature change inside the battery cannot be measured during the process of charging or discharging the battery, it cannot reflect the temperature change inside the battery, so the entropy value by I-GITT is correct. There is a problem that it does not. Therefore, the battery entropy measurement result according to I-GITT has a problem that there is no representativeness of the battery entropy.

도 2는 종래 기술인 다양한 SOC 조건에서 온도의 이산 스텝핑(DISCRETE STEPPING)에 의한 개방회로전압(OCV) 측정 방법의 일 실시 예를 도시한 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of a method of measuring an open circuit voltage (OCV) by a discrete stepping of temperature under various SOC conditions, which is a prior art.

도 2를 참조하면, 다양한 SOC 조건에서 온도의 이산 스텝핑에 의한 개방회로전압(OCV)을 측정 방법은 특정 SOC 조건에서 배터리를 충방전하는 과정에서 배터리의 온도 상승 후 안정화되기를 기다렸다가 그 때의 배터리의 온도 및 개방회로전압을 측정하고, 다시 배터리를 충방전하는 과정에서 배터리의 온도 상승이 있으면 다시 배터리 온도 안정화를 기다렸다가 그 때의 배터리의 온도 및 개방회로전압을 다시 측정하여 배터리 온도 및 개방회로전압 데이터를 수집하는 방법이다.Referring to FIG. 2, a method of measuring an open circuit voltage (OCV) by discrete stepping of temperature in various SOC conditions waits for the battery to stabilize and then rise in temperature in the process of charging and discharging the battery under a specific SOC condition. Measure the temperature and open circuit voltage, and if there is an increase in the temperature of the battery in the process of charging and discharging the battery again, wait for the battery temperature stabilization again and then measure the battery's temperature and open circuit voltage again to measure the battery temperature and open circuit voltage data. It is a way to collect.

도 3은 종래 기술인 다양한 SOC 조건에서 온도의 이산 스텝핑에 의한 개방회로전압(OCV) 측정 방법에 따른 배터리 엔트로피 측정의 일 실시 예를 도시한 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating an example of measuring battery entropy according to a method of measuring open circuit voltage (OCV) by discrete stepping of temperature in various SOC conditions, which is a prior art.

도 3을 참조하면, 도 3은 상기 도 2에 도시된 방법으로 배터리 온도 및 개방회로전압 데이터를 수집한 후, 각 SOC 조건에서 배터리의 엔트로피를 계산한 값을 도시한다.Referring to FIG. 3, FIG. 3 shows a value obtained by collecting the battery temperature and the open circuit voltage data in the method shown in FIG. 2, and calculating the entropy of the battery in each SOC condition.

도 2 내지 도 3에서 도시한 다양한 SOC 조건에서 온도의 이산 스텝핑에 의한 개방회로전압(OCV) 측정 방법에 따르면, 배터리의 온도 및 개방회로전압을 측정하기 위하여 배터리의 온도 안정화를 기다려야 하므로 너무 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있고, 소비된 시간에 비하여 얻을 수 있는 배터리의 온도 및 개방회로전압 데이터가 너무 작아서 배터리 엔트로피의 대표 값을 도출하기에 부족하다는 문제점이 있다.According to the method of measuring the open circuit voltage (OCV) by the discrete stepping of the temperature in various SOC conditions shown in FIGS. 2 to 3, too much time is required because the temperature of the battery needs to be stabilized to measure the temperature and the open circuit voltage There is a problem in that it takes time, and there is a problem in that it is insufficient to derive a representative value of the battery entropy because the temperature and open circuit voltage data of the battery that can be obtained compared to the time spent are too small.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 목적은 배터리의 발열과 흡열의 열화학 관계를 정리하고, 배터리의 엔트로피를 계산하는 방법을 제공함에 있다.The present invention aims to solve the above and other problems. Another object of the present invention is to provide a method for arranging the thermochemical relationship between heat and endotherm of a battery and calculating the entropy of the battery.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 측정한 배터리의 엔트로피를 배터리의 열화학 특성에 관하여 정리된 수학식에 적용하여 배터리의 초기 온도와 SOC에 따른 배터리의 온도 변화 계산 방법을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for calculating a change in temperature of a battery according to an initial temperature and SOC of a battery by applying the entropy of the measured battery to the mathematical formula summarized with respect to the thermochemical characteristics of the battery.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리를 기 설정된 SOC(STATE OF CHARGE)로 충전하는 단계; 배터리를 냉각시키는 단계; 냉각 과정에서 배터리의 온도 및 개방회로전압(OCV; OPEN CIRCUIT VOLTAGE)을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 배터리의 온도 및 개방회로전압을 이용하여 배터리의 엔트로피(ENTROPY)를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 엔트로피 측정 방법을 제공 한다.According to an aspect of the present invention to achieve the above or another object, charging the battery with a predetermined SOC (STATE OF CHARGE); Cooling the battery; Measuring a temperature and an open circuit voltage (OCV; OPEN CIRCUIT VOLTAGE) of the battery during the cooling process; And calculating an entropy of the battery using the measured temperature and the open circuit voltage of the battery.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 배터리의 정전류 충전 또는 정전류 방전 전의 배터리의 초기 온도에 대한 배터리의 정전류 충전 또는 정전류 방전 후의 배터리의 종료 온도는 상기 측정된 엔트로피를 이용하여, 수학식 2에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 변화 계산 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the end temperature of the battery after the constant current charging or the constant current discharge of the battery with respect to the initial temperature of the battery before the constant current charging or the constant current discharge of the battery is determined by Equation 2 using the measured entropy. It provides a method for calculating a change in battery temperature, characterized in that calculated.

(수학식 6)(Equation 6)

Figure pat00001
Figure pat00001

(여기서, T1은 배터리 충전 또는 방전 전 초기 온도(K,℃), T2는 배터리 충전 또는 방전 후 종료 온도(K,℃), T는 배터리의 온도(K,℃), M는 배터리 질량(g), Cp는 배터리 비열(J/g.K or Wh/g.K), I는 배터리 전류(A, discharge (+), charge (-)), C 는 배터리 용량(q0)에 대한 충전 전류 값(I)의 비율(h-1, discharge (+), charge (-)), q0는 배터리 전기 용량(Ah, 3600coulomb(Asec)), Ri는 배터리 내부 저항(ohm, Ω), ΔS는 배터리 엔트로피(J/mol.K or Wh/mol.K), F는 패러데이 상수(C/mol, Ah/mol), SOC는 state of charge(dimensionless), d(SOC)는 SOC 미분 값 이다)(Where T1 is the initial temperature before charging or discharging the battery (K, ℃), T2 is the ending temperature after charging or discharging the battery (K, ℃), T is the temperature of the battery (K, ℃), and M is the battery mass (g ), Cp is the specific heat of the battery (J / gK or Wh / gK), I is the battery current (A, discharge (+), charge (-)), C is the charging current value (I) for the battery capacity (q 0 ) The ratio of (h-1, discharge (+), charge (-)), q0 is the battery capacity (Ah, 3600coulomb (Asec)), Ri is the battery internal resistance (ohm, Ω), ΔS is the battery entropy (J / mol.K or Wh / mol.K), F is Faraday constant (C / mol, Ah / mol), SOC is state of charge (dimensionless), d (SOC) is SOC derivative value)

본 발명에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법은 배터리의 SOC별 엔트로피 특성을 보다 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.The method for measuring entropy through cooling of a battery according to the present invention has an effect of more accurately measuring entropy characteristics for each SOC of a battery.

본 발명에 따른 배터리 온도 변화 계산 방법은 배터리의 충전과 방전의 C(배터리 용량에 대한 충전 전류 값의 비율(I/q0))에 따른 배터리의 온도 특성을 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.The method for calculating a change in battery temperature according to the present invention has an effect of accurately predicting a temperature characteristic of a battery according to C (ratio of charging current value to battery capacity (I / q 0 )) of charging and discharging of the battery.

그리고, 본 발명에 따른 배터리 온도 변화 계산 방법은 측정된 단열 상태의 열화학 특성을 이용하여 물리적으로 측정이 불가능한 배터리 내부의 온도 정보를 알 수 있도록 하는 효과가 있고, 배터리의 안전한 운전을 위한 전류 범위를 설정할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 배터리를 사용하는 제반 장치와 장비들을 보다 안전하게 사용하기 위한 방열 방안을 마련할 수 있도록 하는 효과가 있다. And, the method for calculating the temperature change of the battery according to the present invention has the effect of allowing the temperature information inside the battery to be physically impossible to measure by using the measured thermochemical characteristics of the adiabatic state, and the current range for safe operation of the battery. It has the effect of being able to set, and it has an effect of providing a heat dissipation method for more safely using various devices and equipments using batteries.

그리고 또, 본 발명에 따른 배터리 온도 변화 계산 방법은 배터리의 충전 또는 방전에 대한 배터리의 발열 관계식을 매우 정확하게 제공하여, 배터리의 열적 거동을 예측하는 다양한 물리 프로그램에 응용될 수 있는 효과가 있고, 배터리와 배터리의 소비 전력에 관한 관계를 규명하는 분야에서도 활용될 수 있는 효과가 있다.In addition, the method for calculating a change in battery temperature according to the present invention provides an accurate expression of the heat generation of the battery for charging or discharging of the battery, and has an effect that can be applied to various physical programs for predicting the thermal behavior of the battery. And it has an effect that can be used in the field to identify the relationship about the power consumption of the battery.

도 1은 종래 기술인 등온 정전류 간헐적 과도 방법(I-GITT; Isothermal galvanostatic intermittent transient technique)에 따른 배터리 엔트로피 측정의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 2는 종래 기술인 다양한 SOC 조건에서 온도의 이산 스텝핑(DISCRETE STEPPING)에 의한 개방회로전압(OCV) 측정 방법의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 3은 종래 기술인 다양한 SOC 조건에서 온도의 이산 스텝핑에 의한 개방회로전압(OCV) 측정 방법에 따른 배터리 엔트로피 측정의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법을 도시한 순서도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법을 위한 배터리 SOC 별 충전 및 방전에서 배터리의 개방회로전압을 도시한 그래프이다.
도 6은 도 5의 결과를 배터리 개방회로전압 0.5V 간격으로 이동하여 온도 별 배터리 전압 변화가 잘 나타나도록 도시된 도면이다.
도 7내지 도 8은 배터리 충전 및 방전 시에 배터리의 온도 별 배터리 SOC에 따른 개방회로전압 정보를 도시한 도면이다.
도 9내지 도 10은 배터리 충전 및 방전 시에 배터리의 온도 별로 배터리 SOC에 따른 개방회로전압 정보에 관한 다항적 관계를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리 충전 또는 방전 시298K, 313K, 328K의 절대온도에서 배터리 SOC에 대한 배터리 내부 저항을 도시한 도면이다.
도 12내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리 충전 및 방전 중 298K, 313K, 328K의 온도 조건에서 배터리SOC에 대한 배터리 내부 저항 값을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 온도에 따른 배터리 평균 내부 저항의 변화를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리의 충전과 방전 과정에서 온도 별 SOC에 대한 배터리 내부 저항 값을 도시한 도면이다.
도 16내지 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리 비열 측정에 관한 그래프이다.
도 19내지 도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법에서 기 설정된 배터리 SOC 로 충전 또는 방전된 상태에서 60℃로 승온된 배터리를 서서히 냉각시킬 때, 시간에 따른 배터리 온도 변화 및 개방회로전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 22내지 도 23은 도 19 내지 도 21에 도시된 시간에 따른 배터리 온도 변화 및 개방회로전압의 관계로부터 온도 변화에 대한 배터리 개방회로전압의 변화를 도시한 그래프이다.
도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법에서 기 설정된 배터리 SOC 구간별로 배터리 단열 저속 냉각 방볍으로 측정한 배터리 온도에 대한 배터리 개방회로전압을 도시한 도면이다.
도 25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법에 의하여 배터리 SOC 구간별로 온도에 대한 개방회로전압의 1차함수 관계와 함께 엔트로피와 엔탈피를 산출한 예를 도시한 도면이다.
도 26 내지 27은 종래 기술의 배터리 엔트로피 측정 방법에 따른 60 ℃와 30 ℃ 사이의 온도 변화를 가지는 배터리 엔트로피 값과 본 발명의 배터리 엔트로피 측정 방법에 따른 60 ℃와 20 ℃ 사이의 온도 변화를 가지는 배터리 엔트로피 값 및 본 발명의 엔트로피 생성 방법에 따른 60 ℃와 20 ℃ 사이의 온도 변화를 가지는 배터리 엔트로피 값을 비교하여 도시한 도면이다.
도 28은 본 발명의 배터리 엔트로피 측정 방법에 의한 배터리 SOC에 따른 배터리 엔트로피 값을 4개의 구간으로 나누어 도시한 도면이다.
도 29는 본 발명의 배터리 엔트로피 측정 방법에 의한 배터리 SOC 영역에 따른 엔트로피 다항식을 나누어 도시한 도면이다.
도 30은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리 단열 방전 시 배터리 및 배터리 챔버의 위치별 온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 31내지 도 33은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에 따라 측정된 배터리 특성을 사용하여 단열 충전 및 방전 시 배터리 온도 및 전압을 도시한 그래프이다.1 is a view showing an embodiment of measuring the battery entropy according to the prior art isothermal constant current intermittent transient method (I-GITT; Isothermal galvanostatic intermittent transient technique).
FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of a method of measuring an open circuit voltage (OCV) by a discrete stepping of temperature under various SOC conditions, which is a prior art.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of measuring battery entropy according to a method of measuring open circuit voltage (OCV) by discrete stepping of temperature in various SOC conditions, which is a prior art.
4 is a flowchart illustrating a method for measuring entropy through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing an open circuit voltage of a battery in charging and discharging for each SOC of a battery for a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating the change in battery voltage for each temperature by moving the result of FIG. 5 at 0.5V intervals.
7 to 8 are diagrams showing open circuit voltage information according to battery SOC according to the temperature of the battery during battery charging and discharging.
9 to 10 are diagrams showing a polynomial relationship of open circuit voltage information according to battery SOC for each battery temperature during battery charging and discharging.
FIG. 11 shows the internal resistance of the battery against the battery SOC at absolute temperatures of 298K, 313K, and 328K when charging or discharging the battery in the entropy measurement method by cooling the battery according to an embodiment of the present invention and the battery temperature change calculation method using the method. It is a drawing shown.
12 to 13 is a battery for a battery SOC at a temperature condition of 298K, 313K, 328K during battery charging and discharging in a method for measuring entropy through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention and a method for calculating a change in battery temperature using the method It is a diagram showing the internal resistance value.
14 is a diagram illustrating a change in the average internal resistance of a battery according to temperature in a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram illustrating a battery internal resistance value for SOC by temperature during charging and discharging of a battery in a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.
16 to 18 are graphs for measuring specific heat of a battery in a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.
19 to 21 is a battery over time when gradually cooling a battery heated to 60 ° C. while being charged or discharged with a predetermined battery SOC in an entropy measurement method through cooling of the battery according to an embodiment of the present invention. This graph shows changes in temperature and open circuit voltage.
22 to 23 are graphs showing a change in the battery open circuit voltage with respect to the temperature change from the relationship between the battery temperature change and the open circuit voltage with time shown in FIGS. 19 to 21.
24 is a diagram illustrating a battery open circuit voltage for a battery temperature measured by a battery adiabatic low-speed cooling method for each battery SOC section set in a method for measuring entropy through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention.
25 is a diagram illustrating an example in which entropy and enthalpy are calculated along with a primary function relation of an open circuit voltage to temperature for each battery SOC section by an entropy measurement method through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention. .
26 to 27 are battery entropy values having a temperature change between 60 ° C and 30 ° C according to a prior art battery entropy measurement method and batteries having a temperature change between 60 ° C and 20 ° C according to a battery entropy measurement method of the present invention It is a diagram showing a comparison of an entropy value and a battery entropy value having a temperature change between 60 ° C and 20 ° C according to the entropy generation method of the present invention.
28 is a view showing a battery entropy value according to a battery SOC by the battery entropy measurement method of the present invention divided into four sections.
FIG. 29 is a diagram illustrating an entropy polynomial according to a battery SOC region according to a method for measuring battery entropy according to the present invention.
FIG. 30 is a graph showing temperature changes for each location of a battery and a battery chamber during adiabatic discharge of a battery in a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.
31 to 33 illustrate battery temperature and voltage during adiabatic charging and discharging using battery characteristics measured according to an entropy measurement method through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention and a battery temperature change calculation method using the method It is a graph.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, exemplary embodiments disclosed herein will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar elements are assigned the same reference numbers regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical spirit disclosed in the specification is not limited by the accompanying drawings, and all modifications included in the spirit and technical scope of the present invention , It should be understood to include equivalents or substitutes.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 출원에서, "포함한다" 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.In this application, terms such as "comprises" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법을 도시한 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method for measuring entropy through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 배터리의 엔트로피 측정 방법을 보다 자세하게 설명한다.Hereinafter, a method for measuring entropy of a battery according to the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 4.

배터리를 기 설정된 SOC(STATE OF CHARGE)로 충전 또는 방전 한다(S410). 배터리의 SOC에 따른 열화학적 특성을 밝혀야 하기에 배터리의 목표 SOC를 미리 설정한 후에 기 설정된 SOC만큼 배터리를 충전 또는 방전하여 목표 SOC에 도달하도록 한다. 배터리의 목표 SOC는 0 내지 1 사이의 일정 간격을 가지는 SOC일 수 있다. 일 예로 목표 SOC는 0 내지 1 사이의 구간에서 0.05 단위로 설정될 수 있다.The battery is charged or discharged with a predetermined SOC (STATE OF CHARGE) (S410). Since it is necessary to reveal the thermochemical characteristics according to the SOC of the battery, the target SOC of the battery is set in advance and then the battery is charged or discharged as much as the preset SOC to reach the target SOC. The target SOC of the battery may be an SOC having a predetermined interval between 0 and 1. For example, the target SOC may be set in 0.05 units in a section between 0 and 1.

배터리를 기 설정된 SOC(STATE OF CHARGE)로 충전한 이후에, 배터리를 기 설정된 온도로 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 배터리의 가열은 배터리가 훼손되지 않는 범위 내에서 이루어질 수 있는데, 그 일 예로 배터리의 온도를 60℃ 까지 가열하여 배터리가 열 평형 상태에 도달하도록 충분한 항온시간을 둘 수 있다.After charging the battery with a predetermined SOC (STATE OF CHARGE), the method may further include heating the battery to a predetermined temperature. Heating of the battery may be performed within a range in which the battery is not damaged, for example, by heating the temperature of the battery to 60 ° C, a sufficient incubation time may be given so that the battery reaches a thermal equilibrium state.

배터리가 기 설정된 SOC에 도달하면, 배터리를 냉각시킨다(S420). 배터리의 냉각은 다양한 온도 및 전압 데이터를 얻을 수 있도록 점진적으로 서서히 냉각시킬 수 있고, 상온에서 열 평형 상태에 도달할 때까지 가열된 배터리를 서서히 냉각시키는 것이 바람직하다. 그리고, 배터리의 냉각은 단열 상태에서 서서히 자연 냉각시킬 수 있다. 단열 상태는 이상적인 완전 단열 상태를 가정하지만, 현실적으로 완전 단열 상태는 존재할 수 없으므로, 단열에 가까운 환경 조건에서 자연 냉각 시킬 수 있다.When the battery reaches a predetermined SOC, the battery is cooled (S420). The cooling of the battery can be gradually and gradually cooled to obtain various temperature and voltage data, and it is desirable to gradually cool the heated battery at room temperature until a thermal equilibrium state is reached. In addition, the cooling of the battery may be gradually cooled naturally in an adiabatic state. The adiabatic state assumes an ideal perfect adiabatic state, but in reality, since a completely adiabatic state cannot exist, it can be naturally cooled in environmental conditions close to adiabatic.

냉각 과정에서 배터리의 물리화학적 정보들을 수집한다(S430). 배터리의 물리화학적 정보의 일 예로, 배터리의 온도 및 개방회로전압(OCV)일 수 있다. During the cooling process, physicochemical information of the battery is collected (S430). As an example of the battery's physicochemical information, it may be a battery temperature and an open circuit voltage (OCV).

상기 측정된 배터리의 온도 및 개방회로전압을 이용하여 배터리의 엔트로피를 산출한다(S440). 배터리의 엔트로피는 하기 수학식 1에 의하여 계산될 수 있다. The entropy of the battery is calculated using the measured battery temperature and the open circuit voltage (S440). The entropy of the battery can be calculated by Equation 1 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, S는 엔트로피, OCV는 개방회로전압, T는 온도, n은 전지 반응에서 이동하는 전자의 몰수, F는 패러데이 상수로 96,500 C/mol 이다.Here, S is the entropy, OCV is the open circuit voltage, T is the temperature, n is the number of electrons moving in the cell reaction, and F is the Faraday constant of 96,500 C / mol.

배터리의 목표 SOC에서 배터리의 엔트로피를 산출하였으면, 다시 배터리의 다음 목표 SOC까지 배터리를 충전 또는 방전을 한 후, 상기 S410 내지 S440의 과정을 되풀이하여 다른 SOC 조건에서의 배터리의 엔트로피를 산출할 수 있다. 이러한 과정을 반복하여 다양한 SOC 조건에서의 배터리의 물리화학적 특성을 측정할 수 있고, 상기 측정 자료를 이용하여 배터리의 엔트로피를 계산할 수 있다.If the entropy of the battery is calculated from the target SOC of the battery, after charging or discharging the battery to the next target SOC of the battery again, the processes of S410 to S440 can be repeated to calculate the entropy of the battery under different SOC conditions. . By repeating this process, the physicochemical properties of the battery under various SOC conditions can be measured, and the entropy of the battery can be calculated using the measurement data.

위와 같은 엔트로피 산출식이 얻어지는 근거를 설명하면 다음과 같다. 깁스 에너지(Gibb's energy)는 어떤 화학 시스템에서 '사용가능한' 에너지의 양을 나타낸다. 배터리의 경우, 이 에너지는 전기로 바뀔 수 있다. 그러므로, 깁스 에너지는 어떤 지정된 순간에서 배터리 내에 존재하는 전하의 주율 양과 바로 그 순간에서 배터리의 전압을 곱한 것이다. 즉, 배터리의 경우 깁스 에너지는 다음 관계식으로 정해진다.The basis for obtaining the entropy calculation formula as described above is as follows. Gibb's energy refers to the amount of 'usable' energy in a chemical system. In the case of batteries, this energy can be converted into electricity. Therefore, the Gibbs energy is the amount of main power of the electric charge present in the battery at a given moment multiplied by the voltage of the battery at that moment. That is, in the case of a battery, Gibbs energy is determined by the following relationship.

Figure pat00003
Figure pat00003

깁스 자유 에너지는 배터리 관찰 시점에서 그 배터리의 상태에 의해 정해진다. 그리고 배터리 계에서는 초기 에너지 E는 OCV이므로 식(6)은 다음과 같이 치환될 수 있다.Gibbs free energy is determined by the state of the battery at the time of battery observation. In the battery system, since the initial energy E is OCV, Equation (6) can be substituted as follows.

Figure pat00004
Figure pat00004

또한, 열역학 제2 법칙에 따르면 깁스 에너지는 다음 식으로 표시된다.Also, according to the second law of thermodynamics, Gibbs energy is expressed by the following equation.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, 엔탈피 H는 계 내의 에너지 총량 즉, 사용가능한 에너지와 사용이 불가능한 에너지의 합(포텐셜에너지, 있다면 운동 에너지까지 포함)을 나타낸다. 배터리의 경우, 외부의 힘은 존재하지 않으므로 그 계는 열화학적 분석(thermo-chemical analysis)으로 귀결될 수 있다. Here, enthalpy H represents the total amount of energy in the system, that is, the sum of usable energy and non-usable energy (potential energy, if any, including kinetic energy). In the case of batteries, there is no external force, so the system can result in a thermo-chemical analysis.

상기 수학식 3 및 수학식 4를 연립하면 하기의 수학식 5가 도출된다.When the above equations 3 and 4 are combined, the following equation 5 is derived.

Figure pat00006
Figure pat00006

수학식 5를 온도T에 관하여 미분한 후, 엔트로피S에 관하여 정리하면 상기 수학식 1을 얻을 수 있다.After differentiating Equation 5 with respect to temperature T, arranging with respect to entropy S, Equation 1 can be obtained.

이하, 상기 배터리의 냉각을 통하여 측정한 배터리 엔트로피를 이용하여 배터리 온도 변화를 계산하는 방법에 관하여 기술한다.Hereinafter, a method of calculating a change in battery temperature using a battery entropy measured through cooling of the battery will be described.

배터리의 정전류 충전 또는 정전류 방전 전의 배터리의 초기 온도에 대한 배터리의 정전류 충전 또는 정전류 방전 후의 배터리의 종료 온도는 상기 엔트로피를 포함하는 수학식 6에 의해 도출될 수 있다.The end temperature of the battery after the constant current charging or the constant current discharge of the battery with respect to the initial temperature of the battery before the constant current charging or the constant current discharge of the battery may be derived by Equation (6) including the entropy.

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, T1은 배터리 충전 또는 방전 전 초기 온도(K,℃), T2는 배터리 충전 또는 방전 후 종료 온도 (K,℃), T는 배터리의 전류, 초기 온도, 엔트로피 및 SOC에 따른 배터리의 온도 (K,℃), M는 배터리 질량(g), Cp는 배터리 비열 (J/g.K or Wh/g.K), I는 배터리 전류 (A, discharge (+), charge (-)), C 는 C rate (h-1, discharge (+), charge (-)), q0는 배터리 전기 용량 (Ah, 3600coulomb(Asec)), Ri는 배터리 내부 저항 (ohm, Ω), ΔS는 배터리 엔트로피 (J/mol.K or Wh/mol.K), F는 패러데이 상수 (C/mol, Ah/mol), SOC는 state of charge (dimensionless), d(SOC)는 SOC 미분 값 이다.Here, T1 is the initial temperature before charging or discharging the battery (K, ℃), T2 is the ending temperature after charging or discharging the battery (K, ℃), T is the temperature of the battery according to the current, initial temperature, entropy, and SOC of the battery ( K, ℃), M is the battery mass (g), Cp is the specific heat of the battery (J / gK or Wh / gK), I is the battery current (A, discharge (+), charge (-)), C is the C rate ( h-1, discharge (+), charge (-)), q0 is the battery capacity (Ah, 3600coulomb (Asec)), Ri is the battery internal resistance (ohm, Ω), ΔS is the battery entropy (J / mol.K or Wh / mol.K), F is the Faraday constant (C / mol, Ah / mol), SOC is the state of charge (dimensionless), and d (SOC) is the SOC derivative value.

그리고, 상기 C는 배터리 용량에 대한 충전 전류 값의 비율(I/q0)로서, C가 1인 경우 한 시간에 배터리가 SOC 0에서 SOC 1로 완전 충전되는 전류 값에 해당한다. C가 2인 경우 1/2 시간(30분)에 배터리가 SOC 0에서 SOC 1로 완전 충전되는 전류 값에 해당한다.In addition, C is a ratio (I / q 0 ) of a charging current value to a battery capacity, and when C is 1, it corresponds to a current value in which the battery is fully charged from SOC 0 to SOC 1 in one hour. When C is 2, it corresponds to a current value in which the battery is fully charged from SOC 0 to SOC 1 in 1/2 hour (30 minutes).

이하, 상기 수학식 6을 도출하는 과정을 보다 자세하게 설명한다.Hereinafter, the process of deriving the above equation (6) will be described in more detail.

수학식 7은 배터리의 정전류 충전 또는 정전류 방전에 따른 발열량과 온도 증가 관계를 도시한다.Equation 7 shows the relationship between the amount of heat generated and the temperature increase according to constant current charging or constant current discharge of the battery.

Figure pat00008
Figure pat00008

수학식 7에 배터리의 정전류 상태의 열 발생에서 배터리의 내부저항과 엔트로피를 결합하면 하기 수학식 8이 도출된다.When the internal resistance of the battery and the entropy are combined in the heat generation of the constant current state of the battery in Equation 7, Equation 8 below is derived.

Figure pat00009
Figure pat00009

수학식 9에서 정전류 상태에서 경과 시간은 배터리의 SOC에 대한 1차 함수이고, 수학식 10에서 미분 시간은 미분 SOC의 관계로 적용할 수 있으며, 수학식 11에서 전류I는 배터리 용량에 대한 충전 전류 값의 비율인 C에 관한 식으로 정의될 수 있다. 그리고, 수학식 12에서 발열량 Q 와 온도와의 관계를 정리하였다.In Equation 9, the elapsed time in the constant current state is a primary function of the SOC of the battery, and in Equation 10, the derivative time can be applied in the relationship of the derivative SOC, and in Equation 11, the current I is the charging current for the battery capacity. It can be defined in terms of the ratio of values C. Then, in Equation 12, the relationship between the calorific value Q and temperature is summarized.

Figure pat00010
Figure pat00010

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 수학식 9 내지 12를 상기 수학식 8에 대입하면 하기 수학식 13이 도출되고, 이를 온도에 관하여 정리하면 상기 수학식 6이 도출된다.Substituting Equations (9) through (12) into Equation (8) yields Equation (13) below, and arranging them with respect to temperature results in Equation (6).

Figure pat00014
Figure pat00014

다시, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 온도 변화 계산 방법에 관하여 설명하면, 수학식 6을 구성하는 항목 중에서 배터리 내부 저항 Ri, 배터리 열용량 Cp 및 배터리 엔트로피 △S 를 제외하고는 모두 상수 이거나, 실험적으로 측정 가능한 값이거나, 수학식 6에 의해서 산출되어야 하는 결과 값(T2) 이다. 따라서, 이하 배터리 내부 저항 Ri, 배터리 열용량 Cp 및 배터리 엔트로피 △S를 구하는 방법에 관하여 설명한다.Again, when describing a method for calculating a change in battery temperature according to an embodiment of the present invention, among the items constituting Equation 6, all except the battery internal resistance Ri, the battery heat capacity Cp, and the battery entropy ΔS are constant or experimental It is a measurable value or a result value (T2) that should be calculated by Equation (6). Therefore, the method for obtaining the battery internal resistance Ri, the battery heat capacity Cp, and the battery entropy DELTA S will be described below.

배터리 SOC에 따른 배터리 내부 저항(Ri)은 실험적으로 측정한 배터리 전류, 개방회로전압 및 온도를 이용하여 도출할 수 있다. 그 외에도 널리 알려진 종래 기술로 배터리 내부 저항을 계산할 수도 있다.The battery internal resistance (Ri) according to the battery SOC can be derived using the experimentally measured battery current, open circuit voltage and temperature. In addition, the internal resistance of the battery can be calculated by a well-known conventional technique.

배터리 열용량(Cp)은 배터리의 열용량을 측정하는 장치를 이용할 수 있는데, 그 일 예로 단열열분석장비(ARC; Accelerated Rate Calorimeter)로 배터리의 비열 및 열용량을 측정할 수 있다. 그 외에도 널리 알려진 종래 기술로 배터리 열용량을 계산할 수도 있다.As the battery heat capacity (Cp), an apparatus for measuring the heat capacity of the battery may be used. For example, specific heat and heat capacity of the battery may be measured by an adiabatic thermal analysis equipment (ARC). In addition, it is also possible to calculate the heat capacity of the battery by a well-known conventional technique.

배터리의 엔트로피(△S)는 상기에서 설명한 방법으로 측정 가능하므로, 그 자세한 설명은 생략한다.Since the entropy of the battery (ΔS) can be measured by the method described above, detailed description thereof will be omitted.

따라서, 본 발명에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에 의하면, 상기 수학식 1 로 배터리의 열화학적 특성인 엔트로피를 정확하게 계산할 수 있고, 이를 이용하여 수학식 6으로 물리적으로 측정 불가능한 배터리의 온도 변화를 아주 근사하게 예측할 수 있는 효과가 있다.Accordingly, according to the method for measuring entropy through cooling of a battery according to the present invention and a method for calculating a change in battery temperature using the battery, it is possible to accurately calculate the entropy, which is a thermochemical characteristic of the battery, using Equation 1, and using this, to Equation 6 It has the effect of predicting the temperature change of a battery that cannot be physically measured very closely.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법으로 배터리의 열화학적 특성 값 및 온도 변화를 계산하여 생성하는 방법을 설명한다.Hereinafter, an entropy measurement method through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention and a method of calculating and generating a thermochemical characteristic value and a temperature change of a battery using a method for calculating a change in battery temperature using the same will be described.

상기 설명한 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법에 의하여 배터리의 SOC에 따른 온도, 전류 및 개방회로전압을 측정하여 배터리 배터리 내부 저항 및 엔트로피를 계산할 수 있고, 배터리의 물리적인 특성인 비열, 열용량, 질량 등의 특성을 계산하여 배터리의 온도 변화를 계산할 수 있다.The internal resistance and entropy of the battery can be calculated by measuring the temperature, current, and open circuit voltage according to the SOC of the battery by the entropy measurement method by cooling the battery described above, and specific physical heat, heat capacity, mass, etc. of the battery The temperature change of the battery can be calculated by calculating the characteristics of.

기 설정된 초기 SOC와 최종 SOC 구간을 자동으로 구간 분할하여 상기 배터리의 온도 변화를 분할된 구간에서 순차적으로 동일한 과정을 반복하여 계산 할 수 있다. 본 발명에서는 일 실시 예로, 배터리 SOC분할 수를 1000으로 설정하여 순차적 반복 계산하였고, 그 결과 배터리 열화학적 특성 계산 및 배터리 온도 변화 계산에 관하여 양호한 결과를 얻을 수 있었다. The predetermined initial SOC and the final SOC section are automatically divided and the temperature change of the battery can be calculated by repeating the same process sequentially in the divided section. In an exemplary embodiment of the present invention, the number of battery SOC divisions was set to 1000 to perform sequential iterations, and as a result, good results were obtained with respect to calculation of battery thermochemical characteristics and calculation of battery temperature change.

배터리의 열화학적 특성 값 및 온도 변화 값을 생성하는 방법을 자세하게 설명하면, 배터리의 초기 조건에 관한 열화학적 특성 값을 상기 수학식 6에 입력할 수 있다. 다시 말해, 배터리의 초기 조건에 관한 열화학적 특성 값은 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법을 통하여 측정하고, 측정된 값을 이용하여 계산된 값들로서, 배터리의 온도, 전류, 개방회로전압, 내부 저항, 열용량, 중량, 비열, 엔트로피 등일 수 있다. When the method for generating the thermochemical characteristic value and the temperature change value of the battery is described in detail, the thermochemical characteristic value relating to the initial condition of the battery may be input to Equation (6). In other words, the thermochemical characteristic values related to the initial conditions of the battery are measured through an entropy measurement method through cooling of the battery, and are calculated using the measured values, such as temperature, current, open circuit voltage, and internal resistance of the battery. , Heat capacity, weight, specific heat, entropy, and the like.

그리고, SOC에 대한 엔트로피를 계산한 후, 분할된 SOC 구간 별 순차적 온도 계산에 적용할 수 있다. 보다 자세하게, 초기 SOC 와 최종 SOC 사이의 구간에 대한 평균 엔트로피를 계산하고, 상기 초기 SOC 와 최종 SOC 사이의 구간을 기 설정된 분할수로 분할하여 각 분할된 구간의 SOC에 대한 엔트로피를 계산한 후, 분할된 SOC 구간 중 최초 SOC 구간에 대하여 수학식 6을 적용하여 T2값을 구할 수 있다. And, after calculating the entropy for the SOC, it can be applied to the sequential temperature calculation for each divided SOC section. In more detail, after calculating the average entropy for the section between the initial SOC and the final SOC, dividing the section between the initial SOC and the final SOC by a predetermined number of divisions, and calculating the entropy for the SOC of each divided section, The T2 value may be obtained by applying Equation (6) to the first SOC section among the divided SOC sections.

그 후, 상기 분할된 최초 SOC 구간에서 계산된 결과 값을 다시 수학식 6의 입력 값으로 입력하여 분할된 두 번째 SOC 구간에 대하여 온도 변화를 계산할 수 있다. 보다 자세하게, 상기 분할된 최초 SOC 구간에서 계산된 T2값은 분할된 두 번째 SOC 구간에서는 다시 새로운 T1의 값으로 입력될 수 있고, 상기 새로운 T1 값으로 분할된 두 번째 구간에서의 새로운 내부 저항을 계산할 수 있으며, 상기 새로운 T1 및 새로운 내부 저항을 이용하여 분할된 두 번째 구간에서의 새로운 T2 값을 계산할 수 있다.Subsequently, a temperature change may be calculated for the divided second SOC section by inputting the result value calculated in the divided first SOC section again as an input value of Equation (6). In more detail, the T2 value calculated in the first divided SOC section may be input again as a new T1 value in the second divided SOC section, and the new internal resistance in the second section divided by the new T1 value may be calculated. In addition, a new T2 value in the divided second section may be calculated using the new T1 and the new internal resistance.

이러한 과정을 분할된 SOC 구간 전체에 적용하면, 거의 연속된 구간에서의 배터리 열화학적 특성 및 온도 변화를 계산할 수 있다.When this process is applied to the entire divided SOC section, it is possible to calculate the battery thermochemical characteristics and the temperature change in the almost continuous section.

이하, 본 발명에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법의 구체적인 실시 예를 자세하게 설명한다.Hereinafter, a specific embodiment of a method for measuring entropy through cooling of a battery according to the present invention and a method for calculating a change in battery temperature using the method will be described in detail.

도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법을 위한 배터리 SOC 별 충전 및 방전에서 배터리의 개방회로전압을 도시한 그래프이다.5 is a graph showing an open circuit voltage of a battery in charging and discharging for each SOC of a battery for a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 배터리의 SOC 0 내지 1 범위 내에서 온도 별로 배터리를 충전 또는 방전시키면서 배터리의 개방회로 전압을 측정하였다.Referring to FIG. 5, the open circuit voltage of the battery was measured while charging or discharging the battery for each temperature within the SOC 0 to 1 range of the battery.

도 6은 도 5의 결과를 배터리 개방회로전압 0.5V 간격으로 이동하여 온도 별 배터리 전압 변화가 잘 나타나도록 도시된 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating the change in battery voltage for each temperature by moving the result of FIG. 5 at 0.5V intervals.

도 6을 참조하면, 섭시 18, 25, 40, 55, 60 도의 배터리 온도에서 배터리의 충전 및 방전에 따른 배터리 SOC 별 개방회로전압을 0.5V 간격으로 도시하고 있다. 배터리 SOC 0.05 내지 1의 범위에서는 충전과 방전의 전압 변화는 거의 유사하게 나타나고 있다.Referring to FIG. 6, the open circuit voltage for each SOC of the battery according to charging and discharging of the battery at a battery temperature of 18, 25, 40, 55, and 60 degrees Celsius is illustrated at 0.5V intervals. In the range of the battery SOC 0.05 to 1, the voltage changes between charging and discharging are almost similar.

도 7내지 도 8은 배터리 충전 및 방전 시에 배터리의 온도 별 배터리 SOC에 따른 개방회로전압 정보를 도시한 도면이다.7 to 8 are diagrams showing open circuit voltage information according to battery SOC according to the temperature of the battery during battery charging and discharging.

도 7내지 도 8을 참조하면, 배터리 SOC 0.05 내지 1의 범위에서는 충전과 방전의 전압 변화는 거의 유사하게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다.7 to 8, it can be seen that in the range of the battery SOC 0.05 to 1, voltage changes between charging and discharging are almost similar.

도 9내지 도 10은 배터리 충전 및 방전 시에 배터리의 온도 별로 배터리 SOC에 따른 개방회로전압 정보에 관한 다항적 관계를 도시한 도면이다.9 to 10 are diagrams showing a polynomial relationship of open circuit voltage information according to battery SOC for each battery temperature during battery charging and discharging.

도 9 내지 도 10을 참조하면, 각 온도 별 배터리의 개방회로전압은 배터리 SOC의 4차 함수 관계로 표현될 수 있다.9 to 10, the open circuit voltage of the battery for each temperature may be expressed as a quadratic function relationship of the battery SOC.

상기 도 5 내지 도 10에 도시된 배터리의 OCV 관계는 정전압 충전 및 방전, 정출력 충전 및 방전, 저항 방전의 경우에는 배터리의 전기-열화학적 특성 해석의 중요한 정보로서 사용되지만, 본 발명에서는 정전류 충방전 배터리를 일 예로 하여 정전류로 충전과 방전이 이루어지는 배터리에 관한 해석을 하고 있기 때문에, 상기 데이터는 사용되지 않았다. The OCV relationship of the batteries shown in FIGS. 5 to 10 is used as important information in the analysis of the electro-thermochemical characteristics of the battery in the case of constant voltage charging and discharging, constant output charging and discharging, and resistance discharge, but in the present invention, constant current charging Since the discharge battery is analyzed as an example of a battery that is charged and discharged at a constant current, the data is not used.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리 충전 또는 방전 시298K, 313K, 328K의 절대온도에서 배터리 SOC에 대한 배터리 내부 저항을 도시한 도면이다.FIG. 11 shows the internal resistance of the battery against the battery SOC at absolute temperatures of 298K, 313K, and 328K when charging or discharging the battery in the entropy measurement method by cooling the battery according to an embodiment of the present invention and the battery temperature change calculation method using the method. It is a drawing shown.

도 11을 참조하면, 배터리 충전과 방전 시 배터리 SOC에 대한 배터리 온도 변화 및 배터리 SOC에 대한 온도 조건 별 배터리 내부저항을 도시하고 있다. 왼쪽 Y축은 저항을 도시하고, 오른쪽 Y축은 온도를 도시한다.Referring to FIG. 11, a battery temperature change for a battery SOC and a battery internal resistance for each battery SOC during battery charging and discharging are illustrated. The left Y-axis shows resistance, and the right Y-axis shows temperature.

도 12내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리 충전 및 방전 중 298K, 313K, 328K의 온도 조건에서 배터리SOC에 대한 배터리 내부 저항 값을 도시한 도면이다.12 to 13 is a battery for a battery SOC at a temperature condition of 298K, 313K, 328K during battery charging and discharging in a method for measuring entropy through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention and a method for calculating a change in battery temperature using the method It is a diagram showing the internal resistance value.

도 12내지 도 13을 참조하면, 배터리 충전 및 방전 중 298K, 313K, 328K의 온도 조건에서 배터리SOC에 대한 배터리의 전류 및 개방회로전압을 측정하여 전류 및 전압 값을 이용하여 배터리 내부 저항 값을 계산하여 자연로그 값(scale)으로 도시한 것이다.Referring to FIGS. 12 to 13, the battery internal resistance value is calculated using the current and voltage values by measuring the current and open circuit voltage of the battery to the battery SOC at 298K, 313K, and 328K temperature conditions during charging and discharging of the battery. Therefore, it is plotted as a natural logarithmic scale.

도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 온도에 따른 배터리 평균 내부 저항의 변화를 도시한 도면이다.14 is a diagram illustrating a change in the average internal resistance of a battery according to temperature in a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, 배터리 온도 조건(298K, 313K, 328K)에 따른 배터리 평균 내부 저항을 계산하여 도시한 것으로, 온도에 따른 평균 내부 저항은 배터리 내부 저항의 변화가 적은 SOC 구간에 대한 결과를 사용하여 도출하였다. 평균 내부 저항의 온도에 대한 관계는 수학식 14 내지 수학식 15로 계산되었다. Referring to FIG. 14, the battery average internal resistance according to battery temperature conditions (298K, 313K, and 328K) is calculated and illustrated, and the average internal resistance according to temperature uses a result for an SOC section in which the change in battery internal resistance is small. Was derived. The relationship of the average internal resistance to temperature was calculated by Equations 14 to 15.

Figure pat00015
Figure pat00015

Figure pat00016
Figure pat00016

(여기서, E는 배터리 개방회로전압, K는 절대온도, R의 단위는 옴(ohm)이다)(Where E is the battery open circuit voltage, K is the absolute temperature, and R is in ohms)

도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리의 충전과 방전 과정에서 온도 별 SOC에 대한 배터리 내부 저항 값을 도시한 도면이다.15 is a diagram illustrating a battery internal resistance value for SOC by temperature during charging and discharging of a battery in a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.

도 15를 참조하면, 배터리 충전 및 방전 중 일부 온도(298K, 313K, 328K)에서 배터리 내부 저항의 변화가 적은 SOC에 따른 내부 저항을 계산하여 도시하고 있다.Referring to FIG. 15, the internal resistance according to the SOC with a small change in the internal resistance of the battery is calculated and illustrated at some temperatures 298K, 313K, and 328K during battery charging and discharging.

도 16내지 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리 비열 측정에 관한 그래프이다.16 to 18 are graphs for measuring specific heat of a battery in a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.

도 16을 참조하면, 두개의 배터리 사이에 위치한 저항 발열체에 대하여 일정한 가열 전력 및 가열 시간을 제어하여 배터리의 온도 변화를 측정할 수 있고, 시간 변화에 따른 배터리의 온도 변화 관계를 분석하여 배터리의 비열을 측정할 수 있다. Referring to FIG. 16, a temperature change of a battery may be measured by controlling a constant heating power and a heating time for a resistance heating element located between two batteries, and a specific heat of the battery may be analyzed by analyzing a relationship between temperature changes of the battery according to the time change Can be measured.

도 17 을 참조하면, 배터리 SOC 0.50 조건에 대하여 heating power를 3.16 W, 6.18 W, 7.11 W로 평가한 바, 유사하게 1 J/g.K를 나타내었다.Referring to FIG. 17, when the heating power of the battery SOC 0.50 was evaluated to be 3.16 W, 6.18 W, and 7.11 W, similarly, 1 J / g.K was shown.

도 18을 참조하면, 배터리의 SOC를 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1로 다르게 하여 측정하여도 모두 유사한 결과를 나타내었다. 이에 따라, 배터리의 평균적인 비열(Cp)을 1.0144 J/g.K로 두고 실험하였다.Referring to FIG. 18, even when SOC of the battery was measured differently to 0, 0.25, 0.5, 0.75, and 1, all of the results were similar. Accordingly, the average specific heat (Cp) of the battery was tested at 1.0144 J / g.K.

도 19내지 도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법에서 기 설정된 배터리 SOC 로 충전 또는 방전된 상태에서 60℃로 승온된 배터리를 서서히 냉각시킬 때, 시간에 따른 배터리 온도 변화 및 개방회로전압 변화를 도시한 그래프이다.19 to 21 is a battery over time when gradually cooling a battery heated to 60 ° C. while being charged or discharged with a predetermined battery SOC in an entropy measurement method through cooling of the battery according to an embodiment of the present invention. This graph shows changes in temperature and open circuit voltage.

도 19를 참조하면, 배터리를 기 설정된 배터리 SOC 로 충전 또는 방전한 후, 배터리가 훼손되지 않는 범위 내에서 배터리의 온도를 60℃ 까지 가열하여 배터리가 열 평형 상태에 도달하도록 충분한 항온시간을 둘 수 있고, 그 이후, 상온 조건에서 배터리를 점진적으로 냉각하는 과정에서 배터리의 온도 변화 및 개방회로전압 변화를 측정하여 시간에 따라 도시하였다. 이러한 방법을 사용하면 배터리의 특정 SOC 별 온도 변화 및 개방회로전압 변화를 연속적으로 측정할 수 있고, 배터리 내부 온도 파동이 감소되므로 정확한 측정 데이터를 얻을 수 있다. Referring to FIG. 19, after charging or discharging the battery with a preset battery SOC, a sufficient incubation time can be set so that the battery reaches a thermal equilibrium state by heating the temperature of the battery to 60 ° C. within a range in which the battery is not damaged. Thereafter, in the process of gradually cooling the battery at room temperature, the temperature change and the open circuit voltage change of the battery were measured and plotted over time. Using this method, it is possible to continuously measure the temperature change and the open circuit voltage change for each SOC of the battery, and the internal temperature fluctuation of the battery is reduced, so that accurate measurement data can be obtained.

도 20 내지 도 21은 상기 도 19의 데이터를 수식으로 표현한 것으로 T는 배터리 온도, V는 배터리 개방회로전압, t는 시간이다.20 to 21 are expressions of the data of FIG. 19, wherein T is a battery temperature, V is a battery open circuit voltage, and t is time.

도 22내지 도 23은 도 19 내지 도 21에 도시된 시간에 따른 배터리 온도 변화 및 개방회로전압의 관계로부터 온도 변화에 대한 배터리 개방회로전압의 변화를 도시한 그래프이다.22 to 23 are graphs showing a change in the battery open circuit voltage with respect to the temperature change from the relationship between the battery temperature change and the open circuit voltage with time shown in FIGS. 19 to 21.

도 22를 참조하면, 도 19의 결과를 배터리의 온도와 개방회로전압과의 관계로 변환하여 그래프로 도시한 것이다. 그래프 상으로는 개방회로전압은 온도에 대하여 1차 함수가 아닌 것처럼 보이지만, 배터리의 개방회로전압의 스케일을 고려하면 배터리 개방회로전압은 온도 변화에 관한 1차 함수로 볼 수 있다.Referring to FIG. 22, the result of FIG. 19 is converted into a relationship between the temperature of the battery and the open circuit voltage, and is illustrated in a graph. On the graph, the open circuit voltage does not appear to be a first-order function for temperature, but considering the scale of the open circuit voltage of the battery, the battery open-circuit voltage can be viewed as a first-order function for temperature change.

도 23을 참조하면, 도 22의 데이터를 수식으로 표현한 것으로 T는 배터리 온도, V는 배터리 개방회로전압이다.Referring to FIG. 23, the data in FIG. 22 is expressed by an equation, where T is a battery temperature and V is a battery open circuit voltage.

도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법에서 기 설정된 배터리 SOC 구간별로 배터리 단열 저속 냉각 방볍으로 측정한 배터리 온도에 대한 배터리 개방회로전압을 도시한 도면이다.24 is a diagram illustrating a battery open circuit voltage for a battery temperature measured by a battery adiabatic low-speed cooling method for each battery SOC section set in a method for measuring entropy through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention.

도 24를 참조하면, 다양한 배터리 SOC 조건에서 온도 변화에 따른 배터리 개방회로전압이 도시되어 있는데, 배터리 전압 스케일을 고려하면, 온도 변화에도 불구하고 배터리의 개방회로전압의 변화는 크지 않으며, 배터리 SOC에 따라서 배터리의 온도에 따른 개방회로전압이 증가하거나 감소하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 24, the battery open circuit voltage according to the temperature change in various battery SOC conditions is illustrated. Considering the battery voltage scale, despite the temperature change, the change in the open circuit voltage of the battery is not large and the battery SOC Therefore, it can be seen that the open circuit voltage increases or decreases according to the temperature of the battery.

도 25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법에 의하여 엔트로피를 산출한 예를 도시한 도면이다.25 is a diagram illustrating an example in which entropy is calculated by a method of measuring entropy through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention.

도 25를 참고하면, 도 24에서 도시된 바와 같이 다양한 배터리 SOC 레벨 조건에서 측정된 배터리 온도 및 배터리 개방회로전압 값을 이용하면, 배터리 엔트로피 공식을 이용하여 배터리의 엔트로피를 도출할 수 있다. Referring to FIG. 25, as shown in FIG. 24, when the battery temperature and the battery open circuit voltage values measured at various battery SOC level conditions are used, the battery entropy formula can be used to derive the battery entropy.

도 26 내지 27은 종래 기술의 배터리 엔트로피 측정 방법에 따른 60 ℃와 30 ℃ 사이의 온도 변화를 가지는 배터리 엔트로피 값과 본 발명의 배터리 엔트로피 측정 방법에 따른 60 ℃와 20 ℃ 사이의 온도 변화를 가지는 배터리 엔트로피 값 및 본 발명의 엔트로피 생성 방법에 따른 60 ℃와 20 ℃ 사이의 온도 변화를 가지는 배터리 엔트로피 값을 비교하여 도시한 도면이다.26 to 27 are battery entropy values having a temperature change between 60 ° C and 30 ° C according to a prior art battery entropy measurement method and batteries having a temperature change between 60 ° C and 20 ° C according to a battery entropy measurement method of the present invention It is a diagram showing a comparison of an entropy value and a battery entropy value having a temperature change between 60 ° C and 20 ° C according to the entropy generation method of the present invention.

도 26을 참조하면, 종래 기술의 배터리 엔트로피 측정 방법인 온도의 이산 스텝핑에 의한 개방회로전압 측정 방법에 따른 엔트로피 측정 값과 비교할 때, 본 발명의 배터리 엔트로피 측정 방법에 따른 배터리 엔트로피 값이 더 높은 배터리 엔트로피 값의 대표성을 가진다.Referring to FIG. 26, a battery having a higher battery entropy value according to the battery entropy measurement method of the present invention is compared with an entropy measurement value according to an open circuit voltage measurement method by discrete stepping of temperature, which is a battery entropy measurement method of the prior art It has the representativeness of the entropy value.

도 26 내지 도27을 참조하면, 본 발명의 엔트로피 생성 방법에 따른 배터리 엔트로피 값은 본 발명의 배터리 엔트로피 측정 방법에 따른 배터리 엔트로피 값과 거의 유사한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.26 to 27, it can be confirmed that the battery entropy value according to the method for generating entropy of the present invention has a value substantially similar to the battery entropy value according to the method for measuring battery entropy of the present invention.

도 28은 본 발명의 배터리 엔트로피 측정 방법에 의한 배터리 SOC에 따른 배터리 엔트로피 값을 4개의 구간으로 나누어 도시한 도면이다.28 is a diagram illustrating a battery entropy value according to a battery SOC by the battery entropy measurement method of the present invention divided into four sections.

도 28을 참조하면, 배터리 엔트로피에 관한 정확한 정보를 제공하기 위하여 배터리 엔트로피를 SOC수식화할 필요가 있는데, 본 발명의 배터리 엔트로피 측정 방법에 의한 배터리 SOC에 따른 배터리 엔트로피 값을 SOC 전 구간에 걸쳐 하나의 식으로 정의하는 것은 너무나 복잡하므로 현실적으로 힘들다. 따라서, 제1 영역 내지 제4 영역의 4개의 동작 영역으로 나누어 각 영역에 따른 배터리 엔트로피 값에 관한 식을 정의할 수 있다. Referring to FIG. 28, it is necessary to formulate the SOC of the battery entropy in order to provide accurate information about the battery entropy. The battery entropy value according to the battery SOC according to the battery entropy measurement method of the present invention is one over the entire SOC Defining it in this way is so complex that it is difficult in reality. Therefore, it can be divided into four operation regions of the first region to the fourth region to define expressions for the battery entropy values for each region.

제1 영역은 SOC 0 내지0.1의 영역으로 앤트로피는 음수를 가지고 SOC에 따른 선형적인 관계로 나타낼 수 있다. 제2 영역은 SOC 0.1 내지 0.28의 영역으로 앤트로피는 음수를 가지고 SOC에 따라 증가하는 경향과 함께 선형적인 관계에 가까운 결과를 나타낸다. 제3 영역은 SOC 0.28 내지 0.57(5)의 영역으로 앤트로피는 양수를 가진다. 실험 결과에 따라 제3 영역에서의 앤트로피 값은 제1 영역 및 제2 영역과는 반대의 부호를 가져야 한다. 이러한 면에서 본 발명에 따른 배터리 엔트로피 측정 방법으로 측정한 앤트로피가 실제의 현상에 가까운 것으로 확인할 수 있다. 그러나, 종래 기술의 배터리 엔트로피 측정 방법(temperature stepping)으로 측정한 제3 영역의 앤트로피는 제1 영역 및 제2 영역과 동일한 부호를 가지므로 실제 실험 결과와 상충되는 엔트로피가 산출되는 것을 확인할 수 있다. 제 4 영역은 SOC 0.57(5) 내지1의 영역으로 엔트로피는 음수를 나타내며, 유의성이 낮은 5개의 변곡점을 가지는 구간을 하나의 영역으로 통합하여 6차원의 다항식 함수로 나타낼 수 있다.The first region is a region of SOC 0 to 0.1, and the entropy has a negative number and may be represented by a linear relationship according to SOC. The second region is a region of SOC 0.1 to 0.28, and the entropy has a negative number and tends to increase with SOC and shows a result close to a linear relationship. The third region is SOC 0.28 to 0.57 (5), and the entropy has a positive number. According to the experimental results, the entropy value in the third region should have opposite signs from the first region and the second region. In this regard, it can be confirmed that the entropy measured by the battery entropy measurement method according to the present invention is close to the actual phenomenon. However, since the entropy of the third region measured by the battery step measurement method (temperature stepping) of the prior art has the same sign as the first region and the second region, it can be confirmed that an entropy that conflicts with the actual experimental result is calculated. . The fourth region is a region of SOC 0.57 (5) to 1, and the entropy represents a negative number, and a section having five inflection points with low significance can be integrated into one region and expressed as a six-dimensional polynomial function.

도 29는 본 발명의 배터리 엔트로피 측정 방법에 의한 배터리 SOC 영역에 따른 엔트로피 다항식을 나누어 도시한 도면이다.29 is a diagram illustrating an entropy polynomial according to a battery SOC region according to a method for measuring battery entropy according to the present invention.

도 29를 참조하면, 제1 영역에서 엔트로피는 SOC에 대한 1차 함수로 표현될 수 있고, 제2 영역에서 엔트로피는 SOC에 대한 2차 함수로 표현될 수 있으며, 제3 영역에서 엔트로피는 SOC에 대한 3차 함수로 표현될 수 있고, 제4 영역에서 엔트로피는 SOC에 대한 6차 함수로 표현될 수 있다.Referring to FIG. 29, in the first region, entropy may be expressed as a first order function for SOC, in the second region, entropy may be expressed as a second order function for SOC, and in the third region, entropy may be expressed by SOC. It can be expressed as a third-order function for, and in the fourth region, entropy can be expressed as a sixth-order function for SOC.

도 30은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에서 배터리 단열 방전 시 배터리 및 배터리 챔버의 위치별 온도 변화를 도시한 그래프이다.FIG. 30 is a graph showing temperature changes for each location of a battery and a battery chamber during adiabatic discharge of a battery in a method for measuring entropy through cooling of a battery and a method for calculating a change in battery temperature using the battery according to an embodiment of the present invention.

도 30을 참조하면, 배터리 전압 범위 2.7 내지 4.15 V 내에서 C 0.03의 값으로 배터리를 방전하는 조건에서, 배터리의 전압, 배터리의 온도, 배터리 챔버 상부의 온도, 배터리 챔버의 옆면의 온도 및 배터리 챔버의 바닥면의 온도를 측정하여 도시하였다. Referring to FIG. 30, in a condition of discharging a battery with a value of C 0.03 within a battery voltage range of 2.7 to 4.15 V, the voltage of the battery, the temperature of the battery, the temperature at the top of the battery chamber, the temperature at the side of the battery chamber, and the battery chamber It was shown by measuring the temperature of the bottom surface of the.

도 31내지 도 33은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법 및 이를 이용한 배터리 온도 변화 계산 방법에 따라 측정된 배터리 특성을 사용하여 단열 충전 및 방전 시 배터리 온도 및 전압을 도시한 그래프이다.31 to 33 illustrate battery temperatures and voltages during adiabatic charging and discharging using battery characteristics measured according to an entropy measurement method through cooling of a battery according to an embodiment of the present invention and a method for calculating a change in battery temperature using the method It is a graph.

도 31을 참조하면, C 0.05 의 충전 및 방전에서 배터리 전압은 충전 및 방전의 진행에 따라 큰 변화 없이 유사한 특성을 나타낸다. 그러나, 배터리 온도는 충전 및 방전의 진행에 따라 전반적으로 상승하는 경향을 나타낸다. 배터리 충전 및 방전 초기에는 가파른 온도 증가를 보이고, 그 이후에 온도 증가가 둔화되는 경향이 나타난다. 또한, 충전과 방전 과정에서 발열과 흡열 반응이 함께 나타났다. 발열과 흡열 경향의 변화가 있는 배터리 SOC경계를 대략적으로 파악하여 붉은 선으로 표현하였다. 이러한 영역의 구분은 상기 도 28에서 도시한 4개로 구분된 엔트로피 영역의 경계와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 배터리의 SOC가 5% 이하의 낮은 영역 중에도 배터리의 발열과 흡열의 경향성 변화로 볼 수 있는 유의미하게 구분이 되는 차이들이 나타나지만, 배터리의 SOC가 5% 이하의 낮은 영역은 배터리 내부 저항이 매우 높고 변화가 많은 영역이므로 동일한 영역으로 표현하였다.Referring to FIG. 31, in the charging and discharging of C 0.05, the battery voltage shows similar characteristics without a large change according to the progress of charging and discharging. However, the battery temperature tends to increase overall as charging and discharging progress. In the early stages of battery charging and discharging, the temperature increases rapidly, and then the temperature increase tends to slow down. In addition, exothermic and endothermic reactions appeared together during charging and discharging. The SOC boundary of the battery, which has a change in heat and endothermic tendencies, was roughly grasped and represented by a red line. It can be seen that the division of the region almost coincides with the boundary of the four entropy regions illustrated in FIG. 28. Even in areas where the SOC of the battery is lower than 5%, there are significant distinctive differences that can be seen as changes in the tendency of heat generation and heat absorption of the battery, but in the region where the SOC of the battery is lower than 5%, the internal resistance of the battery is very high and changes. Since is a large area, it is expressed as the same area.

도 31을 참조하면, 배터리의 열용량, 엔트로피, 내부저항, 비열, 중량을 적용하여 계산한 배터리 SOC 별 온도를 함께 도시하였다. 배터리 엔트로피와 내부 저항이 안정한 변화를 나타내는 SOC 0.1 내지 1.0 영역에 대해서는 실제 실험으로 측정된 결과 값과 유사한 경향을 가지는 의미도가 높은 계산 결과가 나타났다. 그러나 배터리 SOC 0.0 내지 0.1 영역에 대해서는 실험 측정 결과와 차이가 큰 계산 결과가 나타났다. SOC 0.0 내지 0.1영역에서는 배터리 엔트로피와 내부저항이 크게 변화하여 계산의 안정성이 낮아졌기 때문인 것으로 해석될 수 있다.Referring to FIG. 31, the temperature for each battery SOC calculated by applying the heat capacity, entropy, internal resistance, specific heat, and weight of the battery is also shown. In the SOC 0.1 to 1.0 region, where the battery entropy and internal resistance exhibited stable changes, a meaningful calculation result with a tendency similar to the value measured by actual experiments was found. However, for the SOC 0.0 to 0.1 region of the battery, calculation results with a large difference from the experimental measurement results were found. In the SOC 0.0 to 0.1 region, it can be interpreted that this is because the stability of the calculation is lowered due to a large change in battery entropy and internal resistance.

도 32내지 도 33을 참조하면, 각각은 C 0.3 및 C 0.5의 배터리 충전 및 방전에 따른 배터리 온도 및 개방회로전압을 실제 실험으로 측정한 결과 값과 배터리의 열용량, 엔트로피, 내부저항, 비열, 중량을 적용하여 계산한 배터리 SOC 별 온도를 함께 도시한다. 계산된 결과 값과 측정된 실험 값은 C 0.05에서뿐 만 아니라 C 0.3과 C 0.5에서도 매우 유사한 값을 가지는 것으로 확인할 수 있다. 이러한 매칭 경향성은 앤트로피, 비열, 내부저항 등의 열화학적 특성치의 계산 방법이 매우 정확하다는 것을 의미한다.32 to 33, respectively, the results of measuring the battery temperature and the open circuit voltage according to the battery charging and discharging of C 0.3 and C 0.5 by actual experiment and the heat capacity, entropy, internal resistance, specific heat, weight of the battery The temperature by battery SOC calculated by applying is also shown. It can be seen that the calculated result value and the measured experimental value have very similar values not only at C 0.05 but also at C 0.3 and C 0.5. This matching tendency means that the calculation method of thermochemical characteristics such as entropy, specific heat, and internal resistance is very accurate.

본 발명에 따른 배터리의 냉각을 통한 엔트로피 측정 방법은 배터리의 SOC별 엔트로피 특성을 보다 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.The method for measuring entropy through cooling of a battery according to the present invention has an effect of more accurately measuring entropy characteristics for each SOC of a battery.

그리고, 본 발명에 따른 배터리 온도 변화 계산 방법은 배터리의 충전과 방전의 C(배터리 용량에 대한 충전 전류 값의 비율(I/q0))에 따른 배터리의 온도 특성을 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.In addition, the method for calculating a change in battery temperature according to the present invention has an effect of accurately predicting a temperature characteristic of a battery according to C (ratio of charging current value to battery capacity (I / q 0 )) of charging and discharging of the battery. .

또한, 본 발명에 따른 배터리 온도 변화 계산 방법은 측정된 단열 상태의 열화학 특성을 이용하여 물리적으로 측정이 불가능한 배터리 내부의 온도 정보를 알 수 있도록 하는 효과가 있고, 배터리의 안전한 운전을 위한 전류 범위를 설정할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 배터리를 사용하는 제반 장치와 장비들을 보다 안전하게 사용하기 위한 방열 방안을 마련할 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, the method for calculating a change in battery temperature according to the present invention has an effect of making it possible to know the temperature information inside a battery that is physically impossible to measure by using the measured thermochemical characteristics of the adiabatic state, and the current range for safe operation of the battery. It has the effect of being able to set, and it has an effect of providing a heat dissipation method for more safely using various devices and equipments using batteries.

그리고 또, 본 발명에 따른 배터리 온도 변화 계산 방법은 배터리의 충전 또는 방전에 대한 배터리의 발열 관계식을 매우 정확하게 제공하여, 배터리의 열적 거동을 예측하는 다양한 물리 프로그램에 응용될 수 있는 효과가 있고, 배터리와 배터리의 소비 전력에 관한 관계를 규명하는 분야에서도 활용될 수 있는 효과가 있다.In addition, the method for calculating a change in battery temperature according to the present invention provides an exothermic relationship of the battery to the charging or discharging of the battery very accurately, and has an effect that can be applied to various physical programs for predicting the thermal behavior of the battery. And it has an effect that can be used in the field to identify the relationship about the power consumption of the battery.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential features of the present invention.

본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.The scope of the invention should be determined by rational interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the invention are included in the scope of the invention.

Claims (8)

배터리를 기 설정된 SOC(STATE OF CHARGE)로 충전하는 단계;
배터리를 냉각시키는 단계;
냉각 과정에서 배터리의 온도 및 개방회로전압(OCV; OPEN CIRCUIT VOLTAGE)을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 배터리의 온도 및 개방회로전압을 이용하여 배터리의 엔트로피(ENTROPY)를 산출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 엔트로피 측정 방법.
Charging the battery with a predetermined SOC (STATE OF CHARGE);
Cooling the battery;
Measuring a temperature and an open circuit voltage (OCV; OPEN CIRCUIT VOLTAGE) of the battery during the cooling process; And
Calculating an entropy of the battery using the measured battery temperature and an open circuit voltage;
Battery entropy measurement method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 배터리를 기 설정된 SOC로 충전하는 단계는,
상기 배터리를 상기 기 설정된 SOC로 방전하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 엔트로피 측정 방법.
According to claim 1,
Charging the battery with a predetermined SOC,
Method for measuring the battery entropy, characterized in that the step of discharging the battery to the predetermined SOC.
제1항에 있어서,
배터리를 기 설정된 SOC(STATE OF CHARGE)로 충전하는 단계 이후에,
배터리를 기 설정된 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 엔트로피 측정 방법.
According to claim 1,
After the step of charging the battery with a predetermined SOC (STATE OF CHARGE),
Method for measuring battery entropy further comprising the step of heating the battery to a predetermined temperature.
제1항에 있어서,
상기 배터리를 냉각시키는 단계는,
상기 배터리를 상온에서 열 평형 상태에 도달할 때까지 서서히 냉각시키는 것을 특징으로 하는 배터리 엔트로피 측정 방법.
According to claim 1,
The step of cooling the battery,
A method for measuring battery entropy, characterized in that the battery is gradually cooled from room temperature to a thermal equilibrium state.
제4항에 있어서,
상기 배터리를 냉각시키는 단계는,
단열 상태에서 서서히 자연 냉각시키는 것을 특징으로 하는 배터리 엔트로피 측정 방법.
The method of claim 4,
The step of cooling the battery,
A method for measuring battery entropy, characterized by gradually cooling naturally in an adiabatic state.
제1항에 있어서,
상기 측정된 배터리의 온도 및 개방회로전압을 이용하여 배터리의 엔트로피를 산출하는 단계에서,
상기 엔트로피는 수학식 1에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 엔트로피 측정 방법.
(수학식 1)
Figure pat00017

(여기서, S는 엔트로피, OCV는 개방회로전압, T는 온도, n은 전지 반응에서 이동하는 전자의 몰수, F는 패러데이 상수(96,500 C/mol) 이다)
According to claim 1,
In the step of calculating the entropy of the battery using the measured temperature and the open circuit voltage of the battery,
The entropy is a battery entropy measurement method, characterized in that calculated by the equation (1).
(Equation 1)
Figure pat00017

(Where S is the entropy, OCV is the open circuit voltage, T is the temperature, n is the number of electrons moving in the cell reaction, F is the Faraday constant (96,500 C / mol))
제1항에 있어서,
상기 기 설정된 SOC를 0 내지 1의 범위 내에서 변화시키면서 상기 배터리의 온도 및 개방회로전압을 측정하여 상기 배터리의 엔트로피를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 엔트로피 측정 방법.
According to claim 1,
Battery entropy measurement method characterized in that to calculate the entropy of the battery by measuring the temperature and the open circuit voltage of the battery while changing the predetermined SOC within the range of 0 to 1.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
배터리의 정전류 충전 또는 정전류 방전 전의 배터리의 초기 온도에 대한 배터리의 정전류 충전 또는 정전류 방전 후의 배터리의 종료 온도는 상기 측정된 엔트로피를 이용하여, 수학식 2에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 변화 계산 방법.
(수학식 6)
Figure pat00018

(여기서, T1은 배터리 충전 또는 방전 전 초기 온도(K,℃), T2는 배터리 충전 또는 방전 후 종료 온도(K,℃), T는 배터리의 온도(K,℃), M는 배터리 질량(g), Cp는 배터리 비열(J/g.K or Wh/g.K), I는 배터리 전류(A, discharge (+), charge (-)), C 는 배터리 용량(q0)에 대한 충전 전류 값(I)의 비율(h-1, discharge (+), charge (-)), q0는 배터리 전기 용량(Ah, 3600coulomb(Asec)), Ri는 배터리 내부 저항(ohm, Ω), ΔS는 배터리 엔트로피(J/mol.K or Wh/mol.K), F는 패러데이 상수(C/mol, Ah/mol), SOC는 state of charge(dimensionless), d(SOC)는 SOC 미분 값 이다)
According to any one of claims 1 or 2,
Calculating the change in battery temperature, characterized in that the end temperature of the battery after the constant current charge or constant current discharge of the battery relative to the initial temperature of the battery before the constant current charge or constant current discharge of the battery is calculated by Equation 2 using the measured entropy Way.
(Equation 6)
Figure pat00018

(Where T1 is the initial temperature before charging or discharging the battery (K, ℃), T2 is the ending temperature after charging or discharging the battery (K, ℃), T is the temperature of the battery (K, ℃), and M is the battery mass (g ), Cp is the specific heat of the battery (J / gK or Wh / gK), I is the battery current (A, discharge (+), charge (-)), C is the charging current value (I) for the battery capacity (q 0 ) The ratio of (h-1, discharge (+), charge (-)), q0 is the battery capacity (Ah, 3600coulomb (Asec)), Ri is the battery internal resistance (ohm, Ω), ΔS is the battery entropy (J / mol.K or Wh / mol.K), F is Faraday constant (C / mol, Ah / mol), SOC is state of charge (dimensionless), d (SOC) is SOC derivative value)
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