KR20210099939A - 리튬 플레이팅 검출 방법, 이를 이용한 배터리 관리 방법 및 장치 - Google Patents

리튬 플레이팅 검출 방법, 이를 이용한 배터리 관리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

차량용 배터리와 같이 사용 중 음극의 전위만 따로 잴 수 없는 경우에도 이용할 수 있고, 배터리 해체가 필요하지 않은, 리튬 플레이팅 검출 방법과, 이러한 리튬 플레이팅 검출 방법을 이용해 배터리에서 리튬 플레이팅 발생 여부를 확인하고 이에 따라 안전 진단을 할 수 있는 배터리 관리 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 리튬 플레이팅 검출 방법은 배터리의 매 충/방전 사이클마다 상기 배터리 만충전 후 개방회로전압(OCV: open circuit voltage)과 만방전 후 OCV를 검출하고 각각 누적해 트래킹하는 단계; 및 상기 만충전 후 OCV 및 만방전 후 OCV 트래킹 결과를 가지고 상기 배터리에서의 리튬 플레이팅 발생 여부를 판정하는 단계를 포함하며, 상기 트래킹 결과 중 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족하는 구간을 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하는 구간이라고 판단한다.

Description

리튬 플레이팅 검출 방법, 이를 이용한 배터리 관리 방법 및 장치{Detection method of lithium plating, method and apparatus for battery managing using the same}
본 발명은 배터리 관리 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬이온 배터리 내부에서의 리튬 플레이팅 발생 여부를 비파괴적인 방법으로 판단하는 방법과 이러한 방법을 이용하여 배터리의 안전진단을 할 수 있는 배터리 관리 방법 및 장치에 관한 것이다.
근래에는, 노트북, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전동카트, 전동 휠체어, 전동 자전거 등의 수요도 늘어남에 따라 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 최근에는 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 전 세계적으로 하이브리드 전기 자동차(HEV)와 전기 자동차(EV)에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이에 따라 HEV나 EV의 핵심적 부품인 차량용 배터리에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있다.
이러한 고성능 배터리, 그리고 차량용 배터리로는 리튬이온 배터리가 가장 현실적인 기술이다. 리튬이온 배터리는 음극과 양극에서 리튬 이온의 삽입과 탈리를 반복하면서 전지 작용을 한다. 전극 사이에 리튬 이온은 이동하나 전자는 이동하지 못하는 리튬염 함유 전해액이 있다.
이와 같은 배터리는 고 용량화, 고밀도화 측면에서 많은 연구가 진행되고 있지만 수명과 안전성 향상 측면도 중요하다. 이를 위해서는 전극 표면에서 전해액과의 분해반응 억제가 필요하고, 과충전/방전이 되지 않도록 해야 한다. 특히 음극 표면에 리튬이 석출되지 않도록 할 필요, 이른바 리튬 플레이팅을 방지할 필요가 있다. 리튬이 석출되면 전해액과의 부반응, 배터리의 운동역학적 균형(kinetic balance) 변경 등을 초래하여 용량 손실 등 배터리 퇴화의 원인이 되고 배터리의 수명에도 영향을 끼치며 과충전 조정기능을 상실하는 안전상 문제가 있기 때문이다.
그러나, 기존에는 배터리에 대해 실시간으로 리튬 플레이팅 발생 여부를 알기 매우 어렵다. 기존에 음극에서의 리튬 플레이팅 발생 여부를 비파괴적으로 검출하는 기술로는 저온에서의 방전, 열 용량 분석, 두께 증가 분석 등이 있다. 그러나 이는 모두 배터리가 사용되는 환경에서 측정하는 것이 아니다. 따라서, 배터리가 실제 사용되는 환경에서 실시간으로 리튬 플레이팅을 검출할 수 있는 기술을 확보해야 한다.
종래에는 충전하는 동안의 음극 전위 관찰을 통해 음극 전위 그래프에서 변곡점이 발생하는 시점을 리튬 플레이팅이 발생하는 시점이라고 판단하는 방법도 제안되어 있다. 하지만 배터리의 실제 사용환경에서는 음극 전위만을 따로 알 길이 없다. 그리고, 음극 전위 관찰을 위해 해체된 배터리는 다시 사용하지 못하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 차량용 배터리와 같이 사용 중 음극의 전위만 따로 잴 수 없는 경우에도 이용할 수 있고, 배터리 해체가 필요하지 않은, 리튬 플레이팅 검출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 리튬 플레이팅 검출 방법을 이용해 배터리에서 리튬 플레이팅 발생 여부를 확인하고 이에 따라 안전 진단을 할 수 있는 배터리 관리 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 리튬 플레이팅 검출 방법은 배터리의 매 충/방전 사이클마다 상기 배터리 만충전 후 개방회로전압(OCV: open circuit voltage)과 만방전 후 OCV를 검출하고 각각 누적해 트래킹하는 단계; 및 상기 만충전 후 OCV 및 만방전 후 OCV 트래킹 결과를 가지고 상기 배터리에서의 리튬 플레이팅 발생 여부를 판정하는 단계를 포함하며, 상기 트래킹 결과 중 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족하는 구간을 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하는 구간이라고 판단한다.
바람직하게, 상기 배터리의 매 충/방전 사이클마다 상기 배터리 쿨롱효율을 계산하고 누적해 트래킹하는 단계를 더 포함하여, 상기 트래킹 결과 중 쿨롱효율이 감소되는 조건까지 만족하는 구간을 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하는 구간이라고 판단한다.
본 발명에 따른 배터리 관리 방법은 이러한 리튬 플레이팅 검출 방법을 이용한다.
이 방법은 (a)배터리의 최초 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV를 검출하여 기록하는 단계; (b)상기 배터리의 다음 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV를 검출하여 기록하는 단계; 및 (c)직전에 검출하여 기록한 만충전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만충전 후 OCV를 비교하고, 직전에 검출하여 기록한 만방전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만방전 후 OCV를 비교하여, 각각의 증가, 감소, 유지 여부를 판단하는 단계;를 포함하고, 상기 (b) 단계와 (c) 단계를 차례로 여러 번 반복하여 수행하며, 상기 (c) 단계에서 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단한다.
상기 (a) 및 (b) 단계에서 상기 배터리의 쿨롱효율을 계산하여 더 기록하며, 상기 (c) 단계에서 직전에 기록한 쿨롱효율과 새로 기록한 쿨롱효율을 비교하여 증가, 감소, 유지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며, 상기 (c) 단계에서 쿨롱효율이 감소되는 조건까지 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단하면 바람직하다.
본 발명에 따른 배터리 관리 방법에서 상기 배터리는 전기자동차에 탑재된 배터리이고, 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단되면 사용자에게 경고점으로 사용한다.
그리고, 상기 (b) 단계와 (c) 단계를 여러 번 반복하여 수행하는 중에 총 누적 에너지가 보증하는 것의 1%에 도달할 때마다 상기 배터리의 OCV 측정을 하는 단계를 더 포함하면 바람직하다. 이 때, 상기 배터리의 OCV 측정은 SOC 0-100%까지 0.05C로 충전방향으로 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 관리 방법에서는, 상기 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 시점 이후부터 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 유지되기 시작하는 시점까지가 리튬 플레이팅 발생 구간이고, 상기 리튬 플레이팅 발생 구간에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 상기 만충전 후 OCV가 감소하고 상기 만방전 후 OCV가 증가하면 배터리 사용불가라고 판단할 수 있다.
마찬가지로, 상기 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 시점 이후부터 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 유지되는 시점까지가 리튬 플레이팅 발생 구간이고, 상기 리튬 플레이팅 발생 구간에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 상기 만충전 후 OCV가 감소하고 상기 만방전 후 OCV가 증가하며 쿨롱효율이 감소하면 배터리 사용불가라고 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 방법에서, 상기 배터리의 만방전 전에 방전이 종료된 경우에는 방전 종료 후 OCV를 측정한 다음 외삽법으로 만방전 후 OCV를 추정하여 기록할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 본 발명에 따른 배터리 관리 방법을 수행하기에 적합한 장치이다.
이 장치는 배터리의 매 충/방전 사이클마다 상기 배터리 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV를 검출하는 검출부; 상기 검출부에서 검출한 결과를 각각 누적해 기록하는 저장부; 및 직전에 검출하여 기록한 만충전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만충전 후 OCV를 비교하고, 직전에 검출하여 기록한 만방전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만방전 후 OCV를 비교하여 각각의 증가, 감소, 유지 여부를 판단하는 판단부를 포함하고, 상기 판단부는 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단한다.
상기 저장부는 상기 배터리의 매 충/방전 사이클마다 쿨롱효율을 더 누적해 기록하며, 상기 판단부는 전에 기록한 쿨롱효율과 새로 기록한 쿨롱효율을 비교하여 증가, 감소, 유지 여부를 더 판단하며, 상기 판단부는 상기 쿨롱효율이 감소되는 조건까지 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단할 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치에서, 상기 배터리는 전기자동차에 탑재된 배터리이고, 상기 판단부에 의해 상기 배터리에 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단되면 사용자에게 경보를 발할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치에서, 상기 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 시점 이후부터 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 유지되기 시작하는 시점까지가 리튬 플레이팅 발생 구간이고, 상기 판단부는 상기 리튬 플레이팅 발생 구간에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 상기 만충전 후 OCV가 감소하고 상기 만방전 후 OCV가 증가하면 배터리 사용불가라고 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치에서, 상기 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 시점 이후부터 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 유지되는 시점까지가 리튬 플레이팅 발생 구간이고, 상기 판단부는 상기 리튬 플레이팅 발생 구간에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 상기 만충전 후 OCV가 감소하고 상기 만방전 후 OCV가 증가하며 쿨롱효율이 감소하면 배터리 사용불가라고 판단할 수도 있다.
상기 검출부는 상기 배터리의 만방전 전에 방전이 종료된 경우에는 방전 종료 후 OCV를 측정한 다음 외삽법으로 만방전 후 OCV를 추정하여 기록할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는, 상기 판단부에 의해 배터리 사용불가라고 판단되었을 때 상기 배터리의 충전을 일시정지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 리튬이온 배터리가 실제 사용되는 환경에서 실시간으로 리튬 플레이팅을 검출할 수 있다. 이 방법은 비파괴적이고 실시간 검출이 가능할 뿐 아니라, 실제 사용되는 환경에서 검출이 가능하므로 배터리의 상태를 정확히 판단할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 방법은 배터리의 셀 뿐만 아니라, 모듈/팩에서도 적용 가능한 방법이므로, 셀/모듈/팩의 분해없이 리튬 플레이팅의 발생 여부를 파악할 수 있다. 실제 전기자동차 구동시에 발생할 수 있는 리튬 플레이팅을 확인하고 사용자에게 위험신호를 보냄으로써 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 배터리의 사용 중에 배터리의 상태를 정확하고 편리하게 검지할 수 있으며, 리튬 플레이팅과 같은 상황시 빠른 대처가 가능해 퇴화된 배터리를 마냥 사용함에 따라 발생될 수 있는 사고를 미연에 방지하는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 배터리 만충전 후의 동일 시간에서의 OCV를 트래킹한 그래프이다.
도 2는 배터리 만방전 후 동일 시간에서의 OCV를 트래킹한 그래프이다.
도 3은 배터리 충/방전 쿨롱효율을 트래킹한 그래프이다.
도 4는 배터리에서 SoC에 따른 음극, 양극 전위와 풀 셀 전압을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에 대한 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 나타내는 순서도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
이하에서 설명되는 실시예에 있어서, 배터리는 리튬이온 배터리를 일컫는다. 여기서, 리튬이온 배터리라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 배터리를 총칭한다.
한편, 배터리에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 배터리를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 배터리의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 배터리의 명칭이 변경되더라도 리튬이온이 작동 이온으로 사용되는 배터리라면 모두 상기 리튬이온 배터리의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 배터리는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 배터리는 하나의 포장재 내에 양극/분리막/음극의 조립체 및 전해질이 포함된 단일 셀을 비롯하여 단일 셀의 어셈블리, 다수의 어셈블리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 모듈, 다수의 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 팩, 다수의 팩이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 전지 시스템 등도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
배터리의 수명이란 배터리를 얼마나 오랫동안 사용할 수 있는가를 나타내는 척도이고 단위는 횟수(사이클)로 나타내며, 이를 사이클 특성이라고도 한다. 즉, 배터리를 몇 번이나 충전하여 사용할 수 있는가를 나타내며, 전기적인 에너지의 의미로는 배터리를 1회 충전하여 완전히 방전이 일어날 정도까지 사용하였을 때를 1 사이클이라 하고 이 사이클의 횟수를 수명이라고 한다.
본 발명에서는 셀/모듈/팩에 상관없이 배터리의 만충전 후의 동일 시간에서의 OCV를 트래킹(tracking)한다. 만방전 후의 동일 시간에서의 OCV도 트래킹한다. 여기에 충/방전 쿨롱효율까지 트래킹하면 리튬 플레이팅 발생 여부를 더 정확히 판단할 수 있다.
본 발명의 특징은 한 번의 사이클에서의 전압 프로파일(profile)을 분석하는 것이 아니라, 사이클을 누적하면서 충전의 마지막 부분의 전압과, 방전의 마지막 부분의 전압을 각각 누적하여 관찰함으로써 리튬 플레이팅이 몇번째 사이클에서 발생하기 시작했는지까지도 판단할 수 있다는 데에 있다.
이하에서는 리튬 플레이팅이 발생한 경우의 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV, 쿨롱효율 트래킹 그래프를 가지고 본 발명의 리튬 플레이팅 검출 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 배터리 만충전 후의 동일 시간에서의 OCV를 트래킹한 그래프이다. 도 2는 배터리 만방전 후 동일 시간에서의 OCV를 트래킹한 그래프이다. 도 3은 배터리 충/방전 쿨롱효율을 트래킹한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 배터리 만충전 후의 동일 시간에서의 OCV를 트래킹한다. 1회째의 충전, 충전 종료 후 일정한 제1 시간이 흘러 안정화된 뒤 OCV 측정, 1회째의 방전, 방전 종료 후 일정한 제2 시간이 흘러 안정화된 뒤 OCV 측정, 2회째의 충전, 충전 종료 후 상기 제1 시간이 흘러 안정화된 뒤 OCV 측정, 2회째의 방전, 방전 종료 후 상기 제2 시간이 흘러 안정화된 뒤 OCV 측정 등과 같이 사이클을 돌리는 과정에서 만충전 후 OCV만을 사이클 횟수 또는 시간에 대해 누적해서 그리면 도 1과 같이 만충전 후 OCV 변화를 나타내는 트래킹 그래프를 얻을 수 있다. 도 1에서는 사이클 횟수(cycle number)에 대한 전압(voltage) 그래프로 나타내었다. 제1 시간과 제2 시간은 같거나 다를 수 있다. 배터리의 종류에 따라 달라질 수 있지만 대략 30분에서 1시간일 수 있다.
도 2를 참조하면, 배터리 만방전 후의 동일 시간에서의 OCV를 트래킹한다. 앞서 설명한 대로, 1회째의 충전, 충전 종료 후 일정한 제1 시간이 흘러 안정화된 뒤 OCV 측정, 1회째의 방전, 방전 종료 후 일정한 제2 시간이 흘러 안정화된 뒤 OCV 측정, 2회째의 충전, 충전 종료 후 상기 제1 시간이 흘러 안정화된 뒤 OCV 측정, 2회째의 방전, 방전 종료 후 상기 제2 시간이 흘러 안정화된 뒤 OCV 측정 등과 같이 사이클을 돌리는 과정에서 만방전 후 OCV만을 사이클 횟수 또는 시간에 대해 누적해서 그리면 도 2와 같이 만방전 후 OCV 변화를 나타내는 트래킹 그래프를 얻을 수 있다. 도 2에서는 사이클 횟수(cycle number)에 대한 전압(voltage) 그래프로 나타내었다.
만충전하면 전류 적산 등의 방법을 통해 충전 용량을 계산할 수 있고, 만방전하면 역시 같은 방법을 통해 방전 용량을 계산할 수 있다. 충전 용량과 방전 용량의 비율로부터 쿨롱효율이 매 사이클마다 계산될 수 있다. 이것을 사이클 횟수 또는 시간에 대해 누적해서 그리면 도 3과 같이 쿨롱효율 변화를 나타내는 트래킹 그래프를 얻을 수 있다. 도 3에서는 사이클 횟수(cycle number)에 대한 쿨롱효율(Columb efficiency, %) 그래프로 나타내었다.
사용 초기에는 리튬 플레이팅이 없다가 사용 도중에 생기기 시작하면 충방전 사이클이 진행될수록 충전 종료 후 OCV가 떨어진다. 이러한 특징은 리튬 플레이팅이 발생되면 나타나는 것이기는 하나 이 하나만의 특징으로는 확실히 리튬 플레이팅이라고 단정지을 수 없기 때문에 본 발명에서는 만방전 후의 동일 시간에서의 OCV를 같이 관찰, 트래킹함으로써 이 현상이 정말 리튬 플레이팅에 의한 것인지를 확인하는 것을 제안한다. 이러한 방법에 따르면, 몇 번째 사이클부터 리튬 플레이팅이 발생했는지도 알 수 있게 된다. 여기에 충/방전 쿨롱효율도 같이 관찰, 트래킹한다면 리튬 플레이팅 검출의 정확도를 높일 수 있다.
본 발명자들은 충/방전 사이클을 돌리면서 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV, 충/방전 쿨롱효율을 동일 시점에서 측정해 기록한 결과, 리튬 플레이팅이 발생하지 않은 경우에는 사이클이 증가하여도 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV 및 쿨롱효율이 약간씩 감소할 뿐임을 확인했다. 특히 단기간으로 보면 거의 유지되는 것 같은 경향을 나타냄을 확인하였다. 하지만 리튬 플레이팅이 발생하는 경우에는 각 트래킹 그래프를 사이클 진행에 따라 다음 다섯 단계 또는 다섯 구간으로 나눌 수 있음을 알게 되었고 본 발명을 제안하기에 이르렀다.
제1 단계:
도 1 내지 도 3에 나타낸 본 실시예의 경우 사이클 대략 10까지(구간 1) 만충전 후 OCV는 증가, 만방전 후 OCV는 감소, 쿨롱효율은 증가한다. 이 사이클 횟수는 절대적인 것은 아니다.
리튬 플레이팅이 발생함에 따라, 음극의 고전위 영역을 사용하지 않게 되고, 대신에 사이클 초기 음극의 팽창으로 확산 저항이 감소함에 따라 방전 용량이 충전 용량대비 증가한다. 따라서 실제 방전 용량은 리튬 플레이팅에 의해 감소하지만 쿨롱효율이 증가하는 것처럼 보인다. 그래서 정상 셀에서도 초기의 차이는 있지만 약간의 방전 후 OCV 감소와 충전 후 OCV 증가가 나타난다. 충전 OCV가 증가하는 이유는 양극 고전위 사용 영역이 증가하기 때문이다.
도 4는 배터리에서 SoC(충전상태, state of charging)에 따른 음극, 양극 전위(potential)와 풀 셀 전압을 나타낸 그래프이다. Eh 4에서 NE는 음극 전위, PE는 양극 전위, FC는 풀 셀 전압을 나타낸다. 도 4와 같이, 리튬 플레이팅이 발생한 경우에 있어서 대략 SoC 90% 이후의 음극 영역을 사용하지 않도록 바뀌는 경우가 있다. 이 때에는 음극의 영역을 사용하지 않는 대신 양극의 영역을 사용해야 한다. 충전 후 OCV는 양극의 영향이 크기 때문에 양극 전압이 높아져 OCV도 증가하는 것이다. 대신 음극은 방전할 때에 사용하는 영역이 많아진다. 방전 후 OCV는 양/음극 둘 다의 영향을 받지만 음극의 영향이 더 크다. 방전시 음극의 전압이 높아져 셀 OCV는 감소하게 된다.
제2 단계:
사이클 대략 10-30까지(도 1 내지 도 3에서 구간 2) 만충전 후 OCV는 유지, 만방전 후 OCV는 유지, 쿨롱효율은 유지한다. 이 사이클 횟수는 절대적인 것은 아니다.
방전 후 OCV는 음극의 확산 저항 감소가 더 이상 일어나지 않아 OCV의 추가적인 감소와 쿨롱효율의 변화가 일어나지 않게 된다. 이 구간에서는 리튬 플레이팅이 계속 발생하지만 충전량만큼 방전이 되기 때문에 (양 자체는 감소한다) 마치 안정한 것처럼 보인다. 이 구간은 앞의 구간에서 발생한 리튬 플레이팅으로 인하여 음극의 고전위 사용영역이 감소하고, 양극의 고전위 사용영역이 증가하면서 고전위 사용영역이 증가할수록 양극의 OCV 기울기가 급격해 커지기 때문에 리튬 플레이팅이 발생하는 정도가 처음 구간보다 감소하게 된다. 양극의 고전위 사용영역이 거의 증가하지 않고 대부분 양극 제한으로 동일 지점에서 종료가 되면서 충전 후 OCV가 유지가 되고, 방전 용량이 동일하게 나옴으로써 방전 후 OCV도 유지된다.
제3 단계:
사이클 대략 30-60까지(도 1 내지 도 3에서 구간 3) 만충전 후 OCV는 감소, 만방전 후 OCV는 감소, 쿨롱효율은 감소한다. 리튬 플레이팅이 본격적으로 발생하기 시작하는 구간으로서 이를 본 발명에 따른 리튬 플레이팅 검출 방법에서는 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하는 구간이라고 판단한다. 그리고, 이 방법을 이용한 배터리 관리 방법 및 장치에서는 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하였음을 알리는 경고점으로 사용가능하다. 이 사이클 횟수는 절대적인 것은 아니다.
사이클이 진행됨에 따라 양극의 저항증가가 나타나 충전 OCV가 감소하게 되고, 충전 OCV가 감소함에 따라 음극의 방전 심도가 깊어져 음극의 OCV는 감소하게 나타난다. 리튬 플레이팅이 되는 양은 도 3의 쿨롱효율의 기울기로부터 알 수 있으며 해당 구간에서 그래프가 선형으로 나타나는 것으로 보아 일정하게 발생하고 있음을 알 수 있다. 이 구간에 도달하면 리튬 플레이팅이 본격적으로 발생하기 시작하는 경고점으로 사용하여, 예를 들면 배터리가 탑재된 차량의 운행자 등 이용자에게 알림을 하는 데에 이용할 수 있다.
제4 단계:
사이클 대략 60-100까지(도 1 내지 도 3에서 구간 4) 만충전 후 OCV는 유지, 만방전 후 OCV는 유지, 쿨롱효율은 감소한다. 이 사이클 횟수는 절대적인 것은 아니다.
양극의 저항 증가뿐 아니라 리튬 플레이팅으로 인한 부산물로 음극에도 저항증가가 발생함으로써 방전 후 OCV가 일정하게 나타나기 시작한다. 양극 쪽에서는 이미 저항증가가 많이 일어나 저항 증가폭이 줄어들어 충전 후 OCV는 일정하게 나타난다. 리튬 플레이팅은 계속 일어나고 있으며 이는 앞의 구간인, 30-60 사이클 구간과 유사한 수준이다.
제5 단계:
사이클 대략 100 이후(도 1 내지 도 3에서 구간 5) 만충전 후 OCV는 급격 감소, 만방전 후 OCV는 급격 증가, 쿨롱효율은 급격 감소한다. 여기서 '급격'이란, 제3 단계에서의 만충전 후 OCV 변화율, 만방전 후 OCV 변화율 및 쿨롱효율 변화율에 비하여 제5 단계에서의 만충전 후 OCV 변화율, 만방전 후 OCV 변화율 및 쿨롱효율 변화율이 더 크다는 것을 가리킨다. 이 사이클 횟수는 절대적인 것은 아니다. 이 구간은 본 발명에 따른 배터리 관리 방법 및 장치에서 더 이상 배터리를 사용하지 못하게 해야 하는 기준점으로 사용가능하다.
음극 저항 증가로 리튬 플레이팅의 발생이 더 급격하게 발생함으로써 쿨롱효율의 감소하는 기울기(즉, 변화율)는 제3 단계에서의 기울기보다 증가하고, 이로 인한 양/음극의 저항 증가 폭도 더 증가하게 되면서 충전 후 OCV도 급격하게 감소하고, 방전 후 OCV는 급격하게 증가한다. 이후에는 발생할 수 있는 리튬 플레이팅의 리튬 소스가 고갈되면서 쿨롱효율이 완화가 되지만, 이미 리튬 플레이팅이 많이 발생하였기 때문에 계속적인 부반응으로 충전 후 OCV는 계속 감소하고 방전 후 OCV는 증가한다. 이렇게 충방전 효율이 급격하게 감소하기 시작하는 지점은 더 이상 배터리를 사용하지 못하게 해야 하는 기준점으로 사용할 수 있다.
이상의 설명에서, 사이클 대략 10-30까지, 즉 구간 1, 2까지는 실제로 배터리의 사용 양태, 예를 들면 전기자동차를 어떻게 구동하느냐에 따라 나타나지 않을 수 있다. 하지만 그 이후의 트래킹 그래프 프로파일은 리튬 플레이팅이 발생하면 반드시 나타나는 것이다. 따라서 구간 1과 구간 2의 트래킹 그래프 프로파일은 참고치로 사용하고, 그 이후 구간 3 내지 5 의 트래킹 그래프 프로파일은 필수적인 요소로 사용하면 된다.
이상의 설명을 종합하면, 본 발명에 따른 리튬 플레이팅 검출 방법은, 배터리의 매 충/방전 사이클마다 상기 배터리 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV를 검출하고 각각 누적해 트래킹하는 단계; 및 상기 만충전 후 OCV 및 만방전 후 OCV 트래킹 결과를 가지고 상기 배터리에서의 리튬 플레이팅 발생 여부를 판정하는 단계를 포함하며, 상기 트래킹 결과 중 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족하는 구간을 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하는 구간이라고 판단한다.
바람직하게, 상기 배터리의 매 충/방전 사이클마다 상기 배터리 쿨롱효율을 계산하고 누적해 트래킹하는 단계를 더 포함하여, 상기 트래킹 결과 중 쿨롱효율이 감소되는 조건까지 만족하는 구간을 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하는 구간이라고 판단한다.
즉 본 발명에 따른 리튬 플레이팅 검출 방법은 도 1 내지 도 3과 같은 트래킹 그래프에서 "구간 3"이 나타날 때에 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한다고 판단하는 방법이라고 할 수 있다. 또한, "구간 5"와 같이 구간 3보다 만충전 후 OCV 변화율, 만방전 후 OCV 변화율 및 쿨롱효율 변화율이 각각 더 커지면서 만충전 후 OCV가 감소하고 만방전 후 OCV가 증가하며 쿨롱효율이 감소하는 구간이 나타나면 배터리 사용불가라고 판단하는 것이 이를 이용한 배터리 관리 방법이라고 할 수 있다.
본 발명은 초기에 기록한 정보대비 누적되는 정보에 따라 위험성을 판단하는 것이기 때문에, 각 만충전/만방전 후의 OCV와 용량(쿨롱효율 계산에 이용)을 계속하여 누적하여 저장하는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 배터리 관리 방법과 장치는 이러한 리튬 플레이팅 검출 방법을 이용한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에 대한 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리(B)의 리튬 플레이팅 발생 여부를 판단할 수 있는 장치로서 검출부(110)와 저장부(120)와 판단부(130)를 포함한다.
배터리(B)는 예를 들어 복수의 셀이 직렬/병렬로 연결된 모듈을 하나 이상 연결한 팩일 수 있다. 배터리(B)의 출력단자(PACK+, PACK-)는 예를 들어 자동차 시스템의 인버터와 연결될 수 있다.
판단부(130)는 논리 연산을 수행할 수 있는 프로세서를 포함하고, 특히 판단부(130)는 후술하는 방법에 따라 배터리(B)의 리튬 플레이팅 발생 여부를 판단하는 기능을 수행한다.
저장부(120)는, 전기적, 자기적, 광학적 또는 양자역학적으로 데이터를 기록하고 소거할 수 있는 저장매체이고, 비제한적인 예시로서, RAM, ROM 또는 레지스터일 수 있다.
바람직하게, 저장부(120)는 판단부(130)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 판단부(130)와 연결될 수 있다.
저장부(120)는 판단부(130)에 의해 실행되는 각종 로직을 포함하는 프로그램과 미리 정의된 파라미터들, 및/또는 상기 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거할 수 있다. 저장부(120)는 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 판단부(130) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
바람직하게, 판단부(130)는, 배터리(200)의 충전 상태 등을 알 수 있게 검출부(110)와 연결된다. 검출부(110)는 전압 측정부, 전류 측정부 등과 전기적으로 결합될 수 있다.
검출부(110)는 전압 측정부 및 전류 측정부를 가지고 이러한 배터리(B) 전류, 배터리(B) 전압, 배터리(B) 안의 각 셀 전압 등을 측정하여 저장부(120)나 판단부(130)에 전달할 수 있다. 특히 검출부(110)는 배터리(B)의 매 충/방전 사이클마다 배터리(B) 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV를 검출하여 저장부(120)나 판단부(130)에 전달한다. 검출부(110)는 배터리(B)의 만방전 전에 방전이 종료된 경우에는 방전 종료 후 OCV를 측정한 다음 외삽법으로 만방전 후 OCV를 추정하여 기록할 수 있다.
전압 측정부는 공지된 전압 측정 회로를 포함하고, 판단부(130)의 통제하에 시간 간격을 두고 배터리(B)의 전압을 주기적으로 측정하고, 측정된 전압 값을 판단부(130)로 출력할 수 있다. 그러면 판단부(130)는 주기적으로 입력되는 전압 측정 값을 저장부(120)에 저장할 수 있다.
전류 측정부는 센스 저항이나 홀 센서를 포함하고, 판단부(130)의 통제하에 시간 간격을 두고 배터리(B)의 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 측정하여 전류 측정 값을 판단부(130)로 출력할 수 있다. 그러면 판단부(130)는 주기적으로 입력되는 전류 측정 값을 저장부(120)에 저장할 수 있다. 이러한 전류 측정 값은 충전 용량 및 방전 용량의 계산, 그리고 쿨롱효율 계산에 이용이 될 수 있다.
즉 판단부(130)는, 소정 시간(t)마다 전류 측정부에 의해 센싱된 전류값(I)을 적산하여, 배터리(B)의 충전 전기량 및 방전 전기량을 산출하고, 산출된 충전 전기량 및 방전 전기량으로부터 배터리(B)의 충전 용량과 방전 용량을 계산한다. 또한, 판단부(130)는, 전류 적산과 동기시켜, 소정 시간(t)마다 전압 측정부에 의해 센싱된 배터리(B)의 전압(V)을 취득한다. 또한 만충전 후 제1 시간 경과 후의 OCV, 만방전 후 제2 시간 경과 후의 OCV도 취득한다.
이와 같이 충전 용량 및 방전 용량, 그리고 쿨롱효율, 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV는 계속 모니터링될 수 있다. 판단부(130)는 그 모니터링 결과를 가지고 리튬 플레이팅을 검출할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 리튬 플레이팅 검출 방법이 판단부(130)에 의해 수행이 되어, 판단부(130)는 배터리(B)에서 리튬 플레이팅이 발생하는지 여부를 판단할 수 있다.
이를 위해 저장부(120)는 검출부(110)에서 검출한 결과를 각각 누적해 기록할 수 있다. 배터리(B)의 매 충/방전 사이클마다의 배터리(B) 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV, 그리고 쿨롱효율은 저장부(120)에 누적하여 저장이 될 수 있다.
판단부(130)는 검출부(110)로부터 전달받은 배터리(B) 전류, 배터리(B) 전압, 배터리(B) 안의 각 배터리의 셀 전압 등에 기초하여 배터리(B)의 SoC, SoH(건강상태, state of health) 등을 추정하여 배터리(B)의 상태를 알려주는 정보를 생성하고, 이를 자동차 시스템의 ECU에 전달할 수도 있다. 그리고, 저장부(120)는 배터리 관리 장치(100)의 전원이 오프될 때, 현재의 SoC, SoH, 배터리(B) 전압, 배터리(B) 전류 등의 데이터들을 저장할 수도 있다.
판단부(130)는 통신 인터페이스(I/F, 140)와 결합될 수 있고, 현재의 SoC, SoH 등을 통신 인터페이스(140)를 통해서 외부 디바이스(미도시) 측으로 출력할 수 있다. 통신 인터페이스(140)는 입출력 단자(Tx, Rx)를 포함할 수 있다. 예를 들어 자동차 시스템의 ECU는 배터리 관리 장치(100)의 통신 인터페이스(140)를 통하여 판단부(130)로부터 전달되는 배터리(B)의 SoH를 전달받아 자동차의 계기판(미도시) 등의 표시장치에 표시되도록 할 수 있다.
특히 판단부(130)는 직전에 검출하여 기록한 만충전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만충전 후 OCV를 비교하고, 직전에 검출하여 기록한 만방전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만방전 후 OCV를 비교하여 각각의 증가, 감소, 유지 여부를 판단할 수 있다. 그 변화율도 계산할 수 있다. 그 판단과 계산 결과를 저장부(120)에 저장할 수도 있다. 그리고, 앞서 설명한 바와 같이, 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단한다. 또한, 쿨롱효율도 배터리(B)의 매 충/방전 사이클마다 누적해 기록할 수 있기 때문에 판단부(130)는 전에 기록한 쿨롱효율과 새로 기록한 쿨롱효율을 비교하여 증가, 감소, 유지 여부를 판단할 수 있다. 그 변화율도 계산할 수 있다. 그 판단과 계산 결과를 저장부(120)에 더 저장할 수 있다. 판단부(130)는 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족할 뿐 아니라 이러한 쿨롱효율이 감소되는 조건도 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단할 수 있다.
배터리(B)가 전기자동차에 탑재된 배터리라고 하면, 판단부(130)에 의해 배터리(B)에 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단되는 경우에는, 통신 인터페이스(140)를 통하여 판단부(130)로부터 전달되는 경보가 자동차 시스템의 계기판(미도시) 등의 표시장치에 '경고' 표시되도록 함으로써 사용자에게 경보를 발하도록 할 수 있다. 사용자는 경보를 취득해 배터리(B)에 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하였다는 것을 인지할 수 있다.
리튬 플레이팅이 발생한 배터리(B)의 트래킹 그래프는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 그려진다. 판단부(130)는 직전에 검출하여 기록한 만충전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만충전 후 OCV를 비교하고, 직전에 검출하여 기록한 만방전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만방전 후 OCV를 비교하며, 직전에 기록한 쿨롱효율과 새로 기록한 쿨롱효율을 비교하여 각각의 증가, 감소, 유지 여부를 판단하고 그 변화율까지도 계산할 수 있기 때문에, 도 1 내지 도 3과 같은 트래킹 그래프를 실시간으로 그리고 있는 것이나 마찬가지이다. 판단부(130)가 예를 들어 도 1 내지 도 3의 구간 3에서 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단한 이후에, 구간 3에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 상기 만충전 후 OCV가 감소하고 상기 만방전 후 OCV가 증가하며 쿨롱효율이 감소하는 것으로 판단하면, 즉 구간 5에 이르르면 배터리 사용불가라고 판단한다.
판단부(130)에 의해 배터리(B) 사용불가라고 판단되었을 때에는 배터리(B)의 충전을 일시정지하도록 할 수도 있다. 충전 일시정지는 배터리(B)의 충방전 회로에 대한 제어 명령을 통해 이루어지게 된다. 판단부(130)의 프로세서에 충방전 회로를 제어할 수 있도록 I/O 인터페이스를 더 포함시켜 이것을 통해 판단부(130)가 충방전 회로를 제어할 수 있도록 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는 배터리에서 BMS(battery management system)라고 불리는 시스템의 일부로서 포함될 수 있다. 특히 BMS의 MCU(main cotroller unit)에 판단부(130)가 구현이 될 수 있다. 또한, 상기 BMS는 배터리(B)가 제공하는 전기 에너지로 동작이 가능한 다양한 종류의 전기구동 장치에 탑재될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 전기구동 장치는, 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 모바일 컴퓨터 장치, 또는 디지털 카메라, 비디오 카메라, 오디오/비디오 재생 장치 등을 포함한 핸드 헬드 멀티미디어 장치일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 전기 구동 장치는, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 열차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같이 전기에 의해 이동이 가능한 전기 동력 장치, 또는 전기 드릴, 전기 그라인더 등과 같이 모터가 포함된 파워 툴일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전기 구동 장치는, 전력 그리드에 설치되어 신재생 에너지나 잉여 발전 전력을 저장하는 대 용량 전력 저장 장치, 또는 정전 등의 비상 상황에서 서버 컴퓨터나 이동 통신 장비 등을 포함한 각종 정보 통신 장치의 전원을 공급하는 무정전 전원 공급 장치일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
한편, 판단부(130)는, 본 명세서에 개시된 다양한 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 판단부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 저장부(120)에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 저장부(120)는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다.
그러면, 이하에서는, 상술한 구성을 바탕으로 도 6을 더 참조하여 본 발명에 따른 배터리 관리 방법을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 나타내는 순서도이다.
이러한 배터리 관리 방법을 수행하는 데에 도 5를 참조하여 설명한 배터리 관리 장치(100)를 이용할 수 있다.
도 6을 참조하면, 배터리의 최초 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV를 검출하여 기록한다(단계 s1). 이 단계에서는 상기 배터리의 쿨롱효율을 계산하여 더 기록할 수도 있다. 예를 들어 BOL(birth of life) 상태의 배터리가 탑재되어 전기 자동차가 출고된 이후, 사용자에 의한 최초 충/방전 사이클에서 이 BOL 상태의 배터리 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 검출되고, 이것이 기준점으로 이용이 된다. 초기에 기록한 정보대비 누적되는 정보에 따라 위험성을 판단하는 것이기 때문에, 각 만충전/만방전 후의 OCV와 용량(쿨롱효율 계산에 이용)을 계속하여 누적하여 저장하는 것이 중요하다.
다음으로 상기 배터리의 다음 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV를 검출하여 기록한다(단계 s2). 이 단계에서도 상기 배터리의 쿨롱효율을 계산하여 더 기록할 수도 있다. 상기 배터리의 만방전 전에 방전이 종료된 경우에는 방전 종료 후 OCV를 측정한 다음 외삽법으로 만방전 후 OCV를 추정하여 기록한다.
직전에 검출하여 기록한 만충전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만충전 후 OCV를 비교하고, 직전에 검출하여 기록한 만방전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만방전 후 OCV를 비교하여, 각각의 증가, 감소, 유지 여부를 판단한다(단계 s3). 여기서 변화율도 기록할 수 있다. 또한 이 단계에서는 직전에 기록한 쿨롱효율과 새로 기록한 쿨롱효율을 비교하여 증가, 감소, 유지 여부를 판단하고 그 변화율을 기록할 수도 있다.
단계 s3에서 만충전 후 OCV가 증가하고 만방전 후 OCV가 감소되며 쿨롱효율이 증가하는 경우 또는 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV, 쿨롱효율이 모두 유지되는 경우에는 도 1 내지 도 3을 설명한 바와 같이 구간 1과 구간 2에 해당하여 아직 리튬 플레이팅이 발생하기 전이므로 다음 단계로 넘어간다.
단계 s3에서 만약에 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 적어도 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단한다. 쿨롱효율이 감소되는 조건까지 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것이라는 판단의 정확성을 높일 수 있다. 이는 도 1 내지 도 3에서 구간 3에 해당한다. 여기에서와 같이 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단되면 사용자에게 경고점으로 사용한다(단계 s4).
이후 단계 s2와 단계 s3을 차례로 여러 번 반복하여 수행한다.
이들 단계를 여러 번 반복하여 수행하는 중에 총 누적 에너지가 보증하는 것의 1%에 도달할 때마다 상기 배터리의 OCV 측정을 하는 단계를 더 수행한다(단계 s5). 단계 s5에서 상기 배터리의 OCV 측정은 SoC 0-100%까지 0.05C로 충전방향으로 측정한다. 이러한 단계 s5는 배터리 정기 점검의 차원에서 수행하는 것이다. 자동차 사용자는 정비 센터에 가서 이러한 단계 s5를 수행할 수 있다.
이후에도 단계 s2와 단계 s3을 차례로 여러 번 반복하여 수행한다.
상기 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 시점 이후부터 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 유지, 그리고 쿨롱효율이 감소되는 경우는 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 같이 구간 3, 구간 4에 해당하여 리튬 플레이팅 발생 구간이다. 리튬 플레이팅 발생 구간이라고 판단되면 단계 s4를 수행한다. 만약 단계 s3에서 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV 및 쿨롱효율이 상기 리튬 플레이팅 발생 구간에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 각각 감소하고 증가하고 감소하면, 즉 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV, 쿨롱효율이 급격히 변화하면 도 1 내지 도 3에서 구간 5에 해당하므로, 배터리 사용불가라고 판단한다. 배터리 사용불가라고 판단되었을 때에는 사용자에게 경고점으로 사용하거나 배터리의 충전을 일시정지하도록 할 수 있다(단계 s6).
이와 같이, 본 발명에 따른 배터리 관리 방법은 본 발명에 따른 리튬 플레이팅 검출 방법 및 배터리 관리 장치를 이용해 리튬 플레이팅 발생 지점을 판단하여 이것을 경고점으로 삼아, 배터리 사용 중에 안전진단에 이용할 수 있도록 한다. 또한 배터리 사용불가라고 판단될 때에는 사용자에게 경고점으로 사용하거나 배터리의 충전을 일시정지하도록 하여 퇴화된 배터리를 마냥 사용하지 않도록 하여 안전 운용을 하게 한다.
도 6에 예시된 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
B : 배터리
100 : 배터리 관리 장치
110 : 검출부
120 : 저장부
130 : 판단부
140 : 통신 인터페이스

Claims (17)

  1. 배터리의 매 충/방전 사이클마다 상기 배터리 만충전 후 개방회로전압(OCV: open circuit voltage)과 만방전 후 OCV를 검출하고 각각 누적해 트래킹하는 단계; 및
    상기 만충전 후 OCV 및 만방전 후 OCV 트래킹 결과를 가지고 상기 배터리에서의 리튬 플레이팅 발생 여부를 판정하는 단계를 포함하며,
    상기 트래킹 결과 중 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족하는 구간을 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하는 구간이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 리튬 플레이팅 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 매 충/방전 사이클마다 상기 배터리 쿨롱효율을 계산하고 누적해 트래킹하는 단계를 더 포함하여, 상기 트래킹 결과 중 쿨롱효율이 감소되는 조건까지 만족하는 구간을 리튬 플레이팅이 발생하기 시작하는 구간이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 리튬 플레이팅 검출 방법.
  3. (a)배터리의 최초 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV를 검출하여 기록하는 단계;
    (b)상기 배터리의 다음 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV를 검출하여 기록하는 단계; 및
    (c)직전에 검출하여 기록한 만충전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만충전 후 OCV를 비교하고, 직전에 검출하여 기록한 만방전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만방전 후 OCV를 비교하여, 각각의 증가, 감소, 유지 여부를 판단하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b) 단계와 (c) 단계를 차례로 여러 번 반복하여 수행하며,
    상기 (c) 단계에서 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (a) 및 (b) 단계에서 상기 배터리의 쿨롱효율을 계산하여 더 기록하며, 상기 (c) 단계에서 직전에 기록한 쿨롱효율과 새로 기록한 쿨롱효율을 비교하여 증가, 감소, 유지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며,
    상기 (c) 단계에서 쿨롱효율이 감소되는 조건까지 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 배터리는 전기자동차에 탑재된 배터리이고,
    리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단되면 사용자에게 경고점으로 사용하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 (b) 단계와 (c) 단계를 여러 번 반복하여 수행하는 중에 총 누적 에너지가 보증하는 것의 1%에 도달할 때마다 상기 배터리의 OCV 측정을 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 배터리의 OCV 측정은 SOC 0-100%까지 0.05C로 충전방향으로 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 시점 이후부터 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 유지되기 시작하는 시점까지가 리튬 플레이팅 발생 구간이고, 상기 리튬 플레이팅 발생 구간에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 상기 만충전 후 OCV가 감소하고 상기 만방전 후 OCV가 증가하면 배터리 사용불가라고 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 시점 이후부터 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 유지되는 시점까지가 리튬 플레이팅 발생 구간이고, 상기 리튬 플레이팅 발생 구간에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 상기 만충전 후 OCV가 감소하고 상기 만방전 후 OCV가 증가하며 쿨롱효율이 감소하면 배터리 사용불가라고 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 배터리의 만방전 전에 방전이 종료된 경우에는 방전 종료 후 OCV를 측정한 다음 외삽법으로 만방전 후 OCV를 추정하여 기록하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  11. 배터리의 매 충/방전 사이클마다 상기 배터리 만충전 후 OCV, 만방전 후 OCV를 검출하는 검출부;
    상기 검출부에서 검출한 결과를 각각 누적해 기록하는 저장부; 및
    직전에 검출하여 기록한 만충전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만충전 후 OCV를 비교하고, 직전에 검출하여 기록한 만방전 후 OCV와 새로 검출하여 기록한 만방전 후 OCV를 비교하여 각각의 증가, 감소, 유지 여부를 판단하는 판단부를 포함하고,
    상기 판단부는 만충전 후 OCV가 감소되고 만방전 후 OCV가 감소되는 조건을 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 저장부는 상기 배터리의 매 충/방전 사이클마다 쿨롱효율을 더 누적해 기록하며, 상기 판단부는 전에 기록한 쿨롱효율과 새로 기록한 쿨롱효율을 비교하여 증가, 감소, 유지 여부를 더 판단하며,
    상기 판단부는 상기 쿨롱효율이 감소되는 조건까지 만족하면 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 배터리는 전기자동차에 탑재된 배터리이고,
    상기 판단부에 의해 상기 배터리에 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 것으로 판단되면 사용자에게 경보를 발하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 시점 이후부터 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 유지되기 시작하는 시점까지가 리튬 플레이팅 발생 구간이고, 상기 판단부는 상기 리튬 플레이팅 발생 구간에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 상기 만충전 후 OCV가 감소하고 상기 만방전 후 OCV가 증가하면 배터리 사용불가라고 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 리튬 플레이팅이 발생하기 시작한 시점 이후부터 상기 만충전 후 OCV와 만방전 후 OCV가 유지되는 시점까지가 리튬 플레이팅 발생 구간이고, 상기 판단부는 상기 리튬 플레이팅 발생 구간에서의 변화율보다 더 큰 변화율로 상기 만충전 후 OCV가 감소하고 상기 만방전 후 OCV가 증가하며 쿨롱효율이 감소하면 배터리 사용불가라고 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 검출부는 상기 배터리의 만방전 전에 방전이 종료된 경우에는 방전 종료 후 OCV를 측정한 다음 외삽법으로 만방전 후 OCV를 추정하여 기록하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 판단부에 의해 배터리 사용불가라고 판단되었을 때 상기 배터리의 충전을 일시정지하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
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