KR20210152668A - 사용후 배터리팩의 수명 추정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 배터리팩을 구성하는 각 배터리셀의 셀 전압을 측정하는 셀전압 측정부와, 상기 각 배터리셀을 충방전 반복하는 1회 싸이클의 시간을 제어하는 제어부를 포함하는 배터리팩의 수명 추정 장치에 있어서, 사전 설정된 방전 종료 시간동안 점차적으로 하향되어 가는 방전 최종전압의 추이 또는 방전 종지전압까지 지속되는 방전시간의 변화에 관한 정보를 기반으로 상기 배터리팩의 기대 수명(SOH : State Of Health)을 산출하는 SOH 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치가 제공된다. 본 발명에 의하면, 전기자동차 사용후 회수된 배터리에 대하여 짧은 시간동안 충방전 싸이클 시험을 통하여 방전종지전압의 변화 추이를 모니터링하여 기대 수명을 추정하기 때문에 재사용 여부를 판단하는 자료를 제공할 수 있고, 초기 사용되었던 이력이 확보되지 못한 배터리에 대해서도 객관적인 노후화 정도의 파악이 가능한 효과가 있다.

Description

사용후 배터리팩의 수명 추정 방법 및 장치{DEVICE AND METHOD FOR ESTIMATING LIFE EXPECTANCY OF A USED BATTERY PACK}

본 발명은 충전과 방전을 반복하는 시험을 기반으로 일정 정도 기간 동안 이미 사용된 배터리팩에 관한 기대 수명(SOH, State Of Health)을 추정하는 방법과 장치에 관한 것이다.

최근 환경 보호에 대한 관심도가 높아지면서 전기자동차(EV, HEV, PHEV)가 각광을 받고 있으며, 신재생에너지의 사용 확대 및 전력의 수요 증가로 인해 에너지 저장 장치(ESS)를 이용한 스마트 그리드 사업이 주목을 받고 있다.

이러한 전기자동차 및 신재생 에너지 분야를 포함한 산업 전반에서, 안정된 전원 공급과 충전이 가능한 2차 전지를 채택하여 활용하는 범위가 확산되고 있는 바, 이에 따라 배터리를 보다 효율적으로 사용하고 관리하기 위한 배터리 관리 시스템에 관한 기술의 중요성도 점차 증가되고 있다.

기본적으로 배터리는 충방전을 반복함에 따라 노화되며, 다른 여러 가지 요인(배터리의 온도, 충전방법, 전류변화, 방전심도(Depth of Discharge) 등)으로 인해 배터리의 노화는 더 빨리 진행되기도 한다. 배터리 관리 시스템이 배터리를 최적으로 관리하고 운영하기 위해서는 배터리의 노화에 따른 수명을 정확하게 추정할 필요가 있다. 특히, 배터리 관리 시스템이 배터리의 충전 또는 방전 출력 및 잔존 용량(State of Charging; SOC) 사용 전략을 적절하게 조정하기 위해서는 배터리의 수명(State of Health; SOH)을 정확하게 예측할 수 있어야 한다.

배터리의 수명을 추정하는 선행기술로는 다음과 같은 기술들이 있다.

선행기술 1로서 한국공개특허 제2015-0045600호 "배터리 시험기 및 그 제어방법"은, 배터리 충방전 횟수를 카운트하여 배터리 제조사가 보증한 충방전 횟수에 대비하여 해당 배터리의 노화도 및 수명을 예측하는 기술이다. 그러나 실제 기계장치에 사용하는 배터리는 완전한 충전과 완전한 방전 형태의 명확한 충방전 사이클로 종료되지 아니하며, 일부 충전한 상태로 방전하기도 하고, 일부 방전하다가 다시 충전하기도 하므로, 정확한 충방전 횟수의 카운팅이 불가능하다. 따라서, 배터리 충방전 횟수를 기반으로 하여 배터리의 노화도 및 수명을 정확하게 추정하기에는 한계가 있다.

선행기술 2로서 한국공개특허 제2011-0084633호 "배터리의 수명 예측 장치 및 방법"은, 배터리의 OCV-SOC Table을 사용하여 측정된 전압, 전류 및 온도에 해당하는 OCV(Open Circuit Voltage)와 SOC(State Of Charge)를 계산하며, 배터리의 일정시간 동안의 전류 적산량과 계산된 SOC를 이용하여 배터리의 수명을 예측한다. 그러나 이러한 선행기술 2는 배터리의 OCV-SOC 테이블이 배터리의 용량 열화 상태에 따라 달라질 수 있기 때문에, 배터리의 열화 상태에 따른 OCV-SOC 테이블의 불확실성으로 인해 배터리의 수명 추정값을 정확하게 추정하는 것이 불가능한 문제점이 있다.

선행기술 3으로서 한국등록특허 제0740113호 "배터리 수명 판정 방법 및 이를 이용한 배터리 관리시스템"은, 복수의 전지 셀이 하나의 팩으로 형성된 배터리 팩에 대해 팩 전류와 팩 전압을 측정하여 팩 내부저항을 산출하고, 산출된 팩 내부저항을 이용하여 해당 배터리 팩의 최대 출력을 산출하며, 산출된 최대 출력과 기준 출력을 비교하여 배터리의 수명을 추정한다.

선행기술 4로서 대한민국 공개출원 제2012-0075756호 "2차 전지의 잔존수명 연산 방법 및 장치"에서는, 전지의 내부저항, 잔존용량(SOC), 컨덕턴스 등의 파라미터를 이용하여 배터리의 수명을 산출하는 기술이 기재된다.

그러나, 배터리 전류와 배터리 전압을 기반으로 산출되는 내부저항은 실제 내부저항과 접촉저항으로 이루어지며, 이중 접촉저항은 배터리의 열화가 아닌 배터리와 배선의 접촉 상태에 따라 달라지기 때문에 전류와 전압을 기반으로 배터리의 열화에 따른 내부저항을 정확하게 계산하기는 매우 어렵다. 또한, 그 내부저항을 기반으로 잔존용량을 계산하거나 배터리의 수명을 정확하게 추정하기는 매우 어렵다.

선행기술 5, 대한민국 공개특허 10-2015-0084354 "배터리 팩의 수명추정 장치"는 배터리팩을 구성하는 셀 벨런싱이 이루어지는 횟수와 그 셀수를 기반으로 노후 정도를 유추하고 있다.

상기 배터리 수명추정 장치들은 제조사에서 배터리의 생산시 사용정도가 증가함에 따라 전지가 노후되는 것을 점차적으로 유추해가는 방법으로써 어떠한 용도로든 이미 1차 사용이 된 전지를 회수하여 기존의 사용 데이터가 없는 환경에서 잔존 수명을 예측하는 방법에는 적합하지 않으므로, 전지의 재사용을 위해서는 보다 신속 정확하고 신뢰도가 높은 배터리의 수명을 추정하는 방법이 필요하다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 일정 부분 사용되었던 배터리팩의 잔여 기대 수명 추정에 관한 것으로, 전기자동차 사용후 배터리를 재사용함에 있어 기대 수명을 짧은 시간내에 추정하여 재사용시 용도의 결정과 안전성을 확보하는 수명수명(SOH, State Of Health)을 추정하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 사용이력이 주어지지 않는 전기자동차에서 회수된 배터리팩의 기대 수명을 짧은 싸이클 시험을 통하여 유추하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리팩을 구성하는 각 배터리셀의 셀 전압을 측정하는 셀전압 측정부와, 상기 각 배터리셀을 충방전 반복하는 1회 싸이클의 시간을 제어하는 제어부를 포함하는 배터리팩의 수명 추정 장치에 있어서, 사전 설정된 방전 종료 시간동안 점차적으로 하향되어 가는 방전 최종전압의 추이 또는 방전 종지전압까지 지속되는 방전시간의 변화에 관한 정보를 기반으로 상기 배터리팩의 기대 수명(SOH : State Of Health)을 산출하는 SOH 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면 전기자동차 사용후 회수된 배터리에 대하여 짧은 시간동안 충방전 싸이클 시험을 통하여 방전종지전압의 변화 추이를 모니터링하여 기대 수명을 추정하기 때문에 재사용 여부를 판단하는 자료를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면 초기 사용되었던 이력이 확보되지 못한 배터리에 대해서도 객관적인 노후화 정도의 파악이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용후 배터리팩의 수명 추정 방법을 도시한 동작 흐름도이다.
도 3은 [전지 A]의 충방전 싸이클 150회 수행한 시험 그래프이다.
도 4는 [전지 B]의 충방전 싸이클 150회 수행한 시험 그래프이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 명세서 전체에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 이하, 도 1의 설명 과정에서 도 3 및 도 4를 함께 참조한다. 여기서, 도 3은 [전지 A]의 충방전 싸이클 150회 수행한 시험 그래프이고, 도 4는 [전지 B]의 충방전 싸이클 150회 수행한 시험 그래프이다.

도 1을 참조하면, 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치는, 셀 전압 측정부(210), 제어부(220), 이력 저장부(230), SOH 산출부(240)를 포함할 수 있다.

셀 전압 측정부(210)는 제어부(220)의 제어에 의해 사용후 배터리팩(10)에 관한 충방전 시험을 진행하는 동안 실시간으로 각 셀 전압을 측정할 수 있다. 이에 따라 획득된 셀 전압 측정값과 방전 시간은 이력 저장부(230)에 저장될 수 있다.

제어부(220)는 충전장치(100), 방전장치(110)의 동작을 제어하여, 사용후 배터리팩(10)에 관한 충방전 시험을 시행할 수 있다. 이때, 제어부(220)는 간단한 충방전 시험을 위해 각 배터리셀을 충방전 반복하는 사이클 시간을 제어할 수 있는데, 일 실시예로 12분 충전, 1분 휴지, 12분 방전을 반복하여 충방전 실험을 진행 할 수 있다. 또한 이때, 제어부(220)는 충방전 시험 동안의 충전 전류량이 기설정된 일정한 전류량으로 조절되도록 제어할 수 있으며, 일 실시예로 전지 정격용량에 20% 즉, 0.2C-rate로 같은 시간 동안 충방전과 짧은 휴지시간을 반복할 수 있다.

이때, 충전시간과 방전시간은 동일한 시간으로 설정하고, 충전시간-휴지시간-방전시간을 합산한 1회 시험 사이클이 30분을 초과하지 않도록 설정함으로써, 종래에 수명 예측에 6개월 가량 소요되던 시간을 약 2주 정도로 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치는, 충전장치(100), 방전장치(110)가 충방전 사이클 시험을 하면서 일정한 전류량을 유지하기 위해 충전 전력량과 방전 전력량을 모니터링하는 모니터링부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

SOH 산출부(240)는 상기 이력 저장부(230)에 저장된 상기 셀 전압 측정값과 방전시간을 이용해, 방전 종료 시간동안 점차적으로 하향되어가는 방전 종지전압의 추이와 방전 종지전압까지 지속되는 방전시간의 변화 중 적어도 하나의 정보를 기반으로 상기 사용후 배터리팩의 SOH(State Of Health)를 산출할 수 있다.

종래기술에 의할 때, 배터리 수명시험이나 사이클 시험은, 통상적으로 배터리의 정격 용량(예를 들어, 4.8V)에 대하여 충전과 방전을 반복해 150회에서 500회 정도 진행 후 사이클 시험 진행 전 용량과 사이클 시험 진행 후의 용량을 비교하는 방식에 의하므로, 수개월의 시험시간이 필요하고 신품 전지의 예상 수명을 제시하는 것에 반해, 본 발명을 통한 시험 방법은 상술한 바와 같이 짧은 시험 시간 안에 회수된 전지의 예상 수명을 예측할 수 있다.

이하, SOH 산출부(240)에서 사용후 배터리팩(10)의 기대수명을 예측하는 방법에 관하여 구체적으로 설명하면 아래와 같다. 즉, SOH 산출부(240)는 하기 수학식 1을 통해서 사용후 배터리팩의 기대수명(SOH)을 예측할 수 있다.

여기서, N은 충방전 전류에 따른 가중치이다. 또한 여기서,

는 최초 방전 시험시(1회 방전 시험시)의 방전 종료 전압(즉, 사전 설정된 방전 시간이 경과한 상태에서의 종료 전압)과 최종 방전 시험시(예를 들어, 500회 충방전 시험이 셋팅된 경우에는, 그 500회 방전시)의 방전 종료 전압 사이의 기울기를 의미한다.

이때, 상기 N은 제조사 별 배터리팩의 종류에 따라, 혹은 배터리팩의 특성에 따라 상이한 가중치를 부여할 수 있다. 또한 일반적으로 충방전 전류를 낮은 값으로 설정하게 되면, 충방전 전류를 높은 값으로 설정한 경우에 비해서, 최초 방전 시험시와 마지막 방전 시험시의 각 방전 종료 전압 사이의 기울기가 큰 차이를 보이지 않을 가능성이 있으므로, 배터리 팩의 종류 및 특성에 따라 설계자가 적정한 가중치를 설정함으로써, 기대수명 추정에 신뢰성을 확보하기 위해서, 상기 N이라는 가중치를 둔 것이다.

위 수학식 1에 기초하여 볼 때, 도 3의 그래프와 같이 특정 전지 A의 경우 충방전 싸이클 시험이 진행됨에 따라 방전 말기의 전압(방전 종료 전압)의 변화가 크지만, 같은 조건의 시험을 특정 전지 B에 대하여 한 경우의 도 4의 그래프를 살펴보면 도 3에 비하여 그 변화의 폭이 크지 않음을 알 수 있다. 도 4의 케이스에서와 같이 방전 종료 전압의 변화의 경향이 전혀 없을 경우를 기대 수명(SOH, State Of Health) 100으로 산정하고, 도 3의 케이스에서와 같이 제조사가 제시하는 충방전 사이클 시험에서의 각 방전 종료 전압 간의 기울기가 약 30도 일 때 기대수명을 100 * (1 - N * cos30) %로 예측할 수 있다.

상술한 바와 같은 방법을 통해서, 충방전 싸이클 시험이 진행될수록 저하되는 방전 말기 최종 전압(방전 종료 전압)의 변화 추이(경사도) 정도로 사용후 배터리 팩의 노후화를 측정할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용후 배터리팩의 수명 추정 방법을 도시한 동작 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 사용하고 있는 배터리팩의 수명 예측을 위한 사이클 주기를 설정하고(S210), 상기 배터리팩에 대한 충방전 시험을 수행할지를 결정하여(S220), 기설정된 충전 전력량에 의해 충전을 시행하고(S230)(예를 들어, 0.2C-rate 충전전류로 12분 간), 기설정된 시간 동안 휴지시간을 가지며(S240)(예를 들어, 1분 간), 기설정된 방전 전력량에 의해 방전하여(S250)(예를 들어, 12분 간), 사전 지정된 사이클 시험 횟수(예를 들어, 150회, 500회 등)만큼 시험한 후(S260), 충방전 시험 시행에 따른 최초 방전 종료 전압과 최종 방전 종료 전압을 기록하며(S270), 기록된 전압 추이로 산출된 SOH 출력함으로써(S280), 재사용 가능한 배터리 팩인지 판단할 수 있다.

상술한 방법에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 사용후 배터리팩의 수명 추정 방법에 의하면, 전기자동차 사용후 회수된 배터리를 짧은 시간동안 충방전 시험을 통해 방전 종료 전압의 변화 추이를 모니터링하여 기대 수명을 추정하기 때문에 재사용 여부를 판단하는 자료를 제공할 수 있으며, 초기 사용되었던 이력이 확보되지 못한 배터리에 대해서도 객관적인 노후화 정도의 파악이 가능할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치로서,
   배터리팩을 구성하는 각 배터리셀의 셀 전압을 측정하는 셀전압 측정부;
   상기 각 배터리셀을 충방전 반복하는 1회 싸이클의 시간을 제어하는 제어부;
   사전 설정된 방전 종료 시간동안 점차적으로 하향되어 가는 방전 최종전압의 추이 또는 방전 종지전압까지 지속되는 방전시간의 변화에 관한 정보를 기반으로, 상기 배터리팩의 기대 수명(SOH : State Of Health)을 산출하는 SOH 산출부;
   를 포함하는, 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 SOH 산출부는 하기의 수학식 1을 이용하여 사용후 배터리팩의 기대 수명(SOH)을 산출하는 것을 특징으로 하는, 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치.
   
   [수학식 1]
   

   

   
   
   여기서, N은 충방전 전류에 따른 가중치이고,

   

   는 최초 방전 시험시의 방전 종료 전압(사전 설정된 방전 시간이 경과한 상태에서의 종료 전압)과 최종 방전 시험시의 방전 종료 전압 사이의 기울기 각도를 의미함.
   
3. 제1항에 있어서,
   사용후 배터리팩에 관한 충방전 시험을 진행하는 동안 셀 전압 측정부에 의해 실시간으로 측정된 각 셀 전압을 저장하는 이력 저장부; 및
   사용후 배터리팩에 관한 충방전 시험에 이용되는 충전장치 및 방전장치에 인가되는 전류량이 일정 전류량을 유지하는지를 확인하기 위해, 사용후 배터리팩의 충전 전력량 및 방전 전력량을 모니터링하는 모니터링부;
   를 더 포함하는, 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 배터리팩의 정격용량의 20%에 해당하는 0.2C-rate의 전류량으로 상기 충방전 시험을 진행하며,
   충전시간과 방전시간은 동일한 시간으로 설정하고, 충전시간-휴지시간-방전시간을 합산한 1회 시험 사이클이 30분을 초과하지 않도록 설정하는 것을 특징으로 하는, 사용후 배터리팩의 수명 추정 장치.

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