KR20220024939A

KR20220024939A - 배터리의 유효 수명을 최적화하는 방법

Info

Publication number: KR20220024939A
Application number: KR1020227002514A
Authority: KR
Inventors: 크리스티앙 이론; 베누아 수카제-기유
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2022-03-03
Also published as: CN114041253A; FR3098021A1; EP3991233A1; WO2020260173A1; JP2022538220A; FR3098021B1

Abstract

본 발명은 배터리의 유효 수명을 최적화하는 방법에 관한 발명이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 상태 관리 방법은 배터리의 충전 상태를 관리하는 방법으로서, 상기 배터리의 온도에 따른 목표 충전 상태를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 목표 충전 상태는 기준 열화 프로파일에 따라, 상기 배터리의 열화를 제어하도록 온도가 증가할 때 감소하고, 상기 목표 충전 상태에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하고, 상기 기준 열화 프로파일은 상기 배터리의 유효 수명의 시작부터 기준 충전 상태 및 기준 온도까지 경과된 시간의 함수로서, 상기 배터리의 내부 저항의 상대 증가를 나타내고, 상기 목표 충전 상태는 상기 내부 저항의 상대 증가를 추정하는 단계가 완료되면, 상기 추정된 상대 증가가 상기 기준 열화 프로파일에서 가져온 상기 상대 증가보다 작게 유지되는 경향이 있도록 반복적으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리의 유효 수명을 최적화하는 방법

본 발명은 배터리의 유효 수명(service life)을 최적화하기 위한 방법, 이러한 방법을 구현하기 위한 수단을 포함하는 장치 및 차량에 관한 것이다.

한 세기 동안, 모든 자동차에는, 특히 연소 엔진을 시동하기 위한 납축 배터리가 장착되어 왔다. 기술 발전과 규제 제약으로 인해 이러한 납축 배터리를 대체 시스템으로 교체해야 하는 경우가 점점 더 많아지고 있다. 그러나 납축 배터리는 특정한 기술적 특징을 갖고 있고 비용이 저렴하기 때문에 이러한 교체는 간단하지 않다. 무엇보다도 두 가지 기본 특성은 추울 때의 출력과 에너지 비축이며, 후자는 차량이 장기 주차할 때 오프 전류(off-current)를 보상한다. 물론 이러한 콜드 스타트(cold start) 기능은 장기간 주차한 후, 즉 배터리가 부분적으로 방전된 후에 보장되어야 한다. 가장 일반적으로 납축 배터리는 1~2개월의 주차 기간 후에 -20°C 또는 -30°C에서 엔진을 완벽하게 시동할 수 있다. 충전 상태(또는 SOC)는 여전히 60%를 초과하고, 용량의 20~30%는 오프 전류로 방전되었다.

또한, 납축 배터리는, 온도가 80℃에 도달할 수 있고 배터리가 60℃보다 높은 온도에서 하루에 몇 시간을 보낼 수 있는 엔진 후드 아래의 어려운 조건을 잘 견딘다. 이 "뜨거운" 환경은 에이징(aging)에 중요하지 않은 영향을 미친다. 그러나 저렴한 비용으로 인해 차량의 마모되기 쉬운 부품과 마찬가지로 정기적(유럽의 경우 평균 5년마다)으로 교체할 수 있다. 또한, 납축 배터리의 재활용률은 매우 높으며(>95%) 새 배터리로 다시 만들 수 있다.

온도를 견디는 이러한 능력으로 인해 납축 배터리는 엔진 가까이에 배치될 수 있고, 따라서 교류 발전기 및 시동기에 배치될 수 있음을 이해하는 것이 중요하다. 결과적으로 케이블이 짧고 저항 손실이 적다.

또한 납축 배터리를 리튬 배터리로 교체하는 것은 그것을 엔진 가까이에, 따라서 뜨거운 영역에 위치시키는 것을 의미한다. 그러나 이 경우에는 세 가지 주요 단점이 있다.

첫째, 리튬 전지(또는 본 출원의 LIB 기술)의 비용은 납축 배터리(또는 본 출원의 LAB 기술)의 비용과 비교할 수 없고, 이 두 기술 사이에는 최소 5의 비용 요소가 있다. 따라서 고객이 이를 허용하지 않을 정도로 자주 교체하는 것은 불가능하며 유효 수명은 최소 10년, 이상적으로는 15년, 즉 오늘날 자동차의 유효 수명이어야 한다. 또한 납축 기술과 달리 LIB 재활용의 어려움과 높은 비용을 고려해야 한다. 또한, 환경 보호의 관점에서 이러한 배터리는 오래 지속되는 것이 유리하다.

또한, LIB의 용량 또는 전력(내부 저항)의 열화는 온도를 증가시킴으로써 기하급수적으로 가속화된다. 이러한 마모는 사용된 애노드 기술에 명백히 크게 의존한다. 예를 들어 리튬 티타네이트 산화물(또는 본 출원의 LTO 기술)은 흑연(또는 본 출원의 GRA 기술)보다 훨씬 더 잘 저항한다. 그러나 사용된 기술에 관계없이 유효 수명은 온도와 직접적으로 연결된다.

배터리의 온도는 국가의 기후와 고객의 행동이라는 두 가지 주요 요인에 의존하기 때문에 제어할 수 없다. 설계상 엔진의 열로부터 배터리를 열적으로 보호하기 위해 모든 것이 구현되더라도 엔진룸에 배터리를 배치한다는 단순한 사실만으로도 배터리의 온도는 엔진의 온도에 종속된다. 그러나 엔진의 온도는, 사용할 때마다 엔진이 최대 95°C까지 가열된 다음 작동 시간 동안 유지되고 정지 후 냉각되기 때문에, 고객의 행동과 직접적인 관련이 있다. 이 주기의 각 단계에서 엔진은 특히 냉각될 때 배터리를 가열한다. 고객의 사용에 따라, 도시와 고속도로 간, 또는 하루 주행 횟수에 따라 배터리 온도가 매우 다르다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.

따라서 온도와 관련하여 LIB의 수명을 가능한 한 많이 증가시킬 수 있는 해답을 찾는 것이 매우 중요하며 이것이 제안된 발명의 목적이다.

문헌 US8937452는 차량 배터리의 수명을 최적화하기 위해 배터리의 예상 온도에 따라 결정된 SOC 범위 내를 유지하여, 배터리의 충전량을 제어하는 단계를 포함하는 충전 상태를 제어하는 방법을 설명하고 있다. 그러나 이 방법은 효율성이 제한적이다.

본 출원에 기술된 발명에 따른 방법, 배터리 및 차량은 상기 언급된 결점을 극복하는 것을 가능하게 하며, 특히 기후 및 운전자의 행동과 관련된 분산을 가능한 한 수정하도록 배터리의 관리를 온도에 적응시키기 위한 간단하고 효과적인 해답을 제공하는 것을 목표로 한다. 본 발명은 충전-온도 조합의 상태 및 교류기가 어떻게 구동될 수 있는지에 관한 LIB 기술의 전형적인 거동에 대한 지식을 기반으로 한다. 하나 또는 두 개의 배터리가 병렬로 연결된 시스템에 동일하게 적용될 수 있다.

이를 위해, 본 발명에 따른 배터리 충전 관리 방법은 배터리의 온도에 따라 목표 충전 상태를 결정하는 단계를 포함하고, 목표 충전 상태는 배터리의 열화를 제어하기 위해 온도가 증가함에 따라 기준 열화 프로파일에 따라 감소하는 경향이 있고, 목표 충전 상태에 도달할 때까지 배터리를 충전하는 단계를 포함한다. 유리하게는, 기준 열화 프로파일은 배터리의 유효 수명의 시작부터 기준 충전 상태 및 기준 온도까지 경과한 시간의 함수로서, 배터리의 내부 저항의 상대 증가를 나타내고, 목표 충전 상태는 내부 저항의 상대 증가를 추정하는 단계가 완료되면, 추정된 상대 증가는 기준 열화 프로파일로부터 가져온 상대 증가보다 작게 유지되는 경향이 있도록 효과적으로 반복하여 결정된다.

이하에 나타낸 도면을 참조하여 이하에 설명된 일부 특정 실시예에 따르면:

-기준 충전 상태는 80%보다 크고, 특히 100%와 같고/같거나 기준 온도가 10℃와 30℃ 사이, 특히 20℃와 같을 수 있고;

- 주어진 반복(iteration) t_i에서 i는 양의 정수이고, 내부 저항에서 추정된 상대 증가가 기준 프로파일에서 가져온 상대 증가보다 크면, 목표 충전 상태는 다음 반복 t_i+1에서, 추정된 상대 증가가 기준 프로파일에서 가져온 상대 증가를 향해 증가하는 경향이 있도록 결정될 수 있고;

- 2개의 반복은 항상 하나의 동일한 미리 정의된 시간 간격으로 분리될 수 있고, 시간 간격은 항상 기준 프로파일에서 내부 저항의 동일한 상대 증가에 대응될 수 있다.

- 이 동일한 시간 간격은 30분과 2시간 사이, 특히 1시간과 같을 수 있고/있거나 내부 저항의 동일한 상대 증가는 5% 미만, 특히 2%와 같을 수 있으며,

2개의 반복 t_i와 t_i+1 사이에서 측정된 배터리 온도가 기준 온도보다 높으면, 목표 충전 상태는 기준 충전 상태보다 낮아지도록 반복 t_i+1에서 결정될 수 있으며, 이 더 낮은 충전 상태에 대해 반복 t_i+1과 t_i+2 사이에 경과된 시간 간격으로 인한 내부 저항의 열화는 상대 열화를 추정하는 후속 단계에서 기준 열화보다 작은 것으로 간주될 수 있다.

도 1은 단일 LIB 및 대응되는 전기 아키텍처를 갖는 종래의 구현예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 병렬로 연결된 두 개의 LIB 및 대응되는 전기 아키텍처를 사용한 구현예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 온도 및 SOC의 함수로서 LIB의 예시적인 열화 프로파일을 그래프로 도시한다.
도 4는 온도 및 SOC의 함수로서 LIB의 예시적인 열화를 표와 함께 도시한다.
도 5는 30%의 내부 저항 증가로 예시적인 예상 유효 수명을 표와 함께 도시한다.
도 6은 20°C 및 100% SOC에서 "이상적인" 열화 프로파일을 시각적으로 도시한다.
도 7은 예시적인 열화 계수를 표와 함께 도시한다.
도 8은 운전 시 본 발명의 작동 원리를 시각적으로 도시한다.
도 9는 정지 및 주차 시 본 발명의 작동 원리를 시각적으로 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 충전 상태를 보정하는 원리를 시각적으로 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 보정에 따른 총 SOC%의 예시적인 변화를 시각적으로 도시한다.
도 12는 사용된 배터리의 예시적인 분포를 시간 함수로서 시각적으로 도시한다.

리튬 배터리 시스템에는 2개의 큰 제품군으로서 하나의 배터리를 포함하는 경우와 2개의 배터리를 포함하는 경우가 있다. 두 경우 모두 전원은 케이블의 저항 손실을 최대한 제한하기 위해 엔진에 최대한 가깝게 위치해야 하는데, 이러한 손실은 케이블의 직경을 크게 하여 구리, 무게 및 비용을 초래하거나, 전력 및 비용 측면에서 LIB의 대형화를 초래하기 때문이다.

도 1은 단일 LIB를 갖는 종래 기술에 따른 종래의 구현예를 나타낸다. 이는 관련된 열적 보호 장치가 있는 엔진에 가깝게 위치한다. 따라서 주차 중의 단계 동안 미세 전류를 포함하여 사용의 모든 단계에 필요한 시동 전원 및 에너지를 제공한다.

도 2는 2개의 LIB가 병렬로 연결되어 각각의 기능을 공유하는 종래 기술에 따른 하나의 변형예를 나타낸다. 엔진과 가까이 구비되며 LTO 기술을 사용하는 작은 배터리는 시동 전력 및 다른 전류 교환을 제공하고, 다른 LIB는 흑연(GRA) 애노드를 대신 가지며 뒤쪽의 서늘한 환경에 위치하고, 주차 시 오프 전류의 제공을 포함하여 모든 에너지 요구를 제공한다.

도 1과 도 2의 양 구성에서 전력 관리 시스템(또는 PMS)이라고 하는 컴퓨터는 충전 상태(백분율 단위 SOC), 볼트 전압(V), 섭씨 온도 T(°C) 및 하나 이상의 LIB를 관리하는 하나 이상의 BMS(배터리 관리 시스템)의 전류 I를 수신한다. 차량에 속한 이 컴퓨터는 특정 하이브리드 또는 전기 자동차용 교류 발전기 또는 DC-DC 컨버터의 전압(볼트)을 제어할 수 있다.

본 발명은 충전 상태 및 온도와 관련하여 모두 동일한 동작을 공유하기 때문에 모든 리튬 배터리 기술뿐만 아니라 도 1 및 도 2의 구성 모두에 동일하게 적용된다.

본 발명은 도 3의 그래프에 나타난 특성을 사용하며, 그 곡선은 전형적인 LIB 거동의 예, 즉, 온도와 충전 상태에 대해 용량 및 내부 저항(내부 저항은 여기에 나타냄)의 측면에서 기하급수적인 성능의 열화를 나타낸다. 리튬 배터리의 각 유형, 크기 또는 화학 성분에 대해 벤치 테스트를 통해 이러한 곡선을 결정할 수 있다. 이러한 곡선은 각각의 고유한 특성을 밀접하게 나타낸다.

엔진의 열적 영향으로부터 배터리를 보호하기 위해 최선을 다하는 것 외에, 차량 내 위치, 기후 및 고객에 의한 차량의 사용과 관련된 자체 발열의 결합 효과의 결과로, 배터리의 온도를 제어하는 것은 불가능하다. 그러나 충전 상태에 따라 조치를 취하는 것은 가능하다. 제안된 컨셉을 보다 잘 설명하기 위해, 도 3의 그래프의 수치 데이터로 재해석한 도 4의 표인 LIB의 예를 사용한다. 이 예에서 차량이 허용할 수 있는 내부 저항의 최대 열화는 원하는 유효 수명인 15년 동안의 30% 증가이다.

도 5의 표는 도 4의 에이징 계수 및 내부 저항에서 최대 허용 가능한 30%의 열화가 결합될 경우, 유효 수명의 결과를 나타낸다. 15년 이상의 모든 값들은 15년으로 유지됐다.

도 4 및 도 5의 표에서, 선택된 기준 조건은 연간 2%의 열화를 나타내는 20°C 및 100% SOC 포인트이고, 따라서 30%(15 x 2%)의 내부 저항의 증가를 갖는 15년의 유효 수명을 예측할 수 있다.

따라서 도 6의 곡선은 20°C 및 100% SOC를 매개변수로 사용하여 시간에 따른 내부 저항의 "이상적인" 변화를 나타낸다.

본 발명의 원리에서, 계수 1이 할당될 기준으로서 20°C 및 100% SOC 포인트를 취하여, 각 온도 및 충전 상태 조합에 대해 계수가 할당된다. 이는 도 4에서 직접 파생된 도 7의 표를 제공한다. 이 표는 각 작동 구성에 대한 "가중치"를 직접 제공한다. 이는 각 달력 수명(calendar lifetime)에 20°C 및 100% SOC에서 보낸 동일한 시간에 대한 열화 계수를 할당할 수 있다. 도 7의 표에 따르면 100% SOC 및 30°C에서 보낸 시간은 100% SOC 및 20°C에서 2시간과 같다. 반대로, 50% SOC 및 30°C에서 에이징은 기준값과 동일하다.

도 8의 다이어그램은 운행 중 시스템의 동작을 나타낸다. 차량이 운행 중일 때는 배터리의 충전 상태와 온도가 지속적으로 변한다. BMS는 단위 시간당, 예를 들어 시간당, 해당 시간 단위에 대한 평균 충전 상태 및 평균 온도를 결정하는 PMS 컴퓨터에 이 정보를 지속적으로 보낸다. 예를 들어, 운행의 첫 번째 시간은 SOCmoy1 및 T°Cmoy1이고 두 번째 시간은 SOCmoy2 및 T°Cmoy2이다.

도 9의 다이어그램은 주차 시 시스템의 작동을 나타낸다. 운전할 때와 마찬가지로 주기적으로 PMS 컴퓨터를 깨우는 동안 LIB의 BMS에서 정보를 수집하고 온도와 충전 상태에 대한 시간별 평균을 결정한다. 따라서, 수명의 각 시간(각각 반복 t_i, t_i+1, …, t_i+n에 해당하고, 여기서 n은 본 실시예에서 정수임)에 대해 배터리는 도 7의 테이블로부터 계수가 할당될 수 있고, 이들 "수정된 시간"은 PMS의 메모리에 합산된다. 이제 간단히 PMS가 수정된 시간의 합계를 달력 시간과 비교할 수 있다. 이것이 기준선보다 높아지면 배터리가 예상보다 빨리 열화될 위험이 있음을 의미한다. 이 편차가 예를 들어 5시간 또는 10시간과 같은 한계 임계값에 도달하면 PMS는 배터리의 충전 상태에 따라 작동하여 수정 관리를 구현한다.

이를 위해, 운행할 때 PMS는 BMS에 의해 전송된 LIB의 충전 상태에 따라 교류기 또는 DC-DC 컨버터의 전압 Valt를, 95%와 일반적으로 50% SOC 사이의 목표 값 SOCMax에 도달할 때까지 낮춘다. 결과적으로 계산된 수정 에이징 시간은 배터리의 동일한 온도 창(temperature window)에도 불구하고 감소한다.

도 10의 다이어그램은 시스템의 작동을 나타낸다. BMS가 SOCMax에 도달했음을 PMS에 표시하는 즉시, 제어 전압 Valt를 자동으로 감소시켜 충전 전류가 0에 가까워지고 SOC 레벨이 일정하게 유지된다.

도 11의 그래프는 이상적인 직선에 대해 합산된 수정 시간 합계의 예시적인 변화를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 곡선의 첫 번째 부분은 이상적인 직선에서 벗어나는 경향이 있다. 이 편차가 미리 정의된 임계값 이상일 때 관리 시스템이 활성화되고 배터리 충전 상태가 감소하여, 곡선의 방향을 이상적인 직선으로 돌아가도록 즉시 변경한다. 합계값이 히스테리시스 값 이내로 이상적인 직선 아래로 떨어지면 SOC 제한이 비활성화된다.

결론적으로, 본 발명은 차량의 물리적인 개조가 필요하지 않은 간단한 시스템을 제안하는데, 이는 고객 집단의 배터리 유효 수명이 어떻게 결정되는지 도시하는 도 12의 다이어그램에 나타낸 것처럼, 기후 또는 사용 타입이 배터리를 조기에 소모시키는 고객을 위해 시간을 모니터링하고 배터리의 충전 상태를 관리함으로써 배터리의 수명을 보장할 수 있게 한다. 설계자는 대다수의 고객이 목표 유효 수명을 얻을 수 있도록 모든 것을 구현할 것이다. 예를 들어, 평균은 목표값을 넘어선다.

그러나 도 12에 해칭으로 나타낸, 차량의 사용과 차량이 운전되는 기후에 따라, 목표값보다 먼저 배터리 수명이 다하는 것을 보게 될 집단이 여전히 존재한다. 본 출원에서 설명된 발명은 이 집단에 의해서만 활성화될 수 있으며, 대다수의 사용자는 비활성화된 상태로 유지된다.

배터리의 SOC를 줄이는데 있어서, 일부는 콜드 스타트 기능이 잠재적으로 감소할 수 있다고 이의를 제기할 수 있다. 항상 해당 주변 온도에서 시동하는데 필요한 충전 상태보다 높은 SOCMax 값을 사용하도록 선택되어 있고, 장치가 활성화된 경우, 이는 외부 온도가 확실히 높고 엔진 시동이 쉬울 가능성이 있음을 의미하기 때문에 이 점을 고려해야 한다.

배터리의 SOC를 줄이는데 있어 다른 사람들은 배터리가 오프 전류를 공급할 수 있는 용량이 더 적을 것이라고 이의를 제기할 수 있다. 이는 단일 배터리를 갖는 시스템에만 해당된다. 2개의 배터리를 사용하는 시스템의 경우 전면 배터리만 SOC를 제어하고 후면 배터리가 오프 전류를 공급한다. 단일 배터리의 경우, 배터리가 뜨겁다는 것은 빈번한 사용을 나타내며, 이 차량을 장기간 주차하여 시동 가능성을 위험에 빠뜨릴 가능성은 거의 없다.

Claims

배터리의 충전 상태를 관리하는 방법으로서,
상기 배터리의 온도에 따른 목표 충전 상태를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 목표 충전 상태는 기준 열화 프로파일에 따라, 상기 배터리의 열화를 제어하도록 온도가 증가할 때 감소하고,
상기 목표 충전 상태에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 단계;를 포함하고,
상기 기준 열화 프로파일은 상기 배터리의 유효 수명의 시작부터 기준 충전 상태 및 기준 온도까지 경과된 시간의 함수로서, 상기 배터리의 내부 저항의 상대 증가를 나타내고,
상기 목표 충전 상태는 상기 내부 저항의 상대 증가를 추정하는 단계가 완료되면, 추정된 상기 상대 증가가 상기 기준 열화 프로파일에서 가져온 상기 상대 증가보다 작게 유지되는 경향이 있도록 반복적으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태 관리 방법.
제1항에 있어서,
상기 기준 충전 상태는 80%보다 높고, 특히 100% 및/또는 상기 기준 온도가 10℃ 내지 30℃, 특히 20℃인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태 관리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
주어진 반복 t_i에서, i는 양의 정수이고, 상기 내부 저항의 추정된 상대 증가가 상기 기준 열화 프로파일에서 가져온 상기 상대 증가보다 큰 경우, 상기 목표 충전 상태는, 다음 반복 t_i+1에서, 상기 추정된 상대 증가가 상기 기준 열화 프로파일에서 가져온 상기 상대 증가를 향하는 경향이 있도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태 관리 방법.
제3항에 있어서,
2개의 반복은 항상 미리 정의된 하나의 동일한 시간 간격으로 분리되고, 상기 시간 간격은 상기 기준 열화 프로파일에서 상기 내부 저항의 하나의 동일한 상대 증가에 항상 대응하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태 관리 방법.
제4항에 있어서,
상기 동일한 시간 간격은 30분 내지 2시간, 특히 1시간 및/또는 상기 내부 저항에서 상기 동일한 상대 증가는 5% 미만, 특히 2%인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태 관리 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,
2개의 반복 t_i 및 t_i+1 사이에서 측정된 배터리 온도가 상기 기준 온도보다 높으면, 상기 목표 충전 상태는 반복 t_i+1에서 상기 기준 충전 상태보다 낮아지도록 결정되고, 이 더 낮은 충전 상태에 대해 반복 t_i+1 및 t_i+2 사이에서 경과된 시간 간격으로 인한 상기 내부 저항의 열화는 상대 열화를 추정하는 후속 단계에서 상기 기준 열화보다 작은 것으로 간주되는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태 관리 방법.
이전 청구항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 구현하는 하드웨어 및 소프트웨어 수단을 포함하는 배터리.
이전 청구항에 기재된 배터리를 포함하는 차량.