KR20230023943A - 전류차단법에 의한 배터리의 내부저항 측정방법 및 그를 이용한 배터리 잔존 용량의 측정방법 - Google Patents
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Abstract
전류차단법에 의한 배터리의 내부저항 측정방법 및 그를 이용한 배터리 잔존 용량의 측정방법이 개시된다. 상기 배터리의 내부저항 측정방법은 (a) 배터리를 충전 또는 방전하면서 상기 배터리의 전류(I0)를 차단한 때의 상기 배터리의 차단 초기 전압(V0)을 측정하는 단계; (b) 상기 전류 차단 후 제1 시간 경과한 때 상기 배터리의 제1 전압(V1)을 측정하는 단계; (c) 상기 전류 차단 후 제2 시간 경과한 때 상기 배터리의 제2 전압(V2)을 측정하는 단계; 및 (d) 상기 차단 초기 전압(V0), 상기 제1 전압(V1) 및 상기 제2 전압(V2)을 이용하여 오믹저항(ohmic resistance) 및 분극저항(polarization resistance)을 포함하는 내부저항을 계산하는 단계;를 포함함으로써 배터리의 오믹저항 및 분극저항을 각각 측정할 수 있고 이를 이용해 배터리 잔존 용량을 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 전류차단법에 의한 배터리의 내부저항 측정방법 및 그를 이용한 배터리 잔존 용량의 측정방법에 관한 것으로 상세하게는, 배터리를 충전 또는 방전한 후 전류를 차단시키고 일정 시간에 따른 전압을 측정함으로써 배터리의 내부저항을 측정하고 이를 이용해 배터리 잔존 용량을 측정하는 방법에 관한 것이다.
전기차 및 ESS용 배터리 팩의 성능열화 정도를 파악하고 열화원인을 정확하게 파악하기 위해서는 배터리의 저항성분의 특성 파악이 중요하다. 배터리의 내부 저항을 측정하는 대표적인 방법은 전류차단법과 교류 임피던스법이 있다.
교류 임피던스 측정법은 특정 주파수에 나타나는 배터리의 저항 값을 측정하여 특성을 파악하는 것이지만, 임피던스법 측정법을 이용해 배터리 팩의 각 단위셀 저항 성분을 모두 측정하기 위해서는 순차적으로 모든 셀을 개별 시험하거나 측정할 셀의 수만큼 교류 전류를 동시에 입력하기 위한 설비가 필요하여 설비 구성이 복잡해지고 비용이 증가하게 된다.
반면, 전류차단법은 교류 임피던스 측정법에 비하여 상대적으로 분석 장치가 간단하고 전류 차단 시 순간적으로 나타나는 전압 변화를 관측하여 수초 이내에 빠르게 저항을 측정할 수 있다. 또한, 상기의 전류차단법은 전기차 및 ESS용 배터리 팩의 BMS와 연계하여 각 단위셀의 전압측정이 가능하여 별도의 추가 설비 없이 내부 저항을 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다.
하지만, 전류차단법은 오로지 오믹저항만 측정하고 가능하여 배터리 팩의 성능열화 원인 규명 및 상태 예측을 하는데 한계가 있다.
따라서, 배터리 팩의 성능열화 원인을 규명하고, 상태를 예측할 수 있는 방법에 관한 기술 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 배터리 내부의 오믹저항과 분극저항을 구분하여 측정할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리 팩의 성능열화 원인을 규명하고, 상태를 예측할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 배터리를 충전 또는 방전하면서 상기 배터리의 전류(I0)를 차단한 때의 상기 배터리의 차단 초기 전압(V0)을 측정하는 단계; (b) 상기 전류 차단 후 제1 시간 경과한 때 상기 배터리의 제1 전압(V1)을 측정하는 단계; (c) 상기 전류 차단 후 제2 시간 경과한 때 상기 배터리의 제2 전압(V2)을 측정하는 단계; 및 (d) 상기 차단 초기 전압(V0), 상기 제1 전압(V1) 및 상기 제2 전압(V2)을 이용하여 오믹저항(ohmic resistance) 및 분극저항(polarization resistance)을 포함하는 내부저항을 계산하는 단계;를 포함하는 배터리의 내부저항 측정방법이 제공된다.
또한, 상기 오믹저항이 전기적으로 발생하는 저항이고, 상기 전기적으로 발생하는 저항이 전극의 내부 저항, 전해질의 내부 저항 및 접촉저항으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 분극저항이 전기화학적 반응에서 발생하는 저항이고, 상기 전기화학적 반응에서 발생하는 저항이 전하이동저항, 이온확산저항 및 활성화저항으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전압(V1)은 상기 차단 초기 전압(V0)에서 오믹저항으로 발생한 오믹전압(Vohmic) 손실이 회복된 전압이고, 상기 제2 전압(V2)은 상기 제1 전압(V1)에서 분극저항으로 발생한 분극전압(Vpol) 손실이 회복된 전압인 것일 수 있다.
또한, 상기 분극전압 손실이 회복된 전압이 개방전압(Voc)일 수 있다.
또한, 상기 제1 시간이 0 초 초과 내지 1 초 이하(0<t1(sec)≤1)일 수 있다.
또한, 상기 제2 시간이 1 초 초과 내지 3,600 초 이하(1<t2(sec)≤3,600)일 수 있다.
또한, 상기 단계 (d)가 (d-1) 상기 차단 초기 전압(V0) 및 상기 제1 전압(V1)을 이용하여 오믹저항을 계산하는 단계; 및 (d-2) 상기 제1 전압(V1) 및 상기 제2 전압(V2)을 이용하여 분극저항을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 (d-1)에서, 상기 오믹저항이 아래 식 1을 이용하여 계산되는 것일 수 있다.
[식 1]
오믹저항 = (｜V1 - V0｜)/I0
상기 식 1에서,
V1은 제1 전압이고,
V0은 차단 초기 전압이고,
I0은 차단 시의 전류이다.
또한, 상기 단계 (d-2)에서, 상기 분극저항이 아래 식 2를 이용하여 계산되는 것일 수 있다.
[식 2]
분극저항 = (｜V2 - V1｜)/I0
상기 식 2에서,
V2는 제2 전압이고,
V1은 제1 전압이고,
I0은 차단 시의 전류이다.
또한, 상기 배터리의 내부저항 측정방법이 상기 단계 (d-2) 이후에, (d-3) 상기 오믹저항과 상기 분극저항을 합하여 배터리의 총 내부저항을 구하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리가 리튬이차전지일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 상기 배터리의 내부저항 측정방법을 사용한 배터리의 내부저항 측정장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 하나의 측면에 따르면, (1) 충방전을 진행하기 전 배터리의 초기 용량을 측정하는 단계; (2) 상기 배터리의 내부저항 측정방법을 이용해 배터리의 내부저항을 측정하는 단계; 및 (3) 상기 내부저항을 이용해 상기 배터리의 잔존 용량(state of charge, SOC)을 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 내부저항은 오믹저항 및 분극저항을 포함하는 것인, 배터리 잔존 용량의 측정방법이 제공된다.
또한, 상기 배터리 잔존 용량의 측정방법이 상기 단계 (2)전에, (2') 상기 배터리의 충방전을 단수회 또는 복수회 진행하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 (3)이 상기 내부저항과 아래 식 3을 이용하여 배터리 잔존 용량을 측정하는 것일 수 있다.
[식 3]
배터리 잔존 용량 [Ah] = α - β × Rohmic - γ × Rpol
상기 식 3에서,
α는 Ah 단위를 갖는 상수이고.
β, γ는 각각 독립적으로 Ah/Ω 단위를 갖는 상수이고,
Rohmic은 오믹저항이고,
Rpol은 분극저항이다.
또한, 상기 α, β, γ가 각각 독립적으로 선형회귀법으로 구해질 수 있다.
또한, 상기 배터리 잔존 용량의 측정방법이 상기 단계 (3) 이후에, (4) 상기 배터리 잔존 용량으로부터 배터리의 잔존 수명을 예측하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리의 내부저항 측정방법은 전류차단법을 이용하여 배터리를 충전 또는 방전한 후 전류를 차단시키고 일정 시간에 따른 전압을 측정함으로써 배터리 내부의 오믹저항과 분극저항을 구분하여 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 잔존 용량의 측정방법은 상기 배터리의 내부저항 측정방법을 포함함으로써 배터리 팩의 성능열화 원인을 규명하고, 상태를 예측할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 배터리 충전 시 전극에서 발생하는 전압손실(과전압)에 관한 그래프이다.
도 2는 배터리 충전 시 관측되는 개방 전압(VOC) 및 터미널 전압(Vt)에 관한 그래프이다.
도 3은 배터리 방전 시 전극에서 발생하는 전압손실(과전압)에 관한 그래프이다.
도 4는 배터리 방전 시 관측되는 개방 전압(VOC) 및 터미널 전압(Vt)에 관한 그래프이다.
도 5는 배터리 충전 중 전류 차단 시 전압의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 배터리 방전 중 전류 차단 시 전압의 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예에서 사용된 파우치 배터리 및 재원을 나타낸 것이다.
도 8은 충전된 배터리(도 7의 파우치 배터리)를 3V까지 방전 후 전류 차단 및 배터리 휴지 시간 동안 전압의 변화를 관찰한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 측정된 싸이클별 배터리의 총 내부저항과, 상기 배터리의 싸이클별 용량 및 작동온도를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 측정된 싸이클별 배터리의 오믹저항, 분극저항 및 총 내부저항과, 상기 배터리의 싸이클별 작동온도를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 측정된 배터리 내부저항(오믹저항, 분극저항 및 총 내부저항)과 배터리 용량과의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 예측된 배터리 잔존 용량과 실측값을 나타낸 것이다.
도 1은 배터리 충전 시 전극에서 발생하는 전압손실(과전압)에 관한 그래프이다.
도 2는 배터리 충전 시 관측되는 개방 전압(VOC) 및 터미널 전압(Vt)에 관한 그래프이다.
도 3은 배터리 방전 시 전극에서 발생하는 전압손실(과전압)에 관한 그래프이다.
도 4는 배터리 방전 시 관측되는 개방 전압(VOC) 및 터미널 전압(Vt)에 관한 그래프이다.
도 5는 배터리 충전 중 전류 차단 시 전압의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 배터리 방전 중 전류 차단 시 전압의 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예에서 사용된 파우치 배터리 및 재원을 나타낸 것이다.
도 8은 충전된 배터리(도 7의 파우치 배터리)를 3V까지 방전 후 전류 차단 및 배터리 휴지 시간 동안 전압의 변화를 관찰한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 측정된 싸이클별 배터리의 총 내부저항과, 상기 배터리의 싸이클별 용량 및 작동온도를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 측정된 싸이클별 배터리의 오믹저항, 분극저항 및 총 내부저항과, 상기 배터리의 싸이클별 작동온도를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 측정된 배터리 내부저항(오믹저항, 분극저항 및 총 내부저항)과 배터리 용량과의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 예측된 배터리 잔존 용량과 실측값을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 전류차단법에 의한 배터리의 내부저항 측정방법 및 그를 이용한 배터리 잔존 용량의 측정방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 배터리 충전 시 전극에서 발생하는 전압손실(과전압)에 관한 그래프이고, 도 2는 배터리 충전 시 관측되는 개방 전압(VOC) 및 터미널 전압(Vt)에 관한 그래프이다.
도 1을 참고하면, 가로축은 충전용량(Ah)을 나타내고, 세로축은 전지 내부의 전위를 나타내며, 충전 중인 배터리의 전압손실의 성분은 양극과 음극에서 발생하는 저항성분에 의해 발생한다. 각 전극에서 발생하는 전압손실에 의해 배터리의 충전 전압은 도 2와 같이 배터리의 개방전압보다 높은 충전 전압이 측정된다. 측정되는 터미널 전압(Vt)은 배터리의 개방전압(Voc)과 오믹저항(Rohmic)에 의해 발생하는 오믹전압(Vohmic) 손실, 분극저항(Rpol)에 의해 발생하는 분극전압(Vpol) 손실로 구성되어 아래의 식 4의 관계를 가질 수 있다.
[식 4]
Vt = Voc + Vohmic + Vpol
도 3은 배터리 방전 시 전극에서 발생하는 전압손실(과전압)에 관한 그래프이고, 도 4는 배터리 방전 시 관측되는 개방 전압(VOC) 및 터미널 전압(Vt)에 관한 그래프이다.
도 3 및 4를 참고하면, 배 터리 방전시에도 상기의 충전시와 유사하게 저항성분에 의해 전압손실이 발생하며 관측되는 터미널 전압(Vt)은 식 5의 관계를 가질 수 있다.
[식 5]
Vt = Voc - Vohmic - Vpol
도 5는 배터리 충전 중 전류 차단 시 전압의 변화를 나타낸 것이고, 도 6은 배터리 방전 중 전류 차단 시 전압의 변화를 나타낸 것이다.
도 5 및 6을 참고하면, 전류가 차단된 배터리의 전압은 시간이 지남에 따라 개방전압(Voc)으로 회복되는 것을 확인할 수 있다. 전류가 차단될 때 초기 수십 ~ 수백 마이크로 초단위에서 급격한 전압변화의 발생은 오믹저항(Rohmic)으로 발생한 오믹전압(Vohmic)손실이 전류가 차단됨과 동시에 선형적으로 회복하는 것을 의미한다. 초기 급격한 전압변화 이후 전하이동저항(Rct), 이온확산저항(Rd), 활성화저항 등의 전기화학적 반응에서 발생한 분극전압(Vpol)손실이 수분 ~ 수십분에 결쳐 순차적으로 천천히 회복하면서 종래에는 개방전압(Voc)에 이른다.
상기와 같은 방식으로 전류가 차단된 시점에서 설정한 시간 조건을 만족하는 전압 값과 차단된 전류(I) 값을 활용하여 옴의 저항공식인 식 6으로 오믹저항(Rohmic)과 분극저항(Rpol)을 계산할 수 있다. 예를 들어, 전류 차단 직전의 제1 전압(V1), 전류 차단 500 ms 후 제2 전압(V2), 10 min 후 제3 전압(V3)를 감지하여 상기 제1 전압(V1)과 상기 제2 전압(V2) 사이의 차이값으로 오믹전압(Vohmic) 손실을 연산할 수 있다. 또한, 상기 제2 전압(V2)과 상기 제3 전압(V3) 사이의 차이값으로 분극전압(Vpol) 손실을 연산할 수 있다.
[식 6]
R = V / I
상기 식 6에서,
R은 저항, V는 전압, I는 전류이다.
도 5 및 6을 참고하면, 본 발명은 (a) 배터리를 충전 또는 방전하면서 상기 배터리의 전류(I0)를 차단한 때의 상기 배터리의 차단 초기 전압(V0)을 측정하는 단계; (b) 상기 전류 차단 후 제1 시간 경과한 때 상기 배터리의 제1 전압(V1)을 측정하는 단계; (c) 상기 전류 차단 후 제2 시간 경과한 때 상기 배터리의 제2 전압(V2)을 측정하는 단계; 및 (d) 상기 차단 초기 전압(V0), 상기 제1 전압(V1) 및 상기 제2 전압(V2)을 이용하여 오믹저항(ohmic resistance) 및 분극저항(polarization resistance)을 포함하는 내부저항을 계산하는 단계;를 포함하는 배터리의 내부저항 측정방법을 제공한다.
또한, 상기 오믹저항이 전기적으로 발생하는 저항이고, 상기 전기적으로 발생하는 저항이 전극의 내부 저항, 전해질의 내부 저항 및 접촉저항으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 분극저항이 전기화학적 반응에서 발생하는 저항이고, 상기 전기화학적 반응에서 발생하는 저항이 전하이동저항, 이온확산저항 및 활성화저항으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 제1 전압(V1)은 상기 차단 초기 전압(V0)에서 오믹저항으로 발생한 오믹전압(Vohmic) 손실이 회복된 전압이고, 상기 제2 전압(V2)은 상기 제1 전압(V1)에서 분극저항으로 발생한 분극전압(Vpol) 손실이 회복된 전압인 것일 수 있다.
또한, 상기 분극전압 손실이 회복된 전압이 개방전압(Voc)일 수 있다.
또한, 상기 제1 시간이 0 초 초과 내지 1 초 이하(0<t1(sec)≤1)일 수 있고, 바람직하게는 0.3 초일 수 있다. 상기 제1 시간(t1)이 0 초 이하일 경우 제1 전압과 동일한 값의 제2 전압을 얻게 되어 오믹저항으로 발생한 오믹전압 손실이 회복된 전압을 알 수 없어 바람직하지 않고, 1 초를 초과할 경우, 오믹저항으로 발생한 오믹전압 손실이 회복된 전압 뿐만 아닌 분극저항으로 발생한 분극전압 손실이 회복된 전압도 함께 측정되어 정확한 값을 도출하기 어려워 바람직하지 않다.
또한, 상기 제2 시간(t2)이 1 초 초과 내지 3,600 초 이하(1<t2(sec)≤3,600)일 수 있고, 바람직하게는 600 내지 3,600 초(600≤t2(sec)≤3,600)일 수 있다. 상기 제2 시간이 1 초 이상일 경우 분극저항으로 발생한 분극전압 손실이 회복된 전압 뿐만 아닌 오믹저항으로 발생한 오믹전압 손실이 회복된 전압도 함께 측정되어 정확한 값을 도출하기 어려워 바람직하지 않고, 3,600 초를 초과할 경우 전압손실이 대부분 회복되어 이후 전압 값의 변화가 미비하여 시간 경과에 따른 유의미한 결과가 도출되지 않아 바람직하지 않다.
또한, 상기 단계 (d)가 (d-1) 상기 차단 초기 전압(V0) 및 상기 제1 전압(V1)을 이용하여 오믹저항을 계산하는 단계; 및 (d-2) 상기 제1 전압(V1) 및 상기 제2 전압(V2)을 이용하여 분극저항을 계산하는 단계;를 포함 할 수 있다.
또한, 상기 오믹저항이 아래 식 1을 이용하여 계산되는 것일 수 있다.
[식 1]
오믹저항 = (｜V1 - V0｜)/I0
상기 식 1에서,
V1은 제1 전압이고,
V0은 차단 초기 전압이고,
I0은 차단 시의 전류이다.
또한, 상기 단계 (d-2)에서, 상기 분극저항이 아래 식 2를 이용하여 계산되는 것일 수 있다.
[식 2]
분극저항 = (｜V2 - V1｜)/I0
상기 식 2에서,
V2는 제2 전압이고,
V1은 제1 전압이고,
I0은 차단 시의 전류이다.
또한, 상기 배터리의 내부저항 측정방법이 상기 단계 (d-2) 이후에, (d-3) 상기 오믹저항과 상기 분극저항을 합하여 배터리의 총 내부저항을 구하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리가 리튬이차전지일 수 있다.
본 발명은 상기 배터리의 내부저항 측정방법을 사용한 배터리의 내부저항 측정장치를 제공한다.
본 발명은 (1) 충방전을 진행하기 전 배터리의 초기 용량을 측정하는 단계; (2) 상기 배터리의 내부저항 측정방법을 이용해 배터리의 내부저항을 측정하는 단계; 및 (3) 상기 내부저항을 이용해 상기 배터리의 잔존 용량(state of charge, SOC)을 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 내부저항은 오믹저항 및 분극저항을 포함하는 것인, 배터리 잔존 용량의 측정방법을 제공한다.
또한, 상기 배터리 잔존 용량의 측정방법이 상기 단계 (2)전에, (2') 상기 배터리의 충방전을 단수회 또는 복수회 진행하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 (3)이 상기 내부저항과 아래 식 3을 이용하여 배터리 잔존 용량을 측정하는 것일 수 있다.
[식 3]
배터리 잔존 용량 [Ah] = α - β × Rohmic - γ × Rpol
상기 식 3에서,
α는 Ah 단위를 갖는 상수이고.
β, γ는 각각 독립적으로 Ah/Ω 단위를 갖는 상수이고,
Rohmic은 오믹저항이고,
Rpol은 분극저항이다.
또한, 상기 α, β, γ가 각각 독립적으로 선형회귀법으로 구해질 수 있다. 상세하게는, 상기 α, β, γ는 배터리의 종류 및 크기에 따라 달라지며 선형회귀법으로 그 값을 구할 수 있다.
또한, 상기 배터리 잔존 용량의 측정방법이 상기 단계 (3) 이후에, (4) 상기 배터리 잔존 용량으로부터 배터리의 잔존 수명을 예측하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 배터리의 내부저항 측정
도 7은 실시예에서 사용된 파우치 배터리 및 재원을 나타낸 것이다. 도 7과 같은 24 A급 파우치 배터리를 아래 표 1과 같은 충방전 조건으로 연속 충방전 실험을 진행하고, 싸이클 도중 배터리의 작동온도를 조절하여 연속실험을 진행하였다.
| 싸이클 구간 | 작동전압 범위 | 충전전류 | 방전전류 | 작동온도 |
| 1 ~ 580 | 3.0 ~ 4.2 V | 24 A (1 C) | 48 A (2 C) | 40 ~ 45 ℃ |
| 580 ~ 1,000 | 30 ~ 40 ℃ | |||
| 1,000 ~ 1,167 | 43 ~ 44 ℃ |
도 8은 충전된 배터리(도 7의 파우치 배터리)를 3V까지 방전 후 전류 차단 및 배터리 휴지 시간 동안 전압의 변화를 관찰한 것이다.
도 8을 참고하면, 상기 배터리의 방전 인가전류(I0)가 차단되면서 0으로 변경될때 배터리에서 관측되는 전압(V0)이 빠르게 회복하여 0.3초 후 전압(V1)로 변경되고 10 분 후 전압(V2)이 개방전압 90% 이상의 수준으로 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이때 인가 전류 및 전압 변화량을 측정하여 아래 식 1을 통해 내부 오믹저항(Rohmic)을 계산할 수 있고, 식 2를 통해 내부 분극저항(Rpol)을 계산할 수 있다.
[식 1]
오믹저항 = (｜V1 - V0｜)/I0
[식 2]
분극저항 = (｜V2 - V1｜)/I0
상기 식 1 및 식 2에서,
V2는 전류 차단 10 분 후 측정된 전압이고,
V1은 전류 차단 0.3 초 후 측정된 전압이고,
V0은 전류 차단시 측정된 전압이고,
I0은 방전 인가전류이다.
실시예 2: 싸이클별 배터리의 내부저항 측정과 배터리의 방전 용량의 관계 확인
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 측정된 싸이클별 배터리의 총 내부저항과, 상기 배터리의 싸이클별 용량 및 작동온도를 나타낸 것이다.
도 9를 참고하면, 실시예에 따라 측정된 싸이클별 배터리의 총 내부저항은 배터리의 작동온도에 따라 증감하고, 열화가 진행됨에 따라 점진적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 배터리의 방전 용량은 측정된 배터리의 총 내부저항과 음의 상관관계인 것을 확인할 수 있다.
도 10은 도 9는 상기 실시예에 따라 측정된 싸이클별 배터리의 오믹저항, 분극저항 및 총 내부저항과, 상기 배터리의 싸이클별 작동온도를 나타낸 것이다.
도 10을 참고하면, 초기 싸이클에서는 배터리의 활성화로 인해 총 내부저항이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 약 50 싸이클 이후부터는 배터리의 오믹저항(Rohmic)은 싸이클이 진행됨에 따라 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있고 배터리의 작동 온도변화에 따른 변화량이 크지 않은 것을 알 수 있다. 반면, 분극저항(Rpol)의 경우 열화 속도가 오믹저항보다 빠르게 변화하고 배터리 작동 온도에 민감하게 변하는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 실시예의 배터리는 전극에서 발생한 열화로 리튬이온의 삽입/탈리나 이온확산속도가 저하되어 성능이 저하되었다는 것을 예측할 수 있다.
실시예 3: 내부저항 데이터 기반 배터리 상태 예측
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 측정된 배터리 내부저항(오믹저항, 분극저항 및 총 내부저항)과 배터리 용량과의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 11을 참고하면, 내부 저항과 방전용량은 강력한 음의 상관관계에 있음을 알 수 있다. 따라서, 배터리의 내부 저항을 활용하여 선형 회귀법으로 저항에 따른 배터리의 수명을 예측하였다.
상기 실시예 2에서 50 내지 150 싸이클 구간의 배터리 용량 및 배터리 내부저항 데이터를 기반으로 선형 회귀법을 사용하여 배터리 건강상태와 오믹저항 및 분극저항의 상관계수를 계산하여 아래 식 7을 도출하였다.
[식 7]
배터리 잔존 용량 [Ah] = α - β × Rohmic - γ × Rpol
상기 식 7에서,
α는 26.2255 Ah이고.
β는 0.5368 Ah/mΩ이고,
γ는 0.7765 Ah/mΩ이고,
Rohmic은 오믹저항이고,
Rpol은 분극저항이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 예측된 배터리 잔존 용량과 실측값을 나타낸 것이다. 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 잔존 용량은 상기 식 3과 본 발명의 실시예에 따라 측정된 오믹저항 및 분극저항을 기반하여 총 1,167 싸이클 동안 배터리 건강 상태를 추정한 결과이다.
도 12를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따라 예측된 배터리 잔존 용량이 실측값 대비 평균절대오차(MAPE)가 0.51 %로 유의미한 추정값임을 확인하였다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (18)
- (a) 배터리를 충전 또는 방전하면서 상기 배터리의 전류(I0)를 차단한 때의 상기 배터리의 차단 초기 전압(V0)을 측정하는 단계;
(b) 상기 전류 차단 후 제1 시간 경과한 때 상기 배터리의 제1 전압(V1)을 측정하는 단계;
(c) 상기 전류 차단 후 제2 시간 경과한 때 상기 배터리의 제2 전압(V2)을 측정하는 단계; 및
(d) 상기 차단 초기 전압(V0), 상기 제1 전압(V1) 및 상기 제2 전압(V2)을 이용하여 오믹저항(ohmic resistance) 및 분극저항(polarization resistance)을 포함하는 내부저항을 계산하는 단계;를
포함하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제1항에 있어서,
상기 오믹저항이 전기적으로 발생하는 저항이고,
상기 전기적으로 발생하는 저항이 전극의 내부 저항, 전해질의 내부 저항 및 접촉저항으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제1항에 있어서,
상기 분극저항이 전기화학적 반응에서 발생하는 저항이고,
상기 전기화학적 반응에서 발생하는 저항이 전하이동저항, 이온확산저항 및 활성화저항으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전압(V1)은 상기 차단 초기 전압(V0)에서 오믹저항으로 발생한 오믹전압(Vohmic) 손실이 회복된 전압이고,
상기 제2 전압(V2)은 상기 제1 전압(V1)에서 분극저항으로 발생한 분극전압(Vpol) 손실이 회복된 전압인 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제4항에 있어서,
상기 분극전압 손실이 회복된 전압이 개방전압(Voc)인 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 시간(t1)이 0 초 초과 내지 1 초 이하(0<t1(sec)≤1)인 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 시간(t2)이 1 초 초과 내지 3,600 초 이하(1<t2(sec)≤3,600) 인 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (d)가
(d-1) 상기 차단 초기 전압(V0) 및 상기 제1 전압(V1)을 이용하여 오믹저항을 계산하는 단계; 및
(d-2) 상기 제1 전압(V1) 및 상기 제2 전압(V2)을 이용하여 분극저항을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제8항에 있어서,
상기 단계 (d-1)에서, 상기 오믹저항이 아래 식 1을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법:
[식 1]
오믹저항 = (｜V1 - V0｜)/I0
상기 식 1에서,
V1은 제1 전압이고,
V0은 차단 초기 전압이고,
I0은 차단 시의 전류이다. - 제8항에 있어서,
상기 단계 (d-2)에서, 상기 분극저항이 아래 식 2를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법:
[식 2]
분극저항 = (｜V2 - V1｜)/I0
상기 식 2에서,
V2는 제2 전압이고,
V1은 제1 전압이고,
I0은 차단 시의 전류이다. - 제8항에 있어서,
상기 배터리의 내부저항 측정방법이 상기 단계 (d-2) 이후에,
(d-3) 상기 오믹저항과 상기 분극저항을 합하여 배터리의 총 내부저항을 구하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제1항에 있어서,
상기 배터리가 리튬이차전지인 것을 특징으로 하는 배터리의 내부저항 측정방법. - 제1항에 따른 상기 배터리의 내부저항 측정방법을 사용한 배터리의 내부저항 측정장치.
- (1) 충방전을 진행하기 전 배터리의 초기 용량을 측정하는 단계;
(2) 제1항에 따른 배터리의 내부저항 측정방법을 이용해 배터리의 내부저항을 측정하는 단계; 및
(3) 상기 내부저항을 이용해 상기 배터리의 잔존 용량(state of charge, SOC)을 측정하는 단계;를 포함하고,
상기 내부저항은 오믹저항 및 분극저항을 포함하는 것인, 배터리 잔존 용량의 측정방법. - 제14항에 있어서,
상기 배터리 잔존 용량의 측정방법이 상기 단계 (2)전에,
(2') 상기 배터리의 충방전을 단수회 또는 복수회 진행하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량의 측정방법. - 제14항에 있어서,
상기 단계 (3)이 상기 내부저항과 아래 식 3을 이용하여 배터리 잔존 용량을 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 측정방법:
[식 3]
배터리 잔존 용량 [Ah] = α - β × Rohmic - γ × Rpol
상기 식 3에서,
α는 Ah 단위를 갖는 상수이고.
β, γ는 각각 독립적으로 Ah/Ω 단위를 갖는 상수이고,
Rohmic은 오믹저항이고,
Rpol은 분극저항이다. - 제16항에 있어서,
상기 α, β, γ가 각각 독립적으로 선형회귀법으로 구해지는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 측정방법. - 제16항에 있어서,
상기 배터리 잔존 용량의 측정방법이 상기 단계 (3) 이후에,
(4) 상기 배터리 잔존 용량으로부터 배터리의 잔존 수명을 예측하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 측정방법.
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| JPH06331715A (ja) * | 1993-05-26 | 1994-12-02 | Fuji Heavy Ind Ltd | 車載バッテリの残存容量計 |
| JP2011103291A (ja) * | 2009-10-14 | 2011-05-26 | Sony Corp | 電池パックおよび電池劣化度検出方法 |
| JP2015224876A (ja) * | 2014-05-26 | 2015-12-14 | 株式会社デンソー | 電池内部状態推定装置 |
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- 2021-08-11 KR KR1020210105848A patent/KR102538419B1/ko active IP Right Grant
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