KR20240071302A - 배터리의 퇴화 검사 장치 및 이의 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 문서에서 개시되는 일 실시 예에 따른 배터리의 퇴화 검사 장치는, 제1 시점에 상기 배터리의 제1 개방 회로 전압(open circuit voltage, OCV) 및 제1 건강 상태(state of health, SOH)와 관련된 제1 데이터, 및 상기 제1 시점 다음의 제2 시점에 상기 배터리의 제2 OCV 및 제2 SOH와 관련된 제2 데이터를 획득하는 데이터 획득부; 상기 배터리와 관련된 기준 데이터에서 기준 시점의 풀셀의 이론 용량을 식별하는 용량 식별부, 및 상기 제1 OCV 및 상기 제2 OCV 간의 OCV 변화량, 및 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH 간의 SOH 변화량을 연산하고, 상기 이론 용량, 상기 OCV 변화량, 및 상기 SOH 변화량에 기초하여, 상기 제2 시점에서의 ASR(anode side reaction) 및 CSR(cathode side reaction)을 연산하는 연산부를 포함할 수 있다.
Description
본 문서에서 개시되는 실시 예들은, 배터리의 퇴화 검사 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차 전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도, 리튬 이차 전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 또한, 리튬 이차 전지는, 그 형태에 따라 각형 전지, 파우치형 전지, 원통형 전지로 구분되기도 한다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력 저장 장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 사용되고 있다.
이와 같은 이차 전지의 수명을 예측하기 위해서 퇴화도 분석이 이용될 수 있다. 퇴화도는 부반응량들(예: LLI(loss of lithium inventory), LAM(loss of active material))에 의해 수치화될 수 있다. 여기에서, LLI는, 이차 전지의 리튬이 BOL(beginning of life) 대비 얼마나 감소하였는지를 나타낼 수 있다. 양극의 LAM은, 이차 전지의 양극 활물질이 BOL 대비 얼마나 감소하였는지를 나타낼 수 있다. 음극의 LAM은, 이차 전지의 음극 활물질이 BOL 대비 얼마나 감소하였는지를 나타낼 수 있다.
그러나 기존의 부반응량들을 정량화하기 위한 방법들은 실험 방법에 따라 일정한 정량화 방법론이 정립되지 않으며, 단순 용량만을 이용한 퇴화도 추정은 실제 배터리 내부의 퇴화도를 정확하게 반영하지 못한다는 문제점이 있다.
따라서, 정밀하게 퇴화도를 분석하기 위해서는 배터리의 분해 분석이 요구되며, 이러한 분해 분석은 시간 및 자원이 많이 소요되는 문제점이 있다.
따라서, 배터리 퇴화에 따른 부반응량을 비파괴 방식으로 정확하고 일정하게 추정하는 방안이 요구된다.
본 문서에 개시된 실시예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에서 개시되는 일 실시 예에 따른 배터리의 퇴화 검사 장치는, 제1 시점에 상기 배터리의 제1 개방 회로 전압(open circuit voltage, OCV) 및 제1 건강 상태(state of health, SOH)와 관련된 제1 데이터, 및 상기 제1 시점 다음의 제2 시점에 상기 배터리의 제2 OCV 및 제2 SOH와 관련된 제2 데이터를 획득하는 데이터 획득부; 상기 배터리와 관련된 기준 데이터에서 기준 시점의 풀셀의 이론 용량을 식별하는 용량 식별부, 및 상기 제1 OCV 및 상기 제2 OCV 간의 OCV 변화량, 및 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH 간의 SOH 변화량을 연산하고, 상기 이론 용량, 상기 OCV 변화량, 및 상기 SOH 변화량에 기초하여, 상기 제2 시점에서의 ASR(anode side reaction) 및 CSR(cathode side reaction)을 연산하는 연산부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 기준 시점은 BOL(beginning of life) 시점일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 연산부는 상기 제1 시점의 상기 배터리의 용량-양극 평형전위 기울기 및 용량-음극 평형전위 기울기에 기초하여 상기 ASR 및 상기 CSR를 연산할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 기준 데이터는 상기 배터리와 동일한 유형의 배터리들을 통해 사전에 도출될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 연산부는 상기 이론 용량 및 상기 SOH 변화량을 곱한 값에 기초하여 상기 ASR을 결정하고, 상기 연산부는 상기 OCV 변화량에 기초하여 상기 CSR을 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치는 상기 연산된 ASR 및 상기 연산된 CSR에 기초하여, 배터리의 SOH를 확인하기 위한 모델을 생성하는 모델 생성부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치는 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 간의 활물질 손실 변화량을 확인하는 활물질 손실 확인부를 더 포함하고, 상기 모델 생성부는 상기 활물질 손실 변화량에 더 기초하여, 상기 배터리의 상기 SOH를 확인하기 위한 상기 모델을 생성할 수 있다.
본 문서에서 개시되는 일 실시 예에 따른 배터리의 퇴화 검사 장치의 동작 방법은, 제1 시점에 상기 배터리의 제1 개방 회로 전압(open circuit voltage, OCV) 및 제1 건강 상태(state of health, SOH)와 관련된 제1 데이터를 획득하는 동작, 상기 제1 시점 다음의 제2 시점에 상기 배터리의 제2 OCV 및 제2 SOH와 관련된 제2 데이터를 획득하는 동작, 상기 배터리와 관련된 기준 데이터에서 기준 시점의 풀셀의 이론 용량을 식별하는 동작, 상기 제1 OCV 및 상기 제2 OCV 간의 OCV 변화량, 및 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH 간의 SOH 변화량을 연산하는 동작, 및 상기 이론 용량, 상기 OCV 변화량, 및 상기 SOH 변화량에 기초하여, 상기 제2 시점에서의 ASR(anode side reaction) 및 CSR(cathode side reaction)을 연산하는 동작을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 기준 시점은 BOL(beginning of life) 시점일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 ASR 및 상기 CSR을 연산하는 동작은, 상기 제1 시점의 상기 배터리의 용량-양극 평형전위 기울기 및 용량-음극 평형전위 기울기에 기초하여 상기 ASR 및 상기 CSR를 연산하는 동작을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 기준 데이터는 상기 배터리와 동일한 유형의 배터리들을 통해 사전에 도출될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 ASR 및 상기 CSR을 연산하는 동작은, 상기 이론 용량 및 상기 SOH 변화량을 곱한 값에 기초하여 상기 ASR을 결정하는 동작, 및 상기 연산부는 상기 OCV 변화량에 기초하여 상기 CSR을 결정하는 동작을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 동작 상기 연산된 ASR 및 상기 CSR에 기초하여, 배터리의 SOH를 확인하기 위한 모델을 생성하는 동작을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 동작 방법의 상기 모델을 생성하는 동작은, 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 간의 활물질 손실 변화량을 확인하는 동작, 및 상기 활물질 손실 변화량에 더 기초하여, 상기 배터리의 상기 SOH를 확인하기 위한 상기 모델을 생성하는 동작을 더 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 다양한 실시 예들에 따른, 퇴화 검사 장치 및 이의 동작 방법은, 배터리 퇴화에 따른 배터리의 부반응량을 비파괴 방식으로 정확하고 일정하게 추정할 수 있다.
본 문서의 개시에 따른 퇴화 검사 장치 및 이의 동작 방법의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 효과들은 본 문서의 개시에 따라 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 퇴화 검사 장치의 블록도이다.
도 2는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3a는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 구현 예를 도시한다.
도 3b는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 구현 예를 도시한다.
도 3c는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 구현 예를 도시한다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
도 2는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3a는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 구현 예를 도시한다.
도 3b는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 구현 예를 도시한다.
도 3c는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치의 구현 예를 도시한다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서의 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제1", "제2", "첫째", "둘째", "A", "B", "(a)" 또는 "(b)"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다.
본 문서에서, 어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 언급되거나 "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로, 또는 무선으로), 또는 간접적으로(예: 제3 구성요소를 통하여) 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 문서에 개시된 다양한 실시 예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
본 문서에 개시된 실시 예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다. 본 문서에 개시된 실시 예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 본 문서에 개시된 실시 예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
도 1은, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 퇴화 검사 장치(100)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 퇴화 검사 장치(100)는 제어부(110), 메모리(120), 및 센서(130)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)일 수 있다. 이 경우, 배터리(105)는 배터리 셀, 배터리 모듈, 또는 배터리 팩이고, 퇴화 검사 장치(100)는 배터리(105)와 함께 하나의 장치로 구현될 수 있다. 다른 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 배터리 교환 스테이션(battery swapping station, BSS)일 수 있다. 퇴화 검사 장치(100)가 배터리 교환 스테이션으로 구현되는 경우, 퇴화 검사 장치(100)는 복수의 배터리 모듈들을 보관 및/또는 충전하기 위한 복수의 슬롯들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 원격지의 서버일 수 있다. 이 경우, 배터리(105)는 퇴화 검사 장치(100)와 통신 가능한 장치일 수 있다.
일 실시 예에서, 제어부(110)는 소프트웨어를 실행하여 제어부(110)에 연결된 퇴화 검사 장치(100)의 적어도 하나의 다른 구성 요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다.
일 실시 예에서, 제어부(110)는 데이터 획득부(111), 용량 식별부(113), 연산부(115), 활물질 손실 확인부(117), 모델 생성부(119), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 데이터 획득부(111), 용량 식별부(113), 연산부(115), 활물질 손실 확인부(117), 및/또는 모델 생성부(119)는 소프트웨어로 구현될 수 있다.
일 실시 예에서, 메모리(120)는 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 메모리(120)는, 퇴화 검사 장치(100)의 적어도 하나의 구성요소(예: 제어부(110) 또는 센서(130))에 의해 사용되는 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 데이터는 소프트웨어(또는, 이와 관련된 명령어(instruction)), 입력 데이터 또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 명령어는 제어부(110)에 의해 실행 시 퇴화 검사 장치(100)가 명령어에 의해 정의되는 동작들을 수행하게 할 수 있다.
일 실시 예에서, 센서(130)는, 배터리(105)와 관련된 정보를 획득할 수 있다. 일 실시 예에서, 센서(130)는, 배터리(105)의 상태와 관련된 값들(또는, 정보)를 획득할 수 있다. 일 실시 예에서, 상태와 관련된 값들은 배터리 셀의 전압, 전류, 저항, 충전 상태(state of charge, SOC), 건강 상태(state of health, SOH), 또는 온도, 또는 이들의 조합에 대한 하나 이상의 값들을 나타낼 수 있다. 이하에서, 상태와 관련된 값은 '상태 값'으로 지칭될 수 있다.
일 실시 예에서, 센서(130)는 배터리(105)의 정보(예컨대, 상태 값들)를 제어부(110)에게 제공할 수 있다.
일 실시 예에서, 배터리(105)는 퇴화 검사 장치(100)의 하나 이상의 구성 요소들에 전력을 공급할 수 있다. 일 실시 예에서, 배터리(105)는 퇴화 검사 장치(100)에서 탈부착 가능할 수 있다.
일 실시 예에서, 배터리(105)는 하나 이상의 배터리 모듈들을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 하나 이상의 배터리 모듈들 각각은 하나 이상의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 하나 이상의 배터리 셀들은 서로 직렬 연결되거나, 및/또는 서로 병렬 연결될 수 있다.
이하에서는, 도 1을 참조하여, 퇴화 검사 장치(100)가 배터리(105)의 ASR(anode side reaction) 및 CSR(cathode side reaction)을 연산하는 방법을 설명한다.
일 실시 예에서, 데이터 획득부(111)는 주기적으로 배터리(105)의 상태 값들을 획득할 수 있다. 일 실시 예에서, 데이터 획득부(111)는 지정된 충방전 사이클마다 배터리(105)의 상태 값들을 획득할 수 있다.
일 실시 예에서, 데이터 획득부(111)는 센서(130)를 이용하여 배터리(105)의 상태 값들을 획득할 수 있다. 일 실시 예에서, 데이터 획득부(111)는 RPT(reference performance test)를 통해 배터리(105)의 상태 값들을 획득할 수 있다. 여기에서, RPT는 배터리(105)를 충전 및 방전함으로써, 배터리(105)의 전압, 전류, 저항, 충전 상태(SOC), 건강 상태(SOH), 또는 온도, 또는 이들의 조합을 획득하기 위한 테스트일 수 있다.
예를 들어, 데이터 획득부(111)는 제1 시점에 배터리(105)의 제1 개방 회로 전압(open circuit voltage, OCV) 및 제1 건강 상태(state of health, SOH)와 관련된 제1 데이터를 획득할 수 있다. 이후, 데이터 획득부(111)는 제1 시점 다음의 제2 시점에 배터리(105)의 제2 OCV 및 제2 SOH와 관련된 제2 데이터를 획득할 수 있다.
일 실시 예에서, 획득된 제1 데이터 및 제2 데이터는 메모리(120)에 저장될 수 있다.
일 실시 예에서, 용량 식별부(113)는 배터리(105)와 관련된 기준 데이터에서 기준 시점의 풀셀(full cell)의 이론 용량을 식별할 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 시점은 배터리(105)의 BOL(beginning of life) 시점일 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 배터리(105)와 동일한 유형의 배터리들을 통해 사전에 도출된 데이터일 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 디자인 파라미터로 지칭될 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 양극의 OCP(open circuit potential), 음극의 OCP, 및 풀셀 OCV에 대한 정보를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 SOC 대비 OCV(및/또는 OCP)의 값에 대한 정보를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 SOC 대비 OCV(및/또는 OCP)의 변화율에 대한 정보를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 연산부(115)는 제1 OCV 및 제2 OCV 간의 OCV 변화량을 연산할 수 있다. 일 실시 예에서, 연산부(115)는 제1 SOH 및 제2 SOH 간의 SOH 변화량을 연산할 수 있다.
일 실시 예에서, 연산부(115)는 풀셀의 이론 용량, OCV 변화량, 및 SOH 변화량에 기초하여, 제2 시점에서의 ASR(anode side reaction) 및 CSR(cathode side reaction)을 연산할 수 있다. 보다 구체적으로, 연산부(115)는 아래 수학식에 기초하여 제2 시점에서의 ASR 및 CSR을 연산할 수 있다.
수학식 1에서, △CASR은 제1 시점(k-1 시점) 및 제2 시점(k 시점) 간의 양극의 부반응량의 변화량을 나타내고, 제1 시점(k-1 시점) 및 제2 시점(k 시점) 간의 △CCSR은 음극의 부반응량의 변화량을 나타낸다.
수학식 1에서, 는 k-1 시점에서 용량(c)-음극 평형전위()의 기울기를 나타내고, 는 k-1 시점에서 용량(c)-양극 평형전위()의 기울기를 나타낸다.
수학식 1에서, △SOHOCV는 지정된 전압에서 SOH의 변화량을 나타낸다. 는 기준 시점(즉, k가 0인 시점, 또는 BOL)에서 지정된 전압 범위에서 과전위(overpotential)을 제외한 이론 용량을 의미한다. OCV는 OCV의 변화량을 의미한다. 여기에서, k-1은 제1 시점을 의미하고, k는 제2 시점을 의미할 수 있다. 수학식 1에서의 변화량들은 제1 시점의 값 대비 제2 시점의 값에 의해 식별될 수 있다.
일 실시 예에서, 는 아래 수학식 2에 기초하여 연산될 수 있다.
수학식 2를 참조하면, 는 음극 화학양론(stoichiometry) 대비 k-1 시점에서의 음극 전위의 변화량()과 용량 대비 음극 화학양론의 변화량의 곱에 기초하여 연산될 수 있다. 또한, 용량 대비 음극 화학양론의 변화량은 지정된 전압 범위에서 음극 용량을 나타내는 으로 대체될 수 있다. 여기에서, 음극 화학양론 대비 k-1 시점에서의 음극 전위의 변화량 및 용량 대비 음극 화학양론의 변화량은 기준 데이터에 포함될 수 있다.
일 실시 예에서, 는 아래 수학식 3에 기초하여 연산될 수 있다.
수학식 3을 참조하면, 는 양극 화학양론 대비 k-1 시점에서의 양극 전위의 변화량()과 용량 대비 양극 화학양론의 변화량의 곱에 기초하여 연산될 수 있다. 또한, 용량 대비 양극 화학양론의 변화량은 지정된 전압 범위에서 양극 용량을 나타내는 으로 대체될 수 있다. 여기에서, 양극 화학양론 대비 k-1 시점에서의 양극 전위의 변화량 및 용량 대비 양극 화학양론의 변화량은 기준 데이터에 포함될 수 있다.
일 실시 예에서, 연산부(115)는 수학식 1과 같이 제1 시점(즉, k-1)의 배터리(105)의 용량-양극 평형전위 기울기() 및 용량-음극 평형전위 기울기()에 기초하여 ASR 및 CSR를 연산할 수 있다.
일 실시 예에서, 연산부(115)는 수학식 1과 같이 풀셀의 이론 용량() 및 SOH 변화량(△SOHOCV)을 곱한 값에 기초하여 ASR을 결정하고, OCV 변화량(△OCV)에 기초하여 CSR을 결정할 수 있다.
이하에서는, 활물질 손실(LAM(loss of active material))을 더 고려하여 퇴화 검사 장치(100)가 배터리(105)의 ASR 및 CSR을 연산하는 방법을 설명한다.
일 실시 예에서, 연산부(115)는 활물질 손실을 더 고려하여, 제2 시점에서의 ASR 및 CSR을 연산할 수 있다. 일 실시 예에서, 연산부(115)는 아래 수학식 4에 기초하여 제2 시점에서의 ASR 및 CSR을 연산할 수 있다.
수학식 4에서, △δLAM,p는 양극 활물질 손실의 변화량을 나타낸다.
*67수학식 4에서, 는 k-1 시점에서 저장 SoC(operational SOC) 지점에서의 용량(cSOC,op)-음극 평형전위()의 기울기를 나타내고, 는 k-1 시점에서 저장 SOC 지점에서의 용량(cSOC,op)-양극 평형전위()의 기울기를 나타낸다. 는 k-1 시점에서 SoC가 50%인 지점에서의 용량(cSOC50)-음극 평형전위()의 기울기를 나타내고, 는 k-1 시점에서 SoC가 50%인 지점에서의 용량(cSOC50)-양극 평형전위()의 기울기를 나타낸다. 는 기준 시점(즉, k가 0인 시점, 또는 BOL)에서 지정된 전압 범위에서 음극 용량을 의미한다. ySoC100은 SoC가 100%인 지점에서의 음극의 화학양론을 의미하고, 은 k=0인 시점에서 저장 SoC 지점에서의 음극의 화학양론을 의미한다.
수학식 4에서, △OCVSOC,Op는 저장 SoC 지점에서의 OCV의 변화량을 나타낸다. △OCVSOC,Op는 SoC가 50%인 지점에서의 OCV의 변화량을 나타낸다. 여기에서, 용량-평형전위의 기울기기들, 화학양론들 및 용량들은 기준 데이터에 포함될 수 있다.
일 실시 예에서, 연산부(115)는 수학식 4와 같이 SoC가 50%인 지점에서의 용량-음극 평형전위의 기울기에 기초하여 ASR 및 CSR를 연산할 수 있다. 일 실시 예에서, 연산부(115)는 수학식 4와 같이 저장 SOC 지점에서의 용량-양극 평형전위의 기울기에 기초하여 ASR 및 CSR를 연산할 수 있다.
일 실시 예에서, 연산부(115)는 수학식 4와 같이 풀셀의 이론 용량() 및 SOH 변화량(△SOHOCV)을 곱한 값에 기초하여 ASR을 결정하고, 저장 SOC 지점에서의 OCV 변화량(△OCV)에 기초하여 CSR을 결정할 수 있다.
이하에서는, 퇴화 검사 장치(100)가 계산된 ASR 및 CSR에 기초하여 배터리의 SOH를 확인하기 위한 모델을 생성하는 방법을 설명한다.
일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 활물질 손실 확인부(117)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 활물질 손실 확인부(117)는 적어도 두 시점들 각각에서의 활물질 손실을 확인할 수 있다. 예를 들어, 활물질 손실 확인부(117)는 제1 시점 및 제2 시점 각각에서의 활물질 손실을 확인할 수 있다. 여기에서, 활물질 손실은 음극 활물질 손실과 양극 활물질 손실을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 활물질 손실 확인부(117)는 충전 및 방전 데이터의 미분 개형에 기초하여 활물질 손실을 확인할 수 있다. 예를 들어, 활물질 손실 확인부(117)는 dV/dQ의 피크 값의 변화에 기초하여, 배터리(105)의 양극 용량 손실, 음극 용량 손실, balance shift를 분류할 수 있다. 이후, 활물질 손실 확인부(117)는 음극 활물질 손실과 양극 활물질 손실을 확인할 수 있다.
모델 생성부(119)는 연산된 ASR 및 CSR에 기초하여, 배터리의 SOH 및/또는 SOC를 확인하기 위한 모델을 생성할 수 있다. 예를 들어, 모델은 복수의 프로파일들(예: SOH 프로파일들, SOC 프로파일들) 중 RPT 시점에서의 LLI(예: ASR 및 CSR) 및/또는 LAM(예: 양극 LAM, 음극 LAM)에 대응하는 프로파일을 선택하기 위한 모델일 수 있다.
이후, 퇴화 검사 장치(100)는 생성된 모델을 활용하여, LLI(예: ASR 및 CSR) 및/또는 LAM(예: 양극 LAM, 음극 LAM)에 대응하는 프로파일을 선택하고, 선택된 프로파일을 통해 배터리의 SOH 및/또는 SOC를 확인할 수 있다.
도 2는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치(210)의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 동작 210에서, 퇴화 검사 장치(100)는 제1 시점에 배터리(105)의 제1 개방 회로 전압 및 제1 건강 상태와 관련된 제1 데이터를 획득할 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 제1 시점에 RPT(reference performance test)를 수행함으로써, 배터리(105)의 상태 값들을 획득할 수 있다. 여기에서, RPT는 배터리(105)를 충전 및 방전함으로써, 배터리(105)의 전압, 전류, 저항, 충전 상태(SOC), 건강 상태(SOH), 또는 온도, 또는 이들의 조합을 획득하기 위한 테스트일 수 있다. 일 실시 예에서, 상태와 관련된 값들은 배터리 셀의 전압, 전류, 저항, 충전 상태(state of charge, SOC), 건강 상태(state of health, SOH), 또는 온도, 또는 이들의 조합에 대한 하나 이상의 값들을 나타낼 수 있다.
동작 220에서, 퇴화 검사 장치(100)는 제1 시점에 배터리(105)의 제2 개방 회로 전압 및 제2 건강 상태와 관련된 제2 데이터를 획득할 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 제2 시점에 RPT를 수행함으로써, 배터리(105)의 상태 값들을 획득할 수 있다.
동작 230에서, 퇴화 검사 장치(100)는 배터리(105)와 관련된 기준 데이터에서 기준 시점의 이론 용량을 식별할 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 배터리(105)와 관련된 기준 데이터에서 기준 시점의 풀셀(full cell)의 이론 용량을 식별할 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 시점은 배터리(105)의 BOL 시점일 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 배터리(105)와 동일한 유형의 배터리들을 통해 사전에 도출된 데이터일 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 디자인 파라미터로 지칭될 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 양극의 OCP, 음극의 OCP, 및 풀셀 OCV에 대한 정보를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 SOC 대비 OCV(및/또는 OCP)의 값에 대한 정보를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 데이터는 SOC 대비 OCV(및/또는 OCP)의 변화율에 대한 정보를 포함할 수 있다.
동작 240에서, 퇴화 검사 장치(100)는 OCV 변화량 및 SOH 변화량을 연산할 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 제1 OCV 및 제2 OCV 간의 OCV 변화량을 연산할 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 제1 SOH 및 제2 SOH 간의 SOH 변화량을 연산할 수 있다.
동작 250에서, 퇴화 검사 장치(100)는 이론 용량, OCV 변화량, 및 SOH 변화량에 기초하여, 제2 시점에서의 ASR 및 CSR을 연산할 수 있다.
보다 구체적으로, 퇴화 검사 장치(100)는 제1 시점(즉, k-1)의 배터리(105)의 용량-양극 평형전위 기울기 및 용량-음극 평형전위 기울기에 기초하여 ASR 및 CSR를 연산할 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 풀셀의 이론 용량 및 SOH 변화량을 곱한 값에 기초하여 ASR을 결정하고, OCV 변화량에 기초하여 CSR을 결정할 수 있다.
일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 SoC가 50%인 지점에서의 용량-음극 평형전위의 기울기에 기초하여 ASR 및 CSR를 연산할 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 저장 SOC 지점에서의 용량-양극 평형전위의 기울기에 기초하여 ASR 및 CSR를 연산할 수 있다.
일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 풀셀의 이론 용량 및 SOH 변화량을 곱한 값에 기초하여 ASR을 결정하고, 저장 SOC 지점에서의 OCV 변화량에 기초하여 CSR을 결정할 수 있다.
이후, 퇴화 검사 장치(100)는 연산된 ASR 및 CSR에 기초하여, 배터리의 SOH 및/또는 SOC를 확인하기 위한 모델을 생성할 수 있다. 예를 들어, 모델은 복수의 프로파일들(예: SOH 프로파일들, SOC 프로파일들) 중 RPT 시점에서의 LLI(예: ASR 및 CSR)에 대응하는 프로파일을 선택하기 위한 모델일 수 있다.
아울러, 퇴화 검사 장치(100)는 양극 LAM, 음극 LAM을 더 고려하여, 배터리의 SOH 및/또는 SOC를 확인하기 위한 모델을 생성할 수 있다. 예를 들어, 모델은 복수의 프로파일들(예: SOH 프로파일들, SOC 프로파일들) 중 RPT 시점에서의 LLI(예: ASR 및 CSR) 및/또는 LAM(예: 양극 LAM, 음극 LAM)에 대응하는 프로파일을 선택하기 위한 모델일 수 있다. 여기에서, LAM은 음극 LAM과 양극 LAM을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 음극 LAM과 양극 LAM는 배터리(105)의 충전 및 방전 데이터의 미분 개형에 기초하여 확인될 수 있다. 예를 들어, 음극 LAM과 양극 LAM는 dV/dQ의 피크 값의 변화에 기초하여 확인될 수 있다. 또한, 배터리(105)의 LAM은 dV/dQ의 피크 값의 변화에 기초하여 양극 용량 손실, 음극 용량 손실, balance shift로 분류될 수 있다.
도 3a는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치(100)의 구현 예를 도시한다. 도 3b는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치(100)의 구현 예를 도시한다.
도 3a를 참조하면, 퇴화 검사 장치(100)는 센서(130) 대신 통신 회로(310)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 통신 회로(310)는 퇴화 검사 장치(100)와 배터리 팩(330) 간의 유선 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널을 수립하고, 수립된 통신 채널을 통해 배터리 팩(330)과 데이터를 송수신할 수 있다. 실시 예에 따라, 퇴화 검사 장치(100)는 센서(130) 및 통신 회로(310)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 네트워크(301)를 통해 배터리 팩(330)과 연결될 수 있다. 일 실시 예에서, 네트워크(301)는 근거리 통신 네트워크(예: 블루투스, WIFI(wireless fidelity) 또는 IrDA(infrared data association)) 또는 원거리 통신 네트워크(예: 셀룰러 네트워크, 5G 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(예: LAN 또는 WAN))를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 네트워크(301)를 통해 배터리 팩(330)과 직접 또는 간접 연결될 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 통신 회로(310)를 통해 배터리 팩(330)과 관련된 정보를 획득할 수 있다. 일 실시 예에서, 퇴화 검사 장치(100)는 통신 회로(310)를 통해 배터리 팩(330)의 상태와 관련된 값들(또는, 정보)를 획득할 수 있다.
일 실시 예에서, 도 3b와 같이 배터리 팩(330)이 전기 자동차(320)에 포함되는 경우, 퇴화 검사 장치(100)는 전기 자동차(320)의 통신 회로를 통해 배터리 팩(330)과 데이터 통신을 수행할 수 있다.
도 3c는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 퇴화 검사 장치(100)의 구현 예를 도시한다.
도 3c를 참조하면, 퇴화 검사 장치(100)는 배터리 팩(330)과 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 퇴화 검사 장치(100)는 배터리 팩(330)의 배터리 모듈들(331, 332)로부터 데이터를 직접 획득할 수 있다.
Claims (14)
- 제1 시점에 상기 배터리의 제1 개방 회로 전압(open circuit voltage, OCV) 및 제1 건강 상태(state of health, SOH)와 관련된 제1 데이터, 및 상기 제1 시점 다음의 제2 시점에 상기 배터리의 제2 OCV 및 제2 SOH와 관련된 제2 데이터를 획득하는 데이터 획득부;
상기 배터리와 관련된 기준 데이터에서 기준 시점의 풀셀(full cell)의 이론 용량을 식별하는 용량 식별부, 및
상기 제1 OCV 및 상기 제2 OCV 간의 OCV 변화량, 및 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH 간의 SOH 변화량을 연산하고, 상기 풀셀의 이론 용량, 상기 OCV 변화량, 및 상기 SOH 변화량에 기초하여, 상기 제2 시점에서의 ASR(anode side reaction) 및 CSR(cathode side reaction)을 연산하는 연산부를 포함하는
퇴화 검사 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 기준 시점은 BOL(beginning of life) 시점인
퇴화 검사 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 연산부는 상기 제1 시점의 상기 배터리의 용량-양극 평형전위 기울기 및 용량-음극 평형전위 기울기에 기초하여 상기 ASR 및 상기 CSR를 연산하는
퇴화 검사 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 기준 데이터는 상기 배터리와 동일한 유형의 배터리들을 통해 사전에 도출된
퇴화 검사 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 연산부는 상기 이론 용량 및 상기 SOH 변화량을 곱한 값에 기초하여 상기 ASR을 결정하고,
상기 연산부는 상기 OCV 변화량에 기초하여 상기 CSR을 결정하는
퇴화 검사 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 연산된 ASR 및 상기 연산된 CSR에 기초하여, 배터리의 SOH를 확인하기 위한 모델을 생성하는 모델 생성부를 더 포함하는
퇴화 검사 장치.
- 청구항 6에 있어서,
상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 간의 활물질 손실 변화량을 확인하는 활물질 손실 확인부를 더 포함하고,
상기 모델 생성부는 상기 활물질 손실 변화량에 더 기초하여, 상기 배터리의 상기 SOH를 확인하기 위한 상기 모델을 생성하는
퇴화 검사 장치.
- 제1 시점에 상기 배터리의 제1 개방 회로 전압(open circuit voltage, OCV) 및 제1 건강 상태(state of health, SOH)와 관련된 제1 데이터를 획득하는 동작,
상기 제1 시점 다음의 제2 시점에 상기 배터리의 제2 OCV 및 제2 SOH와 관련된 제2 데이터를 획득하는 동작,
상기 배터리와 관련된 기준 데이터에서 기준 시점의 풀셀의 이론 용량을 식별하는 동작,
상기 제1 OCV 및 상기 제2 OCV 간의 OCV 변화량, 및 상기 제1 SOH 및 상기 제2 SOH 간의 SOH 변화량을 연산하는 동작, 및
상기 이론 용량, 상기 OCV 변화량, 및 상기 SOH 변화량에 기초하여, 상기 제2 시점에서의 ASR(anode side reaction) 및 CSR(cathode side reaction)을 연산하는 동작을 포함하는
퇴화 검사 장치의 동작 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 기준 시점은 BOL(beginning of life) 시점인
동작 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 ASR 및 상기 CSR을 연산하는 동작은,
상기 제1 시점의 상기 배터리의 용량-양극 평형전위 기울기 및 용량-음극 평형전위 기울기에 기초하여 상기 ASR 및 상기 CSR를 연산하는 동작을 더 포함하는
동작 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 기준 데이터는 상기 배터리와 동일한 유형의 배터리들을 통해 사전에 도출된
동작 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 ASR 및 상기 CSR을 연산하는 동작은,
상기 이론 용량 및 상기 SOH 변화량을 곱한 값에 기초하여 상기 ASR을 결정하는 동작, 및
상기 연산부는 상기 OCV 변화량에 기초하여 상기 CSR을 결정하는 동작을 더 포함하는
동작 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 연산된 ASR 및 상기 CSR에 기초하여, 배터리의 SOH를 확인하기 위한 모델을 생성하는 동작을 더 포함하는
동작 방법.
- 청구항 13에 있어서,
상기 모델을 생성하는 동작은,
상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 간의 활물질 손실 변화량을 확인하는 동작, 및
상기 활물질 손실 변화량에 더 기초하여, 상기 배터리의 상기 SOH를 확인하기 위한 상기 모델을 생성하는 동작을 더 포함하는
동작 방법.
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