WO2022025726A1 - 배터리를 위한 과전압 특성 평가 장치 및 과전압 특성 평가 방법 - Google Patents

배터리를 위한 과전압 특성 평가 장치 및 과전압 특성 평가 방법 Download PDF

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WO2022025726A1
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overvoltage
measured
battery
voltage curve
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최현준
김대수
김영덕
지수원
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for evaluating overvoltage characteristics according to polarization of a battery.
  • battery parameters that are basically required are voltage and current.
  • the capacity (or change thereof) of the battery may be determined based on a measurement of the current, such as by using coulomb counting.
  • Differential voltage analysis determines a differential voltage curve by differentiating a measured voltage curve indicating a correspondence relationship between battery capacity and voltage, and then, a feature part appearing on the differential voltage curve Determine the degradation parameters of the battery based on the change in size and/or change in position of (s).
  • the degradation parameters include, for example, capacity loss of the positive or negative electrode, lithium precipitation, and the like.
  • an overvoltage reflected in a measured voltage curve due to polarization acts as a kind of noise with respect to the differential voltage curve. Therefore, in order to minimize the polarization causing overvoltage, the process of acquiring the measured voltage curve is usually performed while intermittently discharging or charging the battery with a low current (eg, less than 0.5 C-rate).
  • a low current eg, less than 0.5 C-rate
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an apparatus and method for evaluating overvoltage characteristics of a battery using a DVA.
  • an apparatus for evaluating overvoltage characteristics for a battery includes: a sensing unit configured to measure current and voltage of the battery; and using the sensing information acquired from the sensing unit during a discharge event executed following polarization-induced preprocessing for the battery, to determine a measured capacity history and a measured voltage history indicating time-series changes of the capacity and voltage of the battery It includes a control unit.
  • the control unit is configured to determine a first measured voltage curve indicating a corresponding relationship between the measured capacitance history and the measured voltage history.
  • the control unit is configured to determine a second measured voltage curve indicating a correspondence between a discharge depth history obtained by normalizing the measured capacity history with a total discharge capacity of the measured capacity history and the measured voltage history.
  • the control unit is configured to differentiate the measured voltage history with respect to the discharge depth history to determine a differential voltage curve from the second measured voltage curve.
  • the controller is configured to compare the differential voltage curve with a reference differential voltage curve to determine overvoltage characteristic information related to the polarization-induced preprocessing.
  • the discharge event may include a constant current discharge from a first time point to a second time point.
  • the first time point is a time point at which the voltage of the battery is equal to the first threshold voltage.
  • the second time point is a time point at which the voltage of the battery is equal to a second threshold voltage lower than the first threshold voltage.
  • the controller may be configured to determine an overvoltage concentration section in a range in which a differential voltage difference between the differential voltage curve and the reference differential voltage curve is equal to or greater than a threshold difference in the entire range of the depth of discharge history.
  • the overvoltage characteristic information includes the overvoltage concentration section.
  • the controller may be configured to determine an area of the overvoltage concentration region defined by the overvoltage concentration section, the differential voltage curve, and the reference differential voltage curve.
  • the overvoltage characteristic information further includes an area of the overvoltage concentration region.
  • the area represents the magnitude of the overvoltage accumulated in the battery over the overvoltage concentration section.
  • the control unit may be configured to divide an integral value of the differential voltage difference over a reference range from a first predetermined depth of discharge to a predetermined second depth of discharge within the entire range of the depth of discharge history by a size of the reference range, and divide the threshold difference can be configured to determine
  • the control unit may be configured to determine the overvoltage concentration period within the reference range.
  • a method for evaluating overvoltage characteristics for a battery using sensing information of current and voltage of the battery acquired during a discharge event that is performed following polarization-induced preprocessing for the battery, the capacity of the battery and determining a measured capacitance history and a measured voltage history indicating a time-series change of voltage; determining a first measured voltage curve representing a corresponding relationship between the measured capacitance history and the measured voltage history; determining a second measured voltage curve representing a correspondence between a discharge depth history obtained by normalizing the measured capacity history with the total discharge capacity of the measured capacity history and the measured voltage history; determining a differential voltage curve from the second measured voltage curve by differentiating the measured voltage history with respect to the discharge depth history; and comparing the differential voltage curve with a reference differential voltage curve to determine overvoltage characteristic information related to the polarization-induced preprocessing.
  • the determining of the overvoltage characteristic information related to the polarization-induced preprocessing includes determining an overvoltage concentration section in which a differential voltage difference between the differential voltage curve and the reference differential voltage curve is greater than or equal to a threshold difference in the entire range of the depth of discharge history. may include the step of
  • the determining of the overvoltage characteristic information related to the polarization-induced preprocessing may further include determining an area of the overvoltage concentration region defined by the overvoltage concentration section, the differential voltage curve, and the reference differential voltage curve.
  • the overvoltage characteristic of the battery may be evaluated using the DVA.
  • the correspondence between the measured voltage history and the measured capacity history can be converted into a correspondence relationship between the history of the measured voltage and the history of the depth of discharge. Accordingly, as a result of the evaluation, it is possible to obtain an overvoltage concentration section in which the overvoltage characteristic of the battery that has undergone the polarization-induced pretreatment appears intensively.
  • the magnitude of the overvoltage accumulated over the overvoltage concentration section may be additionally acquired.
  • FIG. 1 is a diagram exemplarily showing the configuration of a battery evaluation system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram referenced for explaining the relationship between the magnitude of the overvoltage and the measured voltage curve.
  • FIG. 3 is a diagram referenced for explaining a result of normalization for a measured voltage curve.
  • FIG. 4 is a diagram referenced for explaining a differential voltage curve corresponding to a measured voltage curve.
  • FIG. 5 is a diagram referenced for explaining an operation of determining an overvoltage characteristic from a differential voltage curve.
  • FIG. 6 is a flowchart exemplarily illustrating a method for evaluating an overvoltage characteristic of a battery according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart exemplarily illustrating a method for evaluating an overvoltage characteristic of a battery according to a second embodiment of the present invention.
  • control unit> means a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a diagram exemplarily showing the configuration of a battery evaluation system according to the present invention
  • FIG. 2 is a diagram referenced to explain the relationship between the magnitude of the overvoltage and the measured voltage curve
  • FIG. 3 is the measured voltage curve. It is a diagram referenced to explain the result of normalization
  • FIG. 4 is a diagram referenced to explain a differential voltage curve corresponding to the measured voltage curve
  • FIG. 5 is a diagram to describe an operation of determining the overvoltage characteristic from the differential voltage curve It is a drawing referenced for doing.
  • the battery evaluation system 1 is provided to evaluate the overvoltage characteristic of the battery B.
  • the battery B may be a lithium ion battery.
  • the type of the battery B is not particularly limited.
  • the battery evaluation system 1 includes an overvoltage characteristic evaluation apparatus 10 (which may be referred to as an 'evaluation apparatus' hereinafter) and a charging/discharging device 20 .
  • the charging/discharging device 20 is electrically connected to a current path for charging and discharging the battery B. That is, the charging/discharging device 20 is provided so that it can be electrically connected in parallel to the battery B through a pair of terminals.
  • the charging/discharging device 20 may include a constant current circuit that adjusts a current rate (which may be referred to as a 'C-rate') of a current flowing through the battery B .
  • the charging/discharging device 20 is configured to adjust a current rate (which may be referred to as 'C-rate') of a current for charging or discharging the battery B according to a command from the evaluation device 10 .
  • the charging/discharging device 20 may provide only one of a constant current discharge function and a constant current charging function.
  • the evaluation device 10 includes a sensing unit 110 and a control unit 120 .
  • the evaluation apparatus 10 may further include at least one of the interface unit 130 and the temperature chamber 140 .
  • the evaluation device 10 includes all of the sensing unit 110 , the control unit 120 , the interface unit 130 , and the temperature chamber 140 .
  • the sensing unit 110 includes a voltage sensor 111 and a current sensor 112 .
  • the voltage sensor 111 is provided to be electrically connected to the battery B in parallel.
  • the voltage sensor 111 is configured to measure the voltage across the battery B and generate a voltage signal indicative of the measured voltage.
  • the current sensor 112 is provided to be electrically serially connectable to the battery B through a current path connecting the battery B and the charging/discharging device 20 .
  • the current sensor 112 is configured to measure the current flowing through the battery B and generate a current signal indicative of the measured current.
  • the control unit 120 may collect sensing information including a voltage signal and a current signal acquired synchronously from the sensing unit 110 .
  • the control unit 120 in hardware, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays), microprocessors (microprocessors) and may be implemented using at least one of electrical units for performing other functions.
  • the controller 120 may have a built-in memory.
  • the memory is, for example, a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type, an SDD type (Silicon Disk Drive type), and a multimedia card micro type.
  • RAM random access memory
  • SRAM static random access memory
  • ROM read-only memory
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • PROM programmable read-only memory It may include a type of storage medium.
  • the memory may store data and programs required for an arithmetic operation (methods to be described later) by the controller 120 .
  • the controller 120 may write data representing the result of the operation operation in the memory.
  • the control unit 120 is operatively coupled to the charging/discharging device 20 , the sensing unit 110 , the interface unit 130 , and the temperature chamber 140 .
  • the two components When the two components are operatively coupled, it means that the two components are directly or indirectly connected to transmit/receive signals in one direction or in both directions.
  • the interface unit 130 is configured to support wired communication or wireless communication between the control unit 120 and the user terminal 2 (eg, a personal computer). Wired communication may be, for example, CAN (controller area network) communication, and wireless communication may be, for example, Zigbee or Bluetooth communication. Of course, as long as wired/wireless communication between the controller 120 and the user terminal 2 is supported, the type of the communication protocol is not particularly limited.
  • the interface unit 130 may include an output device (eg, a display, a speaker) that provides information received from the control unit 120 and/or the user terminal 2 in a form recognizable by a user.
  • Capacitance history and measured voltage history can be determined.
  • the measured capacity history shows the time-series change of the discharge capacity of the battery B from the starting point of the discharge event to the end point.
  • the measured voltage history shows the time-series change of the voltage of the battery B from the starting point of the discharge event to the ending point. In the discharge event, a relatively large discharge capacity in the measured capacity history corresponds to a relatively small voltage in the measured voltage history.
  • the controller 120 may record a history of measured capacity and a history of measured voltage in the memory.
  • the discharge event may include a constant current discharge.
  • the discharge event may be performed while the temperature chamber 140 maintains the ambient temperature of the battery B at a predetermined constant temperature.
  • the constant current discharge is a second threshold voltage (V TH2 ) in which the voltage of the battery (B) is less than the first threshold voltage (V TH1 ) from a first time point when the voltage of the battery (B) is equal to the first threshold voltage (V TH1 ) It proceeds until the second time point, which is the same as
  • the first threshold voltage V TH1 is an open circuit voltage (OCV) when the battery B is fully charged, and may be the same as a predetermined value, that is, a charge termination voltage.
  • the second threshold voltage V TH2 is an open-circuit voltage when the battery B is completely discharged, and may be the same as a predetermined value, that is, a discharge termination voltage.
  • the current rate of the constant current discharge may be, for example, a high current of 6.5 C-rate.
  • the X-axis (vertical axis) represents the voltage
  • the Y-axis (horizontal axis) represents the discharge capacity.
  • the first reference voltage curve 210 is obtained in advance through a discharging event for the reference battery (not shown) on which the reference pre-processing has been performed
  • the first measured voltage curve 220 is the battery (B) on which the polarization-induced pre-treatment has been performed. is obtained through the discharge event for
  • the first reference voltage curve 210 represents a correspondence relationship between the reference capacitance history and the reference voltage history.
  • the reference capacity history represents a time-series change of the discharge capacity of the reference battery from the starting point to the end point of the discharge event.
  • the reference voltage history represents a time-series change of the voltage of the reference battery from the starting point of the discharge event to the ending point.
  • the battery (B) and the reference battery are manufactured to have the same electrochemical characteristics.
  • the standard preprocessing may include the following series of processes.
  • the polarization-induced pretreatment may include the following series of processes.
  • the polarization-inducing pretreatment is different from the reference pretreatment in that the battery B is left at a second temperature (room temperature) instead of the first temperature (high temperature). Due to this difference, the reference battery undergoes a discharge event in a state in which the polarization is completely resolved, whereas the battery B experiences a discharge event in a state in which the polarization remains.
  • the reference pre-processing is not limited to the above-described example as long as it is performed to reduce the polarization of the battery B below a certain level at the start of the discharging event.
  • the polarization-inducing pretreatment is not limited to the above-described example as long as it is carried out to form a large polarization in the battery B compared to the reference pretreatment.
  • the user may place the battery B inside the temperature chamber 140 and then request the evaluation device 10 to perform polarization-induced pretreatment.
  • the control unit 120 controls the charging/discharging device 20 and the temperature chamber 140 so that the processes of the polarization-induced preprocessing are sequentially executed. can do.
  • the temperature chamber 140 is provided with an internal space in which the battery B can be accommodated, and is a device capable of detecting and adjusting the temperature of the internal space (ie, the ambient temperature of the battery B).
  • the controller 120 may execute a discharge event for the battery B in response to the completion of the polarization-induced pre-processing.
  • the polarization-induced pretreatment may be performed using a separate test facility instead of the evaluation device 10 .
  • the first reference voltage curve 210 shows a substantially faster voltage drop behavior than the first reference voltage curve 210 , and the total discharge capacity of the battery B corresponding to the second threshold voltage V TH2 ( It can be seen that Q B_total ) is decreased from the total discharge capacity (Q ref_total ) of the reference battery. This is due to the fact that the polarization remaining in the battery B appears in the form of overvoltage by the current of the discharge event.
  • the reference voltage history of the first reference voltage curve 210 and the measurement voltage history of the first measured voltage curve 220 have the same voltage range, but the reference capacitance history of the first reference voltage curve 210 and the first The measured capacitance history of the measured voltage curve 220 does not have the same capacitance range. Accordingly, the control unit 120, for ease of comparison between the first reference voltage curve 210 and the first measured voltage curve 220 , the reference capacitance history of the first reference voltage curve 210 and the first measured voltage curve ( 220), it is possible to determine the history of the first depth of discharge and the history of the second depth of discharge having the same range of 0 to 1 or 0 to 100%.
  • the history of the reference capacitance and the history of the first depth of discharge of the first reference voltage curve 210 may have the following relationship.
  • Q ref_total is the total discharge capacity of the first reference voltage curve 210
  • Q ref [i] is the discharge capacity of the i-th reference battery determined during the discharge event
  • DoD ref [i] is It is a value obtained by normalizing Q ref [i] using Q ref_total .
  • the first discharge depth history may be a set (time series) of DoD ref [i] during the discharge event.
  • the history of the measured capacity of the first measured voltage curve 220 and the history of the second depth of discharge may have the following relationship.
  • Q B_total is the total discharge capacity of the first measured voltage curve 220
  • Q B [j] is the discharge capacity of the battery B determined i-th during the discharge event
  • DoD B [j] ] is the normalized value of Q B [j] using Q B_total .
  • the second discharge depth history may be a set (time series) of DoD B [j] during the discharge event.
  • the X-axis (vertical axis) represents voltage
  • the Y-axis (horizontal axis) represents the discharge depth corresponding to the discharge capacity of FIG. 2 .
  • the control unit 120 converts the correspondence relationship between the reference capacity history and the reference voltage history into a correspondence relationship between the first depth of discharge history and the reference voltage history, and thereby converts the second reference voltage curve 210 from the first reference voltage curve 210 .
  • a reference voltage curve 310 may be determined.
  • control unit 120 converts the relationship between the history of the measured capacity and the history of the measured voltage of the first measured voltage curve 220 into a relationship between the history of the second depth of discharge and the history of the measured voltage, thereby converting the first measured voltage curve (
  • the second measured voltage curve 320 may be determined from 220 .
  • the reference voltage history of the second reference voltage curve 220 and the measurement voltage history of the second measurement voltage curve 320 are scaled with respect to a discharge depth in a common range of 0-100%.
  • the X-axis (vertical axis) represents the differential voltage
  • the Y-axis (horizontal axis) is the same as the Y-axis of FIG. 3 .
  • the differential voltage dV/dQ represents the ratio of the change dV in the voltage to the change dQ in the discharge capacity (or the depth of discharge).
  • control unit 120 differentiates the reference voltage history of the second reference voltage curve 310 with respect to the first discharge depth history, and thereby obtains the reference differential voltage curve 410 from the second reference voltage curve 310 . ) can be determined.
  • the reference differential voltage curve 410 may be recorded in a memory according to a result of a previously performed test, instead of being determined by the controller 120 . That is, the reference differential voltage curve 410 may be a predetermined differential voltage curve when a discharge event is executed in a state in which the battery B is not subjected to polarization-induced pretreatment (ie, the polarization is zero).
  • the controller 120 may determine the differential voltage curve 420 from the second measured voltage curve 320 by differentiating the measured voltage history of the second measured voltage curve 320 with respect to the second discharge depth history.
  • the differential voltage curve 420 is, in the entire range of 0 to 100%, (i) the discharge depth (or the corresponding discharge capacity) and (ii) the unit change amount of the discharge depth (or the corresponding change amount of the discharge capacity) It can represent a time series of the ratio between the amount of change in voltage.
  • the controller 120 compares the reference differential voltage curve 410 with the differential voltage curve 420 and determines overvoltage characteristic information of the battery B from the differential voltage curve 420 .
  • the control unit 120 may record the overvoltage characteristic information in the memory in association with the polarization-induced preprocessing.
  • FIG. 5 is a graph exemplarily showing a polarization comparison curve 500 illustrating a correspondence between a differential voltage difference ( ⁇ dV/dQ) and a depth of discharge over a reference range ( ⁇ R ref ).
  • the X axis (vertical axis) represents the differential voltage difference ( ⁇ dV/dQ)
  • the Y axis horizontal axis is the same as the Y axis of FIG. 4 .
  • the controller 120 may determine a differential voltage difference ⁇ dV/dQ between the reference differential voltage curve 410 and the differential voltage curve 420 with respect to a discharge depth within the reference range ⁇ R ref .
  • the differential voltage difference ⁇ dV/dQ corresponding to each depth of discharge may be a value obtained by subtracting the differential voltage of the reference differential voltage curve 410 from the differential voltage of the differential voltage curve 420 .
  • the reference range ⁇ R ref is from a predetermined first depth of discharge DoD 1 greater than 0% (eg, 10%) to a predetermined second depth of discharge DoD 2 less than 100% (eg, 90%). to be.
  • the reason for using the reference range ( ⁇ R ref ) is that the discharge response of the battery (B) is very unstable in the range of 0% to the first depth of discharge (DoD 1 ) and the second depth of discharge (DoD 2 ) to 100%. because it does
  • the control unit 120 controls the overvoltage concentration section in which the differential voltage difference ( ⁇ dV/dQ) of the polarization comparison curve 500 is equal to or greater than the threshold difference ( ⁇ D) in the entire range (ie, 0 to 100%) of the discharge depth history. ( ⁇ R op ) can be determined.
  • the overvoltage characteristic information may include an overvoltage concentration section ⁇ R op .
  • the differential voltage of the differential voltage curve 420 is the reference differential voltage curve 410 over the overvoltage concentration section ⁇ R op from the first depth of discharge DoD A to the second depth of discharge DoD B .
  • the threshold difference ⁇ D may be a predetermined value.
  • the controller 120 may determine the threshold difference ⁇ D based on an integral value of the differential voltage difference ⁇ dV/dQ over the reference range ⁇ R ref . For example, the controller 120 may determine the threshold difference ⁇ D equal to a value obtained by dividing the integral value by the size of the reference range ⁇ R ref (ie, DoD 2 - DoD 1 ).
  • the controller 120 may further determine the area of the overvoltage concentration region 430 .
  • the overvoltage concentration region 430 is a region defined by the overvoltage concentration section ⁇ R op , the differential voltage curve 420 , and the reference differential voltage curve 410 .
  • the area of the overvoltage concentration region 430 is the difference between the voltage change amount of the second measured voltage curve 320 and the voltage change amount of the second reference voltage curve 310 over the overvoltage concentration period ⁇ R op . That is, the area of the overvoltage concentration region 430 represents the magnitude of the overvoltage accumulated in the battery B over the overvoltage concentration period ⁇ R op .
  • the overvoltage characteristic information may further include an area of the overvoltage concentration region.
  • FIG. 6 is a flowchart exemplarily illustrating a method for evaluating an overvoltage characteristic of a battery according to a first embodiment of the present invention. The method of FIG. 6 is executed after the polarization-induced pretreatment for the battery B is completed.
  • step S610 the control unit 120, the measured capacity history and the measured voltage history indicating the time-series changes of each of the capacity and voltage of the battery (B) during the discharge event of the battery (B) to decide
  • the measured capacity history is based on an integrated value of the current measured by the current sensor 112 every predetermined time during the discharge event.
  • the measured voltage history is based on the voltage across the battery B measured by the voltage sensor 111 every predetermined time during the discharge event.
  • step S620 the controller 120 determines a first measured voltage curve 220 indicating a correspondence between the measured capacitance history and the measured voltage history.
  • step S630 the control unit 120 normalizes the measured capacity history with the total discharge capacity (Q B_total ) of the measured capacity history, and the second measurement indicating the correspondence between the discharge depth history corresponding to the measured capacity history and the measured voltage history A voltage curve 320 is determined.
  • the controller 120 differentiates the measured voltage history with respect to the discharge depth history to determine the differential voltage curve 420 from the second measured voltage curve 320 .
  • the controller 120 determines a differential voltage difference between the differential voltage curve and the reference differential voltage curve with respect to the discharge depth within the reference range ⁇ R ref .
  • step S660 the controller 120 determines the overvoltage concentration period ⁇ R op , which is a range in which the differential voltage difference becomes equal to or greater than the threshold difference ⁇ D within the reference range ⁇ R ref .
  • the threshold difference ⁇ D may be previously recorded in the memory.
  • step S670 the controller 120 determines the area of the overvoltage concentration region 430 defined by the overvoltage concentration section ⁇ R op , the differential voltage curve 420 and the reference differential voltage curve 410 . Step S670 may be omitted from the method of FIG. 6 .
  • step S680 the controller 120 outputs an evaluation message indicating overvoltage characteristic information of the battery B.
  • the overvoltage characteristic information includes at least one of an area of the overvoltage concentration section ⁇ R op and the overvoltage concentration region 430 .
  • the interface unit 130 may transmit the evaluation message to the user terminal 2 or may output visual and/or audio information corresponding to the evaluation message.
  • FIG. 7 is a flowchart exemplarily illustrating a method for evaluating an overvoltage characteristic of a battery according to a second embodiment of the present invention.
  • the method of FIG. 7 is executed after the polarization-induced pretreatment for the battery B is completed.
  • repeated descriptions of the contents common to the first embodiment may be omitted.
  • step S710 the control unit 120 controls a measured capacity history and a measured voltage indicating a time-series change of the capacity and voltage of the battery B during a discharging event of the battery B determine the history
  • step S720 the controller 120 determines a first measured voltage curve 220 indicating a correspondence between the measured capacitance history and the measured voltage history.
  • step S730 the control unit 120 normalizes the measured capacity history with the total discharge capacity (Q B_total ) of the measured capacity history, and a second measurement indicating a correspondence relationship between the discharge depth history corresponding to the measured capacity history and the measured voltage history A voltage curve 320 is determined.
  • the controller 120 differentiates the measured voltage history with respect to the discharge depth history to determine the differential voltage curve 420 from the second measured voltage curve 320 .
  • the controller 120 determines a differential voltage difference between the differential voltage curve 420 and the reference differential voltage curve 410 with respect to the discharge depth within the reference range ⁇ R ref .
  • step S752 the control unit 120 determines whether the integral value of the differential voltage difference over the reference range ⁇ R ref is greater than the reference integral value. If the value of step S752 is "YES”, the flow proceeds to step S756. When the value of step S752 is “No”, it may mean that an operation error occurs during steps S710 to S750. If the value of step S752 is NO, the flow proceeds to step S754.
  • step S754 the control unit 120 outputs a fault message.
  • the interface unit 130 may transmit the fault message to the user terminal 2 or may output visual and/or audio information corresponding to the fault message.
  • Steps S752 and S754 may be omitted from the method of FIG. 7 , and step S756 may be executed after step S750.
  • step S756 the controller 120 determines the threshold difference ⁇ D based on the integral value of the differential voltage difference over the reference range ⁇ R ref .
  • step S760 the controller 120 determines the overvoltage concentration period ⁇ R op , which is a range in which the differential voltage difference is equal to or greater than the threshold difference ⁇ D within the reference range ⁇ R ref .
  • Step S770 the controller 120 determines the area of the overvoltage concentration region 430 defined by the overvoltage concentration section ⁇ R op , the differential voltage curve 420 and the reference differential voltage curve 410 . Step S770 may be omitted from the method of FIG. 7 .
  • step S780 the controller 120 outputs an evaluation message indicating overvoltage characteristic information of the battery B .
  • the overvoltage characteristic information includes at least one of a threshold difference ⁇ D, an overvoltage concentration section ⁇ R op , and an area of the overvoltage concentration region 430 .
  • the embodiment of the present invention described above is not implemented only through the apparatus and method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded.
  • the implementation can be easily implemented by those skilled in the art to which the present invention pertains from the description of the above-described embodiments.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리를 위한 과전압 특성 평가 장치는, 상기 배터리의 전류 및 전압을 측정하는 센싱부; 및 상기 배터리에 대한 분극 유발 전처리에 이어서 실행되는 방전 이벤트 동안의 상기 배터리의 측정 용량 이력 및 측정 전압 이력을 결정하는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 측정 용량 이력과 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제1 측정 전압 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 측정 용량 이력의 총 방전 용량으로 상기 측정 용량 이력을 정규화하여 취득되는 방전 심도 이력 및 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제2 측정 전압 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 측정 전압 이력을 상기 방전 심도 이력에 대해 미분하여, 미분 전압 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 미분 전압 커브를 기준 미분 전압 커브와 비교하여, 상기 분극 유발 전처리에 연관된 과전압 특성 정보를 결정한다.

Description

배터리를 위한 과전압 특성 평가 장치 및 과전압 특성 평가 방법
본 발명은 배터리의 분극에 따른 과전압 특성을 평가하는 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 07월 31일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2020-0096200호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리의 성능, 예컨대 건강 상태(SOH: State Of Health), 충전 상태(SOC: State Of Charge) 등을 추정함에 있어서 기본적으로 요구되는 배터리 파라미터는 전압과 전류이다. 배터리의 용량(또는 그 변화)은, 쿨롱 카운팅 등을 이용함으로써, 전류의 측정치를 기초로 결정될 수 있다.
미분 전압 분석법(DVA: Differential Voltage Analysis, 'DVA'라고 칭할 수도 있음)은, 배터리의 용량과 전압 간의 대응 관계를 나타내는 측정 전압 커브를 미분함으로써 미분 전압 커브를 결정한 다음, 미분 전압 커브에 나타나는 특징 부분(들)의 크기 변화 및/또는 위치 변화를 기초로 배터리의 퇴화 파라미터를 결정한다. 퇴화 파라미터는, 예컨대 양극 또는 음극의 용량 손실, 리튬 석출 등을 포함한다.
종래에는, DVA를 이용하여 퇴화 파라미터를 결정함에 있어서, 분극(예, 활물질 표면에서의 농도 구배)으로 인해 측정 전압 커브에 반영되는 과전압은 미분 전압 커브에 대해 일종의 노이즈로서 작용한다. 따라서, 과전압을 유발시키는 분극을 최대한 억제하기 위해, 측정 전압 커브를 취득하는 과정은 저전류(예, 0.5 C-rate 미만)로 배터리를 간헐적으로 방전 또는 충전시키면서 진행되는 것이 보통이다. 그 결과, 분극으로 인한 과전압은 배터리의 퇴화에 영향을 주는 중요 파라미터임에도, 종래의 DVA로는 배터리의 과전압 특성을 취득하기 어렵다.
또한, 우수한 안전성과 성능을 가지는 배터리를 개발하기 위해서는, 배터리의 사용 조건에 의존하는 분극과 그로 인해 발현되는 과전압 특성 간의 연관성을 파악하는 것이 중요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, DVA를 이용하여 배터리의 과전압 특성을 평가하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른, 배터리를 위한 과전압 특성 평가 장치는, 상기 배터리의 전류 및 전압을 측정하도록 구성되는 센싱부; 및 상기 배터리에 대한 분극 유발 전처리에 이어서 실행되는 방전 이벤트 동안에 상기 센싱부로부터 취득된 센싱 정보를 이용하여, 상기 배터리의 용량 및 전압의 시계열적 변화를 나타내는 측정 용량 이력 및 측정 전압 이력을 결정하도록 구성되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 측정 용량 이력과 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제1 측정 전압 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 측정 용량 이력의 총 방전 용량으로 상기 측정 용량 이력을 정규화하여 취득되는 방전 심도 이력 및 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제2 측정 전압 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 측정 전압 이력을 상기 방전 심도 이력에 대해 미분하여, 상기 제2 측정 전압 커브로부터 미분 전압 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 미분 전압 커브를 기준 미분 전압 커브와 비교하여, 상기 분극 유발 전처리에 연관된 과전압 특성 정보를 결정하도록 구성된다.
상기 방전 이벤트는, 제1 시점으로부터 제2 시점까지의 정전류 방전을 포함할 수 있다. 상기 제1 시점은, 상기 배터리의 전압이 제1 임계 전압과 동일한 시점이다. 상기 제2 시점은, 상기 배터리의 전압이 상기 제1 임계 전압보다 작은 제2 임계 전압과 동일한 시점이다.
상기 제어부는, 상기 방전 심도 이력의 전체 범위에서 상기 미분 전압 커브와 상기 기준 미분 전압 커브 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상이 되는 범위인 과전압 집중 구간을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 과전압 특성 정보는, 상기 과전압 집중 구간을 포함한다.
상기 제어부는, 상기 과전압 집중 구간, 상기 미분 전압 커브 및 상기 기준 미분 전압 커브에 의해 규정되는 과전압 집중 영역의 면적을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 과전압 특성 정보는, 상기 과전압 집중 영역의 면적을 더 포함한다.
상기 면적은, 상기 과전압 집중 구간에 걸쳐 상기 배터리에 누적된 과전압의 크기를 나타낸다.
상기 제어부는, 상기 방전 심도 이력의 전체 범위 내인 소정의 제1 방전 심도로부터 소정의 제2 방전 심도까지의 기준 범위에 걸친 상기 미분 전압 차이의 적분값을 상기 기준 범위의 크기로 나누어, 상기 임계 차이를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 기준 범위 내에서, 상기 과전압 집중 구간을 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른, 배터리를 위한 과전압 특성 평가 방법은, 상기 배터리에 대한 분극 유발 전처리에 이어서 실행되는 방전 이벤트 동안에 취득된 상기 배터리의 전류 및 전압의 센싱 정보를 이용하여, 상기 배터리의 용량 및 전압의 시계열적 변화를 나타내는 측정 용량 이력 및 측정 전압 이력을 결정하는 단계; 상기 측정 용량 이력과 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제1 측정 전압 커브를 결정하는 단계; 상기 측정 용량 이력의 총 방전 용량으로 상기 측정 용량 이력을 정규화하여 취득되는 방전 심도 이력 및 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제2 측정 전압 커브를 결정하는 단계; 상기 측정 전압 이력을 상기 방전 심도 이력에 대해 미분하여, 상기 제2 측정 전압 커브로부터 미분 전압 커브를 결정하는 단계; 및 상기 미분 전압 커브를 기준 미분 전압 커브와 비교하여, 상기 분극 유발 전처리에 연관된 과전압 특성 정보를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 분극 유발 전처리에 연관된 과전압 특성 정보를 결정하는 단계는, 상기 방전 심도 이력의 전체 범위에서 상기 미분 전압 커브와 상기 기준 미분 전압 커브 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상이 되는 범위인 과전압 집중 구간을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 분극 유발 전처리에 연관된 과전압 특성 정보를 결정하는 단계는, 상기 과전압 집중 구간, 상기 미분 전압 커브 및 상기 기준 미분 전압 커브에 의해 규정되는 과전압 집중 영역의 면적을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, DVA를 이용하여 배터리의 과전압 특성을 평가할 수 있다. 특히, 배터리에 대한 분극 유발 전처리에 이어서 실행되는 방전 이벤트 동안 취득된 측정 전압 커브의 측정 용량 이력을 방전 심도 이력(0~100%의 범위)으로 정규화하여, 측정 전압 이력과 측정 용량 이력 간의 대응 관계를 측정 전압 이력과 방전 심도 이력 간의 대응 관계로 변환할 수 있다. 이에 따라, 평가의 결과로서, 분극 유발 전처리를 겪은 배터리의 과전압 특성이 집중적으로 나타나는 과전압 집중 구간을 취득할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 평가의 결과로서, 과전압 집중 구간에 걸쳐 누적된 과전압의 크기를 추가적으로 취득할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 평가 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 과전압의 크기와 측정 전압 커브 간의 관계를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 3은 측정 전압 커브에 대한 정규화의 결과를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 4는 측정 전압 커브에 대응하는 미분 전압 커브를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 5는 미분 전압 커브로부터 과전압 특성을 결정하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 배터리의 과전압 특성을 평가하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른, 배터리의 과전압 특성을 평가하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
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 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 평가 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 과전압의 크기와 측정 전압 커브 간의 관계를 설명하는 데에 참조되는 도면이고, 도 3은 측정 전압 커브에 대한 정규화의 결과를 설명하는 데에 참조되는 도면이고, 도 4는 측정 전압 커브에 대응하는 미분 전압 커브를 설명하는 데에 참조되는 도면이고, 도 5는 미분 전압 커브로부터 과전압 특성을 결정하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 평가 시스템(1)은, 배터리(B)의 과전압 특성을 평가하도록 제공된다. 배터리(B)는, 리튬 이온 배터리일 수 있다. 물론, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 배터리(B)의 종류는 특별히 한정되지 않는다.
배터리 평가 시스템(1)은, 과전압 특성 평가 장치(10, 이하 '평가 장치'라고 칭할 수 있음) 및 충방전 디바이스(20)를 포함한다.
충방전 디바이스(20)는, 배터리(B)의 충방전을 위한 전류 경로에 전기적으로 연결된다. 즉, 충방전 디바이스(20)는, 한 쌍의 단자를 통해, 배터리(B)에 전기적으로 병렬 연결 가능하도록 제공된다. 충방전 디바이스(20)는, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류의 전류 레이트('C-rate'이라고 칭할 수 있음)를 조절하는 정전류 회로를 포함할 수 있다. 충방전 디바이스(20)는, 평가 장치(10)로부터의 명령에 따라, 배터리(B)의 충전 또는 방전을 위한 전류의 전류 레이트('C-rate'이라고 칭할 수도 있음)를 조절하도록 구성된다. 물론, 충방전 디바이스(20)는 정전류 방전 기능 및 정전류 충전 기능 중 어느 하나만을 제공할 수도 있다.
평가 장치(10)는, 센싱부(110) 및 제어부(120)를 포함한다. 평가 장치(10)는, 인터페이스부(130) 및 온도 챔버(140) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 이하에서는, 평가 장치(10)가 센싱부(110), 제어부(120), 인터페이스부(130) 및 온도 챔버(140)를 모두 포함하는 것으로 가정하여 설명하겠다.
센싱부(110)는, 전압 센서(111) 및 전류 센서(112)를 포함한다.
전압 센서(111)는, 배터리(B)에 전기적으로 병렬 연결 가능하도록 제공된다. 전압 센서(111)는, 배터리(B)의 양단에 걸친 전압을 측정하고, 측정된 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다.
전류 센서(112)는, 배터리(B)와 충방전 디바이스(20)를 연결하는 전류 경로를 통해 배터리(B)에 전기적으로 직렬 연결 가능하도록 제공된다. 전류 센서(112)는, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성된다.
제어부(120)는, 동기로 취득된 전압 신호와 전류 신호를 포함하는 센싱 정보를 센싱부(110)로부터 수집할 수 있다.
제어부(120)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 제어부(120)에는 메모리가 내장될 수 있다. 메모리는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 메모리는, 제어부(120)에 의한 연산 동작(후술된 방법들)에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 제어부(120)는, 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 메모리에 기록할 수 있다.
제어부(120)는, 충방전 디바이스(20), 센싱부(110), 인터페이스부(130) 및 온도 챔버(140)에 동작 가능하게 결합된다. 두 구성이 동작 가능하게 결합된다는 것은, 단방향 또는 양방향으로 신호를 송수신 가능하도록 두 구성이 직간접적으로 연결되어 있음을 의미한다.
인터페이스부(130)는, 제어부(120)와 사용자 단말기(2, 예컨대 퍼스널 컴퓨터) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성된다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론, 제어부(120)와 사용자 단말기(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 인터페이스부(130)는, 제어부(120) 및/또는 사용자 단말기(2)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다.
제어부(120)는, 배터리(B)의 방전 이벤트 동안, 센싱부(110)로부터 설정 시간마다 수집되는 센싱 정보(즉, 전류의 측정값들의 시계열 및 전압의 측정값들의 시계열)를 기초로, 측정 용량 이력 및 측정 전압 이력을 결정할 수 있다. 측정 용량 이력은, 방전 이벤트의 시점부터 종점까지의, 배터리(B)의 방전 용량의 시계열적인 변화를 나타낸다. 측정 전압 이력은, 방전 이벤트의 시점부터 종점까지의, 배터리(B)의 전압의 시계열적인 변화를 나타낸다. 방전 이벤트에 있어서, 측정 용량 이력의 상대적으로 큰 방전 용량은 측정 전압 이력의 상대적으로 작은 전압에 대응한다.
제어부(120)는, 메모리에 측정 용량 이력 및 측정 전압 이력을 기록할 수 있다. 방전 이벤트는, 정전류 방전을 포함할 수 있다. 방전 이벤트는, 온도 챔버(140)가 배터리(B)의 주변 온도를 미리 정해진 일정 온도로 유지되는 동안에 실시될 수 있다.
정전류 방전은, 배터리(B)의 전압이 제1 임계 전압(VTH1)과 동일한 제1 시점부터 배터리(B)의 전압이 제1 임계 전압(VTH1)보다 작은 제2 임계 전압(VTH2)과 동일한 제2 시점까지 진행된다. 일 예로, 제1 임계 전압(VTH1)은, 배터리(B)가 완전 충전된 경우의 개방 전압(OCV: Open Circuit Voltage)으로서 미리 정해진 값 즉, 충전 종료 전압과 동일할 수 있다. 제2 임계 전압(VTH2)은, 배터리(B)가 완전 방전된 경우의 개방 전압으로서 미리 정해진 값 즉, 방전 종료 전압과 동일할 수 있다. 정전류 방전의 전류 레이트는, 예컨대 6.5 C-rate의 고전류일 수 있다.
도 2에 있어서, X축(세로축)은 전압을 나타내고, Y축(가로축)은 방전 용량을 나타낸다. 제1 기준 전압 커브(210)는 기준 전처리가 실시된 기준 배터리(미도시)에 대한 방전 이벤트를 통해 미리 취득해놓은 것이고, 제1 측정 전압 커브(220)는 분극 유발 전처리가 실시된 배터리(B)에 대한 방전 이벤트를 통해 취득되는 것이다. 제1 기준 전압 커브(210)는, 기준 용량 이력과 기준 전압 이력 간의 대응 관계를 나타낸다. 기준 용량 이력은, 방전 이벤트의 시점부터 종점까지의, 기준 배터리의 방전 용량의 시계열적인 변화를 나타낸다. 기준 전압 이력은, 방전 이벤트의 시점부터 종점까지의, 기준 배터리의 전압의 시계열적인 변화를 나타낸다. 배터리(B)와 기준 배터리는 서로 동일한 전기화학적 특성을 가지도록 제조된 것이다.
아래는, 기준 전처리와 분극 유발 전처리 각각의 일 예이다.
<기준 전처리> 기준 전처리는, 다음의 일련의 과정들을 포함할 수 있다.
- 소정의 SOC(예, 30%)로부터 소정의 제1 전류 프로파일을 이용하여 완전 방전
- 소정의 제1 온도(예, 80℃)에서 소정의 제1 시간(예, 6시간) 방치
- 소정의 제2 전류 프로파일을 이용하여, 완전 충전
<분극 유발 전처리> 분극 유발 전처리는, 다음의 일련의 과정들을 포함할 수 있다.
- 소정의 SOC(예, 30%)로부터 소정의 제1 전류 프로파일을 이용하여 완전 방전
- 소정의 제2 온도(예, 25℃)에서 소정의 제2 시간(예, 3시간) 방치
- 소정의 제2 전류 프로파일을 이용하여, 완전 충전
전술된 예에서의 기준 전처리와 분극 유발 전처리를 비교하자면, 분극 유발 전처리는 제1 온도(고온) 대신 제2 온도(상온)에서 배터리(B)를 방치하는 것이라는 점에서 기준 전처리와 상이하다. 이러한 차이점으로 인하여, 기준 배터리는 분극이 완전 해소된 상태로 방전 이벤트를 겪게 되는 반면, 배터리(B)는 분극이 남아있는 상태로 방전 이벤트를 겪게 된다. 물론, 기준 전처리는, 방전 이벤트의 시작 시에 배터리(B)의 분극을 일정 수준 미만으로 해소하도록 실시되는 것이라면 전술된 예에 한정되지 않는다. 이와 유사하게, 분극 유발 전처리는, 기준 전처리에 비하여 배터리(B)에 큰 분극을 형성하도록 실시되는 것이라면, 전술된 예에 한정되지 않는다.
사용자는 온도 챔버(140)의 내부에 배터리(B)를 위치시킨 다음, 분극 유발 전처리를 실시할 것을 평가 장치(10)에게 요청할 수 있다. 제어부(120)는, 인터페이스부(130)를 통해 사용자 단말기(2)로부터 수신된 요청에 응답하여, 분극 유발 전처리의 과정들이 순차적으로 실행되도록 충방전 디바이스(20) 및 온도 챔버(140)를 제어할 수 있다. 온도 챔버(140)는, 배터리(B)가 수용 가능한 내부 공간이 마련되어 있으며, 그 내부 공간(즉, 배터리(B)의 주변 온도)의 온도를 검출 및 조절 가능한 장치이다. 제어부(120)는 분극 유발 전처리가 완료된 것에 응답하여, 배터리(B)에 대한 방전 이벤트를 실행할 수 있다. 대안적으로, 분극 유발 전처리는, 평가 장치(10) 대신 별도의 테스트 설비를 이용하여 실시될 수도 있다.
방전 이벤트 동안, 배터리(B)와 기준 배터리 간의 분극 차이에 대응하여, 제1 기준 전압 커브(210)와 제1 측정 전압 커브(220) 간의 차이가 발생한다는 것을 도 2로부터 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 측정 전압 커브(220)는, 제1 기준 전압 커브(210)보다 대체로 빠른 전압 저하 거동을 보이며, 제2 임계 전압(VTH2)에 대응하는 배터리(B)의 총 방전 용량(QB_total)이 기준 배터리의 총 방전 용량(Qref_total)으로부터 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 배터리(B)에 남아있는 분극이 방전 이벤트의 전류에 의해 과전압의 형태로 나타나는 것에 기인한 것이다.
결과적으로, 제1 기준 전압 커브(210)의 기준 전압 이력과 제1 측정 전압 커브(220)의 측정 전압 이력은 동일 전압 범위를 가지나, 제1 기준 전압 커브(210)의 기준 용량 이력과 제1 측정 전압 커브(220)의 측정 용량 이력은 동일 용량 범위를 가지지 않는다. 따라서, 제어부(120)는, 제1 기준 전압 커브(210)와 제1 측정 전압 커브(220) 간의 비교 용이성을 위해, 제1 기준 전압 커브(210)의 기준 용량 이력과 제1 측정 전압 커브(220)의 측정 용량 이력을 각각 정규화함으로써, 0~1 또는 0~100%의 동일 범위를 가지는 제1 방전 심도 이력과 제2 방전 심도 이력을 결정할 수 있다.
제1 기준 전압 커브(210)의 기준 용량 이력과 제1 방전 심도 이력은 다음의 관계를 가질 수 있다.
Figure PCTKR2021010017-appb-img-000001
i가 1 이상의 자연수라고 할 때, Qref_total은 제1 기준 전압 커브(210)의 총 방전 용량, Qref[i]은 방전 이벤트 동안에 i번째로 결정된 기준 배터리의 방전 용량, DoDref[i]은 Qref_total를 이용하여 Qref[i]를 정규화한 값이다. 제1 방전 심도 이력은, 방전 이벤트 동안의, DoDref[i]의 집합(시계열)일 수 있다.
제1 측정 전압 커브(220)의 측정 용량 이력과 제2 방전 심도 이력은 다음의 관계를 가질 수 있다.
Figure PCTKR2021010017-appb-img-000002
j가 1 이상의 자연수라고 할 때, QB_total은 제1 측정 전압 커브(220)의 총 방전 용량, QB[j]은 방전 이벤트 동안에 i번째로 결정된 배터리(B)의 방전 용량, DoDB[j]은 QB_total를 이용하여 QB[j]를 정규화한 값이다. 제2 방전 심도 이력은, 방전 이벤트 동안의, DoDB[j]의 집합(시계열)일 수 있다.
도 3에 있어서, X축(세로축)은 전압을 나타내고, Y축(가로축)은 도 2의 방전 용량에 대응하는 방전 심도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 제어부(120)는, 기준 용량 이력과 기준 전압 이력 간의 대응 관계를 제1 방전 심도 이력과 기준 전압 이력 간의 대응 관계로 변환함으로써, 제1 기준 전압 커브(210)로부터 제2 기준 전압 커브(310)를 결정할 수 있다.
마찬가지로, 제어부(120)는, 제1 측정 전압 커브(220)의 측정 용량 이력과 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 제2 방전 심도 이력과 측정 전압 이력 간의 대응 관계로 변환함으로써, 제1 측정 전압 커브(220)로부터 제2 측정 전압 커브(320)를 결정할 수 있다. 결과적으로, 제2 기준 전압 커브(220)의 기준 전압 이력과 제2 측정 전압 커브(320)의 측정 전압 이력은, 0~100%의 공통 범위의 방전 심도에 대해 스케일링된다.
도 4에 있어서, X축(세로축)은 미분 전압을 나타내고, Y축(가로축)은 도 3의 Y축과 동일하다. 미분 전압 dV/dQ이란, 방전 용량(또는 방전 심도)의 변화 dQ에 대한 전압의 변화 dV의 비율을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 제어부(120)는, 제2 기준 전압 커브(310)의 기준 전압 이력을 제1 방전 심도 이력에 대해 미분함으로써, 제2 기준 전압 커브(310)로부터 기준 미분 전압 커브(410)를 결정할 수 있다.
대안적으로, 기준 미분 전압 커브(410)는, 제어부(120)에 의해 결정되는 대신, 미리 시행된 테스트의 결과에 따라 메모리에 기록되어 있을 수 있다. 즉, 기준 미분 전압 커브(410)는, 배터리(B)가 분극 유발 전처리되지 않은 상태(즉, 분극이 제로)로 방전 이벤트가 실행되었을 때의 미분 전압 커브로서 미리 정해놓은 것일 수 있다.
제어부(120)는, 제2 측정 전압 커브(320)의 측정 전압 이력을 제2 방전 심도 이력에 대해 미분함으로써, 제2 측정 전압 커브(320)로부터 미분 전압 커브(420)를 결정할 수 있다. 미분 전압 커브(420)는, 0~100%의 전체 범위에서, (i)방전 심도(또는 그에 대응하는 방전 용량)와 (ii)방전 심도의 단위 변화량(또는 그에 대응하는 방전 용량의 변화량)에 대한 전압의 변화량 간의 비율의 시계열을 나타낼 수 있다.
제어부(120)는, 기준 미분 전압 커브(410)와 미분 전압 커브(420)를 비교하여, 미분 전압 커브(420)로부터 배터리(B)의 과전압 특성 정보를 결정한다. 제어부(120)는, 과전압 특성 정보를 분극 유발 전처리에 연관시켜 메모리에 기록할 수 있다.
도 5는, 기준 범위(ΔRref)에 걸친, 미분 전압 차이(ΔdV/dQ)와 방전 심도 간의 대응 관계를 나타내는 분극 비교 커브(500)를 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 5에 있어서, X축(세로축)은 미분 전압 차이(ΔdV/dQ)를 나타내고, Y축(가로축)은 도 4의 Y축과 동일하다.
제어부(120)는, 기준 범위(ΔRref) 내의 방전 심도에 대하여, 기준 미분 전압 커브(410)와 미분 전압 커브(420) 간의 미분 전압 차이(ΔdV/dQ)를 결정할 수 있다. 각 방전 심도에 대응하는 미분 전압 차이(ΔdV/dQ)는, 미분 전압 커브(420)의 미분 전압으로부터 기준 미분 전압 커브(410)의 미분 전압을 차감한 값일 수 있다. 기준 범위(ΔRref)는, 0%보다 큰 소정의 제1 방전 심도(DoD1)(예, 10%)로부터 100%보다 작은 소정의 제2 방전 심도(DoD2)(예, 90%)까지이다. 기준 범위(ΔRref)를 활용하는 이유는, 0 % ~ 제1 방전 심도(DoD1)의 범위 및 제2 방전 심도(DoD2) ~ 100%의 범위에서는 배터리(B)의 방전 반응이 매우 불안정하기 때문이다.
제어부(120)는, 방전 심도 이력의 전체 범위(즉, 0~100%)에서 분극 비교 커브(500)의 미분 전압 차이(ΔdV/dQ)가 임계 차이(ΔD) 이상이 되는 범위인 과전압 집중 구간(ΔRop)을 결정할 수 있다. 과전압 특성 정보는, 과전압 집중 구간(ΔRop)을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 5에서는 제1 방전 심도(DoDA)부터 제2 방전 심도(DoDB)까지의 과전압 집중 구간(ΔRop)에 걸쳐, 미분 전압 커브(420)의 미분 전압이 기준 미분 전압 커브(410)의 미분 전압보다 임계 차이(ΔD) 이상 크게 유지된다. 임계 차이(ΔD)는, 미리 정해진 값일 수 있다. 대안적으로, 제어부(120)는, 기준 범위(ΔRref)에 걸친 미분 전압 차이(ΔdV/dQ)의 적분값을 기초로, 임계 차이(ΔD)를 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는, 적분값을 기준 범위(ΔRref)의 크기(즉, DoD2 - DoD1)로 나눈 값과 동일하게, 임계 차이(ΔD)를 결정할 수 있다.
제어부(120)는, 과전압 집중 영역(430)의 면적을 더 결정할 수 있다. 과전압 집중 영역(430)은, 과전압 집중 구간(ΔRop), 미분 전압 커브(420) 및 기준 미분 전압 커브(410)에 의해 규정되는 영역이다. 과전압 집중 영역(430)의 면적은, 과전압 집중 구간(ΔRop)에 걸친, 제2 측정 전압 커브(320)의 전압 변화량과 제2 기준 전압 커브(310)의 전압 변화량의 차이이다. 즉, 과전압 집중 영역(430)의 면적은, 과전압 집중 구간(ΔRop)에 걸쳐 배터리(B)에 누적된 과전압의 크기를 나타낸다. 과전압 특성 정보는, 과전압 집중 영역의 면적을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 배터리의 과전압 특성을 평가하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 6의 방법은, 배터리(B)에 대한 분극 유발 전처리가 완료된 후에 실행된다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 단계 S610에서, 제어부(120)는, 배터리(B)의 방전 이벤트 동안의 배터리(B)의 용량 및 전압 각각의 시계열적 변화를 나타내는 측정 용량 이력 및 측정 전압 이력을 결정한다. 측정 용량 이력은, 방전 이벤트 동안, 소정 시간마다 전류 센서(112)에 의해 측정된 전류의 적산값에 기초한다. 측정 전압 이력은, 방전 이벤트 동안, 소정 시간마다 전압 센서(111)에 의해 측정된 배터리(B)의 양단에 걸친 전압에 기초한다.
단계 S620에서, 제어부(120)는, 측정 용량 이력과 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제1 측정 전압 커브(220)를 결정한다.
단계 S630에서, 제어부(120)는, 측정 용량 이력의 총 방전 용량(QB_total)으로 측정 용량 이력을 정규화하여, 측정 용량 이력에 대응하는 방전 심도 이력 및 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제2 측정 전압 커브(320)를 결정한다.
단계 S640에서, 제어부(120)는, 측정 전압 이력을 방전 심도 이력에 대해 미분하여, 제2 측정 전압 커브(320)로부터 미분 전압 커브(420)를 결정한다.
단계 S650에서, 제어부(120)는, 기준 범위(ΔRref) 내의 방전 심도에 대해, 미분 전압 커브와 기준 미분 전압 커브 간의 미분 전압 차이를 결정한다.
단계 S660에서, 제어부(120)는, 기준 범위(ΔRref) 내에서 미분 전압 차이가 임계 차이(ΔD) 이상이 되는 범위인 과전압 집중 구간(ΔRop)을 결정한다. 임계 차이(ΔD)는, 메모리에 미리 기록되어 있는 것일 수 있다.
단계 S670에서, 제어부(120)는, 과전압 집중 구간(ΔRop), 미분 전압 커브(420) 및 기준 미분 전압 커브(410)에 의해 규정되는 과전압 집중 영역(430)의 면적을 결정한다. 단계 S670는 도 6의 방법으로부터 생략 가능하다.
단계 S680에서, 제어부(120)는, 배터리(B)의 과전압 특성 정보를 나타내는 평가 메시지를 출력한다. 과전압 특성 정보는, 과전압 집중 구간(ΔRop) 및 과전압 집중 영역(430)의 면적 중 적어도 하나를 포함한다. 인터페이스부(130)는, 평가 메시지를 사용자 단말기(2)에 전달하거나, 평가 메시지에 대응하는 시각적 및/또는 청각적 정보를 출력할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른, 배터리의 과전압 특성을 평가하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 7의 방법은, 배터리(B)에 대한 분극 유발 전처리가 완료된 후에 실행된다. 제2 실시예를 설명함에 있어서, 제1 실시예와 공통된 내용에 대한 반복된 설명은 생략될 수 있다.
도 1 내지 도 5 및 도 7을 참조하면, 단계 S710에서, 제어부(120)는, 배터리(B)의 방전 이벤트 동안에 배터리(B)의 용량 및 전압의 시계열적 변화를 나타내는 측정 용량 이력 및 측정 전압 이력을 결정한다.
단계 S720에서, 제어부(120)는, 측정 용량 이력과 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제1 측정 전압 커브(220)를 결정한다.
단계 S730에서, 제어부(120)는, 측정 용량 이력의 총 방전 용량(QB_total)으로 측정 용량 이력을 정규화하여, 측정 용량 이력에 대응하는 방전 심도 이력 및 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제2 측정 전압 커브(320)를 결정한다.
단계 S740에서, 제어부(120)는, 측정 전압 이력을 방전 심도 이력에 대해 미분하여, 제2 측정 전압 커브(320)로부터 미분 전압 커브(420)를 결정한다.
단계 S750에서, 제어부(120)는, 기준 범위(ΔRref) 내의 방전 심도에 대해, 미분 전압 커브(420)와 기준 미분 전압 커브(410) 간의 미분 전압 차이를 결정한다.
단계 S752에서, 제어부(120)는, 기준 범위(ΔRref)에 걸친 미분 전압 차이의 적분값이 기준 적분값보다 큰지 여부를 판정한다. 단계 S752의 값이 "예"인 경우 단계 S756으로 진행한다. 단계 S752의 값이 "아니오"인 것은, 단계 S710~S750 중에서 연산 오류가 발생한 것을 의미할 수 있다. 단계 S752의 값이 "아니오"인 경우 단계 S754로 진행한다.
단계 S754에서, 제어부(120)는, 폴트 메시지를 출력한다. 인터페이스부(130)는, 폴트 메시지를 사용자 단말기(2)에 전달하거나, 폴트 메시지에 대응하는 시각적 및/또는 청각적 정보를 출력할 수 있다. 단계 S752 및 S754은 도 7의 방법으로부터 생략 가능하며, 단계 S750 후 단계 S756이 실행될 수 있다.
단계 S756에서, 제어부(120)는, 기준 범위(ΔRref)에 걸친 미분 전압 차이의 적분값을 기초로, 임계 차이(ΔD)를 결정한다.
단계 S760에서, 제어부(120)는, 기준 범위(ΔRref) 내에서 미분 전압 차이가 임계 차이(ΔD) 이상이 되는 범위인 과전압 집중 구간(ΔRop)을 결정한다.
단계 S770에서, 제어부(120)는, 과전압 집중 구간(ΔRop), 미분 전압 커브(420) 및 기준 미분 전압 커브(410)에 의해 규정되는 과전압 집중 영역(430)의 면적을 결정한다. 단계 S770는 도 7의 방법으로부터 생략 가능하다.
단계 S780에서, 제어부(120)는, 배터리(B)의 과전압 특성 정보를 나타내는 평가 메시지를 출력한다. 과전압 특성 정보는, 임계 차이(ΔD), 과전압 집중 구간(ΔRop) 및 과전압 집중 영역(430)의 면적 중 적어도 하나를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 배터리를 위한 과전압 특성 평가 장치에 있어서,
    상기 배터리의 전류 및 전압을 측정하도록 구성되는 센싱부; 및
    상기 배터리에 대한 분극 유발 전처리에 이어서 실행되는 방전 이벤트 동안에 상기 센싱부로부터 취득된 센싱 정보를 이용하여, 상기 배터리의 용량 및 전압의 시계열적 변화를 나타내는 측정 용량 이력 및 측정 전압 이력을 결정하도록 구성되는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 측정 용량 이력과 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제1 측정 전압 커브를 결정하고,
    상기 측정 용량 이력의 총 방전 용량으로 상기 측정 용량 이력을 정규화하여 취득되는 방전 심도 이력 및 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제2 측정 전압 커브를 결정하고,
    상기 측정 전압 이력을 상기 방전 심도 이력에 대해 미분하여, 상기 제2 측정 전압 커브로부터 미분 전압 커브를 결정하고,
    상기 미분 전압 커브를 기준 미분 전압 커브와 비교하여, 상기 분극 유발 전처리에 연관된 과전압 특성 정보를 결정하도록 구성되는 과전압 특성 평가 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전 이벤트는, 제1 시점으로부터 제2 시점까지의 정전류 방전을 포함하되,
    상기 제1 시점은, 상기 배터리의 전압이 제1 임계 전압과 동일한 시점이고,
    상기 제2 시점은, 상기 배터리의 전압이 상기 제1 임계 전압보다 작은 제2 임계 전압과 동일한 시점인 과전압 특성 평가 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 방전 심도 이력의 전체 범위에서 상기 미분 전압 커브와 상기 기준 미분 전압 커브 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상이 되는 범위인 과전압 집중 구간을 결정하도록 구성되되,
    상기 과전압 특성 정보는, 상기 과전압 집중 구간을 포함하는 과전압 특성 평가 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 과전압 집중 구간, 상기 미분 전압 커브 및 상기 기준 미분 전압 커브에 의해 규정되는 과전압 집중 영역의 면적을 결정하도록 구성되되,
    상기 과전압 특성 정보는, 상기 과전압 집중 영역의 면적을 더 포함하는 과전압 특성 평가 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 면적은,
    상기 과전압 집중 구간에 걸쳐 상기 배터리에 누적된 과전압의 크기를 나타내는 과전압 특성 평가 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 방전 심도 이력의 전체 범위 내인 소정의 제1 방전 심도로부터 소정의 제2 방전 심도까지의 기준 범위에 걸친 상기 미분 전압 차이의 적분값을 상기 기준 범위의 크기로 나누어, 상기 임계 차이를 결정하도록 구성되는 과전압 특성 평가 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기준 범위 내에서, 상기 과전압 집중 구간을 결정하도록 구성되는 과전압 특성 평가 장치.
  8. 배터리를 위한 과전압 특성 평가 방법에 있어서,
    상기 배터리에 대한 분극 유발 전처리에 이어서 실행되는 방전 이벤트 동안에 취득된 상기 배터리의 전류 및 전압의 센싱 정보를 이용하여, 상기 배터리의 용량 및 전압의 시계열적 변화를 나타내는 측정 용량 이력 및 측정 전압 이력을 결정하는 단계;
    상기 측정 용량 이력과 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제1 측정 전압 커브를 결정하는 단계;
    상기 측정 용량 이력의 총 방전 용량으로 상기 측정 용량 이력을 정규화하여 취득되는 방전 심도 이력 및 상기 측정 전압 이력 간의 대응 관계를 나타내는 제2 측정 전압 커브를 결정하는 단계;
    상기 측정 전압 이력을 상기 방전 심도 이력에 대해 미분하여, 상기 제2 측정 전압 커브로부터 미분 전압 커브를 결정하는 단계; 및
    상기 미분 전압 커브를 기준 미분 전압 커브와 비교하여, 상기 분극 유발 전처리에 연관된 과전압 특성 정보를 결정하는 단계를 포함하는 과전압 특성 평가 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분극 유발 전처리에 연관된 과전압 특성 정보를 결정하는 단계는,
    상기 방전 심도 이력의 전체 범위에서 상기 미분 전압 커브와 상기 기준 미분 전압 커브 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상이 되는 범위인 과전압 집중 구간을 결정하는 단계를 포함하는 과전압 특성 평가 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분극 유발 전처리에 연관된 과전압 특성 정보를 결정하는 단계는,
    상기 과전압 집중 구간, 상기 미분 전압 커브 및 상기 기준 미분 전압 커브에 의해 규정되는 과전압 집중 영역의 면적을 결정하는 단계를 더 포함하는 과전압 특성 평가 방법.
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