WO2022173283A1 - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 방법 Download PDF

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WO2022173283A1
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resistance
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정희석
배윤정
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery management apparatus and method, and more particularly, to a battery management apparatus and method capable of improving performance efficiency of a battery.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a battery management apparatus and method capable of increasing performance efficiency and lifespan of a battery by adjusting a discharging C-rate.
  • a battery management device is configured to measure a charging voltage, a charging current, a discharging voltage and a discharging current while the battery is charged and discharged according to a preset charging C-rate and a preset discharging C-rate. measuring unit; and receiving information about the voltage and current of the battery from the measuring unit, calculating a charging resistance for each voltage of the battery based on the charging voltage and the charging current, and calculating the charging resistance for each voltage of the battery based on the discharging voltage and the discharging current.
  • a discharge resistance is calculated for each voltage of the battery, a resistance ratio between the charging resistance and the discharge resistance is calculated for each voltage of the battery, and a discharge C-rate for the battery is calculated based on the calculated resistance ratio for each voltage of the battery. It may include a control unit configured to set.
  • the controller may be configured to calculate a resistance ratio for each voltage by calculating a ratio of the charge resistance to the discharge resistance for each voltage of the battery.
  • the controller may be configured to select a maximum resistance ratio among the resistance ratios calculated for each voltage of the battery and adjust the discharge C-rate based on the selected maximum resistance ratio.
  • the controller may be configured to set the discharge C-rate to the preset discharge C-rate when the maximum resistance ratio is less than a reference value.
  • the controller may be configured to change the discharge C-rate to be different from the preset discharge C-rate when the maximum resistance ratio is equal to or greater than the reference value.
  • the controller may be configured to change the discharging C-rate to be greater than the preset charging C-rate for the battery.
  • the controller may be configured to increase the discharging C-rate to correspond to the maximum resistance ratio, and to set the increased discharging C-rate to the discharging C-rate for the battery.
  • the controller may be configured to increase the discharging C-rate based on the maximum resistance ratio and a battery characteristic coefficient corresponding to the battery.
  • the battery may be configured to include a composite negative active material in which graphite and silicon are mixed.
  • the measuring unit measures the charging voltage and the charging current while the battery is charged with a constant current at the preset charging C-rate, and the discharging voltage during the constant current discharging of the battery at the preset discharging C-rate and measuring the discharge current.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include the battery management apparatus according to an aspect of the present invention.
  • a charging voltage, a charging current, a discharging voltage and a discharging current are measured.
  • a charging resistance calculation step of calculating a charging resistance for each voltage of the battery based on the charging voltage and the charging current
  • a discharge resistance calculating step of calculating a discharge resistance for each voltage of the battery based on the discharge voltage and the discharge current
  • a resistance ratio calculating step of calculating a resistance ratio between the charging resistance and the discharging resistance for each voltage of the battery
  • a discharging C-rate setting step of setting a discharging C-rate for the battery based on the resistance ratio calculated for each voltage of the battery.
  • the battery management apparatus has the advantage of improving the performance efficiency of the battery and increasing the lifespan of the battery by adjusting the discharging C-rate of the battery.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an exemplary configuration of a battery pack including a battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating charging resistance and discharging resistance of a battery and a reference cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a charging resistance and a discharging resistance of a battery to which a discharging C-rate is set according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a first capacity retention rate and a second capacity retention rate of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a first coulombic efficiency and a second coulombic efficiency of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a battery management method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a battery management apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an exemplary configuration of a battery pack 1 including the battery management apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery management apparatus 100 may include a measurement unit 110 and a control unit 120 .
  • the measuring unit 110 may be configured to measure a charging voltage, a charging current, a discharging voltage and a discharging current while the battery B is charged and discharged according to a preset charging C-rate and a preset discharging C-rate. have.
  • the preset charging C-rate and the preset discharging C-rate may be the first preset C-rate or the previously preset C-rate by the controller 120 .
  • the preset charging C-rate may be preset to 0.03C
  • the preset discharging C-rate may be preset to 0.03C.
  • the battery B has a negative terminal and a positive terminal, and means one physically separable independent cell.
  • a lithium ion battery or a lithium polymer battery may be regarded as the battery (B).
  • the battery (B) may further include an additional active material that exhibits capacity in the lower section of the state of charge (SOC), has a large resistance hysteresis between resistance and voltage compared to the basic active material, and has low charge/discharge efficiency.
  • the battery B may include a composite negative active material in which a basic active material and an additional active material are mixed.
  • the battery B may be configured to include a composite negative active material in which graphite and silicon are mixed.
  • graphite may be a basic active material
  • silicon may be an additional active material.
  • the measuring unit 110 measures the charging voltage and the charging current while the battery B is charged with a constant current at the preset charging C-rate, and the battery B is charged with the preset discharging C-rate. It may be configured to measure the discharging voltage and the discharging current in the process of discharging a constant current at a rate.
  • the measurement unit 110 may be connected to the first sensing line SL1 , the second sensing line SL2 , and the third sensing line SL3 .
  • the measurement unit 110 may be connected to the positive terminal of the battery B through the first sensing line SL1 and may be connected to the negative terminal of the battery B through the second sensing line SL2 .
  • the measurement unit 110 may measure the voltage of the battery B by calculating a difference between the voltage measured through the first sensing line SL1 and the voltage measured through the second sensing line SL2 . .
  • the measurement unit 110 may measure the charging voltage of the battery B through the first sensing line SL1 and the second sensing line SL2 . . Conversely, while the battery B is discharged at the discharging C-rate, the measuring unit 110 measures the discharge voltage of the battery B through the first sensing line SL1 and the second sensing line SL2.
  • the measurement unit 110 may be connected to the current measurement unit through the third sensing line SL3 to measure the charging current and the discharging current of the battery B.
  • the battery B may be charged with a constant current at a charging C-rate or discharged with a constant current at a discharging C-rate.
  • the current measuring unit may be a current sensor or a shunt resistor provided in the charging/discharging path of the battery B to measure the charging current and the discharging current of the battery B.
  • the charging/discharging path of the battery B may be a high current path in which a charging current is applied to the battery B or a discharge current is output from the battery B.
  • the current measuring unit may be connected between the negative terminal of the battery B and the negative terminal P ⁇ of the battery pack 1 in the charging/discharging path of the battery B.
  • the current measuring unit may also be connected between the positive terminal of the battery B and the positive terminal P+ of the battery pack 1 as long as it is on the charging/discharging path of the battery B.
  • the control unit 120 may be configured to receive information about the voltage and current of the battery B from the measurement unit 110 .
  • control unit 120 and the measurement unit 110 may be communicatively connected.
  • the measuring unit 110 outputs information on the measured charging voltage, charging current, discharging voltage and discharging current to the control unit 120 , and the control unit 120 receives the voltage and current of the battery B from the measuring unit 110 . information can be received.
  • the controller 120 may be configured to calculate a charging resistance for each voltage of the battery B based on the charging voltage and the charging current.
  • the controller 120 may calculate the charging resistance for each charging voltage by calculating a ratio of the charging voltage to the charging current using Ohm's law. For example, since the battery B is charged with a constant current at the charging C-rate, the controller 120 may calculate the charging resistance for each charging voltage by calculating the change rate of the resistance with respect to the current.
  • the controller 120 may be configured to calculate a discharge resistance for each voltage of the battery B based on the discharge voltage and the discharge current.
  • the controller 120 may calculate the discharge resistance for each discharge voltage by calculating the ratio of the discharge current to the discharge current using Ohm's law in the same manner as the method of calculating the charge resistance.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating charging resistance and discharging resistance of a battery B and a reference cell according to an embodiment of the present invention.
  • the first charging resistance BC1 is a charging resistance for each voltage of the battery B calculated by the controller 120
  • the first discharge resistance BD1 is calculated by the controller 120 . It may be a discharge resistance for each voltage of the battery (B).
  • the reference cell may be a cell including one type of anode active material, unlike the battery (B).
  • the reference cell may be a cell including graphite as an anode active material. Comparing the charge resistance RC and the discharge resistance RD of the reference cell with the first charge resistance BC1 and the first discharge resistance BD1 of the battery B, the resistance hysteresis of the battery B is that of the reference cell. It can be seen that the resistance is larger than the hysteresis. This may be because different negative active materials (eg, graphite and silicon) are included in the battery (B).
  • the resistance hysteresis of the battery (B) in the low voltage section (SOC lower section) in which the capacity of silicon is expressed is higher than the resistance hysteresis of the reference cell.
  • the controller 120 may be configured to calculate a resistance ratio between the charging resistance and the discharging resistance for each voltage of the battery B.
  • the controller 120 may calculate the ratio of the charge resistance to the discharge resistance for each voltage, thereby calculating the resistance ratio for each voltage. For example, the controller 120 may calculate "charging resistance ⁇ discharging resistance" at each voltage to calculate a resistance ratio for each voltage.
  • the discharge resistance of the battery B at 3.3V may be RB2, and the charging resistance may be RB1.
  • the controller 120 may calculate “RB1 ⁇ RB2” to calculate the resistance ratio to 3.3V.
  • the resistance ratio of the reference cell at 3.3V may be “RC1 ⁇ RC2”. That is, since the reference cell has a smaller resistance hysteresis than the battery B, the resistance ratio of the reference cell to the same voltage (3.3V) may be smaller than the resistance ratio of the battery B.
  • the controller 120 may be configured to set a discharging C-rate for the battery B based on a resistance ratio calculated for each voltage of the battery B.
  • the controller 120 may change and set a preset discharging C-rate for the battery B based on the calculated resistance ratio.
  • the controller 120 may increase the discharge C-rate based on the calculated resistance ratio.
  • the anode potential in the latter half of the discharge (low voltage section, SOC lower section) may be reduced due to the accumulation of anode overvoltage. That is, the anode potential may be reduced in the section where the capacity of silicon is expressed.
  • the resistance hysteresis of the battery B can be reduced. That is, the resistance hysteresis of the battery B may be reduced by the discharge C-rate increased by the controller 120 .
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a charging resistance and a discharging resistance of a battery B to which a discharging C-rate is set according to an embodiment of the present invention.
  • the second charging resistor BC2 is a charging resistance for each voltage of the battery B in which the discharging C-rate is changed
  • the second discharging resistor BD2 is the battery in which the discharging C-rate is changed ( It may be a discharge resistance for each voltage of B).
  • the first charging resistor BC1 is the same as the first charging resistor BC1 of FIG. 3
  • the first discharging resistor BD1 is the same as the first discharging resistor BD1 of FIG. 3 . That is, the first charging resistor BC1 and the first discharging resistor BD1 may be a resistance profile of the battery B before the discharging C-rate is changed.
  • the resistance hysteresis of the battery B is reduced compared to the case where the discharging C-rate is preset.
  • the resistance ratio of the battery B at 3.3V may be “RB1 ⁇ RB2”.
  • the resistance ratio of the battery B at 3.3V may be “RB3 ⁇ RB4”.
  • the battery management apparatus 100 appropriately sets the discharge C-rate for the battery (B) including the composite negative active material in which two or more types of active materials are mixed, thereby forming the battery (B). It has the advantage of reducing the resistance hysteresis of
  • the discharging C-rate set by the battery management apparatus 100 may be set as the discharging C-rate used in the process in which the battery B is operated. That is, since the optimal discharging C-rate is set for the battery B, the performance efficiency of the battery B may be improved.
  • control unit 120 provided in the battery management apparatus 100 is a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), other chipsets, logic circuits, and registers known in the art to execute various control logics performed in the present invention.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the controller 120 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in the memory and executed by the controller 120 .
  • the memory may be inside or outside the control unit 120 , and may be connected to the control unit 120 by various well-known means.
  • the battery management apparatus 100 may further include a storage unit 130 .
  • the storage unit 130 may store data necessary for each component of the battery management apparatus 100 to perform an operation and function, a program or data generated while an operation and a function are performed.
  • the storage unit 130 is not particularly limited in its type as long as it is a known information storage means capable of writing, erasing, updating and reading data.
  • the information storage means may include a RAM, a flash memory, a ROM, an EEPROM, a register, and the like.
  • the storage unit 130 may store program codes in which processes executable by the control unit 120 are defined.
  • the storage unit 130 may store the charging current, charging voltage, discharging current, and discharging voltage of the battery B measured by the measuring unit 110 .
  • the storage unit 130 may store a preset charging C-rate and a preset discharging C-rate for the battery B .
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a first capacity retention ratio CR1 and a second capacity retention ratio CR2 of the battery B according to an embodiment of the present invention.
  • the capacity retention rate may be a ratio of the capacity in the current cycle to the capacity in the initial cycle. That is, the capacity retention rate may be a ratio between the maximum capacity in the beginning of life (BOL) state and the current maximum capacity.
  • BOL beginning of life
  • the capacity retention rate may decrease as the cycle increases.
  • the first capacity retention ratio CR1 and the second capacity retention ratio CR2 of the battery B may be substantially similar.
  • the first capacity retention ratio CR1 of the battery B may be sharply decreased compared to the second capacity retention ratio CR2. This is because the discharging C-rate of the battery B is changed and the resistance hysteresis of the battery B is reduced, so that the second capacity retention ratio CR2 of the battery B can be constantly maintained. Accordingly, the controller 120 may improve the performance efficiency of the battery B by changing and setting the discharging C-rate for the battery B.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a first coulombic efficiency CE1 and a second coulombic efficiency CE2 of a battery B according to an embodiment of the present invention.
  • the first coulombic efficiency CE1 of the battery B before the discharging C-rate is changed and set and the second coulombic efficiency of the battery B after the discharging C-rate is changed and set ( CE2) is a diagram showing.
  • the coulombic efficiency means the ratio of the capacity in the current cycle to the capacity in the previous cycle.
  • the first and second coulombic efficiency CE1 and the second coulombic efficiency CE2 of the battery B may have substantially similar shapes.
  • the coulombic efficiency may increase from the 0th cycle to the 140th cycle, and the coulombic efficiency may gradually decrease from the 140th cycle.
  • the first coulombic efficiency CE1 of the battery B may be sharply decreased compared to the second coulombic efficiency CE2 .
  • the controller 120 may improve the performance efficiency of the battery B by changing and setting the discharging C-rate for the battery B.
  • the controller 120 may be configured to calculate a resistance ratio for each voltage by calculating a ratio of the charge resistance to the discharge resistance for each voltage of the battery B.
  • the controller 120 may calculate a ratio of the first charge resistor BC1 to the first discharge resistor BD1 for each voltage to calculate a resistance ratio for each voltage. For example, the controller 120 may calculate “RB1 ⁇ RB2” to calculate the resistance ratio to 3.3V.
  • the controller 120 may be configured to select a maximum resistance ratio among the calculated resistance ratios for each voltage of the battery B.
  • the controller 120 may select a maximum resistance ratio having a maximum value among the calculated resistance ratios.
  • controller 120 may be configured to adjust the discharge C-rate based on the selected maximum resistance ratio.
  • the controller 120 may change the discharging C-rate of the battery B. That is, when the maximum resistance ratio is less than the reference value, the controller 120 maintains the discharge C-rate of the battery B at a preset discharge C-rate, and only when the maximum resistance ratio is greater than the reference value, the discharge C-rate of the battery B The rate can be changed and set.
  • the controller 120 may be configured to set the discharge C-rate to the preset discharge C-rate. Conversely, when the maximum resistance ratio is equal to or greater than the reference value, the controller 120 may be configured to change the discharge C-rate to be different from the preset discharge C-rate.
  • the controller 120 may be configured to increase the discharging C-rate to correspond to the maximum resistance ratio, and set the increased discharging C-rate to the discharging C-rate for the battery B. have.
  • controller 120 may be configured to change the discharging C-rate to be greater than the preset charging C-rate for the battery B.
  • the anode potential when the discharging C-rate is increased than the charging C-rate, the anode potential may be reduced in a section in which the capacity of the silicon included in the battery B is expressed due to the accumulation of the anode overvoltage. Accordingly, by discharging the battery B by the discharging C-rate increased than the charging C-rate, the resistance hysteresis of the battery B may be reduced.
  • the controller 120 may be configured to increase the discharging C-rate based on the maximum resistance ratio and a characteristic coefficient of the battery B corresponding to the battery B.
  • the controller 120 may set the discharge C-rate according to the following equation.
  • DCm is a discharge C-rate set according to the equation
  • DCn is a predetermined discharge C-rate
  • Max is the maximum resistance ratio
  • ⁇ is the characteristic coefficient of the battery (B).
  • the characteristic coefficient ⁇ of the battery B may be set based on design specifications of the battery B.
  • the characteristic coefficient ⁇ of the battery B may be a variable that can be set according to the positive electrode capacity loading of the battery B, the conductive material content, the positive electrode material type, the negative electrode material type, and the number of moles of electrolyte salt.
  • the battery B characteristic coefficient ⁇ may be set to a number less than 1.
  • the characteristic coefficient ⁇ of the battery B may be adjusted. And, so that the calculated discharging C-rate may be greater than the charging C-rate, the controller 120 may recalculate the discharging C-rate based on the adjusted battery B characteristic coefficient ⁇ .
  • the battery management apparatus 100 may be applied to a Battery Management System (BMS). That is, the BMS according to the present invention may include the above-described battery management apparatus 100 . In this configuration, at least some of each component of the battery management apparatus 100 may be implemented by supplementing or adding functions of the configuration included in the conventional BMS. For example, the measurement unit 110 , the control unit 120 , and the storage unit 130 of the battery management apparatus 100 may be implemented as components of the BMS.
  • BMS Battery Management System
  • the battery management apparatus 100 may be provided in the battery pack 1 . That is, the battery pack 1 according to the present invention may include the battery management apparatus 100 and one or more batteries B described above. In addition, the battery pack 1 may further include electrical equipment (relays, fuses, etc.) and a case.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an exemplary configuration of the battery pack 1 including the battery management apparatus 100 .
  • the battery pack 1 may include a battery B, a current measuring unit, and the battery management device 100 .
  • the charging/discharging unit 200 may be included in the battery pack 1 , and may be electrically connected to an electrode terminal of the battery pack 1 . In the embodiment of FIG. 2 , the charging/discharging unit 200 may be connected to the positive terminal P+ and the negative terminal P- of the battery pack 1 .
  • the measuring unit 110 may measure a charging current and a charging voltage of the battery B . Also, while the battery B is discharged by the charging/discharging unit 200 , the measuring unit 110 may measure a discharging current and a discharging voltage of the battery B .
  • the charging/discharging unit 200 may fully charge the battery B from 0% to 100% SOC, and may completely discharge the battery B from 100% to 0% SOC.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a battery management method according to another embodiment of the present invention.
  • each step of the battery management method may be performed by the battery management apparatus 100 .
  • the battery management apparatus 100 Preferably, each step of the battery management method may be performed by the battery management apparatus 100 . Note that in the following, content overlapping with the previously described content will be omitted or briefly described.
  • the battery management method includes a measuring step (S100), a charging resistance calculation step (S200), a discharge resistance calculation step (S300), a resistance ratio calculation step (S400), and a discharge C-rate setting step (S500).
  • a measuring step (S100) a charging resistance calculation step (S200), a discharge resistance calculation step (S300), a resistance ratio calculation step (S400), and a discharge C-rate setting step (S500).
  • the measuring step (S100) is a step of measuring a charging voltage, a charging current, a discharging voltage and a discharging current while the battery B is charged and discharged according to a preset charging C-rate and a preset discharging C-rate, This may be performed by the measurement unit 110 .
  • the measurement unit 110 may measure a charging voltage and a charging current while the battery B is charged at a preset charging C-rate. Also, the measurement unit 110 may measure a discharge voltage and a discharge current while the battery B is discharged at a preset discharge C-rate.
  • the charging resistance calculation step S200 is a step of calculating the charging resistance for each voltage of the battery B based on the charging voltage and the charging current, and may be performed by the controller 120 .
  • the controller 120 may calculate the charging resistance by calculating a ratio of the charging voltage to the charging current.
  • the discharge resistance calculation step S300 is a step of calculating the discharge resistance for each voltage of the battery B based on the discharge voltage and the discharge current, and may be performed by the controller 120 .
  • the controller 120 may calculate a discharge resistance by calculating a ratio of a discharge voltage to a discharge current.
  • the resistance ratio calculation step S400 is a step of calculating a resistance ratio between the charging resistance and the discharging resistance for each voltage of the battery B, and may be performed by the controller 120 .
  • the controller 120 may calculate the resistance ratio by calculating the ratio of the charge resistance to the discharge resistance. For example, in the embodiment of FIG. 3 , the controller 120 may calculate the resistance ratio to 3.3V by calculating “RB1 ⁇ RB2”.
  • the discharging C-rate setting step S500 is a step of setting a discharging C-rate for the battery B based on the resistance ratio calculated for each voltage of the battery B, and is to be performed by the controller 120 .
  • the controller 120 may select a maximum resistance ratio from among a plurality of resistance ratios calculated for each voltage of the battery B . And, when the selected maximum resistance ratio is equal to or greater than the reference value, the controller 120 may change and set the discharge C-rate for the battery B based on the selected maximum resistance ratio, the battery B characteristic coefficient, and the preset discharge C-rate. have.
  • the controller 120 increases the discharging C-rate for the battery B so that the discharging C-rate for the battery B is greater than the charging C-rate, thereby improving the performance efficiency of the battery B can do it
  • 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.
  • control unit 120 control unit

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 기설정된 충전 C-rate 및 기설정된 방전 C-rate에 따라 배터리가 충전 및 방전되는 과정에서, 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압 및 방전 전류를 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 측정부로부터 상기 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 수신하고, 상기 충전 전압 및 상기 충전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 충전 저항을 산출하며, 상기 방전 전압 및 상기 방전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 방전 저항을 산출하고, 상기 배터리의 전압마다 상기 충전 저항과 상기 방전 저항 간의 저항비를 산출하며, 상기 배터리의 전압마다 산출된 저항비에 기반하여 상기 배터리에 대한 방전 C-rate를 설정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법
본 출원은 2021년 02월 09일 자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2021-0018521호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 성능 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
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.
또한, 최근에는 배터리의 고용량화 및 고출력화 등의 다양한 목표를 달성하기 위하여, 2종 이상의 물질이 혼합된 음극 활물질에 대해 연구가 진행되고 있다. 다만, 2종 이상의 물질은 서로 충방전 효율과 반응 전압대가 상이하기 때문에, 상대적으로 충방전 효율이 낮은 물질의 빠른 퇴화로 인하여 배터리의 퇴화 이슈가 발생되고 있다. 따라서, 2종 이상의 물질이 혼합된 음극 활물질을 포함하는 배터리에 대하여, 수명을 증대시킬 수 있는 방안 마련이 필요한 실정이다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 방전 C-rate를 조정함으로써, 배터리의 성능 효율 및 수명을 증대시킬 수 있는 배터리 관리 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 배터리 관리 장치는 기설정된 충전 C-rate 및 기설정된 방전 C-rate에 따라 배터리가 충전 및 방전되는 과정에서, 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압 및 방전 전류를 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 측정부로부터 상기 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 수신하고, 상기 충전 전압 및 상기 충전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 충전 저항을 산출하며, 상기 방전 전압 및 상기 방전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 방전 저항을 산출하고, 상기 배터리의 전압마다 상기 충전 저항과 상기 방전 저항 간의 저항비를 산출하며, 상기 배터리의 전압마다 산출된 저항비에 기반하여 상기 배터리에 대한 방전 C-rate를 설정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 전압마다 상기 방전 저항에 대한 상기 충전 저항의 비율을 각각 계산하여 전압별 저항비를 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 전압마다 산출된 저항비 중 최대 저항비를 선택하고, 선택된 최대 저항비에 기반하여 상기 방전 C-rate를 조정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 최대 저항비가 기준값 미만인 경우, 상기 방전 C-rate를 상기 기설정된 방전 C-rate로 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 최대 저항비가 상기 기준값 이상인 경우, 상기 방전 C-rate를 상기 기설정된 방전 C-rate와 상이하게 변경하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 방전 C-rate가 상기 배터리에 대해 상기 기설정된 충전 C-rate보다 크도록 변경하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 방전 C-rate를 상기 최대 저항비에 대응되도록 증가시키고, 증가된 방전 C-rate를 상기 배터리에 대한 방전 C-rate로 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 방전 C-rate를 상기 최대 저항비 및 상기 배터리에 대응되는 배터리 특성 계수에 기반하여 증가시키도록 구성될 수 있다.
상기 배터리는, 흑연 및 실리콘이 혼합된 복합 음극 활물질을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 측정부는, 상기 배터리가 상기 기설정된 충전 C-rate로 정전류 충전되는 과정에서 상기 충전 전압 및 상기 충전 전류를 측정하고, 상기 배터리가 상기 기설정된 방전 C-rate로 정전류 방전되는 과정에서 상기 방전 전압 및 상기 방전 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은 기설정된 충전 C-rate 및 기설정된 방전 C-rate에 따라 배터리가 충전 및 방전되는 과정에서, 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압 및 방전 전류를 측정하는 측정 단계; 상기 충전 전압 및 상기 충전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 충전 저항을 산출하는 충전 저항 산출 단계; 상기 방전 전압 및 상기 방전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 방전 저항을 산출하는 방전 저항 산출 단계; 상기 배터리의 전압마다 상기 충전 저항과 상기 방전 저항 간의 저항비를 산출하는 저항비 산출 단계; 및 상기 배터리의 전압마다 산출된 저항비에 기반하여 상기 배터리에 대한 방전 C-rate를 설정하는 방전 C-rate 설정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 배터리 관리 장치는 배터리의 방전 C-rate를 조정함으로써, 배터리의 성능 효율을 향상시키고, 배터리의 수명을 증대시킬 수 있는 장점이 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 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 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리와 참조 셀의 충전 저항 및 방전 저항을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 방전 C-rate가 설정된 배터리의 충전 저항 및 방전 저항을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 제1 용량 보존율과 제2 용량 보존율을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 제1 쿨롱 효율과 제2 쿨롱 효율을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
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.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
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.
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.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 측정부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 기설정된 충전 C-rate 및 기설정된 방전 C-rate에 따라 배터리(B)가 충전 및 방전되는 과정에서, 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압 및 방전 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
기설정된 충전 C-rate와 기설정된 방전 C-rate는 최초로 미리 설정된 C-rate이거나, 제어부(120)에 의해 이전에 미리 설정된 C-rate일 수 있다. 예컨대, 기설정된 충전 C-rate는 0.03C로 미리 설정되고, 기설정된 방전 C-rate는 0.03C로 미리 설정될 수 있다.
여기서, 배터리(B)는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리(B)로 간주될 수 있다.
바람직하게, 배터리(B)는 SOC(State of charge) 하단 구간에서 용량이 발현되며, 기본 활물질 대비 저항과 전압 간의 저항 히스테리시스(Hysteresis)가 크고 충방전 효율이 낮은 추가 활물질을 더 포함할 수 있다. 즉, 배터리(B)는 기본 활물질과 추가 활물질이 혼합된 복합 음극 활물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 배터리(B)는, 흑연 및 실리콘이 혼합된 복합 음극 활물질을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기서, 흑연은 기본 활물질이고, 실리콘은 추가 활물질일 수 있다.
상기 측정부(110)는, 상기 배터리(B)가 상기 기설정된 충전 C-rate로 정전류 충전되는 과정에서 상기 충전 전압 및 상기 충전 전류를 측정하고, 상기 배터리(B)가 상기 기설정된 방전 C-rate로 정전류 방전되는 과정에서 상기 방전 전압 및 상기 방전 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 도 2의 실시예에서, 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1), 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)과 연결될 수 있다. 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(B)의 양극 단자와 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 음극 단자와 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 측정되는 전압과 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 측정되는 전압 간의 차이를 계산하여, 배터리(B)의 전압을 측정할 수 있다. 배터리(B)가 충전 C-rate로 충전되는 과정에서, 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 충전 전압을 측정할 수 있다. 반대로, 배터리(B)가 방전 C-rate로 방전되는 과정에서, 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 방전 전압을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 전류 측정 유닛과 연결되어 배터리(B)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있다. 여기서, 배터리(B)는 충전 C-rate로 정전류 충전되거나 방전 C-rate로 정전류 방전될 수 있다.
예컨대, 전류 측정 유닛은 배터리(B)의 충방전 경로에 구비되어 배터리(B)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있는 전류 센서 또는 션트 저항일 수 있다. 여기서, 배터리(B)의 충방전 경로란 배터리(B)로 충전 전류가 인가되거나 배터리(B)로부터 방전 전류가 출력되는 대전류 경로일 수 있다. 도 2의 실시예에서, 전류 측정 유닛은 배터리(B)의 충방전 경로 중 배터리(B)의 음극 단자와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 다만, 전류 측정 유닛은 배터리(B)의 충방전 경로 상이라면, 배터리(B)의 양극 단자와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에도 연결될 수 있음을 유의한다.
제어부(120)는 상기 측정부(110)로부터 상기 배터리(B)의 전압 및 전류에 대한 정보를 수신하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제어부(120)와 측정부(110)는 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 측정부(110)는 측정한 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압 및 방전 전류에 대한 정보를 제어부(120)로 출력하고, 제어부(120)는 측정부(110)로부터 배터리(B)의 전압 및 전류에 대한 정보를 수신할 수 있다.
제어부(120)는 상기 충전 전압 및 상기 충전 전류에 기반하여 상기 배터리(B)의 전압마다 충전 저항을 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 오옴의 법칙(Ohm's law)을 이용하여, 충전 전류에 대한 충전 전압의 비율을 계산함으로써 충전 전압마다 충전 저항을 산출할 수 있다. 예컨대, 배터리(B)는 충전 C-rate로 정전류 충전되기 때문에, 제어부(120)는 전류에 대한 저항의 변화율을 계산함으로써, 충전 전압마다 충전 저항을 산출할 수 있다.
제어부(120)는 상기 방전 전압 및 상기 방전 전류에 기반하여 상기 배터리(B)의 전압마다 방전 저항을 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 충전 저항을 산출하는 방식과 동일하게, 오옴의 법칙을 이용하여 방전 전류에 대한 방전 전류의 비율을 계산함으로써, 방전 전압마다 방전 저항을 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(B)와 참조 셀의 충전 저항 및 방전 저항을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3의 실시예에서, 제1 충전 저항(BC1)은 제어부(120)에 의해 산출된 배터리(B)의 전압별 충전 저항이고, 제1 방전 저항(BD1)은 제어부(120)에 의해 산출된 배터리(B)의 전압별 방전 저항일 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 참조 셀은 배터리(B)와 달리 1종의 음극 활물질을 포함한 셀일 수 있다. 예컨대, 참조 셀은 흑연을 음극 활물질로 포함하는 셀일 수 있다. 참조 셀의 충전 저항(RC) 및 방전 저항(RD)과 배터리(B)의 제1 충전 저항(BC1) 및 제1 방전 저항(BD1)을 비교하면, 배터리(B)의 저항 히스테리시스가 참조 셀의 저항 히스테리시스보다 큰 것을 알 수 있다. 이는, 배터리(B)에 서로 다른 음극 활물질(예컨대, 흑연 및 실리콘)이 포함되어있기 때문일 수 있다. 배터리(B)에 포함된 흑연 및 실리콘은 용량이 발현되는 SOC 구간이 상이하기 때문에, 실리콘의 용량이 발현되는 저전압 구간(SOC 하단 구간)에서 배터리(B)의 저항 히스테리시스는 참조 셀의 저항 히스테리시스보다 클 수 있다.
제어부(120)는 상기 배터리(B)의 전압마다 상기 충전 저항과 상기 방전 저항 간의 저항비를 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 전압마다 방전 저항에 대한 충전 저항의 비율을 계산하여, 전압별 저항비를 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 각각의 전압에서 "충전 저항÷방전 저항"을 계산하여, 각각의 전압에 대한 저항비를 산출할 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 3.3V에서 배터리(B)의 방전 저항은 RB2이고, 충전 저항은 RB1일 수 있다. 제어부(120)는 "RB1÷RB2"를 계산하여, 3.3V에 대한 저항비를 산출할 수 있다.
한편, 도 3의 실시예에서, 3.3V에서의 참조 셀의 저항비는 "RC1÷RC2"일 수 있다. 즉, 참조 셀은 배터리(B)에 비해 저항 히스테리시스가 작기 때문에, 동일한 전압(3.3V)에 대한 참조 셀의 저항비는 배터리(B)의 저항비보다 작을 수 있다.
제어부(120)는 상기 배터리(B)의 전압마다 산출된 저항비에 기반하여 상기 배터리(B)에 대한 방전 C-rate를 설정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리(B)에 대해 기설정된 방전 C-rate를 산출된 저항비에 기반하여 변경 설정할 수 있다. 바람직하게, 제어부(120)는 방전 C-rate를 산출된 저항비에 기반하여 증가시킬 수 있다. 이 경우, 증가된 방전 C-rate에 의해 배터리(B)가 방전되면, 양극 과전압의 누적으로 인하여 방전 후반부(저전압 구간, SOC 하단 구간)의 양극 전위가 감소될 수 있다. 즉, 실리콘의 용량이 발현되는 구간에서 양극 전위가 감소될 수 있다. 또한, 방전 후반부의 양극 전위가 감소됨에 따라 배터리(B)의 방전 저항이 증가되기 때문에, 배터리(B)의 저항 히스테리시스가 감소될 수 있다. 즉, 제어부(120)에 의해 증가된 방전 C-rate에 의해, 배터리(B)의 저항 히스테리시스가 감소될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 방전 C-rate가 설정된 배터리(B)의 충전 저항 및 방전 저항을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4의 실시예에서, 제2 충전 저항(BC2)은 방전 C-rate가 변경 설정된 배터리(B)의 전압별 충전 저항이고, 제2 방전 저항(BD2)은 방전 C-rate가 변경 설정된 배터리(B)의 전압별 방전 저항일 수 있다. 제1 충전 저항(BC1)은 도 3의 제1 충전 저항(BC1)과 동일하고, 제1 방전 저항(BD1)은 도 3의 제1 방전 저항(BD1)과 동일하다. 즉, 제1 충전 저항(BC1) 및 제1 방전 저항(BD1)은 방전 C-rate가 변경 설정되기 전의 배터리(B)에 대한 저항 프로파일일 수 있다.
도 4를 참조하면, 저항비에 따라 방전 C-rate가 설정된 경우, 방전 C-rate가 기설정된 경우에 비해 배터리(B)의 저항 히스테리시스가 감소됨을 알 수 있다. 예컨대, 배터리(B)의 방전 C-rate가 변경되기 전, 3.3V에서 배터리(B)의 저항비가 "RB1÷RB2"일 수 있다. 반면, 배터리(B)의 방전 C-rate가 변경된 후, 3.3V에서 배터리(B)의 저항비는 "RB3÷RB4"일 수 있다. 제어부(120)에 의해 방전 C-rate가 설정된 후에는 배터리(B)에 대한 저항 히스테리시스가 현저하게 감소됨을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 2종 이상의 활물질이 혼합된 복합 음극 활물질을 포함하는 배터리(B)에 대하여, 방전 C-rate를 적절하게 설정함으로써 배터리(B)의 저항 히스테리시스를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
따라서, 배터리 관리 장치(100)에 의해 설정된 방전 C-rate는, 배터리(B)가 운용되는 과정에서 이용되는 방전 C-rate로 설정될 수 있다. 즉, 배터리(B)에 대하여 최적의 방전 C-rate가 설정되기 때문에, 배터리(B)의 성능 효율이 향상될 수 있다.
한편, 배터리 관리 장치(100)에 구비된 제어부(120)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 관리 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(130)는 제어부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
예컨대, 저장부(130)는 측정부(110)에 의해 측정된 배터리(B)의 충전 전류, 충전 전압, 방전 전류 및 방전 전압을 저장할 수 있다. 또한, 저장부(130)는 배터리(B)에 대해 기설정된 충전 C-rate 및 기설정된 방전 C-rate를 저장할 수 있다.
이하에서는, 배터리(B)의 저항 히스테리시스와 성능 효율에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(B)의 제1 용량 보존율(CR1)과 제2 용량 보존율(CR2)을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 5의 실시예는, 방전 C-rate가 변경 설정되기 전의 배터리(B)의 제1 용량 보존율(CR1)과 방전 C-rate가 변경 설정된 후의 배터리(B)의 제2 용량 보존율(CR2)을 도시한 도면이다. 여기서, 용량 보존율이란, 초기 사이클에서의 용량에 대한 현재 사이클에서의 용량의 비율일 수 있다. 즉, 용량 보존율은 BOL(Beginning of life) 상태의 최대 용량과 현재의 최대 용량 간의 비율일 수 있다. 일반적으로, 배터리(B)는 사이클이 증가될수록 퇴화되기 때문에, 사이클이 증가됨에 다라 용량 보존율이 감소될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제0 사이클 내지 제200 사이클까지는 배터리(B)의 제1 용량 보존율(CR1)과 제2 용량 보존율(CR2)이 거의 유사할 수 있다. 다만, 제200 사이클부터, 배터리(B)의 제1 용량 보존율(CR1)은 제2 용량 보존율(CR2)에 비해 급격하게 감소될 수 있다. 이는, 배터리(B)에 대한 방전 C-rate가 변경 설정되어 배터리(B)의 저항 히스테리시스가 감소되었기 때문에, 배터리(B)의 제2 용량 보존율(CR2)이 일정하게 유지될 수 있는 것이다. 따라서, 제어부(120)는 배터리(B)에 대한 방전 C-rate를 변경 설정함으로써, 배터리(B)의 성능 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(B)의 제1 쿨롱 효율(CE1)과 제2 쿨롱 효율(CE2)을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 6의 실시예는, 방전 C-rate가 변경 설정되기 전의 배터리(B)의 제1 쿨롱 효율(CE1)과 방전 C-rate가 변경 설정된 후의 배터리(B)의 제2 쿨롱 효율(CE2)을 도시한 도면이다. 여기서, 쿨롱 효율이란 직전 사이클에서의 용량에 대한 현재 사이클에서의 용량의 비율을 의미한다.
도 6을 참조하면, 제0 사이클 내지 제200 사이클까지는 배터리(B)의 제1 쿨롱 효율(CE1)과 제2 쿨롱 효율(CE2)이 거의 유사한 개형을 띨 수 있다. 예컨대, 제0 사이클 내지 제140 사이클까지 쿨롱 효율이 증가되고, 제140 사이클부터 쿨롱 효율이 점차 감소될 수 있다.
다만, 제200 사이클부터, 배터리(B)의 제1 쿨롱 효율(CE1)은 제2 쿨롱 효율(CE2)에 비해 급격하게 감소될 수 있다. 이는, 배터리(B)에 대한 방전 C-rate가 변경 설정되어 배터리(B)의 저항 히스테리시스가 감소되었기 때문에, 배터리(B)의 제2 쿨롱 효율(CE2)이 일정하게 유지될 수 있는 것이다. 따라서, 제어부(120)는 배터리(B)에 대한 방전 C-rate를 변경 설정함으로써, 배터리(B)의 성능 효율을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 제어부(120)가 산출한 저항비에 기반하여 배터리(B)에 대한 방전 C-rate를 설정하는 구체적인 실시예에 대해 설명한다.
상기 제어부(120)는, 상기 배터리(B)의 전압마다 상기 방전 저항에 대한 상기 충전 저항의 비율을 각각 계산하여 전압별 저항비를 산출하도록 구성될 수 있다.
도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 각각의 전압마다 제1 방전 저항(BD1)에 대한 제1 충전 저항(BC1)의 비율을 계산하여, 전압별 저항비를 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 "RB1÷RB2"를 계산하여, 3.3V에 대한 저항비를 산출할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 배터리(B)의 전압마다 산출된 저항비 중 최대 저항비를 선택하도록 구성될 수 있다.
도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 전압마다 저항비를 산출한 후, 산출된 저항비 중 최대값을 갖는 최대 저항비를 선택할 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 선택된 최대 저항비에 기반하여 상기 방전 C-rate를 조정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는, 배터리(B)의 저항 히스테리시스의 최대값(최대 저항비)이 기준값 이상인 경우, 배터리(B)의 방전 C-rate를 변경할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 최대 저항비가 기준값 미만인 경우에는 배터리(B)의 방전 C-rate를 기설정된 방전 C-rate로 유지하고, 최대 저항비가 기준값 이상인 경우에 한하여 배터리(B)의 방전 C-rate를 변경 설정할 수 있다.
예컨대, 상기 최대 저항비가 기준값 미만인 경우, 제어부(120)는 상기 방전 C-rate를 상기 기설정된 방전 C-rate로 설정하도록 구성될 수 있다. 반대로, 상기 최대 저항비가 상기 기준값 이상인 경우, 제어부(120)는 상기 방전 C-rate를 상기 기설정된 방전 C-rate와 상이하게 변경하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부(120)는, 상기 방전 C-rate를 상기 최대 저항비에 대응되도록 증가시키고, 증가된 방전 C-rate를 상기 배터리(B)에 대한 방전 C-rate로 설정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제어부(120)는, 상기 방전 C-rate가 상기 배터리(B)에 대해 상기 기설정된 충전 C-rate보다 크도록 변경하도록 구성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 방전 C-rate가 충전 C-rate보다 증가되면, 양극 과전압의 누적으로 인하여, 배터리(B)에 포함된 실리콘의 용량이 발현되는 구간에서 양극 전위가 감소될 수 있다. 따라서, 충전 C-rate보다 증가된 방전 C-rate에 의해 배터리(B)가 방전됨으로써, 배터리(B)의 저항 히스테리시스가 감소될 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(120)는, 상기 방전 C-rate를 상기 최대 저항비 및 상기 배터리(B)에 대응되는 배터리(B) 특성 계수에 기반하여 증가시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 아래의 수학식에 따라 방전 C-rate를 설정할 수 있다.
[수학식]
DCm = DCn×Max×α
여기서, DCm은 수학식에 따라 설정된 방전 C-rate이고, DCn은 기설정된 방전 C-rate이다. 또한, Max는 최대 저항비이고, α는 배터리(B) 특성 계수이다.
예컨대, 배터리(B) 특성 계수(α)는, 배터리(B)의 설계 사양에 기반하여 설정될 수 있다. 구체적인 예로, 배터리(B) 특성 계수(α)는 배터리(B)의 양극 용량 로딩, 도전재 함량, 양극재 종류, 음극재 종류 및 전해액 염의 몰수 등에 따라 설정 가능한 변수일 수 있다.
예컨대, 양극 용량 로딩이 5mA/cm2인 배터리(B)의 경우 배터리(B) 특성 계수(α)가 1 미만의 수로 설정될 수 있다.
만약, 상기 수학식에 따라 설정된 방전 C-rate(DCm)이 충전 C-rate 이하일 경우, 배터리(B) 특성 계수(α)가 조정될 수 있다. 그리고, 산출되는 방전 C-rate가 충전 C-rate보다 클 수 있도록, 제어부(120)는 조정된 배터리(B) 특성 계수(α)에 기반하여 방전 C-rate를 재산출할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 관리 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치(100)의 측정부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리 팩(1)에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상술한 배터리 관리 장치(100) 및 하나 이상의 배터리(B)를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(1)은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
예컨대, 도 2는 배터리 관리 장치(100)가 포함된 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 배터리 팩(1)은 배터리(B), 전류 측정 유닛 및 배터리 관리 장치(100)를 포함할 수 있다.
충방전부(200)는 배터리 팩(1)에 포함될 수도 있고, 배터리 팩(1)의 전극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 음극 단자(P-)에는 충방전부(200)가 연결될 수 있다.
충방전부(200)에 의해 배터리(B)가 충전되는 과정에서, 측정부(110)는 배터리(B)의 충전 전류 및 충전 전압을 측정할 수 있다. 또한, 충방전부(200)에 의해 배터리(B)가 방전되는 과정에서, 측정부(110)는 배터리(B)의 방전 전류 및 방전 전압을 측정할 수 있다.
예컨대, 충방전부(200)는 배터리(B)를 SOC 0%에서 100%까지 완전 충전시킬 수 있고, SOC 100%에서 0%까지 완전 방전시킬 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 관리 방법의 각 단계는 배터리 관리 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명함을 유의한다.
도 7을 참조하면, 배터리 관리 방법은 측정 단계(S100), 충전 저항 산출 단계(S200), 방전 저항 산출 단계(S300), 저항비 산출 단계(S400) 및 방전 C-rate 설정 단계(S500)를 포함할 수 있다.
측정 단계(S100)는 기설정된 충전 C-rate 및 기설정된 방전 C-rate에 따라 배터리(B)가 충전 및 방전되는 과정에서, 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압 및 방전 전류를 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
바람직하게, 측정부(110)는 배터리(B)가 기설정된 충전 C-rate로 충전되는 과정에서, 충전 전압 및 충전 전류를 측정할 수 있다. 또한, 측정부(110)는 배터리(B)가 기설정된 방전 C-rate로 방전되는 과정에서, 방전 전압 및 방전 전류를 측정할 수 있다.
충전 저항 산출 단계(S200)는 상기 충전 전압 및 상기 충전 전류에 기반하여 상기 배터리(B)의 전압마다 충전 저항을 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 충전 전류에 대한 충전 전압의 비율을 산출하여 충전 저항을 산출할 수 있다.
방전 저항 산출 단계(S300)는 상기 방전 전압 및 상기 방전 전류에 기반하여 상기 배터리(B)의 전압마다 방전 저항을 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 방전 전류에 대한 방전 전압의 비율을 산출하여 방전 저항을 산출할 수 있다.
이상에서는, 도 7의 실시예에 따라 충전 저항 산출 단계(S200) 이후에 방전 저항 산출 단계(S300)가 진행되는 것으로 도시되었으나, 방전 저항 산출 단계(S300)가 먼저 진행된 후 충전 저항 산출 단계(S200)가 진행될 수도 있음을 유의한다.
저항비 산출 단계(S400)는 상기 배터리(B)의 전압마다 상기 충전 저항과 상기 방전 저항 간의 저항비를 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 각각의 전압에 대하여, 방전 저항에 대한 충전 저항의 비율을 계산함으로써 저항비를 산출할 수 있다. 예컨대, 도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 "RB1÷RB2"를 계산함으로써, 3.3V에 대한 저항비를 산출할 수 있다.
방전 C-rate 설정 단계(S500)는 상기 배터리(B)의 전압마다 산출된 저항비에 기반하여 상기 배터리(B)에 대한 방전 C-rate를 설정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리(B)의 각각의 전압마다 산출된 복수의 저항비 중 최대 저항비를 선택할 수 있다. 그리고, 선택된 최대 저항비가 기준값 이상인 경우, 제어부(120)는 선택된 최대 저항비, 배터리(B) 특성 계수 및 기설정된 방전 C-rate에 기반하여 배터리(B)에 대한 방전 C-rate를 변경 설정할 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 배터리(B)에 대한 방전 C-rate가 충전 C-rate보다 크도록, 배터리(B)에 대한 방전 C-rate를 증가시킴으로써, 배터리(B)의 성능 효율을 향상시킬 수 있다.
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.
(부호의 설명)
1: 배터리 팩
100: 배터리 관리 장치
110: 측정부
120: 제어부
130: 저장부
200: 충방전부

Claims (11)

  1. 기설정된 충전 C-rate 및 기설정된 방전 C-rate에 따라 배터리가 충전 및 방전되는 과정에서, 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압 및 방전 전류를 측정하도록 구성된 측정부; 및
    상기 측정부로부터 상기 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 수신하고, 상기 충전 전압 및 상기 충전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 충전 저항을 산출하며, 상기 방전 전압 및 상기 방전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 방전 저항을 산출하고, 상기 배터리의 전압마다 상기 충전 저항과 상기 방전 저항 간의 저항비를 산출하며, 상기 배터리의 전압마다 산출된 저항비에 기반하여 상기 배터리에 대한 방전 C-rate를 설정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 전압마다 상기 방전 저항에 대한 상기 충전 저항의 비율을 각각 계산하여 전압별 저항비를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 전압마다 산출된 저항비 중 최대 저항비를 선택하고, 선택된 최대 저항비에 기반하여 상기 방전 C-rate를 조정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 최대 저항비가 기준값 미만인 경우, 상기 방전 C-rate를 상기 기설정된 방전 C-rate로 설정하고,
    상기 최대 저항비가 상기 기준값 이상인 경우, 상기 방전 C-rate를 상기 기설정된 방전 C-rate와 상이하게 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 방전 C-rate가 상기 배터리에 대해 상기 기설정된 충전 C-rate보다 크도록 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 방전 C-rate를 상기 최대 저항비에 대응되도록 증가시키고, 증가된 방전 C-rate를 상기 배터리에 대한 방전 C-rate로 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 방전 C-rate를 상기 최대 저항비 및 상기 배터리에 대응되는 배터리 특성 계수에 기반하여 증가시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    흑연 및 실리콘이 혼합된 복합 음극 활물질을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 배터리가 상기 기설정된 충전 C-rate로 정전류 충전되는 과정에서 상기 충전 전압 및 상기 충전 전류를 측정하고, 상기 배터리가 상기 기설정된 방전 C-rate로 정전류 방전되는 과정에서 상기 방전 전압 및 상기 방전 전류를 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩.
  11. 기설정된 충전 C-rate 및 기설정된 방전 C-rate에 따라 배터리가 충전 및 방전되는 과정에서, 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압 및 방전 전류를 측정하는 측정 단계;
    상기 충전 전압 및 상기 충전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 충전 저항을 산출하는 충전 저항 산출 단계;
    상기 방전 전압 및 상기 방전 전류에 기반하여 상기 배터리의 전압마다 방전 저항을 산출하는 방전 저항 산출 단계;
    상기 배터리의 전압마다 상기 충전 저항과 상기 방전 저항 간의 저항비를 산출하는 저항비 산출 단계; 및
    상기 배터리의 전압마다 산출된 저항비에 기반하여 상기 배터리에 대한 방전 C-rate를 설정하는 방전 C-rate 설정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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