KR20160079637A - 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

배터리의 성능 상태(State of Health; SOH)를 추정하는 방법 및 장치가 개시된다. 일실시예에 따른 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법은 대상 배터리의 전압 및 부분 방전 시간을 측정하는 단계, 기준 배터리의 시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 이용해서 정규화된 부분 방전 시간을 획득하는 단계, 부분 방전 시간 및 정규화된 부분 방전 시간을 이용해서 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하는 단계 및 미리 저장된 기준 배터리의 완전 방전 시간과 대상 배터리의 완전 방전 시간의 비율을 이용해서 대상 배터리의 성능 상태를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

배터리의 성능 상태를 추정하는 방법 및 장치{METHOD AND SYSTEM FOR ESTIMATING STATE OF HEALTH(SOH) OF A BATTERY}
실시예들에 따르면, 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로, 배터리의 부분 방전 시간 또는 부분 충전 시간에 기초하여 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리는 다른 에너지 저장 장치와 비교해서 상대적으로 높은 에너지, 전력 밀도, 및 저비용으로 인하여 다양한 용도로 사용되는 충전 가능한 에너지 저장 장치로 널리 사용되고 있다. 모든 배터리는 배터리 내부의 화학 작용으로 인해, 사용에 따라 에너지 저장 용량이 감소하게 된다. 배터리의 성능 상태(State of Health; SOH)는 배터리 품질 측정에 있어, 매우 중요한 파라미터이고, 배터리에서 사용 가능한 화학적 구성 요소를 나타낸다. 배터리의 성능 상태는 새 배터리 상태와 현재 배터리 상태를 통해 배터리 성능을 정의할 수 있다. 배터리의 노화 또는 배터리의 수명이 다함으로 인해 원래의 상태로부터 성능이 저하되고, 배터리의 성능 상태에 변화가 생기게 된다. 충전 가능한 배터리의 화학 작용의 남은 시간을 예측하기 위해 성능 상태 추정 방법이 개발되고 있다.
현존하는 배터리의 성능 상태 추정 방법은 일반적으로 잔존 용량의 측정과 관련이 있다. 이러한 방법은 일정한 전류, 미리 정해진 전압에서 완전 충전 또는 완전 방전된 배터리를 이용해야 하므로 오랜 시간이 필요하다.
실시예에 따른 배터리의 성능 상태(State of Health: SOH)를 추정하는 방법은, 대상 배터리의 전압 및 부분 방전 시간을 측정하는 단계, 시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 이용해서 정규화된 부분 방전 시간을 획득하는 단계, 부분 방전 시간 및 정규화된 부분 방전 시간을 이용해서 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하는 단계 및 미리 저장된 기준 배터리의 완전 방전 시간과 대상 배터리의 완전 방전 시간의 비율을 이용해서 배터리의 성능 상태를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 배터리 모델은, 기준 배터리의 시간에 따른 방전 전압 그래프가 될 수 있다.
일측에 따르면, 정규화된 부분 방전 시간을 획득하는 단계는, 기준 배터리의 배터리 모델을 시간에 대해 정규화하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 대상 배터리의 전압 및 부분 방전 시간을 측정하는 단계는, 대상 배터리의 제1 시간에서의 제1 전압 및 제2 시간에서의 제2 전압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 제1 시간과 제2 시간 간의 간격을 부분 방전 시간으로 할 수 있다.
정규화된 부분 방전 시간을 획득하는 단계는, 정규화된 배터리 모델에서 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간 및 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 정규화된 제1 시간과 정규화된 제2 시간 간의 간격을 정규화된 부분 방전 시간으로 할 수 있다.
대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하는 단계는, 부분 방전 시간과 정규화된 부분 방전 시간의 비율을 이용해서 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법은 캐소드 활성 물질의 손실을 예측하여 상기 대상 배터리의 용량을 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 배터리의 SOH(State Of Health) 추정 장치는 대상 배터리의 전압 및 부분 방전 시간을 측정하는 측정부 및 시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 이용해서 정규화된 부분 방전 시간을 획득하고, 부분 방전 시간 및 정규화된 부분 방전 시간을 이용해서 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하고, 미리 저장된 기준 배터리의 완전 방전 시간과 대상 배터리의 완전 방전 시간의 비율을 이용해서 배터리의 성능 상태를 추정하는 처리부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면 배터리 모델은, 기준 배터리의 시간에 따른 방전 전압 그래프가 될 수 있다.
일측에 따르면, 처리부는, 기준 배터리의 배터리 모델을 시간에 대해 정규화할 수 있다.
측정부는, 대상 배터리의 제1 시간에서의 제1 전압 및 제2 시간에서의 제2 전압을 측정할 수 있다. 이때, 제1 시간과 제2 시간 간의 간격을 부분 방전 시간으로 할 수 있다.
처리부는, 정규화된 배터리 모델에서 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간 및 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득할 수 있다.
상기 정규화된 제1 시간과 상기 정규화된 제2 시간 간의 간격을 정규화된 부분 방전 시간으로 하는 배터리의 성능 상태 추정 장치.
처리부는, 부분 방전 시간과 정규화된 부분 방전 시간의 비율을 이용해서 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 처리부는, 캐소드 활성 물질의 손실을 예측하여 상기 배터리의 용량을 추정할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리의 성능 상태(State of Health: SOH)를 추정하는 방법은 대상 배터리의 전압 및 부분 충전 시간을 측정하는 단계, 시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 이용해서 정규화된 부분 충전 시간을 획득하는 단계, 부분 충전 시간 및 정규화된 부분 충전 시간을 이용해서 대상 배터리의 완전 충전 시간을 계산하는 단계 및 미리 저장된 기준 배터리의 완전 충전 시간과 대상 배터리의 완전 충전 시간의 비율을 이용해서 배터리의 성능 상태를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 배터리 모델은, 기준 배터리의 시간에 따른 충전 전압 그래프가 될 수 있다.
일측에 따르면, 대상 배터리의 전압 및 부분 충전 시간을 측정하는 단계는, 대상 배터리의 제1 시간에서의 제1 전압 및 제2 시간에서의 제2 전압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 제1 시간과 제2 시간 간의 간격을 부분 충전 시간으로 할 수 있다.
정규화된 부분 충전 시간을 획득하는 단계는, 정규화된 배터리 모델에서 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간 및 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 정규화된 제1 시간과 정규화된 제2 시간 간의 간격을 정규화된 부분 충전 시간으로 할 수 있다.
대상 배터리의 완전 충전 시간을 계산하는 단계는, 부분 충전 시간과 정규화된 부분 충전 시간의 비율을 이용해서 대상 배터리의 완전 충전 시간을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따라 부하에 연결된 배터리의 성능 상태(State of Health; SOH)를 추정하는 시스템의 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 배터리의 성능 상태 추정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 실시예에 따른 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 실시예에 따른 배터리 모델과 정규화된 배터리 모델을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 실시예에 따라 다양한 방전 주기들에 기초한 배터리의 정규화된 배터리 모델을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 실시예에 따라 2C-rate에서 입자 크기에 기초한 배터리의 정규화된 배터리 모델을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 실시예에 따라 4C-rate에서 입자 크기에 기초한 배터리의 정규화된 배터리 모델을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 실시예에 따라 배터리의 정규화된 배터리 모델을 이용하여 배터리의 용량을 추정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 실시예에 따라 부하 및 제너레이터(120)에 연결된 배터리의 성능 상태(State of Health; SOH)를 추정하는 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 시스템(100)은 배터리(110), 부하 및 제너레이터(120), 제어 장치(130) 및 배터리 성능 상태 추정 장치(140)를 포함할 수 있다. 배터리(110)는 부하에 전원을 공급하기 위해 전기 에너지를 제공하고, 제너레이터에서 생성된 전기를 통해 전기 에너지를 충전 할 수 있다. 실시예에 따르면, 부하는 전자 장치가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 배터리(110)는 부하에 전력을 공급하기 위해, 전기 에너지로 변환되는 화학 에너지를 저장되는 적어도 하나의 전기 화학 셀들을 포함할 수 있다. 만약 배터리(110)가 복수의 배터리 셀들을 포함하는 경우, 배터리 셀들은 서로 직렬로 연결되거나 또는 병렬로 연결될 수 있다.
제어 장치(130)는 부하(120) 및 배터리 성능 상태 추정 장치(140)를 제어할 수 있다. 제어 장치(130)는 배터리(110)의 전력을 주기적으로 측정하고 부하에 측정된 전력 값을 출력할 수 있다. 전력은 배터리(110)가 충전 또는 방전 중일 때 측정될 수 있다. 배터리(110)의 전압은 최종 방전 전압 값 및 최대 충전 전압 값 사이에 존재할 수 있다.
또한, 제어 장치(130)는 배터리 성능 상태 추정 장치(140) 및 부하(120)의 동작을 제어하는 제어 명령 및 동작을 저장할 수 있다. 예를 들면, 제어 장치(130)는 전기 자동차의 토크 정보를 결정하고, 엑셀레이터, 브레이크, 속도 등과 같은 정보에 기초하여 토크 정보를 맞추기 위해 모터의 출력을 제어할 수 있다. 제어 장치(130)는 제어 신호를 부하 및 제너레이터(120)에 전달하여, 배터리(110)가 추정된 성능 상태에 기초하여 충전되거나 방전될 수 있도록 할 수 있다.
배터리(110)는 재충전이 가능한 화학적 구성요소로 구성된 재충전 가능한 배터리가 될 수 있다. 배터리(110)는 예를 들어, 리튬 이온(Li-ion) 배터리, 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수은 배터리, 니켈 리튬(Li battery with nickel based cathode) 배터리, 니켈 코발트 알루미늄 계열의(NCA) 배터리, 니켈 아연 배터리 등을 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
전자 장치는 예를 들면, 전기 자동차, 랩탑, 휴대전화, PDA, 태블릿 장치, 전자책, 비디오 카메라, 이동형 개인 컴퓨터, 이동형 미디어 재생기 등을 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
배터리 성능 상태 추정 장치(140)는 배터리(110)의 충전 또는 방전 중에 제1 시간에 대응하는 제1 전압을 모니터링할 수 있다. 배터리 성능 상태 추정 장치(140)는 배터리(110)의 충전 또는 방전 중에 제2 시간에 대응하는 제2 전압을 모니터링할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리(110)의 제1 시간 및 제2 시간에 대응하는 제1 전압 및 제2 전압을 모니터링 한 뒤에, 배터리 성능 상태 추정 장치(140)는 제1 시간 및 제2 시간 간의 간격을 획득할 수 있다. 이때, 제1 시간과 제2 시간 간의 간격이 부분 방전 시간이 될 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치(140)는 배터리(110)의 배터리 모델을 시간에 대해 정규화(nomalize)할 수 있다. 여기서 배터리 모델은, 배터리(110)에 대응하는 새 배터리(fresh battery)의 시간에 따라 변화하는 충전 또는 방전 상태를 나타내는, 시간에 대한 전압 그래프를 포함할 수 있다. 정규화된 배터리 모델은 배터리(110)의 고유의 특징을 설명할 수 있다. 즉, 정규화된 배터리 모델은 배터리의 열화 정도에 관계없이 정규화된 시간에 대해 균일한 전압을 가질 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치(140)는 배터리(110)의 배터리 모델을 시간에 대해 정규화 한 뒤, 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간 및 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득할 수 있다. 여기서, 배터리 모델은 시간에 따라 변화하는 배터리의 전압을 나타내는 시간-전압 그래프를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간과 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 측정한 뒤, 배터리 성능 상태 추정 장치(140)는 정규화된 제1 시간과 정규화된 제2 시간 사이의 간격을 측정할 수 있다. 여기서, 정규화된 제1 시간과 정규화된 제2 시간 사이의 간격이 정규화된 부분 방전 시간이 될 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치(140)는 부분 방전 시간과 정규화된 부분 방전 시간의 비율에 기초하여 배터리(110)의 완전 방전 시간을 계산할 수 있다.
배터리 성능 상태 추정 장치(140)는 배터리(110)의 완전 방전 시간을 계산한 뒤, 계산된 완전 방전 시간과 완충된 배터리의 완전 방전 시간의 비율에 기초하여 배터리(110)의 성능 상태를 추정할 수 있다. 실시예에 따르면, 완충된 배터리(110)의 완전 방전 시간은 제조사로부터 획득될 수 있다. 여기서, 완전 방전 시간은 배터리가 완전 충전된 상태에서 완전 방전된 상태로 되기까지 걸리는 시간을 말한다.
시스템(100)은 사용자 인터페이스(미도시)로 하여금 배터리에 남은 에너지 및 배터리(110)의 성능 상태를 디스플레이 하게 하여, 사용자가 작동 모드에 대한 결정을 할 수 있도록 하여, 사용자 경험을 증대시킬 수 있다.
도 1은 시스템(100)의 제한된 블록도를 나타내고 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 또한, 시스템(100)은 시스템(100)의 다른 구성요소와 통신할 수 있는 복수의 통신 모듈을 포함할 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 배터리의 성능 상태 추정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 성능 상태 추정 장치(200)는 측정부(210), 저장부(220) 및 처리부(230)를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 측정부(210)는 배터리의 전압 및 부분 방전 시간을 측정할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 측정부(210)는 배터리의 전압 및 부분 충전 시간을 측정할 수 있다.
측정부(210)는 배터리가 전자 장치 또는 자동차에 연결중인 상태에서도 배터리의 개방 전압을 측정할 수 있다. 이때, 측정부는 배터리의 전압을 측정하는 시간을 기록할 수 있다. 따라서, 방전 전압을 측정한 경우에는 최초 전압 측정 시간과 최종 전압 측정 시간 간의 간격을 부분 방전 시간으로 할 수 있다. 또, 충전 전압을 측정한 경우에는 최초 전압 측정 시간과 최종 전압 측정 시간 간의 간격을 부분 충전 시간으로 할 수 있다.
일측에 따르면, 측정부(210)는 배터리의 제1 시간에서의 제1 전압 및 제2 시간에서의 제2 전압을 획득할 수 있다. 여기서, 제1 시간과 제2 시간 간의 간격을 부분 방전 시간 또는 부분 충전 시간으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, 저장부(220)는 배터리의 배터리 모델을 저장할 수 있다. 여기서 배터리 모델은 배터리의 충전 또는 방전시의 시간에 대한 전압 그래프를 포함할 수 있다. 이때, 배터리 모델은 사용중인 배터리에 대응하는 새 배터리의 배터리 모델을 포함할 수 있다. 또, 배터리 모델은는 현재 사용중인 배터리의 완충된 상태로부터 완전 방전될 때까지의 시간에 대한 전압 그래프를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 저장부(220)는 완전 충전된 새 배터리가 완전 방전할 때까지의 시간을 저장할 수 있다. 일측에 따르면, 완전 충전된 배터리가 완전 방전할 때까지의 시간을 완전 방전 시간이라고 할 수 있다. 이때, 새 배터리의 완전 방전 시간은 제조사로부터 획득할 수 있다.
실시예에 따르면, 처리부(230)는 정규화된 배터리 모델을 이용해서 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하고, 새 배터리의 완전 방전 시간과 대상 배터리의 완전 방전 시간의 비율을 이용해서 배터리의 성능 상태를 추정할 수 있다. 이때, 새 배터리를 기준 배터리로 할 수 있다.
일측에 따르면, 처리부(230)는 저장부(220)에 저장된 배터리 모델을 시간에 대해 정규화(normalize) 할 수 있다. 이때, 배터리 모델은 새 배터리의 충전 또는 방전시의 시간에 대한 전압 그래프를 포함할 수 있다.
여기서, 시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 통해서 정규화된 배터리 모델을 추출할 수 있다. 시간에 대해 정규화된 배터리 모델은 도 5를 통해서 확인할 수 있다.
일측에 따르면, 처리부(230)는 정규화된 배터리 모델에서 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간 및 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득할 수 있다. 이때, 정규화된 제1 시간과 정규화된 제2 시간 간의 간격을 정규화된 부분 방전 시간으로 할 수 있다.
일측에 따르면, 처리부(230)는 부분 방전 시간과 정규화된 부분 방전 시간의 비율을 이용해서 배터리의 완전 방전 시간의 획득할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 8에서 하도록 한다.
일측에 따르면, 처리부(230)는 캐소드 활성 물질의 손실을 예측하여 배터리의 용량을 추정할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 그러나, 각 단계들은 주어진 순서대로 정확히 수행될 필요는 없으며, 단계의 약간의 변화는 허용될 수 있다. 각 단계의 시퀀스는 배터리 성능 상태 추정 장치(140), 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 또는 다른 컴퓨터에서 읽을 수 있는 저장 매체를 통해서 수행될 수 있다.
도 3을 참조하면, 단계(310)에서, 배터리 성능 상태 추정 장치는 배터리의 전압 및 부분 방전 시간을 측정할 수 있다. 도 3에서는 배터리의 방전시의 전압을 측정하는 것을 실시예로 설명하고 있지만, 배터리 성능 상태 추정 장치는 배터리의 방전 시뿐만 아니라 충전 시에도 적용할 수 있다.
실시예에 따른 배터리 성능 상태 추정 장치는 배터리의 제1 시간에서의 제1 전압 및 제2 시간에서의 제2 전압을 측정할 수 있다.
일측에 따르면, 제1 시간은 임의의 제1 전압을 측정한 시간이 될 수 있다. 예를 들면, 제1 시간은 배터리의 방전 또는 충전을 시작하는 시간이 될 수 있다. 따라서, 배터리를 포함하는 전자 장치를 동작할 때의 배터리 초기 전압이 제1 전압이 될 수 있다.
일측에 따르면, 제2 시간은 임의의 제2 전압을 측정한 시간이 될 수 있다. 따라서, 배터리를 포함하는 전자 장치의 동작 중에, 제1 시간과 다른 어느 시간이라도 제2 시간이 될 수 있다. 다만, 정확한 결과를 위해서 제1 시간과 제2 시간은 제1 전압과 제2 전압 간에 차이가 생길 정도의 간격이 필요하다. 예를 들면, 제2 시간은 배터리의 방전 또는 충전이 종료된 시간이 될 수 있다. 따라서, 배터리를 운용한 직후의 배터리 전압이 제2 전압이 될 수 있다.
이때, 제1 시간과 제2 시간 간의 간격이 부분 방전 시간이 될 수 있다. 따라서, 배터리 성능 상태 추정 장치는 배터리의 제1 전압 및 제2 전압을 포함하는 배터리의 전압을 측정하고, 제1 전압을 측정한 제1 시간과 제2 전압을 측정한 제2 시간간의 간격인 부분 방전 전압을 획득할 수 있다.
단계(320)에서, 배터리 성능 상태 추정 장치는 배터리의 정규화된 부분 방전 시간을 획득할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치는 배터리의 시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 이용해서 정규화된 부분 방전 시간을 획득할 수 있다.
일측에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치는 미리 저장된 기준 배터리의 충전 또는 방전시의 전압과 시간에 대한 그래프를 시간에 대해 정규화할 수 있다. 이때, 기준 배터리는 완전 충전된 새 배터리를 포함할 수 있다. 여기서 배터리 성능 상태 추정 장치는 시간에 대해 정규화된 배터리 모델에서 정규화된 전압 곡선을 추출할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치는 정규화된 배터리 모델에서 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간 및 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득할 수 있다. 배터리 성능 상태 추정 장치는 정규화된 배터리 모델에서 단계(310)에서 측정된 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간을 획득할 수 있다. 또, 배터리 성능 상태 추정 장치는 정규화된 배터리 모델에서 단계(310)에서 측정된 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득할 수 있다. 여기서 정규화된 제1 시간과 정규화된 제2 시간 간의 간격을 정규화된 부분 방전 시간으로 할 수 있다.
단계(330)에서, 배터리 성능 상태 추정 장치는 배터리의 완전 방전 시간을 계산할 수 있다. 여기서, 완전 방전 시간은 배터리가 완전 충전된 상태로부터 완전 방전될 때까지의 걸리는 시간을 말한다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치는 상기 부분 방전 시간과 상기 정규화된 부분 방전 시간의 비율을 이용해서 상기 배터리의 완전 방전 시간을 계산할 수 있다.
단계(340)에서, 배터리 성능 상태 추정 장치는 배터리의 성능 상태를 추정할 수 있다.
실시예에 따른 배터리 성능 상태 추정 장치는 미리 저장된 완전 충전된 새 배터리의 완전 방전 시간과 상기 배터리의 완전 방전 시간의 비율을 이용해서 배터리의 성능 상태를 추정할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 배터리 모델과 방전 용량에 대해 정규화된 배터리 모델을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 섭씨 50도 에서의 다양한 방전 주기에 대한 배터리 모델(410)과 다양한 방전 주기에 대한 배터리의 방전 용량에 대해 정규화된 배터리 모델(420)을 설명하기 위한 그래프를 확인할 수 있다.
실시예에 따른 배터리 모델(410)을 참조하면, 재충전에 따른 방전 주기가 올라갈수록 방전 용량(Discharge capacity)이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 즉, 완충된 새 배터리가 0.8Ah에 가까운 방전 용량을 가지고 있는 반면, 3000회의 충전 및 방전을 반복한 배터리의 방전 용량은 0.7Ah에 미치지 못하는 것을 확인할 수 있다.
실시예에 따른 방전 용량에 대해 정규화된 배터리 모델(420)을 참조하면, 배터리의 방전 사이클에 무관하게 전압과 방전 용량 그래프에서의 적분 값이 거의 동일하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 실시예에 따라 다양한 방전 주기들에 기초하여 배터리의 정규화된 배터리 모델을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 섭씨 영하 10도에서 다양한 방전 주기들에 따른 NiO(산화 니켈) 배터리의 정규화된 배터리 모델(510)과 상온과 고온에서의 NCA(니켈코발트알루미늄계) 배터리의 정규화된 배터리 모델(520)을 확인할 수 있다.
섭씨 영하 10도에서 다양한 방전 주기들에 따른 NiO(산화 니켈) 배터리의 정규화된 배터리 모델(510)을 참조하면, 배터리의 고유 특성을 설명하는, 시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 확인할 수 있다. 다양한 방전 주기들에 따른 NiO(산화 니켈) 배터리의 정규화된 배터리 모델(510)에서 도시된 바와 같이, 낮은 온도에서도 방전 주기에 무관하게 시간에 대해 정규화된 배터리 모델의 적분 값은 거의 일정한 값으로 유지될 수 있다.
또한, 상온과 고온에서의 NCA 배터리의 정규화된 배터리 모델(520)에 도시된 바와 같이 정규화된 배터리 모델은 온도와 방전 주기에 무관하게 거의 일정한 적분 값을 유지할 수 있다.
배터리의 용량은 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
은 배터리의 전압,
Figure pat00003
은 배터리의 전류,
Figure pat00004
는 배터리의 완전 방전 시간,
Figure pat00005
는 배터리의 정규화된 방전 시간을 나타낼 수 있다. 즉, 시간을 배터리의 완전 방전 시간으로 나누면, 배터리의 정규화된 방전 시간으로 표현될 수 있다. 이때, 시간에 대해 정규화된 배터리 모델은 방전 주기에 무관하게 일정하므로, 배터리 전압(
Figure pat00006
)의 정규화된 시간 적분은 상수 K로 나타낼 수 있고, 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00007
여기서 K는 배터리와 관계되는 고유의 값으로, 온도에 무관하게 1.5%의 오차범위 안에서 유지될 수 있다. 따라서, 시간에 대해 정규화된 배터리 모델은 방전 주기에 관계 없이 일정한 K값을 갖게 되고, 이를 이용하여 배터리의 용량을 계산할 수 있다.
도 6은 실시예에 따라 방전율(Current Rate)이 2C-rate에서 입자 크기에 기초한 배터리의 정규화된 배터리 모델을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 2C-rate에서 캐소드의 입자 크기 별 배터리 모델(610)과 캐소드 입자 크기 별 시간에 대해 정규화된 배터리 모델(620)을 설명하기 위한 그래프를 확인할 수 있다.
배터리 모델(610)을 참조하면, 캐소드의 입자 지름이 줄어들수록, 방전시 전압 감소 속도가 빨라지고, 이는 배터리의 성능 상태가 감소하는 것임을 알 수 있다. 이때, 배터리 모델(610)에서, 캐소드 입자 지름이 오른쪽 부터 왼쪽까지 3 마이크로미터, 2.85 마이크로미터, 2.70 마이크로미터, 2.55 마이크로미터 및 2.40 마이크로 미터일 때 각각 측정될 수 있다. 배터리의 방전 주기가 반복될수록 캐소드 입자 지름이 줄어들게 되고, 이는 배터리의 총 방전 용량과 관계가 있다.
시간에 대해 정규화된 배터리 모델(620)를 참조하면, 캐소드 입자 지름의 크기에 관계 없이 전압 곡선이 동일한 적분 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이때, 시간에 대해 정규화한다는 것은, 배터리 모델에서의 각 방전 전압 곡선을 각 방전 전압 곡선에 대응하는 완전 방전 시간으로 나누어 시간 축을 1로 만들어주는 것을 말한다.
도 7은 실시예에 따라 4C-rate에서 입자 크기에 기초한 배터리의 정규화된 배터리 모델을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 4C-rate에서 다양한 입자 크기에 대한 배터리 모델(710)과 다양한 입자 크기에 대한 정규화된 배터리 모델(720)을 설명하기 위한 그래프를 확인할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 4C-rate의 경우에도 시간에 대해 정규화된 배터리 모델은 방전 주기와 상관 없이 적분 값이 동일하다. 따라서, 실시예에 따르면, 온도와 방전율(Current rate)에 무관하게 어떠한 경우에도 배터리의 성능 상태를 추정하는데 사용될 수 있다. 또, 배터리의 방전 전압과 그 방전 시간만 알면 되므로 전자 장치 및 전기 자동차의 운행 중에도 배터리의 성능 상태를 추정할 수 있다.
하기 표 1은 다양한 방전율에서의 K값을 나타낸 것이다.
Figure pat00008
표 1을 참조하면, K 값은 방전율이 올라갈수록 낮아지고, 최대 오차는 방전율이 올라갈수록 커지는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 방전율이 올라가더라도 최대 오차는 1.5%가 넘어가지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 실시예에 따라 배터리의 정규화된 배터리 모델을 이용하여 배터리의 용량을 추정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 다양한 입자 크기에 대한 배터리의 시간에 대해 정규화된 배터리 모델에서 정규화된 제1 시간(t*1)과 정규화된 제2 시간(t*2)을 획득하는 방법을 확인할 수 있다.
먼저, 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치는, 제1 시간(t1)에서의 제1 전압(V1)과 제2 시간(t2)에서의 제2 전압(V2)을 측정할 수 있다.
다음으로, 배터리 상태 추정 장치는 배터리의 시간에 대해 정규화된 배터리 모델에서 제1 전압(V1)에 대응하는 정규화된 제1 시간(t*1)과 제2 전압(V2)에 대응하는 정규화된 제2 시간(t*2)을 획득할 수 있다.
이때, 시간에 대해 정규화된 배터리 모델의 의미를 생각해보면, 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
는 부분 방전 시간이고,
Figure pat00011
는 정규화된 부분 방전 시간을 말한다. 즉, 부분 방전 시간과 정규화된 부분 방전 시간과의 비율을 통해서 배터리의 완전 방전 시간을 계산할 수 있다.
실시예에 따르면, 하기 수학식 4을 통해 배터리의 성능 상태를 계산할 수 있다.
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 기준 배터리의 완전 방전 시간을 의미하고,
Figure pat00014
는 대상 배터리의 완전 방전 시간을 의미하며,
Figure pat00015
는 대상 배터리의 용량,
Figure pat00016
는 기준 배터리의 용량,
Figure pat00017
는 캐소드 입자의 지름,
Figure pat00018
은 캐소드 입자의 질량, 0은 기준 배터리를 의미한다. 수학식 4를 참조하면, 새 배터리의 완전 방전 시간과 배터리의 완전 방전 시간의 비율을 통해서 배터리의 성능 상태를 추정할 수 있다. 여기서 기준 배터리는 제조 직후의 새 배터리(fresh cell/fresh battery)를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따르면, 추정된 배터리 성능 상태를 통해서 배터리의 용량과 캐소드 입자의 질량을 추정할 수 있다.
여기서, 배터리의 방전 중에 전압을 측정하여 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법에 대해서 주로 설명하였으나, 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법은 배터리의 충전 중에도 적용할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치는 배터리의 충전 중에 제1 시간과 제2 시간에 배터리의 충전 전압을 측정할 수 있다. 이때, 제1 시간과 제2 시간 간의 간격을 부분 충전 시간이라고 할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치는 시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 이용해서 정규화된 부분 충전 시간을 획득할 수 있다. 이때, 배터리 모델은 배터리 충전시의 시간에 따른 전압 그래프를 포함할 수 있다. 이렇게 배터리 충전시의 시간에 따른 전압 그래프를 시간에 대해 정규화하여 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간과 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치는 부분 충전 시간과 정규화된 부분 충전 시간을 이용해서 대상 배터리의 완전 충전 시간을 계산할 수 있다. 이때, 부분 충전 시간에 정규화된 부분 충전 시간을 나누면 대상 배터리의 완전 충전 시간이 될 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 성능 상태 추정 장치는 미리 저장된 기준 배터리의 완전 충전 시간과 대상 배터리의 완전 충전 시간의 비율을 이용해서 대상 배터리의 성능 상태를 추정할 수 있다. 여기서 기준 배터리는 제조 직후의 새 배터리를 말할 수 있다. 기준 배터리의 완전 충전 시간은 새 배터리가 완전 방전 상태에서 완전 충전 상태가 될 때까지의 시간을 말한다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 배터리의 성능 상태(State of Health: SOH)를 추정하는 방법에 있어서,
    대상 배터리의 전압 및 부분 방전 시간을 측정하는 단계;
    시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 이용해서 정규화된 부분 방전 시간을 획득하는 단계;
    상기 부분 방전 시간 및 상기 정규화된 부분 방전 시간을 이용해서 상기 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하는 단계; 및
    미리 저장된 기준 배터리의 완전 방전 시간과 상기 대상 배터리의 완전 방전 시간의 비율을 이용해서 배터리의 성능 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모델은,
    상기 기준 배터리의 시간에 따른 방전 전압 그래프인
    배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정규화된 부분 방전 시간을 획득하는 단계는,
    상기 기준 배터리의 배터리 모델을 시간에 대해 정규화하는 단계
    를 포함하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 대상 배터리의 전압 및 부분 방전 시간을 측정하는 단계는,
    상기 대상 배터리의 제1 시간에서의 제1 전압 및 제2 시간에서의 제2 전압을 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 시간과 상기 제2 시간 간의 간격을 상기 부분 방전 시간으로 하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정규화된 부분 방전 시간을 획득하는 단계는,
    상기 정규화된 배터리 모델에서 상기 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간 및 상기 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득하는 단계
    를 포함하고,
    상기 정규화된 제1 시간과 상기 정규화된 제2 시간 간의 간격을 정규화된 부분 방전 시간으로 하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하는 단계는,
    상기 부분 방전 시간과 상기 정규화된 부분 방전 시간의 비율을 이용해서 상기 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하는 단계
    를 포함하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    캐소드 활성 물질의 손실을 예측하여 상기 대상 배터리의 용량을 추정하는 단계
    를 더 포함하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  8. 하드웨어와 결합되어 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  9. 배터리의 SOH(State Of Health) 추정 장치에 있어서,
    대상 배터리의 전압 및 부분 방전 시간을 측정하는 측정부; 및
    시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 이용해서 정규화된 부분 방전 시간을 획득하고, 상기 부분 방전 시간 및 상기 정규화된 부분 방전 시간을 이용해서 상기 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하고, 미리 저장된 기준 배터리의 완전 방전 시간과 상기 대상 배터리의 완전 방전 시간의 비율을 이용해서 배터리의 성능 상태를 추정하는 처리부
    를 포함하는 배터리의 성능 상태 추정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 모델은,
    상기 기준 배터리의 시간에 따른 방전 전압 그래프인
    배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 기준 배터리의 배터리 모델을 시간에 대해 정규화하는
    배터리의 성능 상태 추정 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 대상 배터리의 제1 시간에서의 제1 전압 및 제2 시간에서의 제2 전압을 측정하고, 상기 제1 시간과 상기 제2 시간 간의 간격을 상기 부분 방전 시간으로 하는 배터리의 성능 상태 추정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 정규화된 배터리 모델에서 상기 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간 및 상기 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득하고,
    상기 정규화된 제1 시간과 상기 정규화된 제2 시간 간의 간격을 정규화된 부분 방전 시간으로 하는 배터리의 성능 상태 추정 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 부분 방전 시간과 상기 정규화된 부분 방전 시간의 비율을 이용해서 상기 대상 배터리의 완전 방전 시간을 계산하는
    배터리의 성능 상태 추정 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 처리부는,
    캐소드 활성 물질의 손실을 예측하여 상기 배터리의 용량을 추정하는
    배터리의 성능 상태 추정 장치.
  16. 배터리의 성능 상태(State of Health: SOH)를 추정하는 방법에 있어서,
    대상 배터리의 전압 및 부분 충전 시간을 측정하는 단계;
    시간에 대해 정규화된 배터리 모델을 이용해서 정규화된 부분 충전 시간을 획득하는 단계;
    상기 부분 충전 시간 및 상기 정규화된 부분 충전 시간을 이용해서 상기 대상 배터리의 완전 충전 시간을 계산하는 단계; 및
    미리 저장된 기준 배터리의 완전 충전 시간과 상기 대상 배터리의 완전 충전 시간의 비율을 이용해서 배터리의 성능 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 배터리 모델은,
    상기 기준 배터리의 시간에 따른 충전 전압 그래프인
    배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 대상 배터리의 전압 및 부분 충전 시간을 측정하는 단계는,
    상기 대상 배터리의 제1 시간에서의 제1 전압 및 제2 시간에서의 제2 전압을 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 시간과 상기 제2 시간 간의 간격을 상기 부분 충전 시간으로 하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 정규화된 부분 충전 시간을 획득하는 단계는,
    상기 정규화된 배터리 모델에서 상기 제1 전압에 대응하는 정규화된 제1 시간 및 상기 제2 전압에 대응하는 정규화된 제2 시간을 획득하는 단계
    를 포함하고,
    상기 정규화된 제1 시간과 상기 정규화된 제2 시간 간의 간격을 정규화된 부분 충전 시간으로 하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 대상 배터리의 완전 충전 시간을 계산하는 단계는,
    상기 부분 충전 시간과 상기 정규화된 부분 충전 시간의 비율을 이용해서 상기 대상 배터리의 완전 충전 시간을 계산하는 단계
    를 포함하는 배터리의 성능 상태를 추정하는 방법.
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