KR20170045730A - 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법, 배터리를 제어하기 위한 방법 및 작동 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리(10), 특히 리튬 이온 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 (A) 제 1 시점(t1)에 배터리(10)의 특성곡선(20)의 적어도 하나의 섹션(25)을 검출하는 단계, (B) 배터리(10)의 특성곡선(20)의 섹션(25)에서 적어도 하나의 주요 부분 섹션(30) 또는 지점(33)을 규정 및/또는 결정하는 단계, (C) 제 1 시점(t1) 이후 제 2 시점(t2)에 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)의 섹션(25)에서 상응하는 주요 부분 섹션(30) 또는 지점(33)을 검출하는 단계, (D) 제 1 및 제 2 시점(t1, t2)에 배터리(10)의 특성곡선(20)의 섹션(25)에서 주요 부분 섹션(30) 또는 지점(33)의 변동 정도를 결정하는 단계, 및 (E) 변동 정도에 기초해서 배터리(10)의 노후화 상태를 나타내는 노후화 정도를 생성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 배터리, 특히 리튬 이온 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법, 배터리를 제어하기 위한 방법 및 작동 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 특히 배터리 및 특히 리튬 이온 배터리의 충전, 방전 및/또는 작동을 제어하기 위한 방법 및 차량에 관한 것이다.
전기 작동 장치의 사용 시, 작동 장치의 작동 수단, 예를 들어 엔진 또는 이와 같은 것에 전기 에너지를 공급하기 위해 그리고 경우에 따라서 작동시키기 위해 주로 배터리가 사용된다. 이러한 배터리는 1차 배터리 또는 2차 배터리, 예를 들어 재충전식 축전지 또는 이와 같은 것일 수 있다. 이러한 배터리의 최적의 작동은 물론 관리, 재충전 및 재생을 위해, 충전 불균일성에 의해서도 반영되는 배터리의 노후화 상태에 관한 정보가 유용할 수 있다.
기존의 상태 검출은 배터리에서 전체 배터리 셀의 평균 충전 상태의 측정만을 가능하게 한다. 노후화된 배터리 셀에서 나타날 수 있는 불균일한 충전 상태는 이 경우 고려되지 않는다. 특히 특정한 전극 배열의 경우에 불균일성이 나타날 수 있고, 예를 들어 넓은 충전 범위 내에서 애노드 전위는 거의 변동될 수 없고, 따라서 애노드 상의 불균일성은 보상될 수 없다. 이는, 특정한 위치에서 부분적이고 국소적인 과충전으로 인해 소위 플레이팅(plating), 즉 금속 성분의 침적이 발생하는 것을 야기할 수 있다.
플레이팅은 배터리 어셈블리의 작동에 불리하고, 용량 손실 또는 배터리 결함 및 배터리 고장을 야기할 수 있다. 그러나 이러한 상태들은 기존의 측정 방법으로 검출될 수 없다.
본 발명의 과제는 배터리가 최적으로 작동될 수 있도록 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법, 배터리를 제어하기 위한 방법 및 작동 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징들을 포함하는 방법, 청구항 제 10 항의 특징들을 포함하는 방법 및 청구항 제 11 항의 특징들을 포함하는 작동 장치에 의해 해결된다.
청구항 제 1 항의 특징들을 포함하는 본 발명에 따른 방법은, 배터리의 노후화 상태가 특히 확실하게 결정될 수 있고 이러한 정보는 배터리의 추가 사용 및 추가 작동에 기초가 될 수 있다는 장점을 갖는다. 이는 본 발명에 따라 청구항 제 1 항의 특징에 의해, (A) 제 1 시점(t1)에 배터리의 특성곡선의 적어도 하나의 섹션을 검출하는 단계, (B) 배터리의 특성곡선의 상기 섹션에서 적어도 하나의 주요 부분 섹션 또는 지점을 규정 및/또는 결정하는 단계, (C) 제 1 시점(t1) 이후 제 2 시점(t2)에 배터리의 특성곡선의 상기 섹션에서 상응하는 주요 부분 섹션 또는 지점을 검출하는 단계, (D) 제 1 및 제 2 시점(t1 및 t2)에 배터리의 특성곡선의 상기 섹션에서 주요 부분 섹션 또는 지점의 변동 정도 또는 변동 신호를 결정하는 단계, 및 (E) 변동 정도 또는 변동 신호에 기초해서 배터리의 노후화 상태를 나타내는 노후화 정도 또는 노후화 신호를 형성하는 단계를 포함하는 배터리 및 특히 리튬 이온 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법이 제공됨으로써 달성된다. 본 발명의 핵심은 즉, 배터리의 상태, 그리고 특히 배터리의 노후화에 대한 배터리 특성곡선의 주요 부분 섹션 또는 지점들의 의존성에 기초한다. 따라서 배터리의 배터리 특성곡선의 주요 부분 섹션 또는 지점들이 원래 상태에서, 즉 노후화되지 않은 상태에서 또는 규정된 노후화 상태에서 알려진 경우에, 시간의 경과에 따라 배터리의 특성곡선의 하나 이상의 주요 부분 섹션 또는 지점들의 특성의 변동으로부터 배터리의 노후화 상태가 추론될 수 있다. 이러한 정보는, 배터리의 사용, 관리 및 작동을 설계하고 제어하기 위해 이용될 수 있다.
시점(t2)에 배터리의 특성곡선은 예를 들어 작동 시 배터리의 휴지 및 후속하는 조정 동안 상기 특성곡선의 개별 점들의 기록에 의해 알고리즘을 이용해서 작성될 수 있다. 이러한 작업은 예를 들어 배터리 관리 시스템에서 실시될 수 있다. 새 배터리 셀의 특성곡선은 측정에 의해 알려진다. 특성곡선의 도함수로부터 - 하기에 설명되는 바와 같이 - 피크의 위치와 진폭이 결정될 수 있고, 예를 들어 새 특성곡선의 피크와 비교될 수 있다.
배터리 특성곡선은 본 발명과 관련해서 충전 파라미터에 의존하는 전압의 함수 관계이다. 전압은 풀 셀(full cell)의 전압(V), 배터리 셀의 캐소드 전압(Vc) 또는 애노드 전압(Va)일 수 있다. 충전 파라미터는 예를 들어 절대 또는 상대 충전 용량, 즉 SOC-값(SOC: State of Charge) 또는 절대 또는 상대 방전 용량, 즉 DOD-값(DOD: Depth of Discharge)에 의해 주어질 수 있다.
변동 정도 또는 노후화 정도와 관련해서 변동 신호 또는 노후화 상태 신호가 언급될 수도 있고, 상기 신호들은 각각 배터리의 특성곡선의 하나의 섹션에서 주요 부분 섹션 또는 지점의 변동 정도 또는 노후화 정도 또는 배터리 전체의 노후화 상태를 나타낸다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들을 제시한다.
배터리의 노후화 상태의 특성화를 위해, 대표적인 노후화 정도 또는 노후화 신호는 예를 들어 노후화 상태 신호로 나타내질 수 있다. 노후화 정도 또는 노후화 상태 신호는 배터리의 특성곡선의 하나 이상의 상응하는 주요 부분 섹션 또는 지점의 장소 또는 위치에서 변동을 나타낼 수 있거나 상기 변동으로부터 유도될 수 있다. 추가로 또는 대안으로서 노후화 정도 또는 노후화 상태 신호는 배터리의 특성곡선의 하나 이상의 주요 부분 섹션 또는 지점의 기하학적 특성을 나타낼 수 있다.
바람직한 실시예에 따라 제 1 시점(t1)이 배터리의 시작, 특히 배터리의 최초 작동의 시점 직전에, 당시 또는 시점 직후에 위치하고 및/또는 추후 제 2 시점 t2이 배터리의 작동 시 또는 작동 후에 위치하는 경우에, 본 발명에 따른 방법이 특히 적합하다. 이 경우 추후 시점(t2)은 예를 들어 배터리의 현재 작동 시간에 상응하는 이동 파라미터일 수 있다.
대안으로서 또는 추가로 제 2 시점(t2)은 각각 시점들의 목록 또는 해당하는 시점을 규정하는 알고리즘에 나타날 수 있다.
예를 들어, 제 2 시점(t2)으로서, 기본적인 작동 장치가 무부하 상태 또는 정지 상태인 시점들을 각각 확정하는 것이 제안된다. 전기 자동차에서 이는 예를 들어 자동차가 이동으로부터 정지되었거나 현재 정지하고 있는 상태에 해당한다.
그러나, 사용된 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 시점을 정하기 위한 다른 시나리오도 고려될 수 있다.
기본적으로 변동 정도 또는 변동 신호 및 노후화 상태를 유도하기 위한 배터리 특성곡선의 전체적인 주요 양상들이 제공되는데, 상기 양상의 특성들은 시간의 경과 및 그에 따라 기본 배터리의 노후화에 따라 변화한다.
배터리의 특성곡선에서 및/또는 - 특히 미분 또는 적분에 의해 얻어진 - 배터리의 특성곡선의 도함수에서 스텝, 피크 및/또는 에지의 부분이 주요 부분 섹션 또는 지점인 경우에, 본 발명에 따른 방법이 특히 바람직하게 형성된다.
배터리 특성곡선의 평가 시 다양한 측정값들이 평가될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따라, 배터리의 특성곡선은 배터리의 풀 셀의 특성곡선, 배터리의 애노드의 특성곡선 및/또는 배터리의 캐소드의 특성곡선이거나 이를 포함하고 및/또는 배터리의 무부하 전압의 변화를 나타낸다.
이 경우, 변동 정도가 배터리의 특성곡선의 상기 섹션 내의 주요 부분 섹션 또는 지점의 위치(i), 폭(ii), 형태(iii) 및/또는 진폭(iv)의 변동을 나타내면, 특히 바람직하다.
바람직한 실시예에 따라 상응하는 주요 부분 섹션 또는 지점을 제 2 시점(t2)에 검출하는 단계(C)가 제 2 시점(t2)에 배터리의 상응하는 특성곡선의 검출을 포함하는 경우, 본 발명에 따른 방법은 특히 정확하게 설계된다.
특성곡선의 주요 부분 섹션 또는 지점의 결정 시 특히 높은 정확성은 주요 부분 섹션 또는 지점이 배터리의 풀 셀, 애노드 및 캐소드의 특성곡선들 중 하나의 특성곡선에서 결정되고 풀 셀, 애노드 및 캐소드의 적어도 하나의 다른 특성곡선에서 발견됨으로써 검증되는 바람직한 실시예에서 주어진다.
배터리의 품질 및/또는 배터리의 상태 및 배터리의 노후화를 제시하기 위한 다양한 조치들이 제공된다. 즉, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, - (i) 배터리의 특성곡선에서 및/또는 배터리의 특성곡선의 도함수에서 주요 부분 섹션 또는 지점의 이동이 검출되는 경우에 그리고 (ii) 이동이 특히 미리 정해진 범위를 초과하는 경우에, 배터리는 충전 상태의 불균일성 및/또는 전극들 중 하나의 전극 및 특히 애노드에 금속 플레이팅이 나타나지 않고 노후화된 것이 제시된다.
또한 사용된 배터리의 노후화 상태가 전극에서 금속 플레이팅으로 인해 가능한 불균일성과 관련되는 경우에, 특히 바람직하다. 본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시예에 따라 이로써 - (iii) 배터리의 특성곡선에서 주요 부분 섹션의 확장 및/또는 주요 부분 섹션 또는 지점의 진폭의 감소가 검출되는 경우에 그리고 (iv) 특히 확장 및/또는 진폭의 감소가 미리 정해진 범위를 초과하고 특히 배터리의 특성곡선에서 및/또는 배터리의 특성곡선의 도함수에서 상응하는 주요 부분 섹션 또는 지점이 예를 들어 시점(t2)에 결정될 수 없는 경우에, 배터리는 충전 상태의 불균일성 및/또는 전극들 중 하나의 전극 및 특히 애노드에서 금속 플레이팅이 나타나면서 노후화된 것이 제시된다.
또한 본 발명은 배터리를 그리고 특히 배터리, 특히 리튬 이온 배터리의 충전, 방전 및/또는 작동을 제어하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서 배터리의 노후화 상태는 본 발명에 따른 방법에 따라 배터리의 노후화 정도의 생성에 의해 결정되고 및 배터리의 노후화 정도에 기초해서 배터리의 충전, 방전 및/또는 작동이 제어된다.
본 발명은 또한 작동 과정을 실시하기 위한 작동 수단, 상기 작동 수단에 전기 에너지를 공급하기 위한 배터리, 및 작동 수단을 제어하기 위한 그리고 특히 작동 수단 및/또는 배터리에 전기 에너지의 공급을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는 작동 장치, 그리고 특히 차량에 관한 것이며, 이 경우 제어 유닛은 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 설계된다.
첨부된 도면을 참고로 본 발명의 실시예들이 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 작동 장치의 실시예를 블록선도의 형태로 개략적으로 도시한 도면.
도 2 내지 도 7은 배터리 특성 곡선, 및 특성곡선들의 주요 부분 섹션 또는 지점의 평가를 위한 세부사항을 개략적인 그래프 형태로 도시한 도면.
도 8 내지 도 13은 구체적인 배터리 어셈블리로부터 얻어진 특성곡선, 및 기본 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위해 배터리 특성곡선들의 주요 부분 섹션 또는 지점들과 관련해서 상기 특성곡선의 분석을 위한 세부사항을 그래프 형태로 도시한 도면.
도 2 내지 도 7은 배터리 특성 곡선, 및 특성곡선들의 주요 부분 섹션 또는 지점의 평가를 위한 세부사항을 개략적인 그래프 형태로 도시한 도면.
도 8 내지 도 13은 구체적인 배터리 어셈블리로부터 얻어진 특성곡선, 및 기본 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위해 배터리 특성곡선들의 주요 부분 섹션 또는 지점들과 관련해서 상기 특성곡선의 분석을 위한 세부사항을 그래프 형태로 도시한 도면.
계속해서 도 1 내지 도 13을 참고로 본 발명의 실시예들이 상세히 설명된다. 동일한, 동등한 및 동일하거나 동등한 작용을 하는 부재 및 부품들은 동일한 도면부호로 표시된다. 도시된 부재 및 부품들의 상세한 설명은 이들이 존재할 때마다 반복되지 않는다.
도시된 특징들 및 다른 특성들은, 본 발명의 핵심을 벗어나지 않으면서, 임의의 형태로 서로 분리되고, 서로 임의로 조합될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 작동 장치(100)의 실시예를 개략적인 블록선도의 형태로 도시한다.
작동 장치(100)는 작동 수단(101)을 포함한다. 상기 작동 수단은 하나의 엔진으로 형성되거나 예컨대 하이브리드 구동장치와 관련해서 엔진들의 조합으로 형성될 수 있다. 또한 작동 수단(101)에 전기 에너지를 공급하도록 형성된 배터리(10)가 제공된다. 또한 배터리 장치(100)는 제어 유닛(110)을 포함한다. 제어 유닛(110)은, 작동 수단(101)을 제어하도록 그리고 특히 작동 수단(101) 및/또는 배터리(10)에 전기 에너지의 공급을 제어하도록 설계된다. 제어 유닛(110)은 특히, 배터리(10)의 작동 및 사용을 제어하기 위해 사용된다. 특히, 예컨대 작동 수단(101)에 에너지 공급 시 방전과 배터리(10)의 재충전을 적절한 방식으로 배터리(10)의 노후화 상태에 따라서 제어하는 것이 고려된다.
배터리(10)는 하우징(14)의 내부에 전극(11, 12), 즉 애노드(11)와 캐소드(12)를 가진 전극 어셈블리를 포함한다. 애노드(11)와 캐소드(12)는 전해질(13) 내에 매립된다. 애노드(11)와 캐소드(12)는 제어 및 측정 라인(113, 114)을 통해 제어 유닛(110)에 연결된다. 측정 및 제어 라인(111, 112)의 다른 쌍을 통해 작동 수단(101)도 제어 유닛(110)에 연결된다.
제어 유닛(110)은 본 발명에 따라 특히, 배터리(10)의 노후화 상태를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 그리고 특히 결정된 노후화 상태를 배터리(10)의 작동 효율 및/또는 배터리의 수명을 높이기 위해 배터리(10)의 작동에 기초로 삼도록 형성된다.
작동 장치(101)는 예를 들어 차량일 수 있다. 배터리(10) 자체는 예를 들어 리튬 이온 배터리일 수 있다.
도 2는 배터리(10)의 특성곡선(20)을 그래프의 방식으로 개략적인 형태로 도시한다. 도 2의 그래프에서 가로축에는 방전 용량, 즉 DOD-값(DOD: Depth of Discharge)이 절대값으로 또는 바람직하게 정규화되어 도시된다. 도 2의 그래프의 세로축에는 전압값들, 여기에서 배터리(10)의 풀 셀의 전압(V)의 값들이 도시된다.
도 2의 그래프에서 특성곡선(20)의 단조 감소 변화로부터, 배터리(10)의 풀 셀의 전압(V)은 배터리(10)의 방전 증가에 따라 감소하는 것을 알 수 있다.
발명자의 실험 결과, 특성곡선(20)의 특정한 섹션(25)에 주요 부분 섹션(30) 및 특히 주요 지점(33)이 존재하고, 이들의 특성은 배터리의 노후화에 의존하는 것으로 나타났다.
도 2의 그래프에서 실선 라인은 주요 부분 섹션(30)을 제 1 시점(t1)에 주요 부분 섹션(30-1)으로서 스텝의 형태로 도시한다. 예를 들어 주요 부분 섹션(30-1)으로서 스텝의 시작점은 특성곡선(20)의 주요 지점(33)으로서 파악될 수 있고, 상기 부분 섹션은 실선 라인에서 도면부호 33-1로, 즉 시점 t1에 특성곡선(20)의 주요 지점(33)으로 표시된다.
발명자는 또한, 배터리(10)가 점점 노후화됨에 따라 시점(t1)에 주요 부분 섹션(30), 즉 부분 섹션(33-1)의 위치, 범위 및/또는 형태 또는 형상이 추후 시점(t2)을 향해 변할 수 있고, 이러한 변화는 기본 배터리(10)의 노후화 상태에 대한 척도로서 사용될 수 있음을 확인하였다.
도 2의 그래프에서 실선 라인에 대해 주요 부분 섹션(30-1)으로서 스텝과 관련해서 주요 부분 섹션(30-2)을 향해 가능한 이동이 도시되고, 이 경우 시점 (t2)에 주요 부분 섹션(30-2)의 이동된 스텝의 시작은 시점(t2)에 주요 지점(33-2)으로서 작용한다.
추후의 시점(t2)에 주요 부분 섹션(30-2)의 이동된 스텝은 도 2에 일점쇄선으로 도시된다.
도 3은 가장 이른 시점(t1)부터 시작해서 연속하는 여러 시점에 특성곡선들(20)의 어레이를 그래프에 도시한다. 거기에서 풀 셀의 셀 전압(V)은 방전 용량, 즉 DOD-값의 함수로서 도시된다.
우측 아래에서부터 좌측 위로 연장되며 t로 표시된 화살표로 도시된 시간(t)의 증가에 따라, 선행하는 시간에 따른 주요 부분 섹션(30-1)으로서 스텝은 우측 하부에서 좌측 상부로 추후의 주요 부분 섹션(30-2)로서 이동하는 것이 제시되고, 이 경우 시간의 경과에 따른 주요 지점(33-1)으로서 시작점은 마찬가지로 특성곡선(20)을 따라 우측 하부에서 좌측 상부로 이동된다.
이러한 전개는 발명자에 따르면 주기적인 리튬의 손실로 인한 기본 배터리(10)의 노후화와 관련된다.
그와 달리, 풀 셀의 셀 전압(V)이 방전 용량, 즉 DOD-값의 함수로서 도시된 도 4의 그래프는 - 여기에서는 주요 지점(33), 즉 주요 부분 섹션(30)의 스텝의 시작점의 유지 하에 - 좌측 하부로부터 우측 상부로 연장되며 t로 표시된 화살표로 도시된 선행하는 시간에 따른 주요 부분 섹션(30)의 스텝의 진폭은 감소하고, 예를 들어 사라질 수도 있는 것을 도시한다.
선행하는 시간에 따른 주요 부분 섹션(30)의 진폭이 감소하고 경우에 따라서 스텝이 완전히 사라지는 이러한 과정은 발명자에 따르면 주기적인 작동 및 불균일성의 형성과 그에 따른 애노드 상의 금속 플레이팅으로 인한 기본 배터리(10)의 노후화와 연관된다.
이러한 효과는 예를 들어 구체적으로 애노드 상의 리튬 플레이팅이 나타나는 리튬 이온 배터리에서 관찰된다.
일반적으로 도 3 및 도 4에 도시된 효과는 주요 부분 섹션(30)과 주요 지점(33)에서 중첩된다. 즉, 일반적으로 주요 부분 섹션(33)으로서 스텝은 이동될 뿐만 아니라, 그 진폭이 감소 및/또는 확장된다. 일반적으로, 주요 부분 섹션(33)의 이동, 확장 및/또는 진폭 감소는 하나의 스텝의 형태로 함께 나타난다.
따라서, 기본 배터리(10)의 노후화 상태를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, 특히 주요 영역 및 상기 영역의 변화와 상기 영역의 변동의 특성화가 주목된다.
도 5 내지 도 7은 상이한 시점(t1, t2)에 주요 부분 섹션(30)으로서 스텝의 특징적 양상을 개략적인 형태로 도시한다. 일반적으로 여기에서 주요 부분 섹션은 도면부호 30으로 표시된다. 상이한 시점(t1 및 t2)에서 상기 주요 부분 섹션(30)은 더 명확한 구분을 위해 도면부호 30-1 및 30-2로 표시된다. 유사하게, 주요 지점(33)은 상이한 시점(t1 및 t2)에 대해 더 명확한 구분을 위해 도면부호 33-1 또는 33-2로 표시된다.
도 5는 제 1 시점(t1)에서 라인(38)에 따른 배터리(10)에 대한 실선 특성곡선(20-1)에서 주요 부분 섹션(30-1)으로서 스텝을 주요 지점(33-1)으로서 스텝의 시작점과 함께 도시한다.
(i) 상기 스텝은 추후의 시점(t2)에서 이점쇄선으로 도시된 특성곡선(20-2)으로서 라인(39)에서 값 ΔDOD 만큼 가로좌표를 따라 시작점(33-2)과 함께 더 작은 DOD-값으로 이동된다.
(ii) 대안으로서 추후 시점(t3)에서 상응하는 일점쇄선으로 표시된 특성곡선(20-3)을 도시하는 라인(40)에서 주요 부분 영역(30-3)으로서 스텝의 진폭은 주요 지점(33-3)으로서 시작점의 위치가 변경되지 않은 경우 감소한다.
도 6에는 특성곡선들(20-1, 20-2 및 20-3)의 주요 부분 섹션(30-1, 30-2, 및 30-3)의 분석을 위해 방전 용량(DOD)에 따른 풀 셀의 셀 전압(V)의 제 1 도함수, 즉 dV/dDOD의 특성곡선이 도시된다.
(iii) 도 5의 주요 부분 섹션들(30-1, 30-2)의 서로에 대한 이동 ΔDOD은 도 6에서 도 5의 라인(39)의 추후 특성곡선(20-2)에 대한 피크(42)로 도 5의 라인(38)의 최초의 특성곡선(20-1)에 대한 피크(41)의 이동에 상응하는 것이 나타난다.
(iv) 도 5의 라인(38) 이전 특성곡선(20-1)으로부터 도 5의 라인(40)의 추후 특성곡선(20-3)으로 이행 시 스텝의 진폭의 감소는 그와 달리 도 6에서 상태의 변화가 없는 경우에 피크(41)의 진폭보다 작은 진폭을 갖는 피크(43)만을 야기한다. 즉, 도 6에 따른 제 1 도함수에서 서로 비교 시 특성곡선들(20-1, 20-3)의 주요 부분 영역들(30-1, 30-3)의 진폭차ΔV로부터 피크들(41, 43) 사이의 상응하는 진폭차가 나타난다.
도 7에 따른 제 2 도함수 d2V/dDOD2도 평가를 위해 사용될 수 있고, 이동 ΔDOD 및 진폭 변동 ΔV과 관련해서 상응하는 관계들을 나타낸다.
도 8은 실제 리튬 이온 배터리(10)의 사용 시 상기 배터리의 노후화 과정에서 얻어진 측정 결과들을 그래프의 형태로 도시한다. 이 경우 다수의 측정에 대한 다양한 곡선 어레이(44 내지 49)가 도시된다.
곡선 어레이(44, 45)는 이전 및 추후 시점(t1 또는 t2)에 기본 배터리(10)의 풀 셀의 전압(V)에 대한 특성곡선(20-1, 20-2)을 도시한다.
특징 박스(50)에 따라 이전 시점(t1) 및 추후 시점(t2)에서 특성곡선(20-1)에 대한 곡선 어레이(44)의 주요 부분 섹션(30-1)으로서 스텝은 추후 특성곡선(20-1)에 대한 곡선 어레이(45)에서 주요 부분 섹션(30-2)보다 더 작은 DOD-값으로 이동된다. 이러한 이동은 곡선 어레이(44, 45)의 상응하는 이동과 일치한다.
배터리(10)의 풀 셀의 전압(V)에 대한 특성곡선에서 스텝들은 특히 이전 및 추후 시점(t1 및 t2)에 곡선 어레이(48, 49)에서 주요 부분 섹션들(30-1, 30-2)의 상응하는 이동에 의해, 도 8의 그래프의 특성 박스(51)에 따라 배터리(10)의 애노드 전압(Va)의 특성곡선의 스텝에 대응한다.
배터리(10)의 풀 셀의 전압(V)의 특성곡선과 배터리(10)의 애노드 전압(Va)의 특성곡선에서 주요 부분 섹션들(30-1, 30-2)로서 스텝의 동시 출현은 평가 시 기초가 되는 주요 부분 섹션(30)의 규정을 위한 타당성 기준으로서 사용될 수 있다.
제 1 및 추후 제 2 시점(t1 및 t2)에 곡선 어레이들(48, 49)도 서로에 대해 이동된다.
곡선 어레이들(46, 47)는 기본 배터리(10)의 캐소드 전압(Vc)의 특성곡선을 나타내고, 이 경우에도 이전 시점(t1)에 어레이(46)에 속하는 곡선이 추후 시점(t2)에 어레이(47)의 곡선으로 아래로 약간 이동된다.
도 9는 기본 배터리의 풀 셀의 전압(V)의 2개의 특성곡선을 그래프의 형태로, 특히 라인(52)에 이전 시점(t1)에 소모되지 않은 기본 배터리(10)의 특성곡선(20-1)을 그리고 라인(53)에 추후 시점(t2)에 불균일성으로 인해 애노드에 금속 플레이팅이 나타나는 동일한 배터리(10)의 풀 셀의 전압의 특성곡선(20-2)을 도시한다.
추후 시점(t2)에 라인(52)의 주요 부분 섹션(30-1)으로서 스텝은 애노드 상의 불균일성으로 인해 라인(53)에서 사라지고 더 이상 검출될 수 없는 것이 명확해진다. 주요 부분 섹션으로서 이전 스텝의 검출 불가능은 전극들 중 하나의 전극, 여기서는 애노드에 충전 불균일성의 존재에 대한 지시로서 이용될 수 있다.
도 10은 연속하는 4개의 시점 t1 < t2 < t3 < t4에 기본 배터리(10)의 풀 셀의 전압(V)의 특성곡선(20-1 내지 20-4)을 라인(54, 55, 56, 57)으로 그래프 형태로 도시한다. 측정 시점(t1,...t4)의 순서는 도면부호 t를 가진, 우측으로부터 좌측으로 향하는 화살표로 표시된다.
기본 배터리(10)의 풀 셀의 전압(V)은 이 경우 절대 충전 용량의 함수로서 도시된다. 특징 박스(58)는 주요 부분 섹션(30-1 내지 30-4)으로서 라인(54 내지 57)의 특성곡선(20-1 내지 20-4) 내에 존재하는 스텝(30)을 가리킨다.
도 11에서 라인(54 내지 57)의 주요 부분 섹션(30)을 포함하는 특성 박스(58)의 영역이 더 정확히 분석된다. 즉, 도 11에 따라 기본 배터리(10)의 풀 셀의 전압(V)의 제 1 도함수는 SOC-값들에 따라 형성된다. 즉, 도함수 dV/dSOC의 특성곡선이 도시되고 평가를 위해 사용된다.
라인(54 내지 57)의 이와 같이 형성된 도함수는 도 11에 도면부호 64 내지 67로 도시된다. 주요 부분 섹션(30)으로서 각각의 스텝의 영역에서 각각의 라인(64 내지 67)에 일반적인 설명에 따라 도 5로부터 도 6으로 이행 시 도함수의 특히 눈에 띄는 변화가 나타난다. 각각의 변동은 삼각 함수(74 내지 77)에 의한 정량적 분석을 위해 반값전폭(84 내지 87)에 대한 상응하는 값으로 근사된다. 우측으로부터 좌측으로 t로 표시된 화살표는 도 11에서 각각의 측정시점(t1 내지 t4)의 순서를 나타낸다.
도 12 및 도 13은 도 10 및 도 11과 유사한 분석 방식을 도시한다.
도 12a 및 도 13a에는 여러 시점에 충전 용량, 즉 SCO-값 및 함수로서 기본 배터리(10)의 풀 셀의 셀 전압(V)의 특성곡선들(20)의 어레이들이 기록된다. 도 12b 및 도 13b에서 도 12a 및 도 13a로부터 상응하는 특성곡선들(20)의 제 1 도함수 dV/dSOC가 형성된다.
주요 부분 섹션(30)은 도 12a 내지 도 13b에서 SOC-값의 60% 내지 80%의 범위에 있다. 거기에서 작은 스텝이 나타난다. 특성곡선(20)의 주요 부분 섹션(30)으로서 상기 스텝은 도 12b 및 도 13b의 제 1 도함수 dV/dSOC에서 더 명확하게 나타난다.
도 13b에는, 시간 간격이 커짐에 따라, 즉 도 13b에서 화살표 방향으로 시간(t)이 증가함에 따라 스텝의 위치, 즉 각각의 피크(89)는 더 큰 SOC-값을 향해 이동되지만, 사라지지 않는 것이 명확히 나타난다. 이는 전술한 설명에 따라, 기본 배터리(10)가 주기적인 리튬 손실에 의해 애노드에 불균일성을 형성하지 않고 노후화하는 것을 지시한다.
그와 달리 도 12b에는, 유도된 가장 이른 특성곡선에서 피크(89)가 화살표 방향으로 시간(t)의 경과에 따라 사라지는 것이 명확히 나타난다. 이는 전술한 바에 따라, 기본 배터리(10)가 주기적인 사용으로 인해 애노드 내 충전 불균일성을 형성하면서 노후화하는 것을 지시한다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징 및 특성들은 하기 설명을 참고로 제시된다.
배터리의 상태 검출의 기존의 방법은 전체 배터리 셀의 평균 충전 상태의 결정만을 가능하게 한다. 노후화된 셀에서 나타날 수 있는 불균일한 충전 상태는 고려되지 않는다.
애노드 전위는 큰 충전 범위에 걸쳐 변경되지 않으므로, 불균일성은 보상될 수 없다. 이로 인해 개별 위치에서 부분적인 국소적 과충전에 의해 금속 플레이팅 및 특히 리튬 플레이팅이 나타날 수 있다.
본 발명의 양상은 배터리 상태 검출에 통합될 수 있고 셀 내부의 충전 상태의 불균일성에 대한 정보를 제공하는 측정 방법을 제공하는 것이다.
리튬 플레이팅에 의한 손상을 방지하기 위해, 상기 정보에 의해 예를 들어 셀의 충전 방법이 조정될 수 있다.
본 발명은 배터리 셀 내부의 특히 충전 상태의 불균일성의 결정을 가능하게 한다. 이러한 정보는 예를 들어 최대 충전 전압의 감소에 의해, 충전 전류의 감소 및 이와 같은 것에 의해 충전 과정을 조정하기 위해 사용될 수 있다.
이는 미래의 고속 충전 전략과 관련해서 중요한데, 그 이유는 이 경우 리튬 플레이팅을 야기할 수 있는 한계 전압에 더 신속하게 도달하기 때문이다.
본 발명에 따라 충전 전략은 애노드 전위의 제어를 포함할 수 있다. 셀 전압으로부터 평균 애노드 전위만이 결정될 수 있기 때문에, 종래 방식으로는 애노드 상의 국소적 충전 차이에 대한 정보가 제공되지 않는다.
본 발명에 따른 방법에 의해 이러한 차이가 결정되어 충전 전략에 고려될 수 있다.
10 배터리
11 애노드
12 캐소드
13 전해질
100 작동 장치
101 작동 수단
110 제어 유닛
11 애노드
12 캐소드
13 전해질
100 작동 장치
101 작동 수단
110 제어 유닛
Claims (11)
- 배터리(10), 특히 리튬 이온 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법으로서,
(A) 제 1 시점(t1)에 상기 배터리(10)의 특성곡선(20)의 적어도 하나의 섹션(25)을 검출하는 단계,
(B) 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)의 상기 섹션(25)에서 적어도 하나의 주요 부분 섹션(30) 또는 지점(33)을 규정 및/또는 결정하는 단계,
(C) 제 1 시점(t1) 이후 제 2 시점(t2)에 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)의 상기 섹션(25)에서 상응하는 주요 부분 섹션(30) 또는 지점(33)을 검출하는 단계,
(D) 상기 제 1 및 제 2 시점(t1, t2)에 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)의 상기 섹션(25)에서 상기 주요 부분 섹션(30) 또는 상기 지점(33)의 변동 정도를 결정하는 단계, 및
(E) 상기 변동 정도에 기초해서 상기 배터리(10)의 노후화 상태를 나타내는 노후화 정도를 생성하는 단계를 포함하는, 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서,
- 상기 제 1 시점(t1)은 배터리의 시작, 특히 상기 배터리(10)의 최초 작동의 시점 직전, 당시 또는 직후이고 및/또는
- 상기 제 2 시점(t2)은 상기 배터리(10)의 작동 시 또는 작동 후인 것을 특징으로 하는 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 주요 부분 섹션(30) 또는 상기 지점(33)은 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)에서 및/또는 - 특히 미분 또는 적분에 의해 얻어진 - 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)의 도함수에서 스텝, 피크 및/또는 에지의 부분인 것을 특징으로 하는 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)은
- 상기 배터리(10)의 풀 셀(15)의 특성곡선, 상기 배터리(10)의 애노드(11)의 특성곡선 및/또는 상기 배터리(10)의 캐소드(12)의 특성곡선을 포함하고, 및/또는
- 상기 배터리(10)의 무부하 전압의 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
변동 정도는 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)의 상기 섹션(25) 내의 상기 주요 부분 섹션(30) 또는 상기 지점(33)의 위치(i), 폭(ii), 형태(iii) 및/또는 진폭(iv)의 변동을 나타내는 것을 특징으로 하는 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상응하는 주요 부분 섹션(30) 또는 상기 지점(33)을 상기 제 2 시점(t2)에 검출하는 단계(C)는 상기 제 2 시점(t2)에 상기 배터리(10)의 상응하는 특성곡선(20)의 검출을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
주요 부분 섹션(30) 또는 지점(33)이 상기 배터리(10)의 상기 풀 셀(15), 상기 애노드(11) 및 상기 캐소드(12)의 특성곡선들 중 하나의 특성곡선에서 결정되고, 상기 풀 셀(15), 상기 애노드(11) 및 상기 캐소드(12)의 특성 곡선들 중 적어도 하나의 다른 특성곡선에서 발견됨으로써 검증되는 것을 특징으로 하는 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
(i) 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)에서 및/또는 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)의 도함수에서 주요 부분 섹션(30) 또는 지점(33)의 이동이 검출되는 경우에 그리고
(ii) 이동이 특히 미리 정해진 범위를 초과하는 경우에,
상기 배터리(10)는 충전 상태의 불균일성 없이 및/또는 전극들(11, 12) 중 하나의 전극, 특히 상기 애노드(11)에서 금속 플레이팅 없이 노후화된 것이 제시되는 것을 특징으로 하는 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
(iii) 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)에서 및/또는 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)의 도함수에서 주요 부분 섹션(30)의 확장 및/또는 주요 부분 섹션(30) 또는 지점(33)의 진폭의 감소가 검출되는 경우에 그리고
(iv) 특히 상기 확장 및/또는 진폭의 감소가 미리 정해진 범위를 초과하고 특히 상기 상응하는 주요 부분 섹션(30) 또는 상기 지점(33)이 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)에서 및/또는 상기 배터리(10)의 상기 특성곡선(20)의 도함수에서 제 2 시점(t2)에 결정될 수 없는 경우에,
상기 배터리(10)는 충전 상태의 불균일성 및/또는 상기 전극들(11, 12) 중 하나의 전극, 특히 상기 애노드(11)에서 금속 플레이팅을 가지면서 노후화된 것이 제시되는 것을 특징으로 하는 배터리의 노후화 상태를 결정하기 위한 방법. - 배터리(10), 특히 리튬 이온 배터리의 충전, 방전 및/또는 작동을 제어하기 위한 방법으로서,
- 상기 배터리(10)의 노후화 상태는 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 상기 배터리(10)의 노후화 정도의 생성에 의해 결정되고,
- 상기 배터리(10)의 충전, 방전 및/또는 작동은 상기 배터리(10)의 노후화 정도에 기초해서 제어되는 것을 특징으로 하는 배터리의 제어 방법. - 작동 장치(100), 특히 차량으로서,
- 작동 과정을 실시하기 위한 작동 수단(101),
- 상기 작동 수단(101)에 전기 에너지를 공급하기 위한 배터리(10), 및
- 상기 작동 수단(101)을 그리고 특히 상기 작동 수단(101) 및/또는 상기 배터리(10)에 전기 에너지의 공급을 제어하기 위한 제어 유닛(110)을 포함하고,
상기 제어 유닛(110)은 제 10 항에 따른 방법을 실시하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
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