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KR102634816B1 - 배터리의 전하 균형을 탐지하는 배터리 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

배터리의 전하 균형을 탐지하는 배터리 모니터링 장치 및 방법 Download PDF

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KR102634816B1
KR102634816B1 KR1020170177478A KR20170177478A KR102634816B1 KR 102634816 B1 KR102634816 B1 KR 102634816B1 KR 1020170177478 A KR1020170177478 A KR 1020170177478A KR 20170177478 A KR20170177478 A KR 20170177478A KR 102634816 B1 KR102634816 B1 KR 102634816B1
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임주완
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삼성전자주식회사
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Abstract

일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 충전 상태 및 전압간의 관계를 획득할 수 있다. 획득된 충전 상태 및 전압간의 관계는 배터리의 수명 상태(SoH, State of Health)를 결정하는 데 활용될 수 있다. 또한, 획득된 충전 상태 및 전압 간의 관계는 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 지점을 식별하는데 활용될 수 있다. 더 나아가서, 획득된 충전 상태 및 전압간의 관계는 양극 및 음극의 전하 균형의 변화를 측정하는데 활용될 수 있다. 측정된 양극 및 음극의 전하 균형의 변화는 배터리에 대응하는 전기 화학 열 모델을 변경하는데 활용될 수 있다.

Description

배터리의 전하 균형을 탐지하는 배터리 모니터링 장치 및 방법{AN BATTERY MONITORING APPARATUS DETECTING CHARGE BALANCE OF A BATTERY AND A METHOD THEREOF}
이하의 실시예는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
배터리는 모바일 디바이스 및 전기 자동차 등의 전력원으로 사용되는데, 배터리를 충전하기 위한 다양한 방식들이 제안되고 있다. 배터리를 충전하기 위한 다양한 방식들로써, 특정 전압까지 정전류로 충전한 뒤 미리 설정된 낮은 전류에 도달할 때까지 정전압으로 충전하는 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 충전 방식은 보편적으로 이용되고 있다. 이 외에, 전류의 크기를 줄여가면서, 여러 단계의 CC(Constant Current)로 충전하는 방식인 멀티-스텝(multi-step) 충전 방식과 짧은 시간 단위로 펄스 전류(pulse current)를 반복적으로 인가하는 펄스 충전 방식이 있다.
일실시예에 따르면, 배터리의 충전 상태(SoC, State of Charge)를 식별하는 단계, 상기 식별된 충전 상태가 미리 설정된 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 충전 상태에 대한 상기 배터리의 전압을 획득하는 단계 및 상기 획득된 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태(SoH, State of Health)를 결정하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 획득하는 단계는, 상기 충전 상태가 상기 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 충전 상태가 변경될 때마다 상기 배터리의 개방 전압을 측정하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 획득하는 단계는, 상기 충전 상태가 상기 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 배터리로 입력되는 전류의 크기를 미리 설정된 임계치 이하로 변경하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 획득하는 단계는, 상기 충전 상태가 상기 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 배터리로부터 미리 설정된 임계치 이하의 전류를 출력함으로써, 상기 충전 상태의 변화에 대한 상기 배터리의 전압의 변화를 획득하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 결정하는 단계는, 상기 진단 구간 내에서, 상기 충전 상태의 변화량에 대한 상기 전압의 변화량을 최대화하는 충전 상태를 추출하는 단계 및 상기 추출된 충전 상태 및 상기 수명 상태 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 결정하는 단계는, 상기 진단 구간 내에서, 상기 배터리의 전하량의 변화량에 대한 상기 전압의 변화량을 최대화하는 충전 상태를 추출하는 단계 및 상기 추출된 충전 상태 및 상기 수명 상태 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 결정하는 단계는, 상기 배터리의 음극에서, 상전이(phase transition)가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 수명 상태를 결정하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 배터리의 음극에서, 상전이가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 내부 상태를 모델링하는 전기 화학 열 모델을 변경하는 단계를 더 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 변경하는 단계는, 상기 상전이가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리에 포함된 물질이 상기 배터리의 양극 및 상기 배터리의 음극 각각에 수용될 수 있는 범위를 계산하는 단계 및 상기 물질이 상기 양극 및 상기 음극 각각에 수용될 수 있는 범위의 변화에 기초하여, 상기 전기 화학 열 모델을 변경하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 결정된 수명 상태에 기초하여, 상기 진단 구간을 변경하는 단계를 더 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 전류를 입력하여 충전 중인 배터리의 충전 상태를 식별하는 단계, 상기 식별된 충전 상태가 미리 설정된 임계치 이상인 경우, 상기 배터리로 입력되는 전류를 조절하면서 상기 배터리의 전압을 추적하는 단계 및 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 결정하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 추적하는 단계는, 상기 임계치 이상인 충전 상태가 증가할 때마다 상기 배터리로 입력되는 전류를 차단함으로써, 충전 상태별로 상기 배터리의 개방 전압을 측정하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 결정하는 단계는, 상기 임계치 이상인 충전 상태에서, 상기 배터리의 전압의 변화량을 최대화하는 충전 상태를 추출하는 단계 및 상기 추출된 충전 상태 및 상기 수명 상태 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 결정하는 단계는, 상기 임계치 이상인 충전 상태에서, 상기 배터리의 전하량의 변화량에 대한 상기 전압의 변화량을 최대화하는 충전 상태를 추출하는 단계 및 상기 추출된 충전 상태 및 상기 수명 상태 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 결정하는 단계는, 상기 배터리의 음극에서, 상전이가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 수명 상태를 결정하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 배터리의 음극에서, 상전이가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 내부 상태를 모델링하는 전기 화학 열 모델을 변경하는 단계를 더 포함하는 배터리 모니터링 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 배터리의 충전 상태를 식별하는 프로세서 및 상기 배터리 내부의 화학 반응을 모델링하는 전기 화학 열 모델과 관련된 파라미터를 저장하는 메모리 - 상기 전기 화학 열 모델은 상기 충전 상태를 식별하는데 사용됨 - 를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 식별된 충전 상태가 미리 설정된 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 충전 상태에 대한 상기 배터리의 전압을 획득하고, 상기 획득된 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 결정하고, 상기 결정된 수명 상태에 기초하여, 상기 전기 화학 열 모델과 관련된 파라미터를 변경하는 배터리 모니터링 장치가 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 수명 상태를 결정하기 위하여, 상기 충전 상태 및 상기 전압 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 전압을 탐지하는 배터리 모니터링 장치가 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 결정된 수명 상태에 기초하여, 상기 진단 구간을 변경하는 배터리 모니터링 장치가 제공된다.
도 1은 일실시예에 따른 배터리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치가 양극 및 음극의 전하 균형의 변화를 탐지하는 동작을 설명하기 위한 예시적인 그래프이다.
도 3은 도 2의 충전 상태 및 개방 전압의 관계의 기울기를 도시한 그래프이다.
도 4는 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치가, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 배터리의 개방 전압 또는 충전 상태로부터, 배터리의 수명 상태를 결정하는 동작을 설명하기 위한 예시적인 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치가 수행하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치가 추정한 배터리의 전하 균형을 설명하기 위한 예시적인 그래프이다.
도 7은 일실시예에 따른 배터리 시스템을 포함하는 차량의 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
하기에서 설명될 실시예들은 퍼스널 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 스마트 폰, 텔레비전, 스마트 가전 기기, 지능형 자동차, 키오스크, 웨어러블 장치 등 다양한 형태의 제품으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들은 스마트 폰, 모바일 기기, 스마트 홈 시스템 등에서 적용될 수 있다. 실시예들은 사용자 인증을 통한 결제 서비스에 적용될 수 있다. 또한, 실시예들은 자동으로 시동을 거는 지능형 자동차 시스템 등에도 적용될 수 있다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일실시예에 따른 배터리 시스템(100)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 시스템(100)은 배터리 모니터링 장치(110) 및 배터리(120)를 포함할 수 있다. 배터리(120)는 배터리 셀, 배터리 모듈, 또는 배터리 팩을 나타낼 수 있다. 배터리(120)는 충전에 의해 전력을 저장하는 축전기 또는 2차 전지를 포함하고, 배터리(120)를 채용한 장치는 배터리(120)에서 부하로 전력을 공급할 수 있다. 도 1을 참고하면, 배터리(120)의 주요 구성 요소로써, 양극(121), 음극(122)이 도시된다. 배터리(120)의 양극(121)은 배터리 내부의 양극 전극과, 배터리(120)의 음극(122)은 배터리 내부의 음극 전극과 연결될 수 있다. 양극 전극 및 음극 전극 사이에는 분리막이 배치될 수 있다. 양극 전극 및 음극 전극 사이에는 전해질이 포함될 수 있다. 배터리(120)는 도 1에 도시되지 않은 다른 구성 요소를 포함할 수 있으며, 도 1에 도시된 양극(121), 음극(122) 및 분리막의 구조 및 위치 관계는 설명의 편의를 위해 개략적으로 도시된 것으로, 이들의 구조 및 위치 관계는 실시예에 따라 다를 수 있다.
배터리(120)는 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer), 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd) 및 니켈 수소 축전지(NiMH) 중 어느 하나일 수 있다. 이하에서는 배터리(120)가 리튬 이온 전지(Li-ion) 또는 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)이고, 배터리(120)의 양극(121) 및 음극(122)이 리튬 이온 Li+을 교환하는 것으로 가정한다.
배터리(120)가 방전되는 동안, 배터리(120)의 내부에 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 화학 반응이 배터리(120)의 내부에서 발생될 수 있다. 보다 구체적으로, 음극(122) 및 전해질 사이의 경계면에서는, 리튬 이온 Li+ 및 전자 e-가 음극(122)으로부터 방출되는 화학 반응이 발생될 수 있다. 방출된 리튬 이온 Li+은 전해질을 통과하여 양극(121) 및 전해질 사이의 경계면으로 이동할 수 있다. 양극(121) 및 전해질 사이의 경계면서는, 리튬 이온 Li+ 및 전자 e-가 양극(122)으로 흡수되는 화학 반응이 발생될 수 있다. 즉, 음극(122)에 수용된 리튬 이온 Li+이 음극(122)으로부터 방출된 다음, 양극(121)에 수용될 수 있다. 양극(122)으로 흡수된 전자 e-는 배터리(120)의 외부로 출력되는 전류를 생성할 수 있다.
배터리(120)가 충전되는 동안, 배터리(120)가 수신한 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 화학 반응이 배터리(120)의 내부에서 발생될 수 있다. 배터리(120)가 충전되는 경우, 상술한 리튬 이온 Li+ 및 전자 e-의 화학 반응이 반대로 발생될 수 있다(즉, 역반응). 보다 구체적으로, 양극(121) 및 전해질 사이의 경계면서는, 리튬 이온 Li+ 및 전자 e-가 양극(121)으로부터 방출되는 화학 반응이 발생될 수 있다. 방출된 리튬 이온 Li+은 전해질을 통과하여 음극(122) 및 전해질 사이의 경계면으로 이동할 수 있다. 음극(122) 및 전해질 사이의 경계면에서는, 리튬 이온 Li+ 및 전자 e-가 음극(122)으로 흡수되는 화학 반응이 발생될 수 있다.
즉, 양극(121)에 수용된 리튬 이온 Li+이 양극(121)으로부터 방출된 다음, 음극(122)에 수용될 수 있다. 음극(122)은 활물질(active material)로써, 흑연을 포함할 수 있다. 리튬 이온 Li+이 음극(122)에 수용되는 동안, 음극(122)에 수용된 리튬 이온 Li+의 양에 따라 흑연의 상전이(phase transition)가 발생될 수 있다. 흑연, 즉, 음극의 활물질의 상전이(phase transition)는 배터리(120)의 전압에 영향을 미칠 수 있다. 음극(122)에 수용된 리튬 이온 Li+의 양이 음극(122)에 수용될 수 있는 리튬 이온 Li+의 양의 최대값 대비 약 1/4, 2/4 또는 3/4 정도가 되는 시점에서, 상전이(phase transition)가 음극의 활물질에서 발생될 수 있다.
배터리(120)로 입력되는 전류는 A, mA 등의 단위를 이용하여 다양하게 표현될 수 있다. 또는, 충전 전류는 C-rate으로도 표현될 수 있다. C-rate는 배터리 용량에 따른 전류의 충방전율을 나타내는 배터리 관련 특성을 나타내고, 일반적으로는 [C]의 단위가 사용된다. 예를 들어, 1시간 동안 사용할 수 있는 전류량에 해당하는 배터리의 용량이 1000 mAh이고, 충방전 전류가 1 A인 경우, C-rate은 1 C = 1 A / 1000 mAh 가 된다.
도 1을 참고하면, 일실시예에 따른 배터리 시스템(100)은 충전 중인 배터리(120)의 내부 상태를 모니터링하는 배터리 모니터링 장치(110)를 포함할 수 있다. 배터리 모니터링 장치(110)는 배터리 관리 시스템(BMS, battery management system)에 의해 구현될 수 있다. 배터리 관리 시스템은 배터리(120)를 관리하는 시스템으로서, 예를 들어 배터리(120)의 상태를 모니터링하는 동작, 배터리(120)의 최적화된 조건을 유지하는 동작, 배터리(120)의 교체시기를 예측하는 동작, 배터리(120)의 문제를 발견하는 동작, 배터리(120)와 관련된 제어 또는 명령 신호를 생성하여 배터리(120)의 상태 또는 동작을 제어하는 동작 중 적어도 하나를 수행할 수 있다.
배터리 모니터링 장치(110)는 배터리(120)의 충전 상태(SoC, state of charge) 및 전압에 기초하여, 배터리(120)의 수명 상태(SoH, State of Health)를 추정할 수 있다. 충전 상태는 배터리가 어느 정도로 충전되어 있는지를 나타내는 파라미터이다. 충전 상태는 배터리에 저장된 에너지 정도를 나타내므로, 퍼센트(%) 단위를 사용하여 0~100%로 그 양이 표시될 수 있다. 예를 들면, 0%는 완전방전상태이고, 100%는 완전충전상태를 의미할 수 있는데, 이러한 표현 방식은 설계의도나 실시예에 따라 다양하게 변형되어 정의될 수 있다. 충전 상태를 추정 또는 측정하는 방식에는 다양한 기법들이 채용될 수 있다.
수명 상태는 배터리(120)의 성능 지수(figure of merit)으로써, 이상적인 상태(ideal condition)에서의 배터리(120)의 성능 대비 현재 상태에서의 배터리(120)의 성능을 나타내는 파라미터이다. 수명 상태는 배터리(120)에서 발생되는 시효(aging) 효과로(열화 현상으로) 인한 배터리의 수명 특성 변화를 정량적으로 나타낼 수 있다. 수명 상태는 퍼센트(%) 단위를 사용하여 0~100% 사이의 값으로 표현될 수 있다. 예를 들어, 현재 상태에서의 배터리(120)의 성능이 이상적인 상태(ideal condition)에서의 배터리(120)의 성능과 일치하는 경우, 배터리(120)의 수명 상태는 100%로 표현될 수 있다. 배터리(120)가 충전 또는 방전되면서 사용됨에 따라, 수명 상태는 점진적으로 감소될 수 있다. 수명 상태는 배터리의 수명 또는 용량이 어느 정도 퇴화되었는지를 나타내는 기준으로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 배터리(120)의 양극(121) 및 음극(122)은 리튬 이온 Li+을 교환할 수 있다. 즉, 양극(121) 및 음극(122)은 리튬 이온 Li+을 수용할 수 있으며, 양극(121) 및 음극(122)에 수용된 리튬 이온 Li+은 배터리(120)가 충전되는 상황 또는 배터리(120)가 방전되는 상황에 따라 유출되거나 유입될 수 있다. 배터리(120)의 용량, 즉, 배터리(120)에 저장될 수 있는 최대 전하량은 양극(121) 및 음극(122)에 수용될 수 있는 리튬 이온 Li+의 양에 기초하여 결정될 수 있다.
보다 구체적으로, 배터리(120)의 용량은, 양극(121)에 수용될 수 있는 리튬 이온 Li+의 양의 범위 및 음극(122)에 수용될 수 있는 리튬 이온 Li+의 양의 범위가 서로 중첩되는 범위내에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 배터리(120)가 충전되는 동안, 양극(121)에 수용된 리튬 이온 Li+이 양극(121)으로부터 방출된 다음, 음극(122)에 수용될 수 있다. 이 경우, 리튬 이온 Li+이 음극(122)에 더 수용될 수 있음에도 불구하고, 리튬 이온 Li+이 양극(121)으로부터 더 이상 방출되지 않는 경우, 배터리(120)는 더 이상 전하를 저장할 수 없다.
또 다른 예로써, 배터리(120)가 방전되는 동안, 음극(122)에 수용된 리튬 이온 Li+이 음극(122)으로부터 방출된 다음, 양극(121)에 수용될 수 있다. 이 경우, 리튬 이온 Li+이 양극(121)에 더 수용될 수 있음에도 불구하고, 리튬 이온 Li+이 음극(122)으로부터 더 이상 방출되지 않는 경우, 배터리(120)는 더 이상 전류를 출력할 수 없다. 바꾸어 말하면, 배터리(120)가 작동하기 위하여, 리튬 이온 Li+이 양극(121)으로 유입되는 리튬 이온 Li+의 양 만큼 음극(122)으로부터 유출되어야 한다. 리튬 이온 Li+이 양극(121)으로 유입되는 리튬 이온 Li+의 양 만큼 음극(122)으로부터 유출되지 않는 경우, 예를 들어, 음극(122)의 리튬 이온 Li+이 소진된 경우, 더 많은 리튬 이온 Li+이 양극(121)에 더 수용될 수 있음에도 불구하고, 배터리(120)가 전류를 출력하지 않을 수 있다. 즉, 배터리(120)가 작동하지 않을 수 있다.
양극(121) 및 음극(122)에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양은 양극(121) 및 음극(122)에 수용될 수 있는 전하의 양에 대응된다. 배터리(120)를 설계하는 과정에서, 배터리(120)가 안정적으로 작동되기 위하여, 음극(122)에 수용될 수 있는 전하량은 양극(121)에 수용될 수 있는 전하량 대비 약 1.1 배 가량 크게 설계될 수 있다. 배터리(120)를 처음 사용하는 시점에서, 즉, 배터리(120)의 수명 상태가 100%인 시점에서, 양극(121)에 수용될 수 있는 전하의 양의 범위 및 음극(122)에 수용될 수 있는 전하의 양의 범위는 배터리(120)의 용량을 최대화할 수 있도록 중첩될 수 있다. 양극(121) 및 음극(122)의 전하 균형(charge balance)은 양극(121)에 수용될 수 있는 전하량의 범위와 음극(122)에 수용될 수 있는 전하량의 범위 사이의 상대적인 위치를 의미한다. 양극(121)과 음극(122)의 사용 범위가 중첩된 영역에서 배터리(120)를 사용할 수 있으므로, 전하 균형이 변화함에 따라 배터리(120)의 용량이 바뀔 수 있다.
배터리(120)가 충전 또는 방전되면서 사용됨에 따라, 양극(121) 및 음극(122)의 전하 균형은 깨질 수 있다. 보다 구체적으로, 배터리(120)의 충전 및 방전이 반복되면서, 배터리(120)의 충전시에 양극(121)으로부터 유출된 리튬 이온이 음극(122)에 전부 수용되지 않고, 유출된 리튬 이온의 일부가 음극(122)에 SEI(solid electrolyte interface)를 생성할 수 있다. SEI를 생성하는 화학 반응은 화학 에너지 및 전기 에너지 사이의 상호 교환을 일으키는 화학 반응에 대한 부반응이다. 부반응은 배터리(120)의 전하를 소진할 수 있다. 부반응은 양극(121) 및 음극(122)의 활물질의 변화(예를 들어, 활물질의 녹음(melting) 또는 비가역적 변형)를 유발할 수 있다.
부반응이 지속되면서, 배터리(120)가 방전되는 동안, 배터리(120)의 충전시에 양극(121)으로부터 유출되어 음극(122)으로 이동한 리튬 이온 중 일부만이 양극(121)으로 되돌아갈 수 있다. 따라서, 양극(121)에 수용된 모든 리튬 이온 전부가 배터리(120)의 작동에 사용되지 않을 수 있다. 배터리(120)가 사용됨에 따라, 배터리(120)의 작동에 사용되는 리튬 이온의 양은 점차 감소하고, 이는 배터리(120)의 용량을 줄일 수 있다. 상술한 부반응 등으로 인하여 양극(121) 및 음극(122)의 전하 균형이 달라짐에 따라, 양극(121)에서 수용될 수 있는 전하량의 범위 전부가 배터리(120)의 용량으로 발현되지 않을 수 있다. 양극(121)에서 수용될 수 있는 전하량의 범위 전부가 배터리(120)의 용량으로 발현되지 않는 현상은 배터리(120)의 열화에 영향을 미칠 수 있다.
일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치(120)는 배터리(120)의 열화에 따른 양극(121)에 수용될 수 있는 전하량의 범위의 변화 및 음극(122)에 수용될 수 있는 전하량의 범위의 변화를 추정할 수 있다. 더 나아가서, 배터리 모니터링 장치(120)는 추정된 변화로부터 배터리(120)가 열화된 정도, 즉, 배터리(120)의 수명 상태를 결정할 수 있다. 결정된 배터리(120)의 수명 상태 또는 추정된 변화는 배터리(120)의 내부 상태를 추정하는데 활용될 수 있다. 배터리 모니터링 장치(120)는 배터리(120)의 전압(도 1을 참고하면, 양극(121) 및 음극(122)의 전위차)에 기초하여, 양극(121) 및 음극(122)의 전하 균형의 변화를 탐지할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치가 양극 및 음극의 전하 균형의 변화를 탐지하는 동작을 설명하기 위한 예시적인 그래프이다. 상술한 바와 같이, 양극 및 음극의 전하 균형의 변화는 배터리의 열화로 인해 발생될 수 있다.
배터리 모니터링 장치는 배터리의 음극에 수용될 수 있는 전하량의 범위의 변화에 기초하여 양극 및 음극의 전하 균형의 변화를 탐지할 수 있다. 음극의 활물질(예를 들어, 흑연)의 상전이가 발생되는 시점에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 음극에 수용될 수 있는 전하량의 범위의 변화를 탐지할 수 있다. 상술한 바와 같이, 음극이 활물질로써 흑연을 포함하는 경우, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 시점은, 음극에 수용된 리튬 이온의 양이 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양의 최대값 대비 약 1/4, 2/4 또는 3/4 정도가 되는 시점이다.
대표적으로, 음극에 수용된 리튬 이온의 양이 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양의 최대값 대비 약 1/2이 되는 시점에서(LiCl2), 음극의 활물질의 상전이가 발생될 수 있다. 음극의 활물질의 상전이는 배터리의 전압에 영향을 미칠 수 있다. 음극에 수용된 리튬 이온의 양이 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양의 최대값 대비 약 1/2이 되는 시점은 배터리의 충전 상태가 약 50% 이상 70% 이하의 범위에 포함될 수 있다. 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 시점에서, 배터리의 전압은 충전 상태의 변화에 상대적으로 더 민감하게 변화할 수 있다.
배터리가 열화됨에 따라, 배터리의 음극에 수용될 수 있는 전하량의 범위가 변경되고, 상기 범위가 변경됨에 따라 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 시점도 변경될 수 있다. 따라서, 배터리의 전압이 음극의 활물질의 상전이로 인해 변경되는 시점도 변경될 수 있다. 결국, 배터리의 전압이 음극의 활물질의 상전이로 인해 변경되는 시점의 변화에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다. 또한, 배터리의 전압이 음극의 활물질의 상전이로 인해 변경되는 시점의 변화에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 음극에 수용될 수 있는 전하량의 범위뿐만 아니라, 양극 및 음극의 전하 균형의 변화를 추정할 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참고하면, 서로 다른 수명 상태에서 배터리의 충전 상태의 변화에 따른 배터리의 개방 전압(OCV, Open Circuit Voltage)의 변화가 도시된다. 배터리가 충전되는 동안, 즉, 배터리의 충전 상태가 증가함에 따라, 배터리의 개방 전압 또한 증가할 수 있다. 상술한 바와 같이, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 시점은 음극에 수용된 리튬 이온의 양과 관련이 있고, 음극에 수용된 리튬 이온의 양은 배터리의 충전 상태에 따라 달라지므로, 음극의 활물질의 상전이가 특정 배터리의 충전 상태에서 발생될 수 있다.
상술한 바와 같이, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 시점에서, 배터리의 전압은 충전 상태의 변화에 상대적으로 더 민감하게 변화할 수 있다. 바꾸어 말하면, 음극의 활물질의 상전이는 배터리의 충전 상태의 변화량에 대한 배터리의 개방 전압의 변화량을 최대화할 수 있다. 도 2를 참고하면, 충전 상태 및 개방 전압의 관계를 나타낸 곡선은 증가 함수이므로, 충전 상태의 변화량에 대한 개방 전압의 변화량이 최대가 되는 지점은, 상기 곡선의 변곡점(210, 220, 230)일 수 있다.
배터리의 충전 상태가 약 50% 이상 70% 이하의 범위에서, 음극에 수용된 리튬 이온의 양이 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양의 최대값 대비 약 1/2이 될 수 있다. 변곡점(210, 220, 230)은, 서로 다른 수명 상태에서, 음극에 수용된 리튬 이온의 양이 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양의 최대값 대비 약 1/2이 됨에 따라, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 시점을 나타낸다. 변곡점(210, 220, 230)을 비교하면, 수명 상태가 감소함에 따라, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태가 증가함을 알 수 있다.
요약하면, 배터리가 충전되는 동안, 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 충전 상태 및 개방 전압간의 관계를 획득할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 획득된 충전 상태 및 개방 전압간의 관계로부터, 충전 상태의 변화량에 대한 개방 전압의 변화량을 최대화하는 충전 상태를 식별할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 식별된 충전 상태를, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태로 결정할 수 있다. 수명 상태가 감소함에 따라, 양극 및 음극의 전하 균형이 변화하고, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태가 전하 균형의 변화로 인하여 증가하기 때문에, 배터리 모니터링 장치는 결정된 충전 상태로부터 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다.
도 3은 도 2의 충전 상태 및 개방 전압의 관계의 기울기를 도시한 그래프이다. 도 3 및 도 2를 비교하면, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태에서, 충전 상태의 변화량에 대한 개방 전압의 변화량 dV/dSoC(즉, 도 2의 그래프의 기울기 또는 미분 계수)가 극대가 됨을 알 수 있다. 도 3을 참고하면, 충전 상태의 변화량에 대한 개방 전압의 변화량의 피크(peak), 즉, 극대점(310, 320, 330)이 도시된다.
도 3의 극대점(310, 320, 330)은 도 2의 변곡점(210, 220, 230)에 대응한다. 즉, 극대점(310, 320, 330)은 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 지점에 대응할 수 있다. 도 2에서 설명한 바와 유사하게, 배터리가 사용됨에 따라 발생되는 부반응에 의해 전하 균형이 깨지면서, 극대점(310, 320, 330)에 대응하는 충전 상태가 배터리의 열화에 따라 증가함을 알 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 도 3의 극대점(310, 320, 330), 즉, 충전 상태의 변화량에 대한 개방 전압의 변화량 dV/dSoC를 극대로 만드는 충전 상태에 기초하여, 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 양극 및 음극의 전하 균형의 변화 및 배터리의 열화 간의 상관 관계를 이용하여, 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 충전 상태를 증가시키면서 배터리의 개방 전압을 측정함으로써, 도 2와 같은 충전 상태 및 개방 전압간의 관계를 획득할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 배터리 모니터링 장치는 충전 상태를 증가시키면서 측정한 개방 전압을 충전 상태의 변화에 따라 미분하여, 도 3과 같은 개방 전압의 미분 계수를 획득할 수 있다. 배터리의 개방 전압은 배터리를 충전하는 것을 일시적으로 중단함으로써 획득될 수 있다. 예를 들어, 배터리로 입력되는 전류의 크기를 일시적으로 0으로 만들거나, 배터리로 입력되는 전류의 크기를 일시적으로 미리 설정된 크기 미만으로 만듦으로써, 배터리 모니터링 장치는 특정 충전 상태에 대응하는 배터리의 개방 전압을 측정할 수 있다.
배터리를 충전하는 것을 중단하는 횟수 또는 시간을 최소화하기 위하여, 배터리 모니터링 장치는 충전 상태의 일부 구간에서 배터리의 개방 전압을 측정할 수 있다. 도 3을 참고하면, 배터리 모니터링 장치가 배터리의 개방 전압을 측정하는 충전 상태의 일부 구간인 진단 구간(340, 350, 360)이 도시된다. 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태 및 배터리의 수명 상태에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 진단 구간(340, 350, 360)을 결정하거나 변경할 수 있다.
도 3을 참고하면, 수명 상태가 100%일 때의 진단 구간(340)은, 수명 상태가 100%일 때의 극대점(310)을 포함하고, 수명 상태가 92%일 때의 진단 구간(350)은, 수명 상태가 92%일 때의 극대점(320)을 포함하고, 수명 상태가 85%일 때의 진단 구간(360)은, 수명 상태가 85%일 때의 극대점(330)을 포함할 수 있다. 따라서, 배터리 모니터링 장치는 배터리를 충전하는 것을 중단하는 동작을 최소로 하면서, 배터리의 수명 상태를 결정하는데 활용되는 충전 상태로써, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태를 빠르게 식별할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치가, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 배터리의 개방 전압 또는 충전 상태로부터, 배터리의 수명 상태를 결정하는 동작을 설명하기 위한 예시적인 그래프이다. 도 4를 참고하면, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 배터리의 개방 전압 및 배터리의 수명 상태의 관계를 나타내는 곡선(410)이 도시된다. 곡선(410)을 참고하면, 배터리의 수명 상태가 감소함에 따라, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 개방 전압이 증가함을 알 수 있다. 즉, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 개방 전압 및 수명 상태는 서로 반비례 관계일 수 있다. 또한, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 배터리의 충전 상태 및 배터리의 수명 상태의 관계를 나타내는 곡선(420)이 도시된다. 곡선(420)을 참고하면, 배터리의 수명 상태가 감소함에 따라, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태가 증가함을 알 수 있다. 유사하게, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태 및 수명 상태는 서로 반비례 관계일 수 있다.
일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 배터리의 충전 상태 및 배터리의 개방 전압간의 관계에 기초하여, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태를 탐지할 수 있다. 상술한 바와 같이, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태에서 충전 상태의 변화량 대비 개방 전압의 변화량이 극대가 되는 점을 이용하여, 배터리 모니터링 장치는 음극의 활물질의 상전이를 발생시키는 개방 전압 또는 충전 상태를 탐지할 수 있다. 곡선(410)과 같은 음극의 활물질의 상전이를 발생시키는 개방 전압 및 수명 상태간의 관계에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다. 또는, 곡선(420)과 같은 음극의 활물질의 상전이를 발생시키는 충전 상태 및 수명 상태간의 관계에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 배터리 모니터링 장치는 개방 전압 및 충전 상태 간의 관계뿐만 아니라 개방 전압 및 전하량의 관계에 기초하여 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다. 음극의 활물질의 상전이가 발생될 때에, 배터리에 누적된 전하량의 변화량에 대한 배터리의 개방 전압의 변화량 dV/dQ이 최대가 될 수 있다. 전하량의 변화량에 대한 개방 전압의 변화량을 최대로 하는 충전 상태는 배터리의 열화에 따라 증가할 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 배터리가 충전됨에 따라 전하량이 증가하는 동안, 배터리 모니터링 장치는 전하량 및 개방 전압의 관계를 획득할 수 있다. 개방 전압을 측정하는 것은 수명 상태에 대응하여 설정된 진단 구간 내에서 수행될 수 있다. 획득된 전하량 및 개방 전압의 관계를 미분함으로써, 배터리 모니터링 장치는 전하량의 변화량에 대한 개방 전압의 변화량을 추적할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 전하량의 변화량에 대한 개방 전압의 변화량을 최대로 만드는 개방 전압을 식별할 수 있다. 도 4의 곡선(410)과 같은 음극의 활물질의 상전이를 발생시키는 개방 전압 및 수명 상태간의 관계에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면, 배터리 모니터링 장치는 배터리로 미리 설정된 임계치 이하의 적은 전류를 배터리로 입력하거나, 배터리로부터 미리 설정된 임계치 이하의 전류를 출력시킴으로써, 개방 전압 및 충전 상태 간의 관계 또는 개방 전압 및 전하량 간의 관계를 획득할 수 있다. 획득된 개방 전압 및 충전 상태 간의 관계 또는 개방 전압 및 전하량 간의 관계는 음극의 활물질의 상전이를 야기하는 개방 전압, 충전 상태 또는 전하량을 식별하는데 활용될 수 있다. 식별된 음극의 활물질의 상전이를 야기하는 개방 전압, 충전 상태 또는 전하량으로부터, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다.
음극의 활물질의 상전이를 야기하는 개방 전압, 충전 상태 또는 전하량은 배터리의 수명 상태를 결정하는 것뿐만 아니라, 배터리의 내부 상태를 보다 정확하게 추정하는데 활용될 수 있다. 보다 구체적으로, 배터리 모니터링 장치는 음극의 활물질의 상전이를 야기하는 개방 전압, 충전 상태 또는 전하량으로부터 결정되는 양극 및 음극의 전하 균형에 기초하여, 배터리의 내부 상태를 추정하는데 활용되는 전기 화학 열 모델(Electrochemical thermal model)을 변경할 수 있다. 전기 화학 열 모델은 배터리의 내부 상태, 특히, 배터리 내부에서 전기 에너지 및 화학 에너지 사이의 변환을 야기하는 화학 반응을 모델링한 것이다.
도 5는 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치가 수행하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참고하면, 단계(510)에서, 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 충전 중인 배터리의 충전 상태가 진단 구간에 포함되는지 판단할 수 있다. 진단 구간은 배터리의 수명 상태에 기초하여 사전에 결정될 수 있다. 배터리를 사용하는 동안, 배터리의 충전 상태는 전기 화학 열 모델을 이용하여 실시간으로 추적될 수 있다. 충전 상태가 진단 구간의 최소값 이상이고, 충전 상태가 진단 구간의 최대값 미만인 경우, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 충전 상태가 진단 구간에 포함되는 것으로 결정할 수 있다.
배터리의 충전 상태가 진단 구간에 포함되는 경우, 단계(520)에서, 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 배터리의 개방 전압을 추적할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 배터리로 입력되는 전류를 조절하면서 배터리의 전압을 측정함으로써, 배터리의 개방 전압을 추적할 수 있다. 보다 구체적으로, 충전 상태가 미리 설정된 간격만큼 증가될 때마다, 배터리 모니터링 장치는 배터리를 충전하는 것을 중단한 다음, 배터리의 개방 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 충전을 중단하는 것은 배터리로 입력되는 전류를 차단함으로써 수행될 수 있다. 즉, 충전 상태가 변경될 때마다, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 개방 전압을 측정할 수 있다.
또는, 배터리 모니터링 장치는 배터리로 미리 설정된 임계치 이하의 전류를 입력하거나(적은 전류 충전), 또는 배터리로부터 미리 설정된 임계치 이하의 전류를 출력함으로써(적은 전류 방전), 배터리의 개방 전압을 측정할 수 있다. 배터리의 개방 전압을 추적하면서, 배터리 모니터링 장치는 개방 전압에 대응하는 배터리의 충전 상태 또는 개방 전압에 대응하는 배터리의 전하량을 식별할 수 있다.
도 5를 참고하면, 단계(530)에서, 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 추적된 배터리의 개방 전압에 기초하여, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 지점을 식별할 수 있다. 상술한 바와 같이, 음극의 활물질의 상전이는 음극에 수용되는 리튬 이온의 양, 또는, 음극의 전하량에 따라 발생될 수 있다. 즉, 음극의 활물질의 상전이는 특정 충전 상태에서 발생되므로, 배터리 모니터링 장치는 상전이에 의해 야기되는 개방 전압의 변화를 이용하여, 상전이를 야기하는 특정 충전 상태를 식별할 수 있다.
예를 들어, 배터리 모니터링 장치는 진단 구간에서, 충전 상태의 변화량에 대한 개방 전압의 변화량의 극대점을 추출할 수 있다. 극대점을 추출하는 동작은 도 2 내지 도 3에서 설명한 바와 유사하게 수행될 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 추출된 극대점에 대응하는 충전 상태를, 상전이가 발생되는 시점의 충전 상태로 결정할 수 있다. 또는 배터리 모니터링 장치는 진단 구간에서, 충전 상태의 변화량에 대한 전하량의 변화량의 극대점을 추출할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 추출된 극대점에 대응하는 전하량을, 상전이가 발생되는 시점의 전하량으로 결정할 수 있다. 더 나아가서, 배터리 모니터링 장치는 추출된 극대점에 대응하는 개방 전압을, 상전이가 발생되는 시점의 개방 전압으로 결정할 수 있다.
상전이가 발생되는 시점의 충전 상태, 전하량 및 개방 전압은 배터리의 수명 상태, 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양 또는 전하량의 범위, 양극 및 음극의 전하 균형과 관련된다. 따라서, 배터리 모니터링 장치는 식별된 상전이가 발생되는 지점에 기초하여, 배터리의 수명 상태, 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양 또는 전하량의 범위, 양극 및 음극의 전하 균형 각각을 결정할 수 있다.
도 5를 참고하면, 단계(540)에서, 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 단계(530)에서 식별된 지점에 기초하여, 배터리의 전하 균형의 변화를 탐지할 수 있다. 보다 구체적으로, 배터리 모니터링 장치는 상전이를 발생시키는 충전 상태에 기초하여, 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양 또는 전하량의 범위를 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 시점은, 음극에 수용된 리튬 이온의 양이 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양의 최대값 대비 약 1/4, 2/4 또는 3/4 정도가 되는 시점임을 이용하여, 배터리 모니터링 장치는 상전이를 발생시키는 충전 상태로부터 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양의 범위를 결정할 수 있다.
더 나아가서, 수명 상태에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 양극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양 또는 전하량의 범위를 결정할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 전기 화학 열 모델을 이용하여 양극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양 또는 전하량의 범위를 결정할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양의 범위 및 양극에 수용될 수 있는 리튬 이온의 양의 범위를 비교함으로써, 배터리의 전하 균형을 식별할 수 있다.
도 5를 참고하면, 단계(550)에서, 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 탐지된 전하 균형의 변화에 기초하여, 전기 화학 열 모델을 변경할 수 있다. 전기 화학 열 모델은 배터리의 내부 상태의 변화, 예를 들어, 배터리의 충전 상태, 배터리 내부의 리튬 이온 Li+의 분포 변화, 사용 가능한 배터리 출력 등을 추정하는데 활용될 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 메모리등에 전기 화학 열 모델과 관련된 파라미터를 저장할 수 있다.
배터리 모니터링 장치는 배터리의 열화에 따른 전하 균형의 변화에 대응하여, 전기 화학 열 모델의 양극 및 음극의 활물질 양과 관련된 파라미터를 변경할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 배터리의 열화에 따른 전하 균형의 변화에 대응하여, 양극 또는 음극에 수용될 수 있는 리튬 이온 또는 전하의 양의 범위와 관련된 파라미터를 변경할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모니터링 장치는 양극 또는 음극에서의 리튬 이온 농도의 최대값, 최소값, 사용 가능한 리튬 이온의 최대값, 최소값, 그리고 양극과 음극의 리튬 이온 농도의 매칭에 사용되는 파라미터를 변경할 수 있다.
일실시예에 따르면, 배터리 모니터링 장치는 전기 화학 열 모델에 실시간으로 측정되는 배터리의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 입력함으로써, 배터리의 내부 상태와 관련된 정보를 실시간으로 획득할 수 있다. 전기 화학 열 모델이 탐지된 전하 균형의 변화(바꾸어 말하면, 배터리의 열화에 의한 변화)에 기초하여 변경됨으로써, 배터리 모니터링 장치는 전기 화학 열 모델로부터 배터리의 내부 상태와 관련된 보다 정확한 정보를 획득할 수 있다.
도 5를 참고하면, 단계(560)에서, 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 식별된 상전이가 발생되는 지점에 기초하여, 진단 구간을 변경할 수 있다. 예를 들어, 진단 구간은 상전이가 발생되는 충전 상태를 중간값으로 갖도록 변경될 수 있다. 상전이가 발생되는 충전 상태의 변화량에 대응하여, 배터리 모니터링 장치는 진단 구간을 변경할 수 있다. 배터리 모니터링 장치는 상전이가 발생되는 지점에 대응하는 배터리의 수명 상태를 이용하여 충전 상태를 변경할 수 있다.
도 5를 참고하면, 단계(570)에서, 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치는 식별된 상전이가 발생되는 지점에 기초하여, 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다. 배터리의 수명 상태는 상전이가 발생되는 시점의 충전 상태, 전하량 또는 개방 전압 중 어느 하나와 수명 상태 간의 관계로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모니터링 장치는 도 4의 곡선(410)과 같은 상전이가 발생되는 시점의 개방 전압 및 수명 상태간의 관계로부터, 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다. 또는, 배터리 모니터링 장치는 도 4의 곡선(420)과 같은 상전이가 발생되는 시점의 충전 상태 및 수명 상태간의 관계로부터, 배터리의 수명 상태를 결정할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 배터리 모니터링 장치가 추정한 배터리의 전하 균형을 설명하기 위한 예시적인 그래프이다. 도 6을 참고하면, 배터리의 수명 상태가 100%일 때에, 배터리의 전하량에 대한 배터리의 셀 전압의 변화를 나타낸 곡선(610), 배터리의 전하량에 대한 배터리의 양극의 전위의 변화를 나타낸 곡선(630) 및 배터리의 전하량에 대한 배터리의 음극의 전위의 변화를 나타낸 곡선(620)이 도시된다. 배터리의 셀 전압은 양극의 전위 및 음극의 전위의 차이, 즉, 곡선(630) 및 곡선(620)의 차이에 대응할 수 있다. 배터리에 저장할 수 있는 전하의 양의 범위(640)는 곡선(630) 및 곡선(620)이 x축 상에서 중첩되는 범위에 기초하여 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 양극에 수용될 수 있는 전하의 양의 범위보다 음극에 수용될 수 있는 전하의 양의 범위가 더 넓을 수 있다. 곡선(630)은 양극에 수용될 수 있는 전하의 양의 범위에 따라 결정될 수 있다. 유사하게, 곡선(620)은 음극에 수용될 수 있는 전하의 양의 범위에 따라 결정될 수 있다. 또한, 배터리에 저장할 수 있는 전하의 양의 범위는 양극에 수용될 수 있는 전하의 양의 범위 및 음극에 수용될 수 있는 전하의 양의 범위가 중첩되는 범위 내에서 결정될 수 있다. 더 나아가서, 배터리가 열화됨에 따라, 음극에 수용될 수 있는 전하의 양의 최대값 및 최소값이 모두 증가할 수 있다.
도 6을 참고하면, 배터리의 수명 상태가 80%일 때에, 배터리의 전하량에 대한 배터리의 셀 전압의 전위의 변화를 나타낸 곡선(650), 배터리의 전하량에 대한 배터리의 양극의 전위의 변화를 나타낸 곡선(670) 및 배터리의 전하량에 대한 배터리의 음극의 전위의 변화를 나타낸 곡선(660)이 도시된다. 곡선(660) 및 곡선(620)을 비교하면, 배터리가 열화됨에 따라, 음극에 수용될 수 있는 전하의 양의 최대값 및 최소값이 모두 증가함을 알 수 있다.
배터리의 전압은 양극의 전위 및 음극의 전위의 차이, 즉, 곡선(670) 및 곡선(660)의 차이에 대응할 수 있다. 배터리에 저장할 수 있는 전하의 양의 범위(680)는 곡선(670) 및 곡선(660)이 x축 상에서 중첩되는 범위에 기초하여 결정될 수 있다. 수명 상태가 100%일 때의 배터리에 저장할 수 있는 전하의 양의 범위(640) 및 수명 상태가 85%일 때의 배터리에 저장할 수 있는 전하의 양의 범위(680)를 비교하면, 배터리의 음극에 수용될 수 있는 전하의 양의 범위의 변경에 따른 전하 균형의 변화가 배터리에 저장할 수 있는 전하의 양의 범위에 영향을 미침을 알 수 있다.
일실시예에 따름 배터리 모니터링 장치는 측정된 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 지점에 기초하여, 전기 화학 열 모델을 변경할 수 있다. 변경된 전기 화학 열 모델에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 곡선(620, 630, 660, 670)과 같은 양극 및 음극 각각의 전위의 변화를 획득할 수 있다. 더 나아가서, 양극 및 음극 각각의 전위의 변화에 기초하여, 배터리 모니터링 장치는 배터리의 수명 상태를 정확하게 추정할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 배터리 시스템(720)을 포함하는 차량(710)의 구조를 설명하기 위한 개념적인 도면이다.
도 7을 참고하면, 차량(710)은 배터리(730)를 전력원으로 이용할 수 있다. 예를 들어, 차량(710)은 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차일 수 있다. 차량(710)은 전술한 예로 제한되지 않는다.
차량(710)은 일실시예에 따른 배터리 시스템(720)을 포함한다. 배터리 시스템(720)은 배터리(730) 및 배터리 모니터링 장치(740)를 포함할 수 있다. 도 7의 예시에서, 배터리 모니터링 장치(740)는 배터리(730)의 외부에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 배터리 모니터링 장치(740)는 배터리(730)의 내부에 배치될 수 있다.
배터리(730)는 복수의 배터리 모듈(731, 732 및 733)을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 모듈(731, 732 및 733)은 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리 모니터링 장치(740)는 복수의 배터리 모듈(731, 732 및 733)에 포함된 배터리 셀에 대응하는 전기 화학 열 모델을 생성하기 위한 파라미터를 저장할 수 있다. 복수의 배터리 셀이 복수의 배터리 모듈(731, 732 및 733)에 포함되는 경우, 전기 화학 열 모델을 생성하기 위한 파라미터는 복수의 배터리 셀 중에서 가장 열화된 배터리 셀 또는 복수의 배터리 셀의 평균적인 상태에 기초하여 결정될 수 있다.
배터리 모니터링 장치(740)는 복수의 배터리 모듈(731, 732 및 733)에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀을 충전하는 동안, 충전 중인 배터리 셀의 충전 상태에 대한 개방 전압 간의 관계를 획득할 수 있다. 상술한 바와 같이, 개방 전압은 진단 구간내에서 측정될 수 있다. 배터리 모니터링 장치(740)는 획득된 충전 상태에 대한 개방 전압 간의 관계로부터, 충전 중인 배터리 셀의 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 충전 상태를 식별할 수 있다. 식별된 충전 상태로부터, 배터리 모니터링 장치(740)는 충전 중인 배터리 셀의 전하 균형의 변화, 수명 상태 등을 추정할 수 있다. 추정된 배터리 셀의 전하 균형의 변화 또는 수명 상태는 진단 구간의 변경 또는 전기 화학 열 모델의 변경에 이용될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
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 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 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
100: 배터리 시스템
110: 배터리 모니터링 장치
120: 배터리
121: 양극
122: 음극

Claims (19)

  1. 배터리의 충전 상태(SoC, State of Charge)를 식별하는 단계;
    상기 식별된 충전 상태가 미리 설정된 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 충전 상태에 대한 상기 배터리의 전압을 획득하는 단계 - 상기 배터리의 이전(prior) 수명 상태(SoH, State of Health)에 기초하여 상기 진단 구간이 미리 설정됨 -;
    상기 획득된 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 수명 상태에 기초하여 상기 진단 구간을 변경하는 단계
    를 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 획득하는 단계는,
    상기 충전 상태가 상기 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 충전 상태가 변경될 때마다 상기 배터리의 개방 전압을 측정하는 배터리 모니터링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 획득하는 단계는,
    상기 충전 상태가 상기 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 배터리로 입력되는 전류의 크기를 미리 설정된 임계치 이하로 변경하는 배터리 모니터링 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 획득하는 단계는,
    상기 충전 상태가 상기 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 배터리로부터 미리 설정된 임계치 이하의 전류를 출력함으로써, 상기 충전 상태의 변화에 대한 상기 배터리의 전압의 변화를 획득하는 배터리 모니터링 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 진단 구간 내에서, 상기 충전 상태의 변화량에 대한 상기 전압의 변화량을 최대화하는 충전 상태를 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 충전 상태 및 상기 수명 상태 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 진단 구간 내에서, 상기 배터리의 전하량의 변화량에 대한 상기 전압의 변화량을 최대화하는 충전 상태를 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 충전 상태 및 상기 수명 상태 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 배터리의 음극에서, 상전이(phase transition)가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 수명 상태를 결정하는 배터리 모니터링 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 음극에서, 상전이가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 내부 상태를 모델링하는 전기 화학 열 모델을 변경하는 단계
    를 더 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 변경하는 단계는,
    상기 상전이가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리에 포함된 물질이 상기 배터리의 양극 및 상기 배터리의 음극 각각에 수용될 수 있는 범위를 계산하는 단계; 및
    상기 물질이 상기 양극 및 상기 음극 각각에 수용될 수 있는 범위의 변화에 기초하여, 상기 전기 화학 열 모델을 변경하는 단계
    를 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  10. 삭제
  11. 전류를 입력하여 충전 중인 배터리의 충전 상태를 식별하는 단계;
    상기 식별된 충전 상태가 미리 설정된 진단 구간에 포함되어 있는 경우, 상기 배터리로 입력되는 전류를 조절하면서 상기 배터리의 전압을 추적하는 단계 - 상기 배터리의 이전 수명 상태에 기초하여 상기 진단 구간이 미리 설정됨 -; 및
    상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 추적하는 단계는,
    상기 충전 상태가 증가할 때마다 상기 배터리로 입력되는 전류를 차단함으로써, 충전 상태별로 상기 배터리의 개방 전압을 측정하는 단계
    를 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 충전 상태에서, 상기 배터리의 전압의 변화량을 최대화하는 충전 상태를 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 충전 상태 및 상기 수명 상태 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 충전 상태에서, 상기 배터리의 전하량의 변화량에 대한 상기 전압의 변화량을 최대화하는 충전 상태를 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 충전 상태 및 상기 수명 상태 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 배터리의 음극에서, 상전이가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 수명 상태를 결정하는 배터리 모니터링 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 배터리의 음극에서, 상전이가 발생되는 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 내부 상태를 모델링하는 전기 화학 열 모델을 변경하는 단계
    를 더 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  17. 배터리의 충전 상태를 식별하는 프로세서; 및
    상기 배터리 내부의 화학 반응을 모델링하는 전기 화학 열 모델과 관련된 파라미터를 저장하는 메모리 - 상기 전기 화학 열 모델은 상기 충전 상태를 식별하는데 사용됨 -
    를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 식별된 충전 상태가 미리 설정된 진단 구간에 포함되는 경우, 상기 충전 상태에 대한 상기 배터리의 전압을 획득하고 - 상기 배터리의 이전(prior) 수명 상태(SoH, State of Health)에 기초하여 상기 진단 구간이 미리 설정됨 -,
    상기 획득된 배터리의 전압에 기초하여, 상기 배터리의 수명 상태를 결정하고,
    상기 결정된 수명 상태에 기초하여, 상기 전기 화학 열 모델과 관련된 파라미터를 변경하고,
    상기 결정된 수명 상태에 기초하여 상기 진단 구간을 변경하는 배터리 모니터링 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 수명 상태를 결정하기 위하여, 상기 충전 상태 및 상기 전압 간의 관계에 기초하여, 상기 배터리의 음극의 활물질의 상전이가 발생되는 전압을 탐지하는 배터리 모니터링 장치.
  19. 삭제
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