WO2024101930A1 - 배터리 관리 시스템, 이를 포함하는 배터리 팩 및 이차전지의 퇴화 여부 진단 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템, 이를 포함하는 배터리 팩 및 이차전지의 퇴화 여부 진단 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a battery management system for diagnosing the deterioration of a secondary battery having a positive electrode containing lithium iron phosphate, a battery pack including the same, and a method for diagnosing the deterioration of the secondary battery.
  • lithium secondary batteries have little memory effect compared to nickel-based batteries, so they can be freely charged and discharged, and have a low self-discharge rate. It is attracting attention due to its extremely low and high energy density.
  • the Q-dV/dQ curve can be expressed as a graph with a Q axis and a dV/dQ axis, where Q is the storage amount, V is the voltage, dV is the change in V over a predetermined time, and dQ is the Q over the predetermined time.
  • the change amount, dV/dQ represents the ratio of dV to dQ.
  • FIG. 1 is a graph showing the voltage according to the capacity of a secondary battery equipped with a positive electrode using lithium iron phosphate as the positive electrode active material.
  • FIG. 1 due to the structural characteristics of lithium iron phosphate, it can be seen that the voltage of a secondary battery containing lithium iron phosphate as a positive electrode active material appears flat even when the charge and discharge capacity changes. This phenomenon occurs because the stability of the olivine-structured lithium iron phosphate structure itself and the crystal structures of LiFePO 4 in a discharged state and FePO 4 in a charged state are similar. Accordingly, since secondary batteries containing lithium iron phosphate as a positive electrode active material cannot determine whether or not the deterioration or degree of deterioration is degraded using differential voltage analysis, there is a need to develop technology for this.
  • the purpose of the present invention is to provide a battery management system and method for diagnosing deterioration due to repeated charging and discharging of a secondary battery containing lithium iron phosphate as a positive electrode active material, and a battery pack including the same.
  • the present invention provides a battery management system for diagnosing deterioration of a secondary battery having a positive electrode containing lithium iron phosphate as a positive electrode active material, comprising: a sensing unit configured to measure the voltage and open circuit voltage of the secondary battery; a memory unit configured to store the open circuit voltage measured by the sensing unit; and a control unit configured to determine that the secondary battery has deteriorated when the change in open circuit voltage according to the charge/discharge cycle of the secondary battery satisfies condition 1 below for 5 or more charge/discharge cycles. .
  • V n-1 is the open circuit voltage of the battery measured in the n-1th charge and discharge cycle
  • V n is the open circuit voltage of the battery measured in the nth charge and discharge cycle
  • n is an arbitrary is an integer of
  • the sensing unit measures the voltage when the secondary battery discharges, and may be configured to measure the open circuit voltage of the secondary battery whenever the measured voltage reaches the reference discharge voltage. .
  • the sensing unit may be configured to measure the open circuit voltage of the secondary battery while the secondary battery is at rest after the secondary battery reaches the reference discharge voltage.
  • the sensing unit may be configured to measure the open circuit voltage of the secondary battery each time one charge/discharge cycle of the secondary battery is completed.
  • the battery management system may further include a switching unit that turns on and off the electrical connection between the secondary battery and the charger.
  • the present invention provides a battery pack including the battery management system and a plurality of secondary batteries.
  • the secondary battery may include 50 to 100% of the total weight of the negative electrode active material as a negative electrode active material.
  • the deterioration diagnosis method of a secondary battery according to the present invention is a method of diagnosing the deterioration of a secondary battery equipped with a positive electrode containing lithium iron phosphate as a positive electrode active material, and includes (A) repeating charging and discharging of the secondary battery, A process of measuring the voltage when the battery discharges and measuring the open circuit voltage of the secondary battery whenever the measured voltage reaches the reference discharge voltage; and (B) a process of determining that the secondary battery has deteriorated when the amount of change in open circuit voltage satisfies condition 1 below for five or more charge/discharge cycles.
  • V n-1 is the open circuit voltage of the battery measured in the n-1th charge and discharge cycle
  • V n is the open circuit voltage of the battery measured in the nth charge and discharge cycle
  • n is an arbitrary is an integer of
  • the process (A) may include measuring the open circuit voltage of the secondary battery while the secondary battery is at rest after the secondary battery reaches the reference discharge voltage.
  • the process (A) may include measuring the open circuit voltage of the secondary battery each time one charge/discharge cycle of the secondary battery is completed.
  • the potential difference of the negative electrode is used to determine the open circuit voltage of the secondary battery from the change in open circuit voltage as the charge and discharge cycle progresses. It has the effect of diagnosing degeneration.
  • Figure 1 is a graph showing the voltage according to the capacity of a secondary battery equipped with a positive electrode using lithium iron phosphate as the positive electrode active material.
  • Figure 2 is a diagram illustrating the configuration of a battery pack including a battery management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram schematically showing a battery management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph exemplarily showing measured values of open circuit voltage according to charge/discharge cycles calculated by the battery management system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a battery pack including a battery management system according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a flowchart showing an exemplary method for diagnosing deterioration of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • control unit> used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • Figure 2 is a diagram illustrating the configuration of a battery pack including a battery management system according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 1000 may be provided to be installed in an electrical system (eg, an electric vehicle).
  • the battery management system 100 is electrically connected to a battery module 10 containing a plurality of secondary batteries 11 and can diagnose the status of each of the plurality of secondary batteries 11.
  • the battery management system 100 may be included in the battery pack 1000 together with the battery module 10.
  • Figure 2 shows an example in which the battery pack 1000 includes one battery module 10 and one battery management system 100, but the battery module 10 and the battery management system included in the battery pack 1000
  • the number of (100) is not limited to the number shown in Figure 2.
  • the number of secondary batteries 11 included in the battery module 10 is not limited to the number shown in FIG. 2.
  • the secondary battery included in the battery module and battery pack of the present invention will be described.
  • the secondary battery subject to degradation diagnosis by the battery management system 100 of the present invention contains lithium iron phosphate as a positive electrode active material.
  • a lithium secondary battery using lithium iron phosphate as a positive electrode active material in a capacity-voltage graph that corresponds voltage to capacity, in a certain capacity section, despite the change in capacity due to charging and discharging, the amount of change in voltage is 0 or a plateau close to 0. Includes sections.
  • the present invention provides a battery management system capable of diagnosing the deterioration of secondary batteries and a battery pack including the same.
  • the lithium iron phosphate may be a compound of Formula 1 below.
  • M is any one or two or more elements selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Mn, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Ce, In, Zn and Y. and, x ⁇ 0.5)
  • the lithium iron phosphate may be LiFePO 4 .
  • the negative electrode constituting the secondary battery of the present invention may include a graphite-based negative electrode active material as a negative electrode active material.
  • the graphite-based negative electrode active material may be present in an amount of 50% by weight to 50% by weight based on the total weight of the negative electrode active material. It may be included at 100% by weight.
  • the potential of the negative electrode also changes in response to changes in the depth of charge or depth of discharge. That is, in the case of a negative electrode containing a graphite-based negative electrode active material, the correlation graph between the depth of charge (SOC) or depth of discharge (DOD) and the negative electrode potential corresponds to changes in the depth of charge or depth of discharge. Therefore, since it does not include a plateau section where the potential of the negative electrode does not change, a secondary battery equipped with a negative electrode containing a graphite-based negative electrode active material is suitable for applying the degradation diagnosis method of the present invention.
  • graphite-based negative electrode active materials include carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, amorphous carbon, low-crystalline carbon, and high-crystalline carbon, and composites containing metallic compounds and carbonaceous materials.
  • low-crystalline carbon includes soft carbon and hard carbon
  • high-crystalline carbon includes natural graphite, kish graphite, pyrolytic carbon, and liquid crystalline carbon.
  • high-temperature calcined carbon such as mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches, and petroleum or coal tar pitch derived cokes. .
  • Figure 3 is a block diagram schematically showing a battery management system according to an embodiment of the present invention.
  • the battery management system 100 may include a sensing unit 110, a memory unit 120, and a control unit 130.
  • the sensing unit 110 may be configured to measure the voltage of the secondary battery 11 included in the battery module 10. That is, the sensing unit 110 may be configured to measure the voltage of each of the secondary batteries 11 included in the battery module 10.
  • the sensing unit 110 is connected to the first secondary battery (C1), the second secondary battery (C2), the third secondary battery (C3), and the third secondary battery (C1) included in the battery module 10. 4
  • the voltage when the secondary battery (C4) is discharged can be measured.
  • the sensing unit 110 measures the voltage of the first secondary battery (C1) through the first sensing line (SL1) and the second sensing line (SL2), and the second sensing line (SL2) and the third sensing line (SL2).
  • the voltage of the second secondary battery C2 can be measured through the line SL3.
  • the sensing unit 110 measures the voltage of the third secondary battery (C3) through the third sensing line (SL3) and the fourth sensing line (SL4), and the fourth sensing line (SL4) and the fifth sensing line
  • the voltage of the fourth secondary battery (C4) can be measured through (SL5).
  • the sensing unit 110 is configured to measure the open circuit voltage (OCV) of the secondary battery 11. That is, the sensing unit 110 is configured to measure both the voltage and the open circuit voltage of the secondary battery 11. Additionally, the sensing unit 110 is configured to measure the voltage of the secondary battery when the secondary battery is charged and discharged, and is configured to measure the open circuit voltage of the secondary battery 11 to determine deterioration.
  • OCV open circuit voltage
  • the sensing unit 110 measures the voltage of the secondary battery while the secondary battery 11 is charging and discharging, and charges once to collect data for deterioration diagnosis. It may be configured to measure the open circuit voltage of the secondary battery 11 each time a discharge cycle ends.
  • one charge/discharge cycle can be defined as a process of charging the secondary battery 11 in a discharged state and then discharging the secondary battery 11 in a charged state as one charge/discharge cycle.
  • the sensing unit 110 detects each secondary battery 11 whenever the measured voltage of the secondary battery reaches the reference discharge voltage while N (N is an integer of 2 or more) charge and discharge cycles are in progress for the secondary battery.
  • the open circuit voltage can be measured.
  • the reference discharge voltage may be a voltage preset and stored by a user or the like in order to enable the sensing unit 110 to measure the open circuit voltage. That is, the reference discharge voltage is a reference value for measuring the open circuit voltage of the secondary battery 11 by the sensing unit 110, and determines when the sensing unit 110 should measure the open circuit voltage of the secondary battery 11. Timing can be provided.
  • the reference discharge voltage may be 2.5V. However, it is not limited to this.
  • the sensing unit 110 measures the voltage when a plurality of secondary batteries 11 are discharged, and opens the secondary battery 11 whenever the measured voltage of the secondary battery 11 reaches the reference discharge voltage. It may be configured to measure circuit voltage.
  • the sensing unit 110 may be configured to measure the open circuit voltage of the secondary battery 11 while it is at rest after the secondary battery 11 reaches the reference discharge voltage. Here, resting means waiting for a certain period of time after discharging of the secondary battery is completed until charging of the next charge/discharge cycle.
  • the open circuit voltage can be measured within 1 second from the end of discharge, specifically within 1 minute after 3 seconds, and more specifically within 30 seconds after 5 seconds.
  • the sensing unit 110 may measure the open circuit voltage of the first secondary battery (C1) when the voltage of the first secondary battery (C1) reaches Vs due to discharge. Similarly, when the respective voltages of the second secondary battery (C2), the third secondary battery (C3), and the fourth secondary battery (C4) reach Vs, the sensing unit 110 detects the open circuit voltage of the secondary battery that has reached Vs. It can be measured.
  • the sensing unit 110 may include a voltage sensor (not shown).
  • the voltage sensor is electrically connected to the positive and negative terminals of the secondary battery 11.
  • the voltage sensor may be installed in the charging/discharging path of the secondary battery.
  • the sensing unit 110 may further include a current sensor (not shown).
  • the current sensor may be configured to measure the current of the secondary battery at predetermined times while the secondary battery is charging or discharging.
  • the memory unit 120 may be operably coupled to the sensing unit 110.
  • the memory unit 120 may be configured to store the open circuit voltage measurement value measured by the sensing unit 110 and to store various other sensing information. Additionally, the memory unit 120 may store data or programs required for each component of the battery management system 100 to perform operations and functions, or data generated during the process of performing operations and functions.
  • the memory unit 120 may be configured to repeat charging and discharging and store the measured open circuit voltage of the secondary battery 11 each time the charging and discharging cycle ends.
  • the memory unit 120 stores the open circuit voltage (V1) measured when the reference discharge voltage is reached during the discharge process of the first charge and discharge cycle for the secondary battery 11, and the open circuit voltage (V1) measured when the reference discharge voltage is reached in the second charge and discharge cycle.
  • V1 the open circuit voltage measured when the reference discharge voltage is reached during the discharge process
  • V1 measured when the reference discharge voltage is reached in the second charge and discharge cycle.
  • V2 measured when the reference discharge voltage is reached
  • the open circuit voltage value measured each time a charge/discharge cycle is performed can be stored.
  • the type of the memory unit 120 is a flash memory type, hard disk type, SSD type (Solid State Disk type), SDD type (Silicon Disk Drive type), and multimedia card micro.
  • type multimedia card micro type
  • random access memory RAM
  • static random access memory SRAM
  • read-only memory ROM
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • PROM programmable read memory
  • the control unit 130 may receive the open circuit voltage measured by the sensing unit 110.
  • the control unit 130 is configured to exchange electrical signals with the memory unit 120 within the battery management system 100, and can receive open circuit voltage data according to the charge/discharge cycle stored in the memory unit 120. there is.
  • the control unit 130 may be configured to calculate the amount of change in each open circuit voltage measured according to the charging and discharging cycle from the memory unit 120, and the amount of change in the open circuit voltage satisfies condition 1 below, but is applied five or more times. If satisfactory during the charge/discharge cycle, it may be configured to determine that the secondary battery has deteriorated.
  • V n-1 is the open circuit voltage of the battery measured in the n-1th charge and discharge cycle
  • V n is the open circuit voltage of the battery measured in the nth charge and discharge cycle
  • n is an arbitrary is an integer of
  • control unit 130 determines whether the amount of change between the open circuit voltage (V n-1 ) measured in the previous charge and discharge cycle and the open circuit voltage (V n ) measured in the current charge and discharge cycle is less than 0.002V, , if this amount of change in open circuit voltage satisfies Condition 1 above for at least 5 charge/discharge cycles, it can be determined that the secondary battery has degenerated.
  • FIG. 4 is a graph exemplarily showing measured values of open circuit voltage according to charge/discharge cycles calculated by the battery management system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the control unit 130 may generate the graph shown in FIG. 4 from the open circuit voltage data stored in the memory unit 120.
  • the graph in FIG. 4 shows the relationship between charge/discharge cycle number and open circuit voltage. As the charge/discharge cycle progresses, the open circuit voltage gradually decreases, and the amount of change in voltage gradually becomes smaller after about 1500 cycles. The change in open circuit voltage is approaching 0.
  • olivine-structured lithium iron phosphate is more stable in terms of structural changes due to deterioration or deterioration, and as a result, lithium iron phosphate does not have a large change in voltage due to charging and discharging. Therefore, in secondary batteries equipped with a positive electrode containing lithium iron phosphate, the voltage of the secondary battery is often determined by the potential difference between the negative electrode. That is, in a lithium iron phosphate-based secondary battery, it is easy to determine the potential difference of the negative electrode as the measured open circuit voltage.
  • the present invention provides the following information: When the change in open circuit voltage of the secondary battery measured at the rest stage after discharging during the charge/discharge cycle is less than 0.002V during a certain cycle, It is possible to consider whether the cathode has degenerated and determine whether the secondary battery has deteriorated.
  • a lithium secondary battery equipped with a positive electrode to which the above-mentioned lithium iron phosphate is applied as a positive electrode active material is charged with lithium in a non-facing part of the negative electrode that does not face the positive electrode due to the difference in charging and discharging speeds between the positive electrode and the negative electrode as the charging and discharging cycles are accumulated. phenomenon may appear.
  • the non-facing part of the cathode that does not face the anode exists because the cathode is cut larger than the anode, and usually the edge of the cathode becomes the non-facing part.
  • lithium required for charging and discharging not only accumulates in the non-face-to-face area, deteriorating the capacity of the battery, but also may cause safety problems due to precipitation of lithium.
  • the potential difference of the negative electrode can be determined through the behavior of the open circuit voltage, and the reduction of available lithium intensifies due to charging of lithium in the non-face-to-face part of the negative electrode that does not face the positive electrode.
  • the present invention can diagnose whether the secondary battery is deteriorated due to lithium charging in the non-face-to-face portion through the behavior of the open circuit voltage of the secondary battery. .
  • the control unit 130 includes a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, and a logic circuit known in the art to execute various control logics performed in the battery management system 100 according to an embodiment of the present invention. , registers, communication modems, data processing devices, etc. may optionally be included. Additionally, when the control logic is implemented as software, the control unit 130 may be implemented as a set of program modules. At this time, the program module may be stored in the memory unit and executed by the processor.
  • the control unit 130 is a processor provided in the battery management system 100 according to an embodiment of the present invention, and can provide the determined deterioration of the secondary battery 11 to the user through an output device such as a display device. . Additionally, the control unit 130 may provide a replacement or warning alarm for the secondary battery 11 to the user through an external notification device based on the result of determining whether the secondary battery 11 is deteriorated.
  • the battery management system of the present invention utilizes the characteristic that the potential difference of the negative electrode appears as the open circuit voltage of the secondary battery in a secondary battery having a positive electrode containing lithium iron phosphate as the positive electrode active material, and opens the battery as the charge and discharge cycle progresses. This has the effect of diagnosing the deterioration of the secondary battery by considering the deterioration of the negative electrode as deterioration of the secondary battery based on the change in circuit voltage.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a battery pack including a battery management system according to another embodiment of the present invention.
  • the battery management system 200 may further include a switching unit 240 and an interface unit 250 for turning on-off the electrical connection between the secondary battery 11 and the charger. You can.
  • the switching unit 240 may include a switch 241 and a switch driver 242.
  • the switch 241 is installed in the current path for charging and discharging the secondary battery 11. While the switch 241 is turned on, charging and discharging of the secondary battery 11 is possible.
  • the switch 241 may be a mechanical relay that is turned on and off by the magnetic force of the coil, or a semiconductor switch such as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). While the switch 241 is turned off, charging and discharging of the secondary battery 11 is stopped.
  • switch 241 may be turned on in response to a first control signal and turned off in response to a second control signal.
  • the switch driver 242 may be electrically connected to the switch 241 and the control unit 230 and selectively sends a first control signal or a second control signal to the switch 241 in response to a command from the control unit 230. It is configured to output as . When at least one of predetermined events occurs, the control unit 230 may command the switch driver 242 to turn on or turn off the switch 241.
  • the interface unit 250 is configured to support wired or wireless communication between the control unit 230 and the upper controller 2 (eg, ECU: Electronic Control Unit) of the electric system 1.
  • Wired communication may be, for example, CAN (Controller Area Network) communication
  • wireless communication may be, for example, ZigBee or Bluetooth communication.
  • the type of communication protocol is not particularly limited as long as it supports wired and wireless communication between the control unit 230 and the upper controller 2.
  • the interface unit 250 includes an output device (not shown) such as a display or speaker that provides the results of the process regarding the deterioration state of the secondary battery 11 performed by the control unit 230 in a form recognizable to the user. It can be included.
  • the interface unit 250 may include an input device (not shown) such as a mouse or keyboard that can receive data from the user.
  • Figure 6 is a flowchart showing an exemplary method for diagnosing deterioration of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the method for diagnosing deterioration of a secondary battery according to the present invention is (A) repeatedly charging and discharging the secondary battery, measuring the voltage when the secondary battery discharges, and the measured voltage is the reference discharge voltage. A process of measuring the open circuit voltage of the secondary battery each time it reaches; and (B) a process of determining that the secondary battery has deteriorated when the amount of change in open circuit voltage satisfies condition 1 below for five or more charge/discharge cycles.
  • V n-1 is the open circuit voltage of the battery measured in the n-1th charge and discharge cycle
  • V n is the open circuit voltage of the battery measured in the nth charge and discharge cycle
  • n is an arbitrary is an integer of
  • the secondary battery to which the secondary battery deterioration diagnosis method according to the present invention is applied is as described above.
  • the process (A) above is a process of collecting data to diagnose whether the secondary battery is deteriorating.
  • the degradation diagnosis method according to the present invention is a process of measuring the open circuit voltage for each charge and discharge cycle while performing charge and discharge cycles of a secondary battery, and collecting the open circuit voltage corresponding to the number of charge and discharge cycles.
  • the process (A) includes measuring the open circuit voltage of the secondary battery each time one charge/discharge cycle of the secondary battery is completed. At this time, the time to measure the open circuit voltage may be during rest until the next charge after the secondary battery reaches the reference discharge voltage.
  • the process (B) above is a process of diagnosing whether the secondary battery is deteriorated based on the amount of change in open circuit voltage according to the charge/discharge cycle collected through process (A). Specifically, if the condition that the difference between the open circuit voltage of the battery measured in the n-1th charge and discharge cycle and the battery voltage measured in the nth charge and discharge cycle is less than 0.002V is satisfied for 5 charge and discharge cycles, the It includes the process of determining that the secondary battery has deteriorated.
  • the process (A) includes measuring the voltage and open circuit voltage of the secondary battery while repeatedly charging and discharging the secondary battery.
  • Repeating charging and discharging of a secondary battery means charging the secondary battery in a discharged state and then discharging the secondary battery in a charged state as one charging and discharging cycle, and repeating this charging and discharging cycle several times. .
  • the voltage of the secondary battery can be measured during the process of discharging the secondary battery in a charged state. At this time, voltage measurement of the secondary battery may be performed at regular time intervals.
  • the dormant state means stopping the supply of current for charging and discharging the secondary battery. Then, the open circuit voltage of the secondary battery is measured in a resting state after discharge.
  • the charging and discharging method of the process (A) may be a charging and discharging method applicable to secondary batteries, and non-limiting examples include a constant current (CC) method and a constant voltage (Constant Voltage) method.
  • CV constant current
  • CP Constant Power
  • CC-CV Constant Power
  • CP-CV method combining these methods
  • CP-CV method can be listed, and an appropriate charging/discharging method can be selected depending on the type of secondary battery.
  • the CP charging/discharging method may be selected for secondary batteries for ESS.
  • the charge/discharge rate (C-rate, CP-rate) is also not particularly limited, and an appropriate range of charge/discharge rates can be selected considering the charge/discharge characteristics of the electrode.
  • the present invention is based on the change in open circuit voltage in determining whether a secondary battery is deteriorated, and specifically, the open circuit voltage of the battery measured in the n-1th charge and discharge cycle, and the open circuit voltage measured in the nth charge and discharge cycle. If the condition that the amount of change between the open circuit voltages of the battery is less than 0.002V is satisfied for at least 5 charge/discharge cycles, the secondary battery is determined to have degenerated.
  • a battery cell was prepared with a cathode made of 100% artificial graphite as the cathode active material and a cathode made of 100% LiFePO 4 as the cathode active material.
  • the battery cell was charged to 3.65V under 1CP-rate conditions and discharged to 2.5V under 1CP-rate conditions. At this time, while discharging the battery cell, the voltage of the battery cell was monitored, and discharge was terminated when the voltage of the battery cell was 2.5V.
  • the open circuit voltage of the battery cell was measured 5 seconds after the end of discharge, and the result was stored as V 1 .
  • the battery case was opened and the electrode assembly contained therein was disassembled to obtain a negative electrode.
  • the cathode As a result of observing the cathode, it was confirmed that lithium was deposited in the non-face-to-face area. From these results, it appears that the degradation diagnosis method according to the present invention can diagnose lithium accumulation in the area where the cathode does not face the anode.
  • a discharge capacity of 1 was measured in the first charge/discharge cycle.
  • the discharge capacity 2 of the battery cell was measured in a charge/discharge cycle in which the battery cell was determined to be deteriorated.
  • the capacity maintenance rate was calculated according to Equation 1 below.
  • Equation 1 (discharge capacity 2 ⁇ 100)/discharge capacity 1
  • the calculated capacity maintenance rate was 83%.
  • secondary batteries with a capacity retention rate of 80% are considered to be deteriorated, and the deterioration diagnosis method according to the present invention is analyzed to be effective in diagnosing the deterioration of secondary batteries using lithium iron phosphate as a positive electrode active material.
  • the embodiment of the present invention described above is not implemented only through the battery management system 100 and method, but is implemented through a program that realizes the function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded. It may be possible, and such implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs based on the description of the embodiments described above.

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Abstract

본 발명은, 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 양극을 구비한 이차전지의 퇴화 여부를 진단하는 배터리 관리 시스템으로서, 이차전지의 전압 및 개방 회로 전압을 측정하도록 구성된 센싱부; 상기 센싱부가 측정한 개방 회로 전압을 저장하도록 구성된 메모리부; 및 이차전지의 충방전 사이클에 따른 개방 회로 전압의 변화량이, 하기 조건 1을 5회 이상의 충방전 사이클 동안 만족하는 경우에 이차전지가 퇴화된 것으로 판단하도록 구성된 제어부를 포함한다. [조건 1] Vn-1 - Vn < 0.002V (상기 조건 1에서, Vn-1은, n-1번째 충방전 싸이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이고, Vn은 n번째 충방전 사이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이며, n은 임의의 정수임)

Description

배터리 관리 시스템, 이를 포함하는 배터리 팩 및 이차전지의 퇴화 여부 진단 방법
본 출원은 2022.11.11. 출원한 한국 특허 출원 제10-2022-0150244호에 기초한 우선권의 이익을 주장한다.
본 발명은 리튬 인산철을 포함하는 양극을 구비한 이차전지의 퇴화 여부를 진단하기 위한 배터리 관리 시스템, 이를 포함하는 배터리 팩 및 이차전지의 퇴화 여부를 진단하는 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 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 충방전을 반복함에 따라, 용량 및 에너지 감소와 같은 퇴화가 발생하게 된다. 전지가 퇴화되는 경우 용량 유지율과 같은 사이클 성능이 저하되어 전지의 수명이 줄어들게 되고, 사용성이 저하된다. 따라서 사용 중이 이차전지에 대해 퇴화 여부를 진단하고, 퇴화로 진단된 전지에 대해서는 복구할 필요가 있다.
배터리의 퇴화 상태를 진단하기 위한 다양한 기술이 존재한다. 예를 들어, 아래의 특허문헌에는, 미분 전압 분석법(Differential Voltage Analysis, 'DVA'라고 칭할 수도 있음)을 활용하여, 배터리의 Q-dV/dQ 커브로부터 배터리의 퇴화 상태에 관한 정보를 취득하는 것이 개시되어 있다. Q-dV/dQ 커브는, Q축과 dV/dQ축을 가지는 그래프로서 표현될 수 있으며, Q는 축전량, V는 전압, dV는 소정 시간에 걸친 V의 변화량, dQ는 상기 소정 시간에 걸친 Q의 변화량, dV/dQ는 dQ에 대한 dV의 비율을 나타낸다.
그러나, 이러한 기술은, 양극 활물질로서 리튬 인산철이 적용된 양극을 구비한 이차전지의 퇴화 여부를 판단하기에 적합하지 않다. 도 1은 양극 활물질로서 리튬 인산철이 적용된 양극을 구비한 이차전지의 용량에 따른 전압을 도시한 그래프이다. 도 1을 참조하면, 리튬 인산철의 구조적 특징으로 인해, 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 이차전지는, 충방전 용량이 변하여도 전압이 평탄하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은, 올리빈 구조의 리튬 인산철 구조 자체의 안정성과, 방전 상태인 LiFePO4와 충전 상태인 FePO4의 결정 구조가 유사하기 때문에 나타난다. 따라서, 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 이차전지는 미분 전압 분석법에 따라 퇴화 여부나, 퇴화 정도를 판단할 수가 없으므로, 이에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 이차전지에 대하여, 충방전 반복에 따른 퇴화 여부를 진단하는 배터리 관리 시스템과 방법, 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 양극을 구비한 이차전지의 퇴화 여부를 진단하는 배터리 관리 시스템으로서, 이차전지의 전압 및 개방 회로 전압을 측정하도록 구성된 센싱부; 상기 센싱부가 측정한 개방 회로 전압을 저장하도록 구성된 메모리부; 및 이차전지의 충방전 사이클에 따른 개방 회로 전압의 변화량이, 하기 조건 1을 5회 이상의 충방전 사이클 동안 만족하는 경우에 이차전지가 퇴화된 것으로 판단하도록 구성된 제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공한다.
[조건 1]
Vn-1 - Vn < 0.002V
(상기 조건 1에서, Vn-1은, n-1번째 충방전 싸이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이고, Vn은 n번째 충방전 사이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이며, n은 임의의 정수임)
본 발명의 일 실시예에서, 상기 센싱부는, 이차전지가 방전할 때의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 기준 방전 전압에 도달할 때마다 상기 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 센싱부는, 이차전지가 기준 방전 전압에 도달한 후, 휴지 중에 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 센싱부는, 이차전지에 대하여 1회의 충방전 사이클이 종료될 때마다, 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 이차전지와 충전기 간의 전기적 연결을 온-오프(on-off)하는 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은, 상기 배터리 관리 시스템 및 복수의 이차전지를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 이차전지는, 음극 활물질로서 흑연계 음극 활물질을, 음극 활물질의 총 중량에 대하여 50~100% 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지의 퇴화 진단 방법은, 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 양극을 구비한 이차전지의 퇴화 여부를 진단하는 방법으로서, (A) 이차전지에 대하여 충방전을 반복하면서, 이차전지가 방전할 때의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 기준 방전 전압에 도달할 때마다 상기 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하는 과정; 및 (B) 개방 회로 전압의 변화량이, 하기 조건 1을 5회 이상의 충방전 사이클 동안 만족하는 경우에 이차전지가 퇴화된 것으로 판단하는 과정을 포함한다.
[조건 1]
Vn-1 - Vn < 0.002V
(상기 조건 1에서, Vn-1은, n-1번째 충방전 싸이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이고, Vn은 n번째 충방전 사이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이며, n은 임의의 정수임)
본 발명의 일 실시예에서, 상기 (A) 과정은, 이차전지가 기준 방전 전압에 도달한 후, 휴지 중에 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 (A) 과정은, 이차전지에 대하여 1회의 충방전 사이클이 종료될 때마다, 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하는 과정을 포함할 수 있다.
양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 양극을 구비한 이차전지에 있어서, 음극의 전위차가 이차전지의 개방 회로 전압으로 나타나는 특징을 이용하여, 충방전 사이클 진행에 따른 개방 회로 전압의 변화량으로부터 이차전지의 퇴화를 진단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 양극 활물질로서 리튬 인산철이 적용된 양극을 구비한 이차전지의 용량에 따른 전압을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)에 의해 산출된 충방전 사이클에 따른 개방 회로 전압의 측정값을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 퇴화를 진단하기 위한 예시적인 방법을 보여주는 순서도이다.
[부호의 설명]
1: 전기 시스템
2: 상위 컨트롤러
10: 배터리 모듈
11: 이차전지
1000, 2000: 배터리 팩
100, 200: 배터리 관리 시스템
110. 210: 센싱부
120, 220: 메모리부
130, 230: 제어부
240: 스위칭부
250: 인터페이스부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩(1000)은, 전기 시스템(예, 전기 자동차)에 설치 가능하도록 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(100)은, 복수의 이차전지(11)가 포함된 배터리 모듈(10)과 전기적으로 연결되어 복수의 이차전지 각각의 상태를 진단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(100)은, 상기 배터리 모듈(10)과 함께 배터리 팩(1000)에 포함될 수 있다. 도 2는 배터리 팩(1000)에 하나의 배터리 모듈(10)과 하나의 배터리 관리 시스템(100)이 포함된 예시를 도시하였으나, 배터리 팩(1000)에 포함된 배터리 모듈(10) 및 배터리 관리 시스템(100)의 개수는 도 2에 도시된 개수에 국한되지 않는다. 마찬가지로 배터리 모듈(10)에 포함된 이차전지(11)의 개수도 도 2에 도시된 개수에 국한되지 않는다.
본 발명의 배터리 모듈 및 배터리 팩에 포함되는 이차전지에 대하여 설명한다. 본 발명의 배터리 관리 시스템(100)에 의한 퇴화 진단 대상이 되는 이차전지는, 양극의 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함한다. 양극 활물질로서 리튬 인산철이 적용된 리튬 이차전지는, 용량에 따른 전압을 대응시킨 용량-전압 그래프에서, 특정 용량 구간에서는 충방전에 따른 용량 변화에도 불구하고, 전압의 변화량이 0이거나, 0에 근접한 플라토 구간을 포함한다. 종래의 기술로는 리튬 인산철이 적용된 이차전지의 퇴화 여부를 진단하는 방법이 없었다. 본 발명은 이러한 이차전지의 퇴화를 진단할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 리튬 인산철은 하기 화학식 1의 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
Li1+aFe1-xMx(PO4-b)Xb
(상기 화학식 1에서, M은 Al, Mg, Ni, Co, Mn, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Ce, In, Zn 및 Y 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 포함하고, X는 F, S 및 N 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 포함하며, 그리고, a, b, x는 각각 -0.5≤a≤0.5, 0≤b≤0.1, 0≤x≤0.5이다)
예를 들어, 상기 리튬 인산철은 LiFePO4일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 본 발명의 이차전지를 구성하는 음극은, 음극 활물질로서 흑연계 음극 활물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 흑연계 음극 활물질은 음극 활물질의 총 중량에 대하여 50 중량% 내지 100중량%로 포함될 수 있다. 흑연계 음극 활물질은 충전 심도 또는 방전 심도의 변화에 대응하여, 음극의 전위도 변한다. 즉, 흑연계 음극 활물질을 포함하는 음극의 경우, 충전 심도(State Of Charge; SOC) 또는 방전 심도(Depth of Discharge; DOD)와 음극 전위 간의 상관 관계 그래프가, 충전 심도 또는 방전 심도의 변화에 대응하여, 음극의 전위가 변하지 않는 플라토 구간을 포함하고 있지 않으므로, 흑연계 음극 활물질을 포함하는 음극을 구비한 이차전지는 본 발명의 퇴화 진단 방법이 적용되기에 적합한 것이다.
이러한 흑연계 음극 활물질의 구체적 예로는, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소, 저결정성 탄소 및 고결정성 탄소 등의 탄소질 재료와 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있다. 또, 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)를 들 수 있으며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정치피계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소를 들 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)의 구체적인 구성은 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 배터리 관리 시스템(100)은 센싱부(110), 메모리부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
센싱부(110)는, 배터리 모듈(10)에 포함된 이차전지(11)의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 즉, 센싱부(110)는 배터리 모듈(10)에 포함된 이차전지(11)들 각각의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시한 실시예에서, 센싱부(110)는 배터리 모듈(10)에 포함된 제1 이차전지(C1), 제2 이차전지(C2), 제3 이차전지(C3) 및 제4 이차전지(C4)가 방전될 때의 전압을 각각 측정할 수 있다. 구체적으로, 센싱부(110)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 제1 이차전지(C1)의 전압을 측정하고, 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 제2 이차전지(C2)의 전압을 측정할 수 있다. 또한, 센싱부(110)는 제3 센싱 라인(SL3) 및 제4 센싱 라인(SL4)을 통해 제3 이차전지(C3)의 전압을 측정하고, 제4 센싱 라인(SL4) 및 제5 센싱 라인(SL5)을 통해 제4 이차전지(C4)의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 센싱부(110)는 이차전지(11)의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)을 측정하도록 구성된다. 즉, 센싱부(110)는 이차전지(11)의 전압 및 개방 회로 전압을 모두 측정하도록 구성된다. 또한 센싱부(110)는 이차전지가 충전 및 방전될 때 이차전지의 전압을 측정하도록 구성되고, 퇴화 판단을 위해 이차전지(11)의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성된다.
이차전지는 충방전의 반복에 따라 퇴화가 진행되는데, 센싱부(110)는 이차전지(11)가 충방전 되는 동안 이차전지의 전압을 측정하고, 퇴화 진단을 위한 데이터 수집을 위해, 1회의 충방전 사이클이 종료될 때마다, 이차전지(11)의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 여기서 1회의 충방전 사이클이란, 방전된 상태의 이차전지(11)를 충전하였다가, 충전된 상태의 이차전지(11)를 방전하는 과정을 1회의 충방전 사이클로 정의할 수 있다.
센싱부(110)는, 이차전지에 대해 N(N은 2 이상의 정수임)회 충방전 사이클이 진행되는 중에, 측정되는 이차전지의 전압이 기준 방전 전압에 도달할 때마다, 각 이차전지(11)의 개방 회로 전압을 측정할 수 있다. 여기서, 기준 방전 전압은 센싱부(110)가 개방 회로 전압을 측정할 수 있도록 하기 위해, 사용자 등에 의해 미리 설정되어 저장된 전압일 수 있다. 즉, 기준 방전 전압은 센싱부(110)에 의해 이차전지(11)의 개방 회로 전압이 측정되기 위한 참조값으로서, 센싱부(110)가 언제 이차전지(11)의 개방 회로 전압을 측정해야 하는지 그 시기를 제공할 수 있다. 예를 들어, 기준 방전 전압은 2.5V 일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
센싱부(110)는 다수의 이차전지(11)가 방전할 때의 전압을 측정하고, 이차전지(11)의 측정된 전압이 상기 기준 방전 전압에 도달할 때마다 해당 이차전지(11)의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 센싱부(110)는, 이차전지(11)가 기준 방전 전압에 도달한 후, 휴지 중에 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 여기서 휴지 중이란, 이차전지의 방전을 종료한 후, 다음 충방전 사이클의 충전 시까지 일정 시간 동안 대기하는 시간을 의미한다. 비제한적인 예로써, 개방 회로 전압은 방전의 종료 시점으로부터 1초 이후, 상세하게는 3초 이후 1분 이내, 더욱 상세하게는 5초 이후 30 초 이내에 측정될 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 실시예에서, 이차전지(11) 각각에 대하여, 기준 방전 전압이 Vs [V]로 설정되어 있다고 가정한다. 이때, 센싱부(110)는 방전에 의해 제1 이차전지(C1)의 전압이 Vs에 도달하면, 제1 이차전지(C1)의 개방 회로 전압을 측정할 수 있다. 마찬가지로 센싱부(110)는 제2 이차전지(C2), 제3 이차전지(C3), 제4 이차전지(C4)의 각 전압이 Vs에 도달하면, Vs에 도달한 이차전지의 개방 회로 전압을 측정할 수 있다.
하나의 구체적 예에서 센싱부(110)는, 전압 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 전압 센서는 이차전지(11)의 양극 단자 및 음극 단자에 전기적으로 연결된다. 전압 센서는, 이차전지의 충방전 경로에 설치될 수 있다. 또한 센싱부(110)는, 전류 센서(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 전류 센서는 이차전지가 충전 또는 방전되는 동안에, 이차전지의 전류를 소정 시간마다 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 메모리부(120)는, 상기 센싱부(110)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 메모리부(120)는, 센싱부(110)가 측정한 개방 회로 전압 측정값을 저장하고, 그 밖의 여러 센싱 정보를 저장하도록 구성될 수 있다. 또한 메모리부(120)는 배터리 관리 시스템(100)의 각 구성 요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다.
메모리부(120)는, 충방전을 반복하면서, 충방전 사이클이 종료될 때마다, 측정한 이차전지(11)의 개방 회로 전압을 저장하도록 구성될 수 있다. 일 예시로서 메모리부(120)는, 이차전지(11)에 대하여 첫번째 충방전 사이클의 방전 과정에서, 기준 방전 전압에 도달할 때 측정한 개방 회로 전압(V1)을 저장하고, 두번째 충방전 사이클의 방전 과정에서, 기준 방전 전압에 도달할 때 측정한 개방 회로 전압(V2)을 저장하는 방식으로, 충방전 사이클을 진행할 때마다 측정한 개방 회로 전압값을 저장하도록 구성될 수 있다.
메모리부(120)는, 데이터를 기록, 소거 및 갱신할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 메모리부(120)는, 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
제어부(130)는 센싱부(110)에 의해 측정된 개방 회로 전압을 수신할 수 있다. 제어부(130)는 배터리 관리 시스템(100) 내부에서 메모리부(120))와 전기적 신호를 주고받을 수 있도록 구성되어, 메모리부(120)에 저장된 충방전 사이클에 따른 개방 회로 전압 데이터를 수신할 수 있다.
제어부(130)는 메모리부(120)로부터, 충방전 사이클에 따라 측정된 각 개방 회로 전압의 변화량을 연산하도록 구성될 수 있으며, 개방 회로 전압의 변화량이, 하기 조건 1을 만족하되, 5회 이상의 충방전 사이클 동안 만족하는 경우에, 이차전지가 퇴화된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
[조건 1]
Vn-1 - Vn < 0.002V
(상기 조건 1에서, Vn-1은, n-1번째 충방전 싸이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이고, Vn은 n번째 충방전 사이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이며, n은 임의의 정수임)
즉, 제어부(130)는, 직전 충방전 사이클에서 측정한 개방 회로 전압(Vn-1)과 당해 충방전 사이클에서 측정한 개방 회로 전압(Vn)의 변화량이 0.002V 미만인지 여부를 판단하고, 이러한 개방 회로 전압의 변화량이, 상기 조건 1을 적어도 5회 의 충방전 사이클 동안 만족하는 경우, 해당 이차전지를 퇴화한 것으로 판단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)에 의해 산출된 충방전 사이클에 따른 개방 회로 전압의 측정값을 예시적으로 보여주는 그래프이다. 제어부(130)는, 메모리부(120)에 저장된 개방 회로 전압 데이터로부터 도 4에 도시한 그래프를 생성할 수 있다. 도 4의 그래프는, 충방전 사이클 수(cycle number)와 개방 회로 전압 간의 관계를 나타내고 있으며, 충방전 사이클의 진행에 따라 개방 회로 전압은 점차 감소하며, 전압의 변화량은 점차 작아지다가 약 1500 사이클 이후에는 개방 회로 전압의 변화량이 0에 가까워지고 있다.
올리빈 구조의 리튬 인산철은 스피넬 구조 또는 층상 구조의 양극 활물질과 비교해, 퇴화나 열화에 의한 구조 변화가 안정적이고, 그로 인해 리튬 인산철은 충방전에 따른 전압의 변화가 크지 않다. 따라서, 리튬 인산철을 포함하는 양극을 구비한 이차전지는, 음극의 전위차로 이차전지의 전압이 결정되는 경우가 많다. 즉, 리튬 인산철계 이차전지는 측정된 개방 회로 전압으로서, 음극의 전위차를 파악하기 용이하다.
이에 본 발명은 리튬 인산철 양극을 구비한 이차전지의 퇴화를 진단하기 위해, 충방전 사이클의 진행 중 방전 후 휴지 단계에서 측정한 이차전지의 개방 회로 전압의 변화량이 일정 사이클 동안 0.002V 미만인 경우, 음극이 퇴화된 것으로 간주하고 이차전지의 퇴화 여부를 판단할 수 있다.
양극 활물질로서 상기 리튬 인산철이 적용된 양극을 구비한 리튬 이차전지는, 충방전 사이클이 누적됨에 따라 양극과 음극의 충방전 속도의 차이로 인해, 음극에서 양극과 대면하지 않는 비대면부에 리튬이 충전되는 현상이 나타날 수 있다. 음극에서 양극과 대면하지 않는 비대면부는, 음극이 양극 보다 크게 재단되기 때문에 존재하게 되는데, 통상적으로는 음극의 가장자리부가 비대면부가 된다. 이러한 비대면부에 리튬이 충전되는 현상이 지속적으로 발생하면, 충방전에 필요한 리튬이 비대면부에 누적되어 전지의 용량이 저하될 뿐만 아니라, 리튬의 석출로 안전성의 문제가 발생할 수 있다.
양극 활물질로서 리튬 인산철이 적용된 이차전지는, 개방 회로 전압의 거동을 통해, 음극의 전위차를 파악할 수 있고, 음극에서 양극과 대면하지 않는 비대면부에, 리튬의 충전으로 인해 가용 리튬의 감소가 심화되어 퇴화되면, 일정 충방전 사이클 이상 음극의 전위가 변화하지 않게 되므로, 본 발명은 이차전지의 개방 회로 전압의 거동을 통해, 상기 비대면부의 리튬 충전으로 인한 이차전지의 퇴화 여부를 진단할 수 있는 것이다.
제어부(130)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)에서 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(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리부에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 예컨대 제어부(130)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)에 구비된 프로세서로서, 판단한 이차전지(11)의 퇴화 여부를 디스플레이 장치 등의 출력 장치를 통해 사용자에게 제공할 수 있다. 또한 제어부(130)는, 이차전지(11)의 퇴화 여부에 대한 판단 결과에 기반하여, 외부 알림 장치를 통해서 사용자에게 이차전지(11)의 교체 또는 경고 알람을 제공할 수도 있다.
본 발명의 배터리 관리 시스템은, 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 양극을 구비한 이차전지에 있어서, 음극의 전위차가 이차전지의 개방 회로 전압으로 나타나는 특징을 이용하여, 충방전 사이클 진행에 따른 개방 회로 전압의 변화량으로부터 음극의 퇴화를 이차전지의 퇴화로 간주해, 이차전지의 퇴화를 진단할 수 있는 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩의 개략도이다. 도 5를 참조하면, 배터리 관리 시스템(200)은, 이차전지(11)와 충전기 간의 전기적 연결을 온-오프(on-off)하기 위한 스위칭부(240)와 인터페이스부(250)를 더 포함할 수 있다.
스위칭부(240)는, 스위치(241) 및 스위치 드라이버(242)를 포함할 수 있다. 스위치(241)는, 이차전지(11)의 충방전을 위한 전류의 경로에 설치된다. 스위치(241)가 턴-온되어 있는 동안, 이차전지(11)의 충방전이 가능하다. 스위치(241)는, 코일의 자기력에 의해 온-오프(on-off)되는 기계식 릴레이이거나, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다. 스위치(241)가 턴-오프되어 있는 동안 이차전지(11)의 충방전은 중단된다. 일 실시예에서 스위치(241)는 제1 제어 신호에 응답하여 턴-온될 수 있고, 제2 제어 신호에 응답하여, 턴-오프될 수 있다.
스위치 드라이버(242)는, 스위치(241) 및 제어부(230)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 제어부(230)로부터의 명령에 응답하여 제1 제어 신호 또는 제2 제어 신호를 상기 스위치(241)에게 선택적으로 출력하도록 구성된다. 제어부(230)는 소정의 이벤트들 중 적어도 하나가 발생한 경우, 스위치(241)를 턴-온 또는 턴-오프 시킬 것을 스위치 드라이버(242)에게 명령할 수 있다.
인터페이스부(250)는, 제어부(230)와 전기 시스템(1)의 상위 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성된다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: Controller Area Network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론 제어부(230)와 상위 컨트롤러(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프로토콜의 종류는 특별히 한정되지 것은 아니다.
인터페이스부(250)는, 제어부(230)에 의해 수행되는 이차전지(11)의 퇴화 상태에 관한 프로세스의 결과를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 디스플레이나, 스피커 등과 같은 출력 장치(미도시)를 포함할 수 있다. 인터페이스부(250)는, 사용자로부터의 데이터를 입력 받을 수 있는 마우스, 키보드 등과 같은 입력 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 퇴화를 진단하기 위한 예시적인 방법을 보여주는 순서도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지의 퇴화 진단 방법은, (A) 이차전지에 대하여 충방전을 반복하면서, 이차전지가 방전할 때의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 기준 방전 전압에 도달할 때마다 상기 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하는 과정; 및 (B) 개방 회로 전압의 변화량이, 하기 조건 1을 5회 이상의 충방전 사이클 동안 만족하는 경우에 이차전지가 퇴화된 것으로 판단하는 과정을 포함한다.
[조건 1]
Vn-1 - Vn < 0.002V
(상기 조건 1에서, Vn-1은, n-1번째 충방전 싸이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이고, Vn은 n번째 충방전 사이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이며, n은 임의의 정수임)
본 발명에 따른 이차전지의 퇴화 진단 방법이 적용되는 이차전지는 전술한 바와 같다.
상기 (A) 과정은, 이차전지의 퇴화 여부를 진단하기 위한 데이터를 수집하는 과정이다. 본 발명에 따른 퇴화 진단 방법은, 이차전지의 충방전 사이클을 진행하면서, 각각의 충방전 사이클마다 개방 회로 전압을 측정하고, 충방전 사이클의 횟수에 대응하는 개방 회로 전압을 수집하는 과정이다.
따라서, 상기 (A) 과정은, 이차전지에 대하여 1회의 충방전 사이클이 종료될 때마다, 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하는 과정을 포함한다. 이 때 개방 회로 전압의 측정 시기는, 이차전지가 기준 방전 전압에 도달한 후, 다음 충전 까지의 휴지 중일 수 있다.
상기 (B) 과정은, (A) 과정을 통해 수집한 충방전 사이클에 따른 개방 회로 전압의 변화량에 기반하여, 이차전지의 퇴화 여부를 진단하는 과정이다. 구체적으로는, n-1번째 충방전 싸이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압과 n번째 충방전 사이클에서 측정된 전지의 전압 간의 차이가 0.002V 미만인 조건을 5회의 충방전 사이클 동안 만족하는 경우, 해당 이차전지가 퇴화된 것으로 판단하는 과정을 포함한다.
도 6을 참조하면, 상기 (A) 과정은, 이차전지의 충방전을 반복하면서, 이차전지의 전압과 개방회로 전압을 측정하는 과정을 포함한다.
이차전지의 충방전을 반복하는 것은, 방전 상태의 이차전지를 충전한 후, 충전 상태의 이차전지를 방전하는 과정을 1회의 충방전 사이클로 하여, 이 같은 충방전 사이클을 수차례 반복하는 것을 의미한다.
하나의 충방전 사이클에서는, 이차전지를 충전한 후, 충전 상태의 이차전지를 방전하는 과정에서 이차전지의 전압을 측정할 수 있다. 이때 이차전지의 전압 측정은, 일정한 시간적 간격마다 수행될 수 있다.
측정한 이차전지의 전압이, 기준 방전 전압에 도달하는지 여부를 모니터링 하면서, 이차전지의 전압 측정값이 기준 방전 전압에 도달할 때까지 이차전지의 방전 및 전압 측정을 계속 수행한다.
만약 전압 측정값이, 기준 방전 전압에 도달하면, 이차전지에 대한 방전을 종료하여, 이차전지가 휴지 상태가 되도록 한다. 휴지 상태란 이차전지에 대해 충방전을 위한 전류 공급을 중단하는 것을 의미한다. 그리고, 이러한 방전 후 휴지 상태에서 이차전지의 개방 회로 전압을 측정한다.
예시적인 실시예에서, 상기 (A) 과정의 충방전 방법은, 이차전지에 적용 가능한 충방전 방법이 사용될 수 있으며, 비제한적인 예로써, 정전류(Constant Current;CC) 방법, 정전압(Constant Voltage;CV) 방법, 정출력(Constant Power;CP) 방법, 이들을 결합시킨 CC-CV 방법, CP-CV 방법을 열거할 수 있으며, 이차전지의 종류에 따라 적절한 충방전 방법을 선택할 수 있다. 예컨대 ESS용 이차전지는 CP 충방전 방법이 선택될 수 있다. 충방전 속도(C-rate, CP-rate) 역시 특별히 제한되지 아니하며, 전극의 충방전 특성을 고려하여 적절한 범위의 충방전 속도를 선택할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 이차전지의 충방전 사이클이 진행됨에 따라, 이차전지의 개방 회로 전압의 변화량은 점차적으로 감소하게 되고, 결국에는 개방 회로 전압의 변화량이 0.002V 미만이 된다.
본 발명은 이차전지의 퇴화 여부를 판단함에 있어서, 개방 회로 전압의 변화량에 기반하며, 구체적으로는 n-1번째 충방전 싸이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압과, n번째 충방전 사이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압 간의 변화량이 0.002V 미만인 조건을 적어도 5회의 충방전 사이클 동안 만족하게 되면, 해당 이차전지를 퇴화한 것으로 판단한다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예
(이차전지의 충방전 사이클별로 개방 회로 전압을 수집하는 과정)
음극 활물질로서 인조흑연 100%인 음극, 양극 활물질로서 LiFePO4 100% 인 양극을 구비한 배터리 셀을 준비하였다. 상기 배터리 셀에 대해 1CP-rate의 조건으로 3.65V까지 충전하고, 1CP-rate의 조건으로 2.5V까지 방전하였다. 이 때, 배터리 셀의 방전 중에는, 배터리 셀의 전압을 모니터링하면서, 배터리 셀의 전압이 2.5V 일 때, 방전을 종료하였다. 방전의 종료 시점으로부터 5초 후에 배터리 셀의 개방 회로 전압을 측정하고 그 결과를 V1으로써 저장하였다.
이후, 상기와 같은 방법으로 충방전을 n회 반복하되, 충방전 사이클마다 측정한 각각의 개방 회로 전압을 V2,V3…Vn으로써 저장하였다.
(이차전지의 퇴화 여부를 판단하는 과정)
상기 배터리 셀에 대해 충방전을 반복하면서, 이전의 충방전 사이클에서 측정한 개방 회로 전압(Vn-1)과, 당해 충방전 사이클에서 측정한 개방 회로 전압(Vn)의 차이를 계산하고, 개방 회로 전압의 차이가 0.002 V보다 작은 횟수가 5회 누적되면, 배터리 셀에 대한 충방전을 종료하고, 해당 배터리 셀이 퇴화된 것으로 판단하였다.
실험예 1: 음극에서 양극과 대면하지 않는 비대면부의 리튬 확인
상기 실시예에 따라 퇴화된 것으로 판정된 배터리 셀에서, 전지케이스를 개방해, 내부에 수용된 전극조립체를 분해해 음극을 얻었다. 음극을 관찰한 결과 비대면부에 리튬이 석출된 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과로부터 본 발명에 따른 퇴화 진단 방법은, 음극에서 양극과 비대면하는 부위에 리튬이 축적된 것을 진단할 수 있을 것으로 보인다.
실험예 2: 용량유지율 확인
상기 실시예의 배터리 셀에 대해, 최초의 충방전 사이클에서 방전 용량 1을 측정하였다. 상기 실시예에 따라 배터리 셀이 퇴화된 것으로 판정된 충방전 사이클에서 배터리 셀의 방전 용량 2를 측정하였다. 그리고 하기 식 1에 따라 용량유지율을 계산하였다.
식 1: (방전 용량 2 × 100)/ 방전 용량 1
계산된 용량유지율은 83%였다. 일반적으로 용량유지율이 80%인 이차전지는 퇴화된 것으로 간주되는 바, 본 발명에 따른 퇴화 진단 방법은, 양극 활물질로써 리튬 인산철이 적용된 이차전지의 퇴화 진단에 유효한 것으로 분석된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 배터리 관리 시스템(100) 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

Claims (11)

  1. 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 양극을 구비한 이차전지의 퇴화 여부를 진단하는 배터리 관리 시스템으로서,
    이차전지의 전압 및 개방 회로 전압을 측정하도록 구성된 센싱부;
    상기 센싱부가 측정한 개방 회로 전압을 저장하도록 구성된 메모리부; 및
    이차전지의 충방전 사이클에 따른 개방 회로 전압의 변화량이, 하기 조건 1을 5회 이상의 충방전 사이클 동안 만족하는 경우에 이차전지가 퇴화된 것으로 판단하도록 구성된 제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템.
    [조건 1]
    Vn-1 - Vn < 0.002V
    (상기 조건 1에서, Vn-1은, n-1번째 충방전 싸이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이고, Vn은 n번째 충방전 사이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이며, n은 임의의 정수임)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱부는, 이차전지가 방전할 때의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 기준 방전 전압에 도달할 때마다 상기 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성된 배터리 관리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 센싱부는, 이차전지가 기준 방전 전압에 도달한 후, 휴지 중에 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성된 배터리 관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱부는, 이차전지에 대하여 1회의 충방전 사이클이 종료될 때마다, 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하도록 구성된 배터리 관리 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    이차전지와 충전기 간의 전기적 연결을 온-오프(on-off)하는 스위칭부를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  6. 청구항 1에 따른 배터리 관리 시스템; 및
    복수의 이차전지를 포함하는 배터리 팩.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 이차전지는, 음극 활물질로서 흑연계 음극 활물질을, 음극 내 포함된 음극 활물질의 총 중량에 대하여 50~100% 포함하는 배터리 팩.
  8. 양극 활물질로서 리튬 인산철을 포함하는 양극을 구비한 이차전지의 퇴화 여부를 진단하는 방법으로서,
    (A) 이차전지에 대하여 충방전을 반복하면서, 이차전지가 방전할 때의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 기준 방전 전압에 도달할 때마다 상기 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하는 과정; 및
    (B) 개방 회로 전압의 변화량이, 하기 조건 1을 5회 이상의 충방전 사이클 동안 만족하는 경우에 이차전지가 퇴화된 것으로 판단하는 과정을 포함하는 이차전지의 퇴화 진단 방법.
    [조건 1]
    Vn-1 - Vn < 0.002V
    (상기 조건 1에서, Vn-1은, n-1번째 충방전 싸이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이고, Vn은 n번째 충방전 사이클에서 측정된 전지의 개방 회로 전압이며, n은 임의의 정수임)
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 (A) 과정은, 이차전지가 기준 방전 전압에 도달한 후, 휴지 중에 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하는 과정을 포함하는 이차전지의 퇴화 진단 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 (A) 과정은, 이차전지에 대하여 1회의 충방전 사이클이 종료될 때마다, 이차전지의 개방 회로 전압을 측정하는 과정을 포함하는 이차전지의 퇴화 진단 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 이차전지는, 음극 활물질로서 흑연계 음극 활물질을 50~100% 포함하는 이차전지의 퇴화 진단 방법.
PCT/KR2023/018007 2022-11-11 2023-11-09 배터리 관리 시스템, 이를 포함하는 배터리 팩 및 이차전지의 퇴화 여부 진단 방법 Ceased WO2024101930A1 (ko)

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