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WO2018038383A1 - 배터리 셀의 성능 테스트 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 셀의 성능 테스트 장치 및 방법 Download PDF

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WO2018038383A1
WO2018038383A1 PCT/KR2017/006915 KR2017006915W WO2018038383A1 WO 2018038383 A1 WO2018038383 A1 WO 2018038383A1 KR 2017006915 W KR2017006915 W KR 2017006915W WO 2018038383 A1 WO2018038383 A1 WO 2018038383A1
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WO
WIPO (PCT)
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limit value
upper limit
lower limit
anode
negative electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2017/006915
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
임진형
윤두성
조원태
최용석
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Chem Ltd filed Critical LG Chem Ltd
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Priority to US16/070,701 priority patent/US10884065B2/en
Priority to ES17843803T priority patent/ES2972559T3/es
Priority to PL17843803.2T priority patent/PL3396396T3/pl
Priority to CN201780008464.9A priority patent/CN108603918B/zh
Priority to JP2018534925A priority patent/JP6656383B2/ja
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for testing performance of a battery cell, and more particularly, to an apparatus and method for nondestructively testing an electrochemical performance of a battery cell.
  • lithium batteries have almost no memory effect compared to nickel-based batteries, and thus are free of charge and discharge. It is very low and has high energy density.
  • the battery cell constituting the battery basically includes a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte.
  • the operating ions eg, lithium ions
  • charge and discharge of the battery cell are made.
  • Battery cells are manufactured through an activation process.
  • the battery cells are charged and discharged a predetermined number of times under predetermined conditions while the battery cells are connected to the charging / discharging device.
  • the maximum capacity value actually extractable from the battery cell may be estimated according to the ratio of the charge capacity and the discharge capacity of the battery cell measured during the activation process.
  • the maximum capacity value may be referred to as full charge capacity (FCC).
  • the information on the usage region including a voltage window across the battery cell can be roughly obtained, and the information on the usage region of each of the positive and negative electrodes of the battery cell is obtained. There is a limit that can not be identified until.
  • the maximum capacity value of the battery cell is determined in advance. It will be smaller than the value.
  • the conventional performance test method does not provide information on the cause of the difference between the predetermined design capacity value and the maximum capacity value of the battery cell after the activation process.
  • a three-electrode test method has been disclosed to solve the above problem.
  • the use area and the maximum capacity of each of the positive and negative electrodes of the battery cell are measured by comparing the potential of each of the positive and negative electrodes of the battery cell with the potential of the reference electrode.
  • the reference electrode may affect the electrochemical characteristics of the battery cell, the results measured from the battery cell with the reference electrode may not correspond to the actual electrochemical characteristics of the battery cell without the reference electrode.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an apparatus and method for accurately testing the performance of a battery cell without disassembling the battery cell to attach a reference electrode or the like.
  • an apparatus for testing a performance of a battery cell may include predetermined first profile data, second profile data, first positive electrode upper limit value, first positive electrode lower limit value, and first positive electrode value determined through a preliminary experiment on each of a plurality of reference cells.
  • a memory configured to store a negative upper limit and a first negative lower limit;
  • a sensing unit configured to measure an open voltage of the test cell according to a change in SOC of a test cell;
  • a controller electrically connected to the memory and the sensing unit, the controller configured to non-destructively test the performance of the test cell.
  • the first profile data represents a change in the opening voltage of the anode of the reference cell according to the change of the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell
  • the second profile data is lithium stored in the cathode of the reference cell.
  • the change in the open voltage of the cathode of the reference cell according to the change in the amount of ions is shown.
  • the first positive upper limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the positive electrode of the reference cell at the upper limit of the predetermined SOC range
  • the first positive lower limit value is lithium stored at the positive electrode of the reference cell at the lower limit of the predetermined SOC range.
  • the first cathode upper limit value corresponds to the amount of ions
  • the first cathode upper limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the cathode of the reference cell at an upper limit value of the predetermined SOC range
  • the first cathode lower limit value is set at a lower limit value of the predetermined SOC range. It corresponds to the amount of lithium ions stored in the cathode of the reference cell.
  • the control unit opens the reference cell with respect to the predetermined SOC range based on the first profile data, the second profile data, the first positive electrode upper limit value, the first positive electrode lower limit value, the first negative electrode upper limit value, and the first negative electrode lower limit value.
  • Third profile data representing a change in voltage is generated.
  • the controller generates fourth profile data representing a change in the open voltage of both ends of the test cell with respect to the predetermined SOC range measured by the sensing unit.
  • the controller estimates a second positive electrode upper limit value, a second positive electrode lower limit value, a second negative electrode upper limit value, and a second negative electrode lower limit value of the test cell based on the third profile data and the fourth profile data.
  • the upper limit of the second anode corresponds to the amount of lithium ions stored in the anode of the test cell at the upper limit of the predetermined SOC range
  • the lower limit of the second anode is the anode of the test cell at the lower limit of the predetermined SOC range.
  • the second negative electrode upper limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the test cell at an upper limit value of the predetermined SOC range
  • the second negative electrode lower limit value corresponds to the predetermined SOC range.
  • the lower limit of corresponds to the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the test cell.
  • the controller also declares a cost function that represents the sum of squares of the residual between the third profile data and the fourth profile data for a plurality of sample values within the predetermined SOC range.
  • the controller may estimate the second positive electrode upper limit value, the second positive electrode lower limit value, the second negative electrode upper limit value, and the second negative electrode lower limit value of the test cell to minimize the value of the cost function through a predetermined probability model.
  • the control unit may further include a second anode upper limit value, a second anode lower limit value, a second cathode upper limit value, and a second cathode upper limit value of the test cell to minimize the value of the cost function using a predetermined optimization algorithm or a Bayesian estimation technique.
  • the lower limit of the negative electrode can be estimated.
  • the memory further stores the maximum capacity value of the test cell.
  • the control unit calculates a first capacitance value representing the maximum capacitance of the positive electrode of the test cell by using Equation 1 below, and uses the equation 2 to indicate a second capacitance representing the maximum capacitance of the negative electrode of the test cell.
  • the capacity value can be calculated.
  • the Q t F is the maximum capacity value
  • the p f ' is the second positive upper limit value
  • the p i' is the n f the second positive lower limit value
  • the n i ' is the first 2 A negative electrode lower limit value
  • Q t P is the first capacitance value
  • Q t N is the second capacitance value
  • the controller may calculate the irreversible capacity of the test cell by using Equation 3 below.
  • the Q loss is the irreversible capacity.
  • the controller may calculate a ratio between the maximum capacity of the cathode of the test cell and the maximum capacity of the anode of the test cell by using Equation 4 below.
  • R NP is the ratio between the maximum capacity of the cathode of the test cell and the maximum capacity of the anode of the test cell.
  • the control unit is further configured to generate the fourth profile data by averaging the voltage profile at the time of charging and the voltage profile at the time of discharging the test cell within the predetermined SOC range.
  • controller may generate the fourth profile data based on voltages across the test cell measured through voltage relaxation in the predetermined SOC range.
  • a method for testing performance of a battery cell may include: (a) a first profile data, a second profile data, a first positive electrode upper limit value, and a first positive electrode lower limit value predetermined through a preliminary experiment on each of a plurality of reference cells; Storing a first negative electrode upper limit value and a first negative electrode lower limit value; (b) based on the first profile data, the second profile data, the first positive electrode upper limit value, the first positive electrode lower limit value, the first negative electrode upper limit value, and the first negative electrode lower limit value, the opening voltage of the reference cell for a predetermined SOC range.
  • Generating third profile data representing the change (c) measuring an open voltage of the test cell according to a change in the SOC of the test cell; (d) generating fourth profile data representing a change in open voltage across the test cell for the predetermined SOC range based on the measured open voltage of the test cell; And (e) estimating a second anode upper limit value, a second anode lower limit value, a second cathode upper limit value, and a second cathode lower limit value of the test cell based on the third profile data and the fourth profile data.
  • the first profile data indicates a change in the opening voltage of the anode of the reference cell according to the change of the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell
  • the second profile data is stored in the cathode of the reference cell.
  • the change in the open voltage of the negative electrode of the reference cell according to the change in the amount of stored lithium ions is shown.
  • the first anode upper limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell at the upper limit of the predetermined SOC range
  • the first anode lower limit value is stored at the anode of the reference cell at the lower limit of the predetermined SOC range.
  • the first negative electrode upper limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the reference cell at an upper limit value of the predetermined SOC range
  • the first negative electrode lower limit value is a lower limit value of the predetermined SOC range.
  • the second anode upper limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the anode of the test cell at the upper limit of the predetermined SOC range
  • the second anode lower limit value is stored at the anode of the test cell at the lower limit of the predetermined SOC range.
  • the second negative electrode upper limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the test cell at an upper limit value of the predetermined SOC range
  • the second negative electrode lower limit value is a lower limit value of the predetermined SOC range.
  • the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the test cell corresponds to the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the test cell.
  • the step (e) may include: (e-1) declaring a cost function representing a sum of squares of a residual between the third profile data and the fourth profile data for a plurality of sample values within the predetermined SOC range; And (e-2) estimating a second anode upper limit value, a second anode lower limit value, a second cathode upper limit value, and a second cathode lower limit value of the test cell to minimize the value of the cost function through a predetermined probability model. It may include.
  • step (e-2), the second anode upper limit value, the second anode lower limit value, the second anode lower limit value of the test cell to minimize the value of the cost function, using a predetermined optimization algorithm or Bayesian estimation technique
  • the negative electrode upper limit value and the 2nd negative electrode lower limit value can be estimated.
  • the performance test of the battery cell can be performed without disassembling the battery cell to attach the reference electrode or the like. That is, information about the electrochemical performance of each of the positive electrode and the negative electrode of the battery cell can be obtained non-destructively.
  • a usage area of each of the positive electrode and the negative electrode of the battery cell may be estimated.
  • FIG. 1 is a view showing the functional configuration of a test apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 show the anode open voltage profile of the reference cell provided from the first profile data described above with reference to FIG. 1.
  • FIG. 6 illustrates an open voltage profile across the reference cell provided from the third profile data described above with reference to FIG. 1.
  • FIG 7 shows an open voltage profile across the test cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram referred to for describing a method of estimating a use area of a test cell according to an embodiment of the present invention.
  • 11 is a table showing a comparison result between estimated performance and actual performance of a test cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a performance test method of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • control unit> means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • the battery cell will be referred to as a 'cell'.
  • the various voltage profiles to be described below are not necessarily limited to the continuous form, but may have a discrete form.
  • FIG. 1 is a view showing a functional configuration of a test device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the test apparatus 100 includes a memory 110, a sensing unit 120, and a controller 130.
  • the memory 110 is configured to store reference information predetermined as representing the performance of each of the plurality of reference cells.
  • the reference information is used as a reference for comparison to test the performance of the test cell to be described later.
  • the reference information includes at least the first profile data, the second profile data, the first positive electrode upper limit value, the first positive electrode lower limit value, the first negative electrode upper limit value, and the first negative electrode lower limit value.
  • the reference information is obtained through a preliminary experiment on the reference cell in the beginning of life (BOL).
  • the BOL may refer to a period from the initial manufacturing time of the reference cell to the time when the charge / discharge cycle reaches a predetermined number.
  • the first profile data represents a change in the open voltage of the anode of the reference cell according to the change of the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell. For example, as charging of the reference cell proceeds, the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell gradually decreases, while the potential of the anode of the reference cell gradually increases.
  • the second profile data represents a change in the open voltage of the negative electrode of the reference cell according to the change of the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the reference cell. For example, as charging of the reference cell proceeds, the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the reference cell gradually increases, while the potential of the negative electrode of the reference cell gradually decreases.
  • the first anode upper limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell at the upper limit of the predetermined SOC range.
  • the first anode upper limit value is a state of charge (SOC) of the reference cell at the first threshold based on a first threshold representing the maximum amount of operating ions (eg, lithium ions) that can be stored in the anode of the reference cell.
  • SOC state of charge
  • a first threshold representing the maximum amount of operating ions (eg, lithium ions) that can be stored in the anode of the reference cell.
  • a stoichiometric value in which the value obtained by subtracting the first experimental value representing the amount of operating ions stored in the anode of the reference cell at the time when the upper limit of the predetermined SOC range is reached is in the range of 0 to 1.
  • the first anode lower limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the anode of the reference cell at the lower limit of the predetermined SOC range.
  • the first anode lower limit value represents the amount of operating ions stored in the anode of the reference cell when the SOC of the reference cell reaches the lower limit of a predetermined SOC range at the first threshold based on the first threshold. It means the stoichiometric value which shows the value which subtracted the 2nd experimental value within the range of 0-1. For example, when the amount of operating ions stored in the anode of the reference cell is 80% of the first threshold when the SOC of the reference cell reaches the lower limit of the predetermined SOC range, the first anode lower limit is (100% -80%).
  • the first negative electrode upper limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the reference cell at the upper limit of the predetermined SOC range.
  • the first cathode upper limit value is stored in the cathode of the reference cell when the SOC of the reference cell reaches the upper limit of the predetermined SOC range based on a second threshold indicating the maximum amount of operating ions that can be stored in the cathode of the reference cell. It means the stoichiometric value which shows the 3rd experimental value which shows the quantity of working ion within the range of 0-1.
  • the first negative electrode lower limit value corresponds to the amount of lithium ions stored in the negative electrode of the reference cell at the lower limit of the predetermined SOC range.
  • the memory 110 may additionally store various data commands and software required for the overall operation of the test apparatus 100.
  • the memory 110 may be a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type, an SSD type, a silicon disk drive type, or a multimedia card micro type. type, random access memory (RAM), static random access memory (SRAM), read-only memory (ROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), or programmable read-only memory (PROM). It may include a storage medium corresponding to at least one type.
  • the sensing unit 120 may include at least one of a voltage sensor 121, a current sensor 122, and a temperature sensor 123. At least one of the voltage sensor 121, the current sensor 122, and the temperature sensor 123 individually controls at least one of the voltage, current, and temperature of the test cell 10 in response to a control signal provided from the controller 130. Measure and transmit the data indicating the measured value to the controller 130.
  • the controller 130 is configured to reference data and instructions stored in the memory 110 or to drive software to test the performance of the test cell nondestructively.
  • the controller 130 may execute software for at least one of measuring voltage, current, and temperature of the test cell, SOC calculation, SOH estimation, and temperature management.
  • the controller 130 may be implemented in hardware such as application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), and microprocessors ( microprocessors) and electrical units for performing other functions.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • microprocessors microprocessors
  • the controller 130 may determine a predetermined SOC range based on the first profile data, the second profile data, the first anode upper limit value, the first anode lower limit value, the first cathode upper limit value, and the first cathode lower limit value of each of the plurality of reference cells.
  • Third profile data representing a change in the open voltage across the reference cells may be generated.
  • the third profile data is a difference between the positive open voltage profile of the reference cell provided by the first profile data and the negative open voltage profile of the reference cell provided by the second profile data, that is, the open voltage profile across the reference cell. It represents.
  • the controller 130 may generate fourth profile data associated with a test cell separate from the reference cell.
  • the test cell may be designed and manufactured to have the same electrochemical characteristics as the reference cell. However, due to a process error or the like, actual performance between at least one of the test cell and the reference cells may be different from each other.
  • the controller 130 may generate fourth profile data indicating an open voltage profile at both ends of the test cell for a predetermined SOC range, based on the voltage data of the test cell provided from the sensing unit 120. have. That is, the fourth profile data represents a change in the open voltage across the test cell for the predetermined SOC range.
  • the control unit 130 When generation of the fourth profile data is completed, the control unit 130 based on the third profile data and the fourth profile data, the second positive electrode upper limit value, the second positive electrode lower limit value, the second negative electrode upper limit value and the second negative electrode lower limit value of the test cell. Can be estimated.
  • the second anode upper limit value corresponds to the amount of operating ions estimated to be stored in the anode of the test cell when the SOC of the test cell is the upper limit of the predetermined SOC range.
  • the second anode lower limit value corresponds to the amount of operating ions estimated to be stored in the anode of the test cell when the SOC of the test cell is the lower limit of the predetermined SOC range.
  • the second negative upper limit value corresponds to the amount of operating ions estimated to be stored in the negative electrode of the test cell when the SOC of the test cell is the upper limit of the predetermined SOC range.
  • the second negative upper limit value is a third estimated value indicating the amount of operating ions estimated to be stored in the negative electrode of the test cell when the SOC of the test cell reaches the upper limit of the predetermined SOC range based on the second threshold.
  • the second negative electrode lower limit value corresponds to the amount of operating ions estimated to be stored in the negative electrode of the test cell when the SOC of the test cell is the lower limit of the predetermined SOC range.
  • the second negative upper limit value is a fourth estimated value representing the amount of operating ions estimated to be stored in the negative electrode of the test cell when the SOC of the test cell reaches the lower limit of the predetermined SOC range based on the second threshold. Means a stoichiometric value within the range of 0 to 1.
  • the positive and negative electrodes of the reference and test cells are Li x MeO 2 and Li y C 6
  • the operating ions involved in the electrochemical reactions that induce charge and discharge of the reference and test cells are lithium ion Li + .
  • x is a stoichiometric number indicating the amount of lithium ions stored in the positive electrode
  • y is a stoichiometric number indicating the amount of lithium ions stored in the negative electrode.
  • Me may be a metal element such as Ni, Mn, Mg, Al.
  • the predetermined SOC range is 0 to 1.
  • the cell's SOC When the cell's SOC is 1, the cell's voltage across the cell reaches a predetermined upper limit voltage and reaches a full charge state. When the cell's SOC is 0, the cell's voltage across the cell reaches the predetermined lower limit voltage and full discharged. It will be readily understood by one skilled in the art that it means that a state has been reached.
  • the test apparatus 100 may further include an output unit.
  • the output unit outputs the data processed by the test apparatus 100 in a form that a user can recognize.
  • the output unit may include a display for outputting data processed by the test apparatus 100 in a visual form.
  • the output unit may include a speaker for outputting data processed by the test apparatus 100 in an acoustic form.
  • the user may be provided with a test result for the test cell through the output unit.
  • FIGS. 2 and 3 show the anode open voltage profile of the reference cell provided from the first profile data described above with reference to FIG. 1.
  • the amount x of lithium ions stored in the positive electrode Li x MeO 2 of each reference cell is adjusted in a range between the first experimental value x1 and the second experimental value x2 through a preliminary experiment.
  • the anode open voltage profile U P (x) of the reference cell measured during this time can be confirmed.
  • the anode opening voltage of the reference cell is the difference between the anode potential of the reference cell and the reference potential (for example, 0 V).
  • the amount x of lithium ions stored at the anode of the reference cell increases from the first experimental value x1 toward the second experimental value x2. It can be seen that the anode opening voltage gradually decreases.
  • the amount x of lithium ions can be determined from Equation 1 below.
  • Equation 1 P f is the first anode upper limit value, P i is the first anode lower limit value, and SOC is the state of charge of the reference cell.
  • P f and P i are predetermined constants, x depends on the change of SOC. That is, if one of x and SOC is known, the other one can be known.
  • the controller 130 may convert the anode open voltage profile U P (x) into the anode voltage profile U P (SOC) according to the state of charge of the reference cell.
  • the cathode opening voltage of the reference cell is the difference between the cathode potential of the reference cell and the reference potential.
  • the cathode open voltage of the reference cell increases as the amount of lithium ions stored at the cathode of the reference cell increases from the third experimental value y1 to the fourth experimental value y2. It can be seen that this gradually decreases.
  • the amount y of lithium ions can be determined from Equation 2 below.
  • N f is the first cathode upper limit value
  • N i is the first cathode lower limit value
  • SOC is the state of charge of the reference cell.
  • y depends on the change of SOC. That is, if one of y and SOC is known, the other one can be known.
  • the controller 130 may convert the cathode open voltage profile U N (y) into the cathode voltage profile U N (SOC) according to the state of charge of the reference cell.
  • FIG. 6 illustrates an open voltage profile across the reference cell provided from the third profile data described above with reference to FIG. 1.
  • an open voltage profile U R (SOC) at both ends is the difference between the positive voltage profile U P (SOC) shown in FIG. 3 and the negative voltage profile U N (SOC) shown in FIG. 5 at a common SOC range of 0-1.
  • the anode voltage profile U P (SOC) is associated with the first profile data, the first anode upper limit value and the first anode lower limit value
  • the cathode voltage profile U N (SOC) is the second profile data, the first cathode upper limit value.
  • a first negative electrode lower limit value is associated with the first profile data, the first anode upper limit value and the first anode lower limit value.
  • the controller 130 may determine the open voltage profile U R (SOC) at both ends based on the first profile data, the second profile data, the first positive electrode upper limit value, the first positive electrode lower limit value, the first negative electrode upper limit value, and the first negative electrode lower limit value.
  • the third profile data indicating can be generated.
  • FIGS. 8 and 9 illustrate a technique for measuring the open voltage across the test cell.
  • open voltage profiles U T (SOC) at both ends of the test cell measured by the sensing unit 120 may be checked.
  • the controller 130 may generate the fourth profile data based on the voltage measurement value provided from the sensing unit 120.
  • the control unit 130 fully charges the voltage profile U T, D (SOC) and the test cell in the full discharge state measured while discharging the test cell in the full charge state to a predetermined constant current until the full discharge state.
  • the voltage profile U T, A (SOC) corresponding to the average value between the voltage profiles U T, C (SOC) measured while charging with the constant current up to the state may be set to the open voltage profile U T (SOC) at both ends.
  • the voltage relaxation technique may be a type of hybrid pulse power characterization (HPPC) discharge test technique.
  • HPPC hybrid pulse power characterization
  • the voltage relaxation technique converts the test cell into the no-load state whenever the state of charge of the test cell sequentially reaches predetermined SOC values while discharging the test cell in the full charge state to a predetermined constant current until the full discharge state.
  • the state of charge of the test cell is obtained by integrating the discharge current leaving the test cell with time to obtain the remaining capacity of the test cell, and expressing the remaining capacity in the range of 0 to 1 based on the design capacity value or the maximum capacity value. It will be apparent to those skilled in the art that they can be expressed in terms of values. Of course, the state of charge of the test cell may be expressed as a percentage (%).
  • the voltage of both ends of the test cell is measured by the sensing unit 120.
  • a voltage profile that follows the measured voltage values may be set to the open end voltage profile U T (SOC).
  • U R (SOC, ⁇ ) can be generated.
  • the open end voltage profile U R (SOC, ⁇ ) at both ends shows the SOC of any battery cell having an upper positive limit of p f , a lower positive limit of p i , a negative upper limit of n f , and a negative lower limit of n i . It is the open-ended voltage profile that is expected to appear when adjusting in the predetermined SOC range.
  • FIG. 10 is a diagram referred to for describing a method of estimating a use area of a test cell according to an embodiment of the present invention.
  • the control unit 130 takes n predetermined sample values within a predetermined SOC range of 0 to 1 as input values, and the open voltage profile U T (SOC) at both ends and the open voltage profile U R (SOC, ⁇ ) at both ends.
  • a cost function may be declared that represents the sum of squares of the residuals of the livers. The cost function can be expressed by the following equation (4).
  • Equation 4 SOC i is any one of the sample values, and S ( ⁇ ) is the cost function.
  • the controller 130 may calculate that the use area of the test cell is equal to ⁇ .
  • the controller 130 may estimate parameters indicating a usage area of the test cell to minimize the value of the cost function through a predetermined probability model. At this time, the use area of the test cell represents the performance of the test cell.
  • the following algorithms can be utilized to estimate the usage area of a test cell from the cost function.
  • MCMC Markov Chain Monte Carlo
  • the controller 130 may determine that specific parameter values corresponding to a predetermined rule (for example, having the largest probability value) from each post-distribution are assigned to the second anode upper limit value, the second anode lower limit value, the second cathode upper limit value, and the first cathode value of the test cell. It can be estimated that it is a 2 cathode lower limit.
  • a predetermined rule for example, having the largest probability value
  • the controller 130 may calculate a first capacitance value indicating the maximum capacitance of the anode of the test cell by using Equation 5.
  • Equation 5 Q t F is the maximum capacitance value of the test cell, p f 'is the estimated second anode upper limit value, p i ' is the estimated second anode lower limit value, and Q t P is the first capacitance value.
  • the maximum capacitance value of the test cell may be calculated by the controller 130 based on the data provided from the sensing unit 120.
  • the controller 130 may calculate a second capacitance value indicating the maximum capacitance of the cathode of the test cell by using Equation 6.
  • n f ′ is an estimated second negative electrode upper limit value
  • n i ′ is an estimated second negative electrode lower limit value
  • Q t N is a second capacitance value
  • the first capacitance value and the second capacitance value are charges that can be stored at maximum in the positive and negative electrodes of the test cell, respectively, and are actually extracted from the test cell in full cell form. It is obvious that the amount of charge that is possible is greater than the maximum capacitance value.
  • the controller 130 may calculate the irreversible capacity of the test cell for the predetermined SOC range by using Equation 7.
  • Q loss is the irreversible capacity of the test cell.
  • (Q t P ⁇ p i ') is the irreversible capacity of the anode of the test cell
  • (Q t N ⁇ n i ') represents the irreversible capacity of the cathode of the test cell, respectively. If Q loss is positive, it means that the negative irreversible capacity is relatively larger than the negative irreversible capacity of the negative electrode. On the contrary, if Q loss is negative, it means that the anode irreversible capacity is relatively smaller than the cathode irreversible capacity.
  • the controller 130 may calculate a ratio between the maximum capacity of the cathode of the test cell and the maximum capacity of the anode of the test cell by using Equation (8).
  • R NP is a ratio between the maximum capacity of the negative electrode of the test cell and the maximum capacity of the positive electrode of the test cell.
  • the results of the above operation may be provided to the user through the output unit.
  • FIG. 11 is a table 1100 showing a comparison result between estimated performance and actual performance of a test cell according to an embodiment of the present invention.
  • the numbers included in the table 1100 are all represented to two decimal places.
  • the first row of the table 1100 shows the second positive electrode upper limit p f ′, the second positive electrode lower limit p i ′, the second positive electrode upper limit n estimated for a test cell having a maximum capacity of 4.22 mAh / cm 2 .
  • f ′ and the second negative electrode lower limit n i ′ are 0.8927, 0.0053126, 0.9265, and 0.068582, respectively, the maximum capacity values of the positive electrode and the negative electrode of the test cell are shown.
  • the controller 130 may obtain 4.76 mAh / cm 2 , which is the maximum capacity value of the positive electrode, using Equation 5 and obtain 4.92 mAh / cm 2 , which is the maximum capacity value of the negative electrode, using Equation 6.
  • the second row of the table 1100 shows a maximum capacity of 4.73 mAh / cm 2 for the positive electrode and the negative electrode obtained through actual measurements on two half-cells corresponding to each of the positive and negative electrodes of the test cell. Shows a maximum capacity of 4.94 mAh / cm 2 .
  • the third row of table 1100 shows the error rate between the estimates shown in the first row and the measurements shown in the second row. As shown, there is an error rate of + 0.63% for the maximum capacity of the positive electrode and -0.40% for the maximum capacity of the negative electrode, which is a very small value. That is, the table 1100 strongly indicates that when the performance test apparatus 100 according to the embodiment of the present invention is used, a performance test result that satisfactorily matches the actual performance of the test cell can be obtained without disassembling the test cell. Support.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a performance test method of a battery cell according to an embodiment of the present invention. The steps shown in FIG. 12 are performed by the performance test apparatus described above.
  • the predetermined first profile data, the second profile data, the first positive electrode upper limit value, the first positive electrode lower limit value, the first negative electrode upper limit value, and the first negative electrode lower limit value are determined through a preliminary experiment on each of the plurality of reference cells.
  • step 1220 the opening voltage of the reference cell for a predetermined SOC range based on the first profile data, the second profile data, the first anode upper limit, the first anode lower limit, the first cathode upper limit, and the first cathode lower limit.
  • the third profile data representing the change of is generated.
  • step 1240 based on the measured open voltage of the test cell, fourth profile data indicating a change in the open voltage across the test cell for the predetermined SOC range is generated.
  • the second positive electrode upper limit value, the second positive electrode lower limit value, the second negative electrode upper limit value, and the second negative electrode lower limit value of the test cell are estimated based on the third profile data and the fourth profile data.
  • a cost function indicating a sum of squares of the residual between the third profile data and the fourth profile data for a plurality of sample values within the predetermined SOC range is declared, and then the MCMC algorithm or the like is used.
  • a second positive electrode upper limit value, a second positive electrode lower limit value, a second negative electrode upper limit value, and a second negative electrode lower limit value of the test cell for minimizing the value of the cost function may be estimated through a predetermined probability model.

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Abstract

배터리 셀의 전기화학적 성능을 비파괴적으로 테스트하는 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 테스트 장치는, 복수의 참조 셀 각각에 대한 사전 실험을 통해 미리 결정된 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 저장하도록 구성된 메모리; 테스트 셀의 SOC의 변화에 따른 상기 테스트 셀의 개방 전압을 측정하도록 구성된 센싱부; 및 상기 메모리 및 상기 센싱부와 전기적으로 연결되는 제어부는 포함한다. 상기 제어부는, 상기 메모리에 저장된 상기 참조 셀에 연관된 데이터 및 상기 센싱부에 의해 측정된 데이터를 기초로, 상기 테스트 셀의 성능을 비파괴적으로 테스트하도록 구성된다.

Description

배터리 셀의 성능 테스트 장치 및 방법
본 발명은 배터리 셀의 성능 테스트 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 셀의 전기화학적 성능을 비파괴적으로 테스트하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2016년 8월 26일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2016-0109271호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
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 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리를 구성하는 배터리 셀은 기본적으로 양극, 음극 및 전해질을 포함한다. 배터리 셀의 전기화학적 반응에 관여하는 작동 이온(예, 리튬 이온)이 양극에서 음극으로 또는 음극에서 양극으로 이동함에 따라, 배터리 셀의 충방전이 이루어지게 된다.
배터리 셀은 활성화 공정을 거쳐 제조된다. 활성화 공정에서는, 충방전 장치에 배터리 셀을 연결한 상태에서 미리 정해진 조건으로 배터리 셀에 대한 충방전을 소정 횟수 진행하게 된다. 종래의 성능 테스트 방법을 이용할 경우, 활성화 공정이 진행되는 동안 측정되는 배터리 셀의 충전용량과 방전용량의 비율에 따라, 배터리 셀로부터 실제로 추출 가능한 최대 용량값을 추정할 수 있다. 상기 최대 용량값은 FCC(Full Charge Capacity)라고 칭할 수도 있다.
다만, 종래의 성능 테스트 방법을 통해서는 배터리 셀 양단의 전압 영역(voltage window) 등을 포함하는 사용 영역에 대한 정보를 대략적으로 알 수 있을 뿐, 배터리 셀의 양극과 음극 각각의 사용 영역에 대한 정보까지는 파악할 수 없다는 한계가 따른다.
또한, 활성화 공정에서 리튬 이온이 음극에 사용되는 탄소와 반응함에 따라 생성되는 SEI(solid electrolyte interface) 등으로 인해 리튬 이온의 일부가 비가역적으로 소실되므로, 배터리 셀의 최대 용량값이 미리 정해진 설계 용량값보다 작아지게 된다. 그러나, 종래의 성능 테스트 방법은, 미리 정해진 설계 용량값과 활성화 공정 후 배터리 셀의 최대 용량값 간에 차이가 발생한 원인에 대한 정보를 제공하지는 못한다.
전술한 문제를 해결하기 위한 3전극 테스트 방법이 개시된바 있다. 3전극 테스트 방법에 따르면, 배터리 셀의 양극과 음극 각각의 전위를 기준 전극의 전위와 비교함으로써, 배터리 셀의 양극과 음극 각각의 사용 영역과 최대 용량을 측정한다. 하지만, 3전극 테스트 방법을 수행하기 위해서는, 양극과 음극이 포함하는 배터리 셀을 분해하여 기준 전극을 별도로 부착해야 하는 번거로움이 있다. 아울러, 기준 전극이 배터리 셀의 전기화학적 특성에 영향을 미칠 수 있으므로, 기준 전극이 있는 배터리 셀로부터 측정된 결과는 기준 전극이 없는 배터리 셀의 실제 전기화학적 특성에 부합하지 않을 수 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기준 전극 등을 부착하기 위해 배터리 셀을 분해하지 않고도 배터리 셀의 성능을 정확히 테스트할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 셀의 성능 테스트 장치는, 복수의 참조 셀 각각에 대한 사전 실험을 통해 미리 결정된 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 저장하도록 구성된 메모리; 테스트 셀의 SOC의 변화에 따른 상기 테스트 셀의 개방 전압을 측정하도록 구성된 센싱부; 및 상기 메모리 및 상기 센싱부와 전기적으로 연결되어, 상기 테스트 셀의 성능을 비파괴적으로 테스트하도록 구성된 제어부;를 포함한다. 상기 제1 프로파일 데이터는, 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 상기 참조 셀의 양극의 개방 전압의 변화를 나타내고, 상기 제2 프로파일 데이터는, 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 상기 참조 셀의 음극의 개방 전압의 변화를 나타낸다. 상기 제1 양극 상한값은, 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고, 상기 제1 양극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며, 상기 제1 음극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고, 상기 제1 음극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 상기 제어부는, 상기 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 기초로, 상기 소정의 SOC 범위에 대한 상기 참조 셀의 개방 전압의 변화를 나타내는 제3 프로파일 데이터를 생성한다. 상기 제어부는, 상기 센싱부에 의해 측정된 상기 소정의 SOC 범위에 대한 상기 테스트 셀의 양단의 개방 전압의 변화를 나타내는 제4 프로파일 데이터를 생성한다. 상기 제어부는, 상기 제3 프로파일 데이터 및 상기 제4 프로파일 데이터를 기초로, 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정한다. 이때, 상기 제2 양극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 테스트 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고, 상기 제2 양극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 테스트 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며, 상기 제2 음극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 테스트 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고, 상기 제2 음극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 테스트 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 소정 SOC 범위 내인 복수의 샘플값들에 대한 상기 제3 프로파일 데이터와 상기 제4 프로파일 데이터 간의 잔차의 제곱합을 나타내는 비용 함수를 선언한다. 상기 제어부는, 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 미리 정해진 확률 모델을 통해 추정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 미리 주어진 최적화 알고리즘 또는 베이즈 추정 기법을 이용하여, 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정할 수 있다.
또한, 상기 메모리는, 상기 테스트 셀의 최대 용량값을 더 저장한다. 상기 제어부는, 하기 수학식 1을 이용하여, 상기 테스트 셀의 양극의 최대 용량을 나타내는 제1 용량값을 연산하며, 하기 수학식 2를 이용하여, 상기 테스트 셀의 음극의 최대 용량을 나타내는 제2 용량값을 연산할 수 있다.
[수학식 1]
Qt P = Qt F / (pf'-pi')
[수학식 2]
Qt N = Qt F / (nf'-ni')
상기 Qt F는 상기 최대 용량값, 상기 pf'는 상기 제2 양극 상한값, 상기 pi'는 상기 제2 양극 하한값, 상기 nf'는 상기 제2 음극 상한값, 상기 ni'는 상기 제2 음극 하한값, 상기 Qt P는 상기 제1 용량값, 상기 Qt N는 상기 제2 용량값임.
또한, 상기 제어부는, 하기 수학식 3을 이용하여, 상기 테스트 셀의 비가역 용량을 연산할 수 있다.
[수학식 3]
Qloss = (Qt P Х pi') - (Qt N Х ni')
상기 Qloss는 상기 비가역 용량임.
또한, 상기 제어부는, 하기 수학식 4를 이용하여, 상기 테스트 셀의 음극의 최대 용량과 상기 테스트 셀의 양극의 최대 용량 간의 비율을 연산할 수 있다.
[수학식 4]
RNP = Qt N / Qt P = (pf'-pi') / (pf'-pi')
상기 RNP는 상기 테스트 셀의 음극의 최대 용량과 상기 테스트 셀의 양극의 최대 용량 간의 비율임.
또한, 상기 제어부는, 상기 소정 SOC 범위에서 상기 테스트 셀의 충전 시의 전압 프로파일과 방전 시의 전압 프로파일을 평균하여 상기 제4 프로파일 데이터를 생성하는, 배터리 셀의 성능 테스트 장치.
또한, 상기 제어부는, 상기 소정 SOC 범위에서 전압 이완 기법(voltage relaxation)을 통해 측정되는 상기 테스트 셀의 양단 전압을 기초로, 상기 제4 프로파일 데이터를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 셀의 성능 테스트 방법은, (a)복수의 참조 셀 각각에 대한 사전 실험을 통해 미리 결정된 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 저장하는 단계; (b)상기 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 기초로, 소정의 SOC 범위에 대한 상기 참조 셀의 개방 전압의 변화를 나타내는 제3 프로파일 데이터를 생성하는 단계; (c)테스트 셀의 SOC의 변화에 따른 상기 테스트 셀의 개방 전압을 측정하는 단계; (d)상기 측정된 테스트 셀의 개방 전압을 기초로, 상기 소정의 SOC 범위에 대한 상기 테스트 셀의 양단의 개방 전압의 변화를 나타내는 제4 프로파일 데이터를 생성하는 단계; 및 (e)상기 제3 프로파일 데이터 및 상기 제4 프로파일 데이터를 기초로, 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정하는 단계;를 포함한다. 이때, 상기 제1 프로파일 데이터는, 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 상기 참조 셀의 양극의 개방 전압의 변화를 나타내고, 상기 제2 프로파일 데이터는, 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 상기 참조 셀의 음극의 개방 전압의 변화를 나타낸다. 상기 제1 양극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고, 상기 제1 양극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며, 상기 제1 음극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고, 상기 제1 음극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 상기 제2 양극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 테스트 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고, 상기 제2 양극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 테스트 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며, 상기 제2 음극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 테스트 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고, 상기 제2 음극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 테스트 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다.
또한, 상기 (e) 단계는, (e-1)상기 소정 SOC 범위 내인 복수의 샘플값들에 대한 상기 제3 프로파일 데이터와 상기 제4 프로파일 데이터 간의 잔차의 제곱합을 나타내는 비용 함수를 선언하는 단계; 및 (e-2) 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 미리 정해진 확률 모델을 통해 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (e-2) 단계는, 미리 주어진 최적화 알고리즘 또는 베이즈 추정 기법을 이용하여, 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 기준 전극 등을 부착하기 위해 배터리 셀을 분해하지 않고도 배터리 셀의 성능 테스트를 수행할 수 있다. 즉, 배터리 셀의 양극과 음극 각각의 전기화학적 성능에 대한 정보를 비파괴적으로 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 셀의 양극과 음극 각각의 사용 영역을 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 셀의 양극과 음극 각각의 단위 면적당 최대 용량을 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 셀의 양극과 음극 간의 용량비를 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 제조된 배터리 셀의 불량 여부를 신속히 체크할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테스트 장치의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1을 참조하여 전술한 제1 프로파일 데이터로부터 제공되는 참조 셀의 양극 개방 전압 프로파일을 보여준다.
도 4 및 도 5는 도 1을 참조하여 전술한 제2 프로파일 데이터로부터 제공되는 참조 셀의 음극 개방 전압 프로파일을 보여준다.
도 6은 도 1을 참조하여 전술한 제3 프로파일 데이터로부터 제공되는 참조 셀의 양단 개방 전압 프로파일을 보여준다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 테스트 셀의 양단 개방 전압 프로파일을 보여준다.
도 8 및 도 9는 테스트 셀의 양단 개방 전압을 측정하는 기법을 예시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 테스트 셀의 사용 영역을 추정하는 방법을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 테스트 셀의 추정 성능과 실제 성능 간의 비교 결과를 보여주는 테이블이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 성능 테스트 방법을 나타낸 순서도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
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, 이는 하드웨어나 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.
지금부터 본 발명의 실시예들에 따른 테스트 장치 및 방법에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 배터리 셀을 '셀'이라고 칭하기로 한다. 또한, 후술할 다양한 전압 프로파일들은 반드시 연속적인 형태를 가지는 것으로 한정되지 않으며, 이산적인 형태를 가질 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테스트 장치(100)의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 테스트 장치(100)는 메모리(110), 센싱부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
메모리(110)는 복수의 참조 셀(reference cell) 각각의 성능을 나타내는 것으로 미리 결정된 참조 정보를 저장하도록 구성된다. 참조 정보는 후술할 테스트 셀의 성능을 테스트하기 위한 비교의 기준으로서 활용된다. 참조 정보에는, 적어도 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값이 포함된다. 참조 정보는, BOL(Beginning Of Life)에 있는 참조 셀에 대한 사전 실험을 통해 획득된 것이다. 여기서, BOL은 참조 셀의 최초 제조 시점부터 충방전 사이클이 소정 횟수에 도달한 시점까지의 기간을 지칭하는 것일 수 있다.
구체적으로, 제1 프로파일 데이터는, 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 참조 셀의 양극의 개방 전압의 변화를 나타낸다. 예컨대, 참조 셀에 대한 충전이 진행될수록, 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양은 점차적으로 감소하는 반면, 참조 셀의 양극의 전위는 점차적으로 증가한다.
제2 프로파일 데이터는, 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 참조 셀의 음극의 개방 전압의 변화를 나타낸다. 예컨대, 참조 셀에 대한 충전이 진행될수록, 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양은 점차적으로 증가하는 반면, 참조 셀의 음극의 전위는 점차적으로 감소한다.
제1 양극 상한값은, 소정 SOC 범위의 상한값에서 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 제1 양극 상한값은, 참조 셀의 양극에 저장 가능한 작동 이온(예, 리튬 이온)의 최대량을 나타내는 제1 임계값을 기준으로 상기 제1 임계값에서 참조 셀의 SOC(State Of Charge)가 소정 SOC 범위의 상한값에 도달한 시점에 참조 셀의 양극에 저장된 작동 이온의 양을 나타내는 제1 실험값을 뺀 값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값(stoichiometric value)을 의미한다. 예컨대, 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 상한값에 도달한 때에 참조 셀의 양극에 저장된 작동 이온의 양이 상기 제1 임계값의 10%이면, 상기 제1 양극 상한값은 (100%-10%) / 100% = 0.90이다.
제1 양극 하한값은, 소정 SOC 범위의 하한값에서 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 제1 양극 하한값은, 상기 제1 임계값을 기준으로 상기 제1 임계값에서 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 하한값에 도달한 시점에 참조 셀의 양극에 저장된 작동 이온의 양을 나타내는 제2 실험값을 뺀 값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 하한값에 도달한 때에 참조 셀의 양극에 저장된 작동 이온의 양이 상기 제1 임계값의 80%이면, 상기 제1 양극 하한값은 (100%-80%) / 100% = 0.20이다. 참조 셀의 SOC가 감소할수록, 참조 셀의 양극에 저장되는 작동 이온의 양은 증가하므로, 제1 양극 하한값은 제1 양극 상한값보다 작다는 것은 당업자에게 자명하다.
제1 음극 상한값은, 소정 SOC 범위의 상한값에서 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 제1 음극 상한값은, 참조 셀의 음극에 저장 가능한 작동 이온의 최대량을 나타내는 제2 임계값을 기준으로 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 상한값에 도달한 시점에 참조 셀의 음극에 저장된 작동 이온의 양을 나타내는 제3 실험값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 상한값에 도달한 때에 참조 셀의 음극에 저장된 작동 이온의 양이 상기 제2 임계값의 95%이면, 상기 제1 음극 상한값은 95% / 100% = 0.95이다.
제1 음극 하한값은, 소정 SOC 범위의 하한값에서 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 제1 음극 상한값은, 상기 제2 임계값을 기준으로 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 하한값에 도달한 시점에 참조 셀의 음극에 저장된 작동 이온의 양을 나타내는 제4 실험값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 참조 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 하한값에 도달한 때에 참조 셀의 음극에 저장된 작동 이온의 양이 상기 제2 임계값의 5%이면, 상기 제1 음극 하한값은 5% / 100% = 0.05이다. 참조 셀의 SOC가 감소할수록, 참조 셀의 음극에 저장되는 작동 이온의 양은 감소하므로, 제1 음극 하한값은 제1 음극 상한값보다 작다는 것은 당업자에게 자명하다.
또한, 메모리(110)는 테스트 장치(100)의 전반적인 동작에 요구되는 각종 데이터들 명령어 및 소프트웨어를 추가적으로 저장할 수 있다. 이러한 메모리(110)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 타입에 해당하는 저장 매체를 포함할 수 있다.
센싱부(120)는 전압 센서(121), 전류 센서(122) 및 온도 센서(123) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전압 센서(121), 전류 센서(122) 및 온도 센서(123) 중 적어도 하나는 제어부(130)로부터 제공되는 제어 신호에 응답하여, 테스트 셀(10)의 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나를 개별적으로 측정하고 측정된 값을 나타내는 데이터를 제어부(130)에게 전송한다.
제어부(130)는 메모리(110)에 저장된 데이터들 및 명령어를 참조하거나, 소프트웨어를 구동하여, 테스트 셀의 성능을 비피괴적으로 테스트하도록 구성된다. 제어부(130)는 테스트 셀의 전압, 전류 및 온도의 측정, SOC 연산, SOH 추정 및 온도 관리 중 적어도 하나를 위한 소프트웨어를 실행할 수 있다.
제어부(130)는 하드웨어적으로, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(130)는 복수의 참조 셀들 각각의 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 기초로, 소정의 SOC 범위에 대한 참조 셀들의 양단의 개방 전압의 변화를 나타내는 제3 프로파일 데이터를 생성할 수 있다. 구체적으로, 제3 프로파일 데이터는 제1 프로파일 데이터에 의해 제공되는 참조 셀의 양극 개방 전압 프로파일과 제2 프로파일 데이터에 의해 제공되는 참조 셀의 음극 개방 전압 프로파일 간의 차이 즉, 참조 셀의 양단 개방 전압 프로파일을 나타내는 것이다.
한편, 제어부(130)는 참조 셀과는 별개인 테스트 셀에 연관된 제4 프로파일 테이터를 생성할 수 있다. 여기서, 테스트 셀은 참조 셀과 동일한 전기화학적 특성을 가지도록 설계 및 제조된 것일 수 있다. 다만, 공정 오차 등의 원인으로 인해 테스트 셀과 참조 셀들 중 적어도 하나 간의 실제 성능은 서로 상이할 수 있다.
상세히 설명하면, 제어부(130)는 센싱부(120)로부터 제공되는 테스트 셀에 대한 전압 데이터를 기초로, 소정의 SOC 범위에 대한 테스트 셀의 양단 개방 전압 프로파일을 나타내는 제4 프로파일 테이터를 생성할 수 있다. 즉, 제4 프로파일 데이터는, 소정의 SOC 범위에 대한 상기 테스트 셀의 양단 개방 전압의 변화를 나타내는 것이다.
제4 프로파일 데이터의 생성이 완료되면, 제어부(130)는 제3 프로파일 데이터 및 제4 프로파일 데이터를 기초로, 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정할 수 있다.
이때, 제2 양극 상한값은, 테스트 셀의 SOC가 상기 소정 SOC 범위의 상한값일 때에 테스트 셀의 양극에 저장된 것으로 추정되는 작동 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 제2 양극 상한값은, 상기 제1 임계값을 기준으로 상기 제1 임계값에서 테스트 셀의 SOC(State Of Charge)가 소정 SOC 범위의 상한값에 도달한 시점에 테스트 셀의 양극에 저장된 것으로 추정되는 작동 이온의 양을 나타내는 제1 추정값을 뺀 값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 상기 제1 추정값이 상기 제1 임계값의 5%이면, 상기 제2 양극 상한값은 (100%-5%) / 100% = 0.95이다.
제2 양극 하한값은, 테스트 셀의 SOC가 상기 소정 SOC 범위의 하한값일 때에 테스트 셀의 양극에 저장된 것으로 추정되는 작동 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 제2 양극 하한값은, 상기 제1 임계값을 기준으로 상기 제1 임계값에서 테스트 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 하한값에 도달한 시점에 테스트 셀의 양극에 저장된 것으로 추정되는 작동 이온의 양을 나타내는 제2 추정값을 뺀 값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 상기 제2 추정값이 상기 제1 임계값의 95%이면, 상기 제2 양극 하한값은 (100%-95%) / 100% = 0.05이다. 테스트 셀의 SOC가 감소할수록, 테스트 셀의 양극에 저장되는 작동 이온의 양은 증가하므로, 제2 양극 하한값은 제2 양극 상한값보다 작다는 것은 당업자에게 자명하다.
제2 음극 상한값은, 테스트 셀의 SOC가 상기 소정 SOC 범위의 상한값일 때에 테스트 셀의 음극에 저장된 것으로 추정되는 작동 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 제2 음극 상한값은, 상기 제2 임계값을 기준으로 테스트 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 상한값에 도달한 시점에 테스트 셀의 음극에 저장된 것으로 추정되는 작동 이온의 양을 나타내는 제3 추정값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 테스트 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 상한값에 도달한 때에 테스트 셀의 음극에 저장된 작동 이온의 양이 상기 제2 임계값의 90%이면, 상기 제2 음극 상한값은 90% / 100% = 0.90이다.
제2 음극 하한값은, 테스트 셀의 SOC가 상기 소정 SOC 범위의 하한값일 때에 테스트 셀의 음극에 저장된 것으로 추정되는 작동 이온의 양에 대응한다. 구체적으로, 제2 음극 상한값은, 상기 제2 임계값을 기준으로 테스트 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 하한값에 도달한 시점에 테스트 셀의 음극에 저장된 것으로 추정되는 작동 이온의 양을 나타내는 제4 추정값을 0 ~ 1 범위 내에서 나타내는 화학양론적 값을 의미한다. 예컨대, 테스트 셀의 SOC가 소정 SOC 범위의 하한값에 도달한 때에 테스트 셀의 음극에 저장된 작동 이온의 양이 상기 제2 임계값의 5%이면, 상기 제2 음극 하한값은 10% / 100% = 0.10이다. 테스트 셀의 SOC가 감소할수록, 테스트 셀의 음극에 저장되는 작동 이온의 양은 감소하므로, 제2 음극 하한값은 제2 음극 상한값보다 작다는 것은 당업자에게 자명하다.
이하에서는, 참조 셀과 테스트 셀 각각의 양극과 음극은 LixMeO2과 LiyC6이며, 참조 셀과 테스트 셀의 충방전을 유도하는 전기화학적 반응에 관여하는 작동 이온은 리튬 이온 Li+인 것으로 가정한다. 여기서, x는 양극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 화학양론적인 수이고, y는 음극에 저장된 리튬 이온의 양을 나타내는 화학양론적인 수이다. 또한, Me는 Ni, Mn, Mg, Al과 같은 금속 원소일 수 있다. 또한, 상기 소정 SOC 범위는 0 ~ 1인 것으로 가정하기로 한다. 셀의 SOC가 1이라는 것은 셀의 양단 전압이 미리 정해진 상한 전압에 도달하여 만충전 상태에 이르렀다는 것을 의미하고, 셀의 SOC가 0이라는 것은 셀의 양단 전압이 미리 정해진 하한 전압에 도달하여 만방전 상태에 이르렀다는 것을 의미한다는 것을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1에는 도시되어 있지 않으나, 테스트 장치(100)는 출력부를 더 포함할 수 있다. 출력부는 테스트 장치(100)에 의해 처리되는 데이터를 사용자가 인지할 수 있는 형태로 출력한다. 예를 들어, 출력부는 테스트 장치(100)에 의해 처리되는 데이터를 시각적인 형태로 출력하는 디스플레이를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 출력부는 테스트 장치(100)에 의해 처리되는 데이터를 청각적인 형태로 출력하는 스피커를 포함할 수 있다. 사용자는 출력부를 통해 테스트 셀에 대한 테스트 결과를 제공받을 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1을 참조하여 전술한 제1 프로파일 데이터로부터 제공되는 참조 셀의 양극 개방 전압 프로파일을 보여준다.
도 2를 참조하면, 사전 실험을 통해 참조 셀 각각의 양극(LixMeO2)에 저장된 리튬 이온의 양(x)이 제1 실험값(x1)과 제2 실험값(x2) 사이의 범위에서 조절되는 동안에 측정된 참조 셀의 양극 개방 전압 프로파일 UP(x)을 확인할 수 있다. 이때, 참조 셀의 양극 개방 전압은, 참조 셀의 양극 전위와 기준 전위(예, 0 V) 간의 차이이다. 참조 셀의 양극 개방 전압 프로파일 UP(x)에 따르면, 참조 셀의 양극에 저장되는 리튬 이온의 양(x)이 제1 실험값(x1)으로부터 제2 실험값(x2)을 향해 증가할수록 참조 셀의 양극 개방 전압은 점차적으로 감소하게 된다는 것을 확인할 수 있다. 리튬 이온의 양(x)은 아래의 수학적 1로부터 결정될 수 있다.
[수학식 1]
x = Pi + (1 - SOC) Х(Pf - Pi)
수학식 1에서, Pf 는 제1 양극 상한값, Pi 는 제1 양극 하한값, SOC은 참조 셀의 충전 상태이다. 이때, Pf 및 Pi는 미리 결정된 상수이므로, x은 SOC의 변화에 의존한다. 즉, x와 SOC 중 어느 하나를 알면, 나머지 하나를 알 수 있다. 도 2와 함께 도 3을 참조하면, 제어부(130)는 양극 개방 전압 프로파일 UP(x)을 참조 셀의 충전 상태에 따른 양극 전압 프로파일 UP(SOC)로 변환할 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 1을 참조하여 전술한 제2 프로파일 데이터로부터 제공되는 참조 셀의 음극 개방 전압 프로파일을 보여준다.
도 4를 참조하면, 사전 실험을 통해 참조 셀의 음극(LiyC6)에 저장된 리튬 이온의 양(y)이 제3 실험값(y1)과 제4 실험값(y2) 사이의 범위에서 조절되는 동안에 측정된 참조 셀의 음극 개방 전압 프로파일 UN(y)을 확인할 수 있다. 이때, 참조 셀의 음극 개방 전압은, 참조 셀의 음극 전위와 상기 기준 전위 간의 차이이다. 참조 셀의 음극 개방 전압 프로파일 UN(y)에 따르면, 참조 셀의 음극에 저장되는 리튬 이온의 양이 제3 실험값(y1)으로부터 제4 실험값(y2)을 향해 증가할수록 참조 셀의 음극 개방 전압이 점차적으로 감소하게 된다는 것을 확인할 수 있다. 리튬 이온의 양(y)은 아래의 수학적 2로부터 결정될 수 있다.
[수학식 2]
y = Ni + SOC Х(Nf - Ni)
수학식 2에서, Nf 는 제1 음극 상한값, Ni 는 제1 음극 하한값, SOC은 참조 셀의 충전 상태이다. 이때, Nf 및 Ni 는 미리 결정된 상수이므로, y은 SOC의 변화에 의존한다. 즉, y와 SOC 중 어느 하나를 알면, 나머지 하나를 알 수 있다. 도 4와 함께 도 5를 참조하면, 제어부(130)는 음극 개방 전압 프로파일 UN(y)을 참조 셀의 충전 상태에 따른 음극 전압 프로파일 UN(SOC)로 변환할 수 있다.
도 6은 도 1을 참조하여 전술한 제3 프로파일 데이터로부터 제공되는 참조 셀의 양단 개방 전압 프로파일을 보여준다.
도 6을 참조하면, 어느 한 참조 셀의 충전 상태에 따른 양단 개방 전압 프로파일 UR(SOC)을 확인할 수 있다. 양단 개방 전압 프로파일 UR(SOC)은, 공통의 SOC 범위인 0 ~ 1에서 도 3에 도시된 양극 전압 프로파일 UP(SOC)와 도 5에 도시된 음극 전압 프로파일 UN(SOC) 간의 차이에 해당한다. 전술한 바와 같이, 양극 전압 프로파일 UP(SOC)은 제1 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값 및 제1 양극 하한값에 연관된 것이고, 음극 전압 프로파일 UN(SOC)은 제2 프로파일 데이터, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값에 연관된 것이다. 따라서, 제어부(130)는 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 기초로, 양단 개방 전압 프로파일 UR(SOC)을 나타내는 제3 프로파일 데이터를 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 테스트 셀의 양단 개방 전압 프로파일을 보여주고, 도 8 및 도 9는 테스트 셀의 양단 개방 전압을 측정하는 기법을 예시한다.
도 7을 참조하면, 소정의 SOC 범위인 0 ~ 1에서, 센싱부(120)에 의해 측정된 테스트 셀의 양단 개방 전압 프로파일 UT(SOC)을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제어부(130)는 센싱부(120)로부터 제공되는 전압 측정값을 기초로, 제4 프로파일 테이터를 생성할 수 있다.
도 8은 전압 평균 기법(voltage averaging)을 예시한다. 도 8을 참조하면, 제어부(130)는 만충전 상태인 테스트 셀을 만방전 상태까지 소정의 정전류로 방전하는 동안 측정되는 전압 프로파일 UT,D(SOC)과 만방전 상태인 테스트 셀을 만충전 상태까지 상기 정전류로 충전하는 동안 측정되는 전압 프로파일 UT,C(SOC) 간의 평균치에 해당하는 전압 프로파일 UT,A(SOC)를 상기 양단 개방 전압 프로파일 UT(SOC)로 설정할 수 있다.
도 9는 전압 이완 기법(voltage relaxation)을 예시한다. 전압 이완 기법은 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization) 방전 테스트 기법의 한 종류일 있다. 전압 이완 기법은 만충전 상태인 테스트 셀을 만방전 상태까지 소정의 정전류로 방전하는 동안, 테스트 셀의 충전 상태가 미리 정해진 SOC 값들에 순차적으로 도달할 때마다 테스트 셀을 무부하 상태로 전환한다. 테스트 셀의 충전 상태는, 테스트 셀로부터 빠져나가는 방전 전류를 시간에 대해 적산하여 테스트 셀의 잔존 용량을 구하고, 상기 설계 용량값 또는 상기 최대 용량값을 기준으로 상기 잔존 용량을 0 ~ 1 범위에서 나타낸 값으로 표현될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다. 물론, 테스트 셀의 충전 상태는 백분율(%)로 나타낼 수도 있다.
무부하 상태로 전환된 각각의 시점부터 미리 정해진 이완 시간(예, 1시간)만큼 경과한 시점(도 9의, 점선 원 참조)에서, 센싱부(120)에 의해 테스트 셀의 양단의 전압이 측정되고, 커브 피팅(curve fitting) 등과 같은 근사화 알고리즘을 이용하여 상기 측정된 전압값들을 추종하는 전압 프로파일을 상기 양단 개방 전압 프로파일 UT(SOC)로 설정할 수 있다.
제어부(130)는 복수의 참조 셀들 각각으로부터 얻어진 제3 프로파일 데이터들을 기초로, 임의의 사용 영역 θ = [pf, pi, nf, ni]을 가지는 배터리 셀로부터 예측되는 양단 개방 전압 프로파일인 UR(SOC, θ)을 생성할 수 있다. 구체적으로, 양단 개방 전압 프로파일 UR(SOC, θ)는, 양극 상한값이 pf이고, 양극 하한값이 pi이며, 음극 상한값이 nf이고, 음극 하한값이 ni인 임의의 배터리 셀의 SOC를 상기 소정 SOC 범위에서 조절할 때에 나타날 것으로 예측되는 양단 개방 전압 프로파일이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 테스트 셀의 사용 영역을 추정하는 방법을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
제어부(130)는 소정 SOC 범위인 0 ~ 1 내에 있는 미리 정해진 n개의 샘플값들을 입력값으로 하는 것으로서, 상기 양단 개방 전압 프로파일 UT(SOC)과 상기 양단 개방 전압 프로파일 UR(SOC, θ)간의 잔차(residual)의 제곱합(sum of squares)을 나타내는 비용 함수(cost function)를 선언할 수 있다. 상기 비용 함수는 다음의 수학식 4로 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2017006915-appb-I000001
수학식 4에서, SOCi는 상기 샘플값들 중 어느 하나이고, 상기 S(θ)는 상기 비용 함수이다.
가령, 임의의 θ이 주어졌을 때, 양단 개방 전압 프로파일 UR(SOC, θ)과 양단 개방 전압 프로파일 UT(SOC)이 완전히 매칭된다고 가정해보자. 이 경우, 상기 비용 함수의 출력값은 0임이 자명하며, 제어부(130)는 테스트 셀의 사용 영역이 θ와 동일한다고 연산할 수 있다. 이러한 측면에서, 제어부(130)는 미리 정해진 확률 모델을 통해 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 테스트 셀의 사용 영역을 나타내는 파라미터들을 추정할 수 있다. 이때, 테스트 셀의 사용 영역은, 테스트 셀의 성능을 대변하는 것이다.
다음과 같은 알고리즘들이, 상기 비용 함수로부터 테스트 셀의 사용 영역을 추정하는 데에 활용될 수 있다.
1)그라디언트 기반 최적화(gradient base optimization) 알고리즘: fmincon, fminsearch 등
2) 전역 최적화(global optimization) 알고리즘: simulated annealing, genetic algorithm
3) 마코프 연쇄 몬테카를로(MCMC: Markov Chain Monte Carlo) 알고리즘: Metropolis-Hastings, Gibbs Sampling 등
물론, 위에서 열거된 알고리즘 외에 다른 최적화 알고리즘 또는 베이즈 추정 기법이 테스트 셀의 사용 영역을 추정하는 데에 활용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 10을 참조하면, 상기 확률 모델을 이용하여 상기 비용 함수로부터 연산된 테스트 셀의 사용 영역과 관련된 4개의 파라미터들(Pf', Pi', Nf', Ni') 각각에 대한 사후 분포(posterior distribution)를 나타내는 히스토그램들을 확인할 수 있다. 각 히스토그램에서, 가로축은 파라미터를 세로축은 확률을 나타낸다.
예컨대, 제어부(130)는 각 사후 분포로부터 미리 정해진 규칙(예, 가장 큰 확률치를 가지는 것)에 해당하는 특정 파라미터값들이 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값인 것으로 추정할 수 있다.
제어부(130)는 수학식 5을 이용하여, 테스트 셀의 양극의 최대 용량을 나타내는 제1 용량값을 연산할 수 있다.
[수학식 5]
Qt P = Qt F / (pf'-pi')
수학식 5에서, Qt F는 테스트 셀의 최대 용량값, pf'는 추정된 제2 양극 상한값, pi'는 추정된 제2 양극 하한값, Qt P는 제1 용량값이다. 테스트 셀의 최대 용량값은 센싱부(120)로부터 제공되는 데이터를 기초로, 제어부(130)에 의해 연산될 수 있다.
제어부(130)는 수학식 6을 이용하여, 테스트 셀의 음극의 최대 용량을 나타내는 제2 용량값을 연산할 수 있다.
[수학식 6]
Qt N = Qt F / (nf'-ni')
수학식 6에서, nf'는 추정된 제2 음극 상한값, ni'는 추정된 제2 음극 하한값, Qt N는 제2 용량값이다.
수학식 5와 수학식 6에서, 제1 용량값과 제2 용량값은 테스트 셀의 양극과 음극 각각에 최대로 저장될 수 있는 전하량으로서, 풀 셀(full cell) 형태의 테스트 셀로부터 실제로 추출할 수 있는 전하량인 상기 최대 용량값보다는 크다는 것은 자명하다.
제어부(130)는 수학식 7을 이용하여, 소정 SOC 범위에 대한 테스트 셀의 비가역 용량을 연산할 수 있다.
[수학식 7]
Qloss = (Qt P Х pi') - (Qt N Х ni')
수학식 7에서, Qloss는 테스트 셀의 비가역 용량이다. (Qt P Х pi')은 테스트 셀의 양극의 비가역 용량을, (Qt N Х ni')은 테스트 셀의 음극의 비가역 용량을 각각 나타낸다. 만약, Qloss가 양수라면, 음극의 비가역 용량보다 약극의 비가역 용량이 상대적으로 더 크다는 것을 의미한다. 반대로, Qloss가 음수라면, 음극의 비가역 용량보다 양극의 비가역 용량이 상대적으로 더 작다는 것을 의미한다.
제어부(130)는, 수학식 8을 이용하여, 테스트 셀의 음극의 최대 용량과 테스트 셀의 양극의 최대 용량 간의 비율을 연산할 수 있다.
[수학식 8]
RNP = Qt N / Qt P = (pf'-pi') / (pf'-pi')
수학식 8에서, RNP는 테스트 셀의 음극의 최대 용량과 테스트 셀의 양극의 최대 용량 간의 비율이다.
전술한 연산의 결과들은 상기 출력부를 통해 사용자에게 제공될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 테스트 셀의 추정 성능과 실제 성능 간의 비교 결과를 보여주는 테이블(1100)이다. 설명의 편의를 위해, 테이블(1100)에 포함된 수치들은 모두 소수점 둘째 자리까지만 나타내었다.
도 11을 참조하면, 테이블(1100)의 첫번째 행은 최대 용량이 4.22mAh/cm2인 테스트 셀에 대해 추정된 제2 양극 상한값 pf', 제2 양극 하한값 pi', 제2 음극 상한값 nf', 제2 음극 하한값 ni'이 각각 0.8927, 0.0053126, 0.9265, 0.068582인 경우, 테스트 셀의 양극과 음극의 최대 용량값을 보여준다. 제어부(130)는 수학식 5를 이용하여 양극의 최대 용량값인 4.76 mAh/cm2을 획득하고, 수학식 6을 이용하여 음극의 최대 용량값인 4.92 mAh/cm2를 획득할 수 있다.
다음으로, 테이블(1100)의 두번째 행은 상기 테스트 셀의 양극과 음극 각각에 대응하는 2개의 반쪽 셀(half-cell)에 대한 실제 측정을 통해 얻은 양극의 최대 용량값 4.73 mAh/cm2과 음극의 최대 용량값 4.94 mAh/cm2을 보여준다.
이어, 테이블(1100)의 세번째 행은 첫번째 행에 나타낸 추정값들과 두번째 행에 나타낸 측정값들 간의 오차율을 보여준다. 도시된 바와 같이, 양극의 최대 용량값에 대하여 +0.63%, 음극의 최대 용량값에 대하여 -0.40%의 오차율이 존재하며, 이는 매우 작은 값이다. 즉, 테이블(1100)은, 본 발명의 일실시예에 따른 성능 테스트 장치(100)를 이용할 경우, 테스트 셀에 대한 분해없이도 테스트 셀의 실제 성능에 잘 부합하는 성능 테스트 결과를 얻을 수 있음을 강력히 뒷받침해준다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 성능 테스트 방법을 나타낸 순서도이다. 도 12에 도시된 단계들은 전술한 성능 테스트 장치에 의해 수행되는 것이다.
단계 1210에서, 복수의 참조 셀 각각에 대한 사전 실험을 통해 미리 결정된 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 저장한다.
단계 1220에서, 상기 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 기초로, 소정의 SOC 범위에 대한 상기 참조 셀의 개방 전압의 변화를 나타내는 제3 프로파일 데이터를 생성한다.
단계 1230에서, 테스트 셀의 SOC의 변화에 따른 상기 테스트 셀의 개방 전압을 측정한다.
단계 1240에서, 상기 측정된 테스트 셀의 개방 전압을 기초로, 상기 소정의 SOC 범위에 대한 상기 테스트 셀의 양단 개방 전압의 변화를 나타내는 제4 프로파일 데이터를 생성한다.
단계 1250에서, 상기 제3 프로파일 데이터 및 상기 제4 프로파일 데이터를 기초로, 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정한다. 구체적으로, 단계 1250에서, 상기 소정 SOC 범위 내인 복수의 샘플값들에 대한 상기 제3 프로파일 데이터와 상기 제4 프로파일 데이터 간의 잔차의 제곱합을 나타내는 비용 함수를 선언한 다음, MCMC 알고리즘 등을 이용하여 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 미리 정해진 확률 모델을 통해 추정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

Claims (11)

  1. 복수의 참조 셀 각각에 대한 사전 실험을 통해 미리 결정된 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 저장하도록 구성된 메모리;
    테스트 셀의 SOC의 변화에 따른 상기 테스트 셀의 개방 전압을 측정하도록 구성된 센싱부; 및
    상기 메모리 및 상기 센싱부와 전기적으로 연결되어, 상기 테스트 셀의 성능을 비파괴적으로 테스트하도록 구성된 제어부;를 포함하되,
    상기 제1 프로파일 데이터는, 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 상기 참조 셀의 양극의 개방 전압의 변화를 나타내고,
    상기 제2 프로파일 데이터는, 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 상기 참조 셀의 음극의 개방 전압의 변화를 나타내며,
    상기 제1 양극 상한값은, 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제1 양극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며,
    상기 제1 음극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제1 음극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며,
    상기 제어부는,
    상기 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 기초로, 상기 소정의 SOC 범위에 대한 상기 참조 셀의 개방 전압의 변화를 나타내는 제3 프로파일 데이터를 생성하고,
    상기 센싱부에 의해 측정된 상기 소정의 SOC 범위에 대한 상기 테스트 셀의 양단의 개방 전압의 변화를 나타내는 제4 프로파일 데이터를 생성하며,
    상기 제3 프로파일 데이터 및 상기 제4 프로파일 데이터를 기초로, 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정하되,
    상기 제2 양극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 테스트 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제2 양극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 테스트 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며,
    상기 제2 음극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 테스트 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제2 음극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 테스트 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 성능 테스트 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 소정 SOC 범위 내인 복수의 샘플값들에 대한 상기 제3 프로파일 데이터와 상기 제4 프로파일 데이터 간의 잔차의 제곱합을 나타내는 비용 함수를 선언하고,
    상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 미리 정해진 확률 모델을 통해 추정하는, 배터리 셀의 성능 테스트 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    미리 주어진 최적화 알고리즘 또는 베이즈 추정 기법을 이용하여, 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정하는, 배터리 셀의 성능 테스트 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메모리는,
    상기 테스트 셀의 최대 용량값을 더 저장하고,
    상기 제어부는,
    하기 수학식 1을 이용하여, 상기 테스트 셀의 양극의 최대 용량을 나타내는 제1 용량값을 연산하며,
    하기 수학식 2를 이용하여, 상기 테스트 셀의 음극의 최대 용량을 나타내는 제2 용량값을 연산하는, 배터리 셀의 성능 테스트 장치.
    [수학식 1]
    Qt P = Qt F / (pf'-pi')
    [수학식 2]
    Qt N = Qt F / (nf'-ni')
    상기 Qt F는 상기 최대 용량값, 상기 pf'는 상기 제2 양극 상한값, 상기 pi'는 상기 제2 양극 하한값, 상기 nf'는 상기 제2 음극 상한값, 상기 ni'는 상기 제2 음극 하한값, 상기 Qt P는 상기 제1 용량값, 상기 Qt N는 상기 제2 용량값
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기 수학식 3을 이용하여, 상기 테스트 셀의 비가역 용량을 연산하는, 배터리 셀의 성능 테스트 장치.
    [수학식 3]
    Qloss = (Qt P Х pi') - (Qt N Х ni')
    상기 Qloss는 상기 비가역 용량
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기 수학식 4를 이용하여, 상기 테스트 셀의 음극의 최대 용량과 상기 테스트 셀의 양극의 최대 용량 간의 비율을 연산하는, 배터리 셀의 성능 테스트 장치.
    [수학식 4]
    RNP = Qt N / Qt P = (pf'-pi') / (pf'-pi')
    상기 RNP는 상기 테스트 셀의 음극의 최대 용량과 상기 테스트 셀의 양극의 최대 용량 간의 비율
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 소정 SOC 범위에서 상기 테스트 셀의 충전 시의 전압 프로파일과 방전 시의 전압 프로파일을 평균하여 상기 제4 프로파일 데이터를 생성하는, 배터리 셀의 성능 테스트 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 소정 SOC 범위에서 전압 이완 기법(voltage relaxation)을 통해 측정되는 상기 테스트 셀의 양단 전압을 기초로, 상기 제4 프로파일 데이터를 생성하는, 배터리 셀의 성능 테스트 장치.
  9. (a)복수의 참조 셀 각각에 대한 사전 실험을 통해 미리 결정된 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 저장하는 단계;
    (b)상기 제1 프로파일 데이터, 제2 프로파일 데이터, 제1 양극 상한값, 제1 양극 하한값, 제1 음극 상한값 및 제1 음극 하한값을 기초로, 소정의 SOC 범위에 대한 상기 참조 셀의 개방 전압의 변화를 나타내는 제3 프로파일 데이터를 생성하는 단계;
    (c)테스트 셀의 SOC의 변화에 따른 상기 테스트 셀의 개방 전압을 측정하는 단계;
    (d)상기 측정된 테스트 셀의 개방 전압을 기초로, 상기 소정의 SOC 범위에 대한 상기 테스트 셀의 양단의 개방 전압의 변화를 나타내는 제4 프로파일 데이터를 생성하는 단계; 및
    (e)상기 제3 프로파일 데이터 및 상기 제4 프로파일 데이터를 기초로, 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정하는 단계;를 포함하되,
    상기 제1 프로파일 데이터는, 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 상기 참조 셀의 양극의 개방 전압의 변화를 나타내고,
    상기 제2 프로파일 데이터는, 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양의 변화에 따른 상기 참조 셀의 음극의 개방 전압의 변화를 나타내며,
    상기 제1 양극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제1 양극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 참조 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며,
    상기 제1 음극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제1 음극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 참조 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며,
    상기 제2 양극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 테스트 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제2 양극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 테스트 셀의 양극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하며,
    상기 제2 음극 상한값은, 상기 소정 SOC 범위의 상한값에서 상기 테스트 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하고,
    상기 제2 음극 하한값은, 상기 소정 SOC 범위의 하한값에서 상기 테스트 셀의 음극에 저장된 리튬 이온의 양에 대응하는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 성능 테스트 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e-1)상기 소정 SOC 범위 내인 복수의 샘플값들에 대한 상기 제3 프로파일 데이터와 상기 제4 프로파일 데이터 간의 잔차의 제곱합을 나타내는 비용 함수를 선언하는 단계; 및
    (e-2) 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 미리 정해진 확률 모델을 통해 추정하는 단계;
    를 포함하는, 배터리 셀의 성능 테스트 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (e-2) 단계는,
    미리 주어진 최적화 알고리즘 또는 베이즈 추정 기법을 이용하여, 상기 비용 함수의 값이 최소가 되도록 하는 상기 테스트 셀의 제2 양극 상한값, 제2 양극 하한값, 제2 음극 상한값 및 제2 음극 하한값을 추정하는, 배터리 셀의 성능 테스트 방법.
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