WO2021230537A1 - 배터리 상태 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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김대수
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for diagnosing a battery state, and more particularly, to an apparatus and method for diagnosing deterioration of a battery using real-time cycle data.
  • Battery cells may deteriorate as charging or discharging is repeated.
  • the electrolyte may be oxidized or the crystal structure may be destroyed, and the battery cell may be degraded.
  • metallic lithium may be precipitated and the battery cell may deteriorate.
  • the capacity deterioration of the secondary battery may be accelerated. Accordingly, a technique for diagnosing deterioration of a battery cell based on a differential profile with respect to a voltage and a capacity of the battery cell has been disclosed.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a voltage profile 10 according to the prior art.
  • a voltage profile 10 is a profile indicating a capacity Q and a voltage for a battery cell.
  • the battery profile 13 may be represented by a difference between the positive electrode profile 11 and the negative electrode profile 12 .
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a differential profile 20 according to the prior art.
  • the differential profile 20 is a profile in which the capacity of a battery cell is differentiated by a voltage.
  • the voltage profile 10 shown in FIG. 2 at least one of a first peak 21 , a second peak 22 , a fourth peak 24 , a fifth peak 25 , and a sixth peak 26 . was used to diagnose the deterioration of the battery.
  • the negative electrode degradation of the battery is diagnosed using the first peak 21 and/or the second peak 22 , and the fourth peak 24 , the fifth peak 25 , and the sixth peak 26 are used.
  • the third peak 23 of the differential profile 20 is a peak in which the positive and negative peaks of the battery cell are mixed. That is, in the related art, there is a problem in that it is impossible to specifically diagnose the deterioration of the anode or the deterioration of the battery based on the third peak 23 in which the anode peak and the cathode peak are mixed. Therefore, in the related art, the anode deterioration and the cathode deterioration of the battery were diagnosed using peaks excluding the third peak 23 among a plurality of peaks included in the differential profile 20 .
  • the prior art has a problem in that the battery cell needs to be charged and/or discharged at a low rate in order to obtain a differential profile 20 in which a plurality of peaks can be distinguished as shown in FIG. 2 .
  • the voltage profile 10 of FIG. 1 is obtained while charging the battery cell at 0.05C (C-rate), and the differential profile 20 of FIG. 2 is obtained based on the voltage profile 10 of FIG. it could be
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and it is possible to analyze a specific peak included in a differential profile obtained through high-rate charging or high-rate discharging to diagnose battery deterioration by analyzing a battery condition diagnosis apparatus and method. intended to provide
  • an apparatus for diagnosing a battery state comprising: a profile obtaining unit configured to obtain a voltage profile of the battery with respect to the voltage and capacity of the battery; and obtaining a differential profile for the voltage and the capacitance from the voltage profile obtained by the profile obtaining unit, selecting a plurality of peaks included in a predetermined voltage section from the obtained differential profile, and selecting a cathode among the selected plurality of peaks determine a first peak associated with and a second peak associated with an anode, and compare the first peak and the second peak with a first reference peak and a second reference peak of a preset reference profile, respectively, the first reference peak and a control unit configured to diagnose the state of the battery in consideration of at least one of a change in the behavior of the first peak with respect to , and a change in the behavior of the second peak with respect to the second reference peak.
  • the controller may be configured to set a largest peak in the reference profile as a first reference peak and set a second largest peak as a second reference peak.
  • the peak may be a point at which a slope is 0 in the reference profile and the differential profile, and may be a point at which an instantaneous rate of change according to voltage changes from positive to negative.
  • the controller may be configured to determine a peak corresponding to the first reference peak in the differential profile as the first peak, and determine a peak corresponding to the second reference peak in the differential profile as the second peak. have.
  • the reference profile may be a profile of a voltage and a differential capacity of the reference cell measured while the reference cell corresponding to the battery is charged within a predetermined seed rate range.
  • the differential profile may be a profile of a voltage and a differential capacity of the battery measured while the battery is being charged within the same seed rate range as that of the reference cell.
  • the controller may be configured to compare the second peak with the second reference peak to calculate a second peak change value, and to diagnose whether the battery is degraded according to the second peak change value.
  • the control unit calculates a first peak change value by comparing the first peak and the first reference peak, and adds the first peak change value and the second peak change value to the first peak change value and the second peak change value. Accordingly, it may be configured to diagnose the cause of deterioration of the battery.
  • the controller may be configured to diagnose the cause of deterioration of the battery as negative electrode deterioration and positive electrode deterioration when the first peak change value and the second peak change value are equal to or greater than a predetermined value.
  • the controller may be configured to diagnose the cause of deterioration of the battery as positive electrode deterioration when the first peak change value is less than a predetermined size and the second peak change value is equal to or greater than the predetermined value.
  • the controller may be configured to adjust at least one of an upper limit of a state of charge of the battery, a lower limit of a state of charge, and an upper limit of a charge/discharge rate of the battery when it is diagnosed that the battery is degraded.
  • the apparatus for diagnosing a battery state may further include a storage unit configured to store the voltage profile obtained by the profile obtaining unit for each charging cycle in which the battery is charged.
  • the control unit obtains a plurality of differential profiles from a plurality of voltage profiles stored in the storage unit, determines a plurality of first peaks and a plurality of second peaks from the plurality of differential profiles, and It may be configured to diagnose whether deterioration of the battery is progressing based on at least one of a behavior change and a behavior change of the plurality of second peaks.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include the apparatus for diagnosing a battery state according to an aspect of the present invention.
  • a vehicle according to another aspect of the present invention may include the apparatus for diagnosing a battery state according to an aspect of the present invention.
  • a battery state diagnosis method includes: a voltage profile obtaining step of obtaining a voltage profile of the battery with respect to the voltage and capacity of the battery; a differential profile acquiring step of acquiring a differential profile for the voltage and the capacitance from the voltage profile acquired in the voltage profile acquiring step; a peak determining step of selecting a plurality of peaks included in a predetermined voltage section from the differential profile obtained in the differential profile obtaining step, and determining a first peak associated with a cathode and a second peak associated with an anode among the selected plurality of peaks; a peak comparison step of comparing the first peak and the second peak with a first reference peak and a second reference peak of a preset reference profile, respectively; and a battery state diagnosis step of diagnosing the state of the battery in consideration of at least one of a change in the behavior of the first peak with respect to the first reference peak and a change in the behavior of the second peak with respect to the second reference peak.
  • the deterioration of the battery may be diagnosed in consideration of the behavior of the first peak and the second peak included in the differential profile of the battery.
  • the cause of the degradation of the battery can be diagnosed more accurately.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a voltage profile according to the prior art.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a differential profile according to the prior art.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an apparatus for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a reference profile of an apparatus for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an example of a reference profile and a differential profile of an apparatus for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating another example of a reference profile and a differential profile of an apparatus for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating an example of a plurality of differential profiles obtained by an apparatus for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating another example of a plurality of differential profiles obtained by an apparatus for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a method for diagnosing a battery state according to another embodiment of the present invention.
  • a term such as a control unit described in the specification means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an apparatus 100 for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus 100 for diagnosing a battery state may include a profile acquirer 110 and a controller 120 .
  • the profile obtaining unit 110 may be configured to obtain a voltage profile of the battery with respect to the voltage and capacity of the battery.
  • the battery includes a negative terminal and a positive terminal, and may refer to one physically separable independent battery cell.
  • one pouch-type lithium polymer cell may be regarded as a battery.
  • the battery may refer to a battery module in which one or more battery cells are connected in series and/or in parallel.
  • the profile obtaining unit 110 may obtain a voltage profile for the voltage and capacity of the battery measured while the battery is being charged and/or discharged.
  • the profile obtaining unit 110 may obtain a voltage profile of the battery such as the voltage profile 10 of FIG. 1 . That is, the voltage profile obtained by the profile obtaining unit 110 may represent the voltage of the battery with respect to the capacity of the battery.
  • the control unit 120 may be configured to obtain a differential profile 300 for the voltage and the capacitance from the voltage profile obtained by the profile obtaining unit 110 .
  • control unit 120 may be communicatively connected to the profile obtaining unit 110 .
  • the profile acquisition unit 110 may transmit the acquired voltage profile to the control unit 120 , and the control unit 120 may receive the voltage profile.
  • control unit 120 may obtain a voltage profile by accessing the profile obtaining unit 110 .
  • the controller 120 may acquire the differential profile 300 based on the voltage profile.
  • the controller 120 calculates the differential capacity (dQ/dV) of the battery by differentiating the capacity (Q) of the battery with the voltage (V) of the battery, and a differential profile representing the differential capacity of the battery with respect to the voltage of the battery (300) can be obtained.
  • controller 120 may be configured to select a plurality of peaks included in a predetermined voltage section from the obtained differential profile 300 .
  • the predetermined voltage section is a preset voltage section and may be a voltage section to which the first reference peak R1 and the second reference peak R2 of the reference profile 200 belong. That is, the controller 120 may select a plurality of peaks included in the voltage section to which the first reference peak R1 and the second reference peak R2 of the reference profile 200 belong from the obtained differential profile 300 . have.
  • the reference profile 200 is a differential profile 300 for a reference cell, and may be a profile indicating a differential capacity of the reference cell with respect to the voltage of the reference cell.
  • the reference cell may be a cell corresponding to the battery.
  • the reference cell may be a battery itself in a beginning of life (BOL) state, or a separate battery having the same specifications as the battery.
  • the reference profile 200 may be the first differential profile 300 obtained from the reference cell.
  • the reference profile 200 may be a differential profile 300 of a battery obtained in advance at a previous time point. That is, the reference profile 200 is a reference profile for comparison with the differential profile 300 of the battery, and is obtained in advance before the controller 120 acquires the differential profile 300 in order to diagnose the state of the battery. If it is a profile, it may be regarded as the reference profile 200 for the differential profile 300 .
  • the reference cell is the BOL state of the target battery
  • the reference profile 200 may be the first differential profile 300 for the reference cell.
  • the controller 120 may more accurately diagnose the difference between the BOL state and the current state of the battery. Therefore, hereinafter, for convenience of explanation and improvement of accuracy of battery state diagnosis, it will be described that the reference cell means the target battery in the BOL state, and the reference profile 200 is the first differential profile 300 for the reference cell. do.
  • controller 120 may be configured to determine a first peak 310 associated with a cathode and a second peak 320 associated with an anode among a plurality of selected peaks.
  • the plurality of peaks included in a predetermined voltage section in the differential profile 300 may include a first peak 310 associated with a cathode and a second peak 320 associated with an anode.
  • two peaks may be included in a predetermined voltage section.
  • the controller 120 may determine a low-potential peak as the first peak 310 and a high-potential peak as the second peak 320 among two peaks included in the predetermined voltage section.
  • the control unit 120 is configured to compare the first reference peak R1 and the second reference peak R2 of the preset reference profile 200 with the first peak 310 and the second peak 320, respectively. can be
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a reference profile 200 of an apparatus 100 for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a diagram schematically illustrating an example of a reference profile 200 and a differential profile 300 of the apparatus 100 for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • the first reference peak R1 and the second reference peak R2 may be included in a voltage range of 3.6 [V] to 3.8 [V]. Also, referring to FIG. 5 , the first peak 310 and the second peak 320 may be included in a voltage range of 3.6 [V] to 3.8 [V].
  • the peak is a point at which the slope is 0 in the reference profile 200 and the differential profile 300 , and means a point at which an instantaneous rate of change according to voltage changes from positive to negative.
  • slopes of the first reference peak R1 , the second reference peak R2 , the first peak 310 , and the second peak 320 may be zero. That is, the first reference peak R1 , the second reference peak R2 , the first peak 310 , and the second peak 320 may be upwardly convex points.
  • the first peak 310 is a peak corresponding to the first reference peak R1
  • the second peak 320 is a peak corresponding to the second reference peak R2 .
  • the controller 120 determines a peak corresponding to the first reference peak R1 in the differential profile 300 as the first peak 310
  • the second reference It may be configured to determine a peak corresponding to the peak R2 as the second peak 320 .
  • the control unit 120 controls at least one of a change in the behavior of the first peak 310 with respect to the first reference peak R1 and a change in the behavior of the second peak 320 with respect to the second reference peak R2. It may be configured to diagnose the state of the battery in consideration.
  • the behavior change may mean a change from the differential capacitance value of the reference peaks R1 and R2 to the differential capacitance value of the peaks 310 and 320 .
  • a change in the behavior of the peaks 310 and 320 may be determined by comparing the magnitude of the differential capacitance values of the reference peaks R1 and R2 and the differential capacitance values of the peaks 310 and 320 and calculating the difference.
  • the change in the behavior of the first peak 310 indicates that the differential capacitance value is reduced. can be decided.
  • the differential capacitance value of the second peak 320 is smaller than the differential capacitance value of the second reference peak R2 , the change in the behavior of the second peak 320 may be determined as a decrease in the differential capacitance value.
  • the controller 120 may diagnose whether the battery is degraded based on at least one of a change in the behavior of the first peak 310 and a change in the behavior of the second peak 320 . Also, the controller 120 may specifically diagnose whether the positive electrode of the battery is deteriorated and/or whether the negative electrode of the battery is deteriorated.
  • the battery state diagnosis apparatus 100 is capable of diagnosing deterioration of a battery in consideration of the behavior of the first peak 310 and the second peak 320 included in the differential profile 300 of the battery. can In particular, the battery state diagnosis apparatus 100 may more accurately diagnose the cause of the deterioration of the battery by diagnosing in detail whether the positive electrode or the negative electrode of the battery has deteriorated.
  • the controller 120 provided in the apparatus 100 for diagnosing the battery state according to an embodiment of the present invention is a processor known in the art, an ASIC (application-specific integrated circuit) to execute various control logics performed in the present invention. ), other chipsets, logic circuits, registers, communication modems, data processing devices, and the like.
  • the control logic is implemented in software
  • the controller 120 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in the memory and executed by the controller 120 .
  • the memory may be inside or outside the control unit 120 , and may be connected to the control unit 120 by various well-known means.
  • the controller 120 may be configured to set the largest peak in the reference profile 200 as the first reference peak R1 and the second largest peak as the second reference peak R2 . Specifically, the controller 120 sets the peak having the largest differential capacitance value as the first reference peak R1 in the reference profile 200, and sets the peak with the second largest differential capacitance value to the second reference peak ( R2).
  • the largest peak may be set as the first reference peak R1 .
  • the second largest peak in the reference profile 200 of FIG. 4 may be set as the second reference peak R2 .
  • the controller 120 determines a peak corresponding to the first reference peak R1 in the differential profile 300 as the first peak 310 , and the second reference peak in the differential profile 300 . It may be configured to determine the peak corresponding to (R2) as the second peak 320 .
  • the controller 120 may determine a peak having a voltage value closest to the voltage value of the first reference peak R1 in the differential profile 300 as the first peak 310 . Similarly, the controller 120 may determine a peak having a voltage value closest to the voltage value of the second reference peak R2 in the differential profile 300 as the second peak 320 .
  • the reference profile 200 may be a profile for the voltage and differential capacity of the reference cell measured while the reference cell corresponding to the battery is charged within a predetermined C-rate range.
  • the differential profile 300 may be a profile for the voltage and differential capacity of the battery measured while the battery is being charged within the same rate range as that of the reference cell.
  • the predetermined seed rate range may be a range of 0.1C or more. That is, the reference profile 200 may be a profile obtained while charging the reference cell at a high rate in a seed rate range of 0.1C or higher. Preferably, the reference profile 200 may be a profile obtained while charging the reference cell with a seed rate of 0.2C or more and 1C or less. More preferably, the reference profile 200 may be a profile obtained while charging the reference cell with a seed rate of 0.33C or higher and 1C or lower.
  • the reference profile 200 and the differential profile 300 are obtained while charging the reference cell and the battery at a seed rate of 0.33C, respectively.
  • the differential profile 20 of FIG. 2 may be a profile obtained while the battery cell is charged at a seed rate of 0.05C.
  • the differential profile 20 of FIG. 2 is a profile obtained while the reference cell is charged at a seed rate of 0.05C.
  • the differential profile 20 of FIG. 2 is a profile obtained while charging the reference cell at a low rate at a seed rate of about 0.05C so that the first peaks 21 to 26 can be clearly included. Accordingly, the first peak 21 to the sixth peak 26 may be clearly divided and included in the differential profile 20 of FIG. 2 .
  • the reference profile 200 of FIG. 4 was obtained during high-rate charging of the reference cell at a seed rate of 0.33C. Accordingly, in the reference profile 200 , the first peak 21 to the sixth peak 26 included in the differential profile 20 of FIG. 2 are not clearly distinguished. Specifically, when the reference cell is charged at a high rate with a seed rate of 0.33C, the third peak 23 included in the differential profile 20 of FIG. 2 is the first reference peak included in the reference profile 200 of FIG. 4 ( R1) and a second reference peak R2.
  • the third peak 23 included in the differential profile 20 of FIG. 2 is the third peak 23 included in the reference profile 200 of FIG. 4 when the reference cell is charged at a high rate (eg, charged with a seed rate of 0.33C) It may be divided into a first reference peak R1 and a second reference peak R2.
  • the controller 120 determines the first peak 310 as a peak corresponding to the first reference peak R1, and corresponds to the second reference peak R2 The resulting peak may be determined as the second peak 320 . Thereafter, the controller 120 may diagnose the state of the battery based on the change in the behavior of the first peak 310 and/or the change in the behavior of the second peak 320 .
  • the battery state diagnosis apparatus 100 unlike the prior art of diagnosing the state of the battery using the differential profile 20 obtained through the low rate charging, the battery state diagnosis apparatus 100 obtained through the high rate charging There is an advantage in that the state of the battery can be diagnosed using the differential profile 300 . In particular, since the state of the battery can be diagnosed even when the battery is charged at a high rate, there is an advantage in that the state of the battery can be diagnosed more quickly.
  • the battery state diagnosis apparatus 100 detects the state of the battery through the behavior of the plurality of peaks 310 and 320 included in the differential profile 300 obtained through high-rate charging. It has the advantage of providing a new peak interpretation that can be diagnosed.
  • the battery state diagnosis apparatus 100 may diagnose the state of the battery using the first reference peak R1 and the second reference peak R2, which have not been conventionally used for battery state diagnosis.
  • the battery state diagnosis apparatus 100 can diagnose the state of the battery even at high rate charging, the battery is driven in an electronic device (electronic product, automobile, energy storage system, ESS, etc.) It has the advantage of being able to diagnose the state of the battery in various situations.
  • the controller 120 may be configured to compare the second peak 320 with the second reference peak R2 to calculate a second peak change value.
  • the control unit 120 may be configured to diagnose whether the battery is degraded according to the second peak change value.
  • the controller 120 may calculate a second peak change value based on a difference between the differential capacitance of the second peak 320 and the differential capacitance of the second reference peak R2 . Specifically, the controller 120 may calculate a value obtained by subtracting the differential capacitance value of the second peak 320 from the differential capacitance value of the second reference peak R2 as the second peak change value.
  • the controller 120 may diagnose that the battery is degraded. Conversely, when the calculated second peak change value is less than a predetermined size, the controller 120 may diagnose that the battery is not degraded.
  • the predetermined size may be a fixed value as an initial setting value.
  • the predetermined size is a reference value that is compared with a peak change value (the difference between the differential capacity value of the reference peak and the differential capacity value of the peak) in order to diagnose whether the battery is deteriorated, it is fixed regardless of the degree of deterioration of the battery. It may be a set value.
  • the apparatus 100 for diagnosing a battery state can quickly diagnose whether the battery is deteriorating by considering only the peak change value between the second reference peak R2 and the second peak 320 .
  • the controller 120 may be configured to calculate a first peak change value by comparing the first peak 310 with the first reference peak R1 when it is diagnosed that the battery is degraded. Specifically, the controller 120 may calculate a value obtained by subtracting the differential capacitance value of the first peak 310 from the differential capacitance value of the first reference peak R1 as the first peak change value.
  • the controller 120 may be configured to diagnose a cause of deterioration of the battery according to the first peak change value and the second peak change value.
  • the controller 120 may diagnose the cause of deterioration of the battery as positive electrode deterioration and/or negative electrode deterioration according to the first peak change value and the second peak change value.
  • the negative electrode degradation means that soluble lithium is lost and degradation progresses on the negative electrode side of the battery.
  • positive electrode degradation means that the positive electrode reaction area is lost, and degradation progresses on the positive electrode side of the battery.
  • the controller 120 determines the cause of the deterioration of the battery by using the differential capacity value of the first peak 310 and the first reference peak R1.
  • a first peak change value may be calculated based on the difference between the differential capacitance values of .
  • the controller 120 may diagnose that the cause of deterioration of the battery is negative electrode deterioration and positive electrode deterioration.
  • the controller 120 may diagnose that the cause of deterioration of the battery is deterioration of the positive electrode.
  • the controller 120 may diagnose the main cause of deterioration of the battery by comparing the first peak change value and the second peak change value. For example, when the first peak change value is greater than the second peak change value, the controller 120 may diagnose the main cause of deterioration of the battery as negative electrode deterioration. Conversely, when the first peak change value is smaller than the second peak change value, the controller 120 may diagnose the main cause of deterioration of the battery as positive electrode deterioration.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating another example of a reference profile 200 and a differential profile 300 of the apparatus 100 for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a differential profile 300 of a battery in which the negative electrode and the positive electrode are degraded
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the differential profile 300 of a battery in which the positive electrode is degraded.
  • the second peak change value between the second reference peak R2 and the second peak 320 may be greater than or equal to a predetermined size. That is, when the positive electrode of the battery is deteriorated, the differential capacity value of the second peak 320 may be smaller than the differential capacity value of the second reference peak R2 by a predetermined size or more.
  • the first peak change value between the first reference peak R1 and the first peak 310 may be greater than or equal to a predetermined size. That is, when the negative electrode of the battery is degraded, the differential capacity value of the first peak 310 may be smaller than the differential capacity value of the first reference peak R1 by a predetermined size or more.
  • the controller 120 may be configured to diagnose that the negative electrode and the positive electrode of the battery are lost.
  • the control unit 120 may be configured to diagnose that the positive electrode of the battery is lost when the first peak change value is less than a predetermined size and the second peak change value is greater than or equal to the predetermined size. have.
  • the apparatus 100 for diagnosing a battery state rapidly diagnoses whether the battery is deteriorating based on the second peak change value, and determines the cause of the deterioration of the battery based on the first peak change value. It has the advantage of being able to make a specific diagnosis.
  • a plurality of reference ranges may be preset for the first peak change value and the second peak change value of the battery.
  • the plurality of reference ranges may include a first reference range, a second reference range, and a third reference range.
  • the plurality of reference ranges are not divided into only three ranges as described below, but may be divided in more detail.
  • the controller 120 may compare the first peak change value and the second peak change value with a plurality of reference ranges, and diagnose whether the battery is degraded according to the comparison result.
  • the controller 120 may determine a second target range to which the second peak change value belongs among a plurality of reference ranges. In addition, the controller 120 may diagnose whether the battery is degraded based on the content set in the second target range. For example, when the second target range is the first reference range, the controller 120 may diagnose that the battery is not degraded. Conversely, when the second target range is the second reference range or the third reference range, the controller 120 may diagnose that the battery is degraded.
  • the controller 120 may calculate a first peak change value between the first reference peak R1 and the first peak 310 . In addition, the controller 120 may determine a first target range to which the first peak change value belongs among the plurality of reference ranges. In addition, the controller 120 may diagnose the cause of deterioration of the battery based on the content set in the first target range.
  • the controller 120 may diagnose that the cause of deterioration of the battery is the deterioration of the positive electrode. Conversely, when the first target range is the second reference range or the third reference range, the controller 120 may diagnose that the cause of deterioration of the battery is positive electrode deterioration and negative electrode deterioration.
  • the determination result of the controller 120 according to the combination of the first target range and the second target range will be described in detail based on Table 1 below.
  • the controller 120 may compare the first peak change value and the second peak change value with a plurality of reference ranges, and diagnose the degree of deterioration of the battery according to the comparison result.
  • the first reference range may be set to an allowable error range. That is, the first reference range may mean a normal range.
  • the second reference range may mean a warning range indicating that the battery is degraded and the state of the battery is a warning state.
  • the third reference range may mean a risk range indicating that the battery is degraded and the state of the battery is in a dangerous state.
  • the first target range refers to a range to which the first peak change value belongs among the plurality of reference ranges.
  • the second target range means a range to which the second peak change value belongs among the plurality of reference ranges.
  • the contents included in parentheses in Table 1 mean the above-described warning state or dangerous state.
  • the controller 120 may diagnose that the battery is not degraded.
  • the controller 120 may diagnose that the cause of deterioration of the battery is not the deterioration of the negative electrode. That is, the controller 120 may diagnose that the battery is not degraded or that the positive electrode of the battery is degraded.
  • the control unit 120 determines the first target range after first determining the second target range, if the first target range is the first reference range, the control unit 120 diagnoses that the cause of battery degradation is positive electrode degradation. can do.
  • the controller 120 may diagnose that the battery is degraded and the cause of the degradation is positive electrode degradation. Also, the controller 120 may diagnose the degree of deterioration of the positive pole of the battery as a warning state.
  • the controller 120 may diagnose that the battery is degraded and the cause of the degradation is positive electrode degradation. Also, the controller 120 may diagnose the degree of deterioration of the positive pole of the battery as a dangerous state.
  • the controller 120 may diagnose that the battery is degraded and the cause of the degradation is negative electrode degradation. Also, the controller 120 may diagnose the degree of deterioration of the negative electrode of the battery as a warning state.
  • the controller 120 may diagnose that the battery is degraded and the cause of the degradation is negative electrode degradation. . Also, the controller 120 may diagnose the degree of deterioration of the negative electrode of the battery as a dangerous state.
  • the controller 120 may diagnose whether or not the battery is degraded, the cause of the degradation, and the degree of degradation according to the combination of the first target range and the second target range.
  • the apparatus 100 for diagnosing the battery state may diagnose the state of the battery in detail in various aspects.
  • the state of the battery can be diagnosed even when the battery is charged at a high rate, the state of the battery can be diagnosed more quickly.
  • the plurality of reference ranges are not divided into only the three ranges of Table 1, but may be more subdivided.
  • the controller 120 may diagnose the degree of deterioration of the battery in more detail.
  • the controller 120 controls at least one of an upper limit of a state of charge (SOC), a lower limit of a state of charge, and an upper limit of a charge/discharge rate of the battery. can be configured.
  • SOC state of charge
  • a lower limit of a state of charge can be configured.
  • an upper limit of a charge/discharge rate of the battery can be configured.
  • the controller 120 includes an upper limit of a state of charge in which the battery can be charged to a maximum, a lower limit of a state of a state in which the battery can be discharged to a maximum, and an upper limit of a charge rate of the battery. , and a lower limit of a discharge rate of the battery.
  • the controller 120 may lower the upper limit of the state of charge of the battery.
  • the controller 120 may increase the lower limit of the state of charge of the battery.
  • the controller 120 may lower the upper limit of the charging rate.
  • the controller 120 may lower the upper limit of the discharge rate.
  • the apparatus 100 for diagnosing battery state according to an embodiment of the present invention has an advantage in that after diagnosing whether or not the battery has deteriorated, it is possible to take a measure to slow down the deterioration rate of the battery according to the diagnosis result.
  • the battery state diagnosis apparatus 100 may further include a storage unit 130 .
  • the storage unit 130 may store programs and data necessary for the control unit 120 to diagnose the state of the battery. That is, the storage unit 130 may store data necessary for each component of the battery state diagnosis apparatus 100 to perform an operation and function, a program or data generated while an operation and a function are performed.
  • the storage unit 130 is not particularly limited in its type as long as it is a known information storage means capable of writing, erasing, updating and reading data.
  • the information storage means may include a RAM, a flash memory, a ROM, an EEPROM, a register, and the like.
  • the storage unit 130 may store program codes in which processes executable by the control unit 120 are defined.
  • the storage unit 130 may be configured to store the voltage profile obtained by the profile acquisition unit 110 for each charging cycle in which the battery is charged.
  • the storage unit 130 may classify and store the voltage profile for each charging cycle. For example, the storage unit 130 may set an index for a charge cycle in the stored voltage profile.
  • the control unit 120 may be configured to obtain a plurality of differential profiles 300 from a plurality of voltage profiles stored in the storage unit 130 . That is, the control unit 120 and the storage unit 130 may be connected to be able to communicate.
  • the controller 120 may access the storage unit 130 to obtain one or more voltage profiles stored in the storage unit 130 .
  • the controller 120 may acquire a plurality of voltage profiles stored in the storage 130 .
  • the controller 120 may selectively acquire some of the plurality of voltage profiles stored in the storage 130 .
  • the controller 120 may select a voltage profile to be obtained through an index set in the voltage profile.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating an example of a plurality of differential profiles 300 obtained by the apparatus 100 for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • 8 is a diagram schematically illustrating another example of a plurality of differential profiles 300 obtained by the apparatus 100 for diagnosing a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • the reference profile 200, the first differential profile 300a, the second differential profile 300b, the third differential profile 300c, the fourth differential profile 300d, and the fifth differential profile 300e are It may be stored in the storage unit 130 .
  • control unit 120 may selectively obtain the first differential profile 300a, the second differential profile 300b, and the third differential profile 300c from the storage unit 130 . have.
  • controller 120 may selectively acquire the fourth differential profile 300d and the fifth differential profile 300e from the storage 130 .
  • the number of charge/discharge cycles of the battery increases in the order of the first differential profile 300a, the second differential profile 300b, and the third differential profile 300c.
  • the first differential profile 300a is a differential profile 300 for a battery having a number of charge/discharge cycles of 100
  • the second differential profile 300b is a differential profile 300 for a battery having a number of charge/discharge cycles of 200.
  • the third differential profile 300c is a differential profile 300 for a battery having a number of charge/discharge cycles of 300.
  • the number of charge/discharge cycles of the battery of the fourth differential profile 300d is less than the number of charge/discharge cycles of the battery of the fifth differential profile 300e.
  • controller 120 may be configured to determine a plurality of first peaks 310 and a plurality of second peaks 320 from the plurality of differential profiles 300 .
  • the control unit 120 determines, in each of the plurality of differential profiles 300 , a peak corresponding to the first reference peak R1 of the reference profile 200 as the first peak 310 , and at the second reference peak R2 .
  • the corresponding peak may be determined as the second peak 320 .
  • the controller 120 controls first peaks 310a, 310b, 310c and second peaks in the first differential profile 300a, the second differential profile 300b, and the third differential profile 300c. (320a, 320b, 320c) can be determined. Also, referring to FIG. 8 , the control unit 120 may determine the first peaks 310d and 310e and the second peaks 320d and 320e in the fourth differential profile 300d and the fifth differential profile 300e, respectively. have.
  • Both the first peak 310d of the profile 300d and the first peak 310e of the fifth differential profile 300e may be peaks corresponding to the first reference peak R1 of the reference profile 200 .
  • the second peak 320a of the first differential profile 300a, the second peak 320b of the second differential profile 300b, the second peak 320c of the third differential profile 300c, the fourth differential Both the second peak 320d of the profile 300d and the second peak 320e of the fifth differential profile 300e may be peaks corresponding to the second reference peak R2 of the reference profile 200 .
  • the controller 120 may be configured to diagnose whether the battery is deteriorating based on at least one of the determined behavior change of the plurality of first peaks 310 and the behavior change of the plurality of second peaks 320 .
  • the controller 120 may calculate a difference for each differential capacity of the plurality of second peaks 320 based on the number of charge/discharge cycles of the battery. Specifically, the control unit 120 determines the peak based on the difference between the differential capacitance value of the second peak 320a of the first differential profile 300a and the differential capacitance value of the second peak 320b of the second differential profile 300b. change can be calculated. In addition, the control unit 120 changes the peak based on the difference between the differential capacitance value of the second peak 320b of the second differential profile 300b and the differential capacitance value of the second peak 320c of the third differential profile 300c. value can be calculated.
  • the controller 120 may diagnose that the deterioration of the battery is accelerating. Conversely, when the peak change value between the plurality of second peaks 320 decreases as the number of charge/discharge cycles of the battery increases, the controller 120 may diagnose that the deterioration of the battery is decelerating.
  • the peak change value between the second peak 320b of the second differential profile 300b and the second peak 320c of the third differential profile 300c is the second peak 320a of the first differential profile 300a.
  • the controller 120 may diagnose that the deterioration of the battery is accelerating.
  • the second peak change value between the second reference peak R2 of the reference profile 200 and the second peak 320a of the first differential profile 300a, the second reference peak R2 and the second differential profile At least one of a second peak change value between the second peak 320b of 300b and a second peak change value between the second reference peak R2 and the second peak 320c of the third differential profile 300c is It may be larger than a predetermined size. That is, when the controller 120 diagnoses that the battery is degraded based on at least one of the plurality of obtained differential profiles 300a, 300b, and 300c, the controller 120 may diagnose whether the degradation of the battery is progressing.
  • the controller 120 determines whether or not the deterioration of the battery is progressing. Examples of diagnosis have been described. However, unlike the embodiment of FIG. 7 , the controller 120 may diagnose whether the battery is deteriorating based on a larger number of differential profiles 300 . In this case, whether the deterioration of the battery is progressing may be more accurately diagnosed.
  • the controller 120 diagnoses the cause of the deterioration of the battery based on at least one of a change in the behavior of the first peak 310 and the change in the behavior of the plurality of second peaks 320 will be described.
  • the behavior change of the plurality of first peaks 310 to be described below may be described based on the behavior change of the plurality of second peaks 320 described above.
  • the controller 120 may be configured to diagnose the cause of the deterioration of the battery based on at least one of the determined change in the behavior of the plurality of first peaks 310 and the change in the behavior of the plurality of second peaks 320 .
  • the controller 120 diagnoses that the deterioration of the battery is accelerated based on a change in the behavior of the plurality of second peaks 320 . That is, it is assumed that the peak change value between the plurality of second peaks 320 increases as the number of charge/discharge cycles of the battery increases, so that the controller 120 diagnoses that the deterioration of the battery is accelerating. As in the embodiment of FIG. 7 , when the peak change value between the plurality of first peaks 310 increases as the number of charge/discharge cycles of the battery increases, the controller 120 determines the cause of the accelerated deterioration of the battery. It can be diagnosed as degeneration and cathodic degeneration. Conversely, as in the embodiment of FIG.
  • the control unit 120 determines the cause of accelerated deterioration of the battery. It can be diagnosed by the deterioration of the positive pole of the battery.
  • the battery state diagnosis apparatus 100 has the advantage of diagnosing not only whether the deterioration of the battery is progressing, but also the cause of the deterioration of the battery, thereby diagnosing the state of the battery in more detail.
  • the apparatus 100 for diagnosing a battery state may be applied to a battery management system (BMS). That is, the BMS according to the present invention may include the battery state diagnosis apparatus 100 . In this configuration, at least some of the respective components of the battery state diagnosis apparatus 100 may be implemented by supplementing or adding functions of components included in the conventional BMS. For example, the profile acquisition unit 110 , the control unit 120 , and the storage unit 130 may be implemented as components of the BMS.
  • the apparatus 100 for diagnosing a battery state may be provided in a battery pack. That is, the battery pack according to the present invention may include the battery state diagnosis apparatus 100 and one or more battery cells. In addition, the battery pack may further include electrical equipment (relays, fuses, etc.) and a case.
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a method for diagnosing a battery state according to another embodiment of the present invention. Each step of the battery state diagnosis method may be performed by the battery state diagnosis apparatus 100 .
  • the battery condition diagnosis method includes a voltage profile obtaining step (S100), a differential profile obtaining step (S200), a peak determining step (S300), a peak comparing step (S400), and a battery condition diagnosis step (S500).
  • S100 voltage profile obtaining step
  • S200 differential profile obtaining step
  • S300 peak determining step
  • S400 peak comparing step
  • S500 battery condition diagnosis step
  • the voltage profile obtaining step ( S100 ) is a step of obtaining a voltage profile of the battery with respect to the voltage and capacity of the battery, and may be performed by the profile obtaining unit 110 .
  • a voltage profile may be obtained while the battery is being charged at a seed rate of 0.33C.
  • the differential profile obtaining step S200 is a step of obtaining a differential profile 300 for the voltage and the capacitance from the voltage profile obtained in the voltage profile obtaining step S100 , and may be performed by the controller 120 . .
  • the voltage profile is a profile for the capacitance (Q) and the voltage (V)
  • the differential profile 300 is a profile for the voltage (V) and the differential capacitance (dQ/dV).
  • a plurality of peaks included in a predetermined voltage section are selected from the differential profile 300 obtained in the differential profile obtaining step (S200), and a first peak ( 310 ) and the second peak 320 associated with the anode, and may be performed by the controller 120 .
  • the predetermined voltage range may be a voltage range preset to include the first reference peak R1 and the second reference peak R2 of the reference profile 200 .
  • the controller 120 may determine the first reference peak R1 and the second reference peak R2 from the reference profile 200 .
  • the first reference peak R1 is a peak having the highest differential capacitance value in the reference profile 200
  • the second reference peak R2 is a peak having the second largest differential capacitance value in the reference profile 200 . am.
  • the controller 120 determines a peak corresponding to the first reference peak R1 in the differential profile 300 as the first peak 310 , and sets the peak corresponding to the second reference peak R2 to the second peak (320) can be determined.
  • the peak comparison step (S400) is to compare the first peak 310 and the second peak 320 with the first reference peak R1 and the second reference peak R2 of the preset reference profile 200, respectively. As a step, it may be performed by the controller 120 .
  • the controller 120 determines a change in the behavior of the first peak 310 with respect to the first reference peak R1 based on the change in the differential capacitance value, and the second reference peak R2 with respect to the second reference peak R2.
  • a change in the behavior of the peak 320 may be determined.
  • the battery state diagnosis step S500 includes a change in the behavior of the first peak 310 with respect to the first reference peak R1 and a change in the behavior of the second peak 320 with respect to the second reference peak R2.
  • the controller 120 may diagnose whether the battery is degraded based on at least one of a change in the behavior of the first peak 310 and a change in the behavior of the second peak 320 . Also, the controller 120 may specifically diagnose whether the positive electrode of the battery is deteriorated and/or whether the negative electrode of the battery is deteriorated.
  • the battery state diagnosis method may diagnose deterioration of a battery in consideration of the behavior of the first peak 310 and the second peak 320 included in the differential profile 300 of the battery.
  • the battery state diagnosis method can more accurately diagnose the cause of deterioration of the battery by diagnosing in detail whether the positive electrode or the negative electrode of the battery is degraded.
  • the embodiment of the present invention described above is not implemented only through the apparatus and method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded.
  • the implementation can be easily implemented by those skilled in the art to which the present invention pertains from the description of the above-described embodiments.
  • control unit 120 control unit

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치는 배터리의 전압과 용량에 대한 상기 배터리의 전압 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 상기 프로파일 획득부에 의해 획득된 전압 프로파일로부터 상기 전압과 상기 용량에 대한 미분 프로파일을 획득하고, 획득된 미분 프로파일에서 소정의 전압 구간에 포함된 복수의 피크를 선택하며, 선택된 복수의 피크 중 음극과 관련된 제1 피크 및 양극과 관련된 제2 피크를 결정하고, 상기 제1 피크와 상기 제2 피크를 미리 설정된 기준 프로파일의 제1 기준 피크와 제2 기준 피크를 각각 비교하며, 상기 제1 기준 피크에 대한 상기 제1 피크의 거동 변화 및 상기 제2 기준 피크에 대한 상기 제2 피크의 거동 변화 중 적어도 하나를 고려하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 상태 진단 장치 및 방법
본 출원은 2020년 05월 15일자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2020-0058254호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 실시간 사이클 데이터를 이용하여 배터리의 퇴화를 진단하는 배터리 상태 진단 장치 및 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 배터리 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.
배터리 셀은 충전이나 방전이 반복되면서 퇴화될 수 있다. 예컨대, 배터리 셀의 양극 측에서는 전해액이 산화되거나 결정 구조가 파괴되어, 배터리 셀이 퇴화될 수 있다. 음극 측에서는 금속 리튬이 석출되어 배터리 셀이 퇴화될 수 있다. 또한, 일반적으로, 리튬 이온 이차전지의 제조 조건에 따라, 상기 이차전지의 용량 열화가 빨라지는 경우가 있다. 따라서, 종래에는 배터리 셀의 전압과 용량에 대한 미분 프로파일에 기반하여, 배터리 셀의 퇴화를 진단하는 기술이 개시되었다.
도 1은 종래 기술에 따른 전압 프로파일(10)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전압 프로파일(10)은 배터리 셀에 대한 용량(Q)과 전압을 나타낸 프로파일이다. 이러한, 전압 프로파일(10)에서, 배터리 프로파일(13)은 양극 프로파일(11)과 음극 프로파일(12)의 차이로 나타낼 수 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 미분 프로파일(20)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 미분 프로파일(20)은 배터리 셀의 용량을 전압으로 미분하여 나타낸 프로파일이다. 도 2에 도시된 전압 프로파일(10)에서, 제1 피크(21), 제2 피크(22), 제4 피크(24), 제5 피크(25), 및 제6 피크(26) 중 적어도 하나를 이용하여 배터리의 퇴화를 진단하였다. 예컨대, 종래에는 제1 피크(21) 및/또는 제2 피크(22)를 이용하여 배터리의 음극 퇴화를 진단하고, 제4 피크(24), 제5 피크(25), 및 제6 피크(26) 중 적어도 하나를 이용하여 배터리의 양극 퇴화를 진단하였다.
한편, 미분 프로파일(20)의 제3 피크(23)는 배터리 셀의 양극 피크와 음극 피크가 혼재된 피크이다. 즉, 종래에는 양극 피크와 음극 피크가 혼재된 제3 피크(23)에 기반하여 배터리의 양극 퇴화 또는 음극 퇴화를 구체적으로 진단할 수 없는 문제가 있었다. 따라서, 종래에는 미분 프로파일(20)에 포함된 복수의 피크 중 제3 피크(23)를 제외한 피크들을 이용하여 배터리의 양극 퇴화 및 음극 퇴화를 진단하였다.
또한, 종래 기술은, 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 피크가 구분될 수 있는 미분 프로파일(20)을 획득하기 위하여, 배터리 셀을 저율로 충전 및/또는 방전해야 하는 문제점이 있다. 예컨대, 도 1의 전압 프로파일(10)은 0.05C(C-rate)로 배터리 셀을 충전하면서 획득된 것이고, 도 2의 미분 프로파일(20)은 도 1의 전압 프로파일(10)에 기반하여 획득된 것일 수 있다.
즉, 배터리 셀이 저율로 충전 또는 방전되어야만 미분 프로파일(20)에 포함된 각각의 피크가 명확하게 표현될 수 있는 한계가 있기 때문에, 종래 기술은 배터리 셀의 테스트 과정 등 매우 한정적인 상황에서만 적용될 수 있는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고율 충전 또는 고율 방전을 통해 획득된 미분 프로파일에 포함된 특정 피크를 해석하여 배터리의 퇴화를 진단할 수 있는 배터리 상태 진단 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.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 상태 진단 장치는 배터리의 전압과 용량에 대한 상기 배터리의 전압 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 상기 프로파일 획득부에 의해 획득된 전압 프로파일로부터 상기 전압과 상기 용량에 대한 미분 프로파일을 획득하고, 획득된 미분 프로파일에서 소정의 전압 구간에 포함된 복수의 피크를 선택하며, 선택된 복수의 피크 중 음극과 관련된 제1 피크 및 양극과 관련된 제2 피크를 결정하고, 상기 제1 피크와 상기 제2 피크를 미리 설정된 기준 프로파일의 제1 기준 피크와 제2 기준 피크를 각각 비교하며, 상기 제1 기준 피크에 대한 상기 제1 피크의 거동 변화 및 상기 제2 기준 피크에 대한 상기 제2 피크의 거동 변화 중 적어도 하나를 고려하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 기준 프로파일에서 가장 큰 피크를 제1 기준 피크로 설정하고, 두 번째로 큰 피크를 제2 기준 피크로 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 피크는, 상기 기준 프로파일 및 상기 미분 프로파일에서 기울기가 0인 지점으로, 전압에 따른 순간 변화율이 양에서 음으로 변하는 지점일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 미분 프로파일에서 상기 제1 기준 피크에 대응되는 피크를 상기 제1 피크로 결정하고, 상기 미분 프로파일에서 상기 제2 기준 피크에 대응되는 피크를 상기 제2 피크로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 기준 프로파일은, 상기 배터리에 대응되는 기준 셀이 소정의 씨레이트 범위 내에서 충전되는 동안 측정된 상기 기준 셀의 전압과 미분 용량에 대한 프로파일일 수 있다.
상기 미분 프로파일은, 상기 배터리가 상기 기준 셀과 동일한 씨레이트 범위 내에서 충전되는 동안 측정된 상기 배터리의 전압과 미분 용량에 대한 프로파일일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제2 피크와 상기 제2 기준 피크를 비교하여 제2 피크 변화값을 산출하고, 상기 제2 피크 변화값에 따라 상기 배터리의 퇴화 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리가 퇴화된 것으로 진단된 경우, 상기 제1 피크와 상기 제1 기준 피크를 비교하여 제1 피크 변화값을 산출하고, 상기 제1 피크 변화값 및 상기 제2 피크 변화값에 따라 상기 배터리의 퇴화 원인을 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 피크 변화값과 상기 제2 피크 변화값이 소정의 크기 이상인 경우, 상기 배터리의 퇴화 원인을 음극 퇴화 및 양극 퇴화로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 피크 변화값이 소정의 크기 미만이고, 상기 제2 피크 변화값이 상기 소정의 크기 이상인 경우, 상기 배터리의 퇴화 원인을 양극 퇴화로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리가 퇴화된 것으로 진단된 경우, 상기 배터리의 충전 상태의 상한, 충전 상태의 하한, 및 충방전 씨레이트의 상한 중 적어도 하나를 조절하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 상태 진단 장치는 상기 배터리가 충전되는 충전 사이클마다 상기 프로파일 획득부에 의해 획득된 전압 프로파일을 저장하도록 구성된 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 저장부에 저장된 복수의 전압 프로파일로부터 복수의 미분 프로파일을 획득하고, 상기 복수의 미분 프로파일에서 복수의 제1 피크 및 복수의 제2 피크를 결정하며, 결정된 복수의 제1 피크의 거동 변화 및 복수의 제2 피크의 거동 변화 중 적어도 하나에 기반하여 배터리의 퇴화 진행 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 상태 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 상태 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 상태 진단 방법은 배터리의 전압과 용량에 대한 상기 배터리의 전압 프로파일을 획득하는 전압 프로파일 획득 단계; 상기 전압 프로파일 획득 단계에서 획득된 전압 프로파일로부터 상기 전압과 상기 용량에 대한 미분 프로파일을 획득하는 미분 프로파일 획득 단계; 상기 미분 프로파일 획득 단계에서 획득된 미분 프로파일에서 소정의 전압 구간에 포함된 복수의 피크를 선택하고, 선택된 복수의 피크 중 음극과 관련된 제1 피크 및 양극과 관련된 제2 피크를 결정하는 피크 결정 단계; 상기 제1 피크와 상기 제2 피크를 미리 설정된 기준 프로파일의 제1 기준 피크와 제2 기준 피크와 각각 비교하는 피크 비교 단계; 및 상기 제1 기준 피크에 대한 상기 제1 피크의 거동 변화 및 상기 제2 기준 피크에 대한 상기 제2 피크의 거동 변화 중 적어도 하나를 고려하여 상기 배터리의 상태를 진단하는 배터리 상태 진단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 미분 프로파일에 포함된 제1 피크 및 제2 피크의 거동을 고려하여 배터리의 퇴화 여부가 진단될 수 있다.
또한, 배터리의 양극이 퇴화했는지 또는 음극이 퇴화했는지가 구체적으로 진단됨으로써, 배터리의 퇴화 원인이 보다 정확하게 진단될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리가 0.1C 이상의 고율로 충전되더라도, 미분 프로파일 해석을 통해 배터리의 퇴화 여부 및/또는 퇴화 원인이 진단될 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 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 종래 기술에 따른 전압 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치의 기준 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치의 기준 프로파일과 미분 프로파일의 일 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치의 기준 프로파일과 미분 프로파일의 다른 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치에서 획득한 복수의 미분 프로파일의 일 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치에서 획득한 복수의 미분 프로파일의 다른 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 상태 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
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.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
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 제어부와 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.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는 프로파일 획득부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 배터리의 전압과 용량에 대한 상기 배터리의 전압 프로파일을 획득하도록 구성될 수 있다.
여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 배터리 셀을 의미할 수 있다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 하나가 배터리로 간주될 수 있다. 또한, 배터리는 하나 이상의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 구비된 배터리 모듈을 의미할 수도 있다.
구체적으로, 프로파일 획득부(110)는 배터리가 충전 및/또는 방전되는 동안 측정된 배터리의 전압 및 용량에 대한 전압 프로파일을 획득할 수 있다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 도 1의 전압 프로파일(10)과 같은 배터리의 전압 프로파일을 획득할 수 있다. 즉, 프로파일 획득부(110)가 획득한 전압 프로파일은 배터리의 용량에 대한 배터리의 전압을 나타낼 수 있다.
제어부(120)는 상기 프로파일 획득부(110)에 의해 획득된 전압 프로파일로부터 상기 전압과 상기 용량에 대한 미분 프로파일(300)을 획득하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 프로파일 획득부(110)와 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 예컨대, 프로파일 획득부(110)는 획득한 전압 프로파일을 제어부(120)로 송신하고, 제어부(120)가 전압 프로파일을 수신할 수 있다. 다른 예로, 제어부(120)는 프로파일 획득부(110)에 접근(Access)하여, 전압 프로파일을 획득할 수도 있다.
제어부(120)는 전압 프로파일을 획득한 이후, 전압 프로파일에 기반하여 미분 프로파일(300)을 획득할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리의 용량(Q)을 배터리의 전압(V)으로 미분하여 배터리의 미분 용량(dQ/dV)을 산출하고, 배터리의 전압에 대한 배터리의 미분 용량을 나타내는 미분 프로파일(300)을 획득할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 획득된 미분 프로파일(300)에서 소정의 전압 구간에 포함된 복수의 피크를 선택하도록 구성될 수 있다.
여기서, 소정의 전압 구간이란, 미리 설정된 전압 구간으로서, 기준 프로파일(200)의 제1 기준 피크(R1)와 제2 기준 피크(R2)가 속하는 전압 구간일 수 있다. 즉, 제어부(120)는 획득한 미분 프로파일(300)에서, 기준 프로파일(200)의 제1 기준 피크(R1)와 제2 기준 피크(R2)가 속하는 전압 구간에 포함된 복수의 피크를 선택할 수 있다.
여기서, 기준 프로파일(200)이란 기준 셀에 대한 미분 프로파일(300)로서, 기준 셀의 전압에 대한 기준 셀의 미분 용량을 나타내는 프로파일일 수 있다. 그리고, 기준 셀은 배터리에 대응되는 셀일 수 있다.
예컨대, 기준 셀은 BOL(Beginning of Life) 상태의 배터리 자체일 수도 있고, 상기 배터리와 동일한 사양을 가진 별도의 배터리일 수도 있다. 그리고, 기준 프로파일(200)은 기준 셀로부터 획득된 최초의 미분 프로파일(300)일 수 있다. 다른 예로, 기준 프로파일(200)은 이전 시점에서 미리 획득된 배터리의 미분 프로파일(300)일 수도 있다. 즉, 기준 프로파일(200)은 배터리의 미분 프로파일(300)과 비교되기 위한 기준이 되는 프로파일로서, 제어부(120)가 배터리의 상태를 진단하기 위하여 미분 프로파일(300)을 획득하기 이전에 미리 획득된 프로파일이라면 상기 미분 프로파일(300)에 대한 기준 프로파일(200)로 여겨질 수 있다.
바람직하게, 기준 셀이 대상 배터리의 BOL 상태이고, 기준 프로파일(200)이 기준 셀에 대한 최초의 미분 프로파일(300)일 수 있다. 이러한 기준 프로파일(200)가 배터리의 상태를 진단하기 위해 이용될 경우, 제어부(120)는 BOL 상태와 현재 배터리의 상태 간의 차이를 보다 더 정확하게 진단할 수 있다. 따라서, 이하에서는, 설명의 편의 및 배터리 상태 진단의 정확도 향상을 위하여, 기준 셀은 BOL 상태의 대상 배터리를 의미하고, 기준 프로파일(200)은 기준 셀에 대한 최초의 미분 프로파일(300)인 것으로 설명한다.
그리고, 제어부(120)는 선택된 복수의 피크 중 음극과 관련된 제1 피크(310) 및 양극과 관련된 제2 피크(320)를 결정하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 미분 프로파일(300)에서 소정의 전압 구간에 포함된 복수의 피크는 음극과 관련된 제1 피크(310)와 양극과 관련된 제2 피크(320)를 포함할 수 있다.
예컨대, 소정의 전압 구간에는 2개의 피크가 포함될 수 있다. 이 경우, 제어부(120)는 소정의 전압 구간에 포함된 2개의 피크 중에서 저전위측 피크를 제1 피크(310)로 결정하고, 고전위측 피크를 제2 피크(320)로 결정할 수 있다.
제어부(120)는, 상기 제1 피크(310)와 상기 제2 피크(320)를 미리 설정된 기준 프로파일(200)의 제1 기준 피크(R1)와 제2 기준 피크(R2)를 각각 비교하도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)의 기준 프로파일(200)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)의 기준 프로파일(200)과 미분 프로파일(300)의 일 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 3.6[V] 내지 3.8[V]의 전압 구간 내에 제1 기준 피크(R1) 및 제2 기준 피크(R2)가 포함될 수 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 3.6[V] 내지 3.8[V]의 전압 구간 내에 제1 피크(310)와 제2 피크(320)가 포함될 수 있다.
여기서, 피크란 상기 기준 프로파일(200) 및 상기 미분 프로파일(300)에서 기울기가 0인 지점으로, 전압에 따른 순간 변화율이 양에서 음으로 변하는 지점을 의미한다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제1 기준 피크(R1), 제2 기준 피크(R2), 제1 피크(310), 및 제2 피크(320)는 기울기가 0일 수 있다. 즉, 제1 기준 피크(R1), 제2 기준 피크(R2), 제1 피크(310), 및 제2 피크(320)는 위로 볼록한 지점일 수 있다.
바람직하게, 제1 피크(310)는 제1 기준 피크(R1)에 대응되는 피크이고, 제2 피크(320)는 제2 기준 피크(R2)에 대응되는 피크이다. 이를 위해, 제어부(120)는 상기 미분 프로파일(300)에서 상기 제1 기준 피크(R1)에 대응되는 피크를 상기 제1 피크(310)로 결정하고, 상기 미분 프로파일(300)에서 상기 제2 기준 피크(R2)에 대응되는 피크를 상기 제2 피크(320)로 결정하도록 구성될 수 있다.
제어부(120)는 상기 제1 기준 피크(R1)에 대한 상기 제1 피크(310)의 거동 변화 및 상기 제2 기준 피크(R2)에 대한 상기 제2 피크(320)의 거동 변화 중 적어도 하나를 고려하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
여기서, 거동 변화란 기준 피크(R1, R2)의 미분 용량값으로부터 피크(310, 320)의 미분 용량값으로의 변화를 의미할 수 있다. 예컨대, 기준 피크(R1, R2)의 미분 용량값과 피크(310, 320)의 미분 용량값의 대소 비교 및 차이 산출을 통해 피크(310, 320)의 거동 변화가 결정될 수 있다. 도 5의 실시예에서, 제1 기준 피크(R1)의 미분 용량값보다 제1 피크(310)의 미분 용량값이 작기 때문에, 제1 피크(310)의 거동 변화는 미분 용량값이 감소된 것으로 결정될 수 있다. 또한, 제2 기준 피크(R2)의 미분 용량값보다 제2 피크(320)의 미분 용량값이 작기 때문에, 제2 피크(320)의 거동 변화는 미분 용량값이 감소된 것으로 결정될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 제1 피크(310)의 거동 변화 및 제2 피크(320)의 거동 변화 중 적어도 하나에 기반하여 배터리의 퇴화 여부를 진단할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 배터리의 양극 퇴화 여부 및/또는 배터리의 음극 퇴화 여부를 구체적으로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는 배터리의 미분 프로파일(300)에 포함된 제1 피크(310) 및 제2 피크(320)의 거동을 고려하여 배터리의 퇴화를 진단할 수 있다. 특히, 배터리 상태 진단 장치(100)는 배터리의 양극이 퇴화했는지 또는 음극이 퇴화했는지를 구체적으로 진단함으로써, 배터리의 퇴화 원인을 보다 정확하게 진단할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)에 구비된 제어부(120)는 본 발명에서 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(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 기준 프로파일(200)에서 가장 큰 피크를 제1 기준 피크(R1)로 설정하고, 두 번째로 큰 피크를 제2 기준 피크(R2)로 설정하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제어부(120)는, 상기 기준 프로파일(200)에서 미분 용량값이 가장 큰 피크를 제1 기준 피크(R1)로 설정하고, 미분 용량값이 두 번째로 큰 피크를 제2 기준 피크(R2)로 설정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 4의 기준 프로파일(200)에서, 가장 큰 피크가 제1 기준 피크(R1)로 설정될 수 있다. 또한, 도 4의 기준 프로파일(200)에서 두 번째로 큰 피크가 제2 기준 피크(R2)로 설정될 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 상기 미분 프로파일(300)에서 상기 제1 기준 피크(R1)에 대응되는 피크를 상기 제1 피크(310)로 결정하고, 상기 미분 프로파일(300)에서 상기 제2 기준 피크(R2)에 대응되는 피크를 상기 제2 피크(320)로 결정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 미분 프로파일(300)에서 제1 기준 피크(R1)의 전압값과 가장 가까운 전압값을 갖는 피크를 제1 피크(310)로 결정할 수 있다. 마찬가지로, 제어부(120)는 미분 프로파일(300)에서 제2 기준 피크(R2)의 전압값과 가장 가까운 전압값을 갖는 피크를 제2 피크(320)로 결정할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는, 서로 대응되는 기준 프로파일(200)의 기준 피크(R1, R2)와 미분 프로파일(300)의 피크(310, 320) 간의 거동 변화에 기반하여 배터리의 상태를 보다 정확하게 진단할 수 있다.
또한, 기준 프로파일(200)은 상기 배터리에 대응되는 기준 셀이 소정의 씨레이트(C-rate) 범위 내에서 충전되는 동안 측정된 상기 기준 셀의 전압과 미분 용량에 대한 프로파일일 수 있다. 그리고, 상기 미분 프로파일(300)은, 상기 배터리가 상기 기준 셀과 동일한 씨레이트 범위 내에서 충전되는 동안 측정된 상기 배터리의 전압과 미분 용량에 대한 프로파일일 수 있다.
여기서, 소정의 씨레이트 범위란 0.1C 이상의 범위일 수 있다. 즉, 기준 프로파일(200)은 기준 셀을 0.1C 이상의 씨레이트 범위에서 고율로 충전하는 동안 획득된 프로파일일 수 있다. 바람직하게, 기준 프로파일(200)은 기준 셀을 0.2C 이상 1C 이하의 씨레이트로 충전하는 동안 획득된 프로파일일 수 있다. 보다 바람직하게, 기준 프로파일(200)은 기준 셀을 0.33C 이상 1C 이하의 씨레이트로 충전하는 동안 획득된 프로파일일 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 기준 프로파일(200) 및 미분 프로파일(300)이 0.33C의 씨레이트로 기준 셀 및 배터리를 각각 충전하는 동안 획득된 것으로 설명한다.
한편, 도 2의 미분 프로파일(20)은 배터리 셀이 0.05C의 씨레이트로 충전되는 동안 획득된 프로파일일 수 있다. 이하에서는, 도 2의 미분 프로파일(20)은 상기 기준 셀이 0.05C의 씨레이트로 충전되는 동안 획득된 프로파일이라고 설명한다.
즉, 도 2의 미분 프로파일(20)은, 제1 피크(21) 내지 제6 피크(26)가 선명하게 포함될 수 있도록, 0.05C 정도의 씨레이트로 기준 셀을 저율 충전하면서 획득된 프로파일이다. 따라서, 도 2의 미분 프로파일(20)에는 제1 피크(21) 내지 제6 피크(26)가 명확하게 구분되어 포함될 수 있다.
이와 달리, 도 4의 기준 프로파일(200)은 0.33C의 씨레이트로 기준 셀을 고율 충전하는 동안 획득된 것이다. 따라서, 기준 프로파일(200)에서 도 2의 미분 프로파일(20)에 포함된 제1 피크(21) 내지 제6 피크(26)가 명확하게 구분되지 않는다. 구체적으로, 기준 셀이 0.33C의 씨레이트로 고율 충전되면, 도 2의 미분 프로파일(20)에 포함된 제3 피크(23)가 도 4의 기준 프로파일(200)에 포함된 제1 기준 피크(R1)와 제2 기준 피크(R2)로 나뉘어질 수 있다. 이는, 저율 충전의 경우에는 양극 피크 및 음극 피크가 혼재되어 제3 피크(23)가 형성되지만, 고율 충전의 경우에는 양극 및 음극의 거동이 달라져서 양극 피크와 음극 피크가 형성되는 전위대가 달라지기 때문이다. 따라서, 도 2의 미분 프로파일(20)에 포함된 제3 피크(23)는, 기준 셀이 고율 충전(예컨대, 0.33C의 씨레이트로 충전)되는 경우 도 4의 기준 프로파일(200)에 포함된 제1 기준 피크(R1)와 제2 기준 피크(R2)로 나뉘게 될 수 있다.
그리고, 도 5의 실시예의 미분 프로파일(300)에서, 제어부(120)는 제1 기준 피크(R1)에 대응되는 피크를 제1 피크(310)를 결정하고, 제2 기준 피크(R2)에 대응되는 피크를 제2 피크(320)로 결정할 수 있다. 이후, 제어부(120)는, 제1 피크(310)의 거동 변화 및/또는 제2 피크(320)의 거동 변화에 기반하여 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는, 저율 충전을 통해 획득된 미분 프로파일(20)을 이용하여 배터리의 상태를 진단하는 종래 기술과 달리, 고율 충전을 통해 획득된 미분 프로파일(300)을 이용하여 배터리의 상태를 진단할 수 있는 장점이 있다. 특히, 배터리가 고율 충전되는 경우에도 배터리의 상태 진단이 가능해지기 때문에, 배터리의 상태 진단이 보다 신속하게 진행될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는, 고율 충전을 통해 획득된 미분 프로파일(300)에 포함된 복수의 피크(310, 320)의 거동을 통해서, 배터리의 상태를 진단할 수 있는 새로운 피크 해석을 제공할 수 있는 장점이 있다.
즉, 배터리 상태 진단 장치(100)는, 종래에는 배터리 상태 진단에 활용되지 않았던 제1 기준 피크(R1)와 제2 기준 피크(R2)를 이용하여 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
예컨대, 종래에는 저율 충전이 요구되었기 때문에, 배터리의 테스트 단계 등과 같이 저율 충전이 가능한 한정적인 상황에서만 배터리의 상태를 진단하여야 하는 제한이 있었다. 하지만, 배터리 상태 진단 장치(100)는 고율 충전에서도 배터리의 상태를 진단할 수 있기 때문에, 배터리가 전자 장치(전자 제품, 자동차, 또는 에너지 저장 시스템(Energy storage system, ESS) 등)에서 구동되는 등의 다양한 상황에서도 배터리의 상태를 진단할 수 있는 장점이 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 제2 피크(320)와 상기 제2 기준 피크(R2)를 비교하여 제2 피크 변화값을 산출하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는, 상기 제2 피크 변화값에 따라 상기 배터리의 퇴화 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 제2 피크(320)의 미분 용량과 제2 기준 피크(R2)의 미분 용량 간의 차이를 토대로 제2 피크 변화값을 산출할 수 있다. 구체적으로, 제어부(120)는 제2 기준 피크(R2)의 미분 용량값에서 제2 피크(320)의 미분 용량값을 뺀 값을 제2 피크 변화값으로 산출할 수 있다.
그리고, 산출된 제2 피크 변화값이 소정의 크기 이상이면, 제어부(120)는 배터리가 퇴화된 것으로 진단할 수 있다. 반대로, 산출된 제2 피크 변화값이 소정의 크기 미만이면, 제어부(120)는 배터리가 퇴화되지 않은 것으로 진단할 수 있다. 이 경우, 바람직하게, 소정의 크기는 초기 설정값으로 고정된 값일 수 있다.
구체적으로, 소정의 크기는 배터리의 퇴화 여부를 진단하기 위하여 피크 변화값(기준 피크의 미분 용량값과 피크의 미분 용량값 간의 차이)과 비교되는 기준값이기 때문에, 배터리가 퇴화된 정도에 무관하게 고정 설정된 값일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는, 제2 기준 피크(R2)와 제2 피크(320) 간의 피크 변화값만을 고려하여, 배터리의 퇴화 여부를 신속하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 배터리가 퇴화된 것으로 진단된 경우, 상기 제1 피크(310)와 상기 제1 기준 피크(R1)를 비교하여 제1 피크 변화값을 산출하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제어부(120)는 제1 기준 피크(R1)의 미분 용량값에서 제1 피크(310)의 미분 용량값을 뺀 값을 제1 피크 변화값으로 산출할 수 있다.
그리고, 제어부(120)는, 상기 제1 피크 변화값 및 상기 제2 피크 변화값에 따라 상기 배터리의 퇴화 원인을 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는, 상기 제1 피크 변화값 및 상기 제2 피크 변화값에 따라, 상기 배터리의 퇴화 원인을 양극 퇴화 및/또는 음극 퇴화로 진단할 수 있다. 여기서, 음극 퇴화란 가용 리튬이 손실되어, 배터리의 음극측에서 퇴화가 진행된 것을 의미한다. 또한, 양극 퇴화란 양극 반응 면적이 손실되어, 배터리의 양극측에서 퇴화가 진행된 것을 의미한다.
예컨대, 제어부(120)는 제2 피크 변화값에 기반하여 배터리의 퇴화 여부를 진단한 후, 배터리의 퇴화 원인을 진단하기 위하여 제1 피크(310)의 미분 용량값과 제1 기준 피크(R1)의 미분 용량값 간의 차이를 토대로 제1 피크 변화값을 산출할 수 있다. 그리고, 산출된 제1 피크 변화값이 소정의 크기 이상이면, 제어부(120)는 배터리의 퇴화 원인이 음극 퇴화 및 양극 퇴화인 것으로 진단할 수 있다. 반대로, 산출된 제1 피크 변화값이 소정의 크기 미만이면, 제어부(120)는 배터리의 퇴화 원인이 양극 퇴화인 것으로 진단할 수 있다.
구체적으로, 산출된 제1 피크 변화값이 소정의 크기 이상인 경우, 제어부(120)는 제1 피크 변화값과 제2 피크 변화값의 크기를 비교하여 배터리의 주된 퇴화 원인을 진단할 수 있다. 예컨대, 제1 피크 변화값이 제2 피크 변화값보다 큰 경우, 제어부(120)는 배터리의 주된 퇴화 원인을 음극 퇴화로 진단할 수 있다. 반대로, 제1 피크 변화값이 제2 피크 변화값보다 작은 경우, 제어부(120)는 배터리의 주된 퇴화 원인을 양극 퇴화로 진단할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)의 기준 프로파일(200)과 미분 프로파일(300)의 다른 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 5는 음극 및 양극이 퇴화된 배터리의 미분 프로파일(300)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 양극이 퇴화된 배터리의 미분 프로파일(300)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 배터리의 양극이 퇴화된 경우, 제2 기준 피크(R2)와 제2 피크(320) 간의 제2 피크 변화값이 소정의 크기 이상일 수 있다. 즉, 배터리의 양극이 퇴화된 경우, 제2 피크(320)의 미분 용량값은 제2 기준 피크(R2)의 미분 용량값보다 소정의 크기 이상으로 작을 수 있다.
그리고, 도 5 및 도 6을 다시 참조하면, 배터리의 음극이 퇴화된 경우에는 제1 기준 피크(R1)와 제1 피크(310) 간의 제1 피크 변화값이 소정의 크기 이상일 수 있다. 즉, 배터리의 음극이 퇴화된 경우, 제1 피크(310)의 미분 용량값은 제1 기준 피크(R1)의 미분 용량값보다 소정의 크기 이상으로 작을 수 있다.
즉, 상기 제어부(120)는, 상기 제1 피크 변화값과 상기 제2 피크 변화값이 소정의 크기 이상인 경우, 상기 배터리의 음극 및 양극이 손실된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다. 이와 달리, 상기 제어부(120)는, 상기 제1 피크 변화값이 소정의 크기 미만이고, 상기 제2 피크 변화값이 상기 소정의 크기 이상인 경우, 상기 배터리의 양극이 손실된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는, 제2 피크 변화값에 기반하여 배터리의 퇴화 여부를 신속하게 진단하고, 제1 피크 변화값에 기반하여 배터리의 퇴화 원인을 구체적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
다른 예로, 배터리의 제1 피크 변화값 및 제2 피크 변화값에 대하여 복수의 기준 범위가 미리 설정될 수 있다. 예컨대, 복수의 기준 범위는 제1 기준 범위, 제2 기준 범위 및 제3 기준 범위를 포함할 수 있다. 다만, 복수의 기준 범위는 이하에서 설명하는 바와 같이 3개의 범위로만 구분되지 않고, 보다 세부적으로 구분될 수 있음을 유의한다.
제어부(120)는 제1 피크 변화값 및 제2 피크 변화값을 복수의 기준 범위와 비교하고, 비교 결과에 따라 배터리의 퇴화 여부를 진단할 수 있다.
제어부(120)는 제2 피크 변화값을 산출한 후, 복수의 기준 범위 중 제2 피크 변화값이 속하는 제2 타겟 범위를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 제2 타겟 범위에 설정된 내용에 기반하여, 배터리의 퇴화 여부를 진단할 수 있다. 예컨대, 제2 타겟 범위가 제1 기준 범위인 경우, 제어부(120)는 배터리가 퇴화되지 않은 것으로 진단할 수 있다. 반대로, 제2 타겟 범위가 제2 기준 범위 또는 제3 기준 범위인 경우, 제어부(120)는 배터리가 퇴화된 것으로 진단할 수 있다.
만약, 배터리가 퇴화된 것으로 진단된 경우, 제어부(120)는 제1 기준 피크(R1)와 제1 피크(310) 간의 제1 피크 변화값을 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 복수의 기준 범위 중 제1 피크 변화값이 속하는 제1 타겟 범위를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 제1 타겟 범위에 설정된 내용에 기반하여, 배터리의 퇴화 원인을 진단할 수 있다.
예컨대, 제1 타겟 범위가 제1 기준 범위인 경우, 제어부(120)는 배터리의 퇴화 원인이 양극 퇴화인 것으로 진단할 수 있다. 반대로, 제1 타겟 범위가 제2 기준 범위 또는 제3 기준 범위인 경우, 제어부(120)는 배터리의 퇴화 원인이 양극 퇴화 및 음극 퇴화인 것으로 진단할 수 있다. 제1 타겟 범위 및 제2 타겟 범위의 조합에 따른 제어부(120)의 판단 결과는 아래의 표 1을 토대로 구체적으로 설명한다.
보다 구체적으로, 제어부(120)는 제1 피크 변화값 및 제2 피크 변화값과 복수의 기준 범위를 비교하고, 비교 결과에 따라 배터리의 퇴화 정도를 진단할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제1 기준 범위는 허용될 수 있는 오차 범위로 설정될 수 있다. 즉, 제1 기준 범위는 정상 범위를 의미할 수 있다. 제2 기준 범위는 배터리가 퇴화되어, 배터리의 상태가 경고 상태임을 나타내는 경고 범위를 의미할 수 있다. 제3 기준 범위는 배터리가 퇴화되어, 배터리의 상태가 위험 상태임을 나타내는 위험 범위를 의미할 수 있다.
제1 피크 변화값과 제2 피크 변화값이 복수의 기준 범위 중 어느 범위에 속하는지에 따른 제어부(120)의 진단 결과는 아래의 표 1과 같다.
[표 1]
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앞서 설명한 바와 같이, 제1 타겟 범위는 복수의 기준 범위 중에서 제1 피크 변화값이 속하는 범위를 의미한다. 마찬가지로, 제2 타겟 범위는 복수의 기준 범위 중에서 제2 피크 변화값이 속하는 범위를 의미한다. 그리고, 표 1에서 괄호에 포함되는 내용은 상술한 경고 상태 또는 위험 상태를 의미한다.
구체적으로, 제2 타겟 범위가 제1 기준 범위이면, 제어부(120)는 배터리가 퇴화되지 않은 것으로 진단할 수 있다.
그리고, 제1 타겟 범위가 제1 기준 범위이면, 제어부(120)는 배터리의 퇴화 원인이 음극 퇴화가 아닌 것으로 진단할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 배터리가 퇴화되지 않았거나, 배터리의 양극이 퇴화된 것으로 진단할 수 있다. 바람직하게, 제어부(120)는 제2 타겟 범위를 먼저 결정한 후 제1 타겟 범위를 결정하기 때문에, 제1 타겟 범위가 제1 기준 범위이면 제어부(120)는 배터리의 퇴화 원인이 양극 퇴화인 것으로 진단할 수 있다.
제2 타겟 범위가 제2 기준 범위이면, 제어부(120)는 배터리가 퇴화되었으며, 퇴화의 원인은 양극 퇴화라고 진단할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 배터리의 양극 퇴화 정도를 경고 상태라고 진단할 수 있다.
그리고, 제2 타겟 범위가 제3 기준 범위이면, 제어부(120)는 배터리가 퇴화되었으며, 퇴화의 원인은 양극 퇴화라고 진단할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 배터리의 양극 퇴화 정도를 위험 상태라고 진단할 수 있다.
제2 타겟 범위가 제2 기준 범위 또는 제3 기준 범위이고, 제1 타겟 범위가 제2 기준 범위이면, 제어부(120)는 배터리가 퇴화되었으며, 퇴화의 원인은 음극 퇴화라고 진단할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 배터리의 음극 퇴화 정도를 경고 상태라고 진단할 수 있다.
그리고, 제2 타겟 범위가 제2 기준 범위 또는 제3 기준 범위이고, 제1 타겟 범위가 제3 기준 범위이면, 제어부(120)는 배터리가 퇴화되었으며, 퇴화의 원인은 음극 퇴화라고 진단할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 배터리의 음극 퇴화 정도를 위험 상태라고 진단할 수 있다.
즉, 표 1을 참조하면, 제어부(120)는 제1 타겟 범위와 제2 타겟 범위의 조합에 따라 배터리의 퇴화 여부, 퇴화 원인, 및 퇴화 정도를 진단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는 배터리의 상태를 다양한 측면에서 상세하게 진단할 수 있다. 또한, 배터리가 고율 충전되는 경우에도 배터리의 상태가 진단될 수 있기 때문에, 배터리의 상태가 보다 신속하게 진단될 수 있다.
또한, 앞서 상술한 바와 같이, 복수의 기준 범위는 표 1의 3개의 범위로만 구분되지 않고, 보다 세분화되어 설정될 수도 있다. 이 경우, 제어부(120)는 배터리의 퇴화 정도를 보다 구체적으로 진단할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 배터리가 퇴화된 것으로 진단된 경우, 상기 배터리의 충전 상태(State of charge, SOC)의 상한, 충전 상태의 하한, 및 충방전 씨레이트의 상한 중 적어도 하나를 조절하도록 구성될 수 있다.
제어부(120)는 배터리의 퇴화가 진행되는 속도를 지연시키기 위하여, 배터리가 최대로 충전될 수 있는 충전 상태의 상한, 배터리가 최대로 방전될 수 있는 충전 상태의 하한, 배터리의 충전 씨레이트의 상한, 및 배터리의 방전 씨레이트의 하한 중 적어도 하나를 조절하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리의 충전 상태의 상한을 낮출 수 있다. 제어부(120)는 배터리의 충전 상태의 하한을 높일 수 있다. 제어부(120)는 충전 씨레이트의 상한을 낮출 수 있다. 제어부(120)는 방전 씨레이트의 상한을 낮출 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는 배터리의 퇴화 여부를 진단한 후, 진단 결과에 따라 배터리의 퇴화 속도를 늦출 수 있는 조치를 취할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 저장부(130)는 제어부(120)가 배터리의 상태를 진단하는데 필요한 프로그램 및 데이터 등을 저장할 수 있다. 즉, 저장부(130)는 배터리 상태 진단 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(130)는 제어부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
저장부(130)는 상기 배터리가 충전되는 충전 사이클마다 상기 프로파일 획득부(110)에 의해 획득된 전압 프로파일을 저장하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 저장부(130)는 충전 사이클마다 전압 프로파일을 구분하여 저장할 수 있다. 예컨대, 저장부(130)는 저장되는 전압 프로파일에 충전 사이클에 대한 인덱스를 설정할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 저장부(130)에 저장된 복수의 전압 프로파일로부터 복수의 미분 프로파일(300)을 획득하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부(120)와 저장부(130)는 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 제어부(120)는 저장부(130)에 접근(Access)하여, 저장부(130)에 저장된 하나 이상의 전압 프로파일을 획득할 수 있다. 바람직하게, 제어부(120)는 저장부(130)에 저장된 복수의 전압 프로파일을 획득할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 저장부(130)에 저장된 복수의 전압 프로파일 중 일부를 선택적으로 획득할 수도 있다. 이 경우, 제어부(120)는 전압 프로파일에 설정된 인덱스를 통해서 획득할 전압 프로파일을 선택할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)에서 획득한 복수의 미분 프로파일(300)의 일 예시를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)에서 획득한 복수의 미분 프로파일(300)의 다른 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 기준 프로파일(200), 제1 미분 프로파일(300a), 제2 미분 프로파일(300b), 제3 미분 프로파일(300c), 제4 미분 프로파일(300d), 및 제5 미분 프로파일(300e)은 저장부(130)에 저장될 수 있다.
예컨대, 도 7의 실시예에서, 제어부(120)는 저장부(130)로부터 제1 미분 프로파일(300a), 제2 미분 프로파일(300b), 및 제3 미분 프로파일(300c)을 선택적으로 획득할 수 있다. 다른 예로, 도 8의 실시예에서, 제어부(120)는 저장부(130)로부터 제4 미분 프로파일(300d) 및 제5 미분 프로파일(300e)을 선택적으로 획득할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 제1 미분 프로파일(300a), 제2 미분 프로파일(300b), 및 제3 미분 프로파일(300c) 순으로 배터리의 충방전 사이클 횟수가 증가된 것으로 가정한다. 예컨대, 제1 미분 프로파일(300a)은 충방전 사이클 횟수가 100인 배터리에 대한 미분 프로파일(300)이고, 제2 미분 프로파일(300b)은 충방전 사이클 횟수가 200인 배터리에 대한 미분 프로파일(300)이며, 제3 미분 프로파일(300c)은 충방전 사이클 횟수가 300인 배터리에 대한 미분 프로파일(300)이다. 또한, 제4 미분 프로파일(300d)의 배터리의 충방전 사이클 횟수가 제5 미분 프로파일(300e)의 배터리의 충방전 사이클 횟수보다 적은 것으로 가정한다.
또한, 제어부(120)는 상기 복수의 미분 프로파일(300)에서 복수의 제1 피크(310) 및 복수의 제2 피크(320)를 결정하도록 구성될 수 있다.
제어부(120)는 복수의 미분 프로파일(300) 각각에서 기준 프로파일(200)의 제1 기준 피크(R1)에 대응되는 피크를 제1 피크(310)로 결정하고, 제2 기준 피크(R2)에 대응되는 피크를 제2 피크(320)로 결정할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제어부(120)는 제1 미분 프로파일(300a), 제2 미분 프로파일(300b), 및 제3 미분 프로파일(300c)에서 제1 피크(310a, 310b, 310c) 및 제2 피크(320a, 320b, 320c)를 결정할 수 있다. 또한, 도 8을 참조하면, 제어부(120)는 제4 미분 프로파일(300d) 및 제5 미분 프로파일(300e) 각각에서 제1 피크(310d, 310e) 및 제2 피크(320d, 320e)를 결정할 수 있다.
즉, 제1 미분 프로파일(300a)의 제1 피크(310a), 제2 미분 프로파일(300b)의 제1 피크(310b), 제3 미분 프로파일(300c)의 제1 피크(310c), 제4 미분 프로파일(300d)의 제1 피크(310d), 및 제5 미분 프로파일(300e)의 제1 피크(310e)는 모두 기준 프로파일(200)의 제1 기준 피크(R1)에 대응되는 피크일 수 있다.
마찬가지로, 제1 미분 프로파일(300a)의 제2 피크(320a), 제2 미분 프로파일(300b)의 제2 피크(320b), 제3 미분 프로파일(300c)의 제2 피크(320c), 제4 미분 프로파일(300d)의 제2 피크(320d), 및 제5 미분 프로파일(300e)의 제2 피크(320e)는 모두 기준 프로파일(200)의 제2 기준 피크(R2)에 대응되는 피크일 수 있다.
제어부(120)는 결정된 복수의 제1 피크(310)의 거동 변화 및 복수의 제2 피크(320)의 거동 변화 중 적어도 하나에 기반하여 배터리의 퇴화 진행 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 7의 실시예에서, 제어부(120)는 배터리의 충방전 사이클 횟수에 기반하여 복수의 제2 피크(320)의 미분 용량별 차이를 산출할 수 있다. 구체적으로, 제어부(120)는 제1 미분 프로파일(300a)의 제2 피크(320a)의 미분 용량값과 제2 미분 프로파일(300b)의 제2 피크(320b)의 미분 용량값 간의 차이를 토대로 피크 변화값을 산출할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 제2 미분 프로파일(300b)의 제2 피크(320b)의 미분 용량값과 제3 미분 프로파일(300c)의 제2 피크(320c)의 미분 용량값 간의 차이를 토대로 피크 변화값을 산출할 수 있다.
배터리의 충방전 사이클 횟수가 증가할수록 복수의 제2 피크(320) 간의 피크 변화값이 증가하는 경우, 제어부(120)는 배터리의 퇴화가 가속되고 있는 것으로 진단할 수 있다. 이와 반대로, 배터리의 충방전 사이클 횟수가 증가할수록 복수의 제2 피크(320) 간의 피크 변화값이 감소하는 경우, 제어부(120)는 배터리의 퇴화가 감속되고 있는 것으로 진단할 수 있다.
예컨대, 제2 미분 프로파일(300b)의 제2 피크(320b)와 제3 미분 프로파일(300c)의 제2 피크(320c) 간의 피크 변화값이 제1 미분 프로파일(300a)의 제2 피크(320a)와 제2 미분 프로파일(300b)의 제2 피크(320b) 간의 피크 변화값보다 큰 경우, 제어부(120)는 배터리의 퇴화가 가속되고 있다고 진단할 수 있다. 이 경우, 기준 프로파일(200)의 제2 기준 피크(R2)와 제1 미분 프로파일(300a)의 제2 피크(320a) 간의 제2 피크 변화값, 제2 기준 피크(R2)와 제2 미분 프로파일(300b)의 제2 피크(320b) 간의 제2 피크 변화값, 및 제2 기준 피크(R2)와 제3 미분 프로파일(300c)의 제2 피크(320c) 간의 제2 피크 변화값 중 적어도 하나는 소정의 크기 이상일 수 있다. 즉, 제어부(120)는 획득한 복수의 미분 프로파일(300a, 300b, 300c) 중 적어도 하나에 기반하여 배터리가 퇴화된 것으로 진단한 경우, 배터리의 퇴화 진행 여부를 진단할 수 있다.
이상에서는, 도 7의 실시예를 참조하여, 제1 미분 프로파일(300a), 제2 미분 프로파일(300b), 및 제3 미분 프로파일(300c)에 기반하여 제어부(120)가 배터리의 퇴화 진행 여부를 진단하는 실시예를 설명하였다. 다만, 제어부(120)는 도 7의 실시예와 달리 보다 많은 수의 미분 프로파일(300)에 기반하여 배터리의 퇴화 진행 여부를 진단할 수 있다. 이러한 경우, 배터리의 퇴화 진행 여부가 보다 정확하게 진단될 수 있다.
이하에서는, 제어부(120)가 제1 피크(310)의 거동 변화 및 복수의 제2 피크(320)의 거동 변화 중 적어도 하나에 기반하여 배터리의 퇴화 진행의 원인을 진단하는 실시예를 설명한다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 앞서 설명한 내용에 대한 중복 설명은 배제되었음을 유의한다. 또한, 이하에서 설명하는 복수의 제1 피크(310)의 거동 변화는 상술한 복수의 제2 피크(320)의 거동 변화를 토대로 설명될 수 있다.
제어부(120)는 결정된 복수의 제1 피크(310)의 거동 변화 및 복수의 제2 피크(320)의 거동 변화 중 적어도 하나에 기반하여 배터리의 퇴화 진행의 원인을 진단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)가 복수의 제2 피크(320)의 거동 변화에 기반하여 배터리의 퇴화가 가속되는 것으로 진단하였다고 가정한다. 즉, 배터리의 충방전 사이클 횟수가 증가할수록 복수의 제2 피크(320) 간의 피크 변화값이 증가하여, 제어부(120)가 배터리의 퇴화가 가속되고 있는 것으로 진단하였다고 가정한다. 도 7의 실시예와 같이, 배터리의 충방전 사이클 횟수가 증가할수록 복수의 제1 피크(310) 간의 피크 변화값이 증가하는 경우, 제어부(120)는 배터리의 퇴화가 가속되는 원인을 배터리의 양극 퇴화 및 음극 퇴화로 진단할 수 있다. 반대로, 도 8의 실시예와 같이, 배터리의 충방전 사이클 횟수가 증가하더라도 복수의 제1 피크(310) 간의 피크 변화값이 증가하지 않는 경우, 제어부(120)는 배터리의 퇴화가 가속되는 원인을 배터리의 양극 퇴화로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는 배터리의 퇴화 진행 여부뿐만 아니라, 배터리의 퇴화가 진행되는 원인을 진단하여, 배터리의 상태를 보다 구체적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 배터리 상태 진단 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 상태 진단 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로파일 획득부(110), 제어부(120), 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 상태 진단 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 상태 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다. 배터리 상태 진단 방법의 각 단계는 배터리 상태 진단 장치(100)에 의해서 수행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 배터리 상태 진단 방법은 전압 프로파일 획득 단계(S100), 미분 프로파일 획득 단계(S200), 피크 결정 단계(S300), 피크 비교 단계(S400), 및 배터리 상태 진단 단계(S500)를 포함할 수 있다.
전압 프로파일 획득 단계(S100)는 배터리의 전압과 용량에 대한 상기 배터리의 전압 프로파일을 획득하는 단계로서, 프로파일 획득부(110)에 의해서 수행될 수 있다. 예컨대, 배터리가 0.33C의 씨레이트로 충전되는 동안, 전압 프로파일이 획득될 수 있다.
미분 프로파일 획득 단계(S200)는 상기 전압 프로파일 획득 단계(S100)에서 획득된 전압 프로파일로부터 상기 전압과 상기 용량에 대한 미분 프로파일(300)을 획득하는 단계로서, 제어부(120)에 의해서 수행될 수 있다.
여기서, 전압 프로파일은 용량(Q)과 전압(V)에 대한 프로파일이고, 미분 프로파일(300)은 전압(V)과 미분 용량(dQ/dV)에 대한 프로파일이다.
피크 결정 단계(S300)는 상기 미분 프로파일 획득 단계(S200)에서 획득된 미분 프로파일(300)에서 소정의 전압 구간에 포함된 복수의 피크를 선택하고, 선택된 복수의 피크 중 음극과 관련된 제1 피크(310) 및 양극과 관련된 제2 피크(320)를 결정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해서 수행될 수 있다.
소정의 전압 구간이란, 기준 프로파일(200)의 제1 기준 피크(R1)와 제2 기준 피크(R2)가 속하도록 미리 설정된 전압 구간일 수 있다. 예컨대, 도 5 및 6의 실시예에서, 제어부(120)는 기준 프로파일(200)에서 제1 기준 피크(R1)와 제2 기준 피크(R2)를 결정할 수 있다. 바람직하게, 제1 기준 피크(R1)는 기준 프로파일(200)에서 가장 미분 용량값을 갖는 피크이고, 제2 기준 피크(R2)는 기준 프로파일(200)에서 두 번째로 큰 미분 용량값을 갖는 피크이다. 그리고, 제어부(120)는 미분 프로파일(300)에서 제1 기준 피크(R1)에 대응되는 피크를 제1 피크(310)로 결정하고, 제2 기준 피크(R2)에 대응되는 피크를 제2 피크(320)로 결정할 수 있다.
피크 비교 단계(S400)는 상기 제1 피크(310)와 상기 제2 피크(320)를 미리 설정된 기준 프로파일(200)의 제1 기준 피크(R1)와 제2 기준 피크(R2)와 각각 비교하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 미분 용량값의 변화를 기준으로, 제1 기준 피크(R1)에 대한 제1 피크(310)의 거동 변화를 결정하고, 제2 기준 피크(R2)에 대한 제2 피크(320)의 거동 변화를 결정할 수 있다.
배터리 상태 진단 단계(S500)는 상기 제1 기준 피크(R1)에 대한 상기 제1 피크(310)의 거동 변화 및 상기 제2 기준 피크(R2)에 대한 상기 제2 피크(320)의 거동 변화 중 적어도 하나를 고려하여 상기 배터리의 상태를 진단하는 단계로서, 제어부(120)에 의해서 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 제1 피크(310)의 거동 변화 및 제2 피크(320)의 거동 변화 중 적어도 하나에 기반하여 배터리의 퇴화 여부를 진단할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 배터리의 양극 퇴화 여부 및/또는 배터리의 음극 퇴화 여부를 구체적으로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 방법은 배터리의 미분 프로파일(300)에 포함된 제1 피크(310) 및 제2 피크(320)의 거동을 고려하여 배터리의 퇴화를 진단할 수 있다. 특히, 배터리 상태 진단 방법은 배터리의 양극이 퇴화했는지 또는 음극이 퇴화했는지를 구체적으로 진단함으로써, 배터리의 퇴화 원인을 보다 정확하게 진단할 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.
(부호의 설명)
10: 전압 프로파일
20: 미분 프로파일
100: 배터리 상태 진단 장치
110: 프로파일 획득부
120: 제어부
130: 저장부
200: 기준 프로파일
300: 미분 프로파일
310: 제1 피크
320: 제2 피크
R1, R2: 기준 피크

Claims (15)

  1. 배터리의 전압과 용량에 대한 상기 배터리의 전압 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및
    상기 프로파일 획득부에 의해 획득된 전압 프로파일로부터 상기 전압과 상기 용량에 대한 미분 프로파일을 획득하고, 획득된 미분 프로파일에서 소정의 전압 구간에 포함된 복수의 피크를 선택하며, 선택된 복수의 피크 중 음극과 관련된 제1 피크 및 양극과 관련된 제2 피크를 결정하고, 상기 제1 피크와 상기 제2 피크를 미리 설정된 기준 프로파일의 제1 기준 피크와 제2 기준 피크를 각각 비교하며, 상기 제1 기준 피크에 대한 상기 제1 피크의 거동 변화 및 상기 제2 기준 피크에 대한 상기 제2 피크의 거동 변화 중 적어도 하나를 고려하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기준 프로파일에서 가장 큰 피크를 제1 기준 피크로 설정하고, 두 번째로 큰 피크를 제2 기준 피크로 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 피크는,
    상기 기준 프로파일 및 상기 미분 프로파일에서 기울기가 0인 지점으로, 전압에 따른 순간 변화율이 양에서 음으로 변하는 지점인 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미분 프로파일에서 상기 제1 기준 피크에 대응되는 피크를 상기 제1 피크로 결정하고, 상기 미분 프로파일에서 상기 제2 기준 피크에 대응되는 피크를 상기 제2 피크로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기준 프로파일은,
    상기 배터리에 대응되는 기준 셀이 소정의 씨레이트 범위 내에서 충전되는 동안 측정된 상기 기준 셀의 전압과 미분 용량에 대한 프로파일인 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미분 프로파일은,
    상기 배터리가 상기 기준 셀과 동일한 씨레이트 범위 내에서 충전되는 동안 측정된 상기 배터리의 전압과 미분 용량에 대한 프로파일인 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 피크와 상기 제2 기준 피크를 비교하여 제2 피크 변화값을 산출하고, 상기 제2 피크 변화값에 따라 상기 배터리의 퇴화 여부를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 퇴화된 것으로 진단된 경우, 상기 제1 피크와 상기 제1 기준 피크를 비교하여 제1 피크 변화값을 산출하고, 상기 제1 피크 변화값 및 상기 제2 피크 변화값에 따라 상기 배터리의 퇴화 원인을 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 피크 변화값과 상기 제2 피크 변화값이 소정의 크기 이상인 경우, 상기 배터리의 퇴화 원인을 음극 퇴화 및 양극 퇴화로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 피크 변화값이 소정의 크기 미만이고, 상기 제2 피크 변화값이 상기 소정의 크기 이상인 경우, 상기 배터리의 퇴화 원인을 양극 퇴화로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 퇴화된 것으로 진단된 경우, 상기 배터리의 충전 상태의 상한, 충전 상태의 하한, 및 충방전 씨레이트의 상한 중 적어도 하나를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배터리가 충전되는 충전 사이클마다 상기 프로파일 획득부에 의해 획득된 전압 프로파일을 저장하도록 구성된 저장부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 저장부에 저장된 복수의 전압 프로파일로부터 복수의 미분 프로파일을 획득하고, 상기 복수의 미분 프로파일에서 복수의 제1 피크 및 복수의 제2 피크를 결정하며, 결정된 복수의 제1 피크의 거동 변화 및 복수의 제2 피크의 거동 변화 중 적어도 하나에 기반하여 배터리의 퇴화 진행 여부를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 상태 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 상태 진단 장치를 포함하는 자동차.
  15. 배터리의 전압과 용량에 대한 상기 배터리의 전압 프로파일을 획득하는 전압 프로파일 획득 단계;
    상기 전압 프로파일 획득 단계에서 획득된 전압 프로파일로부터 상기 전압과 상기 용량에 대한 미분 프로파일을 획득하는 미분 프로파일 획득 단계;
    상기 미분 프로파일 획득 단계에서 획득된 미분 프로파일에서 소정의 전압 구간에 포함된 복수의 피크를 선택하고, 선택된 복수의 피크 중 음극과 관련된 제1 피크 및 양극과 관련된 제2 피크를 결정하는 피크 결정 단계;
    상기 제1 피크와 상기 제2 피크를 미리 설정된 기준 프로파일의 제1 기준 피크와 제2 기준 피크와 각각 비교하는 피크 비교 단계; 및
    상기 제1 기준 피크에 대한 상기 제1 피크의 거동 변화 및 상기 제2 기준 피크에 대한 상기 제2 피크의 거동 변화 중 적어도 하나를 고려하여 상기 배터리의 상태를 진단하는 배터리 상태 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 방법.
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