WO2021241886A1 - 배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법 Download PDF

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a technique for diagnosing deterioration of a battery.
  • differential voltage analysis (which may be referred to as 'DVA') is used to determine the internal deterioration state of a battery based on voltage and current, which are parameters observable from the outside of the battery.
  • peaks appearing in a differential voltage curve (which may be referred to as a 'Q-dV/dQ curve') are considered as a major factor.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and constant current charging for a battery including a positive electrode material exhibiting a phase change behavior within a predetermined capacity range and a negative electrode material having flat characteristics over the predetermined capacity range
  • Another object of the present invention is to provide a battery management system and a battery management method for determining deterioration information of a battery by using a differential voltage curve acquired through constant current discharge.
  • a battery management system is for a battery including a positive electrode material exhibiting a phase change behavior within a predetermined capacity range, and a negative electrode material having flat characteristics over the predetermined capacity range.
  • the battery management system may include: a sensing unit configured to output sensing information indicating voltage and current of the battery; and a control unit operatively coupled to the sensing unit.
  • the control unit is configured to determine a voltage curve indicating a correspondence between the capacity of the battery and the voltage of the battery based on the sensing information collected while the battery is being charged with a constant current or discharged with a constant current.
  • the control unit is configured to determine a differential voltage curve based on the voltage curve.
  • the differential voltage curve indicates a correspondence between the capacity of the battery and the differential voltage, which is a ratio of a change amount of a voltage of the battery to a change amount of the battery capacity.
  • the control unit is configured to detect a peak of interest in the differential voltage curve appearing within the predetermined capacitance range.
  • the control unit is configured to determine a first capacity loss rate indicating a loss rate of the positive electrode capacity of the battery based on the differential voltage of the peak of interest.
  • the sensing unit may include: a voltage sensor connected in parallel to the battery; and a current sensor connected in series to the battery.
  • the controller may be configured to determine the first capacity loss rate of the battery based on a first difference when the differential voltage of the peak of interest is greater than a reference differential voltage.
  • the first difference is a difference between the differential voltage of the peak of interest and the reference differential voltage.
  • the controller may be configured to determine a second capacity loss rate indicating a loss rate of the available lithium capacity of the battery based on the capacity of the peak of interest.
  • the control unit is
  • the second difference is a difference between the dose of the peak of interest and the reference dose.
  • the controller may be configured to determine, based on the first difference and the second difference, a second capacity loss rate representing the first capacity loss rate of the battery and a loss rate of the available lithium capacity of the battery.
  • the first difference is a difference between the differential voltage of the peak of interest and the reference differential voltage.
  • the second difference is a difference between the dose of the peak of interest and the reference dose.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention includes the battery management system.
  • An electric vehicle includes the battery pack.
  • a battery management method is for a battery including a positive electrode material exhibiting a phase change behavior within a predetermined capacity range and a negative electrode material having flat characteristics over the predetermined capacity range.
  • the battery management method determines a voltage curve indicating a correspondence between the capacity of the battery and the voltage of the battery based on sensing information indicating a voltage and a current of the battery collected while the battery is being charged with a constant current or discharged with a constant current to do; determining a differential voltage curve based on the voltage curve; detecting a peak of interest in the differential voltage curve appearing within the predetermined capacitance range; and determining a first capacity loss rate representing a loss rate of the positive electrode capacity of the battery based on the differential voltage of the peak of interest.
  • the differential voltage curve indicates a correspondence between the capacity of the battery and the differential voltage, which is a ratio of the change amount of the voltage of the battery to the change amount of the battery capacity.
  • the determining of the first capacity loss rate of the battery may include determining the first capacity loss rate of the battery based on the first difference when the differential voltage of the peak of interest is greater than a reference differential voltage. have.
  • the first difference is a difference between the differential voltage of the peak of interest and the reference differential voltage.
  • determining a second capacity loss rate indicating a loss rate of the available lithium capacity of the battery further may include
  • constant current charging or constant current discharging for a battery including a positive electrode material exhibiting a phase change behavior within a predetermined capacity range and a negative electrode material having flat characteristics over the predetermined capacity range Battery degradation information may be determined using the differential voltage curve obtained through the
  • FIG. 1 is a view exemplarily showing the configuration of an electric vehicle according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph exemplarily showing a voltage curve according to a deterioration state of a battery.
  • FIG. 3 is a graph exemplarily showing a differential voltage curve corresponding to the voltage curve of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to a second embodiment of the present invention.
  • control unit> means a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a view exemplarily showing the configuration of an electric vehicle according to the present invention.
  • a battery pack 10 is provided to be mounted on a power device such as an electric vehicle 1 , and includes a battery B, a switch SW, a charging/discharging device 20 and a battery management system. (100).
  • the positive terminal and the negative terminal of the battery B are electrically connected to the battery management system 100 .
  • the battery B is a lithium ion battery and contains a positive electrode, a negative electrode, and a separator.
  • the separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode to insulate the positive electrode and the negative electrode.
  • the positive electrode material may include a positive electrode active material exhibiting a phase transition behavior within a predetermined capacity range during charging and discharging of the battery (B).
  • the cathode material may have a layered crystal structure.
  • a lithium metal composite oxide such as LiNi 8/10 Co 1/10 Mn 1/10 O 2 may be used as the positive electrode active material.
  • the phase transition at the positive electrode may be a phenomenon that occurs due to movement of working ions (eg, lithium ions) through passages existing in the layered crystal structure of the positive electrode material during charging and discharging of the battery (B).
  • the anode material may include an anode active material having flat characteristics over a predetermined capacity range.
  • the flat characteristic is a characteristic in which the rate of change of dislocation is maintained below a predetermined value without occurrence of a phase transition.
  • a carbon-based material eg, graphite
  • the switch SW is installed in a current path connected in series to the battery B for charging and discharging the battery B. While the switch SW is turned on, charging and discharging of the battery B is possible.
  • the switch SW may be a mechanical relay turned on and off by a magnetic force of a coil or a semiconductor switch such as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). While the switch SW is turned off, charging and discharging of the battery B is stopped.
  • the switch SW may be turned on in response to a first switching signal (eg, a high level voltage).
  • the switch SW may be turned off in response to a second switching signal (eg, a low level voltage).
  • the charging/discharging device 20 is electrically connected to a current path for charging and discharging the battery B.
  • the charging/discharging device 20 may include a constant current circuit that adjusts the current rate of the current flowing through the battery B.
  • the charging/discharging device 20 is configured to adjust a current rate (which may be referred to as a 'C-rate') of a current for charging or discharging the battery B according to a command from the battery management system 100 .
  • the charging/discharging device 20 may be capable of only one of a constant current charging function and a constant current discharging function.
  • the battery management system 100 is provided to determine the degradation state of the battery B.
  • the battery management system 100 includes a sensing unit 110 , a control unit 120 , and a memory unit 130 .
  • the battery management system 100 may further include an interface unit 140 .
  • the battery management system 100 may further include a switch driver 150 .
  • the sensing unit 110 includes a voltage sensor 111 and a current sensor 112 .
  • the voltage sensor 111 is connected in parallel to the battery B and is configured to detect a voltage across the battery B and generate a voltage signal representative of the detected voltage.
  • the current sensor 112 is connected in series to the battery B through a current path.
  • the current sensor 112 is configured to detect a current flowing through the battery B and generate a current signal indicative of the detected current.
  • the control unit 130 may collect sensing information including a voltage signal and a current signal of synchronization from the sensing unit 110 .
  • the control unit 120 in hardware, 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) and may be implemented using at least one of 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 control unit 120 is operatively coupled to the charging/discharging device 20 and the sensing unit 110 .
  • the control unit 120 is configured to execute an operation to be described later for determining the deterioration state of the battery B.
  • the controller 120 may command the charging device 20 to charge the constant current.
  • Charging device 20 may maintain constant current charging at a predetermined current rate (eg, 0.05C) until the capacity of battery B rises to a second threshold capacity.
  • a predetermined current rate eg, 0.05C
  • the charging device 20 may maintain a constant current discharge at a predetermined current rate (eg, 0.05C) until the capacity of the battery B drops to a first threshold capacity.
  • the first threshold capacity may correspond to, for example, SOC 0%
  • the second threshold capacity may correspond to, for example, SOC 100%.
  • the control unit 120 during constant current charging or constant current discharging of the battery B, at each predetermined time, based on the voltage signal and the current signal included in the sensing information, the voltage, current, and capacity of the battery B at each predetermined time and determine a State-Of-Charge (SOC).
  • SOC State-Of-Charge
  • the capacity of the battery B indicates the amount of charge stored in the battery B, and may also be referred to as 'remaining capacity', and may be determined by accumulating the current of the battery B at every predetermined time.
  • the SOC of the battery B represents the ratio of the capacity of the battery B to the maximum capacity of the battery B (which may also be referred to as 'full charge capacity'), and is usually 0 to 1 or 0 to 100%. is expressed The maximum capacity of the battery B gradually decreases as the battery B deteriorates. At least one of voltage, current, capacity, and SOC for each predetermined time may be recorded in the memory unit 130 by the controller 120 .
  • the memory unit 130 is operatively coupled to the control unit 120 .
  • the memory unit 130 may also be operatively coupled to the sensing unit 110 .
  • Memory unit 130 for example, a flash memory type (flash memory type), a hard disk type (hard disk type), SSD type (Solid State Disk type), SDD type (Silicon Disk Drive type), multimedia card micro type (multimedia) card micro type), random access memory (RAM), static random access memory (SRAM), read-only memory (ROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), programmable read-only memory (PROM) ) may include at least one type of storage medium.
  • the memory unit 130 may store data and programs required for an operation by the control unit 120 .
  • the memory unit 130 may store data representing a result of the operation operation performed by the control unit 120 .
  • the interface unit 140 is configured to support wired communication or wireless communication between the control unit 120 and the upper controller 2 (eg, ECU: Electronic Control Unit) of the electric vehicle 1 .
  • Wired communication may be, for example, CAN (controller area network) communication
  • wireless communication may be, for example, Zigbee or Bluetooth communication.
  • the type of communication protocol is not particularly limited.
  • the interface unit 140 may include an output device (eg, a display, a speaker) that provides information received from the control unit 120 and/or the upper controller 2 in a user-recognizable form.
  • the switch driver 150 is electrically coupled to the control unit 120 and the switch SW.
  • the switch driver 150 is configured to selectively output a first switching signal or a second switching signal to the switch SW in response to a command from the controller 120 .
  • the controller 120 may instruct the switch driver 150 to turn on the switch SW during constant current charging or constant current discharging of the battery B.
  • FIG. 2 is a graph exemplarily showing a voltage curve according to a deterioration state of a battery
  • FIG. 3 is a graph exemplarily showing a differential voltage curve corresponding to the voltage curve of FIG. 2 .
  • the first capacity loss rate is a parameter corresponding to the deterioration degree of the positive electrode of the battery B, and the current positive electrode of the battery B relative to the reference positive electrode capacity that is the positive electrode capacity of the new battery B Shows the rate of decrease in capacity.
  • the positive electrode capacity refers to the total amount of lithium ions that can be maximally occluded in the positive electrode.
  • the second capacity loss rate refers to a reduction rate of the available lithium capacity of the current battery (B) relative to the standard available lithium capacity that is the available lithium capacity of the battery (B) in a new state.
  • the usable lithium capacity refers to the total amount of lithium ions that can participate in the redox reaction during charging and discharging.
  • control unit 120 during constant current charging or constant current discharging of the battery B, based on the voltage and capacity of the battery B for each predetermined time recorded in the memory unit 130 .
  • a voltage curve can be created.
  • the voltage curve 201 represents the relationship between the capacity Q and the voltage V of the battery B in a new state.
  • the voltage curve 202 represents the relationship between the capacity Q and the voltage V of the battery B having a first capacity loss rate of 0% and a second capacity loss rate of 10%.
  • the voltage curve 203 represents the relationship between the capacity Q and the voltage V of the battery B having a first capacity loss rate of 5% and a second capacity loss rate of 10%.
  • the voltage curve 204 represents the relationship between the capacity Q and the voltage V of the battery B having a first capacity loss rate of 10% and a second capacity loss rate of 10%.
  • the capacity retention rate is a ratio of the current maximum capacity to the maximum capacity in a new state.
  • the controller 120 may determine the differential voltage curves 301 to 304 by differentiating the voltage V of each of the voltage curves 201 to 204 by the capacitance Q. Differential voltage curves 301 to 304 are based on voltage curves 201 to 204, respectively.
  • the control unit 120 determines, based on the voltage curves 201 to 204, a differential voltage dV/dQ, which is a ratio of the change amount dV of the voltage V to the change amount dQ of the capacity Q for each predetermined time, and determines the differential voltage dV/dQ between the capacitance Q and the differential voltage
  • the differential voltage curves 301 to 304 as a data set representing the correspondence between dV/dQ may be recorded in the memory unit 130 .
  • the differential voltage curve may be referred to as a 'Q-dV/dQ curve'.
  • the controller 120 may detect a peak of interest P 1 to P4 from each of the differential voltage curves 301 to 304 .
  • the peak of interest (P i ) of the differential voltage curve 30i may be a peak (eg, maximal point) that is located solely within a predetermined capacity range (eg, 35 to 45 Ah) have.
  • the peaks of interest (P 1 to P 4 ) are due to a phase transition occurring at the positive electrode of the battery (B).
  • a comparison of the interest peak (P 1) and interest peak (P 2), attention differential voltage of the peak (P 2) is the capacity of the same hand, attention peak (P 2) and the differential voltage of interest peak (P 1) of interest It is smaller than the capacity of the peak P 1 . That is, when the first capacity loss rate is the same, it can be seen that the capacity of the peak of interest tends to decrease as the second capacity loss rate increases.
  • the controller 120 may determine the first difference based on the differential capacitance curve.
  • the first difference is a difference between the differential voltage of the peak of interest and the reference differential voltage.
  • the reference differential voltage may be a differential voltage of the peak of interest P 1 .
  • the first difference corresponding to the differential voltage curve 202 is 0 [V/Ah]
  • the first difference corresponding to the differential voltage curve 203 is ⁇ DVA [V/Ah]
  • the differential voltage The first difference corresponding to curve 204 is ⁇ DVB [V/Ah].
  • the controller 120 may determine the second difference based on the differential capacitance curve.
  • the second difference is the difference between the dose of the peak of interest and the reference dose.
  • the reference dose may be the dose of the peak of interest (P 1 ).
  • the second difference corresponding to the differential voltage curve 202 is ⁇ QA [Ah]
  • the second difference corresponding to the differential voltage curve 203 is ⁇ QB [Ah]
  • the differential voltage curve 204 is ⁇ QB [Ah].
  • the second difference corresponding to ⁇ QC [Ah] is ⁇ QC [Ah].
  • the controller 120 may determine the first capacity loss rate of the battery B based on the first difference. For example, when the differential capacity curve 303 is determined through constant current charging or constant current discharging of the battery B, the controller 120 may control the battery B based on the first difference ⁇ DVA corresponding to the differential capacity curve 303, It can be determined that the first capacity loss rate of (B) is equal to 5%.
  • the controller 120 may determine a second capacity loss rate of the battery B based on the second difference. For example, when the differential capacity curve 302 is determined through constant current charging or constant current discharging of the battery B, the controller 120 may control the battery B based on the second difference ⁇ QA corresponding to the differential capacity curve 302, It can be determined that the second capacity loss rate of (B) is equal to 10%.
  • the control unit 120 is configured to control a first capacity loss rate and a second capacity loss rate of the battery B based on the first difference and the second difference.
  • the control unit 120 controls the first difference ⁇ DVB and the second difference ( ⁇ DVB) corresponding to the differential capacity curve 304 .
  • ⁇ QC it may be determined that the first capacity loss rate of the battery B is equal to 10% and the second capacity loss rate of the battery B is equal to 10%.
  • At least one of a first lookup table, a second lookup table, and a third lookup table may be previously recorded in the memory unit 130 .
  • the first lookup table is a data set indicating a correspondence relationship between the first difference and the first capacity loss rate.
  • a correspondence relationship between the first difference and the first capacity loss rate may be predetermined through experimentation or computer simulation.
  • the controller 120 may determine the first capacity loss rate recorded in the first lookup table as corresponding to the determined first difference.
  • the second lookup table is a data set indicating a correspondence relationship between the second difference and the second capacity loss rate.
  • the correspondence relationship between the second difference and the first capacity loss rate may be predetermined through experimentation or computer simulation.
  • the controller 120 may determine the second difference and then determine the second capacity loss rate recorded in the second lookup table as corresponding to the determined second difference. .
  • the third lookup table is a data set indicating a correspondence relationship between the first difference, the second difference, the first capacity loss rate, and the second capacity loss rate.
  • a correspondence relationship between the first difference, the second difference, the first capacity loss rate, and the second capacity loss rate may be predetermined through experimentation or computer simulation.
  • the control unit 120 may determine the first capacity loss rate and the second capacity loss rate recorded in the third lookup table as corresponding to the determined first difference and the determined second difference. have.
  • FIG. 4 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to the first embodiment of the present invention.
  • step S410 the controller 120 collects the battery B from the sensing unit 110 every predetermined time while the battery B is charged with a constant current or discharged with a constant current by the charge/discharge device 20 .
  • a voltage curve indicating a correspondence relationship between the capacity Q of the battery B and the voltage V is determined based on the sensed information indicating the voltage and current of the battery.
  • step S420 the controller 120 determines a differential voltage curve based on the voltage curve determined in step S410 . For example, when the voltage curve 202 of FIG. 2 is determined in step S410 , the controller 120 may determine the differential voltage curve 302 of FIG. 3 from the voltage curve 202 . As another example, when the voltage curve 203 of FIG. 2 is determined in step S410 , the controller 120 may determine the differential voltage curve 303 of FIG. 3 from the voltage curve 203 .
  • step S430 the controller 120 detects a peak of interest within a predetermined capacitance range appearing in the differential voltage curve determined in step S420 .
  • the controller 120 may detect the peak P 2 of interest from the differential voltage curve 302 .
  • the controller 120 may detect the peak P 3 of interest from the differential voltage curve 303 .
  • step S440 the controller 120 determines whether the differential voltage of the peak of interest detected in step S430 is greater than a reference differential voltage. For example, when the differential voltage curve 303 of FIG. 3 is determined in step S420, the value of step S440 is “Yes”. If the value of step S440 is "YES”, the flow proceeds to step S450. A value of “No” in step S440 indicates that the differential voltage of the peak of interest is the same as the reference differential voltage. For example, when the differential voltage curve 302 of FIG. 3 is determined in step S420, the value of step S440 is “NO”. When the value of step S440 is “No”, the process may proceed to step S460.
  • step S450 the controller 120 determines a first capacity loss rate of the battery B based on the first difference.
  • the first difference is a difference between the differential voltage of the peak of interest detected in step S430 and the reference differential voltage. For example, if the first difference is ⁇ DVA [V/Ah], 5% associated with ⁇ DVA [V/Ah] in the first lookup table may be determined as the first capacity loss rate.
  • the controller 120 may write the first capacity loss rate determined in step S450 to the memory unit 130 .
  • step S452 the controller 120 outputs a first diagnostic signal indicating the first capacity loss rate determined in step S450.
  • the first diagnostic signal may be received by the interface unit 140 .
  • the interface unit 140 may transmit the first diagnostic signal to the upper controller 2 .
  • step S460 the controller 120 determines a second capacity loss rate of the battery B based on the second difference.
  • the second difference is a difference between the dose of the peak of interest detected in step S430 and the reference dose. For example, if the second difference is ⁇ QA [Ah], 10% associated with ⁇ QA [Ah] in the second lookup table may be determined as the second capacity loss rate.
  • step S462 the controller 120 outputs a second diagnostic signal indicating the second capacity loss rate determined in step S460.
  • the second diagnostic signal may be received by the interface unit 140 .
  • the interface unit 140 may transmit the second diagnostic signal to the upper controller 2 .
  • FIG. 5 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to a second embodiment of the present invention.
  • step S510 the controller 120 controls the sensing unit 110 every predetermined time while the battery B is charged or discharged with a constant current by the charge/discharge device 20 . ), a voltage curve representing a correspondence relationship between the capacity Q of the battery B and the voltage V is determined based on the sensed information representing the voltage and current of the battery.
  • step S520 the controller 120 determines a differential voltage curve based on the voltage curve determined in step S510 . For example, when the voltage curve 204 of FIG. 2 is determined in step S510 , the controller 120 may determine the differential voltage curve 304 of FIG. 3 from the voltage curve 202 .
  • step S530 the controller 120 detects a peak of interest within a predetermined capacitance range appearing in the differential voltage curve determined in step S520 .
  • the controller 120 may detect the peak P 4 of interest from the differential voltage curve 304 .
  • step S540 the controller 120 determines a first difference and a second difference based on the differential voltage and capacitance of the peak of interest detected in step S530 .
  • the first difference is a difference between the differential voltage of the peak of interest detected in step S530 and the reference differential voltage.
  • the second difference is a difference between the dose of the peak of interest detected in step S530 and the reference dose. For example, when the peak of interest P 4 of FIG. 3 is detected in step S530, ⁇ DVB and ⁇ QC are determined as the first difference and the second difference, respectively.
  • step S560 the controller 120 outputs a diagnostic signal indicating the first capacity loss rate and the second capacity loss rate determined in step S550 .
  • the diagnostic signal may be received by the interface unit 140 .
  • the interface unit 140 may transmit a diagnostic signal to the upper controller 2 .
  • 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.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 소정의 용량 범위 내에서 상전이 거동이 나타나는 양극재 및 상기 소정의 용량 범위에 걸쳐 평탄 특성을 가지는 음극재를 포함하는 배터리를 위한 것이다. 상기 배터리 관리 시스템은, 배터리의 전압 및 전류를 나타내는 센싱 정보를 출력하는 센싱부; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 배터리가 정전류 충전 또는 정전류 방전되는 동안 수집된 상기 센싱 정보를 기초로, 상기 배터리의 용량과 상기 배터리의 전압 간의 대응 관계를 나타내는 전압 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 전압 커브를 기초로, 미분 전압 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 미분 전압 커브에 나타나는 상기 소정의 용량 범위 내의 관심 피크를 검출한다. 상기 제어부는, 상기 관심 피크의 미분 전압을 기초로, 상기 배터리의 제1 용량 손실율을 결정한다.

Description

배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법
본 발명은, 배터리의 퇴화를 진단하기 위한 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 05월 27일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2020-0063839호에 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 차량, 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 이온 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리의 퇴화를 모니터링하기 위한 다양한 기술이 존재한다. 특히, 미분 전압 분석법(Differential Voltage Analysis, 'DVA'라고 칭할 수도 있음)은, 배터리의 외부에서 관측 가능한 파라미터인 전압 및 전류를 기초로 배터리의 내부적인 퇴화 상태를 파악하는 데에 이용되고 있다.
미분 전압 분석법을 이용하여 배터리의 내부적 이상 유무를 파악함에 있어서, 미분 전압 커브('Q-dV/dQ 커브'라고 칭할 수 있음)에 나타나는 피크들이 주요한 요소로서 고려된다.
배터리가 신품 상태(BOL: Beginning Of Life)인 경우, 미분 전압 커브에 나타나는 모든 피크들은 배터리의 양극의 특성에 의존하는 피크(들)과 배터리의 음극의 특성에 의존하는 피크(들)로 구분될 수 있다.
그런데, 배터리가 점차 퇴화되어 갈수록, 미분 전압 커브에 나타나는 피크들이 나타나는 용량 범위들이 서로 겹쳐지는 현상이 심화된다. 예컨대, 배터리가 퇴화될수록, 양극의 특성에 의존하는 피크들 중 첫번째 피크와 음극의 특성에 의존하는 피크들 중 두번째 피크 간의 용량 차이가 감소할 수 있다. 이와 같이, 좁은 용량 범위 내에 양극에 기인한 피크와 음극에 기인한 피크가 함께 발현되는 경우, 두 피크로부터 배터리의 퇴화 정보를 정확히 결정하는 것이 어렵다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 소정의 용량 범위 내에서 상전이 거동이 나타나는 양극재 및 상기 소정의 용량 범위에 걸쳐 평탄 특성을 가지는 음극재를 포함하는 배터리에 대한 정전류 충전 또는 정전류 방전을 통해 취득되는 미분 전압 커브를 이용하여, 배터리의 퇴화 정보를 결정하는 배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 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 관리 시스템은, 소정의 용량 범위 내에서 상전이 거동이 나타나는 양극재 및 상기 소정의 용량 범위에 걸쳐 평탄 특성을 가지는 음극재를 포함하는 배터리를 위한 것이다. 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 배터리의 전압 및 전류를 나타내는 센싱 정보를 출력하도록 구성되는 센싱부; 및 상기 센싱부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 배터리가 정전류 충전 또는 정전류 방전되는 동안 수집된 상기 센싱 정보를 기초로, 상기 배터리의 용량과 상기 배터리의 전압 간의 대응 관계를 나타내는 전압 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 전압 커브를 기초로, 미분 전압 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 미분 전압 커브는, 상기 배터리의 용량과 상기 배터리의 용량의 변화량에 대한 상기 배터리의 전압의 변화량의 비율인 미분 전압 간의 대응 관계를 나타낸다. 상기 제어부는, 상기 소정의 용량 범위 내에서 나타나는 상기 미분 전압 커브의 관심 피크를 검출하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 관심 피크의 미분 전압을 기초로, 상기 배터리의 양극 용량의 손실율을 나타내는 제1 용량 손실율을 결정하도록 구성된다.
상기 센싱부는, 상기 배터리에 병렬 연결되는 전압 센서; 및 상기 배터리에 직렬 연결되는 전류 센서를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압보다 큰 경우, 제1 차이를 기초로, 상기 배터리의 상기 제1 용량 손실율을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 차이는 상기 관심 피크의 미분 전압과 상기 기준 미분 전압 간의 차이이다.
상기 제어부는, 상기 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압과 동일한 경우, 상기 관심 피크의 용량을 기초로, 상기 배터리의 가용 리튬 용량의 손실율을 나타내는 제2 용량 손실율을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는,
상기 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압과 동일한 경우, 제2 차이를 기초로, 상기 배터리의 상기 제2 용량 손실율을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 차이는, 상기 관심 피크의 용량과 기준 용량 간의 차이이다.
상기 제어부는, 제1 차이 및 제2 차이를 기초로, 상기 배터리의 상기 제1 용량 손실율 및 상기 배터리의 가용 리튬 용량의 손실율을 나타내는 제2 용량 손실율을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 차이는, 상기 관심 피크의 미분 전압과 상기 기준 미분 전압 간의 차이이다. 상기 제2 차이는, 상기 관심 피크의 용량과 상기 기준 용량 간의 차이이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 소정의 용량 범위 내에서 상전이 거동이 나타나는 양극재 및 상기 소정의 용량 범위에 걸쳐 평탄 특성을 가지는 음극재를 포함하는 배터리를 위한 것이다. 상기 배터리 관리 방법은, 상기 배터리가 정전류 충전 또는 정전류 방전되는 동안 수집된 상기 배터리의 전압 및 전류를 나타내는 센싱 정보를 기초로, 상기 배터리의 용량과 상기 배터리의 전압 간의 대응 관계를 나타내는 전압 커브를 결정하는 단계; 상기 전압 커브를 기초로, 미분 전압 커브를 결정하는 단계; 상기 소정의 용량 범위 내에서 나타나는 상기 미분 전압 커브의 관심 피크를 검출하는 단계; 및 상기 관심 피크의 미분 전압을 기초로, 상기 배터리의 양극 용량의 손실율을 나타내는 제1 용량 손실율을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 미분 전압 커브는 상기 배터리의 용량과 상기 배터리의 용량의 변화량에 대한 상기 배터리의 전압의 변화량의 비율인 미분 전압 간의 대응 관계를 나타낸다.
상기 배터리의 제1 용량 손실율을 결정하는 단계는, 상기 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압보다 큰 경우, 제1 차이를 기초로, 상기 배터리의 상기 제1 용량 손실율을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 차이는 상기 관심 피크의 미분 전압과 상기 기준 미분 전압 간의 차이이다.
상기 배터리 관리 방법은, 상기 관심 피크의 미분 전압이 상기 기준 미분 전압과 동일한 경우, 상기 관심 피크의 용량을 기초로, 상기 배터리의 가용 리튬 용량의 손실율을 나타내는 제2 용량 손실율을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 소정의 용량 범위 내에서 상전이 거동이 나타나는 양극재 및 상기 소정의 용량 범위에 걸쳐 평탄 특성을 가지는 음극재를 포함하는 배터리에 대한 정전류 충전 또는 정전류 방전을 통해 취득되는 미분 전압 커브를 이용하여, 배터리의 퇴화 정보를 결정할 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 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 배터리의 퇴화 상태에 따른 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 도 2의 전압 커브에 대응하는 미분 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
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 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1를 참조하면, 배터리 팩(10)은, 전기 차량(1)과 같은 전력 장치에 탑재 가능하도록 제공되는 것으로서, 배터리(B), 스위치(SW), 충방전 디바이스(20) 및 배터리 관리 시스템(100)를 포함한다.
배터리(B)의 양극 단자 및 음극 단자는 배터리 관리 시스템(100)에 전기적으로 연결된다. 배터리(B)는, 리튬 이온 배터리로서, 양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는, 양극과 음극 사이에 배치되어, 양극과 음극을 절연한다.
양극재는, 배터리(B)의 충방전 중 소정의 용량 범위 내에서 상전이(phase transition) 거동이 나타나는 양극 활물질을 포함할 수 있다. 양극재는, 층상형 결정 구조를 가질 수 있다. 예컨대, LiNi 8/10Co 1/10Mn 1/10O 2 등의 리튬 금속 복합 산화물이 양극 활물질로서 이용될 수 있다. 양극에서의 상전이는, 배터리(B)의 충방전 중, 양극재의 층상형 결정 구조 내에 존재하는 통로를 통해 작동 이온(예, 리튬 이온)이 이동함에 의해 발생하는 현상일 수 있다.
음극재는, 소정의 용량 범위에 걸쳐 평탄 특성을 가지는 음극 활물질을 포함할 수 있다. 평탄 특성이란, 상전이의 발생없이, 전위의 변화율이 소정값 미만으로 유지되는 특성이다. 예컨대, 음극 활물질로는 탄소계 재료(예, 흑연)가 이용될 수 있다.
스위치(SW)는, 배터리(B)의 충방전을 위해 배터리(B)에 직렬 연결된 전류 경로에 설치된다. 스위치(SW)가 턴 온되어 있는 동안, 배터리(B)의 충방전이 가능하다. 스위치(SW)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 릴레이이거나 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다. 스위치(SW)가 턴 오프되어 있는 동안, 배터리(B)의 충방전은 중단된다. 스위치(SW)는, 제1 스위칭 신호(예, 하이 레벨 전압)에 응답하여, 턴 온될 수 있다. 스위치(SW)는, 제2 스위칭 신호(예, 로우 레벨 전압)에 응답하여, 턴 오프될 수 있다.
충방전 디바이스(20)는, 배터리(B)의 충방전을 위한 전류 경로에 전기적으로 연결된다. 충방전 디바이스(20)는, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류의 전류 레이트를 조절하는 정전류 회로를 포함할 수 있다. 충방전 디바이스(20)는, 배터리 관리 시스템(100)으로부터의 명령에 따라, 배터리(B)의 충전 또는 방전을 위한 전류의 전류 레이트('C-rate'이라고 칭할 수도 있음)를 조절하도록 구성된다. 물론, 충방전 디바이스(20)는 정전류 충전 기능 및 정전류 방전 기능 중 어느 하나만이 가능할 수도 있다.
배터리 관리 시스템(100)는, 배터리(B)의 퇴화 상태를 결정하기 위해 제공된다. 배터리 관리 시스템(100)는, 센싱부(110), 제어부(120) 및 메모리부(130)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)는, 인터페이스부(140)를 더 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템(100)는, 스위치 드라이버(150)를 더 포함할 수 있다.
센싱부(110)는, 전압 센서(111) 및 전류 센서(112)를 포함한다. 전압 센서(111)는, 배터리(B)에 병렬 연결되어, 배터리(B)의 양단에 걸친 전압을 검출하고, 검출된 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다. 전류 센서(112)는, 전류 경로를 통해 배터리(B)에 직렬로 연결된다. 전류 센서(112)는, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류를 검출하고, 검출된 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성된다. 제어부(130)는, 동기의 전압 신호와 전류 신호를 포함하는 센싱 정보를 센싱부(110)로부터 수집할 수 있다.
제어부(120)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(120)는, 충방전 디바이스(20) 및 센싱부(110)에 동작 가능하게 결합된다. 제어부(120)는, 배터리(B)의 퇴화 상태를 결정하기 위한 후술할 동작을 실행하도록 구성된다. 제어부(120)는, 배터리(B)의 용량이 제1 임계 용량 이하인 경우, 충전 디바이스(20)에게 정전류 충전을 명령할 수 있다. 충전 디바이스(20)는 배터리(B)의 용량이 제2 임계 용량까지 상승할 때까지, 소정의 전류 레이트(예, 0.05C)로 정전류 충전을 유지할 수 있다. 제어부(120)는, 배터리(B)의 용량이 제2 임계 용량 이상인 경우, 충전 디바이스(20)에게 정전류 방전을 명령할 수 있다. 충전 디바이스(20)는 배터리(B)의 용량에 제1 임계 용량까지 저하할 때까지, 소정의 전류 레이트(예, 0.05C)로 정전류 방전을 유지할 수 있다. 제1 임계 용량은 예컨대 SOC 0%에 대응할 수 있고, 제2 임계 용량은 예컨대 SOC 100%에 대응할 수 있다.
제어부(120)는, 배터리(B)의 정전류 충전 또는 정전류 방전 중, 소정 시간마다, 센싱 정보에 포함된 전압 신호와 전류 신호를 기초로, 소정 시간마다의 배터리(B)의 전압, 전류, 용량 및 충전 상태(SOC: State-Of-Charge)를 결정하도록 구성된다.
배터리(B)의 용량은, 배터리(B)에 저장되어 있는 전하량을 나타내는 것으로서 '잔존 용량'이라고 칭할 수도 있으며, 소정 시간마다의 배터리(B)의 전류를 적산함으로써 결정될 수 있다. 배터리(B)의 SOC는, 배터리(B)의 최대 용량('완전 충전 용량'이라고 칭할 수도 있음)에 대한 배터리(B)의 용량의 비율을 나타내는 것으로서, 통상 0~1 또는 0~100%로 표현된다. 배터리(B)의 최대 용량은, 배터리(B)가 퇴화됨에 따라 점차적으로 감소한다. 소정 시간마다의 전압, 전류, 용량 및 SOC 중 적어도 하나는, 제어부(120)에 의해 메모리부(130)에 기록될 수 있다.
메모리부(130)는, 제어부(120)에 동작 가능하게 결합된다. 메모리부(130)는, 센싱부(110)에도 동작 가능하게 결합될 수 있다. 메모리부(130)는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
메모리부(130)는, 제어부(120)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리부(130)는, 제어부(120)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다.
인터페이스부(140)는, 제어부(120)와 전기 차량(1)의 상위 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성된다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론, 제어부(120)와 상위 컨트롤러(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 인터페이스부(140)는, 제어부(120) 및/또는 상위 컨트롤러(2)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다.
스위치 드라이버(150)는, 제어부(120) 및 스위치(SW)에 전기적으로 결합된다. 스위치 드라이버(150)는, 제어부(120)로부터의 명령에 응답하여, 제1 스위칭 신호 또는 제2 스위칭 신호를 스위치(SW)에게 선택적으로 출력하도록 구성된다. 제어부(120)는, 배터리(B)의 정전류 충전 또는 정전류 방전 중, 스위치(SW)를 턴 온시킬 것을 스위치 드라이버(150)에게 명령할 수 있다.
도 2는 배터리의 퇴화 상태에 따른 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 3은 도 2의 전압 커브에 대응하는 미분 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
본 명세서에 있어서, 제1 용량 손실율이란, 배터리(B)의 양극의 퇴화도에 대응하는 파라미터로서, 신품 상태인 배터리(B)의 양극 용량인 기준 양극 용량에 대한 현재의 배터리(B)의 양극 용량의 저하율을 나타낸다. 양극 용량이란, 양극에 최대로 흡장 가능한 리튬 이온의 총량을 칭한다. 양극의 반응 면적이 감소함에 따라 제1 용량 손실율은 증가한다. 즉, 제1 용량 손실율 = (기준 양극 용량 - 현재의 양극 용량)/ 기준 양극 용량.
본 명세서에 있어서, 제2 용량 손실율이란, 신품 상태인 배터리(B)의 가용 리튬 용량인 기준 가용 리튬 용량에 대한 현재의 배터리(B)의 가용 리튬 용량의 저하율을 칭한다. 가용 리튬 용량이란, 충방전 시의 산화환원 반응에 참가 가능한 리튬 이온의 총량을 말한다. 음극의 표면에 석출되는 리튬 금속의 양이 증가함에 따라 제2 용량 손실율은 증가한다. 즉, 제2 용량 손실율 = (기준 가용 리튬 용량 - 현재의 가용 리튬 용량)/ 기준 가용 리튬 용량.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제어부(120)는, 배터리(B)의 정전류 충전 또는 정전류 방전 중, 메모리부(130)에 기록된 소정 시간마다의 배터리(B)의 전압 및 용량을 기초로 전압 커브를 생성할 수 있다.
도 2에는 4개의 전압 커브(201~204)가 도시되어 있다. 전압 커브(201)는 신품 상태인 배터리(B)의 용량 Q과 전압 V 간의 관계를 나타낸다. 전압 커브(202)는 제1 용량 손실율이 0%이고 제2 용량 손실율이 10%인 배터리(B)의 용량 Q과 전압 V 간의 관계를 나타낸다. 전압 커브(203)은 제1 용량 손실율이 5%이고 제2 용량 손실율이 10%인 배터리(B)의 용량 Q과 전압 V 간의 관계를 나타낸다. 전압 커브(204)는 제1 용량 손실율이 10%이고 제2 용량 손실율이 10%인 배터리(B)의 용량 Q과 전압 V 간의 관계를 나타낸다.
전압 커브(201)와 전압 커브(202)를 비교해보면, 제1 용량 손실율이 동일한 경우, 제2 용량 손실율이 증가할수록, 전압 커브의 전압이 저전압측으로 수축되고, 전압 커브의 용량이 저용량측으로 수축됨을 확인할 수 있다.
전압 커브(202), 전압 커브(203) 및 전압 커브(204)를 비교해보면, 용량 유지율이 동일한 경우, 제1 용량 손실율이 증가할수록, 배터리(B)의 전압이 빠르게 변화함을 확인할 수 있다. 용량 유지율이란, 신품 상태에서의 최대 용량에 대한 현재의 최대 용량의 비율이다.
도 3을 참조하면, 제어부(120)는, 전압 커브(201~204) 각각의 전압 V을 용량 Q으로 미분하여, 미분 전압 커브(301~304)를 결정할 수 있다. 미분 전압 커브(301~304)는 전압 커브(201~204)에 각각 기초한다. 제어부(120)는, 전압 커브(201~204)를 기초로, 소정 시간마다의 용량 Q의 변화량 dQ에 대한 전압 V의 변화량 dV의 비율인 미분 전압 dV/dQ를 결정하고, 용량 Q과 미분 전압 dV/dQ 간의 대응 관계를 나타내는 데이터 세트로서의 미분 전압 커브(301~304)를 메모리부(130)에 기록할 수 있다. 미분 전압 커브는 'Q-dV/dQ 커브'라고 칭할 수도 있다.
제어부(120)는, 미분 전압 커브(301~304) 각각으로부터 관심 피크(P 1~ P4)를 검출할 수 있다. i=1~4라고 할 때, 미분 전압 커브(30i)의 관심 피크(P i)는, 소정의 용량 범위(예, 35~45 Ah) 내에서 단독으로 위치하는 피크(예, 극대점)일 수 있다. 관심 피크(P 1~P 4)는, 배터리(B)의 양극에서 발생되는 상전이 현상에 기인한다.
관심 피크(P 1)와 관심 피크(P 2)를 비교해보면, 관심 피크(P 2)의 미분 전압은 관심 피크(P 1)의 미분 전압과 동일한 반면, 관심 피크(P 2)의 용량이 관심 피크(P 1)의 용량보다 작다. 즉, 제1 용량 손실율이 동일한 경우, 제2 용량 손실율이 증가할수록, 관심 피크의 용량이 감소하는 경향이 있음을 알 수 있다.
관심 피크(P 2)와 관심 피크(P 3)를 비교해보면, 관심 피크(P 3)의 미분 전압은 관심 피크(P 2)의 미분 전압보다 크다. 또한, 관심 피크(P 3)와 관심 피크(P 4)를 비교해보면, 관심 피크(P 4)의 미분 전압은 관심 피크(P 3)의 미분 전압보다 크다. 즉, 용량 유지율이 동일한 경우, 제1 용량 손실율이 증가할수록, 관심 피크의 미분 전압이 증가하는 경향이 있음을 알 수 있다.
관심 피크(P 1)와 관심 피크(P 4)를 비교해보면, 관심 피크(P 4)의 미분 전압은 관심 피크(P 1)의 미분 전압보다 크고, 관심 피크(P 4)의 용량은 관심 피크(P 1)의 용량보다 작다. 즉, 제1 용량 손실율이 증가할수록, 관심 피크의 미분 전압은 증가하고 관심 피크의 용량은 감소하는 경향이 있다. 또한, 제1 용량 손실율이 증가함과 함께 제2 용량 손실율도 증가하는 경우, 관심 피크의 용량이 더 큰 폭으로 감소하는 경향이 있음을 알 수 있다.
제어부(120)는, 미분 용량 커브를 기초로, 제1 차이를 결정할 수 있다. 제1 차이는, 관심 피크의 미분 전압과 기준 미분 전압 간의 차이이다. 기준 미분 전압은, 관심 피크(P 1)의 미분 전압일 수 있다. 도 3을 참조하면, 미분 전압 커브(202)에 대응하는 제1 차이는 0 [V/Ah]이고, 미분 전압 커브(203)에 대응하는 제1 차이는 ΔDVA [V/Ah]이고, 미분 전압 커브(204)에 대응하는 제1 차이는 ΔDVB [V/Ah]이다.
제어부(120)는, 미분 용량 커브를 기초로, 제2 차이를 결정할 수 있다. 제2 차이는, 관심 피크의 용량과 기준 용량 간의 차이이다. 기준 용량은, 관심 피크(P 1)의 용량일 수 있다. 도 3을 참조하면, 미분 전압 커브(202)에 대응하는 제2 차이는 ΔQA [Ah]이고, 미분 전압 커브(203)에 대응하는 제2 차이는 ΔQB [Ah]이고, 미분 전압 커브(204)에 대응하는 제2 차이는 ΔQC [Ah]이다.
제어부(120)는, 미분 용량 커브로부터 검출된 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압보다 큰 경우, 제1 차이를 기초로, 배터리(B)의 제1 용량 손실율을 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는, 배터리(B)의 정전류 충전 또는 정전류 방전을 통해 미분 용량 커브(303)가 결정된 경우, 미분 용량 커브(303)에 대응하는 제1 차이(ΔDVA)를 기초로, 배터리(B)의 제1 용량 손실율이 5%와 동일한 것으로 결정할 수 있다.
제어부(120)는, 관심 피크의 미분 전압과 기준 미분 전압이 동일한 경우, 제2 차이를 기초로, 배터리(B)의 제2 용량 손실율을 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는, 배터리(B)의 정전류 충전 또는 정전류 방전을 통해 미분 용량 커브(302)가 결정된 경우, 미분 용량 커브(302)에 대응하는 제2 차이(ΔQA)를 기초로, 배터리(B)의 제2 용량 손실율이 10%와 동일한 것으로 결정할 수 있다.
제어부(120)는, 미분 용량 커브로부터 검출된 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압보다 큰 경우, 제1 차이 및 제2 차이를 기초로, 배터리(B)의 제1 용량 손실율 및 제2 용량 손실율을 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는, 배터리(B)의 정전류 충전 또는 정전류 방전을 통해 미분 용량 커브(304)가 결정된 경우, 미분 용량 커브(304)에 대응하는 제1 차이(ΔDVB) 및 제2 차이(ΔQC)를 기초로, 배터리(B)의 제1 용량 손실율이 10%와 동일하고, 배터리(B)의 제2 용량 손실율이 10%와 동일한 것으로 결정할 수 있다.
메모리부(130)에는 제1 룩업 테이블, 제2 룩업 테이블 및 제3 룩업 테이블 중 적어도 하나가 미리 기록되어 있을 수 있다.
제1 룩업 테이블은, 제1 차이와 제1 용량 손실율 간의 대응 관계를 나타내는 데이터 세트이다. 제1 차이와 제1 용량 손실율 간의 대응 관계는, 실험 또는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 미리 정해질 수 있다. 제어부(120)는, 제1 차이를 결정한 다음, 결정된 제1 차이에 대응하는 것으로 제1 룩업 테이블에 기록되어 있는 제1 용량 손실율을 결정할 수 있다.
제2 룩업 테이블은, 제2 차이와 제2 용량 손실율 간의 대응 관계를 나타내는 데이터 세트이다. 제2 차이와 제1 용량 손실율 간의 대응 관계는, 실험 또는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 미리 정해질 수 있다. 제어부(120)는, 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압과 동일한 경우, 제2 차이를 결정한 다음, 결정된 제2 차이에 대응하는 것으로 제2 룩업 테이블에 기록되어 있는 제2 용량 손실율을 결정할 수 있다.
제3 룩업 테이블은, 제1 차이, 제2 차이, 제1 용량 손실율 및 제2 용량 손실율 간의 대응 관계를 나타내는 데이터 세트이다. 제1 차이, 제2 차이, 제1 용량 손실율 및 제2 용량 손실율 간의 대응 관계는, 실험 또는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 미리 정해질 수 있다. 제어부(120)는, 제1 차이 및 제2 차이를 결정한 다음, 결정된 제1 차이 및 결정된 제2 차이에 대응하는 것으로 제3 룩업 테이블에 기록되어 있는 제1 용량 손실율과 제2 용량 손실율을 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 단계 S410에서, 제어부(120)는, 배터리(B)가 충방전 디바이스(20)에 의해 정전류 충전 또는 정전류 방전되는 동안, 소정 시간마다 센싱부(110)로부터 수집된 배터리의 전압 및 전류를 나타내는 센싱 정보를 기초로, 배터리(B)의 용량 Q과 전압 V 간의 대응 관계를 나타내는 전압 커브를 결정한다.
단계 S420에서, 제어부(120)는, 단계 S410에서 결정된 전압 커브를 기초로, 미분 전압 커브를 결정한다. 예컨대, 제어부(120)는, 단계 S410에서 도 2의 전압 커브(202)가 결정된 경우, 전압 커브(202)로부터 도 3의 미분 전압 커브(302)를 결정할 수 있다. 다른 예로, 제어부(120)는, 단계 S410에서 도 2의 전압 커브(203)가 결정된 경우, 전압 커브(203)로부터 도 3의 미분 전압 커브(303)를 결정할 수 있다.
단계 S430에서, 제어부(120)는, 단계 S420에서 결정된 미분 전압 커브에 나타나는 소정의 용량 범위 내의 관심 피크를 검출한다. 예컨대, 제어부(120)는, 단계 S420에서 도 3의 미분 전압 커브(302)가 결정된 경우, 미분 전압 커브(302)로부터 관심 피크(P 2)를 검출할 수 있다. 다른 예로, 제어부(120)는, 단계 S420에서 도 3의 미분 전압 커브(303)가 결정된 경우, 미분 전압 커브(303)로부터 관심 피크(P 3)를 검출할 수 있다.
단계 S440에서, 제어부(120)는, 단계 S430에서 검출된 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압보다 큰지 여부를 판정한다. 일 예로, 단계 S420에서 도 3의 미분 전압 커브(303)가 결정된 경우, 단계 S440의 값은 "예"이다. 단계 S440의 값이 "예"인 경우, 단계 S450으로 진행된다. 단계 S440의 값이 "아니오"인 것은, 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압과 동일함을 나타낸다. 일 예로, 단계 S420에서 도 3의 미분 전압 커브(302)가 결정된 경우, 단계 S440의 값은 "아니오"이다. 단계 S440의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S460으로 진행될 수 있다.
단계 S450에서, 제어부(120)는, 제1 차이를 기초로, 배터리(B)의 제1 용량 손실율을 결정한다. 제1 차이는, 단계 S430에서 검출된 관심 피크의 미분 전압과 기준 미분 전압 간의 차이이다. 예를 들어, 제1 차이가 ΔDVA [V/Ah]인 경우, 제1 룩업 테이블 내에서 ΔDVA [V/Ah]에 연관된 5%가 제1 용량 손실율로 결정될 수 있다. 제어부(120)는, 단계 S450에서 결정된 제1 용량 손실율을 메모리부(130)에 기록할 수 있다.
단계 S452에서, 제어부(120)는, 단계 S450에서 결정된 제1 용량 손실율을 나타내는 제1 진단 신호를 출력한다. 제1 진단 신호는, 인터페이스부(140)에 의해 수신될 수 있다. 인터페이스부(140)는, 제1 진단 신호를 상위 컨트롤러(2)에게 전달할 수 있다.
단계 S460에서, 제어부(120)는, 제2 차이를 기초로, 배터리(B)의 제2 용량 손실율을 결정한다. 제2 차이는, 단계 S430에서 검출된 관심 피크의 용량과 기준 용량 간의 차이이다. 예를 들어, 제2 차이가 ΔQA [Ah]인 경우, 제2 룩업 테이블 내에서 ΔQA [Ah]에 연관된 10%가 제2 용량 손실율로 결정될 수 있다.
단계 S462에서, 제어부(120)는, 단계 S460에서 결정된 제2 용량 손실율을 나타내는 제2 진단 신호를 출력한다. 제2 진단 신호는, 인터페이스부(140)에 의해 수신될 수 있다. 인터페이스부(140)는, 제2 진단 신호를 상위 컨트롤러(2)에게 전달할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 3 및 도 5를 참조하면, 단계 S510에서, 제어부(120)는, 배터리(B)가 충방전 디바이스(20)에 의해 정전류 충전 또는 정전류 방전되는 동안, 소정 시간마다 센싱부(110)로부터 수집된 배터리의 전압 및 전류를 나타내는 센싱 정보를 기초로, 배터리(B)의 용량 Q과 전압 V 간의 대응 관계를 나타내는 전압 커브를 결정한다.
단계 S520에서, 제어부(120)는, 단계 S510에서 결정된 전압 커브를 기초로, 미분 전압 커브를 결정한다. 예컨대, 제어부(120)는, 단계 S510에서 도 2의 전압 커브(204)가 결정된 경우, 전압 커브(202)로부터 도 3의 미분 전압 커브(304)를 결정할 수 있다.
단계 S530에서, 제어부(120)는, 단계 S520에서 결정된 미분 전압 커브에 나타나는 소정의 용량 범위 내의 관심 피크를 검출한다. 예컨대, 제어부(120)는, 단계 S520에서 도 3의 미분 전압 커브(304)가 결정된 경우, 미분 전압 커브(304)로부터 관심 피크(P 4)를 검출할 수 있다.
단계 S540에서, 제어부(120)는, 단계 S530에서 검출된 관심 피크의 미분 전압 및 용량을 기초로, 제1 차이 및 제2 차이를 결정한다. 제1 차이는, 단계 S530에서 검출된 관심 피크의 미분 전압과 기준 미분 전압 간의 차이이다. 제2 차이는, 단계 S530에서 검출된 관심 피크의 용량과 기준 용량 간의 차이이다. 일 예로, 단계 S530에서 도 3의 관심 피크(P 4)가 검출된 경우, ΔDVB 및 ΔQC가 각각 제1 차이 및 제2 차이로 결정된다.
단계 S550에서, 제어부(120)는, 제1 차이 및 제2 차이를 기초로, 배터리(B)의 제1 용량 손실율 및 제2 용량 손실율을 결정한다. 예를 들어, 제어부(120)는, 제1 차이=ΔDVB, 제2 차이=ΔQC인 경우, 제3 룩업 테이블 내에서 ΔDVB 및 ΔQC에 연관된 10% 및 10%가 각각 제1 용량 손실율 및 제2 용량 손실율로 결정될 수 있다.. 제어부(120)는, 단계 S550에서 결정된 제1 용량 손실율 및 제2 용량 손실율을 메모리부(130)에 기록할 수 있다.
단계 S560에서, 제어부(120)는, 단계 S550에서 결정된 제1 용량 손실율 및 제2 용량 손실율을 나타내는 진단 신호를 출력한다. 진단 신호는, 인터페이스부(140)에 의해 수신될 수 있다. 인터페이스부(140)는, 진단 신호를 상위 컨트롤러(2)에게 전달할 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. 소정의 용량 범위 내에서 상전이 거동이 나타나는 양극재 및 상기 소정의 용량 범위에 걸쳐 평탄 특성을 가지는 음극재를 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 배터리의 전압 및 전류를 나타내는 센싱 정보를 출력하도록 구성되는 센싱부; 및
    상기 센싱부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 정전류 충전 또는 정전류 방전되는 동안 수집된 상기 센싱 정보를 기초로, 상기 배터리의 용량과 상기 배터리의 전압 간의 대응 관계를 나타내는 전압 커브를 결정하고,
    상기 전압 커브를 기초로, 미분 전압 커브를 결정하되, 상기 미분 전압 커브는 상기 배터리의 용량과 상기 배터리의 용량의 변화량에 대한 상기 배터리의 전압의 변화량의 비율인 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내고,
    상기 소정의 용량 범위 내에서 나타나는 상기 미분 전압 커브의 관심 피크를 검출하고,
    상기 관심 피크의 미분 전압을 기초로, 상기 배터리의 양극 용량의 손실율을 나타내는 제1 용량 손실율을 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 배터리에 병렬 연결되는 전압 센서; 및
    상기 배터리에 직렬 연결되는 전류 센서를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압보다 큰 경우, 제1 차이를 기초로, 상기 배터리의 상기 제1 용량 손실율을 결정하도록 구성되되,
    상기 제1 차이는 상기 관심 피크의 미분 전압과 상기 기준 미분 전압 간의 차이인 배터리 관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압과 동일한 경우, 상기 관심 피크의 용량을 기초로, 상기 배터리의 가용 리튬 용량의 손실율을 나타내는 제2 용량 손실율을 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압과 동일한 경우, 제2 차이를 기초로, 상기 배터리의 상기 제2 용량 손실율을 결정하도록 구성되되,
    상기 제2 차이는, 상기 관심 피크의 용량과 기준 용량 간의 차이인 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    제1 차이 및 제2 차이를 기초로, 상기 배터리의 상기 제1 용량 손실율 및 상기 배터리의 가용 리튬 용량의 손실율을 나타내는 제2 용량 손실율을 결정하도록 구성되되,
    상기 제1 차이는, 상기 관심 피크의 미분 전압과 상기 기준 미분 전압 간의 차이이고,
    상기 제2 차이는, 상기 관심 피크의 용량과 상기 기준 용량 간의 차이인 배터리 관리 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  9. 소정의 용량 범위 내에서 상전이 거동이 나타나는 양극재 및 상기 소정의 용량 범위에 걸쳐 평탄 특성을 가지는 음극재를 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 방법에 있어서,
    상기 배터리가 정전류 충전 또는 정전류 방전되는 동안 수집된 상기 배터리의 전압 및 전류를 나타내는 센싱 정보를 기초로, 상기 배터리의 용량과 상기 배터리의 전압 간의 대응 관계를 나타내는 전압 커브를 결정하는 단계;
    상기 전압 커브를 기초로, 미분 전압 커브를 결정하는 단계;
    상기 소정의 용량 범위 내에서 나타나는 상기 미분 전압 커브의 관심 피크를 검출하는 단계; 및
    상기 관심 피크의 미분 전압을 기초로, 상기 배터리의 양극 용량의 손실율을 나타내는 제1 용량 손실율을 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 미분 전압 커브는 상기 배터리의 용량과 상기 배터리의 용량의 변화량에 대한 상기 배터리의 전압의 변화량의 비율인 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 관리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 제1 용량 손실율을 결정하는 단계는,
    상기 관심 피크의 미분 전압이 기준 미분 전압보다 큰 경우, 제1 차이를 기초로, 상기 배터리의 상기 제1 용량 손실율을 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 차이는 상기 관심 피크의 미분 전압과 상기 기준 미분 전압 간의 차이인 배터리 관리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 관심 피크의 미분 전압이 상기 기준 미분 전압과 동일한 경우, 상기 관심 피크의 용량을 기초로, 상기 배터리의 가용 리튬 용량의 손실율을 나타내는 제2 용량 손실율을 결정하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2025507487A (ja) * 2022-03-29 2025-03-21 ビーワイディー カンパニー リミテッド 電池容量決定方法及び装置、並びに記憶媒体

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4145588B1 (en) * 2020-08-13 2025-03-05 LG Energy Solution, Ltd. Battery management system, battery management method, battery pack, and electric vehicle
CN118275908A (zh) * 2022-12-29 2024-07-02 比亚迪股份有限公司 检测电池包自放电状态的方法、车辆和计算机存储介质
EP4682565A1 (en) * 2023-10-06 2026-01-21 LG Energy Solution, Ltd. Battery diagnosis apparatus and battery diagnosis method
KR102873003B1 (ko) * 2023-12-14 2025-10-16 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 진단 장치 및 배터리 진단 방법
KR102890693B1 (ko) * 2024-01-02 2025-11-24 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 진단 장치, 배터리 팩, 배터리 시스템 및 배터리 진단 방법
KR20250106953A (ko) 2024-01-04 2025-07-11 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 관리 장치 및 방법
KR102927734B1 (ko) * 2024-01-15 2026-02-12 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 진단 장치 및 방법
WO2025170262A1 (ko) * 2024-02-06 2025-08-14 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 진단 장치 및 배터리 진단 방법
KR20250161890A (ko) * 2024-05-09 2025-11-18 현대자동차주식회사 차량 제어 장치 및 그 방법
KR20250175207A (ko) * 2024-06-07 2025-12-16 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 관리 장치 및 방법
KR20250175208A (ko) * 2024-06-07 2025-12-16 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 관리 장치 및 방법
KR20260026770A (ko) * 2024-08-20 2026-02-27 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 진단 장치 및 그 방법
KR20260033800A (ko) * 2024-09-03 2026-03-10 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 진단 장치 및 배터리 진단 방법
KR20260037773A (ko) * 2024-09-10 2026-03-18 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 진단 장치 및 배터리 진단 방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100068459A (ko) * 2007-11-06 2010-06-23 파나소닉 주식회사 비수전해질 이차전지용 양극 활물질 및 그것을 이용한 비수전해질 이차전지
US20130314050A1 (en) * 2012-05-28 2013-11-28 Sony Corporation Charge control device for secondary battery, charge control method for secondary battery, charge state estimation device for secondary battery, charge state estimation method for secondary battery, degradation degree estimation device for secondary battery, degradation degree estimation method for secondary battery, and secondary battery device
KR20160064881A (ko) * 2014-11-28 2016-06-08 삼성에스디아이 주식회사 양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 상기 양극을 채용한 리튬 이차 전지
KR102010015B1 (ko) * 2015-08-31 2019-08-12 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지 및 그의 구동방법
WO2020033343A1 (en) * 2018-08-06 2020-02-13 The Regents Of The University Of Michigan Electrode diagnostics for lithium ion battery
KR20200063839A (ko) 2018-11-28 2020-06-05 (주)유엠로직스 핑거프린트 및 3D n-gram을 혼합한 영상 데이터 무결성 검증 방법 및 그 시스템

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4561859B2 (ja) 2008-04-01 2010-10-13 トヨタ自動車株式会社 二次電池システム
JP5315369B2 (ja) * 2011-03-01 2013-10-16 株式会社日立製作所 リチウム二次電池の異常充電状態検出装置及び検査方法
JP5779528B2 (ja) 2012-03-16 2015-09-16 株式会社日立製作所 リチウムイオン二次電池システムおよびリチウムイオン二次電池システムの制御方法
JP5940145B2 (ja) * 2012-04-20 2016-06-29 日立オートモティブシステムズ株式会社 二次電池システム、二次電池の劣化状態判断方法
JP5878088B2 (ja) 2012-06-28 2016-03-08 株式会社日立製作所 電池モジュールおよびその状態推定方法
EP3051305B1 (en) 2013-09-25 2019-04-17 Hitachi, Ltd. Status determining method for secondary battery, status determining apparatus for secondary battery, secondary battery system, and charge/discharge control apparatus having status determining apparatus
EP2990818B1 (en) 2014-09-01 2019-11-27 Yokogawa Electric Corporation Secondary battery capacity measurement system and secondary battery capacity measurement method
KR102349300B1 (ko) * 2018-04-10 2022-01-10 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리의 전극 정보를 결정하기 위한 장치, 방법, 배터리 팩 및 전기 시스템
KR102259415B1 (ko) * 2018-08-29 2021-06-01 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량
WO2020046019A1 (ko) * 2018-08-29 2020-03-05 주식회사 엘지화학 배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량
CN109856549B (zh) 2019-01-18 2021-07-13 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种锂离子电池电极循环衰减机制的评价方法
CN110045293A (zh) 2019-03-15 2019-07-23 天津力神电池股份有限公司 一种无损分析电池活性物质材料失效的方法
CN110988086B (zh) * 2019-10-11 2022-08-19 天津力神电池股份有限公司 一种检测电池循环过程中电极材料结构稳定性的方法
CN111060830A (zh) 2019-11-25 2020-04-24 浙江遨优动力系统有限公司 软包锂电池正极容量的检测方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100068459A (ko) * 2007-11-06 2010-06-23 파나소닉 주식회사 비수전해질 이차전지용 양극 활물질 및 그것을 이용한 비수전해질 이차전지
US20130314050A1 (en) * 2012-05-28 2013-11-28 Sony Corporation Charge control device for secondary battery, charge control method for secondary battery, charge state estimation device for secondary battery, charge state estimation method for secondary battery, degradation degree estimation device for secondary battery, degradation degree estimation method for secondary battery, and secondary battery device
KR20160064881A (ko) * 2014-11-28 2016-06-08 삼성에스디아이 주식회사 양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 상기 양극을 채용한 리튬 이차 전지
KR102010015B1 (ko) * 2015-08-31 2019-08-12 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지 및 그의 구동방법
WO2020033343A1 (en) * 2018-08-06 2020-02-13 The Regents Of The University Of Michigan Electrode diagnostics for lithium ion battery
KR20200063839A (ko) 2018-11-28 2020-06-05 (주)유엠로직스 핑거프린트 및 3D n-gram을 혼합한 영상 데이터 무결성 검증 방법 및 그 시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2025507487A (ja) * 2022-03-29 2025-03-21 ビーワイディー カンパニー リミテッド 電池容量決定方法及び装置、並びに記憶媒体
JP7844638B2 (ja) 2022-03-29 2026-04-13 ビーワイディー カンパニー リミテッド 電池容量決定方法及び装置、並びに記憶媒体

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