WO2023063625A1 - 배터리 진단 장치, 배터리 팩, 전기 차량, 및 배터리 진단 방법 - Google Patents

배터리 진단 장치, 배터리 팩, 전기 차량, 및 배터리 진단 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a technique for diagnosing micro-shorts of each battery cell from voltage behavior of a plurality of battery cells during idle.
  • a battery system eg, a battery pack
  • a series connection of a plurality of battery cells is widely used.
  • micro short circuit also referred to as an internal short circuit or micro short circuit
  • a micro short circuit is a representative type of defect condition that directly or indirectly affects fire.
  • a micro short circuit is caused by a side reaction (eg, precipitation of lithium metal) in the battery cell and/or penetration of foreign substances into the battery cell.
  • Conventional micro short circuit detection mainly adopts a method of comparing the internal resistance of a battery cell continuously monitored during charging and discharging with a reference value.
  • the estimation of the internal resistance basically requires not only the voltage for each battery cell but also the detected value of the current, and the internal resistance is highly dependent on various internal and external conditions, resulting in poor accuracy.
  • the present invention has been made to solve the above problems, monitoring the trend of voltage behavior during idle of a plurality of battery cells according to repetition of idle events, and detecting a minute short circuit having a strong correlation with the voltage behavior. It aims to provide an apparatus and method.
  • An apparatus for diagnosing a battery includes a battery monitor configured to detect a voltage of each of a plurality of battery cells included in a battery module; and a latest value of a first voltage deviation indicating a difference between the voltage behavior of each battery cell and the average voltage behavior of the plurality of battery cells over a relaxation time from the start of an idle event in which the battery module switches from charging to idle. and control circuitry configured to determine. When the total number of occurrences of the idle event is equal to or greater than the reference number, the control circuit applies a smoothing algorithm to the latest value of the first voltage deviation for each battery cell, thereby corresponding to the latest value of the first voltage deviation. and determine an up-to-date value of the second voltage deviation.
  • the control circuit is configured to determine, for each battery cell, a latest value of a third voltage deviation representing a difference between a latest value of the first voltage deviation and a latest value of the second voltage deviation.
  • the control circuit is configured to determine, for each battery cell, a latest value of a fourth voltage deviation representing a difference between a latest value of the third voltage deviation and a previous value of the third voltage deviation.
  • the control circuit is configured to determine, for each battery cell, a latest value of a threshold deviation using a scatter plot of a time series of the fourth voltage deviation having a predetermined size.
  • the control circuit is configured to, for each battery cell, compare the latest value of the third voltage deviation with the latest value of the threshold deviation to determine whether or not the battery cell has a micro-short circuit.
  • the voltage behavior of each battery cell may represent an average of voltages of the corresponding battery cell sequentially detected a predetermined number of times over a relaxation time from the start of the idle event.
  • the smoothing algorithm may be a moving average filter.
  • the reference number of times may be greater than or equal to the size of the moving average filter.
  • the scatter plot may be a standard deviation.
  • the control circuit may be configured to determine, for each battery cell, an up-to-date value of the threshold deviation by multiplying the scatter plot by a predetermined margin constant.
  • the control circuit for each battery cell, when the latest value of the third voltage deviation is less than or equal to the latest value of the threshold deviation, increases an abnormality factor associated with the battery cell by a first value, and increases the abnormality factor associated with the corresponding battery cell.
  • the factor may be configured to determine that a minute short circuit exists in the corresponding battery cell.
  • the control circuit may be configured to reduce an abnormality factor associated with a corresponding battery cell by a second value when the latest value of the third voltage deviation is greater than the latest value of the threshold deviation for each battery cell.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention includes the battery diagnosis device.
  • An electric vehicle includes the battery pack.
  • a battery diagnosis method relates to a voltage behavior of each battery cell from the start of an idle event in which a battery module including a plurality of battery cells is switched from charging to idle to a relaxation time, and the plurality of battery cells. and determining a latest value of the first voltage deviation representing a difference between the average voltage behavior of the battery cells.
  • the battery diagnosis method may correspond to the latest value of the first voltage deviation by applying a smoothing algorithm to the latest value of the first voltage deviation for each battery cell when the total number of occurrences of the idle event is equal to or greater than the reference number.
  • the voltage behavior of each battery cell may represent an average of voltages of the corresponding battery cell sequentially detected a predetermined number of times over a relaxation time from the start of the idle event.
  • the smoothing algorithm may be a moving average filter.
  • the reference number of times may be greater than or equal to the size of the moving average filter.
  • the scatter plot may be a standard deviation.
  • the latest value of the critical deviation may be equal to a product of the scatter plot and a predetermined margin constant.
  • a minute short circuit having a strong correlation with the voltage behavior may be detected by monitoring a trend of voltage behavior of a plurality of battery cells during idle according to repetition of an idle event. Accordingly, it is possible to take appropriate protective measures to prevent dangerous issues such as explosion or ignition of a battery cell due to a minute short circuit.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an electric vehicle according to the present invention by way of example.
  • FIG. 2 is a diagram referenced to describe an exemplary equivalent circuit of a battery cell.
  • FIG. 3 is a diagram referenced to describe a change in voltage of a battery cell over time during rest.
  • FIG. 4 is a graph illustratively illustrating a change over time in a voltage behavior of a battery cell according to repetition of an idle event.
  • 5 is a graph exemplarily illustrating a change over time in a first voltage deviation of a battery cell according to repetition of an idle event.
  • FIG. 6 is a graph illustratively illustrating a change over time in a second voltage deviation of a battery cell according to repetition of an idle event.
  • FIG. 7 is a graph exemplarily illustrating a change over time in a third voltage deviation of a battery cell according to repetition of an idle event.
  • FIG. 8 is a graph exemplarily illustrating a change over time in a fourth voltage deviation of a battery cell according to repetition of an idle event.
  • FIG. 9 is a graph illustratively illustrating a change over time in a threshold deviation for determining minute shorts of a battery cell according to repetition of an idle event.
  • 10 and 11 are flowcharts referenced to illustratively describe a method for diagnosing a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an electric vehicle according to the present invention by way of example.
  • an electric vehicle 1 includes a vehicle controller 2 , a battery pack 10 , and an electric load 30 .
  • the charging/discharging terminals P+ and P- of the battery pack 10 may be electrically coupled to the charger 40 through a charging cable or the like.
  • the charger 40 may be included in the electric vehicle 1 or may be provided in a charging station outside the electric vehicle 1 .
  • the vehicle controller 2 (eg, Electronic Control Unit (ECU)) transmits a key-on signal to a battery diagnosis in response to a start button (not shown) provided in the electric vehicle 1 being switched to the ON-position by the user. configured to transmit to device 100 .
  • the vehicle controller 2 is configured to transmit a key-off signal to the battery diagnosis device 100 in response to the start button being switched to the OFF-position by the user.
  • the charger 40 may communicate with the vehicle controller 2 to supply charging power through the charging/discharging terminals P+ and P- of the battery pack 10 .
  • the battery pack 10 includes a battery module 11 , a relay 20 and a battery diagnostic device 100 .
  • the battery module 11 includes a series connected body of a plurality of battery cells (B 1 to B N , where N is a natural number equal to or greater than 2). That is, within the battery module 11, a plurality of battery cells B 1 to B N may be connected in series to each other.
  • the plurality of battery cells B 1 to B N may be manufactured to have the same electrochemical specifications. For example, as long as it is capable of repeatedly charging and discharging, such as a lithium ion cell, the type of the plurality of battery cells B 1 to B N is not particularly limited.
  • a symbol 'B j '(j is a natural number less than or equal to N) is assigned to indicate a battery cell.
  • the relay 20 is electrically connected in series to the battery module 11 through a power path connecting the battery module 11 and the electric load 30 .
  • the relay 20 is illustrated as being connected between the positive terminal of the battery module 11 and the charge/discharge terminal P+.
  • the relay 20 is turned on and off in response to a switching signal from the battery diagnosis device 100 and/or the vehicle controller 2 .
  • the relay 20 may be a mechanical contactor that is turned on and off by the magnetic force of a coil or a semiconductor switch such as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the electric load 30 includes an inverter 31 and an electric motor 32 .
  • the inverter 31 is provided to convert direct current from the battery module 11 included in the battery pack 10 into alternating current in response to a command from the battery diagnosis device 100 or the vehicle controller 2.
  • the electric motor 32 is driven using AC power from the inverter 31 .
  • As the electric motor 32 a three-phase AC motor can be used, for example.
  • a state in which the relay 20 is turned on and the battery module 11 is being charged/discharged may be referred to as a 'cycle state (or load state)'.
  • the battery module 11 When the relay 20 is switched from on to off, the battery module 11 is in a 'idle state (or no-load state, calendar state)' in a cycle state, and the voltage of the battery cell B j in the dormant state may be referred to as 'relaxation voltage (or rest voltage, no-load voltage)'.
  • the relaxation voltage after a sufficient time has elapsed since the battery cell B j is switched from charging or discharging to resting may converge to an open circuit voltage (OCV).
  • OCV open circuit voltage
  • the battery diagnosis apparatus 100 includes a battery monitor 110 and a control circuit 120 .
  • the battery diagnosis apparatus 100 may further include a communication circuit 130 .
  • the battery diagnosis device 100 includes a battery monitor 110 , a control circuit 120 and a communication circuit 130 .
  • the battery monitor 110 includes a voltage detector 112 .
  • the battery monitor 110 may further include a current detector 114 .
  • the voltage detector 112 is connected to the positive terminal and the negative terminal of each of the plurality of battery cells (B 1 to B N ) included in the battery module 11, and the voltage across both ends of the battery cell (B j ) (' may be referred to as 'cell voltage') and generate a voltage signal representing the detected cell voltage.
  • the current detector 114 is serially connected to the battery module 11 through a current path between the battery module 11 and the inverter 30 .
  • the current detector 114 may be implemented with one or a combination of two or more known current detection elements such as a shunt resistor, a Hall effect element, and the like. As shown in FIG. 1 , when a plurality of battery cells B 1 to B N are connected in series, the same charge/discharge current flows through the plurality of battery cells B 1 to B N .
  • the current detector 114 may output a current signal representing the direction and magnitude of the charge/discharge current to the control circuit 120 based on the voltage across the shunt resistor according to Ohm's law.
  • Control circuit 120 may be operatively coupled to relay 20 , battery monitor 110 , and communication circuit 130 .
  • relay 20 When two components are operably coupled, it means that the two components are directly or indirectly connected so that signals can be transmitted and received in one direction or both directions.
  • the control circuit 120 may be referred to as a 'battery controller', and in terms of hardware, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs It may be implemented using at least one of (field programmable gate arrays), microprocessors, and electrical units for performing other functions.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • microprocessors and electrical units for performing other functions.
  • the control circuit 120 may collect a voltage signal and/or a current signal from the battery monitor 110 .
  • the control circuit 120 may convert and record the analog signal collected from the battery monitor 110 into a digital value using an analog to digital converter (ADC) provided therein.
  • ADC analog to digital converter
  • the battery monitor 110 may transmit a result of converting an analog signal into a digital value by itself to the control circuit 120 .
  • the memory 121 may be, for example, a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type (SSD type), a silicon disk drive type (SDD type), or a multimedia card micro type. 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) At least one type of storage medium may be included.
  • the memory 121 may store data and programs required for arithmetic operations by the control circuit 120 .
  • the memory 121 may store data representing a result of an arithmetic operation performed by the control circuit 120 .
  • the memory 121 may store pre-given functions, logics, and algorithms to be used to detect minute short circuits of the battery cell B j .
  • the memory 121 may be integrated into the control circuit 120 .
  • the control circuit 120 may turn on the relay 20 in response to a key-on signal from the vehicle controller 2 .
  • the control circuit 120 may turn off the relay 20 in response to a key-off signal from the vehicle controller 2 .
  • the key-on signal is a signal requesting a transition from the dormant state to the cycle state.
  • the key-off signal is a signal requesting a transition from the dormant state to the cycle state.
  • the vehicle controller 2 may be in charge of on/off control of the relay 20 instead of the control circuit 120 .
  • the communication circuit 130 is configured to support wired communication or wireless communication between the control circuit 120 and the vehicle controller 2 .
  • Wired communication may be, for example, contoller area network (CAN) communication
  • wireless communication may be, for example, ZigBee or Bluetooth communication.
  • the type of communication protocol is not particularly limited.
  • the communication circuit 130 may include an output device (eg, a display, a speaker) that provides information received from the control circuit 120 and/or the vehicle controller 2 in a form recognizable by a user (driver). .
  • a normal battery cell refers to a battery cell without a micro short circuit
  • an ideal battery cell refers to a battery cell with a micro short circuit.
  • a normal battery cell may be equivalent as a series circuit of a DC voltage source (V DC ), an internal resistance (R 0 ), and an RC pair (R 1 , C).
  • V DC DC voltage source
  • R 0 internal resistance
  • R 1 RC pair
  • an ideal battery cell may be equivalent to having an additional resistance (R ISC ) connected between both ends (+, -) of a series circuit corresponding to a normal battery cell.
  • the additional resistance (R ISC ) acts as a path for the leakage current (I ISC ).
  • the voltage of the DC voltage source (V DC ) is the OCV of the battery cell (B j ), and the cell voltage of the battery cell (B j ) is the DC voltage source (V DC ), the internal resistance component (R 0 ) and the RC pair ( R 1 , C) is the total voltage of the series circuit.
  • the charge/discharge current is zero (OA) and the voltage of the RC pair (R 1 , C) is zero (0 V)
  • the relaxation voltage and OCV are the same.
  • a decrease in the resistance value of the resistor R ISC means that micro-shorts intensify, and as the micro-shorts intensify, the amount of power consumed as leakage current I ISC may increase.
  • the voltage increase amount of the abnormal battery cell may be smaller than that of the normal battery cell.
  • the voltage drop of the abnormal battery cell may be greater than that of the normal battery cell.
  • energy stored in an abnormal battery cell may be consumed as a leakage current (I ISC ) even during an idle state in which a charge/discharge current is zero. Therefore, during idle, the voltage of the abnormal battery cell is lower than that of the normal battery cell, and the voltage decrease rate of the abnormal battery cell is faster than that of the normal battery cell.
  • I ISC leakage current
  • FIG. 3 is a diagram referenced for explaining the change over time in the voltage of a battery cell during idle
  • FIG. 4 is a graph showing the change over time in the voltage behavior of a battery cell according to repetition of an idle event
  • 5 is a graph showing a change over time in a first voltage deviation of a battery cell according to repetition of an idle event. 4 and 5, the horizontal axis represents the event number x representing the order of occurrence of idle events.
  • the vertical axis of FIG. 4 represents the voltage behavior (average voltage over relaxation time) of the battery cell B j for each idle event, and the vertical axis of FIG. 5 represents the first voltage deviation of the battery cell B j for each idle event.
  • FIG. 3 illustrates a voltage behavior of one battery cell (B j ) among a plurality of battery cells (B 1 to B N ) during rest.
  • Time point t A is the start point of a specific pause event.
  • a dormant event is when the battery module 11 is switched from charging to dormant.
  • the cell voltage of the battery cell (B j ) continues to rise until the starting point in time t A , drops momentarily at the starting point in time t A when the charging current becomes zero, and then converges toward OCV.
  • Time point t B is a time point after a predetermined relaxation time ( ⁇ t) has elapsed from start time point t A.
  • the voltage behavior of the battery cell B j represents the average of the voltages of the battery cell B j sequentially detected a predetermined number of times over the relaxation time ⁇ t from time point t A to time point t B .
  • the relaxation time ⁇ t may be a predetermined multiple of the time interval for detecting the voltage of the battery cell B j .
  • the relaxation time ⁇ t is 60 seconds
  • the voltage of the battery cell B j may be sequentially detected a total of 600 times at intervals of 0.1 seconds. Accordingly, the voltage behavior of each of the plurality of battery cells B 1 to B N with respect to the idle period from the time point t A to the time point t B may be determined. Equation 1 below is an example of a function used to calculate the voltage behavior of the battery cell B j among the plurality of battery cells B 1 to B N .
  • Equation 1 S is the total number of voltage detections during the relaxation time ( ⁇ t) (e.g., 600), and V j [i][x] is the battery cell at the ith detection timing during rest by the rest event of event number x.
  • the voltage of (B j ), V j_AV [x], is the average of the voltages of the battery cell (B j ) detected S times during the relaxation time ( ⁇ t) by the rest event of event number x.
  • the control circuit 120 monitors the voltage behavior of the battery cell B j during idle whenever an idle event occurs (ie, whenever the event number x increases by 1). Accordingly, as shown in FIG. 4 , changes over time in a plurality of voltage behaviors (V 1_AV [x] to V N_AV [x]) of the plurality of battery cells B 1 to B N according to repetition of the idle event. A time series representing is recorded in the memory 121.
  • the control circuit 120 determines the latest value of the first voltage deviation of the battery cell B j whenever an idle event occurs.
  • the first voltage deviation of the battery cell B j represents a difference between the voltage behavior of the battery cell B j and the average voltage behavior of the plurality of battery cells B 1 to B N . Equation 2 below is an example of a function used to calculate the first voltage deviation of the battery cell B j .
  • V M [x] is the average voltage behavior of a plurality of battery cells (B 1 to B N ) corresponding to the dormant event of event number x
  • V j_D1 [x] is the dormant event of event number x This is the first voltage deviation of the battery cell B j . That is, whenever the event number x increases by one, V 1_D1 [x] to V N_D1 [x] associated with the plurality of battery cells B 1 to B N may be calculated. Accordingly, as shown in FIG.
  • FIGS. 6 to 9 processes additionally performed by the control circuit 120 for micro-short detection will be described with reference to FIGS. 6 to 9 .
  • the processes related to FIGS. 6 to 9 may be performed when a condition in which the total number of occurrences of idle events (ie, the event number x of recently generated idle events) is equal to or greater than the reference number is satisfied.
  • the graphs shown in FIGS. 6 to 9 are related to a single curve (related to the battery cell above) marked with a thick solid line among a plurality of first voltage deviation curves shown in FIG. will be.
  • FIG. 6 is a graph exemplarily illustrating a change over time in a second voltage deviation of a battery cell according to repetition of an idle event
  • FIG. 7 is an example of a change over time in a third voltage deviation of a battery cell according to repetition of an idle event
  • FIG. 8 is a graph exemplarily showing a change over time in a fourth voltage deviation of a battery cell according to repetition of a dormant event
  • FIG. It is a graph showing the change over time of the critical deviation as an example.
  • FIGS. 6 to 9 For convenience of description, only a single curve representing a change over time of the second voltage deviation associated with the first voltage deviation of the ideal battery cell is shown in FIGS. 6 to 9 .
  • the control circuit 120 applies a smoothing algorithm to the latest value of the first voltage deviation of the battery cell B j to the battery cell corresponding to the latest value of the first voltage deviation ( The latest value of the second voltage deviation of B j ) may be determined.
  • a moving average filter is an example of a smoothing algorithm. Equation 3 below is an example of a moving average filter used to calculate the second voltage deviation of the battery cell B j .
  • W (a natural number greater than or equal to 2) is the size of the moving average filter
  • V j_D2 [x] is the second voltage deviation of the battery cell (B j ) corresponding to the idle event of event number x
  • V j_D2 [x -1] is the second voltage deviation of the battery cell B j corresponding to the idle event of event number x-1.
  • the latest value of the second voltage deviation of the battery cell B j is the first voltage deviations (V j_D1 [x-W+1] to V j_D1 [ x-1]) may be used to indicate a result of correcting the latest value (V j_D1 [x]) of the first voltage deviation corresponding to the current pause event.
  • V 1_D2 [x] to V N_D2 [x] associated with the plurality of battery cells B 1 to B N may be newly calculated. Accordingly, a time series showing changes over time in the plurality of second voltage deviations (V 1_D2 [x] to V N_D2 [x]) of the plurality of battery cells B 1 to B N according to the repetition of the dormant event (ie, Relationship data between the event number and the second voltage deviation) is recorded in the memory 121 .
  • the smoothing algorithm may be replaced with an algorithm other than Equation 3 (eg, a double exponential smoothing filter).
  • the control circuit 120 determines the latest value of the third voltage deviation representing the difference between the latest value of the first voltage deviation and the latest value of the second voltage deviation. Equation 4 below illustrates the relationship between the first voltage deviation, the second voltage deviation, and the third voltage deviation.
  • V j_D3 [x] is the third voltage deviation of the battery cell B j corresponding to the idle event of event number x.
  • the third voltage deviation of the battery cell (B j ) represents a deepening trend of minute short circuits in the battery cell (B j ).
  • V 1_D3 [x] to V N_D3 [x] associated with the plurality of battery cells B 1 to B N may be calculated.
  • a time series showing changes over time in the plurality of third voltage deviations V 1_D3 [x] to V N_D3 [x] of the plurality of battery cells B 1 to B N according to the repetition of the dormant event ie, Relationship data between the event number and the third voltage deviation
  • the dormant event ie, Relationship data between the event number and the third voltage deviation
  • the control circuit 120 determines the latest value of the fourth voltage deviation representing the difference between the latest value of the third voltage deviation and the previous value of the third voltage deviation.
  • the fourth voltage deviation of the battery cell (B j ) represents the variability of the deepening trend of the minute short circuit of the battery cell (B j ). Equation 5 below illustrates the relationship between the third voltage deviation and the fourth voltage deviation.
  • V j_D4 [x] is the fourth voltage deviation of the battery cell B j corresponding to the idle event of event number x.
  • V j_D3 [x] is the latest value of the third voltage deviation
  • V j_D3 [x-1] is the previous value of the third voltage deviation.
  • a time series showing changes over time in the plurality of fourth voltage deviations V 1_D4 [x] to V N_D4 [x] of the plurality of battery cells B 1 to B N according to the repetition of the dormant event ie, Relationship data between the event number and the fourth voltage deviation
  • the dormant event ie, Relationship data between the event number and the fourth voltage deviation
  • the control circuit 120 uses a scatter plot of a time series of a fourth voltage deviation having a predetermined size (which is a natural number greater than or equal to 2) with respect to the battery cell B j to determine the latest value of the threshold deviation.
  • Decide. Equation 6 below is an example of a function used to calculate the standard deviation as a scatter plot of the time series of the fourth voltage deviation of the battery cell B j .
  • Equation 6 ⁇ j [x] is the standard deviation of the time series (size y) of the fourth voltage deviation of the battery cell B j , and V j_D4_AV is the average of the time series (size y) of the fourth voltage deviation.
  • ⁇ j [x] corresponds to the dormant event of event number x.
  • the control circuit 120 sets the latest value V j_Th [x] of the threshold deviation used for detecting a minute short of the battery cell B j to be equal to the value obtained by multiplying ⁇ j [x], which is a scatter plot, by a predetermined margin constant.
  • V j_Th [x] ⁇ j [x] ⁇ Q.
  • Q is a margin constant. Accordingly, whenever the event number x increases by 1, V 1_Th [x] to V N_Th [x] associated with the plurality of battery cells B 1 to B N may be calculated. Accordingly , a time series (that is , event number Relationship data between y and the threshold deviation) is recorded in the memory 121 .
  • the curve of FIG. 9 illustrates a time series of threshold deviations associated with an ideal battery cell (refer to the bold line in FIG. 5 ) when y and Q are 100 and -15, respectively.
  • the control circuit 120 increases an anomaly factor indicating a minor short circuit symptom of the battery cell B j , when V j_D3 [x] ⁇ V j_Th [x], Otherwise, the anomaly factor can be reduced.
  • the ideal factor may be increased by a first value (eg, 10) from the previous value or by a first ratio (eg, 10%) of the previous value.
  • the ideal factor may be decreased by a second value (eg, 1) from the previous value or by a second ratio (eg, 2%) of the previous value.
  • the control circuit 120 may determine that a minute short circuit exists in the battery cell B j in response to an abnormality factor associated with the battery cell B j being greater than or equal to a threshold value (eg, 100).
  • the control circuit 120 in response to the condition of V j_D3 [x] > V j_Th [x] being continuously satisfied while the event number x increases by a predetermined value (eg, 10), the battery cell B j
  • An abnormality factor related to may be reset to an initial value (eg, 0).
  • the initial value is the lower limit value of the ideal factor.
  • FIGS. 10 and 11 are flowcharts referenced to illustratively describe a method for diagnosing a battery according to an embodiment of the present invention.
  • the method of FIGS. 10 and 11 may be initiated whenever an idle event occurs in which the battery module 11 is switched from charging to idle. For reference, a value greater than the previous event number by 1 may be assigned to the event number x of the newly generated idle event.
  • step S1010 the control circuit 120, for each of the plurality of battery cells B 1 to B N , from the start of the idle event to the relaxation time ⁇ t, the battery
  • the latest value of the first voltage deviation representing the difference between the voltage behavior (V j_AV [x]) of the cell (B j ) and the average voltage behavior (V M [x]) of the plurality of battery cells (B 1 to B N ) ( V j_D1 [x]) is determined (see Equations 1 and 2).
  • V j_D1 [x] may be written to the memory 121 .
  • step S1020 the control circuit 120 determines whether the total number of occurrences of idle events is greater than or equal to a reference number. If the value of step S1020 is "yes", it proceeds to step S1030.
  • the total number of occurrences may indicate a maximum value among event numbers assigned to idle events that have occurred up to now.
  • step S1030 the control circuit 120 applies a smoothing algorithm to the latest value of the first voltage deviation (V j_AV [x]) for each of the plurality of battery cells (B 1 to B N ) to obtain the first voltage.
  • the latest value of the second voltage deviation (V j_D2 [x]) corresponding to the latest value of the deviation (V j_D1 [x]) is determined (see Equation 3).
  • the latest value of the second voltage deviation (V j_D2 [x]) is a weighted average of the latest value of the first voltage deviation (V j_D1 [x]) and the previous value of the second voltage deviation (V j_D2 [x-1]) can be V j_D2 [x] may be written to the memory 121 .
  • step S1040 the control circuit 120 performs the latest value of the first voltage deviation (V j_D1 [x]) and the latest value of the second voltage deviation (V for each of the plurality of battery cells B 1 to B N ).
  • the latest value (V j_D3 [x]) of the third voltage deviation representing the difference between j_D2 [x]) is determined (see Equation 4).
  • V j_D3 [x] may be written to the memory 121 .
  • step S1050 the control circuit 120, for each of the plurality of battery cells B 1 to B N , the latest value of the third voltage deviation (V j_D3 [x]) and the previous value of the third voltage deviation (V The latest value (V j_D4 [x]) representing the difference between j_D3 [x-1]) of the fourth voltage deviation is determined (see Equation 5).
  • V j_D4 [x] may be written to the memory 121 .
  • step S1060 the control circuit 120 performs a time series (V j_D4 [x-y+1] ⁇ ) of a fourth voltage deviation having a predetermined size (y) for each of the plurality of battery cells (B 1 ⁇ B N ).
  • the latest value (V j_Th [x]) of the threshold deviation is determined using the scatter plot (eg, standard deviation ⁇ j [x]) of V j_D4 [x] (see Equation 6).
  • step S1070 the control circuit 120 sets the latest value of the third voltage deviation (V j_D3 [x]) to the latest value of the threshold deviation (V j_Th [x] for each of the plurality of battery cells B 1 to B N ). x]), it is determined whether the condition of V j_D3 [x] ⁇ V j_Th [x] is satisfied. V j_D3 [x] ⁇ V j_Th [x] indicates that the battery cell (B j ) has a slight short circuit symptom. If the value of step S1070 is "yes”, the process proceeds to step S1082. When the value of step S1070 is "no", it may proceed to step S1084.
  • step S1082 the control circuit 120 determines the ideal factor associated with the battery cell B j for which the condition of V j_D3 [x] ⁇ V j_Th [ x ] is satisfied among the plurality of battery cells B 1 to B N . is increased by the first value.
  • step S1084 the control circuit 120, among the plurality of battery cells B 1 to B N , has an error associated with the battery cell B j for which the condition of V j_D3 [x] ⁇ V j_Th [x] is not satisfied. Decrease the factor by a second value.
  • step S1086 the control circuit 120 determines whether the abnormality factor associated with the battery cell B j for which the condition of V j_D3 [x] ⁇ V j_Th [x] is satisfied is greater than or equal to a threshold value. If the value of step S1084 is "YES”, it indicates that it has been detected that a minute short circuit exists in the battery cell B j . If the value of step S1084 is “yes”, it may proceed to step S1090.
  • the control circuit 120 executes at least one protection operation.
  • the protection operation may include generating a diagnostic message notifying the identification number and/or location of the battery cell B j associated with an abnormality factor equal to or greater than a threshold value.
  • the diagnostic message may be transmitted to the vehicle controller 2 and/or the vehicle user via the communication circuit 130 .
  • the protection operation may include off control of the relay 20 .
  • the embodiments of the present invention described above are not implemented only through devices and methods, and may be implemented through a program that realizes functions corresponding to the configuration of the embodiments of the present invention or a recording medium on which the program is recorded. Implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs based on the description of the above-described embodiment.
  • control circuit 130 communication circuit

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Abstract

배터리 진단 장치는, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 검출하는 배터리 모니터; 및 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간에 걸친, 각 배터리 셀의 전압 거동과 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압 거동 간의 차이를 나타내는 제1 전압 편차의 최신값을 결정하는 제어 회로를 포함한다. 상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해, 상기 제1 전압 편차의 최신값에 평활화 알고리즘을 적용하여, 제2 전압 편차의 최신값을 결정하고, 상기 제1 전압 편차의 최신값과 상기 제2 전압 편차의 최신값 간의 차이를 나타내는 제3 전압 편차의 최신값을 결정하고, 상기 제3 전압 편차의 최신값과 상기 제3 전압 편차의 이전값 간의 차이를 나타내는 제4 전압 편차의 최신값을 결정하고, 소정 사이즈를 가지는 상기 제4 전압 편차의 시계열의 산포도를 이용하여, 임계 편차의 최신값을 결정하고, 상기 제3 전압 편차의 최신값을 상기 임계 편차의 최신값과 비교하여, 해당 배터리 셀의 미소 단락 유무를 판정한다.

Description

배터리 진단 장치, 배터리 팩, 전기 차량, 및 배터리 진단 방법
본 출원은 2021년 10월 13일 자로 출원된 한국 특허 출원번호 제 10-2021-0136165호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 휴지 중 복수의 배터리 셀의 전압 거동으로부터 각 배터리 셀의 미소 단락을 진단하는 기술에 관한 것이다.
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 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 차량 등과 같은 어플레케이션들의 고전압 및 대용량이 요구를 충족하기 위해서, 복수의 배터리 셀의 직렬 접속체를 포함하는 배터리 시스템(예, 배터리 팩)이 널리 보급되고 있다.
이러한 배터리 시스템에 있어서, 몇몇 배터리 셀의 고장이 배터리 시스템의 전체적인 성능과 안전성에 악영향을 줄 가능성이 높다. 따라서, 배터리 시스템을 운용함에 있어서, 개별 배터리 셀의 고장을 적절히 검출해내는 것이 중요하다.
배터리 셀의 다양한 고장 유형 중에서 미소 단락(내부 단락, 미세 단락이라고 칭하기도 함)은 화재에 직간접적으로 영향을 끼치는 대표적인 유형의 결함 상태이다. 미소 단락은, 배터리 셀 내에서의 부반응(예, 리튬 금속의 석출) 및/또는 배터리 셀 내로의 이물질 침투 등으로 인한 것이다.
종래의 미소 단락 검출은, 충방전 중에 지속 모니터링되는 배터리 셀의 내부 저항을 기준치와 비교하는 방식을 주로 채용하고 있다. 그러나, 내부 저항의 추정은 기본적으로 배터리 셀별 전압뿐만 아니라 전류의 검출값 또한 요구되며, 내부 저항은 다양한 내외부 조건에 크게 의존하는 특성을 가져 정확도가 떨어진다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 휴지 이벤트의 반복에 따른 복수의 배터리 셀의 휴지 중 전압 거동의 추세를 모니터링하여, 전압 거동에 강한 상관관계를 가지는 미소 단락을 검출하는 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 진단 장치는, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 검출하도록 구성되는 배터리 모니터; 및 상기 배터리 모듈이 충전으로부터 휴지로 전환되는 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간에 걸친, 각 배터리 셀의 전압 거동과 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압 거동 간의 차이를 나타내는 제1 전압 편차의 최신값을 결정하도록 구성되는 제어 회로를 포함한다. 상기 제어 회로는, 상기 휴지 이벤트의 총 발생 횟수가 기준 횟수 이상인 경우, 각 배터리 셀에 대해, 상기 제1 전압 편차의 최신값에 평활화 알고리즘을 적용하여, 상기 제1 전압 편차의 최신값에 대응하는 제2 전압 편차의 최신값을 결정하도록 구성된다. 상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해, 상기 제1 전압 편차의 최신값과 상기 제2 전압 편차의 최신값 간의 차이를 나타내는 제3 전압 편차의 최신값을 결정하도록 구성된다. 상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해, 상기 제3 전압 편차의 최신값과 상기 제3 전압 편차의 이전값 간의 차이를 나타내는 제4 전압 편차의 최신값을 결정하도록 구성된다. 상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해, 소정 사이즈를 가지는 상기 제4 전압 편차의 시계열의 산포도를 이용하여, 임계 편차의 최신값을 결정하도록 구성된다. 상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해, 상기 제3 전압 편차의 최신값을 상기 임계 편차의 최신값과 비교하여, 해당 배터리 셀의 미소 단락 유무를 판정하도록 구성된다.
각 배터리 셀의 전압 거동은, 상기 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간에 걸쳐 소정 횟수 순차 검출된 해당 배터리 셀의 전압의 평균을 나타낼 수 있다.
상기 평활화 알고리즘은, 이동 평균 필터일 수 있다. 상기 기준 횟수는, 상기 이동 평균 필터의 사이즈 이상일 수 있다.
상기 산포도는, 표준 편차일 수 있다.
상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해, 상기 산포도에 소정의 마진 상수를 곱하여, 상기 임계 편차의 최신값을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해, 상기 제3 전압 편차의 최신값이 상기 임계 편차의 최신값 이하인 경우, 해당 배터리 셀에 연관된 이상 팩터를 제1 값만큼 증가시키고, 해당 배터리 셀에 연관된 이상 팩터가 임계치에 도달한 경우, 해당 배터리 셀에 미소 단락이 존재하는 것으로 판정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해, 상기 제3 전압 편차의 최신값이 상기 임계 편차의 최신값 초과인 경우, 해당 배터리 셀에 연관된 이상 팩터를 제2 값만큼 감소시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 진단 장치를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전기 차량은 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 진단 방법은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 충전으로부터 휴지로 전환되는 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간에 걸친, 각 배터리 셀의 전압 거동과 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압 거동 간의 차이를 나타내는 제1 전압 편차의 최신값을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 배터리 진단 방법은, 상기 휴지 이벤트의 총 발생 횟수가 기준 횟수 이상인 경우, 각 배터리 셀에 대해, 상기 제1 전압 편차의 최신값에 평활화 알고리즘을 적용하여, 상기 제1 전압 편차의 최신값에 대응하는 제2 전압 편차의 최신값을 결정하는 단계; 상기 제3 전압 편차의 최신값과 상기 제3 전압 편차의 이전값 간의 차이를 나타내는 제4 전압 편차의 최신값을 결정하는 단계; 소정 사이즈를 가지는 상기 제4 전압 편차의 시계열의 산포도를 이용하여, 임계 편차의 최신값을 결정하는 단계; 및 상기 제3 전압 편차의 최신값을 상기 임계 편차의 최신값과 비교하여, 해당 배터리 셀의 미소 단락 유무를 판정하는 단계를 더 포함한다.
각 배터리 셀의 전압 거동은, 상기 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간에 걸쳐 소정 횟수 순차 검출된 해당 배터리 셀의 전압의 평균을 나타낼 수 있다.
상기 평활화 알고리즘은, 이동 평균 필터일 수 있다. 상기 기준 횟수는, 상기 이동 평균 필터의 사이즈 이상일 수 있다.
상기 산포도는, 표준 편차일 수 있다.
상기 임계 편차의 최신값은, 상기 산포도와 소정의 마진 상수의 곱과 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 휴지 이벤트의 반복에 따른 복수의 배터리 셀의 휴지 중 전압 거동의 추세를 모니터링하여, 전압 거동에 강한 상관관계를 가지는 미소 단락을 검출할 수 있다. 이에 따라, 미소 단락으로 인한 배터리 셀의 폭발이나 발화 등의 위험 이슈를 미연에 방지하기 위한 적절한 보호 조치가 가능하다.
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 배터리 셀의 예시적인 등가 회로를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 3은 휴지 중 배터리 셀의 전압의 경시적인 변화를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 4는 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 전압 거동의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 5는 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 제1 전압 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 6는 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 제2 전압 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 7은 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 제3 전압 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 8은 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 제4 전압 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 9는 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 미소 단락 판정용 임계 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 설명하는 데에 참조되는 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 <~부(unit)>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 1을 참조하면, 전기 차량(1)은, 차량 컨트롤러(2), 배터리 팩(10), 전기 부하(30)를 포함한다. 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)는, 충전 케이블 등을 통해 충전기(40)에 전기적으로 결합될 수 있다. 충전기(40)는, 전기 차량(1)에 포함된 것이거나, 전기 차량(1) 외부의 충전 스테이션에 마련된 것일 수 있다.
차량 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit)는, 전기 차량(1)에 마련된 시동 버튼(미도시)이 사용자에 의해 ON-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-온 신호를 배터리 진단 장치(100)에게 전송하도록 구성된다. 차량 컨트롤러(2)는, 시동 버튼이 사용자에 의해 OFF-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-오프 신호를 배터리 진단 장치(100)에게 전송하도록 구성된다. 충전기(40)는, 차량 컨트롤러(2)와 통신하여, 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)를 통해 충전 전력을 공급할 수 있다.
배터리 팩(10)은, 배터리 모듈(11), 릴레이(20) 및 배터리 진단 장치(100)를 포함한다.
배터리 모듈(11)은, 복수의 배터리 셀(B1~BN, N은 2 이상의 자연수)의 직렬 접속체를 포함한다. 즉, 배터리 모듈(11) 내에서, 복수의 배터리 셀(B1~BN)은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 복수의 배터리 셀(B1~BN)은, 서로 동일한 전기화학적 사양을 가지도록 제조된 것일 수 있다. 예컨대, 리튬 이온 셀과 같이 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 이하에서는, 복수의 배터리 셀(B1~BN)에 공통된 내용을 설명함에서 있어서, 부호 'Bj'(j는 N 이하의 자연수)가 배터리 셀을 지칭하는 것으로 부여되었다.
릴레이(20)는, 배터리 모듈(11) 및 전기 부하(30)를 연결하는 전력 경로를 통해, 배터리 모듈(11)에 전기적으로 직렬 연결된다. 도 1에서는, 릴레이(20)가 배터리 모듈(11)의 양극 단자와 충방전 단자(P+) 사이에 연결된 것으로 예시되어 있다. 릴레이(20)는, 배터리 진단 장치(100) 및/또는 차량 컨트롤러(2)으로부터의 스위칭 신호에 응답하여, 온오프 제어된다. 릴레이(20)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 컨택터이거나, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다.
전기 부하(30)는, 인버터(31) 및 전기 모터(32)를 포함한다. 인버터(31)는, 배터리 진단 장치(100) 또는 차량 컨트롤러(2)로부터의 명령에 응답하여, 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 모듈(11)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하도록 제공된다. 전기 모터(32)는, 인버터(31)로부터의 교류 전력을 이용하여 구동한다. 전기 모터(32)로는, 예컨대 3상 교류 모터를 이용할 수 있다.
릴레이(20)가 온되어 배터리 모듈(11)이 충방전 중인 상태를 '사이클 상태(또는 부하 상태)'라고 칭할 수 있다.
릴레이(20)가 온에서 오프로 전환되는 경우, 배터리 모듈(11)은 사이클 상태에서 '휴지 상태(또는, 무부하 상태, 캘린더 상태)'로 되며, 휴지 상태에 있는 배터리 셀(Bj)의 전압을 '이완 전압(또는 휴지 전압, 무부하 전압)'이라고 칭할 수 있다. 배터리 셀(Bj)이 충전 또는 방전으로부터 휴지로 전환되어 충분한 시간이 흐른 후의 이완 전압은, 개방 전압(OCV: open circuit voltage)에 수렴할 수 있다. 구체적으로, 배터리 모듈(11)이 충전 또는 방전으로부터 휴지로 전환된 경우, 배터리 셀(Bj)에 발생된 분극이 자연 해소되면서 배터리 셀(Bj)의 이완 전압이 OCV를 향해 변화한다.
배터리 진단 장치(100)는, 배터리 모니터(110) 및 제어 회로(120)를 포함한다. 배터리 진단 장치(100)는, 통신 회로(130)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는, 배터리 진단 장치(100)가 배터리 모니터(110), 제어 회로(120) 및 통신 회로(130)를 포함하는 것으로 가정하겠다.
배터리 모니터(110)는, 전압 검출기(112)를 포함한다. 배터리 모니터(110)는, 전류 검출기(114)를 더 포함할 수 있다.
전압 검출기(112)는, 배터리 모듈(11)에 포함된 복수의 배터리 셀(B1~BN) 각각의 양극 단자 및 음극 단자에 연결되어, 배터리 셀(Bj)의 양단에 걸친 전압('셀 전압'이라고 칭할 수 있음)을 검출하고, 검출된 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다.
전류 검출기(114)는, 배터리 모듈(11)과 인버터(30) 간의 전류 경로를 통해 배터리 모듈(11)에 직렬로 연결된다. 전류 검출기(114)는, 션트 저항, 홀 효과 소자 등과 같은 공지의 전류 검출 소자들 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구현될 수 있다. 도 1에서와 같이 복수의 배터리 셀(B1~BN)는 직렬 연결되어 있다면, 복수의 배터리 셀(B1~BN)에는 동일한 충방전 전류가 흐른다.
도 1에서는, 전류 검출기(114)로서 션트 저항이 이용된 것을 예시하고 있다. 이 경우, 전류 검출기(114)는, 옴의 법칙에 따라 션트 저항의 양단에 걸친 전압을 기초로, 충방전 전류의 방향 및 크기를 나타내는 전류 신호를 제어 회로(120)에게 출력할 수 있다.
제어 회로(120)는, 릴레이(20), 배터리 모니터(110), 및 통신 회로(130)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 두 구성이 동작 가능하게 결합된다는 것은, 단방향 또는 양방향으로 신호를 송수신 가능하도록 두 구성이 직간접적으로 연결되어 있음을 의미한다.
제어 회로(120)는, '배터리 컨트롤러'라고 칭할 수 있으며, 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.
제어 회로(120)는, 배터리 모니터(110)로부터의 전압 신호 및/또는 전류 신호를 수집할 수 있다. 일 예로, 제어 회로(120)는, 내부에 마련된 ADC(Analog to Digital Converter)를 이용하여, 배터리 모니터(110)로부터 수집된 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환 및 기록할 수 있다. 대안적으로, 배터리 모니터(110)는 자체적으로 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환한 결과를 제어 회로(120)에 전달할 수도 있다.
메모리(121)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. 메모리(121)는, 제어 회로(120)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(121)는, 제어 회로(120)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(121)는, 배터리 셀(Bj)의 미소 단락을 검출하는 데에 이용되도록 미리 주어진 함수, 로직, 알고리즘을 저장할 수 있다. 메모리(121)는, 제어 회로(120) 내에 집적화될 수 있다.
제어 회로(120)는, 차량 컨트롤러(2)로부터의 키-온 신호에 응답하여, 릴레이(20)를 턴 온시킬 수 있다. 제어 회로(120)는, 차량 컨트롤러(2)로부터의 키-오프 신호에 응답하여, 릴레이(20)를 턴 오프시킬 수 있다. 키-온 신호는, 휴지 상태로부터 사이클 상태로의 전환을 요청하는 신호이다. 키-오프 신호는, 휴지 상태로부터 사이클 상태로의 전환을 요청하는 신호이다. 대안적으로, 릴레이(20)의 온오프 제어는, 제어 회로(120) 대신 차량 컨트롤러(2)가 담당할 수 있다.
통신 회로(130)는, 제어 회로(120)와 차량 컨트롤러(2) 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, 제어 회로(120)와 차량 컨트롤러(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 통신 회로(130)는, 제어 회로(120) 및/또는 차량 컨트롤러(2)로부터 수신된 정보를 사용자(운전자)가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다.
도 2는 배터리 셀의 예시적인 등가 회로를 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 본 명세서에 있어서, 정상 배터리 셀은 미소 단락이 없는 배터리 셀을 칭하고, 이상 배터리 셀은 미소 단락이 존재하는 배터리 셀을 칭한다.
도 2에 도시된 등가 회로(200) 참조하면, 정상 배터리 셀은, 직류 전압원(VDC), 내부 저항(R0) 및 RC 페어(R1, C)의 직렬 회로로서 등가화될 수 있다. 이와 비교할 때, 이상 배터리 셀은, 정상 배터리 셀에 대응하는 직렬 회로의 양단(+, -) 사이에 추가적 저항(RISC)이 연결된 것으로 등가화될 수 있다. 추가적 저항(RISC)은 누설 전류(IISC)의 경로로서 작용한다. 참고로, 직류 전압원(VDC)의 전압은 배터리 셀(Bj)의 OCV이고, 배터리 셀(Bj)의 셀 전압은 직류 전압원(VDC), 내부 저항 성분(R0) 및 RC 페어(R1, C)의 직렬 회로의 총 전압이다. 충방전 전류가 제로(O A)이고 RC 페어(R1, C)의 전압이 제로(0 V)인 경우, 이완 전압과 OCV는 동일하다.
이상 배터리 셀의 충전 시, 충전 전력의 일부는 이상 배터리 셀에 저장되지 못한 채로 누설 전류(IISC)로서 소모되어 버린다. 또한, 이상 배터리 셀의 방전 시, 방전 전력 중 일부는 전기 부하(30)에 공급되지 못한 채로 누설 전류(IISC)로서 소모되어 버린다. 저항(RISC)의 저항값 감소는 미소 단락의 심화를 의미하며, 미소 단락이 심화될수록 누설 전류(IISC)로 소모되는 전력량이 증가할 수 있다. 결과적으로, 충전에 있어서, 이상 배터리 셀의 전압 상승량은 정상 배터리 셀보다 작을 수 있다. 반면, 방전에 있어서, 이상 배터리 셀의 전압 하강량은 정상 배터리 셀보다 클 수 있다.
더욱이, 충방전 전류가 0인 휴지 중임에도, 이상 배터리 셀에 저장된 에너지가 누설 전류(IISC)로서 소모되어 버릴 수 있다. 따라서, 휴지 중, 이상 배터리 셀의 전압은 정상 배터리 셀보다 낮고, 전압의 감소 속도 또한 이상 배터리 셀이 정상 배터리 셀보다 빠르다.
지금부터, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 중에서 미소 단락이 존재하는 배터리 셀을 검출하기 위해 제어 회로(120)에 의해 실행하는 동작들에 대해, 도 3 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 휴지 중 배터리 셀의 전압의 경시적인 변화를 설명하는 데에 참조되는 도면이고, 도 4는 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 전압 거동의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 5는 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 제1 전압 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 4 및 도 5에 있어서, 가로축은 휴지 이벤트의 발생 순서를 나타내는 이벤트 넘버 x를 나타낸다. 도 4의 세로축은 휴지 이벤트마다의 배터리 셀(Bj)의 전압 거동(이완 시간에 걸친 평균 전압)을 나타내고, 도 5의 세로축은 휴지 이벤트마다의 배터리 셀(Bj)의 제1 전압 편차를 나타낸다.
먼저, 도 3은, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 중 어느 한 배터리 셀(Bj)의 휴지 중 전압 거동을 예시하고 있다. 시점 tA은 특정 휴지 이벤트의 시작 시점이다. 휴지 이벤트는, 배터리 모듈(11)이 충전으로부터 휴지로 전환되는 것이다. 배터리 셀(Bj)의 셀 전압은 시작 시점 tA 전까지 지속 상승하다가, 충전 전류가 0이 되는 시작 시점 tA에서 순간 강하한 후, OCV를 향해 수렴해간다. 시점 tB는, 시작 시점 tA에서 소정의 이완 시간(Δt)이 경과된 시점이다.
배터리 셀(Bj)의 전압 거동은, 시점 tA에서 시점 tB까지의 이완 시간(Δt)에 걸쳐 소정 횟수 순차 검출된 배터리 셀(Bj)의 전압의 평균을 나타낸다. 이완 시간(Δt)은, 배터리 셀(Bj)의 전압을 검출하는 시간간격의 소정 배수일 수 있다. 예컨대, 이완 시간(Δt)은 60초이고, 배터리 셀(Bj)의 전압은 0.1초 간격으로 총 600회 순차 검출될 수 있다. 이에 따라, 시점 tA에서 시점 tB까지의 휴지기에 대한 복수의 배터리 셀(B1~BN) 각각의 전압 거동이 결정될 수 있다. 다음의 수식 1은, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 중 배터리 셀(Bj)의 전압 거동의 산출을 위해 사용되는 함수의 일 예이다.
<수식 1>
Figure PCTKR2022014494-appb-img-000001
수식 1에서, S는 이완 시간(Δt) 동안의 총 전압 검출 횟수(예, 600), Vj[i][x]는 이벤트 넘버 x의 휴지 이벤트에 의한 휴지 중에 i번째 검출 타이밍에서의 배터리 셀(Bj)의 전압, Vj_AV[x]는 이벤트 넘버 x의 휴지 이벤트에 의한 이완 시간(Δt) 동안에 S회 검출된 배터리 셀(Bj)의 전압의 평균이다.
제어 회로(120)는, 휴지 이벤트의 발생 시마다(즉, 이벤트 넘버 x가 1 증가할 때마다), 휴지 중 배터리 셀(Bj)의 전압 거동을 모니터링한다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 휴지 이벤트의 반복에 따른 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 복수의 전압 거동(V1_AV[x] ~ VN_AV[x])의 경시적 변화를 나타내는 시계열이 메모리(121)에 기록된다.
제어 회로(120)는, 휴지 이벤트의 발생 시마다, 배터리 셀(Bj)의 제1 전압 편차의 최신값을 결정한다. 배터리 셀(Bj)의 제1 전압 편차는, 배터리 셀(Bj)의 전압 거동과 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 평균 전압 거동 간의 차이를 나타낸다. 다음의 수식 2는, 배터리 셀(Bj)의 제1 전압 편차를 산출하는 데에 사용되는 함수의 일 예이다.
<수식 2>
Figure PCTKR2022014494-appb-img-000002
수식 2에서, VM[x]은 이벤트 넘버 x의 휴지 이벤트에 대응하는 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 평균 전압 거동, Vj_D1[x]은 이벤트 넘버 x의 휴지 이벤트에 대응하는 배터리 셀(Bj)의 제1 전압 편차이다. 즉, 이벤트 넘버 x가 1씩 증가할 때마다, 복수의 배터리 셀(B1~BN)에 연관된 V1_D1[x] 내지 VN_D1[x]가 산출될 수 있다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 휴지 이벤트의 반복에 따른 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 복수의 제1 전압 편차(V1_D1[x] ~ VN_D1[x])의 경시적 변화를 나타내는 시계열이 메모리(121)에 기록된다. 한편, 도 5에 있어서, 복수의 제1 전압 편차 커브들 중, 굵은 실선으로 마킹된 특정 커브는, 나머지 커브들 대비 이벤트 넘버 x의 증가에 따른 제1 전압 편차가 빠르게 감소하고 있다.
지금부터는, 미소 단락 검출을 위해 제어 회로(120)에 의해 추가적으로 실시되는 프로세스들에 대해, 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명하겠다. 도 6 내지 도 9에 관련된 프로세스들은, 휴지 이벤트의 총 발생 횟수(즉, 최근에 발생된 휴지 이벤트의 이벤트 넘버 x)가 기준 횟수 이상인 조건이 만족되는 경우에 실시될 수 있다. 또한, 설명의 편의를 위해, 도 6 내지 도 9에 도시된 그래프들은, 도 5에 도시된 복수의 제1 전압 편차 커브들 중에서 굵은 실선으로 마킹된 단일 커브(이상 배터리 셀에 연관됨)에 관한 것이다.
도 6는 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 제2 전압 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 7은 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 제3 전압 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 8은 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 제4 전압 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 9는 휴지 이벤트의 반복에 따른 배터리 셀의 미소 단락 판정용 임계 편차의 경시적 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다. 설명의 편의를 위해 도 6 내지 도 9에서는, 이상 배터리 셀의 제1 전압 편차에 연관된 제2 전압 편차의 경시적 변화를 나타내는 단일 곡선만을 도시하였다.
도 6을 참조하면, 제어 회로(120)는, 배터리 셀(Bj)의 제1 전압 편차의 최신값에 평활화(smoothing) 알고리즘을 적용하여, 제1 전압 편차의 최신값에 대응하는 배터리 셀(Bj)의 제2 전압 편차의 최신값을 결정할 수 있다. 이동 평균 필터(moving average filter)는, 평활화 알고리즘의 일 예이다. 다음의 수식 3은, 배터리 셀(Bj)의 제2 전압 편차를 산출하는 데에 사용되는 이동 평균 필터의 일 예이다.
<수식 3>
Figure PCTKR2022014494-appb-img-000003
수식 3에 있어서, W(2 이상의 자연수임)는 이동 평균 필터의 사이즈, Vj_D2[x]은 이벤트 넘버 x의 휴지 이벤트에 대응하는 배터리 셀(Bj)의 제2 전압 편차, Vj_D2[x-1]은 이벤트 넘버 x-1의 휴지 이벤트에 대응하는 배터리 셀(Bj)의 제2 전압 편차이다. 배터리 셀(Bj)의 제2 전압 편차의 최신값은, 과거 (W-1)회의 휴지 이벤트들에 연관되도록 산출해둔 제1 전압 편차들(Vj_D1[x-W+1]~Vj_D1[x-1])을 이용하여 현회의 휴지 이벤트에 대응하는 제1 전압 편차의 최신값(Vj_D1[x])을 보정한 결과를 나타낼 수 있다. 이벤트 넘버 x가 1씩 증가할 때마다, 복수의 배터리 셀(B1~BN)에 연관된 V1_D2[x] 내지 VN_D2[x]가 새롭게 산출될 수 있다. 이에 따라, 휴지 이벤트의 반복에 따른 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 복수의 제2 전압 편차(V1_D2[x] 내지 VN_D2[x])의 경시적 변화를 나타내는 시계열(즉, 이벤트 넘버와 제2 전압 편차 간의 관계 데이터)가 메모리(121)에 기록된다. 물론, 평활화 알고리즘은, 수식 3 외의 다른 알고리즘(예, 이중 지수 평활 필터)으로 대체될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제어 회로(120)는, 제1 전압 편차의 최신값과 제2 전압 편차의 최신값 간의 차이를 나타내는 제3 전압 편차의 최신값을 결정한다. 다음의 수식 4는, 제1 전압 편차, 제2 전압 편차 및 제3 전압 편차 간의 관계를 예시한다.
<수식 4>
Figure PCTKR2022014494-appb-img-000004
수식 4에 있어서, Vj_D3[x]은 이벤트 넘버 x의 휴지 이벤트에 대응하는 배터리 셀(Bj)의 제3 전압 편차이다. 배터리 셀(Bj)의 제3 전압 편차는, 배터리 셀(Bj)의 미소 단락의 심화 추세를 나타낸다. 이벤트 넘버 x가 1씩 증가할 때마다, 복수의 배터리 셀(B1~BN)에 연관된 V1_D3[x] 내지 VN_D3[x]가 산출될 수 있다. 이에 따라, 휴지 이벤트의 반복에 따른 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 복수의 제3 전압 편차(V1_D3[x] 내지 VN_D3[x])의 경시적 변화를 나타내는 시계열(즉, 이벤트 넘버와 제3 전압 편차 간의 관계 데이터)이 메모리(121)에 기록된다.
도 8을 참조하면, 제어 회로(120)는, 제3 전압 편차의 최신값과 제3 전압 편차의 이전값 간의 차이를 나타내는 제4 전압 편차의 최신값을 결정한다. 배터리 셀(Bj)의 제4 전압 편차는, 배터리 셀(Bj)의 미소 단락의 심화 추세의 변동성을 나타낸다. 다음의 수식 5는, 제3 전압 편차 및 제4 전압 편차 간의 관계를 예시한다.
<수식 5>
Figure PCTKR2022014494-appb-img-000005
수식 5에 있어서, Vj_D4[x]은 이벤트 넘버 x의 휴지 이벤트에 대응하는 배터리 셀(Bj)의 제4 전압 편차이다. x가 현회의 이벤트 넘버라고 할 때, Vj_D3[x]은 제3 전압 편차의 최신값, Vj_D3[x-1]은 제3 전압 편차의 이전값이다. 이벤트 넘버 x가 1씩 증가할 때마다, 복수의 배터리 셀(B1~BN)에 연관된 V1_D4[x] 내지 VN_D4[x]가 산출될 수 있다. 이에 따라, 휴지 이벤트의 반복에 따른 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 복수의 제4 전압 편차(V1_D4[x] 내지 VN_D4[x])의 경시적 변화를 나타내는 시계열(즉, 이벤트 넘버와 제4 전압 편차 간의 관계 데이터)이 메모리(121)에 기록된다.
도 9를 참조하면, 제어 회로(120)는, 배터리 셀(Bj)에 대하여, 소정 사이즈(2 이상의 자연수임)를 가지는 제4 전압 편차의 시계열의 산포도를 이용하여, 임계 편차의 최신값을 결정한다. 다음의 수식 6은, 배터리 셀(Bj)의 제4 전압 편차의 시계열의 산포도로서 표준 편차를 산출하는 데에 사용되는 함수의 일 예이다.
<수식 6>
Figure PCTKR2022014494-appb-img-000006
수식 6에서, σj[x]는 배터리 셀(Bj)의 제4 전압 편차의 시계열(사이즈 y)의 표준 편차, Vj_D4_AV는 제4 전압 편차의 시계열(사이즈 y)의 평균이다. σj[x]는 이벤트 넘버 x의 휴지 이벤트에 대응하는 것이다.
제어 회로(120)는, 산포도인 σj[x]에 소정의 마진 상수를 곱한 값과 동일하게, 배터리 셀(Bj)의 미소 단락 검출에 활용되는 임계 편차의 최신값 Vj_Th[x]을 결정할 수 있다. 예컨대, Vj_Th[x] = σj[x] × Q. Q는, 마진 상수이다. 이에 따라, 이벤트 넘버 x가 1씩 증가할 때마다, 복수의 배터리 셀(B1~BN)에 연관된 V1_Th[x] 내지 VN_Th[x]가 산출될 수 있다. 이에 따라, 휴지 이벤트의 반복에 따른 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 복수의 임계 편차(V1_Th[x] 내지 VN_Th[x])의 경시적 변화를 나타내는 시계열(즉, 이벤트 넘버와 임계 편차 간의 관계 데이터)이 메모리(121)에 기록된다. 도 9의 커브는, y 및 Q가 각각 100과 -15인 경우에서의 이상 배터리 셀(도 5의 굵은선 참조)에 연관된 임계 편차의 시계열을 예시하고 있다.
이벤트 넘버 x가 1씩 증가할 때마다, 제어 회로(120)는, 배터리 셀(Bj)에 연관된 제3 전압 편차의 최신값(Vj_D3[x])을 임계 편차의 최신값(Vj_Th[x])과 비교하여, 해당 배터리 셀(Bj)의 미소 단락 유무를 판정할 수 있다.
이벤트 넘버 x가 1씩 증가할 때마다, 제어 회로(120)는, Vj_D3[x] ≤ Vj_Th[x]인 경우, 배터리 셀(Bj)의 미소 단락 징후를 나타내는 이상 팩터를 증가시키고, 그 외에는 이상 팩터를 감소시킬 수 있다. 일 예로, 이상 팩터는 이전값으로부터 제1 값(예, 10)만큼씩 증가되거나 이전값의 제1 비율(예, 10%)만큼 증가될 수 있다. 이상 팩터는 이전값으로부터 제2 값(예, 1)만큼씩 감소되거나 이전값의 제2 비율(예, 2%)만큼 감소될 수 있다. 제어 회로(120)는, 배터리 셀(Bj)에 연관된 이상 팩터가 임계치(예, 100) 이상인 것에 응답하여, 배터리 셀(Bj)에 미소 단락이 존재하는 것으로 판정할 수 있다. 제어 회로(120)는, 이벤트 넘버 x가 소정값(예, 10) 증가하는 동안에, Vj_D3[x] > Vj_Th[x]의 조건이 연속하여 만족되는 것에 응답하여, 배터리 셀(Bj)에 연관된 이상 팩터를 초기값(예, 0)으로 리셋할 수 있다. 초기값은, 이상 팩터의 하한값이다.
물론, Q가 음수(예, -15)가 아닌 양수(예, 15)인 경우, 이상 팩터의 증가 조건은 반대 즉, Vj_D3[x] ≥ Vj_Th[x]일 것임을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 설명하는 데에 참조되는 순서도이다. 도 10 및 도 11의 방법은, 배터리 모듈(11)이 충전으로부터 휴지로 전환되는 휴지 이벤트의 발생 시마다 개시될 수 있다. 참고로, 새로이 발생된 휴지 이벤트의 이벤트 넘버 x에는 전회의 이벤트 넘버보다 1만큼 큰 값이 부여될 수 있다.
도 1 내지 도 11을 참조하면, 단계 S1010에서, 제어 회로(120)는, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 각각에 대하여, 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간(Δt)에 걸친, 배터리 셀(Bj)의 전압 거동(Vj_AV[x])과 복수의 배터리 셀(B1~BN)의 평균 전압 거동(VM[x]) 간의 차이를 나타내는 제1 전압 편차의 최신값(Vj_D1[x])을 결정한다(수식 1, 2 참조). Vj_D1[x]는, 메모리(121)에 기록될 수 있다.
단계 S1020에서, 제어 회로(120)는, 휴지 이벤트의 총 발생 횟수가 기준 횟수 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S1020의 값이 "예"인 경우, 단계 S1030으로 진행된다. 총 발생 횟수는, 현재까지 발생된 휴지 이벤트들에 부여된 인벤트 넘버들 중의 최대값을 나타낼 수 있다.
단계 S1030에서, 제어 회로(120)는, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 각각에 대하여, 제1 전압 편차의 최신값(Vj_AV[x])에 평활화 알고리즘을 적용하여, 제1 전압 편차의 최신값(Vj_D1[x])에 대응하는 제2 전압 편차의 최신값(Vj_D2[x])을 결정한다(수식 3 참조). 제2 전압 편차의 최신값(Vj_D2[x])은, 제1 전압 편차의 최신값(Vj_D1[x])과 제2 전압 편차의 이전값(Vj_D2[x-1])의 가중 평균치일 수 있다. Vj_D2[x]는, 메모리(121)에 기록될 수 있다.
단계 S1040에서, 제어 회로(120)는, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 각각에 대하여, 제1 전압 편차의 최신값(Vj_D1[x])과 제2 전압 편차의 최신값(Vj_D2[x]) 간의 차이를 나타내는 제3 전압 편차의 최신값(Vj_D3[x])을 결정한다(수식 4 참조). Vj_D3[x]는, 메모리(121)에 기록될 수 있다.
단계 S1050에서, 제어 회로(120)는, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 각각에 대하여, 제3 전압 편차의 최신값(Vj_D3[x])과 제3 전압 편차의 이전값(Vj_D3[x-1]) 간의 차이를 나타내는 제4 전압 편차의 최신값(Vj_D4[x])을 결정한다(수식 5 참조). Vj_D4[x]는, 메모리(121)에 기록될 수 있다.
단계 S1060에서, 제어 회로(120)는, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 각각에 대하여, 소정 사이즈(y)를 가지는 제4 전압 편차의 시계열(Vj_D4[x-y+1] ~ Vj_D4[x])의 산포도(예, 표준 편차 σj[x])를 이용하여, 임계 편차의 최신값(Vj_Th[x])을 결정한다(수식 6 참조).
단계 S1070에서, 제어 회로(120)는, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 각각에 대하여, 제3 전압 편차의 최신값(Vj_D3[x])을 임계 편차의 최신값(Vj_Th[x])과 비교하여, Vj_D3[x] ≤ Vj_Th[x]의 조건이 만족되는지 여부를 판정한다. Vj_D3[x] ≤ Vj_Th[x]은, 배터리 셀(Bj)이 미소 단락 징후를 띄고 있음을 나타낸다. 단계 S1070의 값이 "예"인 경우, 단계 S1082로 진행된다. 단계 S1070의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S1084으로 진행될 수 있다.
단계 S1082에서, 제어 회로(120)는, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 중, Vj_D3[x] ≤ Vj_Th[x]의 조건이 만족된 배터리 셀(Bj)에 연관된 이상 팩터를 제1 값만큼 증가시킨다.
단계 S1084에서, 제어 회로(120)는, 복수의 배터리 셀(B1~BN) 중, Vj_D3[x] ≤ Vj_Th[x]의 조건이 만족되지 않은 배터리 셀(Bj)에 연관된 이상 팩터를 제2 값만큼 감소시킨다.
단계 S1086에서, 제어 회로(120)는, Vj_D3[x] ≤ Vj_Th[x]의 조건이 만족된 배터리 셀(Bj)에 연관된 이상 팩터가 임계치 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S1084의 값이 "예"인 것은, 배터리 셀(Bj)에 미소 단락이 존재하는 것으로 검출되었음을 나타낸다. 단계 S1084의 값이 "예"인 경우, 단계 S1090으로 진행될 수 있다.
단계 S1090에서, 제어 회로(120)는, 적어도 하나의 보호 동작을 실행한다. 보호 동작은, 임계치 이상의 이상 팩터에 연관된 배터리 셀(Bj)의 식별 넘버 및/또는 위치를 통지하는 진단 메시지의 생성을 포함할 수 있다. 진단 메시지는, 통신 회로(130)를 통해 차량 컨트롤러(2) 및/또는 차량 사용자에게 전달될 수 있다. 보호 동작은, 릴레이(20)의 오프 제어를 포함할 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)
1: 전기 차량 2: 차량 컨트롤러
10: 배터리 팩 11: 배터리 모듈
B: 배터리 셀
100: 배터리 진단 장치 110: 배터리 모니터
120: 제어 회로 130: 통신 회로

Claims (14)

  1. 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 검출하도록 구성되는 배터리 모니터; 및
    상기 배터리 모듈이 충전으로부터 휴지로 전환되는 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간에 걸친, 각 배터리 셀의 전압 거동과 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압 거동 간의 차이를 나타내는 제1 전압 편차의 최신값을 결정하도록 구성되는 제어 회로를 포함하고,
    상기 제어 회로는, 상기 휴지 이벤트의 총 발생 횟수가 기준 횟수 이상인 경우, 각 배터리 셀에 대해,
    상기 제1 전압 편차의 최신값에 평활화 알고리즘을 적용하여, 상기 제1 전압 편차의 최신값에 대응하는 제2 전압 편차의 최신값을 결정하고,
    상기 제1 전압 편차의 최신값과 상기 제2 전압 편차의 최신값 간의 차이를 나타내는 제3 전압 편차의 최신값을 결정하고,
    상기 제3 전압 편차의 최신값과 상기 제3 전압 편차의 이전값 간의 차이를 나타내는 제4 전압 편차의 최신값을 결정하고,
    소정 사이즈를 가지는 상기 제4 전압 편차의 시계열의 산포도를 이용하여, 임계 편차의 최신값을 결정하고,
    상기 제3 전압 편차의 최신값을 상기 임계 편차의 최신값과 비교하여, 해당 배터리 셀의 미소 단락 유무를 판정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    각 배터리 셀의 전압 거동은,
    상기 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간에 걸쳐 소정 횟수 순차 검출된 해당 배터리 셀의 전압의 평균을 나타내는 배터리 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 평활화 알고리즘은, 이동 평균 필터이고,
    상기 기준 횟수는, 상기 이동 평균 필터의 사이즈 이상인 배터리 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산포도는, 표준 편차인 배터리 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해,
    상기 산포도에 소정의 마진 상수를 곱하여, 상기 임계 편차의 최신값을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해,
    상기 제3 전압 편차의 최신값이 상기 임계 편차의 최신값 이하인 경우, 해당 배터리 셀에 연관된 이상 팩터를 제1 값만큼 증가시키고,
    해당 배터리 셀에 연관된 이상 팩터가 임계치에 도달한 경우, 해당 배터리 셀에 미소 단락이 존재하는 것으로 판정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 각 배터리 셀에 대해,
    상기 제3 전압 편차의 최신값이 상기 임계 편차의 최신값 초과인 경우, 해당 배터리 셀에 연관된 이상 팩터를 제2 값만큼 감소시키도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  10. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 충전으로부터 휴지로 전환되는 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간에 걸친, 각 배터리 셀의 전압 거동과 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압 거동 간의 차이를 나타내는 제1 전압 편차의 최신값을 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 휴지 이벤트의 총 발생 횟수가 기준 횟수 이상인 경우, 각 배터리 셀에 대해,
    상기 제1 전압 편차의 최신값에 평활화 알고리즘을 적용하여, 상기 제1 전압 편차의 최신값에 대응하는 제2 전압 편차의 최신값을 결정하는 단계;
    상기 제3 전압 편차의 최신값과 상기 제3 전압 편차의 이전값 간의 차이를 나타내는 제4 전압 편차의 최신값을 결정하는 단계;
    소정 사이즈를 가지는 상기 제4 전압 편차의 시계열의 산포도를 이용하여, 임계 편차의 최신값을 결정하는 단계; 및
    상기 제3 전압 편차의 최신값을 상기 임계 편차의 최신값과 비교하여, 해당 배터리 셀의 미소 단락 유무를 판정하는 단계를 더 포함하는 배터리 진단 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    각 배터리 셀의 전압 거동은,
    상기 휴지 이벤트의 시작 시점부터 이완 시간에 걸쳐 소정 횟수 순차 검출된 해당 배터리 셀의 전압의 평균을 나타내는 배터리 진단 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 평활화 알고리즘은, 이동 평균 필터이고,
    상기 기준 횟수는, 상기 이동 평균 필터의 사이즈 이상인 배터리 진단 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 산포도는, 표준 편차인 배터리 진단 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 임계 편차의 최신값은, 상기 산포도와 소정의 마진 상수의 곱과 동일한 배터리 진단 방법.
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