WO2024091041A1 - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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정희석
배윤정
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LG Energy Solution Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a battery diagnostic device and method, and more specifically, to a battery diagnostic device and method that can diagnose the state of a battery.
  • lithium batteries have almost no memory effect compared to nickel-based batteries, so they can be freely charged and discharged, and have a very high self-discharge rate. It is attracting attention due to its low and high energy density.
  • a plurality of battery cells may be connected in series and/or parallel to form a battery module.
  • the present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to provide a battery diagnosis device and method for diagnosing the status of each of a plurality of batteries connected to each other.
  • a battery diagnosis device may be a device that diagnoses the status of a plurality of battery cells included in a battery module.
  • the battery diagnostic device includes a measuring unit configured to measure the voltage of each of the battery module and the plurality of battery cells; and determining the voltage of each of the plurality of battery cells when the voltage of the battery module reaches a preset cut-off voltage, and increasing or decreasing the voltage of each of the plurality of battery cells based on the determined plurality of voltages and pre-stored voltage data. It may include a control unit configured to determine a pattern and diagnose the state of each of the plurality of battery cells according to the determined voltage increase/decrease pattern.
  • the pre-stored voltage data may be set to include reference voltages of the plurality of battery cells measured each time the voltage of the battery module reaches the cut-off voltage.
  • the control unit may be configured to determine the voltage increase/decrease pattern for each of the plurality of battery cells based on the determined voltage and one or more reference voltages included in the pre-stored voltage data.
  • the control unit derives a relationship between the determined voltage and the one or more reference voltages for each of the plurality of battery cells, and determines the voltage increase/decrease pattern for each of the plurality of battery cells based on the derived relationship. It can be configured.
  • the control unit may be configured to diagnose the state of the battery cell depending on whether the determined voltage increase/decrease pattern is toward the cut-off voltage.
  • the control unit determines the charging voltage of each of the plurality of battery cells when the voltage of the battery module reaches a preset charging cut-off voltage, and determines the charging voltage of each of the plurality of battery cells based on the determined charging voltage and the pre-stored voltage data. It may be configured to determine the first voltage increase/decrease pattern of each cell.
  • the control unit determines a discharge voltage of each of the plurality of battery cells when the voltage of the battery module reaches a preset discharge cut-off voltage, and determines the discharge voltage of each of the plurality of battery cells based on the determined discharge voltage and the pre-stored voltage data. It may be configured to determine a second voltage increase/decrease pattern for each cell.
  • the control unit may be configured to diagnose the state of each of the plurality of battery cells based on the first voltage increase/decrease pattern and the second voltage increase/decrease pattern.
  • the control unit may be configured to diagnose a state of a battery cell in which the first voltage increase/decrease pattern is a voltage increase pattern and the second voltage increase/decrease pattern is a voltage decrease pattern as an accelerated degradation state.
  • the control unit may be configured to diagnose a state of a battery cell in which the first voltage increase/decrease pattern is a voltage decrease pattern and the second voltage increase/decrease pattern is a voltage increase pattern as a slow degradation state.
  • the measuring unit may be configured to further measure the current of the battery module.
  • the control unit may be configured to calculate the capacity of the battery module based on the current of the battery module, and to diagnose the state of each of the plurality of battery cells when the calculated capacity is reduced from the previously calculated capacity. .
  • the control unit is configured to diagnose the status of battery cells other than the battery cell whose determined voltage is equal to the cut-off voltage among the plurality of battery cells when the capacity of the battery module is within a predetermined range from the preset initial capacity. It can be.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include a battery diagnostic device according to an aspect of the present invention.
  • a battery diagnosis method may be a method of diagnosing the status of a plurality of battery cells included in a battery module.
  • the battery diagnosis method includes a voltage measurement step of measuring the voltage of each of the battery module and the plurality of battery cells; A voltage determination step of determining the voltage of each of the plurality of battery cells when the voltage of the battery module reaches a preset cut-off voltage; A voltage increase/decrease pattern determining step of determining a voltage increase/decrease pattern of each of the plurality of battery cells based on the determined plurality of voltages and pre-stored voltage data; and a battery diagnosis step of diagnosing the state of each of the plurality of battery cells according to the determined voltage increase/decrease pattern.
  • a battery diagnosis device has the advantage of being able to specifically diagnose the state of each of a plurality of battery cells by considering whether charging and discharging of the battery module has ended and the voltage increase/decrease pattern of the plurality of battery cells.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a battery diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram schematically showing a diagnosis rule according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram schematically showing the charging voltage of a battery module and a plurality of battery cells according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram schematically showing the discharge voltage of a battery module and a plurality of battery cells according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram schematically showing a battery diagnosis method according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing a battery diagnosis device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery diagnosis device 100 may be configured to diagnose the state of a battery cell included in a battery module.
  • the battery cell refers to an independent cell that has a negative terminal and a positive terminal and is physically separable.
  • a lithium ion battery or a lithium polymer battery may be considered a battery cell.
  • a plurality of battery cells may be connected in series and/or parallel to form a battery module.
  • a plurality of battery cells may be connected in series and/or parallel to form a battery pack.
  • a plurality of battery cells included in a battery module will be described, but note that the present invention is also applicable to a plurality of battery cells included in a battery pack.
  • the battery diagnosis device 100 may include a measurement unit 110 and a control unit 120.
  • the measuring unit 110 may be configured to measure the voltage of each battery module and a plurality of battery cells.
  • the measuring unit 110 may be electrically connected to the positive and negative terminals of the battery module. Additionally, the measuring unit 110 can measure the voltage of the battery module by measuring the positive and negative voltages of the battery module.
  • the measuring unit 110 may be electrically connected to the positive and negative terminals of each of the plurality of battery cells included in the battery module. Additionally, the measuring unit 110 may measure the voltage of each battery cell by measuring the positive and negative voltages of each of the plurality of battery cells.
  • the measurement unit 110 may be connected to the control unit 120 to enable communication.
  • the measurement unit 110 may be connected to the control unit 120 by wire and/or wirelessly.
  • the measurement unit 110 may transmit information about the measured voltages of the battery module and a plurality of battery cells to the control unit 120.
  • the control unit 120 may be configured to determine the voltage of each of the plurality of battery cells when the voltage of the battery module reaches a preset cut-off voltage.
  • the cut-off voltage for the battery module can be set in advance.
  • the cut-off voltage may include the charging end voltage and the discharging end voltage of the battery module. For example, when the voltage of the battery module reaches the charging cut-off voltage, charging of the battery module may be terminated. As another example, when the voltage of the battery module reaches the discharge cut-off voltage, discharging of the battery module may be terminated.
  • control unit 120 may determine the voltage of each of the plurality of battery cells measured at time a.
  • control unit 120 may determine the voltage of each of the plurality of battery cells measured at time b.
  • the control unit 120 may be configured to determine a voltage increase/decrease pattern of each of the plurality of battery cells based on the determined plurality of voltages and pre-stored voltage data.
  • the pre-stored voltage data may be set to include reference voltages of a plurality of battery cells measured each time the voltage of the battery module reaches the cut-off voltage.
  • the previously stored voltage data may include data regarding the voltage of the battery module and a plurality of battery cells measured at a time in the past.
  • the pre-stored voltage data may include data about the voltage of a plurality of battery cells determined each time the voltage of the battery module reaches the cut-off voltage in the past.
  • the control unit 120 may be configured to determine a voltage increase/decrease pattern for each of the plurality of battery cells based on the determined voltage and one or more reference voltages included in pre-stored voltage data.
  • the voltage increase/decrease pattern is a pattern that can represent the voltage trend of the current battery cell, and can be determined through comparison between the reference voltage of the battery cell measured at a past time and the voltage of the battery cell measured at the current time.
  • the voltage increase/decrease pattern can be divided into a voltage increase pattern or a voltage decrease pattern.
  • the voltage maintenance pattern is a pattern in which the voltage of the battery cell remains constant from the past to the present.
  • the voltage increase pattern is a pattern in which the voltage of battery cells tends to increase compared to the past.
  • the voltage decrease pattern is a pattern in which the voltage of the battery cell is decreasing compared to the past.
  • the control unit 120 may determine a voltage increase/decrease pattern for the battery cell voltage and reference voltages measured at times t, t+1, t+2, and t+3. A specific embodiment of determining the voltage increase/decrease pattern will be described later.
  • the control unit 120 may be configured to diagnose the state of each of the plurality of battery cells according to the determined voltage increase/decrease pattern.
  • control unit 120 may diagnose the deterioration state of the battery cell according to the voltage increase/decrease pattern.
  • control unit 120 can diagnose the deterioration progress of the battery cell.
  • control unit 120 may diagnose the state of the battery cell as an accelerated deterioration state or a slow deterioration state.
  • the slow degradation state may refer to a state in which the battery cell degenerates at a normal deterioration rate.
  • a battery cell in a state of slow deterioration may be a battery cell in a normal state that is degenerating at a predictable deterioration rate.
  • an accelerated deterioration state may indicate a state in which battery cell deterioration progresses rapidly.
  • a battery cell in an accelerated deterioration state may be a battery cell in an abnormal state that is rapidly degenerating beyond the predicted range.
  • the predictable degeneration rate and the range of the predictable degeneration rate that can distinguish between an accelerated degeneration state and a slow degeneration state can be appropriately set through experiments or simulations.
  • the end point of charging and discharging of the battery module may be a reference point for determining changes in the state of a plurality of battery cells. For example, when using a specific SOC or specific capacity of a battery module as a reference point, the reference point may change if the capacity of the battery module decreases due to degradation.
  • the charging and discharging end point of the battery module is used as the standard, the status of a plurality of battery cells can be diagnosed using the same standard even if the capacity of the battery module varies.
  • the battery diagnosis device 100 can specifically diagnose the state of each of the plurality of battery cells by considering whether the charging and discharging of the battery module has ended and the voltage increase/decrease pattern of the plurality of battery cells. There is an advantage.
  • control unit 120 provided in the battery diagnosis device 100 uses a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), other chipsets, logic circuits, and registers known in the art to execute various control logics performed in the present invention. , communication modem, data processing device, etc. may be optionally included. Additionally, when the control logic is implemented as software, the control unit 120 may be implemented as a set of program modules. At this time, the program module is stored in memory and can be executed by the control unit 120. The memory may be inside or outside the control unit 120 and may be connected to the control unit 120 through various well-known means.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the battery diagnosis device 100 may further include a storage unit 130.
  • the storage unit 130 may store data or programs necessary for each component of the battery diagnosis device 100 to perform operations and functions, or data generated in the process of performing operations and functions.
  • information storage means may include RAM, flash memory, ROM, EEPROM, registers, etc.
  • the storage unit 130 may store program codes in which processes executable by the control unit 120 are defined.
  • the storage unit 130 may store voltage data about reference voltages of a plurality of battery cells.
  • the control unit 120 may access the storage unit 130 to obtain stored voltage data.
  • control unit 120 determines the voltage increase/decrease pattern of the battery cell based on the voltage and the reference voltage.
  • control unit 120 may be configured to derive a relationship between the determined voltage and one or more reference voltages for each of the plurality of battery cells.
  • control unit 120 may use a fitting algorithm to derive a relationship between the determined voltage and one or more reference voltages.
  • the derived relational expression may be a function that can represent the reference voltage of the battery cell at a past time and the voltage of the battery cell at the current time.
  • the control unit 120 may be configured to determine a voltage increase/decrease pattern for each of the plurality of battery cells based on the derived relational expression.
  • control unit 120 may calculate the instantaneous rate of change for the current time based on the derived relational expression. Additionally, the control unit 120 may determine the voltage increase/decrease pattern of the battery cell according to the calculated instantaneous change rate. If the instantaneous change rate is a positive number, the controller 120 may determine the voltage increase/decrease pattern of the battery cell as the voltage increase pattern. If the instantaneous change rate is 0, the control unit 120 may determine the battery's voltage increase/decrease pattern as the voltage maintenance pattern. If the instantaneous rate of change is negative, the controller 120 may determine the battery's voltage increase/decrease pattern as the voltage decrease pattern.
  • the battery diagnosis device 100 has the advantage of being able to accurately determine the voltage increase/decrease pattern for a plurality of battery cells according to the relationship between the current voltage and past reference voltages. According to the voltage increase/decrease pattern determined in this way, the status of a plurality of battery cells can be diagnosed with high accuracy.
  • the control unit 120 may be configured to diagnose the state of the battery cell depending on whether the determined voltage increase/decrease pattern is toward the cut-off voltage.
  • control unit 120 may determine a first voltage increase/decrease pattern of each of the plurality of battery cells during the charging process of the battery module, and determine a second voltage increase/decrease pattern of each of the plurality of battery cells during the discharging process of the battery module.
  • first voltage increase/decrease pattern and the second voltage increase/decrease pattern may be independent patterns. That is, the first voltage increase/decrease pattern may not affect the second voltage increase/decrease pattern.
  • the control unit 120 may be configured to determine the charging voltage of each of the plurality of battery cells when the voltage of the battery module reaches a preset charging cut-off voltage.
  • the control unit 120 may be configured to determine the first voltage increase/decrease pattern of each of the plurality of battery cells based on the determined charging voltage and pre-stored voltage data.
  • control unit 120 may determine the first voltage increase/decrease pattern of each of the plurality of battery cells based on the determined charge voltage and the reference charge voltage included in pre-stored voltage data.
  • control unit 120 may be configured to determine the discharge voltage of each of the plurality of battery cells when the voltage of the battery module reaches a preset discharge cut-off voltage.
  • the control unit 120 may be configured to determine a second voltage increase/decrease pattern for each of the plurality of battery cells based on the determined discharge voltage and pre-stored voltage data.
  • control unit 120 may determine the second voltage increase/decrease pattern of each of the plurality of battery cells based on the determined discharge voltage and the reference discharge voltage included in pre-stored voltage data.
  • control unit 120 may be configured to diagnose the state of each of the plurality of battery cells based on the first voltage increase/decrease pattern and the second voltage increase/decrease pattern.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a diagnosis rule according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 2 is a diagram illustrating the state of a battery cell diagnosed according to the first voltage increase/decrease pattern and the second voltage increase/decrease pattern of the battery cell.
  • control unit 120 may diagnose the state of the battery cell as an accelerated degradation state or a slowed degradation state by considering both the first voltage increase/decrease pattern and the second voltage increase/decrease pattern.
  • control unit 120 may diagnose a state of a battery cell in which the first voltage increase/decrease pattern is a voltage increase pattern and the second voltage increase/decrease pattern is a voltage decrease pattern as an accelerated degradation state.
  • control unit 120 may diagnose the state of a battery cell in which the first voltage increase/decrease pattern is a voltage decrease pattern and the second voltage increase/decrease pattern is a voltage increase pattern as a slow degradation state.
  • the battery diagnosis device 100 includes a first voltage increase/decrease pattern (voltage increase/decrease pattern in a charging state) and a second voltage increase/decrease pattern (voltage increase/decrease pattern in a discharge state) that are independent of each other.
  • Figure 3 is a diagram schematically showing the charging voltage of a battery module and a plurality of battery cells according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram schematically showing the discharge voltage of a battery module and a plurality of battery cells according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows the charging voltage of the first battery cell (B1), the second battery cell (B2), the third battery cell (B3), and the fourth battery cell (B4) and the charging cut-off voltage (VC) of the battery module.
  • FIG. 3 is a diagram showing the charging reference voltage of a plurality of battery cells (B1, B2, B3, B4) included in pre-stored voltage data and the voltage determined in the current cycle (400 cycles).
  • 4 shows the discharge voltage of the first battery cell (B1), the second battery cell (B2), the third battery cell (B3), and the fourth battery cell (B4) and the discharge cut-off voltage (VDC) of the battery module. It is a drawing. More specifically, FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the discharge reference voltage of a plurality of battery cells B1, B2, B3, and B4 and the voltage determined in the current cycle (400 cycles). Below, the voltage increase/decrease pattern of the plurality of battery cells B1, B2, B3, and B4 will be described based on 400 cycles.
  • the voltage of the first battery cell (B1) and the third battery cell (B3) is increasing, the voltage of the second battery cell (B2) is maintained, and the fourth battery cell (B2) is maintaining the voltage.
  • Cell B4 may be experiencing a decrease in voltage. Accordingly, the first voltage increase/decrease pattern of the first battery cell B1 and the third battery cell B3 may be determined as a voltage increase pattern.
  • the first voltage increase/decrease pattern of the second battery cell B2 may be determined as a voltage maintenance pattern.
  • the first voltage increase/decrease pattern of the fourth battery cell B4 may be determined as a voltage decrease pattern.
  • the voltage of the first battery cell (B1) and the second battery cell (B2) is maintained, the voltage of the third battery cell (B3) is decreasing, and the voltage of the fourth battery cell (B3) is decreasing.
  • Cell B4 may be experiencing a decrease in voltage. Accordingly, the second voltage increase/decrease pattern of the first battery cell B1 and the second battery cell B2 may be determined as a voltage maintenance pattern.
  • the second voltage increase/decrease pattern of the third battery cell B3 may be determined as a voltage decrease pattern.
  • the second voltage increase/decrease pattern of the fourth battery cell B4 may be determined as a voltage decrease pattern.
  • the first voltage increase/decrease pattern of the first battery cell B1 may be determined as a voltage increase pattern
  • the second voltage increase/decrease pattern may be determined as a voltage maintenance pattern
  • the first voltage increase/decrease pattern of the second battery cell B2 may be determined as a voltage decrease pattern
  • the second voltage increase/decrease pattern may be determined as a voltage maintenance pattern
  • the first voltage increase/decrease pattern of the third battery cell B3 may be determined as a voltage increase pattern
  • the second voltage increase/decrease pattern may be determined as a voltage decrease pattern.
  • the first voltage increase/decrease pattern of the fourth battery cell B4 may be determined as a voltage maintenance pattern
  • the second voltage increase/decrease pattern may be determined as a voltage decrease pattern.
  • the control unit 120 may diagnose the state of the third battery cell B3, in which the first voltage increase/decrease pattern is a voltage increase pattern and the second voltage increase/decrease pattern is a voltage decrease pattern, as an accelerated degradation state. there is.
  • the measuring unit 110 may be configured to further measure the current of the battery module.
  • the measuring unit 110 can measure the charging current applied to the battery module and the discharging current output from the battery module.
  • the control unit 120 may be configured to calculate the capacity of the battery module based on the current of the battery module.
  • the control unit 120 may be configured to diagnose the state of each of the plurality of battery cells when the calculated capacity is reduced from the previously calculated capacity.
  • the control unit 120 may first determine whether the capacity of the battery module has decreased, and if the decrease in capacity is confirmed, it may determine a voltage increase/decrease pattern for each of the plurality of battery cells.
  • the control unit 120 may determine a voltage increase/decrease pattern for each of the plurality of battery cells.
  • the capacity of the battery module calculated at a previous point in time may be stored in the storage unit 130.
  • the control unit 120 may store the battery capacity calculated at the current time in the storage unit 130.
  • the battery diagnosis device 100 can determine the voltage increase/decrease pattern of a plurality of battery cells only when necessary by first determining whether the capacity of the battery module has decreased. That is, when the capacity of the battery module is not reduced, unnecessary use of system resources required to determine the voltage increase/decrease pattern of the plurality of battery cells can be prevented.
  • the control unit 120 diagnoses the status of the remaining battery cells excluding the battery cell whose determined voltage is the same as the cutoff voltage among the plurality of battery cells. It can be configured to do so.
  • a battery cell (hereinafter referred to as a diagnostic pending cell) whose determined voltage is equal to the cut-off voltage may correspond to a battery cell with a large initial resistance or a small initial capacity. You can. That is, due to its characteristics, the voltage of the diagnostic pending cell may appear to be the same as the cutoff voltage of the battery module in the initial cycle. Accordingly, in order to increase diagnosis accuracy, the battery diagnosis apparatus 100 may diagnose the status of only battery cells, excluding diagnosis pending cells, among a plurality of battery cells.
  • the battery diagnosis device 100 according to the present invention can be applied to a battery management system (BMS). That is, the BMS according to the present invention may include the battery diagnosis device 100 described above. In this configuration, at least some of the components of the battery diagnosis device 100 may be implemented by supplementing or adding functions included in a conventional BMS. For example, the measurement unit 110, control unit 120, and storage unit 130 of the battery diagnosis device 100 may be implemented as components of a BMS.
  • BMS battery management system
  • the battery diagnosis device 100 according to the present invention may be provided in a battery pack. That is, the battery pack according to the present invention may include the above-described battery diagnosis device 100 and one or more battery cells. Additionally, the battery pack may further include electrical components (relays, fuses, etc.) and a case.
  • Figure 5 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the positive terminal of the battery module may be electrically connected to the positive terminal (P+) of the battery pack.
  • the negative terminal of the battery module may be electrically connected to the negative terminal (P-) of the battery pack.
  • a first battery cell (B1), a second battery cell (B2), a third battery cell (B3), and a fourth battery cell (B4) may be connected in series to the battery module. Note that although the embodiment of FIG. 5 shows an embodiment connected in series, a plurality of battery cells may be connected in series and/or parallel.
  • the measuring unit 110 may be connected to the first sensing line and the second sensing line.
  • the measuring unit 110 may be electrically connected to the battery module through the first sensing line.
  • the measurement unit 110 can measure the voltage of the battery module and the voltage of the plurality of battery cells (B1, B2, B3, and B4) through the first sensing line.
  • the measurement unit 110 may be electrically connected to the current measurement unit through a second sensing line.
  • the current measuring unit can be an ammeter or a shunt resistor.
  • the measurement unit 110 can measure the charging current and discharging current of the battery module through the second sensing line.
  • An external device may be electrically connected to the positive terminal (P+) and negative terminal (P-) of the battery pack.
  • the external device may be a charging device or a load.
  • Figure 6 is a diagram schematically showing a battery diagnosis method according to another embodiment of the present invention.
  • each step of the battery diagnosis method can be performed by the battery diagnosis device 100.
  • the battery diagnosis device 100 Preferably, each step of the battery diagnosis method can be performed by the battery diagnosis device 100.
  • content that overlaps with the content described above will be omitted or briefly described.
  • the battery diagnosis method may include a voltage measurement step, a voltage determination step, a voltage increase/decrease pattern determination step, and a battery diagnosis step.
  • the voltage measurement step is a step of measuring the voltage of each battery module and a plurality of battery cells, and may be performed by the measurement unit 110.
  • the voltage determination step is a step of determining the voltage of each of the plurality of battery cells when the voltage of the battery module reaches a preset cut-off voltage, and may be performed by the control unit 120.
  • control unit 120 may determine the charging voltage of each of the plurality of battery cells.
  • control unit 120 may determine the discharge voltage of each of the plurality of battery cells.
  • the voltage increase/decrease pattern determining step is a step of determining the voltage increase/decrease pattern of each of the plurality of battery cells based on the determined plurality of voltages and pre-stored voltage data, and may be performed by the control unit 120.
  • control unit 120 may determine a first voltage increase/decrease pattern and a second voltage increase/decrease pattern for each of the plurality of battery cells.
  • control unit 120 may determine the first voltage increase/decrease pattern based on the charge voltage of the battery cell and the reference charge voltage for the battery cell among pre-stored voltage data. Additionally, the control unit 120 may determine the second voltage increase/decrease pattern based on the discharge voltage of the battery cell and the reference discharge voltage for the battery cell among pre-stored voltage data.
  • the first voltage increase/decrease pattern and the second voltage increase/decrease pattern may be determined as a voltage maintenance pattern, a voltage increase pattern, or a voltage decrease pattern, and may be independent of each other.
  • the battery diagnosis step is a step of diagnosing the state of each of the plurality of battery cells according to the determined voltage increase/decrease pattern, and may be performed by the control unit 120.
  • the control unit 120 may diagnose the state of the battery cell in which the first voltage increase/decrease pattern is a voltage increase pattern and the second voltage increase/decrease pattern is a voltage decrease pattern as an accelerated degradation state. there is.
  • the control unit 120 may diagnose the state of the battery cell in which the first voltage increase/decrease pattern is a voltage decrease pattern and the second voltage increase/decrease pattern is a voltage increase pattern as a slow degradation state. You can.
  • the embodiments of the present invention described above are not only implemented through devices and methods, but may also be implemented through a program that realizes the function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded.
  • the implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs based on the description of the embodiments described above.
  • control unit 120 control unit
  • B1-B4 first to fourth battery cells

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀의 상태를 진단하는 장치로서, 상기 배터리 모듈 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 컷 오프 전압에 도달했을 때의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 결정하고, 결정된 복수의 전압과 기저장된 전압 데이터에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 증감 패턴을 결정하며, 결정된 전압 증감 패턴에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 진단 장치 및 방법
본 출원은 2022년 10월 26일 자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2022-0139216에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 상태를 진단할 수 있는 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 자동차, 전기 오토바이 및 전기 자전거 등의 전력 구동 장치 등이 상용화되면서, 고용량 및 고성능 배터리에 대한 요구가 증가되고 있다. 예컨대, 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 배터리 모듈을 구성할 수 있다.
다만, 서로 연결된 복수의 배터리 셀은 동일하게 퇴화되지 않지 않기 때문에, 배터리 모듈의 상태에 기반하여 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 정확하게 진단할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 서로 연결된 복수의 배터리 각각의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀의 상태를 진단하는 장치일 수 있다.
배터리 진단 장치는 상기 배터리 모듈 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 컷 오프 전압에 도달했을 때의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 결정하고, 결정된 복수의 전압과 기저장된 전압 데이터에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 증감 패턴을 결정하며, 결정된 전압 증감 패턴에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 기저장된 전압 데이터는, 상기 배터리 모듈의 전압이 상기 컷 오프 전압에 도달할 때마다 측정된 상기 복수의 배터리 셀의 참조 전압을 포함하도록 설정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대하여, 상기 결정된 전압과 상기 기저장된 전압 데이터에 포함된 하나 이상의 참조 전압에 기반하여 상기 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대하여, 상기 결정된 전압과 상기 하나 이상의 참조 전압에 대한 관계식을 도출하고, 도출된 관계식에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 상기 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 결정된 전압 증감 패턴이 상기 컷 오프 전압을 향하는지 여부에 따라 상기 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 충전 컷 오프 전압에 도달했을 때의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 충전 전압을 결정하고, 결정된 충전 전압과 상기 기저장된 전압 데이터에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 방전 컷 오프 전압에 도달했을 때의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 방전 전압을 결정하고, 결정된 방전 전압과 상기 기저장된 전압 데이터에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전압 증감 패턴 및 상기 제2 전압 증감 패턴에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전압 증감 패턴이 전압 증가 패턴이고, 상기 제2 전압 증감 패턴이 전압 감소 패턴인 배터리 셀의 상태를 퇴화 가속 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전압 증감 패턴이 전압 감소 패턴이고, 상기 제2 전압 증감 패턴이 전압 증가 패턴인 배터리 셀의 상태를 퇴화 완속 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 측정부는, 상기 배터리 모듈의 전류를 더 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 모듈의 전류에 기반하여 상기 배터리 모듈의 용량을 산출하고, 산출된 용량이 이전에 산출된 용량보다 감소된 경우, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 모듈의 용량이 미리 설정된 초기 용량으로부터 소정의 범위 내인 경우, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 상기 결정된 전압이 상기 컷 오프 전압과 동일한 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 진단 방법은 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀의 상태를 진단하는 방법일 수 있다.
배터리 진단 방법은 상기 배터리 모듈 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 상기 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 컷 오프 전압에 도달했을 때의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 결정하는 전압 결정 단계; 결정된 복수의 전압과 기저장된 전압 데이터에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 증감 패턴을 결정하는 전압 증감 패턴 결정 단계; 및 결정된 전압 증감 패턴에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하는 배터리 진단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 진단 장치는 배터리 모듈의 충방전 종료 여부 및 복수의 배터리 셀의 전압 증감 패턴을 고려함으로써, 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 구체적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 규칙을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 및 복수의 배터리 셀의 충전 전압을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 및 복수의 배터리 셀의 방전 전압을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
배터리 진단 장치(100)는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
여기서, 배터리 셀은 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리 셀로 간주될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 셀은 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 배터리 모듈을 구성할 수도 있다. 실시예에 다라서는 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 배터리 팩을 구성할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀에 대해서 설명하지만, 본 발명은 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀에 대해서도 적용 가능함을 유의한다.
도 1을 참조하면, 배터리 진단 장치(100)는 측정부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 배터리 모듈 및 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 측정부(110)는 배터리 모듈의 양극 단자 및 음극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 배터리 모듈의 양극 전압 및 음극 전압을 측정함으로써, 배터리 모듈의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)는 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 양극 단자 및 음극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 복수의 배터리 셀 각각의 양극 전압 및 음극 전압을 측정함으로써, 각각의 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있다.
측정부(110)는 제어부(120)와 통신 가능하도록 서로 연결될 수 있다. 예컨대, 측정부(110)는 제어부(120)와 유선 및/또는 무선으로 연결될 수 있다. 측정부(110)는 측정한 배터리 모듈 및 복수의 배터리 셀의 전압에 관한 정보를 제어부(120)로 송신할 수 있다.
제어부(120)는 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 컷 오프 전압에 도달했을 때의 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리 모듈에 대한 컷 오프 전압은 미리 설정될 수 있다. 여기서, 컷 오프 전압이란 배터리 모듈의 충전 종료 전압 및 방전 종료 전압을 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 모듈의 전압이 충전 컷 오프 전압에 도달하면, 배터리 모듈의 충전이 종료될 수 있다. 다른 예로, 배터리 모듈의 전압이 방전 컷 오프 전압에 도달하면, 배터리 모듈의 방전이 종료될 수 있다.
예컨대, a 시점에서 배터리 모듈의 전압이 충전 컷 오프 전압에 도달했다고 가정하면, 제어부(120)는 a 시점에서 측정된 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 결정할 수 있다.
다른 예로, b 시점에서 배터리 모듈의 전압이 방전 컷 오프 전압에 도달했다고 가정하면, 제어부(120)는 b 시점에서 측정된 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 결정할 수 있다.
제어부(120)는 결정된 복수의 전압과 기저장된 전압 데이터에 기반하여 복수의 배터리 셀 각각의 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 기저장된 전압 데이터는 배터리 모듈의 전압이 컷 오프 전압에 도달할 때마다 측정된 복수의 배터리 셀의 참조 전압을 포함하도록 설정될 수 있다. 구체적으로, 기저장된 전압 데이터는 과거 시점에 측정된 배터리 모듈과 복수의 배터리 셀의 전압에 관한 데이터를 포함할 수 있다. 바람직하게, 기저장된 전압 데이터는 과거 시점에서 배터리 모듈의 전압이 컷 오프 전압에 도달했을 때마다 결정된 복수의 배터리 셀의 전압에 관한 데이터를 포함할 수 있다.
제어부(120)는 복수의 배터리 셀 각각에 대하여, 결정된 전압과 기저장된 전압 데이터에 포함된 하나 이상의 참조 전압에 기반하여 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 전압 증감 패턴이란 현재 배터리 셀의 전압의 경향을 나타낼 수 있는 패턴으로, 과거 시점에 측정된 배터리 셀의 참조 전압과 현재 시점에 측정된 배터리 셀의 전압 간의 비교를 통해서 결정될 수 있다.
바람직하게, 전압 증감 패턴은 전압 증가 패턴 또는 전압 감소 패턴으로 구분될 수 있다. 여기서, 전압 유지 패턴은 배터리 셀의 전압이 과거부터 현재까지 일정하게 유지되는 패턴이다. 전압 증가 패턴은 배터리 셀의 전압이 과거보다 증가되고 있는 추세를 보이는 패턴이다. 전압 감소 패턴은 배터리 셀의 전압이 과거보다 감소되고 있는 추세를 보이는 패턴이다.
예컨대, 배터리 모듈에 1개의 배터리 셀이 포함되고, 현재 시점이 t+3 시점이며, 기저장된 전압 데이터에 t, t+1 및 t+2 시점에서 배터리 모듈과 배터리 셀의 참조 전압이 포함되었다고 가정한다. 제어부(120)는 t, t+1, t+2 및 t+3 시점에서 측정된 배터리 셀의 전압 및 참조 전압들에 대한 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다. 전압 증감 패턴을 결정하는 구체적인 실시예에 대해서는 후술한다.
제어부(120)는 결정된 전압 증감 패턴에 따라 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 전압 증감 패턴에 따라 배터리 셀의 퇴화 상태를 진단할 수 있다. 바람직하게, 제어부(120)는 배터리 셀의 퇴화 진행 상태를 진단할 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 배터리 셀의 상태를 퇴화 가속 상태 또는 퇴화 완속 상태로 진단할 수 있다.
여기서, 퇴화 완속 상태란 배터리 셀이 일반적인 퇴화 속도에 맞춰 퇴화되는 상태를 나타낼 수 있다. 즉, 퇴화 완속 상태인 배터리 셀은 예측 가능한 퇴화 속도로 퇴화되고 있는 정상 상태의 배터리 셀일 수 있다. 반대로, 퇴화 가속 상태란 배터리 셀의 퇴화가 급격하게 진행되는 상태를 나타낼 수 있다. 즉, 퇴화 가속 상태인 배터리 셀은 예측 범위를 벗어나서 급격하게 퇴화되고 있는 비정상 상태의 배터리 셀일 수 있다. 퇴화 가속 상태와 퇴화 완속 상태를 구분할 수 있는 예측 가능한 퇴화 속도 및 예측 가능한 퇴화 속도의 범위는 실험 또는 시뮬레이션 등을 통해 적절하게 설정될 수 있다.
일반적으로, 배터리 모듈에 대한 충방전이 종료되면, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀에 대한 충방전도 종료된다. 즉, 배터리 모듈의 충방전 종료 시점은 복수의 배터리 셀의 상태 변화를 판단하는 기준 시점이 될 수 있다. 예컨대, 배터리 모듈의 특정 SOC 또는 특정 용량을 기준 시점으로 삼는 경우, 퇴화에 의해 배터리 모듈의 용량이 감소하면 기준 시점이 달라질 수 있다. 반면, 배터리 모듈의 충방전 종료 시점을 기준으로 삼는다면, 배터리 모듈의 용량이 달라지더라도 동일한 기준으로 복수의 배터리 셀의 상태를 진단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 배터리 모듈의 충방전 종료 여부 및 복수의 배터리 셀의 전압 증감 패턴을 고려함으로써, 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 구체적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
한편, 배터리 진단 장치(100)에 구비된 제어부(120)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 진단 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 배터리 진단 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(130)는 제어부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
예컨대, 저장부(130)는 복수의 배터리 셀의 참조 전압에 대한 전압 데이터를 저장할 수 있다. 제어부(120)는 저장부(130)에 접근(access)하여 저장된 전압 데이터를 획득할 수 있다.
이하에서는 제어부(120)가 전압 및 참조 전압에 기반하여 배터리 셀의 전압 증감 패턴을 결정하는 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀 각각에 대하여, 결정된 전압과 하나 이상의 참조 전압에 대한 관계식을 도출하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 피팅 알고리즘(Fitting algorithm)을 이용하여, 결정된 전압과 하나 이상의 참조 전압에 대한 관계식을 도출할 수 있다. 여기서, 도출되는 관계식은 과거 시점의 배터리 셀의 참조 전압과 현재 시점의 배터리 셀의 전압을 나타낼 수 있는 함수일 수 있다.
제어부(120)는 도출된 관계식에 기반하여 복수의 배터리 셀 각각에 대한 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 도출된 관계식에 기반하여 현재 시점에 대한 순간 변화율을 계산할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 계산된 순간 변화율에 따라 배터리 셀의 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다. 순간 변화율이 양수이면, 제어부(120)는 배터리 셀의 전압 증감 패턴을 전압 증가 패턴으로 결정할 수 있다. 순간 변화율이 0이면, 제어부(120)는 배터리의 전압 증감 패턴을 전압 유지 패턴으로 결정할 수 있다. 순간 변화율이 음수이면, 제어부(120)는 배터리의 전압 증감 패턴을 전압 감소 패턴으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 현재의 전압과 과거의 참조 전압들에 대한 관계식에 따라 복수의 배터리 셀에 대한 전압 증감 패턴을 정확하게 결정할 수 있는 장점이 있다. 이렇게 결정된 전압 증감 패턴에 따라, 복수의 배터리 셀의 상태가 높은 정확도로 진단될 수 있다.
제어부(120)는 결정된 전압 증감 패턴이 컷 오프 전압을 향하는지 여부에 따라 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리 모듈의 충전 과정에서 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압 증감 패턴을 결정하고, 배터리 모듈의 방전 과정에서 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다. 여기서, 제1 전압 증감 패턴과 제2 전압 증감 패턴은 서로 독립적인 패턴일 수 있다. 즉, 제1 전압 증감 패턴은 제2 전압 증감 패턴에 영향을 미치지 않을 수 있다.
제어부(120)는 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 충전 컷 오프 전압에 도달했을 때의 복수의 배터리 셀 각각의 충전 전압을 결정하도록 구성될 수 있다. 제어부(120)는 결정된 충전 전압과 기저장된 전압 데이터에 기반하여 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 결정된 충전 전압과 기저장된 전압 데이터에 포함된 참조 충전 전압에 기반하여, 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 방전 컷 오프 전압에 도달했을 때의 복수의 배터리 셀 각각의 방전 전압을 결정하도록 구성될 수 있다. 제어부(120)는 결정된 방전 전압과 기저장된 전압 데이터에 기반하여 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 결정된 방전 전압과 기저장된 전압 데이터에 포함된 참조 방전 전압에 기반하여, 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 제1 전압 증감 패턴 및 제2 전압 증감 패턴에 기반하여 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 규칙을 개략적으로 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 2는 배터리 셀의 제1 전압 증감 패턴 및 제2 전압 증감 패턴에 따라 진단되는 배터리 셀의 상태를 도식화한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제어부(120)는 제1 전압 증감 패턴 및 제2 전압 증감 패턴을 모두 고려하여 배터리 셀의 상태를 퇴화 가속 상태 또는 퇴화 완속 상태로 진단할 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 제1 전압 증감 패턴이 전압 증가 패턴이고, 제2 전압 증감 패턴이 전압 감소 패턴인 배터리 셀의 상태를 퇴화 가속 상태로 진단할 수 있다.
다른 예로, 제어부(120)는 제1 전압 증감 패턴이 전압 감소 패턴이고, 제2 전압 증감 패턴이 전압 증가 패턴인 배터리 셀의 상태를 퇴화 완속 상태로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 서로 독립적인 관계에 있는 제1 전압 증감 패턴(충전 상태에서의 전압 증감 패턴)과 제2 전압 증감 패턴(방전 상태에서의 전압 증감 패턴)을 모두 고려함으로써, 배터리 셀의 상태를 보다 정확하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 및 복수의 배터리 셀의 충전 전압을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 및 복수의 배터리 셀의 방전 전압을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 3은 제1 배터리 셀(B1), 제2 배터리 셀(B2), 제3 배터리 셀(B3) 및 제4 배터리 셀(B4)의 충전 전압과 배터리 모듈의 충전 컷 오프 전압(VC)을 도시한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 3은 기저장된 전압 데이터에 포함된 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전 참조 전압과 현재 사이클(400 사이클)에서 결정된 전압이 도시된 도면이다. 도 4는 제1 배터리 셀(B1), 제2 배터리 셀(B2), 제3 배터리 셀(B3) 및 제4 배터리 셀(B4)의 방전 전압과 배터리 모듈의 방전 컷 오프 전압(VDC)을 도시한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 4는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 방전 참조 전압과 현재 사이클(400 사이클)에서 결정된 전압이 도시된 도면이다. 이하에서는, 400 사이클을 기준으로 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 전압 증감 패턴을 설명한다.
도 3의 실시예에서, 400 사이클을 기준으로, 제1 배터리 셀(B1)과 제3 배터리 셀(B3)은 전압이 증가 중이고, 제2 배터리 셀(B2)은 전압이 유지 중이며, 제4 배터리 셀(B4)은 전압이 감소 중일 수 있다. 따라서, 제1 배터리 셀(B1)과 제3 배터리 셀(B3)의 제1 전압 증감 패턴은 전압 증가 패턴으로 결정될 수 있다. 제2 배터리 셀(B2)의 제1 전압 증감 패턴은 전압 유지 패턴으로 결정될 수 있다. 제4 배터리 셀(B4)의 제1 전압 증감 패턴은 전압 감소 패턴으로 결정될 수 있다.
도 4의 실시예에서, 400 사이클을 기준으로, 제1 배터리 셀(B1)과 제2 배터리 셀(B2)은 전압이 유지 중이고, 제3 배터리 셀(B3)은 전압이 감소 중이며, 제4 배터리 셀(B4)은 전압이 감소 중일 수 있다. 따라서, 제1 배터리 셀(B1)과 제2 배터리 셀(B2)의 제2 전압 증감 패턴은 전압 유지 패턴으로 결정될 수 있다. 제3 배터리 셀(B3)의 제2 전압 증감 패턴은 전압 감소 패턴으로 결정될 수 있다. 제4 배터리 셀(B4)의 제2 전압 증감 패턴은 전압 감소 패턴으로 결정될 수 있다.
정리하면, 제1 배터리 셀(B1)의 제1 전압 증감 패턴은 전압 증가 패턴이고, 제2 전압 증감 패턴은 전압 유지 패턴으로 결정될 수 있다. 제2 배터리 셀(B2)의 제1 전압 증감 패턴은 전압 감소 패턴이고, 제2 전압 증감 패턴은 전압 유지 패턴으로 결정될 수 있다. 제3 배터리 셀(B3)의 제1 전압 증감 패턴은 전압 증가 패턴이고, 제2 전압 증감 패턴은 전압 감소 패턴으로 결정될 수 있다. 제4 배터리 셀(B4)의 제1 전압 증감 패턴은 전압 유지 패턴이고, 제2 전압 증감 패턴은 전압 감소 패턴으로 결정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제어부(120)는 제1 전압 증감 패턴이 전압 즈가 패턴이고, 제2 전압 증감 패턴이 전압 감소 패턴인 제3 배터리 셀(B3)의 상태를 퇴화 가속 상태로 진단할 수 있다.
일 실시예에서, 측정부(110)는 배터리 모듈의 전류를 더 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 측정부(110)는 배터리 모듈로 인가되는 충전 전류 및 배터리 모듈에서 출력되는 방전 전류를 측정할 수 있다.
제어부(120)는 배터리 모듈의 전류에 기반하여 배터리 모듈의 용량을 산출하도록 구성될 수 있다.
제어부(120)는 산출된 용량이 이전에 산출된 용량보다 감소된 경우, 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다. 제어부(120)는 배터리 모듈의 용량 감소 여부를 먼저 판단하고, 용량의 감소가 확인되면 복수의 배터리 셀 각각의 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 현재 시점에서 산출된 배터리 모듈의 용량이 이전 시점에서 산출된 배터리 모듈의 용량보다 감소된 경우, 복수의 배터리 셀 각각에 대한 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다. 여기서, 이전 시점에서 산출된 배터리 모듈의 용량은 저장부(130)에 저장되어 있을 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 현재 시점에서 산출한 배터리의 용량을 저장부(130)에 저장할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 배터리 모듈의 용량 감소 여부를 먼저 판단함으로써, 필요한 경우에 한하여 복수의 배터리 셀의 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다. 즉, 배터리 모듈의 용량이 감소되지 않은 경우에는, 복수의 배터리 셀의 전압 증감 패턴을 결정하는데 필요한 시스템 자원이 불필요하게 사용되는 것이 방지될 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 배터리 모듈의 용량이 미리 설정된 초기 용량으로부터 소정의 범위 내인 경우, 복수의 배터리 셀 중에서 결정된 전압이 컷 오프 전압과 동일한 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리 모듈의 용량이 미리 설정된 초기 용량으로부터 소정의 범위 내일 때 결정된 전압이 컷 오프 전압과 동일한 배터리 셀(이하, 진단 보류 셀)은 초기 저항이 크거나 초기 용량이 작은 배터리 셀에 해당할 수 있다. 즉, 자체 특성에 의해서, 초기 사이클에서 진단 보류 셀의 전압이 배터리 모듈의 컷 오프 전압과 동일하게 나타날 수 있다. 따라서, 배터리 진단 장치(100)는 진단 정확도를 높이기 위하여, 복수의 배터리 셀 중에서 진단 보류 셀을 제외한 배터리 셀에 대해서만 상태를 진단할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 진단 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 진단 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 진단 장치(100)의 측정부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 진단 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
배터리 모듈의 양극 단자는 배터리 팩의 양극 단자(P+)에 전기적으로 연결될 수 있다. 배터리 모듈의 음극 단자는 배터리 팩의 음극 단자(P-)에 전기적으로 연결될 수 있다.
배터리 모듈에는 제1 배터리 셀(B1), 제2 배터리 셀(B2), 제3 배터리 셀(B3) 및 제4 배터리 셀(B4)이 직렬로 연결될 수 있다. 도 5의 실시예에서는 직렬로 연결된 실시예를 도시하였지만, 복수의 배터리 셀은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있음을 유의한다.
측정부(110)는 제1 센싱 라인 및 제2 센싱 라인과 연결될 수 있다.
측정부(110)는 제1 센싱 라인에 배터리 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 제1 센싱 라인을 통해서 배터리 모듈의 전압 및 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 전압을 측정할 수 있다.
측정부(110)는 제2 센싱 라인을 통해서 전류 측정 유닛과 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 전류 측정 유닛은 전류계 또는 션트 저항일 수 잇다. 측정부(110)는 제2 센싱 라인을 통해서 배터리 모듈의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있다.
배터리 팩의 양극 단자(P+) 및 음극 단자(P-)에는 외부 장치가 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 외부 장치는 충전 장치 또는 부하일 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 진단 방법의 각 단계는 배터리 진단 장치(100)에 의해서 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 6을 참조하면, 배터리 진단 방법은 전압 측정 단계, 전압 결정 단계, 전압 증감 패턴 결정 단계 및 배터리 진단 단계를 포함할 수 있다.
전압 측정 단계는 배터리 모듈 및 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
전압 결정 단계는 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 컷 오프 전압에 도달했을 때의 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 결정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 배터리 모듈의 전압이 충전 컷 오프 전압에 도달한 경우, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀 각각의 충전 전압을 결정할 수 있다.
다른 예로, 배터리 모듈의 전압이 방전 컷 오프 전압에 도달한 경우, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀 각각의 방전 전압을 결정할 수 있다.
전압 증감 패턴 결정 단계는 결정된 복수의 전압과 기저장된 전압 데이터에 기반하여 복수의 배터리 셀 각각의 전압 증감 패턴을 결정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀 각각에 대하여 제1 전압 증감 패턴 및 제2 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리 셀의 충전 전압과 기저장된 전압 데이터 중 해당 배터리 셀에 대한 참조 충전 전압에 기반하여, 제1 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 배터리 셀의 방전 전압과 기저장된 전압 데이터 중 해당 배터리 셀에 대한 참조 방전 전압에 기반하여, 제2 전압 증감 패턴을 결정할 수 있다. 여기서, 제1 전압 증감 패턴과 제2 전압 증감 패턴은 전압 유지 패턴, 전압 증가 패턴 또는 전압 감소 패턴으로 결정될 수 있으며, 서로 독립적일 수 있다.
배터리 진단 단계는 결정된 전압 증감 패턴에 따라 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는, 배터리 모듈의 용량이 감소하는 경우, 제1 전압 증감 패턴이 전압 증가 패턴이고, 제2 전압 증감 패턴이 전압 감소 패턴인 배터리 셀의 상태를 퇴화 가속 상태로 진단할 수 있다.
다른 예로, 제어부(120)는, 배터리 모듈의 용량이 감소하는 경우, 제1 전압 증감 패턴이 전압 감소 패턴이고, 제2 전압 증감 패턴이 전압 증가 패턴인 배터리 셀의 상태를 퇴화 완속 상태로 진단할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
(부호의 설명)
1: 배터리 팩
100: 배터리 진단 장치
110: 측정부
120: 제어부
130: 저장부
BM: 배터리 모듈
B1-B4: 제1 내지 제4 배터리 셀

Claims (10)

  1. 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치에 있어서,
    상기 배터리 모듈 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및
    상기 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 컷 오프 전압에 도달했을 때의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 결정하고, 결정된 복수의 전압과 기저장된 전압 데이터에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 증감 패턴을 결정하며, 결정된 전압 증감 패턴에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기저장된 전압 데이터는,
    상기 배터리 모듈의 전압이 상기 컷 오프 전압에 도달할 때마다 측정된 상기 복수의 배터리 셀의 참조 전압을 포함하도록 설정되고,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리 셀 각각에 대하여, 상기 결정된 전압과 상기 기저장된 전압 데이터에 포함된 하나 이상의 참조 전압에 기반하여 상기 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리 셀 각각에 대하여, 상기 결정된 전압과 상기 하나 이상의 참조 전압에 대한 관계식을 도출하고, 도출된 관계식에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 상기 전압 증감 패턴을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    결정된 전압 증감 패턴이 상기 컷 오프 전압을 향하는지 여부에 따라 상기 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 충전 컷 오프 전압에 도달했을 때의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 충전 전압을 결정하고, 결정된 충전 전압과 상기 기저장된 전압 데이터에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압 증감 패턴을 결정하며,
    상기 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 방전 컷 오프 전압에 도달했을 때의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 방전 전압을 결정하고, 결정된 방전 전압과 상기 기저장된 전압 데이터에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압 증감 패턴을 결정하며,
    상기 제1 전압 증감 패턴 및 상기 제2 전압 증감 패턴에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압 증감 패턴이 전압 증가 패턴이고, 상기 제2 전압 증감 패턴이 전압 감소 패턴인 배터리 셀의 상태를 퇴화 가속 상태로 진단하고,
    상기 제1 전압 증감 패턴이 전압 감소 패턴이고, 상기 제2 전압 증감 패턴이 전압 증가 패턴인 배터리 셀의 상태를 퇴화 완속 상태로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 배터리 모듈의 전류를 더 측정하도록 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 모듈의 전류에 기반하여 상기 배터리 모듈의 용량을 산출하고, 산출된 용량이 이전에 산출된 용량보다 감소된 경우, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 모듈의 용량이 미리 설정된 초기 용량으로부터 소정의 범위 내인 경우, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 상기 결정된 전압이 상기 컷 오프 전압과 동일한 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  10. 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀의 상태를 진단하는 배터리 진단 방법에 있어서,
    상기 배터리 모듈 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정 단계;
    상기 배터리 모듈의 전압이 미리 설정된 컷 오프 전압에 도달했을 때의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 결정하는 전압 결정 단계;
    결정된 복수의 전압과 기저장된 전압 데이터에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 증감 패턴을 결정하는 전압 증감 패턴 결정 단계; 및
    결정된 전압 증감 패턴에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 진단하는 배터리 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
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