KR20220048371A - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20220048371A
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리의 방전 용량 및 온도를 측정하도록 구성된 측정부; 상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 옴 저항을 결정하도록 구성된 옴 저항 결정부; 및 상기 측정부에 의해 측정된 배터리의 방전 용량과 참조 용량을 비교하여 용량 변화율을 산출하고, 상기 옴 저항 결정부에 의해 결정된 옴 저항과 참조 저항을 비교하여 저항 변화율을 산출하며, 산출된 저항 변화율과 기준 저항 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 정도를 판단하고, 산출된 용량 변화율과 기준 용량 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 원인을 판단하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING BATTERY}
본 발명은 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인을 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.
배터리는 퇴화될수록 내부 가스가 발생을 동반하는 다양한 부반응이 발생되는데, 이러한 부반응이 지속되어 내부 가스량이 허용치를 상회하면 배터리의 접합부가 오픈되면서 EOL(End of life) 상태에 도달하게 된다.
따라서, 배터리의 상태를 진단하기 위해서는 내부 가스량에 대한 측정이 요구되지만, 종래에는 비파괴적인 방식으로 배터리의 내부 가스량을 측정하는데 어려움이 있었다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리의 임피던스 프로파일에 기반하여 비파괴적으로 배터리의 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인을 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 배터리의 방전 용량 및 온도를 측정하도록 구성된 측정부; 상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 옴 저항을 결정하도록 구성된 옴 저항 결정부; 및 상기 측정부에 의해 측정된 배터리의 방전 용량과 참조 용량을 비교하여 용량 변화율을 산출하고, 상기 옴 저항 결정부에 의해 결정된 옴 저항과 참조 저항을 비교하여 저항 변화율을 산출하며, 산출된 저항 변화율과 기준 저항 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 정도를 판단하고, 산출된 용량 변화율과 기준 용량 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 원인을 판단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 옴 저항 결정부는, 상기 측정부에 의해 측정된 상기 배터리의 온도가 소정의 기간 동안 기준 온도 이상인 경우, 상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 옴 저항을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리는, 상기 소정의 기간 동안 상기 기준 온도 이상으로 유지된 후 제1 시점에서 만충전되고, 상기 제1 시점에서 만충전된 후 제2 시점에서 만방전되도록 구성될 수 있다.
상기 측정부는, 상기 제1 시점에서 만충전된 배터리가 상기 제2 시점에서 만방전될 때까지의 상기 배터리의 방전 용량을 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 산출된 저항 변화율이 상기 기준 저항 변화율 이상이면, 상기 배터리의 내부 가스가 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 산출된 저항 변화율이 상기 기준 저항 변화율 미만이면, 상기 배터리의 내부 가스가 상기 기준량 미만으로 발생된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 산출된 용량 변화율이 상기 기준 용량 변화율 이상이면, 상기 내부 가스 발생 원인을 상기 배터리의 음극의 부반응으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 산출된 용량 변화율이 상기 기준 용량 변화율 미만이면, 상기 내부 가스 발생 원인을 상기 음극의 부반응 외의 다른 원인으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 내부 가스 발생 정도 및 상기 내부 가스 발생 원인에 기반하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 내부 가스가 상기 기준량 미만으로 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 상태를 정상 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 내부 가스가 상기 다른 원인에 의해 상기 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 상태를 제1 경고 상태로 진단하고, 상기 배터리에 대한 상한 온도를 감소시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 내부 가스가 상기 음극의 부반응에 의해 상기 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 상태를 제2 경고 상태로 진단하고, 상기 배터리에 대한 상한 온도 및 상한 C-rate 중 적어도 하나를 감소시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 진단 시스템은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치; 및 상기 배터리로 교류 전류를 출력하고, 상기 교류 전류의 출력 결과에 따라 상기 배터리의 임피던스를 실수부 및 허수부 간의 대응관계로 나타내는 임피던스 프로파일을 생성하며, 생성된 임피던스 프로파일을 상기 배터리 진단 장치로 출력하도록 구성된 EIS부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 진단 시스템은 상기 배터리의 온도가 기준 온도 이상이 되도록 상기 배터리의 온도를 상승시키도록 구성된 히팅부; 및 상기 배터리를 충전 및 방전시키도록 구성된 충방전부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 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 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정 단계; 상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 옴 저항을 결정하는 옴 저항 결정 단계; 상기 배터리의 방전 용량을 측정하는 방전 용량 측정 단계; 상기 측정 단계에서 측정된 배터리의 방전 용량과 참조 용량을 비교하여 용량 변화율을 산출하는 용량 변화율 산출 단계; 상기 옴 저항 결정 단계에서 결정된 옴 저항과 참조 저항을 비교하여 저항 변화율을 산출하는 저항 변화율 산출 단계; 산출된 저항 변화율과 기준 저항 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 정도를 판단하는 내부 가스 발생 정도 판단 단계; 및 산출된 용량 변화율과 기준 용량 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 원인을 판단하는 내부 가스 발생 원인 판단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 비파괴적인 방식을 통해 배터리의 내부 가스 발생 정도와 내부 가스 발생 원인이 진단될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에 의해 산출된 용량 변화율의 일 예시를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에 의해 산출된 저항 변화율의 일 예시를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에 의해 진단되는 배터리의 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 진단 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 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.
또한, 명세서에 기재된 제어부와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 측정부(110), 옴 저항 결정부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 배터리의 방전 용량 및 온도를 측정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 배터리는, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 하나가 배터리로 간주될 수 있다. 또한, 배터리는 하나 이상의 배터리가 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 구비된 배터리 모듈일 수도 있다. 다만, 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 배터리는 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.
예컨대, 측정부(110)는 배터리의 방전 전류를 측정함으로써, 소정의 시간 동안의 배터리의 방전 용량을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)는 배터리와 연결되어, 배터리의 현재 온도를 측정할 수 있다.
옴 저항 결정부(120)는 상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 옴 저항을 결정하도록 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 임피던스 프로파일은, X를 실수부(Zre)로 설정하고 Y를 허수부(-Zim)로 설정하였을 때의 X-Y 평면 그래프로 표현될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 배터리의 옴 저항(Ro)은 임피던스 프로파일의 시작 저항값일 수 있다. 구체적으로, 임피던스 프로파일에서, 허수부(-Zim)의 값이 0일 때의 실수부(Zre)의 저항값이 배터리의 옴 저항(Ro)일 수 있다. 옴 저항(Ro)은 널리 알려진 인자이기 때문에, 옴 저항(Ro) 자체에 대한 설명은 생략함을 유의한다.
예컨대, 배터리의 임피던스 프로파일은 배터리 진단 장치(100)의 외부에서 생성될 수 있다. 그리고, 옴 저항 결정부(120)는 외부로부터 생성된 배터리의 임피던스 프로파일을 직접 수신하거나, 배터리의 임피던스 프로파일이 저장된 메모리에 접근하여 임피던스 프로파일을 획득할 수 있다.
그리고, 옴 저항 결정부(120)는 수신한 임피던스 프로파일에서 시작 저항값을 결정하고, 결정된 시작 저항값을 배터리의 옴 저항으로 결정할 수 있다.
제어부(130)는 상기 측정부(110)에 의해 측정된 배터리의 방전 용량과 참조 용량을 비교하여 용량 변화율을 산출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 참조 용량은 BOL(Beginning of life) 상태의 배터리가 만충전된 상태에서 만방전될 때까지의 배터리의 방전 용량일 수 있다. 예컨대, 참조 용량은 BOL 상태의 배터리가 SOC(State of charge) 100%에서 SOC 0%까지 방전되는 동안 측정된 배터리의 방전 용량일 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 참조 용량에 대한 참조 용량과 측정된 배터리의 방전 용량 간의 차이의 비율을 계산하여, 배터리에 대한 용량 변화율을 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 "(참조 용량 - 측정된 배터리의 방전 용량)÷참조 용량×100"의 수식을 계산하여, 배터리에 대한 용량 변화율을 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)에 의해 산출된 용량 변화율의 일 예시를 도시한 도면이다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 제어부(130)는 제1 내지 제5 배터리(B1 내지 B5)에 대한 용량 변화율을 산출할 수 있다. 여기서, 참조 용량은 제1 내지 제5 배터리(B1 내지 B5) 각각에 대해 미리 설정될 수 있다. 즉, 제1 배터리(B1)에 대한 제1 참조 용량 및 제2 배터리(B2)에 대한 제2 참조 용량이 미리 설정될 수 있다. 또한, 제3 배터리(B3)에 대한 제3 참조 용량 및 제4 배터리(B4)에 대한 제4 참조 용량이 미리 설정될 수 있다. 또한, 제5 배터리(B5)에 대한 제5 참조 용량이 미리 설정될 수 있다.
즉, 제어부(130)는 미리 설정된 하나의 참조 용량을 이용하여 제1 내지 제5 배터리(B1 내지 B5)의 용량 변화율을 산출하지 않고, 대응되는 참조 용량과 측정된 배터리의 방전 용량 간의 차이를 계산하여 제1 내지 제5 배터리(B1 내지 B5) 각각의 용량 변화율을 산출할 수 있다. 따라서, 제어부(130)에 의해 산출된 배터리의 용량 변화율에는 각각의 배터리의 퇴화도가 반영될 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 제1 배터리(B1)의 용량 변화율은 3.17%이고, 제2 배터리(B2)의 용량 변화율은 2.5%일 수 있다. 또한, 제3 배터리(B3)의 용량 변화율은 2.83%이고, 제4 배터리(B4)의 용량 변화율은 3.67%일 수 있다. 또한, 제5 배터리(B5)의 용량 변화율은 6.33%일 수 있다.
제어부(130)는 상기 옴 저항 결정부(120)에 의해 결정된 옴 저항과 참조 저항을 비교하여 저항 변화율을 산출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 참조 저항은 BOL 상태의 배터리에 대해서 미리 측정된 저항값일 수 있다. 보다 바람직하게, 참조 저항은 BOL 상태의 배터리가 SOC 100%일 때 측정된 옴 저항값일 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 참조 저항에 대한 측정된 배터리의 옴 저항과 참조 저항 간의 차이의 비율을 계산하여, 배터리에 대한 저항 변화율을 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 "(측정된 배터리의 옴 저항 - 참조 저항)÷참조 저항×100"의 수식을 계산하여, 배터리에 대한 저항 변화율을 산출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)에 의해 산출된 저항 변화율의 일 예시를 도시한 도면이다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제어부(130)는 제1 내지 제5 배터리(B1 내지 B5)의 저항 변화율을 산출할 수 있다. 참조 용량과 마찬가지로, 참조 저항 또한 제1 내지 제5 배터리(B1 내지 B5) 각각에 대해 미리 설정될 수 있다. 즉, 제1 배터리(B1)에 대한 제1 참조 저항 및 제2 배터리(B2)에 대한 제2 참조 저항이 미리 설정될 수 있다. 또한, 제3 배터리(B3)에 대한 제3 참조 저항 및 제4 배터리(B4)에 대한 제4 참조 저항이 미리 설정될 수 있다. 또한, 제5 배터리(B5)에 대한 제5 참조 저항이 미리 설정될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 대응되는 참조 저항과 배터리의 옴 저항에 기반하여, 제1 내지 제5 배터리(B1 내지 B5) 각각의 저항 변화율을 산출할 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제1 배터리(B1)의 저항 변화율은 16.4%이고, 제2 배터리(B2)의 저항 변화율은 17.1%일 수 있다. 또한, 제3 배터리(B3)의 저항 변화율은 16.1%이고, 제4 배터리(B4)의 저항 변화율은 24.2%일 수 있다. 또한, 제5 배터리(B5)의 저항 변화율은 25.2%일 수 있다.
제어부(130)는 산출된 저항 변화율과 기준 저항 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 정도를 판단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(130)는, 상기 산출된 저항 변화율이 상기 기준 저항 변화율 이상이면, 상기 배터리의 내부 가스가 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제어부(130)는, 상기 산출된 저항 변화율이 상기 기준 저항 변화율 미만이면, 상기 배터리의 내부 가스가 상기 기준량 미만으로 발생된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다. 여기서, 배터리의 내부 가스가 기준량 미만으로 발생되는 경우는, 배터리의 내부 가스가 기준량 미만으로 발생되는 경우 및 내부 가스가 발생되지 않은 경우를 모두 포함할 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 기준 저항 변화율이 20%로 미리 설정되었다고 가정한다. 제1 내지 제3 배터리(B1 내지 B3)의 저항 변화율은 기준 저항 변화율보다 작기 때문에, 제어부(130)는 제1 내지 제3 배터리(B1 내지 B3)의 내부 가스는 기준량 미만으로 발생된 것으로 판단할 수 있다. 그리고, 제4 및 제5 배터리(B4, B5)의 저항 변화율은 기준 저항 변화율보다 크기 때문에, 제어부(130)는 제4 및 제5 배터리(B4, B5)의 내부 가스는 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단할 수 있다.
제어부(130)는 산출된 용량 변화율과 기준 용량 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 원인을 판단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(130)는, 상기 산출된 용량 변화율이 상기 기준 용량 변화율 이상이면, 상기 내부 가스 발생 원인을 상기 배터리의 음극의 부반응으로 판단하도록 구성될 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 제어부(130)는, 상기 산출된 용량 변화율이 상기 기준 용량 변화율 이상이면, 상기 내부 가스 발생 원인을 상기 배터리의 음극 및 전해질의 부반응으로 판단하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부(130)는, 상기 산출된 용량 변화율이 상기 기준 용량 변화율 미만이면, 상기 내부 가스 발생 원인을 상기 음극의 부반응 외의 다른 원인으로 판단하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 다른 원인은 배터리의 양극의 부반응 등이 포함될 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 기준 용량 변화율이 5%로 미리 설정되었다고 가정한다. 제1 내지 제4 배터리(B1 내지 B4)의 용량 변화율은 기준 용량 변화율보다 작기 때문에, 제어부(130)는 제1 내지 제4 배터리(B1 내지 B4)의 내부 가스는 다른 원인에 의해 발생된 것으로 판단할 수 있다. 그리고, 제5 배터리(B5)의 용량 변화율은 기준 용량 변화율보다 크기 때문에, 제어부(130)는 제5 배터리(B5)의 내부 가스는 해당 배터리의 음극의 부반응에 의해 발생된 것으로 판단할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 내부 가스가 기준량 이상으로 발생되었는지 여부와 배터리의 내부 가스가 어떠한 부반응에 기인하여 발생되었는지를 판단할 수 있다. 특히, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 음극의 부반응에 기인한 배터리의 내부 가스 발생을 비파괴적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
예컨대, 재사용을 위해 수집된 하나 이상의 배터리의 상태를 진단할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)가 이용될 수 있다. 배터리 진단 장치(100)는 하나 이상의 배터리 각각에 대한 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인을 비파괴적으로 진단할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리의 옴 저항 및 방전 용량에 기반하여 배터리의 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인이 신속하고 간편하게 진단될 수 있기 때문에, 수집된 배터리의 재사용 가능 여부가 신속하고 정확하게 판단될 수 있다.
한편, 배터리 진단 장치(100)에 구비된 제어부(130)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(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(130)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(130) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(130)와 연결될 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 배터리 진단 장치(100)는 저장부(140)를 더 포함할 수 있다. 저장부(140)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(140)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(140)는 제어부(130)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
예컨대, 저장부(140)는 각각의 배터리에 대한 참조 용량, 참조 저항을 저장할 수 있다. 또한, 저장부(140)는 배터리의 임피던스 프로파일을 저장할 수 있다. 이 경우, 옴 저항 결정부(120)는 저장부(140)에 접근하여 배터리의 임피던스 프로파일을 획득할 수 있다.
바람직하게, 상기 옴 저항 결정부(120)는, 상기 측정부(110)에 의해 측정된 상기 배터리의 온도가 소정의 기간 동안 기준 온도 이상인 경우, 상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 옴 저항을 결정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 소정의 기간은 배터리의 옴 저항의 변화가 배터리의 내부 가스 발생과 관련될 수 있도록, 배터리의 온도가 기준 온도 이상으로 유지되어야 하는 최소 기간일 수 있다. 즉, 너무 짧은 기간 동안만 배터리의 온도를 기준 온도 이상으로 유지시키면, 발생되는 배터리의 내부 가스는 배터리의 옴 저항의 변화와 크게 관련되지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 배터리의 온도를 기준 온도 이상으로 소정의 기간 동안 유지시킴으로써, 배터리의 옴 저항 변화와 배터리의 내부 가스 발생 정도를 연관지어 판단할 수 있다.
예컨대, 기준 온도는 40℃ 내지 60℃ 중 어느 하나로 설정될 수 있다. 바람직하게, 기준 온도는 40℃로 설정될 수 있다. 또한, 소정의 기간은 3일 내지 8일 중 어느 하나로 설정될 수 있다. 바람직하게, 소정의 기간은 3일로 설정될 수 있다.
구체적인 예로, 기준 온도가 40℃로 설정되고, 소정의 기간이 3일로 설정되었다고 가정한다. 옴 저항 결정부(120)는 측정부(110)에 의해 측정된 배터리의 온도가 40℃ 이상으로 3일 동안 유지된 경우, 해당 배터리에 대한 임피던스 프로파일을 획득하여 해당 배터리에 대한 옴 저항을 결정할 수 있다.
일반적으로, 배터리의 SOC 및 온도가 높을수록 배터리의 내부 가스 발생량이 증가될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는, 배터리의 재사용 가능 여부를 판단하기 위한 일환으로써 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인을 진단하기 위하여, 기준 온도 이상으로 소정의 기간 동안 유지된 배터리를 대상으로 진단을 수행할 수 있다.
또한, 바람직하게, 배터리는 초기에 SOC 100% 상태로 만충전될 수 있다. 그리고, 만충전된 배터리가 소정의 기간 동안 기준 온도 이상으로 유지될 수 있다. 즉, 소정의 기간 동안, 만충전된 배터리는 서서히 자연 방전될 수 있으나, 배터리의 온도는 기준 온도 이상으로 유지되도록 구성될 수 있다.
그리고, 옴 저항 결정부(120)와 마찬가지로, 측정부(110)도 소정의 기간 동안 온도가 기준 온도 이상으로 유지된 배터리에 대해서만 방전 용량을 측정하고, 제어부(130)는 해당 배터리에 대해서만 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인을 진단할 수 있다.
여기서, 상기 배터리는, 상기 소정의 기간 동안 상기 기준 온도 이상으로 유지된 후인 제1 시점에서 다시 만충전되고, 상기 제1 시점에서 만충전된 후 제2 시점에서 만방전되도록 구성될 수 있다. 바람직하게, 상기 측정부(110)는, 상기 제1 시점에서 만충전된 배터리가 상기 제2 시점에서 만방전될 때까지의 상기 배터리의 방전 용량을 측정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예와 같이 배터리의 온도가 40℃ 이상으로 3일 동안 유지된 후, 제1 시점에서 배터리는 SOC 100%까지 만충전될 수 있다. 그리고, 제1 시점 이후의 제2 시점에서 배터리는 SOC 0%까지 만방전될 수 있다. 측정부(110)는 제1 시점에서부터 제2 시점까지 배터리의 방전 용량을 측정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 측정부(110)에 의해 측정된 방전 용량에 기반하여 배터리의 용량 변화율을 산출할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 배터리의 비가역 용량의 손실율을 산출할 수 있다.
즉, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 내부 가스가 발생될 수 있는 시험 환경을 조성하기 위하여, 만충전된 배터리가 소정의 기간 동안 기준 온도 이상으로 유지된 경우에 한하여, 배터리의 내부 가스가 발생되는지, 발생된다면 어떠한 원인에 의해서 발생되는지를 판단할 수 있다.
이하에서는, 배터리 진단 장치(100)가 진단된 배터리의 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인에 따라 배터리의 상태를 진단하는 실시예에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 제어부(130)는, 상기 내부 가스 발생 정도 및 상기 내부 가스 발생 원인에 기반하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 제어부(130)에 의해 판단될 수 있는 배터리의 상태는 정상 상태, 제1 경고 상태 및 제2 경고 상태인 것으로 설명한다. 다만, 제어부(130)에 의해 판단될 수 있는 배터리의 상태는 배터리의 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인에 따라 보다 세분화될 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 산출된 배터리의 저항 변화율을 복수의 구간으로 구분된 기준 저항 범위와 비교하여 배터리의 내부 가스 발생 정도를 구체적으로 세분화하여 진단할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 산출된 배터리의 용량 변화율을 복수의 구간으로 구분된 기준 용량 범위와 비교하여 배터리의 내부 가스 발생 원인을 보다 구체적으로 세분화하여 진단할 수도 있다. 그리고, 세분화되어 진단된 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인에 의해 배터리의 상태는 보다 다양한 측면에서 구체적으로 진단될 수도 있음을 유의한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)에 의해 진단되는 배터리의 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 제어부(130)는, 상기 내부 가스가 상기 기준량 미만으로 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 상태를 정상 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
즉, 만충된 배터리가 소정의 기간 동안 기준 온도 이상의 상황에 놓여있더라도, 내부 가스가 기준량 미만으로 발생된 경우, 제어부(130)는 배터리의 상태를 정상 상태로 진단할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 이러한 배터리를 재사용이 가능한 배터리로 분류할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 상기 제어부(130)는, 상기 내부 가스가 상기 다른 원인에 의해 상기 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 상태를 제1 경고 상태로 진단하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 배터리를 재사용이 가능한 배터리로 분류할 수 있다.
이후, 제어부(130)는 제1 경고 상태로 진단된 배터리의 내부 가스 발생량을 감소시키기 위하여, 상기 배터리에 대한 상한 온도를 감소시키도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 경고 상태로 진단된 배터리는 허용 가능한 상한 온도가 감소되도록 제어부(130)에 의해 설정될 수 있다. 즉, 제1 경고 상태로 진단된 배터리가 재사용되는 경우, 해당 배터리에 대해 허용 가능한 상한 온도는 제어부(130)에 의해 설정된 온도로 제한될 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 상기 제어부(130)는, 상기 내부 가스가 상기 음극의 부반응에 의해 상기 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 상태를 제2 경고 상태로 진단하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 배터리를 재사용이 가능한 배터리로 분류할 수 있다.
이후, 제어부(130)는 제2 경고 상태로 진단된 배터리의 내부 가스 발생량을 감소시키기 위하여, 상기 배터리에 대한 상한 온도 및 상한 C-rate 중 적어도 하나를 감소시키도록 구성될 수 있다. 즉, 제2 경고 상태로 진단된 배터리는 허용 가능한 상한 온도 및 허용 가능한 상한 C-rate 중 적어도 하나가 감소되도록 제어부(130)에 의해 설정될 수 있다. 바람직하게, 제어부(130)는, 제2 경고 상태로 진단된 배터리의 내부 가스 발생량을 효과적으로 감소시키기 위하여, 상기 배터리에 대한 상한 온도 및 상한 C-rate를 모두 감소시킬 수 있다. 즉, 제2 경고 상태로 진단된 배터리가 재사용되는 경우, 해당 배터리에 대해 허용 가능한 상한 온도 및 상한 C-rate 중 적어도 하나는 제어부(130)에 의해 설정된 값으로 제한될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 내부 가스 발생 정도가 기준량 이상인 배터리의 상태를 경고 상태로 진단하고, 내부 가스 발생량을 감소시키기 위하여 상한 온도 및/또는 상한 C-rate를 감소시킬 수 있다.
정리하면, 제어부(130)는 정상 상태, 제1 경고 상태 또는 제2 경고 상태로 진단된 배터리를 재사용 가능한 배터리로 분류할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 제1 경고 상태 또는 제2 경고 상태로 진단된 배터리의 구동을 적절하게 제한함으로써, 재사용 시 배터리의 내부 가스 발생량을 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인에 기반하여, 재사용이 가능한지 여부에 초점을 맞춰 배터리의 상태를 진단할 수 있다. 또한, 재사용 시 내부 가스가 발생되는 것을 감소시키기 위하여, 각각의 배터리는 진단된 상태에 기반하여 구동이 제한될 수 있다. 따라서, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 재사용 여부를 판단할 수 있을 뿐만 아니라, 배터리가 보다 오래 사용될 수 있도록 적절한 제어 조건을 설정할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 진단 시스템(10)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 배터리 진단 시스템(10)은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100) 및 EIS부(200)를 포함할 수 있다.
EIS부(200)는 상기 배터리로 교류 전류를 출력하고, 상기 교류 전류의 출력 결과에 따라 상기 배터리의 임피던스를 실수부(Zre) 및 허수부(-Zim) 간의 대응관계로 나타내는 임피던스 프로파일을 생성하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, EIS부(200)는 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 실시하기 위한 구성일 수 있다. 따라서, EIS부(200)는 배터리에게 미소한 교류 전류를 인가하여 배터리의 임피던스를 계측하고, 임피던스를 실수부(Zre)와 허수부(-Zim) 간의 대응 관계를 나타내는 임피던스 프로파일을 생성할 수 있다.
예컨대, 배터리의 온도가 기준 온도 이상일 경우, EIS부(200)에 의해 측정되는 배터리의 임피던스는 온도의 영향으로 부정확할 수 있다. 따라서, EIS부(200)는 배터리의 온도가 상온과 비슷해졌을 때 배터리의 임피던스를 측정할 수 있다.
EIS부(200)는 생성된 임피던스 프로파일을 상기 배터리 진단 장치(100)로 출력하도록 구성될 수 있다.
예컨대, EIS부(200)는 생성한 임피던스 프로파일을 배터리 진단 장치(100)의 옴 저항 결정부(120)로 송신할 수 있다.
다른 예로, EIS부(200)는 생성한 임피던스 프로파일을 배터리 진단 장치(100)의 저장부(140)로 송신할 수 있다. 이 경우, 옴 저항 결정부(120)는 저장부(140)에 접근(Access)하여, EIS부(200)에 의해 생성된 임피던스 프로파일을 획득할 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 배터리 진단 시스템(10)은 히팅부(300) 및 충방전부(400)를 더 포함할 수 있다.
히팅부(300)는 상기 배터리의 온도가 기준 온도 이상이 되도록 상기 배터리의 온도를 상승시키도록 구성될 수 있다. 즉, 히팅부(300)는 배터리가 소정의 기간 동안 기준 온도 이상을 유지할 수 있도록 배터리의 온도를 상승 및 유지시킬 수 있다.
충방전부(400)는 배터리와 연결되어 배터리를 충전 또는 방전시키도록 구성될 수 있다.
예컨대, 충방전부(400)에 의해 배터리는 초기 시점에서 만충전될 수 있다. 그리고, 소정의 기간 동안 히팅부(300)에 의해 배터리의 온도가 기준 온도 이상으로 유지될 수 있다. 소정의 기간이 경과한 후인 제1 시점에서 충방전부(400)는 배터리를 다시 만충전할 수 있다. 즉, 제1 시점에서 배터리의 SOC는 100%일 수 있다. 그리고, 제1 시점 이후의 제2 시점에서 충방전부(400)는 배터리를 만방전할 수 있다. 즉, 제2 시점에서 배터리의 SOC는 0%일 수 있다. 측정부(110)는 제1 시점에서부터 제2 시점까지 배터리의 방전 용량을 측정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 배터리의 내부 가스 발생 정도, 내부 가스 발생 원인 및 상태를 진단할 수 있다.
따라서, 배터리 진단 시스템(10)은 배터리의 내부 가스가 발생될 수 있는 시험 조건을 충족시킴으로써, 배터리의 재사용 가능 여부를 진단할 수 있는 장점이 있다.
한편, 배터리의 내부 가스가 기준량 이상 발생한 것으로 판단되고, 내부 가스의 발생 원인이 음극의 부반응 이외의 다른 원인으로 진단되는 것을 대비하여, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 내부 가스 발생 원인을 구체적으로 진단하기 위하여 추가 진단을 수행할 수 있다. 즉, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 상태가 제1 경고 상태로 판단되는 것을 대비하여, 배터리의 내부 가스 발생 원인을 구체적으로 진단하기 위하여 추가 진단을 수행할 수 있다.
측정부(110)는 배터리의 전압을 더 측정하도록 구성될 수 있다. 바람직하게, 측정부(110)는 소정의 기간 동안 기준 온도 이상으로 유지된 배터리의 전압을 측정할 수 있다. 보다 바람직하게, 측정부(110)는 배터리의 개방 전압(Open circuit voltage, OCV)을 측정할 수 있다.
제어부(130)는 상기 측정부(110)에 의해 측정된 배터리의 전압과 참조 전압을 비교하여 전압 변화량을 산출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 참조 전압은 BOL 상태의 배터리에 대해서 미리 측정된 전압값일 수 있다. 보다 바람직하게, 참조 전압은 BOL 상태의 배터리의 SOC가 100%일 때 측정된 개방 전압값일 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 참조 전압과 측정된 배터리의 전압 간의 차이를 계산하여, 배터리에 대한 전압 변화량을 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 "참조 전압 - 측정된 배터리의 전압"의 수식을 계산하여, 배터리에 대한 전압 변화량을 산출할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 산출된 전압 변화량이 기준 전압 변화량 이상이면, 배터리의 내부 가스 발생 원인을 양극의 부반응으로 판단하도록 구성될 수 있다.
또한, 제어부(130)는 배터리의 내부 가스가 양극의 부반응에 의해 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단된 경우, 배터리의 상태를 제3 경고 상태로 진단하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 배터리를 재사용이 가능한 배터리로 분류할 수 있다.
이후, 제어부(130)는 제3 경고 상태로 진단된 배터리의 내부 가스 발생량을 감소시키기 위해, 배터리에 대한 상한 온도 및 상한 SOC 중 적어도 하나를 감소시키도록 구성될 수 있다. 즉, 제3 경고 상태로 진단된 배터리는 허용 가능한 상한 온도 및 상한 SOC 중 적어도 하나가 감소되도록 제어부(130)에 의해 설정될 수 있다. 즉, 제3 경고 상태로 진단된 배터리가 재사용되는 경우, 해당 배터리에 대해 허용 가능한 상한 온도 및/또는 상한 SOC는 제어부(130)에 의해 설정된 값으로 제한될 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.
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 배터리를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 배터리 팩(1)에는 배터리 진단 장치(100), EIS부(200), 히팅부(300) 및 충방전부(400)가 구비될 수 있다. 즉, 배터리 팩(1)에는 배터리 진단 시스템(10)이 포함될 수 있다.
예컨대, 도 7의 실시예에서, 배터리 진단 장치(100)는 제1 내지 제4 센싱 라인(SL1 내지 SL4)과 연결될 수 있다. 바람직하게, 제1 내지 제4 센싱 라인(SL1 내지 SL4)은 배터리 진단 장치(100)의 측정부(110)와 연결될 수 있다.
측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(B)의 온도를 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)는 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 양극 방전 용량을 측정하고, 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 배터리(B)의 음극 방전 용량을 측정할 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 측정된 배터리(B)의 양극 방전 용량과 음극 방전 용량 간의 차이를 산출하여, 배터리(B)의 방전 용량을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)는 제4 센싱 라인(SL4)을 통해 전류 측정 소자(A)와 연결될 수 있다. 여기서, 전류 측정 소자(A)는 전류계 또는 션트 저항일 수 있다. 따라서, 측정부(110)는 제4 센싱 라인(SL4)을 통해 배터리(B)의 전류를 측정할 수 있다. 도 7에서는 바람직한 실시예로써 전류 측정 소자(A)가 배터리(B)의 음극과 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 구비된 실시예를 도시하였으나, 전류 측정 소자(A)는 배터리(B)의 양극과 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에도 구비될 수 있음을 유의한다.
EIS부(200)는 일단이 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 배터리(B)의 양극 사이에 연결되고, 타단이 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)와 배터리(B)의 음극 사이에 연결될 수 있다. 그리고, EIS부(200)는 미소한 교류 전류를 출력한 후 배터리(B)의 임피던스를 측정할 수 있다. 이후, EIS부(200)는 배터리(B)의 임피던스 프로파일을 생성하여 배터리 진단 장치(100)에게 송신할 수 있다.
히팅부(300)의 일단은 배터리(B)의 양극에 연결되고, 타단은 배터리(B)의 음극에 연결될 수 있다. 그리고, 히팅부(300)의 동작은 배터리 진단 장치(100)(특히, 제어부(130))에 의해 제어되고, 히팅부(300)가 동작되면 배터리(B)의 온도가 상승될 수 있다.
충방전부(400)의 일단은 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)에 연결되고, 타단은 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 충방전부(400)는 히팅부(300)와 마찬가지로, 일단이 배터리(B)의 양극에 직접 연결되고, 타단이 배터리(B)의 음극에 직접 연결될 수도 있다. 충방전부(400)의 동작은 배터리 진단 장치(100)(특히, 제어부(130))에 의해 제어되고, 충방전부(400)가 동작되면 배터리(B)가 충전 또는 방전될 수 있다.
예컨대, 충방전부(400)에 의해 배터리(B)는 만충전될 수 있다. 그리고, 히팅부(300)에 의해 배터리(B)의 온도가 기준 온도 이상으로 소정의 기간 동안 유지될 수 있다. 이후, 배터리 진단 장치(100)에 의해 배터리(B)의 내부 가스 발생 정도, 내부 가스 발생 원인 및 상태가 진단될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
여기서, 배터리 진단 방법의 각 단계는 배터리 진단 장치(100)에 의해서 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 간략히 설명하거나 생략한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법은 온도 측정 단계(S100), 옴 저항 결정 단계(S200), 방전 용량 측정 단계(S300), 용량 변화율 산출 단계(S400), 저항 변화율 산출 단계(S500), 내부 가스 발생 정도 판단 단계(S600), 및 내부 가스 발생 원인 판단 단계(S700)를 포함한다.
온도 측정 단계(S100)는 배터리의 온도를 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 1 및 7을 참조하면, 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리와 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리의 온도를 측정할 수 있다.
옴 저항 결정 단계(S200)는 상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 옴 저항을 결정하는 단계로서, 옴 저항 결정부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 옴 저항 결정부(120)는 외부로부터 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일을 직접 수신하거나, 저장부(140)에 접근하여 저장부(140)에 저장된 상기 임피던스 프로파일을 획득할 수 있다. 그리고, 옴 저항 결정부(120)는 임피던스 프로파일에서 배터리의 옴 저항을 결정할 수 있다.
바람직하게, 옴 저항 결정부(120)는 측정부(110)에 의해 측정된 배터리의 온도가 기준 온도 이상이고, 이러한 상태가 소정의 기간 동안 유지된 배터리에 대해서만 옴 저항을 결정할 수 있다.
방전 용량 측정 단계(S300)는 상기 배터리의 방전 용량을 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
바람직하게, 소정의 기간 동안 기준 온도 이상의 온도로 유지된 배터리는, 상기 소정의 기간이 경과한 후 다시 만충전될 수 있다. 이후, 만충전된 배터리는 만방전될 수 있다. 측정부(110)는 만충전된 배터리가 만방전되는 과정에서, 배터리의 방전 용량을 측정할 수 있다.
예컨대, 도 1 및 도 7을 참조하면, 측정부(110)는 제4 센싱 라인(SL4)을 통해 전류 측정 소자(A)와 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 전류 측정 소자(A)를 통해 배터리의 방전 용량을 측정할 수 있다.
용량 변화율 산출 단계(S400)는 상기 방전 용량 측정 단계(S300)에서 측정된 배터리의 방전 용량과 참조 용량을 비교하여 용량 변화율을 산출하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 "(참조 용량 - 측정된 배터리의 방전 용량)÷참조 용량×100"의 수식을 계산하여, 배터리의 용량 변화율을 산출할 수 있다.
저항 변화율 산출 단계(S500)는 상기 옴 저항 결정 단계(S200)에서 결정된 옴 저항과 참조 저항을 비교하여 저항 변화율을 산출하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 "(결정된 옴 저항 - 참조 저항)÷참조 저항×100"의 수식을 계산하여, 배터리의 저항 변화율을 산출할 수 있다.
내부 가스 발생 정도 판단 단계(S600)는 산출된 저항 변화율과 기준 저항 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 정도를 판단하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 산출된 저항 변화율이 기준 저항 변화율 이상이면, 제어부(130)는 배터리의 내부 가스가 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단할 수 있다. 반대로, 산출된 저항 변화율이 기준 저항 변화율 미만이면, 제어부(130)는 배터리의 내부 가스가 기준량 미만으로 발생된 것으로 판단할 수 있다.
내부 가스 발생 원인 판단 단계(S700)는 산출된 용량 변화율과 기준 용량 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 원인을 판단하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 산출된 용량 변화율이 기준 용량 변화율 이상이면, 제어부(130)는 배터리의 내부 가스가 배터리의 음극의 부반응에 의해 발생된 것으로 판단할 수 있다. 반대로, 산출된 용량 변화율이 기준 용량 변화율 미만이면, 제어부(130)는 배터리의 내부 가스가 배터리의 음극의 부반응 외의 다른 원인에 의해 발생된 것으로 판단할 수 있다.
나아가, 도 8에는 미도시되었으나, 배터리 진단 방법은 내부 가스 발생 원인 판단(S700) 단계 이후, 배터리 상태 진단 단계를 더 포함할 수 있다.
배터리 상태 진단 단계는 상기 내부 가스 발생 정도 및 상기 내부 가스 발생 원인에 기반하여 상기 배터리의 상태를 진단하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어부(130)는 내부 가스 발생 정도 및 내부 가스 발생 원인에 기반하여 배터리의 상태를 정상 상태, 제1 경고 상태 또는 제2 경고 상태로 진단할 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 정상 상태, 제1 경고 상태 또는 제2 경고 상태로 진단된 배터리를 재사용 가능한 배터리로 분류할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 제1 경고 상태 또는 제2 경고 상태로 진단된 배터리의 구동을 적절하게 제한함으로써, 재사용 시 배터리의 내부 가스 발생량을 감소시킬 수 있다.
또한, 배터리 상태 진단 단계 이후, 배터리가 제1 경고 상태로 판단된 경우에 한하여 배터리의 내부 가스 발생 원인을 보다 구체적으로 확인하기 위한 추가 진단 단계가 수행될 수 있다.
추가 진단 단계는 배터리의 내부 가스 발생 원인이 양극의 부반응에 의한 것인지를 진단하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 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.
1: 배터리 팩
10: 배터리 진단 시스템
100: 배터리 진단 장치
110: 측정부
120: 옴 저항 결정부
130: 제어부
140: 저장부
200: EIS부
300: 히팅부
400: 충방전부

Claims (13)

  1. 배터리의 방전 용량 및 온도를 측정하도록 구성된 측정부;
    상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 옴 저항을 결정하도록 구성된 옴 저항 결정부; 및
    상기 측정부에 의해 측정된 배터리의 방전 용량과 참조 용량을 비교하여 용량 변화율을 산출하고, 상기 옴 저항 결정부에 의해 결정된 옴 저항과 참조 저항을 비교하여 저항 변화율을 산출하며, 산출된 저항 변화율과 기준 저항 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 정도를 판단하고, 산출된 용량 변화율과 기준 용량 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 원인을 판단하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 옴 저항 결정부는,
    상기 측정부에 의해 측정된 상기 배터리의 온도가 소정의 기간 동안 기준 온도 이상인 경우, 상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 옴 저항을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 소정의 기간 동안 상기 기준 온도 이상으로 유지된 후 제1 시점에서 만충전되고, 상기 제1 시점에서 만충전된 후 제2 시점에서 만방전되도록 구성되고,
    상기 측정부는,
    상기 제1 시점에서 만충전된 배터리가 상기 제2 시점에서 만방전될 때까지의 상기 배터리의 방전 용량을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 저항 변화율이 상기 기준 저항 변화율 이상이면, 상기 배터리의 내부 가스가 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단하고,
    상기 산출된 저항 변화율이 상기 기준 저항 변화율 미만이면, 상기 배터리의 내부 가스가 상기 기준량 미만으로 발생된 것으로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 용량 변화율이 상기 기준 용량 변화율 이상이면, 상기 내부 가스 발생 원인을 상기 배터리의 음극의 부반응으로 판단하고,
    상기 산출된 용량 변화율이 상기 기준 용량 변화율 미만이면, 상기 내부 가스 발생 원인을 상기 음극의 부반응 외의 다른 원인으로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 내부 가스 발생 정도 및 상기 내부 가스 발생 원인에 기반하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 내부 가스가 상기 기준량 미만으로 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 상태를 정상 상태로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 내부 가스가 상기 다른 원인에 의해 상기 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 상태를 제1 경고 상태로 진단하고, 상기 배터리에 대한 상한 온도를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 내부 가스가 상기 음극의 부반응에 의해 상기 기준량 이상으로 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 상태를 제2 경고 상태로 진단하고, 상기 배터리에 대한 상한 온도 및 상한 C-rate 중 적어도 하나를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치; 및
    상기 배터리로 교류 전류를 출력하고, 상기 교류 전류의 출력 결과에 따라 상기 배터리의 임피던스를 실수부 및 허수부 간의 대응관계로 나타내는 임피던스 프로파일을 생성하며, 생성된 임피던스 프로파일을 상기 배터리 진단 장치로 출력하도록 구성된 EIS부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리의 온도가 기준 온도 이상이 되도록 상기 배터리의 온도를 상승시키도록 구성된 히팅부; 및
    상기 배터리를 충전 및 방전시키도록 구성된 충방전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 시스템.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  13. 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정 단계;
    상기 배터리에 대해 생성된 임피던스 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 옴 저항을 결정하는 옴 저항 결정 단계;
    상기 배터리의 방전 용량을 측정하는 방전 용량 측정 단계;
    상기 측정 단계에서 측정된 배터리의 방전 용량과 참조 용량을 비교하여 용량 변화율을 산출하는 용량 변화율 산출 단계;
    상기 옴 저항 결정 단계에서 결정된 옴 저항과 참조 저항을 비교하여 저항 변화율을 산출하는 저항 변화율 산출 단계;
    산출된 저항 변화율과 기준 저항 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 정도를 판단하는 내부 가스 발생 정도 판단 단계; 및
    산출된 용량 변화율과 기준 용량 변화율 간의 크기 비교를 통해 상기 배터리의 내부 가스 발생 원인을 판단하는 내부 가스 발생 원인 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
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