KR20220102454A - 배터리 시스템 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀 중 불량 배터리 셀을 조기에 효과적으로 진단할 수 있는 배터리 시스템 진단 기술을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 장치로서, 다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하도록 구성된 셀 측정부; 및 상기 셀 측정부에 의해 측정된 전압 또는 전류를 이용하여 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하고, 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하도록 구성된 프로세서를 포함한다.

Description

배터리 시스템 진단 장치 및 방법{Apparatus and method for diagnosing battery system}
본 발명은 배터리 진단 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 배터리 셀이 포함된 배터리 시스템에서, 불량 배터리 셀을 진단하는 배터리 진단 기술에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 더욱 널리 이용되는 추세에 있다.
파우치형 이차 전지는 일반적으로 전극 조립체가 파우치 외장재에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 파우치 외장재가 실링되는 과정을 통해 제조될 수 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지(1)는, 전극 조립체(20)와 상기 전극 조립체(20)를 수용하는 파우치 외장재(30)로 이루어질 수 있다.
여기서, 전극 조립체(20)는, 양극판과 음극판, 그리고 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 기본 구조로 가지며, 파우치 외장재(30)에 형성된 내부 공간(I)에 수용될 수 있다. 이때, 파우치 외장재(30)는 상부 파우치(31)와 하부 파우치(32)로 형성될 수 있으며, 이러한 상부 파우치(31)와 하부 파우치(32)의 외주면에는 실링부(S)가 구비되어 이러한 실링부(S)가 서로 접착됨으로써 전극 조립체(20)가 수용된 내부 공간(I)은 밀폐될 수 있다.
여기서, 양극판과 음극판으로부터는, 각각 하나 이상의 양극 탭(11)과 음극 탭(12)이 연장될 수 있다. 그리고, 이러한 양극 탭(11)과 음극 탭(12)은 각각 플레이트 형태의 전극 리드, 즉 플레이트 형태의 양극 리드(41) 및 플레이트 형태의 음극 리드(42)와 결합될 수 있다. 그리고, 양극 리드(41)와 음극 리드(42)의 일부는 파우치 외장재(30)의 외부로 노출됨으로써, 이차 전지의 외부 구성, 이를테면 다른 이차 전지나 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있도록 전극 단자가 제공될 수 있다.
이차 전지의 적용 영역이 확대되면서, 최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)과 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치의 경우, 출력이나 용량을 증대시키기 위해, 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 형태로 연결될 수 있다. 특히, 전력 저장 시스템의 경우, 매우 많은 수의 이차 전지가 포함될 수 있다. 예를 들어, 전력 저장 시스템에는 다수의 배터리 랙이 포함될 수 있으며, 각 배터리 랙은 랙 프레임에 다수의 배터리 모듈이 수납된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 각 배터리 모듈에는 여러 이차 전지가 포함될 수 있으며, 각 이차 전지는 배터리 셀로 지칭될 수 있다. 따라서, 전력 저장 시스템에는 매우 많은 수, 이를테면 수천 내지 수만 개의 배터리 셀이 포함될 수 있다.
이러한 배터리 시스템의 경우, 각 배터리 셀의 상태를 진단하는 것은 매우 중요하다. 그러나, 내부에 포함된 배터리 셀의 수가 많을수록, 특정 배터리 셀에 대한 상태를 진단하고, 불량이 있는 배터리 셀을 검출하는 것은 쉽지 않다. 더욱이, 배터리 셀에 대한 고장 발생 유형은 매우 다양하게 존재할 수 있다. 예를 들어, 외장재 파손, 세퍼레이터 손상, 금속 이물 형성, 전해액 누액, 탭 불량 등 여러 문제가 배터리 셀에 발생할 수 있다. 그 중, 탭 불량은, 배터리 셀 내부에 존재하는 하나 이상의 양극 탭(11)이나 음극 탭(12), 즉 전극 탭(10)이 끊어지거나 접촉 이상 등이 발생하는 경우의 불량 유형이라 할 수 있다. 이러한 탭 불량이 발생하면, 해당 배터리 셀의 성능이 저하되거나 고장이 발생함은 물론이고, 이로 인해 배터리 시스템 전체의 성능 및 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 뿐만 아니라, 특정 배터리 셀에서 탭 불량과 같은 문제가 발생하는 경우, 해당 배터리 셀이 발화되어, 배터리 시스템 전체에 화재를 발생시킬 수도 있다.
따라서, 배터리 시스템에 포함된 많은 수의 배터리 셀 중에서 문제가 발생한 배터리 셀이 무엇인지, 그리고 어떠한 형태의 불량이 발생하였는지를 파악하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. 특히, 불량 셀이 발생한 경우, 그러한 불량 셀을 조기에 진단하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 아직까지 이러한 불량 배터리 셀 진단, 더 나아가 구체적인 불량 유형까지 조기에 진단하는 효과적인 방안이 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀 중 불량 배터리 셀을 조기에 효과적으로 진단할 수 있는 배터리 시스템 진단 장치와 방법, 그리고 배터리 시스템 진단 장치를 포함하는 배터리 시스템 등을 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 장치로서, 다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하도록 구성된 셀 측정부; 및 상기 셀 측정부에 의해 측정된 전압 또는 전류를 이용하여 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하고, 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
여기서, 상기 프로세서는, SOH 연산값과 임계값을 비교하여, 상기 전극 탭의 불량으로서, 단선 불량과 불완전 접촉 불량을 구분하여 검출 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, SOH 연산값이 임계값 이하인 경우가 제1 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, SOH 연산값의 임계값에 대한 상하 방향 전환 횟수가 제2 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 상하 방향 전환 횟수의 증감 여부를 파악하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 임계값은, 상기 다수의 배터리 셀 중 적어도 일부 배터리 셀의 SOH에 기초하여 설정될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 각 배터리 셀에 대한 충전 과정과 방전 과정을 구분하여, 불량 배터리 셀을 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 각 배터리 셀에 대하여 SOH를 연산하기 위한 전제 조건을 설정하되, 충전 과정용 전제 조건과 방전 과정용 전제 조건을 서로 다르게 설정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 시스템 진단 방법은, 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 방법으로서, 다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하는 단계; 상기 측정 단계에서 측정된 전압 또는 전류를 이용하여, 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하는 단계; 및 상기 연산 단계에서 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 다수의 배터리 셀이 포함된 배터리 시스템에서, 불량 배터리 셀을 효과적으로 진단할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 내부 구성 중 전극 탭에 문제가 발생한 배터리 셀을 신속하게 검출할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극 탭에 어떠한 문제가 발생하였는지 그 유형까지 구체적으로 분류할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 불량 배터리 셀, 특히 전극 탭에 이상이 발생한 배터리 셀에 대하여, 분리나 수리, 교체 등의 적절한 후속 조치가 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 배터리 셀의 불량 유형에 대한 구체적인 정보를 획득할 수 있으므로, 획득된 정보에 기반하여 배터리 셀 제조 공정이 적절하게 수정되도록 할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 배터리 셀의 불량률을 보다 낮출 수 있다.
이 밖에도, 본 발명은, 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 효과들에 대해서는 이하에서 보다 상세하게 설명될 수 있다. 또한, 각 구성과 관련하여, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 효과에 대해서는, 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 일반적인 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는, 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 어느 하나의 배터리 셀에 대하여 연산된 SOH와 그와 비교되는 임계값을 함께 나타낸 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 다른 하나의 배터리 셀에 대하여 연산된 SOH와 그와 비교되는 임계값을 함께 나타낸 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 또 다른 하나의 배터리 셀에 대하여 연산된 SOH를 나타낸 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템에 포함된 여러 배터리 셀에 대한 SOH 연산값을 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
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 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템에는, 다수의 배터리 셀(1)이 포함될 수 있다. 여기서, 배터리 셀(1)은, 하나의 이차 전지를 의미할 수 있다. 이러한 이차 전지는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전극 조립체(20)가 파우치 외장재(30)에 수납된 형태의 파우치형 이차 전지일 수도 있고, 전극 조립체가 원통형이나 각형 금속 캔에 수납된 형태의 캔형 이차 전지일 수도 있다. 본 발명의 배터리 시스템 진단 장치가 진단하는 배터리 셀(1)은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 이차 전지가 그 대상이 될 수 있다.
특히, 배터리 셀(1)은, 내부에 전극 탭(10)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바를 참조하면, 배터리 셀(1)의 전극 조립체(20)에는 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 포함될 수 있다. 그리고, 각각의 양극판과 음극판에는 양극 탭(11)과 음극 탭(12)이 각각 구비되어 있으며, 양극 탭(11)은 양극 리드(41)에 연결되고, 음극 탭(12)은 음극 리드(42)에 연결될 수 있다. 이는 본 발명의 출원 시점에 널리 알려진 내용이므로, 이러한 배터리 셀(1)의 내부 구성에 대해서는 보다 상세한 설명을 생략한다.
배터리 시스템에는 이러한 이차 전지(배터리 셀(1))가 다수 포함될 수 있다. 즉, 배터리 시스템은, 다수의 배터리 셀(1)을 포함하는 시스템으로서, 전력을 충전 및 방전하도록 구성된 시스템을 의미할 수 있다. 이러한 배터리 시스템에는, 배터리 모듈, 배터리 팩, 배터리 랙, 전력 저장 시스템(ESS) 등 다양한 형태의 시스템이 포함될 수 있다. 특히, 배터리 시스템에서 다수의 이차 전지는, 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 이와 같이 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀(1)을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 장치라 할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 셀 측정부(100) 및 프로세서(200)를 포함할 수 있다.
상기 셀 측정부(100)는, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 셀 측정부(100)는, 전압 센서를 구비하여, 배터리 시스템에 포함된 각 배터리 셀(1)의 양단 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 셀 측정부(100)는, 전류 센서를 구비하여, 각 배터리 셀(1)에 흐르는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 셀 측정부(100)는, 각 배터리 셀(1)의 전압이나 전류 중 하나만 측정할 수도 있고, 각 배터리 셀(1)의 전압과 전류를 모두 측정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 셀 측정부(100)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 전압이나 전류 이외에 다른 배터리 특성, 이를테면 배터리 셀(1)에 대한 온도, 충전 시간, 방전 시간, 또는 충방전 사이클 횟수 등을 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 셀 측정부(100)는, 배터리 시스템에 포함된 모든 배터리 셀(1)에 대한 특성, 이를테면 모든 배터리 셀(1)의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니며, 셀 측정부(100)는, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1) 중 일부 배터리 셀(1)에 대해서만 전압 또는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 전지 측정 장치를 본 발명의 셀 측정부(100)로 채용할 수 있다. 따라서, 이러한 셀 측정부(100)에 대한 보다 상세한 설명을 생략한다.
상기 프로세서(200)는, 상기 셀 측정부(100)와 전기적으로 연결되어, 상기 셀 측정부(100)로부터 측정된 데이터를 전송받을 수 있다. 특히, 셀 측정부(100)는 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대한 전압 또는 전류를 측정할 수 있기 때문에, 상기 프로세서(200)는 이와 같이 각 배터리 셀(1)에 대하여 측정된 전압 또는 전류에 대한 정보를 셀 측정부(100)로부터 전송받을 수 있다.
그리고, 상기 프로세서(200)는, 이와 같이 전송된 각 배터리 셀(1)의 전압 측정값 또는 전류 측정값을 이용하여, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH를 연산할 수 있다. 여기서, 각 배터리 셀(1)의 SOH는, 건강 상태(State Of Health)를 의미하는 것으로서, 배터리 셀(1)의 전압이나 전류로부터 연산될 수 있다. 이러한 SOH 계산 방식은, 본 발명의 출원 시점에 다양한 형태로 널리 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치에서, 상기 프로세서(200)는, SOH를 계산하기 위해, 본 발명의 출원 시점에 공지된 SOH 연산 방식을 채용할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여 SOH를 복수 회 연산할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여 매일, 매주, 또는 매달 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 프로세는, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 사이클 수가 소정 횟수만큼 증가할 때마다 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 일례로 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 사이클 수가 10회 증가할 때마다 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)마다 시간 경과에 따른 SOH 연산 결과를 획득하므로, 각 배터리 셀(1)마다 복수의 SOH 연산 결과를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 각각의 배터리 셀(1)마다, 소정 기간 동안 50회의 SOH 연산 결과를 가질 수 있다.
그리고, 상기 프로세서(200)는, 복수 회 연산된 각 배터리 셀(1)의 SOH에 기초하여 불량이 발생한 배터리 셀(1)을 검출하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 각각의 배터리 셀(1)마다 복수의 SOH 연산 결과를 획득하고, 각각 획득된 복수의 SOH 연산 결과를 이용하여, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1) 중 어느 배터리 셀(1)에 문제가 있는지 검출하도록 구성될 수 있다.
특히, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH 연산 결과를 이용하여, 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀(1)을 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템에 다수의 배터리 셀(1)이 포함된 경우, 상기 프로세서(200)는, 다수의 배터리 셀(1) 중 어느 배터리 셀(1)이 전극 탭에 불량이 발생하였는지 진단할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 각 배터리 셀(1)의 SOH를 이용하여 불량 배터리 셀을 조기에 진단할 수 있다. 특히, 상기 구성에 의하면, 전극 탭(10)에 불량이 발생한 배터리 셀(1)을 조기에 정확하게 검출할 수 있다. 따라서, 전극 탭(10)의 불량으로 인한 문제, 이를테면 배터리 시스템의 전반적인 성능 저하나 고장, 화재 발생 등의 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 것으로서, 중앙 처리 장치(CPU), ASIC(application-specific integrated circuit), 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함하거나 이들 용어로 표현될 수 있다. 또한, 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 프로세서(200)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 내장 메모리 또는 외부의 메모리부(400) 등에 저장되고, 프로세서(200)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리부(400)는, 프로세서(200)의 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서(200)와 연결될 수 있다.
특히, 배터리 시스템에 MCU(Micro Controller Unit) 내지 BMS(Battery Management System)와 같은 용어로 지칭되는 제어 장치가 포함되는 경우, 상기 프로세서(200)는, 이러한 MCU나 BMS 등의 구성요소에 의해 구현될 수도 있다.
한편, 본 명세서에서, 상기 프로세서(200) 등의 동작이나 기능에 대한 '~한다' 또는 '~되도록 구성된다'는 등의 용어들은, '~되도록 프로그래밍된다'는 의미를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 알림부(300)를 더 포함할 수 있다.
상기 알림부(300)는, 프로세서(200)에 의한 검출 결과를, 사용자 등에게 전달하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 알림부(300)는, 디스플레이 모니터, 스피커, 경고 램프 등의 구성을 포함하여, 사용자에게 불량 셀 검출 결과를 시각, 청각 등의 다양한 방식으로 표시할 수 있다. 특히, 상기 알림부(300)는, 배터리 시스템에 포함된 복수의 배터리 셀(1) 중 어느 배터리 셀(1)에 탭 불량이 발생하였는지에 대한 정보, 이를테면 불량 배터리 셀의 식별 정보나 위치 정보 등을 사용자에게 전달하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 알림부(300)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 유선 또는 무선 통신망에 접속되어, 사용자의 휴대 단말이나 외부의 서버 등에 접속될 수 있다. 이 경우, 상기 알림부(300)는, 통신망을 통해, 불량 셀 검출 정보를 휴대 단말이나 서버 등으로 전송할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 메모리부(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 메모리부(400)는 셀 측정부(100)나 프로세서(200)가 그 기능을 수행하는데 필요한 프로그램 및 데이터 등을 저장할 수 있다. 즉, 메모리부(400)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 적어도 일부 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램, 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 예를 들어, 상기 메모리부(400)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여 측정된 다수의 SOH 연산값을 시간 별로 저장할 수 있다.
상기 메모리부(400)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, 메모리부(400)는 셀 측정부(100) 및/또는 프로세서(200)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, SOH 연산값과 임계값을 비교하도록 구성될 수 있다. 여기서, 임계값은, SOH 연산값과 비교되기 위한 값으로서, 해당 배터리 셀(1)의 SOH 연산값이 정상인지 여부를 판별하는 기준이 되는 값일 수 있다. 특히, 임계값은, 해당 배터리 셀(1)에 전극 탭 불량이 발생하였는지를 구별할 수 있는 SOH 값이라 할 수 있다. 이러한 임계값은, 특정 수치로 표현될 수도 있고, 특정 범위로 표현될 수도 있다.
상기 임계값은, 프로세서(200)가 이용할 수 있도록, 프로세서(200) 자체 또는 메모리부(400) 등에 미리 저장될 수 있다.
또한, 상기 임계값은, 시간 경과에 따라 복수로 설정될 수 있다. 즉, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH는 시간 경과에 따라 복수 회 연산되는데, 이와 같이 연산된 SOH 각각에 대하여 그에 대응되는 임계값이 각각 설정될 수 있다. 예를 들어, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 1월, 2월, 3월, ...과 같이 매달 SOH가 연산되는 경우, 임계값 역시 1월 임계값, 2월 임계값, 3월 임계값, ...과 같이 매달 설정될 수 있다. 이때, 각각의 임계값들은 서로 다르게 설정될 수 있으나, 적어도 일부 임계값들은 서로 동일하게 설정될 수도 있다.
상기 프로세서(200)는, 이러한 SOH 연산값과 임계값의 비교 결과를 기초로, 전극 탭의 불량을 진단할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 전극 탭의 불량이 단선 불량인지, 또는 불완전 접촉 불량인지를 구분하여 검출 가능하도록 구성될 수 있다. 여기서, 단선 불량이란, 배터리 셀(1)에 포함된 하나 또는 그 이상의 전극 탭(10)이 특정 부분에서 완전히 끊어진 상태를 의미할 수 있다. 예를 들어, 10개의 전극 탭(10)을 포함하는 배터리 셀(1)에 있어서, 적어도 1개의 전극 탭(10)이 완전히 끊어진 상태의 불량이 단선 불량일 수 있다. 불완전 접촉 불량이란, 배터리 셀(1)에 포함된 하나 또는 그 이상의 전극 탭(10)이 특정 부분에서 끊어졌다가 접촉되는 현상이 반복적으로 일어나는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 적어도 1개의 전극 탭(10)에 절단된 부분이 존재하되, 절단된 부분에서 간헐적으로 접촉이 일어나는 경우, 불완전 접촉 불량이라 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, SOH 연산값을 이용하여 배터리 셀(1)의 내부 전극 탭 불량을 검출하되, 전극 탭 불량의 유형까지도 구체적으로 구분하여 진단될 수 있다. 따라서, 이 경우, 전극 탭 불량의 유형에 따라 보다 적절한 조치가 취해지도록 할 수 있다.
특히, 불완전 접촉 불량의 경우, 전극 탭(10)의 절단 부분이 붙었다가 떨어지는 과정이 반복되는 것이므로, 전극 탭(10)이나 배터리 셀(1)에 물리적인 외력이 가해진다고 예측될 수도 있다. 따라서, 이 경우, 해당 배터리 셀(1)에 가해지는 외력에 대하여 보다 적절한 조치가 취해지도록 할 수 있다. 예를 들어, 불완전 접촉 불량이 발생한 배터리 셀(1)이 존재하는 경우, 알림부(300)를 통해 사용자에게 해당 상황을 전달할 수 있다. 이때 사용자는, 외력의 원인을 파악하고, 그러한 외력의 원인을 제거하는 적절한 조치, 이를테면 배터리 시스템 정지나 랙 프레임 고정력 향상 등 후속 조치를 취할 수 있다.
상기 실시 구성에서, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값이 임계값 이하인 경우가 제1 기준 횟수 이상으로 지속되는지 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, SOH 연산값이 임계값 이하인 경우가 제1 기준 횟수 이상으로 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(200)에 의해 어느 하나의 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH와 그와 비교되는 임계값을 함께 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 소정 기간, 즉 d1부터 d2 사이의 기간 동안, 특정 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH를 나타내는 그래프가 B1으로 표시되어 있다. 특히, 그래프 B1에서 d1부터 d2 사이의 기간 동안 연산된 SOH 값은 포인트로 표시되어 있고, 각 포인트 사이는 선으로 연결되어 있다.
또한, 도 4에는 SOH 연산값(B1)과 비교되기 위한 임계값이 A1으로 표시되어 있다. 특히, 임계값 A1은 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 SOH 연산값들과 비교될 수 있도록, d1 내지 d2의 기간 동안 각 SOH 연산값들에 대응되도록 설정될 수 있다. 더욱이, 임계값 A1은, d1부터 d2 사이의 기간 동안, 일정하게 유지되지 않고, 변화되도록 구성될 수 있다. 즉, SOH의 각 연산 회차에 대응되는 임계값은 서로 다르게 구성될 수 있다.
이러한 실시예에서, 상기 프로세서(200)는, 연산된 SOH(B1)가 임계값(A1) 이하인지 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 부분이 있다면, 임계값(A1) 이하인 횟수가 일정 횟수(제1 기준 횟수) 이상 지속되는지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 제1 기준 횟수는, 배터리 셀(1)의 스펙이나 배터리 시스템의 운용 상황 등 다양한 요인에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 이러한 제1 기준 횟수는, 미리 설정되어 메모리부(400)나 프로세서(200) 등에 저장될 수 있다. 일례로, 제1 기준 횟수는, 5회로 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 횟수가 5회 이상 지속되는 경우가 있는지 여부를 판단할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 4에 도시된 바를 참조하면, d1부터 d2까지 시간이 경과하는 동안, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분을 파악할 수 있다. 이때, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분 중 연속하는 부분으로서, e1 부분, e2 부분 및 e3 부분을 추출할 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이와 같이 추출된 각 부분 중, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 제1 기준 횟수 이상 지속되는지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 기준 횟수가 5회로 설정된 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 5회 이상 지속되는 부분을 파악할 수 있다.
도 4에서는, e1 부분의 경우 SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 1회만 지속되고, e2 부분의 경우 SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 2회만 지속되는 형태로 표시되어 있다. 따라서, 프로세서(200)는, e1 부분이나 e2 부분이 파악된 상태에서는 배터리 셀(1)에 전극 탭 불량이 발생한 것으로 판단하지 않을 수 있다. 그러나, e3 부분의 경우 SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 5회 이상 지속되고 있다. 따라서, 프로세서(200)는, e3 부분이 파악된 상태에서는 배터리 셀(1)에 전극 탭 불량이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, e3 부분이 시작되는 최초 시점(da)부터 해당 배터리 셀(1)에 대하여 단선 불량으로 검출할 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 상태가 일정 시간 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 전극 탭이 단선된 것으로 판단할 수 있다. 또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 제1 기준 횟수 이상 지속된 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대한 용량 저하가 발생했다고 판단할 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 용량 저하 판단 결과를, 알림부(300)를 통해 사용자에게 전달할 수 있다.
한편, 상기 도 4의 실시 구성에서는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 횟수를 기준으로 배터리 셀(1)의 단선 불량 내지 용량 저하가 검출되는 형태로 설명되었으나, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 시간을 기준으로 배터리 셀(1)의 단선 불량이 검출되도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 특정 배터리 셀(1)의 SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 경우가 일정 일자(ex. 4일) 이상 지속되는 경우, 상기 프로세서(200)는, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)의 임계값(A1) 이하 횟수가 제1 기준 횟수 이상으로 판단되었다 하더라도, 그로부터 소정 시간 이내에 연산된 SOH(B1)가 임계값(A1)보다 큰 것으로 판단된 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 검출된 단선 불량 판단을 취소할 수 있다. 예를 들어, 도 4의 실시 구성을 기준으로 e3 부분 이후의 지점에서, SOH 연산값(B1)이 다시 임계값(A1) 이상인 경우가 일정 횟수 이상 지속되는 경우, 프로세서(200)는, e3 부분의 시점에서 내려진 단선 불량 판단을 취소할 수 있다. 이 경우, 보다 정확한 단선 불량 판단이 가능해질 수 있다.
더욱이, 상기 프로세서(200)에 의해 단선 불량으로 판단되면, 불량 판단 시점에 따라 다양한 추가 정보가 얻어질 수 있다. 예를 들어, 셀이 배터리 시스템에 장착된 초기 단계에서 단선 불량으로 판단된 경우, 해당 셀이 BOL(Bottom Of Life) 상태의 셀, 즉 제조 직후의 셀이라면, 이는 해당 셀의 제조 과정에서 문제가 있다고 판단될 수 있다. 따라서, 이 경우, 해당 셀의 제조 과정에 관련 정보가 전달되어 해당 셀의 제조 상 문제점을 해소하는데 도움이 되도록 할 수 있다. 만일, 해당 셀이 MOL(Medium Of Life) 상태의 셀, 즉 어느 정도 사용된 상태의 셀이라면, 이는 기존 사용 이력 등의 추적 등을 통해 문제점에 대한 정보가 획득될 수 있다. 또는, 셀이 배터리 시스템에 장착된 이후 어느 정도 사용이 된 상태에서 단선 불량으로 판단된 경우, 운영 시스템이나 운영 조건 등의 문제, 또는 제조 시점의 문제점에 대해 종합적으로 추가 검토될 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값의 임계값에 대한 상하 방향 전환 횟수가 제2 기준 횟수 이상 지속되는지 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 상하 방향 전환 횟수가 제2 기준 회수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(200)에 의해 다른 하나의 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH와 그와 비교되는 임계값을 함께 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, d1부터 d2 사이의 기간 동안, 도 4의 배터리 셀(1)과는 다른 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH를 나타내는 그래프가 B2로 표시되어 있다. 또한, 그래프 B2에서도 각 시점에서 연산된 SOH 값은 포인트로 표시되어 있고, 각 포인트 사이는 선으로 연결되어 있다. 그리고, 도 5의 임계값은 도 4의 임계값과 동일하게 도시되어 있다.
이러한 실시예에서, 상기 프로세서(200)는, 연산된 SOH(B2)를 임계값(A1)과 비교할 때, 임계값(A1) 이상이었다가 임계값(A1) 이하로 전환되는 부분을 파악할 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)보다 낮았다가 높아지는 경우, 또는 SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)보다 높았다가 낮아지는 경우에 대한 횟수 또는 시간을 카운팅할 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 도 5의 구성에서, SOH 연산값(B2)의 임계값(A1)에 대한 전환 지점을 파악할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, 각 전환 지점의 연속 횟수가 제2 기준 횟수 이상인지 판단할 수 있다. 여기서, 제2 기준 횟수는, 배터리 셀(1)의 스펙이나 배터리 시스템의 운용 상황 등 다양한 상황에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 그리고, 제2 기준 횟수는 미리 설정되어 메모리부(400)나 프로세서(200) 등에 저장될 수 있다. 예를 들어, 제2 기준 횟수는, 3회로 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)의 임계값(A1)에 대한 전환 횟수가 3회 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 형태의 탭 불량이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 5에 도시된 바를 참조하면, d1부터 d2까지의 시간이 경과하는 동안, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)을 기준으로 상하 방향으로 전환되는 시점으로서, f1, f2, f3, ..., f11과 같이 파악할 수 있다. 특히, 이러한 상하 방향 전환 시점은, SOH 연산값(B2) 그래프와 임계값(A1) 그래프가 서로 교차하는 지점일 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, 각 전환 시점이 제2 기준 횟수, 이를테면 3회 이상 지속되는지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 전환 시점이 지속된다는 것은, 연속하는 3개 이상의 SOH 연산 시점에서, 연산 시점 사이마다 임계값과의 전환 부분이 계속해서 발생하는 것을 의미한다고 볼 수 있다.
도 5의 실시예에서는, f1, f2, f3 시점의 경우, 각각 전환 횟수가 연속되지 않고 전환 지속 횟수가 1회에 불과하다고 할 수 있다. 그리고, f4 및 f5의 경우, 연속하는 3개의 SOH 연산 시점에서 전환 부분이 2개 발생한 것이므로, 전환 지속 횟수가 2회에 해당한다고 할 수 있다. 이러한 전환 지속 횟수는 제2 기준 횟수인 3회 미만이므로, 상기 프로세서(200)는, f1~f5 시점까지는 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 판단하지 않을 수 있다.
그러나, f6 시점부터는 f11 시점에 이르기까지 SOH 임계값의 전환이 연속해서 이루어지고 있다. 즉, f6 시점부터는, SOH 연산값의 임계값에 대한 전환 횟수가 6회까지 지속되어, 제2 기준 횟수(3회) 이상 지속된다고 할 수 있다. 따라서, 상기 프로세서(200)는, 이 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여, 전극 탭에서 불완전 접촉 불량이 발생하였다고 판단할 수 있다. 이러한 불완전 접촉 불량은, 대체로 배터리 셀(1)의 내부에서 어느 하나의 전극 탭이 다른 전극 탭이나 전극 리드와 붙었다가 떨어졌다가 하는 상황이 반복해서 일어나는 것으로 볼 수 있다. 이와 같이, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)을 기준으로 위아래 방향으로 연속해서 진동하는 경우, 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭에서 불완전 접촉 불량이 발생하였다고 판단할 수 있다. 또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)을 기준으로 위아래 방향으로 연속해서 진동하는 경우, 해당 배터리 셀(1)의 용량이 불안정적이라고 판단할 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 정보를 알림부(300)를 통해 사용자에게 전달할 수도 있다.
상기 실시예에 의하면, SOH 연산값(B2)과 임계값(A1)을 비교함으로써, 배터리 셀(1)의 전극 탭에 불완전 접촉 불량이 존재하는지를 효과적으로 파악할 수 있다.
한편, 상기 도 5의 실시예에서는, 각 배터리 셀(1)의 SOH 연산값(B2)과 임계값(A1)을 서로 비교하여 배터리 셀(1)의 전극 탭에 불완전 접촉 불량이 존재하는지 여부를 파악하는 구성이 설명되어 있으나, 전극 탭의 불완전 접촉 불량은, SOH 연산값 만으로 파악될 수도 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(200)에 의해 또 다른 하나의 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, d3부터 d4 사이의 기간 동안, 어느 하나의 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH를 나타내는 그래프가 B3으로 표시되어 있다. 여기서도, 각 시점에서 연산된 SOH 값은 포인트로 표시되어 있고, 각 포인트 사이는 선으로 연결되어 있다. 다만, 도 6에서는 도 4 및 도 5에서와 달리, 임계값이 도시되어 있지 않다.
상기 프로세서(200)는, SOH 연산 결과 그래프에 대하여, 각 연산 횟수 사이의 SOH 변화량을 계산할 수 있다. 여기서, SOH 변화량이란, 연속하는 SOH 연산값 사이의 차이를 의미할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, 그와 같이 계산된 SOH 변화량을, 도 6에서 Mt로 표시된 바와 같은 기준 변화량과 비교하도록 구성될 수 있다. 다음으로, 상기 프로세서(200)는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수가 소정 횟수, 이를테면 제3 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6의 구성에서, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 부분은 g1 내지 g7로 표시되어 있다. 그 중, g1 및 g2 부분의 경우에는 연속 횟수가 2회이다. 그리고, g3 내지 g7 부분의 경우에는 연속 횟수가 5회이다. 만일, 제3 기준 횟수가 3회인 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수가 연속으로 3회 이상 존재하는 g3 내지 g7 시점에서, 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭에 불완전 접촉 불량이 발생하였다고 판단할 수 있다.
상기와 같은 실시 구성에서, 상기 프로세서(200)는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수로서, 직전 패턴을 고려하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 프로세서(200)는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 크다 하더라도, 직전 패턴과 동일한 패턴으로 증가 또는 감소한 경우에는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수로 카운팅하지 않을 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 직전 패턴과 서로 다른 패턴으로 증가하거나 감소한 경우에만, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수로 카운팅할 수 있다. 예를 들어, 직전 횟수의 연산 결과에서는 SOH 변화량이 증가하고 현재 횟수의 연산 결과에서는 SOH 변화량이 감소한 경우, 또는 직전 횟수의 연산 결과에서는 SOH 변화량이 감소하고 현재 횟수의 연산 결과에서는 SOH 변화량이 증가한 경우에, 상기 프로세서(200)는 SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰지 판단하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값이 상하 방향으로 진동하는 형태에서, 그 진폭이 일정 수준(기준 변화량) 이상인 경우의 횟수를 카운팅하여, 카운팅 결과를 기초로 해당 배터리 셀(1)의 불완전 접촉 불량을 검출할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, SOH와 비교되기 위한 임계값이 설정되어 있지 않더라도, 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량, 특히 불완전 접촉 불량 상태 여부가 검출될 수 있다. 그러므로, 임계값 저장이나 연산을 위한 과정이 필요하지 않을 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값의 임계값에 대한 상하 방향 전환 횟수의 증감 여부를 파악하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값이 임계값을 기준으로 상부에서 하부로 전환한 횟수 및 하부에서 상부로 전환한 횟수를 카운팅할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, 이와 같은 카운팅 결과를 시간 별로 기록하여, 전환 횟수가 시간 경과에 따라 점차 증가하는지 아니면 감소하는지를 파악할 수 있다.
특히, 상기 프로세서(200)는, 시간 경과에 따라, 전환 횟수가 점차 증가하는 경우, 전극 탭에 문제가 발생할 위험성이 높은 것으로 판단할 수 있다. 더욱이, 상기 프로세서(200)는, 시간이 경과함에 따라, 전환 횟수가 증가하는 경우, 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭이 정상 상태에서 불완전 접촉 불량 상태로, 또는 불완전 접촉 불량 상태에서 단선 불량 상태로 진행되고 있다고 판단할 수 있다.
상기 임계값은, 다수의 배터리 셀(1) 중 적어도 일부 배터리 셀(1)의 SOH에 기초하여 설정될 수 있다. 더욱이, 상기 프로세서(200)는, 배터리 시스템에 포함된 전체 배터리 셀(1) 중 적어도 일부 배터리 셀(1), 특히 모든 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH값을 기초로, 임계값을 설정할 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템에 포함된 여러 배터리 셀(1)에 대한 SOH 연산값을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 복수의 배터리 셀(1) 각각에 대하여 SOH가 연산되되, 시간의 흐름에 따라 복수 회 연산되었다. 그리고, 각 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH 값이 시간 별로 표시되어 있다. 도 7의 경우, x축은 시간으로서 날짜(day)를 나타내고, y축은 SOH 연산값을 표준 편차 형태로 나타낸다. 더욱이, y축의 경우, 전체 SOH 연산값의 평균값이 중앙에 오도록 한 상태에서, 중앙을 기준으로 한 편차를 시그마로서 나타내고 있다. 특히, 도 7에서, S1 및 S2는, 3 시그마에 해당하는 한계를 나타낸다. 상기 프로세서(200)는, 이러한 평균값에 대한 표준 편차로서 3 시그마에 해당하는 값을 각 시간(연산 횟수)에 대한 임계값으로 설정할 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 3 시그마에 해당하는 값, 즉 임계값과 각 배터리 셀(1)의 SOH 연산값을 비교함으로써, 각 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량을 검출할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 평균값을 중심으로 양측에 위치하는 2개의 3시그마에 해당하는 값, 즉 +3시그마에 해당하는 임계값인 S1과 -3시그마에 해당하는 임계값인 S2 중에서, 하한값인 S2를 임계값으로 설정할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 시스템의 전체적인 상황을 고려하여 특정 배터리 셀(1)에 문제, 특히 전극 탭의 불량이 있는지 등을 효과적으로 진단할 수 있다. 더욱이, 배터리 시스템에 포함된 배터리 셀(1)의 SOH는 배터리 시스템의 운용 상태나 주변 환경 등 여러 요인에 따라 달라질 수 있다. 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 요인들에 기초하여 임계값이 적절하게 설정됨으로써, 특정 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 문제 등이 보다 정확하게 진단될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 임계값을 메모리부(400)나 프로세서(200) 등에서 미리 저장할 필요가 없다.
한편, 도 7에서는 임계값으로서 3시그마에 해당하는 값을 예시로 들었으나, 이는 일례에 불과할 뿐, 6시그마 등 다른 값으로서 임계값이 설정될 수도 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는 전체 배터리 셀(1)들의 평균값에 대한 6시그마에 해당하는 값을 임계값으로서, 각 배터리 셀(1)의 SOH와 비교하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)의 SOH값에 대한 셀 간 순위 변화에 기초하거나, 각 배터리 셀(1)의 SOH값과 배터리 시스템 전체의 평균 SOH값과의 차이 등에 기초하여, 각 배터리 셀(1)의 SOH에 대한 이상 유무를 진단할 수 있다. 이 밖에도, 상기 프로세서(200)는, 다른 다양한 형태로 각 배터리 셀(1)의 SOH 연산값을 평가하고, 이를 통해 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 유무를 판단할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 다수의 배터리 셀(1)에 대하여 SOH를 각각 연산할 때, 각 배터리 셀(1) 간 SOH 연산을 위한 기준 시점은 동일하거나 일정 수준 이내의 시간적 오차만 갖도록 구성될 수 있다. 여기서, SOH 연산은 셀 측정부(100)에 의해 측정된 결과에 기초하므로, 셀 측정부(100)는, 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대한 전압 측정 시점 또는 전류 측정 시점이 서로 동일하거나 유사한 시간대에 이루어지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 다수의 배터리 셀(1)이 배터리 시스템에 포함된 경우, 상기 셀 측정부(100)는, 각 측정 회차마다, 동일한 시간, 또는 1초 이내의 시간적 오차 범위에서, 전체 배터리 셀(1)의 전압 내지 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 셀(1) 간 SOH 연산 기준 시점을 동일하게 하거나 일정 수준 이내가 되도록 함으로써, 임계값 설정의 신뢰성을 확보하는 한편, 임계값과 연산값과의 비교에 의한 진단 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, 불량 배터리 셀을 검출함에 있어서, 각 배터리 셀(1)에 대한 충전 과정과 방전 과정을 구분하여 수행하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 충전 과정에서 측정된 전압을 기초로 연산된 SOH 패턴과 방전 과정에서 측정된 전압을 기초로 연산된 SOH 패턴을 구분하여 확인하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 임계값 역시 충전 임계값과 방전 임계값이 별도로 설정될 수 있다. 이를테면, 도 7에 도시된 바와 같은 3 시그마 형태의 임계값이, 충전 상태와 방전 상태에 각각 대응하여, 별도로 설정될 수 있다.
그리고, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여 방전 과정에서의 SOH 연산값을 방전 임계값과 비교하고, 충전 과정에서의 SOH 연산값을 충전 임계값과 비교하는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 충전 과정과 방전 과정이 구분되어 서로 비교됨으로써, 배터리 셀(1)의 상태가 보다 정확하게 진단될 수 있다. 특히, 배터리 셀(1)의 SOH는, 충전 상태인지 방전 상태인지에 따라 그 패턴이 다르게 형성될 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 상황이 보다 적절하게 반영되어 SOH가 진단될 수 있다. 그러므로, 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 진단에 대한 정확도가 보다 향상될 수 있다.
특히, 상기 프로세서(200)는, 배터리 셀(1)에 대하여 SOH를 연산하기 위한 전제 조건을 설정할 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 소정 전제 조건을 만족하는 경우에만, SOH를 계산하도록 구성될 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 전제 조건을 만족하지 않는 경우에는, SOH를 계산하지 않도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, SOC를 이용하여 SOH를 계산할 수 있다. 여기서, SOC를 획득하는 방법은 본 발명의 출원 시점에 널리 공지되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
보다 구체적으로, 상기 프로세서(200)는, 다음 수학식 1을 통해 SOH를 계산하도록 구성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, I는 배터리 셀(1)에 흐르는 전류를 의미하고, f는 충방전 종료 시간을 의미하며, i는 충방전 개시 시간을 의미한다. 또한, SOCf는 충방전 종료 시 SOC값을 의미하고, SOCi는 충방전 개시 시 SOC값을 의미한다.
여기서, 상기 프로세서(200)는, SOH 계산을 위한 전제 조건으로서, 충방전 과정에서의 SOC 변화량을 이용할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)의 충방전 개시 시 SOC값과 충방전 종료 시 SOC 값의 차이가 일정 수준 이상인 경우에만 해당 배터리 셀(1)의 SOH를 계산하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 수학식 1에서, 충방전 개시 시 SOC값과 충방전 종료 시 SOC 값의 차이에 대한 절대값과 관련하여, ｜(SOCf-SOCi)｜≥50인 경우에만, 상기 프로세서(200)가 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 충전 또는 방전 과정이 50% 이상인 경우에만 SOH가 연산되도록 구성된 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 충전 또는 방전이 일정 수준 이상으로 충분하게 일어난 경우에만, SOH가 연산되도록 할 수 있다. 이 경우, SOH 계산의 정확도와 신뢰도가 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 계산을 위한 전제 조건으로서, 충방전 과정에서의 개시 시간과 종료 시간 사이의 시간차를 이용할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)의 충방전 종료 시간과 충방전 개시 시간 사이의 시간차가 일정 수준 이상인 경우에만 해당 배터리 셀(1)의 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 수학식 1에서, (f-i)≥3600s인 경우에만, 상기 프로세서(200)가 SOH를 계산하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 충전 또는 방전 과정이 3600초 이상으로 지속된 경우에만 SOH가 계산될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 충전 또는 방전이 일정 시간 이상 지속된 경우에만, SOH가 계산되도록 함으로써, SOH 계산의 정확도와 신뢰도가 보다 향상될 수 있다.
더욱이, 상기 프로세서(200)는, 앞서 설명된 2개의 전제 조건, 즉 SOC 사이의 차이에 대한 전제 조건 및 시간차에 대한 전제 조건을 모두 만족한 경우에, SOH를 연산하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 실시 구성에서, 프로세서(200)는, 충전 과정용 전제 조건과 방전 과정용 전제 조건을 서로 다르게 설정하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 충전 과정 중의 전제 조건으로서, 충전 개시 시 SOC가 일정 수준 이하인 경우에, SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 충전 개시 당시의 SOC가 일정 수준을 초과하는 경우, SOH를 연산하지 않도록 구성될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 프로세서(200)는, 충전 과정 중이라면, 상기 수학식 1에서 배터리 셀(1)의 SOCi≤7인 경우에 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 프로세서(200)는, 충전 개시 시점에서의 SOC인 SOCi가 7%를 초과하는 경우에는, SOH를 연산하지 않을 수 있다. 이러한 실시 구성에 의하면, 과도하게 높은 SOC 구간에서만 충전이 이루어짐으로 인해, 충전 과정에서의 SOH 연산의 정확도가 떨어지는 문제를 예방할 수 있다. 한편, 이러한 실시 구성에서, SOCi의 상한선인 7%에 대해서는, 배터리 셀(1)의 사양이나 배터리 시스템의 운용 방식 등에 따라 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.
다른 예로, 상기 프로세서(200)는, 방전 과정 중의 전제 조건으로서, 방전 개시 시 SOC가 일정 수준 이상인 경우에, SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 방전 개시 당시의 SOC가 일정 수준 미만인 경우에만, SOH를 연산하지 않도록 구성될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 프로세서(200)는, 방전 과정 중이라면, 상기 수학식 1에서, SOCi≥50인 경우에 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 프로세서(200)는, 방전 개시 시점에서의 SOC인 SOCi가 50% 미만인 경우에는, SOH를 연산하지 않을 수 있다. 이러한 실시 구성에 의하면, 과도하게 낮은 SOC 구간에서 방전이 이루어짐으로 인해, 방전 과정에서의 SOH 연산의 정확도가 떨어지는 문제를 예방할 수 있다. 한편, 이러한 실시 구성에서, SOCi의 하한선인 50%에 대해서는, 배터리 셀(1)의 사양이나 배터리 시스템의 운용 방식 등에 따라 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 충전 과정 및 방전 과정이 구분되어 SOH가 연산되며, 특히 SOH를 연산하기 위한 전제 조건이 충전 과정과 방전 과정에서 서로 다르게 설정될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(1)이 충전 과정인지, 아니면 방전 과정인지에 따라, 최대한 적합한 조건에서 SOH가 연산되도록 할 수 있다. 그러므로, SOH 연산에 대한 정확도 및 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.
더욱이, 이와 같은 충전 개시 SOC의 상한값 조건이나 방전 개시 SOC에 대한 하한값 조건은, 앞서 설명된 다른 공통 조건과 함께 SOH 연산을 위한 전제 조건으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 충전 과정에서는, 충전 개시 SOC(SOCi)의 상한값 조건과 함께, SOC 차이의 절대값(｜SOCf-SOCi｜)이 일정 수준 이상이라는 조건, 및 충전 시간(f-i)이 일정 수준 이상이라는 조건을 모두 만족한 경우에만, 상기 프로세서(200)가 충전 과정에서 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 또한, 방전 과정에서는, 방전 개시 SOC(SOCi)의 하한값 조건과 함께, SOC 차이의 절대값(｜SOCf-SOCi｜)이 일정 수준 이상이라는 조건, 및 방전 시간(f-i)이 일정 수준 이상이라는 조건을 모두 만족한 경우에만, 상기 프로세서(200)가 방전 과정에서 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 충전 또는 방전 과정에서, 보다 정확한 SOH가 획득될 수 있는 상황에서만 SOH가 연산되도록 함으로써, SOH 연산의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 시스템에는, 배터리 모듈, 배터리 팩, 배터리 랙, 배터리 뱅크, 전력 저장 시스템(ESS) 등 다양한 형태의 시스템이 포함될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 모듈 케이스 내부에 다수의 배터리 셀(1)을 구비하는 배터리 모듈 형태로 구현될 수도 있고, 이러한 배터리 모듈이 다수 구비된 배터리 팩 형태로 구현될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 다수의 배터리 모듈이나 배터리 팩을 적층할 수 있도록 구성된 랙 프레임 및 이러한 랙 프레임에 수납된 배터리 모듈이나 배터리 팩을 다수 구비하는 배터리 팩 형태로 구현될 수도 있다. 또는, 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 이러한 배터리 랙을 복수 포함하는 배터리 뱅크 형태로 구현될 수도 있다. 또는, 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 다수의 배터리 뱅크를 포함하는 전력 저장 시스템 형태로 구현될 수도 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 8에서 각 단계의 수행 주체는, 앞서 설명된 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 방법은, 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀(1)을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 방법으로서, 측정 단계(S110), 연산 단계(S120) 및 검출 단계(S130)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 S110 단계는, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하는 단계라 할 수 있다.
다음으로, 상기 S120 단계는, S110 단계에서 측정된 전압 또는 전류를 이용하여, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하는 단계라 할 수 있다.
그리고, 상기 S130 단계는, S120 단계에서 복수 회 연산된 각 배터리 셀(1)의 SOH에 기초하여, 다수의 배터리 셀(1) 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하는 단계라 할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 방법의 구체적인 내용에 대해서는, 앞서 설명된 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 내용이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있으므로, 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이, 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.
1: 배터리 셀
10: 전극 탭
11: 양극 탭, 12: 음극 탭
20: 전극 조립체
30: 파우치 외장재
31: 상부 파우치, 32: 하부 파우치
41: 양극 리드, 42: 음극 리드
100: 셀 측정부
200: 프로세서
300: 알림부
400: 메모리부

Claims (10)

  1. 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 장치에 있어서,
    다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하도록 구성된 셀 측정부; 및
    상기 셀 측정부에 의해 측정된 전압 또는 전류를 이용하여 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하고, 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하도록 구성된 프로세서
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, SOH 연산값과 임계값을 비교하여, 상기 전극 탭의 불량으로서, 단선 불량과 불완전 접촉 불량을 구분하여 검출 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는, SOH 연산값이 임계값 이하인 경우가 제1 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는, SOH 연산값의 임계값에 대한 상하 방향 전환 횟수가 제2 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 상하 방향 전환 횟수의 증감 여부를 파악하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 임계값은, 상기 다수의 배터리 셀 중 적어도 일부 배터리 셀의 SOH에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 각 배터리 셀에 대한 충전 과정과 방전 과정을 구분하여, 불량 배터리 셀을 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는, 각 배터리 셀에 대하여 SOH를 연산하기 위한 전제 조건을 설정하되, 충전 과정용 전제 조건과 방전 과정용 전제 조건을 서로 다르게 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 시스템 진단 장치를 포함하는 배터리 시스템.
  10. 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 방법에 있어서,
    다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정 단계에서 측정된 전압 또는 전류를 이용하여, 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하는 단계; 및
    상기 연산 단계에서 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 방법.
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