KR20240038886A - 배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 진단 장치는, 배터리 셀의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 센싱 회로; 및 상기 셀 전압의 시계열 데이터를 저장하도록 구성된 저장매체; 및 상기 전압 센싱 회로 및 상기 저장매체와 동작 가능하게 결합된 제어 회로를 포함한다. 상기 제어 회로는, (i) 상기 전압 신호를 입력 받아 셀 전압의 시계열 데이터를 저장매체에 기록하고, (ii) 상기 시계열 데이터를 기초로 서로 다른 제1시간 구간 및 제2시간 구간에서 제1셀 전압 기울기 및 제2셀 전압 기울기를 결정하고, (iii) 상기 시계열 데이터를 기초로 상기 제1시간 구간 및 상기 제2시간 구간 사이의 제3시간 구간에서 셀 전압의 평균 기울기를 결정하고, (iv) 상기 제1셀 전압 기울기와 상기 제2셀 전압 기울기를 정상 기울기 범위의 경계 조건으로 설정하고, 상기 셀 전압의 평균 기울기가 상기 정상 기울기 범위를 벗어나는 조건이 성립되면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성된다.

Description

배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법, 배터리 팩 및 자동차{BATTERY DIAGNOSIS APPARATUS, BATTERY DIAGNOSIS METHOD, BATTERY PACK, AND VEHICLE INCLUDING THE SAME}
본 발명은, 배터리의 전압 이상을 진단하는 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장 시스템, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리, 리튬 배터리 등이 있다. 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.
최근, 고전압이 요구되는 애플리케이션(예, 에너지 저장 시스템, 전기 차량)이 널리 보급됨에 따라, 배터리 팩 내에 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 전압 이상을 정확하게 검출해내는 진단 기술의 필요성이 증대되고 있다.
배터리 셀의 전압 이상이란, 내부 단락, 외부 단락, 전압 센싱 라인의 고장, 충방전 라인과의 접속 불량 등으로 인하여, 셀 전압이 비정상적으로 강하 및/또는 상승하는 고장 상태를 의미한다.
종래에는, 서로 다른 두 시점에 측정된 셀 전압의 차이가 기준치를 초과하는지 여부를 판별하여 배터리 셀의 전압 이상을 진단하는 단순한 방법을 사용하였다. 이러한 방법은 데이터의 연산량이 많지 않으므로 고성능 프로세서를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
하지만, 배터리 셀의 전압은 배터리 셀의 온도, 전류 및/또는 SOH(State Of Health) 등에도 의존하는 것이기 때문에, 단순히 서로 다른 시점에 측정된 배터리 셀의 전압 차이와 기준치를 비교하는 과정만으로는 배터리 셀의 전압 이상을 정확하게 진단해내기 어렵다.
또한, 배터리 셀의 전압 차이가 기준치 이하이지만 배터리 셀의 전압 기울기가 비정상적인 거동을 보일 경우, 예를 들어 리튬 배터리의 음극에서 리튬 플레이팅(Li-plating)이 발생하는 경우 셀 전압의 이상을 검출할 수 없다는 한계가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 셀의 전압 변화 기울기를 이용하여 배터리 셀의 전압 이상을 효율적이면서 정확하게 진단하기 위한 배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법, 배터리 팩 및 자동차를 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.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 배터리 진단 장치는, 배터리 셀의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 센싱 회로; 상기 셀 전압의 시계열 데이터를 저장하도록 구성된 저장매체; 및 상기 전압 센싱 회로 및 상기 저장매체와 동작 가능하게 결합된 제어 회로를 포함할 수 있다.
상기 제어 회로는, (i) 상기 전압 신호를 입력 받아 셀 전압의 시계열 데이터를 저장매체에 기록하고, (ii) 상기 시계열 데이터를 기초로 서로 다른 제1시간 구간 및 제2시간 구간에서 제1셀 전압 기울기 및 제2셀 전압 기울기를 결정하고, (iii) 상기 시계열 데이터를 기초로 상기 제1시간 구간 및 상기 제2시간 구간 사이의 제3시간 구간에서 셀 전압의 평균 기울기를 결정하고, (iv) 상기 제1셀 전압 기울기와 상기 제2셀 전압 기울기를 정상 기울기 범위의 경계 조건으로 설정하고, 상기 셀 전압의 평균 기울기가 상기 정상 기울기 범위를 벗어나는 조건이 성립되면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제3시간 구간의 시간 폭은, 상기 제1시간 구간의 시간 폭 및 상기 제2시간 구간의 시간 폭보다 클 수 있다.
상기 제1시간 구간의 시간 폭과 상기 제2시간 구간의 시간 폭은 실질적으로 동일할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어 회로는, 상기 시계열 데이터를 구성하는 셀 전압들이 실질적으로 연속적으로 감소하는 패턴을 나타낼 때, 상기 제1셀 전압 기울기, 상기 제2셀 전압 기울기 및 상기 셀 전압의 평균 기울기가 다음 부등식을 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
부등식: 제1셀 전압 기울기 < 셀 전압의 평균 기울기 < 제2셀 전압 기울기
다른 측면에 따르면, 상기 제어 회로는, 상기 시계열 데이터를 구성하는 셀 전압들이 실질적으로 연속적으로 증가하는 패턴을 나타낼 때, 상기 제1셀 전압 기울기, 상기 제2셀 전압 기울기 및 상기 셀 전압의 평균 기울기가 다음 부등식 조건을 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
부등식: 제1셀 전압 기울기 > 셀 전압의 평균 기울기 > 제2셀 전압 기울기
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어 회로는, 상기 배터리 셀의 동작 상태가 충전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때, 다음 부등식 조건과 등식 조건 중 어느 하나도 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
부등식: 제1셀 전압 기울기 < 평균 기울기 < 제2셀 전압 기울기
등식: 제1셀 전압 기울기 = 평균 기울기 = 제2셀 전압 기울기
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어 회로는, 상기 배터리 셀의 동작 상태가 방전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때, 다음 부등식 조건과 등식 조건 중 어느 하나도 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
부등식: 제1셀 전압 기울기 > 평균 기울기 > 제2셀 전압 기울기
등식: 제1셀 전압 기울기 = 평균 기울기 = 제2셀 전압 기울기
상기 제어 회로는 상기 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단된 경우, 전압 이상 발생 시점과 전압 이상 검출 카운트를 갱신하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 진단 장치는, 상기 제어 회로와 동작 가능하게 결합된 디스플레이를 더 포함할 수 있다. 이러한 측면에서, 상기 제어 회로는 상기 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상인 조건을 만족하는 배터리 셀을 전압 이상을 나타내는 배터리 셀로서 진단한 결과를 상기 디스플레이를 통해 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 진단 장치는, 상기 제어 회로와 동작 가능하게 결합되어 외부 디바이스와의 통신을 지원하는 인터페이스부를 더 포함할 수 있다. 이러한 측면에서, 상기 제어 회로는 상기 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상인 조건을 만족하는 배터리 셀을 전압 이상을 나타내는 배터리 셀로서 진단한 결과를 상기 인터페이스부를 통해 외부 디바이스로 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 진단 방법은, 전압 센싱 회로로부터 배터리 셀의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 입력 받아 셀 전압의 시계열 데이터를 저장매체에 기록하는 제1단계; 상기 시계열 데이터를 기초로 제1시간 구간에서 제1셀 전압 기울기를 결정하는 제2단계; 상기 시계열 데이터를 기초로 상기 제1시간 구간보다 후행하는 제2시간 구간에서 제2셀 전압 기울기를 결정하는 제3단계; 상기 시계열 데이터를 기초로 상기 제1시간 구간 및 상기 제2시간 구간 사이의 제3시간 구간에서 셀 전압의 평균 기울기를 결정하는 제4단계; 상기 제1셀 전압 기울기와 상기 제2셀 전압 기울기를 정상 기울기 범위의 경계 조건으로 설정하는 제5단계; 및 상기 셀 전압의 평균 기울기가 상기 정상 기울기 범위를 벗어나는 조건이 성립되면 배터리 셀이 이상 전압을 나타내는 것으로 진단하는 제6단계;를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제는 상술한 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1시간 구간 및 제2시간 구간에서 산출한 셀 전압의 기울기와 제1시간 구간과 제2시간 구간 사이에서 결정한 셀 전압의 평균 기울기를 이용하여 전압 이상을 나타내는 배터리 셀을 간단한 연산을 통해 식별할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 진단에 사용되는 계산 방식이 복잡하지 않으므로 고사양의 프로세서가 요구되지 않는다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 서로 다른 시점에 측정된 전압의 차이가 크지 않더라도 비정상적인 전압 거동을 나타내는 배터리 셀을 신뢰성 있게 식별할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 제1시간 구간(T1), 제2시간 구간(T2) 및 제3시간 구간(T3)을 첫번째 진단 사이클, 두번째 진단 사이클 및 임의의 m번째 진단 사이클에서 처리되는 셀 전압의 시계열 데이터에 각각 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 전압이 정상인 배터리 셀과 전압 이상이 발생된 배터리 셀의 셀 전압에 대한 시계열 데이터의 일 예를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전압이 정상인 배터리 셀과 전압 이상이 발생된 배터리 셀의 셀 전압에 대한 시계열 데이터의 일 예를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 자동차(1)은, 배터리 팩(B), 인버터(3), 전기 모터(4) 및 차량 컨트롤러(5)를 포함한다.
자동차(1)은 배터리 팩(B)에 의해 제공되는 전기 에너지를 이용하여 모터에 의해 구동될 수 있는 차량을 의미한다. 일 예로, 자동차(1)은 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 또는 하이브리드 자동차일 수 있다.
배터리 팩(B)은, 셀 그룹(CG), 스위치(6) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
셀 그룹(CG)은, 배터리 팩(B)에 마련된 한 쌍의 전원 단자를 통해 인버터(3)에 결합될 수 있다. 셀 그룹(CG)은, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(BC1~BCN, N은 2 이상의 자연수)을 포함한다. 각 배터리 셀(BCi)은, 리튬 이온 배터리 셀과 같이 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. i는 배터리 셀의 식별을 위한 인덱스이다. i는 자연수로서 1 내지 N이다.
스위치(6)는, 셀 그룹(CG)에 직렬로 연결된다. 스위치(6)는, 셀 그룹(CG)의 충방전을 위한 전류 경로에 설치된다. 스위치(6)는, 배터리 관리 시스템(100)으로부터의 스위칭 신호에 응답하여, 온오프 제어된다. 스위치(6)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 릴레이이거나 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다.
인버터(3)는, 배터리 관리 시스템(100) 또는 차량 컨트롤러(5)로부터의 명령에 응답하여, 셀 그룹(CG)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하도록 제공된다. 전기 모터(4)는, 예컨대 3상 교류 모터일 수 있다. 전기 모터(4)는, 인버터(3)로부터의 교류 전력을 이용하여 구동한다.
배터리 관리 시스템(100)은, 자동차(1)이 운행되는 동안 셀 그룹(CG)의 충방전과 관련된 전반적인 제어를 담당하도록 제공된다. 여기서, 자동차(1)의 운행은 자동차(1)의 이동, 주차 또는 신호 대기 등을 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)은, 배터리 진단 장치(200)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은, 전류 센서(310), 온도 센서(320) 및 인터페이스부(330) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
배터리 진단 장치(200)는, 자동차(1)이 운행되는 동안 복수의 배터리 셀(BC1~BCN) 각각의 전압 이상을 진단하도록 제공된다. 배터리 진단 장치(200)는, 전압 센싱 회로(210) 및 제어 회로(220)를 포함한다.
전압 센싱 회로(210)는, 복수의 전압 센싱 라인을 통해, 복수의 배터리 셀(BC1~BCN) 각각의 양극 및 음극에 연결된다. 전압 센싱 회로(210)은, 자동차(1)이 운행되는 동안 일정한 시간 간격마다 각 배터리 셀(BCi)의 양단에 걸친 셀 전압을 측정하고, 측정된 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다. 전압 센싱 회로(210)는 당업계에 알려진 통상의 전압 측정 회로를 포함할 수 있다. 전압 측정 회로는 전압 측정의 대상이 되는 배터리 셀을 시간 간격을 두고 순차적으로 선택할 수 있는 멀티플렉싱 회로 수단, 전압 측정 신호에서 잡음을 제거하는 필터 수단, 전압 측정 신호를 증폭하는 증폭 회로 수단 등을 포함할 수 있다.
전류 센서(310)는, 전류 경로를 통해 셀 그룹(CG)에 직렬로 연결된다. 전류 센서(310)는, 자동차(1)이 운행되는 동안 일정한 시간 간격보다 셀 그룹(CG)를 통해 흐르는 배터리 전류를 검출하고, 검출된 배터리 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성된다. 전류 센서(310)는 당업계에 알려진 통상의 센서, 예컨대 센스 저항 또는 홀(hall) 센서일 수 있다. 셀 그룹(GC)을 통해 흐르는 전류는 충전 전류 또는 방전전류일 수 있다.
온도 센서(320)는, 자동차(1)이 운행되는 동안 일정한 시간 간격마다 셀 그룹(CG)의 온도를 검출하고, 검출된 온도를 나타내는 온도 신호를 생성하도록 구성된다. 온도 센서(320)는 당업계에 알려진 통상의 센서, 예컨대 열전대(thermocouple)일 수 있다.
제어 회로(220)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어 회로(220)는, 저장매체(221)를 가질 수 있다. 저장매체(221)는, 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체일 수 있다. 저장매체(221)는, 제어 회로(220)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 저장매체(221)는, 제어 회로(220)에 의한 연산 동작의 결과, 예컨대 진단 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다.
제어 회로(220)는, 전압 센싱 회로(210), 온도 센서(320), 전류 센서(310), 인터페이스부(330) 및/또는 스위치(6)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 제어 회로(220)는, 자동차(1)이 운행되는 동안 일정한 시간 간격으로 센싱 신호를 전압 센싱 회로(210), 전류 센서(310) 및 온도 센서(320)로부터 수집할 수 있다. 센싱 신호는, 동기 검출된 전압 신호, 전류 신호 및/또는 온도 신호를 지칭한다. 제어 회로(220)는 배터리 셀의 전압 및/또는 전류 및/또는 온도에 관한 시계열 데이터의 생성을 위해, 전압 신호 및/또는 전류 신호 및/또는 온도 신호를 디지털 데이터로 변환하여 저장매체(221)에 누적해서 저장할 수 있다. 따라서, 저장매체(221)에는 각 배터리 셀(BCi)의 셀 전압, 배터리 팩(B)을 통해 흐르는 전류 및 온도에 관한 시계열 데이터가 누적해서 저장될 수 있다.
제어 회로(220)는 전류 센서(310)을 통해 측정된 전류의 크기와 부호를 참조함으로써 배터리 셀이 충전 중인지, 방전 중인지 또는 무부하 상태에 있는지 식별할 수 있다.
구체적으로, 제어 회로(220)는 전류의 크기가 0 일 때, 배터리 셀이 무부하 상태에 있다고 식별할 수 있다. 또한, 제어 회로(220)는 전류의 크기가 0 보다 크고 전류 값의 부호가 양수일 때 배터리 셀이 방전 중인 것으로 식별할 수 있다. 또한, 제어 회로(220)는 전류의 크기가 0 보다 크고 전류 값의 부호가 음수일 때 배터리 셀이 충전 중인 것으로 식별할 수 있다.
인터페이스부(330)는, 제어 회로(220)와 차량 컨트롤러(5)(예, ECU: Electronic Control Unit) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성되는 통신 회로를 포함할 수 있다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론, 제어 회로(220)와 차량 컨트롤러(5) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.
인터페이스부(330)는, 차량 컨트롤러(5) 및/또는 제어 회로(220)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(331)와 결합될 수 있다. 출력 디바이스(331)는 디스플레이(331a)와 스피커(331b)를 포함할 수 있다. 차량 컨트롤러(5)는, 배터리 관리 시스템(100)과의 통신을 통해 수집되는 배터리 정보(예, 전압, 전류, 온도, SOC)를 기초로, 인버터(3)를 제어할 수 있다.
제어 회로(220)는, 자동차(1)이 운행되는 동안, 전압 센싱 회로(210)에 의해 측정된 각 배터리 셀(BCi)의 셀 전압에 대한 시계열 데이터를 이용하여 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다.
구체적으로, 제어 회로(220)은 각 배터리 셀(BCi)의 셀 전압에 대한 시계열 데이터를 기초로 제1시간 구간에서 제1셀 전압 기울기를 결정한다.
또한, 제어 회로(220)은 각 배터리 셀(BCi)의 전압에 대한 시계열 데이터를 기초로 상기 제1시간 구간보다 후행하는 제2시간 구간에서 제2셀 전압 기울기를 결정한다.
또한, 제어 회로(220)은 각 배터리 셀(BCi)의 전압에 대한 시계열 데이터를 기초로 제1시간 구간 및 제2시간 구간 사이의 제3시간 구간에서 셀 전압의 평균 기울기를 결정한다.
또한, 제어 회로(220)은 제1셀 전압 기울기와 제2셀 전압 기울기를 정상 기울기 범위의 경계 조건으로 설정하고, 상기 셀 전압의 평균 기울기가 상기 정상 기울기 범위를 벗어나는 조건이 성립되면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 제1시간 구간(T1), 제2시간 구간(T2) 및 제3시간 구간(T3)을 첫번째 진단 사이클, 두번째 진단 사이클 및 m번째 진단 사이클에서 처리되는 셀 전압의 시계열 데이터에 각각 나타낸 도면이다.
먼저, i번째 배터리 셀(BCi)의 셀 전압에 대한 시계열 데이터에 포함된 셀 전압의 수가 n개, 셀 전압 측정 주기가 △t, 제3시간 구간의 길이를 p*△t, k번째 측정 시점 tk에서 측정된 셀 전압을 Vi,k라고 정의하기로 한다.
△t는 수십 msec 내지 수초일 수 있다. p는 자연수로서 수십 내지 수천일 수 있다. 물론, 본 발명이 △t 및 p의 크기에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2a를 참조하면, 첫 번째 진단 사이클에서, 제1시간 구간은 t1 ~ t2 이고, 제2시간 구간은 t2+p ~ t2+p+1이고, 제3시간 구간은 t2 ~ t2+p이다.
제3시간 구간의 시간 폭(t2 ~ t2+p)은 제1시간 구간의 시간 폭(t1 ~ t2) 및 제2시간 구간의 시간 폭(t2+p ~ t2+p+1) 보다 상당히 크다.
일 예에서, p가 1000일 때, 제1시간 구간은 t1 ~ t2, 제2시간 구간은 t1002 ~ t1003이고 제3시간 구간은 t2 ~ t1002일 수 있다.
제1시간 구간에서 제1셀 전압 기울기는 (Vi,2 - Vi,1)/△t이다.
제2시간 구간에서 제2셀 전압 기울기는 (Vi,1003 - Vi,1002)/△t이다.
제3시간 구간에서 센 전압의 평균 기울기는 (Vi,1002 - Vi,2)/(1000ⅹ△t)이다.
도 2b를 참조하면, 두 번째 진단 사이클에서, 제1시간 구간은 t2 ~ t3 구간이고, 제2시간 구간은 t3+p ~ t3+p+1이고, 제3시간 구간은 t3 ~ t3+p이다.
일 예에서, p가 1000일 때, 제1시간 구간은 t2 ~ t3, 제2시간 구간은 t1003 ~ t1004이고 제3시간 구간은 t3 ~ t1003일 수 있다.
제1시간 구간에서 제1셀 전압 기울기는 (Vi,3 - Vi,2)/△t이다.
제2시간 구간에서 제2셀 전압 기울기는 (Vi,1004 - Vi,1003)/△t이다.
제3시간 구간에서 센 전압의 평균 기울기는 (Vi,1003 - Vi,3)/(1000ⅹ△t)이다.
도 2c를 참조하면, 임의의 m번째(m은 ＇n-p-2＇이하의 자연수) 진단 사이클에서, 제1시간 구간은 tm ~ tm+1 구간이고, 제2시간 구간은 tm+1+p ~ tm+1+p+1이고, 제3시간 구간은 tm+1 ~ tm+1+p이다.
일 예에서, p가 1000일 때, 제1시간 구간은 tm ~ tm+1, 제2시간 구간은 tm+1+1000 ~ tm+1+1000+1이고 제3시간 구간은 tm+1 ~ tm+1+1000일 수 있다.
제1시간 구간에서 제1셀 전압 기울기는 (Vi,m+1 - Vi,m)/△t이다.
제2시간 구간에서 제2셀 전압 기울기는 (Vi,m+1+1000+1 - Vi,m+1+1000)/△t이다.
제3시간 구간에서 센 전압의 평균 기울기는 (Vi,m+1+1000 - Vi,m+1)/(1000ⅹ△t)이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 전압이 정상인 배터리 셀과 전압 이상이 발생된 배터리 셀의 셀 전압에 대한 시계열 데이터의 일 예를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 3a와 도 3b는 셀 전압이 시간 경과에 따라 감소할 때 셀 전압의 시계열 데이터의 일 예를 나타낸다. 도 3a 및 도 3b의 셀 전압 변화는 배터리 셀이 방전 중일 때 또는 배터리 셀이 충전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때 나타날 수 있다. 무부하 상태는 배터리 셀이 충전 또는 방전되지 않는 상태를 의미한다. 배터리 셀이 충전 상태에서 무부하 상태로 변경되면 IR 전압이 0이 되므로 셀 전압이 안정화 상태의 전압까지 낮아진다. 무부하 상태가 된 초기에는 셀 전압이 빠르게 낮아지다가 어느 정도의 시간이 흐르면 셀 전압은 안정화 상태의 전압까지 서서히 낮아진다. 안정화 상태의 셀 전압은 개방전압(Open Circuit Voltage)에 해당한다.
도 3a를 참조하면, 전압이 정상인 배터리 셀의 셀 전압은 시간이 지남에 따라서 셀 전압 기울기가 특이 거동을 보이지 않고 감소한다. 따라서, 셀 전압이 서서히 감소하는 셀 전압의 시계열 데이터 구간에서는, 제1시간 구간(T1)에서 결정한 제1셀 전압 기울기(r1), 제2시간 구간(T2)에서 결정한 제2셀 전압 기울기(r2) 및 제3시간 구간(T3)에서 결정한 셀 전압의 평균 기울기(rav)가 다음 부등식 1을 만족하다. 참고로, r1, r2 및 rav는 음수이므로 절대값이 작을수록 셀 전압 기울기는 상대적으로 크다.
<부등식 1>
제1셀 전압 기울기(r1) < 셀 전압의 평균 기울기(rav) < 제2셀 전압 기울기(r2)
도 3b를 참조하면, 전압 이상을 나타내는 배터리 셀은 셀 전압 기울기가 특이 거동을 보인다. 일 예로, 배터리 셀이 리튬 이온 배터리일 때, 음극에서 리튬 플레이팅이 발생하면 셀 전압 기울기가 특이 거동을 보인다(점선 원 참조). 즉, 셀 전압 기울기의 크기가 서서히 감소하다가 오히려 증가하는 구간이 나타난다. 따라서, 제2시간 구간(T2)에서 셀 전압 기울기의 비정상적 거동이 나타나면 상술한 부등식 1이 충족되지 않는 조건이 성립된다.
즉, 제1시간 구간(T1)에서 결정한 제1셀 전압 기울기(r1), 제2시간 구간(T2)에서 결정한 제2셀 전압 기울기(r2) 및 제3시간 구간(T3)에서 결정한 셀 전압의 평균 기울기(rav)가 상술한 부등식 1을 충족하지 못하고 셀 전압의 평균 기울기(rav)가 제1셀 전압 기울기(r1) 및 제2셀 전압 기울기(r1)에 의해 정의되는 정상 기울기 범위를 벗어나서 다음 부등식 2를 충족하게 된다.
<부등식 2>
제2셀 전압 기울기(r1) < 제1셀 전압 기울기(r2) < 셀 전압의 평균 기울기(rav)
제어 회로(220)는 배터리 셀의 셀 전압 시계열 데이터에 대한 임의의 진단 사이클에서 부등식 2가 만족되는 제2시간 구간(T2)이 검출되면 전압 이상이 검출된 시점을 저장매체(221)에 기록하고 전압 이상 검출 카운트를 1 증가시킨다.
제어 회로(220)는 또한 상술한 방법에 따라 셀 전압의 시계열 데이터에 대한 분석 과정에서 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상이 되면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 판단할 수 있다.
기준치는 1 이상의 값을 가질 수 있다. 기준치는 진단의 민감도를 고려하여 적절하게 결정될 수 있다. 일 예로, 높은 진단 민감도를 요구되는 응용에서 기준치는 1 내지 3으로 설정될 수 있다. 다른 예로, 통상적인 정도의 진단 민감도가 요구되는 응용에서 기준치는 4 이상으로 설정될 수 있다.
제어 회로(220)는 진단 대상이 되는 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 판단될 경우, 진단 결과를 출력 디바이스(331)를 통해 출력할 수 있다.
일 예에서, 제어 회로(220)는 인터페이스부(330)와 연결된 디스플레이(331a)를 통해 배터리 팩(B) 내에 전압 이상이 나타난 배터리 셀이 발생했음을 나타내는 메시지를 그래픽 유저 인터페이스를 통해 시각적으로 출력할 수 있다.
본 발명의 배터리 진단 장치(200)가 자동차(1)의 배터리 팩(B)에 포함되어 있는 경우, 디스플레이(331a)는 자동차(1)에 구비된 차량용 디스플레이 패널일 수 있다. 다른 예에서, 본 발명의 배터리 진단 장치(200)가 진단 시스템(미도시)에 포함될 경우, 디스플레이(331a)는 진단 시스템에 구비된 디스플레이 패널일 수 있다.
다른 예에서, 제어 회로(220)는 인터페이스부(330)와 연결된 스피커(331a)를 통해 배터리 팩(B) 내에 전압 이상이 나타난 배터리 셀이 발생했음을 나타내는 메시지를 청각적으로 출력할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전압이 정상인 배터리 셀과 전압 이상이 발생된 배터리 셀의 셀 전압에 대한 시계열 데이터의 일 예를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 4a와 도 4b는 셀 전압이 시간 경과에 따라 증가할 때 셀 전압의 시계열 데이터의 일 예를 나타낸다. 도 4a와 도 4b의 셀 전압 변화는 배터리 셀이 충전 중일 때 또는 배터리 셀이 방전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때 나타날 수 있다. 배터리 셀이 방전 상태에서 무부하 상태로 변경되면 IR 전압이 0이 되므로 셀 전압이 안정화 상태의 전압까지 증가한다. 무부하 상태가 된 초기에는 셀 전압이 빠르게 증가하다가 어느 정도의 시간이 흐르면 셀 전압은 안정화 상태의 전압까지 서서히 증가한다. 안정화 상태의 셀 전압은 개방전압(Open Circuit Voltage)에 해당한다.
도 4a를 참조하면, 전압이 정상인 배터리 셀의 셀 전압은 시간이 지남에 따라서 셀 전압 기울기가 특이 거동을 보이지 않고 증가한다. 따라서, 셀 전압이 서서히 증가하는 셀 전압의 시계열 데이터 구간에서는, 제1시간 구간(T1)에서 결정한 제1셀 전압 기울기(r1), 제2시간 구간(T2)에서 결정한 제2셀 전압 기울기(r2) 및 제3시간 구간(T3)에서 결정한 셀 전압의 평균 기울기(rav)가 다음 부등식 3을 만족하다. 참고로, r1, r2 및 rav는 양수이므로 절대값이 클수록 셀 전압 기울기는 상대적으로 크다.
<부등식 3>
제1셀 전압 기울기(r1) > 셀 전압의 평균 기울기(rav) > 제2셀 전압 기울기(r2)
도 4b를 참조하면, 전압 이상을 나타내는 배터리 셀은 셀 전압 기울기가 특이 거동을 보인다. 일 예로, 배터리 셀이 리튬 이온 배터리일 때, 음극 탭에서 단선이 생기거나 음극에서 리튬 플레이팅이 발생하면 전압 기울기가 특이 거동을 보인다. 그 결과, 셀 전압 기울기의 크기가 서서히 감소하다가 오히려 증가하는 구간이 나타난다. 따라서, 제2시간 구간(T2)에서 셀 전압 기울기의 비정상적 거동이 나타나면 상술한 부등식 3이 충족되지 않는 조건이 성립된다.
즉, 제1시간 구간(T1)에서 결정한 제1셀 전압 기울기(r1), 제2시간 구간(T2)에서 결정한 제2셀 전압 기울기(r2) 및 제3시간 구간(T3)에서 결정한 셀 전압의 평균 기울기(rav)가 상술한 부등식 3을 충족하지 못하고 셀 전압의 평균 기울기(rav)가 제1셀 전압 기울기(r1) 및 제2셀 전압 기울기(r1)에 의해 정의되는 정상 기울기 범위를 벗어나서 다음 부등식 4를 충족하게 된다.
<부등식 4>
셀 전압의 평균 기울기(rav) > 제1셀 전압 기울기(r1) > 제2셀 전압 기울기(r2)
제어 회로(220)는 셀 전압의 시계열 데이터에 대한 임의의 진단 사이클에서 부등식 4가 만족되는 제2시간 구간(T2)이 검출되면 전압 이상이 검출된 시점을 저장매체(221)에 기록하고 전압 이상 검출 카운트를 1 증가시킨다.
제어 회로(220)는 또한 상술한 방법에 따라 셀 전압의 시계열 데이터에 대한 분석 과정에서 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상이 되면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 판단할 수 있다.
제어 회로(220)는 또한 진단 대상이 되는 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 판단될 경우, 진단 결과를 출력 디바이스(331)를 통해 출력할 수 있다.
일 예에서, 제어 회로(220)는 인터페이스부(330)와 연결된 디스플레이(331a)를 통해 배터리 팩(B) 내에 전압 이상이 나타난 배터리 셀이 발생했음을 나타내는 메시지를 그래픽 유저 인터페이스를 통해 시각적으로 출력할 수 있다.
본 발명의 배터리 진단 장치(200)가 자동차(1)의 배터리 팩(B)에 포함되어 있는 경우, 디스플레이(331a)는 자동차(1)에 구비된 차량용 디스플레이 패널일 수 있다. 다른 예에서, 본 발명의 배터리 진단 장치(200)가 진단 시스템(미도시)에 포함될 경우, 디스플레이(331a)는 진단 시스템에 구비된 디스플레이 패널일 수 있다.
다른 예에서, 제어 회로(220)는 인터페이스부(330)와 연결된 스피커(331a)를 통해 배터리 팩(B) 내에 전압 이상이 나타난 배터리 셀이 발생했음을 나타내는 메시지를 청각적으로 출력할 수 있다.
한편, 제어 회로(220)는, 진단 대상이 된 배터리 셀의 동작 상태가 충전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때, 다음 부등식 1과 등식 1 중 어느 하나라도 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단할 수 있다. 부등식 1은 상술한 부등식에 해당하고, 등식 1은 배터리 셀의 셀 전압이 실질적으로 안정화 전압(즉, 개방전압)까지 감소하더라도 진단 정확도를 증가시키기 위한 추가 조건에 해당한다.
<부등식 1>
제1셀 전압 기울기 < 평균 기울기 < 제2셀 전압 기울기
<등식 1>
제1셀 전압 기울기 = 평균 기울기 = 제2셀 전압 기울기
유사하게, 제어 회로(220)는, 진단 대상이 된 배터리 셀의 동작 상태가 방전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때, 다음 부등식 3과 등식 2 중 어느 하나라도 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단할 수 있다. 부등식 3은 상술한 부등식에 해당하고, 등식 2는 배터리 셀의 셀 전압이 실질적으로 안정화 전압(즉, 개방전압)까지 증가하더라도 진단 정확도를 증가시키기 위한 추가 조건에 해당한다.
<부등식 3>
제1셀 전압 기울기 < 평균 기울기 < 제2셀 전압 기울기
<등식 2>
제1셀 전압 기울기 = 평균 기울기 = 제2셀 전압 기울기
제어 회로(220)는 상술한 배터리 셀의 전압 이상에 관한 진단 로직을 전체 배터리 셀에 대해 주기적으로 실행할 수 있다. 또한, 제어 회로(220)는 전체 배터리 셀에 대한 진단 로직을 실행함에 있어서 미리 정해진 순서에 따라 각 배터리 셀에 대한 진단 로직을 각 배터리 셀마다 독립적으로 실행할 수 있다.
제어 회로(220)는 또한 미리 설정된 n개의 셀 전압에 대한 시계열 데이터를 획득하기 전에 상술한 배터리 셀의 전압 이상에 관한 진단 로직을 셀 전압의 측정과 연계시켜 실시간으로 실행할 수 있다.
구체적으로, 도 2a를 참조하면, 제어 회로(220)는 배터리 셀에 대한 전압 이상의 진단이 시작되면 셀 전압의 측정 시점 t2+p+1 이 경과되었을 때 첫 번째 진단 사이클을 실행할 수 있다.
즉, 제어회로(220)는 측정 시점 t1 ~ t2+p+1에서 측정된 셀 전압의 시계열 데이터를 이용하여 제1시간 구간(T1)에서의 제1셀 전압 기울기(r1), 제2시간 구간(T2)에서의 제2셀 전압 기울기(r2) 및 제3시간 구간(T3)에서의 셀 전압의 평균 기울기(rav)를 결정할 수 있다.
또한, 도 2b를 참조하면, 제어 회로(220)는 셀 전압의 측정 시점 t2+p+2 이 경과되었을 때 두 번째 진단 사이클을 실행할 수 있다.
즉, 제어회로(220)는 측정 시점 t2 내지 t2+p+2에서 측정된 셀 전압의 시계열 데이터를 이용하여 제1시간 구간(T1)에서의 제1셀 전압 기울기(r1), 제2시간 구간(T2)에서의 제2셀 전압 기울기(r2) 및 제3시간 구간(T3)에서의 셀 전압의 평균 기울기(rav)를 결정할 수 있다.
또한, 도 2c를 참조하면, 제어 회로(220)는 셀 전압의 측정 시점 tm+1+p+1 이 경과되었을 때 임의의 m번째 진단 사이클을 실행할 수 있다.
즉, 제어 회로(220)는 측정 시점 tm 내지 tm+1+p+1에서 측정된 셀 전압의 시계열 데이터를 이용하여 제1시간 구간(T1)에서의 제1셀 전압 기울기(r1), 제2시간 구간(T2)에서의 제2셀 전압 기울기(r2) 및 제3시간 구간(T3)에서의 셀 전압의 평균 기울기(rav)를 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 진단 장치(200)는 배터리 관리 시스템(100), 부하장치의 제어 시스템(미도시) 또는 자동차(1)나 배터리 팩(B)의 정비 센서에 구비된 진단 시스템에 포함될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제어 회로(220)은 상술한 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 로직들이 소프트웨어로 구현될 때, 제어 회로(220)은 프로그램 모듈의 집합을 실행하는 프로세서로 대체될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 저장매체(221)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
또한, 제어 회로(220)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이하에서는, 상술한 본 발명의 배터리 진단 장치(200)를 이용한 배터리 진단 방법을 상세히 설명한다. 배터리 진단 방법은 자동차(1)이 운행되는 동안 배터리 진단 장치(200)에 의해 실시될 수 있다. 제어 회로(220)의 동작은 배터리 진단 방법의 다양한 실시예(들)에서 보다 구체적으로 설명될 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 5의 진단 방법은 제어 회로(220)에 의해 미리 설정된 진단 주기마다 반복적으로 실행될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어 회로(220)는 배터리의 진단이 시작되면 단계 S10에서 전압 센싱 회로(210)를 제어하여 각 배터리 셀(BCi)의 전압을 일정한 시간 간격으로 반복 측정하여 n개의 셀 전압에 대한 시계열 데이터(Vi,k)를 생성하여 저장매체(221)에 기록한다. i는 배터리 셀의 인덱스이고, k는 1 내지 n의 자연수이다. 이로써, 저장매체(221)에는 각 배터리 셀(BCi)에 관한 셀 전압의 시계열 데이터(Vi,k)가 기록되어 유지된다. 시계열 데이터(Vi,k)를 구성하는 셀 전압의 수는 n개이다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S20 내지 단계 S90을 미리 설정된 횟수만큼 반복하여 각 배터리 셀(BCi)에 대한 전압 이상 검출 카운트를 결정한다.
먼저, 제어 회로(220)는 단계 S20에서 각 배터리 셀(BCi)의 셀 전압에 대한 시계열 데이터(Vi,k)를 기초로 제1시간 구간(t1~t2)에서 제1셀 전압 기울기(ri,1)를 결정한다. 이로써, 저장매체(221)에는 각 배터리 셀(BCi)에 대한 제1셀 전압 기울기(ri,1)가 기록된다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S30에서 각 배터리 셀(BCi)의 셀 전압에 대한 시계열 데이터(Vi,k)를 기초로 제2시간 구간(t2+p ~ t2+p+1)에서 제2셀 전압 기울기(ri,2)를 결정한다. 도 2a에 도시된 것처럼, 제2시간 구간은 제1시간 구간을 기준으로 p*△t 만큼 이격되어 있다. 이로써, 저장매체(221)에는 각 배터리 셀(BCi)에 대한 제2셀 전압 기울기(ri,2)가 기록된다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S40에서 각 배터리 셀(BCi)의 셀 전압에 대한 시계열 데이터(Vi,k)를 기초로 제1시간 구간(t1~t2) 및 제2시간 구간(t2+p ~ t2+p+1) 사이의 제3시간 구간(t2 ~ t2+p)에서 셀 전압의 평균 기울기(ri,av)를 결정한다. 이로써, 저장매체(221)에는 각 배터리 셀(BCi)에 대한 셀 전압의 평균 기울기(ri,av)가 기록된다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S50에서 각 배터리 셀(BCi)에 대해 결정된 제1셀 전압 기울기(ri,1)와 제2셀 전압 기울기(ri,2)를 각 배터리 셀(BCi)에 대한 정상 기울기 범위(Rangei)의 경계 조건으로 설정한다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S60에서 각 배터리 셀(BCi)에 대해 결정된 셀 전압의 평균 기울기(ri,av)가 해당 배터리 셀(BCi)의 정상 기울기 범위(Rangei)를 벗어남으로써 전압 이상을 나타내는 배터리 셀(BCi *)을 식별한다. 여기서, 기호 *는 전압 이상이 나타난 배터리 셀을 지시한다. 단계 S60에 있어서, 전압 이상을 나타내는 배터리 셀(BCi *)을 판별하는 실시예들은 부등식 1 내지 4와 등식 1 내지 2를 기초로 앞서 상술하였다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S70에서 전압 이상이 검출된 각 배터리 셀(BCi *)에 대해서 전압 검출 시점을 저장매체(221)에 누적해서 저장하고 해당 배터리 셀(BCi *)에 대한 전압 이상 검출 카운트를 1 증가시킨다. 여기서, 기호 *는 전압 이상이 검출된 배터리 셀을 나타내는 기호이다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S80에서 현재의 진단 사이클이 미리 설정된 진단 사이클 수에 도달되었는지 판단한다. 셀 전압의 시계열 데이터(Vi,k)에 포함된 셀 전압의 수가 n개이고, 제1시간 구간과 제2시간 구간이 p*△t 만큼 이격되어 있을 때 미리 설정된 진단 사이클 수는 ＇n-p-2＇이다.
단계 S80의 판단이 NO이면, 제어 회로(220)는 프로세스를 단계 S90으로 이행한다. 제어 회로(220)는 단계 S90에서 진단 사이클 인덱스를 1 증가시키고 프로세스를 다시 단계 S10으로 복귀시킨다. 이로써, 다음 순서의 진단 사이클이 진행됨으로써 단계 S10 내지 단계 S80이 반복된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 두 번째 진단 사이클에서, 제1시간 구간(T1)은 t2 ~ t3으로 변경되고, 제2시간 구간(T2)은 t2+p+1 ~ t2+p+2로 변경되고, 제3시간 구간(T3)은 t3 ~ t2+p+1로 변경된다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 임의의 m번째 진단 사이클에서, 제1시간 구간(T1)은 tm ~ tm+1로 변경되고, 제2시간 구간(T2)은 tm+1+p ~ tm+1+p+1로 변경되고, 제3시간 구간(T3)은 tm+1 ~ tm+1+p 로 변경된다.
단계 S10 내지 단계 S70의 반복은 단계 S80의 판단이 YES가 될 때까지 계속될 수 있다.
진단 사이클이 미리 설정된 횟수만큼 반복되면, 각 배터리 셀(BCi)에 대한 전압 이상 검출 카운트에 할당된 값과 기준치를 비교하여 전압 이상을 나타내는 배터리 셀을 판별하고 진단 결과를 출력하는 프로세스가 진행된다.
구체적으로, 제어 회로(220)는 단계 S100에서 각 배터리 셀(BCi)에 대해 할당된 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상인 배터리 셀(BCi #)이 존재하는지 판단한다. 여기서, 기호 # 은 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상인 배터리 셀을 나타낸다.
단계 S100의 판단이 YES이면, 제어 회로(220)는 인터페이스부(330)에 연결된 출력 디바이스(331)를 통해 진단 결과를 시각적 또는 청각적으로 출력시킨다. 진단 결과는 배터리 팩(B) 내에 전압 이상을 나타내는 배터리 셀이 발생했음을 나타내는 경고 메시지를 포함할 수 있다.
일 예에서, 제어 회로(220)는 디스플레이(331a)를 통해 진단 결과를 시각적으로 출력할 수 있다. 다른 예에서, 제어 회로(220)는 스피커(331b)를 통해 진단 결과를 청각적으로 출력할 수 있다.
진단 결과가 출력되면, 자동차(1)의 사용자는 자동차(1)를 서비스 센터에 입고시켜 배터리 팩(B)의 상태를 보다 정밀하게 진단할 수 있다. 만약, 배터리 팩(B)에 포함된 일부 배터리 셀에서 리튬 플레이팅 등의 현상이 실제로 확인된 경우 배터리 팩(B)의 교체가 이루어질 수 있다.
한편, 제어 회로(220)는 진단 결과를 인터페이스부(330)를 통해 외부의 디바이스로 전송할 수 있다. 외부의 디바이스는 자동차(1)의 차량 컨트롤러(5) 또는 인터페이스부(330)를 통해 동작 가능하게 결합된 온보드(on-board) 자동차 진단 디바이스일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 진단 방법은 다음과 같이 변형될 수 있다. 즉, 제어 회로(220)는 미리 설정된 n개의 셀 전압에 대한 시계열 데이터를 획득하기 전에 진단 사이클을 셀 전압의 측정과 연계시켜 실시간으로 실행할 수 있다.
구체적으로, 제어 회로(220)는 각 배터리 셀의 셀 전압 측정을 개시한 이후에 측정 시점 t2+p+1 이 경과되었을 때 첫 번째 진단 사이클을 실행할 수 있다.
즉, 도 2a를 참조하면, 제어회로(220)는 측정 시점 t2+p+1 이 경과되었을 때 측정 시점 t1 내지 t2+p+1에서 측정된 각 배터리 셀(BCi)에 대한 셀 전압의 시계열 데이터(Vi,k)를 이용하여 단계 S10 내지 단계 S70을 진행할 수 있다.
또한, 도 2b를 참조하면, 제어 회로(220)는 셀 전압의 측정 시점 t2+p+2 이 경과되었을 때 두 번째 진단 사이클을 실행할 수 있다. 즉, 제어 회로(220)는 측정 시점 t2+p+2 이 경과되었을 때 측정 시점 t2 내지 t2+p+2에서 측정된 각 배터리 셀(BCi)에 대한 셀 전압의 시계열 데이터(Vi,k)를 이용하여 단계 S10 내지 단계 S70을 진행할 수 있다.
또한, 도 2c를 참조하면, 제어 회로(220)는 셀 전압의 측정 시점 tm+1+p+1 이 경과되었을 때 임의의 m번째 진단 사이클을 실행할 수 있다. 즉, 제어 회로(220)는 측정 시점 tm+1+p+1이 경과되었을 때 측정 시점 tm 내지 tm+1+p+1에서 측정된 각 배터리 셀(BCi)에 대한 셀 전압의 시계열 데이터(Vi,k)를 이용하여 단계 S10 내지 단계 S70을 진행할 수 있다.
위와 같은 단계 S10 내지 단계 70의 실행은 진단 사이클 수가 미리 설정된 횟수에 도달될 때까지 반복될 수 있다. 또한, 단계 S10 내지 단계 70의 실행이 미리 설정된 횟수만큼 반복된 이후에는 단계 S100 및 단계 S110이 앞서 설명된 실시예와 실질적으로 동일하게 실행될 수 있다.
상술한 실시예들에 따르면, 제1시간 구간 및 제2시간 구간에서 산출한 셀 전압의 기울기와 제1시간 구간과 제2시간 구간 사이에서 결정한 셀 전압의 평균 기울기를 이용하여 전압 이상을 나타내는 배터리 셀을 간단한 연산을 통해 식별할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 진단에 사용되는 계산 방식이 복잡하지 않으므로 고사양의 프로세서가 요구되지 않는다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 서로 다른 시점에 측정된 전압의 차이가 크지 않더라도 비정상적인 전압 거동을 나타내는 배터리 셀을 신뢰성 있게 식별할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부' 또는 '~회로'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

Claims (20)

  1. 배터리 셀의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 센싱 회로;
    상기 셀 전압의 시계열 데이터를 저장하도록 구성된 저장매체; 및
    상기 전압 센싱 회로 및 상기 저장매체와 동작 가능하게 결합된 제어 회로를 포함하고,
    상기 제어 회로는,
    (i) 상기 전압 신호를 입력 받아 셀 전압의 시계열 데이터를 저장매체에 기록하고,
    (ii) 상기 시계열 데이터를 기초로 서로 다른 제1시간 구간 및 제2시간 구간에서 제1셀 전압 기울기 및 제2셀 전압 기울기를 결정하고,
    (iii) 상기 시계열 데이터를 기초로 상기 제1시간 구간 및 상기 제2시간 구간 사이의 제3시간 구간에서 셀 전압의 평균 기울기를 결정하고,
    (iv) 상기 제1셀 전압 기울기와 상기 제2셀 전압 기울기를 정상 기울기 범위의 경계 조건으로 설정하고, 상기 셀 전압의 평균 기울기가 상기 정상 기울기 범위를 벗어나는 조건이 성립되면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성된, 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3시간 구간의 시간 폭은, 상기 제1시간 구간의 시간 폭 및 상기 제2시간 구간의 시간 폭보다 큰 것인, 배터리 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1시간 구간의 시간 폭과 상기 제2시간 구간의 시간 폭은 실질적으로 동일한 것인, 배터리 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 상기 시계열 데이터를 구성하는 셀 전압들이 실질적으로 연속적으로 감소하는 패턴을 나타낼 때, 상기 제1셀 전압 기울기, 상기 제2셀 전압 기울기 및 상기 셀 전압의 평균 기울기가 다음 부등식을 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성된,

    부등식: 제1셀 전압 기울기 < 셀 전압의 평균 기울기 < 제2셀 전압 기울기

    배터리 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 상기 시계열 데이터를 구성하는 셀 전압들이 실질적으로 연속적으로 증가하는 패턴을 나타낼 때, 상기 제1셀 전압 기울기, 상기 제2셀 전압 기울기 및 상기 셀 전압의 평균 기울기가 다음 부등식 조건을 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성된,

    부등식: 제1셀 전압 기울기 > 셀 전압의 평균 기울기 > 제2셀 전압 기울기

    배터리 진단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 상기 배터리 셀의 동작 상태가 충전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때, 다음 부등식 조건과 등식 조건 중 어느 하나도 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성된,

    부등식: 제1셀 전압 기울기 < 평균 기울기 < 제2셀 전압 기울기
    등식: 제1셀 전압 기울기 = 평균 기울기 = 제2셀 전압 기울기

    배터리 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 상기 배터리 셀의 동작 상태가 방전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때, 다음 부등식 조건과 등식 조건 중 어느 하나도 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성된,

    부등식: 제1셀 전압 기울기 > 평균 기울기 > 제2셀 전압 기울기
    등식: 제1셀 전압 기울기 = 평균 기울기 = 제2셀 전압 기울기

    배터리 진단 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단된 경우, 전압 이상 발생 시점과 전압 이상 검출 카운트를 갱신하도록 구성된, 배터리 진단 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 회로와 동작 가능하게 결합된 디스플레이를 더 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상인 조건을 만족하는 배터리 셀을 전압 이상을 나타내는 배터리 셀로서 진단한 결과를 상기 디스플레이를 통해 출력하도록 구성된 배터리 진단 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어 회로와 동작 가능하게 결합되어 외부 디바이스와의 통신을 지원하는 인터페이스부를 더 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상인 조건을 만족하는 배터리 셀을 전압 이상을 나타내는 배터리 셀로서 진단한 결과를 상기 인터페이스부를 통해 외부 디바이스로 전송하도록 구성된 배터리 진단 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
  13. 전압 센싱 회로로부터 배터리 셀의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 입력 받아 셀 전압의 시계열 데이터를 저장매체에 기록하는 제1단계;
    상기 시계열 데이터를 기초로 제1시간 구간에서 제1셀 전압 기울기를 결정하는 제2단계;
    상기 시계열 데이터를 기초로 상기 제1시간 구간보다 후행하는 제2시간 구간에서 제2셀 전압 기울기를 결정하는 제3단계;
    상기 시계열 데이터를 기초로 상기 제1시간 구간 및 상기 제2시간 구간 사이의 제3시간 구간에서 셀 전압의 평균 기울기를 결정하는 제4단계;
    상기 제1셀 전압 기울기와 상기 제2셀 전압 기울기를 정상 기울기 범위의 경계 조건으로 설정하는 제5단계; 및
    상기 셀 전압의 평균 기울기가 상기 정상 기울기 범위를 벗어나는 조건이 성립되면 배터리 셀이 이상 전압을 나타내는 것으로 진단하는 제6단계;를 포함하는 배터리 진단 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제3시간 구간의 시간 폭은, 상기 제1시간 구간의 시간 폭 및 상기 제2시간 구간의 시간 폭보다 큰 것인, 배터리 진단 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제6단계는,
    상기 시계열 데이터를 구성하는 셀 전압들이 실질적으로 연속적으로 감소하는 패턴을 나타낼 때, 상기 제1셀 전압 기울기, 상기 제2셀 전압 기울기 및 상기 셀 전압의 평균 기울기가 다음 부등식을 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하는 단계인,

    부등식: 제1셀 전압 기울기 < 셀 전압의 평균 기울기 < 제2셀 전압 기울기

    배터리 진단 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제6단계는,
    상기 시계열 데이터를 구성하는 셀 전압들이 실질적으로 연속적으로 증가하는 패턴을 나타낼 때, 상기 제1셀 전압 기울기, 상기 제2셀 전압 기울기 및 상기 셀 전압의 평균 기울기가 다음 부등식 조건을 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하는 단계인,

    부등식: 제1셀 전압 기울기 > 셀 전압의 평균 기울기 > 제2셀 전압 기울기

    배터리 진단 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제6단계는,
    상기 배터리 셀의 동작 상태가 충전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때, 다음 부등식 조건과 등식 조건 중 어느 하나도 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하는 단계인,

    부등식: 제1셀 전압 기울기 < 평균 기울기 < 제2셀 전압 기울기
    등식: 제1셀 전압 기울기 = 평균 기울기 = 제2셀 전압 기울기

    배터리 진단 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 제6단계는,
    상기 배터리 셀의 동작 상태가 방전 상태에서 무부하 상태로 전환되었을 때, 다음 부등식 조건과 등식 조건 중 어느 하나도 만족하지 않으면 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하는 단계인,

    부등식: 제1셀 전압 기울기 > 평균 기울기 > 제2셀 전압 기울기
    등식: 제1셀 전압 기울기 = 평균 기울기 = 제2셀 전압 기울기

    배터리 진단 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단된 경우, 전압 이상 발생 시점과 전압 이상 검출 카운트를 갱신하는 단계를 더 포함하는 배터리 진단 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상인 조건을 만족하는 배터리 셀을 전압 이상을 나타내는 배터리 셀로서 진단한 결과를 디스플레이에 표시하는 단계; 또는
    상기 전압 이상 검출 카운트가 기준치 이상인 조건을 만족하는 배터리 셀을 전압 이상을 나타내는 배터리 셀로서 진단한 결과를 외부 디바이스로 전송하는 단계;를 더 포함하는 배터리 진단 방법.
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