WO2021091086A1 - 배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법 및 에너지 저장 시스템 - Google Patents

배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법 및 에너지 저장 시스템 Download PDF

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nth
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voltage
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권동근
김승현
김안수
윤성열
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for diagnosing a failure of a battery cell from a voltage change in the idle state of the battery cell.
  • a cell assembly in which several to tens of battery cells are electrically connected in series is widely used. If some battery cells are defective, the cell voltage of each defective battery cell may drop abnormally and largely even in an idle state in which charging/discharging is stopped.
  • a cell voltage of each of a plurality of battery cells is measured at a specific point in time, and then each battery cell is diagnosed as a failure based on a difference between the cell voltage and the average cell voltage.
  • the cell voltage depends on the state of charge and the degree of deterioration in addition to the defect of the battery cell itself, according to the prior art based on the cell voltage measured one-time at a specific point in time, a normal battery cell is misdiagnosed as a failure or is faulty. There is a problem that the battery cells are likely to be misdiagnosed as normal.
  • the present invention is an apparatus and method for diagnosing a failure of each battery cell from a voltage change in an idle state of a plurality of battery cells connected in series and/or parallel, and the apparatus It is an object to provide an energy storage system comprising a.
  • a battery diagnostic apparatus is configured to measure a cell voltage of each of the first to n-th battery cells, wherein n is a voltage measuring unit that is a natural number of 2 or more; And a control unit operably coupled to the voltage measurement unit.
  • the control unit includes the first to n-th battery cells related to the first to n-th battery cells on a one-to-one basis based on the cell voltage of each battery cell measured a first number of times during a first idle period from a first time point to a second time point. And determining the first to nth average cell voltages for the idle period.
  • the control unit includes the second to be related to the first to n-th battery cells on a one-to-one basis based on the cell voltage of each battery cell measured a second number of times during a second idle period from the third time point to the fourth time point. And determining the first to nth average cell voltages for the idle period.
  • the third point in time is a point in time after the second point in time and a point in time when a threshold time has elapsed from the first point in time.
  • the control unit based on the first to nth average cell voltage for the first idle period and the first to nth average cell voltage for the second idle period, each of the first to nth battery cells Is configured to diagnose the fault of the.
  • the first point in time may be a point in time when the first to nth battery cells are converted from a use state to a dormant state.
  • the control unit may be configured to determine the first to nth average cell voltages for the first idle period using Equation 1 below.
  • V k is a natural number less than 1, i is the first number, x is a natural number less than i, V k [x] is the cell voltage of the kth battery cell measured for the xth time within the first idle period, V k_1 Is the kth average cell voltage for the first idle period)
  • the control unit may be configured to determine the first to nth average cell voltages for the second idle period using Equation 2 below.
  • V k is a natural number less than n, j is the second number, y is a natural number less than j, V k [y] is the cell voltage of the kth battery cell measured for the yth time within the second idle period, V k_2 Is the kth average cell voltage for the second idle period)
  • the controller may be configured to determine a first reference voltage based on the first to nth average cell voltages for the first idle period.
  • the control unit may be configured to determine a second reference voltage based on the first to nth average cell voltages for the second idle period.
  • the control unit may be configured to determine first to nth reference values that are one-to-one to the first to nth battery cells using Equation 3 below.
  • V ref_1 is the first reference voltage
  • V ref_2 is the second reference voltage
  • R k is the k-th reference value
  • the control unit may be configured to determine first to nth reference values that are one-to-one to the first to nth battery cells using Equation 4 below.
  • V ref_1 is the first reference voltage
  • V ref_2 is the second reference voltage
  • R k is the k-th reference value
  • the controller may be configured to diagnose that the k-th battery cell has a failure when the k-th reference value is greater than or equal to a predetermined threshold diagnosis value greater than 1.
  • the control unit may be configured to determine first to nth diagnostic values that are greater than one, respectively, based on the maximum capacity of each of the first to nth battery cells.
  • the controller may be configured to diagnose that the k-th battery cell is a failure when the k-th reference value is equal to or greater than the k-th diagnostic value.
  • the controller may be configured to increase the k-th diagnostic value as the maximum capacity of the k-th battery cell decreases.
  • the control unit may be configured to determine the threshold time based on an average maximum capacity of the first to nth battery cells.
  • the control unit may be configured to decrease the threshold time as the average maximum capacity decreases.
  • An energy storage system includes the battery diagnostic device.
  • a battery diagnosis method can be executed by the battery diagnosis apparatus.
  • the battery diagnosis method includes a one-to-one to the first to n-th battery cells based on a cell voltage of each of the first to nth battery cells measured a first number of times during a first idle period from a first time point to a second time point. Determining a first to nth average cell voltage for the first idle period associated with, n is a natural number of 2 or more; Based on the cell voltage of each battery cell measured a second number of times during the second idle period from the third time point to the fourth time point, the second idle period associated with the first to nth battery cells on a one-to-one basis.
  • a failure of each battery cell e.g., internal short circuit, external Short circuit
  • each battery cell e.g., internal short circuit, external Short circuit
  • the diagnostic accuracy is improved by adjusting a threshold value (e.g., a threshold time described later, a diagnostic value) used for fault diagnosis. And shorten the time required for diagnosis.
  • a threshold value e.g., a threshold time described later, a diagnostic value
  • FIG. 1 is a diagram showing an exemplary configuration of an energy storage system 1 according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph exemplarily showing a voltage change of each of three battery cells maintained in an idle state.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an exemplary method for diagnosing a battery according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a battery diagnosis method according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a battery diagnosis method according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • control unit> described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a diagram showing an exemplary configuration of an energy storage system 1 according to the present invention.
  • the energy storage system 1 includes a battery pack 10, a switch 20, an upper controller 2, a power conversion system 30, and a battery diagnostic device 100. do.
  • the battery pack 10 includes a positive terminal (P+), a negative terminal (P-), and a plurality of battery cells (BC 1 to BC n , n is a natural number of 2 or more).
  • a plurality of battery cells (BC 1 to BC n , n is a natural number of 2 or more) are electrically connected in series and/or parallel to each other between the positive terminal (P+) and the negative terminal (P-).
  • Each battery cell BC may be a lithium ion battery cell.
  • the type of the battery cell BC is not particularly limited.
  • the switch 20 is installed on the power line PL for the battery pack 10. While the switch 20 is on, power can be transferred from one of the battery pack 10 and the power conversion system 30 to the other.
  • the switch 20 may be implemented by combining any one or two or more of known switching devices such as a relay, a field effect transistor (FET), or the like.
  • the power conversion system 30 is operatively coupled to the battery diagnosis apparatus 100.
  • the power conversion system 30 may generate DC power for charging the battery pack 10 from AC power from the electric system 40.
  • the power conversion system 30 may generate AC power from DC power from the battery pack 10.
  • the battery diagnosis apparatus 100 (hereinafter referred to as “device”) includes a voltage measurement unit 110 and a control unit 140.
  • the device 100 may further include at least one of a current measurement unit 120, a temperature measurement unit 130, and a communication unit 150.
  • the voltage measurement unit 110 includes at least one voltage sensor provided to be electrically connected to the positive terminal and the negative terminal of each battery cell BC.
  • the voltage measuring unit 110 is configured to measure a cell voltage, which is a voltage across both ends of each battery cell BC, and to output a signal representing the measured cell voltage to the controller 140.
  • the current measuring unit 120 is provided to be electrically connected in series to the battery pack 10 through a power line PL.
  • a shunt resistor or a Hall effect element may be used as the current measuring unit 120.
  • the current measuring unit 120 is configured to measure a current flowing through the power line PL and output a signal representing the measured current to the control unit 140.
  • the temperature measuring unit 130 includes at least one temperature sensor disposed in an area within a predetermined distance from the battery pack 10.
  • a thermocouple or the like can be used as a temperature sensor.
  • the temperature measurement unit 130 is configured to measure the temperature of the battery pack 10 and output a signal representing the measured temperature to the control unit 140.
  • the control unit 140 is operatively coupled to the switch 20, the voltage measurement unit 110, the current measurement unit 120, the temperature measurement unit 130, and the communication unit 150.
  • the control unit 140 includes hardware, application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), and microprocessors. It may be implemented using at least one of (microprocessors) and electrical units for performing other functions.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • microprocessors It may be implemented using at least one of (microprocessors) and electrical units for performing other functions.
  • the control unit 140 may have a built-in memory.
  • the memory programs and various data necessary for executing battery diagnostic methods according to embodiments to be described later may be stored.
  • the memory is, for example, a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type, an SDD type, a multimedia card micro type. , At least one of random access memory (RAM), static random access memory (SRAM), read-only memory (ROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), and programmable read-only memory (PROM) It may include a storage medium of the type.
  • the communication unit 150 may be communicatively coupled with the upper controller 2 of the energy storage system 1.
  • the communication unit 150 may transmit a message from the upper controller 2 to the controller 140 and transmit a message from the controller 140 to the upper controller 2.
  • the message from the control unit 140 may include information for notifying a failure of each battery cell BC.
  • Communication between the communication unit 150 and the upper controller 2 includes, for example, a local area network (LAN), a controller area network (CAN), a wired network such as a daisy chain, and/or a short-range wireless such as Bluetooth, ZigBee, and Wi-Fi. Network can be utilized.
  • the controller 140 may determine a state of charge (SOC) of each battery cell BC based on a cell voltage, current, and/or temperature for each battery cell BC.
  • SOC may be determined using a known method such as a current integration method and a Kalman filter.
  • the controller 140 may determine the maximum capacity of each battery cell BC from a ratio between the accumulated current amount and the SOC change amount for a predetermined period of time.
  • the controller 140 may determine the maximum capacity of each battery cell BC based on the accumulated current amount and the SOC change amount in the recent period when the SOC change amount is equal to or greater than a predetermined threshold change amount (eg, 50%).
  • a predetermined threshold change amount eg, 50%.
  • the use state refers to a state in which the switch 20 is turned on to allow charging and discharging of each battery cell BC.
  • the idle state refers to a state in which the switch 20 is turned off so that no current flows through the power line PL, that is, a state in which charging and discharging of each battery cell BC is stopped.
  • FIG. 2 is a graph exemplarily showing a voltage change of each of three battery cells maintained in an idle state.
  • the first curve 21 shows a change in cell voltage over time of a normal first battery cell with a maximum capacity of A (eg, 100 mAh).
  • the second curve 22 shows a change in cell voltage over time of a second battery cell having a maximum capacity of A and a faulty second battery cell.
  • the third curve 23 shows the change of the cell voltage over time of the faulty third battery cell with B (eg, 85 mAh) whose maximum capacity is less than A.
  • the battery pack 10 in response to the battery pack 10 being converted from a use state to a dormant state, the battery pack 10 is in a dormant state over a first rest period and a second rest period described later. It may be executed by the control unit 140 while it is maintained.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an exemplary method for diagnosing a battery according to the first embodiment of the present invention.
  • the controller 140 measures the cell voltage of each of the first to nth battery cells BC 1 to BC n by a first number of times during a first idle period.
  • the first rest period may be from the first time point to the second time point.
  • the first point in time may be a point in time at which the battery pack 10 is converted from a use state to a dormant state ( see point t A in FIG. 2 ).
  • the second point in time may be a point in time when the first voltage sensing time has elapsed from the first point in time.
  • the cell voltage of each of the first to nth battery cells BC 1 to BC n may be measured every first time interval (eg, 1 second).
  • the first number of times is predetermined to be 2 or more in order to eliminate inaccuracies in the method of measuring the cell voltage only once. Accordingly, the first voltage sensing time may be predetermined or greater than the product of the first time interval and the first number of times.
  • step S320 the control unit 140, based on the cell voltage of each of the first to nth battery cells (BC 1 to BC n) measured a first number of times during the first idle period, 1 to nth average cell voltages are determined.
  • the first to nth average cell voltages for the first idle period are related to the first to nth battery cells BC 1 to BC n on a one-to-one basis.
  • the controller 140 may determine the first to nth average cell voltages during the first idle period using Equation 1 below.
  • Equation 1 k is a natural number less than or equal to n, i is a first number, x is a natural number less than i, and V k [x] is the kth battery cell BC k measured in the xth time within the first idle period.
  • the cell voltage, V k_1 represents the average cell voltage of the k-th battery cell BC k during the first idle period.
  • step S330 the controller 140 determines a first reference voltage based on the first to nth average cell voltages for the first idle period.
  • the first reference voltage may be an average, median, minimum, or maximum value of the first to nth average cell voltages during the first idle period.
  • step S340 the controller 140 measures the cell voltage of each of the first to nth battery cells BC 1 to BC n a second number of times during the second idle period.
  • the second rest period may be from the third time point to the fourth time point.
  • the third time point is a time point after the second time point, and is a time point at which the critical time has elapsed from the first time point.
  • the threshold time may be equal to a predetermined set time (eg, 3 hours) longer than the first voltage sensing time.
  • the fourth point in time may be a point in time when the second voltage sensing time has elapsed from the third point in time.
  • the cell voltage of each of the first to nth battery cells BC 1 to BC n may be measured at every second time interval.
  • the second time interval may be the same as the first time interval.
  • the second number of times is predetermined to be 2 or more in order to eliminate inaccuracies in the method of measuring the cell voltage only once. Accordingly, the second voltage sensing time may be predetermined or greater than the product of the second time interval and the second number of times.
  • step S350 the control unit 140, based on the cell voltage of each of the first to nth battery cells (BC 1 to BC n) measured a second number of times during the second idle period, 1 to nth average cell voltages are determined.
  • the first to nth average cell voltages for the second idle period are related to the first to nth battery cells BC 1 to BC n on a one-to-one basis.
  • the controller 140 may determine the first to nth average cell voltages during the second idle period using Equation 2 below.
  • Equation 2 k is a natural number less than n, j is a second number, y is a natural number less than j, and V k [y] is the kth battery cell BC k measured in the second idle period.
  • the cell voltage, V k_2 represents the kth average cell voltage during the second idle period.
  • the second number of times may be the same as the first number of times.
  • step S360 the controller 140 determines a second reference voltage based on the first to nth average cell voltages for the second idle period.
  • the second reference voltage may be an average, median, minimum, or maximum value of the first to nth average cell voltages during the second idle period.
  • step S370 the controller 140 determines first to n-th reference values that are related to the first to n- th battery cells BC 1 to BC n on a one-to-one basis. That is, the k-th reference value is related to the k-th battery cell BC k. In determining each reference value, Equation 3 below may be used.
  • Equation 3 k is a natural number less than or equal to 1, V ref_1 is a first reference voltage, V ref_2 is a second reference voltage, and R k is a k-th reference value. If, a k, because the battery cell (BC k) the difference between the normal if the first claim k average cell voltage V k_1 and second k-th average cell voltage V k_2 during the idle period during the idle period will be very small, R k will also be very small.
  • the k because if the battery cell (BC k) is broken, the k-th average cell voltage V k_2 during the second rest period is will hayeoteul reduced significantly from the k-th average cell voltage V k_1 during the first idle period, the k The reference value R k will be very large.
  • the controller 140 may determine the k-th reference value by using the following Equation 4 instead of Equation 3.
  • step S380 the control unit 140 determines whether or not the k-th reference value is equal to or greater than a predetermined threshold diagnosis value greater than 1. If the value of step S380 is "Yes”, the process proceeds to step S390. If the value of step S380 is "no", the method may be terminated.
  • step S390 the control unit 140 performs a safe operation.
  • the safe operation may be the off of the switch 20 and/or the generation of a fault signal.
  • the fault signal may be transmitted to the upper controller 2 through the communication unit 150.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a battery diagnosis method according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the second embodiment repeated descriptions of the contents in common with the first embodiment will be described.
  • step S400 the controller 140 determines an average maximum capacity of the first to nth battery cells BC 1 to BC n.
  • the average maximum capacity is obtained by dividing the sum of the maximum capacities of the first to nth battery cells BC 1 to BC n by n.
  • step S402 the control unit 140 determines a threshold time based on the average maximum capacity.
  • the controller 140 may decrease the threshold time as the average maximum capacity decreases.
  • the controller 140 may determine the threshold time using Equation 5 below.
  • Equation 5 Q av denotes the average maximum capacity, Q design denotes a predetermined reference capacity, ⁇ t set denotes the predetermined set time, and ⁇ t th denotes the critical time.
  • step S410 the control unit 140 measures the cell voltage of each of the first to nth battery cells a first number of times during the first idle period.
  • the first rest period may be from the first time point to the second time point.
  • step S420 the control unit 140, based on the cell voltage of each of the first to nth battery cells (BC 1 to BC n) measured a first number of times during the first idle period, 1 to n-th average cell voltage is determined (see Equation 1).
  • step S430 the controller 140 determines a first reference voltage based on the first to nth average cell voltages for the first idle period.
  • step S440 the controller 140 measures the cell voltage of each of the first to nth battery cells BC 1 to BC n a second number of times during the second idle period.
  • the second rest period may be from the third time point to the fourth time point.
  • the third point in time may be a point in time that has elapsed by the threshold time determined in step S402 from the first point in time.
  • step S450 the control unit 140, based on the cell voltage of each of the first to nth battery cells (BC 1 to BC n) measured a second number of times during the second idle period, 1 to n-th average cell voltage is determined (refer to Equation 2).
  • step S460 the controller 140 determines a second reference voltage based on the first to nth average cell voltages for the second idle period.
  • step S470 the control unit 140 determines first to n-th reference values that are one-to-one to the first to n-th battery cells BC 1 to BC n (refer to Equation 3 or Equation 4).
  • step S480 the control unit 140 determines whether the k-th reference value is equal to or greater than a predetermined threshold diagnosis value greater than 1. If the value of step S480 is "Yes”, the process proceeds to step S490. If the value of step S480 is "no", the method may be terminated.
  • step S490 the control unit 140 performs a safe operation.
  • the safe operation may be the off of the switch 20 and/or the generation of a fault signal.
  • the fault signal may be transmitted to the upper controller 2 through the communication unit 150.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a battery diagnosis method according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • the third embodiment repeated descriptions of the contents in common with the first and second embodiments will be described.
  • step S500 the control unit 140 , based on the maximum capacity of each of the first to n-th battery cells (BC 1 to BC n ), based on the first to n-th diagnosis Determine the value.
  • the controller 140 may increase the k-th diagnostic value as the maximum capacity of the k-th battery cell BC k decreases.
  • the controller 140 may determine each diagnosis value using Equation 6 below.
  • Equation 6 k is a natural number less than 1, Q k is the maximum capacity of the k-th battery cell (BC k ), Q design is a predetermined reference capacity, D set is the predetermined threshold diagnosis value, D k is the k-th diagnosis. Indicates the value.
  • step S510 the control unit 140 measures the cell voltage of each of the first to nth battery cells BC 1 to BC n a first number of times during the first idle period.
  • the first rest period may be from the first time point to the second time point.
  • step S520 the control unit 140, based on the cell voltage of each of the first to nth battery cells (BC 1 to BC n) measured a first number of times during the first idle period, 1 to n-th average cell voltage is determined (see Equation 1).
  • step S530 the controller 140 determines a first reference voltage from the first to nth average cell voltages during the first idle period.
  • step S540 the control unit 140 measures the cell voltage of each of the first to nth battery cells BC 1 to BC n a second number of times during the second idle period.
  • the second rest period may be from the third time point to the fourth time point.
  • the third time point is a time point after the second time point, and is a time point at which the critical time has elapsed from the first time point.
  • the threshold time may be the same as the predetermined set time (eg, 3 hours).
  • step S550 the control unit 140, based on the cell voltage of each of the first to nth battery cells (BC 1 to BC n) measured a second number of times during the second idle period, 1 to n-th average cell voltage is determined (see Equation 2).
  • step S560 the controller 140 determines a second reference voltage from the first to nth average cell voltages during the second idle period.
  • step S570 the control unit 140 determines first to n-th reference values that are one-to-one to the first to n-th battery cells BC 1 to BC n (refer to Equation 3 or Equation 4).
  • step S580 the control unit 140 determines whether the k-th reference value is equal to or greater than the k-th diagnostic value. If the value of step S580 is "Yes”, the process proceeds to step S590. If the value of step S580 is "no", the method may be terminated.
  • step S590 the control unit 140 executes a safe operation.
  • the safe operation may be the off of the switch 20 and/or the generation of a fault signal.
  • the fault signal may be transmitted to the upper controller 2 through the communication unit 150.
  • the host controller 2 may output information notifying the failure of the k- th battery cell BC k to the manager in response to the failure signal.
  • the embodiments of the present invention described above are not implemented only through an apparatus and a method, but may be implemented through a program that realizes a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded. Implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiment.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 진단 장치는, 제1 내지 제n 배터리 셀(n은 2 이상의 자연수) 각각의 셀 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 각 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 휴지 기간에 대한 각 배터리 셀의 평균 셀 전압을 결정한다. 상기 제어부는, 제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제2 휴지 기간에 대한 각 배터리 셀의 평균 셀 전압을 결정한다. 상기 제어부는, 상기 제1 휴지 기간에 대한 각 배터리 셀의 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간에 대한 각 배터리 셀의 평균 셀 전압을 기초로, 각 배터리 셀의 고장을 진단한다.

Description

배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법 및 에너지 저장 시스템
본 발명은 배터리 셀의 휴지 상태에서의 전압 변화로부터 배터리 셀의 고장을 진단하기 위한 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 11월 05일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2019-0140356호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
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.
한편, 고전압을 생성하기 위해 수개에서 수십개의 배터리 셀이 전기적으로 직렬로 연결된 셀 어셈블리가 널리 이용되고 있다. 만약, 일부 배터리 셀이 고장이라면, 고장인 각 배터리 셀의 셀 전압은 충방전이 중단되어 있는 휴지 상태에서도 비정상적으로 큰 폭으로 강하할 수 있다.
종래에는 특정 시점에서 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정한 다음, 각 셀 전압과 평균 셀 전압 간의 차이로부터 각 배터리 셀을 고장으로 진단하고 있다. 그러나, 셀 전압은 배터리 셀 자체의 결함 외에도 충전상태, 퇴화도 등에 의존하는 것이기 때문에, 특정 시점에서 일회성으로 측정된 셀 전압에 기초하는 종래기술로는 정상인 배터리 셀이 고장인 것으로 오진단되거나 고장인 배터리 셀이 정상인 것으로 오진단될 가능성이 높다는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 직렬 및/또는 병렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 휴지 상태에서의 전압 변화로부터 각 배터리 셀의 고장을 진단하는 장치 및 방법과, 상기 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템을 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, 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하도록 구성되되, n은 2 이상의 자연수인 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 각 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 상기 제1 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 상기 제2 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성된다. 상기 제3 시점은 상기 제2 시점 후의 시점으로서 상기 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점이다. 상기 제어부는, 상기 제1 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 고장을 진단하도록 구성된다.
상기 제1 시점은, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀이 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환된 시점일 수 있다.
상기 제어부는, 하기의 수식 1을 이용하여, 상기 제1 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.
<수식 1>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000001
(k는 1 이하의 자연수, i는 상기 제1 횟수, x는 i 이하의 자연수, V k[x]은 상기 제1 휴지 기간 내에서 x번째로 측정된 제k 배터리 셀의 셀 전압, V k_1은 상기 제1 휴지 기간에 대한 제k 평균 셀 전압)
상기 제어부는, 하기의 수식 2를 이용하여, 상기 제2 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.
<수식 2>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000002
(k는 n 이하의 자연수, j는 상기 제2 횟수, y는 j 이하의 자연수, V k[y]은 상기 제2 휴지 기간 내에서 y번째로 측정된 제k 배터리 셀의 셀 전압, V k_2은 상기 제2 휴지 기간에 대한 제k 평균 셀 전압)
상기 제어부는, 상기 제1 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 제1 기준 전압을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제2 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 제2 기준 전압을 결정하도록 구성될 수 이ㅆ다.
상기 제어부는, 하기의 수식 3을 이용하여, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정하도록 구성될 수 있다.
<수식 3>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000003
(k는 n 이하의 자연수, V ref_1은 상기 제1 기준 전압, V ref_2은 상기 제2 기준 전압, R k는 제k 기준값)
상기 제어부는, 하기의 수식 4를 이용하여, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정하도록 구성될 수 있다.
<수식 4>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000004
(k는 n 이하의 자연수, V ref_1은 상기 제1 기준 전압, V ref_2은 상기 제2 기준 전압, R k는 제k 기준값임)
상기 제어부는, 상기 제k 기준값이 1보다 큰 소정의 임계 진단값 이상인 경우, 상기 제k 배터리 셀이 고장인 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 최대 용량을 기초로, 각각 1보다 큰 제1 내지 제n 진단값을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제k 기준값이 제k 진단값 이상인 경우, 상기 제k 배터리 셀이 고장인 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제k 배터리 셀의 최대 용량이 감소할수록 상기 제k 진단값을 증가시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀의 평균 최대 용량을 기초로, 상기 임계 시간을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 평균 최대 용량이 감소할수록 상기 임계 시간을 감소시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 상기 배터리 진단 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 진단 방법은, 상기 배터리 진단 장치에 의해 실행 가능하다. 상기 배터리 진단 방법은, 제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관된 상기 제1 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하되, n은 2 이상의 자연수인 단계; 제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관된 상기 제2 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하는 단계로서, 상기 제3 시점은 상기 제3 시점은 상기 제2 시점 후의 시점으로서 상기 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점인 단계; 및 상기 제1 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 고장을 진단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 직렬 및/또는 병렬 연결된 복수의 배터리 셀이 휴지 상태로 유지되는 기간 동안의 각 배터리 셀의 전압 변화로부터 각 배터리 셀의 고장(예, 내부 단락, 외부 단락)을 진단할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 각 배터리 셀의 최대 용량을 기초로, 고장 진단에 활용되는 임계값(예, 후술된 임계 시간, 진단값)을 조절함으로써, 진단 정확도를 향상시키고 진단에 소요되는 시간을 단축할 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 발명에 따른 에너지 저장 시스템(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 휴지 상태로 유지되는 3개의 배터리 셀 각각의 전압 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제3 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, 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 <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 발명에 따른 에너지 저장 시스템(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은, 배터리 팩(10), 스위치(20), 상위 컨트롤러(2), 전력 변환 시스템(power conversion system, 30) 및 배터리 진단 장치(100)를 포함한다.
배터리 팩(10)은, 양극 단자(P+), 음극 단자(P-) 및 복수의 배터리 셀(BC 1~BC n, n은 2 이상의 자연수)을 포함한다. 복수의 배터리 셀(BC 1~BC n, n은 2 이상의 자연수)은, 양극 단자(P+)와 음극 단자(P-) 간에 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된다. 각 배터리 셀(BC)은, 리튬 이온 배터리 셀일 수 있다. 물론, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 배터리 셀(BC)의 종류는 특별히 한정되지 않는다.
스위치(20)는, 배터리 팩(10)을 위한 전력 라인(PL)에 설치된다. 스위치(20)가 온되어 있는 동안, 배터리 팩(10)과 전력 변환 시스템(30) 중 어느 하나로부터 다른 하나로의 전력 전달이 가능하다. 스위치(20)는, 릴레이, 전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor) 등과 같은 공지의 스위칭 기기들 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합함으로써 구현될 수 있다.
전력 변환 시스템(30)은, 배터리 진단 장치(100)에 동작 가능하게 결합된다. 전력 변환 시스템(30)은, 전기 계통(40)으로부터의 교류 전력으로부터 배터리 팩(10)의 충전을 위한 직류 전력을 생성할 수 있다. 전력 변환 시스템(30)은, 배터리 팩(10)으로부터의 직류 전력으로부터 교류 전력을 생성할 수 있다.
배터리 진단 장치(100)(이하, '장치'라고 칭함)는, 전압 측정부(110) 및 제어부(140)를 포함한다. 장치(100)는, 전류 측정부(120), 온도 측정부(130) 및 통신부(150) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
전압 측정부(110)는, 각 배터리 셀(BC)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결 가능하도록 제공되는 적어도 하나의 전압 센서를 포함한다. 전압 측정부(110)는, 각 배터리 셀(BC)의 양단에 걸친 전압인 셀 전압을 측정하고, 측정된 셀 전압을 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
전류 측정부(120)는, 전력 라인(PL)을 통해 배터리 팩(10)에 전기적으로 직렬 연결 가능하도록 제공된다. 예컨대, 션트 저항이나 홀 효과 소자 등이 전류 측정부(120)로서 이용될 수 있다. 전류 측정부(120)는, 전력 라인(PL)을 통해 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
온도 측정부(130)는, 배터리 팩(10)으로부터 소정 거리 내의 영역에 배치된 적어도 하나의 온도 센서를 포함한다. 예컨대, 열전대 등이 온도 센서로서 이용될 수 있다. 온도 측정부(130)는 배터리 팩(10)의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
제어부(140)는, 스위치(20), 전압 측정부(110), 전류 측정부(120), 온도 측정부(130) 및 통신부(150)에 동작 가능하게 결합된다. 제어부(140)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.
제어부(140)에는 메모리가 내장될 수 있다. 메모리에는, 후술할 실시예들에 따른 배터리 진단 방법들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 저장될 수 있다. 메모리는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
통신부(150)는, 에너지 저장 시스템(1)의 상위 컨트롤러(2)와 통신 가능하게 결합될 수 있다. 통신부(150)는, 상위 컨트롤러(2)로부터의 메시지를 제어부(140)로 전송하고, 제어부(140)로부터의 메시지를 상위 컨트롤러(2)로 전송할 수 있다. 제어부(140)로부터의 메시지는, 각 배터리 셀(BC)의 고장을 통지하기 위한 정보를 포함할 수 있다. 통신부(150)와 상위 컨트롤러(2) 간의 통신에는, 예를 들어, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 근거리 무선 네트워크가 활용될 수 있다.
제어부(140)는, 각 배터리 셀(BC)에 대하여, 셀 전압, 전류 및/또는 온도를 기초로, 각 배터리 셀(BC)의 충전상태(SOC: State Of Charge)를 결정할 수 있다. SOC의 결정은, 전류 적산법, 칼만 필터 등과 같은 공지의 방식이 활용될 수 있다.
제어부(140)는, 각 배터리 셀(BC)에 대하여, 일정 시간 동안의 전류 적산량과 SOC 변화량 간의 비율로부터 각 배터리 셀(BC)의 최대 용량을 결정할 수 있다. 제어부(140)는 SOC 변화량이 소정의 임계 변화량(예, 50%) 이상이 되는 최근 기간에서의 전류 적산량과 SOC 변화량을 기초로 각 배터리 셀(BC)의 최대 용량을 결정할 수 있다. 예컨대, k가 n 이하의 자연수라고 할 때, 배터리 셀(BC k)에 있어서, 최근 1시간 동안의 전류 적산량과 SOC 변화량이 각각 50mAh와 80%인 경우, 배터리 셀(BC k)의 최대 용량은 (50mAh/80%)×100% = 62.5mAh로 결정될 수 있다.
본 명세서에서, 사용 상태란, 스위치(20)가 온되어 각 배터리 셀(BC)의 충전 및 방전이 가능한 상태를 지칭한다. 본 명세서에서, 휴지 상태란, 스위치(20)가 오프되어 전력 라인(PL)을 통해 전류가 흐르지 않는 상태, 즉 각 배터리 셀(BC)의 충전 및 방전이 정지되어 있는 상태를 지칭한다.
도 2는 휴지 상태로 유지되는 3개의 배터리 셀 각각의 전압 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 2에 있어서, t A는 휴지 상태의 시작 시점, t B는 휴지 상태의 종료 시점이고, t A에서 3개 배터리 셀의 셀 전압은 동일하다고 가정한다. 제1 커브(21)는, 최대 용량이 A(예, 100 mAh)이고 정상인 첫번째 배터리 셀의 시간에 따른 셀 전압의 변화를 보여준다. 제2 커브(22)는 최대 용량이 A이고 고장인 두번째 배터리 셀의 시간에 따른 셀 전압의 변화를 보여준다. 제3 커브(23)는 최대 용량이 A보다 작은 B(예, 85 mAh)이고 고장인 세번째 배터리 셀의 시간에 따른 셀 전압의 변화를 보여준다.
제1 커브(21)와 제2 커브(22)를 비교하면, 두 배터리 셀의 최대 용량이 동일(즉, 퇴화도가 동일)한 경우에는, 동일 기간에서, 고장(예, 내부 단락, 외부 단락)인 배터리 셀의 전압 강하량이 정상인 배터리 셀의 전압 강하량보다 크다는 것을 확인할 수 있다.
제2 커브(22)와 제3 커브(23)를 비교하면, 동일 기간에서, 최대 용량이 더 작은 배터리 셀의 전압 강하량이 최대 용량이 더 큰 배터리 셀의 전압 강하량보다 크다는 점을 확인할 수 있다.
지금부터 도 3 내지 도 5를 참조하여, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 고장을 진단하기 위한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 3 및 도 4에 따른 배터리 진단 방법들은 배터리 팩(10)이 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환되는 것에 응답하여, 배터리 팩(10)이 후술된 제1 휴지 기간과 제2 휴지 기간에 걸쳐 휴지 상태로 유지되는 동안 제어부(140)에 의해 실행되는 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 단계 S310에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 제1 횟수씩 측정한다. 제1 휴지 기간은 제1 시점부터 제2 시점까지일 수 있다. 제1 시점은, 배터리 팩(10)이 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환되는 시점일 수 있다(도 2의 시점 t A 참조). 제2 시점은, 제1 시점으로부터 제1 전압 센싱 시간이 경과된 시점일 수 있다. 제1 휴지 기간 동안, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압은 제1 시간 간격(예, 1초)마다 측정될 수 있다. 제1 횟수는, 셀 전압을 한번만 측정하는 방식의 부정확성을 제거하기 위해 2 이상으로 미리 정해진다. 따라서, 제1 전압 센싱 시간은, 제1 시간 간격과 제1 횟수의 곱 이상으로 미리 정해질 수 있다.
단계 S320에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제1 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다. 제1 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압은, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n)에 일대일로 연관된다. 제어부(140)는, 하기의 수식 1을 이용하여, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정할 수 있다.
<수식 1>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000005
수식 1에서, k는 n 이하의 자연수, i는 제1 횟수, x는 i 이하의 자연수, V k[x]은 제1 휴지 기간 내에서 x번째로 측정된 제k 배터리 셀(BC k)의 셀 전압, V k_1은 제1 휴지 기간 동안의 제k 배터리 셀(BC k)의 평균 셀 전압을 나타낸다.
단계 S330에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 제1 기준 전압을 결정한다. 제1 기준 전압은, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압의 평균, 중앙값, 최소치 또는 최대치일 수 있다.
단계 S340에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 제2 횟수씩 측정한다. 제2 휴지 기간은 제3 시점부터 제4 시점까지일 수 있다. 제3 시점은, 제2 시점 후의 시점으로서, 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점이다. 임계 시간은, 제1 전압 센싱 시간보다 긴 소정의 설정 시간(예, 3시간)과 동일할 수 있다. 제4 시점은, 제3 시점으로부터 제2 전압 센싱 시간이 경과된 시점일 수 있다. 제2 휴지 기간 동안, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압은 제2 시간 간격마다 측정될 수 있다. 제2 시간 간격은, 제1 시간 간격과 동일할 수 있다. 제2 횟수는, 셀 전압을 한번만 측정하는 방식의 부정확성을 제거하기 위해 2 이상으로 미리 정해진다. 따라서, 제2 전압 센싱 시간은, 제2 시간 간격과 제2 횟수의 곱 이상으로 미리 정해질 수 있다.
단계 S350에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제2 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다. 제2 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압은, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n)에 일대일로 연관된다. 제어부(140)는, 하기의 수식 2를 이용하여, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정할 수 있다.
<수식 2>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000006
수식 2에서, k는 n 이하의 자연수, j는 제2 횟수, y는 j 이하의 자연수, V k[y]은 제2 휴지 기간 내에서 y번째로 측정된 제k 배터리 셀(BC k)의 셀 전압, V k_2은 제2 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압을 나타낸다. 제2 횟수는, 제1 횟수와 동일할 수 있다.
단계 S360에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 제2 기준 전압을 결정한다. 제2 기준 전압은, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압의 평균, 중앙값, 최소치 또는 최대치일 수 있다.
단계 S370에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n)에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정한다. 즉, 제k 기준값은, 제k 배터리 셀(BC k)에 연관된다. 각 기준값의 결정에는, 하기의 수식 3이 이용될 수 있다.
<수식 3>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000007
수식 3에서, k는 1 이하의 자연수, V ref_1은 제1 기준 전압, V ref_2은 제2 기준 전압, R k는 제k 기준값을 나타낸다. 만약, 제k 배터리 셀(BC k)이 정상이라면, 제1 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압 V k_1과 제2 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압 V k_2 간의 차이는 매우 작을 것이기 때문에, R k 역시 매우 작을 것이다. 반면, 제k 배터리 셀(BC k)이 고장이라면, 제2 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압 V k_2은 제1 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압 V k_1으로부터 상당히 감소하였을 것이기 때문에, 제k 기준값 R k은 매우 클 것이다.
대안적으로, 제어부(140)는, 수식 3 대신 다음의 수식 4를 이용하여, 제k 기준값을 결정할 수도 있다.
<수식 4>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000008
단계 S380에서, 제어부(140)는, 제k 기준값이 1보다 큰 소정의 임계 진단값 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S380의 값이 "예"인 경우, 단계 S390으로 진행된다. 단계 S380의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있다.
단계 S390에서, 제어부(140)는, 안전 동작을 실행한다. 안전 동작은, 스위치(20)의 오프 및/또는 고장 신호의 생성일 수 있다. 고장 신호는, 통신부(150)를 통해 상위 컨트롤러(2)에게 전송될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 제2 실시예를 설명함에 있어서, 제1 실시예와 공통된 내용에 대하여는 반복된 설명을 설명한다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 단계 S400에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n)의 평균 최대 용량을 결정한다. 평균 최대 용량은, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n)의 최대 용량의 합을 n으로 나눈 것이다.
단계 S402에서, 제어부(140)는, 평균 최대 용량을 기초로, 임계 시간을 결정한다. 제어부(140)는, 평균 최대 용량이 감소할수록 임계 시간을 감소시킬 수 있다. 제어부(140)는, 다음의 수식 5를 이용하여, 임계 시간을 결정할 수 있다.
<수식 5>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000009
수식 5에서, Q av는 평균 최대 용량, Q design은 소정의 기준 용량, Δt set는 상기 소정의 설정 시간, Δt th은 임계 시간을 나타낸다.
단계 S410에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 셀 전압을 제1 횟수씩 측정한다. 제1 휴지 기간은 제1 시점부터 제2 시점까지일 수 있다.
단계 S420에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제1 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다(수식 1 참조).
단계 S430에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 제1 기준 전압을 결정한다.
단계 S440에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 제2 횟수씩 측정한다. 제2 휴지 기간은 제3 시점부터 제4 시점까지일 수 있다. 제3 시점은, 제1 시점으로부터 단계 S402에서 결정된 임계 시간만큼 경과된 시점일 수 있다.
단계 S450에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제2 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다(수식 2 참조).
단계 S460에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 제2 기준 전압을 결정한다.
단계 S470에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n)에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정한다(수식 3 또는 수식 4 참조).
단계 S480에서, 제어부(140)는, 제k 기준값이 1보다 큰 소정의 임계 진단값 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S480의 값이 "예"인 경우, 단계 S490으로 진행된다. 단계 S480의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있다.
단계 S490에서, 제어부(140)는, 안전 동작을 실행한다. 안전 동작은, 스위치(20)의 오프 및/또는 고장 신호의 생성일 수 있다. 고장 신호는, 통신부(150)를 통해 상위 컨트롤러(2)에게 전송될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 제3 실시예를 설명함에 있어서, 제1, 2 실시예와 공통된 내용에 대하여는 반복된 설명을 설명한다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 단계 S500에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 최대 용량을 기초로, 제1 내지 제n 진단값을 결정한다. 제어부(140)는, 제k 배터리 셀(BC k)의 최대 용량이 감소할수록 제k 진단값을 증가시킬 수 있다. 제어부(140)는, 다음의 수식 6을 이용하여, 각 진단값을 결정할 수 있다.
<수식 6>
Figure PCTKR2020013277-appb-img-000010
수식 6에서, k는 1 이하의 자연수, Q k는 제k 배터리 셀(BC k)의 최대 용량, Q design은 소정의 기준 용량, D set는 상기 소정의 임계 진단값, D k은 제k 진단값을 나타낸다.
단계 S510에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 제1 횟수씩 측정한다. 제1 휴지 기간은 제1 시점부터 제2 시점까지일 수 있다.
단계 S520에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다(수식 1 참조).
단계 S530에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압으로부터 제1 기준 전압을 결정한다.
단계 S540에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 제2 횟수씩 측정한다. 제2 휴지 기간은 제3 시점부터 제4 시점까지일 수 있다. 제3 시점은, 제2 시점 후의 시점으로서, 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점이다. 임계 시간은, 상기 소정의 설정 시간(예, 3시간)과 동일할 수 있다.
단계 S550에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다(수식 2 참조).
단계 S560에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압으로부터 제2 기준 전압을 결정한다.
단계 S570에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC 1~BC n)에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정한다(수식 3 또는 수식 4 참조).
단계 S580에서, 제어부(140)는, 제k 기준값이 제k 진단값 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S580의 값이 "예"인 경우, 단계 S590으로 진행된다. 단계 S580의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있다.
단계 S590에서, 제어부(140)는, 안전 동작을 실행한다. 안전 동작은, 스위치(20)의 오프 및/또는 고장 신호의 생성일 수 있다. 고장 신호는, 통신부(150)를 통해 상위 컨트롤러(2)에게 전송될 수 있다.
상위 컨트롤러(2)는, 고장 신호에 응답하여, 제k 배터리 셀(BC k)의 고장을 알리는 정보를 관리자에게 출력할 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.

Claims (14)

  1. 배터리 진단 장치에 있어서,
    제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하도록 구성되되, n은 2 이상의 자연수인 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 각 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 상기 제1 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하고,
    제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 상기 제2 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하되, 상기 제3 시점은 상기 제2 시점 후의 시점으로서 상기 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점이고,
    상기 제1 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 고장을 진단하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시점은, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀이 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환된 시점인 배터리 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 1을 이용하여, 상기 제1 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
    <수식 1>
    Figure PCTKR2020013277-appb-img-000011
    (k는 1 이하의 자연수, i는 상기 제1 횟수, x는 i 이하의 자연수, V k[x]은 상기 제1 휴지 기간 내에서 x번째로 측정된 제k 배터리 셀의 셀 전압, V k_1은 상기 제1 휴지 기간에 대한 제k 평균 셀 전압)
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 2를 이용하여, 상기 제2 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
    <수식 2>
    Figure PCTKR2020013277-appb-img-000012
    (k는 n 이하의 자연수, j는 상기 제2 횟수, y는 j 이하의 자연수, V k[y]은 상기 제2 휴지 기간 내에서 y번째로 측정된 제k 배터리 셀의 셀 전압, V k_2은 상기 제2 휴지 기간에 대한 제k 평균 셀 전압)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 제1 기준 전압을 결정하고,
    상기 제2 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 제2 기준 전압을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 3을 이용하여, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
    <수식 3>
    Figure PCTKR2020013277-appb-img-000013
    (k는 n 이하의 자연수, V ref_1은 상기 제1 기준 전압, V ref_2은 상기 제2 기준 전압, R k는 제k 기준값)
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 4를 이용하여, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
    <수식 4>
    Figure PCTKR2020013277-appb-img-000014
    (k는 n 이하의 자연수, V ref_1은 상기 제1 기준 전압, V ref_2은 상기 제2 기준 전압, R k는 제k 기준값임)
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제k 기준값이 1보다 큰 소정의 임계 진단값 이상인 경우, 상기 제k 배터리 셀이 고장인 것으로 진단하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 최대 용량을 기초로, 각각 1보다 큰 제1 내지 제n 진단값을 결정하고,
    상기 제k 기준값이 제k 진단값 이상인 경우, 상기 제k 배터리 셀이 고장인 것으로 진단하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제k 배터리 셀의 최대 용량이 감소할수록 상기 제k 진단값을 증가시키도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 내지 제n 배터리 셀의 평균 최대 용량을 기초로, 상기 임계 시간을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 평균 최대 용량이 감소할수록 상기 임계 시간을 감소시키도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 진단 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 진단 장치에 의해 실행 가능한 배터리 진단 방법에 있어서,
    제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관된 상기 제1 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하되, n은 2 이상의 자연수인 단계;
    제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관된 상기 제2 휴지 기간에 대한 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하는 단계로서, 상기 제3 시점은 상기 제3 시점은 상기 제2 시점 후의 시점으로서 상기 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점인 단계; 및
    상기 제1 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간에 대한 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 고장을 진단하는 단계를 포함하는 배터리 진단 방법.
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