WO2022015062A1 - 배터리 관리 장치, 배터리 팩, 에너지 저장 시스템 및 배터리 관리 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치, 배터리 팩, 에너지 저장 시스템 및 배터리 관리 방법 Download PDF

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battery
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이현준
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a technique for detecting abnormalities in battery cells.
  • cell information eg, voltage, current, temperature
  • the use state of the battery cell eg, charging, discharging, rest
  • a method of detecting whether a battery cell is abnormal is used.
  • abnormality of a battery cell is detected based on whether the cell information of the battery cell changes rapidly in a short period of time.
  • the cell information of the abnormal battery cell does not necessarily change rapidly in a short period of time and may show a tendency to gradually change over a long period of time, the abnormality of the battery cell may not be detected at an appropriate time.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and a battery management system, a battery management method, a battery pack, and An object of the present invention is to provide an energy storage system.
  • the present invention generates an observation matrix, which is a data set including a plurality of observed voltage vectors representing changes in cell voltage of each of a plurality of battery cells, and then includes at least one of a plurality of principal components of the observation matrix.
  • a battery management system, a battery management method, a battery pack, and an energy storage system that accurately detect abnormalities in each battery cell from the difference between the data set before and after restoration after restoring the observation matrix using the principal components. aim to
  • a battery management system is for detecting an abnormality in each of a plurality of battery cells connected in series.
  • the battery management system includes: a voltage measurement circuit configured to generate a voltage signal indicative of a cell voltage of each battery cell; and a control unit.
  • the control unit determines, based on the voltage signal, an observation matrix including a plurality of observed voltage vectors representing voltage histories of each of the plurality of battery cells measured a plurality of times in time series within a moving window having a predetermined size. is configured to The control unit is configured to determine a restoration matrix including a plurality of restored voltage vectors corresponding to the plurality of observed voltage vectors on a one-to-one basis.
  • the controller may be configured to extract a first sub-matrix, a second sub-matrix, and a third sub-matrix from the observation matrix by using a matrix decomposition algorithm.
  • the first sub-matrix is an orthogonal matrix including a plurality of principal component vectors indicating variance information of the observation matrix.
  • the second sub-matrix is a diagonal matrix including a plurality of singular values indicating explanatory power information of the plurality of principal component vectors with respect to the variance information.
  • the third sub-matrix is an orthogonal matrix including a plurality of coefficient vectors indicating dependence information of the plurality of observed voltage vectors on the plurality of principal component vectors.
  • the control unit may be configured to select at least one singular value from among the plurality of singular values by using a predetermined restoration condition.
  • the control unit is configured to transform the first sub-matrix, the second sub-matrix, and the third sub-matrix into a first approximation matrix, a second approximation matrix, and a third approximation matrix, respectively, based on the selected at least one singular value. can be configured.
  • the controller may be configured to determine the plurality of restored voltage vectors by multiplying the first approximation matrix, the second approximation matrix, and the third approximation matrix.
  • the controller may be configured to select a threshold number of each singular value in an order of magnitude from among the plurality of singular values.
  • the ratio of the k-th singular value to the sum of the plurality of singular values is greater than or equal to a first threshold ratio, and the ratio of the u-th singular value to the sum of the plurality of singular values is less than the first threshold ratio , may be configured to select first to kth singular values from among the plurality of singular values.
  • k is a natural number less than n
  • u is k+1
  • n is the total number of the plurality of battery cells
  • the kth singular value is the kth largest singular value among the plurality of singular values.
  • the first to qth singular values may be selected from among the plurality of singular values.
  • q is a natural number of 2 or more and less than n
  • p is q-1
  • n is the total number of the plurality of battery cells
  • the qth singular value is the qth largest singular value among the plurality of singular values.
  • the controller may be configured to detect that each battery cell corresponding to each absolute error vector including at least one component out of a predetermined absolute error range among the plurality of absolute error vectors is abnormal.
  • the controller may be configured to determine a relative error range based on the plurality of absolute error vectors.
  • the controller may be configured to detect that each battery cell corresponding to each absolute error vector including at least one component out of the relative error range among the plurality of absolute error vectors is abnormal.
  • the controller may be configured to output a fault message indicating that recovery is impossible when a ratio of a maximum value to a minimum value among the plurality of singular values is less than a set ratio.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention includes the battery management system.
  • An energy storage system includes the battery pack.
  • a battery management method is to detect an abnormality in each of a plurality of battery cells connected in series.
  • the battery management method may include: determining an observation matrix including a plurality of observation voltage vectors representing voltages of the plurality of battery cells measured a plurality of times in time series within a moving window having a predetermined size; determining a restoration matrix including a plurality of restored voltage vectors corresponding to the plurality of observed voltage vectors one-to-one; determining a plurality of absolute error vectors representing differences between the plurality of observed voltage vectors and the plurality of restored voltage vectors; and detecting abnormalities of each of the plurality of battery cells based on the plurality of absolute error vectors.
  • the cell voltage excluding the current or temperature is used, so that the amount of calculation, time, and power required for detecting the abnormality can be reduced.
  • an observation matrix which is a data set including a plurality of observed voltage vectors representing changes in cell voltage of each of the plurality of battery cells with time.
  • the observation matrix is reconstructed using at least one principal component among the plurality of principal components of the observation matrix, and then the abnormality of each of a plurality of battery cells is accurately detected by using the difference between the data set before and after the restoration.
  • FIG. 1 is a diagram exemplarily showing the configuration of an energy storage system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph exemplarily showing a change in cell voltage of a battery cell with time.
  • FIG. 3 is a diagram referenced in explaining an exemplary observation matrix as a data set representing the voltage history of the battery cell shown in FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a diagram referenced for explaining an exemplary reconstruction matrix as a result of reconstructing the observation matrix of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a diagram referenced for explaining a voltage change indicated by an observation matrix and a voltage change indicated by a restoration matrix.
  • FIG. 6 is a diagram referenced for explaining an error between the observation matrix and the reconstruction matrix shown in FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to a second embodiment of the present invention.
  • control unit> means 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 illustrating the configuration of an energy storage system 1 according to the present invention.
  • an energy storage system 1 includes a battery pack 10 , a switch 20 , and a power conversion system 30 .
  • the battery pack 10 includes a positive terminal P+, a negative terminal P-, a cell group 11 and a battery management system 100 .
  • the cell group 11 includes a plurality of battery cells BC 1 to BC n electrically connected in series between the positive terminal P+ and the negative terminal P-.
  • Reference numeral n denotes a natural number equal to or greater than 2 indicating the total number of a plurality of battery cells.
  • reference numeral 'BC' will be used to refer to a battery cell.
  • each battery cell BC is electrically coupled to another battery cell BC through a conductor such as a bus bar.
  • the 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 in the power line PL for the battery pack 10 . While the switch 20 is on, power transfer from one of the battery pack 10 and the power conversion system 30 to another is possible.
  • 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), and the like.
  • the controller 140 may turn on/off the switch 20 according to the state of the cell group 11 .
  • the power conversion system 30 is operatively coupled to the battery management system 100 via the upper controller 2 .
  • the power conversion system 30 may generate DC power for charging the cell group 11 from AC power supplied by the electrical system 40 .
  • the power conversion system 30 may generate AC power from DC power from the battery pack 10 .
  • the battery management system 100 includes a voltage measuring circuit 110 and a controller 140 .
  • the battery management system 100 may further include at least one of a current sensor 120 , a temperature measurement unit 130 , and an interface unit 150 .
  • the voltage measuring circuit 110 is provided to be electrically connectable to the positive terminal and the negative terminal of each battery cell BC.
  • the voltage measuring circuit 110 is configured to measure the voltage across both ends of each battery cell BC and output a signal representing the measured voltage to the controller 140 .
  • the current sensor 120 is electrically connected in series to the cell group 11 through a power line PL.
  • a shunt resistor or a Hall effect element may be used as the current sensor 120 .
  • the current sensor 120 is configured to measure a current flowing through the cell group 11 and output a signal representing the measured current to the controller 140 .
  • the temperature sensor 130 is disposed in an area within a predetermined distance from the cell group 11 .
  • a thermocouple or the like may be used as the temperature sensor 130 .
  • the temperature sensor 130 is configured to measure the temperature of the cell group 11 and output a signal indicating the measured temperature to the controller 140 .
  • the control unit 140 is operatively coupled to the switch 20 , the voltage measurement circuit 110 , the current sensor 120 , the temperature sensor 130 , and/or the interface unit 150 .
  • the controller 140 in hardware, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays), microprocessors (microprocessors) and may be implemented using at least one of 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 microprocessors
  • the controller 140 may have a built-in memory.
  • a program and various data necessary for executing battery management methods according to embodiments to be described later may be stored in the memory in advance.
  • the memory is, for example, a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type, an SDD type (Silicon Disk Drive type), and a multimedia card micro type.
  • RAM random access memory
  • SRAM static random access memory
  • ROM read-only memory
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • PROM programmable read-only memory It may include a type of storage medium.
  • the interface unit 150 may be communicatively coupled to the upper controller 2 of the energy storage system 1 .
  • the interface unit 150 may transmit a message from the upper controller 2 to the controller 140 , and may transmit a message from the controller 140 to the upper controller 2 .
  • the message from the controller 140 may include information for notifying an abnormality of each battery cell BC.
  • Communication between the interface 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 distance such as Bluetooth, Zigbee, and Wi-Fi.
  • LAN local area network
  • CAN controller area network
  • wired network such as a daisy chain
  • a short distance such as Bluetooth, Zigbee, and Wi-Fi.
  • a wireless network may be utilized.
  • the interface unit 150 may include an output device (eg, a display, a speaker) that provides information received from the control unit 140 and/or the upper controller 2 in a user-recognizable form.
  • the upper controller 2 based on the cell information (eg, cell voltage, current, temperature, SOC, abnormality of each battery cell) collected through communication with the battery management system 100, the power conversion system 30 can be controlled.
  • FIG. 2 is a graph exemplarily showing changes in cell voltage of a battery cell with time
  • FIG. 3 is referenced in explaining an exemplary observation matrix as a data set representing the voltage history of the battery cell shown in FIG. It is a drawing.
  • the control unit 140 determines the voltage value of the cell voltage of each of the plurality of battery cells (BC 1 ⁇ BC n ), the determined voltage value write to memory
  • the set time may be the same as a time length of a period (timing) for abnormal detection, which will be described later.
  • the controller 140 uses the moving window 200 having a predetermined size to indicate a change in cell voltage of each of the plurality of battery cells BC 1 to BC n measured for each set time in the moving window 200 .
  • An observation matrix (X) including a plurality of observation voltage vectors (X 1 to X n ) is determined.
  • the size of the moving window 200 may be predetermined or adjustable by the controller 140 .
  • the curve 210 exemplarily shows a change in the cell voltage of the j- th battery cell BC j among the plurality of battery cells BC 1 to BC n over time.
  • t 1 and t m of FIG. 2 are a start time and an end time of the moving window 200, respectively.
  • the curve 210 may be based on a cell voltage measured when the j-th battery cell BC j is in an abnormal state.
  • the abnormal state may be, for example, a state that causes an abnormal behavior of the cell voltage, such as an internal short circuit.
  • the observation matrix X is an m ⁇ n matrix including m rows and n columns.
  • n is a natural number of 1 or more and m or less
  • j is a natural number of 1 or more and n or less.
  • the n column vectors of the observation matrix X may correspond one-to-one to the plurality of observation voltage vectors X 1 to X n . That is, each of the plurality of observation voltage vectors X 1 to X n is a column vector of the observation matrix X having m elements (measured values of cell voltages).
  • the j-th observed voltage vector (X j ) is a chronological arrangement of the cell voltages of the j- th battery cell (BC j ) measured m times within the moving window 200 , that is, the j-th battery cell (BC j ). is a time series of measurements of the cell voltage of
  • the j-th observation voltage vector (X j ) may be a j-th column vector of the observation matrix (X).
  • the controller 140 may extract the first sub-matrix (A), the second sub-matrix (B), and the third sub-matrix (C T ) from the observation matrix (X) using matrix decomposition.
  • matrix decomposition for example, singular value decomposition (SVD), principal component analysis (PCA), or the like can be used.
  • the symbol 'T' written as a superscript to the right of the matrix means a transposed matrix.
  • the product of the first sub-matrix (A), the second sub-matrix (B) and the third sub-matrix (C T ) is equal to the observation matrix (X).
  • the first sub-matrix A is an m ⁇ m matrix.
  • the second sub-matrix B is an m ⁇ n matrix.
  • the third sub-matrix C T is an n ⁇ n matrix.
  • the first sub-matrix A is an orthogonal matrix and includes a plurality of principal component vectors A 1 to A m .
  • Each principal component vector of the plurality of principal component vectors (A 1 to A m ) may be referred to as a 'left singular vector', and may be a column vector of the first sub-matrix (A) having m elements. have. That is, the first sub-matrix A may be expressed as follows.
  • the principal component vectors A 1 to A n represent variance information of the observation matrix X .
  • the remaining principal component vectors A n+1 to A m of the plurality of principal component vectors A 1 to A m may be redundant in the description of the variance information of the observation vector X .
  • the j-th principal component vector (A j ) corresponds to the direction of the axis in which the variance of the elements of the observation matrix X appears to be the j-th largest.
  • the j-th greater the dispersion of the size of the principal component vector (A j), the j-th principal component vectors (A j) means that the greater the explanatory power for the distribution state of the elements of the observation matrix (X).
  • the explanatory power is weakened, that is, more information about the noise characteristic (eg, an ideal state) is retained.
  • the second sub-matrix B is a diagonal matrix, and includes a plurality of singular values b 11 to b nn as main diagonal elements. That is, the second sub-matrix B may be expressed as follows.
  • b ij is 0.
  • b jj is the j-th singular value.
  • the singular value b jj of the second sub-matrix B represents the explanatory power of the j- th principal component vector A j .
  • the plurality of singular values b 11 to b nn may satisfy the following relationship. b 11 ⁇ b 22 ⁇ ... ⁇ b nn ⁇ 0. That is, the plurality of singular values (b 11 ⁇ b nn ) may be referred to as 1st to nth singular values in the order of magnitude, and b jj is plural. It may be the j-th largest singular value among the singular values (b 11 ⁇ b nn ) of .
  • the plurality of singular values b 11 to b nn represents explanatory power information of the plurality of principal component vectors A 1 to A n .
  • the third sub-matrix C T is an orthogonal matrix and includes a plurality of coefficient vectors C 1 T to C n T .
  • Each coefficient vector of the plurality of coefficient vectors (C 1 T ⁇ C n T ) may be referred to as a 'right singular vector', and has n components, a row of the third sub-matrix (C T ) It can be a vector.
  • the third sub-matrix C T may be expressed as follows.
  • the plurality of coefficient vectors C 1 T to C n T indicates dependence information of the plurality of observed voltage vectors X 1 to X n on the plurality of principal component vectors A 1 to A n . That is, how strongly the cell voltage of the j-th battery cell BC j is affected by the j- th principal component vector A j among the plurality of principal component vectors A 1 to A n is determined by the j-th coefficient vector C j T ).
  • the observation matrix (X) is equal to the product of the first sub-matrix (A), the second sub-matrix (B), and the third sub-matrix (C T ), and may satisfy the relationship by Equation 1 below.
  • Equation 1 A j is treated as a (m ⁇ 1) matrix, and C j T is treated as a (1 ⁇ n) matrix.
  • Controller 140 a plurality of observed voltage vector (X 1 ⁇ X n) on the basis of a plurality of observed voltage vector (X 1 ⁇ X n), one days plurality of restoring voltage vector (X 1 ' ⁇ X n corresponding to the ' ) is determined.
  • the controller 140 selects one or more and fewer than n singular values satisfying a predetermined restoration condition(s) from among the plurality of singular values b 11 to b nn .
  • the restoration condition is to acquire at least one singular value to be used for approximating (reconstructing) the observation matrix X from among the n singular values b 11 to b nn .
  • Restoration conditions may be as follows.
  • the threshold number may be selected a specific value (b 11 ⁇ b rr) of the plurality of singular values (b 11 ⁇ b nn) when it is a natural number less than n r.
  • a singular value (b 11 ⁇ b kk ) may be selected.
  • the controller 140 uses a set of selected singular values to observe a plurality of observations. By approximating the voltage vectors (X 1 to X n ), a plurality of restored voltage vectors (X 1 ' to X n ' ) may be determined.
  • the controller 140 determines the ratio of the maximum value (b 11 ) to the minimum value (b nn ) of the plurality of singular values (b 11 to b nn ). can be calculated. When the ratio of the maximum value b 11 to the minimum value b nn is less than a predetermined set ratio (eg, 200%), the controller 140 may output a fault message indicating that recovery is impossible.
  • a predetermined set ratio eg, 200%
  • the controller 140 may increase the size of the moving window 200 by a predetermined time in the next period.
  • the reason for increasing the size of the moving window 200 is to sufficiently reflect the common voltage behavior characteristics of the plurality of battery cells BC 1 to BC n in the observation vector X.
  • the singular value b 11 ⁇ b ww is selected from among the plurality of singular values b 11 ⁇ b nn according to the restoration condition(s).
  • the remaining singular values excluding the singular value of interest are singular values lacking in correlation with common voltage behavior characteristics of the plurality of battery cells BC 1 to BC n .
  • FIG. 4 is a diagram referenced for explaining an exemplary reconstruction matrix as a result of reconstructing the observation matrix of FIG. 3
  • FIG. 5 is a diagram referenced for explaining a voltage change indicated by the observation matrix and a voltage change indicated by the reconstruction matrix.
  • FIG. 6 is a diagram referenced to explain an error between the observation matrix and the reconstruction matrix shown in FIG. 5 .
  • the controller 140 controls a first sub-matrix (A), a second sub-matrix (B), and a third sub-matrix (C T ) based on the singular value of interest ( b 11 ⁇ b ww ). may be transformed into a first approximation matrix (A'), a second approximation matrix (B'), and a third approximation matrix (C T '), respectively.
  • the first approximation matrix A′ is an m ⁇ w matrix including each of the first to the wth principal component vectors A 1 to A w of the first sub-matrix A as a column vector. That is, the first approximation matrix A' is the same as the result of removing the principal component vectors A w+1 to A n from the first sub-matrix A.
  • the second approximation matrix B' is a w ⁇ w matrix including the singular values of interest b 11 to b ww as main diagonal components. That is, the second approximation matrix B' is the same as the result of changing the remaining main diagonal components of the second sub-matrix B to 0 except for the singular values of interest b 11 to b ww .
  • the third approximation matrix C T ′ is a w ⁇ n matrix including each of the first to wth coefficient vectors C 1 T to C w T of the third sub-matrix C T as row vectors. That is, the third approximation matrix C T ′ is the same as the result of removing the row vectors C w+1 T to C n T from the third sub-matrix C T .
  • the control unit 140 based on the first approximation matrix (A'), the second approximation matrix (B'), and the third approximation matrix (C T '), a plurality of restored voltage vectors (X 1 ' to X n ') ) can be determined. Specifically, the controller 140 may determine the reconstruction matrix X' by multiplying the first approximation matrix A', the second approximation matrix B', and the third approximation matrix C T '.
  • the reconstruction matrix (X') is the first to wth principal component vectors (A 1 to A w ) corresponding to the singular values of interest (b 11 to b ww ) among the first to mth principal component vectors (A 1 to A m ) This is the result of reconstructing the observation matrix (X) using only .
  • the restoration matrix X' is an m ⁇ n matrix, and includes a plurality of restoration voltage vectors X 1 ' to X n ' as column vectors.
  • the restoration matrix X' may satisfy the relation expressed by Equation 2 below.
  • Equation 2 A j is treated as a (m ⁇ 1) matrix, and C j T is treated as a (1 ⁇ n) matrix.
  • the controller 140 detects an abnormality in the j- th battery cell BC j based on the observed voltage vector X j and the restored voltage vector X j ' corresponding to each other.
  • the controller 140 may determine first to nth absolute error vectors corresponding to the first to nth battery cells BC 1 to BC n on a one-to-one basis.
  • the j-th absolute error vector corresponds to the difference between the j-th observed voltage vector (X j ) and the j-th restored voltage vector (X j ' ).
  • a curve 610 of FIG. 6 represents a jth absolute error vector. That is, the curve 610 shows the change with time of the difference between the curve 510 and the curve 520 .
  • the j-th absolute error vector 610 includes each of the first to m-th voltage differences ⁇ V 1j to ⁇ V mj as a component.
  • the i-th voltage difference ( ⁇ V ij) is the difference between the observed voltage vector (X j) the i-th element (x ij), and restore the voltage vector (X j '), the i-th element (x ij') of the other words, (x ij - x ij ' ).
  • the i-th element (x ij ) represents a cell voltage of the j- th battery cell BC j measured in the i-th within the moving window 200 .
  • the ith element (x ij ' ) represents the restoration result of the ith element (x ij ).
  • the center of the relative error range R 2 may be an average of elements of the first to n-th absolute error vectors indexed at the corresponding measurement timing.
  • the upper limit of the relative error range R 2 may be a value obtained by adding a product of a standard deviation of the elements of the first to nth absolute error vectors and a predetermined weight (eg, 3) to the center.
  • the lower limit of the relative error range R 2 may be a value obtained by subtracting a product of the standard deviation of the components of the first to nth absolute error vectors from the center and a predetermined weight (eg, 3).
  • the controller 140 compares each element of the j-th absolute error vector with at least one of a predetermined absolute error range R 1 and a relative error range R 2 to determine whether the j- th battery cell BC j is abnormal. It can be determined whether
  • the controller 140 may control the j-th battery cell BC j ) can be detected as abnormal.
  • the absolute error range (R 1 ) may be predetermined, such as -1.0 to 1.0 mV, in consideration of the voltage resolution of the voltage measuring circuit 110 .
  • control unit 140 at least one of the first to m-th elements ( ⁇ V 1j to ⁇ V mj ) of the j-th absolute error vector is the absolute error range (R 1 ) and the relative error range (R 2 ) at the same time If it is out, it may be detected that the j-th battery cell BC j is abnormal.
  • the controller 140 may perform a predetermined protection operation when an abnormality in at least one battery cell BC is detected. For example, when it is determined that the j-th battery cell BC j is abnormal, the controller 140 may turn off the switch 20 .
  • FIG. 7 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to the first embodiment of the present invention. The method of FIG. 7 may be repeated every set time.
  • step S710 the controller 140 determines an observation matrix X including a plurality of observation voltage vectors X 1 to X n .
  • the plurality of observed voltage vectors (X 1 to X n ) indicate voltage histories of each of the plurality of battery cells (BC 1 to BC n ) in the moving window 200 having a predetermined size.
  • step S720 the control unit 140, using a matrix decomposition algorithm, a first sub-matrix (A) including a plurality of principal component vectors (A 1 to A m ) from the observation matrix (X), a plurality of principal component vectors ( A 1 ⁇ A n ) A second sub-matrix (B) including a plurality of singular values (b 11 ⁇ b nn ) representing each explanatory power and a second sub-matrix (B) including a plurality of coefficient vectors (C 1 T ⁇ C n T ) 3 Extract the sub-matrix (C T ).
  • A including a plurality of principal component vectors (A 1 to A m ) from the observation matrix (X), a plurality of principal component vectors ( A 1 ⁇ A n )
  • the controller 140 applies a matrix decomposition algorithm to the observation matrix X, and converts the observation matrix X into the first sub-matrix A, the second sub-matrix B, and the third sub-matrix C T ) in the form of a product of
  • step S730 the controller 140 selects at least one of the plurality of singular values b 11 to b nn of the second sub-matrix B. At least one of the above-described restoration conditions may be used to select the singular value.
  • step S740 the controller 140, based on the at least one selected singular value b 11 to b ww , the first sub-matrix A, the second sub-matrix B, and the third sub-matrix C T ) into a first approximation matrix (A'), a second approximation matrix (B'), and a third approximation matrix (C T '), respectively.
  • step S760 the controller 140 determines a plurality of absolute error vectors representing differences between the plurality of observed voltage vectors (X 1 to X n ) and the plurality of restored voltage vectors (X 1 ' to X n ').
  • the plurality of absolute error vectors correspond one-to-one to the plurality of restored voltage vectors X 1 to X n .
  • step S762 the controller 140 determines the relative error range R 2 based on the plurality of absolute error vectors. Since each absolute error vector has m elements, the controller 140 determines a vector of m relative error ranges (R 2 ), that is, relative error ranges (R 2 ) corresponding to the m elements of each absolute error vector. can Step S762 may optionally be eliminated from the method of FIG. 7 .
  • step S770 the controller 140 determines whether at least one element of each absolute error vector is outside a predetermined absolute error range R 1 and/or a relative error range R 2 .
  • a value of “Yes” in step S770 indicates that at least one battery cell BC is detected as abnormal.
  • the controller 140 may determine that the j-th battery cell BC j is abnormal.
  • step S780 the control unit 140 activates a predetermined protection operation.
  • the controller 140 turns off the switch 20 .
  • the controller 140 outputs a diagnostic message indicating information (eg, identification number) of each battery cell BC detected as abnormal.
  • the interface unit 150 may transmit a diagnostic message to the upper controller 2 or output visual and/or audio information corresponding to the diagnostic message.
  • FIG. 8 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to a second embodiment of the present invention.
  • steps S810 to S880 are the same as steps S710 to S780 of FIG. 7 , and thus repeated description will be omitted.
  • the method of FIG. 8 is different from the method of FIG. 7 in that it further includes steps S822 and S824.
  • step S822 the control unit 140 determines whether the maximum ratio of the plurality of singular values b 11 to b nn is equal to or greater than a set ratio.
  • the maximum ratio is a ratio of the maximum value (11 b) to the minimum value (b nn) of the plurality of singular values (b 11 ⁇ b nn).
  • the value of step S822 is “No”, there is a principal component vector having sufficiently large explanatory power to be used for voltage restoration from the observation matrix X to the reconstruction matrix X' among the plurality of principal component vectors A 1 to A n . means not If the value of step S822 is "NO”, the method proceeds to step S824. If the value of step S822 is YES, the method proceeds to step S830.
  • step S824 the control unit 140 outputs a fault message.
  • the fault message indicates an unrecoverable situation for a plurality of observed voltage vectors.
  • the interface unit 150 may transmit the fault message to the upper controller 2 or may output visual and/or audio information corresponding to the fault message.
  • the embodiment of the present invention described above is not implemented only through the apparatus and method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded.
  • the implementation can be easily implemented by those skilled in the art to which the present invention pertains from the description of the above-described embodiments.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀의 각각의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 측정 회로; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 전압 신호를 기초로, 소정의 사이즈를 가지는 무빙 윈도우 내에서의 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 이력을 나타내는 복수의 관측 전압 벡터를 포함하는 관측 행렬을 결정한다. 상기 제어부는, 상기 복수의 관측 전압 벡터에 일대일 대응하는 복수의 복원 전압 벡터를 포함하는 복원 행렬을 결정한다. 상기 제어부는, 상기 복수의 관측 전압 벡터 및 상기 복수의 복원 전압 벡터 간의 차이를 나타내는 복수의 절대 오차 벡터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출한다.

Description

배터리 관리 장치, 배터리 팩, 에너지 저장 시스템 및 배터리 관리 방법
본 출원은 2020년 7월 15일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2020-0087749호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 셀의 이상을 검출하기 위한 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
최근, 고전압이 요구되는 애플리케이션이 널리 보급됨에 따라, 배터리 팩 내에 복수의 배터리 셀을 직렬로 연결한 구조가 널리 이용되고 있다. 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 개수가 많아질수록, 배터리 셀의 이상이 발생할 가능성도 높아진다. 따라서, 배터리 셀의 이상을 정확하게 검출해내는 진단 기술의 필요성이 증대되고 있다.
종래에는, 배터리 셀의 상태에 연관된 복수의 파라미터를 포함하는 셀 정보(예, 전압, 전류, 온도)를 모니터링하고, 배터리 셀의 사용 상태(예, 충전, 방전, 휴지)와 모니터링된 셀 정보를 기초로, 배터리 셀의 이상 여부를 검출하는 방식을 이용하고 있다.
그러나, 위와 같은 이상 검출 방식은, 배터리 관리 시스템이 여러 가지의 센서들을 이용하여 배터리 셀의 셀 정보를 모니터링하는 과정이 필수적이므로, 이상 검출에 요구되는 연산량이 과도하고, 오랜 시간이 소요된다. 특히, 배터리 관리 시스템의 전원이 배터리 셀로부터 공급되는 구조 하에서는, 이상 검출을 위한 배터리 관리 시스템의 동작 중에 배터리 셀의 전기 에너지가 지속적으로 소모될 우려가 있다.
아울러, 종래에는, 배터리 셀의 셀 정보가 단기간에 급격히 변화하는지를 기초로, 배터리 셀의 이상을 검출하고 있다. 하지만, 이상인 배터리 셀의 셀 정보는, 반드시 단기간에 급격히 변화하는 것은 아니며, 장기간에 걸쳐 서서히 변화하는 경향을 보일 수도 있으므로, 배터리 셀의 이상을 적정 시점에 검출하지 못할 수 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 이상 검출을 위한 단일의 파라미터로서 이용하는 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압의 변화를 나타내는 복수의 관측 전압 벡터를 포함하는 데이터 세트인 관측 행렬을 생성한 다음, 관측 행렬의 복수의 주성분(principal components) 중 적어도 하나의 주성분을 이용하여 관측 행렬을 복원한 다음, 복원 전의 데이터 세트와 복원 후의 데이터 세트 간의 차이로부터 각 배터리 셀의 이상을 정확하게 검출해내는 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 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 관리 시스템은, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출하기 위한 것이다. 상기 배터리 관리 시스템은, 각 배터리 셀의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 측정 회로; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 전압 신호를 기초로, 소정의 사이즈를 가지는 무빙 윈도우 내에서 시계열적으로 복수회 측정된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 이력을 나타내는 복수의 관측 전압 벡터를 포함하는 관측 행렬을 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 복수의 관측 전압 벡터에 일대일 대응하는 복수의 복원 전압 벡터를 포함하는 복원 행렬을 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 복수의 관측 전압 벡터 및 상기 복수의 복원 전압 벡터 간의 차이를 나타내는 복수의 절대 오차 벡터를 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 복수의 절대 오차 벡터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출하도록 구성된다.
상기 제어부는, 행렬 분해 알고리즘을 이용하여, 상기 관측 행렬로부터 제1 서브 행렬, 제2 서브 행렬 및 제3 서브 행렬을 추출하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 서브 행렬은, 상기 관측 행렬의 분산 정보를 나타내는 복수의 주성분 벡터를 포함하는 직교 행렬이다. 상기 제2 서브 행렬은, 상기 분산 정보에 대한 상기 복수의 주성분 벡터의 설명력 정보를 나타내는 복수의 특이값을 포함하는 대각 행렬이다. 상기 제3 서브 행렬은, 상기 복수의 주성분 벡터에 대한 상기 복수의 관측 전압 벡터의 의존도 정보를 나타내는 복수의 계수 벡터를 포함하는 직교 행렬이다. 상기 제어부는, 소정의 복원 조건을 이용하여, 상기 복수의 특이값 중 적어도 하나의 특이값을 선택하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 선택된 적어도 하나의 특이값을 기초로, 상기 제1 서브 행렬, 상기 제2 서브 행렬 및 상기 제3 서브 행렬을 각각 제1 근사 행렬, 제2 근사 행렬 및 제3 근사 행렬로 변환하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제1 근사 행렬, 상기 제2 근사 행렬 및 상기 제3 근사 행렬을 곱하여, 상기 복수의 복원 전압 벡터를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 특이값 중 크기가 큰 순서로 임계 개수의 각 특이값을 선택하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 특이값의 총합에 대한 제k 특이값의 비율이 제1 임계 비율 이상이고, 상기 복수의 특이값의 총합에 대한 제u 특이값의 비율이 상기 제1 임계 비율 미만인 경우, 상기 복수의 특이값 중 제1 내지 제k 특이값을 선택하도록 구성될 수 있다. k는 n 미만의 자연수이고, u는 k+1이며, n은 상기 복수의 배터리 셀의 총 개수이고, 상기 제k 특이값은 상기 복수의 특이값 중 k번째로 큰 특이값이다.
상기 제어부는, 상기 복수의 특이값의 총합에 대한 제1 내지 제q 특이값의 합의 비율이 제2 임계 비율 이상이고, 상기 복수의 특이값의 총합에 대한 제1 내지 제p 특이값의 합의 비율이 상기 제2 임계 비율 미만인 경우, 상기 복수의 특이값 중 상기 제1 내지 제q 특이값을 선택하도록 구성될 수 있다. q는 2 이상 n 미만의 자연수이고, p는 q-1이고, n은 상기 복수의 배터리 셀의 총 개수이고, 상기 제q 특이값은 상기 복수의 특이값 중 q번째로 큰 특이값이다.
상기 제어부는, 상기 복수의 절대 오차 벡터 중, 소정의 절대 오차 범위를 벗어나는 적어도 하나의 성분을 포함하는 각 절대 오차 벡터에 대응하는 각 배터리 셀이 이상인 것으로 검출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 절대 오차 벡터를 기초로, 상대 오차 범위를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 복수의 절대 오차 벡터 중, 상기 상대 오차 범위를 벗어나는 적어도 하나의 성분을 포함하는 각 절대 오차 벡터에 대응하는 각 배터리 셀이 이상인 것으로 검출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 특이값 중 최소값에 대한 최대값의 비율이 설정 비율 미만인 경우, 복원 불능 상황임을 나타내는 폴트 메시지를 출력하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출하기 위한 것이다. 상기 배터리 관리 방법은, 소정의 사이즈를 가지는 무빙 윈도우 내에서 시계열적으로 복수회 측정된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 나타내는 복수의 관측 전압 벡터를 포함하는 관측 행렬을 결정하는 단계; 상기 복수의 관측 전압 벡터에 일대일 대응하는 복수의 복원 전압 벡터를 포함하는 복원 행렬을 결정하는 단계; 상기 복수의 관측 전압 벡터 및 상기 복수의 복원 전압 벡터 간의 차이를 나타내는 복수의 절대 오차 벡터를 결정하는 단계; 및 상기 복수의 절대 오차 벡터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출함에 있어서, 전류나 온도를 제외한 셀 전압만을 이용함으로써, 이상 검출에 요구되는 연산량, 시간 및 전력을 저감할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 각 배터리 셀의 이상을 검출함에 있어서, 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압의 경시적 변화를 나타내는 복수의 관측 전압 벡터를 포함하는 데이터 세트인 관측 행렬을 생성한 다음, 관측 행렬의 복수의 주성분 중 적어도 하나의 주성분을 이용하여 관측 행렬을 복원한 다음, 복원 전의 데이터 세트와 복원 후의 데이터 세트 간의 차이를 활용하여 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 정확하게 검출할 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 에너지 저장 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 배터리 셀의 셀 전압의 시간에 따른 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 셀의 전압 이력을 나타내는 데이터 세트로서의 예시적인 관측 행렬을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 4는 도 3의 관측 행렬을 복원한 결과로서 예시적인 복원 행렬을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 5는 관측 행렬이 나타내는 전압 변화 및 복원 행렬이 나타내는 전압 변화를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 관측 행렬과 복원 행렬 간의 오차를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 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 에너지 저장 시스템(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은, 배터리 팩(10), 스위치(20) 및 전력 변환 시스템(30)을 포함한다.
배터리 팩(10)은, 양극 단자(P+), 음극 단자(P-), 셀 그룹(11) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다. 셀 그룹(11)은, 양극 단자(P+)와 음극 단자(P-) 간에 전기적으로 직렬로 연결되는 복수의 배터리 셀(BC1~BCn)을 포함한다. 참조부호 n은, 복수의 배터리 셀의 총 개수를 나타내는 2 이상의 자연수이다. 이하에서는, 복수의 배터리 셀(BC1~BCn)의 공통된 내용을 설명함에 있어서, 참조부호 'BC'를 배터리 셀을 지칭하는 것으로 사용하겠다.
각 배터리 셀(BC)의 양극 단자와 음극 단자는, 버스바 등과 같은 전도체를 통해 다른 배터리 셀(BC)에 전기적으로 결합된다. 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 디바이스 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합함으로써 구현될 수 있다. 제어부(140)는, 셀 그룹(11)의 상태에 따라 스위치(20)를 온오프 제어할 수 있다.
전력 변환 시스템(power conversion system, 30)은, 상위 컨트롤러(2)를 통해 배터리 관리 시스템(100)에 동작 가능하게 결합된다. 두 구성이 동작 가능하게 결합된다는 것은, 단방향 또는 양방향으로 신호를 송수신 가능하도록 두 구성이 직간접적으로 연결되어 있음을 의미한다. 전력 변환 시스템(30)은, 전기 계통(40)에 의해 공급되는 교류 전력으로부터 셀 그룹(11)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 관리 시스템(100)는, 전압 측정 회로(110) 및 제어부(140)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)는, 전류 센서(120), 온도 측정부(130) 및 인터페이스부(150) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
전압 측정 회로(110)는, 각 배터리 셀(BC)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 전압 측정 회로(110)는, 각 배터리 셀(BC)의 양단에 걸친 전압을 측정하고, 측정된 전압을 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
전류 센서(120)는, 전력 라인(PL)을 통해 셀 그룹(11)에 전기적으로 직렬 연결된다. 예컨대, 션트 저항이나 홀 효과 소자 등이 전류 센서(120)로서 이용될 수 있다. 전류 센서(120)는, 셀 그룹(11)을 통해 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
온도 센서(130)는, 셀 그룹(11)으로부터 소정 거리 내의 영역에 배치된다. 예컨대, 열전대 등이 온도 센서(130)로서 이용될 수 있다. 온도 센서(130)는 셀 그룹(11)의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
제어부(140)는, 스위치(20), 전압 측정 회로(110), 전류 센서(120), 온도 센서(130) 및/또는 인터페이스부(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 관리 방법들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 미리 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.
인터페이스부(150)는, 에너지 저장 시스템(1)의 상위 컨트롤러(2)와 통신 가능하게 결합될 수 있다. 인터페이스부(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 이상을 통지하기 위한 정보를 포함할 수 있다. 인터페이스부(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. 인터페이스부(150)는, 제어부(140) 및/또는 상위 컨트롤러(2)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다. 상위 컨트롤러(2)는, 배터리 관리 시스템(100)과의 통신을 통해 수집되는 셀 정보(예, 각 배터리 셀의 셀 전압, 전류, 온도, SOC, 이상)를 기초로, 전력 변환 시스템(30)을 제어할 수 있다.
제어부(140)는, 복수의 배터리 셀(BC1~BCn)의 이상을 검출하기 위한 진단 모드를 실행할 수 있다. 제어부(140)가 진단 모드를 실행하는 기간을 '진단 기간'이라고 칭할 수 있다. 제어부(140)는, 셀 그룹(11)이 소정의 진단 가능 상태(예, 휴지 상태, 정전류 충전 상태, 정전압 충전 상태)로 유지되는 동안, 진단 모드를 실행할 수 있다.
도 2는 배터리 셀의 셀 전압의 시간에 따른 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 3은 도 2에 도시된 배터리 셀의 전압 이력을 나타내는 데이터 세트로서의 예시적인 관측 행렬을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
제어부(140)는, 전압 측정 회로(110)로부터의 전압 신호를 기초로, 설정 시간마다, 복수의 배터리 셀(BC1~BCn) 각각의 셀 전압의 전압값을 결정하고, 결정된 전압값을 메모리에 기록한다. 설정 시간은, 후술할 이상 검출을 위한 주기(타이밍)의 시간 길이와 동일할 수 있다.
제어부(140)는, 소정의 사이즈를 가지는 무빙 윈도우(200)를 이용하여, 무빙 윈도우(200) 내의 설정 시간마다 측정된 복수의 배터리 셀(BC1~BCn) 각각의 셀 전압의 변화를 나타내는 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)를 포함하는 관측 행렬(X)을 결정한다. 무빙 윈도우(200)의 사이즈는, 미리 정해진 것이거나, 제어부(140)에 의해 조절 가능한 것일 수 있다.
무빙 윈도우(200) 내에서, 배터리 셀(BC)의 셀 전압은 전압 측정 회로(110)에 의해 시계열적으로 총 m(m은 2 이상의 자연수)회 측정되고, 셀 전압의 측정치들을 제어부(140)에 의해 메모리에 기록될 수 있다. 예컨대, 무빙 윈도우(200)의 사이즈 = 200초, 설정 시간 = 1초인 경우, m=200이므로, 각 배터리 셀(BC)의 셀 전압은 무빙 윈도우(200) 내에서 200번 측정된다.
도 2를 참조하면, 커브(210)는, 복수의 배터리 셀(BC1~BCn) 중 제j 배터리 셀(BCj)의 셀 전압의 시간에 따른 변화를 예시적으로 보여준다. 도 2의 t1과 tm은 각각 무빙 윈도우(200)의 시작 시점과 종료 시점이다. 커브(210)는 제j 배터리 셀(BCj)이 이상 상태인 경우에 측정된 셀 전압에 기초한 것일 수 있다. 이상 상태는, 예컨대, 내부 단락(internal short circuit) 등과 같이, 셀 전압의 비정상적인 거동을 유발하는 상태일 수 있다.
이하에서는, 제j 배터리 셀(BCj)을 기준으로, 본 발명에 따른 이상 검출 동작을 설명하겠다. 제j 배터리 셀(BCj)에 관한 설명은, 복수의 배터리 셀(BC1~BCn)의 나머지 배터리 셀(BC)에도 공통적으로 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 관측 행렬(X)은 m개의 행 및 n개의 열을 포함하는 m×n 행렬이다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, m은 n보다 크고, i는 1 이상 m 이하의 자연수, j는 1 이상 n 이하의 자연수라고 가정하겠다.
관측 행렬(X)의 n개의 열 벡터는, 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)에 일대일 대응할 수 있다. 즉, 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn) 각각은, m개의 원소(셀 전압의 측정치)를 가지는, 관측 행렬(X)의 열 벡터이다. 제j 관측 전압 벡터(Xj)는, 무빙 윈도우(200) 내에서 m회 측정된 제j 배터리 셀(BCj)의 셀 전압을 시간 순으로 정렬한 것, 즉 제j 배터리 셀(BCj)의 셀 전압의 측정치들의 시계열이다. 제j 관측 전압 벡터(Xj)는 관측 행렬(X)의 j번째 열 벡터일 수 있다. 도 2를 참조하면, 관측 행렬(X)에 있어서, 'xij'는 무빙 윈도우(200) 내에서 i번째로 측정된 제j 배터리 셀(BCj)의 셀 전압을 나타내는 원소('데이터' 또는 '성분'이라고 칭할 수 있음)이다. 즉, xij는, 무빙 윈도우(200)의 i번째 측정 시점에 인덱스된 제j 배터리 셀(BCj)의 셀 전압의 측정치라고 할 수 있다.
제어부(140)는, 행렬 분해(matix decompsition)를 이용하여, 관측 행렬(X)로부터 제1 서브 행렬(A), 제2 서브 행렬(B) 및 제3 서브 행렬(CT)을 추출할 수 있다. 행렬 분해 알고리즘으로는, 예컨대, 특이값 분해(SVD : Singular Value Decomposion), 주성분 분석(PCA : Principal Component Analysis) 등을 이용할 수 있다. 본 명세서에서, 행렬의 우측에 윗첨자로 기재된 기호 'T'는 전치 행렬을 의미한다. 도시된 바와 같이, 제1 서브 행렬(A), 제2 서브 행렬(B) 및 제3 서브 행렬(CT)의 곱은 관측 행렬(X)과 동일하다.
제1 서브 행렬(A)은 m×m 행렬이다. 제2 서브 행렬(B)은 m×n 행렬이다. 제3 서브 행렬(CT)은 n×n 행렬이다.
제1 서브 행렬(A)은, 직교 행렬(orthogonal matrix)로서, 복수의 주성분 벡터(A1~Am)를 포함한다. 복수의 주성분 벡터(A1~Am)의 각 주성분 벡터는, '좌특이 벡터(left singular vector)'라고 칭할 수도 있으며, m개의 원소를 가지는, 제1 서브 행렬(A)의 열 벡터일 수 있다. 즉, 제1 서브 행렬(A)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
A = [A1 A2 ... Am], Ai = [a1i a2i ... ami]T
복수의 주성분 벡터(A1~Am) 중에서 주성분 벡터(A1~An)는, 관측 행렬(X)의 분산 정보를 나타낸다. 복수의 주성분 벡터(A1~Am)의 나머지 주성분 벡터(An+1~Am)는 관측 벡터(X)의 분산 정보의 설명에 있어서 불필요(redundant)할 수 있다. 제j 주성분 벡터(Aj)는, 관측 행렬(X)의 원소들의 분산이 j번째로 크게 나타나는 축의 방향에 대응한다. 즉, 관측 행렬(X)의 원소들을 복수의 주성분 벡터(A1~Am) 각각의 축으로 1회씩 사상시켰을 때, 제j 주성분 벡터(Aj)의 축에 대한 관측 행렬(X)의 원소들의 분산이 j번째로 클 수 있다.
제j 주성분 벡터(Aj)의 분산의 크기가 클수록, 제j 주성분 벡터(Aj)가 관측 행렬(X)의 원소들의 분포 상태에 대한 설명력이 크다는 것을 의미한다. 제j 주성분 벡터(Aj)의 설명력이 클수록, 제j 주성분 벡터(Aj)가 무빙 윈도우(200) 내에서의 복수의 배터리 셀(BC1~BCn)의 공통된 전압 거동 특성(예, 정상적인 전압 거동 특성)에 대한 정보를 많이 보유하게 된다. 반대로, 제j 주성분 벡터(Aj)의 분산의 크기가 작을수록 설명력이 약화 즉, 노이즈성 특성(예, 이상 상태)에 대한 정보를 많이 보유하게 된다.
제2 서브 행렬(B)은, 대각 행렬(diagonal matrix)로서, 복수의 특이값(b11~bnn)을 주대각선의 원소로서 포함한다. 즉, 제2 서브 행렬(B)은, 다음과 같이 표현될 수 있다.
B = [B1 B2 ... Bn], Bj= [b1j b2j ... bmj]T
i≠j인 경우, bij는 0이다. bjj는 j번째 특이값이다.
즉, 제2 서브 행렬(B)의 총 m×n 개의 원소들 중 주대각선의 n개의 원소를 제외한 원소들은 모두 0이다. 제2 서브 행렬(B)의 특이값 bjj은, 제j 주성분 벡터(Aj)의 설명력을 나타낸다. 복수의 특이값(b11~bnn)은 다음의 관계를 만족할 수 있다. b11 ≥ b22 ≥ ... ≥ bnn ≥ 0. 즉, 복수의 특이값(b11~bnn)은 크기가 큰 순서로 제1 내지 제n 특이값이라고 칭할 수 있으며, bjj은 복수의 특이값(b11~bnn) 중에서 j번째로 큰 특이값일 수 있다.
복수의 특이값(b11~bnn)은 복수의 주성분 벡터(A1~An)의 설명력 정보를 나타낸다.
제3 서브 행렬(CT)은, 직교 행렬로서, 복수의 계수 벡터(C1 T~Cn T)를 포함한다. 복수의 계수 벡터(C1 T~Cn T)의 각 계수 벡터는, '우특이 벡터(right singular vector)'라고 칭할 수 있으며, n개의 성분을 가지는, 제3 서브 행렬(CT)의 행 벡터일 수 있다. 제3 서브 행렬(CT)은, 다음과 같이 표현될 수 있다.
CT = [C1 C2 ... Cn]T = [C1 T ; C2 T ; ... ; Cn T]
복수의 계수 벡터(C1 T~Cn T)는, 복수의 주성분 벡터(A1~An)에 대한 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)의 의존도 정보를 나타낸다. 즉, 제j 배터리 셀(BCj)의 셀 전압이 복수의 주성분 백터(A1~An) 중 제j 주성분 벡터(Aj)에 의해 얼마나 크게 영향을 받는지는, 제j 계수 벡터(Cj T)에 의해 정해진다.
관측 행렬(X)은, 제1 서브 행렬(A), 제2 서브 행렬(B) 및 제3 서브 행렬(CT)의 곱과 동일하며, 다음의 수식 1에 의한 관계를 만족할 수 있다.
<수식 1>
Figure PCTKR2021009065-appb-img-000001
수식 1에서, Aj는 (m×1) 행렬로 취급되고, Cj T는 (1×n) 행렬로 취급된다.
제어부(140)는, 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)를 기초로, 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)에 일대일 대응하는 복수의 복원 전압 벡터(X1 '~Xn ')를 결정한다.
구체적으로, 제어부(140)는, 복수의 특이값(b11~bnn) 중에서 소정의 복원 조건(들)을 만족하는 1개 이상 n개 미만의 특이값을 선택한다. 복원 조건은, n개의 특이값(b11~bnn) 중에서, 관측 행렬(X)을 근사화(복원)하는 데에 이용될 적어도 하나의 특이값을 획득하기 위한 것이다. 복원 조건은, 다음과 같을 수 있다.
(1) 복수의 특이값(b11~bnn) 중 크기가 큰 순서로 임계 개수의 특이값
예컨대, 임계 개수가 n 미만의 자연수인 r이라고 할 때, 복수의 특이값(b11~bnn) 중 특이값(b11~brr)이 선택될 수 있다.
(2) 복수의 특이값(b11~bnn)의 총합에 대한 비율(설명력)이 제1 임계 비율(예, 0.04) 이상인 특이값
예컨대, k는 n 미만의 자연수이고, u=k+1라고 할 때, bkk/(b11 + b22 + ... + bnn) ≥ 제1 임계 비율 > buu/(b11 + b22 + ... + bnn)인 경우, 특이값(b11~bkk)이 선택될 수 있다.
(3) 복수의 특이값(b11~bnn)을 크기가 큰 순서로 합산한 값의 복수의 특이값(b11~bnn)의 총합에 대한 비율이 제2 임계 비율(예, 0.997) 이상인 특이값
예컨대, q은 n 미만 2 이상의 자연수이고, p=q-1이라고 할 때, (b11 + b22 + ... + bpp + bqq)/(b11 + b22 + ... + bnn) ≥ 제2 임계 비율 > (b11 + b22 + ... + bpp)/(b11 + b22 + ... + bnn)인 경우, 특이값(b11~bqq)이 선택될 수 있다.
제어부(140)는, 위 (1), (2) 및 (3)의 복원 조건 중 하나 또는 둘 이상을 만족하는 적어도 하나의 특이값이 선택되는 경우, 선택된 특이값의 집합을 활용하여 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)를 근사화함으로써, 복수의 복원 전압 벡터(X1 '~Xn ')를 결정할 수 있다.
제어부(140)는, 복원 조건(들)을 만족하는 특이값을 선택하기에 앞서서, 복수의 특이값(b11~bnn)의 최소값(bnn)에 대한 최대값(b11)의 비율을 연산할 수 있다. 제어부(140)는, 최소값(bnn)에 대한 최대값(b11)의 비율이 소정의 설정 비율(예, 200%) 미만인 경우, 복원 불능 상황임을 나타내는 폴트 메시지를 출력할 수 있다. 복원 불능 상황이란, 복수의 주성분 벡터(A1~An)간의 설명력의 차이가 뚜렷하지 않은 상황이다, 즉, 복원 불능 상황에서는, 복수의 주성분 벡터(A1~An) 중 어느 것도, 복수의 배터리 셀(BC1~BCn)의 공통된 전압 거동 특성에 대한 정보를 충분히 포함하지 않는다. 복원 불능 상황의 원인은, 예컨대 전압 측정 회로의 오동작, 복수의 배터리 셀(BC1~BCn) 중 일정 비율을 초과하는 개수의 배터리 셀(BC)에 이상이 발생한 것일 수 있다.
제어부(140)는, 최소값(bnn)에 대한 최대값(b11)의 비율이 소정의 설정 비율 미만인 경우, 다음 주기에 무빙 윈도우(200)의 사이즈를 소정 시간만큼 증가시킬 수 있다. 무빙 윈도우(200)의 사이즈를 증가시키는 이유는, 복수의 배터리 셀(BC1~BCn)의 공통된 전압 거동 특성을 관측 벡터(X) 내에 충분히 반영시키기 위함이다.
이하에서는, w가 n 미만의 자연수라고 할 때, 복원 조건(들)에 의해 복수의 특이값(b11~bnn) 중 특이값(b11~bww)가 선택된 것으로 가정한다. 복수의 특이값(b11~bnn) 중에서 선택된 특이값(b11~bww) 각각을 관심 특이값이라고 칭할 수 있다. 복수의 특이값(b11~bnn) 중에서, 관심 특이값을 제외한 나머지 특이값은, 복수의 배터리 셀(BC1~BCn)의 공통된 전압 거동 특성과의 상관관계가 부족한 특이값이다.
도 4는 도 3의 관측 행렬을 복원한 결과로서 예시적인 복원 행렬을 설명하는 데에 참조되는 도면이고, 도 5는 관측 행렬이 나타내는 전압 변화 및 복원 행렬이 나타내는 전압 변화를 설명하는 데에 참조되는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 관측 행렬과 복원 행렬 간의 오차를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 4를 참조하면, 제어부(140)는, 관심 특이값(b11~bww)을 기초로, 제1 서브 행렬(A), 제2 서브 행렬(B) 및 제3 서브 행렬(CT)을 각각 제1 근사 행렬(A'), 제2 근사 행렬(B') 및 제3 근사 행렬(CT')로 변환할 수 있다.
제1 근사 행렬(A')은, 제1 서브 행렬(A)의 제1 내지 제w 주성분 벡터(A1~Aw) 각각을 열 벡터로서 포함하는, m×w 행렬이다. 즉, 제1 근사 행렬(A')은, 제1 서브 행렬(A)로부터 주성분 벡터(Aw+1~An)가 제거된 결과와 같다.
제2 근사 행렬(B')은, 관심 특이값(b11~bww)을 주대각 성분으로서 포함하는, w×w 행렬이다. 즉, 제2 근사 행렬(B')은, 관심 특이값(b11~bww)을 제외한 제2 서브 행렬(B)의 나머지 주대각 성분이 0으로 변경된 결과와 같다
제3 근사 행렬(CT')은, 제3 서브 행렬(CT)의 제1 내지 제w 계수 벡터(C1 T~Cw T) 각각을 행 벡터로서 포함하는, w×n 행렬이다. 즉, 제3 근사 행렬(CT')은, 제3 서브 행렬(CT)로부터 행 벡터(Cw+1 T~Cn T)가 제거된 결과와 같다.
제어부(140)는, 제1 근사 행렬(A'), 제2 근사 행렬(B') 및 제3 근사 행렬(CT')을 기초로, 복수의 복원 전압 벡터(X1 '~Xn ')를 결정할 수 있다. 구체적으로, 제어부(140)는, 제1 근사 행렬(A'), 제2 근사 행렬(B') 및 제3 근사 행렬(CT')을 곱하여, 복원 행렬(X')을 결정할 수 있다. 복원 행렬(X')은, 제1 내지 제m 주성분 벡터(A1~Am) 중에서 관심 특이값(b11~bww)에 대응하는 제1 내지 제w 주성분 벡터(A1~Aw)만을 이용하여 관측 행렬(X)을 복원한 결과이다.
복원 행렬(X')은, m×n 행렬로서, 복수의 복원 전압 벡터(X1 '~Xn ')를 열 벡터로서 포함한다. 복원 행렬(X')은, 다음의 수식 2에 의한 관계를 만족할 수 있다.
<수식 2>
Figure PCTKR2021009065-appb-img-000002
수식 2에서, Aj는 (m×1) 행렬로 취급되고, Cj T는 (1×n) 행렬로 취급된다.
제어부(140)는, 서로 대응하는 관측 전압 벡터(Xj) 및 복원 전압 벡터(Xj ')를 기초로, 제j 배터리 셀(BCj)의 이상을 검출한다.
도 5를 참조하면, 커브(510)는 나타내는 제j 배터리 셀(BCj)의 셀 전압의 시간에 따른 변화로서, 도 2의 커브(210)와 동일하다. 커브(520)는 복원 전압 벡터(Xj ')가 나타내는 제j 배터리 셀(BCj)의 셀 전압의 시간에 따른 변화를 보여준다.
제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC1~BCn)에 일대일 대응하는 제1 내지 제n 절대 오차 벡터를 결정할 수 있다. 제j 절대 오차 벡터는, 제j 관측 전압 벡터(Xj) 및 제j 복원 전압 벡터(Xj ') 간의 차이에 대응한다. 도 6의 커브(610)는 제j 절대 오차 벡터를 나타낸다. 즉, 커브(610)는 커브(510)와 커브(520) 간의 차이의 시간에 따른 변화를 보여준다.
제j 절대 오차 벡터(610)는, 제1 내지 제m 전압차(ΔV1j~ΔVmj) 각각을 성분으로서 포함한다. 제i 전압차(ΔVij)는, 관측 전압 벡터(Xj)의 제i 원소(xij)와 복원 전압 벡터(Xj ')의 제i 원소(xij ') 간의 차이 즉, (xij- xij ')이다. 제i 원소(xij)은, 무빙 윈도우(200) 내에서 i번째로 측정된 제j 배터리 셀(BCj)의 셀 전압을 나타낸다. 제i 원소(xij ')은, 제i 원소(xij)의 복원 결과를 나타낸다.
제어부(140)는, 제1 내지 제n 절대 오차 벡터를 기초로, 무빙 윈도우(200) 내에서의 셀 전압이 측정 타이밍마다의 상대 오차 범위(R2)를 결정할 수 있다.
각 측정 타이밍(예, 시점 ti)에 있어서, 상대 오차 범위(R2)의 중심은, 해당 측정 타이밍에 인덱스된 제1 내지 제n 절대 오차 벡터의 원소들의 평균일 수 있다. 상대 오차 범위(R2)의 상한은, 제1 내지 제n 절대 오차 벡터의 원소들의 표준 편차와 소정의 가중치(예, 3)의 곱을 중심에 합산한 값일 수 있다. 상대 오차 범위(R2)의 하한은, 중심으로부터 제1 내지 제n 절대 오차 벡터의 성분들의 표준 편차와 소정의 가중치(예, 3)의 곱을 차감한 값일 수 있다. 예컨대, 가중치=3이고, σi는 시점 ti에 인덱스된 제1 내지 제n 절대 오차 벡터의 성분들의 표준 편차라고 해보자. 그러면, 시점 ti에서, 상대 오차 범위(R2)의 중심 = (ΔVi1 + ΔVi2 +... +ΔVin)/n = ΔVi, 상대 오차 범위(R2)의 상한 = ΔVi+3σi, 상대 오차 범위(R2)의 하한 = ΔVi-3σi이다.
제어부(140)는, 제j 절대 오차 벡터의 각 원소를 소정의 절대 오차 범위(R1) 및 상대 오차 범위(R2) 중 적어도 하나와 비교하여, 제j 배터리 셀(BCj)이 이상인지 여부를 판정할 수 있다.
일 예로, 제어부(140)는, 제j 절대 오차 벡터의 제1 내지 제m 원소(ΔV1j~ΔVmj) 중 적어도 하나가 절대 오차 범위(R1) 를 벗어나는 경우, 제j 배터리 셀(BCj)이 이상인 것으로 검출할 수 있다. 절대 오차 범위(R1)는, 전압 측정 회로(110)의 전압 분해능을 고려하여, -1.0 ~ 1.0 mV 등으로 미리 정해진 것일 수 있다.
다른 예로, 제어부(140)는, 제j 절대 오차 벡터의 제1 내지 제m 원소(ΔV1j~ΔVmj) 중 적어도 하나가 상대 오차 범위(R2)를 벗어나는 경우, 제j 배터리 셀(BCj)이 이상인 것으로 검출할 수 있다.
또 다른 예로, 제어부(140)는, 제j 절대 오차 벡터의 제1 내지 제m 원소(ΔV1j~ΔVmj) 중 적어도 하나가 절대 오차 범위(R1) 및 상대 오차 범위(R2)를 동시에 벗어나는 경우, 제j 배터리 셀(BCj)이 이상인 것으로 검출할 수 있다.
제어부(140)는, 적어도 하나의 배터리 셀(BC)의 이상이 검출되는 경우, 소정이 보호 동작을 실행할 수 있다. 예컨대, 제어부(140)는, 제j 배터리 셀(BCj)이 이상인 것으로 판정되는 경우, 스위치(20)를 턴 오프시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 7의 방법은, 설정 시간마다 반복될 수 있다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 단계 S710에서, 제어부(140)는, 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)를 포함하는 관측 행렬(X)을 결정한다. 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)는, 소정의 사이즈를 가지는 무빙 윈도우(200) 내에서의 복수의 배터리 셀(BC1~BCn) 각각의 전압 이력을 나타낸다.
단계 S720에서, 제어부(140)는, 행렬 분해 알고리즘을 이용하여, 관측 행렬(X)로부터 복수의 주성분 벡터(A1~Am)를 포함하는 제1 서브 행렬(A), 복수의 주성분 벡터(A1~An) 각각의 설명력을 나타내는 복수의 특이값(b11~bnn)을 포함하는 제2 서브 행렬(B) 및 복수의 계수 벡터(C1 T~Cn T)를 포함하는 제3 서브 행렬(CT)을 추출한다. 즉, 제어부(140)는, 관측 행렬(X)에 행렬 분해 알고리즘을 적용하여, 관측 행렬(X)을 제1 서브 행렬(A), 제2 서브 행렬(B) 및 제3 서브 행렬(CT)의 곱의 형태로 분해한다.
단계 S730에서, 제어부(140)는, 제2 서브 행렬(B)의 복수의 특이값(b11~bnn) 중 적어도 하나를 선택한다. 특이값의 선택에는, 전술된 복원 조건들 중 적어도 하나가 이용될 수 있다.
단계 S740에서, 제어부(140)는, 선택된 적어도 하나의 특이값(b11~bww)을 기초로, 제1 서브 행렬(A), 제2 서브 행렬(B) 및 제3 서브 행렬(CT)을 각각 제1 근사 행렬(A'), 제2 근사 행렬(B') 및 제3 근사 행렬(CT')로 변환한다.
단계 S750에서, 제어부(140)는, 제1 근사 행렬(A'), 제2 근사 행렬(B') 및 제3 근사 행렬(CT')을 곱하여, 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)에 일대일 대응하는 복수의 복원 전압 벡터(X1 '~Xn ')를 포함하는 복원 행렬(X')을 결정한다.
단계 S760에서, 제어부(140)는, 복수의 관측 전압 벡터(X1~Xn)와 복수의 복원 전압 벡터(X1 '~Xn ') 간의 차이를 나타내는 복수의 절대 오차 벡터를 결정한다. 복수의 절대 오차 벡터는, 복수의 복원 전압 벡터(X1~Xn)에 일대일 대응한다.
단계 S762에서, 제어부(140)는, 복수의 절대 오차 벡터를 기초로, 상대 오차 범위(R2)를 결정한다. 각 절대 오차 벡터는 m개의 원소를 가지므로, 제어부(140)는 각 절대 오차 벡터의 m개의 원소에 대응하는 m개의 상대 오차 범위(R2), 즉 상대 오차 범위(R2)의 벡터를 결정할 수 있다. 단계 S762는 도 7의 방법으로부터 선택적으로 제거될 수 있다.
단계 S770에서, 제어부(140)는, 각 절대 오차 벡터의 적어도 하나의 원소가 소정의 절대 오차 범위(R1) 및/또는 상대 오차 범위(R2)를 벗어나는지 여부를 판정한다. 단계 S770의 값이 "예"인 것은, 적어도 하나의 배터리 셀(BC)이 이상인 것으로 검출되었음을 나타낸다. 예컨대, 도 6에서와 같이 무빙 윈도우(200) 내의 시점 ti에서 제j 절대 오차 벡터(610)의 원소(ΔVij)가 절대 오차 범위(R1) 및 상대 오차 범위(R2)를 둘 다 벗어나므로, 제어부(140)는 제j 배터리 셀(BCj)이 이상인 것으로 판정할 수 있다.
단계 S780에서, 제어부(140)는, 소정의 보호 동작을 활성화한다. 일 예로, 제어부(140)는, 스위치(20)를 턴 오프시킨다. 다른 예로, 제어부(140)는, 이상인 것으로 검출된 각 배터리 셀(BC)의 정보(예, 식별 번호)를 나타내는 진단 메시지를 출력한다. 인터페이스부(150)는, 진단 메시지를 상위 컨트롤러(2)에 전달하거나, 진단 메시지에 대응하는 시각적 및/또는 청각적 정보를 출력할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 8의 방법에 있어서, 단계 S810 내지 단계 S880은 도 7의 단계 S710 내지 단계 S780과 동일한바, 반복된 설명은 생략하기로 한다.
도 8의 방법은, 단계 S822 및 단계 S824를 더 포함한다는 점에서 도 7의 방법과 상이하다.
단계 S822에서, 제어부(140)는, 복수의 특이값(b11~bnn)의 최대 비율이 설정 비율 이상인지 여부를 판정한다. 최대 비율은, 복수의 특이값(b11~bnn) 중 최소값(bnn)에 대한 최대값(b11)의 비율이다. 단계 S822의 값이 "아니오"인 것은, 복수의 주성분 벡터(A1~An) 중 관측 행렬(X)로부터 복원 행렬(X')로의 전압 복원에 활용한만큼 충분히 큰 설명력을 가지는 주성분 벡터가 존재하지 않음을 의미한다. 단계 S822의 값이 "아니오"인 경우, 방법은 단계 S824으로 진행한다. 단계 S822의 값이 "예"인 경우, 방법은 단계 S830으로 진행한다.
단계 S824에서, 제어부(140)는, 폴트 메시지를 출력한다. 폴트 메시지는, 복수의 관측 전압 벡터에 대한 복원 불능 상황임을 나타낸다. 인터페이스부(150)는, 폴트 메시지를 상위 컨트롤러(2)에 전달하거나, 폴트 메시지에 대응하는 시각적 및/또는 청각적 정보를 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 (11)

  1. 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출하기 위한 배터리 관리 시스템이 있어서,
    각 배터리 셀의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 측정 회로; 및
    상기 전압 신호를 기초로, 소정의 사이즈를 가지는 무빙 윈도우 내에서 시계열적으로 복수회 측정된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 이력을 나타내는 복수의 관측 전압 벡터를 포함하는 관측 행렬을 결정하도록 구성되는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 관측 전압 벡터에 일대일 대응하는 복수의 복원 전압 벡터를 포함하는 복원 행렬을 결정하고,
    상기 복수의 관측 전압 벡터 및 상기 복수의 복원 전압 벡터 간의 차이를 나타내는 복수의 절대 오차 벡터를 결정하고,
    상기 복수의 절대 오차 벡터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    행렬 분해 알고리즘을 이용하여, 상기 관측 행렬로부터 제1 서브 행렬, 제2 서브 행렬 및 제3 서브 행렬을 추출하도록 구성되되,
    상기 제1 서브 행렬은, 상기 관측 행렬의 분산 정보를 나타내는 복수의 주성분 벡터를 포함하는 직교 행렬이고,
    상기 제2 서브 행렬은, 상기 분산 정보에 대한 상기 복수의 주성분 벡터의 설명력 정보를 나타내는 복수의 특이값을 포함하는 대각 행렬이고,
    상기 제3 서브 행렬은, 상기 복수의 주성분 벡터에 대한 상기 복수의 관측 전압 벡터의 의존도 정보를 나타내는 복수의 계수 벡터를 포함하는 직교 행렬이고,
    상기 제어부는,
    소정의 복원 조건을 이용하여, 상기 복수의 특이값 중 적어도 하나의 특이값을 선택하고,
    선택된 적어도 하나의 특이값을 기초로, 상기 제1 서브 행렬, 상기 제2 서브 행렬 및 상기 제3 서브 행렬을 각각 제1 근사 행렬, 제2 근사 행렬 및 제3 근사 행렬로 변환하고,
    상기 제1 근사 행렬, 상기 제2 근사 행렬 및 상기 제3 근사 행렬을 곱하여, 상기 복수의 복원 전압 벡터를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 특이값 중 크기가 큰 순서로 임계 개수의 특이값을 선택하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 특이값의 총합에 대한 제k 특이값의 비율이 제1 임계 비율 이상이고, 상기 복수의 특이값의 총합에 대한 제u 특이값의 비율이 상기 제1 임계 비율 미만인 경우, 상기 복수의 특이값 중 제1 내지 제k 특이값을 선택하도록 구성되되,
    k는 n 미만의 자연수이고, u는 k+1이며, n은 상기 복수의 배터리 셀의 총 개수이고, 상기 제k 특이값은 상기 복수의 특이값 중 k번째로 큰 특이값인 배터리 관리 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 특이값의 총합에 대한 제1 내지 제q 특이값의 합의 비율이 제2 임계 비율 이상이고, 상기 복수의 특이값의 총합에 대한 제1 내지 제p 특이값의 합의 비율이 상기 제2 임계 비율 미만인 경우, 상기 복수의 특이값 중 상기 제1 내지 제q 특이값을 선택하도록 구성되되,
    q는 2 이상 n 미만의 자연수이고, p는 q-1이고, n은 상기 복수의 배터리 셀의 총 개수이고, 상기 제q 특이값은 상기 복수의 특이값 중 q번째로 큰 특이값인 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 절대 오차 벡터 중, 소정의 절대 오차 범위를 벗어나는 적어도 하나의 성분을 포함하는 각 절대 오차 벡터에 대응하는 각 배터리 셀이 이상인 것으로 검출하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 절대 오차 벡터를 기초로, 상대 오차 범위를 결정하고,
    상기 복수의 절대 오차 벡터 중, 상기 상대 오차 범위를 벗어나는 적어도 하나의 성분을 포함하는 각 절대 오차 벡터에 대응하는 각 배터리 셀이 이상인 것으로 검출하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 특이값 중 최소값에 대한 최대값의 비율이 설정 비율 미만인 경우, 복원 불능 상황임을 나타내는 폴트 메시지를 출력하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  11. 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출하기 위한 배터리 관리 방법이 있어서,
    소정의 사이즈를 가지는 무빙 윈도우 내에서 시계열적으로 복수회 측정된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 나타내는 복수의 관측 전압 벡터를 포함하는 관측 행렬을 결정하는 단계;
    상기 복수의 관측 전압 벡터에 일대일 대응하는 복수의 복원 전압 벡터를 포함하는 복원 행렬을 결정하는 단계;
    상기 복수의 관측 전압 벡터 및 상기 복수의 복원 전압 벡터 간의 차이를 나타내는 복수의 절대 오차 벡터를 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 절대 오차 벡터를 기초로, 상기 복수의 배터리 각각의 이상을 검출하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
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