WO2024063577A1 - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a battery diagnostic device and method, and more specifically, to a battery diagnostic device and method that can diagnose the state of a battery.
- lithium batteries have almost no memory effect compared to nickel-based batteries, so they can be freely charged and discharged, and have a very high self-discharge rate. It is attracting attention due to its low and high energy density.
- lithium plating lithium plating
- Li-plating lithium plating
- the present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to provide a battery diagnosis device and method that can quickly diagnose the current state of the battery.
- a battery diagnostic device includes a profile acquisition unit configured to obtain a capacity profile for constant current charging capacity and constant voltage charging capacity measured during the charging process of the battery; And a control unit configured to calculate a capacity change rate between the constant current charging capacity and the constant voltage charging capacity from the capacity profile, compare the calculated capacity change rate with a preset reference value, and diagnose the state of the battery based on the comparison result. You can.
- the control unit may be configured to diagnose the state of the battery as a loss of available lithium state, a normal state, or a deterioration state of anode capacity based on the comparison result.
- the control unit may be configured to diagnose the state of the battery as a loss of available lithium if the capacity change rate is less than the reference value.
- the control unit may be configured to diagnose the state of the battery as normal if the capacity change rate is equal to the reference value.
- the control unit may be configured to diagnose the state of the battery as a positive electrode capacity deterioration state when the capacity change rate exceeds the reference value.
- the control unit may be configured to divide the capacity profile into one or more capacity sections according to the magnitude relationship between the capacity change rate and the reference value and diagnose the state of the battery for the divided capacity sections.
- the control unit calculates the capacity change rate for each of the plurality of constant current charging capacities included in the capacity profile, determines a target capacity among the plurality of constant current charging capacities whose corresponding capacity change rate is equal to the reference value, and determines the target capacity. It may be configured to classify the capacity section based on .
- the control unit may be configured to diagnose the state of the battery as unusable when the state of the battery is sequentially diagnosed as the positive electrode capacity deterioration state, the available lithium loss state, and the positive electrode capacity deterioration state.
- the control unit may be configured to change preset usage conditions for the battery to correspond to the state of the battery.
- the control unit may be configured to change at least one of an upper limit of a charging C-rate and an idle period preset for the battery when the state of the battery is diagnosed as the loss of available lithium.
- the control unit may be configured to change at least one of an upper limit voltage and a maximum allowable temperature preset for the battery when the state of the battery is diagnosed as the anode capacity deterioration state.
- the capacity profile may be a profile configured to accumulate and store the correspondence between the constant current charging capacity measured for each charging cycle of the battery and the constant voltage charging capacity.
- a battery pack according to another aspect of the present invention may include a battery diagnostic device according to an aspect of the present invention.
- An electric vehicle may include a battery diagnostic device according to an aspect of the present invention.
- An energy storage device may include a battery diagnostic device according to an aspect of the present invention.
- a battery diagnosis method includes a capacity profile acquisition step of acquiring capacity profiles for constant current charging capacity and constant voltage charging capacity measured during the charging process of the battery; A capacity change rate calculation step of calculating a capacity change rate between the constant current charging capacity and the constant voltage charging capacity from the capacity profile; A comparison step of comparing the calculated capacity change rate with a preset reference value; and a condition diagnosis step of diagnosing the condition of the battery based on the comparison result.
- a battery diagnosis device is characterized by being able to quickly and specifically diagnose the state of the battery according to the degree of change between constant current charging capacity and constant voltage charging capacity.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing a battery diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
- Figure 2 is a diagram schematically showing a first capacity profile according to an embodiment of the present invention.
- Figure 3 is a diagram comparing the first dose curve of the first dose profile and the baseline according to an embodiment of the present invention.
- Figure 4 is a diagram for explaining the deterioration state of anode capacity of a battery according to an embodiment of the present invention.
- Figure 5 is a diagram for explaining the loss state of available lithium in a battery according to an embodiment of the present invention.
- Figure 6 is a diagram schematically showing a second capacity profile according to an embodiment of the present invention.
- Figure 7 is a diagram comparing the second dose curve of the second dose profile and the baseline according to an embodiment of the present invention.
- Figure 8 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
- Figure 9 is a diagram schematically showing an electric vehicle according to another embodiment of the present invention.
- Figure 10 is a diagram schematically showing an ESS according to another embodiment of the present invention.
- Figure 11 is a diagram schematically showing a battery diagnosis method according to another embodiment of the present invention.
- Figure 1 is a diagram schematically showing a battery diagnosis device 100 according to an embodiment of the present invention.
- the battery diagnosis device 100 may include a profile acquisition unit 110, a control unit 120, and a storage unit 130.
- the battery has a negative terminal and a positive terminal and refers to an independent cell that is physically separable.
- a lithium ion battery or a lithium polymer battery may be considered a battery.
- a battery may refer to a battery module in which a plurality of cells are connected in series and/or parallel.
- the battery will be described as meaning one independent cell.
- the profile acquisition unit 110 may be configured to obtain a capacity profile for the constant current charging capacity and constant voltage charging capacity measured during the charging process of the battery.
- the profile acquisition unit 110 may receive a capacity profile from the outside using a provided communication module.
- the profile acquisition unit 110 may be connected to the storage unit 130 to perform wired communication and/or wireless communication.
- the profile acquisition unit 110 may access the storage unit 130 and obtain the capacity profile stored in the storage unit 130.
- the capacity profile may be a profile configured to accumulate and store the correspondence between constant current charging capacity and constant voltage charging capacity measured for each charging cycle of the battery.
- constant current charging capacity refers to the charging capacity when the battery is charged with constant current (CC, Constant current).
- constant voltage charging capacity refers to the charging capacity when the battery is charged with constant voltage (CV, Constant voltage).
- the battery is charged with a constant current until the voltage reaches a preset cutoff voltage.
- the charging current is kept constant, and the battery voltage is raised to be proportional to the current.
- the battery is charged at a constant voltage.
- the battery voltage is kept constant and the charging current is gradually reduced.
- the charging current reaches the preset cutoff current, charging of the battery is terminated.
- the capacity profile may include a correspondence between constant current charging capacity and constant voltage charging capacity for 100 cycles.
- Figure 2 is a diagram schematically showing a first capacity profile (P1) according to an embodiment of the present invention.
- the first capacity profile P1 is a profile representing the correspondence between the constant current charging capacity and the constant voltage charging capacity of the first battery.
- the first capacity profile (P1) is a normalized profile based on the initial constant current charging capacity and the initial constant voltage charging capacity.
- the normalized constant current charging capacity of the current battery is 0.8, and the normalized constant voltage charging capacity may be about 1.28. .
- the control unit 120 may be configured to calculate a capacity change rate between constant current charging capacity and constant voltage charging capacity from the capacity profile.
- control unit 120 may calculate the rate of change of the constant voltage charging capacity with respect to the constant current charging capacity as the capacity change rate.
- the capacity change rate may be an instantaneous change rate or an average change rate of constant voltage charging capacity with respect to constant current charging capacity.
- control unit 120 may calculate an instantaneous rate of change between the constant current charging capacity and the constant voltage charging capacity most recently included in the capacity profile. Specifically, the control unit 120 may obtain a capacity curve corresponding to the capacity profile through curve fitting. And, the control unit 120 can calculate the instantaneous rate of change in the desired constant current charging capacity based on the relationship equation of the capacity curve.
- Figure 3 is a diagram comparing the first dose curve (QC1) and the baseline (RR) of the first dose profile (P1) according to an embodiment of the present invention.
- the first capacity curve QC1 may be a capacity curve obtained from the first capacity profile P1 using a curve fitting algorithm.
- the first capacity curve QC1 may represent a correspondence relationship between constant current charging capacity and constant voltage charging capacity in the constant current charging capacity range of 0.8 to 1.0.
- the control unit 120 may be configured to compare the calculated capacity change rate with a preset reference value.
- the control unit 120 may compare the calculated absolute value of the capacity change rate with a preset reference value. That is, the capacity change rate calculated by the control unit 120 may be 0 or a positive real value.
- the comparison between the capacity change rate and the reference value means comparing the absolute value of the capacity change rate and the reference value.
- the reference line RR is a straight line with the absolute value of the slope set as the reference value.
- the reference value may be preset to 1.
- the reference line (RR) may be a straight line with a slope of -1. That is, the absolute value and reference value of the slope of the reference line (RR) may be 1.
- control unit 120 may compare the magnitude between the calculated capacity change rate and the reference value.
- the average rate of change and the instantaneous rate of change of the first capacity curve QC1 may be smaller than the slope of the baseline RR. Accordingly, the control unit 120 may determine that the reference value is smaller than the capacity change rate (specifically, the absolute value of the capacity change rate) of the first capacity curve QC1.
- the control unit 120 may be configured to diagnose the state of the battery based on the comparison result.
- control unit 120 may be configured to diagnose the state of the battery as a loss of available lithium state, a normal state, or a deterioration state of anode capacity based on the comparison result. That is, the control unit 120 may diagnose the state of the battery as a loss of available lithium state, a normal state, or a deterioration state of anode capacity, based on the reference value and the result of determining the magnitude of the capacity change rate.
- the control unit 120 may diagnose the state of the battery as loss of available lithium. As another example, if the capacity change rate is the same as the reference value, the control unit 120 may diagnose the state of the battery as normal. As another example, if the capacity change rate exceeds the reference value, the control unit 120 may diagnose the state of the battery as an anode capacity deterioration state.
- the controller 120 may diagnose the state of the first battery as a positive electrode capacity deterioration state.
- Figure 4 is a diagram for explaining the deterioration state of anode capacity of a battery according to an embodiment of the present invention.
- the control unit 120 may diagnose the state of the battery as a positive electrode capacity deterioration state.
- Figure 5 is a diagram for explaining the loss state of available lithium in a battery according to an embodiment of the present invention.
- constant voltage charging capacity CV capacity
- constant current charging capacity CC capacity
- the control unit 120 may diagnose the state of the battery as a state of loss of available lithium.
- the battery diagnosis device 100 is characterized by being able to quickly and specifically diagnose the state of the battery according to the degree of change between constant current charging capacity and constant voltage charging capacity.
- the battery diagnosis device 100 is not affected by the charging C-rate (current rate) and can diagnose the state of the battery by considering only the correspondence between constant current charging capacity and constant voltage charging capacity. Therefore, in situations where there are no restrictions such as low-rate charging (eg, 0.05C charging) or data comparison at the same C-rate, the battery diagnosis device 100 can quickly diagnose the state of the battery.
- control unit 120 provided in the battery diagnosis device 100 uses a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), other chipsets, logic circuits, and registers known in the art to execute various control logics performed in the present invention. , communication modem, data processing device, etc. may be optionally included. Additionally, when the control logic is implemented as software, the control unit 120 may be implemented as a set of program modules. At this time, the program module is stored in memory and can be executed by the control unit 120. The memory may be inside or outside the control unit 120 and may be connected to the control unit 120 through various well-known means.
- ASIC application-specific integrated circuit
- the battery diagnosis device 100 may further include a storage unit 130.
- the storage unit 130 may store data or programs necessary for each component of the battery diagnosis device 100 to perform operations and functions, or data generated in the process of performing operations and functions.
- information storage means may include RAM, flash memory, ROM, EEPROM, registers, etc.
- the storage unit 130 may store program codes in which processes executable by the control unit 120 are defined.
- the control unit 120 may be configured to divide the capacity profile into one or more capacity sections according to the magnitude relationship between the capacity change rate and the reference value.
- Figure 6 is a diagram schematically showing a second capacity profile (P2) according to an embodiment of the present invention.
- the second capacity profile P2 is a profile representing the correspondence between the constant current charging capacity and the constant voltage charging capacity of the second battery.
- the second capacity profile (P2) is a normalized profile based on the initial constant current charging capacity and the initial constant voltage charging capacity.
- the normalized constant current charging capacity of the current battery is Q0, and the normalized constant voltage charging capacity may be about 1.3. .
- Figure 7 is a diagram comparing the second dose curve (QC2) and the baseline (RR) of the second dose profile (P2) according to an embodiment of the present invention.
- the second capacity curve QC2 may be a capacity curve obtained from the second capacity profile P2 using a curve fitting algorithm.
- the second capacity curve QC2 may represent a correspondence relationship between constant current charging capacity and constant voltage charging capacity in the constant current charging capacity section of Q0 to Q3.
- control unit 120 may be configured to calculate a capacity change rate for each of a plurality of constant current charging capacities included in the capacity profile. In addition, the control unit 120 may determine a target capacity among a plurality of constant current charging capacities whose corresponding capacity change rate is the same as the reference value.
- the reference line RR having a slope of the reference value may be in contact with the second capacity curve QC2 at points Q1 and Q2. That is, at the point where the constant current charging capacity is Q1 and Q2, the capacity change rate of the second capacity curve QC2 may be equal to the reference value. Accordingly, the control unit 120 may determine Q1 and Q2 as target capacities.
- the control unit 120 may be configured to classify capacity sections based on the determined target capacity.
- control unit 120 divides Q0 to Q1 into a first capacity section (RQ1), Q1 to Q2 into a second capacity section (RQ2), and Q2 to Q3 into a third capacity section (RQ1). It can be divided into capacity sections (RQ3).
- the control unit 120 may be configured to diagnose the state of the battery for divided capacity sections.
- control unit 120 can diagnose the state of the battery for each divided capacity section.
- the control unit 120 can diagnose not only the current state but also the past state of the battery based on the capacity profile. That is, the control unit 120 can determine the state change pattern of the battery by diagnosing the state of the battery for each capacity section.
- the capacity change rate of the first capacity section RQ1 may exceed the reference value. Accordingly, the control unit 120 may diagnose the state of the battery in the first capacity section RQ1 as a state of anode capacity degradation.
- the capacity change rate of the second capacity section RQ2 may be less than the reference value. Accordingly, the control unit 120 may diagnose the state of the battery in the second capacity section RQ2 as a state of loss of available lithium.
- the control unit 120 may diagnose the state of the battery in the third capacity section RQ3 as a state of anode capacity degradation. That is, the control unit 120 may diagnose the current state of the battery as a capacity degradation state.
- the battery diagnosis device 100 has the advantage of being able to determine the state change pattern of the battery's life cycle by specifically diagnosing the state of the battery for each capacity section.
- the battery diagnosis device 100 has the advantage of being able to more efficiently collect related information that affects changes in the state of the battery because it can specify the point in time when the state of the battery changes.
- control unit 120 may be configured to diagnose the battery state as a disuse state. .
- the control unit 120 diagnoses the state of the battery as an unusable state (EOL state, End of life state).
- EOL state End of life state
- a disused state means a state in which the SOH (state of health) of the battery is less than 70%, and may be a state in which disposal of the battery is recommended. If you continue to use batteries that are in an unusable state, unexpected accidents such as explosions and fires may occur.
- the battery diagnosis device 100 has the advantage of being able to prevent unexpected accidents in advance by diagnosing the state of the battery as unusable when the state change of the battery shows a certain pattern.
- the control unit 120 may be configured to change preset usage conditions for the battery to correspond to the state of the battery.
- control unit 120 may change at least one of the upper limit of the charging C-rate and the idle period preset for the battery.
- control unit 120 may reduce the preset upper limit of the charging C-rate in order to prevent or delay the lithium plating phenomenon in which lithium metal is deposited on the negative electrode of the battery.
- control unit 120 can prevent high-rate charging of the battery by reducing the upper limit of the charging C-rate of the battery.
- the controller 120 may increase the rest time set for the battery. In other words, by increasing the pause time during which the battery remains in an unloaded state after charging or discharging of the battery is completed, the battery can be allowed to remain in a state of electrical equilibrium for a long time.
- control unit 120 may change at least one of the upper limit voltage and the maximum allowable temperature preset for the battery.
- control unit 120 may reduce the upper limit voltage and/or the maximum allowable temperature set for the battery in order to prevent or delay capacity degradation of the anode.
- the battery diagnosis device 100 has the advantage of preventing rapid deterioration of the battery by appropriately changing the usage conditions according to the diagnosed battery state.
- the battery diagnosis device 100 can specify the point in time when the state of the battery changes, it can quickly change the usage conditions to be most appropriate for the current state of the battery. Therefore, according to the battery diagnosis device 100, the expected lifespan of the battery can be increased.
- the battery diagnosis device 100 according to the present invention can be applied to a battery management system (BMS). That is, the BMS according to the present invention may include the battery diagnosis device 100 described above. In this configuration, at least some of the components of the battery diagnosis device 100 may be implemented by supplementing or adding functions included in a conventional BMS. For example, the profile acquisition unit 110, control unit 120, and storage unit 130 of the battery diagnosis device 100 may be implemented as components of a BMS.
- BMS battery management system
- the battery diagnosis device 100 according to the present invention may be provided in a battery pack. That is, the battery pack according to the present invention may include the above-described battery diagnosis device 100 and one or more battery cells. Additionally, the battery pack may further include electrical components (relays, fuses, etc.) and cases.
- FIG. 8 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack 10 according to another embodiment of the present invention.
- the positive terminal of the battery 11 may be connected to the positive terminal (P+) of the battery pack 10, and the negative terminal of the battery 11 may be connected to the negative terminal (P-) of the battery pack 10.
- the measuring unit 12 may be connected to the first sensing line (SL1), the second sensing line (SL2), and the third sensing line (SL3). Specifically, the measuring unit 12 may be connected to the positive terminal of the battery 11 through the first sensing line (SL1) and may be connected to the negative terminal of the battery 11 through the second sensing line (SL2). The measurement unit 12 may measure the voltage of the battery 11 based on the voltage measured at each of the first and second sensing lines (SL1) and SL2.
- the measurement unit 12 may be connected to the current measurement unit (A) through the third sensing line (SL3).
- the current measuring unit A may be an ammeter or a shunt resistor capable of measuring the charging current and discharging current of the battery 11.
- the measurement unit 12 may calculate the charging capacity by measuring the charging current of the battery 11 through the third sensing line SL3. Additionally, the measurement unit 12 may calculate the discharge capacity by measuring the discharge current of the battery 11 through the third sensing line SL3.
- An external device may be connected to the positive terminal (P+) and negative terminal (P-) of the battery pack 10.
- the external device may be a charging/discharging device or a motor of an electric vehicle that receives power from the battery 11. While a charging/discharging device is connected to the battery pack 10 and the battery 11 is being charged, the measuring unit 12 can measure the constant current charging capacity and constant voltage charging capacity of the battery 11.
- Figure 9 is a diagram schematically showing an electric vehicle 900 according to another embodiment of the present invention.
- the battery pack 910 may be included in a vehicle 900 such as an electric vehicle (EV) or a hybrid vehicle (HV). And, the battery pack 910 can drive the car 900 by supplying power to the motor through an inverter provided in the car 900.
- a vehicle 900 such as an electric vehicle (EV) or a hybrid vehicle (HV).
- the battery pack 910 can drive the car 900 by supplying power to the motor through an inverter provided in the car 900.
- the electric vehicle 900 may include a battery diagnosis device 100 (100).
- the battery diagnosis device 100 may be provided in the battery pack 910 to diagnose the state of the battery pack 910 and/or each battery cell included in the battery pack 910.
- Figure 10 is a diagram schematically showing an ESS (Energy storage system) according to another embodiment of the present invention.
- ESS Electronicgy storage system
- the ESS includes a plurality of rack cases 1010 and a plurality of battery modules 1020.
- the plurality of battery modules 1020 may be configured to be accommodated in the rack case 1010 in a vertically arranged form.
- Each of the plurality of battery modules 1020 may be equipped with a battery diagnosis device 100 (100).
- Battery diagnosis device 100 (100) may diagnose the state of the corresponding battery module 1020 and/or the battery cell included in the battery module 1020.
- Figure 11 is a diagram schematically showing a battery diagnosis method according to another embodiment of the present invention.
- each step of the battery diagnosis method can be performed by the battery diagnosis device 100.
- the battery diagnosis device 100 Preferably, each step of the battery diagnosis method can be performed by the battery diagnosis device 100.
- content that overlaps with the content described above will be omitted or briefly described.
- the battery diagnosis method may include a capacity profile acquisition step (S100), a capacity change rate calculation step (S200), a comparison step (S300), and a state diagnosis step (S400).
- the capacity profile acquisition step (S100) is a step of acquiring a capacity profile for the constant current charging capacity and constant voltage charging capacity measured during the charging process of the battery, and may be performed by the profile acquisition unit 110.
- the profile acquisition unit 110 may acquire the capacity profile from an external source or the storage unit 130.
- the capacity change rate calculation step (S200) is a step of calculating the capacity change rate between the constant current charging capacity and the constant voltage charging capacity in the capacity profile, and may be performed by the control unit 120.
- control unit 120 may calculate the capacity change rate by calculating the ratio of constant voltage charging capacity to constant current charging capacity.
- the comparison step (S300) is a step of comparing the calculated capacity change rate with a preset reference value, and may be performed by the control unit 120.
- control unit 120 may compare and determine the magnitude of the calculated capacity change rate and a preset reference value.
- the state diagnosis step (S400) is a step of diagnosing the state of the battery based on the comparison result, and may be performed by the control unit 120.
- the control unit 120 may diagnose the state of the battery as loss of available lithium. As another example, if the capacity change rate is the same as the reference value, the control unit 120 may diagnose the state of the battery as normal. As another example, if the capacity change rate exceeds the reference value, the control unit 120 may diagnose the state of the battery as an anode capacity deterioration state.
- control unit 120 can divide the capacity profile into a plurality of capacity sections and specifically diagnose the state of the battery in each capacity section. Furthermore, the control unit 120 may diagnose the state of the battery as unusable when the state change of the battery shows a certain pattern (when the anode capacity deterioration state, the available lithium loss state, and the anode capacity deterioration state are sequentially diagnosed). there is.
- the embodiments of the present invention described above are not only implemented through devices and methods, but may also be implemented through a program that realizes the function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded.
- the implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs based on the description of the embodiments described above.
- control unit 120 control unit
Landscapes
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- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리의 충전 과정에서 측정되는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량에 대한 용량 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 상기 용량 프로파일에서 상기 정전류 충전 용량과 상기 정전압 충전 용량 간의 용량 변화율을 산출하고, 산출된 용량 변화율과 미리 설정된 기준값을 비교하며, 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함한다.
Description
본 출원은 2022년 09월 22일 자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2022-0119803에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 상태를 진단할 수 있는 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리는 고용량화 및 고밀도화 측면에서 많은 연구가 진행되고 있지만 수명과 안전성 향상 측면도 중요하다. 배터리의 안전성을 향상하기 위하여, 배터리의 현재 상태를 정확하게 진단하는 기술이 요구된다.
예컨대, 음극 표면에 리튬이 석출되는 현상(리튬 플레이팅, Li-plating)을 방지할 필요가 있다. 음극 표면에 리튬이 석출되면 전해액과의 부반응 및 배터리의 운동역학적 균형(kinetic balance) 변경 등을 초래하여 배터리 퇴화의 원인이 된다. 또한, 음극 표면에 리튬 금속이 석출됨에 따라 배터리의 내부 단락이 발생될 수 있기 때문에, 내부 단락에 의한 발화 및 폭발 등의 위험이 있다. 따라서, 음극 표면에 리튬 금속이 석출되었는지를 검출할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리의 현재 상태를 신속하게 진단할 수 있는 배터리 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치는 배터리의 충전 과정에서 측정되는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량에 대한 용량 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 상기 용량 프로파일에서 상기 정전류 충전 용량과 상기 정전압 충전 용량 간의 용량 변화율을 산출하고, 산출된 용량 변화율과 미리 설정된 기준값을 비교하며, 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태, 정상 상태 또는 양극 용량 퇴화 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 용량 변화율이 상기 기준값 미만이면, 상기 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 용량 변화율이 상기 기준값과 동일하면, 상기 배터리의 상태를 정상 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 용량 변화율이 상기 기준값을 초과하면, 상기 배터리의 상태를 양극 용량 퇴화 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 용량 프로파일을 상기 용량 변화율과 상기 기준값 간의 대소 관계에 따라 하나 이상의 용량 구간으로 구분하고, 구분된 용량 구간에 대하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 용량 프로파일에 포함된 복수의 정전류 충전 용량 각각에 대하여 상기 용량 변화율을 산출하고, 상기 복수의 정전류 충전 용량 중에서 대응되는 용량 변화율이 상기 기준값과 동일한 타겟 용량을 결정하며, 결정된 타겟 용량을 기준으로 상기 용량 구간을 구분하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 상태가 상기 양극 용량 퇴화 상태, 상기 가용 리튬 손실 상태 및 상기 양극 용량 퇴화 상태로 순차적으로 진단된 경우, 상기 배터리의 상태를 불용 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 상태에 대응되도록 상기 배터리에 대해 미리 설정된 사용 조건을 변경하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 상태가 상기 가용 리튬 손실 상태로 진단된 경우, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 충전 C-rate의 상한 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 변경시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 상태가 상기 양극 용량 퇴화 상태로 진단된 경우, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 상한 전압 및 최대 허용 온도 중 적어도 하나를 변경시키도록 구성될 수 있다.
상기 용량 프로파일은, 상기 배터리에 대한 충전 사이클마다 측정되는 정전류 충전 용량과 상기 정전압 충전 용량 간의 대응 관계를 누적하여 저장하도록 구성된 프로파일일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 자동차는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 장치는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 진단 방법은 배터리의 충전 과정에서 측정되는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량에 대한 용량 프로파일을 획득하는 용량 프로파일 획득 단계; 상기 용량 프로파일에서 상기 정전류 충전 용량과 상기 정전압 충전 용량 간의 용량 변화율을 산출하는 용량 변화율 산출 단계; 산출된 용량 변화율과 미리 설정된 기준값을 비교하는 비교 단계; 및 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 진단하는 상태 진단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 진단 장치는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 변화 정도에 따라 배터리의 상태를 신속하고 구체적으로 진단할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 용량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 용량 프로파일의 제1 용량 커브와 기준선을 비교 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 양극 용량 퇴화 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 가용 리튬 손실 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 용량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 용량 프로파일의 제2 용량 커브와 기준선을 비교 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ESS를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 진단 장치(100)는 프로파일 획득부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)를 포함할 수 있다.
여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리로 간주될 수 있다. 또한, 배터리는 복수의 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 의미할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.
프로파일 획득부(110)는 배터리의 충전 과정에서 측정되는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량에 대한 용량 프로파일을 획득하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 구비된 통신 모듈을 이용하여 외부로부터 용량 프로파일을 수신할 수 있다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 저장부(130)와 유선 통신 및/또는 무선 통신을 수행하도록 연결될 수 있다. 프로파일 획득부(110)는 저장부(130)에 접근하여, 저장부(130)에 저장된 용량 프로파일을 획득할 수도 있다.
구체적으로, 용량 프로파일은 배터리에 대한 충전 사이클마다 측정되는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 대응 관계를 누적하여 저장하도록 구성된 프로파일일 수 있다. 여기서, 정전류 충전 용량이란 배터리가 정전류(CC, Constant current)로 충전될 때의 충전 용량을 의미한다. 그리고, 정전압 충전 용량이란 배터리가 정전압(CV, Constant voltage)로 충전될 때의 충전 용량을 의미한다.
일반적으로, 배터리의 충전 과정을 설명하면, 배터리는 전압이 미리 설정된 컷오프 전압에 도달할 때까지 정전류로 충전된다. 정전류 충전 과정에서 충전 전류는 일정하게 유지되고, 배터리의 전압이 전류에 비례하도록 상승된다. 그리고, 배터리의 전압이 컷오프 전압에 도달하면, 배터리는 정전압으로 충전된다. 정전압 충전 과정에서 배터리의 전압을 일정하게 유지되고, 충전 전류를 서서히 감소한다. 그리고, 충전 전류가 미리 설정된 컷오프 전류에 도달하면, 배터리의 충전이 종료된다.
예컨대, 총 100 사이클의 충전 사이클이 진행된 경우, 용량 프로파일에는 100 사이클에 대한 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량의 대응 관계가 포함될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 용량 프로파일(P1)을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 제1 용량 프로파일(P1)은 제1 배터리의 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일이다. 제1 용량 프로파일(P1)은 최초의 정전류 충전 용량과 최초의 정전압 충전 용량을 기준으로 정규화된 프로파일로서, 현재 배터리의 정규화된 정전류 충전 용량은 0.8이고, 정규화된 정전압 충전 용량은 약 1.28일 수 있다.
제어부(120)는 용량 프로파일에서 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 용량 변화율을 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 정전류 충전 용량에 대한 정전압 충전 용량의 변화율을 용량 변화율로 산출할 수 있다.
예컨대, 용량 변화율은 정전류 충전 용량에 대한 정전압 충전 용량의 순간 변화율 또는 평균 변화율일 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 용량 프로파일에서 가장 최근에 포함된 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 순간 변화율을 산출할 수 있다. 구체적으로, 제어부(120)는 커브 피팅(Curve fitting)을 통해 용량 프로파일에 대응되는 용량 커브를 획득할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 용량 커브의 관계식에 기반하여, 원하는 정전류 충전 용량에서의 순간 변화율을 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 용량 프로파일(P1)의 제1 용량 커브(QC1)와 기준선(RR)을 비교 도시한 도면이다.
도 3의 실시예에서, 제1 용량 커브(QC1)는 커브 피팅 알고리즘을 이용하여 제1 용량 프로파일(P1)로부터 획득되는 용량 커브일 수 있다. 제1 용량 커브(QC1)는 0.8 내지 1.0의 정전류 충전 용량 구간에서의 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 대응 관계를 나타낼 수 있다.
제어부(120)는 산출된 용량 변화율과 미리 설정된 기준값을 비교하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 산출된 용량 변화율의 절대값과 미리 설정된 기준값을 비교할 수 있다. 즉, 제어부(120)에 의해 산출되는 용량 변화율은 0 또는 양의 실수(positive real value)일 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 용량 변화율과 기준값의 비교는, 용량 변화율의 절대값과 기준값이 비교되는 것임을 유의한다.
도 3의 실시예에서, 기준선(RR)은 기울기의 절대값이 기준값으로 설정된 직선이라고 가정한다. 예컨대, 기준값은 1로 미리 설정될 수 있다. 그리고, 기준선(RR)은 기울기가 -1인 직선일 수 있다. 즉, 기준선(RR)의 기울기의 절대값과 기준값은 1일 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 산출된 용량 변화율과 기준값 간의 대소를 비교할 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 제1 용량 커브(QC1)의 평균 변화율 및 순간 변화율은 기준선(RR)의 기울기보다 작을 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 기준값이 제1 용량 커브(QC1)의 용량 변화율(구체적으로는, 용량 변화율의 절대값)보다 작은 것으로 판단할 수 있다.
제어부(120)는 비교 결과에 기반하여 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 비교 결과에 기반하여 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태, 정상 상태 또는 양극 용량 퇴화 상태로 진단하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부(120)는 기준값과 용량 변화율의 대소 판단 결과에 기반하여, 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태, 정상 상태 또는 양극 용량 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
예컨대, 용량 변화율이 기준값 미만이면, 제어부(120)는 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태로 진단할 수 있다. 다른 예로, 용량 변화율이 기준값과 동일하면, 제어부(120)는 배터리의 상태를 정상 상태로 진단할 수 있다. 또 다른 예로, 용량 변화율이 기준값을 초과하면, 제어부(120)는 배터리의 상태를 양극 용량 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 제1 용량 프로파일(P1)의 용량 변화율이 기준값을 초과하기 때문에, 제어부(120)는 제1 배터리의 상태를 양극 용량 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 양극 용량 퇴화 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 배터리의 양극 용량이 퇴화된 경우, 정전압 충전 용량(CV 용량)은 CVQi에서 CVQf로 증가될 수 있다. 그리고, 정전류 충전 용량(CC용량)은 감소될 수 있다. 즉, 양극 용량이 퇴화될수록 정전류 충전 용량에 대한 정전압 충전 용량의 변화율은 급격하게 변할 수 있다. 따라서, 용량 프로파일의 용량 변화율이 기준값을 초과하면, 제어부(120)는 배터리의 상태를 양극 용량 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 가용 리튬 손실 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 배터리의 가용 리튬이 손실된 경우, 정전압 충전 용량(CV용량)은 변하지 않을 수 있다. 그리고, 정전류 충전 용량(CC용량)은 가용 리튬의 손실분만큼 감소될 수 있다. 즉, 가용 리튬이 손실될수록 정전류 충전 용량에 대한 정전압 충전 용량의 변화율은 완만하게 변할 수 있다. 따라서, 용량 프로파일의 용량 변화율이 기준값 미만이면, 제어부(120)는 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 변화 정도에 따라 배터리의 상태를 신속하고 구체적으로 진단할 수 있는 것을 특징으로 한다.
배터리 진단 장치(100)는 충전 C-rate(Current rate)에 영향을 받지 않고, 정전류 충전 용량 및 정전압 충전 용량 간의 대응 관계만을 고려하여 배터리의 상태를 진단할 수 있다. 따라서, 저율 충전(예컨대, 0.05C 충전) 또는 동일한 C-rate에서의 데이터 비교 등의 제약이 없는 상황에서, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 상태를 신속하게 진단할 수 있다.
한편, 배터리 진단 장치(100)에 구비된 제어부(120)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 진단 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 배터리 진단 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(130)는 제어부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
제어부(120)는 용량 프로파일을 용량 변화율과 기준값 간의 대소 관계에 따라 하나 이상의 용량 구간으로 구분하도록 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 용량 프로파일(P2)을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 제2 용량 프로파일(P2)은 제2 배터리의 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일이다. 제2 용량 프로파일(P2)은 최초의 정전류 충전 용량과 최초의 정전압 충전 용량을 기준으로 정규화된 프로파일로서, 현재 배터리의 정규화된 정전류 충전 용량은 Q0이고, 정규화된 정전압 충전 용량은 약 1.3일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 용량 프로파일(P2)의 제2 용량 커브(QC2)와 기준선(RR)을 비교 도시한 도면이다.
도 7의 실시예에서, 제2 용량 커브(QC2)는 커브 피팅 알고리즘을 이용하여 제2 용량 프로파일(P2)로부터 획득되는 용량 커브일 수 있다. 제2 용량 커브(QC2)는 Q0 내지 Q3의 정전류 충전 용량 구간에서의 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 대응 관계를 나타낼 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 용량 프로파일에 포함된 복수의 정전류 충전 용량 각각에 대하여 용량 변화율을 산출하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 복수의 정전류 충전 용량 중에서 대응되는 용량 변화율이 기준값과 동일한 타겟 용량을 결정할 수 있다.
예컨대, 도 7의 실시예에서, 기준값의 기울기를 갖는 기준선(RR)은 제2 용량 커브(QC2)에서 Q1 지점 및 Q2 지점에서 접할 수 있다. 즉, 정전류 충전 용량이 Q1 및 Q2인 지점에서, 제2 용량 커브(QC2)의 용량 변화율은 기준값과 동일할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 Q1 및 Q2를 타겟 용량으로 결정할 수 있다.
제어부(120)는 결정된 타겟 용량을 기준으로 용량 구간을 구분하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 7의 실시예에서, 제어부(120)는 Q0 내지 Q1을 제1 용량 구간(RQ1)으로 구분하고, Q1 내지 Q2를 제2 용량 구간(RQ2)으로 구분하며, Q2 내지 Q3를 제3 용량 구간(RQ3)으로 구분할 수 있다.
제어부(120)는 구분된 용량 구간에 대하여 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 구분된 각각의 용량 구간에 대해서 배터리의 상태를 진단할 수 있다. 제어부(120)는 용량 프로파일에 기반하여 배터리의 현재 상태뿐만 아니라 과거 상태도 진단할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 용량 구간별 배터리의 상태를 진단함으로써, 배터리의 상태 변화 패턴을 판단할 수 있다.
예컨대, 도 7의 실시예에서, 제1 용량 구간(RQ1)의 용량 변화율은 기준값을 초과할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 제1 용량 구간(RQ1)에서의 배터리의 상태를 양극 용량 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
다음으로, 제2 용량 구간(RQ2)의 용량 변화율은 기준값 미만일 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 제2 용량 구간(RQ2)에서의 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태로 진단할 수 있다.
마지막으로, 제3 용량 구간(RQ3)의 용량 변화율은 기준값을 초과할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 제3 용량 구간(RQ3)에서의 배터리의 상태를 양극 용량 퇴화 상태로 진단할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 배터리의 현재 상태를 용량 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 용량 구간별로 배터리의 상태를 구체적으로 진단함으로써, 배터리의 생애 주기의 상태 변화 패턴을 판단할 수 있는 장점이 있다. 특히, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 상태가 변하는 시점을 특정할 수 있기 때문에, 배터리의 상태 변화에 영향을 미치는 관련 정보들을 보다 효율적으로 수집할 수 있는 장점이 있다.
한편, 제어부(120)는 배터리의 상태가 양극 용량 퇴화 상태, 가용 리튬 손실 상태 및 양극 용량 퇴화 상태로 순차적으로 진단된 경우, 제어부(120)는 배터리의 상태를 불용 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리의 상태가 양극 용량 퇴화 상태, 가용 리튬 손실 상태 및 양극 용량 퇴화 상태로 순차적으로 변경된 경우, 제어부(120)는 배터리의 상태를 불용 상태(EOL 상태, End of life 상태)로 진단할 수 있다. 일반적으로, 불용 상태는 배터리의 SOH(State of health)가 70% 미만인 상태를 의미하며, 배터리의 폐기가 권고되는 상태일 수 있다. 불용 상태인 배터리를 계속 사용하게 되면, 폭발 및 화재 등 예기치 못한 사고가 발생될 수 있는 문제가 있다.
따라서, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 상태 변화가 일정 패턴을 보이는 경우, 배터리의 상태를 불용 상태로 진단함으로써 예상치 못한 사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
제어부(120)는 배터리의 상태에 대응되도록 배터리에 대해 미리 설정된 사용 조건을 변경하도록 구성될 수 있다.
제어부(120)는 배터리의 상태가 가용 리튬 손실 상태로 진단된 경우, 배터리에 대해 미리 설정된 충전 C-rate의 상한 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 변경시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 배터리의 음극에 리튬 금속이 석출되는 리튬 플레이팅 현상을 방지 또는 지연하기 위하여, 미리 설정된 충전 C-rate의 상한을 감소시킬 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 배터리의 충전 C-rate의 상한을 감소시킴으로써, 배터리의 고율 충전을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 배터리에 대해 설정된 휴지 시간(rest time)을 증가시킬 수 있다. 즉, 배터리의 충전 또는 방전이 종료된 후 배터리가 무부하 상태로 유지되는 휴지 시간을 증가시킴으로써 배터리가 전기적 평형 상태에 오래 머무를 수 있도록 할 수 있다.
제어부(120)는 배터리의 상태가 양극 용량 퇴화 상태로 진단된 경우, 배터리에 대해 미리 설정된 상한 전압 및 최대 허용 온도 중 적어도 하나를 변경시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 양극의 용량 퇴화를 방지 또는 지연하기 위하여, 배터리에 설정된 상한 전압 및/또는 최대 허용 온도를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 진단된 배터리의 상태에 따라 적절하게 사용 조건을 변경함으로써, 배터리의 급격한 퇴화를 방지할 수 있는 장점이 있다.
특히, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 상태가 변하는 시점을 특정할 수 있기 때문에, 배터리의 현재 상태에 가장 적절하도록 사용 조건을 신속하게 변경할 수 있다. 따라서, 배터리 진단 장치(100)에 따르면, 배터리의 기대 수명이 증대될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 진단 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 진단 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 진단 장치(100)의 프로파일 획득부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 진단 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
배터리(11)의 양극 단자는 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 배터리(11)의 음극 단자는 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다.
측정부(12)는 제1 센싱 라인(SL1), 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 측정부(12)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(11)의 양극 단자에 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(11)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 측정부(12)는 제1 센싱 라인(SL1)과 제2 센싱 라인(SL2) 각각에서 측정된 전압에 기반하여, 배터리(11)의 전압을 측정할 수 있다.
그리고, 측정부(12)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 전류 측정 유닛(A)과 연결될 수 있다. 예컨대, 전류 측정 유닛(A)은 배터리(11)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있는 전류계 또는 션트 저항일 수 있다. 측정부(12)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(11)의 충전 전류를 측정하여 충전 용량을 산출할 수 있다. 또한, 측정부(12)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(11)의 방전 전류를 측정하여 방전 용량을 산출할 수도 있다.
배터리 팩(10)의 양극 단자(P+) 및 음극 단자(P-)에는 외부 장치(미도시)가 연결될 수 있다. 예컨대, 외부 장치는 충방전 장치일 수도 있고, 배터리(11)로부터 전원을 공급받는 전기차의 모터 등일 수도 있다. 배터리 팩(10)에 충방전 장치가 연결되어 배터리(11)가 충전되는 동안, 측정부(12)는 배터리(11)의 정전류 충전 용량 및 정전압 충전 용량을 측정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차(900)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(910)은 전기 자동차(Electric vehicle, EV)나 하이브리드 자동차(Hybrid vehicle, HV)와 같은 자동차(900)에 포함될 수도 있다. 그리고, 배터리 팩(910)은 자동차(900)에 구비된 인버터를 통해 모터에 전력을 공급함으로써, 자동차(900)를 구동시킬 수 있다.
그리고, 전기 자동차(900)에는 배터리 진단 장치(100)(100)가 포함될 수 있다. 예컨대, 배터리 진단 장치(100)(100)는 배터리 팩(910)에 구비되어, 배터리 팩(910) 및/또는 배터리 팩(910)에 포함된 각각의 배터리 셀의 상태를 진단할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ESS(Energy storage system)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, ESS 복수의 랙 케이스(1010) 및 복수의 배터리 모듈(1020)을 포함한다. 복수의 배터리 모듈(1020)은 상하 방향으로 배열된 형태로 랙 케이스(1010)에 수용되도록 구성될 수 있다.
복수의 배터리 모듈(1020) 각각에는 배터리 진단 장치(100)(100)가 구비될 수 있다. 배터리 진단 장치(100)(100)는 대응되는 배터리 모듈(1020) 및/또는 배터리 모듈(1020)에 포함된 배터리 셀의 상태를 진단할 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 진단 방법의 각 단계는 배터리 진단 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 11을 참조하면, 배터리 진단 방법은 용량 프로파일 획득 단계(S100), 용량 변화율 산출 단계(S200), 비교 단계(S300) 및 상태 진단 단계(S400)를 포함할 수 있다.
용량 프로파일 획득 단계(S100)는 배터리의 충전 과정에서 측정되는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량에 대한 용량 프로파일을 획득하는 단계로서, 프로파일 획득부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 외부 또는 저장부(130)로부터 용량 프로파일을 획득할 수 있다.
용량 변화율 산출 단계(S200)는 용량 프로파일에서 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량 간의 용량 변화율을 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 정전류 충전 용량에 대한 정전압 충전 용량의 비율을 계산함으로써, 용량 변화율을 산출할 수 있다.
비교 단계(S300)는 산출된 용량 변화율과 미리 설정된 기준값을 비교하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 산출한 용량 변화율과 미리 설정된 기준값의 대소를 비교 판단할 수 있다.
상태 진단 단계(S400)는 비교 결과에 기반하여 배터리의 상태를 진단하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 용량 변화율이 기준값 미만이면, 제어부(120)는 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태로 진단할 수 있다. 다른 예로, 용량 변화율이 기준값과 동일하면, 제어부(120)는 배터리의 상태를 정상 상태로 진단할 수 있다. 또 다른 예로, 용량 변화율이 기준값을 초과하면, 제어부(120)는 배터리의 상태를 양극 용량 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
한편, 제어부(120)는 용량 프로파일을 복수의 용량 구간으로 구분하고, 각각의 용량 구간에서의 배터리의 상태를 구체적으로 진단할 수 있다. 나아가, 제어부(120)는 배터리의 상태 변화가 일정 패턴을 보이는 경우(양극 용량 퇴화 상태, 가용 리튬 손실 상태 및 양극 용량 퇴화 상태가 순차적으로 진단되는 경우), 배터리의 상태를 불용 상태로 진단할 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.
(부호의 설명)
10: 배터리 팩
11: 배터리
12: 측정부
100: 배터리 진단 장치
110: 프로파일 획득부
120: 제어부
130: 저장부
900: 전기 자동차
910: 배터리 팩
1000: ESS
1010: 배터리 랙
1020: 배터리 모듈
Claims (11)
- 배터리의 충전 과정에서 측정되는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량에 대한 용량 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및상기 용량 프로파일에서 상기 정전류 충전 용량과 상기 정전압 충전 용량 간의 용량 변화율을 산출하고, 산출된 용량 변화율과 미리 설정된 기준값을 비교하며, 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제1항에 있어서,상기 제어부는,상기 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태, 정상 상태 또는 양극 용량 퇴화 상태로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제2항에 있어서,상기 제어부는,상기 용량 변화율이 상기 기준값 미만이면, 상기 배터리의 상태를 가용 리튬 손실 상태로 진단하고,상기 용량 변화율이 상기 기준값과 동일하면, 상기 배터리의 상태를 정상 상태로 진단하며,상기 용량 변화율이 상기 기준값을 초과하면, 상기 배터리의 상태를 양극 용량 퇴화 상태로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제2항에 있어서,상기 제어부는,상기 용량 프로파일을 상기 용량 변화율과 상기 기준값 간의 대소 관계에 따라 하나 이상의 용량 구간으로 구분하고, 구분된 용량 구간에 대하여 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제4항에 있어서,상기 제어부는,상기 용량 프로파일에 포함된 복수의 정전류 충전 용량 각각에 대하여 상기 용량 변화율을 산출하고, 상기 복수의 정전류 충전 용량 중에서 대응되는 용량 변화율이 상기 기준값과 동일한 타겟 용량을 결정하며, 결정된 타겟 용량을 기준으로 상기 용량 구간을 구분하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제4항에 있어서,상기 제어부는,상기 배터리의 상태가 상기 양극 용량 퇴화 상태, 상기 가용 리튬 손실 상태 및 상기 양극 용량 퇴화 상태로 순차적으로 진단된 경우, 상기 배터리의 상태를 불용 상태로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제2항에 있어서,상기 제어부는,상기 배터리의 상태에 대응되도록 상기 배터리에 대해 미리 설정된 사용 조건을 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제7항에 있어서,상기 제어부는,상기 배터리의 상태가 상기 가용 리튬 손실 상태로 진단된 경우, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 충전 C-rate의 상한 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 변경시키고,상기 배터리의 상태가 상기 양극 용량 퇴화 상태로 진단된 경우, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 상한 전압 및 최대 허용 온도 중 적어도 하나를 변경시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제1항에 있어서,상기 용량 프로파일은,상기 배터리에 대한 충전 사이클마다 측정되는 정전류 충전 용량과 상기 정전압 충전 용량 간의 대응 관계를 누적하여 저장하도록 구성된 프로파일인 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
- 배터리의 충전 과정에서 측정되는 정전류 충전 용량과 정전압 충전 용량에 대한 용량 프로파일을 획득하는 용량 프로파일 획득 단계;상기 용량 프로파일에서 상기 정전류 충전 용량과 상기 정전압 충전 용량 간의 용량 변화율을 산출하는 용량 변화율 산출 단계;산출된 용량 변화율과 미리 설정된 기준값을 비교하는 비교 단계; 및비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 진단하는 상태 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
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