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WO2021125674A1 - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 진단 장치 및 방법 Download PDF

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WO2021125674A1
WO2021125674A1 PCT/KR2020/017927 KR2020017927W WO2021125674A1 WO 2021125674 A1 WO2021125674 A1 WO 2021125674A1 KR 2020017927 W KR2020017927 W KR 2020017927W WO 2021125674 A1 WO2021125674 A1 WO 2021125674A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
battery cell
battery
approximate expression
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2020/017927
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김영진
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Energy Solution Ltd
Original Assignee
LG Energy Solution Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Energy Solution Ltd filed Critical LG Energy Solution Ltd
Priority to JP2022517449A priority Critical patent/JP7436114B2/ja
Priority to EP20901122.0A priority patent/EP4016099B1/en
Priority to ES20901122T priority patent/ES3025092T3/es
Priority to US17/763,245 priority patent/US12259438B2/en
Publication of WO2021125674A1 publication Critical patent/WO2021125674A1/ko
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
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    • G01R19/16538—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • G01R19/16542—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies for batteries
    • G—PHYSICS
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    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/18—Status alarms
    • G—PHYSICS
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    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/18—Status alarms
    • G08B21/185—Electrical failure alarms
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery diagnosis apparatus and method for detecting an abnormal voltage drop phenomenon during charging of a battery cell.
  • the secondary battery is a battery capable of charging and discharging, and includes all of the conventional Ni/Cd batteries, Ni/MH batteries, and the latest lithium ion batteries.
  • lithium ion batteries have an advantage in that their energy density is much higher than that of conventional Ni/Cd batteries and Ni/MH batteries.
  • lithium ion batteries can be manufactured in a small size and light weight, so they are used as power sources for mobile devices.
  • the lithium ion battery is receiving attention as a next-generation energy storage medium as the range of use has been expanded as a power source for electric vehicles.
  • the secondary battery is generally used as a battery pack including a battery module in which a plurality of battery cells are connected in series and/or in parallel.
  • the state and operation of the battery pack are managed and controlled by the battery management system.
  • an abnormal voltage drop which is suspected as an internal short, may be observed during a charging cycle.
  • a method of detecting whether the voltage has decreased by measuring the voltage of the battery is used.
  • this method when the voltage drop due to the internal short circuit of the battery occurs over the entire section, the voltage drop phenomenon can be detected, but when the voltage drop occurs instantaneously, there is a problem in that it is impossible to detect.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method for diagnosing a battery that can accurately and easily detect an abnormal voltage drop due to an internal short circuit when charging a battery using an approximate equation for the voltage of the battery.
  • a battery diagnosis apparatus includes a voltage measuring unit for measuring the voltage of a battery cell, an approximate expression calculating unit for calculating an approximate expression for the voltage of the battery cell, and an approximate expression for the voltage of the battery cell. It may include a diagnostic unit for diagnosing whether the battery cell is abnormal based on the battery cell.
  • a battery diagnosis method includes the steps of measuring the voltage of a battery cell, calculating an approximate expression for the voltage of the battery cell, and the battery cell based on the approximate expression for the voltage of the battery cell. It may include the step of diagnosing whether there is an abnormality.
  • an abnormal voltage drop phenomenon due to an internal short circuit during battery charging can be accurately and easily detected by using an approximate equation for the voltage of the battery.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a battery control system.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an apparatus for diagnosing a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a voltage change when a voltage drop due to an internal short circuit of a battery cell occurs over the entire section
  • FIG. 3B is a diagram illustrating a voltage change when a voltage drop due to an internal short circuit of the battery cell temporarily occurs.
  • FIG. 4A shows an end of charge (EOC) when a voltage drop due to an internal short circuit of a battery cell occurs over the entire section
  • FIG. 4B shows an EOC when a voltage drop temporarily occurs due to an internal short circuit of the battery cell. It is a drawing.
  • 5 is a graph illustrating a difference value between an actual rest voltage of a battery and a voltage according to an approximate equation.
  • FIG. 6A shows a result of detecting that a voltage drop due to an internal short circuit of a battery cell occurs over the entire section by the battery diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6B shows a voltage drop due to an internal short circuit of the battery cell Shows the results of detecting the transient occurrence of
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method for diagnosing a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a hardware configuration of an apparatus for diagnosing a battery according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, first, or second used in various embodiments may modify various components regardless of order and/or importance, do not limit
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be renamed to the first component.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a battery control system.
  • FIG. 1 it schematically shows a battery control system including a battery pack 1 and an upper-level controller 2 included in the upper-level system according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 1 is made of one or more battery cells, and is connected in series to the chargeable/dischargeable battery module 10 and the + terminal side or the - terminal side of the battery module 10 .
  • the switching unit 14 for controlling the charging/discharging current flow of the battery module 10, and monitoring the voltage, current, temperature, etc. of the battery pack 1 to control and manage to prevent overcharging and overdischarging, etc. system 20 .
  • the switching unit 14 is a semiconductor switching device for controlling the current flow for charging or discharging of the battery module 10 , for example, at least one MOSFET may be used.
  • the BMS 20 can measure or calculate the voltage and current of the gate, source, and drain of the semiconductor switching element in order to monitor the voltage, current, temperature, etc. of the battery pack 1, and also Current, voltage, temperature, etc. of the battery pack may be measured using the sensor 12 provided adjacent to the device 14 .
  • the BMS 20 is an interface for receiving measured values of the various parameters described above, and may include a plurality of terminals and a circuit connected to these terminals to process the received values.
  • the BMS 20 may control ON/OFF of the switching element 14 , for example, a MOSFET, and may be connected to the battery module 10 to monitor the state of the battery module 10 .
  • the switching element 14 for example, a MOSFET
  • the host controller 2 may transmit a control signal for the battery module to the BMS 20 . Accordingly, the operation of the BMS 20 may be controlled based on a signal applied from the upper controller.
  • the battery cell of the present invention may be included in a battery pack used in an ESS (Energy Storage System) or a vehicle. However, it is not limited to these uses.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an apparatus for diagnosing a battery according to an embodiment of the present invention.
  • the battery diagnosis apparatus 200 includes a voltage measuring unit 210 , an approximate calculation unit 220 , a diagnosis unit 230 , a memory unit 240 , and an alarm unit. 250 may be included.
  • the voltage measuring unit 210 may measure the voltage of the battery cell. In this case, the voltage measuring unit 210 may measure the voltage of the battery cell at regular time intervals.
  • the approximate expression calculator 220 may calculate a fitting expression for the voltage of the battery cell.
  • the approximate expression calculated by the approximate expression calculator 220 may be a model voltage representing a voltage reformation of the battery cell.
  • the approximate expression may be an expression related to an exponential.
  • the approximate expression calculator 220 may calculate the approximate expression by least squares estimation. However, this is only an example, and the present invention is not limited thereto, and the approximate expression calculator 220 may calculate the approximate expression in various ways.
  • the approximation equation calculator 220 may calculate an approximation equation for a voltage in a rest period in which a voltage drop phenomenon due to an internal short circuit of the battery occurs after charging of the battery cell is completed.
  • the diagnosis unit 230 may diagnose whether the battery cell is abnormal based on the approximate expression for the voltage of the battery cell calculated by the approximate expression calculation unit 220 . Specifically, when the difference between the voltage of the battery cell measured by the voltage measuring unit 210 and the voltage according to the approximate equation calculated by the approximate expression calculating unit 220 is equal to or greater than a preset reference value, the diagnosis unit 230 may detect a battery abnormality. can be diagnosed with In this case, the reference value may be set based on a predetermined measurement error value of the voltage measuring unit 210 .
  • the memory unit 240 may store an approximate expression for the voltage of the battery cell measured by the voltage measuring unit 210 and the voltage of the battery cell calculated by the approximate expression calculating unit 220 .
  • the memory unit 240 may be included in the battery diagnosis apparatus 200 , or may be included in an external server (not shown) to transmit/receive data to and from the battery diagnosis apparatus 200 through a separate communication module. .
  • the alarm unit 250 may generate a warning alarm when it is determined that an abnormality has occurred in the battery cell by the diagnosis unit 230 .
  • the warning alarm may be provided in the form of a message on the display unit (not shown), or may be provided as a light or sound signal.
  • the battery diagnosis apparatus According to the battery diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention, it is possible to accurately and easily detect an abnormal voltage drop phenomenon due to an internal short circuit during battery charging using an approximate equation for the voltage of a battery cell.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a voltage change when a voltage drop due to an internal short circuit of a battery cell occurs over the entire section
  • FIG. 3B is a diagram illustrating a voltage change when a voltage drop due to an internal short circuit of the battery cell temporarily occurs.
  • the horizontal axis represents time (seconds)
  • the vertical axis represents the voltage (V) of the battery.
  • the voltage drop due to the internal short circuit of the battery cell in the idle period after charging the battery is temporary in the period of about 1500 seconds and the period of 2300 seconds, etc. can be seen to occur.
  • FIG. 4A shows an end of charge (EOC) when a voltage drop due to an internal short circuit of a battery cell occurs over the entire section
  • FIG. 4B shows an EOC when a voltage drop temporarily occurs due to an internal short circuit of the battery cell. It is a drawing.
  • the upper graph of FIG. 4A shows the voltage change in EOC (vertical axis) with respect to the number of charging cycles (horizontal axis) of the battery, and the lower graph of FIG. 4A shows EOC change with respect to the number of charging cycles of the battery (horizontal axis) (vertical axis) is shown.
  • the upper graph of Figure 4b shows the voltage change in EOC (End of Charge) (vertical axis) with respect to the number of charge cycles (horizontal axis) of the battery
  • the lower graph of Figure 4b shows the number of charge cycles of the battery (horizontal axis) EOC change (vertical axis) is shown.
  • FIG. 5 is a graph showing an actual rest voltage for about 10 minutes after charging of a battery, a voltage according to an approximate equation, and a difference value between them.
  • the horizontal axis of FIG. 5 indicates time (seconds)
  • the vertical axis (left) indicates the voltage (V) of the battery
  • the vertical axis (right) indicates the difference between the actual measured voltage of the battery and the voltage according to the approximate equation V error (mV) is shown.
  • the approximate expression of the battery voltage of FIG. 5 is derived through the least squares method.
  • the approximate expression of the battery voltage can be expressed as follows.
  • an approximate expression of the battery voltage may be completed by calculating the constants of a, b, and c in the above equation, respectively.
  • the above equation is only shown as an example, the present invention is not limited thereto, and various equations that can approximate the voltage of the battery may be used.
  • the difference value between the actually measured resting voltage (raw) of the battery and the voltage (Exp.fitting) according to the approximate equation is displayed in the center of the graph. is shown as
  • a voltage drop due to an internal short circuit in the idle period of the battery can be detected.
  • FIG. 6A shows a result of detecting that a voltage drop due to an internal short circuit of a battery cell occurs over the entire section by the battery diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6B shows a voltage drop due to an internal short circuit of the battery cell Shows the results of detecting the transient occurrence of
  • the horizontal axis of FIGS. 6A and 6B indicates the number of charging cycles of the battery, and the vertical axis indicates the maximum value (V) of the difference between the actual measured voltage of the battery and the voltage according to the approximate equation.
  • the difference value between the actual measured voltage of the battery and the voltage according to the approximate equation is compared with a preset reference value, and the difference value When it is equal to or greater than this reference value (part 135 of FIG. 6A ), it may be determined that a voltage drop due to an internal short circuit of the battery has occurred.
  • the difference value between the actual measured voltage of the battery and the voltage according to the approximate equation is compared with a preset reference value, and the difference value When it is equal to or greater than this reference value (parts 74 and 105 of FIG. 6B ), it may be determined that a voltage drop due to an internal short circuit of the battery has occurred.
  • the reference value of FIGS. 6A and 6B may be determined based on the measurement range of the voltage sensor itself.
  • the voltage drop due to the internal short circuit of the battery cell is diagnosed by comparing the difference value between the actual measured voltage of the battery and the voltage according to the approximate equation with a reference value to diagnose the voltage drop. It is possible to diagnose whether there is an abnormality not only in the case where the voltage drop occurs temporarily over the entire section but also in the case where the voltage drop occurs temporarily.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method for diagnosing a battery according to an embodiment of the present invention.
  • the voltage of the battery cell is measured ( S710 ).
  • the voltage of the battery cell may be measured at a predetermined time interval.
  • an approximate expression for the voltage of the battery cell is calculated ( S720 ).
  • an approximate expression may be calculated through the least squares method.
  • an approximate expression for the voltage in the idle period may be calculated.
  • step S710 it is determined whether a difference between the voltage of the battery cell measured in step S710 and the approximate expression of the voltage of the battery cell calculated in step S720 is equal to or greater than a preset reference value ( S730 ). If the difference between the measured voltage of the battery cell and the approximate expression for the calculated voltage of the battery cell is less than a preset reference value (NO), the process returns to step S710.
  • the battery diagnosis method it is possible to accurately and easily detect an abnormal voltage drop phenomenon due to an internal short circuit during battery charging using an approximate equation for the voltage of the battery cell.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a hardware configuration of an apparatus for diagnosing a battery according to an embodiment of the present invention.
  • the battery diagnosis apparatus 800 includes a microcontroller (MCU) 810 for controlling various processes and each configuration, an operating system program and various programs (eg, a battery diagnosis program, a voltage approximation calculation program, etc.) ), etc. are recorded, an input/output interface 830 that provides an input interface and an output interface between the battery cell module and/or the semiconductor switching element, and a communication interface capable of communicating with the outside through a wired/wireless communication network ( 840) may be provided.
  • the computer program according to the present invention is recorded in the memory 820 and processed by the microcontroller 810 to be implemented as a module that performs, for example, each of the functional blocks shown in FIG. 2 .

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부, 상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식을 산출하는 근사식 산출부 및 상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식에 기초하여 상기 배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 진단 장치 및 방법
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2019년 12월 20일 자 한국 특허 출원 제10-2019-0172450호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 배터리 셀의 충전시 이상 전압 강하 현상을 검출하기 위한 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
또한, 이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩으로 이용된다. 그리고 배터리 팩은 배터리 관리 시스템에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다.
이러한 이차 전지의 경우, 충전 주기 중에 내부 단락(internal short)으로 의심되는 이상 전압 강하 현상이 관찰되기도 한다. 이러한 이상 전압 강하를 진단하기 위해 배터리의 전압을 측정하여 전압 감소 여부를 검출하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법에 따르면 배터리의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생하는 경우에는 전압 강하 현상을 검출할 수 있으나, 전압 강하가 순간적으로 발생하는 경우에는 검출이 불가능한 문제가 있다.
본 발명은 배터리의 전압에 관한 근사식을 이용하여 배터리 충전시 내부 단락으로 인한 이상 전압 강하 현상을 정확하고 용이하게 검출할 수 있는 배터리 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부, 상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식을 산출하는 근사식 산출부 및 상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식에 기초하여 상기 배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법은 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계, 상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식을 산출하는 단계 및 상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식에 기초하여 배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 진단 장치 및 방법에 따르면, 배터리의 전압에 관한 근사식을 이용하여 배터리 충전시 내부 단락으로 인한 이상 전압 강하 현상을 정확하고 용이하게 검출할 수 있다.
도 1은 배터리 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3a는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생할 때의 전압 변화를 나타내고, 도 3b는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 일시적으로 발생할 때의 전압 변화를 나타내는 도면이다.
도 4a는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생할 때의 EOC(End of Charge)를 나타내고, 도 4b는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 일시적으로 발생할 때의 EOC를 나타내는 도면이다.
도 5는 배터리의 실제 휴지(rest) 전압과 근사식에 따른 전압의 차이값을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치로 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생하는 것을 검출한 결과를 나타내고, 도 6b는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 일시적으로 발생하는 것을 검출한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 배터리 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고, 충방전 가능한 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 +단자 측 또는 -단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)을 포함한다.
여기서, 스위칭부(14)는 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 반도체 스위칭 소자로서, 예를 들면, 적어도 하나의 MOSFET이 이용될 수 있다.
또한, BMS(20)는, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하기 위해서, 반도체 스위칭 소자의 게이트, 소스 및 드레인 등의 전압 및 전류를 측정하거나 계산할 수 있고, 또한, 반도체 스위칭 소자(14)에 인접해서 마련된 센서(12)를 이용하여 배터리 팩의 전류, 전압, 온도 등을 측정할 수 있다. BMS(20)는 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다.
또한, BMS(20)는, 스위칭 소자(14) 예를 들어 MOSFET의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(10)에 연결되어 배터리 모듈(10)의 상태를 감시할 수 있다.
상위 제어기(2)는 BMS(20)로 배터리 모듈에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, BMS(20)는 상위 제어기로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다. 본 발명의 배터리 셀이 ESS(Energy Storage System) 또는 차량 등에 이용되는 배터리 팩에 포함된 구성일 수 있다. 다만, 이러한 용도에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 배터리 팩(1)의 구성 및 BMS(20)의 구성은 공지된 구성이므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(200)는 전압 측정부(210), 근사식 산출부(220), 진단부(230), 메모리부(240) 및 알람부(250)를 포함할 수 있다.
전압 측정부(210)는 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있다. 이 때, 전압 측정부(210)는 배터리 셀의 전압을 일정 시간 간격으로 측정할 수 있다.
근사식 산출부(220)는 배터리 셀의 전압에 관한 근사(fitting)식을 산출할 수 있다. 이 때, 근사식 산출부(220)에 의해 산출되는 근사식은 배터리 셀의 전압 개형을 나타내는 모델 전압일 수 있다. 예를 들면, 상기 근사식은 지수(exponential)에 관한 식일 수 있다. 또한, 근사식 산출부(220)는 최소 제곱법(least square estimation)에 의해 근사식을 산출할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 근사식 산출부(220)는 다양한 방식으로 근사식을 산출할 수 있다.
근사식 산출부(220)는 배터리 셀의 충전이 완료된 후 배터리의 내부 단락으로 인한 전압 강하 현상이 나타나는 휴지(rest) 구간에서의 전압에 관한 근사식을 산출할 수 있다.
진단부(230)는 근사식 산출부(220)에 의해 산출된 배터리 셀의 전압에 관한 근사식에 기초하여 배터리 셀의 이상 여부를 진단할 수 있다. 구체적으로, 진단부(230)는 전압 측정부(210)에 의해 측정된 배터리 셀의 전압과 근사식 산출부(220)에 의해 산출된 근사식에 따른 전압의 차이가 미리 설정된 기준치 이상인 경우 배터리 이상으로 진단할 수 있다. 이 때, 기준치는 전압 측정부(210)의 사전 결정된 측정 오차값에 기초하여 설정될 수 있다.
메모리부(240)는 전압 측정부(210)에 의해 측정된 배터리 셀의 전압과 근사식 산출부(220)에 의해 산출된 배터리 셀의 전압에 관한 근사식을 저장할 수 있다. 이 때, 메모리부(240)는 배터리 진단 장치(200) 내부에 포함될 수 있고, 또한 외부 서버(미도시)에 포함되어 별도의 통신 모듈을 통해 배터리 진단 장치(200)와 데이터를 송수신할 수 있다.
알람부(250)는 진단부(230)에 의해 배터리 셀에 이상이 발생한 것으로 판단되면 경고 알람을 발생시킬 수 있다. 이 때, 경고 알람은 디스플레이부(미도시) 상에 메시지 형태로 제공되거나, 또는 빛이나 소리 신호로 제공될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에 의하면, 배터리 셀의 전압에 관한 근사식을 이용하여 배터리 충전시 내부 단락으로 인한 이상 전압 강하 현상을 정확하고 용이하게 검출할 수 있다.
도 3a는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생할 때의 전압 변화를 나타내고, 도 3b는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 일시적으로 발생할 때의 전압 변화를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 3a 및 3b의 가로축은 시간(초)을 나타내고, 세로축은 배터리의 전압(V)을 나타낸다.
도 3a를 참조하면, 충전 사이클이 113, 135, 140, 149 및 150회차인 경우에 대하여 배터리의 충전 후 휴지 구간에서의 배터리 셀 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐서 점진적으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 3b를 참조하면, 충전 사이클이 73, 74, 82 및 105회차인 경우에 대하여 배터리의 충전 후 휴지 구간에서의 배터리 셀 내부 단락으로 인한 전압 강하가 약 1500초 구간과 2300초 구간 등에서 일시적으로 발생하는 것을 확인할 수 있다.
도 4a는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생할 때의 EOC(End of Charge)를 나타내고, 도 4b는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 일시적으로 발생할 때의 EOC를 나타내는 도면이다.
도 4a의 상단 그래프는 배터리의 충전 사이클 수(가로축)에 대한 EOC(End of Charge)(세로축)에서의 전압 변화를 나타내고, 도 4a의 하단 그래프는 배터리의 충전 사이클 수(가로축)에 대한 EOC 변화(세로축)를 나타낸다.
도 4a에 나타낸 바와 같이, 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생하는 경우에는 EOC에서도 급격한 전압 강하가 나타남을 확인할 수 있다. 즉, 도 4a의 하단 그래프를 참조하면, 충전 사이클 수가 113, 135, 140 및 149인 구간(도 4a의 음영 부분)에서 전압 강하 현상이 나타남을 알 수 있다.
한편, 도 4b의 상단 그래프는 배터리의 충전 사이클 수(가로축)에 대한 EOC(End of Charge)(세로축)에서의 전압 변화를 나타내고, 도 4b의 하단 그래프는 배터리의 충전 사이클 수(가로축)에 대한 EOC 변화(세로축)를 나타낸다.
도 4b에 나타낸 바와 같이, 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 일시적으로 발생하여 순간적으로 전압 하강 후 다시 회복되는 경우에는 EOC만으로는 내부 단락으로 인한 전압 강하를 검출하는 것이 불가능하다.
도 5는 배터리의 충전 후 약 10분 동안의 실제 휴지(rest) 전압, 근사식에 따른 전압 및 이들의 차이값을 나타내는 그래프이다. 이 때, 도 5의 가로축은 시간(초)을 나타내고, 세로축(좌)은 배터리의 전압(V)을 나타내고, 세로축(우)은 배터리의 실제 측정 전압과 근사식에 따른 전압의 차이값 Verror(mV)을 나타낸다.
도 5의 배터리 전압의 근사식은 최소 제곱법을 통해 도출한 것이다. 이 때, 배터리 전압의 근사식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020017927-appb-I000001
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에서는 상기 식의 a, b, c의 상수를 각각 계산함으로써 배터리 전압의 근사식을 완성할 수 있다. 그러나, 상기 식은 예시로 나타낸 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 배터리의 전압을 근사할 수 있는 다양한 식이 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 실제 측정된 배터리의 휴지 전압(raw)과 근사식에 따른 전압(Exp.fitting)의 차이값이 그래프 중앙에
Figure PCTKR2020017927-appb-I000002
로 나타나 있다. 배터리의 실제 측정 전압과 근사식에 따른 전압의 차이값을 산출하고 이를 기준치와 비교함으로써 배터리의 휴지 구간에서의 내부 단락으로 인한 전압 강하를 검출할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치로 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생하는 것을 검출한 결과를 나타내고, 도 6b는 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 일시적으로 발생하는 것을 검출한 결과를 나타낸 것이다.
이 때, 도 6a 및 6b의 가로축은 배터리의 충전 사이클 수를 나타내고, 세로축은 배터리의 실제 측정 전압과 근사식에 따른 전압의 차이값의 최대치(V)를 나타낸다.
도 6a를 참조하면, 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생하는 경우에 대하여 배터리의 실제 측정 전압과 근사식에 따른 전압의 차이값을 미리 설정된 기준치와 비교하고, 그 차이값이 기준치 이상인 경우(도 6a의 135 부분)에 배터리의 내부 단락에 따른 전압 강하가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
마찬가지로, 도 6b를 참조하면, 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 일시적으로 발생하는 경우에 대해서도 배터리의 실제 측정 전압과 근사식에 따른 전압의 차이값을 미리 설정된 기준치와 비교하고, 그 차이값이 기준치 이상인 경우(도 6b의 74, 105 부분)에 배터리의 내부 단락에 따른 전압 강하가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이 때, 도 6a 및 6b의 기준치는 전압 센서 자체의 측정 범위에 기초하여 결정될 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에 의하면, 배터리의 실제 측정 전압과 근사식에 따른 전압의 차이값을 기준치와 비교하여 전압 강하를 진단함으로써, 배터리 셀의 내부 단락으로 인한 전압 강하가 전체 구간에 걸쳐 발생하는 경우뿐 아니라 전압 강하가 일시적으로 발생하는 경우에 대해서도 이상 여부를 진단할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 배터리 셀의 전압을 측정한다(S710). 이 때, 배터리 셀의 전압은 일정 시간 간격으로 측정할 수 있다.
그리고, 배터리 셀의 전압에 관한 근사식을 산출한다(S720). 이 경우, 최소 제곱법을 통해 근사식을 산출할 수 있다. 또한, 단계 S720에서는 배터리 셀의 충전이 완료된 후 휴지 구간에서의 전압에 관한 근사식을 산출할 수 있다
다음으로, 단계 S710에서 측정된 배터리 셀의 전압과 단계 S720에서 산출된 배터리 셀의 전압에 관한 근사식의 차이가 미리 설정된 기준치 이상인지 여부를 판단한다(S730). 만약, 측정된 배터리 셀의 전압과 산출된 배터리 셀의 전압에 관한 근사식의 차이가 미리 설정된 기준치 미만이라면(NO), 단계 S710으로 돌아간다.
반면, 측정된 배터리 셀의 전압과 산출된 배터리 셀의 전압에 관한 근사식의 차이가 미리 설정된 기준치 이상인 경우(YES), 배터리 셀의 이상(예를 들면, 배터리 내부 단락으로 인한 전압 강하)이 발생한 것으로 판단한다(S740).
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법에 의하면, 배터리 셀의 전압에 관한 근사식을 이용하여 배터리 충전시 내부 단락으로 인한 이상 전압 강하 현상을 정확하고 용이하게 검출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 배터리 진단 장치(800)는, 각종 처리 및 각 구성을 제어하는 마이크로컨트롤러(MCU; 810)와, 운영체제 프로그램 및 각종 프로그램(예로서, 배터리 진단 프로그램, 전압 근사식 산출 프로그램 등) 등이 기록되는 메모리(820)와, 배터리 셀 모듈 및/또는 반도체 스위칭 소자와의 사이에서 입력 인터페이스 및 출력 인터페이스를 제공하는 입출력 인터페이스(830)와, 유무선 통신망을 통해 외부와 통신 가능한 통신 인터페이스(840)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(820)에 기록되고, 마이크로 컨트롤러(810)에 의해 처리됨으로써 예를 들면 도 2에서 도시한 각 기능 블록들을 수행하는 모듈로서 구현될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사(fitting)식을 산출하는 근사식 산출부; 및
    상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식에 기초하여 상기 배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 진단부를 포함하는 배터리 진단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단부는 상기 전압 측정부에 의해 측정된 배터리 셀의 전압과 상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식의 차이가 미리 설정된 기준치 이상인 경우 배터리 이상으로 진단하는 배터리 진단 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기준치는 상기 전압 측정부의 사전 결정된 측정 오차값에 기초하여 설정되는 배터리 진단 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 근사식 산출부는 최소 제곱법(least square estimation)에 의해 상기 근사식을 산출하는 배터리 진단 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 근사식은 상기 배터리 셀의 전압 개형을 나타내는 모델 전압인 배터리 진단 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 근사식은 지수(exponential)에 관한 근사식인 배터리 진단 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 근사식 산출부는 상기 배터리 셀의 충전이 완료된 후 휴지(rest) 구간에서의 전압에 관한 근사식을 산출하는 배터리 진단 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압 측정부에 의해 측정된 배터리 셀의 전압과 상기 근사식 산출부에 의해 산출된 배터리 셀의 전압에 관한 근사식을 저장하는 메모리부를 더 포함하는 배터리 진단 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단부에 의해 상기 배터리 셀에 이상이 발생한 것으로 판단되면 경고 알람을 발생시키는 알람부를 더 포함하는 배터리 진단 장치.
  10. 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계;
    상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식을 산출하는 단계; 및
    상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식에 기초하여 배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 단계를 포함하는 배터리 진단 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 단계는 측정된 배터리 셀의 전압과 상기 배터리 셀의 전압에 관한 근사식의 차이가 미리 설정된 기준치 이상인 경우 배터리 이상으로 진단하는 배터리 진단 방법.
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