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WO2023080465A1 - 저항 퇴화도에 기초한 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템 - Google Patents

저항 퇴화도에 기초한 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템 Download PDF

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WO2023080465A1
WO2023080465A1 PCT/KR2022/015393 KR2022015393W WO2023080465A1 WO 2023080465 A1 WO2023080465 A1 WO 2023080465A1 KR 2022015393 W KR2022015393 W KR 2022015393W WO 2023080465 A1 WO2023080465 A1 WO 2023080465A1
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WO
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battery
bank
bms
banks
target
Prior art date
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PCT/KR2022/015393
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English (en)
French (fr)
Inventor
홍성주
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.)
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Publication date
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Priority to EP22890200.3A priority patent/EP4318008B1/en
Priority to CN202280032649.4A priority patent/CN117242358A/zh
Priority to US18/289,736 priority patent/US20240264238A1/en
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Definitions

  • the present invention relates to a method for diagnosing a battery based on resistance degradation and a battery system to which the same is applied.
  • the battery pack may include a plurality of battery banks connected in series, and each battery bank may include a plurality of battery cells connected in parallel.
  • a battery pack may not stably supply power to an external device.
  • An object of the present invention is to provide a method for diagnosing a battery capable of detecting an abnormality in a battery pack with respect to a battery pack including a plurality of battery banks and a battery system to which the same is applied.
  • a battery diagnosis method is a method for diagnosing a battery pack including a plurality of battery banks, wherein a battery management system (BMS) determines whether there is a target battery bank among a plurality of battery banks that satisfies a discharge condition.
  • BMS battery management system
  • the reference voltage change amount of the target battery bank is an initial voltage change amount stored in the BMS for the target battery bank, and the initial voltage change amount is a voltage change amount before and after discharge in an initial discharge of each of the plurality of battery banks.
  • the diagnosing of the plurality of battery banks may include deriving, by the BMS, a total representative value of resistance degradation based on a plurality of resistance degradation degrees for each of the plurality of battery banks; Calculating a polyparallel ideality coefficient based on the number of parallel connection of battery banks, calculating, by the BMS, an upper limit threshold value of a normal range based on all representative values of the resistance degradation and the multiparallel ideality coefficient; and deriving, by the BMS, a normal range based on the upper limit threshold, and diagnosing a state of each of the plurality of battery banks according to the normal range.
  • the calculating of the upper limit threshold may include, by the BMS, setting a plurality of first battery banks having a resistance degradation degree less than or equal to the total representative value of the resistance degradation degree among the plurality of battery banks as a target group, the BMS A, deriving a target representative value for resistance degradation of the plurality of first battery banks belonging to the target group, and determining the upper limit threshold value of the steady state based on the target representative value and the multi-parallel ideality coefficient It includes the step of calculating
  • the step of diagnosing the state of each of the plurality of battery banks may include determining, by the BMS, a battery bank having a resistance degradation degree less than or equal to an upper limit threshold value of the resistance degradation degree among the plurality of battery banks as being in a normal state, and the BMS A step of determining, among the plurality of battery banks, a battery bank having a resistance degradation greater than an upper limit threshold of the resistance degradation as an abnormal state.
  • a battery system includes a plurality of battery banks in which a plurality of battery cells are connected in parallel, and a positive electrode and a negative electrode of each of the plurality of battery banks are connected in parallel to discharge each battery bank a discharge circuit, and determining whether there is a target battery bank among the plurality of battery banks that satisfies a discharge condition, discharging the detected target battery bank by the discharge circuit, and discharging the target battery bank before discharging the target battery bank; stores a first bank voltage for and a second bank voltage for the target battery bank after discharging the target battery bank, and derives a current voltage change based on the first bank voltage and the second bank voltage; A resistance degradation degree of the target battery bank is estimated based on a reference voltage change amount and the current voltage change amount of the target battery bank, and the plurality of battery banks are configured based on the resistance degradation degree of each of the plurality of battery banks. and a battery management system (BMS) for diagnosing, and the discharging condition includes at least one
  • the reference voltage change amount of the target battery bank is an initial voltage change amount stored in the BMS for the target battery bank, and the initial voltage change amount is a voltage change amount before and after discharge in an initial discharge of each of the plurality of battery banks.
  • the BMS calculates an upper limit threshold value of a normal range based on a plurality of resistance degradation degrees for each of the plurality of battery banks, derives a normal range based on the upper limit threshold value, and determines the plurality of values according to the normal range.
  • the state of each battery bank is diagnosed.
  • the BMS derives an overall representative value of resistance degradation based on a plurality of resistance degradation degrees for each of the plurality of battery banks, and determines a value based on the number of parallel connections of the plurality of battery banks.
  • a parallel ideality factor is calculated, based on all representative values of the resistance degradation and the multi-parallel ideality factor.
  • the BMS determines that a battery bank having a resistance degradation degree less than or equal to an upper limit threshold value of the resistance degradation degree among the plurality of battery banks is in a normal state, and the plurality of battery banks A battery bank having a resistance degradation degree greater than an upper limit threshold value of the resistance degradation degree among the battery banks of the current state is determined to be in an abnormal state.
  • the BMS diagnoses the state of the battery pack by distinguishing whether each of the plurality of battery banks is in an abnormal state.
  • the battery bank is discharged under certain conditions, a voltage change amount is derived before and after discharging the battery bank, a resistance degradation degree of each battery bank is calculated based on the voltage change amount, and a plurality of An abnormality of the battery bank can be detected based on the degree of resistance degradation of each battery bank.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery system according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for diagnosing a battery according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 3 is a waveform diagram illustrating changes in a switch control signal, a bank voltage, and a bank current according to discharging of a battery bank.
  • FIG. 4 is a detailed flowchart illustrating a step of diagnosing a plurality of battery banks based on a plurality of resistance degradation degrees.
  • a program implemented as a set of commands embodying control algorithms necessary for controlling other components may be installed in a component that controls another component under a specific control condition among components according to an embodiment.
  • the control component may generate output data by processing input data and stored data according to an installed program.
  • the control component may include a non-volatile memory for storing programs and a memory for storing data.
  • a method of diagnosing a battery in consideration of a multi-parallel abnormality coefficient of resistance degeneration may be implemented as software installed in a battery management system or a program including a combination of software.
  • the program may be stored in a storage medium of the battery management system.
  • Storage media may be implemented as various types of memory, including non-volatile memory such as high-speed random access memory, flash memory devices, and other non-volatile solid-state memory devices.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery system according to an exemplary embodiment.
  • the battery system 1 includes a battery pack 10 , a battery management system 20 , a discharge circuit 30 and relays 40 and 41 .
  • the battery management system 20 is hereinafter referred to as a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the number of battery packs 10 is illustrated in FIG. 1 as one, the invention is not limited thereto, and the battery system 1 may include two or more battery packs.
  • the external device 2 may include a load and charging device such as an inverter or converter.
  • a load and charging device such as an inverter or converter.
  • both ends of the battery system 1 may be connected to the charger and supplied with power from the charger to be charged.
  • both ends of the battery system 1 are connected to the load so that power supplied by the battery pack 10 can be discharged through the load.
  • the battery pack 10 includes a plurality of battery banks 101-103 and a plurality of temperature sensors 111-113. Although the number of battery banks is illustrated in FIG. 1 as three, the invention is not limited thereto, and the battery pack 10 may include two or more battery banks.
  • Each of the plurality of battery banks 101 to 103 includes a plurality of battery cells (eg, 11 and 12) connected in parallel.
  • each battery bank eg, 101
  • each battery bank is shown as including two battery cells (eg, 11 and 12) connected in parallel, but the invention is not limited thereto, and each battery bank has two or more It may include battery cells connected in parallel.
  • Each of the plurality of temperature sensors 111-113 detects the bank temperature of the corresponding battery bank (for example, 101) among the plurality of battery banks 101-103 and generates a temperature measurement signal (for example, For example, TS1) can be generated.
  • a temperature measurement signal for example, For example, TS1
  • 1 shows that a plurality of temperature sensors 111-113 are positioned to correspond to each of a plurality of battery banks 101-103 to generate a plurality of temperature measurement signals TS1-TS3, but the invention is limited thereto However, the number of temperature sensors and their locations in the battery pack 10 may be changed.
  • the BMS 20 monitors the bank voltage and bank temperature of the plurality of battery banks 101 to 103 from a plurality of voltage measurement signals and a plurality of temperature measurement signals, and determines the battery bank based on the bank voltage, bank temperature, and idle period.
  • the degree of resistance degradation of the battery bank may be estimated by determining whether a discharge condition is satisfied, and the battery bank may be diagnosed by detecting an abnormality of the battery bank based on the degree of resistance degradation of each battery bank.
  • the BMS 20 is connected to each bank of the plurality of battery banks 101-103, and measures a plurality of voltages measured from both ends of the plurality of battery banks 101-103 through a plurality of input terminals P1-P4 Acquire signals VS1-VS4.
  • the anode of each of the plurality of battery banks 101-103 (eg, 101) is connected to a corresponding input terminal (eg, P1) among the plurality of input terminals P1 to P3 through a wire, and a plurality of A negative electrode of each of the battery banks 101 to 103 (eg, 101) is connected to a corresponding input terminal (eg, P2) of a plurality of input terminals P2 to P4 through a wire.
  • the measurement signal VS1 is the voltage of the positive electrode of the battery bank 101 and is input to the BMS 20 through the input terminal P1
  • the measurement signal VS2 is the voltage of the negative electrode of the battery bank 101 or It is the voltage of the positive electrode of the battery bank 102, and is input to the BMS 20 through the input terminal P2.
  • the BMS 20 may receive a plurality of temperature measurement signals TS1 to TS3 determined according to the temperature sensed from each of the plurality of temperature sensors 111 to 113 through the plurality of input terminals P8 to P10.
  • the discharge circuit 30 may include a plurality of discharge switches 31-33 and a plurality of discharge resistors 301-303.
  • the series-connected discharge switch 31 and the discharge resistor 301 are connected in parallel between the positive and negative electrodes of the battery bank 101, and the series-connected discharge switch 32 and the discharge resistor 302 are The positive electrode and the negative electrode are connected in parallel, and the serially connected discharge switch 33 and the discharge resistor 303 are connected in parallel between the positive electrode and the negative electrode of the battery bank 103 .
  • the number of the plurality of discharge switches 31-33 and the plurality of discharge resistors 301-303 may increase or decrease according to the number of the plurality of battery banks 101-103.
  • On and off of the plurality of discharge switches 31 to 33 may be controlled according to switch control signals SCS1 to SCS3 supplied from the BMS 20 .
  • Each of the plurality of switch control signals SCS1 to SCS3 (eg, SCS1) is transmitted through a plurality of discharge switches through a corresponding output terminal (eg, P5) among a plurality of output terminals P5 to P7 of the BMS 20.
  • a corresponding output terminal eg, P5
  • Each of the plurality of discharge resistors 301 to 303 (for example, 301), when a corresponding discharge switch (for example, 31) among the plurality of discharge switches 31 to 33 is turned on, the plurality of battery banks 101 - 103), the corresponding battery bank (eg, 101) is discharged.
  • One ends of the relays 40 and 41 are connected to the battery pack 10, and the other ends of the relays 40 and 41 are connected to at least one element in the external device 2.
  • the closing and opening of the relays 40 and 41 are controlled according to the relay control signals RSC1 and RSC2 supplied from the BMS 20 .
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for diagnosing a battery according to an exemplary embodiment.
  • ⁇ V reference a plurality of reference voltage variations for each of the plurality of battery banks 101 to 103 are previously stored (S1).
  • the amount of change in voltage will be described in step S6 of calculating the amount of change in voltage.
  • the reference voltage change amount may be an initial voltage change amount.
  • the initial voltage change amount may refer to a voltage change amount before and after discharge when each of the plurality of battery banks 101 to 103 is discharged for the first time.
  • the BMS 20 determines whether there is a battery bank among the plurality of battery banks 101 to 103 whose bank voltage, bank temperature, and idle period satisfy the discharging conditions (S2).
  • the BMS 20 may detect a target battery bank based on the bank voltage, bank temperature, and idle period of each of the plurality of battery banks 101 to 103 .
  • the BMS 20 may derive a plurality of bank voltages for each of the plurality of battery banks 101 to 103 based on the plurality of voltage measurement signals VS1 to VS4. For example, the BMS 20 may derive the bank voltage of the battery bank 101 based on a voltage difference between the voltage measurement signal VS1 and the voltage measurement signal VS2. The BMS 20 may derive the same number of bank voltages as the number of battery banks 101 to 103 included in the battery pack 10 .
  • the BMS 20 may derive a plurality of bank temperatures for each of the plurality of battery banks 101 to 103 based on the plurality of temperature measurement signals TS1 to TS3.
  • the BMS 20 may derive the same number of bank temperatures as the number of battery banks 101 to 103 included in the battery pack 10 . 1 shows three temperature sensors corresponding to each of the plurality of battery banks 101 to 103, but the battery pack 10 may include a smaller number of temperature sensors than the number of battery banks. .
  • the BMS 20 may estimate the bank temperature of each of the plurality of battery banks 101 to 103 from the temperature measurement signal sensed by each temperature sensor.
  • the BMS 20 may determine whether a rest time during which the battery bank is not charged/discharged satisfies a condition regarding the rest time included in the discharging condition.
  • Discharge conditions may include at least bank voltage, bank temperature, and rest period conditions.
  • the discharging condition may include conditions that the bank voltage is in the range of 3.6V to 3.65V, the bank temperature is in the range of 20°C to 30°C, and the rest period is 2 hours or more. .
  • the BMS 20 may periodically repeat step S2 when there is no battery bank among the plurality of battery banks 101 to 103 whose bank voltage, bank temperature, and idle period satisfy the discharging conditions.
  • the BMS 20 determines the bank voltage of the target battery bank and the battery bank voltage before discharging. It can be stored as the indicated first voltage (S3).
  • the battery bank 101 will be described as a target battery bank that satisfies the discharging condition.
  • the BMS 20 may derive a bank voltage VB1 for the target battery bank 101 before discharging of the target battery bank 101 starts, and store the derived bank voltage VB1 as a first voltage. .
  • the BMS 20 may turn on the discharge switch 31 through the switch control signal SCS1 to discharge the target battery bank 101 for a predetermined time (S4).
  • Each of the plurality of discharge switches 31 to 33 (for example, 31) turns on when the corresponding switch control signal (for example, SCS1) among the plurality of switch control signals SCS1 to SCS3 has a high level that is an on level. and if it is an off level low level, it is turned off. For example, when the switch control signal SCS1 is at a high level, the discharge switch 31 may be turned on.
  • SCS1 switch control signal
  • the predetermined time may be a fixed time predetermined as initial information.
  • the BMS 20 may store the bank voltage of the target battery bank as a second voltage indicating the battery bank voltage after discharging (S5). .
  • the BMS 20 may derive a bank voltage VB1 for the target battery bank 101 after discharging of the target battery bank 101 is finished, and store the derived bank voltage VB1 as a second voltage. .
  • the BMS 20 may derive a current voltage change amount ( ⁇ V current ) indicating a change amount of the bank voltage due to discharge of the target battery bank 101 based on the first voltage and the second voltage (S6).
  • ⁇ V current a current voltage change amount indicating a change amount of the bank voltage due to discharge of the target battery bank 101 based on the first voltage and the second voltage (S6).
  • the current voltage change ( ⁇ V current ) may be derived based on the first voltage and the second voltage.
  • ⁇ V current is the current voltage change amount of the battery bank
  • V1 is the voltage stored as the first voltage
  • V2 is the voltage stored as the second voltage.
  • FIG. 3 is a waveform diagram illustrating changes in a switch control signal, a bank voltage, and a bank current according to discharging of a battery bank.
  • the bank voltage VB1 of the target battery bank 101 may decrease due to discharging.
  • a waveform diagram shows a switch control signal SCS1 corresponding to a target battery bank 101 among a plurality of switch control signals SCS1-SCS3, and
  • a waveform diagram shows (c) is a waveform diagram showing the bank current IB flowing in the target battery bank 101 over time.
  • the discharge switch 31 may be turned on by the high level signal that is the on level of the switch control signal SCS1.
  • the switch control signal SCS1 may be maintained as a low level signal that is an off level, transition to a high level signal at time t1, and maintained at a high level until time t2. Thereafter, from the time point t2, the low-level signal may be transitioned back to and maintained.
  • the BMS 20 may derive the bank voltage VB1 in synchronization with time t1 at which the target battery bank 101 starts discharging.
  • the bank voltage VB1 derived at time t1 is the voltage V1.
  • the BMS 20 may derive the bank voltage VB1 in synchronization with time t2 when the discharge of the target battery bank 101 is finished.
  • the bank voltage VB1 derived at time t2 is the voltage V2.
  • the BMS 20 calculates the difference (V2-V1) between the bank voltage at time t1 and the bank voltage at time t2, and calculates the current voltage change ( ⁇ V current ) of the bank voltage VB1 due to the discharge of the target battery bank 101. ) can be calculated.
  • the bank current IB may be constantly controlled to a current level I dis .
  • the BMS 20 may estimate the resistance degradation of the target battery bank 101 based on the reference voltage change amount ( ⁇ V reference ) and the current voltage change amount ( ⁇ V current ) ( S7 ).
  • the degree of increase in the resistance of the battery bank due to the increase in the internal resistance of the battery cell is referred to as the degree of resistance degradation.
  • the BMS 20 calculates the amount of change in the reference voltage of the target battery bank 101 ( based on ⁇ V) and the amount of change in the current voltage of the target battery bank 101 among the previously stored amounts of change in the reference voltage for each of the plurality of battery banks 101 to 103. Based on ( ⁇ V current ), the degree of resistance degradation of the target battery bank 101 may be estimated.
  • the resistance degradation of the battery bank can be estimated by calculating the ratio of the current voltage change to the reference voltage change.
  • the BMS 20 may repeat steps S1 to S7 until the resistance degradation of all of the plurality of battery banks 101 to 103 included in the battery pack 10 is estimated.
  • the BMS 20 may diagnose the plurality of battery banks 101 to 103 included in the battery pack 10 based on the plurality of resistance degradation degrees for each of the plurality of battery banks 101 to 103 (S8 ).
  • FIG. 4 is a detailed flowchart for explaining a step of diagnosing a plurality of battery banks based on a plurality of resistance degradation degrees.
  • the BMS 20 derives a total representative value of resistance degradation based on a plurality of resistance degradation degrees for each of the plurality of battery banks 101 to 103 (S81).
  • a method of deriving all representative values of resistance degradation a method of deriving a median value, an average value, or the like of a plurality of resistance degradation values for each of the plurality of battery banks 101 to 103 may be used.
  • the representative value of all the resistance degradation degrees will be described based on the median value of a plurality of resistance degradation degrees.
  • the BMS 20 calculates a multi-parallel ideality coefficient based on the number of parallel connections of the plurality of battery banks 101 to 103 (S82).
  • the number of parallel connections is the number of a plurality of battery cells (eg, 11 and 12) connected in parallel included in one (eg, 101) of the plurality of battery banks 101 to 103.
  • each of the plurality of battery banks 101 to 103 may have the same number of parallel connections.
  • each of the plurality of battery banks 101-103 includes two battery cells 11-12, 13-14, and 15-16 connected in parallel, and the BMS 20 includes a plurality of battery banks ( 101-103) can be determined as 2.
  • the BMS 20 may derive a multi-parallel ideality coefficient based on the number of parallel connections of the plurality of battery banks 101 to 103.
  • ⁇ is the multiparallel ideality coefficient.
  • the BMS 20 may calculate an upper threshold value of the normal range based on the total representative value of the resistance degradation and the multi-parallel ideality coefficient (S83).
  • a range of resistance degradation of the battery bank is referred to as a normal range.
  • a battery bank whose resistance degradation does not fall within a normal range may be determined to be in an abnormal state with a high resistance degradation.
  • the BMS 20 may set, as a target group, battery banks having a resistance degradation degree less than or equal to a total representative value among a plurality of resistance degradation degrees for each of the plurality of battery banks 101 to 103 .
  • the BMS 20 may derive a target representative value of resistance degradation of battery banks belonging to the target group.
  • a method of deriving the target representative value a method of deriving a median value, an average value, or the like of resistance degradation of battery banks belonging to the target group may be used.
  • the target representative value of the resistance degradation of the battery banks belonging to the target group will be described based on the median value of the resistance degradation of each of the plurality of battery banks belonging to the target group.
  • the BMS 20 multiplies the target representative value derived as the median value of the resistance degradation for each of a plurality of battery banks belonging to the target group by the multi-parallel ideality coefficient to obtain an upper limit threshold value can be calculated
  • Upper is the upper threshold of the normal range.
  • B is the resistance degradation of the battery bank.
  • T(B) is the degree of resistance degradation of battery banks belonging to the target group.
  • X T (T(B)) is the target representative value of B.
  • ⁇ is the multiparallel ideality coefficient.
  • P is the number of parallel connections.
  • the BMS 20 may derive a normal range based on the upper limit threshold value and diagnose the state of each of the plurality of battery banks 101 to 103 according to the normal range (S84).
  • the normal range may have a calculated upper threshold value.
  • the BMS 20 may determine a battery bank whose resistance degradation is equal to or less than the upper limit threshold value as a normal state. In addition, the BMS 20 may determine that the battery bank is in an abnormal state when the resistance degradation of the battery bank exceeds an upper limit threshold.
  • the BMS 20 distinguishes whether each of the plurality of battery banks 101 to 103 included in the battery pack 10 is in a normal state and/or whether each of the plurality of battery banks 101 to 103 is in an abnormal state, The state of the battery pack 10 may be diagnosed.

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Abstract

배터리 진단 방법은, 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩을 진단하는 방법에 있어서, BMS(Battery Management System)가, 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하는 단계, 상기 BMS가, 상기 판단 단계를 통해 검출된 타겟 배터리 뱅크를 소정 시간 동안 방전시키는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하는 단계, 상기 BMS가, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하는 단계, 및 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 포함하고, 상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

저항 퇴화도에 기초한 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 11월 2일자 한국 특허 출원 제10-2021-0149028호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 저항 퇴화도에 기초한 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템에 관한 것이다.
배터리 팩은 직렬로 연결된 복수의 배터리 뱅크를 포함할 수 있고, 각 배터리 뱅크는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
배터리 팩이 외부 장치를 통해 충방전을 반복하게 되면 내부의 배터리 셀의 충전 용량에 차이가 발생할 수 있다. 이를 방치한 채로 충방전을 지속하게 되면 배터리 셀의 저항 퇴화 또는 이상 상황이 발생할 수 있다.
배터리 셀의 저항 퇴화 또는 이상 상황이 발생하게 되면 배터리 팩에서 안정적으로 외부 장치에 전원을 공급할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩에 대하여, 배터리 뱅크의 이상을 감지할 수 있는 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
발명의 한 특징에 따른 배터리 진단 방법은, 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩을 진단하는 방법에 있어서, BMS(Battery Management System)가, 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하는 단계, 상기 BMS가, 상기 판단 단계를 통해 검출된 타겟 배터리 뱅크를 소정 시간 동안 방전시키는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하는 단계, 상기 BMS가, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하는 단계, 및 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 포함하고, 상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 타겟 배터리 뱅크의 기준 전압 변화량은, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대하여 상기 BMS에 저장된 초기 전압 변화량이고, 상기 초기 전압 변화량은, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 최초 방전에서의 방전 전후의 전압 변화량이다.
상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계는, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하는 단계, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출하는 단계, 상기 BMS가, 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 정상 범위의 상한 임계값을 산출하는 단계, 및 상기 BMS가, 상기 상한 임계값에 기초하여 정상 범위를 도출하고, 상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는 단계를 포함한다.
상기 상한 임계값을 산출하는 단계는, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 복수의 제1 배터리 뱅크를 타겟 그룹으로 설정하는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 그룹에 속하는 상기 복수의 제1 배터리 뱅크의 저항 퇴화도에 대한 타겟 대표값을 도출하는 단계, 및 상기 타겟 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 상기 정상 상태의 상한 임계값을 산출하는 단계를 포함한다.
복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는 단계는, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크는 정상 상태로 판단하는 단계, 및 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 보다 큰 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단하는 단계를 포함한다.
발명의 다른 특징에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀이 병렬 연결되어 있는 복수의 배터리 뱅크, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 배터리 뱅크의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 상기 각각의 배터리 뱅크를 방전시키는 방전 회로, 및 상기 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하여, 검출된 타겟 배터리 뱅크를 상기 방전 회로에 의해 방전시키고, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하며, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하고, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하며, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는, BMS(Battery Management System)를 포함하고, 상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 타겟 배터리 뱅크의 기준 전압 변화량은, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대하여 상기 BMS에 저장된 초기 전압 변화량이고, 상기 초기 전압 변화량은, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 최초 방전에서의 방전 전후의 전압 변화량이다.
상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 정상 범위의 상한 임계값을 산출하고, 상기 상한 임계값에 기초하여 정상 범위를 도출하며, 상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단한다.
상기 상한 임계값은, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하고, 상기 복수의 배터리 뱅크의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출하며, 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 산출한다.
상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 것은, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크는 정상 상태로 판단하고, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 보다 큰 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단한다.
상기 BMS는, 복수의 배터리 뱅크 각각이 이상 상태인지를 구분하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단한다.
복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩에 대하여, 일정 조건 하에서 배터리 뱅크를 방전시키고, 배터리 뱅크의 방전 전후로 전압 변화량을 도출하며, 전압 변화량에 기초하여 배터리 뱅크 각각의 저항 퇴화도를 산출하고, 복수의 배터리 뱅크 각각의 저항 퇴화도에 기초하여 배터리 뱅크의 이상을 감지할 수 있도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 배터리 뱅크의 방전에 따른 스위치 제어 신호, 뱅크 전압, 및 뱅크 전류의 변화를 나타낸 파형도이다.
도 4는 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 설명하기 위한 세부 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
일 실시예에 따른 구성들 중 특정 제어 조건에서 다른 구성을 제어하는 구성에는, 다른 구성을 제어하기 위해 필요한 제어 알고리즘을 구체화한 명령어의 집합으로 구현된 프로그램이 설치될 수 있다. 제어 구성은 설치된 프로그램에 따라 입력 데이터 및 저장된 데이터를 처리하여 출력 데이터를 생성할 수 있다. 제어 구성은 프로그램을 저장하는 비휘발성 메모리 및 데이터를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여, 일 실시예에 따라 배터리 뱅크의 저항 퇴화도를 추정하고, 저항 퇴화도의 다병렬 이상 계수를 고려하여 배터리를 진단하는 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 설명한다. 저항 퇴화도의 다병렬 이상 계수를 고려하여 배터리를 진단하는 방법은 배터리 관리 시스템에 설치된 소프트웨어 또는 소프트웨어의 결합을 포함하는 프로그램으로 구현될 수 있다. 해당 프로그램은 배터리 관리 시스템의 저장 매체에 저장될 수 있다. 저장 매체는 고속 랜덤 액세스 메모리(high-speed random access memory), 플래시 메모리 장치, 기타 비휘발성 고체 상태 메모리 장치(non-volatile solid-state memory device) 등의 비휘발성 메모리 등 다양한 종류의 메모리로 구현될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
배터리 시스템(1)은, 배터리 팩(10), 배터리 관리 시스템(20), 방전 회로(30) 및 릴레이(40, 41)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(20)을 이하, BMS(Battery Management System)라 한다. 도 1에서는 배터리 팩(10)의 개수가 1개인 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않으며, 배터리 시스템(1)은 2개 이상의 배터리 팩을 포함할 수 있다.
외부 장치(2)는 인버터, 컨버터 등의 부하 및 충전 장치를 포함할 수 있다. 외부 장치(2)가 충전기인 경우, 배터리 시스템(1)의 양단은 충전기에 연결되어 충전기로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 외부 장치(2)가 부하인 경우, 배터리 시스템(1)의 양단은 부하에 연결되어 배터리 팩(10)이 공급하는 전력이 부하를 통해 방전될 수 있다.
배터리 팩(10)은, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 및 복수의 온도 센서(111-113)를 포함한다. 도 1에서는 배터리 뱅크의 개수가 3개인 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않으며, 배터리 팩(10)은 2개 이상의 배터리 뱅크를 포함할 수 있다.
복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각(예를 들어, 101)은, 병렬 연결된 복수의 배터리 셀(예를 들어, 11, 12)을 포함한다. 도 1에는 각 배터리 뱅크(예를 들어, 101)가 2 개의 병렬 연결된 배터리 셀(예를 들어, 11, 12)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않으며, 각 배터리 뱅크는 2 이상의 병렬 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다.
복수의 온도 센서(111-113) 각각(예를 들어, 111)은 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 대응하는 배터리 뱅크(예를 들어, 101)의 뱅크 온도를 감지하여 온도 측정 신호(예를 들어, TS1)를 생성할 수 있다. 도 1에는 복수의 온도 센서(111-113)가 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대응되도록 위치하여 복수의 온도 측정 신호(TS1-TS3)를 생성하는 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않으며, 배터리 팩(10) 내의 온도 센서 개수 및 그 위치는 변경될 수 있다.
BMS(20)는 복수의 전압 측정 신호 및 복수의 온도 측정 신호로부터 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 뱅크 전압 및 뱅크 온도를 모니터링하고, 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간에 기초하여 배터리 뱅크가 방전 조건을 만족하는지 판단하여 배터리 뱅크의 저항 퇴화도를 추정하며, 배터리 뱅크 별 저항 퇴화도에 기초하여 배터리 뱅크의 이상을 감지하여 배터리 뱅크를 진단할 수 있다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각의 뱅크에 연결되어 있고, 복수의 입력단(P1-P4)을 통해 복수의 배터리 뱅크(101-103) 양단으로부터 측정된 복수의 전압 측정 신호(VS1-VS4)를 획득한다. 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각(예를 들어, 101)의 양극은, 배선을 통해 복수의 입력단(P1-P3) 중 대응하는 입력단(예를 들어, P1)에 연결되어 있고, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각(예를 들어, 101)의 음극은, 배선을 통해 복수의 입력단(P2-P4) 중 대응하는 입력단(예를 들어, P2)에 연결되어 있다. 예를 들어, 측정 신호(VS1)는 배터리 뱅크(101)의 양극 전압이고, 입력단(P1)을 통해 BMS(20)에 입력되며, 측정 신호(VS2)는 배터리 뱅크(101)의 음극의 전압 또는 배터리 뱅크(102)의 양극의 전압이고, 입력단(P2)을 통해 BMS(20)에 입력된다.
BMS(20)는, 복수의 입력단(P8-P10)을 통해 복수의 온도 센서(111-113) 각각으로부터 감지한 온도에 따라 결정되는 복수의 온도 측정 신호(TS1-TS3)를 수신할 수 있다.
방전 회로(30)는 복수의 방전 스위치(31-33) 및 복수의 방전 저항(301-303)을 포함할 수 있다. 직렬 연결된 방전 스위치(31) 및 방전 저항(301)은 배터리 뱅크(101)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있고, 직렬 연결된 방전 스위치(32) 및 방전 저항(302)은 배터리 뱅크(102)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있으며, 직렬 연결된 방전 스위치(33) 및 방전 저항(303)은 배터리 뱅크(103)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있다. 복수의 방전 스위치(31-33) 및 복수의 방전 저항(301-303)의 개수는 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 개수에 따라 증감될 수 있다.
복수의 방전 스위치(31-33)의 온 및 오프는 BMS(20)로부터 공급되는 스위치 제어 신호(SCS1-SCS3)에 따라 제어될 수 있다. 복수의 스위치 제어 신호(SCS1-SCS3) 각각(예를 들어, SCS1)은, BMS(20)의 복수의 출력단(P5-P7) 중 대응하는 출력단(예를 들어, P5)을 통해 복수의 방전 스위치(31-33) 중 대응하는 스위치(31)에 전송된다.
복수의 방전 저항(301-303) 각각(예를 들어, 301)은, 복수의 방전 스위치(31-33) 중 대응하는 방전 스위치(예를 들어, 31)가 온 되면, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 대응하는 배터리 뱅크(예를 들어, 101)를 방전시킨다.
릴레이(40, 41)의 일단은 배터리 팩(10)에 연결되어 있고, 릴레이(40, 41)의 타단은 외부 장치(2)에서 적어도 하나의 구성과 연결되어 있다. 릴레이(40, 41)의 닫힘 및 개방은 BMS(20)로부터 공급되는 릴레이 제어 신호(RSC1, RSC2)에 따라 제어된다.
이하에서, 배터리 팩(10)의 상태를 진단하기 위한 BMS(20)의 각 구성의 동작을 도 2에 도시된 순서도에 따라 순차적으로 설명한다.
도 2는, 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 나타낸 순서도이다.
BMS(20)에는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 기준 전압 변화량(ΔV기준)이 기 저장되어 있다(S1).
전압 변화량에 대하여는 이하 전압 변화량을 산출하는 단계(S6)에서 설명한다. 기준 전압 변화량은, 초기 전압 변화량일 수 있다. 초기 전압 변화량은, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각이 최초로 방전되었을 때, 방전 전후의 전압 변화량을 의미할 수 있다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간이 방전 조건을 만족하는 배터리 뱅크가 있는지를 판단한다(S2).
이하, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간이 방전 조건을 만족하는 배터리 뱅크를 타겟 배터리 뱅크라 한다. BMS(20)는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간에 기초하여 타겟 배터리 뱅크를 검출할 수 있다.
BMS(20)는 복수의 전압 측정 신호(VS1-VS4)에 기초하여 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 뱅크 전압을 도출할 수 있다. 예를 들어, BMS(20)는 전압 측정 신호(VS1)와 전압 측정 신호(VS2) 간의 전압 차에 기초하여 배터리 뱅크(101)의 뱅크 전압을 도출할 수 있다. BMS(20)는 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 뱅크(101-103)의 개수와 동일한 수의 뱅크 전압을 도출할 수 있다.
BMS(20)는, 복수의 온도 측정 신호(TS1-TS3)에 기초하여 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 뱅크 온도를 도출할 수 있다. BMS(20)는 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 뱅크(101-103)의 개수와 동일한 수의 뱅크 온도를 도출할 수 있다. 도 1에서는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대응하여 위치하는 3 개의 온도 센서가 도시되어 있으나, 배터리 팩(10)은 복수의 배터리 뱅크의 개수보다 적은 개수의 온도 센서를 포함할 수 있다. 이 경우, BMS(20)는 온도 센서 각각에서 감지된 온도 측정 신호로부터 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각의 뱅크 온도를 추정할 수 있다.
BMS(20)는, 배터리 뱅크가 충방전되지 않는 휴지 기간(rest time)이 방전 조건에 포함된 휴지 기간에 관한 조건을 충족하는지를 판단할 수 있다.
방전 조건은, 적어도 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간에 관한 조건을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방전 조건은, 뱅크 전압이 3.6V 내지 3.65 V의 범위 내에 있을 것, 뱅크 온도가 20℃ 내지 30℃의 범위 내에 있을 것, 및 휴지 기간이 2시간 이상일 것의 조건을 포함할 수 있다.
BMS(20)는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간이 방전 조건을 만족하는 배터리 뱅크가 없으면, 주기적으로 S2 단계를 반복할 수 있다.
BMS(20)는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간이 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있으면, 타겟 배터리 뱅크의 뱅크 전압을, 방전 전의 배터리 뱅크 전압을 지시하는 제1 전압으로 저장할 수 있다(S3).
이하, 배터리 뱅크(101)가 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크인 것으로 설명한다.
BMS(20)는 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 시작되기 전, 타겟 배터리 뱅크(101)에 대한 뱅크 전압(VB1)을 도출하고, 도출된 뱅크 전압(VB1)을 제1 전압으로 저장할 수 있다.
BMS(20)는, 스위치 제어 신호(SCS1)를 통해 방전 스위치(31)를 온 시켜, 타겟 배터리 뱅크(101)를 소정 시간 동안 방전시킬 수 있다(S4).
복수의 방전 스위치(31-33) 각각(예를 들어, 31)은, 복수의 스위치 제어 신호(SCS1-SCS3) 중 대응하는 스위치 제어 신호(예를 들어, SCS1)가 온 레벨인 하이 레벨이면 온 되고, 오프 레벨인 로우 레벨이면 오프된다. 예를 들어, 스위치 제어 신호(SCS1)이 하이 레벨이면, 방전 스위치(31)가 온 될 수 있다.
소정 시간은, 초기 정보로 미리 정해진 고정된 시간일 수 있다.
소정 시간이 경과하여 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 종료되면, BMS(20)는, 타겟 배터리 뱅크에 대한 뱅크 전압을, 방전 후의 배터리 뱅크 전압을 지시하는 제2 전압으로 저장할 수 있다(S5).
BMS(20)는 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 종료된 이후, 타겟 배터리 뱅크(101)에 대한 뱅크 전압(VB1)을 도출하고, 도출된 뱅크 전압(VB1)을 제2 전압으로 저장할 수 있다.
BMS(20)는, 제1 전압 및 제2 전압에 기초하여 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전에 의한 뱅크 전압의 변화량을 지시하는 현재 전압 변화량(ΔV현재)을 도출할 수 있다(S6).
[수학식 1]을 참조하면, 제1 전압 및 제2 전압에 기초하여 현재 전압 변화량(ΔV현재)을 도출할 수 있다.
Figure PCTKR2022015393-appb-img-000001
ΔV현재는 배터리 뱅크의 현재 전압 변화량, V1은 제1 전압으로 저장된 전압, V2는 제2 전압으로 저장된 전압이다.
이하, 도 3을 참조하여, BMS(20)가 타겟 배터리 뱅크(101)의 현재 전압 변화량을 도출하는 과정을 설명한다.
도 3은 배터리 뱅크의 방전에 따른 스위치 제어 신호, 뱅크 전압, 및 뱅크 전류의 변화를 나타낸 파형도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 타겟 배터리 뱅크(101)는 방전에 의해, 뱅크 전압(VB1)이 감소할 수 있다. 도 3에서, (a) 파형도는, 복수의 스위치 제어 신호(SCS1-SCS3) 중 타겟 배터리 뱅크(101)에 대응하는 스위치 제어 신호(SCS1)를 나타내고, (b) 파형도는 시간의 경과에 따른 타겟 배터리 뱅크(101)의 뱅크 전압(VB1)을 나타내며, (c) 파형도는 시간의 경과에 따른 타겟 배터리 뱅크(101)에 흐르는 뱅크 전류(IB)를 나타낸 파형도이다.
도 3에 도시된 파형도에 따라, 스위치 제어 신호(SCS1)의 온 레벨인 하이 레벨의 신호에 의해 방전 스위치(31)가 온 될 수 있다.
스위치 제어 신호(SCS1)는, 오프 레벨인 로우 레벨의 신호로 유지되다가, t1 시점에 하이 레벨의 신호로 천이 되어, t2 시점까지 하이 레벨로 유지될 수 있다. 이후, t2 시점부터 다시 로우 레벨의 신호로 천이 되어 유지될 수 있다.
도 3를 참조하면, BMS(20)는 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 시작되는 시점 t1에 동기 되어 뱅크 전압(VB1)을 도출할 수 있다. 시점 t1에 도출된 뱅크 전압(VB1)은 전압(V1)이다.
BMS(20)는 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 종료되는 시점 t2에 동기 되어 뱅크 전압(VB1)을 도출할 수 있다. 시점 t2에 도출된 뱅크 전압(VB1)은 전압(V2)이다. BMS(20)는 시점 t1에서의 뱅크 전압과 시점 t2에서의 뱅크 전압 간의 차(V2-V1)를 계산하여 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전에 의한 뱅크 전압(VB1)의 현재 전압 변화량(ΔV현재)을 산출할 수 있다.
방전 중 뱅크 전류(IB)는 전류 레벨(Idis)로 일정하게 제어될 수 있다.
BMS(20)는 기준 전압 변화량(ΔV기준) 및 현재 전압 변화량(ΔV현재)에 기초하여 타겟 배터리 뱅크(101)에 대한 저항 퇴화도를 추정할 수 있다(S7).
배터리 셀의 내부 저항이 증가하여 배터리 뱅크의 저항이 증가한 정도를 저항 퇴화도라 한다.
BMS(20)는 기 저장된 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 기준 전압 변화량 중 타겟 배터리 뱅크(101)의 기준 전압 변화량(ΔV기준) 및 타겟 배터리 뱅크(101)의 현재 전압 변화량(ΔV현재)에 기초하여 타겟 배터리 뱅크(101)에 대한 저항 퇴화도를 추정할 수 있다.
[수학식 2]를 참조하면, 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도는, 기준 전압 변화량을 기준으로 한 현재 전압 변화량의 비율을 산출하여 추정할 수 있다.
Figure PCTKR2022015393-appb-img-000002
BMS(20)는, 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 배터리 뱅크(101-103) 전부에 대한 저항 퇴화도가 추정될 때까지 상기 S1 단계 내지 상기 S7 단계를 반복할 수 있다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 배터리 뱅크(101-103)를 진단할 수 있다(S8).
이하, 도 4을 참조하여, BMS(20)가 복수의 저항 퇴화도에 기초하여, 복수의 배터리 뱅크(101-103)를 진단하는 과정을 설명한다.
도 4는, 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 설명하기 위한 세부 순서도이다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출한다(S81).
저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하는 방식은, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도의 중앙값, 평균값 등을 도출하는 방식이 사용될 수 있다. 이하에서는, 저항 퇴화도의 전체 대표값은 복수의 저항 퇴화도의 중앙값인 것을 기준으로 하여 설명한다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출한다(S82).
병렬 연결 수는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 하나(예를 들어, 101)에 포함된 병렬 연결된 복수의 배터리 셀(예를 들어, 11, 12)의 개수이다.
도 1에 도시된 바와 마찬가지로, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각은, 서로 동일한 병렬 연결 수를 가질 수 있다.
도 1의 예에서, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각은 병렬 연결된 2개의 배터리 셀(11-12, 13-14, 15-16)을 포함하고, BMS(20)는 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 병렬 연결 수를 2로 결정할 수 있다.
이하, [수학식 3]를 참조하면, BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 도출할 수 있다.
Figure PCTKR2022015393-appb-img-000003
μ는 다병렬 이상계수이다. P는 병렬 연결 수이다. 도 1의 예에서, 병렬 연결 수는 2이므로, μ는 2/1=2이다.
BMS(20)는, 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 다병렬 이상계수에 기초하여 정상 범위의 상한 임계 값을 산출할 수 있다(S83).
복수의 배터리 뱅크(101-103)가 정상 상태일 때 배터리 뱅크의 저항 퇴화도에 대한 범위를 정상 범위라 한다. 저항 퇴화도가 정상 범위에 속하지 않는 배터리 뱅크는 저항 퇴화도가 높은 이상 상태인 것으로 판단될 수 있다.
먼저, BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도 중 저항 퇴화도가 전체 대표값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크들을 타겟 그룹으로 설정할 수 있다.
BMS(20)는, 타겟 그룹에 속하는 배터리 뱅크들의 저항 퇴화도의 타겟 대표값을 도출할 수 있다.
타겟 대표값을 도출하는 방식은, 타겟 그룹에 속하는 배터리 뱅크들의 저항 퇴화도의 중앙값, 평균값 등을 도출하는 방식이 사용될 수 있다. 이하에서는, 타겟 그룹에 속하는 배터리 뱅크들의 저항 퇴화도의 타겟 대표값은 타겟 그룹에 속하는 복수의 배터리 뱅크들 각각에 대한 저항 퇴화도의 중앙값인 것을 기준으로 하여 설명한다.
이하, [수학식 4]를 참조하면, BMS(20)는 타겟 그룹에 속하는 복수의 배터리 뱅크들 각각에 대한 저항 퇴화도의 중앙값으로 도출된 타겟 대표값에 다병렬 이상계수를 곱하여 상한 임계 값을 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2022015393-appb-img-000004
Upper는 정상 범위의 상한 임계 값이다. B는 배터리 뱅크의 저항 퇴화도이다. T(B)는 타겟 그룹에 속하는 배터리 뱅크들의 저항 퇴화도이다. XT(T(B))는 B의 타겟 대표값이다. μ는 다병렬 이상계수이다. P는 병렬 연결 수이다.
BMS(20)는, 상한 임계 값에 기초하여 정상 범위를 도출하고, 정상 범위에 따라 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각의 상태를 진단할 수 있다(S84).
정상 범위는 산출된 상한 임계 값을 가질 수 있다.
정상 범위가 상한 임계 값을 가지는 경우, BMS(20)는 배터리 뱅크의 저항 퇴화도가 상한 임계 값 이하인 배터리 뱅크를 정상 상태로 판단할 수 있다. 또한 BMS(20)는 배터리 뱅크의 저항 퇴화도가 상한 임계 값을 초과하는 경우, 해당 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단할 수 있다.
BMS(20)는, 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각이 정상 상태인지, 및/또는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각이 이상 상태인지를 구분하여, 배터리 팩(10)의 상태를 진단할 수 있다.

Claims (11)

  1. 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩을 진단하는 방법에 있어서,
    BMS(Battery Management System)가, 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 판단 단계를 통해 검출된 타겟 배터리 뱅크를 소정 시간 동안 방전시키는 단계;
    상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하는 단계; 및
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 포함하고,
    상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 배터리 뱅크의 기준 전압 변화량은, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대하여 상기 BMS에 저장된 초기 전압 변화량이고,
    상기 초기 전압 변화량은, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 최초 방전에서의 방전 전후의 전압 변화량인, 배터리 진단 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계는,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 정상 범위의 상한 임계값을 산출하는 단계; 및
    상기 BMS가, 상기 상한 임계값에 기초하여 정상 범위를 도출하고, 상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는 단계를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상한 임계값을 산출하는 단계는,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 복수의 제1 배터리 뱅크를 타겟 그룹으로 설정하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 타겟 그룹에 속하는 상기 복수의 제1 배터리 뱅크의 저항 퇴화도에 대한 타겟 대표값을 도출하는 단계; 및
    상기 타겟 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 상기 정상 상태의 상한 임계값을 산출하는 단계를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는 단계는,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크는 정상 상태로 판단하는 단계; 및
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 보다 큰 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단하는 단계를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  6. 복수의 배터리 셀이 병렬 연결되어 있는 복수의 배터리 뱅크;
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 배터리 뱅크의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 상기 각각의 배터리 뱅크를 방전시키는 방전 회로; 및
    상기 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하여, 검출된 타겟 배터리 뱅크를 상기 방전 회로에 의해 방전시키고, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하며, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하고, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하며, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는, BMS(Battery Management System)를 포함하고,
    상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 타겟 배터리 뱅크의 기준 전압 변화량은, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대하여 상기 BMS에 저장된 초기 전압 변화량이고,
    상기 초기 전압 변화량은, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 최초 방전에서의 방전 전후의 전압 변화량인, 배터리 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 BMS가,
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 정상 범위의 상한 임계값을 산출하고, 상기 상한 임계값에 기초하여 정상 범위를 도출하며, 상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는, 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상한 임계값은,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하고, 상기 복수의 배터리 뱅크의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출하며, 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 산출하는, 배터리 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 것은,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크는 정상 상태로 판단하고, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 보다 큰 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단하는, 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 BMS는,
    복수의 배터리 뱅크 각각이 이상 상태인지를 구분하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는, 배터리 시스템.
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