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WO2023229267A1 - 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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WO2023229267A1
WO2023229267A1 PCT/KR2023/006433 KR2023006433W WO2023229267A1 WO 2023229267 A1 WO2023229267 A1 WO 2023229267A1 KR 2023006433 W KR2023006433 W KR 2023006433W WO 2023229267 A1 WO2023229267 A1 WO 2023229267A1
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WO
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battery
banks
impedance
battery banks
management device
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2023/006433
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English (en)
French (fr)
Inventor
손대희
김덕환
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 JP2024543545A priority patent/JP2025503928A/ja
Priority to CN202380016854.6A priority patent/CN118541847A/zh
Priority to US18/729,838 priority patent/US20250116717A1/en
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
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    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • Embodiments disclosed herein relate to a battery management device and method of operating the same.
  • Electric vehicles receive electricity from outside, charge the battery, and then obtain power by driving the motor with the voltage charged in the battery.
  • Electric vehicle batteries can generate heat due to chemical reactions that occur during the charging and discharging process, and this heat can damage the performance and lifespan of the battery. Therefore, a battery management system (BMS) that monitors the temperature, voltage, and current of the battery is operated to diagnose and control the state of the battery.
  • BMS battery management system
  • the conventional battery management device has a problem in that it is difficult to detect the battery cell in which heat generation occurs inside the battery bank unless the temperature is measured by attaching a thermistor to each battery bank containing a plurality of battery cells. There is.
  • DCR direct current resistance
  • One object of the embodiments disclosed in this document is to provide a battery management device capable of determining the presence or absence of a defective battery cell within a battery bank based on the impedance of the battery bank obtained by measuring the current and voltage of the battery bank, and its The goal is to provide a method of operation.
  • a battery management device applies a switch connected to a plurality of battery banks including a plurality of battery cells and a control signal for repeatedly turning the switch on and off, and each of the plurality of battery banks Measure the voltage value and current value, and determine whether a plurality of battery cells included in each of the plurality of battery banks are abnormal based on the alternating current impedance of each of the plurality of battery banks calculated based on the voltage value and current value.
  • the controller may perform Fourier Transform on the voltage and current values of each of the plurality of battery banks to obtain the real and imaginary parts of the voltage and current values.
  • the controller may obtain the imaginary part of the impedance of each of the plurality of battery banks based on the real part and the imaginary part of the voltage value and the current value.
  • the controller when the imaginary part of the impedance of any one of the plurality of battery banks exceeds a pre-stored threshold, the controller detects at least one of the battery cells inside one of the plurality of battery banks. It can be determined that one heat-generating battery cell exists.
  • the controller determines that the imaginary part of the impedance of any one of the plurality of battery banks exceeds the critical error range of the imaginary part of the impedance of the battery bank connected in series with any one of the plurality of battery banks. In this case, it may be determined that a heat-generating battery cell exists in at least one of the battery cells inside one of the plurality of battery banks.
  • a method of operating a battery management device includes applying a control signal to repeatedly turn on and off a switch connected to a plurality of battery banks including a plurality of battery cells, the plurality of battery banks Measuring each voltage value and current value, calculating the AC impedance of each of the plurality of battery banks based on the voltage value and current value, and calculating the AC impedance of each of the plurality of battery banks based on the AC impedance of each of the plurality of battery banks. It may include determining whether a plurality of battery cells included in each battery bank are abnormal.
  • the step of calculating the alternating current impedance of each of the plurality of battery banks based on the voltage value and the current value is performed by Fourier transforming the voltage value and current value of each of the plurality of battery banks to obtain the voltage value and current value. You can obtain the real and imaginary parts of a value.
  • the step of calculating the alternating current impedance of each of the plurality of battery banks based on the voltage value and the current value is based on the real part and the imaginary part of the voltage value and current value of each of the plurality of battery banks.
  • the imaginary part of the impedance of each of the plurality of battery banks can be obtained.
  • the step of determining whether a plurality of battery cells included in each of the plurality of battery banks are abnormal based on the alternating current impedance of each of the plurality of battery banks includes: If the imaginary part of the impedance exceeds a pre-stored threshold, it may be determined that a heat-generating battery cell exists in at least one of the battery cells inside one of the plurality of battery banks.
  • the step of determining whether a plurality of battery cells included in each of the plurality of battery banks are abnormal based on the alternating current impedance of each of the plurality of battery banks includes: If the imaginary part of the impedance exceeds the critical error range of the imaginary part of the impedance of a battery bank connected in series with any one of the plurality of battery banks, at least one of the battery cells inside any one of the plurality of battery banks It can be determined that a heat-generating battery cell exists.
  • the presence or absence of abnormal battery cells within the battery bank is determined based on the impedance of the battery bank obtained by measuring the current and voltage of the battery bank. You can judge.
  • FIG. 1 is a diagram showing a battery pack according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing an implementation example of a battery management device according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIG. 3 is a graph showing changes in current and voltage values of a battery bank according to time and frequency according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIG. 4A is a Fourier transform graph of the current value of the battery bank according to the flow of time and frequency according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIG. 4B is a Fourier transform graph of the voltage value of the battery bank according to the flow of time and frequency according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIG. 4C is a graph showing the real and imaginary parts of the impedance of the battery bank according to the flow of time and frequency according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in the imaginary part of the impedance of a battery bank according to a change in time frequency according to an embodiment described in this document.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method of operating a battery management device according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the hardware configuration of a computing system implementing a battery management device according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIG. 1 is a diagram showing a battery pack according to an embodiment disclosed in this document.
  • a battery pack 1000 may include a battery module 100, a battery management device 200, and a relay 300.
  • the battery module 100 may include a plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140. Although FIG. 1 shows a plurality of four battery banks, the present invention is not limited thereto, and the battery module 100 may be configured to include n (n is a natural number of 2 or more) battery banks.
  • the battery module 100 may supply power to a target device (not shown). To this end, the battery module 100 may be electrically connected to the target device.
  • the target device may include an electrical, electronic, or mechanical device that operates by receiving power from a battery pack 1000 including a plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140, for example.
  • the target device may be an electric vehicle (EV) or an energy storage system (ESS), but is not limited thereto.
  • EV electric vehicle
  • ESS energy storage system
  • the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 may include a plurality of battery cells.
  • a battery cell is the basic unit of a battery that can be used by charging and discharging electrical energy, including lithium-ion (Li-ion) batteries, lithium-ion polymer (Li-ion polymer) batteries, nickel cadmium (Ni-Cd) batteries, and nickel hydrogen ( It may be a Ni-MH) battery, but it is not limited thereto.
  • a plurality of battery cells included in each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 may be connected in parallel.
  • the battery module 100 may be comprised of a plurality of battery modules 100.
  • a battery management system (BMS) 200 determines the lifespan of a plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 based on temperature and voltage data of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140. (SOH, State of Health) can be predicted.
  • the battery management device 200 removes noise from battery data of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140, and configures the plurality of battery banks 110 for each battery temperature and charge/discharge rate based on the data from which the noise has been removed.
  • 120, 130, 140 lifespan (SOH) can be predicted.
  • the battery management device 200 may manage and/or control the status and/or operation of the battery module 100.
  • the battery management device 200 may manage and/or control the status and/or operation of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 included in the battery module 100.
  • the battery management device 200 may manage charging and/or discharging of the battery module 100.
  • the battery management device 200 can monitor the voltage, current, temperature, etc. of the battery module 100 and/or the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 included in the battery module 100. there is. Additionally, for monitoring by the battery management device, sensors or various measurement modules, not shown, may be additionally installed in the battery module 100, the charging/discharging path, or any other location in the battery module 100.
  • the battery management device 200 may calculate parameters indicating the state of the battery module 100, for example, SOC (State of Charge) or SOH, based on monitored measured values such as voltage, current, and temperature.
  • the battery management device 200 can control the operation of the relay 300. For example, the battery management device 200 may short-circuit the relay 300 to supply power to the target device. Additionally, the battery management device 200 may short-circuit the relay 300 when a charging device is connected to the battery pack 1000.
  • the battery management device 200 may calculate cell balancing times for each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • the cell balancing time may be defined as the time required to balance battery cells.
  • the battery management device 200 may calculate the cell balancing time based on the SOC, battery capacity, and balancing efficiency of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • the battery management device 200 may calculate the impedance of the battery bank based on data on various factors that change as the battery deteriorates.
  • the battery management device 200 determines the impedance of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 based on data on various factors that change as the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 deteriorate.
  • the presence or absence of abnormal battery cells within the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 can be determined by calculating the imaginary part of .
  • the imaginary part of the battery's impedance is an indicator that can indicate whether the battery generates heat in an abnormal state compared to the normal state of the battery bank.
  • the imaginary part of the impedance of a normal battery bank and an abnormal battery bank can be distinguished.
  • the battery management device 200 detects abnormal battery cells within the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 based on the voltage and current of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140. The presence or absence of can be determined.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing an implementation example of a battery management device according to an embodiment disclosed in this document.
  • the battery management device 200 may include a switch 210, a controller 220, a first resistor 230, and a shunt resistor 240.
  • the switch 210 may be connected to a plurality of battery banks including a plurality of battery cells.
  • the switch 210 may include, for example, a field effect transistor (FET).
  • FET field effect transistor
  • the switch 210 may receive a control signal from the controller 220 to repeatedly turn the switch 210 on and off.
  • the switch 210 may be repeatedly turned on and off based on a control signal received from the controller 220.
  • the switch 210 is repeatedly turned on and off and can transmit current in an alternating current waveform to a plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • the first resistor 230 can control the flow of current inside the battery management device 200, thereby allowing the circuit inside the battery management device 200 to operate smoothly.
  • the controller 220 may determine whether a defective battery cell exists within the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 based on the battery data of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140. . Specifically, the controller 220 determines the presence or absence of heat-generating battery cells within the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 based on the battery data of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140. can do.
  • the controller 220 may generate a control signal to repeatedly turn the switch 210 on and off and apply it to the switch 210 .
  • the controller 220 may measure the voltage value and current value of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 that receive the current of the alternating current waveform based on the switching operation of the switch 210.
  • the controller 220 may measure the current value of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 using the shunt resistor 240.
  • the shunt resistor 240 is a type of shunt resistor that is mainly used to measure current and has a very low resistance value.
  • the shunt resistor 240 can measure the current value of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140, and the controller 220 can measure the current value of each of the plurality of battery banks 110, 120, and 130 from the shunt resistor 240. , 140), each current value can be obtained.
  • FIG. 3 is a graph showing changes in current and voltage values of a battery bank according to time and frequency according to an embodiment disclosed in this document.
  • the current of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 that receive the current of the alternating current waveform based on the control signal from the controller 220 is measured in the form of a square wave (square wave). You can. Additionally, the measurement waveform of the voltage value of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 may fluctuate over time.
  • the controller 220 calculates the AC impedance of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140, which is calculated based on the voltage and current values of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140. It is possible to determine whether a plurality of battery cells included in each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 are abnormal.
  • FIG. 4A is a Fourier transform graph of the current value of the battery bank according to the flow of time and frequency according to an embodiment disclosed in this document.
  • FIG. 4B is a Fourier transform graph of the voltage value of the battery bank according to the flow of time and frequency according to an embodiment disclosed in this document.
  • the controller 220 performs Fourier Transform (FT) on the voltage and current values of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 to form the plurality of battery banks 110. , 120, 130, 140)
  • FT Fourier Transform
  • the Fourier transform refers to a transformation that decomposes a time or space function into time or space frequency components.
  • the controller 220 may decompose the voltage and current values according to time changes of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 into time-frequency components and convert them into complex numbers including a real part and an imaginary part. . That is, the controller 220 may derive waveforms of the real and imaginary parts of the voltage value and current value according to time changes for each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • FIG. 4C is a graph showing the real and imaginary parts of the impedance of the battery bank according to the flow of time and frequency according to an embodiment disclosed in this document.
  • the controller 220 controls the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 based on the real and imaginary parts of the voltage and current values of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140. 140)
  • the imaginary part of each impedance can be obtained.
  • the controller 220 may calculate the impedance based on Ohm's Law used in RLC direct current circuits.
  • 'V' stands for voltage
  • 'I' stands for current
  • 'R' stands for resistance
  • 'Z' stands for impedance.
  • Impedance is a value that impedes the flow of current when voltage is applied to a circuit.
  • the impedance value can be expressed as the ratio of voltage (V) and current (I) in an AC circuit, and impedance in an AC circuit has a phase value, unlike the resistance used in a DC circuit.
  • the real and imaginary parts of the impedance according to the change in time frequency of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 can be separately calculated by inputting the imaginary parts, respectively.
  • the imaginary part of the impedance of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 may change depending on the temperature of the battery bank. While the imaginary part of the impedance of the battery bank has a constant value despite changes in time frequency, it may change depending on changes in the temperature of the battery bank.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in the imaginary part of the impedance of a battery bank according to a change in time frequency according to an embodiment described in this document.
  • the graph shown in FIG. 5 represents the change in the imaginary part of the impedance of a battery bank including six battery cells 6P connected in parallel.
  • the graph shown by the dotted line at the bottom in FIG. 5 shows the change in the imaginary part of the impedance of the battery bank measured when all six battery cells are at 20°C.
  • the graph shown with a dotted line in the middle shows the change in the imaginary part of the impedance of the battery bank measured when one battery cell (1P) is at 60°C and the remaining five battery cells (5P) are at 20°C.
  • the graph shown as a solid line represents the change in the imaginary part of the impedance of the battery bank measured when one battery cell (1P) is at 70°C and the remaining five battery cells (5P) are at 20°C.
  • the controller 220 can diagnose temperature changes in a plurality of battery cells based on changes in the imaginary part of the impedance of the plurality of battery banks.
  • the imaginary value of the alternating current impedance of the battery bank when heat generation occurs in one or more battery cells inside the battery bank is the imaginary value of the alternating current impedance of the battery bank composed of normal battery cells. It can be distinguished from Imaginary Value.
  • the controller 220 may determine that a heat generation phenomenon has occurred in one of the plurality of battery cells inside the battery bank based on the imaginary part of the impedance of the battery bank.
  • the controller 220 controls the plurality of batteries when the imaginary part of the impedance of any one of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 exceeds a pre-stored threshold. It may be determined that a heat-generating battery cell exists in at least one of the battery cells inside one of the banks 110, 120, 130, and 140.
  • the controller 220 determines that the imaginary part of the impedance of one of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 is a critical error of the imaginary part of the impedance of the other battery bank connected in series. If the range is exceeded, it may be determined that a heat-generating battery cell exists in at least one of the battery cells inside one of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • the battery management device 200 determines the presence or absence of abnormal battery cells within the battery bank based on the impedance of the battery bank obtained by measuring the current and voltage of the battery bank. can be judged.
  • the battery management device 200 can prevent thermal runaway of the battery bank in advance by detecting abnormal battery cells within the battery bank in advance while the battery bank is operating.
  • the battery bank when detecting abnormal battery cells using a DC resistance meter of an existing battery bank, the battery bank had to be charged and discharged with a large current of 1C or more, so there was a problem that large equipment such as a cycler, a large current charger, was needed, but a battery management device (200) generates and applies an alternating current waveform through switching to the battery bank, thereby reducing costs by eliminating the need for large equipment.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method of operating a battery management device according to an embodiment disclosed in this document.
  • the method of operating the battery management device includes sending a control signal to repeatedly turn on and off a switch 210 connected to a plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 including a plurality of battery cells.
  • Applying (S101), measuring the voltage and current values of each of the plurality of battery banks (110, 120, 130, 140) (S102), measuring the voltage and current values of the plurality of battery banks (110, 110) based on the voltage and current values.
  • 120, 130, 140) calculating the AC impedance of each (S103) and calculating the AC impedance of each of the plurality of battery banks (110, 120, 130, 140) based on the AC impedance of each of the plurality of battery banks (110, 120, 130, 140).
  • It may include a step (S104) of determining whether a plurality of battery cells included in each battery cell are abnormal.
  • the switch 210 may receive a control signal from the controller 220 to repeatedly turn the switch 210 on and off.
  • the switch 210 may be connected to a plurality of battery banks including a plurality of battery cells.
  • Switch 210 may include, for example, a field effect transistor (FET).
  • the switch 210 may be repeatedly turned on and off based on a control signal received from the controller 220.
  • the switch 210 is repeatedly turned on and off and can transmit current in an alternating current waveform to a plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • step S101 the controller 220 may generate a control signal for repeatedly turning the switch 210 on and off and apply it to the switch 210.
  • step S102 the controller 220 can measure the voltage value and current value of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 that receive the current of the alternating current waveform based on the switching operation of the switch 210. there is.
  • step S103 the controller 220 performs Fourier transform on the voltage value and current value of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 to obtain the voltage value of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140. And the real and imaginary parts of the current value can be obtained.
  • the Fourier transform refers to a transformation that decomposes a time or space function into time or space frequency components.
  • step S103 the controller 220 decomposes the voltage and current values according to time changes of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 into time-frequency components and converts them into complex numbers including a real part and an imaginary part. It can be converted.
  • the controller 220 may derive real and imaginary part waveforms of the voltage value and current value according to time changes for each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • step S103 the controller 220 controls the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 based on the real and imaginary parts of the voltage and current values of each of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • the imaginary part of each impedance can be obtained.
  • the controller 220 may calculate the impedance based on Ohm's law used in the RLC DC circuit.
  • the controller 220 may diagnose a change in temperature of a plurality of battery cells based on a change in the imaginary part of the impedance of the plurality of battery cells.
  • the imaginary value of the alternating current impedance when heat generation occurs in one or more battery cells inside the battery bank can be distinguished from the imaginary value of the alternating current impedance of the battery bank composed of normal battery cells.
  • step S104 the controller 220 may determine that a heat generation phenomenon has occurred in one of the plurality of battery cells within the battery bank based on the imaginary part of the impedance of the battery bank.
  • step S104 the controller 220 determines if the imaginary part of the impedance of any one of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 exceeds a pre-stored threshold. , it may be determined that a heat-generating battery cell exists in at least one of the battery cells inside one of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • step S104 the controller 220 determines that the imaginary part of the impedance of one of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140 is the imaginary part of the impedance of the other battery bank connected in series. If the value exceeds the critical error range, it may be determined that a heat-generating battery cell exists in at least one of the battery cells inside one of the plurality of battery banks 110, 120, 130, and 140.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the hardware configuration of a computing system implementing a battery management device according to an embodiment disclosed in this document.
  • the computing system 2000 may include an MCU 2100, a memory 2200, an input/output I/F 2300, and a communication I/F 2400. there is.
  • the MCU 2100 executes various programs (for example, a battery bank impedance calculation program) stored in the memory 2200, processes various data through these programs, and operates the battery management device shown in FIG. 1 described above ( It may be a processor that performs the functions of 200).
  • programs for example, a battery bank impedance calculation program
  • It may be a processor that performs the functions of 200).
  • the memory 2200 may store various programs related to the operation of the battery management device 200. Additionally, the memory 2200 may store operating data of the battery management device 200.
  • the memory 2200 may be a volatile memory or a non-volatile memory.
  • the memory 2200 as a volatile memory may use RAM, DRAM, SRAM, etc.
  • the memory 2200 as a non-volatile memory may be ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, flash memory, etc.
  • the examples of memories 2200 listed above are merely examples and are not limited to these examples.
  • the input/output I/F 2300 is an interface that connects input devices such as a keyboard, mouse, and touch panel (not shown) and output devices such as a display (not shown) and the MCU 2100 to transmit and receive data. can be provided.
  • the communication I/F 2400 is a component that can transmit and receive various data with a server, and may be various devices that can support wired or wireless communication. For example, programs or various data for resistance measurement and abnormality diagnosis can be transmitted and received from a separately provided external server through the communication I/F 2400.

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Abstract

본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 뱅크와 연결되는 스위치 및 상기 스위치를 반복적으로 온오프시키기 위한 제어신호를 인가하고, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값을 측정하고, 상기 전압값 및 전류값을 기초로 연산되는 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법
관련출원과의 상호인용
본 문서에 개시된 실시예들은 2022.05.25.에 출원된 한국 특허 출원 제10-2022-0064229호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로서 포함한다.
기술분야
본 문서에 개시된 실시예들은 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
전기차는 외부로부터 전기를 공급받아 배터리를 충전한 후, 배터리에 충전된 전압으로 모터를 구동시켜 동력을 얻는다. 전기차의 배터리는 전기를 충전 및 방전하는 과정에서 발생하는 화학적 반응으로 열이 발생할 수 있고, 이러한 열은 배터리의 성능 및 수명을 손상시킬 수 있다. 따라서 배터리의 온도, 전압 및 전류를 모니터링하는 배터리 관리 장치(BMS, Battery Management System)가 구동되어 배터리의 상태를 진단 및 제어한다.
그런데, 종래의 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 뱅크(Bank) 각각에 써미스터(Thermister)를 부착하여 온도를 계측하지 않는 이상 배터리 뱅크 내부의 발열 현상이 발생한 배터리 셀을 검출하기 어려운 문제가 있다.
종래의 배터리 관리 장치는 배터리 뱅크 각각의 직류 저항(DCR)을 계측하여 배터리 내부의 발열 배터리 셀을 검출할 수 있지만, 직류 저항 계측 시 대형 장비가 이용되어 배터리 뱅크가 충전 중인 상태에서만 직류 저항의 계측이 가능하고 배터리 뱅크를 사용중인 경우에는 계측이 불가능해 실효성이 떨어지는 문제가 있다.
본 문서에 개시되는 실시예들의 일 목적은 배터리 뱅크의 전류 및 전압을 측정하여 획득한 배터리 뱅크의 임피던스를 기초로 배터리 뱅크 내부의 이상 배터리 셀의 존재 여부를 판단할 수 있는 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
본 문서에 개시된 실시예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 뱅크와 연결되는 스위치 및 상기 스위치를 반복적으로 온오프시키기 위한 제어신호를 인가하고, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값을 측정하고, 상기 전압값 및 전류값을 기초로 연산되는 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값을 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 상기 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 컨트롤러는 상기 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각 각각의 임피던스의 허수부를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 기 저장된 임계값을 초과하는 경우, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나와 직렬 연결된 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부 값의 임계 오차 범위를 초과하는 경우, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법은 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 뱅크와 연결되는 스위치를 반복적으로 온오프시키기 위한 제어신호를 인가하는 단계, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값을 측정하는 단계, 상기 전압값 및 전류값을 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 연산하는 단계 및 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전압값 및 전류값을 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 연산하는 단계는 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값을 푸리에 변환하여 상기 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전압값 및 전류값을 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 연산하는 단계는 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각 각각의 임피던스의 허수부를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 단계는 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 기 저장된 임계값을 초과하는 경우, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 단계는 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나와 직렬 연결된 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부 값의 임계 오차 범위를 초과하는 경우, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
본 문서에 개시되는 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법에 따르면 배터리의 뱅크의 전류 및 전압을 측정하여 획득한 배터리 뱅크의 임피던스를 기초로 배터리 뱅크 내부의 이상 배터리 셀의 존재 여부를 판단할 수 있다.
도 1은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 팩을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 흐름에 따른 배터리 뱅크의 전류값 및 전압값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 흐름에 따른 배터리 뱅크의 전류값을 푸리에 변환한 그래프이다.
도 4b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 흐름에 따른 배터리 뱅크의 전압값을 푸리에 변환한 그래프이다.
도 4c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 흐름에 따른 배터리 뱅크의 임피던스의 실수부 및 허수부를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 문서에 기재된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 변화에 따른 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 7은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 구현하는 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 본 문서에 개시된 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 문서에 개시된 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 문서에 개시된 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 문서에 개시된 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 문서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 팩을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 배터리 모듈(100), 배터리 관리 장치(200) 및 릴레이(300)를 포함할 수 있다.
배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 복수의 배터리 뱅크가 4개인 것으로 도시되었지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 모듈(100)은 n(n은 2이상의 자연수)개의 배터리 뱅크를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 모듈(100)은 대상 장치(미도시)에 전원을 공급할 수 있다. 이를 위해, 배터리 모듈(100)은 대상 장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 대상 장치는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)를 포함하는 배터리 팩(1000)으로부터 전원을 공급받아 동작하는 전기적, 전자적, 또는 기계적인 장치를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 대상 장치는 전기 자동차(EV) 또는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)는 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 배터리 셀은 전기 에너지를 충방전하여 사용할 수 있는 배터리의 기본 단위로, 리튬이온(Li-ion) 전지, 리튬이온 폴리머(Li-ion polymer) 전지, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-MH) 전지 등일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 일 실시예에 따라, 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각에 포함된 복수의 배터리 셀들은 병렬 연결될 수 있다.
한편, 도 1에서는 배터리 모듈(100)이 한 개인 경우로 도시되나, 실시예에 따라 배터리 모듈(100)은 복수개로 구성될 수도 있다.
배터리 관리 장치(BMS, Battery Management System) (200)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 온도 및 전압 데이터에 기초하여 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 수명(SOH, State of Health)을 예측할 수 있다. 배터리 관리 장치(200)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 배터리 데이터의 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 데이터에 기초하여 배터리의 온도 및 충방전율 별 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 수명(SOH)을 예측할 수 있다.
배터리 관리 장치(200)는 배터리 모듈(100)의 상태 및/또는 동작을 관리 및/또는 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치(200)는 배터리 모듈(100)에 포함된 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 상태 및/또는 동작을 관리 및/또는 제어할 수 있다. 배터리 관리 장치(200)는 배터리 모듈(100)의 충전 및/또는 방전을 관리할 수 있다.
또한, 배터리 관리 장치(200)는 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 모듈(100)에 포함된 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 할 수 있다. 그리고 배터리 관리 장치에 의한 모니터링을 위해 도시하지 않은 센서나 각종 측정 모듈이 배터리 모듈(100)이나 충방전 경로, 또는 배터리 모듈(100) 등의 임의의 위치에 추가로 설치될 수 있다. 배터리 관리 장치(200)는 모니터링 한 전압, 전류, 온도 등의 측정값에 기초하여 배터리 모듈(100)의 상태를 나타내는 파라미터, 예를 들어 SOC(State of Charge)나 SOH 등을 산출할 수 있다.
배터리 관리 장치(200)는 릴레이(300)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치(200)는 대상 장치에 전원을 공급하기 위해 릴레이(300)를 단락시킬 수 있다. 또한, 배터리 관리 장치(200)는 배터리 팩(1000)에 충전 장치가 연결되는 경우 릴레이(300)를 단락시킬 수 있다.
배터리 관리 장치(200)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 셀 밸런싱 타임을 산출할 수 있다. 여기서, 셀 밸런싱 타임은 배터리 셀의 밸런싱에 소요되는 시간으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치(200)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 SOC, 배터리 용량 및 밸런싱 효율에 기초하여 셀 밸런싱 타임을 산출할 수 있다.
복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)는 사용 기간 또는 사용 횟수가 증가할수록 용량이 감소하고, 내부 저항이 증가하고, 배터리의 여러 인자들이 변화할 수 있다. 배터리 관리 장치(200)는 배터리가 열화됨에 따라 변화하는 여러 인자들의 데이터를 기초로 배터리 뱅크의 임피던스를 산출할 수 있다.
구체적으로 배터리 관리 장치(200)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)가 열화됨에 따라 변화하는 여러 인자들의 데이터를 기초로 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 임피던스의 허수부를 산출하여 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 내부의 이상 배터리 셀의 존재 여부를 판단할 수 있다.
배터리의 임피던스의 허수부는 배터리 뱅크의 정상 상태 대비 이상 상태에서의 배터리의 발열 여부를 나타낼 수 있는 지표이다. 정상 배터리 뱅크와 이상 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부는 구분될 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 장치(200)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압 및 전류를 기초로 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 내부의 이상 배터리 셀의 존재 여부를 판단할 수 있다.
이하에서 배터리 관리 장치(200)의 구성 및 동작에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 관리 장치(200)는 스위치(210), 컨트롤러(220), 제1 저항(230) 및 션트 저항(240)를 포함할 수 있다.
스위치(210)는 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 뱅크와 연결될 수 있다. 스위치(210)는 예를 들어, 전계 효과 트렌지스터(FET, Field Effect Transistor)를 포함할 수 있다. 스위치(210)는 컨트롤러(220)로부터 스위치(210)를 반복적으로 온오프 시키기 위한 제어 신호를 수신할 수 있다. 스위치(210)는 컨트롤러(220)로부터 수신한 제어 신호에 기초하여 반복적으로 온오프 될 수 있다. 스위치(210)는 반복적으로 온오프 되며 교류 파형의 전류를 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)에 전달할 수 있다.
제1 저항(230)은 배터리 관리 장치(200) 내부의 전류의 흐름을 제어함으로써 배터리 관리 장치(200) 내부의 회로를 원만하게 동작하도록 할 수 있다.
컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 배터리 데이터를 기초로 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 내부의 이상 배터리 셀의 존재 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 배터리 데이터를 기초로 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 내부의 발열 배터리 셀의 존재 여부를 판단할 수 있다.
컨트롤러(220)는 스위치(210)를 반복적으로 온오프시키기 위한 제어신호를 생성하여 스위치(210)에 인가할 수 있다. 컨트롤러(220)는 스위치(210)의 스위칭 동작에 기초하여 교류 파형의 전류를 전달받은 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값을 측정할 수 있다.
구체적으로 컨트롤러(220)는 션트 저항(240)을 이용하여 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전류값을 측정할 수 있다. 여기서 션트 저항(240)은 분로저항의 일종으로 전류 측정에 주로 사용되는 저항으로 저항값이 매우 낮은 저항이다. 션트 저항(240)은 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전류값을 측정할 수 있고, 컨트롤러(220)는 션트 저항(240)으로부터 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전류값을 획득할 수 있다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 흐름에 따른 배터리 뱅크의 전류값 및 전압값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 컨트롤러(220)의 제어신호에 기초하여 교류 파형의 전류를 전달받은 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전류가 구형파(사각파)의 형태로 측정될 수 있다. 또한, 시간의 흐름에 따른 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값의 측정 파형이 흔들릴 수 있다.
컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값을 기초로 연산되는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 교류 임피던스를 기초로 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단할 수 있다.
도 4a는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 흐름에 따른 배터리 뱅크의 전류값을 푸리에 변환한 그래프이다.
도 4b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 흐름에 따른 배터리 뱅크의 전압값을 푸리에 변환한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값을 푸리에 변환(Fourier Transform, FT)하여 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값의 실수부 및 허수부를 획득할 수 있다. 여기서 푸리에 변환은 시간이나 공간에 대한 함수를 시간 또는 공간 주파수 성분으로 분해하는 변환을 의미한다. 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 시간의 변화에 따른 전압값 및 전류값을 시간 주파수 성분으로 분해하여 실수부 및 허수부를 포함하는 복소수로 변환할 수 있다. 즉, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 시간의 변화에 따른 전압값 및 전류값의 실수부 및 허수부의 파형을 도출할 수 있다.
도 4c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 흐름에 따른 배터리 뱅크의 임피던스의 실수부 및 허수부를 나타내는 그래프이다.
도 4c를 참조하면, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 기초로 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 임피던스의 허수부를 획득할 수 있다. 구체적으로 컨트롤러(220)는 RLC 직류 회로에서 사용되는 옴의 법칙(Ohm's Law)을 기초로 임피던스를 산출할 수 있다.
RLC 직류 회로에 있어서 옴의 법칙은'V=I*R' 이며, 옴의 법칙을 교류 회로로 확장하는 경우 'V=I*Z'또는 'Z=V/I'로 사용할 수 있다. 여기서 'V'는 전압, 'I'는 전류, 'R'은 저항, 'Z'는 임피던스(Impedance)를 의미힌다. 임피던스는 회로에 전압이 가해졌을 때 전류의 흐름을 방해하는 값이다. 임피던스 값은 교류 회로의 전압(V)과 전류(I)의 비로 나타낼 수 있으며, 교류 회로에서 임피던스는 직류 회로에서 사용되는 저항과 달리 위상의 값을 갖는다.
컨트롤러(220)는 'Z=V/I'공식에 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 시간 주파수의 변화에 따른 전압값(V) 및 전류값의(I) 실수부 및 허수부를 각각 입력하여 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 시간 주파수의 변화에 따른 임피던스의 실수부 및 허수부를 별도로 연산할 수 있다. 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)의 임피던스의 허수부는 배터리 뱅크의 온도에 따라 변화할 수 있다. 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부는 시간 주파수의 변화에도 일정한 값을 갖는 반면, 배터리 뱅크의 온도의 변화에 따라 변화할 수 있다.
도 5는 본 문서에 기재된 일 실시예에 따른 시간 주파수의 변화에 따른 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부의 변화를 보여주는 그래프이다.
구체적으로 도 5에 도시된 그래프는 병렬 연결된 6개의 배터리 셀(6P)을 포함하는 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부의 변화를 의미한다.
도 5에 있어서 가장 아래에 점선으로 도시된 그래프는 6개의 배터리 셀 모두 20°C 일때 측정된 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부의 변화를 나타낸다. 중간에 점선으로 도시된 그래프는 1개의 배터리 셀(1P)이 60°C 이고 나머지 5개의 배터리 셀들(5P)이 20°C 일때 측정된 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부의 변화를 나타낸다. 실선으로 도시된 그래프는 1개의 배터리 셀(1P)이 70°C 이고 나머지 5개의 배터리 셀들(5P)이 20°C 일때 측정된 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부의 변화를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부의 변화로부터 복수의 배터리 셀들의 온도 변화를 진단할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 배터리 뱅크 내부에서 1개 이상의 배터리 셀에 발열 현상이 발생한 경우의 배터리 뱅크의 교류 임피던스의 허수부(Imaginary Value)는 정상 배터리 셀들로 구성된 배터리 뱅크의 교류 임피던스의 허수부(Imaginary Value)와 구분될 수 있다. 컨트롤러(220)는 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부를 기초로 배터리 뱅크 내부의 복수의 배터리 셀들 중 어느 하나에 발열 현상이 발생한 것을 판단할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따라, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 기 저장된 임계값을 초과하는 경우, 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 실시예에 따라, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 직렬 연결된 다른 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부 값의 임계 오차 범위를 초과하는 경우, 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 문서에 개시되는 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(200)는 배터리 뱅크의 전류 및 전압을 측정하여 획득한 배터리 뱅크의 임피던스를 기초로 배터리 뱅크 내부의 이상 배터리 셀의 존재 여부를 판단할 수 있다.
또한, 배터리 관리 장치(200)는 배터리 뱅크의 운행 중에 배터리 뱅크 내부의 이상 배터리 셀을 사전에 검출하여, 배터리 뱅크의 열폭주를 사전에 방지할 수 있다.
그리고, 기존의 배터리 뱅크의 직류 저항 측정기를 이용하여 이상 배터리 셀을 검출하는 경우 1C 이상의 큰 전류로 배터리 뱅크를 충방전 시켜야 했기에 대형 전류 충전기인 Cycler와 같은 대형 장비가 필요한 문제가 있었으나, 배터리 관리 장치(200)는 배터리 뱅크에 스위칭을 통한 교류 파형을 생성하여 인가하여 대형 장비가 필요 없어 비용을 절감시킬 수 있다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 배터리 관리 장치의 동작 방법은 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)와 연결되는 스위치(210)를 반복적으로 온오프시키기 위한 제어신호를 인가하는 단계(S101), 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값을 측정하는 단계(S102), 전압값 및 전류값을 기초로 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 교류 임피던스를 연산하는 단계(S103) 및 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 교류 임피던스를 기초로 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 단계(S104)를 포함할 수 있다.
S101 단계에서, 스위치(210)는 컨트롤러(220)로부터 스위치(210)를 반복적으로 온오프 시키기 위한 제어 신호를 수신할 수 있다. 여기서 스위치(210)는 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 뱅크와 연결될 수 있다. 스위치(210)는 예를 들어, 전계 효과 트렌지스터(FET)를 포함할 수 있다.
S101 단계에서, 스위치(210)는 컨트롤러(220)로부터 수신한 제어 신호에 기초하여 반복적으로 온오프 될 수 있다. 스위치(210)는 반복적으로 온오프 되며 교류 파형의 전류를 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140)에 전달할 수 있다.
S101 단계에서, 컨트롤러(220)는 스위치(210)를 반복적으로 온오프시키기 위한 제어신호를 생성하여 스위치(210)에 인가할 수 있다.
S102 단계에서, 컨트롤러(220)는 스위치(210)의 스위칭 동작에 기초하여 교류 파형의 전류를 전달받은 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값을 측정할 수 있다.
S103 단계에서, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값을 푸리에 변환하여 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값의 실수부 및 허수부를 획득할 수 있다. 여기서 푸리에 변환은 시간이나 공간에 대한 함수를 시간 또는 공간 주파수 성분으로 분해하는 변환을 의미한다.
S103 단계에서, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 시간의 변화에 따른 전압값 및 전류값을 시간 주파수 성분으로 분해하여 실수부 및 허수부를 포함하는 복소수로 변환할 수 있다. S103 단계에서, 즉, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 시간의 변화에 따른 전압값 및 전류값의 실수부 및 허수부 파형을 도출할 수 있다.
S103 단계에서, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 기초로 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 각각의 임피던스의 허수부를 획득할 수 있다. S103 단계에서, 컨트롤러(220)는 RLC 직류 회로에서 사용되는 옴의 법칙을 기초로 임피던스를 산출할 수 있다. S103 단계에서, 컨트롤러(220)는 'Z=V/I'공식에 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 내부의 복수의 배터리 셀들 각각의 시간 주파수의 변화에 따른 전압값 및 전류값의 실수부 및 허수부를 입력하여 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 내부의 복수의 배터리 셀들 각각의 시간 주파수의 변화에 따른 임피던스의 실수부 및 허수부를 연산할 수 있다.
S104 단계에서, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 셀들의 임피던스의 허수부의 변화로부터 복수의 배터리 셀들의 온도 변화를 진단할 수 있다. 배터리 뱅크 내부에서 1개 이상의 배터리 셀에 발열 현상이 발생한 경우의 교류 임피던스의 허수부(Imaginary Value)는 정상 배터리 셀들로 구성된 배터리 뱅크의 교류 임피던스의 허수부(Imaginary Value)와 구분될 수 있다.
S104 단계에서, 컨트롤러(220)는 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부를 기초로 배터리 뱅크 내부의 복수의 배터리 셀들 중 어느 하나에 발열 현상이 발생한 것을 판단할 수 있다.
S104 단계에서, 예를 들어, 실시예에 따라, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 기 저장된 임계값을 초과하는 경우, 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
S104 단계에서, 또한, 실시예에 따라, 컨트롤러(220)는 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 직렬 연결된 다른 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부 값의 임계 오차 범위를 초과하는 경우, 복수의 배터리 뱅크(110, 120, 130, 140) 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 구현하는 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템(2000)은 MCU(2100), 메모리(2200), 입출력 I/F(2300) 및 통신 I/F(2400)를 포함할 수 있다.
MCU(2100)는 메모리(2200)에 저장되어 있는 각종 프로그램(예를 들면, 배터리 뱅크의 임피던스 산출 프로그램)을 실행시키고, 이러한 프로그램들을 각종 데이터를 처리하며, 전술한 도 1에 나타낸 배터리 관리 장치(200)의 기능들을 수행하도록 하는 프로세서일 수 있다.
메모리(2200)는 배터리 관리 장치(200)의 작동에 관한 각종 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(2200)는 배터리 관리 장치(200)의 작동 데이터를 저장할 수 있다.
이러한 메모리(2200)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수도 있을 것이다. 메모리(2200)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(2200)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(2200)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(2200)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
입출력 I/F(2300)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 MCU(2100) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
통신 I/F(2400)는 서버와 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다. 예를 들면, 통신 I/F(2400)를 통해 별도로 마련된 외부 서버로부터 저항 측정 및 이상 진단을 위한 프로그램이나 각종 데이터 등을 송수신할 수 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 개시에 개시된 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 뱅크와 연결되는 스위치; 및
    상기 스위치를 반복적으로 온오프시키기 위한 제어신호를 인가하고, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값을 측정하고, 상기 전압값 및 전류값을 기초로 연산되는 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 컨트롤러를 포함하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값을 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 상기 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 획득하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각 각각의 임피던스의 허수부를 획득하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 기 저장된 임계값을 초과하는 경우, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나와 직렬 연결된 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부 값의 임계 오차 범위를 초과하는 경우, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 뱅크와 연결되는 스위치를 반복적으로 온오프시키기 위한 제어신호를 인가하는 단계;
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값을 측정하는 단계;
    상기 전압값 및 전류값을 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 연산하는 단계; 및
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 단계를 포함하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 전압값 및 전류값을 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 연산하는 단계는
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값을 푸리에 변환하여 상기 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 획득하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 전압값 및 전류값을 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 연산하는 단계는
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압값 및 전류값의 실수부와 허수부를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각 각각의 임피던스의 허수부를 획득하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 단계는
    상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 기 저장된 임계값을 초과하는 경우, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 교류 임피던스를 기초로 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 포함된 복수의 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 단계는
    상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부가 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나와 직렬 연결된 배터리 뱅크의 임피던스의 허수부 값의 임계 오차 범위를 초과하는 경우, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 어느 하나의 내부의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 발열 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
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