JP2022539744A - バッテリー管理装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置は、容量－電圧微分プロファイルに基づいてバッテリーセルの状態を診断するように構成されたことを特徴とする。具体的には、バッテリー管理装置は、容量－電圧微分プロファイルにおいて正極反応面積に関連するピーク及び可用リチウム損失に関連するピークの変化様相に応じてバッテリーセルの状態を診断する。本発明の一実施形態によれば、バッテリーセルの駆動中にもバッテリーセルの状態をリアルタイムで診断することができる。また、バッテリーセルの正極反応面積の減少及び可用リチウムの損失を独立的に診断することができる。

Description

本発明は、バッテリー管理装置及び方法に関し、より詳しくは、容量－電圧微分プロファイルに基づいてバッテリーセルの状態を診断し、バッテリーセルを管理するバッテリー管理装置及び方法に関する。
本出願は、２０１９年９月１１日付け出願の韓国特許出願第１０－２０１９－０１１２９３６号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
近年、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に伸び、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれて、繰り返して充放電可能な高性能バッテリーに対する研究が活発に行われている。
現在、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムバッテリーなどのバッテリーが商用化しているが、中でもリチウムバッテリーはニッケル系列のバッテリーに比べてメモリ効果が殆ど起きず充放電が自在であって、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
バッテリーセルは充電や放電が繰り返されるにつれて退化が進行する。例えば、バッテリーセルの正極側では電解液が酸化するかまたは結晶構造が破壊され、バッテリーセルが退化し得る。負極側では、金属リチウムが析出されてバッテリーセルが退化し得る。また、一般に、リチウムイオン二次電池の製造条件によって、二次電池の容量劣化が早まることがある。
したがって、従来、バッテリーセルの製造段階で長期容量信頼性を確保するため、容量－電圧微分プロファイルに基づいてバッテリーセルの異常を検知する技術が開示された（特許文献１）。
ただし、特許文献１は、バッテリーセルの製造段階でバッテリーセルの長期容量信頼性を検知するためのものであるため、バッテリーセルの充電が同じ充電Ｃ－レート（Ｃｕｒｒｅｎｔ ｒａｔｅ）で行われる制限がある。
例えば、特許文献１では、予め設定された充電Ｃ－レートと異なる充電Ｃ－レートでバッテリーセルが充電される場合は、バッテリーセルの状態を診断することができない。すなわち、特許文献１は、バッテリーセルが車両などに備えられて実際に使用される過程では活用できず、バッテリーセルを製造する段階でテスト用途のみで活用できるという限界がある。
韓国特許公開第１０－２０１３－０１４２８８４号公報
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、容量－電圧微分プロファイルに基づいて、バッテリーセルの駆動中にもリアルタイムでバッテリーセルの状態を診断することができるバッテリー管理装置及び方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
本発明の一態様によるバッテリー管理装置は、バッテリーセルの充放電サイクルにおいて、バッテリーセルの充電中または放電中にバッテリーセルの電圧及び電流を測定するように構成された測定部と、測定部によって測定されたバッテリーセルの電流に基づいてバッテリーセルの容量を推定するように構成された制御部と、測定部によって測定されたバッテリーセルの電圧と制御部によって推定されたバッテリーセルの容量とに基づいて生成された容量－電圧微分プロファイル、及び充放電サイクルそれぞれの充放電Ｃ－レートを保存するように構成された保存部と、を含む。
制御部は、保存部に保存された、同じ充放電Ｃ－レートを有する充放電サイクル同士でグループを生成し、同一グループに含まれた充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルをそれぞれ比較して、バッテリーセルの状態を診断するように構成され得る。
制御部は、新規の充放電サイクルが行われる過程で測定部によって測定されたバッテリーセルの電流に基づいてバッテリーセルの容量を推定し、測定部によって測定された電圧と推定された容量とに基づいて新規の容量－電圧微分プロファイルを生成するように構成され得る。
制御部は、生成されたグループのうち所定のグループを選択し、選択された所定のグループの充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルと新規の容量－電圧微分プロファイルとの間の変化類型に応じてバッテリーセルの状態を診断するように構成され得る。
所定のグループは、生成されたグループのうち新規の充放電サイクルの充放電Ｃ－レートと同じ充放電Ｃ－レートを有するグループであり得る。
制御部は、同一グループに含まれた充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから、バッテリーセルに備えられたバッテリーセルの可用リチウムの損失に関連する第１ピーク、及び正極反応面積に関連する第２ピークのうち少なくとも一つを抽出するように構成され得る。
制御部は、抽出された複数の第１ピーク及び複数の第２ピークのうち少なくとも一つの変化類型に応じてバッテリーセルの状態を診断するように構成され得る。
制御部は、充放電サイクルが増加するにつれて複数の第１ピークの電圧が高電位側に移動した場合、バッテリーセルの状態を、備えられたバッテリーセルの可用リチウムが損失された状態と診断するように構成され得る。
制御部は、充放電サイクルが増加するにつれて複数の第２ピークの単位電圧当り容量変化量が減少した場合、バッテリーセルの状態を、備えられたバッテリーセルの正極反応面積が減少した状態と診断するように構成され得る。
制御部は、容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから複数のピークを抽出し、抽出された複数のピークのうち所定の条件を満足する基準ピークを選択し、選択された基準ピークの電圧及び単位電圧当り容量変化量に基づいて第１ピーク及び第２ピークの少なくとも一つを抽出するように構成され得る。
基準ピークは、容量－電圧微分プロファイルにおいて、バッテリーセルの正極ピークと負極ピークとが混在して重なったピークであり得る。
制御部は、抽出された複数のピークのうち、基準ピークの電圧よりも低電位区間で第１ピークを選択するように構成され得る。
制御部は、抽出された複数のピークのうち、低電位区間で基準ピークの単位電圧当り容量変化量に最も近似した単位電圧当り容量変化量を有するピークを第１ピークとして選択するように構成され得る。
制御部は、抽出された複数のピークのうち、基準ピークの電圧よりも高電位区間で第２ピークを選択するように構成され得る。
制御部は、高電位区間に属した複数のピークのうち、傾きが正から負に変わるピークであって、対応する電圧が最大であるピークを第２ピークとして選択するように構成され得る。
制御部は、バッテリーセルの状態を診断した結果に基づいて、バッテリーセルの充電または放電Ｃ－レートの臨界値及びバッテリーセルの動作電圧範囲の少なくとも一つを変更するように構成され得る。
本発明の他の態様によるバッテリーパックは、本発明の一態様によるバッテリー管理装置を含む。
本発明のさらに他の態様によるバッテリー管理方法は、バッテリーセルの充放電サイクルにおいて、バッテリーセルの充電中または放電中にバッテリーセルの電圧及び電流を測定する電圧及び電流測定段階と、測定段階で測定されたバッテリーセルの電流に基づいてバッテリーセルの容量を推定する容量推定段階と、同じ充放電Ｃ－レートを有する充放電サイクル同士でグループを生成するグループ生成段階と、同一グループに含まれた充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルをそれぞれ比較してバッテリーセルの状態を診断する状態診断段階と、を含む。
本発明の一態様によれば、バッテリーセルの駆動中にもバッテリーセルの状態をリアルタイムで診断することができる。
また、バッテリーセルの正極反応面積の減少と可用リチウムの損失とを独立的に診断することができる。
また、バッテリーセルの電圧－容量プロファイル及び容量－電圧微分プロファイルを考慮して選択されたピークによってバッテリーセルの状態を診断するため、バッテリーセル状態診断の正確度及び信頼度を向上させることができる。
また、バッテリーセルの容量－電圧微分プロファイルが蓄積されるほど、バッテリーセルの状態診断の正確度及び信頼度が向上することができる。
本発明の効果は上記の効果に制限されず、他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解できるであろう。
本明細書に添付される次の図面は、発明の詳細な説明ともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものであるため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置を概略的に示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置が含まれたバッテリーパックの構成を例示的に示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置で生成した第１容量－電圧微分プロファイルを概略的に示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置で生成した第２容量－電圧微分プロファイルを概略的に示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置で生成した電圧－容量プロファイルを概略的に示した図である。 第１バッテリーセルの充電サイクル毎の容量－電圧微分プロファイルを概略的に示した図である。 第２バッテリーセルの充電サイクル毎の容量－電圧微分プロファイルを概略的に示した図である。 第３バッテリーセルの充電サイクル毎の容量－電圧微分プロファイルを概略的に示した図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリー管理方法を概略的に示した図である。
本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や事前的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
また、本発明の説明において、関連公知構成または機能についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちある一つをその他の要素と区別するために使われたものであり、これら用語によって構成要素が限定されることはない。
明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは特に言及されない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載された制御部１３０のような用語は少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの組合せで具現され得る。
さらに、明細書の全体において、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されるとするとき、これは「直接的な連結（接続）」だけではなく、他の素子を介在した「間接的な連結（接続）」も含む。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００を概略的に示した図である。図２は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００が含まれたバッテリーパック１の構成を例示的に示した図である。
図１を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、測定部１１０、保存部１２０及び制御部１３０を含むことができる。
また、図２を参照すると、バッテリー管理装置１００は、バッテリーパック１の内部に備えられ、バッテリーセル１０と接続され得る。ただし、図２は単一バッテリーセル１０がバッテリーパック１に備えられた例を示した図であるが、バッテリーパック１には一つ以上のバッテリーセル１０が直列及び／または並列で接続されたバッテリーモジュールが備えられてもよい。この場合、バッテリー管理装置１００は、バッテリーモジュール及びバッテリーモジュールに含まれた複数のバッテリーセル１０のそれぞれと接続され得る。
バッテリー管理装置１００に含まれた測定部１１０及び保存部１２０は、それぞれ、制御部１３０と接続されて通信することができる。例えば、測定部１１０は、バッテリーセル１０に対して測定した結果を制御部１３０に送信することができる。また、制御部１３０は、保存部１２０に保存されたデータを抽出し、新規データを保存部１２０に保存することもできる。
以下、バッテリー管理装置１００の各構成要素について具体的に説明する。
測定部１１０は、バッテリーセル１０の充放電サイクルにおいて、バッテリーセル１０の充電中または放電中にバッテリーセル１０の電圧及び電流を測定するように構成され得る。
図２を参照すると、測定部１１０は、バッテリーセル１０の電圧を測定する電圧測定ユニット及びバッテリーセル１０の充放電電流を測定する電流測定ユニットを含むことができる。
電圧測定ユニットは、バッテリーセル１０の正極電位及び負極電位を測定し、測定した正極電位と負極電位との差を算出してバッテリーセル１０の電圧を測定することができる。
電流測定ユニットは、バッテリーセル１０の充放電経路上に備えられた電流計Ａを通じてバッテリーセル１０の充放電電流を測定することができる。
測定部１１０は、測定したバッテリーセル１０の電圧及び電流についての情報を信号化して制御部１３０に伝送することができる。
制御部１３０は、測定部１１０によって測定されたバッテリーセル１０の電流に基づいてバッテリーセル１０の容量を推定するように構成され得る。ここで、バッテリーセル１０の容量は、バッテリーセル１０の充電状態であり得る。
例えば、制御部１３０は、バッテリーセル１０が充電される過程で、電流測定ユニットを通じて測定された充電電流量を積算してバッテリーセル１０の容量を推定し得る。また、制御部１３０は、バッテリーセル１０が放電する過程で、電流測定ユニットを通じて測定された放電電流量を積算してバッテリーセル１０の容量を推定し得る。
すなわち、制御部１３０は、電流積算法を用いてバッテリーセル１０の容量を推定し得る。
保存部１２０は、測定部１１０によって測定されたバッテリーセル１０の電圧及び制御部１３０によって推定されたバッテリーセル１０の容量に基づいて生成された容量－電圧微分プロファイル、及び充放電サイクルそれぞれの充放電Ｃ－レートを保存するように構成され得る。
すなわち、保存部１２０は、バッテリーセル１０の容量－電圧微分プロファイル及び充放電サイクルそれぞれのＣ－レート情報を保存するように構成され得る。
ここで、容量－電圧微分プロファイルは、バッテリーセル１０の容量－電圧プロファイルを電圧に対して微分したプロファイルであって、バッテリーセル１０の電圧に対する単位電圧当り容量変化量に関するプロファイルであり得る。
例えば、保存部１２０は、バッテリーセル１０の電圧毎に単位電圧当り容量変化量が記録されたテーブル形態で容量－電圧微分プロファイルを保存し得る。または、保存部１２０は、Ｘ軸がバッテリーセル１０の電圧であり、Ｙ軸がバッテリーセル１０の単位電圧当り容量変化量である座標に記録されたグラフ形態で容量－電圧微分プロファイルを保存し得る。
また、保存部１２０は、バッテリーセル１０の充放電サイクルそれぞれにおける充放電Ｃ－レートを保存することができる。すなわち、保存部１２０は、バッテリーセル１０の充放電サイクル毎に充放電Ｃ－レートと容量－電圧微分プロファイルとをマッチングして保存することができる。
例えば、保存部１２０は、バッテリーセル１０のそれぞれの充放電サイクルにおける充放電Ｃ－レート及び容量－電圧微分プロファイルを保存し得る。望ましくは、保存部１２０は、バッテリーセル１０の第１充電サイクルにおける充電Ｃ－レート及び容量－電圧微分プロファイルを保存し、第１放電サイクルにおける放電Ｃ－レート及び容量－電圧微分プロファイルを保存し得る。
容量－電圧微分プロファイルの例は、図３を参照して説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００で生成した第１容量－電圧微分プロファイルＰ１を概略的に示した図である。
説明の便宜上、図３に示された第１容量－電圧微分プロファイルＰ１は、バッテリーセル１０の充電サイクルで測定されたバッテリーセル１０の電圧及び推定されたバッテリーセル１０の容量に基づいて生成されたものとする。すなわち、制御部１３０は、バッテリーセル１０の充電サイクル及び／または放電サイクルにおける容量－電圧微分プロファイルを生成することができる。
以下、説明の便宜上、充放電サイクルは充電サイクル及び／または放電サイクルを意味し、充放電Ｃ－レートは充電Ｃ－レート及び／または放電Ｃ－レートを意味するとして説明する。
具体的には、図３は、バッテリーセル１０が初期状態（Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｏｆ Ｌｉｆｅ）であるときに生成した基準プロファイルＰＢ、及び退化が進行したバッテリーセル１０の第１容量－電圧微分プロファイルＰ１を２次元座標平面上に一緒に示した図である。
すなわち、容量－電圧微分プロファイルは、バッテリーセル１０の電圧に対する単位電圧当り容量変化量に関するプロファイルであって、保存部１２０には、図３に示されたようにグラフ形態で保存されてもよく、電圧値及び単位電圧当り容量変化量が記録されたテーブル形態で保存されてもよい。
制御部１３０は、保存部１２０に保存された、同じ充放電Ｃ－レートを有する充放電サイクル同士でグループを生成し得る。
保存部１２０は、充放電サイクル毎に充放電Ｃ－レートと容量－電圧微分プロファイルとをマッチングして保存し得る。制御部１３０は、同じＣ－レートを有する充放電サイクル同士でグループを生成し得る。そして、制御部１３０は、生成したグループについての情報を保存部１２０に保存し得る。すなわち、保存部１２０には充放電Ｃ－レート毎にグループ情報が保存され、該グループ情報には充放電サイクル情報が含まれる。
望ましくは、制御部１３０は、保存部１２０に保存された充放電サイクルのうち同じＣ－レートを有するサイクル同士でグループを生成することができる。
例えば、第１充電サイクル、第１００充電サイクル及び第２００充電サイクルの充電Ｃ－レートが０．３３Ｃであり、第５０充電サイクル、第１５０充電サイクル及び第２５０充電サイクルの充電Ｃ－レートが０．０５Ｃであると仮定する。制御部１３０は、同じ充電Ｃ－レートを有する第１充電サイクル、第１００充電サイクル及び第２００充電サイクルを一つのグループとしてグループ化し得る。また、制御部１３０は、第５０充電サイクル、第１５０充電サイクル及び第２５０充電サイクルを一つのグループとしてグループ化し得る。すなわち、生成されたグループには同じ充電Ｃ－レートで充電が行われた充電サイクルについての情報が含まれ得る。
図３において、基準プロファイルＰＢ及び第１容量－電圧微分プロファイルＰ１は、同じ充電Ｃ－レートで充電された充電サイクルで測定されたバッテリーセル１０の電圧及び推定されたバッテリーセル１０の容量に基づいて生成されたものであり得る。
また、制御部１３０は、同一グループに含まれた充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルをそれぞれ比較し、バッテリーセル１０の状態を診断するように構成され得る。
望ましくは、制御部１３０は、同じＣ－レートで充電されたサイクルまたは同じＣ－レートで放電したサイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルを比較してバッテリーセル１０の状態診断の正確度及び信頼度を向上させることができる。
例えば、バッテリーセル１０の充放電が低率Ｃ－レート（例えば、０．１Ｃ以下のＣ－レート）で行われる場合、充電または放電時間は長くなるが、取得された容量－電圧微分プロファイルにバッテリーセル１０の状態を診断するためのピークがより明確に現れる。しかし、バッテリーセル１０が自動車など、バッテリーセル１０から電源の供給を受ける装置に備えられた場合、装置を駆動する過程でバッテリーセル１０を低率Ｃ－レートで充電または放電できないという問題がある。
逆に、バッテリーセル１０の充放電が高率Ｃ－レート（例えば、０．１Ｃを超えるＣ－レート）で行われる場合、充電または放電時間は短縮されるが、取得された容量－電圧微分プロファイルに現れるバッテリーセル１０の状態を診断するためのピークが低率充放電の場合よりも不明確になり得る。すなわち、相異なる充電Ｃ－レートで充電された複数の充電サイクルにおける容量－電圧微分プロファイルを比較してバッテリーセル１０の状態を診断すれば、バッテリーセル１０の診断結果に対する正確度及び信頼度が非常に低くなるしかない。
したがって、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、同じＣ－レートで充放電されたサイクルに対応する容量－電圧微分プロファイル同士を比較することで、バッテリーセル１０の状態をより正確に診断することができるという長所がある。
一方、バッテリー管理装置１００に備えられた制御部１３０は、本発明で実行される多様な制御ロジックを実行するため、当業界に知られたプロセッサ、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、他のチップセット、論理回路、レジスタ、通信モデム、データ処理装置などを選択的に含み得る。また、制御ロジックがソフトウェアとして具現されるとき、制御部１３０は、プログラムモジュールの集合として具現され得る。このとき、プログラムモジュールはメモリに保存されてプロセッサによって実行され得る。メモリは、プロセッサの内部または外部に備えられ得、周知の多様な手段でプロセッサと接続され得る。
また、保存部１２０は、制御部１３０がバッテリーセル１０の状態を診断するのに必要なプログラム及びデータなどを保存し得る。すなわち、保存部１２０は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００の各構成要素が動作及び機能を実行するのに必要なデータやプログラム、または、動作及び機能の実行過程で生成されるデータなどを保存し得る。保存部１２０は、データを記録、消去、更新及び読出できると知られた公知の情報記憶手段であればその種類に特に制限がない。一例として、情報記憶手段には、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＲＯＭ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、レジスタなどが含まれ得る。また、保存部１２０は、制御部１３０によって実行可能なプロセスが定義されたプログラムコードを保存し得る。
制御部１３０は、新規の充放電サイクルが行われる過程で測定部１１０によって測定されたバッテリーセル１０の電流に基づいてバッテリーセル１０の容量を推定するように構成され得る。
すなわち、制御部１３０は、バッテリーセル１０の新規の充放電サイクルが行われるとき、電流測定ユニットによって測定されたバッテリーセル１０の電流に基づいてバッテリーセル１０の容量をリアルタイムで推定することができる。
また、制御部１３０は、測定部１１０によって測定された電圧と推定された容量とに基づいて新規の容量－電圧微分プロファイルを生成するように構成され得る。
すなわち、新規の充放電サイクルが行われる過程で、電圧測定ユニットはバッテリーセル１０の電圧を測定し、制御部１３０はバッテリーセル１０の容量を推定し得る。
制御部１３０は、測定されたバッテリーセル１０の電圧及び推定したバッテリーセル１０の容量に基づいて、進行中の新規の充放電サイクルにおける新規の容量－電圧微分プロファイルを生成し得る。そして、制御部１３０は、生成した新規の容量－電圧微分プロファイルを保存部１２０に保存し得る。
また、制御部１３０は、生成されたグループのうち所定のグループを選択し、選択された所定のグループの充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルと新規の容量－電圧微分プロファイルとの間の変化類型に応じてバッテリーセル１０の状態を診断するように構成され得る。
望ましくは、制御部１３０は、充放電Ｃ－レートに応じて生成されたグループのうち所定のグループに対応する容量－電圧微分プロファイルと新規の容量－電圧微分プロファイルとの間の変化類型を把握し、把握された変化類型に応じてバッテリーセル１０の状態を診断することができる。
したがって、制御部１３０は、バッテリーセル１０の状態を診断するために予め保存された容量－電圧微分プロファイルだけでなく、バッテリーセル１０の駆動中に生成される新規の容量－電圧微分プロファイルに基づいてバッテリーセル１０の状態を診断することができる。
すなわち、制御部１３０は、バッテリーセル１０の状態をリアルタイムで診断することができる。
例えば、バッテリーセル１０及びバッテリー管理装置１００が自動車に備えられ、現在自動車が運行中であり、バッテリーセル１０は充電中であると仮定する。説明の便宜上、自動車に一つのバッテリーセル１０が含まれたと仮定する。測定部１１０はバッテリーセル１０の電圧及び電流を測定し、制御部１３０はバッテリーセル１０の容量を推定し得る。そして、制御部１３０はバッテリーセル１０の電圧及び容量に基づいて、新規の電圧－容量微分プロファイルを生成し得る。そして、制御部１３０は生成したグループのうち所定のグループを選択し、選択した所定のグループの充電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルと生成した新規の電圧－容量微分プロファイルとを比較し得る。したがって、制御部１３０は、自動車の運行中にもバッテリーセル１０の状態を診断できる。
すなわち、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、バッテリーセル１０の駆動中にもバッテリーセル１０の状態をリアルタイムで診断することができる。
望ましくは、所定のグループは、生成されたグループのうち新規の充放電サイクルの充放電Ｃ－レートと同じ充放電Ｃ－レートを有するグループであり得る。
具体的には、制御部１３０は、生成したグループのうち、新規の充放電サイクルの充放電Ｃ－レートと同じＣ－レートでグループ化されたグループを選択することができる。ここで、選択されたグループが所定のグループであり得る。
制御部１３０は、選択した所定のグループに含まれた容量－電圧微分プロファイルと新規の容量－電圧微分プロファイルとを比較し、バッテリーセル１０の状態を診断することができる。
すなわち、制御部１３０は、同じＣ－レートで充放電されるとき生成された容量－電圧微分プロファイル同士を比較してバッテリーセル１０の状態を診断できる。この場合、相異なる充放電Ｃ－レートで充放電されるとき生成された容量－電圧微分プロファイルを比較してバッテリーセル１０の状態を診断する場合よりも、バッテリーセル１０の状態診断の正確度及び信頼度が向上することができる。
例えば、上述した例示のように、バッテリーセル１０及びバッテリー管理装置１００が自動車に備えられ、現在自動車が運行中であり、バッテリーセル１０は充電中であると仮定する。制御部１３０は、生成したグループのうち新規の充電サイクルのＣ－レートと同じ充電Ｃ－レートを有するグループを選択し得る。すなわち、選択されたグループの充電サイクル及び新規の充電サイクルの充電Ｃ－レートはすべて同一であり得る。制御部１３０は、選択したグループの充電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルと新規の容量－電圧微分プロファイルとを比較してバッテリーセル１０の状態を診断できる。
すなわち、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、バッテリーセル１０がそれぞれの状況毎に異なるＣ－レートで充電または放電しても、同じＣ－レートにおける電圧－容量微分プロファイル同士を比較することで、バッテリーセル１０の状態診断の正確度及び信頼度を向上させることができる。
制御部１３０は、同一グループに含まれた充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから、バッテリーセル１０に備えられたバッテリーセル１０の可用リチウムの損失に関連する第１ピーク、及び正極反応面積に関連する第２ピークのうち少なくとも一つを抽出するように構成され得る。
例えば、制御部１３０は、容量－電圧微分プロファイルにおけるバッテリーセル１０の正極側ピークに基づいて、正極反応面積が減少するか否かを診断することができる。また、制御部１３０は、容量－電圧微分プロファイルにおけるバッテリーセル１０の負極側ピークに基づいて、可用リチウムの損失を診断することができる。すなわち、制御部１３０は、容量－電圧微分プロファイルにおけるバッテリーセル１０の負極側ピークに基づいて、可用リチウムの損失によってリチウムメッキ（Ｌｉ ｐｌａｔｉｎｇ）が発生したか否かを診断できる。ここで、可用リチウムの損失を判断するための負極側ピークが第１ピークである。また、正極反応面積の減少を判断するための正極側ピークが第２ピークである。
制御部１３０は、抽出された複数の第１ピーク及び複数の第２ピークのうち少なくとも一つの変化類型に応じてバッテリーセル１０の状態を診断するように構成され得る。
例えば、制御部１３０は、第１ピークに基づいて可用リチウムの損失を診断するか、または、第２ピークに基づいて正極反応面積の減少を診断し得る。また、制御部１３０は、第１ピーク及び第２ピークを考慮して、バッテリーセル１０の可用リチウムの損失及び正極反応面積の減少をすべて診断することもできる。
すなわち、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、バッテリーセル１０の負極側ピーク及び正極側ピークをそれぞれ考慮して、バッテリーセル１０の状態を診断することができる。したがって、バッテリーセル１０の正極側状態及び負極側状態がそれぞれ独立的に診断されるため、バッテリーセル１０の状態がより具体的かつ正確に診断されるという長所がある。
制御部１３０は、充放電サイクルが増加するにつれて複数の第１ピークの電圧が高電位側に移動した場合、バッテリーセル１０の状態を、備えられたバッテリーセル１０の可用リチウムが損失された状態と診断するように構成され得る。
例えば、それぞれの充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルにおいて、充放電サイクルが増加するにつれて第１ピークの電圧が高電位側に移動する場合は、バッテリーセル１０の負極上に固体リチウムが析出されてリチウムメッキが発生した場合であり得る。
すなわち、リチウムメッキが発生して負極の表面に金属リチウムメッキ膜が形成されることで、初期状態のバッテリーセル１０と同じ電圧であっても、バッテリーセル１０の可用容量が減少し得る。したがって、可用リチウムが損失されるほど第１ピークの電圧が高電位側に移動し得る。
具体的には、負極の表面に金属リチウムメッキ膜が形成されれば、負極表面の反応面積が減少し、可用リチウムが減少するため、負極ハーフセルの電圧挙動が変わり得る。一方、リチウムメッキが発生しても、相対的に正極ハーフセルの電圧挙動は変わらないため、結果的には負極ハーフセルの電圧挙動の変化によって、フルセル（ｆｕｌｌ ｃｅｌｌ）の第１ピークの電圧が高電位側に移動し得る。
制御部１３０は、このような点に鑑みて、充放電サイクルが増加するにつれて第１ピークの電圧が高電位側に移動すれば、可用リチウムが損失されたと診断することができる。
例えば、図３を参照すると、基準プロファイルＰＢの第１ピークは約３．３６Ｖに位置し、第１容量－電圧微分プロファイルＰ１の第１ピークは約３．４２Ｖに位置する。これは、第１容量－電圧微分プロファイルＰ１に対応する充電サイクルにおいて、バッテリーセル１０の可用リチウムが初期状態よりも減少したことを意味する。したがって、制御部１３０は、第１容量－電圧微分プロファイルＰ１の第１ピークの電圧が基準プロファイルＰＢの第１ピークの電圧よりも高電位側に移動したことから、バッテリーセル１０の可用リチウムが損失されたと診断することができる。
また、リチウムメッキはリチウム金属が析出されることであり、リチウム金属は水と激しく反応するため、バッテリーセル１０が爆発する可能性がある。すなわち、リチウムメッキの発生は、バッテリーセル１０だけでなく、バッテリーセル１０が含まれたバッテリーパック１にも深刻な問題を起こし得る。
したがって、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、容量－電圧微分プロファイルの第１ピークに基づいて、リアルタイムでバッテリーセル１０の可用リチウムの損失を確認することで、バッテリーセル１０の状態を迅速且つ正確に診断することができる。また、バッテリー管理装置１００は、バッテリーセル１０にリチウムメッキが発生したか否かを迅速に診断することで、リチウムメッキの発生による予期せぬ事故を予め防止することができる。
制御部１３０は、充放電サイクルが増加するにつれて複数の第２ピークの単位電圧当り容量変化量が減少した場合、バッテリーセル１０の状態を、備えられたバッテリーセル１０の正極反応面積が減少した状態と診断するように構成され得る。
それぞれの充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルにおいて、充放電サイクルが増加するにつれて第２ピークの単位電圧当り容量変化量が減少した場合は、副反応などによってバッテリーセル１０の正極上の反応可用面積が減少した場合であり得る。例えば、正極活物質が退化するか又は粒子被膜抵抗の増加などの理由によっても正極反応面積が減少し得る。また、孔閉塞（ｐｏｒｅ ｃｌｏｇｇｉｎｇ）または接触損失（ｃｏｎｔａｃｔ ｌｏｓｓ）現象によっても正極反応面積が減少し得る。
正極反応面積が減少した場合、正極活物質の表面と電解液との反応面積が減少するため、バッテリーセル１０の出力が減少し得る。すなわち、正極反応面積が減少するほどバッテリーセル１０の単位電圧当り容量変化量が減少し得る。したがって、制御部１３０は、容量－電圧微分プロファイルの第２ピークの変化類型に応じてバッテリーセル１０の正極反応面積の減少を診断することができる。
図４は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００で生成した第２容量－電圧微分プロファイルＰ２を概略的に示した図である。
説明の便宜上、図４に示された第２容量－電圧微分プロファイルＰ２は、第１容量－電圧微分プロファイルＰ１と同様に、バッテリーセル１０の充電サイクルで測定されたバッテリーセル１０の電圧及び推定されたバッテリーセル１０の容量に基づいて生成されたものとする。
具体的には、図４は、バッテリーセル１０が初期状態であるときに生成した基準プロファイルＰＢ、及び数回の充放電が行われた後生成された第２容量－電圧微分プロファイルＰ２を２次元座標平面上に一緒に示した図である。
すなわち、容量－電圧微分プロファイルは、バッテリーセル１０の電圧に対する単位電圧当り容量変化量に関するプロファイルであって、保存部１２０には、図４に示されたようにグラフ形態で保存されてもよく、電圧値及び単位電圧当り容量変化量が記録されたテーブル形態で保存されてもよい。
図４を参照すると、基準プロファイルＰＢ及び第２容量－電圧微分プロファイルＰ２の第２ピークは約４．１１Ｖ地点に位置する。ただし、基準プロファイルＰＢの第２ピークの単位電圧当り容量変化量は９７である一方、第２容量－電圧微分プロファイルＰ２の第２ピークの単位電圧当り容量変化量は９２である。すなわち、容量－電圧微分プロファイルの第２ピークの単位電圧当り容量変化量が基準プロファイルＰＢの第２ピークの単位電圧当り容量変化量よりも減少した。上述したように、このように単位電圧当り容量変化量、すなわち、バッテリーセル１０の出力が減少した場合は、バッテリーセル１０の正極反応面積が減少した場合である。したがって、制御部１３０は、バッテリーセル１０の状態を正極反応面積が減少した状態と診断することができる。
本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、容量－電圧微分プロファイルの第２ピークに基づいてリアルタイムでバッテリーセル１０の正極反応面積の減少を確認することで、バッテリーセル１０の状態を迅速且つ正確に診断することができる。
制御部１３０は、容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから複数のピークを抽出するように構成され得る。
ここで、ピークは、容量－電圧プロファイルにおける変曲点に対応する地点である。すなわち、ピークは、容量－電圧微分プロファイルにおいて傾きが正から負に変わる地点であるか又は負から正に変わる地点であり得る。例えば、複数のピークでは容量－電圧微分プロファイルの瞬間傾きが０であり得る。
制御部１３０は、抽出された複数のピークのうち所定の条件を満足する基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）を選択するように構成され得る。
一般に、バッテリーセル１０の容量－電圧微分プロファイルからは複数のピークが抽出され得る。例えば、図３及び図４を参照すると、それぞれの容量－電圧微分プロファイルには複数のピークが存在し得る。
制御部１３０は、抽出した複数のピークのうち所定の条件を満足する基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）を選択することができる。
例えば、図３及び図４に示された基準プロファイルＰＢ、第１容量－電圧微分プロファイルＰ１及び第２容量－電圧微分プロファイルＰ２における基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）は、いずれも約３．６Ｖ地点に位置したピークであり得る。
また、制御部１３０は、選択された基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）の電圧及び単位電圧当り容量変化量に基づいて、第１ピーク（Ｅａ（１））及び第２ピーク（Ｅｃ（４））の少なくとも一つを抽出するように構成され得る。
すなわち、制御部１３０は、まず、容量－電圧微分プロファイルに含まれた複数のピークのうち基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）を選択し、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）の電圧及び単位電圧当り容量変化量に基づいて第１ピーク（Ｅａ（１））及び第２ピーク（Ｅｃ（４））の少なくとも一つを抽出することができる。基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）は、負極及び正極を含むバッテリーセル１０であれば常に選択されるピークであるため、制御部１３０は、このような基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）を用いて第１ピーク（Ｅａ（１））及び第２ピーク（Ｅｃ（４））選択の正確度及び信頼度を向上させることができる。
したがって、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）に基づいて選択された第１ピーク（Ｅａ（１））及び／または第２ピーク（Ｅｃ（４））に基づいて、バッテリーセル１０の状態をより正確に診断することができる。
望ましくは、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）は、容量－電圧微分プロファイルにおいて、バッテリーセル１０の正極ピークと負極ピークとが混在して重なったピークであり得る。
制御部１３０は、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）を基準にして第１ピーク（Ｅａ（１））及び第２ピーク（Ｅｃ（４））を選択し得る。すなわち、制御部１３０は、バッテリーセル１０の負極側ピークである第１ピーク（Ｅａ（１））に基づいてバッテリーセル１０の可用リチウムの損失を診断し、バッテリーセル１０の正極側ピークである第２ピーク（Ｅｃ（４））に基づいてバッテリーセル１０の正極反応面積の減少を診断することができる。
例えば、図３及び図４に示された基準プロファイルＰＢ、第１容量－電圧微分プロファイルＰ１及び第２容量－電圧微分プロファイルＰ２における基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）は、いずれも約３．６Ｖ地点に位置したピークであり得る。
具体的には、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）は、バッテリーセル１０の電圧－容量プロファイル及び容量－電圧微分プロファイルに基づいて選択され得る。ここで、電圧－容量プロファイルは、容量に対する電圧プロファイルであって、Ｘ軸が容量であって、Ｙ軸が電圧である座標平面に示されるプロファイルである。すなわち、電圧－容量プロファイルと容量－電圧プロファイルとは互いに対称であり得る。
図５は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００で生成した電圧－容量プロファイルを概略的に示した図である。具体的に図５は、充電サイクルにおいて、バッテリーセル１０の電圧－容量プロファイルを概略的に示した図である。
制御部１３０は、バッテリーセル１０の電圧－容量プロファイルから複数の平坦部を把握することができる。そして、制御部は、把握された複数の平坦部のうち一つ以上の平坦部を選択することができる。ここで、平坦部とは、電圧が一定な区間を意味し得る。すなわち、平坦部は容量が増加しても、電圧が一定であるか又は電圧変化が所定水準以下である区間を意味すると言える。
図５を参照すると、制御部１３０は、バッテリーセル１０の負極に対する電圧－容量プロファイルの０．２Ｖ、０．１１Ｖ及び０．０８Ｖ部分で複数の平坦部が形成されたと判断し得る。そして、制御部１３０は、選択した複数の平坦部から対応する電圧の大きさが二番目で大きい平坦部の容量区間を選択し得る。選択された容量区間は１７Ａｈ～２６Ａｈであり得る。
制御部１３０は、選択した容量区間に対応するバッテリーセル１０の電圧区間を把握することができる。図５を参照すると、選択された容量区間１７Ａｈ～２６Ａｈに対応するバッテリーセル１０の電圧区間は３．５８Ｖ～３．７Ｖであり得る。
最後に、制御部１３０は、容量－電圧微分プロファイルで含まれた複数のピークのうち、選択した電圧区間に含まれたピークを基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）として選択することができる。例えば、図３及び図４を参照すると、容量－電圧微分プロファイルに含まれた複数のピークのうち電圧区間３．５８Ｖ～３．７Ｖに一つのピークが含まれる。制御部１３０は、この電圧区間に含まれたピークを基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）として選択できる。
すなわち、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置は、正極ピーク及び負極ピークが混在したピークを基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）として選択することで、第１ピーク（Ｅａ（１））及び第２ピーク（Ｅｃ（４））の選択正確度を向上させることができる。
制御部１３０は、抽出された複数のピークのうち、基準ピークの電圧よりも低電位区間で第１ピーク（Ｅａ（１））を選択するように構成され得る。
図３及び図４を参照すると、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）の基準ピークの電圧よりも低電位区間には複数のピークが含まれ得る。制御部１３０は、低電位区間に含まれた複数のピークのうち可用リチウムの損失に関連する第１ピーク（Ｅａ（１））を選択し得る。
例えば、図３を参照すると、第１容量－電圧微分プロファイルＰ１における第１ピーク（Ｅａ（１））は電圧が３．４２Ｖである地点のピークである。また、図４を参照すると、第２容量－電圧微分プロファイルＰ２における第１ピーク（Ｅａ（１））は電圧が３．３６Ｖである地点のピークである。
制御部１３０は、充放電サイクル毎に生成された容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから、第１ピーク（Ｅａ（１））を抽出できる。そして、制御部１３０は、抽出した第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が充放電サイクルが増加するほど高電位側に移動するか否かに応じて、バッテリーセル１０の可用リチウム容量の損失を診断することができる。
例えば、制御部１３０は、抽出された複数のピークのうち、低電位区間で基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）の単位電圧当り容量変化量に最も近似した単位電圧当り容量変化量を有するピークを第１ピーク（Ｅａ（１））として選択するように構成され得る。
すなわち、図３を参照すると、第１容量－電圧微分プロファイルＰ１において、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）は電圧が約３．６Ｖである地点のピークである。制御部１３０は、３．６Ｖ未満の電圧で単位電圧当り容量変化量が基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）の単位電圧当り容量変化量に最も近似したピークを第１ピーク（Ｅａ（１））として選択できる。
他の例として、制御部１３０は、バッテリーセル１０の負極に対する電圧－容量プロファイルから選択した複数の平坦部のうち、対応する電圧の大きさが最大である平坦部の容量区間を選択し得る。図５を参照すると、選択された容量区間は４Ａｈ～７Ａｈであり得る。
制御部１３０は、選択した容量区間に対応するバッテリーセル１０の電圧区間を選択し得る。図５を参照すると、選択された容量区間４Ａｈ～７Ａｈに対応するバッテリーセル１０の電圧区間は３．３５Ｖ～３．４５Ｖであり得る。
最後に、制御部１３０は、容量－電圧微分プロファイルに含まれた複数のピークのうち、選択した電圧区間に含まれたピークを第１ピーク（Ｅａ（１））として選択し得る。例えば、図３及び図４を参照すると、容量－電圧微分プロファイルに含まれた複数のピークのうち、電圧区間３．３５Ｖ～３．４５Ｖに一つのピークが含まれる。制御部１３０は、この電圧区間に含まれたピークを第１ピーク（Ｅａ（１））として選択できる。
このように、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、電圧－容量プロファイル及び容量－電圧微分プロファイルを用いて基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）及び第１ピーク（Ｅａ（１））を選択することで、より明確な基準によってピークを選択することができる。また、これによって、バッテリーセル１０の状態をより正確に診断することができる。
制御部１３０は、抽出された複数のピークのうち、基準ピークの電圧よりも高電位区間で第２ピーク（Ｅｃ（４））を選択するように構成され得る。
図３及び図４を参照すると、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）の電圧よりも高電位区間には複数のピークが含まれ得る。制御部１３０は、高電位区間に含まれた複数のピークのうち正極反応面積の損失に関連する第２ピーク（Ｅｃ（４））を選択し得る。
例えば、図３を参照すると、第１容量－電圧微分プロファイルＰ１における第２ピーク（Ｅｃ（４））は電圧が４．１１Ｖである地点のピークである。また、図４を参照すると、第２容量－電圧微分プロファイルＰ２における第２ピーク（Ｅｃ（４））は電圧が４．１１Ｖである地点のピークである。すなわち、第２ピーク（Ｅｃ（４））は、容量－電圧微分プロファイルにおいて約４．１Ｖ付近の充電末端付近に位置したピークである。
制御部１３０は、充放電サイクル毎に生成された容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから、第２ピーク（Ｅｃ（４））を抽出できる。そして、制御部１３０は、抽出した第２ピークの単位電圧当り容量変化量が充放電サイクルが増加するほど減少するか否かに応じて、バッテリーセル１０の正極反応面積の損失を診断することができる。
例えば、図３を参照すると、基準プロファイルＰＢと第１容量－電圧微分プロファイルＰ１とは第２ピーク（Ｅｃ（４））の電圧及び単位電圧当り容量変化量が同一である。すなわち、基準プロファイルＰＢにおける第２ピークと第１容量－電圧微分プロファイルＰ１における第２ピークとの電圧及び単位電圧当り容量変化量が同一である。これは、バッテリーセル１０の正極反応面積が減少せず、初期状態のままである場合であると見られる。したがって、制御部１３０は、図３のバッテリーセル１０の正極反応面積が減少していないと診断することができる。
他の例として、図４を参照すると、基準プロファイルＰＢと第２容量－電圧微分プロファイルＰ２とは、第２ピーク（Ｅｃ（４））の電圧は同一であるが、単位電圧当り容量変化量が異なる。すなわち、基準プロファイルＰＢにおける第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量が第２容量－電圧微分プロファイルＰ２の第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量よりも大きい。
具体的には、基準プロファイルＰＢにおける第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量は９７である一方、第２容量－電圧微分プロファイルＰ２の第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量は９２である。すなわち、バッテリーセル１０の使用によって第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量が５ほど減少し、これはバッテリーセル１０の正極反応面積が減少した場合であると見られる。したがって、制御部１３０は、図４のバッテリーセル１０の正極反応面積が減少したと診断することができる。
本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、容量－電圧微分プロファイルにおいて、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）よりも高電位区間（正極区間）に位置したピークの変化様相に応じてバッテリーセル１０の正極反応面積の損失を独立的に診断することができる。したがって、副反応などによるバッテリーセル１０の正極面積の減少をより正確に診断することができる。
制御部１３０は、高電位区間に属した複数のピークのうち、傾きが正から負に変わるピークであって、対応する電圧が最大であるピークを第２ピーク（Ｅｃ（４））として選択するように構成され得る。
具体的には、第２ピーク（Ｅｃ（４））は、容量－電圧微分プロファイルの基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）よりも高電位区間に属する。また、第２ピーク（Ｅｃ（４））は、容量－電圧微分プロファイルにおいて傾きが正から負に変わるピークである。すなわち、第２ピーク（Ｅｃ（４））は、容量－電圧微分プロファイルにおいて局所最大値に該当するピークのうちいずれか一つであり得る。ここで、局所最大値は、容量－電圧微分プロファイルで傾きが正から負に変わる地点である。例えば、図３及び４を参照すると、第１ピーク（Ｅａ（１））、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）及び第２ピーク（Ｅｃ（４））がすべて局所最大値に該当するピークであり得る。
また、第２ピーク（Ｅｃ（４））は、対応する電圧が最大であるピークであり得る。すなわち、第２ピーク（Ｅｃ（４））は、バッテリーセル１０の充電末端付近で現れるピークであるため、高電位区間においても対応する電圧が最大であるピークであり得る。
例えば、バッテリーセル１０の最大動作電圧を４．２Ｖと仮定すれば、第２ピーク（Ｅｃ（４））は約４．１Ｖ付近で現れ得る。これは、バッテリーセル１０の充電過程でリチウムイオンが正極から負極に移動するようになるが、正極反応面積が減少するときの変化様相がバッテリーセル１０の充電末端付近で最もよく現れ得るためである。
したがって、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、正極反応面積の減少を最もよく現す第２ピーク（Ｅｃ（４））の変化様相に応じてバッテリーセル１０の正極反応面積の減少を診断し得る。したがって、バッテリーセル１０の状態をより独立的且つ正確に診断することができる。
図６は、第１バッテリーセルの充電サイクル毎の容量－電圧微分プロファイルを概略的に示した図である。
説明の便宜上、図６に示された第１バッテリーセルの容量－電圧微分プロファイルにおいて、第１ピーク（Ｅａ（１））は電圧を基準にして約３．４５Ｖ～３．５Ｖ付近に位置したピークであり、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）は電圧を基準にして約３．６５Ｖ付近に位置したピークであると仮定する。また、第２ピーク（Ｅｃ（４））は、電圧を基準にして約４．１４Ｖ付近に位置したピークであると仮定する。
第１バッテリーセルは、負極活物質に黒鉛及びケイ素が混合されたバッテリーセル１０である。したがって、図６において、第１バッテリーセルに含まれたケイ素によってケイ素ピーク（Ｅａ（Ｓｉ））が現れ得る。
第１バッテリーセルの充電サイクルが増加するほど、容量－電圧微分プロファイルの第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が高電位側に移動したことが確認できる。例えば、第１バッテリーセルの第１充電サイクルでは第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が約３．４５Ｖであるが、第５０充電サイクルでは第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が約３．５Ｖである。第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が高電位側に移動したことは、第１バッテリーセルの可用リチウムが損失された結果であると見られる。したがって、制御部１３０は、第１バッテリーセルの可用リチウムが損失されたと診断することができる。
ただし、第１バッテリーセルの充電サイクルが増加しても、容量－電圧微分プロファイルの第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量は一定であることが確認できる。したがって、制御部１３０は、第１バッテリーセルの正極反応面積は減少していないと診断することができる。
まとめると、制御部１３０は、第１バッテリーセルの状態を、可用リチウムは損失されたが、正極反応面積は減少していない状態と診断することができる。
図７は、第２バッテリーセルの充電サイクル毎の容量－電圧微分プロファイルを概略的に示した図である。
説明の便宜上、図７に示された第２バッテリーセルの容量－電圧微分プロファイルにおいて、第１ピーク（Ｅａ（１））は電圧を基準にして約３．４６Ｖ付近に位置したピークであり、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）は電圧を基準にして約３．６７Ｖ付近に位置したピークであると仮定する。また、第２ピーク（Ｅｃ（４））は、電圧を基準にして約４．１５Ｖ～４．１６Ｖ付近に位置したピークであると仮定する。
第２バッテリーセルは、第１バッテリーセルと同様に、負極活物質に黒鉛及びケイ素が混合されたバッテリーセル１０である。したがって、図７において、第２バッテリーセルに含まれたケイ素によってＥａ（Ｓｉ）ピークが現れ得る。
第２バッテリーセルの充電サイクルが増加しても、容量－電圧微分プロファイルの第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が一定であることが確認できる。例えば、第２バッテリーセルの第１充電サイクル及び第１００充電サイクルにおける第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧は約３．４６Ｖと同一である。したがって、制御部１３０は、第２バッテリーセルの可用リチウムが損失されていないと診断することができる。
ただし、第２バッテリーセルの充電サイクルが増加するほど、容量－電圧微分プロファイルの第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量が減少したことが確認できる。第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量の減少は、第２バッテリーセルの正極反応面積が減少した結果であると見られる。したがって、制御部１３０は、第２バッテリーセルの正極反応面積が減少したと診断することができる。
まとめると、制御部１３０は、第２バッテリーセルの状態を、可用リチウムは損失されなかったが、正極反応面積は減少した状態と診断することができる。
図８は、第３バッテリーセルの充電サイクル毎の容量－電圧微分プロファイルを概略的に示した図である。
説明の便宜上、図８に示された第３バッテリーセルの容量－電圧微分プロファイルにおいて、第１ピーク（Ｅａ（１））は電圧を基準にして約３．５Ｖ～３．５５Ｖ付近に位置したピークであり、基準ピーク（Ｒｅｆ Ｐ）は電圧を基準にして約３．７Ｖ付近に位置したピークであると仮定する。また、第２ピーク（Ｅｃ（４））は、電圧を基準にして約４．１８Ｖ付近に位置したピークであると仮定する。
第３バッテリーセルは、第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルと同様に、負極活物質に黒鉛及びケイ素が混合されたバッテリーセル１０である。したがって、図８において、第３バッテリーセルに含まれたケイ素によってＥａ（Ｓｉ）ピークが現れ得る。
第３バッテリーセルの充電サイクルが増加するほど、容量－電圧微分プロファイルの第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が高電位側に移動したことが確認できる。例えば、第３バッテリーセルの第１充電サイクルでは第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が約３．５Ｖであるが、第４０充電サイクルでは第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が約３．５５Ｖである。第１ピーク（Ｅａ（１））の電圧が高電位側に移動したことは、第３バッテリーセルの可用リチウムが損失された結果であると見られる。したがって、制御部１３０は、第３バッテリーセルの可用リチウムが損失されたと診断することができる。
また、第３バッテリーセルの充電サイクルが増加するほど、容量－電圧微分プロファイルの第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量が減少したことが確認できる。第２ピーク（Ｅｃ（４））の単位電圧当り容量変化量が減少したことは、第３バッテリーセルの正極反応面積が減少した結果であると見られる。したがって、制御部１３０は、第３バッテリーセルの正極反応面積が減少したと診断することができる。
まとめると、制御部１３０は、第３バッテリーセルの状態を、可用リチウムが損失され、正極反応面積が減少した状態と診断することができる。
制御部は、バッテリーセルの状態を診断した結果に基づいて、バッテリーセルの充電または放電Ｃ－レートの臨界値及びバッテリーセルの動作電圧範囲の少なくとも一つを変更するように構成され得る。
具体的には、制御部は、バッテリーセルの可用リチウムが損失されたか又は正極反応面積が減少したと診断した場合、充放電Ｃ－レートの上限臨界値を変更設定してバッテリーセルの退化速度を緩め得る。望ましくは、制御部は、バッテリーセルの充放電Ｃ－レートの上限値を変更し得る。例えば、初期にバッテリーセルの充放電Ｃ－レートが最大値に設定された場合、制御部は、バッテリーセルの充放電Ｃ－レートの上限臨界値を最大値の９０％水準に変更し得る。
また、制御部は、バッテリーセルの可用リチウムが損失されたか又は正極反応面積が減少したと診断した場合、バッテリーセルの動作電圧範囲を変更し得る。例えば、初期に３．６Ｖ～４．２Ｖにバッテリーセルの動作電圧範囲が設定された場合、制御部は、バッテリーセルの動作電圧範囲を３．７Ｖ～４．１Ｖに変更し得る。これにより、退化が進行したバッテリーセルの過充電及び／または過放電を予め防止することができる。
本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、バッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）に適用され得る。すなわち、本発明によるＢＭＳは、上述した本発明によるバッテリー管理装置１００を含み得る。このような構成において、本発明によるバッテリー管理装置１００の各構成要素のうち少なくとも一部は、従来のＢＭＳに含まれた構成の機能を補完又は追加することで具現され得る。例えば、本発明によるバッテリー管理装置１００の測定部１１０、保存部１２０及び制御部１３０はＢＭＳの構成要素として具現され得る。
また、本発明によるバッテリー管理装置１００は、バッテリーパック１に備えられ得る。すなわち、本発明によるバッテリーパック１は、上述した本発明によるバッテリー管理装置１００を含み得る。ここで、バッテリーパック１は、一つ以上のバッテリーセル１０、バッテリー管理装置１００、電装品（ＢＭＳやリレー、ヒューズなど）及びケースなどを含み得る。
図９は、本発明の他の実施形態によるバッテリー管理方法を概略的に示した図である。
本発明の他の実施形態によるバッテリー管理方法は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置によって実行できる。
図９を参照すると、本発明の他の実施形態によるバッテリー管理方法は、電圧及び電流測定段階Ｓ１００、容量推定段階Ｓ２００、グループ生成段階Ｓ３００及び状態診断段階Ｓ４００を含むことができる。
電圧及び電流測定段階Ｓ１００は、バッテリーセルの充放電サイクルにおいて、バッテリーセルの充電中または放電中にバッテリーセルの電圧及び電流を測定する段階であって、測定部１１０によって実行できる。
測定部１１０は、バッテリーセル１０の正極電位及び負極電位を測定し、測定した正極電位と負極電位との差を算出してバッテリーセル１０の電圧を測定することができる。
また、測定部１１０は、バッテリーセル１０の充放電経路上に備えられた電流計Ａを通じてバッテリーセル１０の充放電電流を測定することができる。
容量推定段階Ｓ２００は、測定段階Ｓ１００で測定されたバッテリーセルの電流に基づいてバッテリーセルの容量を推定する段階であって、制御部１３０によって実行できる。
制御部１３０は、電流積算法を用いてバッテリーセル１０の容量を推定し得る。ここで、バッテリーセル１０の容量は、バッテリーセル１０の充電状態であり得る。
グループ生成段階Ｓ３００は、同じ充放電Ｃ－レートを有する充放電サイクル同士でグループを生成する段階であって、制御部１３０によって実行できる。
まず、保存部１２０にはバッテリーセル１０の充放電サイクル毎に容量－電圧微分プロファイル及び充放電Ｃ－レートが保存され得る。制御部１３０は、保存部１２０に保存された充放電サイクルのうち同じ充放電Ｃ－レートを有する充放電サイクル同士でグループを生成することができる。
例えば、第１充電サイクル、第２充電サイクル及び第３充電サイクルの充電Ｃ－レートが０．３３Ｃであり、第４充電サイクル、第５充電サイクル及び第６充電サイクルが充電Ｃ－レートが０．２Ｃであると仮定する。第１充電サイクル～第６充電サイクルの容量－電圧微分プロファイル及び充電Ｃ－レートは保存部１２０に保存され得る。制御部１３０は、同じ充電Ｃ－レートを有する第１充電サイクル、第２充電サイクル及び第３充電サイクルが含まれた第１グループを生成し、第４充電サイクル、第５充電サイクル及び第６充電サイクルが含まれた第２グループを生成し得る。すなわち、一つのグループに属した充放電サイクルは、同じ充放電Ｃ－レートで充放電されたサイクルである。
状態診断段階Ｓ４００は、同一グループに含まれた充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルをそれぞれ比較してバッテリーセルの状態を診断する段階であって、制御部１３０によって実行できる。
制御部１３０は、同じ充放電Ｃ－レートで充電または放電した充放電サイクルを選択するため、グループ毎にグループに含まれた充放電サイクルを選択し得る。
制御部１３０は、保存部１２０に保存された容量－電圧微分プロファイルのうち選択した充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルを選択し得る。そして、制御部１３０は、選択した容量－電圧微分プロファイルをそれぞれ比較してバッテリーセル１０の状態を診断することができる。
具体的には、制御部１３０は、選択した容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから、バッテリーセル１０の可用リチウムの損失に関連する第１ピークを抽出し得る。制御部１３０は、選択した容量－電圧微分プロファイルにおいて、充放電サイクルが増加するほど、第１ピークの電圧が高電位側に移動するか否かに応じてバッテリーセル１０の可用リチウムの損失を診断することができる。
また、制御部１３０は、選択した容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから、バッテリーセル１０の正極反応面積に関連する第２ピークを抽出し得る。制御部１３０は、選択した容量－電圧微分プロファイルにおいて、充放電サイクルが増加するほど、第２ピークの単位電圧当り容量変化量が減少するか否かに応じてバッテリーセル１０の正極反応面積の減少を診断することができる。
望ましくは、制御部１３０は、保存部１２０に予め保存された容量－電圧プロファイルを比較してバッテリーセル１０の状態を診断できるだけでなく、バッテリーセル１０の駆動中に生成した新規の容量－電圧プロファイルを用いてバッテリーセル１０の現在状態をリアルタイムで診断することができる。
すなわち、制御部１３０は、生成した新規の容量－電圧プロファイルと保存部１２０に予め保存された容量－電圧プロファイルとを比較し、バッテリーセル１０の可用リチウムの損失及び正極反応面積の減少を診断することができる。
したがって、本発明の他の実施形態によるバッテリー管理方法は、バッテリーセル１０の駆動中にもバッテリーセル１０の状態を診断することができる。また、バッテリーセル１０に対する容量－電圧プロファイルが蓄積されるほど、バッテリーセル１０の診断の正確度及び信頼度が向上することができる。
上述した本発明の実施形態は、装置及び方法のみによって具現されるものではなく、本発明の実施形態の構成に対応する機能を実現するプログラムまたはそのプログラムが記録された記録媒体を通じても具現され得、このような具現は上述した実施形態の記載から当業者であれば容易に具現できるであろう。
以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
また、上述した本発明は、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者により、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であって、上述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではなく、多様な変形のため各実施形態の全部または一部が選択的に組み合わせられて構成され得る。
１：バッテリーパック １０：バッテリーセル
１００：バッテリー管理装置
１１０：測定部
１２０：保存部
１３０：制御部
Ａ：電流計
ＰＢ：基準プロファイル
Ｐ１：第１容量－電圧微分プロファイル
Ｐ２：第２容量－電圧微分プロファイル
Ｅａ（１）：第１ピーク
Ｅｃ（４）：第２ピーク
Ｒｅｆ Ｐ：基準ピーク

Claims (16)

  1. バッテリーセルの充放電サイクルにおいて、前記バッテリーセルの充電中または放電中に前記バッテリーセルの電圧及び電流を測定するように構成された測定部と、
    前記測定部によって測定されたバッテリーセルの電流に基づいて前記バッテリーセルの容量を推定するように構成された制御部と、
    前記測定部によって測定された前記バッテリーセルの電圧と前記制御部によって推定されたバッテリーセルの容量とに基づいて生成された容量－電圧微分プロファイル、及び前記充放電サイクルそれぞれの充放電Ｃ－レートを保存するように構成された保存部と、を含み、
    前記制御部は、
    前記保存部に保存された、同じ充放電Ｃ－レートを有する充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルをそれぞれ比較して、前記バッテリーセルの状態を診断するように構成された、バッテリー管理装置。
  2. 前記制御部は、前記保存部に保存された、同じ充放電Ｃ－レートを有する充放電サイクル同士でグループを生成し、同一グループに含まれた充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルをそれぞれ比較して、前記バッテリーセルの状態を診断するように構成された、請求項１に記載のバッテリー管理装置。
  3. 前記制御部は、
    新規の充放電サイクルが行われる過程で前記測定部によって測定されたバッテリーセルの電流に基づいて前記バッテリーセルの容量を推定し、前記測定部によって測定された電圧と推定された容量とに基づいて新規の容量－電圧微分プロファイルを生成し、
    前記生成されたグループのうち所定のグループを選択し、選択された所定のグループの充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルと前記新規の容量－電圧微分プロファイルとの間の変化類型に応じて前記バッテリーセルの状態を診断するように構成された、請求項２に記載のバッテリー管理装置。
  4. 前記所定のグループは、
    前記生成されたグループのうち前記新規の充放電サイクルの充放電Ｃ－レートと同じ充放電Ｃ－レートを有するグループである、請求項３に記載のバッテリー管理装置。
  5. 前記制御部は、
    前記同一グループに含まれた充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから、前記バッテリーセルに備えられたバッテリーセルの可用リチウムの損失に関連する第１ピーク、及び正極反応面積に関連する第２ピークのうち少なくとも一つを抽出し、
    抽出された複数の第１ピーク及び複数の第２ピークのうち少なくとも一つの変化類型に応じて前記バッテリーセルの状態を診断するように構成された、請求項２から４のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。
  6. 前記制御部は、
    前記充放電サイクルが増加するにつれて前記複数の第１ピークの電圧が高電位側に移動した場合、前記バッテリーセルの状態を、備えられた前記バッテリーセルの可用リチウムが損失された状態と診断するように構成された、請求項５に記載のバッテリー管理装置。
  7. 前記制御部は、
    前記充放電サイクルが増加するにつれて前記複数の第２ピークの単位電圧当り容量変化量が減少した場合、前記バッテリーセルの状態を、備えられた前記バッテリーセルの正極反応面積が減少した状態と診断するように構成された、請求項５に記載のバッテリー管理装置。
  8. 前記制御部は、
    前記容量－電圧微分プロファイルのそれぞれから複数のピークを抽出し、
    抽出された複数のピークのうち所定の条件を満足する基準ピークを選択し、
    選択された基準ピークの電圧及び単位電圧当り容量変化量に基づいて第１ピーク及び第２ピークの少なくとも一つを抽出するように構成された、請求項５に記載のバッテリー管理装置。
  9. 前記基準ピークは、
    前記容量－電圧微分プロファイルにおいて、前記バッテリーセルの正極ピークと負極ピークとが混在して重なったピークである、請求項８に記載のバッテリー管理装置。
  10. 前記制御部は、
    前記抽出された複数のピークのうち、前記基準ピークの電圧よりも低電位区間で前記第１ピークを選択するように構成された、請求項８に記載のバッテリー管理装置。
  11. 前記制御部は、
    前記抽出された複数のピークのうち、前記低電位区間で前記基準ピークの単位電圧当り容量変化量に最も近似した単位電圧当り容量変化量を有するピークを前記第１ピークとして選択するように構成された、請求項１０に記載のバッテリー管理装置。
  12. 前記制御部は、
    前記抽出された複数のピークのうち、前記基準ピークの電圧よりも高電位区間で前記第２ピークを選択するように構成された、請求項８に記載のバッテリー管理装置。
  13. 前記制御部は、
    前記高電位区間に属した複数のピークのうち、傾きが正から負に変わるピークであって、対応する電圧が最大であるピークを前記第２ピークとして選択するように構成された、請求項１２に記載のバッテリー管理装置。
  14. 前記制御部は、
    前記バッテリーセルの状態を診断した結果に基づいて、前記バッテリーセルの充電または放電Ｃ－レートの臨界値及び前記バッテリーセルの動作電圧範囲の少なくとも一つを変更するように構成された、請求項１から１３のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。
  15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置を含む、バッテリーパック。
  16. バッテリーセルの充放電サイクルにおいて、前記バッテリーセルの充電中または放電中に前記バッテリーセルの電圧及び電流を測定する電圧及び電流測定段階と、
    前記測定段階で測定されたバッテリーセルの電流に基づいて前記バッテリーセルの容量を推定する容量推定段階と、
    同じ充放電Ｃ－レートを有する充放電サイクル同士でグループを生成するグループ生成段階と、
    同一グループに含まれた充放電サイクルに対応する容量－電圧微分プロファイルをそれぞれ比較して前記バッテリーセルの状態を診断する状態診断段階と、を含む、バッテリー管理方法。
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