JP2023515840A - バッテリー管理装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023515840000001
本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置は、複数の時点でバッテリーに交流電流を出力し、前記複数の時点のそれぞれで前記バッテリーの抵抗を実数部と虚数部との対応関係で示すＥＩＳプロファイルを生成するように構成されたＥＩＳ部と、前記ＥＩＳ部によって生成された前記バッテリーに対する複数のＥＩＳプロファイルを取得し、前記複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれから複数のアークを決定し、決定された前記複数のアークのそれぞれに対するアーク抵抗値を算出し、前記複数のアークのうちの対応するアーク同士で前記アーク抵抗値に対する抵抗変化率を算出し、算出された複数の抵抗変化率及び予め設定された基準変化率に基づいて前記複数のアークのそれぞれを負極起因アークまたは正極起因アークとして決定するように構成された制御部と、を含む。

Description

本出願は、２０２０年１２月２８日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１８４９４６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。
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、バッテリーのＥＩＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：電気化学インピーダンス分光法）プロファイルに含まれた複数のアーク（ａｒｃ）を負極起因アークと正極起因アークとに区分することができるバッテリー管理装置及び方法に関する。
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。
従来、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を通じてバッテリーの状態を推定した。ただし、バッテリーが退化するほど、電気化学インピーダンス分光法によって表されるナイキスト線図（Ｎｙｑｕｉｓｔ ｐｌｏｔ）には複数のアークが含まれるようになる。複数のアークは負極及び正極の両方からある程度影響を受けるため、従来はこのような複数のアークを負極起因アークと正極起因アークとに区分することが困難であった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＥＩＳプロファイルから負極抵抗増加に関連したアークと正極抵抗増加に関連したアークとを区分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、複数の時点でバッテリーに交流電流を出力し、前記複数の時点のそれぞれで前記バッテリーの抵抗を実数部と虚数部との対応関係で示すＥＩＳプロファイルを生成するように構成されたＥＩＳ部と、前記ＥＩＳ部によって生成された前記バッテリーに対する複数のＥＩＳプロファイルを取得し、前記複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれから複数のアークを決定し、決定された前記複数のアークのそれぞれに対するアーク抵抗値を算出し、前記複数のアークのうちの対応するアーク同士で前記アーク抵抗値に対する抵抗変化率を算出し、算出された複数の抵抗変化率及び予め設定された基準変化率に基づいて前記複数のアークのそれぞれを負極起因アークまたは正極起因アークとして決定するように構成された制御部と、を含む。
前記制御部は、前記複数の抵抗変化率のうち、前記基準変化率以下の抵抗変化率を第１抵抗変化率に設定し、残りの抵抗変化率を第２抵抗変化率に設定するように構成され得る。
前記制御部は、前記複数のＥＩＳプロファイルにおいて前記第１抵抗変化率に対応する複数のアークを前記負極起因アークとして決定し、前記複数のＥＩＳプロファイルにおいて前記第２抵抗変化率に対応する複数のアークを前記正極起因アークとして決定するように構成され得る。
前記制御部は、前記バッテリーのＳＯＣと電圧との対応関係を示すバッテリープロファイル及び前記ＳＯＣと前記ＳＯＣに対する微分電圧との対応関係を示す微分プロファイルのうちの少なくとも一つを取得し、前記バッテリープロファイル及び前記微分プロファイルのうちの少なくとも一つに基づいて基準ＳＯＣ区間を設定するように構成され得る。
前記制御部は、前記設定された基準ＳＯＣ区間で第１のＳＯＣ及び第２のＳＯＣを選択するように構成され得る。
前記ＥＩＳ部は、前記第１のＳＯＣに対応する第１状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成し、前記第２のＳＯＣに対応する第２状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成するように構成され得る。
前記制御部は、前記設定された基準ＳＯＣ区間で第１のＳＯＣ及び第２のＳＯＣを選択し、前記第１のＳＯＣに対応する第１電圧を決定し、前記第２のＳＯＣに対応する第２電圧を決定するように構成され得る。
前記ＥＩＳ部は、前記第１電圧に対応する第１状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成し、前記第２電圧に対応する第２状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成するように構成され得る。
前記制御部は、前記バッテリープロファイルから前記バッテリーの負極平坦区間を選択し、選択された負極平坦区間を前記基準ＳＯＣ区間として設定するように構成され得る。
前記制御部は、前記微分プロファイルでターゲットピークを決定し、決定されたターゲットピークに対応するＳＯＣ以上のＳＯＣ区間を前記基準ＳＯＣ区間として設定するように構成され得る。
前記制御部は、前記微分プロファイルにおいて４０％～１００％のＳＯＣ区間で前記微分電圧が最も大きいピークを前記ターゲットピークとして決定するように構成され得る。
前記ＥＩＳ部は、前記バッテリーに対する一つの充放電サイクルで前記複数のＥＩＳプロファイルを生成するように構成され得る。
本発明の他の一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一態様によるバッテリー管理方法は、複数の時点でバッテリーに交流電流を出力し、前記複数の時点のそれぞれで前記バッテリーの抵抗を実数部と虚数部との対応関係で示すＥＩＳプロファイルを生成するＥＩＳプロファイル生成段階と、ＥＩＳプロファイル生成段階で生成された複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれから複数のアークを決定し、決定された前記複数のアークのそれぞれに対するアーク抵抗値を算出するアーク抵抗値算出段階と、前記複数のアークのうちの対応するアーク同士で前記アーク抵抗値に対する抵抗変化率を算出する抵抗変化率算出段階と、算出された複数の抵抗変化率及び予め設定された基準変化率に基づいて前記複数のアークのそれぞれを負極起因アークまたは正極起因アークとして決定するアーク分析段階と、を含む。
本発明の一態様によれば、ＥＩＳプロファイルに含まれた複数のアークを負極起因アークと正極起因アークとに具体的に区分して診断することができる。したがって、ＥＩＳプロファイルによるバッテリーの状態診断過程で、負極起因アークによってバッテリーの負極退化状態をより具体的に診断でき、正極起因アークによってバッテリーの正極退化状態をより具体的に診断することができる。
本発明の効果は上述した効果に制限されず、言及されていない本発明の他の効果は請求範囲の記載から当業者により明らかに理解されるだろう。
本明細書に添付される次の図面は、後述する発明の詳細な説明と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第１のＥＩＳ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第２のＥＩＳ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。 本発明の他の一実施形態によるバッテリーパックの例示的構成を概略的に示した図である。 本発明のさらに他の一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おいて使われた用語や単語は通常的及び辞書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、関連する公知の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、その詳細な説明を省略する。
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の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。
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、ＥＩＳ部１１０及び制御部１２０を含み得る。
ここで、バッテリーは、負極端子及び正極端子を備え、物理的に分離可能な一つの独立したセルを意味し得る。一例として、一つのパウチ型リチウムポリマーセルをバッテリーとして見なし得る。また、バッテリーは、複数のバッテリーセルが直列及び／または並列に接続されて備えられたバッテリーモジュールも意味し得る。ただし、説明の便宜上、以下ではバッテリーが一つのバッテリーセルを意味するとして説明する。
ＥＩＳ部１１０は、電気化学インピーダンス分光法（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＩＳ）を通じてバッテリーの抵抗を測定し得る。
具体的には、ＥＩＳ部１１０は、複数の時点でバッテリーに交流電流を出力するように構成され得る。
ＥＩＳ部１１０がバッテリーに交流電流を出力する複数の時点とは、バッテリーの一つの充放電サイクルにおける異なる時点を意味し得る。
例えば、バッテリーの１００回目の充放電サイクルの第１時点で、ＥＩＳ部１１０はバッテリーに交流電流を出力し得る。また、バッテリーの１００回目の充放電サイクルの第２時点で、ＥＩＳ部１１０はバッテリーに交流電流を出力し得る。ここで、第１時点と第２時点とは異なる時点であって、第１時点は第２時点よりも早い時点であり得る。
ＥＩＳ部１１０は、それぞれの時点で前記バッテリーの抵抗を実数部と虚数部との対応関係で示すＥＩＳプロファイルを生成するように構成され得る。
具体的には、ＥＩＳプロファイルは、実数部をＸ軸に設定し、虚数部をＹ軸に設定した場合のＸ－Ｙグラフ及び／またはＸ－Ｙテーブルで表され得る。実数部の単位はＺｒｅ［Ｏｈｍ，Ω］で表され得、虚数部の単位は－Ｚｉｍ［Ｏｈｍ，Ω］で表され得る。例えば、ＥＩＳプロファイルは、ナイキスト線図で表され得る。
図２は本発明の一実施形態による第１のＥＩＳプロファイルを概略的に示した図であり、図３は本発明の一実施形態による第２のＥＩＳプロファイルを概略的に示した図である。
具体的には、第１のＥＩＳプロファイルは、ＥＩＳ部１１０が第１時点でバッテリーに交流電流を出力した後生成したプロファイルである。そして、第２のＥＩＳプロファイルは、第２時点でバッテリーに交流電流を出力した後生成したプロファイルである。
制御部１２０は、前記ＥＩＳ部１１０によって生成された前記バッテリーに対する複数のＥＩＳプロファイルを取得するように構成され得る。
例えば、制御部１２０は、ＥＩＳ部１１０と通信可能に接続され得る。そして、ＥＩＳ部１１０は、生成した複数のＥＩＳプロファイルを出力し、制御部１２０は、ＥＩＳ部１１０から出力された複数のＥＩＳプロファイルを受信し得る。
制御部１２０は、複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれから複数のアークを決定するように構成され得る。具体的には、制御部１２０は、複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれから複数のアークの個数を決定するように構成され得る。
図２の実施形態において、制御部１２０は、実数部（Ｚｒｅ）に対する虚数部（－Ｚｉｍ）の変化率に基づいて第１のＥＩＳプロファイルに二つのアークが含まれたと決定し得る。
また、図３の実施形態において、制御部１２０は、実数部（Ｚｒｅ）に対する虚数部（－Ｚｉｍ）の変化率に基づいて第２のＥＩＳプロファイルに二つのアークが含まれたと決定し得る。
例えば、第１のＥＩＳプロファイル及び第２のＥＩＳプロファイルにおいて、Ｒ１を基準にして実数部（Ｚｒｅ）に対する虚数部（－Ｚｉｍ）の変化率の増減趨勢が変わり得る。具体的には、Ｒ１以前の区間では実数部（Ｚｒｅ）に対する虚数部（－Ｚｉｍ）の変化率は減少趨勢であるが、Ｒ１を基点にして実数部（Ｚｒｅ）に対する虚数部（－Ｚｉｍ）の変化率が増加し得る。したがって、制御部１２０は、第１のＥＩＳプロファイル及び第２のＥＩＳプロファイルのそれぞれからＲ１を基準にして二つのアークが含まれたと決定し得る。
他の例として、制御部１２０は、第１のＥＩＳプロファイル及び第２のＥＩＳプロファイルのそれぞれから、曲率変化に基づいて第１のＥＩＳプロファイル及び第２のＥＩＳプロファイルのそれぞれに二つのアークが含まれたと決定し得る。例えば、図２及び図３の実施形態において、Ｒ１地点を基準にして、Ｒ１以前の区間における曲率とＲ１以後の区間における曲率とが大きく相異なり得る。したがって、制御部１２０は、第１のＥＩＳプロファイル及び第２のＥＩＳプロファイルのそれぞれからＲ１を基準にして二つのアークが含まれたと決定し得る。
制御部１２０は、前記複数のアークのうちの対応するアーク同士で前記アーク抵抗値に対する抵抗変化率を算出するように構成され得る。
まず、制御部１２０は、複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれに対応する等価回路モデル（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｅｌ、ＥＣＭ）を決定し得る。
例えば、図２及び図３の実施形態において、制御部１２０は、第１のＥＩＳプロファイル及び第２のＥＩＳプロファイルのそれぞれに二つのアークが含まれたと決定したため、第１のＥＩＳプロファイル及び第２のＥＩＳプロファイルに対応する等価回路モデルとして二つのＲＣ並列回路が含まれた等価回路モデルを決定し得る。
そして、制御部１２０は、ＥＩＳプロファイル及び等価回路モデルにカーブフィッティングアルゴリズムを適用し、第１アークに対する第１アーク抵抗値及び第２アークに対する第２アーク抵抗値をそれぞれ算出し得る。
例えば、図２の第１のＥＩＳプロファイルにおいて、第１アーク抵抗値は３ｍΩと算出され、第２アーク抵抗値は２１ｍΩと算出され得る。また、図３の第２のＥＩＳプロファイルにおいて、第１アーク抵抗値は４ｍΩと算出され、第２アーク抵抗値は１２２ｍΩと算出され得る。
制御部１２０は、第１アーク同士でアーク抵抗値に対する抵抗変化率を算出し、第２アーク同士でアーク抵抗値に対する抵抗変化率を算出し得る。
例えば、制御部１２０は、第１のＥＩＳプロファイルの第１アーク抵抗値に対する第２のＥＩＳプロファイルの第１アーク抵抗値の比率を算出し、第１アークに対する抵抗変化率を算出し得る。具体的には、制御部１２０は、「４ｍΩ÷３ｍΩ」の数式を計算して第１アークに対する抵抗変化率を１．３と算出し得る。
また、制御部１２０は、第１のＥＩＳプロファイルの第２アーク抵抗値に対する第２のＥＩＳプロファイルの第２アーク抵抗値の比率を算出し、第２アークに対する抵抗変化率を算出し得る。具体的には、制御部１２０は、「１２２ｍΩ÷２１ｍΩ」の数式を計算して第２アークに対する抵抗変化率を５．９と算出し得る。
そして、制御部１２０は、算出された複数の抵抗変化率及び予め設定された基準変化率に基づいて前記複数のアークのそれぞれを負極起因アークまたは正極起因アークとして決定するように構成され得る。
具体的には、制御部１２０は、前記複数の抵抗変化率のうち、前記基準変化率以下の抵抗変化率を第１抵抗変化率に設定し、残りの抵抗変化率を第２抵抗変化率に設定するように構成され得る。
そして、制御部１２０は、前記複数のＥＩＳプロファイルにおいて前記第１抵抗変化率に対応する複数のアークを前記負極起因アークとして決定し、前記複数のＥＩＳプロファイルにおいて前記第２抵抗変化率に対応する複数のアークを前記正極起因アークとして決定するように構成され得る。
ここで、負極起因アークとは、正極退化よりも負極退化による抵抗増加に影響をより多く受けるアークであり得る。逆に、正極起因アークとは、負極退化よりも正極退化による抵抗増加に影響をより多く受けるアークであり得る。
上述した実施形態のように、第１アークに対する抵抗変化率は１．３と算出され、第２アークに対する抵抗変化率は５．９と算出されたと仮定する。また、基準変化率は、２に予め設定されたと仮定する。制御部１２０は、基準変化率（２）以下である第１アークに対する抵抗変化率（１．３）を第１抵抗変化率に設定し、第２アークに対する抵抗変化率（５．９）を第２抵抗変化率に設定し得る。そして、制御部１２０は、第１抵抗変化率（１．３）に対応する第１のＥＩＳプロファイルの第１アーク及び第２のＥＩＳプロファイルの第１アークを負極起因アークとして決定し得る。また、制御部１２０は、第２抵抗変化率（５．９）に対応する第１のＥＩＳプロファイルの第２アーク及び第２のＥＩＳプロファイルの第２アークを正極起因アークとして決定し得る。
本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置１００は、アークの大きさ（例えば、アーク抵抗値）またはＥＩＳプロファイルで現れるアークの順によってアークを単に分析せず、複数のＥＩＳプロファイルで対応するアーク同士の抵抗変化率に基づいてアークを具体的に分析することができる。
すなわち、バッテリー管理装置１００は、単にＥＩＳプロファイルの概形に基づいて負極起因アークと正極起因アークとを区分するものではないため、ＥＩＳプロファイルに含まれた複数のアークを負極起因アークまたは正極起因アークに具体的に区分して診断することができる。
したがって、ＥＩＳプロファイルに基づくバッテリーの状態診断過程で、負極起因アークによってバッテリーの負極退化状態をより具体的に診断でき、正極起因アークによってバッテリーの正極退化状態をより具体的に診断することができる。
一方、バッテリー管理装置１００に備えられた制御部１２０は、本発明で行わ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、特定用途向け集積回路）、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、前記制御ロジックがソフトウェアとして具現されるとき、前記制御部１２０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、制御部１２０によって実行され得る。前記メモリは、制御部１２０の内部または外部に備えられ得、周知の多様な手段で制御部１２０に接続され得る。
また、バッテリー管理装置１００は、保存部１３０をさらに含み得る。保存部１３０は、バッテリー管理装置１００の各構成要素が動作及び機能を遂行するのに必要なデータ、若しくは、プログラムまたは動作及び機能が行われる過程で生成されるデータなどを保存し得る。保存部１３０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録手段であれば、その種類に特に制限がない。一例として、情報記録手段にはＲＡＭ、フラッシュ（登録商標）メモリ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、レジスタなどが含まれ得る。また、保存部１３０は、制御部１２０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。
例えば、ＥＩＳ部１１０によって生成された複数のＥＩＳプロファイルは、保存部１３０に保存され得る。そして、制御部１２０は、保存部１３０にアクセスして保存された複数のＥＩＳプロファイルを取得してもよい。
以下、ＥＩＳ部１１０によってＥＩＳプロファイルが生成される複数の時点について具体的に説明する。
前記制御部１２０は、前記バッテリーのＳＯＣと電圧との対応関係を示すバッテリープロファイル及び前記ＳＯＣと前記ＳＯＣに対する微分電圧（ｄＶ／ｄＳＯＣ）との対応関係を示す微分プロファイルのうちの少なくとも一つを取得するように構成され得る。
制御部１２０は、バッテリープロファイル及び微分プロファイルのうちの少なくとも一つは外部から受信し得る。または、バッテリープロファイル及び微分プロファイルのうちの少なくとも一つが保存部１３０に保存され、制御部１２０は、保存部１３０にアクセスしてバッテリープロファイル及び微分プロファイルのうちの少なくとも一つを取得し得る。
制御部１２０は、前記バッテリープロファイル及び前記微分プロファイルのうちの少なくとも一つに基づいて基準ＳＯＣ区間を設定するように構成され得る。ここで、ＳＯＣは、バッテリーの充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を示すものであって、「０～１」または「０％～１００％」で表され得る。制御部１２０が基準ＳＯＣ区間を設定する具体的な実施形態は、図４及び図５を参照して後述する。
例えば、前記制御部１２０は、前記設定された基準ＳＯＣ区間で第１のＳＯＣ及び第２のＳＯＣを選択するように構成され得る。そして、前記ＥＩＳ部１１０は、前記第１のＳＯＣに対応する第１状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成し、前記第２のＳＯＣに対応する第２状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成するように構成され得る。
すなわち、制御部１２０によって第１のＳＯＣ及び第２のＳＯＣが選択された場合、ＥＩＳ部１１０は、一つの充放電サイクルでバッテリーのＳＯＣが第１のＳＯＣであるとき第１のＥＩＳプロファイルを生成し、バッテリーのＳＯＣが第２のＳＯＣであるとき第２のＥＩＳプロファイルを生成し得る。
望ましくは、ＥＩＳ部１１０は、バッテリーの第１のＥＩＳプロファイルを先に生成し、第２のＥＩＳプロファイルをその後に生成し得る。すなわち、第１のＥＩＳプロファイルが生成される第１時点は、第２のＥＩＳプロファイルが生成される第２時点よりも早い時点であり得る。
他の例として、前記制御部１２０は、前記設定された基準ＳＯＣ区間で第１のＳＯＣ及び第２のＳＯＣを選択し、前記第１のＳＯＣに対応する第１電圧を決定し、前記第２のＳＯＣに対応する第２電圧を決定するように構成され得る。そして、前記ＥＩＳ部１１０は、前記第１電圧に対応する第１状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成し、前記第２電圧に対応する第２状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成するように構成され得る。
例えば、制御部１２０によって決定された第１電圧が３．９Ｖであり、第２電圧が４．２Ｖであり得る。図２の実施形態において、ＥＩＳ部１１０は、バッテリーの電圧が３．９Ｖである場合、バッテリーに対する第１のＥＩＳプロファイルを生成し得る。図４の実施形態において、ＥＩＳ部１１０は、バッテリーの電圧が４．２Ｖである場合、バッテリーに対する第２のＥＩＳプロファイルを生成し得る。ＳＯＣに基づいてＥＩＳプロファイルが生成される実施形態と同様に、ＥＩＳ部１１０は、バッテリーの電圧が第１電圧であるとき第１のＥＩＳプロファイルを先に生成し、バッテリーの電圧が第２電圧であるとき第２のＥＩＳプロファイルを生成し得る。すなわち、第１のＥＩＳプロファイルが生成される第１時点は、第２のＥＩＳプロファイルが生成される第２時点よりも早い時点であり得る。
また、望ましくは、制御部１２０によって算出される抵抗変化率がバッテリーの温度に影響を受けないように、ＥＩＳプロファイルが生成される場合のバッテリーの温度は同一であり得る。例えば、ＥＩＳ部１１０は、バッテリーの電圧が３．９Ｖであり、バッテリーの温度が２５℃である場合、第１のＥＩＳプロファイルを生成し得る。また、ＥＩＳ部１１０は、バッテリーの電圧が４．２Ｖであり、バッテリーの温度が２５℃である場合、第２のＥＩＳプロファイルを生成し得る。
本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置は、ＳＯＣと電圧を除いた他の条件は同一に誘導した状態で、バッテリーに対する複数のＥＩＳプロファイルを生成し得る。すなわち、生成された複数のＥＩＳプロファイルは、バッテリーのＳＯＣ及び電圧のみの影響を受けるだけで、充放電サイクルによるバッテリーの退化度とバッテリーの温度からは影響を受けないか又はその影響の程度が極めて小さくなり得る。したがって、バッテリー管理装置は、生成された複数のＥＩＳプロファイルからバッテリーの現在状態を考慮して負極起因アークと正極起因アークとをより正確に区分することができる。
以下、制御部１２０が基準ＳＯＣ区間を設定する具体的な実施形態について説明する。
ここで、基準ＳＯＣ区間は、制御部１２０によって第１のＳＯＣ及び第２のＳＯＣが選択されるＳＯＣ区間であって、複数のＥＩＳプロファイルに含まれた複数のアークを負極起因アークと正極起因アークとに区分可能に誘導されたＳＯＣ区間であり得る。
すなわち、基準ＳＯＣ区間は、対応するＥＩＳプロファイルに含まれた複数のアークを負極起因アークと正極起因アークとに分離可能に誘導されたＳＯＣ区間であり得る。
一実施形態において、前記制御部１２０は、前記バッテリープロファイルから前記バッテリーの負極平坦区間を選択し、選択された負極平坦区間を前記基準ＳＯＣ区間として設定するように構成され得る。
図４は、本発明の一実施形態によるバッテリープロファイルＢＰを概略的に示した図である。
具体的には、バッテリープロファイルＢＰは、バッテリーのＳＯＣと電圧との対応関係を示すように構成されたプロファイルであり得る。具体的には、バッテリープロファイルＢＰは、バッテリーに対する正極プロファイルＰＰ、負極プロファイルＮＰ、及びフルセルプロファイルＦＰを含み得る。
そして、制御部１２０は、バッテリープロファイルＢＰのうちの負極プロファイルＮＰから負極平坦区間を決定し得る。ここで、負極平坦区間とは、バッテリーの負極プロファイルＮＰにおいて、バッテリーのＳＯＣが増加してもバッテリーの負極電圧が同じであるか又は所定の範囲内で変わる区間を意味し得る。すなわち、負極平坦区間は、バッテリーのＳＯＣが増加しても負極電圧が変わらないか又は殆ど変わらない区間を意味する。
一般に、負極平坦区間は、約ＳＯＣ５０％以上で現れ得る。
例えば、図４の実施形態において、負極プロファイルＮＰを参照すると、負極平坦区間は、ＳＯＣを基準にしてＴＳＯＣ％～１００％区間であり得る。したがって、制御部１２０は、ＴＳＯＣ％～１００％のＳＯＣ区間を基準ＳＯＣ区間Ｆとして設定するように構成され得る。
そして、制御部１２０が基準ＳＯＣ区間Ｆに含まれた複数のＳＯＣを選択すれば、ＥＩＳ部１１０は、制御部１２０によって選択された複数のＳＯＣ（または、これに対応する複数の電圧）に基づいて複数のＥＩＳプロファイルを生成し得る。
したがって、負極平坦区間を考慮して複数のＥＩＳプロファイルが生成されるため、複数のＥＩＳプロファイルに含まれた複数のアークは抵抗変化率が基準変化率以下である負極起因アークと抵抗変化率が基準変化率を超過する正極起因アークとに具体的に区分され得る。
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、負極の影響を少なく受ける負極平坦区間を考慮して複数のＥＩＳプロファイルを生成するため、複数のＥＩＳプロファイルに含まれた複数のアークを負極起因アークと正極起因アークとに具体的に区分することができる。
他の実施形態において、前記制御部１２０は、前記微分プロファイルでターゲットピークを決定し、決定されたターゲットピークに対応するＳＯＣ以上のＳＯＣ区間を前記基準ＳＯＣ区間として設定するように構成され得る。
図５は、本発明の一実施形態による微分プロファイルＤＰを概略的に示した図である。微分プロファイルＤＰは、バッテリーのＳＯＣに対する微分電圧（ｄＶ／ｄＳＯＣ）とＳＯＣとの対応関係を示すプロファイルであり得る。
微分プロファイルＤＰには複数のピークが含まれ得る。ここで、ピークとは、微分プロファイルＤＰにおいてＳＯＣに対する微分電圧の瞬間変化率が０である地点であって、ピークを基準にして前記瞬間変化率が正から負に変わる地点であり得る。すなわち、ピークは、微分プロファイルＤＰにおいて上方に向かって凸状の概形を有する地点であり得る。
制御部１２０は、微分プロファイルＤＰに含まれた複数のピークのうち、特定ＳＯＣ区間に含まれたピークをターゲットピークＴＰとして決定し得る。微分プロファイルＤＰに含まれた複数のピーク中に特定ＳＯＣ区間に含まれたピークが複数個であれば、制御部１２０は、対応する微分電圧が最も大きいピークをターゲットピークＴＰとして決定し得る。
具体的には、特定ＳＯＣ区間は、バッテリーの負極プロファイルＮＰで負極平坦区間が始まるＳＯＣを含むように予め設定され得る。望ましくは、制御部１２０は、微分プロファイルにおいて４０％～１００％のＳＯＣ区間で微分電圧が最も大きいピークをターゲットピークＴＰとして決定するように構成され得る。より望ましくは、制御部１２０は、４０％～７０％のＳＯＣ区間でターゲットピークＴＰを決定するように構成され得る。
例えば、図５の実施形態において、微分プロファイルＤＰにおいてＴＳＯＣ％のＳＯＣでターゲットピークＴＰが決定され得る。そして、制御部１２０は、ＴＳＯＣ％～１００％のＳＯＣ区間を基準ＳＯＣ区間Ｆに設定し得る。
具体的には、微分プロファイルＤＰのターゲットピークＴＰに対応するＳＯＣは、負極プロファイルＮＰの負極平坦区間が始まるＳＯＣに対応し得る。したがって、制御部１２０は、バッテリーに対する負極プロファイルＮＰを取得できない場合、バッテリーの微分プロファイルＤＰでターゲットピークＴＰを決定することで、基準ＳＯＣ区間Ｆを設定し得る。
例えば、バッテリーが電気自動車またはエネルギー貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ：ＥＳＳ）などに搭載された場合、非破壊的な方式ではバッテリーに対する負極プロファイルＮＰを取得できない。したがって、制御部１２０は、バッテリーに対する微分プロファイルＤＰでターゲットピークＴＰを決定することで、基準ＳＯＣ区間Ｆを設定し得る。
すなわち、微分プロファイルＤＰによっても、バッテリーの負極平坦区間が考慮されて基準ＳＯＣ区間Ｆが設定されるため、複数のＥＩＳプロファイルに含まれた複数のアークを抵抗変化率が基準変化率以下である負極起因アークと抵抗変化率が基準変化率を超過する正極起因アークとに具体的に区分することができる。
より望ましくは、制御部１２０は、バッテリープロファイルＢＰ及び微分プロファイルＤＰを両方とも考慮して基準ＳＯＣを設定してもよい。
例えば、制御部１２０は、バッテリーの負極プロファイルＮＰから負極平坦区間によって第１のＳＯＣ区間を選択し得る。また、制御部１２０は、微分プロファイルＤＰからターゲットピークＴＰに基づいて第２のＳＯＣ区間を選択し得る。
そして、第１のＳＯＣ区間と第２のＳＯＣ区間とが同一である場合、制御部１２０は、第１のＳＯＣ区間（または、第２のＳＯＣ区間）を基準ＳＯＣ区間Ｆに設定し得る。
第１のＳＯＣ区間と第２のＳＯＣ区間とが同一でない場合は、制御部１２０は、第２のＳＯＣ区間を基準ＳＯＣ区間Ｆに設定し得る。
例えば、図５の実施形態において、ターゲットピークＴＰはＳＯＣに対する微分電圧の瞬間変化率が０である地点であるため、ターゲットピークＴＰに対応するＳＯＣ（ＴＳＯＣ）を算出する過程では誤差が非常に小さい。一方、図４の実施形態において、負極プロファイルＮＰで負極平坦区間の開始ＳＯＣを決定する過程では、ターゲットピークＴＰに対応するＳＯＣ（ＴＳＯＣ）を決定する過程よりも誤差が大きくなり得る。
したがって、制御部１２０は、負極プロファイルＮＰに基づいた第１のＳＯＣ区間と微分プロファイルＤＰに基づいた第２のＳＯＣ区間とが異なる場合、微分プロファイルＤＰに含まれたターゲットピークＴＰに基づいて基準ＳＯＣ区間Ｆをより正確に設定できる。
本発明によるバッテリー管理装置１００は、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、バッテリー管理システム）に適用可能である。すなわち、本発明によるＢＭＳは、上述した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、バッテリー管理装置１００の各構成要素の少なくとも一部は、従来のＢＭＳに含まれた構成の機能を補完または追加することで具現され得る。例えば、バッテリー管理装置１００のＥＩＳ部１１０、制御部１２０及び保存部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は、上述したバッテリー管理装置１００及び一つ以上のバッテリーを含み得る。また、バッテリーパックは、電装品（リレー、ヒューズなど）及びケースなどをさらに含み得る。
図６は、本発明の他の一実施形態によるバッテリーパック１０の例示的構成を概略的に示した図である。
図６を参照すると、バッテリーパック１０は、バッテリー管理装置１００、充放電部２００、測定部３００、及びプロファイル生成部４００を含む。
充放電部２００は、バッテリーパック１０の大電流経路に接続されてバッテリーＢを充電及び／または放電するように構成され得る。
例えば、図６の実施形態において、充放電部２００は、一端がバッテリーＢの正極端子とバッテリーパック１０の正極端子Ｐ＋との間に接続され、他端がバッテリーＢの負極端子とバッテリーパック１０の負極端子Ｐ－との間に接続され得る。
測定部３００は、バッテリーＢの両端に接続されてバッテリーＢの電圧を測定するように構成され得る。
例えば、測定部３００は、第１センシングラインＳＬ１を通じてバッテリーＢの正極端子に接続され、第２センシングラインＳＬ２を通じてバッテリーＢの負極端子に接続され得る。測定部３００は、第１センシングラインＳＬ１を通じてバッテリーＢの正極電圧を測定し、第２センシングラインＳＬ２を通じてバッテリーＢの負極電圧を測定し得る。そして、測定部３００は、測定した正極電圧と負極電圧との差を計算してバッテリーＢの電圧を測定し得る。
また、測定部３００は、第３センシングラインＳＬ３を通じて電流測定ユニットＡに接続されてバッテリーＢの電流を測定し得る。例えば、電流測定ユニットＡは、シャント抵抗または電流計であり得る。
プロファイル生成部４００は、測定部３００からバッテリーＢの電圧及び電流に対するバッテリーＢ情報を受信し、受信したバッテリーＢ情報に基づいてバッテリープロファイルＢＦ及び微分プロファイルＤＰを生成し得る。プロファイル生成部４００によって生成されたバッテリープロファイルＢＰ及び微分プロファイルＤＰは、制御部１２０に送信されるか、または、保存部１３０に保存され得る。
図７は、本発明のさらに他の一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。
望ましくは、バッテリー管理方法の各段階はバッテリー管理装置によって実行できる。以下では、上述した説明と重なる内容は省略するか又は簡単に説明する。
図７を参照すると、バッテリー管理方法は、ＥＩＳプロファイル生成段階Ｓ１００、アーク抵抗値算出段階Ｓ２００、抵抗変化率算出段階Ｓ３００、及びアーク分析段階Ｓ４００を含む。
ＥＩＳプロファイル生成段階Ｓ１００は、複数の時点でバッテリーに交流電流を出力し、前記複数の時点のそれぞれで前記バッテリーの抵抗を実数部と虚数部との対応関係で示すＥＩＳプロファイルを生成する段階であって、ＥＩＳ部１１０によって実行できる。
例えば、図２を参照すると、ＥＩＳ部１１０は、第１時点でバッテリーに対する第１のＥＩＳプロファイルを生成し得る。また、図３を参照すると、ＥＩＳ部１１０は、第１時点以後の第２時点でバッテリーに対する第２のＥＩＳプロファイルを生成し得る。
アーク抵抗値算出段階Ｓ２００は、ＥＩＳプロファイル生成段階Ｓ１００で生成された複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれから複数のアークを決定し、決定された前記複数のアークのそれぞれに対するアーク抵抗値を算出する段階であって、制御部１２０によって実行できる。
まず、制御部１２０は、複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれから複数のアークの個数を決定し得る。そして、制御部１２０は、ＥＩＳプロファイル、アークの個数に対応する等価回路モデル及びカーブフィッティングアルゴリズムを用いて、複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれに含まれたアークに対するアーク抵抗値を算出し得る。
例えば、図２の実施形態において、第１のＥＩＳプロファイルにはＲ１を基準にして第１アーク及び第２アークが含まれ得る。そして、第１アークに対する第１アーク抵抗値は３ｍΩと算出され、第２アークに対する第２アーク抵抗値は２１ｍΩと算出され得る。
また、図３の実施形態において、第２のＥＩＳプロファイルにもＲ１を基準にして第１アーク及び第２アークが含まれ得る。そして、第１アークに対する第１アーク抵抗値は４ｍΩと算出され、第２アークに対する第２アーク抵抗値は１２２ｍΩと算出され得る。
抵抗変化率算出段階Ｓ３００は、前記複数のアークのうちの対応するアーク同士で前記アーク抵抗値に対する抵抗変化率を算出する段階であって、制御部１２０によって実行できる。
制御部１２０は、第１アーク同士のアーク抵抗値間の抵抗変化率を算出し、第２アーク同士のアーク抵抗値間の抵抗変化率を算出し得る。
例えば、第１のＥＩＳプロファイルの第１アーク抵抗値（３ｍΩ）と第２のＥＩＳプロファイルの第１アーク抵抗値（４ｍΩ）との間の抵抗変化率は１．３と算出され得る。また、第１のＥＩＳプロファイルの第２アーク抵抗値（２１ｍΩ）と第２のＥＩＳプロファイルの第２アーク抵抗値（１２２ｍΩ）との間の抵抗変化率は５．９と算出され得る。
アーク分析段階Ｓ４００は、算出された複数の抵抗変化率及び予め設定された基準変化率に基づいて前記複数のアークのそれぞれを負極起因アークまたは正極起因アークとして決定する段階であって、制御部１２０によって実行できる。
具体的には、制御部１２０は、算出された複数の抵抗変化率と基準変化率とを比較し得る。そして、制御部１２０は、複数の抵抗変化率のうち、基準変化率以下である抵抗変化率を第１抵抗変化率に設定し、基準変化率を超過する抵抗変化率を第２抵抗変化率に設定し得る。最後に、制御部１２０は、第１抵抗変化率に対応するアークを負極起因アークとして決定し、第２抵抗変化率に対応するアークを正極起因アークとして決定し得る。
本発明の一実施形態によるバッテリー管理方法のＥＩＳプロファイル生成段階Ｓ１００において、複数のＥＩＳプロファイルが生成される複数の時点は、負極退化の影響が最小化する基準ＳＯＣ区間Ｆに基づいて選択された時点であり得る。したがって、バッテリー管理方法は、ＥＩＳプロファイルにおいて負極起因アークと正極起因アークとをより正確に区分することができる。
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。
１０：バッテリーパック
１００：バッテリー管理装置
１１０：ＥＩＳ部
１２０：制御部
１３０：保存部
２００：充放電部
３００：測定部
４００：プロファイル生成部

Claims (12)

  1. 複数の時点でバッテリーに交流電流を出力し、前記複数の時点のそれぞれで前記バッテリーの抵抗を実数部と虚数部との対応関係で示すＥＩＳプロファイルを生成するＥＩＳ部と、
    前記ＥＩＳ部によって生成された前記バッテリーに対する複数のＥＩＳプロファイルを取得し、前記複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれから複数のアークを決定し、決定された前記複数のアークのそれぞれに対するアーク抵抗値を算出し、前記複数のアークのうちの対応するアーク同士で前記アーク抵抗値に対する抵抗変化率を算出し、算出された複数の抵抗変化率及び予め設定された基準変化率に基づいて前記複数のアークのそれぞれを負極起因アークまたは正極起因アークとして決定する制御部を含む、バッテリー管理装置。
  2. 前記制御部は、
    前記複数の抵抗変化率のうち、前記基準変化率以下の抵抗変化率を第１抵抗変化率に設定し、残りの抵抗変化率を第２抵抗変化率に設定する、請求項１に記載のバッテリー管理装置。
  3. 前記制御部は、
    前記複数のＥＩＳプロファイルにおいて前記第１抵抗変化率に対応する複数のアークを前記負極起因アークとして決定し、前記複数のＥＩＳプロファイルにおいて前記第２抵抗変化率に対応する複数のアークを前記正極起因アークとして決定する、請求項２に記載のバッテリー管理装置。
  4. 前記制御部は、
    前記バッテリーのＳＯＣと電圧との対応関係を示すバッテリープロファイル及び前記ＳＯＣと前記ＳＯＣに対する微分電圧との対応関係を示す微分プロファイルのうちの少なくとも一つを取得し、前記バッテリープロファイル及び前記微分プロファイルのうちの少なくとも一つに基づいて基準ＳＯＣ区間を設定する、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。
  5. 前記制御部は、
    前記設定された基準ＳＯＣ区間で第１のＳＯＣ及び第２のＳＯＣを選択し、
    前記ＥＩＳ部は、
    前記第１のＳＯＣに対応する第１状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成し、前記第２のＳＯＣに対応する第２状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成する、請求項４に記載のバッテリー管理装置。
  6. 前記制御部は、
    前記設定された基準ＳＯＣ区間で第１のＳＯＣ及び第２のＳＯＣを選択し、前記第１のＳＯＣに対応する第１電圧を決定し、前記第２のＳＯＣに対応する第２電圧を決定し、
    前記ＥＩＳ部は、
    前記第１電圧に対応する第１状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成し、前記第２電圧に対応する第２状態のバッテリーに対してＥＩＳプロファイルを生成する、請求項４または５に記載のバッテリー管理装置。
  7. 前記制御部は、
    前記バッテリープロファイルから前記バッテリーの負極平坦区間を選択し、選択された負極平坦区間を前記基準ＳＯＣ区間として設定する、請求項４から６のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。
  8. 前記制御部は、
    前記微分プロファイルでターゲットピークを決定し、決定されたターゲットピークに対応するＳＯＣ以上のＳＯＣ区間を前記基準ＳＯＣ区間として設定する、請求項４から７のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。
  9. 前記制御部は、
    前記微分プロファイルにおいて４０％～１００％のＳＯＣ区間で前記微分電圧が最も大きいピークを前記ターゲットピークとして決定する、請求項８に記載のバッテリー管理装置。
  10. 前記ＥＩＳ部は、
    前記バッテリーに対する一つの充放電サイクルで前記複数のＥＩＳプロファイルを生成する、請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。
  11. 請求項１から１０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。
  12. 複数の時点でバッテリーに交流電流を出力し、前記複数の時点のそれぞれで前記バッテリーの抵抗を実数部と虚数部との対応関係で示すＥＩＳプロファイルを生成するＥＩＳプロファイル生成段階と、
    ＥＩＳプロファイル生成段階で生成された複数のＥＩＳプロファイルのそれぞれから複数のアークを決定し、決定された前記複数のアークのそれぞれに対するアーク抵抗値を算出するアーク抵抗値算出段階と、
    前記複数のアークのうちの対応するアーク同士で前記アーク抵抗値に対する抵抗変化率を算出する抵抗変化率算出段階と、
    算出された複数の抵抗変化率及び予め設定された基準変化率に基づいて前記複数のアークのそれぞれを負極起因アークまたは正極起因アークとして決定するアーク分析段階とを含む、バッテリー管理方法。
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