JP7362990B2 - バッテリー管理装置及び方法 - Google Patents

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Description

本出願は、2020年9月9日付け出願の韓国特許出願第10-2020-0115637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、バッテリーセルの退化加速を判断す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。
一般に、バッテリーは使用するほど退化が進むため、退化したバッテリーの充電状態(State of Charge:SOC)及び健康状態(State of Health:SOH)などを正確に推定するか又は退化したバッテリーの寿命を延ばすための制御のためには、バッテリーの状態を正確に判断する必要がある。特に、効果的にバッテリーの寿命を延ばすためには、バッテリーの退化程度(退化速度)に対応する制御が求められる。
従来、バッテリーの異常を検出するため、予め保存されたV-dQ/dV曲線の特徴点とdQ/dV実測値の特徴点とを比べる検査システムが開示されている(特許文献1)が、dQ/dV実測値の特徴点が所定のV範囲及び所定のdQ/dV範囲に属するか否かを判断してバッテリーの異常を検知しているだけである。
すなわち、従来は、バッテリーの異常または欠陥のみを判断するだけで、バッテリーの寿命を延ばすためバッテリーの退化程度を判断する構成は全く開示されていない。
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、バッテリーセルの退化加速を判断することで、バッテリーセルの寿命を延ばすための適切な制御を行う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、バッテリーセルに対する電圧及び容量を含むバッテリー情報を取得し、取得されたバッテリー情報に基づいて電圧と容量との対応関係を示すバッテリープロファイルを生成するように構成されたプロファイル生成部と、プロファイル生成部からバッテリープロファイルを受信し、受信したバッテリープロファイルを電圧と電圧に対する微分容量との対応関係を示す微分プロファイルに変換するように構成されたプロファイル変換部と、プロファイル変換部によって変換されたバッテリーセルに対する複数の微分プロファイルを取得し、取得された複数の微分プロファイルのそれぞれから予め設定された基準電圧区間に含まれたピークを選択し、選択された複数のピークの電圧に対する電圧変動パターン及び微分容量に対する微分容量変動パターンを決定し、決定された電圧変動パターンが予め設定された第1参照パターンに対応するか否か、及び決定された微分容量変動パターンが予め設定された第2参照パターンに対応するか否かに応じてバッテリーセルの退化加速を判断するように構成された制御部と、を含む。
制御部は、複数ピークのうちの対応する二つのピーク毎に電圧変動パターン及び微分容量変動パターンを決定するように構成され得る。
第1参照パターンは、電圧が高電圧側に予め設定された基準電圧以上増加するパターンで構成され得る。
制御部は、決定された電圧変動パターンが増加パターンであって、対応するピーク同士の電圧差が基準電圧以上であるか否かを判断することで、電圧変動パターンが第1参照パターンに対応するか否かを決定するように構成され得る。
第2参照パターンは、微分容量が増加するパターンで構成され得る。
制御部は、決定された微分容量変動パターンが増加パターンであるかを判断することで、微分容量変動パターンが第2参照パターンに対応するか否かを決定するように構成され得る。
制御部は、バッテリーセルに対するサイクル順に応じて複数のピークに対する電圧変動パターン及び微分容量変動パターンを決定するように構成され得る。
制御部は、複数ピークの中から電圧変動パターンが第1参照パターンに対応し、微分容量変動パターンが第2参照パターンに対応する一つ以上のターゲットピークを決定するように構成され得る。
制御部は、一つ以上のターゲットピークに対応するサイクルのうち最も低いサイクルからバッテリーセルの退化が加速したと判断するように構成され得る。
制御部は、バッテリーセルに対する放電終了電圧を一つ以上のターゲットピークに対応する電圧以上に設定するように構成され得る。
基準電圧区間は、バッテリーセルに対する電圧区間のうちの放電末期側の一部区間として予め設定され得る。
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、バッテリーセルに対する電圧及び容量を含むバッテリー情報を取得するバッテリー情報取得段階と、取得されたバッテリー情報に基づいて電圧と容量との対応関係を示すバッテリープロファイルを生成するバッテリープロファイル生成段階と、バッテリープロファイルを電圧と電圧に対する微分容量との対応関係を示す微分プロファイルに変換する微分プロファイル変換段階と、微分プロファイル変換段階によって変換された複数の微分プロファイルのそれぞれから予め設定された基準電圧区間に含まれたピークを選択するピーク選択段階と、選択された複数のピークの電圧に対する電圧変動パターン及び微分容量に対する微分容量変動パターンを決定するパターン決定段階と、決定された電圧変動パターンが予め設定された第1参照パターンに対応するか否か、及び決定された微分容量変動パターンが予め設定された第2参照パターンに対応するか否かに応じてバッテリーセルの退化加速を判断する退化加速判断段階を含み得る。
本発明の一態様によれば、複数の微分プロファイルに含まれた複数のピーク同士の間の電圧変動パターン及び微分容量変動パターンがすべて考慮されることで、バッテリーセルの状態が退化加速状態であるかを正確に判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第1微分プロファイル~第7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第1微分プロファイル~第7微分プロファイルの一部を拡大して示した図である。 本発明の一実施形態による第1微分プロファイル~第7微分プロファイルの他の一部を拡大して示した図である。 本発明の一実施形態による第1微分プロファイル~第7微分プロファイルのさらに他の一部を拡大して示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置によって退化加速が判断されるバッテリーセルのサイクル毎のクーロン効率を概略的に示した図である。 バッテリーセルの容量と微分電圧との対応関係を示す複数の微分電圧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を含む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。
また、明細書に記載された制御部のような用語は、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、プロファイル生成部110、プロファイル変換部120、及び制御部130を含む。
プロファイル生成部110は、バッテリーセルBに対する電圧V及び容量Qを含むバッテリー情報を取得するように構成され得る。
ここで、バッテリーセルB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する。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セルBとして見なし得る。
例えば、プロファイル生成部110は、外部と通信可能に構成され得る。そして、プロファイル生成部110は、外部からバッテリー情報を受信し得る。
プロファイル生成部110は、取得されたバッテリー情報に基づいて電圧と容量との対応関係を示すバッテリー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、プロファイル生成部110は、取得されたバッテリー情報のうち、互いに対応する電圧と容量とをマッピングすることで、バッテリープロファイルを生成し得る。
例えば、プロファイル生成部110は、互いに対応する電圧と容量とがマッピングされたテーブル形態でバッテリープロファイルを生成し得る。他の例として、プロファイル生成部110は、互いに対応する電圧と容量とがマッピングされた平面グラフ形態でバッテリープロファイルを生成してもよい。すなわち、プロファイル生成部110によって生成されるバッテリープロファイルは、電圧と容量との対応関係を示すことが可能であれば、多様な形態で表され得る。
プロファイル変換部120は、プロファイル生成部110からバッテリープロファイルを受信するように構成され得る。
具体的には、プロファイル変換部120とプロファイル生成部110とは、互いに通信可能に有線または無線で接続され得る。そして、プロファイル変換部120は、有線または無線通信網を通じて、プロファイル生成部110からバッテリープロファイルを受信し得る。
プロファイル変換部120は、受信したバッテリープロファイルを電圧と電圧に対する微分容量との対応関係を示す微分プロファイルに変換するように構成され得る。
ここで、微分容量とは、互いに対応する電圧及び容量に対し、容量を電圧で微分した値であって、「dQ/dV」で表され得る。そして、微分容量の単位は[mAh/V]であり得る。すなわち、プロファイル変換部120は、プロファイル生成部110から受信したバッテリープロファイルを微分プロファイルに変換し得る。
図2は、本発明の一実施形態による第1微分プロファイルPF1を概略的に示した図である。
具体的には、図2の第1微分プロファイルPF1は、BOL(Beginning of Life)状態のバッテリーセルBに対する微分プロファイルであり得る。すなわち、プロファイル変換部120は、プロファイル生成部110からBOL状態のバッテリーセルBに対するバッテリープロファイルを受信し、受信したバッテリープロファイルを第1微分プロファイルPF1に変換し得る。
以下では、説明の便宜上、電圧をX軸に設定し、微分容量をY軸に設定した場合のX-Y平面グラフを微分プロファイルとして説明する。
制御部130は、プロファイル変換部120によって変換されたバッテリーセルBに対する複数の微分プロファイル(PF1~PF7)を取得するように構成され得る。
ここで、複数の微分プロファイル(PF1~PF7)とは、バッテリーセルBに対する複数のサイクルでそれぞれ変換された微分プロファイルであり得る。
例えば、制御部130は、プロファイル変換部120と通信可能に有線または無線で接続され得る。そして、制御部130は、プロファイル変換部120から複数の微分プロファイル(PF1~PF7)を受信し得る。
以下では、説明の便宜上、制御部130が1800サイクルまで進行したバッテリーセルBに対し、BOL状態から300サイクル間隔で微分プロファイルを取得することで説明する。ただし、プロファイル生成部110によってバッテリープロファイルが生成され、プロファイル変換部120によってバッテリープロファイルが微分プロファイルに変換されるサイクル周期は、300サイクルのみに限定されない。例えば、プロファイル生成部110は1サイクル毎にバッテリープロファイルを生成し、プロファイル変換部120は1サイクル毎に生成されたバッテリープロファイルをすべて微分プロファイルに変換し得る。そして、プロファイル変換部120は、微分プロファイルの変換が完了した時点で、変換された微分プロファイルを制御部130に直ちに送信してもよく、一定個数の微分プロファイルが確保されたとき、確保された複数の微分プロファイル(PF1~PF7)を制御部130に送信してもよい。
図3は、本発明の一実施形態による第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7を概略的に示した図である。
例えば、図3の実施形態において、第1微分プロファイルPF1はBOL状態のバッテリーセルBに対する微分プロファイルであり、第2微分プロファイルPF2は300サイクルのバッテリーセルBに対する微分プロファイルであり、第3微分プロファイルPF3は600サイクルのバッテリーセルBに対する微分プロファイルであり、第4微分プロファイルPF4は900サイクルのバッテリーセルBに対する微分プロファイルであり、第5微分プロファイルPF5は1200サイクルのバッテリーセルBに対する微分プロファイルであり、第6微分プロファイルPF6は1500サイクルのバッテリーセルBに対する微分プロファイルであり、第7微分プロファイルPF7は1800サイクルのバッテリーセルBに対する微分プロファイルであり得る。
制御部130は、取得された複数の微分プロファイル(PF1~PF7)のそれぞれから予め設定された基準電圧区間に含まれたピークを選択するように構成され得る。
具体的には、制御部130は、複数の微分プロファイル(PF1~PF7)のそれぞれの基準電圧区間で電圧に対する微分容量の瞬間変化率が0であって、微分容量が最も小さいピークを選択し得る。
より具体的には、ピークとは、電圧に対する微分容量の瞬間変化率が0であり、かつ、基準電圧区間で微分容量が最も小さいポイントであり得る。また、ピークを基準にして、低電圧側の瞬間変化率(電圧に対する微分容量の瞬間変化率)は負の値であり、高電圧側の瞬間変化率は正の値であり得る。すなわち、ピークは、X-Y平面グラフにおいて、下方に向かって凸状の概形を有するポイントであり得る。
また、基準電圧区間は、バッテリーセルBに対する電圧区間のうちの放電末期側の一部区間として予め設定され得る。
具体的には、基準電圧区間は、バッテリーセルBのピークが現れる電圧区間で設定され得る。すなわち、一般に、バッテリーセルBのピークは、バッテリーセルBの放電末期付近で現れ、退化したバッテリーセルBのピークの電圧はBOL状態のバッテリーセルBのピークの電圧と大きく異ならない特徴がある。したがって、基準電圧区間は、BOL状態のバッテリーセルBのピークが現れる電圧を含む電圧区間で設定され得る。例えば、基準電圧区間は3.3[V]~3.5[V]の電圧区間で予め設定され得る。
図4は、本発明の一実施形態による第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7の一部を拡大して示した図である。
具体的には、図4は、第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7において、基準電圧区間の一部区間を拡大して示した図である。より具体的には、図4は、第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7から3.35[V]~3.5[V]の電圧区間を拡大して示した図である。
例えば、図4の実施形態において、制御部130は、第1微分プロファイルPF1から第1ピークP1を選択し、第2微分プロファイルPF2から第2ピークP2を選択し得る。また、制御部130は、第3微分プロファイルPF3から第3ピークP3を選択し、第4微分プロファイルPF4から第4ピークP4を選択し得る。最後に、制御部130は、第5微分プロファイルPF5から第5ピークP5を選択し、第6微分プロファイルPF6から第6ピークP6を選択し、第7微分プロファイルPF7から第7ピークP7を選択し得る。
制御部130は、選択された複数のピーク(P1~P7)の電圧に対する電圧変動パターン及び微分容量に対する微分容量変動パターンを決定するように構成され得る。
具体的には、制御部130は、複数のピーク(P1~P7)のうち、対応する二つのピーク毎に電圧変動パターン及び微分容量変動パターンを決定するように構成され得る。望ましくは、制御部130は、バッテリーセルBに対するサイクル順に応じて複数のピーク(P1~P7)に対する電圧変動パターン及び微分容量変動パターンを決定し得る。
例えば、制御部130は、第1ピークP1と第2ピークP2、第2ピークP2と第3ピークP3、第3ピークP3と第4ピークP4、第4ピークP4と第5ピークP5、第5ピークP5と第6ピークP6、及び第6ピークP6と第7ピークP7にピーク対を区分し、区分されたピーク対毎に電圧変動パターン及び微分容量変動パターンを決定し得る。
ここで、電圧変動パターンとは、バッテリーセルBのサイクルが増加するにつれてピークの電圧が変動するパターンを意味し得る。また、微分容量変動パターンとは、バッテリーセルBのサイクルが増加するにつれてピークの微分容量が変動するパターンを意味し得る。
図4の実施形態において、第1ピークP1~第3ピークP3間の電圧変動パターンは増加パターンであり、第3ピークP3と第4ピークP4間の電圧変動パターンは減少パターンであり、第4ピークP4~第7ピークP7間の電圧変動パターンは増加パターンであり得る。
また、図4の実施形態において、第1ピークP1と第2ピークP2間の微分容量変動パターンは減少パターンであり、第2ピークP2~第7ピークP7間の微分容量変動パターンは増加パターンであり得る。
制御部130は、決定された電圧変動パターンが予め設定された第1参照パターンに対応するか否か、及び決定された微分容量変動パターンが予め設定された第2参照パターンに対応するか否かに応じてバッテリーセルBの退化加速を判断するように構成され得る。
ここで、第1参照パターンは、電圧が高電圧側に予め設定された基準電圧以上増加するパターンで構成され得る。例えば、基準電圧は3[mV]で予め設定され得る。すなわち、第1参照パターンは、サイクル順に対応する二つのピーク間の電圧がバッテリーセルBに対するサイクルが増加するほど高電圧側に増加し、両電圧に3[mV]以上の差があるパターンであり得る。
具体的には、制御部130は、決定された電圧変動パターンが増加パターンであって、対応するピーク同士の電圧差が基準電圧以上であるか否かを判断することで、電圧変動パターンが第1参照パターンに対応するか否かを決定するように構成され得る。
例えば、図4の実施形態において、第1ピークP1~第3ピークP3間の電圧変動パターン及び第4ピークP4~第7ピークP7の間の電圧変動パターンは増加パターンである。ただし、第1ピークP1と第2ピークP2との電圧差、第2ピークP2と第3ピークP3との電圧差、及び第4ピークP4と第5ピークP5との電圧差は基準電圧未満であり得る。そして、第5ピークP5と第6ピークP6との電圧差及び第6ピークP6と第7ピークP7との電圧差は基準電圧以上であり得る。したがって、制御部130は、第5ピークP5~第7ピークP7間の電圧変動パターンが第1参照パターンに対応すると決定し得る。
すなわち、バッテリーセルBの内部及び/または外部の多様な原因によって、バッテリーセルBに対して測定された電圧及び容量には誤差が含まれ得る。そして、このようなバッテリー情報に基づいた微分プロファイルに含まれたピークの電圧にも誤差が反映され得る。したがって、制御部130は、1次的に電圧変動パターンが増加パターンであるか否かを考慮し、2次的に対応するピーク同士の電圧差が基準電圧以上であるか否かを考慮することで、複数のピーク(P1~P7)の電圧変動パターンが第1参照パターンに対応するかを決定し得る。
また、第2参照パターンは、決定された微分容量が増加するパターンで構成され得る。
具体的には、制御部130は、微分容量変動パターンが増加パターンであるかを判断することで、微分容量変動パターンが第2参照パターンに対応するか否かを決定するように構成され得る。
例えば、図4の実施形態において、第2ピークP2~第7ピークP7間の微分容量変動パターンは増加パターンである。したがって、制御部130は、第2ピークP2~第7ピークP7間の微分容量変動パターンが第2参照パターンに対応すると決定し得る。
そして、このような過程を経て、電圧変動パターンが第1参照パターンに対応し、微分容量変動パターンが第2参照パターンに対応すれば、制御部130は、バッテリーセルBの状態を退化加速状態と判断し得る。
ここで、退化加速状態とは、バッテリーセルBの退化が加速する状態を意味する。
一般に、バッテリーセルBはサイクルの進行とともに退化するが、バッテリーセルBを長く使用するほど、バッテリーセルBの退化速度はますます増加し得る。例えば、同一期間であっても、BOL状態の第1時点から第2時点までのバッテリーセルBの退化程度と、MOL(Middle of Life)状態の第N時点から第N+1時点までのバッテリーセルBの退化程度とは、相異なり得る。このようにバッテリーセルBの退化が加速している場合は、バッテリーセルBの退化を遅延させるためバッテリーセルBに対する適切な制御が必要であるため、まずバッテリーセルBの状態が退化加速状態であるか否かを正確に判断することが重要である。
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、複数の微分プロファイル(PF1~PF7)に含まれた複数のピーク(P1~P7)同士の間の電圧変動パターン及び微分容量変動パターンをすべて考慮することで、バッテリーセルBの状態が退化加速状態であるか否かを正確に判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130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、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、制御部130によって実行され得る。メモリは、制御部130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130と接続され得る。
また、バッテリー管理装置100は、保存部140をさらに含み得る。保存部140は、バッテリー管理装置100がバッテリーセルBの退化加速を判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140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140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140は、プロファイル生成部110、プロファイル変換部120、及び制御部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。
例えば、保存部140は、プロファイル変換部120によって変換された微分プロファイルを保存し得る。保存部140に保存された微分プロファイルが複数である場合、制御部130は、保存部140にアクセスして複数の微分プロファイル(PF1~PF7)を取得してもよい。すなわち、制御部130は、プロファイル変換部120から直接複数の微分プロファイル(PF1~PF7)を取得してもよく、保存部140にアクセスして保存部140に保存された複数の微分プロファイル(PF1~PF7)を取得してもよい。
制御部130は、複数のピーク(P1~P7)のうち、電圧変動パターンが第1参照パターンに対応し、微分容量変動パターンが第2参照パターンに対応する一つ以上のターゲットピーク(TP1、TP2)を決定するように構成され得る。
例えば、図4の実施形態において、第5ピーク~第7ピーク(P5~P7)間の電圧変動パターンが第1参照パターンに対応し、第3ピーク~第7ピーク(P3~P7)間の微分容量変動パターンが第2参照パターンに対応し得る。したがって、制御部130は、第6ピークP6及び第7ピークP7をターゲットピークとして決定し得る。すなわち、制御部130は、第6ピークP6を第1ターゲットピークTP1として決定し、第7ピークP7を第2ターゲットピークTP2として決定し得る。
そして、制御部130は、一つ以上のターゲットピークに対応するサイクルのうち最も低いサイクルからバッテリーセルBの退化が加速したと判断するように構成され得る。
例えば、図4の実施形態において、制御部130は、第1ターゲットピークTP1に対応する1500サイクルからバッテリーセルBの退化が加速したと判断し得る。すなわち、制御部130は、第5ピークP5に対応する1200サイクル以前にもバッテリーセルBが退化するものの、バッテリーセルBの状態が退化加速状態ではないと判断し得る。
すなわち、バッテリー管理装置100は、バッテリーセルBの状態が退化加速状態であるか否かを判断できるだけでなく、バッテリーセルBの退化が加速するサイクルを判断することができる。したがって、バッテリー管理装置100は、バッテリーセルBの状態だけでなく、退化が加速するサイクル時点を考慮してバッテリーセルBを制御することで、バッテリーセルBの退化の進行を遅延させることができる。これにより、バッテリーセルBの退化が遅延することで、バッテリーセルBの可用寿命が延長できる。
以上では、図3及び図4の実施形態に基づいて、300サイクル毎に取得されたバッテリーセルBの微分プロファイルに基づいてバッテリーセルBの状態及び退化加速時点を判断することを説明した。ただし、バッテリー管理装置100は、バッテリーセルBの状態及び退化加速時点をより正確に判断するため、微分プロファイルを取得するサイクル周期を短く設定してもよい。例えば、バッテリー管理装置100が1サイクル毎に取得されたバッテリーセルBの微分プロファイルに基づいてバッテリーセルBの状態及び退化加速時点を判断する場合、バッテリーセルBの状態及び退化加速時点をより正確に判断可能である。
以下、バッテリー管理装置100が電圧変動パターン及び微分容量変動パターンに基づいてバッテリーセルBの状態を退化加速状態と判断する多様な実施形態を説明する。
図5は、本発明の一実施形態による第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7の他の一部を拡大して示した図である。図6は、本発明の一実施形態による第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7のさらに他の一部を拡大して示した図である。
具体的には、図5は、図3の第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7から約3.85[V]~4.1[V]の電圧区間を拡大して示した図である。そして、図6は、図3の第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7から約3.5[V]~約3.7[V]の電圧区間を拡大して示した図である。
図5を参照すると、300サイクル以後から、バッテリーセルBのサイクルが進行するほど、同じ微分容量に対する電圧が徐々に減少することが分かる。また、図6を参照すると、バッテリーセルBのサイクルが進行するほど、第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7の3.5[V]~3.6[V]の電圧区間に含まれた複数のピークの微分容量が増加し、複数のピークの電圧が低電圧側にシフトすることが分かる。図6において、複数のピークとは、第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7のそれぞれにおいて「●」で表されたポイントを意味する。
すなわち、図3、図5及び図6を参照すると、バッテリーセルBのサイクルが進行するほどバッテリーセルBの可用容量が徐々に減少しているため、バッテリーセルBはサイクルが進行するほど退化していると見られる。例えば、図3の実施形態において、微分容量0[mAh/V]を基準にして微分プロファイルを積分したとき、積分された面積がバッテリーセルBの可用容量であると言える。したがって、図3、図5及び図6によれば、バッテリーセルBはサイクルが進行するほど退化している状態である。
図7は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置100によって退化加速が判断されるバッテリーセルBのサイクル毎のクーロン効率を概略的に示した図である。
ここで、クーロン効率(Coulomb efficiency:CE)は、バッテリーセルBの充電過程で電流積算によって算出された充電量とバッテリーセルBの放電過程で電流積算によって算出された放電量とに基づいて、サイクル毎に算出され得る。具体的には、クーロン効率は、サイクル毎に「放電量÷充電量×100」の数式によって算出され得る。
図7を参照すると、BOL(0サイクル)~600サイクルのクーロン効率は増加するパターンを見せ、600サイクル~1500サイクルのクーロン効率を維持されるパターンを見せる。しかし、1500サイクル~1800サイクルのクーロン効率は減少するパターンを見せる。すなわち、1500サイクルからバッテリーセルBの退化が加速するため、1500サイクル~1800サイクルにおけるクーロン効率が減少するパターンを見せることになる。
したがって、図7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、バッテリーセルBに対するサイクル毎のクーロン効率を算出しなくても、複数の微分プロファイル(PF1~PF7)に含まれたピークの電圧変動パターン及び微分容量変動パターンに基づいてバッテリーセルBの状態が退化加速状態であるか否かを正確に判断することができる。さらに、バッテリー管理装置100は、バッテリーセルBの退化が加速するサイクル時点を判断することができる。
図8は、バッテリーセルBの容量と微分電圧との対応関係を示す複数の微分電圧プロファイル(PF1'~PF7')を概略的に示した図である。
ここで、微分電圧とは、互いに対応する電圧と容量とに対し、電圧を容量に微分した値であって、「dV/dQ」で表され得る。そして、微分電圧の単位は[V/mAh]であり得る。すなわち、微分電圧プロファイルは、バッテリーセルBの微分電圧と容量との対応関係を示すプロファイルであるため、図3の微分プロファイルとは異なるプロファイルである。
具体的には、図8は、第1微分電圧プロファイルPF1'~第7微分電圧プロファイルPF7'を示した図である。図8において、第1微分電圧プロファイルPF1'はBOL状態のバッテリーセルBに対する微分電圧プロファイルであり、第2微分電圧プロファイルPF2'は300サイクルのバッテリーセルBに対する微分電圧プロファイルであり、第3微分電圧プロファイルPF3'は600サイクルのバッテリーセルBに対する微分電圧プロファイルであり、第4微分電圧プロファイルPF4'は900サイクルのバッテリーセルBに対する微分電圧プロファイルであり、第5微分電圧プロファイルPF5'は1200サイクルのバッテリーセルBに対する微分電圧プロファイルであり、第6微分電圧プロファイルPF6'は1500サイクルのバッテリーセルBに対する微分電圧プロファイルであり、第7微分電圧プロファイルPF7'は1800サイクルのバッテリーセルBに対する微分電圧プロファイルであり得る。
例えば、図8において、バッテリーセルBのサイクルが増加するにつれて、第1微分電圧プロファイルPF1'~第7微分電圧プロファイルPF7'の順に曲率(curvature)が小さくなって屈曲が緩やかになることを確認できる。
また、サイクル順に二つの微分電圧プロファイル間の曲率差を比べると、第5微分電圧プロファイルPF5'と第6微分電圧プロファイルPF6'との曲率差が最大であることが分かる。
具体的には、図8の点線で示されたボックス部分を参照すると、第5微分電圧プロファイルPF5'の曲率と第6微分電圧プロファイルPF6'の曲率との差が最も大きい。すなわち、第1微分電圧プロファイルPF1'と第2微分電圧プロファイルPF2'との曲率差、第2微分電圧プロファイルPF2'と第3微分電圧プロファイルPF3'との曲率差、第3微分電圧プロファイルPF3'と第4微分電圧プロファイルPF4'との曲率差、第4微分電圧プロファイルPF4'と第5微分電圧プロファイルPF5'との曲率差、第5微分電圧プロファイルPF5'と第6微分電圧プロファイルPF6'との曲率差、及び第6微分電圧プロファイルPF6'と第7微分電圧プロファイルPF7'との曲率差のうち、第5微分電圧プロファイルPF5'と第6微分電圧プロファイルPF6'との曲率差が最大であることが分かる。
具体的には、図8に示されたように、サイクルが進行するほど微分電圧プロファイルの曲率が緩やかになることは、バッテリーセルBが退化してバッテリーセルBの内部抵抗が増加することとして説明できる。すなわち、1500サイクルからバッテリーセルBの内部抵抗が大きく増加するということは、1500サイクルからバッテリーセルBの退化が加速することを意味すると言える。
したがって、図8からも分かるように、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置100は、バッテリーセルBの状態が退化加速状態であるか否かを正確に判断することができる。さらに、バッテリー管理装置100は、バッテリーセルBの退化が加速するサイクル時点を判断することができる。
制御部130は、バッテリーセルBに対する放電終了電圧を一つ以上のターゲットピーク(TP1、TP2)に対応する電圧以上に設定するように構成され得る。
具体的には、制御部130は、バッテリーセルBの状態が退化加速状態である場合、バッテリーセルBの放電終了電圧を上方に制御することで、バッテリーセルBの可用電圧範囲を減少させ得る。これは、バッテリーセルBが退化した場合であるにも低電圧領域まで放電すれば、バッテリーセルBの退化が継続的に加速化し得るため、制御部130はバッテリーセルBの放電終了電圧を上向させることで、バッテリーセルBの退化進行速度を落とすことができる。
例えば、図4の実施形態において、制御部130は、第6ピークP6を第1ターゲットピークTP1として決定し、第7ピークP7を第2ターゲットピークTP2として決定し得る。そして、制御部130は、バッテリーセルBの放電終了電圧を第1ターゲットピークTP1に対応する電圧、または、第2ターゲットピークTP2に対応する電圧以上に設定し得る。
望ましくは、制御部130は、バッテリーセルBに対する放電終了電圧を一つ以上のターゲットピーク(TP1、TP2)に対応する電圧のうちの最大電圧以上に設定するように構成され得る。
例えば、図4の実施形態において、制御部130は、バッテリーセルBの放電終了電圧を第2ターゲットピークTP2に対応する電圧以上に設定し得る。より望ましくは、制御部130は、バッテリーセルBの放電終了電圧を第2ターゲットピークTP2に対応する電圧よりも大きい値で設定し得る。
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、バッテリーセルBの状態を判断できるだけでなく、バッテリーセルBの放電終了電圧を上方に制御することでバッテリーセルBの寿命を延ばすことができる。
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のプロファイル生成部110、プロファイル変換部120、制御部130及び保存部140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、上述したバッテリー管理装置100及び一つ以上のバッテリーセルBを含み得る。また、バッテリーパック1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9は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理装置100を含むバッテリーパック1の例示的構成を概略的に示した図である。
図9を参照すると、バッテリーパック1は、正極端子及び負極端子を備え、バッテリーセルB、測定部200及びバッテリー管理装置100を含み得る。
測定部200は、バッテリーセルBの電圧及び容量を測定するように構成され得る。
具体的には、測定部200は、バッテリーセルBの両端電圧をそれぞれ測定し、バッテリーの電圧を測定し得る。また、測定部200は、バッテリーセルBが放電する間、バッテリーセルBから流れる電流と放電時間を測定し得る。そして、測定部200は、測定したバッテリーセルBの電流と放電時間に基づいてバッテリーセルBの容量を測定し得る。
例えば、図9の実施形態において、測定部200は、第1センシングラインSL1、第2センシングラインSL2、及び第3センシングラインSL3に連結され得る。測定部200は、第1センシングラインSL1及び第2センシングラインSL2を通じてバッテリーセルBの電圧を測定し得る。そして、測定部200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に連結され、電流測定ユニットAを通じてバッテリーセルBの電流を測定し得る。望ましくは、測定部200は、バッテリーセルBの電流を測定する間の放電時間を測定可能なタイマを備え得る。
また、バッテリーパック1の正極端子P+及び負極端子P-に充放電部2が連結され、バッテリーセルBを充電または放電し得る。
例えば、充放電部2によってバッテリーセルBが放電するとき、測定部200は、バッテリーセルBの電圧及び容量を測定し、測定された電圧及び容量を含むバッテリー情報をプロファイル生成部110に送信し得る。すなわち、プロファイル生成部110は、測定部200からバッテリー情報を受信することで、バッテリー情報を取得し得る。
図10は、本発明の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。バッテリー管理方法の各段階はバッテリー管理装置100によって実行できる。
以下では、説明の便宜上、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10を参照すると、バッテリー管理方法は、バッテリー情報取得段階S100、バッテリープロファイル生成段階S200、微分プロファイル変換段階S300、ピーク選択段階S400、パターン決定段階S500、及び退化加速判断段階S600を含む。
バッテリー情報取得段階S100は、バッテリーセルBに対する電圧と容量を含むバッテリー情報を取得する段階であって、プロファイル生成部110によって実行できる。
例えば、プロファイル生成部110は、外部からバッテリー情報を受信するか、または、ユーザによってバッテリー情報がプロファイル生成部110に直接入力され得る。望ましくは、図9の実施形態を参照すると、プロファイル生成部110は、バッテリーセルBの電圧及び容量を測定可能な測定部200からバッテリー情報を取得し得る。
バッテリープロファイル生成段階は、取得されたバッテリー情報に基づいて電圧と容量との対応関係を示すバッテリープロファイルを生成する段階であって、プロファイル生成部110によって実行できる。
具体的には、プロファイル生成部110は、取得されたバッテリー情報から互いに対応する電圧と容量とを読み出し、読み出された電圧と容量との対応関係を示すバッテリープロファイルを生成し得る。
微分プロファイル変換段階S300は、バッテリープロファイルを電圧と電圧に対する微分容量との対応関係を示す微分プロファイルに変換する段階であって、プロファイル変換部120によって実行できる。
具体的には、プロファイル変換部120は、プロファイル生成部110からバッテリープロファイルを受信し得る。そして、プロファイル変換部120は、バッテリープロファイルを電圧と微分容量との対応関係を示す微分プロファイルに変換し得る。
ピーク選択段階S400は、微分プロファイル変換段階S300によって変換された複数の微分プロファイル(PF1~PF7)のそれぞれから予め設定された基準電圧区間に含まれたピークを選択する段階であって、制御部130によって実行できる。
例えば、図4の実施形態において、制御部130は、第1微分プロファイルPF1~第7微分プロファイルPF7の基準電圧区間で、第1ピークP1~第7ピークP7をそれぞれ選択し得る。
パターン決定段階S500は、選択された複数のピーク(P1~P7)の電圧に対する電圧変動パターン及び微分容量に対する微分容量変動パターンを決定する段階であって、制御部130によって実行できる。
望ましくは、制御部130は、バッテリーセルBに対するサイクル順に応じて複数のピーク(P1~P7)に対する電圧変動パターン及び微分容量変動パターンを決定し得る。
例えば、図4の実施形態において、第1ピークP1~第3ピークP3間の電圧変動パターンは増加パターンであり、第3ピークP3と第4ピークP4間の電圧変動パターンは減少パターンであり、第4ピークP4~第7ピークP7間の電圧変動パターンは増加パターンであり得る。また、第1ピークP1と第2ピークP2間の微分容量変動パターンは減少パターンであり、第2ピークP2~第7ピークP7間の微分容量変動パターンは増加パターンであり得る。
退化加速判断段階S600は、決定された電圧変動パターンが予め設定された第1参照パターンに対応するか否か、及び決定された微分容量変動パターンが予め設定された第2参照パターンに対応するか否かに応じてバッテリーセルBの退化加速を判断する段階であって、制御部130によって実行できる。
電圧変動パターンが第1参照パターンに対応し、微分容量変動パターンが第2参照パターンに対応すれば、制御部130は、バッテリーセルBの状態を退化加速状態と判断し得る。
また、制御部130は、複数のピーク(P1~P7)の中から第1参照パターン及び第2参照パターンに対応する一つ以上のターゲットピーク(TP1、TP2)を決定するように構成され得る。そして、制御部130は、一つ以上のターゲットピーク(TP1、TP2)に対応するサイクルのうち、最も低いサイクルからバッテリーセルBの退化が加速したと判断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Bの状態が退化加速状態であるか否かを判断できるだけでなく、バッテリーセルBの退化が加速するサイクルも判断することができる。
また、制御部130は、バッテリーセルBに対する放電終了電圧を一つ以上のターゲットピーク(TP1、TP2)に対応する電圧のうちの最大電圧以上に設定することで、バッテリーセルBの寿命を延ばすことができる。
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
2:充放電部
100:バッテリー管理装置
110:プロファイル生成部
120:プロファイル変換部
130:制御部
140:保存部
200:測定部
B:バッテリーセル

Claims (11)

  1. バッテリーセルに対する電圧及び容量を含むバッテリー情報を取得し、取得されたバッテリー情報に基づいて前記電圧と前記容量との対応関係を示すバッテリープロファイルを生成するプロファイル生成部と、
    前記プロファイル生成部から前記バッテリープロファイルを受信し、受信したバッテリープロファイルを前記電圧と前記電圧に対する微分容量との対応関係を示す微分プロファイルに変換するプロファイル変換部と、
    前記プロファイル変換部によって変換された前記バッテリーセルに対する複数の微分プロファイルを取得し、取得された複数の微分プロファイルのそれぞれから予め設定された基準電圧区間に含まれたピークを選択し、選択された複数のピークの前記電圧に対する電圧変動パターン及び前記微分容量に対する微分容量変動パターンを決定し、決定された電圧変動パターンが予め設定された第1参照パターンに対応するか否か、及び決定された微分容量変動パターンが予め設定された第2参照パターンに対応するか否かに応じて前記バッテリーセルの退化加速を判断する制御部と、を含む、バッテリー管理装置。
  2. 前記制御部は、
    前記複数のピークのうちの対応する二つのピーク毎に前記電圧変動パターン及び前記微分容量変動パターンを決定する、請求項1に記載のバッテリー管理装置。
  3. 前記第1参照パターンは、
    前記電圧が高電圧側に予め設定された基準電圧以上に増加するパターンで構成され、
    前記制御部は、
    前記決定された電圧変動パターンが増加パターンであって、対応するピーク同士の電圧差が前記基準電圧以上であるか否かを判断することで、前記電圧変動パターンが前記第1参照パターンに対応するか否かを決定する、請求項1または2に記載のバッテリー管理装置。
  4. 前記第2参照パターンは、
    前記微分容量が増加するパターンで構成され、
    前記制御部は、
    前記決定された微分容量変動パターンが増加パターンであるかを判断することで、前記微分容量変動パターンが前記第2参照パターンに対応するか否かを決定する、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、
    前記バッテリーセルに対するサイクル順に応じて前記複数のピークに対する前記電圧変動パターン及び前記微分容量変動パターンを決定する、請求項1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、
    前記複数のピークの中から前記電圧変動パターンが前記第1参照パターンに対応し、前記微分容量変動パターンが前記第2参照パターンに対応する一つ以上のターゲットピークを決定する、請求項1から5のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。
  7. 前記制御部は、
    前記一つ以上のターゲットピークに対応するサイクルのうち最も低いサイクルから前記バッテリーセルの退化が加速したと判断する、請求項6に記載のバッテリー管理装置。
  8. 前記制御部は、
    前記バッテリーセルに対する放電終了電圧を前記一つ以上のターゲットピークに対応する電圧以上に設定する、請求項6または7に記載のバッテリー管理装置。
  9. 前記基準電圧区間は、
    前記バッテリーセルに対する電圧区間のうちの放電末期側の一部区間として予め設定されている、請求項1から8のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。
  10. 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を含む、バッテリーパック。
  11. バッテリーセルに対する電圧及び容量を含むバッテリー情報を取得するバッテリー情報取得段階と、
    取得されたバッテリー情報に基づいて前記電圧と前記容量との対応関係を示すバッテリープロファイルを生成するバッテリープロファイル生成段階と、
    前記バッテリープロファイルを前記電圧と前記電圧に対する微分容量との対応関係を示す微分プロファイルに変換する微分プロファイル変換段階と、
    前記微分プロファイル変換段階によって変換された複数の微分プロファイルのそれぞれから予め設定された基準電圧区間に含まれたピークを選択するピーク選択段階と、
    選択された複数のピークの前記電圧に対する電圧変動パターン及び前記微分容量に対する微分容量変動パターンを決定するパターン決定段階と、
    決定された電圧変動パターンが予め設定された第1参照パターンに対応するか否か、及び決定された微分容量変動パターンが予め設定された第2参照パターンに対応するか否かに応じて前記バッテリーセルの退化加速を判断する退化加速判断段階と、を含む、バッテリー管理方法。
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