KR102148204B1 - 배터리에서 측정되는 파라미터의 모델을 이용하는 배터리 이상 진단 장치 및 방법 - Google Patents

배터리에서 측정되는 파라미터의 모델을 이용하는 배터리 이상 진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 정보를 측정하는 배터리 정보 수집부; 배터리 정보로부터 파라미터 정보를 생성하는 파라미터 생성부; 파라미터 정보를 시험 모델과 비교하고, 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리에 이상이 발생한 것으로 판단하는 이상 판정부; 및 상기 배터리의 이상 여부를 출력하는 출력부를 포함하는, 배터리 이상 진단 장치를 제공한다.

Description

배터리에서 측정되는 파라미터의 모델을 이용하는 배터리 이상 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING BATTERY FAILURE USING MODEL OF THE PARAMETER MEASURED IN THE BATTERY}
본 발명은 배터리에서 측정되는 파라미터의 모델을 이용하는 배터리 이상 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배터리의 수명 시험에 의해 생성되는 시험 모델과 배터리로부터 측정되는 파라미터 모델을 비교하여 배터리의 이상을 진단하는 배터리 이상 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
배터리는 모바일 기기, 램프, 센서, 컴퓨팅 기기, 전기 자동차 등 여러 전기 부하에 탑재되어, 각각의 전기 부하가 요구하는 전원을 공급한다. 예를 들어, 배터리는 상술한 기기 외에도, 에어컨, 오디오 기기, 난방 기기 등 광범위한 분야에서 이용되고 있다. 이때, 배터리는 방전이 수행되는 경우에, 배터리에 연결된 전기 부하에 전원을 공급하는 것이 일반적이나, 배터리는 발전기 등으로부터 전달되는 전원을 저장하는 충전을 수행하기도 하며, 이와 같은 편의성 등에 따라 배터리를 이용하는 전기 기기는 계속해서 증가하고 있으며, 배터리의 발전에 따라, 각종 전기 기기에 탑재되는 배터리의 용량도 증대되고 있다.
이에 따라, 배터리에 이상이 발생하여 폭발 등의 사고가 발생하는 경우에 나타나는 피해는 점차 커지고 있으며, 비교적 작은 사고에도, 배터리의 성능 또는 배터리를 이용하는 환경에 따라 더 큰 피해를 유발하기도 한다.
따라서, 배터리의 이상 유무를 보다 빠르게 파악하기 위한 방안이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리의 수명 시험에 의해 생성되는 시험 모델과 배터리로부터 측정되는 파라미터 모델을 비교하여 배터리의 이상을 진단하는 배터리 이상 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면은, 배터리로부터 측정 가능한 배터리 정보를 사전에 설정되는 시간 간격 동안 측정하는 배터리 정보 수집부; 수명 시험에 따라 사전에 생성되는 시험 모델과 상기 배터리 정보의 비교가 가능하도록 상기 배터리 정보로부터 배터리의 상태를 나타내는 파라미터 정보를 생성하는 파라미터 생성부; 상기 파라미터 정보를 상기 시험 모델과 비교하고, 상기 파라미터 정보와 상기 시험 모델의 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리에 이상이 발생한 것으로 판단하는 이상 판정부; 및 상기 배터리의 이상 여부를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 정보 수집부는, 상기 배터리로부터 시간의 흐름에 따른 배터리의 충전 상태를 나타내는 충전 정보를 수집할 수 있다.
또한, 상기 파라미터 생성부는, 상기 충전 정보로부터 배터리의 방전이 시작되는 시점부터, 방전이 시작되는 시점의 수준으로 배터리가 충전되는 시점까지의 시간 간격으로 나타나는 사이클 구간 및 상기 배터리에서 방전 또는 충전이 수행되지 않는 시간 간격으로 나타나는 휴지 구간 중 적어도 하나의 구간을 추출할 수 있다.
또한, 상기 파라미터 생성부는, 상기 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 따른 배터리 용량의 변화량을 도출할 수 있다.
또한, 상기 파라미터 생성부는, 상기 휴지 구간이 나타나는 시간 정보 및 상기 시간 정보에 따른 배터리의 전압 변화량을 도출할 수 있다.
또한, 상기 파라미터 생성부는, 상기 배터리 정보에 따라 상기 배터리를 전기 회로 형태로 나타내는 등가 회로를 생성하고, 상기 등가 회로를 이용하여 상기 배터리의 개방 회로 전압을 도출할 수 있다.
또한, 상기 배터리 정보는, 배터리의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전류 정보, 배터리의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전압 정보 및 배터리로부터 시간의 흐름에 따라 측정되는 온도 정보 중 적어도 하나의 정보를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은, 배터리에서 측정되는 파라미터의 수명 시험에 따른 시험 모델을 이용하는 배터리 이상 진단 방법에 있어서, 사전에 설정되는 시간 간격 동안 배터리로부터 측정 가능한 배터리 정보를 측정하는 단계; 수명 시험에 따라 사전에 생성되는 시험 모델과 상기 배터리 정보의 비교가 가능하도록 상기 배터리 정보로부터 배터리의 상태를 나타내는 파라미터 정보를 생성하는 단계; 상기 파라미터 정보를 상기 시험 모델과 비교하고, 상기 파라미터 정보와 상기 시험 모델의 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리에 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계; 및 상기 배터리의 이상 여부를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 정보를 측정하는 단계는, 상기 배터리로부터 시간의 흐름에 따른 배터리의 충전 상태를 나타내는 충전 정보를 측정할 수 있다.
또한, 상기 파라미터 정보를 생성하는 단계는, 상기 충전 정보로부터 배터리의 방전이 시작되는 시점부터, 방전이 시작되는 시점의 수준으로 배터리가 충전되는 시점까지의 시간 간격으로 나타나는 사이클 구간 및 상기 배터리에서 방전 또는 충전이 수행되지 않는 시간 간격으로 나타나는 휴지 구간 중 적어도 하나의 구간을 추출할 수 있다.
또한, 상기 파라미터 정보를 생성하는 단계는, 상기 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 따른 배터리 용량의 변화량을 도출할 수 있다.
또한, 상기 파라미터 정보를 생성하는 단계는, 상기 휴지 구간이 나타나는 시간 정보 및 상기 시간 정보에 따른 배터리의 전압 변화량을 도출할 수 있다.
또한, 상기 파라미터 정보를 생성하는 단계는, 상기 배터리 정보에 따라 상기 배터리를 전기 회로 형태로 나타내는 등가 회로를 생성하고, 상기 등가 회로를 이용하여 상기 배터리의 개방 회로 전압을 도출할 수 있다.
또한, 상기 배터리 정보는, 배터리의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전류 정보, 배터리의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전압 정보 및 배터리로부터 시간의 흐름에 따라 측정되는 온도 정보 중 적어도 하나의 정보를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 배터리에서 측정되는 파라미터의 모델을 이용하는 배터리 이상 진단 장치 및 방법을 제공함으로써, 배터리의 수명 시험에 의해 생성되는 시험 모델과 배터리로부터 측정되는 파라미터 모델을 비교하여 배터리의 이상을 진단할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 장치를 포함하는 배터리 이상 진단 시스템의 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 장치의 제어블록도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 장치에서 배터리의 이상을 판단하는 과정을 나타내는 블록도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 장치에서 생성되는 서로 다른 파라미터 정보에 따라 배터리의 이상을 판단하는 과정을 나타내는 블록도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 방법의 순서도이다.
도6 및 도7은 도5의 파라미터 정보를 생성하는 단계의 세부 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 장치를 포함하는 배터리 이상 진단 시스템의 개략도이다.
배터리 이상 진단 시스템(1)은 배터리(100) 및 배터리 이상 진단 장치(200)를 포함할 수 있다.
배터리(100)는 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 포함하는 리튬이온 전지, 축전기, 2차 전지 등을 의미할 수 있으며, 이에 따라, 배터리(100)는 충전을 수행하여 에너지를 저장할 수 있고, 배터리(100)는 배터리(100)에 연결되는 외부 장치 등의 부하에 저장된 에너지를 공급할 수 있다.
이때, 에너지는 전류, 전압 및 전력 등의 전기 에너지를 통칭하는 것으로 이해할 수 있으며, 이에 따라, 하기에서 언급되는 에너지는 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나를 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
한편, 배터리(100)는 양극과 음극에 가해지는 전류의 방향에 따라 배터리 내부에서 산화 작용 또는 환원 작용이 발생할 수 있으며, 이에 따라, 배터리(100)는 충전 또는 방전이 가능할 수 있다.
이때, 배터리(100) 내부의 분리막과 전해액 사이에서 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층이 형성될 수 있으며, 배터리(100)는 SEI 층이 두꺼워질수록 배터리(100) 내부 임피던스의 증가, 리튬 이온의 감소 등 성능이 감소되어, 배터리(100)의 효율성이 떨어지는 등 배터리(100)의 열화가 진행될 수 있다.
배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리(100)로부터 측정 가능한 배터리 정보를 사전에 설정되는 시간 간격 동안 측정할 수 있다.
이때, 배터리 정보는 배터리(100)의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전류 정보, 배터리(100)의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전압 정보 및 배터리(100)로부터 시간의 흐름에 따라 측정되는 온도 정보 등을 포함할 수 있다.
한편, 배터리 정보는 사전에 설정되는 시간 간격 동안 배터리의 충전 상태를 나타내는 충전 정보를 더 포함할 수 있으며, 이때, 배터리의 충전 상태는 배터리(100)의 SoC(State of Charge) 등을 의미할 수 있다.
이를 위해, 배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리(100)의 충전 상태를 추정할 수 있도록 공지된 기술을 이용할 수 있으며, 이와 관련하여, 배터리(100)의 충전 상태를 추정하는 방법은 배터리(100) 내부의 전해액의 비중 또는 산도 등을 측정하여 충전 상태를 추정하는 화학적 측정법, 배터리(100)의 출력 전압을 실험 등에 의해 사전에 마련되는 방전 곡선(Discharge Curve) 등과 비교하여 충전 상태를 추정하는 전압 측정법 등을 이용할 수 있으며, 이외에도, 전류 적분법, 압력 측정법 등의 배터리(100)의 충전 상태를 측정하는 방법이 이용될 수도 있다.
이에 따라, 충전 정보는 일정한 시간 간격 동안 배터리(100)에서 수행된 충전, 방전 및 휴지 등의 동작을 포함할 수 있으며, 여기에서, 휴지는 배터리(100)에서 충전 또는 방전이 수행되지 않는 상태를 의미할 수 있다.
배터리 이상 진단 장치(200)는 수명 시험에 따라 생성되는 시험 모델과 배터리 정보의 비교가 가능하도록 배터리 정보로부터 배터리의 상태를 나타내는 파라미터 정보를 생성할 수 있다.
여기에서, 수명 시험은 제조사 등에서 실시되는 배터리(100)의 성능 테스트를 의미할 수 있으며, 이와 관련하여, 수명 시험은 방전 깊이(DoD: Depth of Discharge)와 수행 가능 사이클 횟수(ACC: Achievable Count Cycle) 간의 관계를 나타내는 시험, 배터리(100)의 충전 및 방전에 따라 누적되는 전류의 양과 배터리(100)의 용량 간의 관계를 나타내는 시험, 배터리(100)의 충전 상태에 따른 시간과 배터리(100)의 전압 변화량 간의 관계를 나타내는 시험 등이 실시될 수 있으며, 이와 같은 수명 시험의 결과 정보는 제조자 등으로부터 제공받을 수 있다.
한편, 시험 모델은 수명 시험에 따른 결과를 나타내는 수치를 정리한 결과 정보로 이해할 수 있으며, 이에 따라, 시험 모델은 배터리에 이상이 존재하지 않는 상태에서 나타나는 배터리의 특성에 관한 정보를 의미할 수 있다.
한편, 이와 같은 시험 모델은 열화 밀도 함수(WDF: Wear Density Function), 내부 저항(DCIR: Direct Current Internal Resistance), 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage) 곡선 등을 포함할 수 있으며, 이외에도, 시험 모델을 배터리의 특성을 나타내는 다양한 수명 시험 결과를 포함할 수 있다.
한편, 배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리(100)로부터 측정되는 충전 정보로부터 배터리(100)의 방전이 시작되는 시점부터, 방전이 시작되는 시점의 수준으로 배터리(100)가 충전되는 시점까지의 시간 간격으로 나타나는 사이클 구간 및 배터리(100)에서 방전 또는 충전이 수행되지 않는 시간 간격으로 나타나는 휴지 구간 중 적어도 하나의 구간 정보를 추출할 수 있다.
이에 따라, 배터리 이상 진단 장치(200)는 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 따른 배터리(100) 용량의 변화량을 도출할 수 있다.
이와 관련하여, 누적되는 전류의 양에 따른 배터리(100) 용량의 변화량은 열화 밀도 함수에 대한 시험 모델의 형태로 나타날 수 있으며, 이때, 열화 밀도 함수는 배터리(100)의 충전 상태에 따라 다르게 나타날 수 있다.
예를 들어, 열화 밀도 함수의 충전 상태는 10% 간격으로 나타날 수 있으며, 이러한 경우에, 열화 밀도 함수에서 나타나는 사이클 구간에 대해 누적되는 전류의 양은 배터리(100)의 충전 상태가 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 및 100%인 경우에 대해서 각각 도출될 수 있다. 여기에서, 배터리(100)의 충전 상태는 서로 다른 간격으로 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 배터리 이상 진단 장치(200)는 휴지 구간이 나타나는 시간 정보에 따른 배터리(100)의 전압 변화량을 도출할 수 있다.
이때, 시간 정보에 따른 배터리(100)의 전압 변화량은 배터리(100) 내부의 전극 안정도에 대한 시험 모델의 형태로 나타날 수 있다.
이와 관련하여, 배터리(100)는 전해액의 LUMO(the Lowest Unoccupied Molecular Orbital)가 양극에서 나타나는 페르미 준위(Fermi Level) 보다 낮은 경우에, 양극의 전자가 전해액으로 유입되어 전해액의 환원 손실이 발생하고, 전해액의 HOMO(the Highest Occupied Molecular Orbital)가 음극에서 나타나는 페르미 준위 보다 높은 경우에, 전해액의 전자가 음극으로 이동하여 전해액의 산화 손실이 발생할 수 있다.
이에 따라, 배터리(100)는 양극의 준위가 LUMO 보다 낮고, 음극의 준위가 HOMO 보다 높은 경우에, 안정된 상태로 이해할 수 있다.
한편, 배터리(100)는 충전 및 방전 사이클이 수행될 때, 내부에서 산화 및 환원이 발생할 수 있으며, 이에 따라, 배터리(100)는 불안정한 상태로 변화할 수 있으며, 시간의 흐름에 따른 내부의 확산 반응에 따라 배터리(100)는 안정한 상태로 변화할 수 있다.
이에 따라, 배터리 이상 진단 장치(200)는 휴지 구간에 대해서 배터리(100) 내부의 전극 안정도를 도출할 수 있다.
한편, 배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리 정보에 따라 배터리(100)를 전기 회로 형태로 나타내는 등가 회로를 생성할 수 있으며, 배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리(100)에 대한 등가 회로를 이용하여 배터리(100)의 개방 회로 전압을 도출할 수 있다.
여기에서, 배터리(100)의 등가 회로는 랜들 등가 회로(Randle's Circuit)가 이용될 수 있으며, 랜들 등가 회로는 배터리(100)의 전해액으로부터 측정되는 전해액 저항, 전해액 저항에 직렬로 연결되고, 물질 간의 경계에서 나타나는 전기 이중층에 의한 커패시턴스, 커패시턴스와 병렬로 연결되고, 물질 내의 전하가 이동하는데 발생하는 전하 전달 저항 및 전하 전달 저항과 직렬로 연결되고, 커패시턴스와 병렬로 연결되는 와버그 임피던스(Warburg Impedance)를 포함할 수 있다.
이와 같은, 배터리(100)의 등가 회로는 이전에 공지된 기술을 이용할 수 있으며, 이에 따라, 당업자 수준에서 본 발명을 실시하는데 어려움이 없을 것이다.
한편, 배터리(100)의 개방 회로 전압은 배터리(100)의 부하 측에 임의의 부하가 연결되지 않은 개방 상태에서 부하 측의 양단에 나타나는 전압의 차이를 의미할 수 있으며, 이와 같은 개방 회로 전압을 계산하는 것은 전기 회로와 관련된 당업자 수준에서 용이하게 실시가 가능한 것으로 보다 상세한 설명은 생략한다.
이에 따라, 파라미터 정보는 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 따른 배터리(100) 용량의 변화량을 나타내는 정보, 휴지 구간에서 나타나는 시간 정보에 따른 배터리의 전압 변화량을 나타내는 정보, 배터리 정보에 따라 생성되는 등가 회로에서 나타나는 개방 회로 전압을 나타내는 정보 등을 포함할 수 있다.
또한, 파라미터 정보는 배터리 정보에 따라 계산되는 배터리(100)의 내부 저항의 정보를 더 포함할 수도 있다.
배터리 이상 진단 장치(200)는 파라미터 정보를 시험 모델과 비교하고, 파라미터 정보와 시험 모델의 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이때, 파라미터 정보와 시험 모델을 비교하는 것은 동일한 조건에서 시험 모델과 파라미터 정보의 변수 차이를 계산하는 것으로 이해할 수 있다.
구체적으로, 배터리 이상 진단 장치(200)는 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 대해서, 배터리 이상 진단 장치(200)에 의해 계산되는 파라미터 정보에서 나타나는 배터리(100) 용량의 변화량 또는 배터리(100)의 열화 정도 등이 시험 모델에 나타나는 배터리(100) 용량의 변화량 또는 배터리(100)의 열화 정도 등과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 배터리 이상 진단 장치(200)는 휴지 구간에서 나타나는 시간 정보에 대해서, 파라미터 정보에서 나타나는 배터리(100) 전압의 변화량 등이 시험 모델에 나타나는 배터리(100) 전압의 변화량 등과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리 정보에 따라 생성되는 등가 회로에 대해서, 파라미터 정보에서 나타나는 개방 회로 전압이 시험 모델에 나타나는 개방 회로 전압과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리 정보에 따라 측정되는 내부 저항에 대해서, 시험 모델에서 나타나는 내부 저항과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
이에 따라, 배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단된 경우에, 배터리(100)의 이상 여부를 출력할 수 있다.
이때, 배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리(100)의 이상 여부를 시각적, 청각적, 촉각적 형태로 출력할 수 있으며, 이때, 시각적 출력은 LED 등의 알림 출력을 의미할 수 있고, 청각적 출력은 음향 등의 알림 출력을 의미할 수 있으며, 촉각적 출력은 진동 등의 알림 출력을 의미할 수 있다.
한편, 배터리 이상 진단 장치(200)는 디스플레이 출력 장치를 더 구비하여, 파라미터 정보와 시험 모델을 그래프 등의 형태로 각각 출력할 수도 있으며, 이러한 경우에, 사용자는 배터리(100)에서 발생한 문제를 직관적으로 알 수 있을 것이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 장치의 제어블록도이다.
배터리 이상 진단 장치(200)는 배터리 정보 수집부(210), 파라미터 생성부(220), 이상 판정부(230) 및 출력부(240)를 포함할 수 있다.
배터리 정보 수집부(210)는 배터리(100)로부터 측정 가능한 배터리 정보를 사전에 설정되는 시간 간격 동안 측정할 수 있다.
이때, 배터리 정보는 배터리(100)의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전류 정보, 배터리(100)의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전압 정보 및 배터리(100)로부터 시간의 흐름에 따라 측정되는 온도 정보 등을 포함할 수 있다.
한편, 배터리 정보는 사전에 설정되는 시간 간격 동안 배터리의 충전 상태를 나타내는 충전 정보를 더 포함할 수 있으며, 이때, 배터리의 충전 상태는 배터리(100)의 SoC(State of Charge) 등을 의미할 수 있다.
파라미터 생성부(220)는 수명 시험에 따라 생성되는 시험 모델과 배터리 정보의 비교가 가능하도록 배터리 정보로부터 배터리의 상태를 나타내는 파라미터 정보를 생성할 수 있다.
여기에서, 시험 모델은 열화 밀도 함수(WDF: Wear Density Function), 내부 저항(DCIR: Direct Current Internal Resistance), 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage) 곡선 등을 포함할 수 있으며, 이외에도, 시험 모델을 배터리의 특성을 나타내는 다양한 수명 시험의 결과 정보를 포함할 수 있다.
한편, 파라미터 생성부(220)는 배터리(100)로부터 측정되는 충전 정보로부터 배터리(100)의 방전이 시작되는 시점부터, 방전이 시작되는 시점의 수준으로 배터리(100)가 충전되는 시점까지의 시간 간격으로 나타나는 사이클 구간 및 배터리(100)에서 방전 또는 충전이 수행되지 않는 시간 간격으로 나타나는 휴지 구간 중 적어도 하나의 구간 정보를 추출할 수 있다.
이에 따라, 파라미터 생성부(220)는 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 따른 배터리(100) 용량의 변화량을 도출할 수 있다.
또한, 파라미터 생성부(220)는 휴지 구간이 나타나는 시간 정보에 따른 배터리(100)의 전압 변화량을 도출할 수 있다.
이때, 시간 정보에 따른 배터리(100)의 전압 변화량은 배터리(100) 내부의 전극 안정도에 대한 시험 모델의 형태로 나타날 수 있다.
한편, 파라미터 생성부(220)는 배터리 정보에 따라 배터리(100)를 전기 회로 형태로 나타내는 등가 회로를 생성할 수 있으며, 파라미터 생성부(220)는 배터리(100)에 대한 등가 회로를 이용하여 배터리(100)의 개방 회로 전압을 도출할 수 있다.
이상 판정부(230)는 파라미터 정보를 시험 모델과 비교하고, 파라미터 정보와 시험 모델의 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
예를 들어, 이상 판정부(230)는 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 대해서, 파라미터 생성부(220)에 의해 계산되는 파라미터 정보에서 나타나는 배터리(100) 용량의 변화량 또는 배터리(100)의 열화 정도 등이 시험 모델에 나타나는 배터리(100) 용량의 변화량 또는 배터리(100)의 열화 정도 등과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 이상 판정부(230)는 휴지 구간에서 나타나는 시간 정보에 대해서, 파라미터 정보에서 나타나는 배터리(100) 전압의 변화량 등이 시험 모델에 나타나는 배터리(100) 전압의 변화량 등과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 이상 판정부(230)는 배터리 정보에 따라 생성되는 등가 회로에 대해서, 파라미터 정보에서 나타나는 개방 회로 전압이 시험 모델에 나타나는 개방 회로 전압과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 이상 판정부(230)는 배터리 정보에 따라 측정되는 내부 저항에 대해서, 시험 모델에서 나타나는 내부 저항과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
출력부(240)는 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단된 경우에, 배터리(100)의 이상 여부를 출력할 수 있다.
이때, 출력부(240)는 배터리(100)의 이상 여부를 시각적, 청각적, 촉각적 형태로 출력할 수 있으며, 이때, 시각적 출력은 LED 등의 알림 출력을 의미할 수 있고, 청각적 출력은 음향 등의 알림 출력을 의미할 수 있으며, 촉각적 출력은 진동 등의 알림 출력을 의미할 수 있다.
한편, 출력부(240)는 디스플레이 출력 장치를 더 구비하여, 파라미터 정보와 시험 모델을 그래프 등의 형태로 각각 출력할 수도 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 장치에서 배터리의 이상을 판단하는 과정을 나타내는 블록도이다.
도3을 참조하면, 배터리 정보 수집부(210)는 배터리(100)로부터 측정 가능한 배터리 정보를 사전에 설정되는 시간 간격 동안 측정할 수 있으며, 파라미터 생성부(220)는 수명 시험에 따라 생성되는 시험 모델과 배터리 정보의 비교가 가능하도록 배터리 정보로부터 배터리의 상태를 나타내는 파라미터 정보를 생성할 수 있다.
이에 따라, 이상 판정부(230)는 파라미터 정보를 시험 모델과 비교하고, 파라미터 정보와 시험 모델의 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있으며, 출력부(240)는 이상 판정부(230)에서 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단된 경우에, 배터리(100)의 이상 여부를 출력할 수 있다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 장치에서 생성되는 서로 다른 파라미터 정보에 따라 배터리의 이상을 판단하는 과정을 나타내는 블록도이다.
도4를 참조하면, 배터리 정보 수집부(210)는 배터리(100)로부터 측정 가능한 배터리 정보를 사전에 설정되는 시간 간격 동안 측정할 수 있으며, 파라미터 생성부(220)는 수명 시험에 따라 생성되는 시험 모델과 배터리 정보의 비교가 가능하도록 배터리 정보로부터 배터리의 상태를 나타내는 파라미터 정보를 생성할 수 있다.
이때, 파라미터 생성부(220)는 등가 회로 생성부(221), 개방 회로 전압 추출부(222), 구간 정보 추출부(226) 및 상태 변화 추출부(227)를 더 포함할 수 있다.
등가 회로 생성부(221)는 배터리 정보에 따라 배터리(100)를 전기 회로 형태로 나타내는 등가 회로를 생성할 수 있으며, 이때, 등가 회로는 배터리(100)의 전해액으로부터 측정되는 전해액 저항, 전해액 저항에 직렬로 연결되고, 물질 간의 경계에서 나타나는 전기 이중층에 의한 커패시턴스, 커패시턴스와 병렬로 연결되고, 물질 내의 전하가 이동하는데 발생하는 전하 전달 저항 및 전하 전달 저항과 직렬로 연결되고, 커패시턴스와 병렬로 연결되는 와버그 임피던스를 포함하는 랜들 등가 회로가 이용될 수 있다.
이에 따라, 개방 회로 전압 추출부(222)는 배터리(100)에 대한 등가 회로를 이용하여 배터리(100)의 개방 회로 전압을 도출할 수 있으며, 이때, 개방 회로 전압은 배터리(100)의 부하 측에 임의의 부하가 연결되지 않은 개방 상태에서 부하 측의 양단에 나타나는 전압의 차이를 의미할 수 있다.
한편, 구간 정보 추출부(226)는 배터리(100)로부터 측정되는 충전 정보로부터 배터리(100)의 방전이 시작되는 시점부터, 방전이 시작되는 시점의 수준으로 배터리(100)가 충전되는 시점까지의 시간 간격으로 나타나는 사이클 구간 및 배터리(100)에서 방전 또는 충전이 수행되지 않는 시간 간격으로 나타나는 휴지 구간 중 적어도 하나의 구간 정보를 추출할 수 있다.
이에 따라, 상태 변화 추출부(227)는 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 따른 배터리(100) 용량의 변화량을 도출할 수 있으며, 상태 변화 추출부(227)는 휴지 구간이 나타나는 시간 정보에 따른 배터리(100)의 전압 변화량을 도출할 수 있다.
이상 판정부(230)는 파라미터 정보를 시험 모델과 비교하고, 파라미터 정보와 시험 모델의 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이와 관련하여, 이상 판정부(230)는 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 대해서, 파라미터 생성부(220)에 의해 계산되는 파라미터 정보에서 나타나는 배터리(100) 용량의 변화량 또는 배터리(100)의 열화 정도 등이 시험 모델에 나타나는 배터리(100) 용량의 변화량 또는 배터리(100)의 열화 정도 등과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 이상 판정부(230)는 휴지 구간에서 나타나는 시간 정보에 대해서, 파라미터 정보에서 나타나는 배터리(100) 전압의 변화량 등이 시험 모델에 나타나는 배터리(100) 전압의 변화량 등과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 이상 판정부(230)는 배터리 정보에 따라 생성되는 등가 회로에 대해서, 파라미터 정보에서 나타나는 개방 회로 전압이 시험 모델에 나타나는 개방 회로 전압과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 이상 판정부(230)는 배터리 정보에 따라 측정되는 내부 저항에 대해서, 시험 모델에서 나타나는 내부 저항과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
이에 따라, 출력부(240)는 이상 판정부(230)에서 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단된 경우에, 배터리(100)의 이상 여부를 출력할 수 있다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이상 진단 방법은 도 1에 도시된 배터리 이상 진단 장치(200)와 실질적으로 동일한 구성 상에서 진행되므로, 도 1의 배터리 이상 진단 장치(200)와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
배터리 이상 진단 방법은 배터리 정보를 측정하는 단계(600), 파라미터 정보를 생성하는 단계(610), 배터리에 이상이 발생한 것을 판단하는 단계(620) 및 배터리의 이상 여부를 출력하는 단계(630)를 포함할 수 있다.
배터리 정보를 측정하는 단계(600)는 배터리(100)로부터 측정 가능한 배터리 정보를 사전에 설정되는 시간 간격 동안 측정할 수 있다.
파라미터 정보를 생성하는 단계(610)는 수명 시험에 따라 생성되는 시험 모델과 배터리 정보의 비교가 가능하도록 배터리 정보로부터 배터리의 상태를 나타내는 파라미터 정보를 생성할 수 있다.
이에 따라, 배터리에 이상이 발생한 것을 판단하는 단계(620)는 파라미터 정보를 시험 모델과 비교하고, 파라미터 정보와 시험 모델의 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
배터리의 이상 여부를 출력하는 단계(630)는 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단된 경우에, 배터리(100)의 이상 여부를 출력할 수 있다.
도6 및 도7은 도5의 파라미터 정보를 생성하는 단계의 세부 순서도이다.
도6을 참조하면, 파라미터 정보를 생성하는 단계(610)는 배터리(100)로부터 측정되는 충전 정보로부터 배터리(100)의 방전이 시작되는 시점부터, 방전이 시작되는 시점의 수준으로 배터리(100)가 충전되는 시점까지의 시간 간격으로 나타나는 사이클 구간 및 배터리(100)에서 방전 또는 충전이 수행되지 않는 시간 간격으로 나타나는 휴지 구간 중 적어도 하나의 구간 정보를 추출하는 단계(611)를 더 포함할 수 있으며, 이에 따라, 배터리 이상 진단 방법은 추출된 구간 정보가 사이클 구간인지 판단하는 단계(612)를 더 포함할 수 있다.
이때, 추출된 구간 정보가 사이클 구간인 경우에, 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 따른 배터리(100) 용량의 변화량을 도출(613)할 수 있으며, 추출된 구간 정보가 휴지 구간인 경우에, 휴지 구간이 나타나는 시간 정보에 따른 배터리(100)의 전압 변화량을 도출(614)할 수 있다.
이에 따라, 배터리에 이상이 발생한 것을 판단하는 단계(620)는 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 대해서, 파라미터 정보에서 나타나는 배터리(100) 용량의 변화량 또는 배터리(100)의 열화 정도 등이 시험 모델에 나타나는 배터리(100) 용량의 변화량 또는 배터리(100)의 열화 정도 등과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 배터리에 이상이 발생한 것을 판단하는 단계(620)는 휴지 구간에서 나타나는 시간 정보에 대해서, 파라미터 정보에서 나타나는 배터리(100) 전압의 변화량 등이 시험 모델에 나타나는 배터리(100) 전압의 변화량 등과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
이에 따라, 배터리의 이상 여부를 출력하는 단계(630)는 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단된 경우에, 배터리(100)의 이상 여부를 출력할 수 있다.
도7을 참조하면, 파라미터 정보를 생성하는 단계(610)는 배터리 정보에 따라 배터리(100)를 전기 회로 형태로 나타내는 등가 회로를 생성하는 단계(616)를 더 포함할 수 있으며, 이때, 파라미터 정보를 생성하는 단계(610)는 배터리(100)에 대한 등가 회로를 이용하여 배터리(100)의 개방 회로 전압을 도출하는 단계(617)를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 배터리에 이상이 발생한 것을 판단하는 단계(620)는 배터리 정보에 따라 생성되는 등가 회로에 대해서, 파라미터 정보에서 나타나는 개방 회로 전압이 시험 모델에 나타나는 개방 회로 전압과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있으며, 배터리의 이상 여부를 출력하는 단계(630)는 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단된 경우에, 배터리(100)의 이상 여부를 출력할 수 있다.
한편, 파라미터 정보를 생성하는 단계(610)는 배터리 정보에 따라 내부 저항을 계산할 수 있으며, 배터리에 이상이 발생한 것을 판단하는 단계(620)는 배터리 정보에 따라 측정되는 내부 저항에 대해서, 시험 모델에서 나타나는 내부 저항과 비교하여 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리(100)에 이상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 배터리 이상 진단 시스템
100: 배터리
200: 배터리 이상 진단 장치

Claims (14)

  1. 배터리로부터 측정 가능한 배터리 정보를 사전에 설정되는 시간 간격 동안 측정하는 배터리 정보 수집부;
    수명 시험에 따라 사전에 생성되는 시험 모델과 상기 배터리 정보의 비교가 가능하도록 상기 배터리 정보로부터 배터리의 상태를 나타내는 파라미터 정보를 생성하는 파라미터 생성부;
    상기 파라미터 정보를 상기 시험 모델과 비교하고, 상기 파라미터 정보와 상기 시험 모델의 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리에 이상이 발생한 것으로 판단하는 이상 판정부; 및
    상기 배터리의 이상 여부를 출력하는 출력부를 포함하고,
    상기 시험 모델은,
    방전 깊이(DoD: Depth of Discharge)와 수행 가능 사이클 횟수(ACC: Achievable Count Cycle) 간의 관계를 나타내는 시험에 따라 생성되는 모델, 배터리의 충전과 방전에 따라 누적되는 전류의 양과 배터리의 용량 간의 관계를 나타내는 시험에 따라 생성되는 모델 및 배터리의 충전 상태에 대한 시간과 배터리의 전압 변화량 간의 관계를 나타내는 시험에 따라 생성되는 모델을 포함하고,
    상기 파라미터 생성부는,
    배터리의 내부가 불안정한 상태인 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 따른 배터리 용량의 변화량을 도출하고, 배터리의 내부가 안정한 상태인 휴지 구간이 나타나는 시간 정보 및 상기 시간 정보에 따른 배터리의 전압 변화량을 도출하며,
    상기 이상 판정부는,
    상기 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 대해, 상기 파라미터 생성부에서 생성되는 배터리 용량의 변화량과 상기 시험 모델에 나타나는 배터리 용량의 변화량을 비교하여 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리에 이상이 존재하는 것으로 판단하고,
    상기 휴지 구간에서 나타나는 시간 정보에 대해, 상기 파라미터 생성부에서 생성되는 배터리 전압의 변화량과 상기 시험 모델에 나타나는 배터리 전압의 변화량을 비교하여 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리에 이상이 존재하는 것으로 판단하는, 배터리 이상 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 정보 수집부는,
    상기 배터리로부터 시간의 흐름에 따른 배터리의 충전 상태를 나타내는 충전 정보를 수집하는, 배터리 이상 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 파라미터 생성부는,
    상기 충전 정보로부터 배터리의 방전이 시작되는 시점부터, 방전이 시작되는 시점의 수준으로 배터리가 충전되는 시점까지의 시간 간격으로 나타나는 사이클 구간 및 상기 배터리에서 방전 또는 충전이 수행되지 않는 시간 간격으로 나타나는 휴지 구간 중 적어도 하나의 구간을 추출하는, 배터리 이상 진단 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 파라미터 생성부는,
    상기 배터리 정보에 따라 상기 배터리를 전기 회로 형태로 나타내는 등가 회로를 생성하고, 상기 등가 회로를 이용하여 상기 배터리의 개방 회로 전압을 도출하는, 배터리 이상 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배터리 정보는,
    배터리의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전류 정보, 배터리의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전압 정보 및 배터리로부터 시간의 흐름에 따라 측정되는 온도 정보 중 적어도 하나의 정보를 더 포함하는, 배터리 이상 진단 장치.
  8. 배터리에서 측정되는 파라미터의 수명 시험에 따른 시험 모델을 이용하는 배터리 이상 진단 방법에 있어서,
    사전에 설정되는 시간 간격 동안 배터리로부터 측정 가능한 배터리 정보를 측정하는 단계;
    수명 시험에 따라 사전에 생성되는 시험 모델과 상기 배터리 정보의 비교가 가능하도록 상기 배터리 정보로부터 배터리의 상태를 나타내는 파라미터 정보를 생성하는 단계;
    상기 파라미터 정보를 상기 시험 모델과 비교하고, 상기 파라미터 정보와 상기 시험 모델의 비교 결과가 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리에 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계; 및
    상기 배터리의 이상 여부를 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 시험 모델은,
    방전 깊이(DoD: Depth of Discharge)와 수행 가능 사이클 횟수(ACC: Achievable Count Cycle) 간의 관계를 나타내는 시험에 따라 생성되는 모델, 배터리의 충전과 방전에 따라 누적되는 전류의 양과 배터리의 용량 간의 관계를 나타내는 시험에 따라 생성되는 모델 및 배터리의 충전 상태에 대한 시간과 배터리의 전압 변화량 간의 관계를 나타내는 시험에 따라 생성되는 모델을 포함하고,
    상기 파라미터 정보를 생성하는 단계는,
    배터리의 내부가 불안정한 상태인 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 따른 배터리 용량의 변화량을 도출하고, 배터리의 내부가 안정한 상태인 휴지 구간이 나타나는 시간 정보 및 상기 시간 정보에 따른 배터리의 전압 변화량을 도출하며,
    상기 배터리에 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계는,
    상기 사이클 구간에서 누적되는 전류의 양에 대해, 상기 파라미터 정보를 생성하는 단계에서 생성되는 배터리 용량의 변화량과 상기 시험 모델에 나타나는 배터리 용량의 변화량을 비교하여 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리에 이상이 존재하는 것으로 판단하고,
    상기 휴지 구간에서 나타나는 시간 정보에 대해, 상기 파라미터 정보를 생성하는 단계에서 생성되는 배터리 전압의 변화량과 상기 시험 모델에 나타나는 배터리 전압의 변화량을 비교하여 사전에 설정되는 임계 범위를 벗어나는 경우에, 배터리에 이상이 존재하는 것으로 판단하는, 배터리 이상 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 배터리 정보를 측정하는 단계는,
    상기 배터리로부터 시간의 흐름에 따른 배터리의 충전 상태를 나타내는 충전 정보를 측정하는, 배터리 이상 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 파라미터 정보를 생성하는 단계는,
    상기 충전 정보로부터 배터리의 방전이 시작되는 시점부터, 방전이 시작되는 시점의 수준으로 배터리가 충전되는 시점까지의 시간 간격으로 나타나는 사이클 구간 및 상기 배터리에서 방전 또는 충전이 수행되지 않는 시간 간격으로 나타나는 휴지 구간 중 적어도 하나의 구간을 추출하는, 배터리 이상 진단 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서, 상기 파라미터 정보를 생성하는 단계는,
    상기 배터리 정보에 따라 상기 배터리를 전기 회로 형태로 나타내는 등가 회로를 생성하고, 상기 등가 회로를 이용하여 상기 배터리의 개방 회로 전압을 도출하는, 배터리 이상 진단 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 배터리 정보는,
    배터리의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전류 정보, 배터리의 충전 또는 방전에 대해 시간의 흐름에 따라 측정되는 전압 정보 및 배터리로부터 시간의 흐름에 따라 측정되는 온도 정보 중 적어도 하나의 정보를 더 포함하는, 배터리 이상 진단 방법.

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