KR102259968B1 - 배터리 팩의 균열을 진단하기 위한 장치와, 그것을 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

배터리 팩의 균열을 진단하기 위한 장치와, 그것을 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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Abstract

배터리 팩의 균열을 진단하기 위한 장치와, 그것을 포함하는 배터리 팩 및 자동차가 제공된다. 상기 장치는, 상기 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 진동 신호를 생성하도록 구성된 센싱부 및 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는, 상기 진동 신호를 이용하여 스펙트럼 밀도 데이터를 생성한다. 상기 프로세서는, 스펙트럼 밀도 데이터로부터 복수의 피크점을 검출한 다음, 복수의 피크점에 기초하여, 상기 배터리 팩의 균열 여부를 진단한다.

Description

배터리 팩의 균열을 진단하기 위한 장치와, 그것을 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Apparatus for diagnosing crack of battery pack, battery pack and vehicle including the same}
본 발명은 배터리 팩의 균열이 발생되었는지 여부를 진단하기 위한 장치와, 그것을 포함하는 배터리 팩 및 자동차 에 관한 것이다.
본 출원은 2018년 3월 6일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2018-0026445호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
일반적으로 이차전지(rechargeable battery)는 외부 전원으로 공급받은 전류가 양극과 음극 사이에서 물질의 산화, 환원 반응을 일으키는 과정에서 생성된 전기를 충전하는 방식으로 반영구적 사용이 가능한 전지를 말한다. 한 번 쓰고 버리는 일차전지(primary battery, 일반 건전지)가 재사용이 불가능하고 전지의 수거나 재활용 등에 드는 비용이 많다는 단점이 있는 반면, 이차전지는 여러 번 충전을 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 이차전지는 노트북 컴퓨터와 휴대전화, 캠코더 등 들고다니는 전자기기뿐만 아니라 전기자동차의 핵심소재이며, 부가가치가 높아 반도체 및 디스플레이와 함께 21세기 '3대 전자부품'으로 꼽힌다. 특히 이차전지는 2011년 기준 세계시장 규모가 200억 달러를 돌파하였으며 전기자동차 시장의 성장과 더불어 중대형 에너지 저장용 이차전지 시장의 성장으로 향후 그 규모가 더 확대될 것으로 전망된다.
이차전지는 충전물질로 무엇을 쓰느냐에 따라 니켈전지, 이온전지, 리튬이온전지, 폴리머전지, 리튬폴리머전지, 리튬설파전지 등으로 나뉘어진다. 1980년대에 니켈카드뮴전지와 니켈수소전지의 등장에 이어 1990년대에 리튬계 이차전지가 등장하였고, 2000년대 이후 리튬폴리머전지가 도입되면서 이차전지의 새로운 시대를 맞고 있다.
리튬이온전지는 최근 전자 장비의 소형화 및 경량화가 실현되고 휴대용 전자 기기의 사용이 일반화됨에 따라 현재 이차전지 시장의 대부분을 차지하고 있는 것으로서, 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 음극부 및 양극부로 사용하고, 양극부과 음극부 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 양극부 및 음극부에서 삽입 및 탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다. 무게가 가벼운 데다 고용량의 전지를 만드는 데 유리해 소용량의 휴대전화기 배터리로부터 대용량의 전기자동차 배터리에 이르기까지 다양하게 사용되고 있다.
또한, 리튬폴리머전지는 리튬이온전지에서 한 단계 발전한 전지로, 양극과 음극 사이에 고체나 겔 형태의 폴리머 재료로 된 전해질을 사용, 전기를 발생시킨다. 모양을 다양하게 할 수 있고 현재까지 개발된 이차전지 가운데 가장 얇은 전지를 만들 수 있다는 장점이 있다.
이러한 이차전지는 통상적으로 다수의 배터리 셀을 포함하여 구성되며, 각 배터리 셀은 얇게 구성되어 있기 때문에 균열에 민감할 수 있다. 따라서 생산한 배터리 셀의 강성을 검사하게 되는데, 종래의 검사방식은 생산한 배터리 셀을 자동차 등에 장착하기 전, 일부를 샘플링한 후, 배터리 셀이 파괴될 때까지 외부에서 힘을 가하는 방식으로 균열 여부 및 강성검사를 진행하였다.
하지만, 상술한 바와 같은 종래의 배터리 셀 검사 방식은 자동차 등에 배터리 셀을 장착하기 전에 수행됨으로써, 자동차에 배터리 셀이 장착된 이후 균열 여부를 검사하는 것이 불가능하며, 파괴방식으로 이루어졌기 때문에 생산하는 모든 배터리 셀의 강성을 확인하는 것이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 진동 신호를 스펙트럼 밀도 데이터로 변환하고, 스펙트럼 밀도 데이터로부터 복수의 피크점을 검출하며, 복수의 피크점에 기초하여 배터리 팩의 균열을 진단하기 위한 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리의 균열을 진단하기 위한 장치는, 센싱부 및 상기 센싱부에 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함한다. 상기 센싱부는, 제1 측정 시간에 걸친 상기 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 제1 시간-진동 신호, 상기 제1 측정 시간 이후인 제2 측정 시간에 걸친 상기 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 제2 시간-진동 신호 및 상기 제2 측정 시간 이후인 제3 측정 시간에 걸친 상기 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 제3 시간-진동 신호를 생성하도록 구성된다. 상기 프로세서는, 상기 제1 시간-진동 신호를 기초로, 제1 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하도록 구성된다. 상기 프로세서는, 상기 제2 시간-진동 신호를 기초로, 제2 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하도록 구성된다. 상기 프로세서는, 상기 제3 시간-진동 신호를 기초로, 제3 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하도록 구성된다. 상기 프로세서는, 상기 제1 스펙트럼 밀도 데이터로부터 제1 복수의 피크점을 검출하도록 구성된다. 상기 프로세서는, 상기 제2 스펙트럼 밀도 데이터로부터 제2 복수의 피크점을 검출하도록 구성된다. 상기 프로세서는, 상기 제3 스펙트럼 밀도 데이터로부터 제3 복수의 피크점을 검출하도록 구성된다. 상기 프로세서는, 상기 제1 복수의 피크점 및 상기 제2 복수의 피크점을 비교하여, 상기 제1 복수의 피크점 중 적어도 하나를 제1 고유 피크점으로 결정하도록 구성된다. 상기 프로세서는, 상기 제3 복수의 피크점 중 어느 한 피크점의 주파수와 상기 제1 고유 피크점의 주파수를 기초로, 상기 배터리 팩의 균열 여부를 판정하도록 구성된다.
상기 프로세서는, 상기 제1 시간-진동 신호를 제1 주파수-진동 신호로 변환하고, 상기 제1 주파수-진동 신호를 이용하여, 상기 제1 스펙트럼 밀도 데이터를 생성할 수 있다. 상기 프로세서는, 상기 제2 시간-진동 신호를 제2 주파수-진동 신호로 변환하고, 상기 제2 주파수-진동 신호를 이용하여, 상기 제2 스펙트럼 밀도 데이터를 생성할 수 있다. 상기 프로세서는, 상기 제3 시간-진동 신호를 제3 주파수-진동 신호로 변환하고, 상기 제3 주파수-진동 신호를 이용하여, 상기 제3 스펙트럼 밀도 데이터를 생성할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 제1 복수의 피크점 중 어느 하나인 제1 피크점의 주파수와 상기 제2 복수의 피크점 중 어느 하나인 제2 피크점의 주파수 간의 차이를 기초로, 상기 제1 피크점의 주파수에서의 제1 주파수 변화율을 산출할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 제1 주파수 변화율이 소정의 제1 기준 범위 내인 경우, 상기 제1 피크점을 상기 제1 고유 피크점으로 결정할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 제1 주파수 변화율이 상기 소정의 제1 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 제1 피크점을 상기 제1 고유 피크점으로 결정하지 않을 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 제1 고유 피크점의 주파수와 상기 제3 복수의 피크점 중 어느 하나인 제3 피크점의 주파수 간의 차이를 기초로, 상기 제3 피크점의 주파수에서의 제2 주파수 변화율을 산출할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 제2 주파수 변화율이 소정의 제2 기준 범위 내인 경우, 상기 배터리 팩의 균열이 발생하지 않은 것으로 판정할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 제2 주파수 변화율이 상기 소정의 제2 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 팩의 균열이 발생한 것으로 판정할 수 있다.
상기 센싱부는, 상기 제3 측정 시간 이후인 제4 측정 시간에 걸친 상기 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 제4 시간-진동 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 프로세서는, 상기 제4 시간-진동 신호를 기초로, 제4 스펙트럼 밀도 데이터를 생성할 수 있다. 상기 프로세서는, 상기 제4 스펙트럼 밀도 데이터로부터 제4 복수의 피크점을 검출할 수 있다. 상기 프로세서는, 상기 제3 복수의 피크점 및 상기 제4 복수의 피크점을 비교하여, 상기 제3 복수의 피크점 중 적어도 하나를 제2 고유 피크점으로 결정할 수 있다. 상기 프로세서는, 상기 제1 고유 피크점의 개수와 상기 제2 고유 피크점의 개수를 기초로, 상기 배터리 팩의 균열 여부를 판정하도록 구성될 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 제2 고유 피크점의 개수가 상기 제1 고유 피크점의 개수보다 많은 경우, 상기 배터리 팩의 균열이 발생한 것으로 판정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 상기 장치를 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 진동 신호로부터 스펙트럼 밀도 데이터를 획득하고, 상기 스펙트럼 밀도 데이터로부터 복수의 피크점을 검출하며, 복수의 피크점에 기초하여 배터리 팩의 균열을 진단 하는 것이 가능하다. 이에 따라, 부하로부터 배터리 팩을 전기적으로 분리하지 않고도 부하에 배터리 팩이 장착된 상태에서 배터리 팩의 균열을 정확하게 진단할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 배터리 팩을 구비하는 자동차에 포함된 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 균열을 진단하기 위한 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 제1 스펙트럼 밀도 데이터와 제2 스펙트럼 밀도 데이터 간의 차이를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 제1 고유 피크점과 제3 PSD 데이터를 도시한 그래프이다.
도 5는 제1 PSD 데이터와 제3 PSD 데이터 간의 차이를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 배터리 팩을 구비하는 자동차에 포함된 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 균열을 진단하기 위한 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 제1 스펙트럼 밀도 데이터와 제2 스펙트럼 밀도 데이터 간의 차이를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 장치(100)는, 배터리 팩(B)을 구비하는 자동차(C)에 포함될 수 있다. 장치(100)는, 배터리 팩(B)에 결합되어 배터리 팩(B)의 균열 여부를 진단할 수 있다.
장치(100)는, 배터리 팩(B)에 구비된 배터리 관리 시스템(battery management system)에 포함될 수도 있다.
상기 장치(100)는, 센싱부(110), 메모리부(120), 프로세서(130) 및 알림부(140)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩(B)은, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 단위 셀들을 포함한다. 물론, 상기 배터리 팩(B)이 하나의 단위 셀만을 포함하는 것을 제한하는 것은 아니다.
상기 단위 셀은 반복적인 충방전이 가능하다면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예로, 상기 단위 셀은, 파우치 타입의 리튬 폴리머 배터리일 수 있다.
상기 배터리 팩(B)은 외부 단자를 통해 다양한 외부 장치에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 외부 장치는, 전력을 이용하여 주행되는 주행 장치일 수 있으며, 일 예시로서 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 드론과 같은 무인 비행체, 전력 그리드에 포함된 대용량의 전력 저장 장치(ESS), 또는 모바일 디바이스일 수 있다. 이 경우, 상기 배터리 팩(B)은 상기 외부 장치에 탑재된 모듈화된 전지 팩에 포함된 단위 셀들의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩(B)의 외부 단자는 충전 장치에 결합 가능하도록 제공될 수 있다. 상기 충전 장치는 배터리 팩(B)이 탑재되는 외부 장치의 제어에 의해 배터리 팩(B)에 선택적으로 전기적으로 결합될 수 있다.
상기 센싱부(110)는, 프로세서(130)와 동작 가능하게 결합된다. 즉, 센싱부(110)는, 프로세서(130)로 전기적 신호를 송신하거나, 프로세서(130)로부터 전기적 신호를 수신 가능할 수 있다.
상기 센싱부(110)는, 배터리 팩(B)의 진동을 측정하고, 측정된 진동을 나타내는 진동 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 센싱부(110)는, 배터리 팩(B)의 표면에 부착되는 진동 센서(예, 가속도 센서)를 포함할 수 있다. 센싱부(110)는, 상기 진동 센서를 이용하여, 소정의 주기마다 진동 신호를 생성한 다음, 상기 진동 신호를 프로세서(130)로 제공할 수 있다.
상기 진동 신호는, 배터리 팩(B)의 공지 특성에 기인한 진동 성분 및 외부의 상황(예, 자동차(C)의 주행)에 기인한 진동 성분을 포함할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 센싱부(110)로부터 진동 신호가 수신되면, 신호 처리를 통해 상기 진동 신호를 디지털 값으로 변환하여 메모리부(120)에 저장할 수 있다.
상기 메모리부(120)는, 반도체 메모리 소자로서, 상기 프로세서(130)에 의해 생성되는 데이터를 기록, 소거, 갱신하며, 배터리 팩(B)의 균열 여부를 진단하기 위해 마련된 복수의 프로그램 코드를 저장한다. 또한, 상기 메모리부(120)는 본 발명을 실시할 때 사용되는 미리 결정된 각종 파라미터들의 사전 설정 값들을 저장할 수 있다.
상기 메모리부(120)는, 데이터를 기록, 소거, 갱신할 수 있다고 알려진 반도체 메모리 소자라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 메모리부(120)는 DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 상기 메모리부(120)는 상기 프로세서(130)의 제어 로직을 정의한 프로그램 코드들을 저장하고 있는 저장매체를 더 포함할 수 있다. 상기 저장매체는 플래쉬 메모리나 하드디스크와 같은 불활성 기억 소자를 포함한다. 상기 메모리부(120)는 프로세서(130)와 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 상기 프로세서(130)와 일체로 통합되어 있을 수도 있다.
상기 프로세서(130)는, 센싱부(110)로부터의 진동 신호를 이용하여, 스펙트럼 밀도 데이터를 생성할 수 있다. 즉, 센싱부(110)에 의해 생성된 진동 신호는, 시간 영역에서 표현되는 함수 또는 데이터의 일종으로서, 프로세서(130)에 의해 스펙트럼 밀도 데이터로 변환된다. 구체적으로, 상기 프로세서(130)는, 센싱부(110)에 의해 생성된 시간 영역(time domian)의 진동 신호(이하, '시간-진동 신호'라고 칭할 수도 있음)를 주파수 영역(frequency domian)의 진동 신호(이하, '주파수-진동 신호'라고 칭할 수도 있음)로 변환할 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세서(130)는, 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform; FFT)을 이용하여, 센싱부(110)에 의해 생성된 시간-진동 신호를 주파수-진동 신호를 변환할 수 있다. 그 다음, 상기 프로세서(130)는, 주파수-진동 신호를 이용하여, 스펙트럼 밀도 데이터를 생성할 수 있다.
상기 스펙트럼 밀도 데이터는, 주파수-진동 신호의 주파수별 에너지의 크기, 즉 파워 스펙트럼 밀도(power　spectrum　density; PSD)를 나타내는 데이터일 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제1 측정 시간에 걸쳐 센싱부(110)에 의해 측정된 진동의 시간 변화를 나타내는 시간-진동 신호를 이용하여, 제1 스펙트럼 밀도 데이터(이하, '제1 PSD 데이터' 또는 '제1 PSD 커브'라고 칭할 수도 있음)를 생성할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터로부터 복수의 피크점을 검출할 수 있다. 구체적으로, 상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터에 기초하여, 주파수의 미소 변화에 따른 제1 PSD 데이터의 변화가 증가하다가 감소하는 주파수와 그 주파수에서의 PSD를 제1 PSD 데이터의 피크점으로서 검출할 수 있다.
이를 위하여, 상기 프로세서(130)는 제1 PSD 데이터에 대응되는 근사 함수를 미분하여 일계 도함수를 산출하고, 근사 함수의 일계 도함수를 다시 미분하여 이계 도함수를 산출할 수 있다. 상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터에 대응되는 근사 함수의 일계 미분계수가 0이면서 이계 미분계수가 음수인 주파수와 해당 주파수에서의 PSD 값에 의해 정해지는 위치를 각각 제1 PSD 데이터의 피크점으로서 검출할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제1 측정 시간이 경과한 이후, 제2 측정 시간 동안 센싱부(110)에 의해 측정된 진동의 시간 변화를 나타내는 시간-진동 신호를 이용하여, 제2 스펙트럼 밀도 데이터(이하, '제2 PSD 데이터' 또는 '제2 PSD 커브'라고 칭할 수도 있음)를 산출할 수 있다. 제2 측정 시간은, 제1 측정 시간과는 외부 상황이 달라진 기간일 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터로부터 복수의 피크점을 검출한 과정과 동일하게, 제2 PSD 데이터로부터 복수의 피크점을 검출할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점과 제2 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점을 비교함으로써, 제1 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점 중 적어도 하나를 제1 고유 피크점으로 결정할 수 있다.
구체적으로, 상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터로부터 복수의 피크점 중 적어도 하나의 피크점의 주파수에서의 제1 주파수 변화율에 기초하여, 제1 PSD 데이터로부터 복수의 피크점 중 적어도 하나의 피크점을 제1 고유 피크점으로 결정할 수 있다. 구체적으로, 상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점 중 어느 한 피크점의 주파수와 제2 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점 중 어느 한 피크점의 주파수 간의 차이를 기초로, 제1 주파수 변화율을 산출할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 하기의 수학식 1을 이용하여, 제1 주파수 변화율을 산출할 수 있다.
<수학식 1>
Vf1 = (f2-f1)/f1 × 100
여기서, Vf1은 제1 주파수 변화율, f1은 제1 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점 중 어느 한 피크점의 주파수, f2는 제2 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점 중 어느 한 피크점의 주파수이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 PSD 데이터로부터 복수의 피크점(P1-1 ~ P1-4)이 검출되어 있고, 제2 PSD 데이터로부터 복수의 피크점(P2-1 ~ P2-4)이 검출되어 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점(P1-1 ~ P1-4) 중 주파수에 따른 특정 순서(예, 첫번째)에 있는 피크점(예, P1-1)의 주파수를 수학식 1의 f1으로서 이용하고, 제2 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점(P2-1 ~ P2-4) 중 상기 특정 순서에 있는 피크점(예, P2-1)의 주파수를 f2로서 이용할 수 있다.
다른 예로, 상기 프로세서(130)는, 제2 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점(P2-1 ~ P2-4)의 주파수 중, f1으로 선택된 주파수와 가장 작은 차이를 가지는 주파수를 f2로서 이용할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 피크점(P1-1)의 주파수와 피크점(P2-1)의 주파수 간의 차이를 기초로, 제1 주파수 변화율을 산출할 수 있다. 상기 프로세서(130)는, 피크점(P1-2)의 주파수와 피크점(P2-2)의 주파수 간의 차이를 이용하여, 제1 주파수 변화율을 산출할 수 있다. 상기 프로세서(130)는, 피크점(P1-3)의 주파수와 피크점(P2-3)의 주파수 간의 차이를 이용하여, 제1 주파수 변화율을 산출할 수 있다. 상기 프로세서(130)는, 피크점(P1-4)의 주파수와 피크점(P2-4)의 주파수 간의 차이를 이용하여, 제1 주파수 변화율을 산출할 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(130)는, 피크점(P1-1)의 주파수인 13Hz와 피크점(P2-1)의 주파수인 22Hz 간의 차이를 이용하여, 제1 주파수 변화율로서 69.2%를 산출할 수 있다. 다른 예로, 상기 프로세서(130)는, 피크점(P1-2)의 주파수인 40Hz와 피크점(P2-2)의 주파수인 40.5Hz 간의 차이를 이용하여, 제1 주파수 변화율로서 1.25%를 산출할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제1 주파수 변화율이 소정의 제1 기준 범위 내에 포함되는지 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여 제1 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점(P1-1 ~ P1-4) 중에서 적어도 하나를 제1 고유 피크점으로 결정할 수 있다.
구체적으로, 상기 프로세서(130)는, 복수의 피크점(P1-1 ~ P1-4) 중 특정 피크점의 주파수를 수학식 1의 f1으로서 이용하여 획득된 제1 주파수 변화율이 소정의 제1 기준 범위 내이면, 그 특정 피크점을 제1 고유 피크점으로 결정할 수 있다. 반대로, 상기 프로세서(130)는, 복수의 피크점(P1-1 ~ P1-4)의 특정 피크점의 주파수를 수학식 1의 f1으로서 이용하여 획득된 제1 주파수 변화율이 소정의 제1 기준 범위를 벗어나면, 그 특정 피크점을 제1 고유 피크점으로 결정하지 않을 수 있다.
소정의 제1 기준 범위가 -10 ~ 10%라고 해보자. 그러면, 상기 프로세서(130)는 피크점(P1-2)의 주파수와 피크점(P2-2)의 주파수 간의 차이를 이용하여 산출된 제1 주파수 변화율인 1.25%가 소정의 제1 기준 범위 내에 포함되므로, 피크점(P1-2)을 제1 고유 피크점으로 결정할 수 있다. 반면, 상기 프로세서(130)는, 피크점(P1-1)의 주파수와 피크점(P2-1)의 주파수 간의 차이를 이용하여 산출된 제1 주파수 변화율인 69.2%은 소정의 제1 기준 범위를 벗어나므로, 피크점(P1-1)을 제1 고유 피크점으로 결정하지 않을 수 있다.
이에 따라, 상기 프로세서(130)는, 복수의 피크점(P1-1 ~ P1-4) 중에서 두번째 피크점(P1-2)만을 제1 고유 피크점으로 선택할 수 있다. 제1 고유 피크점(P1-2)은, 배터리 팩(B) 자체의 공진 특성으로 인해 발생되는 진동 성분에 기인한 것일 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 제1 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점(P1-1 ~ P1-4) 중 하나인 피크점(P1-2)만이 제1 고유 피크점으로 결정된 것으로 가정한다.
복수의 피크점(P1-1 ~ P1-4) 중에서 제1 고유 피크점(P1-2)으로 결정되지 않은 나머지 피크점(P1-1, P1-3, P1-4)은, 배터리 팩(B) 자체의 공진 특성이 아닌 외부 환경(예, 자동차(C)의 주행)으로 인해 발생된 것으로 취급될 수 있다.
도 4는 제1 고유 피크점과 제3 PSD 데이터를 도시한 그래프이고, 도 5는 제1 PSD 데이터와 제3 PSD 데이터 간의 차이를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 프로세서(130)는, 제2 측정 시간이 경과한 이후, 제3 측정 시간 동안 센싱부(110)에 의해 측정된 진동의 시간 변화를 나타내는 시간-진동 신호를 이용하여, 제3 스펙트럼 밀도 데이터(이하, '제3 PSD 데이터' 또는 '제3 PSD 커브'라고 칭할 수도 있음)를 생성할 수 있다. 제3 측정 시간은, 제2 측정 시간과는 외부 상황이 달라진 기간일 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터로부터 복수의 피크점(P1-1 ~ P1-4)을 검출한 과정과 동일하게, 제3 PSD 데이터로부터 복수의 피크점(P3-1 ~ P3-5)을 검출할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(130)는, 제3 측정 시간 동안 측정된 진동의 시간 변화를 나타내는 시간-진동 신호를 주파수-진동 신호로 변환한다. 그 다음, 프로세서(130)는, 제3 측정 시간에 대한 주파수-진동 신호를 이용하여, 제3 PSD 데이터를 생성할 수 있다. 이후, 프로세서(130)는, 제3 PSD 데이터로부터 복수의 피크점(P3-1 ~ P3-5)을 검출할 수 있다.
제1 측정 시간과 제2 측정 시간은 제1 고유 피크점을 결정하는 데에 요구되는 기간일 수 있으며, 제3 측정 시간은 배터리 팩(B)의 균열 여부를 진단하는 데에 요구되는 기간일 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 배터리 팩(B)이 자동차(C)에 장착된 때로부터 소정의 기간이 경과되기 전(예, 제1 측정 시간, 제2 측정 시간)에 제1 고유 피크점(P1-2)을 결정한 다음, 배터리 팩(B)이 자동차(C)에 장착된 때로부터 소정의 기간이 경과된 이후인 제3 측정 시간에 걸쳐 측정된 배터리 팩(B)의 진동의 시간 변화에 기초하여, 배터리 팩(B)의 균열 여부를 진단할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제1 고유 피크점(P1-2)의 주파수 및 제3 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점 중 어느 한 피크점의 주파수 간의 차이를 기초로, 제2 주파수 변화율을 산출할 수 있다. 구체적으로, 상기 프로세서(130)는, 제3 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점(P3-1 ~ P3-5) 중에서, 제1 고유 피크점(P1-2)의 주파수에 가장 근접한 주파수를 가지는 어느 한 피크점(예, P3-2)을 선택할 수 있다.
이후, 상기 프로세서(130)는, 제1 고유 피크점(P1-2)의 주파수와 상기 선택된 피크점(예, P3-2)의 주파수 간의 차이를 기초로, 제2 주파수 변화율을 산출할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 하기의 수학식 2를 이용하여, 제2 주파수 변화율을 산출할 수 있다.
<수학식 2>
Vf2 = (f3-fc)/fc × 100
여기서, Vf2는 제2 주파수 변화율, fc는 제1 고유 피크점(P1-2)의 주파수, f3는 제3 PSD 데이터로부터 복수의 피크점(P3-1 ~ P3-5) 중에서 상기 선택된 피크점(예, P3-2)의 주파수이다.
예를 들어, 상기 프로세서(130)는, 복수의 피크점(P3-1 ~ P3-5) 각각의 주파수 중에서 제1 고유 피크점(P1-2)의 주파수인 40Hz에 가장 근접한 주파수 45Hz를 가지는 피크점(P3-2)을 수학식 2의 f3로서 선택할 수 있다.
이후, 제1 고유 피크점(P1-2)에 대응되는 주파수인 40Hz와 복수의 피크점(P3-1 ~ P3-5) 중에서 선택된 피크점(P3-2)의 주파수인 45Hz 간의 차이를 이용하여, 제2 주파수 변화율인 12.5%를 산출할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제2 주파수 변화율이 소정의 제2 기준 범위 내에 포함되는지 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여 배터리 팩(B)의 균열 여부를 진단할 수 있다. 구체적으로, 상기 프로세서(130)는, 제2 주파수 변화율이 소정의 제2 기준 범위를 벗어나면, 배터리 팩(B)의 균열이 발생한 것으로 진단할 수 있다. 반면, 상기 프로세서(130)는 제2 주파수 변화율이 소정의 제2 기준 범위 내이면, 배터리 팩(B)의 균열이 발생하지 않은 것으로 진단할 수 있다.
소정의 제2 기준 범위가 -10 ~ 10%라고 해보자. 그러면, 상기 프로세서(130)는, 상기 산출된 제2 주파수 변화율인 -2.5%가 소정의 제2 기준 범위 내이므로, 배터리 팩(B)의 균열이 발생하지 않은 것으로 진단할 수 있다.
프로세서(130)는, 제3 측정 시간이 경과한 이후, 제4 측정 시간 동안 센싱부(110)에 의해 측정된 진동의 시간 변화를 나타내는 시간-진동 신호를 이용하여, 제4 스펙트럼 밀도 데이터(이하, '제4 PSD 데이터' 또는 '제4 PSD 커브'라고 칭할 수도 있음)를 생성할 수 있다. 제4 측정 시간은, 제3 측정 시간과 마찬가지로, 배터리 팩(B)의 균열 여부를 진단하는 데에 요구되는 기간일 수 있다. 설명의 편의를 위해, 제4 PSD 데이터의 도시는 생략하였다.
상기 프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터, 제2 PSD 데이터 및 제3 PSD 데이터 각각으로부터 복수의 피크점을 검출한 과정과 동일하게, 제4 PSD 데이터로부터 복수의 피크점을 검출할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(130)는, 제4 측정 시간 동안 측정된 진동의 시간 변화를 나타내는 시간-진동 신호를 주파수-진동 신호로 변환한다. 그 다음, 프로세서(130)는, 제4 측정 시간에 대한 주파수-진동 신호를 이용하여, 제4 PSD 데이터를 생성할 수 있다. 이후, 프로세서(130)는, 제4 PSD 데이터로부터 복수의 피크점을 검출할 수 있다.
그 다음, 상기 프로세서(130)는, 제3 PSD 데이터와 제4 PSD 데이터를 비교함으로써, 제3 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점 중 적어도 하나를 제2 고유 피크점으로 결정할 수 있다. 구체적으로, 상기 프로세서(130)는, 수학식 1을 이용하여 제3 주파수 변화율을 산출할 수 있다. 이 경우, 수학식 1의 Vf1은 제3 주파수 변화율, f1은 제3 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점 중 어느 한 피크점의 주파수, f2는 제4 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점 중 어느 한 피크점의 주파수이다. 이 경우, f2는, 제4 PSD 데이터로부터 검출된 복수의 피크점의 주파수 중에서, f1과의 차이가 가장 작은 어느 하나의 주파수일 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 제3 주파수 변화율이 소정의 제3 기준 범위 내이면, 제3 주파수 변화율을 산출하는 데에 이용된 f1을 주파수로서 가지는 제3 PSD 데이터의 피크점을 제2 고유 피크점으로 결정할 수 있다. 반면, 상기 프로세서(130)는, 제3 PSD 데이터의 특정 피크점의 주파수를 f1으로서 이용하여 획득된 제3 주파수 변화율이 소정의 제3 기준 범위를 벗어나면, 제3 PSD 데이터의 특정 피크점을 제2 고유 피크점으로 결정하지 않을 수 있다. 소정의 제3 기준 범위는, 소정의 제1 기준 범위와 동일하거나 상이할 수 있다.
프로세서(130)는, 제1 PSD 데이터와 제2 PSD 데이터를 비교함으로써 산출된 제1 고유 피크점의 개수 및 제3 PSD 데이터와 제4 PSD 데이터를 비교함으로써 산출된 제2 고유 피크점의 개수를 기초로, 배터리 팩(B)의 균열 여부를 진단할 수 있다.
프로세서(130)는, 제1 고유 피크점의 개수와 제2 고유 피크점의 개수가 동일하지 않으면(예, 제2 고유 피크점이 제1 고유 피크점보다 많으면), 배터리 팩(B)에 균열이 발생한 것으로 진단할 수 있다. 반면, 프로세서(130)는, 제1 고유 피크점의 개수와 제2 고유 피크점의 개수가 동일하면, 배터리 팩(B)에 균열이 발생하지 않은 것으로 진단할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 고유 피크점(P1-2)이 1개이고 제2 고유 피크점(P3-2, P3-5)은 2개인 경우, 프로세서(130)는 배터리 팩(B)에 균열이 발생한 것으로 진단할 수 있다. 각 고유 피크점은, 배터리 팩(B) 자체의 공진 특성에 기인한 것이다. 따라서, 고유 피크점의 개수가 달라졌다는 것(예, 시간의 경과에 따라 고유 피크점의 개수가 증가된 것)은, 배터리 팩(B)의 균열로 인해 배터리 팩(B) 자체의 공진 특성이 변화하였음을 뜻한다.
이를 통해, 프로세서(130)는, 배터리 팩(B)이 장착된 자동차(C)가 정지 상태일 때는 물론 자동차(C)의 주행 중에도, 배터리 팩(B)의 균열 여부를 진단할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 배터리 팩(B)의 균열 여부에 대한 진단의 결과를 나타내는 메시지를 통신 단자를 통해 외부 장치로 전송할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 프로세서(130)에 의해 실행될 수 있는 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서(130)에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
상기 알림부(140)는 상기 프로세서(130)에 의한 진단 결과를 외부로 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 알림부(140)는 상술된 진단 결과를 기호, 숫자 및 코드 중 하나 이상을 이용하여 표시하는 디스플레이부 및 소리로 출력하는 스피커 장치 중 하나 이상을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 상술된 장치(100)를 포함할 수 있다. 이를 통해, 배터리 관리 장치가 관리하는 배터리 팩(B)에 대해 균열 여부를 진단할 수 있다.
본 발명에 따른 자동차(C)는 상기 장치(100)를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
B: 배터리 팩
C: 자동차
100: 장치
110: 센싱부
120: 메모리부
130: 프로세서
140: 알림부

Claims (12)

  1. 배터리 팩의 균열을 진단하기 위한 장치에 있어서,
    제1 측정 시간에 걸친 상기 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 제1 시간-진동 신호, 상기 제1 측정 시간 이후인 제2 측정 시간에 걸친 상기 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 제2 시간-진동 신호, 상기 제2 측정 시간 이후인 제3 측정 시간에 걸친 상기 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 제3 시간-진동 신호 및 상기 제3 측정 시간 이후인 제4 측정 시간에 걸친 상기 배터리 팩의 진동의 시간 변화를 나타내는 제4 시간-진동 신호를 생성하도록 구성된 센싱부; 및
    상기 센싱부에 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 시간-진동 신호를 기초로, 제1 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하고,
    상기 제2 시간-진동 신호를 기초로, 제2 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하고,
    상기 제3 시간-진동 신호를 기초로, 제3 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하고,
    상기 제4 시간-진동 신호를 기초로, 제4 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하고,
    상기 제1 스펙트럼 밀도 데이터로부터 제1 복수의 피크점을 검출하며,
    상기 제2 스펙트럼 밀도 데이터로부터 제2 복수의 피크점을 검출하며,
    상기 제3 스펙트럼 밀도 데이터로부터 제3 복수의 피크점을 검출하며,
    상기 제4 스펙트럼 밀도 데이터로부터 제4 복수의 피크점을 검출하며,
    상기 제1 복수의 피크점 및 상기 제2 복수의 피크점을 비교하여, 상기 제1 복수의 피크점 중 적어도 하나를 제1 고유 피크점으로 결정하고,
    상기 제3 복수의 피크점 및 상기 제4 복수의 피크점을 비교하여, 상기 제3 복수의 피크점 중 적어도 하나를 제2 고유 피크점으로 결정하고,
    상기 제2 고유 피크점의 개수가 상기 제1 고유 피크점의 개수보다 큰 경우, 상기 배터리 팩의 균열이 발생한 것으로 판정하도록 구성되는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 시간-진동 신호를 제1 주파수-진동 신호로 변환하고,
    상기 제1 주파수-진동 신호를 이용하여, 상기 제1 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하고,
    상기 제2 시간-진동 신호를 제2 주파수-진동 신호로 변환하고,
    상기 제2 주파수-진동 신호를 이용하여, 상기 제2 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하고,
    상기 제3 시간-진동 신호를 제3 주파수-진동 신호로 변환하고,
    상기 제3 주파수-진동 신호를 이용하여, 상기 제3 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하고,
    상기 제4 시간-진동 신호를 제4 주파수-진동 신호로 변환하고,
    상기 제4 주파수-진동 신호를 이용하여, 상기 제4 스펙트럼 밀도 데이터를 생성하도록 구성되는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 복수의 피크점 중 어느 하나인 제1 피크점의 주파수와 상기 제2 복수의 피크점 중 어느 하나인 제2 피크점의 주파수 간의 차이를 기초로, 상기 제1 피크점의 주파수에서의 제1 주파수 변화율을 산출하도록 구성되는, 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 주파수 변화율이 소정의 제1 기준 범위 내인 경우, 상기 제1 피크점을 상기 제1 고유 피크점으로 결정하도록 구성되는, 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 주파수 변화율이 상기 소정의 제1 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 제1 피크점을 상기 제1 고유 피크점으로 결정하지 않도록 구성되는, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 고유 피크점의 주파수와 상기 제3 복수의 피크점 중 어느 하나인 제3 피크점의 주파수 간의 차이를 기초로, 상기 제3 피크점의 주파수에서의 제2 주파수 변화율을 산출하도록 구성되는, 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제2 주파수 변화율이 소정의 제2 기준 범위 내인 경우, 상기 배터리 팩의 균열이 발생하지 않은 것으로 판정하도록 구성되는, 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제2 주파수 변화율이 상기 소정의 제2 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 팩의 균열이 발생한 것으로 판정하도록 구성되는, 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 장치를 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 장치를 포함하는, 자동차.
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