KR102550371B1 - Method of Online Detection of Soft Internal Short Circuit in Lithium-Ion Batteries at Various Standard Charging Ranges and Apparatus thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명의 정전류 충전 상황에서 리튬 이온 배터리에 발생한 내부 단락 고장 조기 검출 방법은, 리튬 이온 배터리를 정전류로 충전하는 과정에서 측정된 전류, 전압 신호를 활용하여 내부 단락 고장을 조기 검출하는 알고리즘에 있어서, 측정된 신호 및 배터리 등가 회로 모델(Equivalent circuit model, ECM)을 이용하여 배터리의 개방 회로 전압(Open circuit voltage, OCV) 및 충전 상태(State of charge, SOC)를 추정하는 방법으로, 내부 단락 고장의 유무뿐만 아니라 고장의 정도의 정보를 포함하고 있는 고장 인덱스를 이용하여 추정 정확도를 높일 수 있다.The method for early detection of an internal short-circuit failure in a lithium ion battery in a constant current charging situation of the present invention is an algorithm for early detection of an internal short-circuit failure by using current and voltage signals measured in the process of charging a lithium ion battery with constant current, It is a method of estimating the open circuit voltage (OCV) and state of charge (SOC) of a battery using the measured signal and the battery equivalent circuit model (ECM). Estimation accuracy can be increased by using a failure index including information on the degree of failure as well as the presence or absence of the failure.

Description

내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치{Method of Online Detection of Soft Internal Short Circuit in Lithium-Ion Batteries at Various Standard Charging Ranges and Apparatus thereof}Method and apparatus for early detection of internal short circuit failure

본 발명은 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치에 관한 것으로, 리튬 이온 배터리를 정전류로 충전하는 과정에서 측정된 전류, 전압 신호를 활용하여 내부 단락 고장을 조기 검출하는 알고리즘을 이용한 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for early detection of internal short-circuit failure, and a method for early detection of internal short-circuit failure using an algorithm for early detection of internal short-circuit failure using current and voltage signals measured in the process of charging a lithium ion battery with constant current. and devices.

배터리 내부 단락 검출의 중요성은, 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 전력, 장수명화 등의 이유로 전기차 및 스마트 그리드 시스템에서 에너지 저장 장치 (Energy storage system, ESS)로서 그 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상한다. 최근 국내외 등에서 보고된 태양열 에너지용 에너지 저장 장치(Energy storage system, ESS) 화재 사건, 휴대폰 폭발 사건, 전기자동차 화재 사건 등은 배터리 사용상 안전에 대해 소비자들이 큰 관심을 두게 되는 계기가 되었다. 언급된 사고의 주된 원인으로는 배터리 열폭주로 조사되었으며, 특히 배터리 내부 단락은 열폭주를 일으키는 주된 원인으로 여겨진다. 그래서 배터리 사용에 있어서 인적 물적 피해를 사전에 예방하고자 배터리 내부 단락을 검출하는 방법이 요구되었다. The importance of battery internal short-circuit detection is expected to increase explosively in demand for lithium-ion batteries as energy storage systems (ESS) in electric vehicles and smart grid systems for reasons such as high energy power and long lifespan. Recently, energy storage system (ESS) fire incidents for solar energy, cell phone explosion incidents, and electric vehicle fire incidents reported at home and abroad have become an opportunity for consumers to pay great attention to safety in battery use. The main cause of the mentioned accident was investigated as battery thermal runaway, and in particular, the internal short circuit of the battery is considered to be the main cause of thermal runaway. Therefore, a method of detecting a short circuit inside a battery has been required to prevent human and material damage in advance in using the battery.

내부 단락 개념 및 내부 단락 조기 검출의 중요성은, 배터리의 내부 단락은 제조상 결함, 사용 중 화학 성분의 변화, 사용자의 배터리 과충전 과방전과 같은 오용 등의 이유로 배터리에 발생할 수 있다. 배터리 내부 단락 초기 발생 시 약한 고장 단계로 배터리의 동작에는 영향은 주지 않으나 계속된 자가 방전 전류로 인해 배터리 사용 효율이 낮아진다. 이 상태의 배터리를 계속 사용하거나 배터리의 물리적 충돌로 인해 심한 고장 단계 내부 단락으로 발전하면 배터리는 폭발 및 화재를 동반하는 열폭주를 일으키게 된다. 그래서, 심한 고장 단계의 내부 단락을 검출하는 것은 물론이며 약한 고장 단계의 내부 단락을 검출(내부 단락 조기 검출)하여 배터리의 정확한 잔여 사용 시간을 계산할 수 있고 또한 사용자에서 배터리를 교체할 수 있는 시간을 제공할 수 있기 때문에, 내부 단락을 조기에 검출하는 방법이 요구되고 있다. The concept of internal short circuit and the importance of early detection of internal short circuit is that the internal short circuit of a battery can occur due to manufacturing defects, changes in chemical composition during use, and misuse such as overcharging and overdischarging of the battery by the user. When a short circuit occurs in the battery in the initial stage, it is a weak fault stage and does not affect the operation of the battery, but the battery usage efficiency is lowered due to the continued self-discharge current. If the battery in this state is continuously used or a physical collision of the battery develops an internal short circuit in the severe failure stage, the battery causes thermal runaway accompanied by explosion and fire. Therefore, it is possible to calculate the accurate remaining use time of the battery by detecting the internal short circuit of the severe failure stage as well as the internal short circuit of the weak failure stage (early detection of the internal short), and also the time for the user to replace the battery. Since it can be provided, a method for early detection of an internal short circuit is required.

종래의 기술은 측정된 신호 문턱치를 이용한 내부 단락 검출 방법의 성능 한계로, 사전에 배터리에 물리적 충격을 주고 심한 내부 단락 고장이 배터리에 발생하였을 때 측정되는 신호적 특징(전압 감소, 온도 증가)으로부터 문턱치를 계산하고, 이를 이용해서 실시간으로 측정되는 전압 및 온도를 기준으로 내부 단락 고장의 유무를 판단한다. 그러나 사전 심한 내부 단락 고장 실험에 대한 필요성과 함께 약한 내부 단락 고장은 검출하지 못하는 성능 한계를 가지고 있다.The conventional technology is limited in the performance of the internal short-circuit detection method using the measured signal threshold, and the measured signal characteristics (voltage decrease, temperature increase) when a physical shock is given to the battery in advance and a severe internal short-circuit failure occurs The threshold value is calculated, and using this, the presence or absence of an internal short circuit failure is determined based on the voltage and temperature measured in real time. However, with the need for prior severe internal short-circuit failure tests, it has a performance limit that cannot detect weak internal short-circuit failures.

또한, 실시간으로 추정된 등가 회로 모델 파라미터 변화를 이용한 내부 단락 검출 방법의 성능 한계로, 배터리를 전기적 등가 회로 모델로 표현하고 실시간으로 측정되는 배터리 전류 및 전압을 이용하여 모델 파라미터를 추정한다. 정상 배터리의 추정된 모델 파라미터를 기준으로 내부 단락이 발생한 배터리로부터 추정된 모델 파라미터의 변화 정도를 이용하여 내부 단락 고장의 유무를 판단한다. 그러나, 약한 고장 단계에서부터 심한 고장 단계까지 파라미터의 변화 정도가 선형적이지 못하여 고장 단계를 구분하는 고장 인덱스로 사용될 수 없다는 성능 한계를 가지고 있다.In addition, as a performance limitation of the internal short-circuit detection method using the real-time estimated equivalent circuit model parameter change, the battery is expressed as an electrical equivalent circuit model and model parameters are estimated using battery current and voltage measured in real time. Based on the estimated model parameters of a normal battery, the presence or absence of an internal short-circuit failure is determined using a degree of change in model parameters estimated from a battery with an internal short circuit. However, it has a performance limitation that it cannot be used as a failure index to distinguish the failure stages because the degree of change of parameters from the weak failure stage to the severe failure stage is not linear.

또한, 내부 단락을 표현한 등가 회로 모델에서 내부 단락 저항을 실시간으로 추정한 내부 단락 검출 방법의 성능 한계 및 검출 가능 환경 제한으로, 기존 배터리 등가 회로 모델에 단락 저항을 평행하게 연결함으로써 배터리에 발생한 내부 단락을 표현하고 내부 단락의 정도는 단락 저항의 크기로 묘사하였다. 배터리에 인가된 부하 전류 및 출력된 단자 전압을 이용하여 회로상의 단락 저항을 직접적으로 추정함으로써 내부 단락 고장 단계를 구분할 수 있는 고장 인덱스를 제안하였다. 하지만, 추정된 내부 단락 저항의 정확도가 낮다는 성능의 한계가 있고, 또한 배터리에 인가된 부하 전류에 따라서 단락 저항이 추정이 안 될 수도 있어서 고장 인덱스 검출 가능한 배터리 사용환경이 제한적이라는 단점을 가지고 있다.In addition, due to the performance limitations of the internal short-circuit detection method that estimates the internal short-circuit resistance in real time from the equivalent circuit model expressing the internal short-circuit and the limit of the detectable environment, the internal short circuit generated in the battery by connecting the short-circuit resistance in parallel to the existing battery equivalent circuit model , and the degree of internal short circuit was described as the size of the short circuit resistance. By directly estimating the short-circuit resistance on the circuit using the load current applied to the battery and the output terminal voltage, a fault index that can distinguish internal short-circuit fault stages is proposed. However, there is a performance limitation that the accuracy of the estimated internal short-circuit resistance is low, and the short-circuit resistance may not be estimated depending on the load current applied to the battery, so the battery usage environment in which the fault index can be detected is limited. .

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 측정된 신호 및 배터리 등가 회로 모델(Equivalent circuit model, ECM)을 이용하여 배터리의 개방 회로 전압(Open circuit voltage, OCV) 및 충전 상태(State of charge, SOC)를 추정하는 방법을 제안한다. 내부 단락 고장의 유무뿐만 아니라 고장의 정도의 정보를 포함하고 있는 고장 인덱스를 제안하고 추정 정확도를 높일 수 있는, 전류 충전 상황에서 리튬 이온 배터리에 발생한 내부 단락 고장을 조기 검출할 수 있는 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention to solve the above problems is to determine the open circuit voltage (OCV) and state of charge of a battery using a measured signal and a battery equivalent circuit model (ECM). , SOC) is proposed. Early detection of internal short-circuit failures in lithium-ion batteries under current charging conditions, which can propose a failure index that includes information on the degree of failure as well as the presence or absence of internal short-circuit failures and increase estimation accuracy. It is to provide a detection method and apparatus.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 내부 단락 고장 조기 검출 장치는, 내부 단락 고장을 조기 검출하는 장치에 있어서, 프로세서(processor); 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory); 를 포함하되, 적어도 하나의 명령은, 리튬 이온 배터리를 정전류로 충전하는 과정에서 전류, 전압 신호를 측정하고, 측정된 신호 및 배터리 등가 회로 모델(Equivalent circuit model, ECM)을 이용하여 배터리의 개방 회로 전압(Open circuit voltage, OCV) 및 충전 상태(State of charge, SOC)를 추정하는 명령; 을 포함할 수 있다.An early detection device for internal short-circuit failure according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a device for early detection of internal short-circuit failure, comprising: a processor; a memory in which at least one instruction executed by the processor is stored; Including, but at least one instruction measures the current and voltage signals in the process of charging the lithium ion battery with constant current, and uses the measured signals and the battery equivalent circuit model (Equivalent circuit model, ECM) to open the circuit of the battery. a command for estimating an open circuit voltage (OCV) and a state of charge (SOC); can include

상기 장치는, 내부 단락 저항(RISCr)과 셀(Cell)이 내장된 열 챔버(Thermal chamber); 열 챔버와 연결되어 배터리 셀 실험을 수행하는 배터리 테스트 장치(Battery test device); 열 챔버와 연결되어 충전 전류 및 단자 전압 신호를 포함한 실험 데이터를 기록하는 데이터 로거 및 컴퓨터(Data logger & Computer); 내부 단락 회로(ISCr) 오류를 복수의 초기 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)가 있는 셀에 표준 충전 전류가 적용될 때 스위치로 트리거하는 ISCr 트리거 전환부(Switch to trigger ISCr); 를 포함할 수 있다.The device includes a thermal chamber in which an internal short-circuit resistor (R ISCr ) and a cell are embedded; A battery test device connected to the thermal chamber to perform a battery cell experiment; A data logger and computer connected to the thermal chamber to record experimental data including charging current and terminal voltage signal; An ISCr trigger switching unit that triggers an internal short circuit (ISCr) fault with a switch when a standard charging current is applied to a cell having a plurality of initial states of charge (STATE OF CHARGE, SOC); can include

상기 장치는, 내부 단락 고장의 유무뿐만 아니라 고장의 정도의 정보를 포함하고 있는 고장 인덱스를 이용한 고장 인덱스 추출부를 포함할 수 있다.The apparatus may include a failure index extractor using a failure index including information on the degree of failure as well as the presence or absence of an internal short-circuit failure.

고장 인덱스 추출부는, 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정하는 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부; 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정하는 내부 단락 저항 추정부; 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는 고장 인덱스 대표 값 선정부; 를 포함할 수 있다.The failure index extraction unit may include: an internal short resistance estimation start point determining unit which variously determines the internal short resistance estimation point; an internal short-circuit resistance estimator for directly estimating internal short-circuit resistance using current and voltage signals obtained from standard charging of the battery; a failure index representative value selector that obtains one failure index representative value from a plurality of internal short-circuit resistances obtained from various points in time; can include

내부 단락 저항 추정부는, 배터리를 표준 충전 시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정하는 배터리 표준 충전부; 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출하는 특성 곡선 추출부; 배터리 표준 충전부에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 실시간 배터리 상태 추정부; 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산하는 내부 단락 저항 추출부; 및 추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트하는 모델 업데이트부; 를 포함할 수 있다.The internal short-circuit resistance estimation unit includes a battery standard charging unit that standardly charges the battery and measures a charging constant current and a battery terminal voltage together; A characteristic curve extraction unit for extracting an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) -state of charge (SOC) curve of the battery required to estimate the open circuit voltage and state of charge of the battery from the constant current; Open circuit voltage (OPEN) from the battery model equation using the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - state of charge (SOC) curve obtained from the signal measured in the battery standard charging unit and the characteristic curve extraction unit 302 a real-time battery state estimator for estimating a CIRCUIT VOLTAGE (OCV) and a state of charge (SOC); an internal short circuit resistance extraction unit that calculates an internal short circuit resistance using an estimated state of charge (SOC) of the battery; and a model update unit that updates a battery model using the estimated internal short circuit resistance. can include

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 내부 단락 고장 조기 검출 방법은, 고장 인덱스 추출부가 내부 단락 검출을 위한 고장 인덱스 추출 시스템을 개시하는 단계; 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부가 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정하는 단계; 내부 단락 저항 추정부가 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정하는 단계; 및 고장 인덱스 대표 값 선정부가 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는 단계; 를 포함할 수 있다.In order to achieve another object of the present invention, a method for early detection of an internal short-circuit failure includes the steps of starting a failure index extraction system for detecting an internal short by a failure index extraction unit; variously determining a point in time at which the internal short-circuit resistance estimation start point determining unit estimates the internal short-circuit resistance; Directly estimating internal short-circuit resistance by an internal short-circuit resistance estimator using current and voltage signals obtained from standard charging of the battery; and obtaining one representative failure index value from a plurality of internal short-circuit resistances obtained from various points in time by a failure index representative value selection unit. can include

배터리 표준 충전부가 배터리를 표준 충전시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정하는 단계; 특성 곡선 추출부가 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출하는 단계; 실시간 배터리 상태 추정부가 배터리 표준 충전부에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 단계; 내부 단락 저항 추출부가 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산하는 단계; 및 모델 업데이트부가 추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.standard charging of the battery by the battery standard charging unit and measuring the charging constant current and the battery terminal voltage together; Extracting an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-state of charge (SOC) curve of the battery required for estimating the open circuit voltage and state of charge of the battery from the constant current by the characteristic curve extraction unit; The real-time battery state estimation unit calculates the open circuit voltage from the battery model using the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - state of charge (SOC) curve obtained from the signal measured at the battery standard charging unit and the characteristic curve extraction unit. estimating (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and state of charge (STATE OF CHARGE, SOC); calculating an internal short-circuit resistance using the estimated state of charge (SOC) of the battery by an internal short-circuit resistance extraction unit; and updating the battery model using the estimated internal short circuit resistance by the model updater. may further include.

상기 방법은, 내부 단락이 발생한 배터리 모델은 수학식 1에 의하여 정의될 수 있다.In the above method, a battery model in which an internal short circuit occurs may be defined by Equation 1.

상기 방법은, 내부 단락 저항 추출부가 실시간 배터리 상태 추정부에서 실시간으로 추정된 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)와 측정되는 전류 및 전압값을 이용해 수학식 2에서부터 내부 단락 저항(

Figure 112021031820067-pat00001
)을 계산할 수 있다. In the method, the internal short-circuit resistance extractor calculates the internal short-circuit resistance (from Equation 2) using the state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) estimated in real time by the real-time battery state estimation unit and the measured current and voltage values.
Figure 112021031820067-pat00001
) can be calculated.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 내부 단락 고장 조기 검출 방법 중 어느 한 항의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 프로그램을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체일 수 있다.It may be a computer readable recording medium for implementing a program of any one of the early detection method of internal short circuit failure among methods for early detection of internal short circuit failure for achieving another object of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래 기술로 내부 단락 저항을 추정하는 방법의 활용은 특정한 조건을 만족하는 배터리 부하 전류가 사용되는 배터리 운용 환경(전기차 방전 상황 등)에 국한되지만,According to an embodiment of the present invention, the use of the method for estimating internal short-circuit resistance in the prior art is limited to a battery operating environment (electric vehicle discharge situation, etc.) in which a battery load current that satisfies a specific condition is used.

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치에서는, 특정 내부 단락 검출 가능 환경을 극복하기 위해 일반적인 배터리 표준 충전 환경(정전류 충전)에서 내부 단락을 조기에 검출할 수 있다. In the method and apparatus for early detection of an internal short circuit failure of the present invention, an internal short circuit can be detected early in a standard battery charging environment (constant current charging) to overcome a specific internal short detection environment.

또한, 고장 인덱스로 사용된 내부 단락 저항의 추정 정확도를 향상할 수 있다.In addition, it is possible to improve the estimation accuracy of the internal short-circuit resistance used as the failure index.

또한, 배터리 표준 충전 상황에서 측정된 전류 및 전압을 이용하여 실시간으로 배터리 내부 단락을 조기에 검출하는 알고리즘을 제안할 수 있다.In addition, an algorithm for early detection of an internal short circuit in a battery can be proposed in real time using the current and voltage measured in the battery standard charging situation.

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치의 알고리즘에는 정전류 환경에서 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) 및 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 방법을 포함할 수 있다.The method for early detection of internal short-circuit failure and the algorithm of the device according to the present invention may include a method for estimating an open circuit voltage (OCV) and a state of charge (SOC) of a battery in a constant current environment.

다수의 지점에서 내부 단락 저항을 추정하고 최종 고장 인덱스를 추출하여 고장 인덱스의 추정 정확도를 향상하는 방법도 포함될 수 있다.A method of improving estimation accuracy of the failure index by estimating internal short-circuit resistance at multiple points and extracting the final failure index may also be included.

또한, 배터리 표준 충전 상태에서 얻은 전류 및 전압 신호를 이용하여 배터리에 발생한 내부 단락을 조기에 진단함으로써, 종래 기술이 가지고 있던 특정 방전 상황에서만 진단이 가능하다는 한계점을 극복할 수 있다. In addition, by diagnosing the internal short circuit occurring in the battery at an early stage using the current and voltage signals obtained from the battery standard charging state, it is possible to overcome the limitation of the prior art that diagnosis is possible only in a specific discharge situation.

또한, 완전 충전이 아닌 다양한 충전 범위에서 내부 단락을 검출할 수 있고 고장 인덱스로 사용되는 내부 단락 저항의 추정 정확도가 크게 향상되어 이는 심한 고장 단계에서 열폭주로 이어지는 시기에서 한참 떨어진 시기에 배터리 고장 상태를 진단하기 때문에 배터리 사용 안전성을 높일 수 있고, 약한 고장 단계에서 추정된 내부 단락 저항으로 인해 배터리의 모델의 정확성을 높여 현재 배터리 상태를 더욱 정확하게 진단하여 사용 효율성 증진에도 크게 이바지할 수 있다.In addition, it is possible to detect internal short circuits in various charging ranges other than full charge, and the estimation accuracy of the internal short circuit resistance used as the failure index is greatly improved, indicating that the battery failure state is far away from the time leading to thermal runaway in the severe failure stage. Since it diagnoses, it is possible to increase the safety of battery use, and due to the estimated internal short-circuit resistance in the weak failure stage, the accuracy of the battery model is increased to more accurately diagnose the current battery state, which can greatly contribute to the improvement of use efficiency.

도 1은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 개략적인 구성을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 ISCr(internal short circuit) 실험 벤치(experiment bench)를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 고장 인덱스 추출부(100)의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 내부 저항 추정부(300)의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 상온에서의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선의 예시를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 추정된 내부 단락 저항값(내부 단락 저항이 50Ω 일 때)들의 히스토그램 예시도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법에서 ISCr 50Ω 일때 다수의 추정 시점에서 추정된 다수의 내부 단락 저항값(RISCr)을 도시한 그래프 및 이를 확대한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 고장 인덱스 추출 알고리즘의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 내부 단락 저항 추정 알고리즘의 순서도이다.1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an early detection method for internal short-circuit failure according to the present invention.
2 is a configuration diagram showing an internal short circuit (ISCr) experiment bench of the early detection device for internal short circuit failure of the present invention.
3 is a configuration diagram of a failure index extractor 100 of an early internal short-circuit failure detection device according to the present invention.
4 is a block diagram of the internal resistance estimator 300 of the early detection device for internal short-circuit failure according to the present invention.
5 is a graph showing an example of an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-state of charge (SOC) curve at room temperature according to the present invention.
6 is an exemplary histogram of estimated internal short-circuit resistance values (when the internal short-circuit resistance is 50 Ω) of the present invention.
7 (a) and (b) are graphs showing a plurality of internal short-circuit resistance values (R ISCr ) estimated at a plurality of estimation points when ISCr is 50Ω in the early detection method of internal short-circuit failure of the present invention and an enlarged graph thereof am.
8 is a flowchart of a failure index extraction algorithm of the method for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.
9 is a flowchart of an internal short-circuit resistance estimation algorithm of the method for early detection of an internal short-circuit failure according to the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. The term “and/or” includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 개략적인 구성을 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an early detection method for internal short-circuit failure according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 제안된 알고리즘의 전체 구조가 도시된다. Referring to FIG. 1, the overall structure of the proposed algorithm of the method for early detection of internal short-circuit failure of the present invention is shown.

내부 단락 저항(RISCr)추정 프로세스(estimation process)(100)는 소프트 내부 단락 저항(RISCr)(Internal short circuit)의 온라인 감지를 위해 내부 단락 저항(RISCr)(Internal short circuit resistance) 표준 충전(110)을 위해 측정된 단자 전압과 정전류로 추정된다. The internal short circuit resistance (R ISCr ) estimation process 100 is a standard charging internal short circuit resistance (R ISCr ) standard charge for online detection of the soft internal short circuit resistance (R ISCr ). It is estimated from the measured terminal voltage and constant current for (110).

내부 단락 저항(RISCr)의 추정 정확도를 향상시키고 신뢰할 수 있는 최종 고장 인덱스(Final fault index)(200)를 얻기 위해 다양한 추정 지점을 사용하여 다양한 내부 단락 저항(RISCr)를 추정한다. In order to improve the estimation accuracy of the internal short-circuit resistance (R ISCr ) and to obtain a reliable final fault index 200, various estimation points are used to estimate various internal short-circuit resistances (R ISCr ).

이 추정치의 평균값은 편차가 가장 큰 이상 값을 제외한 후 최종 고장 인덱스로 사용된다.The average value of this estimate is used as the final failure index after excluding outliers with the largest deviation.

본 발명의 일 실시예에서, 제안된 방법을 검증하기 위해 소프트(Soft) 내부 단락 회로(Internal short circuit, ISCr)에 대한 실험을 수행하였다. 두 개의 동일한 배터리(SAMSUNG INR 18650-29E) A와 B를 사용하여 실험 데이터를 얻었으며 셀의 공칭 용량은 2.850 Ah이다. 충전 및 방전 차단 전압은 각각 4.2V 및 2.5V에 해당하고 공칭 전압은 3.65V에 해당한다. 용량과 OCV-SOC 곡선을 얻기 위해 사전 테스트가 수행되었다. 용량 테스트에 따르면 셀을 정전류-정전압(CC-CV) 프로토콜로 충전한 다음 CC 방전으로 0.2C (0.57A)로 방전했다. 방전 용량은 실제 용량으로 정의되었으며 값은 셀 A와 B에 대해 각각 2.8374 Ah 및 2.8340 Ah에 해당한다. OCV-SOC 곡선 테스트와 관련하여 완전히 충전된 배터리 셀을 4 시간 동안 휴지하여 100 % SOC에서 단자 전압과 동일한 OCV를 측정했다. 이어서, 0.5C의 방전 전류를 720 초 동안 셀에 인가하여 90 % SOC를 설정 한 다음, 셀을 4 시간 동안 휴지시켜 OCV를 얻었다. 0 % SOC에 도달할 때까지 프로세스를 반복하고 실험적인 OCV-SOC 곡선을 얻었다.In one embodiment of the present invention, an experiment was performed on a soft internal short circuit (ISCr) to verify the proposed method. Experimental data were obtained using two identical batteries (SAMSUNG INR 18650-29E) A and B, and the nominal capacity of the cells is 2.850 Ah. The charge and discharge cutoff voltages correspond to 4.2V and 2.5V, respectively, and the nominal voltage corresponds to 3.65V. Preliminary tests were performed to obtain capacity and OCV-SOC curves. According to the capacity test, the cell was charged with a constant current-constant voltage (CC-CV) protocol and then discharged to 0.2C (0.57A) with a CC discharge. The discharge capacity was defined as the actual capacity and the values correspond to 2.8374 Ah and 2.8340 Ah for cells A and B, respectively. Regarding the OCV-SOC curve test, a fully charged battery cell was rested for 4 hours to measure the OCV equal to the terminal voltage at 100% SOC. Then, a discharge current of 0.5 C was applied to the cell for 720 seconds to set a 90% SOC, and then the cell was rested for 4 hours to obtain the OCV. The process was repeated until 0% SOC was reached and an experimental OCV-SOC curve was obtained.

도 2는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 ISCr(internal short circuit) 실험 벤치(experiment bench)를 도시한 구성도이다.2 is a configuration diagram showing an internal short circuit (ISCr) experiment bench of the early detection device for internal short circuit failure of the present invention.

도 2를 참조하면, 배터리 테스트 벤치의 구성이 도시된다. 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치는, 내부 단락 저항(RISCr)(11)과 셀(Cell)(15)이 내장된 열 챔버(Thermal chamber)(10), 배터리 테스트 장치(Battery test device, Chroma 17020)(20); 데이터 로거 및 컴퓨터(Data logger & Computer)(30), 내부 단락 회로(ISCr) 트리거 전환부(Switch to trigger ISCr, national Instruments) (40)를 포함한다.Referring to Figure 2, the configuration of the battery test bench is shown. The early detection device for internal short-circuit failure of the present invention includes a thermal chamber 10 in which an internal short-circuit resistor (R ISCr ) 11 and a cell 15 are built-in, a battery test device, Chroma 17020) (20); It includes a data logger and computer (30) and an internal short circuit (ISCr) trigger switching unit (Switch to trigger ISCr, national Instruments) (40).

배터리 셀은 셀의 주변 온도가 25 ± 1 ° C로 유지되는 열 챔버에서 테스트되었다. 배터리 테스트 장치(재생 배터리 팩 테스트 시스템 17020, Chroma)를 사용하여 배터리 셀 실험을 수행했으며 샘플 기간은 0.1 초였다. 충전 전류 및 단자 전압 신호를 포함한 실험 데이터는 데이터 로거를 통해 측정되어 컴퓨터에 저장되었다. 다양한 소프트 ISCr 오류를 나타내기 위해 ± 5 % 허용 오차의 저항을 배터리와 병렬로 연결하고 측정된 실제 값은 99.83, 49.91, 29.98 및 20.00에 해당한다. 저항이 99.83 일 때 배터리의 자체 방전 전류는 C / 67이고 값은 표준 충전 전류 (1.375A 및 C / 2)의 3 % 를 나타낸다. 본 발명에서 저항 범위는 99.83이 약한 결함을 설명하기에 충분히 큰 값이기 때문에 20.00에서 99.83으로 설정되었다. 넓은 저항 범위(RISCr > 100)를 갖는 실험 데이터로 제안된 방법의 검증은 향후 작업으로 남아 있다. 최종 고장 인덱스(Final fault index, Rfi)의 상대 오차는 실제 저항 값으로 계산되었다. 소프트 내부 단락 회로(ISCr) 오류는 다양한 초기 SOC가있는 셀에 표준 충전 전류가 적용될 때 스위치로 트리거 되었다. 셀 A는 49.91, 29.98 및 20.00으로 소프트 ISCr 결함에 적용되었고 셀 B는 99.83으로 적용되었다.Battery cells were tested in a thermal chamber where the ambient temperature of the cells was maintained at 25 ± 1 °C. Battery cell experiments were performed using a battery test device (Renewable Battery Pack Test System 17020, Chroma) and the sample period was 0.1 s. Experimental data including charging current and terminal voltage signals were measured through a data logger and stored in a computer. To represent the various soft ISCr errors, resistors with ±5% tolerance are connected in parallel with the battery, and the measured actual values correspond to 99.83, 49.91, 29.98 and 20.00. When the resistance is 99.83, the battery's self-discharge current is C/67, and the value represents 3% of the standard charging current (1.375 A and C/2). In the present invention, the resistance range was set from 20.00 to 99.83 because 99.83 is a value large enough to account for weak defects. Verification of the proposed method with experimental data with a wide resistance range (R ISCr > 100) remains a future work. The relative error of the final fault index (R fi ) was calculated as the actual resistance value. A soft internal short circuit (ISCr) fault was triggered by the switch when a standard charging current was applied to cells with varying initial SOCs. Cell A was applied to soft ISCr defects with 49.91, 29.98 and 20.00 and Cell B was applied with 99.83.

도 3은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 고장 인덱스 추출부(100)의 구성도이다.3 is a configuration diagram of a failure index extractor 100 of an early internal short-circuit failure detection device according to the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에서 배터리 표준 충전 상태에서 내부 단락을 조기에 검출하기 위해 고장 인덱스를 추출하는 전체 알고리즘 순서도가 개시된다.Referring to FIG. 3 , an overall algorithm flow chart for extracting a failure index for early detection of an internal short circuit in a battery standard state of charge in the present invention is disclosed.

본 발명의 내부 단락 검출을 위한 고장 인덱스 추출 시스템(200)은 고장 인덱스 추출부(100)를 포함한다. The failure index extraction system 200 for internal short circuit detection according to the present invention includes a failure index extraction unit 100 .

고장 인덱스 추출부(100)는 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200), 내부 단락 저항 추정부(300), 고장 인덱스 대표 값 선정부(400)를 포함한다.The failure index extraction unit 100 includes an internal short resistance estimation start time determination unit 200, an internal short resistance estimation unit 300, and a failure index representative value selection unit 400.

내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200)는 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정한다(210).The internal short-circuit resistance estimation start time determining unit 200 variously determines the internal short-circuit resistance estimation time point (210).

내부 단락 저항 추정부(300)는 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정한다(220).The internal short-circuit resistance estimator 300 directly estimates the internal short-circuit resistance using current and voltage signals obtained from standard charging of the battery (220).

고장 인덱스 대표 값 선정부(400)는 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항(230)으로부터 편차를 고려하여(240)하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는다(250).The failure index representative value selection unit 400 obtains one failure index representative value by considering deviations from the plurality of internal short-circuit resistances 230 obtained from various points in time (240).

도 4는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 내부 저항 추정부(300)의 구성도이다.4 is a block diagram of an internal resistance estimator 300 of an early internal short-circuit failure detection device according to the present invention.

도 4를 참조하면, 내부 단락 저항 추정부(300)는 배터리 표준 충전부(301), 특성 곡선 추출부(302), 실시간 배터리 상태 추정부(303), 내부 단락 저항 추출부(304), 모델 업데이트부(305)를 포함한다.Referring to FIG. 4 , the internal short-circuit resistance estimator 300 includes a battery standard charger 301, a characteristic curve extractor 302, a real-time battery state estimator 303, an internal short-circuit resistance extractor 304, and a model update. includes section 305 .

배터리 표준 충전부(301)는 배터리를 표준 충전 시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정한다.The battery standard charging unit 301 standardly charges the battery and measures the charging constant current and the battery terminal voltage together.

특성 곡선 추출부(302)는 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출한다.The characteristic curve extraction unit 302 extracts an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-state of charge (SOC) curve of the battery required to estimate the open circuit voltage and state of charge of the battery from the constant current.

실시간 배터리 상태 추정부(303)는 배터리 표준 충전부(301)에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정한다.The real-time battery state estimator 303 uses the signal measured by the battery standard charger 301 and the open circuit voltage (OCV) -state of charge (SOC) curve obtained by the characteristic curve extractor 302 Estimate the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) from the battery model formula using

내부 단락 저항 추출부(304)는 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산한다.The internal short-circuit resistance extractor 304 calculates the internal short-circuit resistance using the estimated state of charge (SOC) of the battery.

모델 업데이트부(305)는 추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트한다.The model updater 305 updates the battery model using the estimated internal short circuit resistance.

도 5는 본 발명의 상온에서의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선의 예시를 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 추정된 내부 단락 저항값(내부 단락 저항이 50Ω 일 때)들의 히스토그램 예시도이다.5 is a graph showing an example of an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-state of charge (SOC) curve at room temperature of the present invention, and FIG. 6 is an estimated internal short-circuit resistance value of the present invention It is a histogram example of (when the internal short-circuit resistance is 50Ω).

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치는, 종래의 내부 단락 저항을 추정하는 방법은 배터리가 특정한 조건(persistent excitation)을 만족시키는 부하전류로 방전되는 상황에서만 동작하고 내부 단락을 검출할 수 있는 단점을 극복하기 위하여, 초기 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 다르게 가지는 배터리(120)를 정전류(특정 조건을 만족하지 않는 전류)로 표준 충전(110)할 때 측정되는 전류

Figure 112021031820067-pat00002
및 전압
Figure 112021031820067-pat00003
을 배터리 표준 충전부(301)에서 측정한다. The device for early detection of internal short circuit failure according to the present invention has the disadvantage that the conventional method for estimating internal short circuit resistance operates only in a situation where the battery is discharged with a load current that satisfies a specific condition (persistent excitation) and detects the internal short circuit. In order to overcome, the current measured when standard charging 110 of the battery 120 having different initial state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) with constant current (current that does not satisfy a specific condition)
Figure 112021031820067-pat00002
and voltage
Figure 112021031820067-pat00003
is measured in the battery standard charging unit 301.

내부 단락이 발생한 배터리 모델은 수학식 1과 같다. A battery model in which an internal short circuit occurs is shown in Equation 1.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112021031820067-pat00004
Figure 112021031820067-pat00004

여기서

Figure 112021031820067-pat00005
는 배터리의 화학적 특징에 의한 내부 저항을 나타내고,
Figure 112021031820067-pat00006
는 내부 단락으로 유발된 자가방전 전류를 나타낸다. 즉, 배터리(120)를 표준 충전(110)시킬 때 충전 전류
Figure 112021031820067-pat00007
에서 계속해서 누설되고 있는 자가 방전 전류
Figure 112021031820067-pat00008
를 뺀 전류로 충전이 되는 것을 수학식 1은 설명하고 있다.here
Figure 112021031820067-pat00005
Represents the internal resistance due to the chemical characteristics of the battery,
Figure 112021031820067-pat00006
represents the self-discharge current caused by an internal short circuit. That is, when the battery 120 is standardly charged 110, the charging current
Figure 112021031820067-pat00007
Self-discharge current continuously leaking from
Figure 112021031820067-pat00008
Equation 1 explains that charging is performed with a current minus .

종래 기술은 최소 순환 자승법을 이용하여 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)의

Figure 112021031820067-pat00009
를 실시간으로 추정할 수 있었지만, 정전류 충전에서는 최소 순환 자승법을 동작하지 못하기 때문에 실시간 배터리 상태 추정부(303)에서 수학식 1로부터 배터리(120)의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 구하게 되고 수식적으로 구해진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)에 맞는 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선(140)을 이용하여 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하게 된다.In the prior art, the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) of the battery is calculated using the least circular square method.
Figure 112021031820067-pat00009
could be estimated in real time, but since the least cyclic square method cannot be operated in constant current charging, the real-time battery state estimation unit 303 obtains the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) of the battery 120 from Equation 1 The state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) is estimated.

첫 반복(iteration)에서의 배터리 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 수학식 1로부터 계산될 때, 배터리(120)는 정상이라고 가정을 하여 자가 방전 전류는 없다고 생각한다. 그리고 내부 저항은 실험적 경험으로 인해 하나의 상수로 선택하여 측정되는 전압, 전류 신호만으로 배터리 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 계산하게 된다. 추후 내부 단락 저항 추정부(300)에서 내부 단락 저항이 추정되면 추정값을 이용해서 모델 업데이트부(305)로부터 계산된 자가 방전 전류를 공급받게 된다. When the battery open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) in the first iteration is calculated from Equation 1, it is assumed that the battery 120 is normal and there is no self-discharge current. In addition, the internal resistance is selected as a constant due to experimental experience, and the battery open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) is calculated only with the measured voltage and current signals. If the internal short-circuit resistance is estimated by the internal short-circuit resistance estimator 300 later, the calculated self-discharge current is supplied from the model update unit 305 using the estimated value.

특성 곡선 추출부(302)에서는 정상 배터리(120)의 완전 방전에서 완전 충전까지의 전류 및 전압 신호를 이용하여, 수학식 1로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 그리고 전류 적산법으로 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 각각 계산한다. 이 두 값을 이용하여 정상 배터리(120)의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선(140)을 추출하여 실시간 배터리 상태 추정부(303)에 제공하고 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선의 일 예가 도 3에 도시된다. In the characteristic curve extractor 302, the open circuit voltage (OCV) from Equation 1 is calculated using the current and voltage signals from full discharge to full charge of the normal battery 120 and the state of charge by the current integration method. (STATE OF CHARGE, SOC) is calculated respectively. Using these two values, an OPEN CIRCUIT VOLTAGE (OCV) - STATE OF CHARGE (SOC) curve 140 of the normal battery 120 is extracted and provided to the real-time battery state estimation unit 303, An example of an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - STATE OF CHARGE (SOC) curve of a battery is shown in FIG. 3 .

내부 단락 저항 추출부(304)에서는 실시간 배터리 상태 추정부(303)에서 실시간으로 추정된 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)(160)와 측정되는 전류 및 전압값을 이용해 수학식 2에서부터 내부 단락 저항

Figure 112021031820067-pat00010
을 계산(170)하게 된다. The internal short-circuit resistance extractor 304 calculates the internal short-circuit resistance from Equation 2 using the state of charge (SOC) 160 estimated in real time by the real-time battery state estimation unit 303 and the measured current and voltage values.
Figure 112021031820067-pat00010
Calculate (170).

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021031820067-pat00011
Figure 112021031820067-pat00011

여기서,

Figure 112021031820067-pat00012
는 배터리 정격 용량을 나타내며,
Figure 112021031820067-pat00013
는 배터리 표준 충전부(301)에서 신호를 측정할 때 샘플링 주기를 나타낸다.here,
Figure 112021031820067-pat00012
represents the rated capacity of the battery,
Figure 112021031820067-pat00013
represents a sampling period when measuring a signal from the battery standard charging unit 301.

내부 단락 저항이 추정이 되면 측정된 배터리 전압을 추정된 내부 단락 저항으로 나눠서 단락으로 인한 자가 방전 전류

Figure 112021031820067-pat00014
를 계산할 수 있으며 이를 활용해서 다음 반복(iteration)에서 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 계산할 때 사용되는 방식의 모델 업데이트(150)를 모델 업데이트부(305)에서 진행한다. 또한 매순간 추정되는 내부 단락 저항을 그대로 반영하기 보다는 순간적으로 튀는 추정값들의 영향을 줄이고자 추정되는 값들을 평균하여 평균값
Figure 112021031820067-pat00015
을 모델 업데이트(150)에 사용한다. Once the internal short-circuit resistance is estimated, the measured battery voltage is divided by the estimated internal short-circuit resistance to self-discharge current due to the short circuit.
Figure 112021031820067-pat00014
can be calculated, and using this, the model update unit 305 performs the model update 150 of the method used when calculating the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) in the next iteration. In addition, rather than reflecting the internal short-circuit resistance estimated every moment as it is, the average value was obtained by averaging the estimated values to reduce the effect of the instantaneously bouncing estimated values.
Figure 112021031820067-pat00015
is used for model update (150).

고장 인덱스 추출부(100)에서는 배터리 내부 단락 저항을 추정할 때, 하나의 고정된 시점

Figure 112021031820067-pat00016
에서 하나의 내부 단락 저항을 얻기보다 다양한 시점에서 다수의 내부 단락 저항을 동시에 추정하기 위해서 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200)에서 p시점을 추정된 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)을 기준으로 특정 간격으로 다양하게 정하게 된다(210). 그리고 각 시점마다 평행하게 내부 단락 저항 추정부(300)는 동시에 작동이 되며, 배터리 충전이 종료되는 시점에서는 다수의 p시점과 같은 수의 내부 단락 저항의 추정 평균 값의 마지막 반복(iteration)에서의 값
Figure 112021031820067-pat00017
을 얻게(230) 된다. 고장 인덱스 대표 값 선정부(400)에서는 다수의
Figure 112021031820067-pat00018
에서 하나의 대표 값을 계산(250)하게 된다. 즉, 다수의
Figure 112021031820067-pat00019
(230)을 도 4와 같이 추정 값들의 분산을 나타내는 히스토그램을 도시할 수 있으며, 히스토그램의 평균으로부터 가장 편차가 심한 몇 개의 추정 값들은 제거를 하고 비교적 평균에 가까운 값들을 평균하여 얻은 평균 값을 최종 내부 단락 고장을 검출하기 위한 최종 고장 인덱스(250)로 사용한다.In the failure index extractor 100, when estimating the internal short circuit resistance of the battery, one fixed point in time
Figure 112021031820067-pat00016
In order to simultaneously estimate a plurality of internal short-circuit resistances at various points in time rather than obtaining one internal short-circuit resistance in It is variously determined at specific intervals (210). In addition, the internal short circuit resistance estimator 300 operates in parallel at each time point, and at the time when the battery charge is terminated, at the last iteration of the estimated average value of the internal short circuit resistance of the same number as the plurality of time points p. value
Figure 112021031820067-pat00017
Gets (230). In the failure index representative value selection unit 400, a number of
Figure 112021031820067-pat00018
In (250), one representative value is calculated. That is, many
Figure 112021031820067-pat00019
(230) can show a histogram showing the variance of the estimated values as shown in FIG. 4, and the average value obtained by averaging the values relatively close to the average after removing several estimated values that deviate most from the average of the histogram is the final value. It is used as the final failure index 250 for detecting internal short-circuit failures.

도 7의 (a) 및 (b)는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법에서 ISCr 50Ω 일때 다수의 추정 시점에서 추정된 다수의 내부 단락 저항값(RISCr)을 도시한 그래프 및 이를 확대한 그래프이다.7 (a) and (b) are graphs showing a plurality of internal short-circuit resistance values (R ISCr ) estimated at a plurality of estimation points when ISCr is 50Ω in the early detection method of internal short-circuit failure of the present invention and an enlarged graph thereof am.

도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명에서 고안한 방법의 예시 실험 검증로써, SAMSUNG lithium-ion 배터리(INR 18650-29E)에 평행하게 단락 저항 50Ω을 연결하고 정전류로 충전을 시켰을 때 다수의 추정 시점에서 추정된 다수의 내부 단락 저항값들이 개시된다. 다수의 시점에서 추정된 저항값들이 추정 말미에는 실제 값에 유사한 값으로 수렴하는 것을 확인할 수 있으며, 계산된 최종 고장 인덱스는 47.4032Ω으로 상당히 신뢰성 있는 값을 도출하는 것을 확인하였다. Referring to (a) and (b) of FIG. 7, as an exemplary experimental verification of the method devised in the present invention, a short-circuit resistance of 50Ω is connected in parallel to a SAMSUNG lithium-ion battery (INR 18650-29E) and charging is performed with a constant current. When executed, a plurality of internal short-circuit resistance values estimated at a plurality of estimation time points are disclosed. It can be confirmed that the resistance values estimated at multiple points of time converge to a value similar to the actual value at the end of the estimation, and the calculated final failure index is 47.4032Ω, which is a fairly reliable value.

또한, 본 발명에서 고안한 방법은 다양한 충전 범위에서도 작동이 가능하고, 심한 고장 단계(상기 배터리 기준 5.5Ω 이하의 내부 단락 저항의 고장)의 내부 단락뿐만 아니라 약한 고장 단계(상기 배터리 기준 5.5Ω 이상의 내부 단락 저항의 고장)의 내부 단락도 정확하게 검출할 수 있다. 즉, 사용자에게 더욱 안전한 시점(약한 고장 단계)에서 배터리 내부 단락 고장을 진단하여 배터리 교체 시점을 정확히 알려 줄 수 있고 추정된 내부 단락 저항을 이용하여 실시간으로 누설 전류를 계산할 수 있어서 정확한 배터리 잔여 사용 시간도 제공해줄 수 있다. 그리고, 본 발명은 배터리 사용의 안전성 및 효율성 두 가지 측면에서 향후 배터리 관리 기술을 향상할 수 있을 것으로 예상된다.In addition, the method devised in the present invention can operate in a variety of charging ranges, and can operate not only in the severe fault phase (failure of the internal short-circuit resistance of 5.5Ω or less based on the battery) but also in the weak fault phase (5.5Ω or more based on the battery). Failure of the internal short-circuit resistor) can also be accurately detected. In other words, it is possible to accurately inform the user of the time to replace the battery by diagnosing the short-circuit failure inside the battery at a safer time (weak failure stage), and to calculate the leakage current in real time using the estimated internal short-circuit resistance, so that the remaining battery life is accurate. can also provide. In addition, the present invention is expected to improve battery management technology in the future in terms of safety and efficiency of battery use.

도 8은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 고장 인덱스 추출 알고리즘의 순서도이다.8 is a flowchart of a failure index extraction algorithm of the method for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 배터리 표준 충전 상태에서 내부 단락을 조기에 검출하기 위해 고장 인덱스를 추출하는 전체 알고리즘 순서도가 도시되어 있다.Referring to FIG. 8 , a flowchart of an entire algorithm for extracting a failure index for early detection of an internal short circuit in a battery standard state of charge of the method for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention is shown.

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법은 S1100 단계 내지 S1400 단계를 포함한다.The method for early detection of internal short-circuit failure according to the present invention includes steps S1100 to S1400.

S1100 단계는 고장 인덱스 추출부(100)가 내부 단락 검출을 위한 고장 인덱스 추출 시스템을 개시한다. In step S1100, the failure index extraction unit 100 initiates a failure index extraction system for internal short circuit detection.

S1200 단계는 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200)가 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정한다.In step S1200, the internal short-circuit resistance estimation start point determiner 200 determines the internal short-circuit resistance estimation start point in various ways.

S1300 단계는 내부 단락 저항 추정부(300)가 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정한다.In step S1300, the internal short-circuit resistance estimator 300 directly estimates the internal short-circuit resistance using the current and voltage signals obtained from standard charging of the battery.

S1400 단계는 고장 인덱스 대표 값 선정부(400)가 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는다.In step S1400, the failure index representative value selector 400 obtains one representative failure index value from a plurality of internal short-circuit resistances obtained from various points in time.

도 9는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 내부 단락 저항 추정 알고리즘의 순서도이다.9 is a flowchart of an internal short-circuit resistance estimation algorithm of the method for early detection of an internal short-circuit failure according to the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법은 S2100 단계 내지 S2500 단계를 포함한다.Referring to FIG. 9 , the method for early detection of internal short-circuit failure according to the present invention includes steps S2100 to S2500.

S2100 단계는 배터리 표준 충전부(301)가 배터리를 표준 충전 시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정한다.In step S2100, the battery standard charging unit 301 standardly charges the battery and measures the charging constant current and the battery terminal voltage together.

S2200 단계는 특성 곡선 추출부(302)가 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출한다.In step S2200, the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - state of charge (SOC) curve of the battery required for the characteristic curve extractor 302 to estimate the open circuit voltage and state of charge of the battery from the constant current. extract

S2300 단계는 실시간 배터리 상태 추정부(303)가 배터리 표준 충전부(301)에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정한다.In step S2300, the real-time battery state estimation unit 303 calculates the signal measured by the battery standard charging unit 301 and the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) obtained by the characteristic curve extraction unit 302 - STATE OF CHARGE, The open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) are estimated from the battery model equation using the SOC) curve.

S2400 단계는 내부 단락 저항 추출부(304)는 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산한다.In step S2400, the internal short-circuit resistance extraction unit 304 calculates the internal short-circuit resistance using the estimated state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) of the battery.

S2500 단계는 모델 업데이트부(305)는 추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트한다.In step S2500, the model update unit 305 updates the battery model using the estimated internal short circuit resistance.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래 기술로 내부 단락 저항을 추정하는 방법의 활용은 특정한 조건을 만족하는 배터리 부하 전류가 사용되는 배터리 운용 환경(전기차 방전 상황 등)에 국한되지만,According to an embodiment of the present invention, the use of the method for estimating internal short-circuit resistance in the prior art is limited to a battery operating environment (electric vehicle discharge situation, etc.) in which a battery load current that satisfies a specific condition is used.

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치에서는, 특정 내부 단락 검출 가능 환경을 극복하기 위해 일반적인 배터리 표준 충전 환경(정전류 충전)에서 내부 단락을 조기에 검출할 수 있다. In the method and apparatus for early detection of an internal short circuit failure of the present invention, an internal short circuit can be detected early in a standard battery charging environment (constant current charging) to overcome a specific internal short detection environment.

또한, 고장 인덱스로 사용된 내부 단락 저항의 추정 정확도를 향상할 수 있다.In addition, it is possible to improve the estimation accuracy of the internal short-circuit resistance used as the failure index.

또한, 배터리 표준 충전 상황에서 측정된 전류 및 전압을 이용하여 실시간으로 배터리 내부 단락을 조기에 검출하는 알고리즘을 제안할 수 있다.In addition, an algorithm for early detection of an internal short circuit in a battery can be proposed in real time using the current and voltage measured in the battery standard charging situation.

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치의 알고리즘에는 정전류 환경에서 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) 및 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 방법을 포함할 수 있다.The method for early detection of internal short-circuit failure and the algorithm of the device according to the present invention may include a method for estimating an open circuit voltage (OCV) and a state of charge (SOC) of a battery in a constant current environment.

다수의 지점에서 내부 단락 저항을 추정하고 최종 고장 인덱스를 추출하여 고장 인덱스의 추정 정확도를 향상하는 방법도 포함될 수 있다.A method of improving estimation accuracy of the failure index by estimating internal short-circuit resistance at multiple points and extracting the final failure index may also be included.

또한, 배터리 표준 충전 상태에서 얻은 전류 및 전압 신호를 이용하여 배터리에 발생한 내부 단락을 조기에 진단함으로써, 종래 기술이 가지고 있던 특정 방전 상황에서만 진단이 가능하다는 한계점을 극복할 수 있다. In addition, by diagnosing the internal short circuit occurring in the battery at an early stage using the current and voltage signals obtained from the battery standard charging state, it is possible to overcome the limitation of the prior art that diagnosis is possible only in a specific discharge situation.

또한, 완전 충전이 아닌 다양한 충전 범위에서 내부 단락을 검출할 수 있고 고장 인덱스로 사용되는 내부 단락 저항의 추정 정확도가 크게 향상되어 이는 심한 고장 단계에서 열폭주로 이어지는 시기에서 한참 떨어진 시기에 배터리 고장 상태를 진단하기 때문에 배터리 사용 안전성을 높일 수 있고, 약한 고장 단계에서 추정된 내부 단락 저항으로 인해 배터리의 모델의 정확성을 높여 현재 배터리 상태를 더욱 정확하게 진단하여 사용 효율성 증진에도 크게 이바지할 수 있다.In addition, it is possible to detect internal short circuits in various charging ranges other than full charge, and the estimation accuracy of the internal short circuit resistance used as the failure index is greatly improved, indicating that the battery failure state is far away from the time leading to thermal runaway in the severe failure stage. Since it diagnoses, it is possible to increase the safety of battery use, and due to the estimated internal short-circuit resistance in the weak failure stage, the accuracy of the battery model is increased to more accurately diagnose the current battery state, which can greatly contribute to the improvement of use efficiency.

본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 정보가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. The operation of the method according to the embodiment of the present invention can be implemented as a computer readable program or code on a computer readable recording medium. A computer-readable recording medium includes all types of recording devices in which information that can be read by a computer system is stored. In addition, computer-readable recording media may be distributed to computer systems connected through a network to store and execute computer-readable programs or codes in a distributed manner.

또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.In addition, the computer-readable recording medium may include hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, and flash memory. The program command may include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like as well as machine code generated by a compiler.

본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다. Although some aspects of the present invention have been described in the context of an apparatus, it may also represent a description according to a corresponding method, where a block or apparatus corresponds to a method step or feature of a method step. Similarly, aspects described in the context of a method may also be represented by a corresponding block or item or a corresponding feature of a device. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device such as, for example, a microprocessor, programmable computer, or electronic circuitry. In some embodiments, one or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.

실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그머블 게이트 어레이는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.In embodiments, a programmable logic device (eg, a field programmable gate array) may be used to perform some or all of the functions of the methods described herein. In embodiments, a field programmable gate array may operate in conjunction with a microprocessor to perform one of the methods described herein. Generally, methods are preferably performed by some hardware device.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that you can.

10 : 열 챔버
11 : 내부 단락 저항
15 : 셀
20 : 배터리 테스트 장치
30 : 데이터 로거 및 컴퓨터
40 : ISCr 트리거 전환부
100 : 고장 인덱스 추출부
200 : 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부
300 : 내부 단락 저항 추정부
301 : 배터리 표준 충전부
302 : 특성 곡선 추출부
303 : 실시간 배터리 상태 추정부
304 : 내부 단락 저항 추출부
305 : 모델 업데이트부
400 : 고장 인덱스 대표 값 선정부10: thermal chamber
11: internal short circuit resistance
15: cell
20: battery test device
30: data logger and computer
40: ISCr trigger switching unit
100: failure index extraction unit
200: Internal short-circuit resistance estimation start time determination unit
300: internal short circuit resistance estimation unit
301: battery standard charging unit
302: characteristic curve extraction unit
303: real-time battery condition estimation unit
304: internal short circuit resistance extraction unit
305: model update unit
400: failure index representative value selection unit

Claims (10)

내부 단락 고장을 조기 검출하는 장치에 있어서,
프로세서(processor);
프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory); 를 포함하되,
적어도 하나의 명령은,
리튬 이온 배터리를 정전류로 충전하는 과정에서 측정된 배터리 전압 신호 및 배터리 전류 신호를 획득하는 명령;
상기 배터리 전압 신호 및 상기 배터리 전류 신호에 기반하여 상기 리튬 이온 배터리의 현재 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 명령;
상기 현재 충전 상태, 상기 배터리 전압 신호, 및 상기 배터리 전류 신호에 기반하여 제1 수학적 모델에 의하여 내부 단락 저항을 획득하는 명령; 및
상기 내부 단락 저항, 및 상기 배터리 전압 신호를 이용하여 상기 리튬 이온 배터리를 정전류로 충전하는 과정에서 상기 리튬 이온 배터리의 내부 단락으로 유발되는 자가 방전 전류를 추정하는 명령;
을 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.In the device for early detection of internal short-circuit failure,
processor;
a memory in which at least one instruction executed by the processor is stored; Including,
at least one command,
a command for acquiring a battery voltage signal and a battery current signal measured in a process of charging a lithium ion battery with a constant current;
a command for estimating a state of charge (SOC) of the lithium ion battery based on the battery voltage signal and the battery current signal;
an instruction for obtaining an internal short-circuit resistance by a first mathematical model based on the current state of charge, the battery voltage signal, and the battery current signal; and
a command for estimating a self-discharge current caused by an internal short circuit of the lithium ion battery in a process of charging the lithium ion battery with a constant current using the internal short circuit resistance and the battery voltage signal;
including,
Internal short-circuit failure early detection device. 제 1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 명령은,
제2 수학적 모델에 기반하여 제공되는 정전류 충전 시의 배터리 모델을, 상기 자가 방전 전류에 기반하여 업데이트하는 명령;
을 더 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.According to claim 1,
The at least one command,
a command for updating a battery model for constant current charging provided based on a second mathematical model based on the self-discharge current;
Including more,
Internal short-circuit failure early detection device. 청구항 1에 있어서, 상기 장치는,
상기 내부 단락 저항에 기반하여 내부 단락 고장의 유무뿐만 아니라 고장의 정도의 정보를 포함하고 있는 고장 인덱스를 획득하는 고장 인덱스 추출부(100)를 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.The method according to claim 1, wherein the device,
A failure index extractor 100 for acquiring a failure index including information on the degree of failure as well as the presence or absence of an internal short circuit failure based on the internal short circuit resistance,
Internal short-circuit failure early detection device. 청구항 3에 있어서, 고장 인덱스 추출부(100)는,
내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정하는 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200);
배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정하는 내부 단락 저항 추정부(300);
다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는 고장 인덱스 대표 값 선정부(400); 를 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.The method according to claim 3, the failure index extractor 100,
an internal short-circuit resistance estimation start point determination unit 200 which determines a point in time for estimating internal short-circuit resistance in various ways;
an internal short-circuit resistance estimator 300 for directly estimating internal short-circuit resistance using current and voltage signals obtained from standard charging of the battery;
a failure index representative value selection unit 400 that obtains one failure index representative value from a plurality of internal short-circuit resistances obtained from various points in time; including,
Internal short-circuit failure early detection device. 청구항 4에 있어서,
내부 단락 저항 추정부(300)는,
배터리를 표준 충전 시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정하는 배터리 표준 충전부(301);
정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE,OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출하는 특성 곡선 추출부(302);
배터리 표준 충전부(301)에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 실시간 배터리 상태 추정부(303);
추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산하는 내부 단락 저항 추출부(304); 및
추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트하는 모델 업데이트부(305); 를 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.The method of claim 4,
The internal short-circuit resistance estimator 300,
A battery standard charging unit 301 that standardly charges the battery and measures the charging constant current and the battery terminal voltage together;
A characteristic curve extraction unit 302 for extracting an open circuit voltage (OCV) -state of charge (SOC) curve of the battery required to estimate the open circuit voltage and state of charge of the battery from the constant current;
Open circuit from the battery model equation using the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-state of charge (SOC) curve obtained from the signal measured by the battery standard charging unit 301 and the characteristic curve extraction unit 302 a real-time battery state estimator 303 estimating a voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and a state of charge (SOC);
an internal short circuit resistance extraction unit 304 that calculates internal short circuit resistance using the estimated state of charge (SOC) of the battery; and
a model update unit 305 for updating a battery model using the estimated internal short circuit resistance; including,
Internal short-circuit failure early detection device. 고장 인덱스 추출부(100)가 내부 단락 검출을 위한 고장 인덱스 추출 시스템을 개시하는 단계(S1100);
내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200)가 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정하는 단계(S1200);
내부 단락 저항 추정부(300)가 배터리를 정전류로 충전하는 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 내부 단락 저항을 추정하는 단계(S1300);
모델 업데이트부(305)가 추정된 내부 단락 저항을 이용하여 상기 배터리를 정전류로 충전하는 과정에서 상기 배터리의 내부 단락으로 유발되는 자가 방전 전류를 추정하고, 상기 자가 방전 전류에 기반하여 상기 배터리 모델을 업데이트하는 단계(S2500); 및
고장 인덱스 대표 값 선정부(400)가 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는 단계(S1400); 를 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 방법.Initiating, by the failure index extraction unit 100, a failure index extraction system for internal short circuit detection (S1100);
determining, by the internal short-circuit resistance estimation start point determining unit 200, various timing points for estimating the internal short-circuit resistance (S1200);
estimating, by the internal short-circuit resistance estimator 300, internal short-circuit resistance using the current and voltage signals obtained from the standard charging of the battery in which the battery is charged with a constant current (S1300);
The model update unit 305 estimates the self-discharge current caused by the internal short circuit of the battery in the process of charging the battery with a constant current using the estimated internal short-circuit resistance, and calculates the battery model based on the self-discharge current. Updating step (S2500); and
obtaining, by the failure index representative value selector 400, one representative failure index value from a plurality of internal short-circuit resistances obtained from various points in time (S1400); including,
An early detection method for internal short-circuit failure. 청구항 6에 있어서,
배터리 표준 충전부(301)가 배터리를 표준 충전시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정하는 단계(S2100);
특성 곡선 추출부(302)가 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출하는 단계(S2200);
실시간 배터리 상태 추정부(303)가 배터리 표준 충전부(301)에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 단계(S2300); 및
내부 단락 저항 추출부(304)가 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산하는 단계(S2400); 를 더 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 방법.The method of claim 6,
The battery standard charging unit 301 standardly charges the battery and measures the charging constant current and the battery terminal voltage together (S2100);
Characteristic curve extraction unit 302 extracting an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-state of charge (SOC) curve required to estimate the open circuit voltage and state of charge of the battery from the constant current (S2200);
The signal measured by the battery standard charging unit 301 by the real-time battery state estimation unit 303 and the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-state of charge (SOC) curve obtained by the characteristic curve extraction unit 302 estimating an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and a state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) from a battery model formula by using (S2300); and
calculating an internal short-circuit resistance by using the estimated state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) of the battery by the internal short-circuit resistance extraction unit 304 (S2400); Including more,
An early detection method for internal short-circuit failure. 삭제delete 삭제delete 청구항 6 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 프로그램을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.A computer readable recording medium for implementing a program of the early detection method of any one of claims 6 to 7.
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