KR102637311B1 - 열화 배터리 셀 검출 장치 및 방법 - Google Patents

열화 배터리 셀 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 상태를 측정하기 위한 측정부; 상기 배터리의 SOH를 추정하는 추정부; 상기 배터리의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건, 진단 구간 및 판단 조건을 설정하는 진단 설정부; 상기 배터리의 충/방전 종료 후 열화 배터리 셀의 검출 수행 조건을 판단하는 진단 수행 결정부; 및 상기 충/방전 종료 구간에서의 전압 편차를 계산하고 측정값과 설정값을 비교하여 열화 배터리 셀을 판단하는 열화 판단부를 포함하는 열화 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 제시한다.

Description

열화 배터리 셀 검출 장치 및 방법{Apparatus and method for detecting a deteriorated battery cell}
본 발명은 열화 배터리 셀 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 전압 편차가 커지는 충전 및 방전 종료 시점에서의 데이터를 이용하여 열화 배터리 셀을 검출하는 열화 배터리 셀 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
충전 또는 방전이 가능한 이차전지, 즉 배터리(battery)는 스마트폰 등의 모바일 기기의 에너지원으로 널리 사용되고 있다. 뿐만 아니라, 배터리는 화석 연료를 사용하는 가솔린 차량, 디젤 차량 등에 의한 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 친환경 자동차의 에너지원으로도 사용되고 있다. 배터리를 이용하는 애플리케이션의 종류는 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 배터리가 적용될 것으로 예상된다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리, 리튬 이온 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이온 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충/방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 또한, 리튬 이온 배터리는 소형, 경향으로 제작할 수 있으므로 이동 기기의 전원으로 사용되며, 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
상기한 바와 같이 배터리는 다양한 분야에서 이용되는데, 전기 자동차, 스마트 그리드 시스템과 같이 최근에 배터리가 많이 활용되는 분야는 큰 용량을 필요로 하는 경우가 많다. 배터리의 용량을 증가하기 위해서는 배터리 셀 자체의 용량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이 경우 용량 증대 효과가 크지 않고, 배터리의 크기 확장에 물리적 제한이 있으며, 관리가 불편하다는 단점을 갖는다. 따라서, 통상적으로는 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 팩이 널리 이용된다.
그런데, 배터리의 충/방전이 반복될수록, 즉 사용 시간이 증가할수록 배터리 모듈 또는 배터리 셀간 전압 편차가 발생한다. 편차를 일으키는 원인은 배터리 셀간 용량이나 내부 저항의 편차, 셀의 배치에 의한 동작 온도의 차이 등을 들 수 있다. 배터리 셀 전압은 충전 상태, 퇴화도, 제조에 의한 불균형이 발생하며, 이러한 불균형이 유지될수록 배터리의 가용 용량이 감소할 뿐만 아니라 불균형으로 인한 퇴화가 가속화된다. 이러한 성능 저하를 배터리 셀의 열화라고 하며, 열화된 배터리 셀이 배터리 모듈 전체에 악영향을 미치지 않도록 일정한 열화도를 기준으로 교체가 필요하다.
따라서, 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 열화도를 측정할 필요가 있으며, 기존에는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에서 배터리 셀의 저항 변화율에 기초하여 열화를 판단하거나, 배터리 셀의 전류 및 전압에 기초하여 배터리의 수명을 예측하였다.
한편, 한국등록특허 제10-2079875호(이하, 선행문헌)에는 배터리 시스템 또는 에너지 저장 장치에서 운전 이력 데이터를 고려하여 배터리 셀 또는 배터리 모듈 단위의 열화 셀 위치를 분석할 수 있도록 한 배터리의 열화 모듈 또는 열화 셀 검출장치 및 방법을 제시하고 있다. 선행 문헌은 전압, 위치, 전류 데이터를 취득하여 일, 월, 년 단위로 분석하고 충전, 방전, 정지(대기) 동작 조건 별로 전압의 최소(VMin), 최대(VMax), 평균(VAvg)을 계산하여 충전 동작 시 VMax(N)-VAvg(N)>V_Set_Chg 조건을 만족하는지 판단하고, 방전 동작 시 VAvg(N)-VMin(N)>V_Set_DChg 조건을 판단하며, 정지 동작 시 VMax(N)-VMin(N)>V_Set_DeV 조건을 만족하는지 판단하여 열화를 판단한다.
그런데, 선행 문헌과 같이 일, 월, 년 기간 단위로 전압의 최소(VMin), 최대(VMax), 평균(VAvg)을 계산하게 되면 충전 SOC를 가장 높게 사용한 날과, 방전 SOC를 가장 낮게 사용한 날을 기준으로 전압의 최소(VMin) 및 최대(VMax)가 산출된다. 따라서, 선행 문헌은 산출 기간 동안의 전압 변화를 충분히 반영하지 못하는 문제가 있다. 또한, 일, 월, 년 기간 단위로 전압의 최소(VMin), 최대(VMax), 평균(VAvg)을 계산하고 기간 단위로 전압의 최소(VMin), 최대(VMax), 평균(VAvg)의 편차를 열화 셀의 검출 기준으로 사용할 경우 열화 셀 검출 기준이 단순 전압 편차만을 기준으로 판단하므로 배터리의 퇴화에 의한 자연스러운 편차인지 배터리의 제조, 설치, 사용 등 불량 요인에 의한 편차인지 판단하기 어렵다. 따라서, 검출된 결과를 열화 판단을 위해 재검토할 필요가 있다. 그리고, 배터리 동작 전체 구간에서 편차를 계산할 경우 매초마다 취득되는 데이터를 계산해야 하므로 연산량이 많다. 해당 열화 셀 검출 장치를 배터리 시스템 내에서 동작할 경우 연산량이 많을수록 많은 불필요한 에너지를 소모하게 되므로 배터리의 가용 에너지가 감소하게 된다.
한국등록특허 제10-2079875호
본 발명은 산출 기간 동안의 전압 변화를 충분히 반영하여 열화 배터리 셀을 검출할 수 있는 열화 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 셀 전압 불균형이 유지될수록 배터리의 가용 용량이 감소할 뿐만 아니라 불균형으로 인한 퇴화가 가속화되므로 이를 검출할 수 있는 열화 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 충전 및 방전 종료 시점에서의 전압 편차가 커지는 현상에 착안하여 충전 및 방전 종료 시점에서의 데이터를 이용하여 열화 배터리 셀을 검출하는 열화 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 형태에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치는 배터리의 상태를 측정하기 위한 측정부; 상기 배터리의 SOH를 추정하는 추정부; 상기 배터리의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건, 진단 구간 및 열화 판단 조건을 설정하는 진단 설정부; 상기 배터리의 충/방전 종료 후 열화 배터리 셀의 진단시작 조건의 충족 여부를 판단하여 진단 수행 여부를 결정하는 진단 수행 결정부; 및 상기 충/방전 종료 후, 상기 진단 구간에서의 전압 편차를 산출하고 이를 열화 판단 조건과 비교하여 열화 배터리 셀을 판단하는 열화 판단부를 포함한다.
상기 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건, 진단 구간 및 열화 판단 조건을 포함한 데이터를 저장하는 저장부를 더 포함한다.
상기 진단 설정부는, 배터리의 SOH에 따른 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건을 설정하는 진단 시작 조건 설정부와, 열화 배터리 셀의 진단 구간을 설정하는 진단 구간 설정부와, 배터리의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 판단 조건을 설정하는 열화 조건 설정부를 포함한다.
상기 진단 시작 조건 설정부는 배터리의 SOH에 따라 충전 및 방전 구간의 제 1 및 제 2 시작 조건을 설정하며, 상기 충전 구간의 제 1 시작 조건은 충전 동작 시간 이상 충전이고, 제 2 시작 조건은 충전 DOD 이상 충전이며, 상기 방전 구간의 제 1 시작 조건은 방전 동작 시간 이상 방전이고, 제 2 시작 조건은 방전 DOD 이상 방전이다.
상기 진단 구간 설정부는 전류 측정값이 소정의 전류 한계값 이하인 경우 충전 종료 시점으로부터 충전 종료 후 충전 검출 시간 기준값 시점을 충전 검출 기준값으로 설정하고. 방전 종료 시점으로부터 방전 종료 후 방전 검출 시간 기준값 시점을 방전 검출 기준값으로 설정한다.
상기 열화 조건 설정부는 진단 구간 동안 계산된 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 이용하여 열화 배터리 셀의 판단 조건을 설정한다.
상기 열화 조건 설정부는 충전 검출 구간 기준값 및 방전 검출 구간 기준값에서 제 1 및 제 2 진단 기준값을 설정하며, 제 1 진단 기준값은 모듈 내 평균 전압(VAvg)과 모듈 내 최소 전압(VMin)의 차(VAvg-VMin)이고, 제 2 진단 기준값은 모듈 내 최대 전압(VMax)과 모듈 내 평균 전압(VAvg)의 차(VMax-VAvg)이다.
상기 진단 수행 결정부는 충전 구간에서 충전 동작 시간 이상 충전되거나 충전 DOD 이상 충전된 경우 진단 수행으로 결정하고, 방전 구간에서 방전 동작 시간 이상 방전되거나 방전 DOD 이상 방전된 경우 진단 수행으로 결정한다.
상기 열화 판단부는 충전 검출 기준값에서 전압 편차가 모듈내 전압의 평균값(VAvg)과 모듈내 전압의 최소값(VMin)의 차보다 크거나, 모듈내 전압의 최대값(VMax)과 모듈내 전압의 평균값(VAvg)의 차보다 큰 경우 해당 배터리 셀을 열화 배터리 셀로 판단한다.
상기 열화 판단부는 방전 검출 기준값에서 전압 편차가 모듈내 전압의 평균값(VAvg)과 모듈내 전압의 최소값(VMin)의 차보다 크거나, 모듈내 전압의 최대값(VMax)과 모듈내 전압의 평균값(VAvg)의 차보다 큰 경우 열화 배터리 셀로 판단한다.
본 발명의 열화 배터리 검출 방법은 배터리의 상태를 측정하는 과정; 상기 배터리의 SOH를 추정하는 과정; 상기 배터리의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건, 진단 구간 및 열화 판단 조건을 설정하는 과정; 열화 배터리 셀의 검출 진단 수행 조건을 판단하는 과정; 및 상기 진단 구간에서의 전압 편차를 계산하고, 이를 열화 판단조건과 비교하여 열화 배터리 셀을 판단하는 과정을 포함한다.
열화 배터리 셀의 진단 시작 조건, 진단 구간 및 판단 조건을 포함한 데이터를 저장하는 과정을 더 포함한다.
상기 배터리의 진단 시작 조건을 설정하는 과정은, 배터리의 SOH에 따라 충전 및 방전 구간의 제 1 및 제 2 시작 조건을 설정하며, 상기 충전 구간의 제 1 시작 조건은 충전 동작 시간 이상 충전이고, 제 2 시작 조건은 충전 DOD 이상 충전이며, 상기 방전 구간의 제 1 시작 조건은 방전 동작 시간 이상 방전이고, 제 2 시작 조건은 방전 DOD 이상 방전이다.
상기 진단 구간을 설정하는 과정은, 전류 측정값이 소정의 전류 한계값 이하인 경우 충전 종료 시점으로부터 충전 종료 후 충전 검출 시간 기준값 시점을 충전 검출 기준값으로 설정하고. 방전 종료 시점으로부터 방전 종료 후 방전 검출 시간 기준값 시점을 방전 검출 기준값으로 설정한다.
상기 열화 조건을 설정하는 과정은, 충전 검출 구간 기준값 및 방전 검출 구간 기준값에서 제 1 및 제 2 진단 기준값을 설정하며, 제 1 진단 기준값은 모듈 내 평균 전압(VAvg)과 모듈 내 최소 전압(VMin)의 차(VAvg-VMin)이고, 제 2 진단 기준값은 모듈 내 최대 전압(VMax)과 모듈 내 평균 전압(VAvg)의 차(VMax-VAvg)이다.
상기 진단 수행 조건을 판단하는 과정은, 충전 구간에서 충전 동작 시간 이상 충전되거나 충전 DOD 이상 충전된 경우 진단 수행으로 결정하고, 방전 구간에서 방전 동작 시간 이상 방전되거나 방전 DOD 이상 방전된 경우 진단 수행으로 결정한다.
상기 열화 배터리 셀을 판단하는 과정은, 충전 검출 기준값에서 전압 편차가 모듈내 전압의 평균값(VAvg)과 모듈내 전압의 최소값(VMin)의 차보다 크거나, 모듈내 전압의 최대값(VMax)과 모듈내 전압의 평균값(VAvg)의 차보다 큰 경우 해당 배터리 셀을 열화 배터리 셀로 판단한다.
상기 열화 배터리 셀을 판단하는 과정은, 방전 검출 기준값에서 전압 편차가 모듈내 전압의 평균값(VAvg)과 모듈내 전압의 최소값(VMin)의 차보다 크거나, 모듈내 전압의 최대값(VMax)과 모듈내 전압의 평균값(VAvg)의 차보다 큰 경우 열화 배터리 셀로 판단한다.
일반적으로, 충/방전 시간이 짧거나 방전깊이(DOD: Depth Of Discharge)가 작을 경우, 배터리의 사용량이 많지 않아 셀 간 전압 편차가 크게 발생하지 않는데, 배터리가 퇴화될 수록 모듈 내 셀 간의 퇴화 편차(내부저항, 용량 감소 차이)가 나타나고, 이러한 퇴화 편차로 인하여 충/방전시 전압 편차가 발생한다.
이러한 전압 편차는 특히, 충/방전의 종료 시점에서 크게 발생하는데, 본 발명은 이와 같은 충전 및 방전 종료 시점에서의 전압 편차가 커지는 현상에 착안하여 열화 배터리 셀을 검출한다. 배터리 셀 전압 편차는 동일한 조건의 충/방전을 하더라도 배터리의 수명(퇴화 정도)에 따라 그 퇴화의 정도가 다르다. 즉, 배터리 셀 제품의 사양, 팩 구성, 배터리 어플리케이션(application)에 따라서도 차이가 발생한다. 따라서, 본 발명은 동일 그룹(시스템, 모듈) 내 셀 전압 편차를 배터리 SOH(수명)에 기반하여 열화 셀을 검출한다. 즉, 본 발명은 충/방전 종료 시점으로부터 충/방전 종료 후 충/방전 검출시간 기준값 시점까지의 측정값과 설정값을 비교하여 열화 배터리 셀을 판단한다. 따라서, 본 발명은 일/월/년 기간 단위로 모든 측정값에 대하여 통계를 내고 비교하는 선행 문헌이 산출 기간 동안의 전압 변화를 충분히 반영하지 못하는 문제를 해결할 수 있다.
즉, 본 발명은 전압 편차가 크게 발생할 수 있는 조건(충/방전 여부, 배터리 사용량, 배터리 수명(SOH))에 따라 열화 배터리 셀/모듈 검출 동작 조건을 설정함으로써, 배터리가 특정 사용조건을 만족하는 경우에만 열화셀 검출 진단을 수행하도록 함으로써, 열화 셀 검출을 위한 연산을 최소화하는 효과를 가져온다. 또한, 본 발명은 배터리의 사용조건 및 수명에 따라 열화 모듈 또는 셀 판정 기준을 다르게 설정함으로써, 배터리 퇴화에 따른 정상적인 편차인지 아니면, 배터리 불량요인에 의한 편차인지 구분할 수 있으며, 이로 인하여 검출 결과로부터 열화판단을 함에 있어서 추가적인 검토를 최소화할 수 있는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치의 진단 설정부의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 배터리의 충/방전 패턴을 도시한 그래프이다.
도 4는 배터리의 충/방전 패턴에 따른 전압의 최대값, 최소값 및 평균값을 도시한 그래프이다.
도 5는 배터리의 방전 종료시점 부근에서의 전압의 최대값, 평균값 및 최소값의 차를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 열화 배터리 셀 검출 방법을 부연 설명하기 위한 배터리의 충/방전에 따른 시간별 전류를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치의 진단 설정부의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치는 충/방전 가능한 적어도 둘 이상의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 구비하는 배터리(100)와, 배터리(100)의 전압, 전류, 온도 등의 상태를 측정하기 위한 측정부(200)와, 배터리(100)의 SOH(State Of Health)를 추정하는 추정부(300)와, 배터리(100)의 SOH에 따라 진단 시작 조건 및 진단 구간을 설정하며 열화 배터리 셀의 판단 조건을 설정하는 진단 설정부(400)와, 배터리(100)의 충/방전 종료 후 열화 배터리 셀의 검출 진단 시작 조건 충족 여부를 판단하는 진단 수행 결정부(500)와, 충/방전 종료 구간에서의 측정값과 검출 조건의 설정값을 비교하여 열화 배터리 셀을 판단하는 열화 판단부(600)를 포함할 수 있다. 또한, 열화 배터리 셀의 검출 조건 등의 데이터를 저장하는 저장부(700)를 더 포함할 수 있다. 본 발명은 열화 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈을 열화 배터리 모듈로 판단할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치를 각 구성별로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
1. 배터리
배터리(100)는 충전 및 방전 가능하여 전기전자 장치의 구동에 필요한 에너지를 제공할 수 있다. 즉, 배터리(100)는 충전되어 소정 용량의 전기 에너지를 저장하고 방전되어 전기전자 기기의 동작을 위한 전기 에너지를 제공할 수 있다. 이러한 배터리(100)는 적어도 하나의 배터리 팩(110, 120, 130, 140)을 포함할 수 있으며, 배터리 팩(110, 120, 130, 140)은 각각 충/방전 가능한 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 포함할 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 포함하고, 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 소정 단위로 묶어 배터리 팩(110, 120, 130, 140)을 이룰 수도 있으며, 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140)이 하나의 배터리(100)을 이룰 수 있다. 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)은 전기전자 기기의 스펙(specification)에 부합되도록 다양한 방법으로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 물론, 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140) 또한 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140) 각각은 동일 수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)를 구비할 수 있고, 각각의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)는 동일 용량, 동일 전압 등 동일 성능을 가질 수 있다. 즉, 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140)은 각각 동일 성능을 가질 수 있다. 여기서, 배터리 셀의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등으로 구성할 수 있다. 한편, 본 발명은 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140) 중 적어도 하나가 교체 가능할 수 있다. 즉, 적어도 하나의 배터리 팩(110, 120, 130, 140) 내의 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114) 중 적어도 하나가 본 발명에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치에 의해 열화 배터리 셀로 판단될 수 있고, 열화 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 열화 배터리 팩으로 판단하여 해당 배터리 팩을 다른 배터리 팩으로 교체할 수 있다.
2. 측정부
측정부(200)는 배터리(100)의 상태를 측정하기 위해 마련될 수 있다. 측정부(200)는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도 등의 상태를 측정한다. 이를 위해 측정부(200)는 전압을 측정하는 전압 센서(210), 전류를 측정하는 전류 센서(220), 온도를 측정하는 온도 센서(230)를 포함할 수 있다. 이때, 측정부(200)는 배터리 팩 및 배터리 셀의 전류 및 전압 등의 상태를 측정할 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 측정할 수도 있고, 복수의 배터리 셀이 묶인 배터리 팩의 상태를 측정할 수도 있다. 이를 위해 측정부(200)는 복수의 센서를 포함할 수 있다. 즉, 적어도 하나의 전압 센서(210), 적어도 하나의 전류 센서(220) 및 적어도 하나의 온도 센서(230)를 포함할 수 있다. 전압 센서(210), 전류 센서(220) 및 온도 센서(230)는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도를 주기적으로 측정하고 추정부(300)로 제공한다. 측정 결과는 아날로그 신호 또는 디지털 신호로서 추정부(300)에 제공될 수 있다. 전압 센서(210)는 배터리(100)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압을 측정한다. 전압 센서(210)는 일 예시로서 배터리(100)의 양극 및 음극 단자 사이의 전압 차이에 상응하는 전압 신호를 출력하는 차동 증폭 회로를 포함할 수 있다. 여기서, 전압 센서(210)는 매초마다 전압을 측정하여 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 산출할 수 있다. 물론 전압 센서(210)는 배터리(100)의 전압을 측정하고, 매초마다 측정된 전압으로부터 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 산출하는 전압 산출부(미도시)가 더 구비될 수도 있다. 이때, 전압 산출부는 측정부(200) 내에 구비될 수도 있고, 측정부(200) 이외의 영역에 소정의 모듈 형태로 구현될 수도 있다. 또한, 전류 센서(220)는 센스 저항 또는 홀 센서로서 충전 전류의 크기에 상응하는 신호를 생성한다. 전류 센서(220)는 충전 전류 뿐만 아니라 방전 전류의 크기도 측정할 수 있다. 여기서, 전류 센서(220)는 배터리(100)의 교류 전류를 측정할 수 있다. 그리고, 온도 센서(230)는 온도 측정에 사용되는 일 예로 써머 커플러일 수 있다. 온도 센서(230)는 배터리(100)의 온도에 상응하는 신호를 생성하여 추정부(300)로 제공한다.
측정부는 다수의 셀전압의 최대값, 최소값, 평균값을 측정하고 산출하며, 배터리 팩의 경우, 이로부터 각 모듈전압의 최대값, 최소값, 평균값도 산출할 수 있다. 측정부는 배터리 관리시스템(BMS)일 수 있으며, 각 셀전압 측정 및 모듈전압 산출시 각 셀의 식별번호, 각 모듈의 식별번호와 함께 측정 및 산출될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 측정부는 후술하는 진단시, 충전 및 방전의 여부 및 구간 측정을 위하여 배터리 팩의 전류를 측정할 수 있다.
3. 추정부
추정부(300)는 배터리(100)의 SOH를 추정한다. 이때, 추정부(300)는 측정부(200)에서 측정된 배터리(100)의 전압, 전류, 온도 등의 상태 데이터를 이용하여 배터리(100)의 SOH를 추정한다. SOH는 다양한 방식으로 추정할 수 있는데, 예를 들어 배터리(100)를 완전 충전 상태에서 완전 방전 상태로 완전 방전시키거나, 배터리(100)를 완전 방전 상태에서 완전 충전시키면서 SOC를 산출하고, 산출된 SOC를 배터리(100)의 기준 충전 용량과 비교하여 배터리 팩의 SOH를 산출할 수 있다. 여기서, SOC는 배터리(100)의 OCV(Open Circuit Voltage)를 이용하여 추정할 수 있다. 즉, 측정부(200)에서 측정된 OCV를 저장부(600)에 저장된 초기 OCV 테이블을 참고하여 그에 매칭된 SOC를 추출함으로써 SOC를 추정할 수 있다. 또한, 배터리(100)의 임피던스를 측정하여 SOC를 추정할 수 있다. 그리고, 배터리(100)의 충전 및 방전 후의 측정 데이터를 이용하여 각각 배터리의 SOC를 추정할 수도 있다. SOH를 추정하는 또다른 방식으로 배터리(100)의 현재 온도를 측정하고 배터리(100)의 소정의 전압 구간에서의 충전 시간을 측정한 후 측정된 충전 시간을 기반으로 배터리(100)의 SOH를 추정할 수 있다. 이때, 저장부(700)에 이미 저장되어 있는 온도-충전 시간별 SOH 테이블에서 측정된 온도 및 충전 시간에 매칭되는 SOH를 검출하고 검출된 SOH를 배터리(100)의 현재 SOH로 추정할 수 있다.
4. 진단 설정부
진단 설정부(400)는 배터리(100)의 SOH에 따라 진단 시작 조건 및 열화 배터리 셀의 진단 구간을 설정하며, 배터리(100)의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 판단 조건을 설정한다. 즉, 진단 설정부(400)는 배터리(100)의 SOH에 따라 진단 시작 조건을 설정하는 진단 시작 조건 설정부(410)와, 열화 배터리 셀의 진단 구간을 설정하는 진단 구간 설정부(420)와, 배터리(100)의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 판단 조건을 설정하는 열화 조건 설정부(430)를 포함할 수 있다. 진단 설정부(400)는 불필요한 연산량을 줄이기 위해 충/방전이 소정의 조건을 만족하는 경우에만 열화 배터리 셀의 진단 동작을 수행하도록 한다.
4.1 진단 시작 조건 설정부
진단 시작 조건 설정부(410)는 SOH에 따라 충전 구간의 제 1 시작 조건 및 제 2 시작 조건을 설정한다. 충전 구간의 제 1 시작 조건은 충전 동작 시간(DIAG_START_CHG_DURATION) 이상 충전되는 경우일 수 있고, 충전 구간의 제 2 시작 조건은 충전 DOD(DIAG_ START_CHG_DOD) 이상 충전되는 경우일 수 있다, 여기서, 충전 동작 시간은 충전 시작부터 충전 종료까지의 시간이고, 충전 DOD는 충전 종료 SOC와 충전 시작 SOC의 차(즉, 충전 종료 SOC-충전 시작 SOC)이다. 이때, 저장부(700)에는 진단 시작 조건 설정부(410)에 의해 설정된 SOH의 구간과, 그에 따른 충전 구간의 제 1 및 제 2 시작 조건이 테이블 형태로 저장되어 있다. 또한, 진단 시작 조건 설정부(410)는 SOH에 따라 방전 구간의 제 1 시작 조건 및 제 2 시작 조건을 설정한다. 방전 구간의 제 1 시작 조건은 방전 동작 시간(DIAG_START_DCHG_DURATION) 이상 방전일 수 있고, 방전 구간의 제 2 시작 조건은 방전 DOD(DIAG_START_DCHG_DOD) 이상 방전일 수 있다. 여기서, 방전 동작 시간은 방전 시작부터 방전 종료까지의 시간이고, 방전 DOD는 방전 시작 SOC와 방전 종료 SOC의 차(즉, 방전 시작 SOC-방전 종료 SOC)이다, 이때, 저장부(700)에는 SOH의 구간과, 그에 따른 방전 구간의 제 1 및 제 2 시작 조건이 테이블 형태로 저장되어 있다. [표 1]은 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건 테이블의 예시를 나타내었다. [표 1]을 보면 예를 들어 SOH가 100% 내지 90%인 경우 방전 진단 시작 조건으로서 방전 동작 시간이 3시간이고 방전 DOD가 70이며, 충전 진단 시작 조건으로서 충전 동작 시간이 3시간이고 충전 DOD가 80이다.
방전 진단조건 충전 진단조건
배터리 SOH 방전 동작시간 (Hour)
(방전시작~방전종료)		 방전 DOD
(방전시작SOC-방전종료SOC)		 충전 동작시간(Hour)
(충전시작~충전종료)		 충전 DOD
(충전종료 SOC-충전시작SOC)
100 ~ 90% 3 70 3 80
90 ~ 80% 2 60 2 70
80 ~ 70% 1 50 1 60
70 ~ 60% 1 40 1 50
60 ~ 0% 0.5 30 0.5 30
4.2. 진단 구간 설정부
진단 구간 설정부(420)는 배터리(100)의 전류에 따른 진단 구간을 설정한다. 이때, 진단 구간 설정부(420)는 전류 측정값이 소정의 전류 한계값 이하인 경우 충전 종료 시점(T_chg_end) 및 방전 종료 시점(T_Dchg_end)으로 설정한다. 이때, 충전 시 전류 한계값은 방전 시 전류 한계값보다 클 수 있다. 또한, 진단 구간 설정부(420)는 충전 및 방전 종료 시점(T_chg_end 및 T_Dchg_end)으로부터 소정의 설정값(사용자 설정값) 동안의 시간을 충전 및 방전 검출 구간 기준값(DIAG_CHG_TIME, DIAG_DCHG_TIME)으로 설정할 수 있다. 즉, 충전 종료 시점으로부터 충전 종료 후 충전 검출시간 기준값 시점까지를 충전 검출구간 기준값(DIAG_CHG_TIME)으로 설정할 수 있고, 방전 종료 시점으로부터 방전 종료 후 방전 검출시간 기준값 시점까지를 방전 검출구간 기준값(DIAG_DCHG_TIME)으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 충전 종료 시점으로부터 5분 동안의 편차를 계산하여 충전 검출구간 기준값(DIAG_CHG_TIME)으로 설정할 수 있고, 방전 종료 시점으로부터 10분 동안의 편차를 계산하여 방전 검출구간 기준값 (DIAG_DCHG_TIME)으로 설정할 수 있다.
4.3. 열화 조건 설정부
열화 조건 설정부(430)는 진단 구간 동안의 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 이용하여 열화 배터리 셀의 열화 판단 조건을 설정할 수 있다. 열화 판단 조건은 배터리의 SOH에 따라서 다르게 설정될 수 있다. 이를 위해 열화 조건 설정부(430)는 충전 검출 구간 기준값(DIAG_CHG_TIME) 및 방전 검출 구간 기준값(DIAG_DCHG_TIME)에서 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN) 및 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)을 설정한다. 여기서, 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN)은 모듈 내 평균 전압(VAvg)과 모듈 내 최소 전압(VMin)의 차(즉, VAvg-VMin)이고, 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)는 모듈 내 최대 전압(VMax)과 모듈 내 평균 전압(VAvg)의 차(즉, VMax-VAvg)이다, [표 2]는 배터리 수명에 의한 열화 조건 테이블의 예시를 표시하였다. [표 2]를 보면 예를 들어 배터리의 SOH가 100% 내지 90%인 경우 방전 종료 시점의 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN)이 0.05V이고 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)이 0.03V이다. 또한, 배터리의 SOH가 100% 내지 90%인 경우 충전 종료 시점의 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN)이 0.02V이고 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)이 0.05V이다. 한편, 열화 판단 기준 테이블은 제품 생산 시 설정된 이후 배터리 사용자 데이터를 취득하고 동일 또는 유사 제품군, 어플리케이션(application), 사용 패턴을 고려하여 업데이트될 수 있다. 이와 같이 배터리 설계 시 고려된 열화 배터리 셀 판단 기준이 고객의 사용 데이터를 분석하여 최적의 조건을 생성할 수 있다. 분석 방법은 머신러닝, 딥러닝 같은 인공지능 또는 통계적 기법 등을 활용할 수 있다.
방전 종료 시점 충전 종료 시점
배터리 SOH 제1 진단 기준값
DIAG_AVG_MIN		 제2 진단 기준값
DIAG_MAX_AVG		 제1 진단 기준값
DIAG_AVG_MIN		 제2 진단 기준값
DIAG_MAX_AVG
100 ~ 90% 0.05V 0.03V 0.02V 0.05V
90 ~ 80% 0.1V 0.05V 0.05V 0.1V
80 ~ 70% 0.2V 0.1V 0.1V 0.2V
70 ~ 60% 0.5V 0.2V 0.2V 0.5V
60 ~ 50% 0.6V 0.3V 0.3V 0.6V
50 ~ 40% 0.6V 0.3V 0.3V 0.6V
40 ~ 30% 0.6V 0.3V 0.3V 0.6V
30 ~ 20% 0.6V 0/3V 0.3V 0.6V
20 ~ 0% 0.6V 0.3V 0.3V 0.6V
5. 진단 수행 결정부
진단 수행 결정부(500)는 배터리의 충/방전 종료 후 열화 배터리 셀의 검출 진단 시작 조건 충족 여부를 판단한다. 이때, 진단 수행 결정부(500)는 진단 시작 조건 설정부(410)에 의해 설정된 진단 시작 조건에 따라 충/방전 종료 후 열화 배터리 셀의 검출을 위한 진단 시작 조건 충족 여부를 판단한다. 앞서 설명한 바와 같이 진단 시작 조건 설정부(410)는 SOH에 따라 충전 및 방전 구간의 제 1 시작 조건 및 제 2 시작 조건을 설정한다.
진단 수행 결정부(500)는 추정부(300)로부터 SOH를 획득하고, 상기 설정된 제1 및 제2 시작 조건의 충족 여부를 판단하여 진단 수행 여부를 결정한다. 즉, 진단 수행 결정부(500)는 충전 구간에서 충간 동작 시간(DIAG_START_CHG_DURATION) 이상 충전되거나, 충전 DOD(DIAG_START_CHG_DOD) 이상 충전된 경우 진단 수행으로 결정한다. 또한, 진단 수행 결정부(500)는 방전 구간에서 방전 동작 시간(DIAG_START_DCHG_DURATION) 이상 방전되거나, 방전 DOD(DIAG_START_DCHG_DOD) 이상 방전된 경우 진단 수행으로 결정한다.
6. 열화 판단부
열화 판단부(600)는 진단 수행이 결정된 후 충/방전 종료 후 진단 구간에서의 측정값과 설정값을 비교하여 열화 배터리 셀을 판단한다. 열화 판단부(600)는 측정부(200)의 전압 측정부(210)로부터 매초 단위로 측정된 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 이용하여 열화 배터리 셀을 판단할 수 있다. 배터리 셀 사이에 단순히 전압 차이가 발생한다고 하여 배터리 셀이 열화되었다고 판단하기 어렵기 때문에 본 발명은 배터리의 수명을 고려하여 진단값을 설정한다. 즉, 본 발명은 기간에 상관없이 충전, 방전, 정지(대기) 구간 별로 매초마다 배터리(100) 내 전체 배터리 셀의 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 측정 및 산출하고, 열화 판단 설정값(열화 판단조건)과 비교하여 열화 배터리 셀을 판단한다. 먼저, 열화 판단부(600)는 설정된 진단구간에서의 전압편차를 산출하고, 이를 열화조건 설정부에서 설정한 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN) 및 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)과 비교하여, 전압편차가 그보다 클 경우 열화 배터리 셀로 판단한다.
이때, 전압편차는 배터리 팩을 구성하는 모듈들 사이의 셀 전압의 편차를 적용하거나, 각 모듈내의 셀 간 전압의 편차를 적용할 수 있으며, 충/방전/정지(대기) 구간의 검출은, 다수의 셀로 구성된 다수의 모듈이 각각의 배터리 랙을 형성하는 ESS 시스템의 경우, 랙 당 측정 전류값을 활용한다.
여기서, 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN)은 모듈 내 평균 전압(VAvg)과 모듈 내 최소 전압(VMin)의 차(즉, VAvg-VMin)이고, 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)는 모듈 내 최대 전압(VMax)과 모듈 내 평균 전압(VAvg)의 차(즉, VMax-VAvg)이다, 또한, 열화 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈이나 팩을 열화 배터리 모듈 또는 팩으로 판정할 수 있다.
7. 저장부
저장부(700)는 배터리(100)의 관리를 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(700)는 배터리(100)의 종류, 충/방전을 위한 전압, 전류 및 그에 따른 SOC, SOH, SOP 등의 데이터가 저장될 수 있다. 따라서, 저장부(700)의 이러한 데이터를 이용하여 배터리(100)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 또한, 저장부(600)는 본 발명에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치의 동작을 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 즉, 저장부(700)는 진단 시작 조건 설정부(410)에 의해 설정된 진단 시작 조건과, 진단 구간 설정부(420)에 의해 설정된 열화 배터리 셀의 진단 구간과, 열화 조건 설정부(430)에 의해 설정된 열화 배터리 셀의 판단 조건 등의 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(700)는 [표 1] 및 [표 2]에 나타낸 바와 같이 SOH 구간별 열화 배터리 셀 진단 시작 조건과 열화 배터리 셀 판단 조건을 테이블 형태로 저장할 수 있다. 이러한 저장부(700)는 플래시 메모리, EEPROM(Electrically erasable programmable read-only memory), SRAM(Static RAM), FRAM (Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리가 이용될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 장치는 충전 및 방전 종료 시점에서의 데이터를 이용하여 열화 배터리 셀을 검출한다. 이때, 본 발명은 충전 및 방전 종료 시점에서의 전압 편차가 커지는 현상에 착안하여 열화 배터리 셀 검출을 검출한다. 이에 대하여, 도 4 내지 도 5를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 3은 배터리의 충/방전 패턴을 도시한 그래프로서, 세로축은 전압을 나타내고 가로축은 시간을 나타낸다. 이때, 시간을 나타내는 가로축은 일시를 나타내는데, 도 3은 5월 13일 10시부터 22까지의 전압 변화를 나타낸다. 또한, 그래프는 제 1 배터리 모듈의 제 1 배터리 셀(M1C1)과, 제 14 배터리 모듈의 제 14 배터리 셀(M14C14)의 일시에 따른 전압 변화를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이 충전 및 방전의 끝부분, 즉 종료 시점에서 배터리 모듈 및 셀에 따라 전압 편차가 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4는 배터리의 충/방전 패턴에 따른 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 나타낸 그래프로서, 도 3과 마찬가지로 세로축은 전압, 가로축은 일시를 나타낸다. 도 4를 보면 도 3과 마찬가지로 충전 및 방전의 종료 시점에서 전압 편차가 커지므로, 그에 따라 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg) 또한 편차가 커지게 된다. 도 5는 배터리의 충/방전 패턴에 따른 전압의 최대값과 평균값의 차(VMax-VAvg) 및 전압의 평균값과 최소값의 차(VAvg-VMin)을 나타낸 그래프로서, 도 3 및 도 4와 마찬가지로 세로축은 전압, 가로축은 일시를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이 충전 및 방전의 종료 시점에서 전압 편차가 커지므로 전압의 최대값, 평균값 및 최소값의 차 또한 커지게 된다. 따라서, 본 발명은 충전 및 방전 종료 시점에서의 전압 편차가 커지는 현상에 착안하여 열화 배터리 셀 검출을 검출한다. 즉, 본 발명은 충/방전 종료 구간을 검출하고 충/방전 종료 구간에서의 측정값과 설정값을 비교하여 열화 배터리 셀을 판단한다. 이는 일/월/년 기간 단위로 모든 측정값에 대하여 통계를 내고 비교하는 선행 문헌이 산출 기간 동안의 전압 변화를 충분히 반영하지 못하는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 본 발명은 모듈 내 셀 간 전압편차를 비교하여 배터리 팩 내 모듈 또는 배터리 셀간의 전압 불균형을 진단할 수 있고, 전압의 최대값과 평균값의 차(VMax-VAvg) 및 전압의 평균값과 최소값의 차(VAvg-VMin)를 비교하여 모듈 내 셀의 상대적인 열화도를 진단할 수 있다. 그리고, 배터리가 특정 사용조건을 만족하는 경우에만 진단하도록 하여 열화 셀 검출을 위한 연산을 최소화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 또한, 도 7은 열화 배터리 셀 검출 방법을 부연 설명하기 위한 배터리의 충/방전에 따른 시간별 전류를 도시한 그래프이다. 즉, 도 7은 시간에 따른 배터리의 전류 및 SOC를 나타낸 그래프로서, 배터리의 충/방전에 따른 배터리의 전류 및 SOC를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 방법은 배터리(100)의 전압, 전류, 온도 등의 상태를 측정하는 과정(S110)과, 배터리(100)의 상태 측정값을 이용하여 배터리의 SOH를 추정하는 과정(S120)과, 배터리(100)의 SOH에 따라 진단 시작 조건을 설정하는 과정(S130)과, 열화 배터리 셀의 진단 구간을 설정하는 과정(S140)과, 배터리(100)의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 판단 조건을 설정하는 과정(S150)과, 열화 배터리 셀의 검출 진단 수행 조건을 판단하는 과정(S160)과, 설정된 진단 구간 동안 전압 편차를 계산하는 과정(S170)과, 충/방전 종료 구간에서의 측정값과 설정값을 비교하여 열화 배터리 셀을 판단하는 과정(S180)을 포함할 수 있다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이 전류가 흐르지 않을 때, 즉 충/방전이 진행되지 않는 상태에서, 배터리(100)의 SOH에 따라 진단 시작 조건을 설정하고(예: 도 7 그래프의 X축, 0시 내지 09시 사이), 방전 및 충전 종료 후 소정 시간 동안이 방전 및 충전 진단 구간이다(11시 30분 내지 12시 30분, 18시 내지 20시). 또한, 방전 및 충전 종료 후 진단 수행 여부를 결정하며(11시 30분, 18시), 방전 진단 구간의 종료 시점 및 충전 진단 구간의 종료 시점에 셀 전압 편차를 계산한다(12시 30분, 20시). 또한, 열화 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 열화 배터리 팩으로 판단할 수 있고, 열화 배터리 팩을 정상 배터리 팩으로 교체할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화 배터리 셀 검출 방법, 즉 열화 배터리 셀 검출 장치의 구동 방법을 각 과정 별로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
S110 : 측정부(200)를 이용하여 배터리(100)의 상태를 측정한다. 측정부(200)는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도 등의 상태를 측정한다. 이를 위해 측정부(200)는 전압을 측정하는 전압 센서(210), 전류를 측정하는 전류 센서(220), 온도를 측정하는 온도 센서(230)를 포함할 수 있다. 이때, 측정부(200)는 배터리 팩 및 배터리 셀의 전류 및 전압 등의 상태를 측정할 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 측정할 수도 있고, 복수의 배터리 셀이 묶인 배터리 팩의 상태를 측정할 수도 있다. 전압 센서(210), 전류 센서(220) 및 온도 센서(230)는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도를 주기적으로 측정하고 추정부(300)로 제공한다. 전압 센서(210)는 배터리(100)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압을 측정한다. 전압 센서(210)는 일 예시로서 배터리(100)의 양극 및 음극 단자 사이의 전압 차이에 상응하는 전압 신호를 출력하는 차동 증폭 회로를 포함할 수 있다. 또한, 전류 센서(220)는 센스 저항 또는 홀 센서로서 충전 전류의 크기에 상응하는 신호를 생성한다. 전류 센서(220)는 충전 전류 뿐만 아니라 방전 전류의 크기도 측정할 수 있다. 그리고, 온도 센서(230)는 온도 측정에 사용되는 일 예로 써머 커플러일 수 있다. 온도 센서(230)는 배터리(100)의 온도에 상응하는 신호를 생성하여 추정부(300)로 제공한다.
S120 : 추정부(300)를 이용하여 배터리(100)의 SOH를 추정한다. 이때, 추정부(300)는 측정부(200)에서 측정된 배터리(100)의 전압, 전류, 온도 등의 상태 데이터를 이용하여 배터리(100)의 SOH를 추정한다. SOH는 다양한 방식으로 추정할 수 있는데, 예를 들어 배터리(100)를 완전 충전 상태에서 완전 방전 상태로 완전 방전시키거나, 배터리(100)를 완전 방전 상태에서 완전 충전시키면서 SOC를 산출하고, 산출된 SOC를 배터리(100)의 기준 충전 용량과 비교하여 배터리 팩의 SOH를 산출할 수 있다. 여기서, SOC는 배터리(100)의 OCV(Open Circuit Voltage)를 이용하여 추정할 수 있다. 즉, 측정부(200)에서 측정된 OCV를 저장부(700)에 저장된 초기 OCV 테이블을 참고하여 그에 매칭된 SOC를 추출함으로써 SOC를 추정할 수 있다. 또한, 배터리(100)의 임피던스를 측정하여 SOC를 추정할 수 있다. 그리고, 배터리(100)의 충전 및 방전 후의 측정 데이터를 이용하여 각각 배터리의 SOC를 추정할 수도 있다. SOH를 추정하는 또다른 방식으로 배터리(100)의 현재 온도를 측정하고 배터리(100)의 소정의 전압 구간에서의 충전 시간을 측정한 후 측정된 충전 시간을 기반으로 배터리(100)의 SOH를 추정할 수 있다. 이때, 저장부(700)에 이미 저장되어 있는 온도-충전 시간별 SOH 테이블에서 측정된 온도 및 충전 시간에 매칭되는 SOH를 검출하고 검출된 SOH를 배터리(100)의 현재 SOH로 추정할 수 있다.
S130 : 진단 시작 조건 설정부(410)를 이용하여 배터리(100)의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건을 설정한다. 즉, 진단 시작 조건 설정부(410)는 추정부(300)로부터 추정된 충전 및 방전 시의 배터리(100)의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건을 설정한다. 진단 시작 조건 설정부(410)는 SOH에 따라 충전 구간의 제 1 시작 조건 및 제 2 시작 조건을 설정한다. 충전 구간의 제 1 시작 조건은 충전 동작 시간(DIAG_START_CHG_DURATION) 이상 방전되는 경우일 수 있고, 충전 구간의 제 2 시작 조건은 충전 DOD(DIAG_ START_CHG_DOD) 이상 충전되는 경우일 수 있다, 여기서, 충전 동작 시간은 충전 시작부터 충전 종료까지의 시간이고, 충전 DOD는 충전 종료 SOC와 충전 시작 SOC의 차(즉, 충전 종료 SOC-충전 시작 SOC)이다. 이때, 저장부(700)에는 진단 시작 조건 설정부(410)에 의해 설정된 SOH의 구간과, 그에 따른 충전 구간의 제 1 및 제 2 시작 조건이 테이블 형태로 저장되어 있다. 또한, 진단 시작 조건 설정부(410)는 SOH에 따라 방전 구간의 제 1 시작 조건 및 제 2 시작 조건을 설정한다. 방전 구간의 제 1 시작 조건은 방전 동작 시간(DIAG_START_DCHG_DURATION) 이상 방전일 수 있고, 방전 구간의 제 2 시작 조건은 방전 DOD(DIAG_START_DCHG_DOD) 이상 방전일 수 있다. 여기서, 방전 동작 시간은 방전 시작부터 방전 종료까지의 시간이고, 방전 DOD는 방전 시작 SOC와 방전 종료 SOC의 차(즉, 방전 시작 SOC-방전 종료 SOC)이다, 이때, 저장부(700)에는 SOH의 구간과, 그에 따른 방전 구간의 제 1 및 제 2 시작 조건이 테이블 형태로 저장되어 있다.
S140 : 열화 배터리 셀의 진단 구간을 설정한다. 진단 구간 설정부(420)는 배터리(100)의 전류에 따른 진단 구간을 설정한다. 이때, 진단 구간 설정부(420)는 전류 측정부(220)로부터 측정된 전류 측정값이 소정의 전류 한계값 이하인 경우 충전 종료 시점(T_chg_end) 및 방전 종료 시점(T_Dchg_end)으로 설정한다. 또한, 진단 구간 설정부(420)는 충전 및 방전 종료 시점(T_chg_end 및 T_Dchg_end)으로부터 소정의 설정값(사용자 설정값) 시간을 충전 및 방전 검출 구간 기준값(DIAG_CHG_TIME, DIAG_DCHG_TIME)으로 설정할 수 있다. 즉, 충전 종료 시점으로부터 충전 종료 후 충전 검출시간 기준값 시점까지를 충전 검출구간 기준값(DIAG_CHG_TIME)으로 설정할 수 있고, 방전 종료 시점으로부터 방전 종료 후 방전 검출시간 기준값 시점까지를 방전 검출구간 기준값(DIAG_DCHG_TIME)으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 충전 종료 시점으로부터 5분 동안의 편차를 계산하여 충전 검출구간 기준값 (DIAG_CHG_TIME)으로 설정할 수 있고, 방전 종료 시점으로부터 10분 동안의 편차를 계산하여 방전 검출구간 기준값 (DIAG_DCHG_TIME)으로 설정할 수 있다.
S150 : 배터리(100)의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 판단 조건을 설정한다. 즉, 열화 조건 설정부(430)는 진단 구간 동안 계산된 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 이용하여 열화 배터리 셀의 열화 판단 조건을 설정할 수 있다. 이를 위해 열화 조건 설정부(430)는 충전 검출 구간 기준값(DIAG_CHG_TIME) 및 방전 검출 구간 기준값(DIAG_DCHG_TIME)에서 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN) 및 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)을 설정한다. 여기서, 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN)은 모듈 내 평균 전압(VAvg)과 모듈 내 최소 전압(VMin)의 차(즉, VAvg-VMin)이고, 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)는 모듈 내 최대 전압(VMax)과 모듈 내 평균 전압(VAvg)의 차(즉, VMax-VAvg)이다.
S160 : 열화 배터리 셀의 검출 진단 시작 조건 충족 여부를 판단한다. 즉, 진단 수행 결정부(500)는 배터리의 충/방전 종료 후 열화 배터리 셀의 검출 진단 시작 조건을 판단한다. 이때, 진단 수행 결정부(500)는 진단 시작 조건 설정부(410)에 의해 설정된 진단 시작 조건에 따라 충/방전 종료 후 열화 배터리 셀의 검출을 위한 진단 시작 조건을 판단한다. 앞서 설명한 바와 같이 진단 시작 조건 설정부(410)는 SOH에 따라 충전 및 방전 구간의 제 1 시작 조건 및 제 2 시작 조건을 설정한다. 진단 수행 결정부(500)는 추정부(300)로부터 SOH를 획득하고, 저장부(700)를 탐색하여 방전 구간의 제 1 및 제 2 시작 조건의 충족 여부를 판단하고, 진단 수행여부를 결정한다. 즉, 진단 수행 결정부(500)는 충전 구간에서 충간 동작 시간(DIAG_START_CHG_DURATION) 이상 충전되거나, 충전 DOD(DIAG_START_CHG_DOD) 이상 충전된 경우 진단 수행으로 결정한다. 또한, 진단 수행 결정부(500)는 방전 구간에서 방전 동작 시간(DIAG_START_DCHG_DURATION) 이상 방전되거나, 방전 DOD(DIAG_START_DCHG_DOD) 이상 방전된 경우 진단 수행으로 결정한다. 한편, 충전 및 방전 구간에서 상기 범위 이하인 경우 배터리 상태 측정 과정(S110)으로부터 상기 과정들을 반복한다.
S170 : 진단 수행 결정부(500)로부터 진단 수행으로 결정된 경우 설정된 진단 구간 동안 전압 편차를 계산한다. 열화 판단부(600)는 측정부(200)의 전압 측정부(210)로부터 매초 단위로 측정된 전압으로부터 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 계산할 수 있다. 배터리 셀 사이에 단순히 전압 차이가 발생한다고 하여 배터리 셀이 열화되었다고 판단하기 어렵기 때문에 본 발명은 배터리의 수명을 고려하여 진단값을 설정한다. 즉, 본 발명은 기간에 상관없이 충전, 방전, 정지(대기) 구간 별로 매초마다 배터리(100) 내 전체 배터리 셀의 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 산출한다.
S180 : 상기 진단구간에서의 전압편차를 산출하고 이를 열화판단 조건과 비교하여 열화 배터리 셀을 판단한다. 열화 판단부(600)는 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 설정값과 비교하여 열화 배터리 셀을 판단할 수 있다. 먼저, 충전 검출 구간 기준값(DIAG_CHG_TIME) 및 방전 검출 구간 기준값(DIAG_DCHG_TIME)에서 전압 편차가 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN) 및 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)보다 클 경우 열화 배터리 셀로 판단한다. 여기서, 제 1 진단 기준값(DIAG_AVG_MIN)은 모듈 내 평균 전압(VAvg)과 모듈 내 최소 전압(VMin)의 차(즉, VAvg-VMin)이고, 제 2 진단 기준값(DIAG_MAX_AVG)는 모듈 내 최대 전압(VMax)과 모듈 내 평균 전압(VAvg)의 차(즉, VMax-VAvg)이다,
한편, 소정의 배터리 셀이 열화 배터리 셀로 판단되면, 열화 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 열화 배터리 팩으로 판단할 수 있다. 그리고, 열화 배터리 팩을 정상 배터리 팩으로 교체할 수도 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 배터리 200 : 측정부
300 : 추정부 400 : 진단 설정부
500 : 진단 수행 설정부 600 : 열화 판단부
700 : 저장부

Claims (18)

  1. 배터리의 상태를 측정하기 위한 측정부;
    상기 배터리의 SOH를 추정하는 추정부;
    상기 배터리의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건, 진단 구간 및 열화 판단 조건을 설정하는 진단 설정부;
    상기 배터리의 충전 또는 방전 종료 후 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건의 충족 여부를 판단하여 진단 수행 여부를 결정하는 진단 수행 결정부; 및
    상기 충전 또는 방전 종료 후, 상기 진단 구간에서의 전압 편차를 산출하고, 이를 열화 판단 조건 비교하여 열화 배터리 셀을 판단하는 열화 판단부를 포함하는 열화 배터리 셀 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건, 진단 구간 및 열화 판단 조건을 포함한 데이터를 저장하는 저장부를 더 포함하는 열화 배터리 셀 검출 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 진단 설정부는,
    배터리의 SOH에 따른 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건을 설정하는 진단 시작 조건 설정부와,
    열화 배터리 셀의 진단 구간을 설정하는 진단 구간 설정부와,
    배터리의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 판단 조건을 설정하는 열화 조건 설정부를 포함하는 열화 배터리 셀 검출 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 진단 시작 조건 설정부는 배터리의 SOH에 따라 충전 및 방전 구간의 제 1 및 제 2 시작 조건을 설정하며,
    상기 충전 구간의 제 1 시작 조건은 충전 동작 시간 이상 충전이고, 제 2 시작 조건은 충전 DOD 이상 충전이며,
    상기 방전 구간의 제 1 시작 조건은 방전 동작 시간 이상 방전이고, 제 2 시작 조건은 방전 DOD 이상 방전인 것;
    을 특징으로 하는 열화 배터리 셀 검출 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 진단 구간 설정부는 전류 측정값이 소정의 전류 한계값 이하인 경우 충전 종료 시점으로부터 충전 종료 후 충전 검출 시간 기준값 시점을 충전 검출 기준값으로 설정하고. 방전 종료 시점으로부터 방전 종료 후 방전 검출 시간 기준값 시점을 방전 검출 기준값으로 설정하는 열화 배터리 셀 검출 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 열화 조건 설정부는 진단 구간 동안 계산된 전압의 최대값(VMax), 전압의 최소값(VMin) 및 전압의 평균값(VAvg)을 이용하여 열화 배터리 셀의 판단 조건을 설정하는 열화 배터리 셀 검출 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 열화 조건 설정부는 충전 검출 구간 기준값 및 방전 검출 구간 기준값에서 제 1 및 제 2 진단 기준값을 설정하며, 제 1 진단 기준값은 모듈 내 평균 전압(VAvg)과 모듈 내 최소 전압(VMin)의 차(VAvg-VMin)이고, 제 2 진단 기준값은 모듈 내 최대 전압(VMax)과 모듈 내 평균 전압(VAvg)의 차(VMax-VAvg)인 열화 배터리 셀 검출 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 진단 수행 결정부는 충전 구간에서 충전 동작 시간 이상 충전되거나 충전 DOD 이상 충전된 경우 진단 수행으로 결정하고, 방전 구간에서 방전 동작 시간 이상 방전되거나 방전 DOD 이상 방전된 경우 진단 수행으로 결정하는열화 배터리 셀 검출 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 열화 판단부는 충전 검출 기준값에서 전압 편차가 모듈내 전압의 평균값(VAvg)과 모듈내 전압의 최소값(VMin)의 차보다 크거나, 모듈내 전압의 최대값(VMax)과 모듈내 전압의 평균값(VAvg)의 차보다 큰 경우 해당 배터리 셀을 열화 배터리 셀로 판단하는 열화 배터리 셀 검출 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 열화 판단부는 방전 검출 기준값에서 전압 편차가 모듈내 전압의 평균값(VAvg)과 모듈내 전압의 최소값(VMin)의 차보다 크거나, 모듈내 전압의 최대값(VMax)과 모듈내 전압의 평균값(VAvg)의 차보다 큰 경우 열화 배터리 셀로 판단하는 열화 배터리 셀 검출 장치.
  11. 배터리의 상태를 측정하는 과정;
    상기 배터리의 SOH를 추정하는 과정;
    상기 배터리의 SOH에 따라 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건, 진단 구간 및 열화 판단 조건을 설정하는 과정;
    열화 배터리 셀의 검출 진단 수행 조건을 판단하는 과정; 및
    상기 진단 구간에서의 전압 편차를 산출하고, 이를 열화판단 조건과 비교하여 열화 배터리 셀을 판단하는 과정을 포함하는 열화 배터리 셀 검출 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 열화 배터리 셀의 진단 시작 조건, 진단 구간 및 판단 조건을 포함한 데이터를 저장하는 과정을 더 포함하는 열화 배터리 셀 검출 방법.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 배터리의 진단 시작 조건을 설정하는 과정은,
    배터리의 SOH에 따라 충전 및 방전 구간의 제 1 및 제 2 시작 조건을 설정하며,
    상기 충전 구간의 제 1 시작 조건은 충전 동작 시간 이상 충전이고, 제 2 시작 조건은 충전 DOD 이상 충전이며,
    상기 방전 구간의 제 1 시작 조건은 방전 동작 시간 이상 방전이고, 제 2 시작 조건은 방전 DOD 이상 방전인 열화 배터리 셀 검출 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 진단 구간을 설정하는 과정은,
    전류 측정값이 소정의 전류 한계값 이하인 경우 충전 종료 시점으로부터 충전 종료 후 충전 검출 시간 기준값 시점을 충전 검출 기준값으로 설정하고. 방전 종료 시점으로부터 방전 종료 후 방전 검출 시간 기준값 시점을 방전 검출 기준값으로 설정하는 열화 배터리 셀 검출 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 열화 판단조건을 설정하는 과정은,
    충전 검출 구간 기준값 및 방전 검출 구간 기준값에서 제 1 및 제 2 진단 기준값을 설정하며, 상기 제 1 진단 기준값은 모듈 내 평균 전압(VAvg)과 모듈 내 최소 전압(VMin)의 차(VAvg-VMin)이고, 상기 제 2 진단 기준값은 모듈 내 최대 전압(VMax)과 모듈 내 평균 전압(VAvg)의 차(VMax-VAvg)인 열화 배터리 셀 검출 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 진단 수행 조건을 판단하는 과정은,
    충전 구간에서 충간 동작 시간 이상 충전되거나 충전 DOD 이상 충전된 경우 진단 수행으로 결정하고, 방전 구간에서 방전 동작 시간 이상 방전되거나 방전 DOD 이상 방전된 경우 진단 수행으로 결정하는 열화 배터리 셀 검출 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 열화 배터리 셀을 판단하는 과정은,
    충전 검출 기준값에서 전압 편차가 모듈내 전압의 평균값(VAvg)과 모듈내 전압의 최소값(VMin)의 차보다 크거나, 모듈내 전압의 최대값(VMax)과 모듈내 전압의 평균값(VAvg)의 차보다 큰 경우 해당 배터리 셀을 열화 배터리 셀로 판단하는 열화 배터리 셀 검출 방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 열화 배터리 셀을 판단하는 과정은,
    방전 검출 기준값에서 전압 편차가 모듈내 전압의 평균값(VAvg)과 모듈내 전압의 최소값(VMin)의 차보다 크거나, 모듈내 전압의 최대값(VMax)과 모듈내 전압의 평균값(VAvg)의 차보다 큰 경우 열화 배터리 셀로 판단하는 열화 배터리 셀 검출 방법.
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