KR20190080280A - 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치 및 그 방법 - Google Patents

지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치 및 그 방법

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KR20190080280A
KR20190080280A KR1020170182648A KR20170182648A KR20190080280A KR 20190080280 A KR20190080280 A KR 20190080280A KR 1020170182648 A KR1020170182648 A KR 1020170182648A KR 20170182648 A KR20170182648 A KR 20170182648A KR 20190080280 A KR20190080280 A KR 20190080280A
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Abstract

본 발명은 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치는, 리튬이차전지의 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압을 동시에 측정하여 서로 비교하기 위한 셀 전압 측정부; 상기 비교 결과에 따라, 가장 낮은 전압을 기반으로 하여 단위 셀들 각각에 대한 셀 밸런싱 기능을 수행하기 위한 셀 밸런싱부; 및 상기 셀 전압 측정부에 의해 측정된 셀 전압 또는 상기 셀 밸런싱부에 의해 셀 밸런싱 기능을 진행한 후에 측정된 셀 전압에 대해 실제 운전전압 구간을 기반으로 백분율로 환산하여 SOC(State Of Charge)를 산정하기 위한 SOC 산정부;를 포함한다.

Description

지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치 및 그 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETECTING STATUS OF LITHIUM SECONDARY BATTERY FOR GA}
본 발명은 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 지능화개폐기용 리튬이차전지에 포함된 다수의 단위 셀들에 대한 셀 전압 측정, 셀 밸런싱, SOC(State Of Charge) 산정, SOH(State Of Health) 산정을 수행함으로써 다수의 단위 셀들에 대한 상태를 분석하고 수치화하는 상태 진단을 수행하기 위한, 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
22.9㎸ 배전선로에는 정전시간 단축 및 고장구간 축소를 위한 지능화개폐기(GA)가 설치되어 있다. 이러한 지능화개폐기는 평상시 외부전원에 의한 투입 및 개방이 이루어지고, 정전시 자체 배터리에 의한 투입 및 개방이 이루워진다.
그리고, 지능화개폐기용 배터리는 현재 주로 납축전지가 설치되어 있으나, 점차 리튬이차전지로 전환되고 있다.
그런데, 납축전지와 리튬이차전지는 이상 상태를 확인하는 방식이 차이가 있다.
먼저, 납축전지는 부하전압이 22V 미만인 경우이거나, 부하시 출력전압과 무부하시 출력전압의 차이가 3V 이상인 경우인지를 테스터기를 이용하여 양쪽 전극의 전압만 측정하는 방식으로 이상 상태를 판정한다. 또한, 납축전지는 최초 설치시 만충전값 대비 현재 측정한 컨덕턴스와 임피던스의 비율이 어느 정도인지를 판정하는 방식으로 용량 상태를 측정한다. 이처럼 납축전지는 단순히 전압 측정과 용량 측정(컨덕턴스와 임피던스 측정)을 통해 상태를 손쉽게 확인할 수 있다.
하지만, 리튬이차전지는 다수 개의 셀이 직렬로 연결되어 있기 때문에, 납축전지에 적용되는 테스터기의 경우 각각의 셀 전압 마다 측정해야 하는 불편함이 있다. 또한, 리튬이차전지는 컨덕턴스와 임피던스 측정을 통해 용량 측정을 하려는 경우, 내부저항이 아주 작아 용량 측정에 있어서 오차가 많이 발생할 수 있기 때문에 신뢰성이 떨어진다. 이와 같이, 리튬이차전지는 단위 셀들에 대한 상태를 분석하여 수치화시킬 수 있는 보조지표가 없고 이를 측정할 수 있는 계측기기가 마련되어 있지 않은 상태이다.
따라서, 리튬이차전지는 단위 셀들에 대한 상태를 진단하여 전압 및 용량 측정을 용이하게 할 수 있는 계측기기가 필요가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1725514호 (2017.04.05 등록)
본 발명의 목적은 지능화개폐기용 리튬이차전지에 포함된 다수의 단위 셀들에 대한 셀 전압 측정, 셀 밸런싱, SOC(State Of Charge) 산정, SOH(State Of Health) 산정을 수행함으로써 다수의 단위 셀들에 대한 상태를 분석하고 수치화하는 상태 진단을 수행하기 위한, 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치는, 리튬이차전지의 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압을 동시에 측정하여 서로 비교하기 위한 셀 전압 측정부; 상기 비교 결과에 따라, 가장 낮은 전압을 기반으로 하여 단위 셀들 각각에 대한 셀 밸런싱 기능을 수행하기 위한 셀 밸런싱부; 및 상기 셀 전압 측정부에 의해 측정된 셀 전압 또는 상기 셀 밸런싱부에 의해 셀 밸런싱 기능을 진행한 후에 측정된 셀 전압에 대해 실제 운전전압 구간을 기반으로 백분율로 환산하여 SOC(State Of Charge)를 산정하기 위한 SOC 산정부;를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 리튬이차전지의 단위 셀들 각각에 대한 임피던스(impedance)를 측정하기 위한 임피던스 측정부; 및 상기 측정된 임피던스를 이용하여 단위 셀들 각각의 SOH(State Of Health)를 평가하기 위한 SOH 산정부;를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 전압 측정부는, 상기 측정된 셀 전압의 비교 과정으로서, 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압이 배터리 정상전압 범위 이내에 포함되는지를 확인한 다음, 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준 이내인지를 확인하는 것일 수 있다.
상기 셀 전압 측정부는, 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준을 초과하면, 상기 셀 밸런싱부로 셀 밸런싱 과정을 요청하는 것일 수 있다.
상기 셀 밸런싱부는, 가장 낮은 전압 보다 높은 전압의 단위 셀들에 대한 강제 방전을 실시하여 셀 밸런싱 과정을 수행하는 것일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 SOC 산정부로부터 전달된 SOC와 상기 SOH 산정부로부터 전달된 SOH를 기반으로 상기 리튬이차전지의 상태를 진단하여 외부에 표시하기 위한 상태 표시부;를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 방법은, 리튬이차전지의 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압을 동시에 측정하여 서로 비교하는 단계; 상기 비교 결과에 따라, 가장 낮은 전압을 기반으로 하여 단위 셀들 각각에 대한 셀 밸런싱 기능을 수행하는 단계; 상기 셀 전압 측정부에 의해 측정된 셀 전압 또는 상기 셀 밸런싱부에 의해 셀 밸런싱 기능을 진행한 후에 측정된 셀 전압에 대해 실제 운전전압 구간을 기반으로 백분율로 환산하여 SOC(State Of Charge)를 산정하는 단계; 및 상기 산정된 SOC를 기반으로 상기 리튬이차전지의 상태를 진단하여 외부에 표시하는 단계;를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 표시 단계 이전에, 상기 리튬이차전지의 단위 셀들 각각에 대한 임피던스(impedance)를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 임피던스를 이용하여 단위 셀들 각각의 SOH(State Of Health)를 평가하는 단계;를 더 포함하고, 상기 표시 단계는, 상기 산정된 SOH를 기반으로 상기 리튬이차전지의 상태를 진단하여 외부에 표시하는 것일 수 있다.
상기 비교 단계는, 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압이 배터리 정상전압 범위 이내에 포함되는지를 확인하는 단계; 및 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준 이내인지를 확인하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 셀 밸런싱 수행 단계는, 상기 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준을 초과하는 경우에 수행되는 것일 수 있다.
상기 셀 밸런싱 수행 단계는, 가장 낮은 전압 보다 높은 전압의 단위 셀들에 대한 강제 방전을 실시하여 셀 밸런싱 과정을 수행하는 것일 수 있다.
본 발명은 지능화개폐기용 리튬이차전지에 포함된 다수의 단위 셀들에 대한 셀 전압 측정, 셀 밸런싱, SOC(State Of Charge) 산정, SOH(State Of Health) 산정을 수행함으로써 다수의 단위 셀들에 대한 상태를 분석하고 수치화하는 상태 진단을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 지능화개폐기용 리튬이차전지의 효율성과 수명을 연장시킬 수 있으며, 유지보수 기준을 마련할 수 있는 데이터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 지능화개폐기용 리튬이차전지에 포함된 단위 셀들의 임피던스 및 전압 측정을 통해 상태를 진단 및 평가하여 고장 여부와 교체 시기를 판단할 수 있다.
또한, 본 발명은 리튬이차전지 전용 계측기기를 마련하여 상태 진단의 판정기준을 마련할 수 있다.
또한, 본 발명은 리튬이차전지의 최적 관리를 통해 배터리 효율을 증가시켜 배터리 교체 주기를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 리튬이차전지에 8핀용 커넥터를 통해 연결하여 동시에 단위 세들에 대한 전압 측정이 가능하므로, 업무 편의성을 증대시키고 점검 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치에 대한 도면,
도 2는 리튬이차전지의 단위 셀들의 연결 상태를 나타낸 도면,
도 3은 배터리팩을 나타낸 도면,
도 4는 셀 밸런싱 과정을 설명하는 도면,
도 5는 SOC의 전압-시간 특성 곡선을 나타낸 도면,
도 6은 임피던스 측정 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 상태 진단 장치의 외관을 설명하는 도면,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 방법에 대한 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "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.
또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치에 대한 도면이고, 도 2는 리튬이차전지의 단위 셀들의 연결 상태를 나타낸 도면이며, 도 3은 배터리팩을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치(이하 '상태 진단 장치'라 함, 100)는, 지능화개폐기용 리튬이차전지에 포함된 다수의 단위 셀들에 대한 셀 전압 측정, 셀 밸런싱(cell ballancing), 충전용량(State Of Charge, 이하 'SOC'라 함) 산정, 수명(State Of Health, 이하 'SOH'라 함) 산정을 수행함으로써 다수의 단위 셀들에 대한 상태를 분석하고 수치화하는 상태 진단을 수행한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 리튬이차전지(10)는 8개의 단위 셀들이 묶음으로 구성되어 서로 직렬로 연결된다. 여기서, 단위 셀(1)은 전기에너지를 충전 및 방전하여 사용할 수 있는 기본 단위로서, 양극, 음극, 분리막, 전해액을 사각형의 케이스 또는 파우치 형태 내부에 삽입되어 구성된다. 배터리팩의 상부면에는 (+) 단자(1-1)와 (-) 단자(1-2)가 형성되어 있으며, 8핀용 커넥터(1-3)가 형성되어 있다.
상태 진단 장치(100)는 배터리팩의 8핀용 커넥터(1-3)를 통해 단위 셀(1)에 연결한 후, 단위 셀(1)에 대한 상태 진단을 수행한다. 이와 같이, 상태 진단 장치(100)는 리튬이차전지(10)의 8개 단위 셀들 각각을 동시에 연결한다.
이를 위해, 상태 진단 장치(100)는 셀 전압 측정부(110), 셀 밸런싱부(120), SOC 산정부(130), 임피던스 측정부(140), SOH 산정부(150), 상태 표시부(160)를 포함한다.
셀 전압 측정부(110)는 리튬이차전지(10)의 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압을 동시에 측정하여 서로 비교한다. 즉, 셀 전압 측정부(110)는 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압이 배터리 정상전압 범위(일례로, 2.5V∼3.65V) 이내에 포함되는지를 확인한 후, 단위 셀들 각각의 전압 차이(즉, 최대전압과 최소전압의 차이)가 기 설정된 전압 기준(예, 100㎷) 이내인지를 확인한다.
이 경우, 셀 전압 측정부(110)는 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준 이하이면 정상 상태로 판정하고, 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준을 초과하면 셀 밸런싱부(120)로 셀 밸런싱 과정을 요청한다.
부가적으로, 셀 전압 측정부(110)는 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준을 초과하면, 곧바로 셀 밸런싱 과정을 수행하지 않고, 일정시간 순간방전을 수행한 다음, 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준 이내인지를 다시 확인한다. 그럼에도 불구하고, 셀 전압 측정부(110)는 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준을 초과하면 셀 밸런싱부(120)에 셀 밸런싱 과정을 요청한다.
그런데, 셀 전압 측정부(110)는 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준을 초과하지 않으면, SOC 산정부(130)에 리튬이차전지(10)의 SOC 산정을 요청한다.
셀 밸런싱부(120)는 전술한 바와 같이, 셀 전압 측정부(110)의 요청에 의해 가장 낮은 전압을 기반으로 하여 단위 셀들 각각의 전압 차이를 균일하게 밸런싱하는 셀 밸런싱 기능을 수행한다. 즉, 셀 밸런싱부(120)는 가장 전압이 높은 셀을 방전시켜 가장 전압이 낮은 셀과 동등한 셀 전압을 갖도록 강제 조정한다. 이때, 셀 밸런싱부(120)는 가장 낮은 전압 보다 높은 전압의 단위 셀들에 대한 강제 밸런싱으로서, 3~5초 간 1A로 강제 방전을 실시한다.
도 4를 참조하면, 셀 밸런싱부(120)는 가장 낮은 전압(3.6V)인 셀(21, 23, 24)을 제외하고 나머지 셀(22, 25, 26, 27, 28)의 양단에 저항을 연결하여 방전을 실시하면서 가장 전압이 낮은 셀과 동등한 전압을 갖는 셀의 저항을 개방하는 과정을 수행한다. 여기서, 3.61V 셀(25, 27), 3.62V 셀(22, 28), 3.63V 셀(26)은 일시에 강제 방전을 실시한다.
이후, 셀 밸런싱부(120)는 셀 밸런싱 진행 후 전압을 측정함에 따라, 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준(즉, 100mV) 이내인지를 확인한다. 여기서, 전압 차이가 100mV 이하인 경우에 셀 밸런싱이 정상이고, 전압 차이가 100mV 이상인 경우에 셀 밸런싱이 불량이다. 도 4는 셀 밸런싱 과정을 설명하는 도면이다.
셀 밸런싱 과정은 단위 셀들의 수명 및 효율 증가를 위해 필요한 과정이다. 즉, 전압 차이가 존재하는 상태로 충전할 때, 가장 높은 전압의 단위 셀은 만충전 전압에 도달하면 충전을 정지하고, 낮은 전압의 나머지 단위 셀들은 충전이 완료되지 않은 상태로 충전을 종료한다. 그러면, 전체적으로 단위 셀들은 불량의 충전 상태를 나타낸다.
한편, 셀 밸런싱부(120)는 전체 단위 셀들의 셀 밸런싱 상태를 단계별로 구분할 수 있다. 이에 따라, 상태 표시부(160)는 셀 밸런싱 상태를 3단계(상/중/하)로 구분하여 표시한다. 예를 들어, 전체 단위 셀들이 8개일 때, 셀 밸런싱 상태가 나타내는 단위 셀들이 8~7개이면 '상', 6개~4개이면 '중', 3개 미만이면 '하'로 표시할 수 있다.
SOC 산정부(130)는 실제 운전전압 구간(즉, 2.5V∼3.4V)을 기반으로 하여 측정된 단위 셀들 각각의 전압을 백분율로 환산하여 SOC를 산정한다. 여기서, 단위 셀들 각각의 전압은 셀 전압 측정부(110)에 의해 측정된 셀 전압 또는 셀 밸런싱부(120)에 의해 셀 밸런싱 기능을 진행한 후에 측정된 셀 전압에 해당된다.
즉, SOC는 실제 운전전압 구간 즉, 0.9V(즉, 3.4V―2.5V) 구간을 100등분한 후, 해당 단위 셀의 전압을 백분율로 환산된 값으로 표시된다. SOC는 단위 셀들의 평균 전압에 대해서도 산정 가능하다.
예를 들어, 전체 단위 셀들(즉, 1∼8셀)의 평균전압이 3.35V이면, SOC는 99.4%이다. 즉, (3.35V―2.5V)／(3.4V―2.5V)×100＝99.4%의 SOC로 표시된다.
그런데, SOC 산정부(130)는 배터리 정상전압 범위(즉, 2.5V∼3.65V) 대신에 실제 운전전압 구간(즉, 2.5V∼3.4V)를 이용하여 SOC를 산정하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 도 5를 참조하면, 단위 셀별 배터리 정상전압 범위는 2.5V∼3.65V를 나타낸다. 그런데, 단위 셀은 만충전 전압인 3.65V에 도달한 후 외부전원이 오프되자마자 곧바로 3.4V로 떨어지고(A 영역 참조), 방전차단 전압인 2.5V에 도달한 후 곧바로 2.3V∼2.7V 전압으로 회복되는 특징(B 영역 참조)을 나타낸다.
따라서, 여기서는 SOC 산정부(130)가 실제 운전전압 구간(즉, 2.7V∼3.4V)에 대해 SOC 산정 기준을 마련한다. 도 5는 SOC의 전압-시간 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
또한, SOC 산정부(130)는 단위 셀들 각각의 SOC를 단계별로 구분하거나, 전체 단위 셀들의 평균전압에 따라 SOC를 단계별로 구분할 수 있다.
이에 따라, 상태 표시부(160)는 SOC를 3단계(상/중/하)로 구분하여 표시한다. 예를 들어, SOC가 66% 이상이면 '상', 65%~33%이면 '중', 33% 미만이면 '하'로 표시할 수 있다.
임피던스 측정부(140)는 리튬이차전지(10)의 단위 셀들 각각에 대한 임피던스(impedance)를 측정한다. 여기서, 단위 셀들은 최초 설치시 임피던스를 기준으로 연속된 충방전시 임피던스가 증가된다. 이처럼, 임피던스 측정은 단위 셀들의 노화 상태를 평가할 수 있으므로, 배터리 진단에서는 임피던스 특성을 반영할 필요가 있다.
임피던스 측정부(140)는 도 6과 같은 임피던스 측정 회로를 이용한다. 도 6은 임피던스 측정 회로를 나타낸 도면이다. 먼저, ADC(Analog to Digital Converver)는 개방 회로(open circuit)의 초기 전압(VNL)을 측정한다. 스위칭소자(MOSFET)는 단위 셀들의 노화 상태 평가를 위해 GPIO(General Purpose Input/Output) 포트를 통해 1㎑ 주파수가 입력된다. 이때, ADC는 부하(즉, 단위 셀)이 연결된 상태에서의 부하 전압(load voltage)(VFL)을 측정한다. 그러면, 임피던스 측정부(140)는 전후 측정된 전압을 이용하여 내부 저항(Rint)을 측정한다.
내부 저항(Rint)은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, VNL은 개방 회로 전압(open circuit voltage)이고, VFL은 부하 전압(load voltage)이며, RL은 부하 저항(load resistance)이다.
SOH 산정부(150)는 임피던스 측정부(140)에 의해 측정된 임피던스를 이용하여 단위 셀들 각각의 SOH를 평가한다. 즉, SOH 산정부(150)는 최초 설치시 임피던스를 기준으로 연속 충방전시 임피던스가 증가하는 특성을 고려하여 단위 셀들 각각의 SOH를 산정한다. 이때, SOH 산정부(150)는 단위 셀들 각각의 임피던스값에 따라 SOH를 단계별로 구분하거나, 전체 단위 셀들의 평균 임피던스에 따라 SOH를 단계별로 구분할 수도 있다. 이에 따라, 상태 표시부(160)는 단위 셀들 각각의 SOH를 3단계(상/중/하)로 표시한다.
상태 표시부(160)는 SOC 산정부(130)로부터 전달된 SOC와 SOH 산정부(150)로부터 전달된 단위 셀들 각각의 SOH를 기반으로 리튬이차전지(10)의 상태를 진단하여 외부로 표시한다.
또한, 상태 표시부(160)는 셀 전압 측정부(110)에 의해 측정된 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압과 임피던스 측정부(140)에 의해 측정된 단위 셀들 각각에 대한 임피던스를 외부로 표시한다.
도 7은 상태 진단 장치의 외관을 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 상태 진단 장치(100)는 휴대용 기기로 제작되어 관리자에 의해 용이하게 휴대될 수 있다.
상태 진단 장치(100)는 단위 셀들 각각에 연결 가능한 8핀용 커넥터(31)가 구비된다. 여기서, 8핀 커넥터(31)는 단위 셀들 각각에 대응되는 개수가 구비된다.
또한, 상태 진단 장치(100)는 디스플레이(32)를 통해, 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압, 단위 셀들 각각에 대한 임피던스 또는 전체 단위 셀들의 평균 임피던스를 나타낼 뿐만 아니라, SOC를 표시한다. 여기서, 디스플레이(32)는 LCD 또는 OLED 등과 같은 일반적인 화면을 나타낸다.
그리고, 상태 진단 장치(100)는 소정 개수의 LED(33)를 통해, 전압상태(즉, SOC 단계), 셀 밸런싱 상태, 수명 상태(즉, SOH 단계)를 단계별로 나타낸다. 여기서, LED(33)는 3단계(즉, 상/중/하)를 구분하는 빛의 색을 상이하게 나타낼 수 있다.
또한, 상태 진단 장치(100)는 전원과 셀 밸런싱 기능을 조작하는 버튼부(34)를 구비한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 방법에 대한 도면이다.
도 8을 참조하면, 상태 진단 장치(100)는 리튬이차전지(10)의 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압을 동시에 측정하여 서로 비교한다(S201).
이때, 상태 진단 장치(100)는 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압이 배터리 정상전압 범위 이내에 포함되는지를 확인한 다음(S202), 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준 이내인지를 확인한다(S203).
여기서, 상태 진단 장치(100)는 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압이 배터리 정상전압 범위 이내에 포함되지 않으면, 단위 셀들 각각에 대한 불량 상태를 판정하여 알려준다(S202-1). 이는 단위 셀들 중 0V인 단위 셀이 포함되는 경우에 셀 밸런싱 과정을 거치지 않고 곧바로 해당 단위 셀을 불량 상태로 판정하여 알려주기 위함이다.
그런데, 상태 진단 장치(100)는 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압이 배터리 정상전압 범위 이내에 포함하면서, 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준을 초과하면(S203), 가장 낮은 전압을 기반으로 하여 단위 셀들 각각에 대한 셀 밸런싱 기능을 수행한다(S204).
이후, 상태 진단 장치(100)는 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압이 배터리 정상전압 범위 이내에 포함하면서, 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준 이내이면(S203), 실제 운전전압 구간을 기반으로 백분율로 환산하여 SOC를 산정한다(S205).
그런 다음, 상태 진단 장치(100)는 산정된 SOC를 기반으로 리튬이차전지(10)의 상태를 진단하여 외부에 표시한다(S206).
한편, 상태 진단 장치(100)는 리튬이차전지(10)의 단위 셀들 각각에 대한 임피던스를 측정한다(S207). 이후, 상태 진단 장치(100)는 측정된 임피던스를 이용하여 단위 셀들 각각의 SOH를 평가한다(S207).
그런 다음, 상태 진단 장치(100)는 산정된 SOH를 기반으로 리튬이차전지(10)의 상태를 진단하여 외부에 표시한다(S206).
일부 실시 예에 의한 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
110 : 셀 전압 측정부 120 : 셀 밸런싱부
130 : SOC 산정부 140 : 임피던스 측정부
150 : SOH 산정부 160 : 상태 표시부

Claims (11)

  1. 리튬이차전지의 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압을 동시에 측정하여 서로 비교하기 위한 셀 전압 측정부;
    상기 비교 결과에 따라, 가장 낮은 전압을 기반으로 하여 단위 셀들 각각에 대한 셀 밸런싱 기능을 수행하기 위한 셀 밸런싱부; 및
    상기 셀 전압 측정부에 의해 측정된 셀 전압 또는 상기 셀 밸런싱부에 의해 셀 밸런싱 기능을 진행한 후에 측정된 셀 전압에 대해 실제 운전전압 구간을 기반으로 백분율로 환산하여 SOC(State Of Charge)를 산정하기 위한 SOC 산정부;
    를 포함하는 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬이차전지의 단위 셀들 각각에 대한 임피던스(impedance)를 측정하기 위한 임피던스 측정부; 및
    상기 측정된 임피던스를 이용하여 단위 셀들 각각의 SOH(State Of Health)를 평가하기 위한 SOH 산정부;
    를 더 포함하는 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 전압 측정부는,
    상기 측정된 셀 전압의 비교 과정으로서, 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압이 배터리 정상전압 범위 이내에 포함되는지를 확인한 다음, 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준 이내인지를 확인하는 것인 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 셀 전압 측정부는,
    단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준을 초과하면, 상기 셀 밸런싱부로 셀 밸런싱 과정을 요청하는 것인 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱부는,
    가장 낮은 전압 보다 높은 전압의 단위 셀들에 대한 강제 방전을 실시하여 셀 밸런싱 과정을 수행하는 것인 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 SOC 산정부로부터 전달된 SOC와 상기 SOH 산정부로부터 전달된 SOH를 기반으로 상기 리튬이차전지의 상태를 진단하여 외부에 표시하기 위한 상태 표시부;
    를 더 포함하는 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 장치.
  7. 리튬이차전지의 단위 셀들 각각에 대한 셀 전압을 동시에 측정하여 서로 비교하는 단계;
    상기 비교 결과에 따라, 가장 낮은 전압을 기반으로 하여 단위 셀들 각각에 대한 셀 밸런싱 기능을 수행하는 단계;
    상기 셀 전압 측정부에 의해 측정된 셀 전압 또는 상기 셀 밸런싱부에 의해 셀 밸런싱 기능을 진행한 후에 측정된 셀 전압에 대해 실제 운전전압 구간을 기반으로 백분율로 환산하여 SOC(State Of Charge)를 산정하는 단계; 및
    상기 산정된 SOC를 기반으로 상기 리튬이차전지의 상태를 진단하여 외부에 표시하는 단계;
    를 포함하는 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 표시 단계 이전에, 상기 리튬이차전지의 단위 셀들 각각에 대한 임피던스(impedance)를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 임피던스를 이용하여 단위 셀들 각각의 SOH(State Of Health)를 평가하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 표시 단계는,
    상기 산정된 SOH를 기반으로 상기 리튬이차전지의 상태를 진단하여 외부에 표시하는 것인 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 비교 단계는,
    단위 셀들 각각에 대한 셀 전압이 배터리 정상전압 범위 이내에 포함되는지를 확인하는 단계; 및
    단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준 이내인지를 확인하는 단계를 포함하는 것인 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 수행 단계는,
    상기 단위 셀들 각각의 전압 차이가 기 설정된 전압 기준을 초과하는 경우에 수행되는 것인 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 수행 단계는,
    가장 낮은 전압 보다 높은 전압의 단위 셀들에 대한 강제 방전을 실시하여 셀 밸런싱 과정을 수행하는 것인 지능화개폐기용 리튬이차전지의 상태 진단 방법.
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