KR20210007246A - 배터리 팩의 상태 진단 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 팩의 상태 진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치는 사이클마다, 서로 연결된 복수의 배터리 셀이 구비된 복수의 배터리 모듈을 방전 및 충전시키도록 구성된 충방전부; 상기 사이클마다, 충전이 완료된 복수의 배터리 모듈의 전압 또는 전류를 측정하도록 구성된 모니터링부; 및 상기 사이클마다, 상기 복수의 배터리 모듈에 구비되어 서로 연결된 배터리 셀의 개수를 변경하고, 상기 모니터링부로부터 측정된 상기 복수의 배터리 모듈의 전압 또는 전류에 대한 측정값을 수신하고, 수신한 측정값에 기반하여 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 충전 상태를 추정하고, 상기 복수의 배터리 모듈 각각에 대해 추정된 충전 상태와 상기 배터리 미리 설정된 기준값을 비교하여 충전 상태 변화량을 산출하며, 산출된 충전 상태 변화량과 상기 변경된 배터리 셀의 개수에 기반하여 상기 복수의 배터리 모듈의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 팩의 상태 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING STATE OF BATTERY PACK}
본 발명은 하는 배터리 팩의 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 팩에 구비된 배터리 모듈의 충전 상태에 기반하여 배터리 팩의 상태를 진단하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
한편, 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차 또는 전력 저장 장치에 사용되는 대용량 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 단위 셀 집합체를 포함한다. 다수의 단위 셀이 연결된 배터리는, 충방전이 반복됨에 따라 각 단위 셀의 충전용량에 편차가 발생하게 된다. 이러한 충전용량의 편차를 방치한 채로 충전이나 방전을 지속하게 되면, 성능이 저하되고, 일부의 단위 셀이 과충전 상태나 과방전 상태가 될 수 있다. 과충전 또는 과방전 상태는 단위 셀의 안전성을 저해하는 요인으로 작용하며 경우에 따라서는 폭발과 같은 예기치 못한 사고를 유발하기도 한다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해서 종래에는 배터리 팩의 상태를 진단하기 위한 기술들이 개발되었다. 예컨대, 특허문헌 1은 배터리 모듈별로 충전 상태(State of Charge, SOC)를 추정하고, 배터리 모듈별로 추정된 충전 상태의 편차가 한계 편차 이상인 경우, 배터리 모듈에 이상이 있다고 판단하는 배터리 관리 장치 및 이를 이용한 배터리 관리 방법이다.
구체적으로, 특허문헌 1은 배터리 모듈 각각의 충전 상태를 추정하고, 추정된 충전 상태의 편차에 기반하여 배터리 모듈 또는 배터리 관리 장치 자체에 이상이 있는 것으로 인식하고 있다.
하지만, 특허문헌 1은 배터리 모듈의 충전 상태를 추정하고, 추정된 충전 상태의 편차에만 기반하여 배터리 모듈 또는 배터리 관리 장치 자체에 이상이 있는 것으로 인식하고 있을 뿐, 배터리 모듈 내의 배터리 셀의 차단 등의 이상 상황을 유도하고, 유도된 이상 상황에서의 배터리 모듈의 상태를 진단하는 구성은 전혀 개시하고 있지 않는 문제가 있다.
KR 10-1642329 B1
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 팩 내부에 구비된 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀 중 일부의 연결을 차단시키고, 배터리 모듈의 충전 상태에 기반하여 배터리 모듈 및 배터리 팩의 상태를 진단하는 배터리 팩의 상태 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치는 사이클마다, 서로 연결된 복수의 배터리 셀이 구비된 복수의 배터리 모듈을 방전 및 충전시키도록 구성된 충방전부; 상기 사이클마다, 충전이 완료된 복수의 배터리 모듈의 전압 또는 전류를 측정하도록 구성된 모니터링부; 및 상기 사이클마다, 상기 복수의 배터리 모듈에 구비되어 서로 연결된 배터리 셀의 개수를 변경하고, 상기 모니터링부로부터 측정된 상기 복수의 배터리 모듈의 전압 또는 전류에 대한 측정값을 수신하고, 수신한 측정값에 기반하여 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 충전 상태를 추정하고, 상기 복수의 배터리 모듈 각각에 대해 추정된 충전 상태와 상기 배터리 미리 설정된 기준값을 비교하여 충전 상태 변화량을 산출하며, 산출된 충전 상태 변화량과 상기 변경된 배터리 셀의 개수에 기반하여 상기 복수의 배터리 모듈의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 사이클마다, 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 타겟 모듈을 선택하고, 선택된 타겟 모듈에 구비된 복수의 배터리 셀 중 타겟 셀을 선택하고, 상기 선택된 타겟 모듈 내에서 상기 타겟 셀과 나머지 셀 간의 연결을 차단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 사이클마다 선택되는 타겟 모듈을 이전 사이클에서 선택된 타겟 모듈과 중복되지 않게 선택하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 사이클마다, 상기 타겟 모듈에서 선택하는 타겟 셀의 개수를 변경시키도록 구성될 수 있다.
상기 충방전부는, 상기 배터리 모듈에 구비된 복수의 배터리 셀 중 서로 연결된 배터리 셀을 방전 및 충전시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 산출된 충전 상태 변화량이 상기 배터리 모듈에 구비된 배터리 셀의 총 개수에 기반하여 설정된 복수의 기준 범위 중 어느 범위에 속하는지에 따라 상기 배터리 모듈의 상태를 정상 상태 또는 경고 상태로 진단하고, 진단 결과를 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상태가 경고 상태로 진단된 배터리 모듈과 상기 배터리 팩 간의 연결을 차단시키고, 소정의 시간이 지난 후 상기 배터리 팩과의 연결이 차단된 배터리 모듈의 충전 상태를 재추정하고, 재추정된 충전 상태를 미리 결정된 기준값과 비교하고, 비교 결과에 기반하여 진단 코드를 출력하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 팩의 상태 진단 방법은 사이클마다, 서로 연결된 복수의 배터리 셀이 구비된 복수의 배터리 모듈을 방전 및 충전시키는 충방전 단계; 상기 충전이 완료된 배터리 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 모니터링 단계; 상기 모니터링 단계에서 측정된 전압 또는 전류에 기반하여 상기 배터리 모듈 각각의 충전 상태를 추정하는 충전 상태 추정 단계; 상기 배터리 모듈 각각에 대해 추정된 충전 상태와 기설정된 기준값을 비교한 충전 상태 변화량을 산출하는 충전 상태 변화량 산출 단계; 및 상기 충전 상태 변화량을 산출한 결과에 기반하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 진단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 팩의 상태 진단 방법은 상기 충방전 단계 이전에, 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 타겟 모듈을 선택하는 타겟 모듈 선택 단계; 선택된 타겟 모듈에 구비된 복수의 배터리 셀 중 타겟 셀을 선택하는 타겟 셀 선택 단계; 및 상기 선택된 타겟 모듈 내에서 상기 타겟 셀과 나머지 셀 간의 연결을 차단하는 연결 차단 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 진단 단계는, 상기 산출된 충전 상태 변화량이 상기 배터리 모듈에 구비된 배터리 셀의 총 개수에 기반하여 설정된 복수의 기준 범위 중 어느 범위에 속하는지에 기반하여, 상기 배터리 모듈의 상태를 정상 상태 또는 경고 상태 중 어느 하나로 판단하는 배터리 모듈 상태 판단 단계; 상기 배터리 모듈 상태 판단 단계에서의 판단 결과, 상기 경고 상태로 판단된 배터리 모듈과 상기 배터리 팩 간의 연결을 차단시키는 배터리 모듈 연결 차단 단계; 상기 배터리 모듈 연결 차단 단계로부터 소정의 시간이 지난 후, 상기 배터리 팩과의 연결이 차단된 배터리 모듈의 충전 상태를 재추정하는 충전 상태 재추정 단계; 및 재추정된 충전 상태를 미리 결정된 기준값과 비교하고, 비교 결과에 기반하여 진단 코드를 출력하는 진단 코드 출력 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유도된 이상 상황에 대응되는 배터리 모듈의 충전 상태가 추정되고, 추정된 충전 상태에 기반하여 배터리 모듈 각각의 상태가 진단되기 때문에, 배터리 모듈에 발생될 수 있는 위험 요소가 사전에 진단될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈별로 상태를 진단함으로써, 배터리 셀 각각을 모니터링 하는 것보다 시간 및 비용이 절약될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈 각각에 대해 다양한 이상 상황이 유도되고, 유도된 이상 상황에 따른 배터리 모듈 각각의 상태를 진단할 수 있기 때문에, 배터리 모듈에 대해 다양한 측면에서 상태 진단이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치의 동작 과정을 개략적으로 도시한 실시예이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 또 따른 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 방법에서, 진단 단계를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 제어부와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)를 개략적으로 도시한 도면이다.
여기서, 배터리 팩(1)은 복수의 배터리 모듈 및 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)를 포함하는 구성으로, 이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 1에 도시된 실시예를 참조하여, 배터리 팩(1) 내에는 4개의 배터리 모듈이 포함된 것으로 설명한다.
또한, 배터리 모듈은 단수 또는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 뱅크(Battery Bank)일 수 있다. 만약, 배터리 모듈에 복수의 배터리 셀이 포함된 경우, 배터리 셀은 배터리 모듈 내에서 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 특히, 각각의 배터리 모듈에는 서로 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 충방전부(100), 모니터링부(200) 및 제어부(300)를 포함할 수 있다.
충방전부(100)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 방전 및 충전시키도록 구성될 수 있다. 이러한 충방전 사이클은, 1회 이상, 특히 복수 회 이루어질 수 있다. 여기서, 충방전 사이클이란, 배터리 모듈에 대하여 SOC의 소정 하한값까지 방전이 수행되었다가 SOC의 소정 상한값까지 충전이 수행된 1회의 과정을 의미한다고 할 수 있다. 즉, 1회의 사이클은, 배터리 모듈에 대하여 하한값까지 방전되었다가 다시 상한값까지 충전된 과정을 의미할 수 있다.
또는, 충방전 사이클이란, 배터리 모듈에 대하여 SOC의 소정 상한값까지 충전이 수행되었다가 SOC의 소정 하한값까지 방전이 수행된 1회의 과정을 의미한다고 할 수 있다. 즉, 1회의 사이클은, 배터리 모듈에 대하여 상한값까지 충전되었다가 다시 하한값까지 방전된 과정을 의미할 수 있다.
한편, 각각의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)에는, 서로 연결된 복수의 배터리 셀이 구비될 수 있다. 그리고, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이를테면, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)은, 도면에 도시된 바와 같이 서로 직렬로 연결될 수 있다. 상기 충방전부(100)는, 이와 같이 전기적으로 연결된 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 전체적으로 충방전시키도록 구성될 수 있다.
예컨대, 충방전부(100)의 일단은 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 측에 연결되고, 타단은 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 측에 연결될 수 있다. 따라서, 충방전부(100)는 제어부(300)의 제어 명령에 의해 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 충전시키거나 방전시킬 수 있다.
모니터링부(200)는 상기 사이클마다, 충전이 완료된 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)의 전압 또는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 모니터링부(200)는 복수의 센싱 라인(SL1, SL2, SL3, SL4 및 SL5)을 통해서 배터리 모듈 각각의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
다른 예로, 모니터링부(200)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각에 인가되는 전류 또는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각으로부터 출력되는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 도면에는 도시하지 않았으나, 모니터링부(200)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)과 직렬로 연결된 센스 저항의 양단 전압을 측정할 수 있다. 그리고, 모니터링부(200)는 측정한 센스 저항의 양단의 전위차에 기반하여 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)로 인가되는 전류 또는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)로부터 출력되는 전류를 측정할 수 있다.
예컨대, 도 1에 도시된 실시예와 같이, 모니터링부(200)는 복수의 센싱 라인(SL1, SL2, SL3, SL4 및 SL5)과 연결되고, 복수의 센싱 라인(SL1, SL2, SL3, SL4 및 SL5)은 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)의 양극 단자 측 또는 음극 단자 측에 연결될 수 있다.
구체적으로, 모니터링부(200)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제2 센싱 라인(SL2)을 통해서 제1 배터리 모듈(BM1)의 전압을 측정할 수 있다. 또한, 모니터링부(200)는 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 제2 배터리 모듈(BM2)의 전압을 측정할 수 있다. 또한, 모니터링부(200)는 제3 센싱 라인(SL3) 및 제4 센싱 라인(SL4)을 통해서 제3 배터리 모듈(BM3)의 전압을 측정할 수 있다. 또한, 모니터링부(200)는 제4 센싱 라인(SL4) 및 제5 센싱 라인(SL5)을 통해서 제4 배터리 모듈(BM4)의 전압을 측정할 수 있다.
한편, 모니터링부(200)는 복수의 센싱 라인(SL1, SL2, SL3, SL4 및 SL5)을 통해서, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 전압뿐만 아니라, 서로 연결된 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)의 전압을 측정할 수도 있다. 예컨대, 모니터링부(200)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 제1 배터리 모듈(BM1) 및 제2 배터리 모듈(BM2)의 전압을 측정할 수도 있다.
제어부(300)는 상기 사이클마다, 상기 복수의 배터리 모듈에 구비되어 서로 연결된 배터리 셀의 개수를 변경하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(300)는 사이클마다 하나의 배터리 모듈을 선택하여, 선택된 배터리 모듈에 구비되어 서로 연결된 배터리 셀의 개수를 변경할 수 있다. 또는, 제어부(300)는 사이클마다 복수의 배터리 모듈을 선택하여, 선택된 복수의 배터리 모듈에 구비되어 서로 연결된 배터리 셀의 개수를 변경할 수 있다.
제어부(300)는 상기 모니터링부(200)로부터 측정된 상기 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)의 전압 또는 전류에 대한 측정값을 수신할 수 있다.
바람직하게, 충방전부(100), 모니터링부(200) 및 제어부(300)는 무선 및/또는 유선으로 연결될 수 있다. 즉, 제어부(300)는 충방전부(100) 및 모니터링부(200)를 제어하여 충방전부(100) 및 모니터링부(200)를 동작시킬 수 있으며, 모니터링부(200)로부터 측정된 측정값을 수신할 수 있다.
또한, 제어부(300)는 수신한 측정값에 기반하여 상기 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 충전 상태를 추정할 수 있다.
예컨대, 제어부(300)는 모니터링부(200)로부터 측정된 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 전압에 대한 전압값을 수신하고, 수신한 전압값에 기반하여 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각에 대한 충전 상태(SOC)를 추정할 수 있다. 이 경우, 제어부(300)는 전압값과 충전 상태가 일대일로 매칭된 룩업 테이블을 이용하여, 배터리 모듈의 충전 상태를 추정할 수 있다. 여기서, 룩업 테이블은 제어부(300)의 메모리 또는 별도의 저장 유닛에 저장될 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 저장된 룩업 테이블을 이용하여, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 충전 상태를 추정할 수 있다.
다른 예로, 제어부(300)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)이 충전 또는 방전되는 과정에서 모니터링부(200)에 의해 측정된 전류량을 적산하여 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각에 대한 충전 상태를 추정할 수도 있다.
일반적으로, 배터리 모듈이 충전 또는 방전되는 과정에서는 개방 전압(Open Circuit Voltage)을 측정하는 것이 불가능하고, 전압 또는 개방전압에 기반하여 충전 상태를 추정할 경우에는 온도의 영향을 받기 때문에, 제어부(300)는 배터리 모듈이 충전 또는 방전되는 과정에서는 전류에 기반하여 배터리 모듈 각각이 충전 상태를 추정하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 제어부(300)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)이 충전되는 과정에서 모니터링부(200)에 의해 측정된 전류량을 적산하여, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 충전 상태를 추정할 수 있다.
또한, 제어부(300)는, 상기 배터리 모듈 각각에 대해 추정된 충전 상태와 미리 설정된 기준값을 비교하여 충전 상태 변화량을 산출할 수 있다.
여기서, 미리 설정된 기준값은 초기 상태의 배터리 모듈이 완전 충전되었을 때 추정된 충전 상태로 설정될 수 있다. 예컨대, 미리 설정된 기준값은 초기 상태의 배터리 모듈에 구비된 모든 배터리 셀이 정상 상태이고, 모든 배터리 셀이 완전 충전된 상태일 때 추정된 충전 상태일 수 있다. 따라서, 미리 설정된 기준값은 100%로 설정되어, 이후에 추정되는 배터리 모듈의 충전 상태에 대한 비교 기준이 되는 참조값으로 이용될 수 있다.
제어부(300)는, 미리 설정된 기준값과 배터리 모듈 각각에 대해 추정된 충전 상태 간의 차이를 계산하여, 충전 상태 변화량을 산출할 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 실시예에서, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태가 100%로 추정되었다고 가정하면, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태(100%)와 미리 설정된 기준값(100%) 간의 차이를 계산할 수 있다. 이 경우, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)에 대한 충전 상태 변화량으로 0%를 산출할 수 있다.
또한, 제어부(300)는, 산출된 충전 상태 변화량과 상기 변경된 배터리 셀의 개수에 기반하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 1에 도시된 실시예에서, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1), 제2 배터리 모듈(BM2), 제3 배터리 모듈(BM3) 및 제4 배터리 모듈(BM4) 각각의 충전 상태 변화량을 산출하고, 산출한 충전 상태 변화량을 기준 범위와 비교하여 제1 배터리 모듈(BM1), 제2 배터리 모듈(BM2), 제3 배터리 모듈(BM3) 및 제4 배터리 모듈(BM4) 각각의 상태를 진단할 수 있다.
여기서, 기준 범위는 복수의 구간의 집합일 수 있다. 그리고, 복수의 구간 각각에는, 배터리 셀의 예상 개수에 대한 인덱스 또는 레퍼런스(Reference)가 설정될 수 있다. 즉, 제어부(300)는 산출한 충전 상태 변화량과 기준 범위를 비교한 결과에 기반하여, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각에 구비되어 서로 연결되었을 것으로 예상되는 배터리 셀의 예상 개수에 대한 예측 결과를 획득할 수 있다.
그리고, 제어부(300)는 배터리 셀의 예상 개수에 대한 예측 결과와 상기 변경한 배터리 셀의 개수를 비교함으로써, 복수의 배터리 모듈 각각의 상태를 진단할 수 있다. 제어부가 산출한 충전 상태 변화량과 상기 변경된 배터리 셀의 개수에 기반하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 내용에 대해서는 자세하게 후술한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 배터리 모듈 각각에 대한 충전 상태 변화량에 기반하여 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 상태를 진단함으로써, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 포함하는 배터리 팩(1)의 상태를 진단할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 배터리 모듈이 유휴 상태 또는 무부하 상태가 아니더라도 충전 상태 변화량에 기반하여 배터리 모듈 및 배터리 팩(1)의 상태를 진단하기 때문에, 배터리 모듈 및 배터리 팩(1)의 상태가 보다 신속하게 진단될 수 있는 장점이 있다.
제어부(300)는, 각각의 충방전 사이클마다, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 중에서 타겟 모듈을 선택하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제어부(300)는, 각각의 충방전 사이클이 시작되기 전 또는 각각의 충방전 사이클이 종료된 이후에 타겟 모듈을 선택할 수 있다. 바람직하게, 제어부(300)는 충방전 사이클이 시작되기 전 시점에 타겟 모듈을 선택할 수 있다.
예컨대, 제어부(300)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)에 할당된 식별번호에 기반하여 타겟 모듈을 선택할 수 있다. 즉, 제어부(300)는 제1 사이클에서는 식별정보가 1로 설정된 배터리 모듈을 타겟 모듈로 선택하고, 제2 사이클에서는 식별정보가 2로 설정된 배터리 모듈을 타겟 모듈로 선택할 수 있다.
다른 예로, 제어부(300)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 중에서 타겟 모듈을 랜덤하게 선택할 수도 있다. 이 경우, 배터리 모듈이 중복해서 선택되는 것을 방지하기 위하여, 제어부(300)는 이전 사이클에서 선택된 배터리 모듈에 대한 플래그를 설정할 수 있다. 예컨대, 제어부(300)는 이미 선택된 배터리 모듈에 대한 플래그를 1로 설정하고, 아직 선택되지 않은 배터리 모듈에 대한 플래그를 0으로 설정할 수 있다. 제어부(300)는 플래그가 0으로 설정된 배터리 모듈 중에서 타겟 모듈을 랜덤하게 선택할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 제어부(300)가 사이클 횟수에 대응되는 식별정보를 가진 배터리 모듈을 선택하는 것으로 한정하여 설명한다. 즉, 제어부(300)는 제1 사이클에서 제1 배터리 모듈(BM1)을 타겟 모듈로 선택하고, 제2 사이클에서 제2 배터리 모듈(BM2)을 타겟 모듈로 선택할 수 있다.
또한, 제어부(300)는, 선택된 타겟 모듈에 구비된 복수의 배터리 셀 중 타겟 셀을 선택하도록 구성될 수 있다.
타겟 셀 선택 방식은 제어부(300)가 타겟 모듈을 선택하는 방식과 유사할 수 있다. 즉, 제어부(300)는 배터리 셀에 할당된 식별번호에 기반하여 타겟 셀을 선택할 수도 있고, 배터리 셀에 설정된 플래그에 기반하여 타겟 셀을 선택할 수도 있다.
또한, 제어부가(300) 타겟 셀을 선택하는 시점은 타겟 모듈을 선택한 직후일 수 있다. 즉, 제어부(300)는 충방전 사이클이 시작되기 직전 시점에서 타겟 모듈을 선택하고, 타겟 셀을 선택할 수 있다.
예컨대, 제1 사이클에서 제1 배터리 모듈(BM1)이 타겟 모듈이 선택된 경우, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)에 구비된 복수의 배터리 셀 중에서 타겟 셀을 선택할 수 있다.
또한, 제어부(300)는, 상기 선택된 타겟 모듈 내에서 상기 타겟 셀과 나머지 셀 간의 연결을 차단하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)의 동작 과정을 개략적으로 도시한 실시예이다.
구체적으로 도 2는 초기 시점에서의 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 제1 사이클에서의 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 제2 사이클에서의 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 제3 사이클에서의 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 팩(1)에는 4개의 배터리 모듈이 포함되고, 각각의 배터리 모듈에는 4개의 배터리 셀이 포함된 것으로 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 배터리 팩(1)에는 제1 배터리 모듈(BM1), 제2 배터리 모듈(BM2), 제3 배터리 모듈(BM3) 및 제4 배터리 모듈(BM4)이 포함되고, 각각의 배터리 모듈은 4개의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각에 포함된 복수의 배터리 셀은 배터리 모듈 내에서 서로 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)은 서로 직렬로 연결될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제어부(300)는 제1 사이클에서 타겟 모듈로 제1 배터리 모듈(BM1)을 선택할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제어부(300)는 배터리 모듈의 식별번호에 기반하여 제1 배터리 모듈(BM1)을 선택하거나, 배터리 모듈에 설정된 플래그에 기반하여 랜덤하게 제1 배터리 모듈(BM1)을 선택할 수 있다.
또한, 제어부(300)는 제1 사이클에서 타겟 모듈로 선택된 제1 배터리 모듈(BM1)에 포함된 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀(BC11)을 타겟 셀로 선택할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 타겟 셀로 선택된 제1 배터리 셀(BC11)과 제2 배터리 셀(BC12), 제3 배터리 셀(BC13) 및 제4 배터리 셀(BC14) 간의 연결을 차단할 수 있다. 이러한 타겟 셀의 전기적 연결 차단은, 스위치(미도시)의 온오프 제어 등, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 셀 연결 제어 구성이 채용될 수 있다. 이 경우, 제1 배터리 모듈(BM1)에는 총 3개의 배터리 셀만이 병렬로 연결되고, 제2 내지 제4 배터리 모듈(BM4)에는 총 4개의 배터리 셀이 병렬로 연결될 수 있다.
제1 사이클에서, 제어부(300)는 충방전부(100)를 제어하여 제1 내지 제4 배터리 모듈(BM4)에 포함되어 서로 연결된 배터리 셀을 방전 및 충전시킬 수 있다. 바람직하게, 충방전부(100)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각을 방전시킨 후 다시 충전시킬 수 있다.
제1 사이클에서, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각이 충전되는 과정에서, 모니터링부(200)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각에 인가되는 전류를 측정하고, 제어부(300)는 모니터링부(200)에서 측정한 측정값에 기반하여 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 충전 상태를 추정할 수 있다.
예컨대, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)에 포함된 복수의 배터리 셀이 모두 정상 상태이며, 퇴화가 일어나지 않은 초기 상태라고 가정한다. 이 경우, 제1 사이클에서, 제2 배터리 모듈(BM2), 제3 배터리 모듈(BM3) 및 제4 배터리 모듈(BM4)에 포함된 4개의 배터리 셀은 모두 병렬로 연결되어 있으므로, 제2 배터리 모듈(BM2), 제3 배터리 모듈(BM3) 및 제4 배터리 모듈(BM4)의 충전 상태는 100%로 추정될 수 있다. 반면, 제1 사이클에서, 제1 배터리 모듈(BM1)에는 총 3개의 배터리 셀만이 병렬로 연결되었으므로, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태는 제1 배터리 셀(BC11)의 용량만큼 감소될 수 있다. 예컨대, 제1 사이클에서, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태는 75%로 추정될 수 있다. 여기서, 75%는 미리 설정된 기준값(예컨대, 초기 시점에서의 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태)에 대비한 값일 수 있다.
제어부(300)는 추정된 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태와 미리 설정된 기준값을 비교할 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예와 같이, 제1 사이클에서 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태는 75%로 추정되고, 미리 설정된 기준값은 100%로 설정될 수 있다. 여기서, 미리 설정된 기준값은 배터리 모듈이 초기 상태일 때, 완전 충전 후 측정된 충전 상태값으로 설정될 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 미리 설정된 기준값과 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 간의 차이를 계산하여, 제1 배터리 모듈(BM1)에 대한 충전 상태 변화량을 25%로 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 산출한 제1 배터리 모듈(BM1)에 대한 충전 상태 변화량(25%)에 기반하여, 제1 배터리 모듈(BM1)의 상태를 진단할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제어부(300)는 제2 사이클에서 타겟 모듈로 제2 배터리 모듈(BM2)을 선택할 수 있다.
제1 사이클에서 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각에 대한 충전 상태가 추정된 이후, 충방전부(100)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 모두 방전시킬 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 제2 사이클에서의 타겟 모듈로 제2 배터리 모듈(BM2)을 선택할 수 있다. 제어부(300)는 선택한 제2 배터리 모듈(BM2)에 포함된 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀(BC21) 및 제2 배터리 셀(BC22)을 타겟 셀로 선택할 수 있다. 제어부(300)는 제2 사이클에서 타겟 셀로 선택된 제1 배터리 셀(BC21) 및 제2 배터리 셀(BC22)과 제3 배터리 셀(BC23) 및 제4 배터리 셀(BC24) 간의 연결을 차단할 수 있다. 이 경우, 제2 사이클에서의 제1 배터리 모듈(BM1)에는 총 3개의 배터리 셀만이 병렬로 연결되고, 제2 배터리 모듈(BM2)에는 총 2개의 배터리 셀만이 병렬로 연결되며, 제3 배터리 모듈(BM3) 및 제4 배터리 모듈(BM4)에는 총 4개의 배터리 셀이 병렬로 연결될 수 있다. 이후, 충방전부(100)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 모두 충전시키고, 제어부(300)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 충전 상태를 추정할 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예와 같이, 제1 사이클에서 제1 배터리 모듈(BM1)의 제1 배터리 셀(BC11)의 연결이 차단되었으므로, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태는 제1 사이클과 동일하게 75%로 추정될 수 있다. 그리고, 제2 사이클에서 제2 배터리 모듈(BM2)의 제1 배터리 셀(BC21) 및 제2 배터리 셀(BC22)의 연결이 차단되었으므로, 제2 배터리 모듈(BM2)의 충전 상태는 50%로 추정될 수 있다. 또한, 제3 배터리 모듈(BM3) 및 제4 배터리 모듈(BM4)의 충전 상태는 100%로 추정될 수 있다.
제어부(300)는 추정된 제2 배터리 모듈(BM2)의 충전 상태와 미리 설정된 기준값을 비교할 수 있다. 예컨대, 앞선 실시예와 같이, 제2 사이클에서 제2 배터리 모듈(BM2)의 충전 상태는 50%로 추정되고, 미리 설정된 기준값은 100%로 설정될 수 있다. 제어부(300)는 미리 설정된 기준값과 제2 배터리 모듈(BM2)의 충전 상태 간의 차이를 계산하여, 제2 배터리 모듈(BM2)에 대한 충전 상태 변화량을 50%로 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 산출한 제2 배터리 모듈(BM2)에 대한 충전 상태 변화량(50%)에 기반하여, 제2 배터리 모듈(BM2)의 상태를 진단할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어부(300)는 제3 사이클에서 타겟 모듈로 제3 배터리 모듈(BM3)을 선택할 수 있다.
제2 사이클에서 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 충전 상태가 추정된 이후, 충방전부(100)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 모두 방전시킬 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 제3 사이클에서의 타겟 모듈로 제3 배터리 모듈(BM3)을 선택할 수 있다. 제어부(300)는 선택한 제3 배터리 모듈(BM3)에 포함된 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀(BC31), 제2 배터리 셀(BC32) 및 제3 배터리 셀(BC33)을 타겟 셀로 선택할 수 있다. 제어부(300)는 제3 사이클에서 타겟 셀로 선택된 제1 배터리 셀(BC31), 제2 배터리 셀(BC32) 및 제3 배터리 셀(BC33)과 제4 배터리 셀(BC34) 간의 연결을 차단할 수 있다. 이 경우, 제3 사이클에서의 제1 배터리 모듈(BM1)에는 총 3개의 배터리 셀만이 병렬로 연결되고, 제2 배터리 모듈(BM2)에는 총 2개의 배터리 셀만이 병렬로 연결되며, 제3 배터리 모듈(BM3)에는 1개의 배터리 셀만이 연결되고, 제4 배터리 모듈(BM4)에는 총 4개의 배터리 셀이 병렬로 연결될 수 있다. 이후, 충방전부(100)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 모두 충전시키고, 제어부(300)는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각의 충전 상태를 추정할 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예와 같이, 제1 사이클에서 제1 배터리 모듈(BM1)의 제1 배터리 셀(BC11)의 연결이 차단되었으므로, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태는 제1 사이클과 동일하게 75%로 추정될 수 있다. 그리고, 제2 사이클에서 제2 배터리 모듈(BM2)의 제1 배터리 셀(BC21) 및 제2 배터리 셀(BC22)의 연결이 차단되었으므로, 제2 배터리 모듈(BM2)의 충전 상태는 50%로 추정될 수 있다. 또한, 제3 사이클에서 제3 배터리 모듈(BM3)의 제1 배터리 셀(BC31), 제2 배터리 셀(BC32) 및 제3 배터리 셀(BC33)의 연결이 차단되었으므로, 제3 배터리 모듈(BM3)의 충전 상태는 25%로 추정될 수 있다. 그리고, 제4 배터리 모듈(BM4)의 충전 상태는 100%로 추정될 수 있다.
제어부(300)는 추정된 제3 배터리 모듈(BM3)의 충전 상태와 미리 설정된 기준값을 비교할 수 있다. 예컨대, 앞선 실시예와 같이, 제3 사이클에서 제3 배터리 모듈(BM3)의 충전 상태는 25%로 추정되고, 미리 설정된 기준값은 100%로 설정될 수 있다. 제어부(300)는 미리 설정된 기준값과 제3 배터리 모듈(BM3)의 충전 상태 간의 차이를 계산하여, 제3 배터리 모듈(BM3)에 대한 충전 상태 변화량을 75%로 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 산출한 제3 배터리 모듈(BM3)에 대한 충전 상태 변화량(75%)에 기반하여, 제3 배터리 모듈(BM3)의 상태를 진단할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀의 연결을 강제로 차단시킴으로써, 배터리 모듈에 이상 상황을 유도할 수 있다. 그리고, 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 유도된 이상 상황에 기반하여 배터리 모듈 및 배터리 팩(1)의 상태를 진단하기 때문에, 실제로 배터리 모듈에 문제가 발생되기 이전이라도 배터리 모듈 및 배터리 팩(1)의 상태가 결함 상태인지 여부를 진단할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 배터리 모듈의 성능 저하가 미연에 방지되고, 배터리 셀의 과충전 또는 과방전 등의 문제가 미연에 방지될 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 2 및 도 5에 도시된 실시예를 참조하면, 제어부(300)는 도 3 및 도 4에 도시된 실시예를 생략하고, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)에 포함된 배터리 셀 중 일부의 연결을 일괄적으로 차단할 수도 있다.
즉, 도 5에 도시된 실시예가 제1 사이클에서의 배터리 모듈의 상태일 수 있다. 이 경우, 제1 사이클에서, 제1 배터리 모듈(BM1)에는 제1 배터리 셀(BC11)이 차단되고, 제2 배터리 모듈(BM2)에는 제1 배터리 셀(BC21) 및 제2 배터리 셀(BC22)이 차단되고, 제3 배터리 모듈(BM3)에는 제1 배터리 셀(BC31), 제2 배터리 셀(BC32) 및 제3 배터리 셀(BC33)이 차단될 수 있다.
제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1), 제2 배터리 모듈(BM2), 제3 배터리 모듈(BM3) 및 제4 배터리 모듈(BM4) 각각의 충전 상태에 기반하여, 각각의 상태를 진단할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 사이클마다 타겟 모듈을 변경하면서, 배터리 팩(1)의 상태를 정밀하게 진단할 수 있다. 또한, 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는, 일괄적으로 복수의 타겟 모듈을 선택하고, 타겟 모듈에 포함된 일부 배터리 셀의 연결을 차단시켜 신속하게 배터리 팩(1)의 상태를 진단할 수도 있다.
상기 제어부(300)는 이후에 개시되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(300)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
상기 제어부(300)는 이차 전지와 전기적으로 결합될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System: BMS)이거나 또는 상기 배터리 관리 시스템에 포함되는 제어 요소일 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템은 본 출원이 속하는 기술 분야에서 BMS라고 불리는 시스템을 의미할 수도 있지만, 기능적 관점에서 본 출원에서 기술된 적어도 하나의 기능을 수행하는 시스템이라면 그 어떠한 것이라도 상기 배터리 관리 시스템의 범주에 포함될 수 있다.
제어부(300)는, 상기 사이클마다 선택되는 타겟 모듈을 이전 사이클에서 선택된 타겟 모듈과 중복되지 않게 선택하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(300)는 배터리 모듈의 상태를 신속하게 진단하기 위하여, 서로 다른 사이클에서 타겟 모듈을 중복하여 선택하지 않을 수 있다.
예컨대, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 제1 사이클에서 타겟 모듈로 선택된 제1 배터리 모듈(BM1)은 제2 사이클 및 제3 사이클에서 타겟 모듈로 선택되지 않을 수 있다. 이를 위해, 앞서 설명한 바와 같이, 제어부(300)는 배터리 모듈의 식별번호 또는 배터리 모듈에 설정된 플래그를 이용함으로써, 사이클마다 타겟 모듈을 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 타겟 모듈의 중복 선택을 방지하여, 배터리 모듈 전부에 대해 다양한 이상 상황을 유도할 수 있다. 따라서, 복수의 배터리 모듈 각각에 유도된 이상 상황에 기반하여, 배터리 팩(1)의 상태가 다양한 측면에서, 신속하게 진단될 수 있는 장점이 있다.
제어부(300)는, 상기 사이클마다, 상기 타겟 모듈에서 선택하는 타겟 셀의 개수를 변경시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제어부(300)는 사이클마다 타겟 모듈에서 선택하는 타겟 셀의 개수를 증가 또는 감소시키도록 구성될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 사이클이 증가할 때마다, 제어부(300)가 타겟 모듈에서 선택하는 타겟 셀의 개수를 하나씩 증가시키는 경우에 대해 설명한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 제어부(300)는 제1 사이클에서 1개의 타겟 셀을 선택하고, 제2 사이클에서 2개의 타겟 셀을 선택하고, 제3 사이클에서 3개의 타겟 셀을 선택할 수 있다. 선택되는 타겟 셀의 최대 개수는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각에 포함된 배터리 셀의 개수보다 작을 수 있다. 바람직하게, 선택되는 타겟 셀의 최대 개수는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 각각에 포함된 배터리 셀의 개수보다 하나 작을 수 있다.
예컨대, 도 5에 도시된 실시예와 같이, 제3 사이클에서 제1 배터리 모듈(BM1)에는 제1 배터리 셀(BC11)의 연결이 차단되고, 제2 배터리 모듈(BM2)에는 제1 배터리 셀(BC21) 및 제2 배터리 셀(BC22)의 연결이 차단되며, 제3 배터리 모듈(BM3)에는 제1 배터리 셀(BC31), 제2 배터리 셀(BC32) 및 제3 배터리 셀(BC33)의 연결이 차단될 수 있다.
일반적으로, 서로 다른 내부 용량을 가진 복수의 배터리 셀을 직렬로 연결하는 경우, 직렬로 연결된 배터리 모듈의 총 내부 용량은 가장 작은 내부 용량을 가진 배터리 셀에 맞춰질 수 있다. A 배터리 셀의 내부 용량이 3500[mAh]이고, B 배터리 셀의 내부 용량이 3600[mAh]이고, C 배터리 셀의 내부 용량이 3600[mAh]라고 가정한다. 이 때, A 배터리 셀, B 배터리 셀 및 C 배터리 셀을 직렬로 연결하면, 직렬로 연결된 배터리 모듈의 내부 용량은 3500[mAh]일 수 있다. 즉, 서로 다른 내부 용량을 가진 복수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 사용하면, 배터리 셀 각각의 용량을 최대로 사용할 수 없을 수 있다. 따라서, 이러한 용량적 손해를 방지하기 위하여, 일반적으로 배터리 모듈 및 배터리 팩(1)에 포함되는 배터리 셀은 동일한 생산라인을 통해 동일 시기에 제조된 배터리 셀이 이용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 배터리 모듈별로 연결이 차단되는 배터리 셀의 개수를 달리하므로, 다양하게 유도된 이상 상황에 대한 배터리 모듈의 상태 진단 결과를 신속하게 획득할 수 있는 장점이 있다.
충방전부(100)는, 상기 배터리 모듈에 구비된 복수의 배터리 셀 중 서로 연결된 배터리 셀을 방전 및 충전시키도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 2 내지 도 5에 도시된 실시예를 참조하면, 사이클이 진행됨에 따라 각각의 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 중 일부 배터리 셀의 연결이 차단될 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 실시예를 참조하면, 제1 사이클에서, 제1 배터리 모듈(BM1)에 포함된 제1 배터리 셀(BC11), 제2 배터리 셀(BC12), 제3 배터리 셀(BC13) 및 제4 배터리 셀(BC14) 중 제1 배터리 셀(BC11)의 연결이 차단될 수 있다. 따라서, 충방전부(100)는 제1 배터리 모듈(BM1)에 구비된 복수의 배터리 셀(BC11, BC12, BC13 및 BC14) 중 서로 연결된 배터리 셀(BC12, BC13 및 BC14)만을 방전 및 충전시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 서로 연결된 배터리 셀에 대한 충전 및 방전을 진행하여, 충전 및 방전 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
제어부(300)는, 상기 산출된 충전 상태 변화량이 상기 배터리 모듈에 구비된 배터리 셀의 총 개수에 기반하여 설정된 복수의 기준 범위 중 어느 범위에 속하는지에 따라 상기 배터리 모듈의 상태를 정상 상태 또는 경고 상태로 진단할 수 있다.
여기서, 복수의 기준 범위는 배터리 모듈에 구비된 배터리 셀의 개수에 따라 설정된 복수의 범위일 수 있다. 예컨대, 배터리 모듈에 배터리 셀이 4개 포함되었다면, 복수의 기준 범위는 4개의 기준 범위를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 실시예를 참조하면, 복수의 기준 범위는 제0 기준 범위, 제1 기준 범위, 제2 기준 범위, 제3 기준 범위 및 제4 기준 범위를 포함할 수 있다.
제어부(300)는 산출된 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 복수의 기준 범위 중 어느 범위에 속하는지에 따라 배터리 모듈 내에서 연결된 배터리 셀의 개수를 예측할 수 있다. 즉, 복수의 기준 범위 각각에는 인덱스 또는 레퍼런스가 설정되어 있고, 이러한 인덱스 또는 레퍼런스에는 연결이 차단된 배터리 셀의 예측 개수가 설정될 수 있다.
예컨대, 산출된 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 제0 기준 범위에 속하면, 제어부(300)는 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 0개로 예측할 수 있다. 산출된 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 제1 기준 범위에 속하면, 제어부(300)는 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 1개로 예측할 수 있다. 산출된 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 제2 기준 범위에 속하면, 제어부(300)는 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 2개로 예측할 수 있다. 산출된 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 제3 기준 범위에 속하면, 제어부(300)는 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 3개로 예측할 수 있다. 산출된 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 제4 기준 범위에 속하면, 제어부(300)는 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 4개로 예측할 수 있다.
배터리 모듈에 포함된 배터리 셀의 개수를 N이라고 할 때, 배터리 셀의 연결이 차단되는 경우의 수는 총 N+1가지일 수 있다. 예컨대, 배터리 셀이 모두 연결된 경우 및 1개 내지 N개의 배터리 셀의 연결이 차단된 경우가 포함될 수 있으며, 이러한 경우들의 총 수는 N+1개이다.
따라서, 도 2에 도시된 실시예와 같이, 배터리 모듈 내에 4개의 배터리 셀이 포함되는 경우, 복수의 기준 범위는 제0 기준 범위, 제1 기준 범위, 제2 기준 범위, 제3 기준 범위 및 제4 기준 범위가 포함될 수 있다.
그리고, 제어부(300)에 의해 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수와 예측 결과가 동일하면, 제어부(300)는 배터리 모듈의 상태를 정상 상태로 진단할 수 있다. 반대로, 제어부(300)에 의해 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수와 예측 결과가 상이하면, 제어부(300)는 배터리 모듈의 상태를 경고 상태로 진단할 수 있다.
예컨대, 도 3 내지 도 5에 도시된 실시예에서, 제0 기준 범위는 0% 이상 5% 미만이고, 제1 기준 범위는 20% 이상 30% 미만으로 설정될 수 있다. 그리고, 제2 기준 범위는 45% 이상 55% 미만이고, 제3 기준 범위는 70% 이상 80% 미만으로 설정될 수 있다. 마지막으로, 제4 기준 범위는 95% 이상 100% 이하로 설정될 수 있다.
만약, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량이 25%로 산출되었을 경우, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(25%)과 복수의 기준 범위를 비교하여, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(25%)이 제1 기준 범위에 속한다고 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 제1 기준 범위에 설정된 인덱스 또는 레퍼런스를 참조하여, 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 1개로 예측할 수 있다. 제어부(300)에 의해 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀은 제1 배터리 셀(BC11)뿐이고, 예측 결과도 1개이므로, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 상태를 정상 상태로 진단할 수 있다.
만약, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량이 45%로 산출되었을 경우를 가정하여 설명한다. 충전 상태 변화량이 이론적인 변화량보다 높게 산출되는 경우는, 제어부(300)에 의해 연결이 차단된 배터리 셀 외에, 외부 요인에 의해 연결이 차단된 다른 배터리 셀이 존재하는 경우일 수 있다. 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(45%)를 복수의 기준 범위와 비교하고, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(45%)이 제2 기준 범위에 속한다고 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 제2 기준 범위에 설정된 인덱스 또는 레퍼런스를 참조하여, 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 2개로 예측할 수 있다. 제어부(300)에 의해 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀은 제1 배터리 셀(BC11)뿐이지만, 예측 결과는 2개이므로, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 상태를 경고 상태로 진단할 수 있다.
또한, 앞선 실시예와 같이, 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀의 개수에 따라, 복수의 기준 범위 사이에는 어떠한 기준 범위에도 속하지 않는 구간이 존재할 수 있다. 예컨대, 제1 기준 범위가 20% 이상 30% 미만이고, 제2 기준 범위가 45% 이상 55% 미만일 경우, 30% 이상 45% 미만의 구간은 어떠한 기준 범위에도 속하지 않을 수 있다. 제어부(300)는 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 어떠한 기준 범위에도 속하지 않을 경우에도, 배터리 모듈의 상태를 경고 상태로 진단할 수 있다.
또한, 제어부(300)는, 진단 결과를 출력하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 디스플레이부를 더 포함하여, 진단 결과를 출력함으로써 사용자에게 제공할 수 있다. 다른 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 외부 네트워크망 또는 통신망과 연결되는 통신부를 더 포함하여, 진단 결과를 외부로 송신할 수 있다. 이 경우, 사용자는 휴대 전화 등 사용자 단말기를 통해 진단 결과를 수신하여 배터리 셀에 대한 진단 결과를 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 제어부(300)에 의해 연결이 차단된 배터리 셀의 개수와 실제로 연결이 차단된 배터리 셀의 개수에 대한 예측 결과를 서로 비교하여, 배터리 모듈의 상태를 조기에 진단할 수 있는 장점이 있다. 또한, 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 배터리 모듈마다 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 달리함으로써, 다양한 이상 상황을 유도하고, 유도된 이상 상황에 따른 배터리 모듈의 상태를 진단할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 진단 결과를 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다. 저장부는 상기 진단 결과를 저장하여, 배터리 팩(1)에 대한 진단 내역을 사용자에게 종합적으로 제공할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 배터리 모듈에 대한 진단 결과를 디스플레이부 또는 통신부를 통해 출력하기 전에, 저장부에 저장된 배터리 모듈의 상태가 경고 상태로 진단된 경고 상태 진단 횟수를 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는, 산출한 경고 상태 진단 횟수의 개수가 소정의 임계값 이상이면, 배터리 모듈에 대한 최신 진단 결과를 출력하도록 구성될 수 있다. 여기서, 소정의 임계값은 기본적으로 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)에 의해 설정될 수 있고, 사용자에 의해 변경될 수도 있다.
예컨대, 제1 배터리 모듈(BM1)에 대한 경고 상태 진단 횟수가 3회 이상이면, 제어부(300)는 저장부에 저장된 제1 배터리 모듈(BM1)에 대한 진단 결과를 출력하도록 구성될 수 있다.
제어부(300)는, 상태가 경고 상태로 진단된 배터리 모듈과 상기 배터리 팩(1) 간의 연결을 차단시킬 수 있다.
여기서, 경고 상태로 진단된 배터리 모듈은, 제어부(300)에 의해 연결이 차단된 배터리 셀의 개수와 예측 결과가 상이한 배터리 모듈일 수 있다. 예컨대, 배터리 모듈의 상태가 경고 상태로 진단되는 경우는, 배터리 모듈의 충전 상태 변화량과 복수의 기준 범위를 비교한 결과에 기반하여 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 예측한 예측 결과는 2개이지만, 제어부(300)에 의해 연결이 차단된 배터리 셀의 개수는 1개인 경우일 수 있다.
제어부(300)는 경고 상태로 진단된 배터리 모듈과 배터리 팩(1) 간의 연결을 차단하여, 정상 상태가 아닌 배터리 모듈이 배터리 팩(1)과 연결을 유지하는 것을 즉시 차단할 수 있다.
그리고, 제어부(300)는 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈을 예비 방전 라인(미도시)에 연결시킬 수 있다. 여기서, 예비 방전 라인은 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈을 방전시키기 위한 라인으로서, 방전 컨택터 및 방전 저항이 구비될 수 있다. 바람직하게, 제어부(300)는 배터리 모듈과 배터리 팩(1)의 연결이 끊어진 후, 배터리 모듈이 유휴 상태 또는 무부하 상태에 진입하기까지 소정의 시간이 흐른 뒤에 배터리 모듈과 예비 방전 라인을 연결시킬 수 있다.
또한, 제어부(300)는 소정의 시간이 지난 후 상기 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈의 충전 상태를 재추정할 수 있다.
여기서, 소정이 시간이란 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈이 배터리 모듈이 유휴 상태(idle state) 또는 무부하 상태로, 개방 전압(Open Circuit Voltage, OCV)이 측정될 수 있는 시점을 의미한다.
바람직하게, 모니터링부(200)는 배터리 모듈이 유휴 상태(idle state) 또는 무부하 상태일 때의 개방 전압(Open Circuit Voltage, OCV)을 측정할 수 있다. 즉, 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈은 제어부(300)에 의해 예비 방전 라인에 연결될 수 있으므로, 모니터링부(200)는 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈의 개방 전압을 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(300)는 모니터링부(200)에서 측정한 개방 전압에 기반하여 배터리 모듈의 충전 상태를 추정할 수 있다. 개방 전압과 충전 상태는 1 대 1 대응 관계를 갖기 때문에, 제어부(300)는 개방 전압과 충전 상태에 대한 룩업 테이블을 이용하여 배터리 모듈의 충전 상태를 추정할 수 있다. 이 경우, 개방 전압과 충전 상태에 대한 룩업 테이블은 제어부(300)의 메모리에 저장되거나, 저장부에 저장될 수 있다.
제어부(300)는, 재추정된 충전 상태를 미리 설정된 기준값과 다시 비교하여 충전 상태 변화량을 재산출할 수 있다. 그리고, 앞선 실시예와 같이, 제어부(300)는 재산출된 충전 상태 변화량을 복수의 기준 범위와 비교한 결과에 기반하여 경고 상태로 진단된 배터리 모듈의 상태를 다시 진단할 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 배터리 모듈이 충전 또는 방전되는 과정에서 추정된 충전 상태에 기반하여 배터리 모듈의 상태가 신속하게 진단될 수 있고, 추가적으로 경고 상태로 진단된 배터리 모듈의 상태가 개방 전압에 기반하여 재진단될 수 있다. 따라서, 두 단계를 거쳐 배터리 모듈의 상태가 정밀하게 진단되기 때문에, 배터리 모듈의 상태 진단의 정확도가 신뢰도 높게 향상될 수 있다.
제어부(300)는 비교 결과에 기반하여 진단 코드를 출력하도록 구성될 수 있다. 여기서, 진단 코드란 앞서 설명한 진단 결과를 코드화한 것일 수 있다. 앞선 실시예와 마찬가지로, 제어부(300)는 디스플레이부 또는 통신부를 통해서 진단 코드를 출력할 수 있다.
배터리 모듈이 충전 또는 방전되는 과정에서 추정된 충전 상태는 개방 전압에 기반하여 추정된 충전 상태보다 부정확할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)는 경고 상태로 진단된 배터리 모듈에 한하여, 개방 전압에 기반하여 상태를 다시 진단함으로써, 진단 결과에 대한 신뢰도 및 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은 상술한 본 발명에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)과 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은 배터리 팩의 상태 진단 장치(10) 이외에, 전장품(BMS, 릴레이, 퓨즈 등 구비) 및 팩 케이스 등을 더 포함할 수도 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치(10)에 의해 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법은 충방전 단계(S100), 모니터링 단계(S200), 충전 상태 추정 단계(S300), 비교 단계(S400) 및 진단 단계(S500)를 포함할 수 있다.
충방전 단계(S100)는, 사이클마다, 서로 연결된 복수의 배터리 셀이 구비된 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 방전 및 충전시키는 단계로서, 충방전부(100)에 의해 수행될 수 있다.
충방전부(100)는 매 사이클마다, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 방전 및 충전시킬 수 있다. 이 경우, 충방전부(100)는 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 중 배터리 모듈과 연결된 배터리 셀만 방전 및 충전시킬 수 있다.
모니터링 단계(S200)는 상기 충전이 완료된 배터리 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 단계로서, 모니터링부(200)에 의해 수행될 수 있다.
충전 상태 추정 단계(S300)는 상기 모니터링 단계(S200)에서 측정된 전압 또는 전류에 기반하여 상기 배터리 모듈 각각의 충전 상태를 추정하는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
제어부(300)는 전압과 충전 상태에 대한 룩업 테이블에 기반하여 배터리 모듈의 충전 상태를 추정할 수 있고, 배터리 모듈의 충전 또는 방전 시 흐르는 전류량을 적산하여 배터리 모듈의 충전 상태를 추정할 수도 있다.
충전 상태 변화량 산출 단계는 상기 배터리 모듈 각각에 대해 추정된 충전 상태와 미리 설정된 기준값을 비교한 충전 상태 변화량을 산출하는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
제어부(300)는 배터리 모듈 각각에 대해 추정된 충전 상태를 미리 설정된 기준값과 비교할 수 있다.
예컨대, 미리 설정된 기준값은 100%로 설정될 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태가 75%로 추정되었다고 가정하면, 제어부(300)는 미리 설정된 기준값과 추정된 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 간의 차이를 계산하여, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량을 25%로 산출할 수 있다.
진단 단계(S500)는, 상기 충전 상태 변화량을 산출한 결과에 기반하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
제어부(300)는, 상기 산출된 충전 상태 변화량이 상기 배터리 모듈에 구비된 배터리 셀의 총 개수에 기반하여 설정된 복수의 기준 범위 중 어느 범위에 속하는지에 따라 상기 배터리 모듈의 상태를 정상 상태 또는 경고 상태로 진단할 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예와 같이, 도 3 내지 도 5에 도시된 실시예를 참조하면, 배터리 모듈에 4개의 배터리 셀이 포함된 경우, 복수의 기준 범위는 제1 내지 제3 기준 범위를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 기준 범위는 20% 이상 30% 미만이고, 제2 기준 범위는 45% 이상 55% 미만으로 설정될 수 있다. 제3 기준 범위는 70% 이상 80% 미만으로 설정될 수 있다.
만약, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량이 25%로 산출되었을 경우, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(25%)과 복수의 기준 범위를 비교하여, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(25%)이 제1 기준 범위에 속한다고 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 실제로 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 1개로 예측할 수 있다. 제어부(300)에 의해 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀은 제1 배터리 셀(BC11)뿐이고, 예측 결과도 1개이므로, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 상태를 정상 상태로 진단할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법은 배터리 모듈 각각에 대한 충전 상태 변화량에 기반하여 배터리 모듈 각각의 상태를 진단함으로써, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩(1)의 상태를 진단할 수 있는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 충방전 단계(S100) 이전에, 타겟 모듈 선택 단계(S10), 타겟 셀 선택 단계(S20) 및 연결 차단 단계(S30)가 더 포함될 수 있다.
타겟 모듈 선택 단계(S10)는 상기 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4) 중에서 타겟 모듈을 선택하는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
제어부(300)는 사이클마다, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)에 할당된 식별번호에 기반하여 타겟 모듈을 선택하거나, 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)에 설정된 플래그에 기반하여 랜덤하게 타겟 모듈을 선택할 수 있다. 즉, 제어부(300)는 사이클마다 중복되지 않는 배터리 모듈을 타겟 모듈로 선택할 수 있다.
예컨대, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 제어부(300)는 제1 사이클에서 제1 배터리 모듈(BM1)을 타겟 모듈로 선택하고, 제2 사이클에서 제2 배터리 모듈(BM2)을 타겟 모듈로 선택하며, 제3 사이클에서 제3 배터리 모듈(BM3)을 타겟 모듈로 선택할 수 있다.
타겟 셀 선택 단계(S20)는 선택된 타겟 모듈에 구비된 복수의 배터리 셀 중 타겟 셀을 선택하는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
타겟 셀로 선택된 배터리 셀은, 해당 배터리 모듈에 포함된 나머지 배터리 셀들과의 연결이 차단될 수 있다. 제어부(300)는 타겟 모듈을 선택하는 방식과 유사하게 타겟 셀을 선택할 수 있다. 예컨대, 제어부(300)는 배터리 셀에 할당된 식별번호에 기반하여 타겟 셀을 선택하거나, 배터리 셀에 설정된 플래그에 기반하여 랜덤하게 타겟 셀을 선택할 수 있다.
또한, 선택되는 타겟 셀의 개수는 사이클이 진행될 때마다 변경될 수 있다. 바람직하게, 선택되는 타겟 셀의 개수는 사이클이 진행될 때마다 증가될 수 있다.
예컨대, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 제1 사이클에서는 1개의 타겟 셀(BC11)이 선택되고, 제2 사이클에서는 2개의 타겟 셀(BC21 및 BC22)이 선택되며, 제3 사이클에서는 3개의 타겟 셀(BC31, BC32 및 BC33)이 선택될 수 있다.
연결 차단 단계(S30)는, 상기 선택된 타겟 모듈 내에서 상기 타겟 셀과 나머지 셀 간의 연결을 차단하는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
또한, 진단 단계(S500) 이후, 사이클 비교 단계(S600)가 수행될 수 있다.
사이클 비교 단계(S600)는 현재 사이클이 기설정된 사이클과 동일한지를 비교하는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다. 여기서, 기설정된 사이클은 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법이 반복 수행되는 횟수에 관련될 수 있다. 바람직하게, 기설정된 사이클은 배터리 팩(1)에 포함된 배터리 모듈의 개수보다 작게 설정될 수 있다. 예컨대, 배터리 팩(1)에 4개의 배터리 모듈이 직렬로 연결되었다고 가정하면, 기설정된 사이클은 3으로 설정될 수 있다. 각 사이클에서, 타겟 모듈은 이전 사이클에서 선택되지 않은 배터리 모듈로 선택되기 때문에, 기설정된 사이클은 배터리 팩(1)에 포함된 배터리 모듈의 수보다 작게 설정될 수 있다.
제어부(300)는 현재 사이클과 기설정된 사이클이 동일하면, 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법을 종료하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법은 타겟 모듈 선택 단계(S10), 타겟 셀 선택 단계(S20) 및 연결 차단 단계(S30)를 통해서, 서로 연결된 배터리 셀의 개수를 달리하는 복수의 배터리 모듈(BM1, BM2, BM3 및 BM4)을 구성하도록 이상 상황을 유도할 수 있다. 따라서, 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법은 유도된 이상 상황에서의 배터리 모듈 각각의 상태를 진단함으로써, 다양한 측면에서 배터리 모듈 및 배터리 팩(1)의 상태를 진단할 수 있는 장점이 있다.
도 8은 본 발명에 또 따른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 상태 진단 방법에서, 진단 단계(S500)를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 진단 단계(S500)는, 배터리 모듈 상태 판단 단계(S510), 배터리 모듈 연결 차단 단계(S520), 충전 상태 재추정 단계(S530) 및 진단 코드 출력 단계(S540)를 포함할 수 있다. 즉, 도 6 및 도 7에 도시된 실시예에서, 비교 단계(S400) 이후에 배터리 모듈 상태 판단 단계(S510), 배터리 모듈 연결 차단 단계(S520), 충전 상태 재추정 단계(S530) 및 진단 코드 출력 단계(S540)가 수행될 수 있다.
배터리 모듈 상태 판단 단계(S510)는 상기 산출된 충전 상태 변화량이 상기 배터리 모듈에 구비된 배터리 셀의 총 개수에 기반하여 설정된 복수의 기준 범위 중 어느 범위에 속하는지에 기반하여, 상기 배터리 모듈의 상태를 정상 상태 또는 경고 상태 중 어느 하나로 판단하는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 복수의 기준 범위에 제1 기준 범위, 제2 기준 범위 및 제3 기준 범위가 포함되었다고 가정한다. 산출된 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 제1 기준 범위에 속하면, 제어부(300)는 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 1개로 예측할 수 있다. 산출된 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 제2 기준 범위에 속하면, 제어부(300)는 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 2개로 예측할 수 있다. 산출된 배터리 모듈의 충전 상태 변화량이 제3 기준 범위에 속하면, 제어부(300)는 배터리 모듈 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 3개로 예측할 수 있다.
그리고, 제어부(300)에 의해 연결이 차단된 배터리 셀의 개수와 예측 결과가 동일하면, 해당 배터리 모듈의 상태를 정상 상태로 판단할 수 있다. 반대로, 제어부(300)에 의해 연결이 차단된 배터리 셀의 개수와 예측 결과가 상이하면, 해당 배터리 모듈의 상태를 경고 상태로 판단할 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예와 같이, 도 3 내지 도 5에 도시된 실시예를 참조하면, 배터리 모듈에 4개의 배터리 셀이 포함된 경우, 복수의 기준 범위는 제1 내지 제3 기준 범위를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 기준 범위는 20% 이상 30% 미만이고, 제2 기준 범위는 45% 이상 55% 미만으로 설정될 수 있다. 제3 기준 범위는 70% 이상 80% 미만으로 설정될 수 있다.
만약, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량이 25%로 산출되었을 경우, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(25%)과 복수의 기준 범위를 비교하여, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(25%)이 제1 기준 범위에 속한다고 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 실제로 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 1개로 예측할 수 있다. 제어부(300)에 의해 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀은 제1 배터리 셀(BC11)뿐이고, 예측 결과도 1개이므로, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 상태를 정상 상태로 판단할 수 있다.
만약, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량이 45%로 산출되었을 경우를 가정하여 설명한다. 충전 상태 변화량이 이론적인 변화량보다 높게 산출되는 경우는, 제어부(300)에 의해 연결이 차단된 배터리 셀 외에, 외부 요인에 의해 연결이 차단된 다른 배터리 셀이 존재하는 경우일 수 있다. 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(45%)를 복수의 기준 범위와 비교하고, 제1 배터리 모듈(BM1)의 충전 상태 변화량(45%)이 제2 기준 범위에 속한다고 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀의 개수를 2개로 예측할 수 있다. 제어부(300)에 의해 제1 배터리 모듈(BM1) 내에서 연결이 차단된 배터리 셀은 제1 배터리 셀(BC11)뿐이지만, 예측 결과는 2개이므로, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(BM1)의 상태를 경고 상태로 판단할 수 있다.
배터리 모듈 연결 차단 단계(S520)는 상기 배터리 모듈 상태 판단 단계(S510)에서의 판단 결과, 상기 경고 상태로 판단된 배터리 모듈과 상기 배터리 팩(1) 간의 연결을 차단시키는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
제어부(300)는 경고 상태로 판단된 배터리 모듈과 배터리 팩(1) 간의 연결을 차단시킬 수 있다. 즉, 경고 상태인 배터리 모듈이 배터리 팩(1)과 계속 연결되어 충전 또는 방전되는 것이 차단될 수 있다. 따라서, 이러한 구성에 따르면, 경고 상태인 배터리 모듈의 충방전이 차단되기 때문에, 경고 상태인 배터리 모듈로부터 발생될 수 있는 과방전 또는 과충전에 의한 스웰링(Swelling), 발화, 폭발 등의 사고가 미연에 방지될 수 있는 장점이 있다.
또한, 제어부(300)는 연결이 차단된 배터리 모듈을 예비 방전 라인(미도시)에 연결시킬 수 있다.
충전 상태 재추정 단계(S530)는 상기 배터리 모듈 연결 차단 단계(S520)로부터 소정의 시간이 지난 후, 상기 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈의 충전 상태를 재추정하는 단계로서, 모니터링부(200) 및 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
여기서, 소정의 시간이 지난 시점은, 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈이 유휴 상태 또는 무부하 상태에 진입한 시점으로서, 개방 전압이 측정될 수 있는 시점을 의미한다.
소정의 시간이 지난 후, 모니터링부(200)는 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈에 대한 개방 전압을 측정할 수 있다. 즉, 배터리 팩(1)과의 연결이 차단된 배터리 모듈은 예비 방전 라인에 연결되었기 때문에, 배터리 팩(1)과의 연결이 끊어지더라도 모니터링부(200)에 의해 개방 전압이 측정될 수 있다. 바람직하게, 제어부(300)는 배터리 모듈과 배터리 팩(1)의 연결이 끊어진 후, 배터리 모듈이 유휴 상태 또는 무부하 상태에 진입하기까지 소정의 시간이 흐른 뒤에 배터리 모듈과 예비 방전 라인을 연결시킬 수 있다. 그리고, 모니터링부(200)는 배터리 모듈과 예비 방전 라인이 연결된 직후의 개방 전압을 측정할 수 있다.
제어부(300)는 모니터링부(200)에 의해 측정된 개방 전압에 기반하여 해당 배터리 모듈의 충전 상태를 재추정할 수 있다.
진단 코드 출력 단계(S540)는, 재추정된 충전 상태를 미리 결정된 기준값과 비교하고, 비교 결과에 기반하여 진단 코드를 출력하는 단계로서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
바람직하게, 진단 코드 출력 단계(S540)에서, 비교 단계(S400)가 다시 수행될 수 있다. 즉, 제어부(300)는 재추정된 충전 상태를 미리 결정된 기준값과 비교하여 충전 상태 변화량을 산출하고, 산출된 충전 상태 변화량을 복수의 기준 범위와 비교할 수 있다. 그리고, 제어부(300)는, 비교 결과에 기반하여 상기 배터리 모듈의 상태를 정상 상태 또는 경고 상태로 진단하고, 진단 코드를 출력할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 배터리 팩
10: 배터리 팩의 상태 진단 장치
100: 충방전부
200: 모니터링부
300: 제어부
BM1 내지 BM4: 제1 내지 제4 배터리 모듈
BC11 내지 BC14: 제1 배터리 모듈에 포함된 제1 내지 제4 배터리 셀
BC21 내지 BC24: 제2 배터리 모듈에 포함된 제1 내지 제4 배터리 셀
BC31 내지 BC34: 제3 배터리 모듈에 포함된 제1 내지 제4 배터리 셀
BC41 내지 BC44: 제4 배터리 모듈에 포함된 제1 내지 제4 배터리 셀

Claims (11)

  1. 복수의 사이클로, 서로 연결된 복수의 배터리 셀이 구비된 복수의 배터리 모듈을 방전 및 충전시키도록 구성된 충방전부;
    상기 사이클마다, 충전이 완료된 복수의 배터리 모듈의 전압 또는 전류를 측정하도록 구성된 모니터링부; 및
    상기 사이클마다, 상기 복수의 배터리 모듈에 구비되어 서로 연결된 배터리 셀의 개수를 변경하고, 상기 모니터링부로부터 측정된 상기 복수의 배터리 모듈의 전압 또는 전류에 대한 측정값을 수신하고, 수신한 측정값에 기반하여 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 충전 상태를 추정하고, 상기 복수의 배터리 모듈 각각에 대해 추정된 충전 상태와 미리 설정된 기준값을 비교하여 충전 상태 변화량을 산출하며, 산출된 충전 상태 변화량 및 상기 변경된 배터리 셀의 개수에 기반하여 상기 복수의 배터리 모듈의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 사이클마다, 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 타겟 모듈을 선택하고, 선택된 타겟 모듈에 구비된 복수의 배터리 셀 중 타겟 셀을 선택하고, 상기 선택된 타겟 모듈 내에서 상기 타겟 셀과 나머지 셀 간의 연결을 차단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 사이클마다 선택되는 타겟 모듈을 이전 사이클에서 선택된 타겟 모듈과 중복되지 않게 선택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 사이클마다, 상기 타겟 모듈에서 선택하는 타겟 셀의 개수를 변경시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 충방전부는,
    상기 배터리 모듈에 구비된 복수의 배터리 셀 중 서로 연결된 배터리 셀을 방전 및 충전시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 충전 상태 변화량이 상기 배터리 모듈에 구비된 배터리 셀의 총 개수에 기반하여 설정된 복수의 기준 범위 중 어느 범위에 속하는지에 따라 상기 배터리 모듈의 상태를 정상 상태 또는 경고 상태로 진단하고, 진단 결과를 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상태가 경고 상태로 진단된 배터리 모듈과 상기 배터리 팩 간의 연결을 차단시키고, 소정의 시간이 지난 후 상기 배터리 팩과의 연결이 차단된 배터리 모듈의 충전 상태를 재추정하고, 재추정된 충전 상태를 미리 결정된 기준값과 비교하고, 비교 결과에 기반하여 진단 코드를 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩의 상태 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  9. 사이클마다, 서로 연결된 복수의 배터리 셀이 구비된 복수의 배터리 모듈을 방전 및 충전시키는 충방전 단계;
    상기 충전이 완료된 배터리 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 모니터링 단계;
    상기 모니터링 단계에서 측정된 전압 또는 전류에 기반하여 상기 배터리 모듈 각각의 충전 상태를 추정하는 충전 상태 추정 단계;
    상기 배터리 모듈 각각에 대해 추정된 충전 상태와 기설정된 기준값을 비교한 충전 상태 변화량을 산출하는 충전 상태 변화량 산출 단계; 및
    상기 충전 상태 변화량을 산출한 결과에 기반하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 충방전 단계 이전에,
    상기 복수의 배터리 모듈 중에서 타겟 모듈을 선택하는 타겟 모듈 선택 단계;
    선택된 타겟 모듈에 구비된 복수의 배터리 셀 중 타겟 셀을 선택하는 타겟 셀 선택 단계; 및
    상기 선택된 타겟 모듈 내에서 상기 타겟 셀과 나머지 셀 간의 연결을 차단하는 연결 차단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 진단 단계는,
    상기 산출된 충전 상태 변화량이 상기 배터리 모듈에 구비된 배터리 셀의 총 개수에 기반하여 설정된 복수의 기준 범위 중 어느 범위에 속하는지에 기반하여, 상기 배터리 모듈의 상태를 정상 상태 또는 경고 상태 중 어느 하나로 판단하는 배터리 모듈 상태 판단 단계;
    상기 배터리 모듈 상태 판단 단계에서의 판단 결과, 상기 경고 상태로 판단된 배터리 모듈과 상기 배터리 팩 간의 연결을 차단시키는 배터리 모듈 연결 차단 단계;
    상기 배터리 모듈 연결 차단 단계로부터 소정의 시간이 지난 후, 상기 배터리 팩과의 연결이 차단된 배터리 모듈의 충전 상태를 재추정하는 충전 상태 재추정 단계; 및
    재추정된 충전 상태를 미리 결정된 기준값과 비교하고, 비교 결과에 기반하여 진단 코드를 출력하는 진단 코드 출력 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 상태 진단 방법.
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