KR20210074003A - 배터리 퇴화도 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치는 방전 및 충전이 진행되는 복수의 사이클마다, 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하고, 측정된 복수의 전압에 대한 복수의 전압 정보를 출력하도록 구성된 측정부; 및 상기 복수의 전압 정보를 수신하고, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 기준 전압을 기초로 각 배터리 셀에 대한 사이클별 전압 편차를 산출하고, 산출된 전압 편차에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀별로 소정의 조건을 만족하는 사이클 구간을 선택하고, 선택된 복수의 사이클 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 변화율을 산출하고, 산출된 복수의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도를 진단하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 퇴화도 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING DEGENERACY OF BATTERY}
본 발명은 배터리 퇴화도 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 배터리 셀의 퇴화도를 정확하고 신속하게 진단할 수 있는 배터리 퇴화도 진단 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, 이러한 배터리는 충전 및 방전을 거듭하면서 용량(Capacity)가 점차 저하되기 때문에, 배터리의 용량 저하에 의해 예상치 못한 사고가 발생될 위험이 있다. 따라서, 배터리의 수명 또는 퇴화도를 추정하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
종래에는 배터리의 건강 상태(State of Charge, SOH)를 추정하여, 배터리의 남은 수명을 추정하는 배터리 수명 추정 방법 또는 장치가 개시되었다(특허문헌 1).
다만, 특허문헌 1은 배터리가 충전될 때의 전압 상승량을 측정하여 배터리의 건강 상태를 추정하고, 통계적 기법(예컨대, 파티클 필터)를 이용하여 추정된 건강 상태로부터 배터리의 잔여 수명을 산정하기 때문에, 배터리의 잔여 수명 또는 퇴화도를 진단하기 위해 상당한 시간이 소요되는 문제가 있다.
KR 10-1882287 B1
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 셀의 측정 전압에 기반하여, 배터리 셀의 퇴화도를 신속하고 정확하게 진단할 수 있는 배터리 퇴화도 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 퇴화도 진단 장치는 방전 및 충전이 진행되는 복수의 사이클마다, 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하고, 측정된 복수의 전압에 대한 복수의 전압 정보를 출력하도록 구성된 측정부; 및 상기 복수의 전압 정보를 수신하고, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 기준 전압을 기초로 각 배터리 셀에 대한 사이클별 전압 편차를 산출하고, 산출된 전압 편차에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀별로 소정의 조건을 만족하는 사이클 구간을 선택하고, 선택된 복수의 사이클 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 변화율을 산출하고, 산출된 복수의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도를 진단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 측정부는, 상기 복수의 배터리 셀의 방전이 종료되고 소정의 시간이 경과된 측정 시점에서의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 각 배터리 셀의 최초 사이클에서 측정된 전압을 상기 기준 전압으로 설정하고, 상기 각 배터리 셀의 각 사이클마다 측정된 셀 전압과 상기 기준 전압 간의 차이를 산출하여 상기 전압 편차를 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 소정의 조건은, 상기 산출된 전압 편차가 증가하기 시작하는 조건으로 설정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 소정의 조건에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 사이클 중에서 상기 산출된 전압 편차가 증가하기 시작하는 사이클부터 마지막 사이클까지를 상기 사이클 구간으로 선택하도록 구성될 수 있다.
상기 소정의 조건은, 최초 사이클로부터 미리 설정된 사이클 이후의 사이클로 설정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 소정의 조건에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 사이클 중에서 상기 최초 사이클로부터 상기 미리 설정된 사이클 이후의 복수의 사이클을 상기 사이클 구간으로 선택하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 선택된 복수의 사이클 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 평균 변화율을 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대해 산출된 평균 변화율을 서로 비교하여, 상기 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 산출된 전압 편차의 변화율이 클수록 배터리 퇴화도가 큰 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 선택된 복수의 사이클을 복수의 단위 구간으로 구획하고, 구획된 복수의 단위 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 평균 구간 변화율을 산출하고, 동일한 단위 구간에 대응하여 산출된 평균 구간 변화율끼리 비교한 결과에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 상기 복수의 단위 구간 각각에서의 상대적 퇴화도를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀 중 타겟 셀을 선정하고, 선정된 타겟 셀에 대응되는 복수의 사이클을 복수의 단위 구간으로 구획하고, 구획된 복수의 단위 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 평균 구간 변화율을 산출하고, 산출된 평균 구간 변화율을 비교한 결과에 기반하여 상기 타겟 셀의 퇴화 가속 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 사이클이 진행될수록 상기 평균 구간 변화율이 커지면, 상기 타겟 셀의 퇴화가 가속되고 있는 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 퇴화도 진단 방법은 방전 및 충전이 진행되는 복수의 사이클마다, 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 상기 복수의 배터리 셀 각각의 기준 전압을 기초로 각 배터리 셀에 대한 사이클별 전압 편차를 산출하는 전압 편차 산출 단계; 상기 전압 편차 산출 단계에서 산출된 전압 편차에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀별로 소정의 조건을 만족하는 사이클 구간을 선택하는 사이클 구간 선택 단계; 선택된 복수의 사이클 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 변화율을 산출하는 변화율 산출 단계; 및 산출된 복수의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도를 진단하는 퇴화도 진단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 측정된 전압값에 기반하여 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도가 진단할 수 있기 때문에, 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도가 정확하고 신속하게 진단될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 건강 상태가 추정되지 않더라도, 빠른 시간 내에 복수의 배터리 셀에 대한 성능 우위가 비교 진단될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀의 퇴화 원인을 추정하는데 필요한 정보가 제공되기 때문에, 사용자가 배터리 셀의 교체 시기 또는 배터리 셀의 충방전 조건 등을 결정하는데 도움이 될 수 있는 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 퇴화도 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치를 포함하는 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치를 포함하는 배터리 팩의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치를 포함하는 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 셀의 전압 편차를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치를 포함하는 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 셀의 Cycle retention을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치를 포함하는 다른 배터리 팩의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치를 포함하는 다른 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 셀의 전압 편차를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치를 포함하는 다른 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 셀의 Cycle retention을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 방법을 개략적으로 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 퇴화도 진단 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩(1)은 배터리 모듈(10) 및 배터리 퇴화도 진단 장치(100)를 포함할 수 있다.
여기서, 배터리 모듈(10)에는 하나 이상의 배터리 셀(B)이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 구비될 수 있다. 그리고, 배터리 셀(B)은, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 또는 원통형 셀이 배터리 셀로 간주될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 배터리 팩(1)에는 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)이 구비된 배터리 모듈(10)이 포함될 수 있다.
이하에서는, 배터리 팩(1)에 포함된 배터리 모듈(10)에 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)이 포함된 것으로 설명한다. 다만, 배터리 모듈(10)에는 하나 이상의 배터리 셀이 구비되면 족하고, 구비될 수 있는 배터리 셀의 개수에는 제한이 없음을 유의한다.
도 1을 참조하면, 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 측정부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 방전 및 충전이 진행되는 복수의 사이클마다, 복수의 배터리 셀(B1 및 B2) 각각의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 측정부(110)는 복수의 배터리 셀(B1 및 B2) 중 적어도 하나 이상의 전압을 측정할 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1), 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리 모듈(10)과 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제2 센싱 라인(SL2)을 통해서 제1 배터리 셀(B1)의 전압을 측정할 수 있다. 또한, 측정부(110)는 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 제2 배터리 셀(B2)의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)는 한 사이클마다 복수의 배터리 셀(B1 및 B2) 각각의 전압을 측정할 수 있다.
예컨대, 복수의 배터리 셀(B1 및 B2)의 충전 및 방전이 총 200 사이클 동안 수행되었다고 가정한다. 측정부(110)는 제1 사이클 내지 제200 사이클 각각에서 복수의 배터리 셀(B1 및 B2)의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)는 측정된 복수의 전압에 대한 복수의 전압 정보를 출력하도록 구성될 수 있다.
측정부(110)는 복수의 센싱 라인(SL1 내지 SL3)을 이용하여 측정한 복수의 배터리 셀(B1 및 B2)의 전압을 디지털 신호의 형태로 변환할 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 변환한 디지털 신호를 출력함으로써, 측정한 전압 정보를 출력할 수 있다.
제어부(120)는 상기 복수의 전압 정보를 수신하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(120)는 측정부(110)로부터 수신한 디지털 신호를 판독하여, 측정부(110)에 의해 측정된 복수의 배터리 셀(B1 및 B2)에 대한 전압 정보를 획득할 수 있다.
도 3을 참조하면, 측정부(110)와 제어부(120)는 유선 라인을 통해서 서로 연결될 수 있다. 즉, 측정부(110)와 제어부(120)는 유선 라인을 통해서 서로 신호를 송수신하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 측정부(110)가 제1 사이클 내지 제200 사이클 각각에서 측정한 복수의 배터리 셀(B1 및 B2) 각각의 전압 정보를 제어부(120)에게 송신하였다고 가정한다. 이 경우, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(B1 및 B2) 각각에 대하여, 제1 사이클에서의 전압 정보부터 제200 사이클에서의 전압 정보를 모두 획득할 수 있다.
제어부(120)는 상기 복수의 배터리 셀(B1 및 B2) 각각의 기준 전압을 기초로 각 배터리 셀에 대한 사이클별 전압 편차를 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 다음의 수학식을 이용하여 각 배터리 셀에 대한 사이클별 전압 편차를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
△V = Vn - Vref
여기서, △V는 산출된 전압 편차[mV]이고, Vn은 제n 사이클에서 측정된 전압[mV]이고, Vref는 기준 사이클에서 측정된 기준 전압[mV]이고, n은 양의 정수이다.
예컨대, 기준 사이클이 제1 사이클일 경우, 기준 전압(Vref)은 제1 사이클에서 측정된 전압일 수 있다. 즉, 제어부(120)는 제1 사이클에서 측정된 전압을 기준으로, 제1 사이클에서 측정된 기준 전압(Vref)과 제n 사이클에서 측정된 전압(Vn) 간의 전압 편차(△V)를 산출할 수 있다. 이 경우, 제어부(120)는 제1 사이클 내지 제n 사이클에서의 복수의 배터리 셀(B1 및 B2)의 퇴화도를 진단할 수 있다.
이하에서는, 도 3의 실시예에서, 제어부(120)가 복수의 배터리 셀(B1 및 B2) 각각에 대해 산출한 전압 편차의 예시를 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)가 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)에 대해 산출한 전압 편차[mV]를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 4에는 제1 사이클 내지 제270 사이클에서 산출된 제1 배터리 셀(B1)의 전압 편차와 제1 사이클 내지 제400 사이클에서 산출된 제2 배터리 셀(B2)의 전압 편차가 도시되었다.
도 4를 참조하면, 제n 사이클에서 측정된 배터리 셀의 전압에 따라 전압 편차가 0, 양수 또는 음수로 산출될 수 있다. 바람직하게, 도 4의 실시예에서, 기준 사이클은 제1 사이클일 수 있다. 즉, 상기 수학식 1을 참조하면 전압 편차를 산출할 때 기준 사이클에서 측정된 배터리 셀의 전압이 기준이 되기 때문에, 제1 사이클에서의 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)의 전압 편차는 모두 0으로 동일할 수 있다.
또한, 기준 전압은, 복수의 배터리 셀(B1 및 B2)마다 서로 상이하게 측정될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀(B1 및 B2)의 퇴화도에 따라서 기준 전압이 서로 상이하게 설정될 수 있다.
제어부(120)는, 산출된 전압 편차에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀(B1, B2)별로 소정의 조건을 만족하는 사이클 구간을 선택하도록 구성될 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 선택된 복수의 사이클 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 변화율을 산출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 전압 편차의 변화율이란 선택된 복수의 사이클 구간의 평균 변화율일 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2) 각각에 대해 제1 사이클 내지 제200 사이클이 선택되었다고 가정한다. 이 경우, 제1 배터리 셀(B1)에 대한 전압 편차의 변화율은 제1 사이클 내지 제200 사이클의 전압 편차에 대한 평균 변화율일 수 있다. 또한, 제2 배터리 셀(B2)에 대한 전압 편차의 변화율은 제1 사이클 내지 제200 사이클의 전압 편차에 대한 평균 변화율일 수 있다.
제어부(120)는 산출된 복수의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도를 진단하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 산출된 전압 편차의 변화율의 대소를 비교할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 산출된 전압 편차의 변화율이 클수록 상대적 퇴화도가 큰 것으로 진단할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 산출된 전압 편차의 변화율이 클수록 복수의 배터리 셀(B1, B2) 중에서 상대적으로 더 퇴화된 배터리 셀로 진단할 수 있다.
예컨대, 배터리 셀의 퇴화 또는 열화에 의해 배터리 셀의 내부 저항이 증가한 경우, 상대적으로 더 많이 퇴화된 배터리 셀의 개방 전압은 상대적으로 조금 퇴화된 배터리 셀의 개방 전압보다 클 수 있다. 따라서, 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 전압 편차의 변화율의 크기를 비교함으로써, 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 상대적 퇴화도를 정확하게 진단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)에 구비된 복수의 배터리 셀의 Cycle retention을 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 5는 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)의 온도가 45℃일 때의 Cycle retention을 도시한 도면이다.
도 5의 실시예에서, 제1 배터리 셀(B1)의 Cycle retention은 제200 사이클 이후에 급격하게 감소될 수 있다. 즉, 제200 사이클 이후의 사이클에서의 Cycle retention을 참조하면, 제1 배터리 셀(B1)이 제2 배터리 셀(B2)보다 더 퇴화된 셀임을 알 수 있다.
다만, 도 5의 실시예에서, 제1 사이클 내지 제200 사이클에서의 Cycle retention만 비교하면, 제2 배터리 셀(B2)이 제1 배터리 셀(B1)보다 더 퇴화된 것으로 잘못 진단될 수 있다. 또한, 도 5의 실시예만 참조하면, 제200 사이클 이후의 사이클에서 제1 배터리 셀(B1)의 Cycle retention이 급격하게 감소할 것이라는 점이 예측될 수 없다.
예컨대, 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)에 대해서 제200 사이클까지만 충전 및 방전이 수행되었다고 가정하면, Cycle retention에 기반해서는 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2) 간의 상대적 퇴화도가 잘못 진단될 수 있다. 즉, 제200 사이클까지의 Cycle retention에 기반하여 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2) 간의 상대적 퇴화도를 비교하면, 제200 사이클 이후의 제1 배터리 셀(B1)의 퇴화도는 전혀 고려되지 않는 문제가 있다. 따라서, 도 5의 실시예에 따른 Cycle retention을 통해서는 제200 사이클 이후에서 제1 배터리 셀(B1)이 제2 배터리 셀(B2)보다 더 퇴화될 수 있다는 점이 전혀 예상될 수 없다.
하지만, 도 4의 실시예에서, 제1 배터리 셀(B1)과 제2 배터리 셀(B2)의 제1 사이클 내지 제200 사이클에서의 전압 편차의 변화율을 비교하면, 제1 배터리 셀(B1)의 전압 편차의 변화율이 제2 배터리 셀(B2)의 전압 편차의 변화율보다 큰 것을 알 수 있다. 즉, 도 4의 실시예와 같이, 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 전압 편차의 변화율이 비교되면, 적은 사이클 동안 충전 및 방전을 수행하더라도 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 상대적 퇴화도가 정확하게 진단될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 Cycle retention에 의존하지 않고, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 편차의 변화율을 비교함으로써, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 보다 정확하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
또한, 배터리 퇴화도 진단 장치(100)에 따르면, 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 충전 및 방전 사이클이 동일하게 수행되지 않더라도, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도가 진단될 수 있는 장점이 있다. 이는 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도가 진단될 수 있기 때문이다.
나아가, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 예상 수명까지 예측될 수 있다.
일반적으로 배터리 셀의 수명은 직접 측정 또는 진단될 수 없기 때문에, 배터리 셀의 퇴화를 고려하여 배터리 셀의 예상 수명은 배터리 셀의 성능을 유지시키고, 교체 시기를 정할 수 있다는 측면에서 매우 중요한 요인이다.
하지만, 도 5의 실시예 따르면, Cycle retention에만 의존하여서는 배터리 셀의 예상 수명이 정확하게 예측될 수 없는 문제가 있다. 반면, 도 4의 실시예 따르면, 배터리 셀 각각의 전압 편차의 변화율에 기반하여 배터리 셀 각각의 예상 수명이 용이하게 예측될 수 있다.
예컨대, 도 4 및 도 5의 실시예에서, 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)이 제200 사이클까지만 충전 및 방전이 수행되었다고 가정한다.
도 5에 따르면, 제200 사이클 이후에도 제2 배터리 셀(B2)의 Cycle retention이 제1 배터리 셀(B1)의 Cycle retention보다 작을 것이라고 예측될 수 있다. 즉, 도 5에 따르면, 제200 사이클 이후에도 제2 배터리 셀(B2)의 퇴화도가 제1 배터리 셀(B1)의 퇴화도보다 크다고 잘못 예측될 수 있다.
반면, 도 4에 따르면, 제1 배터리 셀(B1)의 전압 편차의 변화율이 제2 배터리 셀(B2)의 전압 편차의 변화율보다 월등히 크기 때문에, 제1 배터리 셀(B1)이 제2 배터리 셀(B2)보다 더 퇴화될 것이라는 점이 정확하게 예측될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 복수의 배터리 셀 간의 상대적 퇴화도 진단뿐만 아니라, 복수의 배터리 셀 각각의 예상 수명까지 예측할 수 있는 정보(전압 편차의 변화율)를 제공할 수 있는 장점이 있다.
한편, 배터리 퇴화도 진단 장치(100)에 구비된 제어부(120)는 본 발명에서 수행되는 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(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 제어부(120)가 배터리 셀의 퇴화도를 진단하는데 필요한 프로그램 및 데이터 등을 저장할 수 있다. 즉, 저장부(130)는 배터리 퇴화도 진단 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(130)는 제어부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)가 수신한 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 전압 정보는 저장부(130)에 저장될 수 있다.
상기 측정부(110)는, 상기 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 방전이 종료되고 소정의 시간이 경과된 측정 시점에서의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 측정부(110)는 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 방전이 종료된 후, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각이 유휴 상태일 때의 개방 전압(Open circuit voltage)을 측정할 수 있다.
즉, 측정부(110)는 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 내부 저항에 따른 측정 오차를 줄이기 위하여, 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 개방 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 편차의 변화율에 기반하여 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 진단할 수 있다. 만약, 측정부(110)에 의해 측정된 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 정보에 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 내부 저항에 의한 오차가 존재하면, 제어부(120)에 의해 진단되는 상대적 퇴화도는 정확하지 않을 수 있다.
따라서, 측정부(110)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각이 유휴 상태일 때, 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 개방 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 각 배터리 셀의 최초 사이클에서 측정된 전압을 상기 기준 전압으로 설정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 최초 사이클이란 제1 사이클을 의미할 수 있다.
복수의 배터리 셀(B1, B2)은 제조 과정에서 영향을 받을 수 있는 여러 요인에 의해 사양이 완벽하게 동일하지는 않을 수 있다. 따라서, 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 기준 전압을 임의의 전압으로 동일하게 설정할 경우, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 상태를 보다 정확하게 반영할 수 없는 문제가 있다. 이 경우, 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 전압 편차의 변화율이 정확하게 산출되지 않기 때문에, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도가 잘못 진단될 수 있다.
따라서, 제어부(120)는, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각에 대해 최초 사이클에서 측정된 전압을 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 기준 전압으로 설정할 수 있다. 이 경우, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 기준 전압은 서로 상이할 수도 있다.
또한, 제어부(120)는 상기 각 배터리 셀의 각 사이클마다 측정된 셀 전압과 상기 기준 전압 간의 차이를 산출하여 상기 전압 편차를 산출하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각에 설정된 기준 전압에 기반하여, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각에 대한 전압 편차를 산출할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 복수의 배터리 셀(B1, B2)에 대하여 임의의 기준 전압이 동일하게 설정될 경우, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 편차의 변화율에는 최초 사이클에서의 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 정보가 반영되지 않은 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각에 대한 기준 전압을 설정함으로써, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 보다 정확하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
상기 소정의 조건은, 상기 산출된 전압 편차가 증가하기 시작하는 조건으로 설정될 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 소정의 조건에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 사이클 중에서 상기 산출된 전압 편차가 증가하기 시작하는 사이클부터 마지막 사이클까지를 상기 사이클 구간으로 선택하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각에 대해 선택되는 사이클 구간은 서로 상이할 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제1 배터리 셀(B1)은 제1 사이클부터 제25 사이클까지는 전압 편차가 감소하지만, 제26 사이클 이후부터는 전압 편차가 증가할 수 있다. 또한, 제2 배터리 셀(B2)은 제1 사이클부터 제10 사이클까지는 전압 편차가 감소하지만, 제11 사이클 이후부터는 전압 편차가 증가할 수 있다. 이 경우, 제어부(120)는 제1 배터리 셀(B1)에 대해서는 제26 사이클부터 제270 사이클까지를 상기 사이클 구간으로 선택하고, 제2 배터리 셀(B2)에 대해서는 제11 사이클부터 제400 사이클까지를 상기 사이클 구간으로 선택할 수 있다.
바람직하게, 일반적으로 배터리 셀의 가용 리튬의 감소를 통해 배터리 셀의 퇴화도가 진단될 수 있다. 이러한 가용 리튬의 감소는 리튬 이온이 음극 표면에 석출되는 리튬 플레이팅 현상에 의해 발생될 수 있다. 즉, 리튬 플레이팅에 의한 가용 리튬의 감소는 배터리 셀의 퇴화도를 진단하는데 중요한 요인이 될 수 있다.
반면, 배터리 셀의 초기 사이클에서는 배터리 셀의 양극 활물질에 미세한 크랙이 발생하면서 양극 용량이 증가되는 현상이 발생될 수 있다. 양극 용량이 증가되면, 리튬 플레이팅 현상에 따른 가용 리튬이 감소되는 정도가 정확하게 진단되지 않을 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서 제1 배터리 셀(B1)은 제1 사이클부터 제25 사이클까지는 전압 편차가 감소하고, 제2 배터리 셀(B2)은 제1 사이클부터 제10 사이클까지는 전압 편차가 감소하는 원인이 이러한 양극 활물질에 발생되는 크랙 때문일 수 있다.
따라서, 제어부(120)는 도 4의 실시예에서, 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2) 각각에서 전압 편차의 변화율을 산출하는 사이클 구간을 선택할 때, 전압 편차가 감소하는 사이클 구간을 제외함으로써, 가용 리튬의 감소에 따른 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 진단할 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제1 배터리 셀(B1)의 제26 사이클 내지 제270 사이클의 전압 편차의 변화율은 0.67일 수 있다. 그리고, 제2 배터리 셀(B2)의 제11 사이클 내지 제400 사이클의 전압 편차의 변화율은 0.22일 수 있다. 제어부(120)는 산출한 전압 편차의 변화율을 비교함으로써, 제1 배터리 셀(B1)이 제2 배터리 셀(B2)보다 더 퇴화되었다고 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 양극 활물질에 크랙이 발생되는 구간을 퇴화도 진단의 대상이 되는 사이클 구간에서 제외시킴으로써, 가용 리튬의 감소에 따른 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 보다 정확하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)를 포함하는 다른 배터리 팩(2)의 예시적 구성을 도시한 도면이다. 도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)를 포함하는 다른 배터리 팩(2)에 구비된 복수의 배터리 셀의 전압 편차를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 배터리 팩(2)에는 제1 배터리 셀(Ba), 제2 배터리 셀(Bb) 및 제3 배터리 셀(Bc)이 포함된 배터리 모듈(10)이 포함될 수 있다.
도 7 및 도 8의 실시예에서, 제1 배터리 셀(Ba) 및 제2 배터리 셀(Bb)은 제1 사이클 내지 제20 사이클에서 전압 편차가 감소할 수 있다. 도 9의 실시예에서, 제3 배터리 셀(Bc)은 제1 사이클부터 제1 배터리 셀(Ba) 및 제2 배터리 셀(Bb)과 같이 전압 편차가 감소하지 않을 수 있다.
예컨대, 제1 배터리 셀(Ba)의 제21 사이클 이후의 전압 편차의 변화율은 0.776이고, 제2 배터리 셀(Bb)의 제21 사이클 이후의 전압 편차의 변화율은 1.14이며, 제3 배터리 셀(Bc)의 제1 사이클 이후의 전압 편차의 변화율은 0.769일 수 있다.
제어부(120)는 제1 배터리 셀(Ba), 제2 배터리 셀(Bb) 및 제3 배터리 셀(Bc) 간의 전압 편차의 변화율을 비교함으로써, 제2 배터리 셀(Bb)이 가장 퇴화되었고, 제3 배터리 셀(Bc)이 가장 덜 퇴화되었다고 진단할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)를 포함하는 다른 배터리 팩(2)에 구비된 복수의 배터리 셀의 Cycle retention을 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 10은 제1 배터리 셀(Ba), 제2 배터리 셀(Bb) 및 제3 배터리 셀(Bc)의 온도가 45℃일 때의 Cycle retention을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하더라도, 복수의 배터리 셀(Ba, Bb, Bc)의 퇴화가 제3 배터리 셀(Bc), 제1 배터리 셀(Ba) 및 제2 배터리 셀(Bb) 순으로 많이 진행된 것을 알 수 있다.
따라서, 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 복수의 배터리 셀(Ba, Bb, Bc)에 대한 Cycle retention을 구하지 않더라도, 복수의 배터리 셀(Ba, Bb, Bc) 각각의 전압 편차의 변화율을 산출함으로써, 복수의 배터리 셀(Ba, Bb, Bc) 간의 상대적 퇴화도를 신속하고 정확하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
상기 소정의 조건은, 최초 사이클로부터 미리 설정된 사이클 이후의 사이클로 설정될 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 소정의 조건에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 사이클 중에서 상기 최초 사이클로부터 상기 미리 설정된 사이클 이후의 복수의 사이클을 상기 사이클 구간으로 선택하도록 구성될 수 있다.
위의 실시예와 달리, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 진단하는 대상이 되는 사이클 구간을 미리 설정된 사이클 이후의 사이클 구간으로 선택할 수도 있다.
예컨대, 상기 소정의 조건은 상기 사이클 구간을 제1 사이클로부터 제100 사이클 이후부터 선택하는 조건일 수 있다. 즉, 제어부(120)는 제111 사이클부터 사이클 구간을 선택할 수 있다.
이러한 소정의 조건에 따라 사이클 구간이 선택될 경우, 상기 소정의 조건에 해당하는 사이클 구간에서의 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도가 진단될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 미리 설정된 사이클에 기반하여 선택된 사이클 구간에 대해서 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 진단할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)가 소정의 사이클 구간에서 복수의 배터리 셀 간의 상대적 퇴화도를 비교하는 실시예를 설명한다.
상기 제어부(120)는, 상기 선택된 복수의 사이클을 복수의 단위 구간으로 구획하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제1 배터리 셀(B1)은 제270 사이클까지 충전 및 방전이 진행되었고, 제2 배터리 셀(B2)은 제400 사이클까지 충전 및 방전이 진행되었다고 가정한다. 제어부(120)는 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)에 대하여 제1 사이클부터 50 사이클씩 복수의 단위 구간으로 구획할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 제1 사이클 내지 제50 사이클을 제1 단위 구간, 제51 사이클 내지 제100 사이클을 제2 단위 구간, 제101 사이클 내지 제150 사이클을 제3 단위 구간으로 설정할 수 있다. 이러한 방식으로, 제어부(120)는 제1 배터리 셀(B1)에 대해서는 제1 내지 제6 단위 구간으로 구획하고, 제2 배터리 셀(B2)에 대해서는 제1 내지 제8 단위 구간으로 구획할 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 구획된 복수의 단위 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 평균 구간 변화율을 산출하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예에서, 제어부(120)는 제1 배터리 셀(B1)의 제1 내지 제6 단위 구간 각각에 대한 전압 편차의 평균 구간 변화율을 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 제2 배터리 셀(B2)의 제1 내지 제8 단위 구간 각각에 대한 전압 편차의 평균 구간 변화율을 산출할 수 있다.
제어부(120)는 동일한 단위 구간에 대응하여 산출된 평균 구간 변화율끼리 비교한 결과에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 상기 복수의 단위 구간 각각에서의 상대적 퇴화도를 진단하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(120)는 제1 배터리 셀(B1)과 제2 배터리 셀(B2)의 동일한 단위 구간 각각에 대하여, 산출된 평균 구간 변화율을 비교함으로써, 해당 단위 구간에 대한 상대적 퇴화도를 진단할 수 있다.
바람직하게, 제1 배터리 셀(B1)과 제2 배터리 셀(B2)의 제1 단위 구간에서는 전압 편차가 감소하는 영역이 존재하기 때문에, 제어부(120)는 제1 배터리 셀(B1)과 제2 배터리 셀(B2)의 제1 단위 구간에 대해서는 상대적 퇴화도 진단을 생략할 수 있다. 다만, 보다 바람직하게, 제어부(120)는 제1 배터리 셀(B1)과 제2 배터리 셀(B2)의 제1 단위 구간에서는, 전압 편차가 증가하는 구간에서의 전압 편차의 평균 구간 변화율을 비교할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 제1 단위 구간에서의 제1 배터리 셀(B1)과 제2 배터리 셀(B2) 간의 상대적 퇴화도를 비교할 수 있다.
제어부(120)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도의 차이가 증가하는 단위 구간을 확인할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 단위 구간마다 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 가용 리튬이 감소되는 정도를 비교함으로써, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 보다 다양한 측면에서 비교할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 단위 구간 별로 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 진단함으로써, 단위 구간 별로 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 퇴화 진행 정도를 서로 비교할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)가 각각의 배터리 셀의 퇴화 가속 여부를 진단하는 실시예에 대해 설명한다. 구체적으로, 이하에서는 제어부(120)가 하나의 배터리 셀에 대해서 퇴화가 가속되는 단위 구간을 진단할 수 있는 실시예에 대해 설명한다.
상기 제어부(120)는, 상기 복수의 배터리 셀(B1, B2) 중 타겟 셀을 선정하도록 구성될 수 있다.
타겟 셀은 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각에 대해서 순차적으로 설정될 수 있으며, 외부 입력에 따른 설정에 의해서 특정한 배터리 셀이 상기 타겟 셀로 선정될 수도 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제어부(120)가 제2 배터리 셀(B2)을 타겟 셀로 선정하였다고 가정한다.
제어부(120)는 선정된 타겟 셀에 대응되는 복수의 사이클을 복수의 단위 구간으로 구획하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어부(120)는 구획된 복수의 단위 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 평균 구간 변화율을 산출하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 앞선 실시예와 같이 제어부(120)는 제2 배터리 셀(B2)에 대한 복수의 사이클을 50 사이클씩 복수의 단위 구간으로 구획할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 제2 배터리 셀(B2)에 대한 복수의 단위 구간 간의 평균 구간 변화율을 서로 비교할 수 있다. 이 경우에도, 제어부(120)는 제2 배터리 셀(B2)의 전압 편차가 감소하는 구간이 포함된 제1 단위 구간은 복수의 단위 구간 간의 평균 구간 변화율을 비교할 때 제외할 수 있다.
제어부(120)는 산출된 평균 구간 변화율을 비교한 결과에 기반하여 상기 타겟 셀의 퇴화 가속 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
즉, 타겟 셀의 복수의 단위 구간 각각의 평균 구간 변화율이 서로 비교되면, 타겟 셀의 퇴화가 가장 많이 진행된 단위 구간이 확인될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부(120)는, 상기 사이클이 진행될수록 상기 평균 구간 변화율이 커지면, 상기 타겟 셀의 퇴화가 가속되고 있는 것으로 진단하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부(120)는 평균 구간 변화율이 클수록 해당 단위 구간에서 타겟 셀의 퇴화가 가속 진행한 것으로 진단할 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제2 배터리 셀(B2)은 제7 단위 구간(제301 사이클 내지 제350 사이클)에서 평균 구간 변화율이 급격히 증가하여, 제8 단위 구간(제351 사이클 내지 제400 사이클)에서의 평균 구간 변화율이 가장 클 수 있다. 이 경우, 제어부(120)는 제2 배터리 셀(B2)의 퇴화가 제7 단위 구간에서부터 가속되고, 제8 단위 구간에서 더욱 가속되는 것으로 진단할 수 있다.
나아가, 제어부(120)는 제2 배터리 셀(B2)의 퇴화가 더욱 가속되는 경향에 비추어, 제8 단위 구간 이후에도 제2 배터리 셀(B2)의 퇴화가 점점 더 가속될 것이라고 예측할 수 있다.
제어부(120)에 의해 진단된 이러한 정보에 기반하여, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각에 대해서 퇴화 진행 속도를 낮추기 위한 적절한 조치가 취해질 수 있다.
예컨대, 퇴화 진행이 가속되는 배터리 셀에 대해서는 가용 전압 범위가 감소될 수 있다. 즉, 퇴화 진행이 가속되는 배터리 셀은 최대로 충전될 수 있는 전압의 상한값이 감소되고, 최대로 방전될 수 있는 전압의 하한값이 증가되어, 퇴화 진행이 늦춰질 수 있다. 또한, 퇴화 진행이 가속되는 배터리 셀에 대해서는 충전 전류 및/또는 방전 전류의 크기가 조절될 수도 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도뿐만 아니라, 각각의 배터리 셀의 퇴화가 가속되는 사이클 구간을 진단할 수 있다. 따라서, 복수의 배터리 셀(B1, B2)에 대한 퇴화 상대가 보다 다양한 측면에서 진단될 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 퇴화도 진단 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 퇴화도 진단 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 퇴화도 진단 장치(100)의 측정부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 예컨대, 도 3 또는 도 6의 실시예와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(1, 2)은, 배터리 퇴화도 진단 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 퇴화도 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 배터리 퇴화도 진단 방법은 전압 측정 단계(S100), 전압 편차 산출 단계(S200), 사이클 구간 선택 단계(S300), 변화율 산출 단계(S400) 및 퇴화도 진단 단계(S500)를 포함할 수 있다.
전압 측정 단계(S100)는 방전 및 충전이 진행되는 복수의 사이클마다, 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
바람직하게, 측정부(110)는 복수의 배터리 셀 각각의 개방 전압을 측정할 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 측정부(110)에 의해 측정된 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압값은 제어부(120)에게 송신될 수 있다.
전압 편차 산출 단계(S200)는 상기 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 기준 전압을 기초로 각 배터리 셀(B1, B2)에 대한 사이클별 전압 편차를 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 최초 사이클(예컨대, 제1 사이클)에서의 전압을 기초로 복수의 배터리 셀 각각에 대한 기준 전압을 설정할 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각에 설정된 기준 전압에 기반하여, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각에 대한 전압 편차를 산출할 수 있다.
사이클 구간 선택 단계(S300)는 상기 전압 편차 산출 단계(S200)에서 산출된 전압 편차에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀(B1, B2)별로 소정의 조건을 만족하는 사이클 구간을 선택하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 상대적 퇴화도를 진단하기 위한 사이클 구간을 선택할 때, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 편차가 감소되는 사이클 구간을 제외할 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제어부(120)는 제1 배터리 셀(B1)에 대해서는 제1 사이클 내지 제25 사이클 구간을 제외할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 제2 배터리 셀(B2)에 대해서는 제1 사이클 내지 제10 사이클 구간을 제외할 수 있다.
이는 앞서 설명한 바와 같이, 배터리 셀의 초기 사이클에서 발생되는 양극 활물질의 미세 크랙에 의해서 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도가 영향을 받는 것을 방지하기 위함이다.
즉, 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 진단하는 사이클 구간을 선택할 때, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 편차가 감소되는 사이클 구간을 제외함으로써, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 가용 리튬이 감소하여 진행되는 퇴화 정도를 비교 진단할 수 있다.
변화율 산출 단계(S400)는 선택된 복수의 사이클 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 변화율을 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 선택한 복수의 사이클 구간의 전압 편차에 대한 평균 변화율을 산출할 수 있다. 여기서, 평균 변화율은 앞서서 설명한 바와 같이 복수의 사이클 구간의 시작 사이클의 전압 편차와 마지막 사이클의 전압 편차 간의 변화율일 수 있다.
퇴화도 진단 단계(S500)는 산출된 복수의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도를 진단하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 산출된 복수의 전압 편차의 변화율이 클수록 배터리 셀의 퇴화가 더 많이 진행된 것으로 진단할 수 있다.
예컨대, 도 4 및 도 5의 실시예에서, 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)에 대해서 제1 사이클 내지 제200 사이클에서만 충전 및 방전이 진행되었다고 가정한다. 이 경우, 도 5의 실시예에 따르면, 제1 사이클 내지 제200 사이클에서는 제2 배터리 셀(B2)이 더 퇴화된 것으로 진단되며, 제200 사이클 이후에 제1 배터리 셀(B1)의 퇴화가 급격하게 진행된다는 것이 예측될 수 없다.
반면, 도 4의 실시예에 따르면, 제25 사이클 이후로는 제1 배터리 셀(B1)의 전압 편차의 변화율이 제2 배터리 셀(B2)의 전압 편차의 변화율보다 월등히 크기 때문에, 제200 사이클 이후의 사이클이 더 진행되더라도 제1 배터리 셀(B1)의 상대적 퇴화도가 더 클 것이라는 점이 예측될 수 있다.
따라서, 배터리 퇴화도 진단 방법은 복수의 배터리 셀(B1, B2) 간의 상대적 퇴화도를 보다 다양한 측면에서 정확하게 진단 및 예측할 수 있는 장점이 있다.
또한, 배터리 퇴화도 진단 방법은 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 편차의 변화율을 통해서, Cycle retention에서는 예측할 수 없는 복수의 배터리 셀(B1, B2)의 이후 사이클에서의 상대적 퇴화도까지 예측할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 복수의 배터리 셀(B1, B2) 각각의 예상 수명이 예측될 수도 있는 장점이 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, 2: 배터리 팩
10: 배터리 모듈
100: 배터리 퇴화도 진단 장치
110: 측정부
120: 제어부
130: 저장부

Claims (13)

  1. 방전 및 충전이 진행되는 복수의 사이클마다, 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하고, 측정된 복수의 전압에 대한 복수의 전압 정보를 출력하도록 구성된 측정부; 및
    상기 복수의 전압 정보를 수신하고, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 기준 전압을 기초로 각 배터리 셀에 대한 사이클별 전압 편차를 산출하고, 산출된 전압 편차에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀별로 소정의 조건을 만족하는 사이클 구간을 선택하고, 선택된 복수의 사이클 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 변화율을 산출하고, 산출된 복수의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도를 진단하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 복수의 배터리 셀의 방전이 종료되고 소정의 시간이 경과된 측정 시점에서의 전압을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 각 배터리 셀의 최초 사이클에서 측정된 전압을 상기 기준 전압으로 설정하고, 상기 각 배터리 셀의 각 사이클마다 측정된 셀 전압과 상기 기준 전압 간의 차이를 산출하여 상기 전압 편차를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 조건은,
    상기 산출된 전압 편차가 증가하기 시작하는 조건으로 설정되고,
    상기 제어부는,
    상기 소정의 조건에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 사이클 중에서 상기 산출된 전압 편차가 증가하기 시작하는 사이클부터 마지막 사이클까지를 상기 사이클 구간으로 선택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 조건은,
    최초 사이클로부터 미리 설정된 사이클 이후의 사이클로 설정되고,
    상기 제어부는,
    상기 소정의 조건에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 사이클 중에서 상기 최초 사이클로부터 상기 미리 설정된 사이클 이후의 복수의 사이클을 상기 사이클 구간으로 선택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 선택된 복수의 사이클 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 평균 변화율을 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리 셀 각각에 대해 산출된 평균 변화율을 서로 비교하여, 상기 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 전압 편차의 변화율이 클수록 배터리 퇴화도가 큰 것으로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 선택된 복수의 사이클을 복수의 단위 구간으로 구획하고, 구획된 복수의 단위 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 평균 구간 변화율을 산출하고, 동일한 단위 구간에 대응하여 산출된 평균 구간 변화율끼리 비교한 결과에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 상기 복수의 단위 구간 각각에서의 상대적 퇴화도를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리 셀 중 타겟 셀을 선정하고, 선정된 타겟 셀에 대응되는 복수의 사이클을 복수의 단위 구간으로 구획하고, 구획된 복수의 단위 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 평균 구간 변화율을 산출하고, 산출된 평균 구간 변화율을 비교한 결과에 기반하여 상기 타겟 셀의 퇴화 가속 여부를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 사이클이 진행될수록 상기 평균 구간 변화율이 커지면, 상기 타겟 셀의 퇴화가 가속되고 있는 것으로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 퇴화도 진단 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 퇴화도 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  13. 방전 및 충전이 진행되는 복수의 사이클마다, 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정 단계;
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 기준 전압을 기초로 각 배터리 셀에 대한 사이클별 전압 편차를 산출하는 전압 편차 산출 단계;
    상기 전압 편차 산출 단계에서 산출된 전압 편차에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀별로 소정의 조건을 만족하는 사이클 구간을 선택하는 사이클 구간 선택 단계;
    선택된 복수의 사이클 구간 각각에 대응되는 전압 편차의 변화율을 산출하는 변화율 산출 단계; 및
    산출된 복수의 전압 편차의 변화율에 기반하여, 상기 복수의 배터리 셀의 상대적 퇴화도를 진단하는 퇴화도 진단 단계를 포함하는 배터리 퇴화도 진단 방법.
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