KR20210101136A - 배터리 시스템 - Google Patents

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막시밀리안 호퍼
토마스 트래뜨니그
베르너 베르크마이어
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

배터리 시스템은 배터리 셀들, 및 배터리 셀들에 연결되고, 배터리 셀들 중 적어도 하나의 전압 값, 전류 값, 및 온도 값을 측정하도록 구성되는 제어 모듈을 포함하는 배터리 모듈, 그리고 배터리 모듈에 연결되어 있고, 데이터 라인을 통해 제어 모듈과 통신하고, 제어 모듈의 측정 값에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀의 고유한 물성을 결정하고, 결정된 고유 물성을 고유 물성에 대한 기준 값과 비교하고, 비교에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 인증을 수행하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다.

Description

배터리 시스템{BATTERY SYSTEM}
본 개시는 배터리 시스템, 특히 배터리 시스템의 적어도 하나의 배터리 셀을 인증하도록 구성된 적어도 하나의 제어 유닛을 갖는 배터리 시스템에 관한 것이다. 또한 본 개시는 배터리 시스템의 고유 특성에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀을 인증하는 단계를 포함하는 배터리 시스템의 방법에 관한 것이다.
충전식 또는 이차 배터리는 반복적으로 충전 및 방전될 수 있다는 점에서, 화학 물질의 전기 에너지로의 비가역적 변환만을 제공하는 일차 배터리와는 상이하다. 저용량의 재충전 가능한 배터리는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원 공급 장치로서 사용되고, 고용량의 재충전 가능한 배터리는 하이브리드 및 전기 자동차 등의 전원 공급 장치로서 사용된다.
일반적으로, 충전식 배터리는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 그리고 전극 조립체의 양극 및 음극에 각각 전기적으로 연결되어 있는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극, 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 배터리의 충방전을 가능하게 하기 위해, 케이스로 전해액이 주입된다. 원통형 또는 각기둥형과 같은 케이스의 형상은 배터리의 용도에 따라 다르다.
재충전 가능한 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 결합된 다수의 단위 배터리 셀로 형성된 배터리 모듈로서 사용되어, 예를 들어 전기 자동차의 모터 구동을 위한, 높은 에너지 밀도, 특히 높은 전압 및 용량을 제공할 수 있다. 즉, 배터리 모듈은 예를 들어, 전기 자동차용 고전력 재충전 가능한 배터리를 구현하기 위해 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 배터리 셀의 전극 단자들을 상호 연결하여 형성된다. 일반적으로 하나 이상의 배터리 모듈은 기계적 및 전기적으로 통합되어 있고, 수동 또는 능동 열 관리 시스템이 장착되어 있으며, 배터리 시스템을 형성하기 위해 전기 부하와 통신하도록 설정된다.
배터리 시스템에 연결된 다양한 전기 부하의 동적 전력 요구를 충족시키기 위해서는 배터리 전력 출력 및 충전의 정적 제어는 충분하지 않다. 따라서, 배터리 시스템과 전기 소비자의 제어 사이에 정보의 지속적이거나 간헐적인 교환이 필요하다. 이 정보는 배터리 시스템의 실제 충전 상태, SoC, 잠재적 전기 성능, 충전 기능 및 내부 저항은 물론 소비자의 실제 또는 예측 전력 요구 또는 잉여분을 포함한다.
전술한 파라미터의 모니터링, 제어, 및/또는 설정을 위해, 배터리 시스템은 일반적으로 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)을 포함한다. 그러한 제어 유닛은 배터리 시스템에 통합되어 있을 수 있거나, 또는 적절한 통신 버스를 통해 배터리 시스템과 통신하는 원격 컨트롤러의 일부일 수 있다. 두 경우 모두, 제어 유닛은 적절한 통신 버스(즉, CAN 또는 SPI 인터페이스)를 통해 전기 소비자와 통신한다.
BMS는 일반적으로 배터리 시스템의 각 배터리 모듈뿐만 아니라 하나 이상의 전기 소비자의 컨트롤러에 연결된다. 일반적으로, 각 배터리 모듈은 BMS 및 다른 배터리 모듈과의 통신을 유지하도록 구성된 CSC(cell supervision circuit)가 포함되어 있다. CSC는 배터리 셀에 직접 또는 CCU(cell connecting unit)를 통해 연결될 수 있으며, 배터리 모듈의 단위 배터리 셀 중 일부 또는 각각의 셀 전압, 전류, 및/또는 온도를 모니터링하도록 구성될 수 있다. CSC는 배터리 모듈 내의 개별 단위 배터리 셀의 전압을 추가로 능동적 또는 수동적으로 밸런싱할 수 있다.
실시예의 양태에 따르면, 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈 및 배터리 셀에 연결된 제어 모듈을 포함하는 전기 자동차 용 배터리 시스템이 제공되며, 제어 모듈은 전압 값, 전류 값 및 온도 값을 측정하도록 구성된다. 배터리 셀 중 적어도 하나, 및 배터리 모듈에 연결되고 데이터 라인을 통해 제어 모듈과 통신하도록 구성된 제어 유닛(제어 유닛은 배터리 중 적어도 하나의 고유 한 물성을 결정하도록 구성됨)의 제어 모듈의 측정 값에 기초하여 결정된 고유 물성과 고유 물성에 대한 기준값을 비교하고, 그 비교에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 인증을 수행한다.
제어 유닛은 기준 값과 결정된 고유 물성 사이의 편차를 결정하고, 편차가 미리 결정된 임계치 미만이면 적어도 하나의 배터리 셀을 인증하도록 더 구성될 수 있다.
제어 유닛은 기준 값과 결정된 고유 물성 사이의 편차를 결정하고, 편차가 미리 결정된 임계치를 초과하면 적어도 하나의 배터리 셀을 교체용 배터리 셀로서 인식하도록 더 구성될 수 있다.
배터리 모듈은 복수 개이고, 배터리 모듈들 각각의 제어 모듈은 각각의 배터리 모듈의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 전압 값, 전류 값, 및 온도 값을 측정하도록 구성되고, 제어 유닛은 적어도 하나의 대응하는 데이터 라인을 통해 각각의 배터리 모듈의 제어 모듈과 통신하고, 적어도 하나의 제어 모듈의 측정 값으로부터 결정된 적어도 하나의 다른 배터리 셀의 적어도 하나의 고유 물성에 기초하여 기준 값을 결정하도록 더 구성될 수 있다.
제어 유닛은 적어도 하나의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정의 측정 시퀀스를 수행하도록 제어 모듈을 트리거링하도록 더 구성될 수 있다.
측정 시퀀스는 미리 결정된 시간 윈도 동안 획득된 적어도 두 개의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정을 포함할 수 있다.
제어 유닛은 측정 시퀀스 중에 적어도 하나의 배터리 셀로부터의 특정 전류 인출 및/또는 적어도 하나의 배터리 셀로의 특정 전류 입력을 제어하도록 더 구성될 수 있다.
제어 유닛은 측정 시퀀스 중에 배터리 셀들 중 적어도 하나에 대한 임피던스 분광법의 수행을 제어하도록 더 구성될 수 있다.
배터리 셀들 중 적어도 하나에 열적으로 연결된 히팅 소자를 더 포함하고, 제어 유닛은 히팅 소자를 통해 측정 시퀀스 중에 배터리 셀들 중 적어도 하나의 온도를 변경하도록 구성될 수 있다.
고유 물성은 배터리셀들 중 적어도 하나의 내부 저항, 임피던스, 충전 상태, 성능 상태, 및 반응 무효 시간 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예의 양태에 따르면, 배터리 시스템의 적어도 하나의 배터리 셀의 전압 값, 전류 값, 및/또는 온도 값을 측정하는 단계, 적어도 하나의 배터리 셀의 고유 물성을 결정하는 단계, 결정된 적어도 하나의 배터리 셀의 고유 물성을 고유 물성에 대한 기준 값과 비교하는 단계, 그리고 비교에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀의 인증을 수행하는 단계를 포함하는 배터리 시스템을 작동시키는 방법이 제공된다.
기준 값과 결정된 고유 물성 사이의 편차를 결정하는 단계, 편차가 미리 결정된 제1 임계치 미만이면, 적어도 하나의 배터리 셀을 인증하는 단계, 그리고 편차가 미리 결정된 제2 임계치를 초과하면, 적어도 하나의 배터리 셀을 교체용 배터리 셀로서 식별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
적어도 하나의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정의 측정 시퀀스를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
측정 시퀀스를 수행하는 단계는, 미리 결정된 시간 윈도 동안 획득된 적어도 두 개의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도를 측정하는 단계, 적어도 하나의 배터리 셀로부터 특정 전류를 인출하고 및/또는 적어도 하나의 배터리 셀로 특정 전류를 입력하는 단계, 그리고 배터리 셀들 중 적어도 하나에 대한 임피던스 분광법을 수행하는 단계중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예의 양태에 따르면, 배터리 셀 및 배터리 셀에 연결된 제어 모듈을 갖는 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템의 컨트롤러로서, 배터리 모듈에 연결되어 있고, 데이터 라인을 통해 제어 모듈과 통신하고, 제어 모듈에 의해 획득된 배터리 셀들 중 적어도 하나의 전압, 전류, 및 온도의 측정 값에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀의 고유한 물성을 결정하고, 결정된 고유 물성을 고유 물성에 대한 기준 값과 비교하고, 비교에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 인증을 수행하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는 컨트롤러가 제공된다.
첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세히 설명함으로써 특징들이 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 작동 방법을 개략적으로 도시한다.
도 3은 복수의 배터리 셀에 대한 시간 경과에 따른 충전 상태(SOC: state of charge)를 도시한다.
이제 예시적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 보다 완전하게 설명될 것이다. 그러나, 이들은 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예들에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시예들은 본 개시가 철저하고 완전하게, 당업자에게 본 발명의 양태 및 특징을 충분히 전달할 있도록 예로서 제공된다.
도면에서, 층 및 영역의 치수는 예시의 명확성을 위해 과장될 수 있다. 또한, 층 또는 소자가 다른 층 또는 기판 "상에" 있는 것으로 언급될 때, 이는 다른 층 또는 기판 상에 직접 있거나, 또는 중간 층이 존재할 수 있음을 또한 이해할 것이다. 또한, 한 층이 두 층 "사이에" 있는 것으로 언급될 때, 그것은 두 층 사이의 유일한 층일 수 있거나, 또는 하나 이상의 중간 층이 존재할 수도 있음을 또한 이해할 것이다. 동일한 참조 번호는 전체에 걸쳐 동일한 요소를 지칭한다.
여기서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 연관되고 열거된 항목의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 기술할 때 "할 수 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다. 본 발명의 실시예들에 대한 이하의 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥이 다른 것을 명백하게 나타내지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다.
"제1" 및 "제2"라는 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 사용되지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되어서는 안됨을 이해할 것이다. 이 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제1 요소는 제2 요소로 명명될 수 있고, 마찬가지로, 제2 요소는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 제1 요소로 명명될 수 있다. "적어도 하나"와 같은 표현은, 요소들의 목록에 선행하여, 요소의 전체 목록을 수정하고 목록의 개별 요소를 수정하지 않는다.
여기서 사용되는 용어 "실질적으로", "약" 및 유사한 용어는 근사의 용어로 사용되고 정도의 용어로 사용되지 않으며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 수 있는 측정된 값 또는 계산된 값의 고유 편차를 설명하기 위한 것이다. 또한, 용어 "실질적으로"가 수치를 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합하여 사용되면, "실질적인"이라는 용어는 그 수치를 중심으로 한 값의 ±5%의 범위를 나타낸다.
실시예들에 따른 배터리 시스템은 제1 시스템 단말과 제2 시스템 단말 사이에 고전압을 제공하도록, 고전압(HV) 라인(예를 들어, 버스바)을 통해 연결된 배터리 모듈(예를 들어, 적어도 하나의 배터리 모듈 및 바람직하게는 복수의 배터리 모듈)을 포함할 수 있다. 각각의 배터리 모듈은 바람직하게는 모듈의 제1 모듈 단자와 제2 모듈 단자 사이에 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함한다.
배터리 시스템은 적어도 하나의 배터리 모듈, 바람직하게는 복수의 배터리 모듈 모두에 연결되고 데이터 라인을 통해 배터리 모듈의 제어 모듈과 통신하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다. 바람직하게는, 제어 유닛은 적어도 하나의 데이터 라인을 통해(예를 들어 데이지 체인 구성으로) 복수의 배터리 모듈 각각의 제어 모듈과 통신하도록 구성된다.
배터리 시스템에서, 각 배터리 모듈은, 각각의 배터리 모듈의 배터리 셀에 연결되고 바람직하게는 배터리 모듈에 물리적으로 연결되는 제어 모듈을 포함한다. 배터리 시스템의 적어도 하나의 제어 모듈 및 바람직하게는 배터리 시스템의 각 제어 모듈은 각각의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 셀(바람직하게는 각 모듈의 다수의 배터리 셀)의 전압 값, 전류 값, 및 온도 값을 측정하도록 구성된다. 제어 모듈은 CSC로서 구성되고, 배터리 시스템의 제어 유닛은 BMS로서 구성된다.
제어 유닛은 제어 모듈의 측정 값에 기초하여, 즉 제어 모듈에 의해 측정된 배터리 셀에 대한 전압, 전류, 및/또는 온도 값에 기초하여, 적어도 하나의 배터리 셀의 고유 물성을 결정하도록 구성된다. 바람직하게는, 제어 유닛은 이들 배터리 셀에 대한 하나 이상의 제어 모듈의 측정 값에 기초하여 복수의 배터리 셀에 대한 이러한 고유 물성을 결정하도록 구성된다. 제어 장치는 자체적으로 고유 물성을 결정하도록, 즉, 하나 이상의 제어 모듈로부터 측정 값을 수신하고 실제 계산을 수행하도록 구성되거나, 또는 제어 장치는 고유 물성을 결정하기 위해 하나 이상의 제어 모듈을 제어하도록 구성된다.
제어 유닛은 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 고유 물성에 대한 기준 값과 적어도 하나의 배터리 셀의 결정된 고유 물성을 비교하도록 더 구성된다. 기준 값은 개별 배터리 셀 또는 배터리 시스템의 복수의 배터리 셀에 대해서만 유효할 수 있다. 배터리 시스템의 제어 유닛은 고유 특성에 대한 결정된 값과 고유 특성에 대한 기준 값 사이의 비교에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀의 인증을 수행하도록 더 구성된다. 본 개시의 맥락에서, 인증의 수행은 원래의 배터리 셀로서의 배터리 셀의 인증 또는 대체 셀로서의 그 셀의 식별로 이어질 수 있다. 제어 유닛은 자체적으로 비교 및 인증 단계를 수행하도록 구성되거나 이러한 단계를 수행하기 위해 적어도 하나의 제어 모듈을 제어하도록 구성된다.
또한, 본 개시의 맥락에서, 고유 물성은 예를 들어 물질 및 전해질의 수량, 전극, 물리적 치수, 배기 특성 등과 같은 배터리 셀의 물리적(및 화학적) 특성에 의해 결정되는 하나 이상의 배터리 셀의 고유 전기적 특성을 지칭한다. 즉, 고유 물성은 배터리 셀의 전류, 전압, 및/또는 온도의 측정 값에 기초하여 결정될 수 있는 배터리 셀의 핑거프린트를 의미한다. 따라서, 본 개시의 맥락에서, 배터리 셀의 물리적(또는 화학적) 특성을 변경하지 않고는 배터리 셀의 고유 물성이 변경될 수 없다. 또한, 적절한 고유 물성은 배터리 셀의 구성, 치수 등의 약간의 수정에도 민감하므로 원래 배터리 셀과 교체용 배터리 셀 사이에서 명백하게 다를 수 있다.
바람직하게는, 고유 물성은 적어도 하나의 배터리 셀의 내부 저항, 임피던스, 충전 상태(SOC: state of charge), 성능 상태(SOH: state of health), 및 반응 무효 시간(reaction dead time) 중 적어도 하나를 포함한다. 또한, 고유 물성은 전술한 고유 물성 중 하나 이상의 온도 종속성을 포함한다. 또한, 고유 물성은 전술한 고유 물성 중 둘 이상의 상호 종속성을 포함한다. 바람직하게는, 고유 물성은 전술한 하나 이상의 고유 물성의 시계열을 포함한다.
상이한 고유 물성은 배터리 셀 인증의 상이한 보안 또는 신뢰성 수준을 제공한다. 예를 들어, DC 저항이 사용되면, 교체용 셀이 유사한 DC 저항을 가질 수 있으므로 인증의 보안 수준이 특별히 높지 않다. 다른 예에서, SOC가 고유 물성으로 사용되면, SOC 안정기까지 필요한 밸런싱 시간은 SOC의 시계열에서 결정될 수 있다. 특히 낮은 SOC에서 이러한 밸런싱 시간은 다른 배터리 셀과 비교하여 이상 밸런싱 시간을 나타내는 교체용 셀을 식별하기 위한 좋은 비교 측정값이다. 본 개시의 맥락에서, 적어도 하나의 배터리 셀의 반응 무효 시간은 셀로 유입되거나 또는 입력된 임의의 전류에 배터리가 응답하는 데 필요한 시간을 의미한다. 예를 들어, 특정 전류가 배터리 셀로부터 유입되면, 배터리 셀의 내부 저항으로 인해 셀의 단자 전압이 일정량 떨어진다. 그러나, 이 전압 강하는 배터리 셀에 부하를 연결한 후 반응 무효 시간 이후에만 발생한다. 셀의 반응 무효 시간은 배터리 셀을 안정적으로 인증하는 데 사용될 수 있음을 확인했다.
배터리 시스템의 제어 유닛은 기준 값과 결정된 고유 물성 사이의 편차를 결정하고 편차가 미리 결정된(제1) 임계 값 미만이면, 적어도 하나의 배터리 셀을 인증하도록 더 구성된다. 임계 값은 다른 고유 물성에 따라 다르며 배터리 시스템의 작동 중에 사전 구성되거나 설정된다. 또한, 제어 유닛은 기준 값과 결정된 고유 물성 사이의 편차를 결정하고 편차가 미리 결정된(제2) 임계 값을 초과하면, 적어도 하나의 배터리 셀을 교체용 배터리 셀로 식별하도록 구성된다. 제1 및 제2 임계 값은 서로 상이할 수 있거나 또는 동일할 수 있다. 제어 유닛은 자체적으로 편차를 결정하고 이를 임계 값과 비교하거나 또는 결정 및 비교를 수행하기 위해 적어도 하나의 제어 모듈을 제어하도록 구성된다.
제어 유닛은 적어도 하나의 데이터 라인을 통해 각각의 배터리 모듈의 제어 모듈과 통신하고 측정 값으로부터 결정된 적어도 하나의 다른 배터리 셀의 적어도 하나의 고유 물성에 기초하여 기준 값을 결정하도록 더 구성된다. 따라서, 제어 유닛은 제1 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도의 제1 측정 값을 획득하고 제1 셀과 다른 제2 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도의 제2 측정 값을 획득하도록 구성된다. 그런 다음, 제어 유닛은 제1 셀의 적어도 하나의 제1 고유 물성 및 제2 셀의 적어도 하나의 제2 고유 물성을 결정하도록 구성되며, 여기서 제1 및 제2 고유 물성은 바람직하게는 동일한 유형이고 따라서 비교 가능하다. 따라서 제어 유닛은 배터리 시스템의 상이한 배터리 셀에 대한 특정(세트) 고유 물성을 결정하고 이러한 배터리 셀의 고유 물성을 교차 비교하도록 구성된다. 따라서 교체용 배터리 셀은 특정 양의 다른 배터리 셀과의 고유 물성의 편차를 기반으로 식별될 수 있다.
배터리 셀의 고유 물성의 교차 비교에 기초한 상기의 구성은 유리하게는 미리 저장된 기준 값 없이도 완전히 수행될 수 있다. 이로 인해 경쟁 업체가 이러한 기준 값을 식별 및/또는 수정하기가 더 어려워진다. 또한, 제1 배터리 셀의 인증을 위해 시스템의 다른 배터리 셀의 고유 물성을 사용하면 배터리 셀의 고유 물성에 대한 셀 노화 및/또는 환경 조건의 영향을 더 반영할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서, 계산적으로 복잡한 배터리 모델 및/또는 확장된 측정 시퀀스의 사용은 고유 특성을 결정할 때 생략되거나 감소될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀을 인증하기 위해 사용되는 적어도 하나의 기준 값은 적어도 하나의 배터리 셀의 수학 셀 모델에 기초한다. 이러한 배터리 모델은 일반적으로 현장에서 배터리 셀 작동 및 제어를 위한 배터리 셀 속성의 공칭 값을 결정하는 데 사용된다. 이 실시예에 따르면, 이러한 배터리 셀 모델은 배터리 셀 인증을 위한 고유 물성에 대한 적어도 하나의 기준 값을 결정하는 새로운 용도로 사용된다.
일 실시예에서, 배터리 시스템은 고유 물성에 대한 기준 값, 예를 들어 다수 배터리 셀의 고유 물성에 대한 복수의 기준 값을 갖는 저장 모듈을 더 포함한다. 저장 모듈은 이러한 적어도 하나의 기준 값을 일시적 또는 연속적으로 저장하는 휘발성 또는 비-휘발성 메모리일 수 있다. 저장 모듈은 바람직하게는 제어 유닛의 일부로서 구성되어 기준 값(들)의 중앙 저장을 허용한다. 대안적으로, 배터리 시스템의 각 제어 모듈은 시스템 작동 중에 고유 물성의 기준 값을 분산 저장하기 위한 이러한 저장 모듈을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제어 유닛은 적어도 하나의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정의 측정 시퀀스를 수행하도록 제어 모듈을 트리거링하도록 구성될 수 있다. 본 개시의 맥락에서, 측정 시퀀스는 배터리 셀의 전류, 전압, 또는 온도 중 적어도 하나의 측정의 시계열을 지칭한다. 또한, 시계열을 측정하는 동안, 배터리 셀의 다른 값이 변경될 수 있고/있거나, 및/또는 배터리 셀에 신호가 입력될 수 있다(예를 들어, 셀에 전류를 입력하거나 인출함으로써). 측정 시퀀스는 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 적어도 하나의 배터리 셀의 특정한 고유 물성의 결정을 허용하도록 설계될 수 있다.
측정 시퀀스는 미리 결정된 시간 윈도 동안에 획득된 적어도 두 개의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정을 포함할 수 있다. 또한, 측정 시퀀스는 제1 배터리 셀에서의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정의 제1 시계열과 제2 배터리 셀에서의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정의 제2 시계열을 포함하지만, 수행된 측정은 제1 시계열과 제2 시계열에 대해 동일하다. 미리 결정된 시간 윈도 내에서 적어도 두 개의 배터리 셀에 대해 측정 시퀀스를 예를 들어, 동시에 수행함으로써, 획득된 값의 비교 가능성이 보장 및/또는 개선된다. 또한, 두 개 이상의 배터리 셀에서의 측정은 하나의 측정 시퀀스 내에서 수행될 수 있다. 이 실시예는 비교된 각각의 배터리 셀에 대해 동일한 방식으로 획득되고 높은 정밀도로 획득된 고유 물성의 교차 비교를 허용한다.
제어 유닛은 측정 시퀀스 중에 적어도 하나의 배터리 셀로부터 인출된 전류 소모를 제어하도록 구성될 수 있다. 특정 전류가 배터리 셀로부터 인출되는 동안(예를 들어, 일시적으로 변화하는 전류가 적어도 하나의 배터리 셀에서 인출될 수 있다), 적어도 하나의 배터리 셀의 단자 전압 값이 측정될 수 있다. 제어 유닛은 예를 들어 가변 저항을 통해 하나 이상의 부하를 적어도 하나의 배터리 셀에 연결하거나, 또는 블리드 저항을 셀에 연결하여 인출 전류를 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 제어 유닛은 측정 시퀀스 중에 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 지정된 전류 입력, 예를 들어 일시적으로 변화하는 전류 입력을 제어하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어 유닛은 측정 시퀀스 중에 적어도 하나의 배터리 셀에 일정하거나 변화하는 충전 전류를 인가할 수 있고, 충전 전류를 입력하는 동안 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 추가로 측정할 수 있다. 이 실시예는 셀의 DC 또는 내부 저항을 결정할 수 있게 한다.
다른 실시예에 따르면, 제어 유닛은 측정 시퀀스 중에 적어도 하나의 배터리 셀 상의 임피던스 분광법의 수행을 제어하도록 추가로 구성될 수 있다. 임피던스 분광법에서, 정현파 AC 여기(excitation) 신호를 셀에 적용하여 셀의 저항과 커패시턴스가 검출될 수 있으므로, 정의된 범위에서 주파수를 변경하여 임피던스 스펙트럼이 획득된다. 배터리 셀의 커패시턴스 및 저항은 동위상 및 역위상 전류 응답을 측정하여 계산될 수 있다. 임피던스를 고유 물성으로 사용하면 배터리 시스템의 적어도 하나의 배터리 셀 인증과 관련하여 높은 수준의 보안이 가능하다.
다른 실시예에 따르면, 배터리 시스템의 작동 방법은 배터리 시스템의 적어도 하나의 배터리 셀의 전압 값, 전류 값, 및/또는 온도 값을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 값은 배터리 셀의 정상 작동 중에 이미 획득되어 일반적인 배터리 시스템의 성능을 제어 및/또는 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀의 고유 물성은 배터리 셀의 전류, 전압, 및/또는 온도에 대한 측정된 값에 기초하여 결정된다. 또한, 실시예들에 따르면, 결정된 고유 물성은 고유 물성에 대한 기준 값과 비교되고, 이러한 비교에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀의 인증이 수행된다. 적어도 하나의 배터리 셀의 인증을 수행하기 위해 배터리 셀의 고유 물성을 사용함으로써, 이 방법은 그러한 인증에 사용되는 정보를 공개할 필요 없이 배터리 셀의 신뢰할 수 있는 인증을 허용한다. 또한, 여러 배터리 셀 고유 물성을 교차 비교하여 인증이 수행되면, 인증 정보가 알고리즘에 완전히 묻혀 식별이 어려울 수 있다.
방법은 기준 값과 결정된 고유 물성 사이의 편차를 결정하는 단계와, 편차가 미리 결정된(제1) 임계 값 미만이면 적어도 하나의 배터리 셀을 인증하는 단계 및 편차가 미리 결정된(제2) 임계 값 초과면 적어도 하나의 배터리 셀을 교체용 셀로서 식별하는 단계 중 하나를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 임계 값은 동일하거나 또는 상이한 임계 값일 수 있다. 편차는 결정된 값과 고유 물성의 기준 값 사이의 차이로서 결정될 수 있다. 그러나, 고유 물성이 그래프로 표현되면, 예를 들어 고유 물성이 온도 종속성이거나 배터리 셀 고유의 물성의 시계열이면, 편차는, 예를 들어 최소 평균 제곱 등에 의해, 두 그래프 사이의 편차로 결정될 수 있다.
또한, 방법은 적어도 하나의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정의 측정 시퀀스를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 측정 시퀀스를 수행하면 배터리 셀의 특정 신뢰할 수 있는 인증을 허용하는 고유 물성을 결정할 수 있다. 측정 시퀀스를 수행하는 것은 미리 결정된 시간 윈도 동안 획득된 적어도 두 개의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 값을 측정하는 단계, 적어도 하나의 배터리 셀로부터 특정 전류를 인출하고/하거나 및/또는 적어도 하나의 배터리 셀로 특정 전류를 입력하는 단계, 및 적어도 하나의 배터리 셀에 대해 임피던스 분광법을 수행하는 단계 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예들의 다른 양태는 배터리 시스템의 제어 유닛의 사용을 제공하며, 여기서 배터리 시스템은 복수의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈 및 배터리 셀에 연결된 제어 모듈을 포함하고, 배터리 모듈에 연결되고 데이터 라인을 통해 제어 모듈과 통신하도록 구성 제어 유닛을 포함한다. 이러한 배터리 시스템의 제어 유닛의 개시된 사용은 제어 모듈에 의해 획득된 적어도 하나의 배터리 셀의 측정된 전압, 전류, 및/또는 온도에 기초하여 배터리 셀의 고유 물성을 결정하는 것, 고유 물성에 대한 기준 값과 결정된 고유 물성을 비교하는 것, 및 비교에 기초하여 하나의 배터리 셀의 인증을 수행하는 것을 가능하게 한다.
상기에서 이미 설명한 바와 같이, 배터리 셀의 고유 물성(예를 들어, 배터리 셀의 물성의 시계열 또는 온도 종속성)을 사용하면 배터리 셀을 인증할 수 있다. 따라서, 실시예들에 따르면, 일반적인 배터리 시스템에서 일반적으로 획득될 수 있는 측정 값은 배터리 시스템의 배터리 셀의 불법적인 교체를 방지하기 위해 추가적인 목적으로 사용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 도 1을 참조하면, 배터리 시스템(100)은 양극성을 갖는 제1 시스템 단자(101)와 음극성을 갖는 제2 시스템 단자(102) 사이에 전기적으로 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 모듈(90)을 포함할 수 있다. 각 배터리 모듈(90)은 적층된 복수의 각형 배터리 셀(80)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적층된 10개의 각형 배터리 셀(80)은 양극성을 갖는 제1 모듈 단자(93)와 음극성을 갖는 제2 모듈 단자(94) 사이에 직렬로 연결된 5개의 병렬 연결된 배터리 셀(80) 쌍으로 배열될 수 있다.
각 배터리 모듈(90)은 적층된 배터리 셀(80)의 상부에 배치된 제어 모듈(70), 즉 CSC(cell supervision circuit)(70)를 더 포함할 수 있다. 각 CSC(70)는 복수의 접촉 패드, 접촉 배선, 및 캐리어에 표면 실장된 집적 회로를 갖는 회로 캐리어로서 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board)을 포함할 수 있다. CSC(70)는 각 배터리 셀(80)의 단자에 전기적으로 연결되어 있고, 개별 배터리 셀(80)의 전압을 모니터링하고 밸런싱하도록 구성된다. 특히, CSC(70)는 각 배터리 셀(80)의 전압(단자 전압), 전류, 및 온도의 값을 측정하도록 구성된다. CSC(70)는 최고 전압 배터리 셀(80)의 에너지를 소산하여 배터리 모듈(90)을 수동적으로 밸런싱하기 위해 개별 셀(80)에 연결될 수 있는 복수의 저항을 더 포함할 수 있다. 각 CSC(70)는 데이터 전송을 위해 CSC(70)를 상호 연결하도록 구성된 제1 신호 포트(71) 및 제2 신호 포트(72)를 더 포함할 수 있다.
배터리 시스템 (100)은 BMS(50)를 전기 자동차의 12V 보드 네트에 연결하기 위한 차량(VEH) 컨버터(52) 및 복수의 배터리 모듈(90)의 전압 도메인을 보드 네트의 전압 도메인에 안전하게 연결하도록 구성된 고전압(HV) 커넥터(51)를 포함하는 제어 유닛(50), 즉 배터리 관리 시스템(BMS)(50)을 더 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템(50)은 배터리 시스템(100)의 배터리 모듈(90)뿐만 아니라 보드 네트에 연결된 전기 소비자와 통신하도록 더 구성된다.
데이터 통신을 위해, BMS(50)는 데이지 체인 구성을 통해 배터리 모듈(90)에 연결된다. 데이지 체인 구성에서, BMS(50)는 한 쌍의 데이터 라인(61)을 통해 배터리 모듈(90) 중 가장 바깥쪽에 있는 제1 배터리 모듈(91)의 제1 신호 포트(71)에 연결된다. 즉, BMS(50)는 제1 시스템 단자(101)에 연결되어 있다. 제1 배터리 모듈(91)의 제2 신호 포트(72)는 제2 배터리 모듈(92)의 제1 신호 포트(71), 즉, 다른 쌍의 데이터 라인(61)을 통해, 배터리 모듈(90)의 중 제1 배터리 모듈(91)에 인접한 배터리 모듈에 결합된다. 즉, 두 개의 배선 데이터 통신 라인은 배터리 시스템(100)을 가로 질러 배터리 모듈(90)들의 CSC(70)들 사이에 연장된다.
두 개의 배선 데이터 연결 외에도, 배터리 시스템(100)은 복수의 버스바(60)를 포함할 수 있으며, 이들 중 일부는 제1 배터리 모듈(91)의 제2 모듈 단자(94)와 제2 배터리 모듈(92)의 제1 모듈 단자(93) 사이에 전기적으로 연결되어 있다. 하나의 버스바(60)는 가장 바깥쪽에 있는 배터리 모듈(90)의 제1 모듈 단자(93)를 제1 시스템 단자(101)와 연결하고, 다른 하나의 버스바(60)는 가장 바깥쪽에 있는 배터리 모듈(90)의 제2 모듈 단자(94)를 제2 시스템 단자(102)와 상호 연결한다. 버스바(60)는 배터리 셀(80)의 배터리 시스템 단자로의 전력 전송을 실현한다.
또한, 배터리 시스템(100)은 적어도 하나의 배터리 셀(80)에 열적으로 연결된 히팅 소자(82)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 히팅 소자(82)는 온도 센서, 예를 들어 서미스터일 수 있으며, 가열 전류를 인가함으로써 히팅 소자로 사용될 수 있다. 이 경우, 제어 유닛(50)은 히팅 소자(82)를 통해 측정 시퀀스 중에 배터리 셀(80)의 온도를 변경할 수 있다. 배터리 셀(80)의 많은 고유 물성이 배터리 셀(80)의 온도에 의존하므로, 측정 시퀀스 중에 배터리 셀(80) 온도를 변화시킴으로써, 특히 내부 저항의 온도 종속성, DC 저항 또는 임피던스와 같은 특징적인 고유 물성이 고유 물성으로서 결정될 수 있다.
도 2는 배터리 시스템(100)을 동작시키는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 단계(S100)에서 제어 유닛(50)는 개별 배터리 모듈(90)의 적어도 하나의 배터리 셀(80)의 전압 값, 전류 값, 및 온도 값을 측정하도록 각 CSC(70)를 제어한다. 그 안에서, 이들 측정은 특히 적어도 하나의 배터리 셀(80)의 인증을 준비할 때 CSC(70)에 의해 수행될 수 있거나 또는 배터리 시스템(100)의 정상 작동 중에 CSC(70)에 의해 정기적으로 획득될 수 있다.
특히, 측정 시퀀스가 배터리 시스템(100)의 복수의 배터리 셀(80)에 대해 동시에 수행될 수 있도록, 제어 유닛(50)는 개별 모듈(90)의 배터리 셀(80)들 중 적어도 하나에 대한 측정 시퀀스를 수행하도록 데이터 라인(61)을 통해 CSC(70)들 각각을 제어한다. 측정 시퀀스는 측정된 배터리 셀(80) 각각에 대한 배터리 전류 및 단자 전압 값의 시계열 검출을 포함하며, 정의된 전류, 즉 AC 전류가 다수의 배터리 모듈(90) 내의 측정된 배터리 셀(80) 각각에 인가된다. 여기서, AC 전류 신호는 개별 배터리 모듈(90)의 CSC(70)를 통해 인가된다. 검출된 값은 데이터 라인(61)을 통해 각각의 CSC(70)로부터 제어 유닛(50)으로 직접 전송되거나 또는 CSC(70)에 의해 추가로 처리될 수 있다.
다음으로, 단계(S200)에서, 이 배터리 셀(80)에 대해 측정된 전압 및 전류 값에 기초하여 측정된 배터리 셀(80) 각각에 대해 고유 물성을 결정한다. 고유 물성은 바람직하게는 각각의 측정된 배터리 셀(80)의 주파수 의존 임피던스와 관련되며 배터리 셀(80)의 핑거 프린트로서 간주될 수 있다. 측정된 배터리 셀(80)의 고유 물성이 제어 유닛(50)의 제어 하에 CSC(70)에 의해 직접 결정되면, 결정된 고유 물성은 데이터 라인(61)을 통해 각각의 CSC(70)로부터 제어 유닛(50)으로 전송되거나, 또는 제어 모듈(70)에 의해 추가 처리된다(예를 들어 저장된다).
단계(S300)에서, 결정된 고유 물성은 각각의 고유 물성에 대한 기준값과 비교된다. 설명된 실시예에서, 복수의 측정된 배터리 셀(80)에 대해 결정된 고유 물성 사이의 교차 비교가 수행된다. 이것은 이미 고유 물성의 이상치를 식별하고 교체용 배터리 셀로서 식별될 수 있는 배터리 셀(80)을 식별할 수 있게 한다. 때때로, 배터리 시스템(100)의 일부 배터리 셀(80)만이 특정 시간에 교체될 필요가 있고, 따라서 이들 셀의 고유 물성은 원래의 셀(80)의 고유 물성과 상이할 것이며 따라서 교체용 배터리 셀을 식별하는 데 사용될 수 있다. 또한, 단계(S300)에서, 결정된 고유 물성은 배터리 셀(80)의 수학적 모델, 즉 배터리 셀(80)의 시뮬레이션에 의해 결정된 기준 값과 비교된다. 결국, 교차 비교의 이상치만 모델링된 기준 값과 비교되어 리소스를 절약한다.
단계(S300)는 수신되거나 결정된 고유 물성값뿐만 아니라, 제어 유닛(50)에 저장되거나 또는 제어 유닛(50)에 의해 결정 기준값에 기초하여 제어 유닛(50)에 의해 수행된다. 대안적으로, 비교는 제어 유닛(50)의 제어하에, 예를 들어 제어 유닛(50)으로부터 CSC(70)로 전송된 고유 물성에 대한 기준 값을 사용함으로써 CSC(70)에 의해 수행된다.
단계(S300)에서 수행된 결정된 값과 고유 물성 기준 값의 비교에 기초하여, 단계(S400)에서 측정된 배터리 셀(80)의 인증이 수행된다. 여기서, 배터리 셀(80)은 결정된 값과 고유 물성의 기준 값 사이의 편차가 미리 정해진 임계 값을 초과하면 교체용 배터리 셀로 식별된다. 이러한 경우에, 제어 신호는 제어 유닛(50)에 의해 생성되고 송신될 수 있거나 또는 제어 모듈(70)로부터 제어 유닛(50)에 의해 수신될 수 있다. 이러한 제어 신호는 바람직하게 배터리 시스템(100)을 포함하는 차량의 제어 시스템으로 전송/전달된다. 따라서, 사용자는 교체용 배터리 셀임을 알 수 있다. 또한, 배터리 시스템(100) 내부에 교체용 배터리 셀이 배치된 상태에서 배터리 시스템(100)의 작동으로 인한 보안 위험을 방하기 위해 배터리 시스템(100)이 비활성화 상태가 될 수 있다. 결정된 값과 고유 물성의 기준 값 사이의 편차가 미리 결정된 임계 값 미만이면, 각각의 측정된 배터리 셀(80)은 바람직하게는 정품 OEM 배터리 셀(80)로서 식별되며, 즉 성공적으로 인증된다.
도 3은 0초 내지 3000초 사이의 기간 동안 복수의 배터리 셀(80), 특히 배터리 셀(80)의 배터리 1 내지 5에 대한 SOC에 대한 시간 경과에 따른 충전 상태(SOC)를 도시한다.
도 3에서 볼 수 있듯이, SOC의 시간 종속성은 개별 배터리 셀마다 상이하므로, 배터리 셀의 시간 종속성은 특정 배터리 셀에 대한 핑거 프린트로서 사용될 수 있다. 그러나, 복수의 유사한 배터리 셀, 예를 들어 동일한 OEM에 의해 생산된 배터리 셀에 대해 동시에, 배터리 1 내지 5의 SOC의 시간 종속성은 도 3에 도시된 바와 같이 특정 범위 내에 있다. 따라서, 이 범위의 SOC 시간 종속성은 원래 제조업체의 배터리 셀 고유 물성에 대한 기준 값으로 사용할 수 있다.
여기에 설명된 본 발명의 실시예들에 따른 전자 또는 전기 장치 및/또는 임의의 다른 관련 장치 또는 구성 요소는 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 통합 회로(ASIC: application-specific integrated circuit)), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어, 및 하드웨어의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 이러한 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(IC) 칩 또는 별도의 IC 칩에 형성될 수 있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름(flexible printed circuit film), 테이프 캐리어 패키지(TCP: tape carrier package), 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 여기서 기재된 전기적 연결 또는 상호 연결은, 예를 들어 PCB 상에서 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상에서, 배선들 또는 전도성 소자들에 의해 구현된다.. 전도성 소자들은 예를 들어 표면 금속 배선(surface metallizations)와 같은 금속 배선, 및/또는 핀(pin) 및/또는 전도성 중합체 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 또한, 전기 에너지는 무선 접속을 통해, 예를 들어 전자기 방사 및/또는 빛을 사용하여 전송될 수 있다.
또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 여기에 설명된 다양한 기능을 수행하기 위해 하나 이상의 프로세서 상에서 실행되고, 하나 이상의 컴퓨팅 장치 내에서 실행되며, 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하고 다른 시스템 구성 요소와 상호 작용하는 프로세스 또는 스레드일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory)와 같은, 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어 CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다.
요약 및 검토를 통해, 앞서 언급한 제어 유닛(예컨대, BMS 및 CSC)의 서비스 수명이 제어되는 단위 배터리 셀(들)의 서비스 수명을 초과할 수 있다. 따라서, 원칙적으로, OEM(Original Equipment Manufacturer)에 의해 시장에 출시된 제어 유닛은 원래 셀이 작동을 중단하면 교체용 단위 배터리 셀과 함께 재사용될 수 있다. 그러나, 이러한 재사용은 OEM에게 상업적 손실이 될 뿐만 아니라, 배터리 오작동의 위험이 높아질 수도 있다. 제어 유닛과 배터리 셀은 일반적으로 완벽하게 조정되어 있으므로 교체용 단위 배터리 셀을 사용하면 배터리 시스템의 오작동 위험이 증가할 수 있으며, 최악의 경우 화재, 폭발, 및/또는 유해 물질 방출로 이어질 수 있다. 따라서, 교체용 단위 배터리 셀의 사용을 최소화해야 한다.
사용자가 원래 단위 배터리 셀을 식별할 수 있도록 하는 일반적인 조치에는 원래 단위 배터리 셀과 고정적으로 연결된 홀로그램, 바코드, RFID 송신기 등과 같은 보안 요소의 사용이 포함된다. 그러나, 이러한 보안 요소의 검증을 보장하려면, 주로 광학적 또는 전자기적 전송을 통해 액세스할 수 있어야 한다. 그러나, 이를 통해 이러한 보안 요소를 식별하고 복사할 수 있다. 교체용 배터리 셀의 식별을 가능하게 하기 위해, 자세한 크기, 무게, 재료 구성 등과 같은 배터리 셀의 기술적 사양을 게시하는 것이 더 알려져 있다. 그러나, 이 방법에서도 인증에 사용되는 모든 정보는 공개적으로 사용 가능해야 하므로, 교체용 셀을 설계하는 데 불법적으로 사용될 수 있다.
대조적으로, 실시예들에 따르면, 배터리 시스템 및 배터리 시스템 작동 방법은 인증에 사용되는 임의의 정보를 공개하거나 드러낼 필요 없이 배터리 시스템의 적어도 하나의 배터리 셀을 인증할 수 있게 한다. 즉, 실시예들에 따르면, 배터리 시스템은 배터리 셀의 고유 물성을 결정하고 이를 이러한 고유 물성에 대한 기준 값과 비교하여 배터리 시스템의 배터리 셀을 인증할 수 있게 한다. 즉, 고유 물성뿐만 아니라, 시간 종속성, 온도 종속성, 또는 이러한 특성의 상호 상관 관계 중 하나 이상을 사용하여, 원래 배터리 셀의 핑거프린트가 결정되고 인증에 사용될 수 있다.
고유 물성은 OEM의 경쟁자에 의해 식별되고 복사될 수 있는 추가적인 물리적 또는 전자적 식별자를 사용할 필요없이 원래 배터리 셀의 인증에 유리하게 사용될 수 있다. 실제로, 교체용 배터리 셀의 OEM 배터리 셀과 유사한 고유 물성을 달성할 수 있는 유일한 방법은 OEM 배터리 셀과 동일하게 제작하는 것이지만 경쟁 업체의 비즈니스 모델에 해를 가한다. 또한, 원래 배터리 셀의 인증에 사용될 수 있는 고유 물성은 다양하며 경쟁 업체가 인증에 사용되는 고유 물성을 식별하기 어려울 수 있다. 또한, 배터리 시스템의 제어 유닛(예컨대, BMS)와 배터리 모듈의 제어 모듈(예컨대, CSC) 사이에서 배터리 셀 인증 작업을 분산시키는 것은 리버스 엔지니어링(reverse engineering)으로 인증 절차를 분석하는 것을 더욱 복잡하게 한다. 따라서, 예시적인 실시예는 배터리 시스템의 분산 컴퓨팅 인프라와 가변 고유 물성의 사용을 결합하여, 신뢰할 수 있는 셀 인증을 제공함으로써 배터리 셀 교체에 대한 높은 수준의 보안을 제공한다.
예시적인 실시예들이 여기에 개시되었고, 특정 용어들이 사용되었지만, 그것들은 한정의 목적이 아니라 포괄적이고 설명적인 의미로만 사용되고 해석되어야 한다. 일부 예에서, 본 출원의 출원 시에 당업자에게 명백한 바와 같이, 특정 실시예와 관련하여 설명된 특징, 특성, 및/또는 요소는 달리 구체적으로 지시되지 않는 한 다른 실시예와 관련하여 설명된 특징, 특성, 및 / 또는 요소와 함께 또는 단독으로 사용될 수 있다. 따라서, 당업자는 다음의 청구 범위에 기재된 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 배터리 셀들, 및 상기 배터리 셀들에 연결되고, 상기 배터리 셀들 중 적어도 하나의 전압 값, 전류 값, 및 온도 값을 측정하도록 구성되는 제어 모듈을 포함하는 배터리 모듈, 그리고
    상기 배터리 모듈에 연결되어 있고, 데이터 라인을 통해 상기 제어 모듈과 통신하고, 상기 제어 모듈의 측정 값에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀의 고유한 물성을 결정하고, 상기 결정된 고유 물성을 상기 고유 물성에 대한 기준 값과 비교하고, 상기 비교에 기초하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 인증을 수행하도록 구성된 제어 유닛
    을 포함하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 기준 값과 상기 결정된 고유 물성 사이의 편차를 결정하고, 상기 편차가 미리 결정된 임계치 미만이면 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 인증하도록 더 구성된,
    배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 기준 값과 상기 결정된 고유 물성 사이의 편차를 결정하고, 상기 편차가 미리 결정된 임계치를 초과하면 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 교체용 배터리 셀로서 인식하도록 더 구성된,
    배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 복수 개이고,
    상기 배터리 모듈들 각각의 제어 모듈은 상기 각각의 배터리 모듈의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 전압 값, 전류 값, 및 온도 값을 측정하도록 구성되고,
    상기 제어 유닛은 적어도 하나의 대응하는 데이터 라인을 통해 각각의 배터리 모듈의 제어 모듈과 통신하고, 상기 적어도 하나의 제어 모듈의 측정 값으로부터 결정된 적어도 하나의 다른 배터리 셀의 적어도 하나의 고유 물성에 기초하여 상기 기준 값을 결정하도록 더 구성된,
    배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정의 측정 시퀀스를 수행하도록 상기 제어 모듈을 트리거링하도록 더 구성된,
    배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측정 시퀀스는 미리 결정된 시간 윈도 동안 획득된 적어도 두 개의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정을 포함하는,
    배터리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 측정 시퀀스 중에 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터의 특정 전류 인출 및/또는 상기 적어도 하나의 배터리 셀로의 특정 전류 입력을 제어하도록 더 구성된,
    배터리 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 측정 시퀀스 중에 상기 배터리 셀들 중 적어도 하나에 대한 임피던스 분광법의 수행을 제어하도록 더 구성된,
    배터리 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 셀들 중 적어도 하나에 열적으로 연결된 히팅 소자를 더 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 히팅 소자를 통해 상기 측정 시퀀스 중에 상기 배터리 셀들 중 적어도 하나의 온도를 변경하도록 구성된,
    배터리 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고유 물성은 상기 배터리셀들 중 적어도 하나의 내부 저항, 임피던스, 충전 상태, 성능 상태, 및 반응 무효 시간 중 적어도 하나를 포함하는,
    배터리 시스템.
  11. 배터리 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    상기 배터리 시스템의 적어도 하나의 배터리 셀의 전압 값, 전류 값, 및/또는 온도 값을 측정하는 단계,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 고유 물성을 결정하는 단계,
    상기 결정된 적어도 하나의 배터리 셀의 고유 물성을 상기 고유 물성에 대한 기준 값과 비교하는 단계, 그리고
    상기 비교에 기초하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 인증을 수행하는 단계
    를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기준 값과 결정된 고유 물성 사이의 편차를 결정하는 단계,
    상기 편차가 미리 결정된 제1 임계치 미만이면, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 인증하는 단계, 그리고
    상기 편차가 미리 결정된 제2 임계치를 초과하면, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 교체용 배터리 셀로서 식별하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도 측정의 측정 시퀀스를 수행하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 측정 시퀀스를 수행하는 단계는,
    미리 결정된 시간 윈도 동안 획득된 적어도 두 개의 배터리 셀의 전압, 전류, 및/또는 온도를 측정하는 단계,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 특정 전류를 인출하고 및/또는 상기 적어도 하나의 배터리 셀로 특정 전류를 입력하는 단계, 그리고
    상기 배터리 셀들 중 적어도 하나에 대한 임피던스 분광법을 수행하는 단계
    중 적어도 하나를 포함하는,
    방법.
  15. 배터리 셀 및 상기 배터리 셀에 연결된 제어 모듈을 갖는 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템의 컨트롤러로서,
    상기 배터리 모듈에 연결되어 있고, 데이터 라인을 통해 상기 제어 모듈과 통신하고, 상기 제어 모듈에 의해 획득된 상기 배터리 셀들 중 적어도 하나의 전압, 전류, 및 온도의 측정 값에 기초하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 고유한 물성을 결정하고, 상기 결정된 고유 물성을 상기 고유 물성에 대한 기준 값과 비교하고, 상기 비교에 기초하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 인증을 수행하도록 구성된 제어 유닛
    을 포함하는 컨트롤러.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023249346A1 (ko) * 2022-06-24 2023-12-28 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 스와핑 시스템 및 이의 동작 방법
WO2024085426A1 (ko) * 2022-10-19 2024-04-25 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022205659B3 (de) 2022-06-02 2023-10-05 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung mit einer Batterie
JP2024009537A (ja) * 2022-07-11 2024-01-23 トヨタ自動車株式会社 電池の判定方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5558941B2 (ja) * 2010-06-30 2014-07-23 三洋電機株式会社 電池の内部抵抗の検出方法
EP2571076B1 (en) * 2011-09-16 2017-04-26 BlackBerry Limited Diagnostic use of physical and electrical battery parameters and storing relative condition data
US10386422B2 (en) * 2014-07-25 2019-08-20 Lithium Balance A/S Electrochemical impedance spectroscopy in battery management systems

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023249346A1 (ko) * 2022-06-24 2023-12-28 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 스와핑 시스템 및 이의 동작 방법
WO2024085426A1 (ko) * 2022-10-19 2024-04-25 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법

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