KR20220001364A - 배터리 관리 장치, 배터리 팩, 에너지 저장 시스템 및 배터리 관리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 그룹을 위한 것이다. 상기 배터리 관리 장치는, 각 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 회로; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 진단 기간의 시작 시점부터, 설정 시간마다, 각 배터리 셀의 전압을 나타내는 셀 전압값을 결정한다. 상기 제어부는, 상기 셀 전압값을 기초로, 각 배터리 셀의 셀 전압 변화량을 결정한다. 상기 제어부는, 상기 셀 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 누적 전압 변화량을 결정한다. 상기 제어부는, 상기 누적 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 이상을 검출한다.
Description
본 발명은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 검출하는 기술에 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.
최근, 고전압이 요구되는 애플리케이션(예, 에너지 저장 시스템, 전기 차량)이 널리 보급됨에 따라, 배터리 팩 내에 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 이상을 정확하게 검출해내는 진단 기술의 필요성이 증대되고 있다.
종래에는, 순간적으로 임계치를 넘어서는 큰 폭의 전압 강하를 나타내는 배터리 셀을 이상인 것으로 검출해내고 있다. 그러나, 배터리 셀의 전압이 서서히 저하하는 경우에는 배터리 셀의 이상을 적절히 검출해내지 못하게 된다. 특히, 이상의 원인에 따라서는, 배터리 셀이 휴지 상태에 있음에도, 배터리 셀의 전압이 시간에 따라 강하하지 않고 오히려 지속적으로 상승할 수도 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 전압 이력을 기초로, 각 배터리 셀의 이상 여부를 검출할 수 있는 배터리 관리 장치, 배터리 팩, 에너지 저장 시스템 및 배터리 관리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 복수의 배터리 셀의 전체적인 전압 이력을 더 기초로, 각 배터리 셀의 이상 여부를 검출할 수 있는 배터리 관리 장치, 배터리 팩, 에너지 저장 시스템 및 배터리 관리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 각 배터리 셀의 전압 이력 및/또는 복수의 배터리 셀의 전체적인 전압 이력을 기초로, 각 배터리 셀의 이상 원인을 구분(분류)할 수 있는 배터리 관리 장치, 배터리 팩, 에너지 저장 시스템 및 배터리 관리 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 관리 장치는, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 그룹을 위한 것이다. 상기 배터리 관리 장치는, 각 배터리 셀의 전압을 측정하도록 구성되는 전압 측정 회로; 및 상기 전압 측정 회로에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 진단 기간의 시작 시점부터, 설정 시간마다, 다음과 같이 동작한다. 상기 제어부는, 각 배터리 셀의 전압을 나타내는 셀 전압값을 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 셀 전압값을 기초로, 각 배터리 셀의 셀 전압 변화량을 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 셀 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 누적 전압 변화량을 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 누적 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 이상을 검출하도록 구성된다.
상기 제어부는, 상기 진단 기간 동안, 상기 셀 그룹을 휴지 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 셀 전압 변화량은, 상기 설정 시간마다의, 각 배터리 셀의 전압 변화량을 나타낸다. 상기 누적 전압 변화량은, 상기 진단 기간 동안의, 각 배터리 셀의 총 전압 변화량을 나타낸다.
상기 제어부는, 하기의 수식 1을 이용하여, 각 배터리 셀의 상기 누적 전압 변화량을 결정하도록 구성될 수 있다.
<수식 1>
수식 1에서, n은 상기 시작 시점부터 현 시점까지 상기 셀 전압값이 결정된 총 횟수, Vcell[i-1]는 (i-1)번째로 결정된 상기 셀 전압값, Vcell[i]는 i번째로 결정된 상기 셀 전압값, ΔVcell[i]는 i번째로 결정된 상기 셀 전압 변화량, ΔVcell_acc[n]는 상기 누적 전압 변화량을 나타낸다.
상기 제어부는, 상기 누적 전압 변화량이 제1 임계값 이하 또는 제2 임계값 이상인 각 배터리 셀이 이상인 것으로 판정하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 임계값은 상기 제1 임계값보다 크다.
상기 제어부는, 상기 설정 시간마다, 상기 셀 전압값을 기초로, 기준 전압값을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 기준 전압값을 기초로, 기준 전압 변화량을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 기준 전압 변화량을 기초로, 기준 누적 전압 변화량을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 기준 누적 전압 변화량을 더 기초로, 각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하도록 구성될 수 있다.
상기 기준 전압값은, 상기 설정 시간마다의, 상기 복수의 배터리 셀의 상기 셀 전압값의 평균값 또는 중앙값을 나타낸다. 상기 기준 전압 변화량은, 상기 설정 시간마다의, 상기 복수의 배터리 셀의 상기 셀 전압 변화량의 평균값 또는 중앙값을 나타낸다. 상기 기준 누적 전압 변화량은, 상기 진단 기간 동안의, 상기 복수의 배터리 셀의 총 전압 변화량의 평균값 또는 중앙값을 나타낸다.
상기 제어부는, 하기의 수식 2를 이용하여, 상기 기준 누적 전압 변화량을 결정하도록 구성될 수 있다.
<수식 2>
수식 2에서, n은 상기 시작 시점부터 현 시점까지 상기 셀 전압값이 결정된 총 횟수, Vref[i-1]는 (i-1)번째로 결정된 상기 기준 전압값, Vref[i]는 i번째로 결정된 상기 기준 전압값, ΔVref[i]는 i번째로 결정된 상기 기준 전압 변화량, ΔVref_acc[n]는 상기 기준 누적 전압 변화량을 나타낸다.
상기 제어부는, 상기 설정 시간마다, 상기 누적 전압 변화량과 상기 기준 누적 전압 변화량 간의 차이가 제3 임계값 이하 또는 제4 임계값 이상인 각 배터리 셀이 이상인 것으로 판정하도록 구성될 수 있다. 상기 제4 임계값은 상기 제3 임계값보다 크다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 관리 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 그룹을 위한 것으로서, 진단 기간의 시작 시점부터 설정 시간마다 실행된다. 상기 배터리 관리 방법은, 각 배터리 셀의 전압을 나타내는 셀 전압값을 결정하는 단계; 상기 셀 전압값을 기초로, 각 배터리 셀의 셀 전압 변화량을 결정하는 단계; 상기 셀 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 누적 전압 변화량을 결정하는 단계; 및 상기 누적 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하는 단계를 포함한다.
각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하는 단계는, 상기 누적 전압 변화량이 제1 임계값 이하 또는 제2 임계값 이상인 각 배터리 셀이 이상인 것으로 판정할 수 있다. 상기 제2 임계값은 상기 제1 임계값보다 크다.
상기 배터리 관리 방법은, 상기 셀 전압값을 기초로, 기준 전압값을 결정하는 단계; 상기 기준 전압값을 기초로, 기준 전압 변화량을 결정하는 단계; 및 상기 기준 전압 변화량을 기초로, 기준 누적 전압 변화량을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하는 단계는, 상기 기준 누적 전압 변화량에 더 기초할 수 있다.
각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하는 단계는, 상기 누적 전압 변화량과 상기 기준 누적 전압 변화량 간의 차이가 제3 임계값 이하 또는 제4 임계값 이상인 각 배터리 셀이 이상인 것으로 판정할 수 있다. 상기 제4 임계값은 상기 제3 임계값보다 크다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 전압 이력을 기초로, 각 배터리 셀의 이상 여부를 검출할 수 있다.
또한, 복수의 배터리 셀의 전체적인 전압 이력을 더 기초로, 각 배터리 셀의 이상 여부를 검출할 수 있다.
또한, 각 배터리 셀의 전압 이력 및/또는 복수의 배터리 셀의 전체적인 전압 이력을 기초로, 각 배터리 셀의 이상 원인을 구분(분류)할 수 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 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 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 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 셀 그룹에 포함된 배터리 셀의 전압 이력을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 배터리 셀의 누적 전압 변화량의 시간에 따른 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 배터리 셀의 누적 전압 변화량과 기준 누적 전압 변화량 간의 차이의 시간에 따른 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 셀 그룹에 포함된 배터리 셀의 전압 이력을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 배터리 셀의 누적 전압 변화량의 시간에 따른 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 배터리 셀의 누적 전압 변화량과 기준 누적 전압 변화량 간의 차이의 시간에 따른 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 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.
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 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 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.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은, 배터리 팩(10), 스위치(20) 및 전력 변환 시스템(30)를 포함한다.
배터리 팩(10)은, 양극 단자(P+), 음극 단자(P-), 셀 그룹(11) 및 배터리 관리 장치(100)을 포함한다. 셀 그룹(11)은, 양극 단자(P+)와 음극 단자(P-) 간에 전기적으로 직렬로 연결되는 복수의 배터리 셀(BC_1~BC_m, m는 2 이상의 자연수)을 포함한다. 이하에서는, 복수의 배터리 셀(BC_1~BC_m)의 공통된 내용을 설명함에 있어서, 참조부호 'BC'를 배터리 셀을 지칭하는 것으로 사용하겠다.
각 배터리 셀(BC)의 양극 단자와 음극 단자는, 버스바 등과 같은 전도체를 통해 다른 배터리 셀(BC)에 전기적으로 결합된다. 배터리 셀(BC)은, 리튬 이온 배터리 셀일 수 있다. 물론, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 배터리 셀(BC)의 종류는 특별히 한정되지 않는다.
스위치(20)는, 배터리 팩(10)을 위한 전력 라인(PL)에 설치된다. 스위치(20)가 온되어 있는 동안, 배터리 팩(10)과 전력 변환 시스템(30) 중 어느 하나로부터 다른 하나로의 전력 전달이 가능하다. 스위치(20)는, 릴레이, 전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor) 등과 같은 공지의 스위칭 디바이스 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합함으로써 구현될 수 있다. 제어부(140)는, 셀 그룹(11)의 상태에 따라 스위치(20)를 온오프 제어할 수 있다.
전력 변환 시스템(power conversion system, 30)은, 상위 컨트롤러(2)를 통해 배터리 관리 장치(100)에 동작 가능하게 결합된다. 전력 변환 시스템(30)은, 전기 계통(40)에 의해 공급되는 교류 전력으로부터 셀 그룹(11)의 충전을 위한 직류 전력을 생성할 수 있다. 전력 변환 시스템(30)은, 배터리 팩(10)으로부터의 직류 전력으로부터 교류 전력을 생성할 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는, 전압 측정 회로(110) 및 제어부(140)를 포함한다. 배터리 관리 장치(100)는, 전류 센서(120), 온도 측정부(130) 및 인터페이스부(150) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
전압 측정 회로(110)는, 각 배터리 셀(BC)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 전압 측정 회로(110)는, 각 배터리 셀(BC)의 양단에 걸친 전압을 측정하고, 측정된 전압을 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
전류 센서(120)는, 전력 라인(PL)을 통해 셀 그룹(11)에 전기적으로 직렬 연결된다. 예컨대, 션트 저항이나 홀 효과 소자 등이 전류 센서(120)로서 이용될 수 있다. 전류 센서(120)는, 셀 그룹(11)을 통해 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
온도 센서(130)는, 셀 그룹(11)으로부터 소정 거리 내의 영역에 배치된다. 예컨대, 열전대 등이 온도 센서(130)로서 이용될 수 있다. 온도 센서(130)는 셀 그룹(11)의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
제어부(140)는, 스위치(20), 전압 측정 회로(110), 전류 센서(120), 온도 센서(130) 및/또는 인터페이스부(150)에 동작 가능하게 결합된다.
제어부(140)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(140)에는 메모리가 내장될 수 있다. 메모리에는, 후술할 실시예들에 따른 배터리 관리 방법들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 미리 저장될 수 있다. 메모리는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
인터페이스부(150)는, 에너지 저장 시스템(1)의 상위 컨트롤러(2)와 통신 가능하게 결합될 수 있다. 인터페이스부(150)는, 상위 컨트롤러(2)로부터의 메시지를 제어부(140)로 전송하고, 제어부(140)로부터의 메시지를 상위 컨트롤러(2)로 전송할 수 있다. 제어부(140)로부터의 메시지는, 각 배터리 셀(BC)의 이상을 통지하기 위한 정보를 포함할 수 있다. 인터페이스부(150)와 상위 컨트롤러(2) 간의 통신에는, 예를 들어, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 근거리 무선 네트워크가 활용될 수 있다. 인터페이스부(150)는, 제어부(140) 및/또는 상위 컨트롤러(2)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다. 상위 컨트롤러(2)는, 배터리 관리 장치(100)와의 통신을 통해 수집되는 셀 정보(예, 각 배터리 셀의 전압, 전류, 온도, SOC, 이상)를 기초로, 전력 변환 시스템(30)을 제어할 수 있다.
제어부(140)는, 각 배터리 셀(BC)의 이상을 검출하기 위한 진단 모드를 실행할 수 있다. 제어부(140)가 진단 모드를 실행하는 기간을 '진단 기간'이라고 칭할 수 있다. 제어부(140)는, 셀 그룹(11)이 소정의 진단 가능 상태(예, 휴지 상태, 정전류 충전 상태, 정전압 충전 상태)로 유지되는 동안, 진단 모드를 실행할 수 있다. 제어부(140)는, 진단 기간 동안 셀 그룹(11)이 소정의 진단 가능 상태로 유지되도록 제어할 수 있다. 휴지 상태란, 스위치(20)가 오프되어 셀 그룹(11)을 통해 전류가 흐르지 않는 상태를 지칭한다. 예컨대, 제어부(140)는, 전류 센서(120)에 의해 측정된 전류가 0 A인 것에 응답하여, 진단 모드를 시작할 수 있다.
도 2는 도 1의 셀 그룹에 포함된 복수의 배터리 셀(BC_1~BC_m)의 전압 이력을 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 3은 배터리 셀(BC)의 누적 전압 변화량의 시간에 따른 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 4는 배터리 셀(BC)의 누적 전압 변화량과 기준 누적 전압 변화량 간의 차이의 시간에 따른 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다. 설명의 편의를 위해, 도 2는 시점 t0에서 셀 그룹(11)이 방전 상태로부터 휴지 상태로 전환된 경우를 예시하였다.
도 2에서는, 도 1의 배터리 셀(BC_1)과 배터리 셀(BC_m)은 정상이고, 배터리 셀(BC_x, 1 < x < y)은 제1 유형의 이상이고, 배터리 셀(BC_y, x < y < m)는 제2 유형의 이상인 것으로 가정하겠다.
도 2를 참조하면, 커브(201)는 제1 유형의 이상을 가지는 배터리 셀(BC_x)의 전압 이력을 나타내며, 커브(202)는 제2 유형의 이상을 가지는 배터리 셀(BC_y)의 전압 이력을 나타내고, 커브(203)는 복수의 배터리 셀(BC)의 평균 전압 이력을 나타낸다. 정상인 배터리 셀(BC_1, BC_m)의 전압 이력은, 커브(203)와 대략적으로 일치한다. 전압 이력이란, 전압의 시간에 따른 변화를 지칭한다.
제1 유형의 이상이란, 진간 기간 내의 특정 시점부터 전압이 비정상적으로 상승하는 이상 상태를 지칭한다. 제1 유형의 이상은, 배터리 셀(BC_x)에 포함된 복수의 양극 탭 및/또는 복수의 음극 탭 중 일부의 손상(예, 단선, 피복 벗겨짐)이나 배터리 셀(BC_x) 내부의 특정 영역에 석출된 리튬 금속 등에 기인한 것으로 추정된다.
제2 유형의 이상이란, 진간 기간 내의 특정 시점부터 전압이 비정상적으로 하강하는 이상 상태를 지칭한다. 제2 유형의 이상은, 배터리 셀(BC_y) 내부로 수분 등이 침투함에 따른 배터리 셀(BC_y)의 양극과 음극 간의 미소 단락 등에 기인한 것으로 추정된다.
제어부(140)는, 진단 기간의 시작 시점 t0부터, 설정 시간(예, 0.01초)마다, 각 배터리 셀(BC)의 셀 전압 데이터를 생성할 수 있다. 셀 전압 데이터는, 각 배터리 셀(BC)의 셀 전압값, 셀 전압 변화량 및 누적 전압 변화량을 포함할 수 있다. 즉, 제어부(140)는, 설정 시간마다, 각 배터리 셀(BC)의 셀 전압값, 셀 전압 변화량 및 누적 전압 변화량을 결정할 수 있다. 전압 변화량은, 설정 시간마다의, 각 배터리 셀(BC)의 셀 전압값의 변화량을 나타낸다. 누적 전압 변화량은, 진단 기간 동안의, 각 배터리 셀(BC)의 총 전압 변화량을 나타낸다.
제어부(140)는, 하기의 수식 1을 이용하여, 각 배터리 셀(BC)의 셀 전압 데이터를 생성할 수 있다.
<수식 1>
수식 1에서, n은 진단 기간의 시작 시점부터 현 시점까지 셀 전압값이 결정된 총 횟수, Vcell[i-1]는 (i-1)번째로 결정된 셀 전압값, Vcell[i]는 i번째로 결정된 셀 전압값, ΔVcell[i]는 i번째로 결정된 셀 전압 변화량, ΔVcell_acc[n]는 누적 전압 변화량을 나타낸다. Vcell[0]는 시작 시점 t0에서의 셀 전압값일 수 있다.
셀 전압 데이터는 설정 시간마다 생성되므로, n은 현 시점의 시간 정보를 나타낸다. 즉, n은 설정 시간이 경과할 때마다 1씩 증가한다. 예컨대, 설정 시간 = Δt인 경우, 시점 t0부터의 경과 시간 = Δt×n, 현 시점= t0+(Δt×n). 또한, Vcell[i]은 시점 t0+(Δt×i)에서 측정된 배터리 셀(BC)의 전압을 나타낸다.
제어부(140)는, 셀 전압 데이터를 기초로, 각 배터리 셀(BC)의 이상을 검출할 수 있다. 도 3을 참조하면, 커브(301)는 도 2의 커브(201)에 대응하는 ΔVcell_acc를 나타내고, 커브(302)는 도 2의 커브(202)에 대응하는 ΔVcell_acc를 나타내며, 커브(303)는 도 2의 커브(203)에 대응하는 ΔVcell_acc를 나타낸다.
제어부(140)는, ΔVcell_acc가 임계값(TH1) 이하 또는 임계값(TH2) 이상인 각 배터리 셀(BC)이 이상인 것으로 판정할 수 있다. 임계값(TH2)은 임계값(TH1)보다 크다. 예컨대, 도 2 및 도 3을 참조하면, 제어부(140)는, 커브(301)가 시점 tA에서 임계값(TH1)에 도달한 것에 응답하여 도 2의 커브(201)의 전압 이력을 가지는 배터리 셀(BC_x)이 제1 유형의 이상인 것으로 판정하고, 커브(302)가 시점 tB에서 임계값(TH2)에 도달한 것에 응답하여 도 2의 커브(202)의 전압 이력을 가지는 배터리 셀(BC_y)이 제2 유형의 이상인 것으로 판정할 수 있다.
제어부(140)는, 진단 기간의 시작 시점 t0부터, 설정 시간마다, 기준 전압 데이터를 추가적으로 생성할 수 있다. 기준 전압 데이터는, 기준 전압값, 기준 전압 변화량 및 기준 누적 전압 변화량을 포함할 수 있다. 기준 전압값은, 설정 시간마다의, 복수의 배터리 셀(BC)의 셀 전압값의 평균값 또는 중앙값을 나타낸다. 기준 전압 변화량은, 설정 시간마다의, 복수의 배터리 셀(BC)의 셀 전압 변화량의 평균값 또는 중앙값을 나타낸다. 기준 누적 전압 변화량은, 진단 기간 동안의, 복수의 배터리 셀(BC)의 누적 전압 변화량의 평균값 또는 중앙값을 나타낸다.
제어부(140)는, 하기의 수식 2를 이용하여, 기준 전압 데이터를 생성할 수 있다.
<수식 2>
수식 2에서, n은 수식 1의 n과 동일하고, Vref[i-1]는 (i-1)번째로 결정된 기준 전압값, Vref[i]는 i번째로 결정된 기준 전압값, ΔVref[i]는 i번째로 결정된 기준 전압 변화량, ΔVref_acc[n]는 기준 누적 전압 변화량을 나타낸다. 도 3의 커브(303)는 ΔVref_acc의 시간에 따른 변화를 나타낸다.
제어부(140)는, 셀 전압 데이터 및 기준 전압 데이터를 기초로, 각 배터리 셀(BC)의 이상을 검출할 수 있다. 도 4를 참조하면, 커브(401)는 도 3의 커브(301)와 커브(303) 간의 차이(ΔVcell_acc-ΔVref_acc)의 시간에 따른 변화를 나타내고, 커브(402)는 도 2의 커브(302)와 커브(303) 간의 차이(ΔVcell_acc-ΔVref_acc)의 시간에 따른 변화를 나타낸다.
제어부(140)는, (ΔVcell_acc-ΔVref_acc)가 임계값(TH3) 이하 또는 임계값(TH4) 이상인 각 배터리 셀(BC)이 이상인 것으로 판정할 수 있다. 임계값(TH4)은 임계값(TH3)보다 크다. 예컨대, 도 2 및 도 4를 참조하면, 제어부(140)는, 커브(401)가 시점 tC에서 임계값(TH3)에 도달한 것에 응답하여 도 2의 커브(201)의 전압 이력을 가지는 배터리 셀(BC_x)이 제1 유형의 이상인 것으로 판정하고, 커브(402)가 시점 tD에서 임계값(TH4)에 도달한 것에 응답하여 도 2의 커브(202)의 전압 이력을 가지는 배터리 셀(BC_y)이 제2 유형의 이상인 것으로 판정할 수 있다.
전술된 각 임계값은, 셀 그룹(11)에 포함된 배터리 셀(BC)의 총 개수, 배터리 셀(BC)의 사양 등을 기초로 사전 시행된 실험 및/또는 시뮬레이션의 결과에 따라 미리 정해진 것일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 5의 방법은 진단 기간의 시작 시점 t0부터, 설정 시간마다 1회씩 반복될 수 있다.
도 1 내지 도 3 및 도 5를 참조하면, 단계 S510에서, 제어부(140)는, 전압 측정 회로(110)를 이용하여, 셀 그룹(11)에 포함된 복수의 배터리 셀(BC_1~BC_m) 각각의 전압을 나타내는 셀 전압값을 결정한다.
단계 S520에서, 제어부(140)는, 셀 전압값을 기초로, 각 배터리 셀(BC)의 셀 전압 변화량을 결정한다.
단계 S530에서, 제어부(140)는, 셀 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀(BC)의 누적 전압 변화량을 결정한다.
단계 S540에서, 제어부(140)는, 각 배터리 셀(BC)의 누적 전압 변화량이 임계값보다 크고 임계값보다 작은지 여부를 판정한다. 어떤 배터리 셀(BC)에 대한 단계 S540의 값이 "아니오"인 것은, 제1 유형 또는 제2 유형의 이상이 검출된 것을 의미한다. 단계 S540의 값이 "아니오"인 경우, 방법은 단계 S550으로 진행한다.
단계 S550에서, 제어부(140)는, 이상이 검출된 각 배터리 셀(BC)을 나타내는 진단 메시지를 출력할 수 있다. 진단 메시지는, 각 배터리 셀(BC)의 이상이 제1 유형인지 제2 유형인지를 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 인터페이스부(150)는, 진단 메시지를 상위 컨트롤러(2)에 전달하거나, 진단 메시지에 대응하는 시각적 및/또는 청각적 정보를 출력할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 6의 방법은 진단 기간의 시작 시점 t0부터, 설정 시간마다 1회씩 반복될 수 있다.
도 1 내지 도 4 및 도 6을 참조하면, 단계 S610에서, 제어부(140)는, 전압 측정 회로(110)를 이용하여, 셀 그룹(11)에 포함된 복수의 배터리 셀(BC) 각각의 전압을 나타내는 셀 전압값을 결정한다.
단계 S612에서, 제어부(140)는, 복수의 배터리 셀(BC) 각각의 셀 전압값을 기초로, 기준 전압값을 결정한다.
단계 S620에서, 제어부(140)는, 셀 전압값을 기초로, 각 배터리 셀(BC)의 셀 전압 변화량을 결정한다.
단계 S622에서, 제어부(140)는, 복수의 배터리 셀(BC) 각각의 셀 전압 변화량을 기초로, 기준 전압 변화량을 결정한다.
단계 S630에서, 제어부(140)는, 셀 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀(BC)의 누적 전압 변화량을 결정한다.
단계 S632에서, 제어부(140)는, 복수의 배터리 셀(BC) 각각의 누적 전압 변화량을 기초로, 기준 누적 전압 변화량을 결정한다.
단계 S640에서, 제어부(140)는, 각 배터리 셀(BC)의 누적 전압 변화량과 기준 누적 전압 변화량 간의 차이가 임계값보다 크고 임계값보다 작은지 여부를 판정한다. 어떤 배터리 셀(BC)에 대한 단계 S640의 값이 "아니오"인 것은, 제1 유형 또는 제2 유형의 이상이 검출된 것을 의미한다. 단계 S640의 값이 "아니오"인 경우, 방법은 단계 S550으로 진행한다.
단계 S650에서, 제어부(140)는, 이상이 검출된 각 배터리 셀(BC)을 나타내는 진단 메시지를 출력할 수 있다. 진단 메시지는, 각 배터리 셀(BC)의 이상이 제1 유형인지 제2 유형인지를 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 인터페이스부(150)는, 진단 메시지를 상위 컨트롤러(2)에 전달하거나, 진단 메시지에 대응하는 시각적 및/또는 청각적 정보를 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: 에너지 저장 시스템
10: 배터리 팩
11: 셀 그룹
BC: 배터리 셀
20: 스위치
30: 전력 변환 시스템
100: 배터리 관리 장치
110: 전압 측정 회로
140: 제어부
10: 배터리 팩
11: 셀 그룹
BC: 배터리 셀
20: 스위치
30: 전력 변환 시스템
100: 배터리 관리 장치
110: 전압 측정 회로
140: 제어부
Claims (15)
- 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 그룹을 위한 배터리 관리 장치에 있어서,
각 배터리 셀의 전압을 측정하도록 구성되는 전압 측정 회로; 및
상기 전압 측정 회로에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는, 진단 기간의 시작 시점부터, 설정 시간마다,
각 배터리 셀의 전압을 나타내는 셀 전압값을 결정하고,
상기 셀 전압값을 기초로, 각 배터리 셀의 셀 전압 변화량을 결정하고,
상기 셀 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 누적 전압 변화량을 결정하고,
상기 누적 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 이상을 검출하도록 구성되는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 진단 기간 동안, 상기 셀 그룹을 휴지 상태로 제어하도록 구성되는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 셀 전압 변화량은, 상기 설정 시간마다의, 각 배터리 셀의 전압 변화량을 나타내고,
상기 누적 전압 변화량은, 상기 진단 기간 동안의, 각 배터리 셀의 총 전압 변화량을 나타내는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 하기의 수식 1을 이용하여, 각 배터리 셀의 상기 누적 전압 변화량을 결정하도록 구성되되,
<수식 1>
수식 1에서, n은 상기 시작 시점부터 현 시점까지 상기 셀 전압값이 결정된 총 횟수, Vcell[i-1]는 (i-1)번째로 결정된 상기 셀 전압값, Vcell[i]는 i번째로 결정된 상기 셀 전압값, ΔVcell[i]는 i번째로 결정된 상기 셀 전압 변화량, ΔVcell_acc[n]는 상기 누적 전압 변화량을 나타내는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 누적 전압 변화량이 제1 임계값 이하 또는 제2 임계값 이상인 각 배터리 셀이 이상인 것으로 판정하도록 구성되되,
상기 제2 임계값은 상기 제1 임계값보다 큰 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 설정 시간마다,
상기 셀 전압값을 기초로, 기준 전압값을 결정하고,
상기 기준 전압값을 기초로, 기준 전압 변화량을 결정하고,
상기 기준 전압 변화량을 기초로, 기준 누적 전압 변화량을 결정하고,
상기 기준 누적 전압 변화량을 더 기초로, 각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하도록 구성되는 배터리 관리 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 기준 전압값은, 상기 설정 시간마다의, 상기 복수의 배터리 셀의 상기 셀 전압값의 평균값 또는 중앙값을 나타내고,
상기 기준 전압 변화량은, 상기 설정 시간마다의, 상기 복수의 배터리 셀의 상기 셀 전압 변화량의 평균값 또는 중앙값을 나타내고,
상기 기준 누적 전압 변화량은, 상기 진단 기간 동안의, 상기 복수의 배터리 셀의 총 전압 변화량의 평균값 또는 중앙값을 나타내는 배터리 관리 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 제어부는, 하기의 수식 2를 이용하여, 상기 기준 누적 전압 변화량을 결정하도록 구성되되,
<수식 2>
수식 2에서, n은 상기 시작 시점부터 현 시점까지 상기 셀 전압값이 결정된 총 횟수, Vref[i-1]는 (i-1)번째로 결정된 상기 기준 전압값, Vref[i]는 i번째로 결정된 상기 기준 전압값, ΔVref[i]는 i번째로 결정된 상기 기준 전압 변화량, ΔVref_acc[n]는 상기 기준 누적 전압 변화량을 나타내는 배터리 관리 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 설정 시간마다,
상기 누적 전압 변화량과 상기 기준 누적 전압 변화량 간의 차이가 제3 임계값 이하 또는 제4 임계값 이상인 각 배터리 셀이 이상인 것으로 판정하도록 구성되되,
상기 제4 임계값은 상기 제3 임계값보다 큰 배터리 관리 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩.
- 제10항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템.
- 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 그룹을 위한 것으로서, 진단 기간의 시작 시점부터 설정 시간마다 실행되는 배터리 관리 방법에 있어서,
각 배터리 셀의 전압을 나타내는 셀 전압값을 결정하는 단계;
상기 셀 전압값을 기초로, 각 배터리 셀의 셀 전압 변화량을 결정하는 단계;
상기 셀 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 누적 전압 변화량을 결정하는 단계; 및
상기 누적 전압 변화량을 기초로, 각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
- 제12항에 있어서,
각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하는 단계는,
상기 누적 전압 변화량이 제1 임계값 이하 또는 제2 임계값 이상인 각 배터리 셀이 이상인 것으로 판정하되,
상기 제2 임계값은 상기 제1 임계값보다 큰 배터리 관리 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 셀 전압값을 기초로, 기준 전압값을 결정하는 단계;
상기 기준 전압값을 기초로, 기준 전압 변화량을 결정하는 단계; 및
상기 기준 전압 변화량을 기초로, 기준 누적 전압 변화량을 결정하는 단계를 더 포함하되,
각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하는 단계는,
상기 기준 누적 전압 변화량에 더 기초하는 배터리 관리 방법.
- 제14항에 있어서,
각 배터리 셀의 이상 여부를 판정하는 단계는,
상기 누적 전압 변화량과 상기 기준 누적 전압 변화량 간의 차이가 제3 임계값 이하 또는 제4 임계값 이상인 각 배터리 셀이 이상인 것으로 판정하되,
상기 제4 임계값은 상기 제3 임계값보다 큰 배터리 관리 방법.
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| KR1020200079625A KR20220001364A (ko) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | 배터리 관리 장치, 배터리 팩, 에너지 저장 시스템 및 배터리 관리 방법 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR102461872B1 (ko) * | 2022-01-27 | 2022-11-01 | 아리온주식회사 | 대용량 에너지저장장치 |
| KR102461876B1 (ko) * | 2022-01-27 | 2022-11-01 | 아리온주식회사 | 대용량 에너지저장장치 |
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2020
- 2020-06-29 KR KR1020200079625A patent/KR20220001364A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR102461872B1 (ko) * | 2022-01-27 | 2022-11-01 | 아리온주식회사 | 대용량 에너지저장장치 |
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