KR20220028305A - 배터리 장치 및 진단 방법 - Google Patents

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강수원
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

배터리 장치의 배터리 팩은 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 장치가 외부 장치에 연결될 때, 저항의 제1 단자가 외부 장치의 접지단에 연결된다. 선택 회로는 복수의 배터리 셀에 형성되는 복수의 전극 중에서 저항의 제2 단자에 연결될 전극을 차례로 선택한다. 처리 회로는 선택 회로에 의해 복수의 전극이 차례로 선택될 때마다 저항의 전압을 측정하고, 저항의 전압에 기초해서 각 전극에 연결된 배터리 셀을 진단한다.

Description

배터리 장치 및 진단 방법{BATTERY APPARATUS AND DIAGNOSIS METHOD}
본 발명은 배터리 장치 및 진단 방법에 관한 것이다.
전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 등의 차량은 주로 배터리를 전원으로 이용하여 모터를 구동함으로써 동력을 얻는 차량으로서, 내연 자동차의 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 충전이 가능한 배터리는 전지 자동차 이외에 다양한 외부 장치에서 사용되고 있다.
배터리를 외부 장치, 예를 들면 차량에 장착하는 경우, 배터리의 배터리 셀의 전극과 차량(예를 들면, 차량의 섀시) 사이에서 기생 커패시턴스가 형성된다. 배터리 셀에 형성되는 기생 커패시턴스가 클수록 차량(특히, 차량의 인버터)에서 발생하는 잡음 신호에 의해 배터리 셀 전압의 측정 오차가 커질 수 있다. 따라서, 각 배터리 셀에 형성되는 기생 커패시턴스의 영향을 진단할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 기생 커패시턴스의 영향을 진단할 수 있는 배터리 장치 및 진단 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩, 저항, 선택 회로 및 처리 회로를 포함하는 배터리 장치가 제공된다. 상기 배터리 장치가 외부 장치에 연결될 때, 상기 저항의 제1 단자가 상기 외부 장치의 접지단에 연결된다. 상기 선택 회로는 상기 복수의 배터리 셀에 형성되는 복수의 전극 중에서 상기 저항의 제2 단자에 연결될 전극을 차례로 선택한다. 상기 처리 회로는 상기 선택 회로에 의해 상기 복수의 전극이 차례로 선택될 때마다 상기 저항의 전압을 측정하고, 상기 저항의 전압에 기초해서 각 전극에 연결된 배터리 셀을 진단한다.
상기 처리 회로는 상기 저항의 전압에 기초해서 상기 선택 회로에 의해 선택된 전극에 형성되는 기생 커패시턴스 성분을 추정하고, 상기 기생 커패시턴스 성분에 기초해서 상기 선택된 전극에 연결된 배터리 셀을 진단할 수 있다.
상기 처리 회로는 상기 선택된 전극에 형성되는 상기 기생 커패시턴스 성분의 크기가 임계 크기보다 크다고 추정되는 경우, 상기 선택된 전극에 연결된 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단할 수 있다.
상기 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀은 전압 측정에 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀일 수 있다.
상기 처리 회로는 상기 저항의 전압이 임계 기간 내에 안정화되는 경우, 상기 선택 회로에 의해 선택된 전극에 연결된 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단할 수 있다.
상기 처리 회로는 소정 기간 동안 상기 저항의 전압의 변화량이 초기 전압의 일정 비율 내인 경우 상기 저항의 전압이 안정화된 것으로 판단할 수 있다.
상기 배터리 장치는 상기 선택 회로의 출력 단자와 상기 저항의 제2 단자 사이에 연결되는 스위치를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 처리 회로는 상기 스위치를 켜서 상기 선택 회로에 의해 선택된 전극을 상기 저항의 제2 단자에 연결할 수 있다.
상기 복수의 전극은, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 첫 번째 배터리 셀의 양극, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 인접한 두 배터리 셀에 공통되는 전극, 그리고 상기 복수의 배터리 셀 중에서 마지막 배터리 셀의 음극을 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩이 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 모듈을 포함할 때, 각 배터리 모듈은 상기 복수의 배터리 셀 중 일부 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 전극은, 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 첫 번째 배터리 모듈의 양극, 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 인접한 두 배터리 모듈에 공통되는 전극, 리고 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 마지막 배터리 모듈의 음극을 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 셀을 복수의 배터리 세트로 그룹화할 때, 각 배터리 세트는 소정 개수의 직렬로 연결되어 있는 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 전극은, 상기 복수의 배터리 세트 중에서 첫 번째 배터리 세트의 양극, 상기 복수의 배터리 세트 중에서 인접한 두 배터리 세트에 공통되는 전극, 그리고 상기 복수의 배터리 세트 중에서 마지막 배터리 세트의 음극을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩의 진단 방법이 제공된다. 상기 진단 방법은, 저항의 제1 단자를 외부 장치의 접지단에 연결한 상태에서, 상기 복수의 배터리 셀에 형성되는 복수의 전극을 차례로 상기 저항의 제2 단자에 연결하는 단계, 각 전극을 상기 저항의 제2 단자에 연결할 때마다, 상기 저항의 전압을 측정하는 단계, 그리고 각 전극을 상기 저항의 제2 단자에 연결한 상태에서 측정한 상기 저항의 전압에 기초해서, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 해당 전극에 연결되는 배터리 셀을 진단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩, 저항, 선택 회로 및 처리 회로를 포함하는 배터리 장치가 제공된다. 상기 배터리 장치가 외부 장치에 연결될 때, 상기 저항의 제1 단자가 상기 외부 장치의 접지단에 연결된다. 상기 선택 회로는 상기 복수의 배터리 셀의 양극과 음극 중에서 상기 저항의 제2 단자에 연결될 전극을 차례로 선택한다. 상기 처리 회로는 상기 선택 회로에 의해 상기 복수의 배터리 셀의 양극과 음극이 차례로 선택될 때마다 상기 저항의 전압을 측정하고, 상기 저항의 전압에 기초해서 각 전극에 연결된 배터리 셀을 진단한다.
상기 선택 회로는 상기 복수의 배터리 셀 중에서 인접한 두 배터리 셀이 연결되는 접점에 해당하는 한 배터리 셀의 음극과 다른 배터리 셀의 양극을 하나의 전극으로 선택할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 기생 커패시턴스 성분에 의해 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀을 정확하게 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 기생 커패시턴스를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시한 배터리 장치에서 기생 커패시턴스를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치의 진단 방법을 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
아래 설명에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 장치(100)는 양극 연결 단자(DC(+))와 음극 연결 단자(DC(-))를 통해 외부 장치(10)에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 가진다. 외부 장치가 부하인 경우, 배터리 장치(100)는 부하로 전력을 공급하는 전원으로 동작하여 방전된다. 부하로 동작하는 외부 장치(10)는 예를 들면 전자 장치, 이동 수단 또는 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)일 수 있으며, 이동 수단은 예를 들면 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 스마트 모빌리티(smart mobility) 등의 차량일 수 있다.
배터리 장치(100)는 배터리 팩(110), 스위치(121, 122) 및 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)(130)을 포함한다.
배터리 팩(110)은 복수의 배터리 셀(C1-Cn)을 포함하며, 양극 단자(PV(+))와 음극 단자(PV(-))를 가진다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 배터리 팩(110)은 소정 개수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 있는 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 팩(110)에서 소정 개수의 배터리 모듈이 직렬 또는 병렬 연결되어 원하는 에너지를 공급할 수 있다.
스위치(121)는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치(100)의 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 연결되어 있다. 스위치(122)는 배터리 팩(110)의 음극 단자(PV(-))와 배터리 장치(100)의 음극 연결 단자(DC(-)) 사이에 연결되어 있다. 스위치(121, 122)는 배터리 관리 시스템(130)의 처리 회로에 의해 제어되어서 배터리 팩(110)과 외부 장치(10) 사이의 전기적 연결을 제어할 수 있다. 한 실시예에서, 스위치(121, 122)는 각각 릴레이로 형성되는 컨택터일 수 있다. 다른 실시예에서, 스위치(121, 122)는 각각 트랜지스터 등의 전기적 스위치일 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 장치(100)는 스위치(121, 122)를 각각 제어하는 구동 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
배터리 팩(110)은 배선을 통해 배터리 관리 시스템(130)에 연결되어 있다. 배터리 관리 시스템(130)은 복수의 배터리 셀에 대한 정보를 포함한 배터리 셀에 관한 다양한 정보를 취합 및 분석하여 배터리 셀의 충전 및 방전, 셀 균등화 동작, 보호 동작 등을 제어하고, 스위치(121, 122)의 동작을 제어할 수 있다.
어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템(130)의 처리 회로는 프로세서를 포함하는 회로일 수 있으며, 프로세서는 예를 들면 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)일 수 있다.
어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템(130)은 셀 전압 감시 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 셀 전압 감시 회로는 각 배터리 셀의 전압을 감시할 수 있다.
한편, 배터리 장치(100)가 외부 장치(10), 예를 들면 차량에 연결되어 차량(10)에 장착될 때, 배터리 셀의 전극과 차량(10)의 접지단 사이에 기생 커패시턴스 성분이 형성될 수 있다. 차량(10)의 접지단은 차량(10)의 섀시(chassis)일 수 있다. 이 경우, 기생 커패시턴스 성분에 의해 배터리 장치(100)에 연결되는 인버터(도시하지 않음)에서 전자파 간섭(electro-magnetic interference) 신호와 같은 잡음 신호가 발생하고, 잡음 신호는 각 배터리 셀의 전압을 측정할 때 영향을 줄 수 있다. 이러한 잡음 신호는 기생 커패시턴스 성분의 크기가 클수록 크게 배터리 셀의 전압 측정에 큰 영향을 줄 수 있다.
아래에서는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 장치 및 그 진단 방법에 대해서 도 2 내지 도 7을 참고로 하여 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 기생 커패시턴스를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 2를 참고하면, 배터리 장치의 배터리 팩(210)은 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하며, 양극 단자(PV(+))와 음극 단자(PV(-))를 가진다. 도 2에서는 설명의 편의상 다섯 개의 배터리 셀(C1, C2, C3, C4, C5)이 도시되어 있으며, 배터리 셀의 개수는 이에 한정되지 않는다.
배터리 팩(210)의 양극 단자(PV(+))와 접속점(P1) 사이에 직렬로 연결되어 있는 스위치(221)와 절연 저항(222)을 포함하며, 배터리 팩(210)의 음극 단자(PV(-))와 접속점(P2) 사이에 직렬로 연결되어 있는 스위치(231)와 절연 저항(232)을 포함한다.
배터리 장치가 외부 장치, 예를 들면 차량에 연결되는 경우, 접속점(P1, P2)은 차량의 접지단, 예를 들면 섀시에 연결된다. 어떤 실시예에서, 두 접속점(P1, P2)은 동일한 접속점일 수 있다. 이 경우, 각 배터리 셀의 전극과 섀시 사이에 기생 커패시턴스 성분이 형성되고, 특히 특정 배터리 셀에 문제가 발생하는 경우(예를 들면, 절연이 파괴되는 경우) 해당 배터리 셀의 전극과 섀시 사이에 형성되는 기생 커패시턴스 성분의 크기가 커질 수 있다. 도 2에서는 설명의 편의상 배터리 셀(C2)의 음극과 배터리 셀(C3)의 양극에 형성되는 기생 커패시턴스 성분의 크기가 큰 것으로 도시되어 있다.
도 3에 도시한 것처럼, 기생 커패시턴스 성분(Cp)의 크기를 확인하기 위해서 스위치(221) 또는 스위치(231)를 켤 수 있다. 스위치(221)를 켜는 경우, 기생 커패시턴스 성분(Cp)에 의해 절연 저항(222)에 걸리는 전압이 기생 커패시턴스 성분(Cp)과 절연 저항(222)에 의해 형성되는 시정수에 기초해서 변한 후에, 시정수에 의해 결정되는 시간이 경과한 후에 안정화될 수 있다. 따라서, 절연 저항(222)이 안정화되는데 걸리는 시간이 소정 시간보다 긴 경우, 기생 커패시턴스 성분의 커서 특정 배터리 셀의 절연이 파괴된 걸로 추측할 수 있다.
그러나 도 2 및 도 3을 참고로 하여 설명한 실시예에서는 배터리 팩의 특정배터리 셀에서 큰 기생 커패스턴스 성분이 형성되는 걸로 추측할 수 있지만, 복수의 배터리 셀 중에서 어떤 배터리 셀에서 큰 기생 커패시턴스 성분이 형성되는지를 특정할 수는 없다.
아래에서는 큰 기생 커패시턴스 성분이 형성되는 배터리 셀을 특정할 수 있는 실시예에 대해서 도 4 및 도 5를 참고로 하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4에 도시한 배터리 장치에서 기생 커패시턴스를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4를 참고하면, 배터리 장치는 배터리 팩(410) 및 진단 회로(420)를 포함한다.
배터리 팩(410)은 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하며, 양극 단자(PV(+))와 음극 단자(PV(-))를 가진다. 도 4에서는 설명의 편의상 다섯 개의 배터리 셀(C1, C2, C3, C4, C5)이 도시되어 있으며, 배터리 셀의 개수는 이에 한정되지 않는다.
진단 회로(420)는 선택 회로(421), 스위치(422), 저항(423) 및 처리 회로(424)를 포함한다. 스위치(422)와 저항(423)은 선택 회로(421)의 출력 단자와 접속점(P3) 사이에 직렬로 연결되어 있다. 어떤 실시예에서, 저항(423)은 절연 저항일 수 있으며, 앞으로 저항(423)을 절연 저항으로 설명한다. 선택 회로(421)는 각 배터리 셀의 전극을 입력으로 받으며, 특정 배터리 셀의 전극을 선택해서 출력 단자를 통해 스위치(422)에 연결한다. 어떤 실시예에서, 인접한 두 배터리 셀이 연결되는 접점에 해당하는 한 배터리 셀의 음극과 다른 배터리 셀의 양극은 선택 회로(421)의 하나의 입력이 될 수 있다.
처리 회로(424)는 선택 회로(421)의 선택과 스위치(422)를 제어한다. 어떤 실시예에서, 처리 회로(424)는 프로세서를 포함하는 회로일 수 있으며, 프로세서는 예를 들면 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)일 수 있다. 어떤 실시예에서, 처리 회로(424)는 배터리 관리 시스템(예를 들면, 도 1의 130)의 처리 회로일 수 있다.
어떤 실시예에서, 도 4에 도시한 것처럼, 선택 회로(421)는 복수의 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6)를 포함할 수 있다. 복수의 스위치(SW1-SW6)의 제1 단자는 선택 회로(421)의 복수의 입력 단자가 될 수 있다. 복수의 스위치(SW1-SW6)의 제2 단자는 공통으로 연결되어 선택 회로(421)의 출력 단자가 될 수 있다.
스위치(SW1)의 제1 단자는 배터리 셀(C1)의 양극(N1)에 연결되고, 스위치(SW6)의 제1 단자는 배터리 셀(C5)의 음극(N6)에 연결될 수 있다. 스위치(SW2)의 제1 단자는 배터리 셀(C1)의 음극(N2)과 배터리 셀(C2)의 양극(N2)에 연결되고, 스위치(SW3)의 제1 단자는 배터리 셀(C2)의 음극(N3)과 배터리 셀(C3)의 양극(N3)에 연결되고, 스위치(SW4)의 제1 단자는 배터리 셀(C3)의 음극(N4)과 배터리 셀(C4)의 양극(N4)에 연결되고, 스위치(SW5)의 제1 단자는 배터리 셀(C4)의 음극(N5)과 배터리 셀(C5)의 양극(N5)에 연결될 수 있다.
복수의 스위치(SW1-SW6) 중 어느 하나의 스위치가 처리 회로(424)의 제어에 의해 켜져서 복수의 배터리 셀(C1-C5) 중 하나의 배터리 셀의 전극을 선택할 수 있다.
배터리 장치가 외부 장치, 예를 들면 차량에 연결되는 경우, 접속점(P3)은 차량의 접지단, 예를 들면 섀시에 연결된다. 이 경우, 각 배터리 셀의 전극과 섀시 사이에 기생 커패시턴스 성분이 형성되고, 특히 특정 배터리 셀에 문제가 발생하는 경우(예를 들면, 절연이 파괴되는 경우) 해당 배터리 셀의 전극과 섀시 사이에 형성되는 기생 커패시턴스 성분의 크기가 커질 수 있다. 이에 따라, 해당 배터리 셀의 전압을 측정할 때 기생 커패시턴스 성분에 의해 전압이 정확하게 측정되지 않을 수 있다.
처리 회로(424)는 스위치(422)를 켠 상태에서, 선택 회로(421)를 제어해서 복수의 배터리 셀의 전극을 차례로 선택할 수 있다. 어떤 실시예에서, 처리 회로(424)는 복수의 스위치(SW1-SW6)를 차례로 켜고, 켠 스위치를 제외한 나머지 스위치는 끌 수 있다. 처리 회로는 각 배터리 셀의 전극을 차례로 선택하면서 절연 저항(423)의 전압을 측정하여서 각 배터리 셀의 전극에 연결되는 기생 커패시턴스 성분의 크기를 추정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 절연 저항(423)의 전압은 절연 저항(423)에 걸리는 전압으로, 예를 들면 절연 저항(423)의 양 단자 사이의 전압일 수 있다.
예를 들면, 도 5에 도시한 것처럼, 배터리 셀(C2)의 음극(N3)과 배터리 셀(C3)의 양극(N3)에 형성된 기생 커패시턴스 성분(Cp)이 크고, 나머지 전극에 형성된 기생 커패시턴스 성분은 정상인 것으로 가정한다. 배터리 셀의 전극을 차례로 선택할 때, 선택 회로(421)에 의해 배터리 셀(C2)의 음극(N3)과 배터리 셀(C3)의 양극(N3)이 선택될 수 있다. 이 경우, 처리 회로(424)에 의해 스위치(SW3)가 켜져 있을 수 있다. 그러면 전극(N3)과 접지단 사이에 형성된 기생 커패시턴스 성분(Cp)과 절연 저항(423) 사이에 병렬 회로가 형성될 수 있다. 이 경우, 절연 저항(423)의 전압은 기생 커패시턴스 성분(Cp)의 크기와 절연 저항(423)의 크기에 의해 결정되는 시정수에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 절연 저항(423)의 전압은 수학식 1과 같이 변할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1에서, V(t)는 시간 t에 따른 절연 저항(423)의 전압이며, V0은 초기 전압이고, R은 절연 저항(423)의 크기이며, C는 기생 커패시턴스 성분(Cp)의 크기이다.
한편, 선택 회로(421)에 의해 기생 커패시턴스 성분이 정상인 전극(예를 들면, 배터리 셀(C3)의 음극(N4)과 배터리 셀(C4)의 양극(N4))이 선택되는 경우, 전극(N4)에 형성되는 기생 커패시턴스 성분은 임계 크기보다 작으므로 무시할 수 있다. 따라서, 전극(N3)과 접지단 사이에 형성된 기생 커패시턴스 성분(Cp), 배터리 셀(C3)의 셀 저항 및 절연 저항(423) 사이에 전류 경로가 형성되는 것으로 볼 수 있다. 이 경우, 절연 저항(423)의 전압은 기생 커패시턴스 성분(Cp)의 크기와 절연 저항(423)과 셀 저항의 크기의 합에 의해 결정되는 시정수에 따라 변할 수 있다. 셀 저항의 크기가 반영된 시정수는 전극(N3)이 선택될 때 결정되는 시정수보다 크다.
따라서, 선택 회로(421)에 의해 전극(N3)이 선택된 경우 절연 저항(423)의 전압은 절연 저항(423)과 기생 커패시턴스(Cp)에 의해 정의되는 시정수에 따라 빠르게 안정화될 수 있지만, 선택 회로(421)에 의해 다른 전극(예를 들면, N4)이 선택된 경우 절연 저항(423)의 전압은 절연 저항(423)과 셀 저항의 합과 기생 커패시턴스(Cp)에 의해 정의되는 시정수에 따라 점진적으로 변할 수 있다. 따라서, 처리 회로(424)는 절연 저항(423)의 양 단자의 전압(V(t))이 빠르게 안정화되면, 선택 회로(421)에 의해 선택된 배터리 셀의 전극에 형성되는 기생 커패시턴스 성분(Cp)의 크기가 임계 크기보다 크다고 진단할 수 있다. 어떤 실시예에서, 기생 커패시턴스 성분의 임계 크기는 EMI 신호와 같은 잡음 신호에 의해 배터리 셀 전압 측정에 영향을 줄만큼의 크기일 수 있으며, 실험적으로 정해질 수 있다.
어떤 실시예에서, 처리 회로(424)는 임계 시간 내에 절연 저항(423)의 전압이 안정화되면, 기생 커패시턴스 성분(Cp)의 크기가 크다고 진단할 수 있다. 어떤 실시예에서, 임계 시간은 기생 커패시턴스 성분(Cp)의 임계 크기와 절연 저항(423)의 크기에 의해 정해질 수 있다. 한 실시예에서, 임계 시간은 0에 가까운 값일 수 있다. 어떤 실시예에서, 소정 시간 동안 전압의 변화량이 초기 전압의 일정 비율 내인 경우가 전압이 안정화된 경우로 정의할 수 있으며, 소정 시간과 일정 비율은 실험적으로 정해질 수 있다.
특정 배터리 셀의 전극, 예를 들면 배터리 셀(C2)의 음극과 배터리 셀(C3)의 양극에 형성되는 기생 커패시턴스 성분(Cp)의 크기가 큰 경우, 처리 회로(424)는 해당 배터리 셀(C2, C3)에 문제가 있는 것으로 진단할 수 있다. 어떤 실시예에서, 처리 회로(424)는 배터리 셀(C2, C3)의 전압 측정이 잡음 신호에 영향을 많이 받는 것으로 진단할 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀(C2, C3)의 전압 측정이 잡음 신호에 영향을 많이 받는 것으로 진단한 경우, 처리 회로(424)는 배터리 셀(C2, C3)의 전압 측정값을 보상하여서 배터리 셀(C2, C3)의 실제 전압을 추정할 수 있다. 예를 들면, 처리 회로(424)는 실험적으로 계산한 잡음 신호에 의한 영향에 따른 오프셋 값을 배터리 셀(C2, C3)의 전압 측정값에 가해서 배터리 셀(C2, C3)의 전압을 보상할 수 있다. 다른 예로, 처리 회로(424)는 인접한 다른 배터리 셀의 측정 전압에 기초해서 배터리 셀(C2, C3)의 전압을 보상할 수 있다. 배터리 셀(C2, C3)의 전압 보상 방법은 이에 한정되지 않으며, 다양한 방법이 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따르면, 기생 커패시턴스 성분에 의해 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀을 정확하게 진단할 수 있다.
도 4 및 도 5에서는 큰 기생 커패시턴스 성분이 형성되는 배터리 셀을 특정할 수 있는 실시예에 대해서 설명하였지만, 배터리 셀을 특정하는 대신 소정 개수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 세트를 특정할 수도 있다. 아래에서는 이러한 실시예에 대해서 도 6을 참고로 하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 6을 참고하면, 배터리 장치는 배터리 팩(610) 및 진단 회로(620)를 포함한다.
배터리 팩(610)은 양극 단자(PV(+))와 음극 단자(PV(-))를 가지며, 양극 단자(PV(+))와 음극 단자(PV(-)) 사이에 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 모듈(611, 612, 613, 614)을 포함한다. 각 배터리 모듈은 양극 전극과 음극 전극을 가지며, 양극 전극과 음극 전극 사이에 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(도시하지 않음)을 포함한다. 어떤 실시예에서, 각 배터리 모듈의 양극은 해당 배터리 모듈에 포함되어 있는 복수의 배터리 셀 중에서 최상단 배터리 셀의 양극이고, 각 배터리 모듈의 음극은 해당 배터리 모듈에 포함되어 있는 복수의 배터리 셀 중에서 최하단 배터리 셀의 음극일 수 있다.
도 6에서는 설명의 편의상 네 개의 배터리 모듈(611, 612, 613, 614)이 도시되어 있으며, 배터리 모듈의 개수는 이에 한정되지 않는다.
진단 회로(620)는 선택 회로(621), 스위치(622), 절연 저항(623) 및 처리 회로(624)를 포함한다. 스위치(622)와 절연 저항(623)은 선택 회로(621)의 출력 단자와 접속점(P4) 사이에 직렬로 연결되어 있다. 선택 회로(621)는 각 배터리 모듈의 전극을 입력으로 받으며, 특정 배터리 셀의 전극을 선택해서 출력 단자를 통해 스위치(422)에 연결한다. 어떤 실시예에서, 인접한 두 배터리 모듈에서 한 배터리 모듈의 음극과 다른 배터리 모듈의 양극은 서로 연결되어 선택 회로(621)의 하나의 입력이 될 수 있다.
처리 회로(624)는 선택 회로(621)의 선택과 스위치(622)를 제어한다. 어떤 실시예에서, 처리 회로(624)는 프로세서를 포함하는 회로일 수 있으며, 프로세서는 예를 들면 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)일 수 있다. 어떤 실시예에서, 처리 회로(624)는 배터리 관리 시스템(예를 들면, 도 1의 130)의 처리 회로일 수 있다.
어떤 실시예에서, 도 6에 도시한 것처럼, 선택 회로(621)는 복수의 스위치(SW21, SW22, SW23, SW24, SW25)를 포함할 수 있다. 복수의 스위치(SW21-SW25)의 제1 단자는 선택 회로(621)의 복수의 입력 단자가 될 수 있다. 복수의 스위치(SW21-SW25)의 제2 단자는 공통으로 연결되어 선택 회로(621)의 출력 단자가 될 수 있다.
스위치(SW21)의 제1 단자는 배터리 모듈(611)의 양극(N21)에 연결되고, 스위치(SW25)의 제1 단자는 배터리 모듈(614)의 음극(N25)에 연결될 수 있다. 스위치(SW22)의 제1 단자는 배터리 모듈(611)의 음극(N22)과 배터리 모듈(612)의 양극(N22)에 연결되고, 스위치(SW23)의 제1 단자는 배터리 모듈(612)의 음극(N23)과 배터리 모듈(613)의 양극(N23)에 연결되고, 스위치(SW24)의 제1 단자는 배터리 모듈(613)의 음극(N24)과 배터리 모듈(614)의 양극(N24)에 연결될 수 있다.
복수의 스위치(SW21-SW25) 중 어느 하나의 스위치가 처리 회로(624)의 제어에 의해 켜져서 복수의 배터리 모듈(611-614) 중 하나의 배터리 모듈의 전극을 선택할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참고로 하여 설명한 것처럼, 처리 회로(624)는 선택 회로(621)로 어떤 전극(예를 들면, N22)을 선택한 경우에 절연 저항(623)의 전압이 빠르게 안정화되면, 해당 전극(N22)에 연결된 배터리 모듈(예를 들면, 611, 612)의 전극에 형성되는 기생 커패시턴스 성분의 크기가 임계 크기보다 크다고 진단할 수 있다.
도 6에서는 배터리 모듈 단위로 선택하는 예를 설명하였지만, 어떤 실시예에서, 직렬로 연결되어 있는 소정 개수의 배터리 셀을 하나의 배터리 세트로 묶고, 배터리 세트 단위로 선택할 수 있다. 한 실시예에서, 진단에 사용되는 각 배터리 셀의 양극은 해당 배터리 셀에 포함되어 있는 복수의 배터리 셀 중에서 최상단 배터리 셀의 양극이고, 진단에 사용되는 각 배터리 셀의 음극은 해당 배터리 셀에 포함되어 있는 복수의 배터리 셀 중에서 최상단 배터리 셀의 음극일 수 있다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치의 진단 방법을 나타내는 도면이다.
먼저, 배터리 팩에 포함되어 있는 복수의 배터리 셀의 전극 중에서 N개의 전극이 진단에 사용되는 것으로 가정한다. 어떤 실시예에서, 배터리 팩에 (N-1)개의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 경우, (N-1)개의 배터리 셀의 양극과 음극이 진단에 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 팩에 (N-1)개의 배터리 모듈이 직렬로 연결되어 있는 경우, (N-1)개의 배터리 모듈의 양극과 음극이 진단에 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 팩에 M*(N-1)개의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 경우, M개의 배터리 셀을 하나의 배터리 세트로 설정하는 경우, (N-1)개의 배터리 세트의 양극과 음극이 진단에 사용될 수 있다.
도 7을 참고하면, 배터리 장치가 외부 장치, 예를 들면 차량에 장착되어 절연 저항의 제1 단자가 차량의 접지단, 예를 들면 섀시에 연결된 상태에서, N개의 전극 중 i번째 전극을 절연 저항의 제2 단자에 연결한다(S710, S720). 배터리 장치는 i번째 전극을 절연 저항에 연결한 상태에서 절연 저항의 전압을 측정한다(S730).
배터리 장치는 측정한 절연 저항의 전압에 기초해서 i번째 전극에 연결된 배터리 셀을 진단한다(S740, S750). 어떤 실시예에서, 배터리 장치는 절연 저항의 전압에 기초해서 i번째 전극에 의해 형성되는 기생 커패시턴스 성분을 추정하고, 기생 커패시턴스 성분에 기초해서 i번째 전극에 연결된 배터리 셀을 진단할 수 있다(S740).
어떤 실시예에서, 배터리 장치는 절연 저항의 전압에 기초해서 i번째 전극에 의해 형성되는 기생 커패시턴스 성분이 소정 조건을 만족하는지를 판단할 수 있다(S740). 어떤 실시예에서, 배터리 장치는 i번째 전극에 의해 형성되는 기생 커패시턴스 성분의 크기가 임계 크기보다 큰 경우 소정 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다(S740). 어떤 실시예에서, 배터리 장치는 임계 시간 내에 절연 저항의 전압의 안정화되면, 기생 커패시턴스 성분의 크기가 임계 크기보다 크다고 판단할 수 있다(S740).
기생 커패시턴스 성분이 소정 조건을 만족하는 경우, 배터리 장치는 i번째 전극에 연결된 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단할 수 있다(S750). 어떤 실시예에서, 배터리 장치는 i번째 전극에 연결된 배터리 셀의 전압 측정에서 문제가 발생할 가능성이 있다고 진단할 수 있다(S750). 한 실시예에서, 배터리 장치는 i번째 전극이 양극에 해당하는 배터리 셀과 음극에 해당하는 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단할 수 있다. 다른 실시예에서, 배터리 장치는 i번째 전극이 양극에 해당하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀과 음극에 해당하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 배터리 장치는 i번째 전극이 양극에 해당하는 배터리 세트에 포함된 배터리 셀과 음극에 해당하는 배터리 세트에 포함된 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단할 수 있다.
다음, 모든 전극(N개의 전극)에 대해서 절연 저항의 전압의 측정이 완료되지 않은 경우(S760), 배터리 장치는 다음 전극을 선택하고(S760), 단계 S720-S760의 과정을 반복한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. 배터리 장치로서,
    직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩,
    상기 배터리 장치가 외부 장치에 연결될 때, 제1 단자가 상기 외부 장치의 접지단에 연결되는 저항,
    상기 복수의 배터리 셀에 형성되는 복수의 전극 중에서 상기 저항의 제2 단자에 연결될 전극을 차례로 선택하는 선택 회로, 그리고
    상기 선택 회로에 의해 상기 복수의 전극이 차례로 선택될 때마다 상기 저항의 전압을 측정하고, 상기 저항의 전압에 기초해서 각 전극에 연결된 배터리 셀을 진단하는 처리 회로
    를 포함하는 배터리 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 처리 회로는 상기 저항의 전압에 기초해서 상기 선택 회로에 의해 선택된 전극에 형성되는 기생 커패시턴스 성분을 추정하고, 상기 기생 커패시턴스 성분에 기초해서 상기 선택된 전극에 연결된 배터리 셀을 진단하는, 배터리 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 처리 회로는 상기 선택된 전극에 형성되는 상기 기생 커패시턴스 성분의 크기가 임계 크기보다 크다고 추정되는 경우, 상기 선택된 전극에 연결된 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단하는, 배터리 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀은 전압 측정에 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀인, 배터리 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 처리 회로는 상기 저항의 전압이 임계 기간 내에 안정화되는 경우, 상기 선택 회로에 의해 선택된 전극에 연결된 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단하는, 배터리 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 처리 회로는 소정 기간 동안 상기 저항의 전압의 변화량이 초기 전압의 일정 비율 내인 경우 상기 저항의 전압이 안정화된 것으로 판단하는, 배터리 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 선택 회로의 출력 단자와 상기 저항의 제2 단자 사이에 연결되는 스위치를 더 포함하며,
    상기 처리 회로는 상기 스위치를 켜서 상기 선택 회로에 의해 선택된 전극을 상기 저항의 제2 단자에 연결하는
    배터리 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 복수의 전극은,
    상기 복수의 배터리 셀 중에서 첫 번째 배터리 셀의 양극,
    상기 복수의 배터리 셀 중에서 인접한 두 배터리 셀에 공통되는 전극, 그리고
    상기 복수의 배터리 셀 중에서 마지막 배터리 셀의 음극
    을 포함하는 배터리 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 배터리 팩은 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 모듈을 포함하고
    각 배터리 모듈은 상기 복수의 배터리 셀 중 일부 배터리 셀을 포함하며,
    상기 복수의 전극은,
    상기 복수의 배터리 모듈 중에서 첫 번째 배터리 모듈의 양극,
    상기 복수의 배터리 모듈 중에서 인접한 두 배터리 모듈에 공통되는 전극, 그리고
    상기 복수의 배터리 모듈 중에서 마지막 배터리 모듈의 음극
    을 포함하는 배터리 장치.
  10. 제1항에서,
    상기 복수의 배터리 셀을 복수의 배터리 세트로 그룹화하고,
    각 배터리 세트는 소정 개수의 직렬로 연결되어 있는 배터리 셀을 포함하며,
    상기 복수의 전극은,
    상기 복수의 배터리 세트 중에서 첫 번째 배터리 세트의 양극,
    상기 복수의 배터리 세트 중에서 인접한 두 배터리 세트에 공통되는 전극, 그리고
    상기 복수의 배터리 세트 중에서 마지막 배터리 세트의 음극
    을 포함하는 배터리 장치.
  11. 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩의 진단 방법으로서,
    저항의 제1 단자를 외부 장치의 접지단에 연결한 상태에서, 상기 복수의 배터리 셀에 형성되는 복수의 전극을 차례로 상기 저항의 제2 단자에 연결하는 단계,
    각 전극을 상기 저항의 제2 단자에 연결할 때마다, 상기 저항의 전압을 측정하는 단계, 그리고
    각 전극을 상기 저항의 제2 단자에 연결한 상태에서 측정한 상기 저항의 전압에 기초해서, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 해당 전극에 연결되는 배터리 셀을 진단하는 단계
    를 포함하는 진단 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 복수의 배터리 셀을 진단하는 단계는,
    각 전극을 상기 저항의 제2 단자에 연결한 상태에서 측정한 상기 저항의 전압에 기초해서, 해당 전극에 형성되는 기생 커패시턴스 성분을 추정하는 단계, 그리고
    각 전극에 형성되는 상기 기생 커패시턴스 성분에 기초해서, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 해당 전극에 연결된 배터리 셀을 진단하는 단계
    를 포함하는 진단 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 복수의 배터리 셀을 진단하는 단계는, 상기 복수의 전극 중 특정 전극을 상기 저항의 제2 단자에 연결한 상태에서, 상기 기생 커패시턴스 성분의 크기가 임계 크기보다 크다고 추정되는 경우, 상기 특정 전극에 연결된 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단하는 단계를 더 포함하는 진단 방법.
  14. 제11항에서,
    상기 복수의 배터리 셀을 진단하는 단계는, 상기 복수의 전극 중 특정 전극을 상기 저항의 제2 단자에 연결한 상태에서 측정한 상기 저항의 전압이 임계 기간 내에 안정화되는 경우, 상기 특정 전극에 연결된 배터리 셀을 문제가 발생할 수 있는 배터리 셀로 진단하는 단계를 포함하는 진단 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 복수의 배터리 셀을 진단하는 단계는, 소정 기간 동안 상기 저항의 전압의 변화량이 초기 전압의 일정 비율 내인 경우 상기 저항의 전압이 안정화된 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 진단 방법.
  16. 배터리 장치로서,
    직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩,
    상기 배터리 장치가 외부 장치에 연결될 때, 제1 단자가 상기 외부 장치의 접지단에 연결되는 저항,
    상기 복수의 배터리 셀의 양극과 음극 중에서 상기 저항의 제2 단자에 연결될 전극을 차례로 선택하는 선택 회로, 그리고
    상기 선택 회로에 의해 상기 복수의 배터리 셀의 양극과 음극이 차례로 선택될 때마다 상기 저항의 전압을 측정하고, 상기 저항의 전압에 기초해서 각 전극에 연결된 배터리 셀을 진단하는 처리 회로
    를 포함하는 배터리 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 선택 회로는 상기 복수의 배터리 셀 중에서 인접한 두 배터리 셀이 연결되는 접점에 해당하는 한 배터리 셀의 음극과 다른 배터리 셀의 양극을 하나의 전극으로 선택하는, 배터리 장치.
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