KR20220058250A - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 산출부, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 측정부, 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하는 추정부 및 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.
Description
본 개시는 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 퇴화도와 교류 임피던스 측정을 통해 추정된 SOH를 이용하여 배터리의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
또한, 이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩으로 이용된다. 그리고 배터리 팩은 배터리 관리 시스템에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다.
이러한 배터리를 통해 동작하는 장치로는 대표적으로 전기 자동차(EV)나 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)가 있다. 특히, 전기 자동차의 배터리의 경우, 아직 수명이 많이 남아있음에도 불구하고 전기 자동차의 출력을 만족시킬 수 없어서 폐기되는 배터리들이 발생하고 있다.
따라서, 배터리를 그대로 폐기하기 보다는 새로운 애플리케이션으로 재사용하는 다양한 방법들이 시도되고 있다. 예를 들면, 이러한 배터리의 재사용 애플리케이션으로는 ESS grid, UPS, 스쿠터 등이 있으며, 각각의 애플리케이션에 맞는 배터리의 등급을 분류하여 적용하는 것이 필요하다. 그러나, 기존에 배터리를 분류하기 위해 사용되는 방법은 충방전을 3회 이상 수행하여 SOHE를 산출하여야 했으므로 작업 시간이 많이 소요되고 절차적으로 번거로움이 있었다.
본 개시는 배터리의 퇴화도를 산출하고 교류 임피던스를 통해 배터리의 SOH를 추정하여 단시간에 배터리의 등급을 분류함으로써, 신속하고 용이하게 배터리의 상태를 진단할 수 있는 배터리 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 산출부, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 측정부, 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하는 추정부 및 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 산출부는 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하고, 상기 측정부는 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하고, 상기 추정부는 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하고, 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다,
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 배터리 셀의 퇴화도를 산출하는 산출부, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하는 측정부, 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하는 추정부 및 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 산출부는 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하고, 상기 측정부는 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하고, 상기 추정부는 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하고, 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법은 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 단계, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 단계, 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하는 단계 및 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법은 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 단계, 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하는 단계, 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하는 단계 및 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 배터리 진단 장치 및 방법에 따르면, 배터리의 퇴화도를 산출하고 교류 임피던스를 통해 배터리의 SOH를 추정하여 단시간에 배터리의 등급을 분류함으로써, 신속하고 용이하게 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3는 단일 배터리 셀의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치를 통해 측정한 교류 임피던스의 파형을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 이상 검출 장치를 동작하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3는 단일 배터리 셀의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치를 통해 측정한 교류 임피던스의 파형을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 이상 검출 장치를 동작하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 개시의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 개시의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 개시의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고 충방전 가능한 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 (+) 단자 측 또는 (-) 단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)(예를 들면, MBMS)을 포함한다. 이 때, 배터리 팩(1)에는 배터리 모듈(10), 센서(12), 스위칭부(14) 및 배터리 관리 시스템(20)이 복수 개 구비될 수 있다.
여기서, 스위칭부(14)는 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 소자로서, 예를 들면, 배터리 팩(1)의 사양에 따라서 적어도 하나의 릴레이, 마그네틱 접촉기 등이 이용될 수 있다.
배터리 관리 시스템(20)은 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(20)은, 스위칭부(14) 예를 들어, 릴레이 또는 접촉기 등의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(10)에 연결되어 배터리 모듈(10) 각각의 상태를 감시할 수 있다.
한편, 본 개시의 배터리 관리 시스템(20)에서는 이하에서 후술하는 바와 같이 별도의 프로그램을 통해 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도를 산출할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(20)은 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정한 후, 이에 기초하여 배터리의 SOH를 추정한 후 배터리 팩과 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 진단할 수 있다. 즉, 도 1의 배터리 관리 시스템(20)은 이하에서 설명하는 배터리 진단 장치(100)에 해당할 수 있다.
상위 제어기(2)는 배터리 관리 시스템(20)으로 배터리 모듈(10)에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템(20)은 상위 제어기(2)로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다. 한편, 본 개시의 배터리 셀은 전기 자동차에 이용되는 배터리 모듈(10)에 포함된 구성일 수 있다. 다만, 도 1의 배터리 팩(1)은 이러한 용도에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 도 1의 배터리 팩(1) 대신 ESS의 배터리 랙이 포함될 수 있다.
이와 같은 배터리 팩(1)의 구성 및 배터리 관리 시스템(20)의 구성은 공지된 구성이므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 산출부(110), 측정부(120), 추정부(130), 진단부(140) 및 저장부(150)를 포함할 수 있다.
산출부(110)는 배터리 셀과 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출할 수 있다. 또한, 산출부(110)는 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도의 편차를 산출할 수 있다. 구체적으로, 산출부(110)는 배터리 팩을 탈거하기 전 일정 사이클 동안의 충방전 전압에 기초하여 퇴화도를 산출할 수 있다. 예를 들면, 배터리 셀의 충방전 전압은 배터리 셀의 SOC(state of charge)가 5 미만이거나, 95 이상인 구간에서의 전압으로 획득될 수 있다.
측정부(120)는 배터리 모듈과 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(120)는 일정 주기로 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정할 수 있다.
특히, 측정부(120)를 통해 측정하는 교류 임피던스는 기존의 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)에 의한 측정 방법과는 상이한 것이다. 즉, 기존의 EIS의 경우 모두 배터리 셀의 단위로 임피던스를 측정하는 것이지만, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(100)에서는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 단위로 교류 임피던스를 측정할 수 있다. 예를 들면, 기존의 EIS 측정 방법의 경우 5V 미만의 배터리 셀 단위의 임피던스를 측정하는 반면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(100)의 측정부(120)는 약 1000V 전압 범위의 고전압 교류 임피던스 측정법을 통해 측정할 수 있다.
이러한, 고전압 교류 임피던스 측정법은 기존의 EIS와 같이 배터리 셀의 전극에 측정 장치를 접속하여 측정을 수행하는 것이 아니라, 다수의 배터리 셀이 연결되어 있는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 +/- 단자와 배터리 팩의 고전압 커넥터 연결부에 직접 접속하여 다수 배터리 셀 전체 합의 교류 임피던스 경향을 측정하는 것이다. 이에 관해서는 도 3 및 4에서 상세하게 후술한다.
추정부(130)는 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 배터리 모듈과 배터리 팩의 SOH(state of health)를 추정할 수 있다. 이 때, 추정부(130)는 사전에 측정된 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 대한 테이블 또는 그래프 등을 통해 배터리 모듈과 배터리 팩의 SOH를 추정할 수 있다. 예를 들어, 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 대한 데이터는 저장부(150)에 저장되어 있을 수 있다.
진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도, 배터리 모듈의 퇴화도 및 배터리 팩의 SOH에 기초하여 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다. 이 때, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도, 배터리 모듈의 퇴화도 및 배터리 팩의 SOH에 기초하여 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다. 또한, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도와 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
구체적으로, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도와 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우(즉, 균일한 경우), 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다. 반면, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도와 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우(즉, 불균일한 경우), 배터리 팩을 재사용 가능 불가능한 것으로 판단할 수 있다. 이 때에는 배터리 팩을 분해하여 모듈 단위로 재사용할 수 있다.
또한, 진단부(140)는 배터리 팩이 재사용이 불가능한 경우, 배터리 셀의 퇴화도 및 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 배터리 모듈의 상태를 진단할 수 있다. 이 때, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도 및 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도의 편차에 기초하여 배터리 모듈의 상태를 진단할 수 있다.
구체적으로, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다. 반면, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 사용자는 가장 퇴화가 많이된 배터리 셀을 기준으로 사용하거나, 배터리 셀 내부의 물질을 추출하여 사용할지 등 다양한 활용 방안에 대하여 판단할 수 있다.
저장부(150)는 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 관한 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 저장부(150)는 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도, 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스와 SOH 등 각종 데이터를 저장할 수 있다.
그러나, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(100)가 반드시 저장부(150)를 포함해야 하는 것은 아니며, 외부 서버에 데이터베이스에 데이터를 저장하고 통신부(미도시)를 통해 송수신하는 방식으로 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에 따르면, 배터리의 퇴화도를 산출하고 교류 임피던스를 통해 배터리의 SOH를 추정하여 단시간에 배터리의 등급을 분류함으로써, 신속하고 용이하게 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
도 3는 단일 배터리 셀의 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 4는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 모듈 또는 배터리 팩에 특정 주파수 범위(예를 들면, 0.1 내지 수 Hz)에서 교류 전류를 인가하고, 주파수 대역별로 전압 응답을 측정하여 임피던스의 크기와 위상을 측정할 수 있다. 또한, 배터리 셀/모듈/팩의 등가 회로의 각 파라미터들의 주파수에 따른 반응에 기초하여 배터리의 각 파라미터 값을 추출할 수 있다.
특히, 본 개시의 배터리 진단 장치에 의한 고전압 교류 임피던스 분석 방법의 경우에는 다수의 정상 배터리 셀과 적어도 하나의 이상 배터리 셀이 연결되어 있는 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 측정하는 것으로서, 기존의 EIS 측정 방법과는 등가 회로가 상이하여 추출되는 결과값의 종류와 개수가 달라진다.
이에 따라, 먼저 도 3를 살펴보면, 단일 배터리 셀의 EIS를 측정하는 기존 방식의 경우 전압 범위는 20V 내외이며, 주파수 범위는 0.1 내지 1050hz이다. 또한, 삼전극 측정 방식으로 양극과 음극을 분리하여 측정하며, 노이즈 제거를 통해 Ohmic 저항을 보정할 수 있다.
이러한 종래의 측정 방식은 배터리 셀의 정상 상태(steady state), 즉 화학적 평형 및 양극의 전위 평형 상태에서 측정을 수행하며, 배터리 셀을 기준치와 절대 비교를 통해 이상을 검출한다. 이처럼, 기존의 셀 단위 EIS 측정 방법은 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 셀 단위로 분해해야 하며, 삼전극 측정 및 화학적 평형 상태를 형성하는 것이 어렵기 때문에 실제 제품에 적용시 한계점이 있다.
반면, 도 4와 같이 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 단위의 등가 회로를 활용하는 본 개시의 고전압 교류 임피던스 측정 방법에서는 전압 범위가 1000V 내외이며, 주파수 범위는 0.1 내지 4000hz이다. 또한, 직렬로 연결된 다수의 배터리 셀에 대해 이전극 측정 방식을 이용하며 반복 및 재현 측정이 가능하다. 또한, 이러한 방식에 의하면, 컨택터나 와이어 등에 의한 기생 저항을 보정할 수 있으며, 다수 배터리 셀의 직렬 연결에 의해 기생 저항 영향을 최소화할 수 있다.
이러한 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에서 사용되는 고전압 교류 임피던스 측정 방법은 동일한 배터리 랙의 모든 배터리 모듈의 충방전이 동시에 끝난 후의 상태에서 측정을 수행하며 배터리 모듈 각각에 대한 상대 비교와 절대 비교 모두 가능하다. 특히, 이러한 방식에 따르면, 도 4에 나타낸 등가 회로에 따라 배터리 셀의 직렬 연결 개수(N)에 비례하여 배터리 시스템의 임피던스 값이 증가하여, 측정 데이터로부터 Nyquist plot을 획득하고 분석을 수행하는 경우 단일 배터리 셀에 비해 측정 조건에 따른 외부 영향(예를 들면, 센싱 라인 인덕턴스, 접촉 저항 등)을 감소시킬 수 있다.
이처럼, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에서 사용되는 고전압 교류 임피던스 측정 방법에 의하면, 배터리 셀 단위로 분해하지 않아도 측정 및 이상을 수행할 수 있고, 즉시 배터리 재사용이 가능하여 ESS의 배터리 모듈이나 랙 또는 자동차 배터리 팩에 즉시 적용할 수 있다. 또한, 배터리를 충방전할 필요가 없어 충방전으로 인한 전력을 절감할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치를 통해 측정한 교류 임피던스의 파형을 나타내는 도면이다.
도 5의 그래프에서 x축은 교류 임피던스의 저항 요소(real(Z))(mOhm)를 나타내고, y축은 교류 임피던스의 리액턴스 요소(Imaginary(Z))(mOhm)를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 배터리 진단 장치(100)의 측정부(120)를 통해 일정 주기로 측정한 배터리 모듈 각각의 고전압 교류 임피던스 값을 나타내고 있다. 이 때, 배터리 모듈의 교류 임피던스 파형의 형태가 배터리 모듈별로 상이한 것을 확인할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에서는 특정 배터리 모듈의 측정 교류 임피던스가 다른 배터리 모듈과 비교하여 크게 차이나는 경우나, 또는 사전에 데이터베이스에 구축된 퇴화 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 등의 방식으로 배터리 모듈의 퇴화도를 추정할 수 있다.
이와 같은 방식으로 퇴화가 많이 진행된 배터리 모듈에 대해서는 별도의 충방전 시험을 통해 잔존 수명을 확인하고 추후 배터리 모듈의 이상 검출시 기준 데이터로서 활용할 수 있다. 예를 들면, 저장부(150)에 교체된 배터리 모듈의 잔존 수명과 측정된 교류 임피던스 값을 매칭하여 테이블 형태로 저장함으로써, 추후에 배터리 모듈의 이상 진단시 기준 데이터로 사용할 수 있다. 한편, 퇴화된 배터리 모듈을 교체하는 경우에는 재사용 배터리를 활용하여 배터리를 저렴한 가격으로 교체하고 ESS의 배터리 시스템 전체의 퇴화도를 맞추어 안정적으로 시스템을 운영할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법은 먼저 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도 편차를 산출한다(S102). 구체적으로, 단계 S102에서는 배터리 팩을 탈거하기 전 일정 사이클 동안의 충방전 전압에 기초하여 퇴화도를 산출할 수 있다. 예를 들면, 배터리 셀의 충방전 전압은 배터리 셀의 SOC가 5 미만이거나, 95 이상인 구간에서의 전압으로 획득될 수 있다.
그리고, 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정한다(S104). 예를 들어, 단계 S104에서는 일정 주기로 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정할 수 있다. 또한, 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 배터리 팩의 SOH를 산출한다(S106). 이 때, 단계 S106에서는 사전에 측정된 배터리 팩의 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 대한 테이블 또는 그래프 등을 통해 배터리 팩의 SOH를 추정할 수 있다. 예를 들면, 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 대한 데이터는 도 1의 저장부(150)에 저장되어 있을 수 있다.
다음으로, 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되는지 여부를 판단한다(S108). 만약, 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되는 경우(즉, 균일한 경우)(YES), 배터리 팩의 SOH가 기준치 이상인지 여부를 판단한다(S110). 또한, 배터리 팩의 SOH가 기준치 이상인 경우(YES), 해당 배터리 팩을 재사용 가능한 배터리 팩으로 진단한다(S112).
반면, 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되지 않는 경우나, 배터리 팩의 SOH가 기준치 미만인 경우에는 해당 배터리 팩을 재사용 불가능한 배터리 팩으로 진단한다(S114). 이 때에는 배터리 팩을 분해하여 모듈 단위로 재사용할 수 있다.
다음으로, 도 7에서는 단계 S114에서 재사용 불가능한 배터리 팩으로 진단된 경우를 전제로 진행한다. 도 7을 참조하면, 먼저배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정한다(S116). 또한, 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 배터리 모듈의 SOH를 산출한다(S118).
다음으로, 배터리 셀의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되는지 여부를 판단한다(S120). 만약, 배터리 셀의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되는 경우(즉, 균일한 경우)(YES), 배터리 모듈의 SOH가 기준치 이상인지 여부를 판단한다(S122). 또한, 배터리 모듈의 SOH가 기준치 이상인 경우(YES), 해당 배터리 모듈을 재사용 가능한 배터리 모듈로 진단한다(S124).
반면, 배터리 셀의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되지 않는 경우나, 배터리 모듈의 SOH가 기준치 미만인 경우에는 해당 배터리 모듈을 재사용 불가능한 배터리 모듈로 진단한다(S126). 이 때에는 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 사용자는 가장 퇴화가 많이된 배터리 셀을 기준으로 사용하거나, 배터리 셀 내부의 물질을 추출하여 사용할지 등 다양한 활용 방안에 대하여 판단할 수 있다.
이와 같이, 본 개시의 배터리 진단 방법에 따르면, 배터리의 퇴화도를 산출하고 교류 임피던스를 통해 배터리의 SOH를 추정하여 단시간에 배터리의 등급을 분류함으로써, 신속하고 용이하게 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 이상 검출 장치를 동작하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템(30)은 MCU(32), 메모리(34), 입출력 I/F(36) 및 통신 I/F(38)를 포함할 수 있다.
MCU(32)는 메모리(34)에 저장되어 있는 각종 프로그램(예를 들면, 배터리 퇴화도 산출 프로그램, SOH 산출 프로그램, 배터리 진단 프로그램 등)을 실행시키고, 이러한 프로그램들을 통해 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도, 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스, SOH 등을 포함한 각종 데이터를 처리하며, 전술한 도 2에 나타낸 배터리 진단 장치의 기능들을 수행하도록 하는 프로세서일 수 있다.
메모리(34)는 배터리의 퇴화도 및 SOH 산출과 배터리 진단에 관한 각종 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(720)는 배터리의 퇴화도, 교류 임피던스, SOH 데이터 등 각종 데이터를 저장할 수 있다.
이러한 메모리(34)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수도 있을 것이다. 메모리(34)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(34)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(34)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(34)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
입출력 I/F(36)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 MCU(32) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
통신 I/F(340)는 서버와 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다. 예를 들면, 통신 I/F(38)를 통해 별도로 마련된 외부 서버로부터 배터리의 SOH 산출과 배터리 상태 진단을 위한 프로그램이나 각종 데이터 등을 송수신할 수 있다.
이와 같이, 본 개시의 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(34)에 기록되고, MCU(32)에 의해 처리됨으로써, 예를 들면 도 2에서 도시한 각 기능들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.
이상에서, 본 개시의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 개시가 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 개시에 개시된 실시 예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 배터리 팩
2: 상위 제어기
10: 복수의 배터리 모듈 12: 센서
14: 스위칭부 20: BMS
30: 배터리 진단 장치 32: MCU
34: 메모리 36: 입출력 I/F
38: 통신 I/F 100: 배터리 진단 장치
110: 산출부 120: 측정부
130: 추정부 140: 진단부
150: 저장부
10: 복수의 배터리 모듈 12: 센서
14: 스위칭부 20: BMS
30: 배터리 진단 장치 32: MCU
34: 메모리 36: 입출력 I/F
38: 통신 I/F 100: 배터리 진단 장치
110: 산출부 120: 측정부
130: 추정부 140: 진단부
150: 저장부
Claims (18)
- 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 산출부;
상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 측정부;
상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH(state of health)를 추정하는 추정부; 및
상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 진단부를 포함하는 배터리 진단 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 산출부는 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하고,
상기 측정부는 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하고,
상기 추정부는 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하고,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치. - 배터리 셀의 퇴화도를 산출하는 산출부;
상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하는 측정부;
상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하는 추정부; 및
상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 진단부를 포함하는 배터리 진단 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 산출부는 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하고,
상기 측정부는 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하고,
상기 추정부는 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하고,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 13에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 13에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치. - 청구항 13에 있어서,
상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치. - 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 단계;
상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 단계;
상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하는 단계; 및
상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 단계를 포함하는 배터리 진단 방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 단계;
상기 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하는 단계;
상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하는 단계; 및
상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 단계를 더 포함하는 배터리 진단 방법.
Priority Applications (6)
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