KR20220065604A - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리의 전압 및 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일 획득하고, 획득된 배터리 프로파일에 기반하여 상기 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 생성하도록 구성된 프로파일 생성부; 및 상기 프로파일 생성부로부터 상기 미분 프로파일을 수신하고, 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하며, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 전압을 비교하고, 비교 결과에 기반하여 상기 배터리에 대한 부반응 발생 여부를 판단하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING BATTERY}
본 발명은 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리에 부반응 발생 여부를 진단할 수 있는 배터리 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.
이러한 배터리는 저온 또는 고온에 장시간 노출되거나, 충전 및 방전이 반복될수록 부반응이 발생되어 점차 퇴화될 수 있다.
부반응은 배터리의 양극 및 음극에서 발생될 수 있으며, 발생 원인이 다양하다. 따라서, 배터리의 수명을 증대시키기 위해서는, 배터리의 부반응 발생 여부 및 발생 원인을 확인하고, 이에 따라 배터리의 사용 조건을 적절히 제어하는 것이 중요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리에 부반응이 발생되었는지 여부 및 발생된 부반응의 원인을 진단함으로써, 배터리에 최적화된 사용 조건을 제어할 수 있는 배터리 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 진단 장치는 배터리의 전압 및 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일 획득하고, 획득된 배터리 프로파일에 기반하여 상기 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 생성하도록 구성된 프로파일 생성부; 및 상기 프로파일 생성부로부터 상기 미분 프로파일을 수신하고, 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하며, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 전압을 비교하고, 비교 결과에 기반하여 상기 배터리에 대한 부반응 발생 여부를 판단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 기준 피크와 상기 타겟 피크 간의 전압의 대소를 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 배터리에 음극 부반응 발생 여부 또는 양극 부반응 발생 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압을 초과하는 경우, 상기 배터리에 상기 음극 부반응이 발생된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압 미만인 경우, 상기 배터리에 상기 양극 부반응이 발생된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 음극 부반응 또는 상기 양극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 포함된 전해질 중 일부가 분해된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리에 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 충전 C-rate, 가용 SOC 및 상한 온도 중 적어도 하나를 포함하는 사용 조건을 변경하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 음극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 충전 C-rate의 상한을 감소시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 양극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 가용 SOC의 상한을 감소시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리에 상기 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 상한 온도를 감소시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 미분 프로파일에서 상기 기준 피크의 전압을 기준으로 소정의 전압 구간 내에서 상기 타겟 피크를 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 검사 장치는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 진단 방법은 배터리의 전압 및 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일 획득하는 배터리 프로파일 획득 단계; 상기 배터리 프로파일 획득 단계에서 획득된 배터리 프로파일에 기반하여 상기 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 생성하는 미분 프로파일 생성 단계; 상기 미분 프로파일 생성 단계에서 생성된 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하는 타겟 피크 결정 단계; 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 전압을 비교하는 전압 비교 단계; 및 상기 전압 비교 단계의 비교 결과에 기반하여 상기 배터리에 대한 부반응 발생 여부를 부반응 발생 여부 판단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 미분 프로파일에 포함된 하나의 피크의 거동에 기반하여, 배터리에 대한 부반응 발생 여부 및 부반응의 종류을 신속하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 부반응이 발생된 배터리에 대한 적절한 사용 조건이 설정됨으로써, 배터리의 기대 수명을 증대시킬 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 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 미분 프로파일 및 기준 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 미분 프로파일 및 기준 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 미분 프로파일에 대응되는 배터리 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 제2 미분 프로파일에 대응되는 배터리 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 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 진단 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 진단 장치(100)는 프로파일 생성부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
프로파일 생성부(110)는 배터리의 전압 및 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일 획득하도록 구성될 수 있다.
여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 하나가 배터리로 간주될 수 있다.
예컨대, 프로파일 생성부(110)가 획득하는 배터리 프로파일은 배터리의 대응되는 전압과 용량이 맵핑되도록 생성된 프로파일일 수 있다.
프로파일 생성부(110)는 획득된 배터리 프로파일에 기반하여 상기 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 생성하도록 구성될 수 있다.
프로파일 생성부(110)는 배터리의 전압을 기준으로 배터리의 용량을 미분하여 미분 용량(dQ/dV)를 산출할 수 있다. 그리고, 프로파일 생성부(110)는 대응되는 배터리의 전압과 미분 용량을 서로 맵핑하여, 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일을 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 미분 프로파일(DP1) 및 기준 프로파일(R)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 미분 프로파일(DP2) 및 기준 프로파일(R)을 개략적으로 도시한 도면이다.
예컨대, 도 2 및 도 3을 참조하면, 프로파일 생성부(110)에 의해 생성되는 제1 미분 프로파일(DP1) 및 제2 미분 프로파일(DP2)은 X를 전압으로 설정하고 Y를 미분 용량으로 설정한 경우의 X-Y 그래프로 표현될 수 있다.
제어부(120)는 상기 프로파일 생성부(110)로부터 상기 미분 프로파일을 수신하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)와 프로파일 생성부(110)는 통신 가능하도록 서로 연결될 수 있다. 프로파일 생성부(110)는 생성한 미분 프로파일을 제어부(120)로 송신하고, 제어부(120)는 프로파일 생성부(110)로부터 미분 프로파일 수신할 수 있다.
제어부(120)는 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 미분 프로파일에는 복수의 피크가 포함될 수 있다. 여기서, 피크는 전압에 대한 미분 용량의 순간 변화율이 0인 지점으로, 피크를 기준으로 상기 순간 변화율이 양에서 음으로 변하는 지점일 수 있다. 즉, 피크는 미분 프로파일에서 위로 볼록한 개형을 띠는 지점일 수 있다.
제어부(120)는 미분 프로파일에 포함된 복수의 피크 중 어느 하나를 타겟 피크로 결정할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부(120)는, 상기 미분 프로파일에서 상기 기준 피크(RP)의 전압을 기준으로 소정의 전압 구간 내에서 상기 타겟 피크를 결정하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 기준 피크(RP)의 전압을 기준으로 -0.1V 내지 +0.1V 구간 내에서 타겟 피크를 결정할 수 있다. 즉, 기준 피크(RP)의 전압이 3.45V라면, 3.35V 내지 3.55V 구간 내에서 타겟 피크를 결정할 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제어부(120)는 제1 미분 프로파일(DP1)에서 복수의 피크를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 결정한 복수의 피크 중 전압이 기준 피크(RP)의 전압을 기준으로 소정의 전압 구간 내에 포함된 제1 타겟 피크(TP1)를 결정할 수 있다.
다른 예로, 도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 제2 미분 프로파일(DP2)에서 복수의 피크를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 결정한 복수의 피크 중 전압이 기준 피크(RP)의 전압을 기준으로 소정의 전압 구간 내에 포함된 제2 타겟 피크(TP2)를 결정할 수 있다.
제어부(120)는 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일(R)의 기준 피크(RP)와 상기 결정된 타겟 피크 간의 전압을 비교하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(120)는 기준 피크(RP)에 대응되는 전압과 타겟 피크에 대응되는 전압의 대소를 비교할 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 타겟 피크의 전압이 기준 피크(RP)의 전압보다 미리 설정된 기준 전압 이상 차이가 나는지 여부를 판단할 수 있다. 예컨대, 배터리의 전압 및 용량이 측정될 때, 노이즈 등으로 인한 측정 오차로 인해 타겟 피크의 전압과 실제 전압에 오차가 발생될 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 이러한 오차를 감안하여, 타겟 피크의 전압이 기준 피크(RP)의 전압보다 기준 전압 이상인지 여부 또는 이하인지 여부를 판단할 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제어부(120)는 기준 피크(RP)와 제1 타겟 피크(TP1)의 전압의 대소를 비교하여, 제1 타겟 피크(TP1)의 전압이 기준 피크(RP)의 전압보다 큰 것으로 판단할 수 있다.
다른 예로, 도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 기준 피크(RP)와 제2 타겟 피크(TP2)의 전압의 대소를 비교하여, 제2 타겟 피크(TP1)의 전압이 기준 피크(RP)의 전압보다 작은 것으로 판단할 수 있다.
제어부(120)는 비교 결과에 기반하여 상기 배터리에 대한 부반응 발생 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 기준 피크와 타겟 피크 간의 전압의 대소 비교 결과에 따라, 상기 배터리에 음극 부반응 발생 여부 또는 양극 부반응 발생 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압을 초과하는 경우, 제어부(120)는 상기 배터리에 상기 음극 부반응이 발생된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
반대로, 상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압 미만인 경우, 제어부(120)는 상기 배터리에 상기 양극 부반응이 발생된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제1 타겟 피크(TP1)의 전압은 기준 피크(RP)의 전압을 초과할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 제1 미분 프로파일(DP1)에 대응되는 배터리에 음극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
다른 예로, 도 3의 실시예에서, 제2 타겟 피크(TP2)의 전압은 기준 피크(RP)의 전압 미만일 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 제2 미분 프로파일(DP2)에 대응되는 배터리에 양극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 미분 프로파일에 포함된 하나의 피크의 거동에 기반하여, 배터리에 대한 부반응 발생 여부 및 부반응의 종류(양극 부반응 또는 음극 부반응)를 비파괴적으로 신속하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
한편, 배터리 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 진단 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 배터리 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, 저장부(130)는 프로파일 생성부(110)가 획득한 배터리 프로파일과 프로파일 생성부(110)에 의해 생성된 미분 프로파일을 저장할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 프로파일 생성부(110)로부터 미분 프로파일을 직접 수신할 수도 있고, 저장부(130)에 접근(Access)하여 미분 프로파일을 획득할 수도 있다.
이하에서는, 배터리에 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 제어부(120)가 배터리에 발생된 부반응의 원인을 구체적으로 진단하는 내용에 대해 설명한다.
상기 제어부(120)는, 상기 음극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 포함된 전해질 중 일부가 분해된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리에 포함된 전해질 중 일부가 환원 분해되어, 음극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
음극 부반응에 대한 일 실시예로, 상기 제어부(120)는, 상기 전해질 중 일부가 분해되어 상기 배터리의 음극에 리튬이 석출된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 제어부(120)는, 상기 음극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리의 음극에 리튬이 석출된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
제어부(120)는 타겟 피크의 전압이 기준 피크(RP)의 전압을 초과한 경우, 배터리에 음극 부반응이 발생되었으며, 음극 부반응은 전해질 중 일부의 환원 분해에 따른 리튬 플레이팅(Lithium plating)이 원인인 것으로 판단할 수 있다.
구체적으로, 배터리의 음극에 리튬 플레이팅이 발생된 경우, 배터리의 고SOC 구간(예컨대, SOC 90% 내지 100% 구간)에서 음극 용량이 손실될 수 있다. 즉, 배터리의 음극에 금속 리튬이 석출되어, 고SOC 구간에서 음극 용량이 손실될 수 있다. 이 경우, 전압 보상을 위해(배터리의 전압을 유지하기 위해), 배터리를 충전하는 경우, 배터리의 음극의 저SOC 구간(예컨대, SOC 0% 내지 10% 구간)의 용량이 더 사용될 수 있다. 이러한 원인에 기인하여, 타겟 피크에 대응되는 전압은 고전압 측으로 시프트(Shift)되어, 기준 전압보다 클 수 있다.
즉, 음극 부반응의 발생으로 인하여 배터리 프로파일의 개형이 변경될 수 있다. 또한, 개형이 변형된 배터리 프로파일에 대응되는 미분 프로파일에 포함되는 타겟 피크에 대응되는 전압은 고전압 측으로 시프트될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 미분 프로파일(DP1)에 대응되는 배터리 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4의 실시예에서, 제1 배터리 프로파일(BP1), 제1 음극 프로파일(NP1) 및 제1 양극 프로파일(PP1)은 BOL(Beginning of life) 상태의 배터리에 대한 프로파일일 수 있다. 그리고, 제2 배터리 프로파일(BP2) 및 제2 양극 프로파일(PP2)은 MOL(Middle of life) 상태의 배터리에 대한 프로파일일 수 있다. 즉, 배터리의 음극에 리튬 플레이팅이 발생된 경우, 배터리의 고SOC 구간(R1)에서의 음극 용량 손실에 의해 제1 양극 프로파일(PP1)은 제2 양극 프로파일(PP2)과 같이 변경되고, 제1 배터리 프로파일(BP1)은 제2 배터리 프로파일(BP2)과 같이 변경될 수 있다.
그리고, 도 4의 실시예에서, 제1 SOC(S1)은 BOL 상태 및 MOL 상태의 배터리에 대응되는 타겟 피크에 대한 SOC일 수 있다. 또한, 제1 전압(V1)은 BOL 상태의 배터리에 대응되는 타겟 피크에 대한 전압이고, 제2 전압(V2)은 MOL 상태의 배터리에 대응되는 타겟 피크에 대한 전압일 수 있다.
즉, 제1 SOC(S1)에 대응되는 제1 배터리 프로파일(BP1)의 전압은 제1 전압(V1)이고, 제1 SOC(S1)에 대응되는 제2 배터리 프로파일(BP2)의 전압은 제2 전압(V2)일 수 있다.
구체적으로, 도 2 및 도 4를 참조하면, 도 4의 제1 전압(V1)은 도 2의 기준 피크(RP)에 대응되는 전압이고, 제2 전압(V2)은 도 2의 제1 타겟 피크(TP1)에 대응되는 전압일 수 있다. 즉, 배터리의 음극에 리튬 플레이팅이 발생되면, 제1 타겟 피크(TP1)에 대응되는 전압이 고전압 측으로 시프트되기 때문에, 제1 타겟 피크(TP1)의 전압이 기준 피크(RP)의 전압보다 클 수 있다.
따라서, 제어부(120)는 타겟 피크의 전압이 기준 전압을 초과하면, 배터리에 음극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있음은 물론이고, 음극 부반응의 원인을 음극에 발생된 리튬 플레이팅으로 구체적으로 진단할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 양극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 포함된 전해질 중 일부가 분해된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리에 포함된 전해질 중 일부가 산화 분해되어, 양극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
일반적으로, 배터리가 고온에 장기간 노출된 경우, 배터리에 포함된 전해질이 분해되고, 분해된 전해질로부터 양극 측으로 리튬 이온이 공급될 수 있다. 이 경우, 양극은 음극 및 분해된 전해질로부터 리튬 이온을 공급받을 수 있다. 따라서, 음극 및 분해된 전해질로부터의 리튬 이온 공급에 의해, 배터리의 양극 고전압 측의 용량이 사용되지 못할 수 있다.
양극 부반응에 대한 일 실시예로, 제어부(120)는 상기 전해질 중 일부가 분해되어 상기 배터리의 양극의 비사용 용량이 증가된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리에 포함된 전해질의 일부가 산화 분해된 경우, 분해된 전해질에서 방출된 리튬 이온이 양극에 공급될 수 있다. 이 경우, 고SOC 구간(예컨대, SOC 90% 내지 100% 구간)에서 양극이 자가 방전되기 때문에, 배터리 충전 시 양극의 고SOC 구간이 사용되지 못하는 양극 부반응이 발생될 수 있다.
또한, 양극 부반응에 의해 고SOC 구간에서 양극이 사용되지 못하게 됨으로써, 배터리 충전 시, 전압 보상을 위하여 양극의 저SOC 구간이 더 사용될 수 있다. 따라서, 양극 부반응에 의해 배터리 프로파일의 개형이 변경될 수 있다. 또한, 개형이 변형된 배터리 프로파일에 대응되는 미분 프로파일에 포함되는 타겟 피크에 대응되는 전압이 저전압 측으로 시프트될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 제2 미분 프로파일(DP2)에 대응되는 배터리 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5의 실시예에서, 제1 배터리 프로파일(BP1), 제1 음극 프로파일(NP1) 및 제1 양극 프로파일(PP1)은 BOL 상태의 배터리에 대한 프로파일일 수 있다. 그리고, 제2 배터리 프로파일(BP2), 제2 음극 프로파일(NP2) 및 제2 양극 프로파일(PP2)은 MOL 상태의 배터리에 대한 프로파일일 수 있다. 즉, 배터리의 양극 부반응이 발생된 경우, 고SOC 구간(R2)에서의 양극이 사용되지 못함으로써, 제1 양극 프로파일(PP1)은 제2 양극 프로파일(PP2)과 같이 변경되고, 제1 음극 프로파일(NP1)은 제2 음극 프로파일(NP2)과 같이 변경되며, 제1 배터리 프로파일(BP1)은 제2 배터리 프로파일(BP2)과 같이 변경될 수 있다.
도 5의 실시예에서, 제1 SOC(S1) 및 제1 전압(V1)은 BOL 상태의 배터리에 대응되는 타겟 피크에 대한 SOC 및 전압이고, 제2 SOC(S2) 및 제2 전압(V2)은 MOL 상태의 배터리에 대응되는 타겟 피크에 대한 SOC 및 전압일 수 있다.
한편, 도 5의 실시예에서, 고SOC 구간(R2)에서 제2 양극 프로파일(PP2), 제2 음극 프로파일(NP2) 및 제2 배터리 프로파일(BP2)이 점선으로 표시된 것은, 고SOC 구간(R2)에서 양극이 사용되지 못함을 나타내는 것이다.
즉, 제1 SOC(S1)에 대응되는 제1 배터리 프로파일(BP1)의 전압은 제1 전압(V1)이고, 제2 SOC(S2)에 대응되는 제2 배터리 프로파일(BP2)의 전압은 제2 전압(V2)일 수 있다.
구체적으로, 도 3 및 도 5를 참조하면, 도 5의 제1 전압(V1)은 도 3의 기준 피크(RP)에 대응되는 전압이고, 제2 전압(V2)은 도 3의 제2 타겟 피크(TP2)에 대응되는 전압일 수 있다. 즉, 배터리의 양극에 부반응이 발생되면, 제2 타겟 피크(TP2)에 대응되는 전압이 저전압 측으로 시프트되기 때문에, 제2 타겟 피크(TP2)의 전압이 기준 피크(RP)의 전압보다 작을 수 있다.
따라서, 제어부(120)는 타겟 피크의 전압이 기준 전압 미만이면, 배터리에 양극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있음은 물론이고, 양극 부반응의 원인을 배터리에 포함된 전해질 중 일부가 산화 분해된 것으로 구체적으로 진단할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 온도 측정부(140)를 더 포함할 수 있다.
온도 측정부(140)는 배터리의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 온도 측정부(140)는 배터리의 온도를 주기적으로 측정하고, 온도 측정 신호가 입력되면 온도 측정 주기가 아니더라도 배터리의 온도를 측정할 수 있다.
온도 측정부(140)에 의해 측정된 배터리의 온도 정보는 저장부(130)에 누적 저장될 수 있다.
제어부(120)는 저장부(130)에 저장된 배터리의 온도 정보를 고려하여, 배터리가 장기간 고온에 노출되었는지 여부를 판단할 수 있다. 만약, 배터리가 장기간 기준 온도 이상인 상태를 유지한 경우, 제어부(120)는 배터리에 발생된 양극 부반응의 원인을 고온 노출에 따른 전해질의 분해에 기반한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 배터리에 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 충전 C-rate(Current rate), 가용 SOC 및 상한 온도 중 적어도 하나를 포함하는 사용 조건을 변경하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 음극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 제어부(120)는 상기 배터리에 대한 충전 C-rate의 상한을 감소시키도록 구성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제어부(120)는 음극 부반응의 발생 원인을 배터리의 음극에 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 음극 플레이팅이 더 이상 발생되는 것을 방지하기 위하여, 배터리에 대한 충전 C-rate의 상한을 감소시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부(120)는 리튬 플레이팅이 발생되는 것을 방지하기 위하여, 상기 배터리에 대한 충전 C-rate의 상한뿐만 아니라, 방전 C-rate의 상한도 감소시킬 수도 있다.
또한, 상기 양극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 제어부(120)는 상기 배터리에 대한 가용 SOC의 상한을 감소시키도록 구성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제어부(120)는 양극 부반응의 발생 원인을 배터리에 포함된 전해질의 산화 분해로 판단할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 전해액이 더 이상 분해되는 것을 방지하기 위하여, 배터리의 가용 SOC의 상한을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리에 상기 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 제어부(120)는 상기 배터리에 대한 상한 온도를 감소시키도록 구성될 수 있다.
즉, 배터리에 음극 부반응 또는 양극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 제어부(120)는 부반응 발생을 억제하기 위하여 배터리에 대한 상한 온도를 감소시키도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 배터리에 대한 부반응 발생 여부 및 부반응 종류를 구체적으로 진단하고, 진단 결과에 따라 배터리에 대한 최적의 사용 조건을 설정할 수 있는 장점이 있다. 배터리 진단 장치(100)에 의해 설정된 사용 조건으로 배터리가 운용되는 경우, 배터리에 부반응이 발생되는 것이 억제(또는 지연)될 수 있으므로, 결과적으로 배터리의 수명이 증대될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 진단 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 진단 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 진단 장치(100)의 프로파일 생성부(110), 제어부(120), 저장부(130) 및 온도 측정부(140)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 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.
즉, 배터리 팩에 포함된 배터리 진단 장치(100)에 의해 배터리에 대한 최적의 사용 조건이 설정되고, 설정된 사용 조건에 따라 배터리 팩에 포함된 배터리가 운용될 수 있다. 따라서, 배터리에 부반응이 발생되는 것이 방지되어, 배터리의 수명이 증대될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는, 배터리 검사 장치에 포함될 수 있다. 배터리 검사 장치는 배터리에 대한 부반응 발생 여부 및 부반응 종류를 진단하고, 배터리에 대한 최적의 사용 조건을 설정할 수 있다. 배터리 검사 장치에 의해 설정된 사용 조건은 서버 및/또는 배터리가 구비될 배터리 팩의 BMS에 저장될 수 있다. 따라서, 배터리는 설정된 사용 조건에 따라 운용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 진단 방법의 각 단계는 배터리 진단 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 6을 참조하면, 배터리 진단 방법은 배터리 프로파일 획득 단계(S100), 미분 프로파일 생성 단계(S200), 타겟 피크 결정 단계(S300), 전압 비교 단계(S400), 부반응 발생 여부 판단 단계(S500) 및 배터리 사용 조건 설정 단계(S600)를 포함할 수 있다.
배터리 프로파일 획득 단계(S100)는 배터리의 전압 및 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일 획득하는 단계로서, 프로파일 생성부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 프로파일 생성부(110)는 제2 배터리 프로파일(BP2)을 획득할 수 있다.
다른 예로, 도 5의 실시예에서, 프로파일 생성부(110)는 제2 배터리 프로파일(BP2)을 획득할 수 있다.
미분 프로파일 생성 단계(S200)는 상기 배터리 프로파일 획득 단계(S100)에서 획득된 배터리 프로파일에 기반하여 상기 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 생성하는 단계로서, 프로파일 생성부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 프로파일 생성부(110)는 획득한 배터리 프로파일에 기반하여, 제1 미분 프로파일(DP1)을 생성할 수 있다.
다른 예로, 도 3의 실시예에서, 프로파일 생성부(110)는 획득한 배터리 프로파일에 기반하여, 제2 미분 프로파일(DP2)을 생성할 수 있다.
타겟 피크 결정 단계(S300)는 상기 미분 프로파일 생성 단계(S200)에서 생성된 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제어부(120)는 제1 미분 프로파일(DP1)에서 기준 피크(RP)의 전압으로부터 소정의 전압 구간 내에서 제1 타겟 피크(TP1)를 결정할 수 있다.
다른 예로, 도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 제2 미분 프로파일(DP2)에서 기준 피크(RP)의 전압으로부터 소정의 전압 구간 내에서 제2 타겟 피크(TP2)를 결정할 수 있다.
전압 비교 단계(S400)는 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일(R)의 기준 피크(RP)와 상기 결정된 타겟 피크 간의 전압을 비교하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제어부(120)는 제1 타겟 피크(TP1)에 대응되는 전압이 기준 피크(RP)에 대응되는 전압보다 큰 것으로 판단할 수 있다.
다른 예로, 도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 제2 타겟 피크(TP2)에 대응되는 전압이 기준 피크(RP)에 대응되는 전압보다 작은 것으로 판단할 수 있다.
부반응 발생 여부 판단 단계(S500)는 상기 전압 비교 단계(S400)의 비교 결과에 기반하여 상기 배터리에 대한 음극 부반응 발생 여부 또는 양극 부반응 발생 여부를 판단하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는, 타겟 피크의 전압이 기준 피크의 전압을 초과하는 경우, 배터리에 음극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있다. 반대로, 제어부(120)는 타겟 피크의 전압이 기준 피크의 전압 미만인 경우, 배터리에 양극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제1 타겟 피크(TP1)의 전압이 기준 피크(RP)의 전압을 초과하였으므로, 제어부(120)는 배터리에 음극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
다른 예로, 도 3의 실시예에서, 제2 타겟 피크(TP2)의 전압이 기준 피크(RP)의 전압 미만이므로, 제어부(120)는 배터리에 양극 부반응이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
부반응 발생 여부 판단 단계(S500) 이후, 배터리 사용 조건 설정 단계(S600)가 더 포함될 수 있다.
배터리 사용 조건 설정 단계(S600)는 상기 배터리에 대한 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 사용 조건을 설정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는, 배터리에 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 배터리에 대한 충전 C-rate, 가용 SOC 및 상한 온도 중 적어도 하나를 포함하는 사용 조건을 변경할 수 있다. 따라서, 변경된 사용 조건에 따라 배터리가 운용됨으로써, 배터리의 수명이 증대될 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.
100: 배터리 진단 장치
110: 프로파일 생성부
120: 제어부
130: 저장부
140: 온도 측정부

Claims (11)

  1. 배터리의 전압 및 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일 획득하고, 획득된 배터리 프로파일에 기반하여 상기 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 생성하도록 구성된 프로파일 생성부; 및
    상기 프로파일 생성부로부터 상기 미분 프로파일을 수신하고, 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하며, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 전압을 비교하고, 비교 결과에 기반하여 상기 배터리에 대한 부반응 발생 여부를 판단하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기준 피크와 상기 타겟 피크 간의 전압의 대소를 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 배터리에 음극 부반응 발생 여부 또는 양극 부반응 발생 여부를 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압을 초과하는 경우, 상기 배터리에 상기 음극 부반응이 발생된 것으로 판단하고,
    상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압 미만인 경우, 상기 배터리에 상기 양극 부반응이 발생된 것으로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 음극 부반응 또는 상기 양극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 포함된 전해질 중 일부가 분해된 것으로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리에 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 충전 C-rate, 가용 SOC 및 상한 온도 중 적어도 하나를 포함하는 사용 조건을 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 음극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 충전 C-rate의 상한을 감소시키고,
    상기 양극 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 가용 SOC의 상한을 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리에 상기 부반응이 발생된 것으로 판단된 경우, 상기 배터리에 대한 상한 온도를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미분 프로파일에서 상기 기준 피크의 전압을 기준으로 소정의 전압 구간 내에서 상기 타겟 피크를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 검사 장치.
  11. 배터리의 전압 및 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일 획득하는 배터리 프로파일 획득 단계;
    상기 배터리 프로파일 획득 단계에서 획득된 배터리 프로파일에 기반하여 상기 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 생성하는 미분 프로파일 생성 단계;
    상기 미분 프로파일 생성 단계에서 생성된 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하는 타겟 피크 결정 단계;
    상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 전압을 비교하는 전압 비교 단계; 및
    상기 전압 비교 단계의 비교 결과에 기반하여 상기 배터리에 대한 부반응 발생 여부를 부반응 발생 여부 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
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