KR20220078358A - 배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법, 배터리 팩 및 전기 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 진단 장치는, 층상 구조를 가지는 음극재를 포함하는 리튬 이온 배터리의 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하는 전압 센서; 및 상기 리튬 이온 배터리의 방전 이벤트의 종료 시점으로부터 휴지 상태로 유지되는 동안, 상기 전압 신호를 설정 시간마다 수집하는 배터리 컨트롤러를 포함한다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 설정 시간마다 수집되는 상기 전압 신호를 기초로, 휴지 시간과 상기 리튬 이온 배터리의 전압 간의 관계를 나타내는 전압 커브를 결정한다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 전압 커브를 기초로, 미분 전압 커브를 결정한다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 미분 전압 커브에서 적어도 하나의 극대점이 검출되는 경우, 각 극대점의 미분 전압을 기초로, 상기 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정한다.

Description

배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법, 배터리 팩 및 전기 차량{BATTERY DIAGNOSIS APPARATUS, BATTERY DIAGNOSIS METHOD, BATTERY PACK, AND ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은, 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정하는 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.
리튬 이온 배터리는, 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 포함하며, 양극과 음극 간에서 전해질을 통한 리튬 이온의 이동에 따라 충방전이 가능한 2차 전지이다. 층상 구조를 가지는 음극재(예, 탄소 재료)서 포함하는 리튬 이온 배터리의 경우, 방전 중에는 배터리의 음극에서 발생된 리튬 이온이 전해질을 통해 양극으로 이동한다. 방전이 종료되어 배터리가 휴지 상태(충전과 방전이 둘 다 중단되는 상태)로 유지되는 동안, 방전 중에 발생된 분극이 서서히 해소되면서 배터리의 전압은 SOC(State Of Charge)에 대응하는 OCV(Open Circuit Voltage)를 향하여 서서히 자연적으로 상승하게 된다.
한편, 리튬 이온 배터리는 충방전이 반복됨에 따라, 다양한 원인으로 인해 리튬 이온이 리튬 금속으로 석출되어 음극 표면에 조금씩 누적되어 간다. 리튬 석출량이 일정 수준 이상이 되는 경우, 1차적으로는 리튬 이온 배터리의 충방전 성능이 저하되고 2차적으로는 리튬 석출물(즉, 리튬 극속)로 인해 양극과 음극 간이 단락되어 화재 등의 위험성을 증대시킨다.
따라서, 리튬 석출량이 일정 수준 이상이 되는 리튬 석출 이상을 판정할 수 있는 기술이 필요하다. 충방전 테스트의 결과를 기초로 리튬 이온 배터리의 충방전 성능의 저하(예, 용량 감소)를 확인함으로써 리튬 석출 이상을 간접적으로 판정할 수 있다. 그러나, 충방전 테스트에는 정밀도가 매우 높은 충방전기가 필요하다는 제약이 있고, 충방전 성능은 리튬 석출물뿐만 아니라 다른 요인에도 영향을 받는 것이기 때문에, 충방전 테스트를 이용한 판정은 정확도가 떨어진다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 리튬 이온 배터리의 방전 이벤트가 종료된 후 휴지 상태로 유지되는 동안에 리튬 이온 배터리의 전압의 시간에 따른 변화를 기초로, 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정할 수 있는 배터리 감시 장치, 배터리 감시 방법, 배터리 팩 및 전기 차량을 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, 층상 구조를 가지는 음극재를 포함하는 리튬 이온 배터리의 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 센서; 및 상기 리튬 이온 배터리의 방전 이벤트의 종료 시점으로부터 상기 리튬 이온 배터리의 충방전이 중단되어 있는 휴지 상태로 유지되는 동안, 상기 전압 신호를 설정 시간마다 수집하도록 구성되는 배터리 컨트롤러를 포함한다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 설정 시간마다 수집되는 상기 전압 신호를 기초로, 상기 종료 시점으로부터 상기 휴지 상태로 유지된 시간인 휴지 시간과 상기 리튬 이온 배터리의 전압 간의 관계를 나타내는 전압 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 전압 커브를 기초로, 상기 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계를 나타내는 미분 전압 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 미분 전압은 상기 리튬 이온 배터리의 전압의 변화 속도를 나타낸다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 미분 전압 커브에서 적어도 하나의 극대점이 검출되는 경우, 각 극대점의 미분 전압을 기초로, 상기 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정하도록 구성된다.
상기 배터리 진단 장치는, 상기 방전 이벤트를 진행하도록 구성되는 충방전 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 방전 이벤트는, 상기 리튬 이온 배터리의 전압이 제1 임계 전압 이상인 시점으로부터 상기 제1 임계 전압보다 낮은 제2 임계 전압에 도달할 때까지 상기 리튬 이온 배터리를 정전류 또는 정전력으로 방전하는 것일 수 있다.
상기 배터리 컨트롤러는, 상기 리튬 이온 배터리의 전압이 상기 제1 임계 전압 미만인 경우, 상기 충방전 회로에게 충전 명령을 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 충방전 회로는, 상기 충전 명령에 응답하여, 상기 리튬 이온 배터리의 전압이 상기 제1 임계 전압보다 큰 기준 전압에 도달할 때까지 상기 리튬 이온 배터리에 대한 충전 이벤트를 실행하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 컨트롤러는, 검출된 적어도 하나의 극대점의 휴지 시간에서의 상기 미분 전압 커브와 기준 미분 전압 커브 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인 경우, 상기 리튬 이온 배터리가 리튬 석출 이상인 것으로 판정하도록 구성될 수 있다. 상기 기준 미분 전압 커브는, 상기 리튬 이온 배터리에 리튬 석출 이상이 없는 정상 상태에서의 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계로서 미리 주어진 것일 수 있다.
상기 배터리 컨트롤러는, 상기 미분 전압 커브에서 검출된 동일 쌍의 극대점과 극소점 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인 경우, 상기 리튬 이온 배터리가 리튬 석출 이상인 것으로 판정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 진단 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은, 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 진단 방법은, 상기 배터리 진단 장치에 의해 실행 가능하다. 상기 배터리 진단 방법은, 상기 리튬 이온 배터리의 방전 이벤트의 종료 시점으로부터 상기 리튬 이온 배터리의 충방전이 중단되어 있는 휴지 상태로 유지되는 동안, 상기 전압 신호를 설정 시간마다 수집하는 단계; 상기 설정 시간마다 수집되는 상기 전압 신호를 기초로, 상기 종료 시점으로부터 상기 휴지 상태로 유지된 시간인 휴지 시간과 상기 리튬 이온 배터리의 전압 간의 관계를 나타내는 전압 커브를 결정하는 단계; 상기 전압 커브를 기초로, 상기 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계를 나타내는 미분 전압 커브를 결정하는 단계로서, 상기 미분 전압은 상기 리튬 이온 배터리의 전압의 변화 속도를 나타내는 단계; 및 상기 미분 전압 커브에서 적어도 하나의 극대점이 검출되는 경우, 각 극대점의 미분 전압을 기초로, 상기 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정하는 단계를 포함한다.
각 극대점의 미분 전압을 기초로, 상기 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정하는 단계는, 검출된 적어도 하나의 극대점의 휴지 시간에서의 상기 미분 전압 커브와 기준 미분 전압 커브 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인 경우, 상기 리튬 이온 배터리가 리튬 석출 이상인 것으로 판정한다.
각 극대점의 미분 전압을 기초로, 상기 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정하는 단계는, 상기 미분 전압 커브에서 검출된 동일 쌍의 극대점과 극소점 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인 경우, 상기 리튬 이온 배터리가 리튬 석출 이상인 것으로 판정한다. 상기 기준 미분 전압 커브는, 상기 리튬 이온 배터리에 리튬 석출 이상이 없는 정상 상태에서의 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계로서 미리 주어진 것일 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 리튬 이온 배터리의 방전 이벤트가 종료된 후 휴지 상태로 유지되는 동안에 리튬 이온 배터리의 전압의 시간에 따른 변화를 기초로, 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정할 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 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 리튬 이온 배터리의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 오버행 영역에 의한 휴지 중인 리튬 이온 배터리의 전압 거동을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 4는 리튬 석출 이상이 없는 배터리에 연관된 전압 커브 및 미분 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 5는 리튬 석출 이상이 있는 배터리에 연관된 전압 커브 및 미분 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 보여주는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 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 <배터리 컨트롤러>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 전기 차량(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기 차량(1)은, 배터리 팩(2), 인버터(3), 전기 모터(4) 및 차량 컨트롤러(5)를 포함한다.
배터리 팩(2)은, 리튬 이온 배터리(B, 이하 '배터리'라고 칭할 수 있음), 스위치(6) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
배터리(B)는, 배터리 팩(2)에 마련된 한 쌍의 전원 단자를 통해 인버터(3) 및/또는 충방전 회로(230)에 결합될 수 있다.
스위치(6)는, 배터리(B)에 직렬로 연결된다. 스위치(6)는, 배터리(B)의 충방전을 위한 전류 경로에 설치된다. 스위치(6)는, 배터리 관리 시스템(100)으로부터의 스위칭 신호에 응답하여, 온오프 제어된다. 스위치(6)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 릴레이이거나 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다.
인버터(3)는, 배터리 관리 시스템(100)로부터의 명령에 응답하여, 배터리(B)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하도록 제공된다. 전기 모터(4)는, 예컨대 3상 교류 모터일 수 있다. 전기 모터(4)는, 인버터(3)로부터의 교류 전력을 이용하여 구동한다.
배터리 관리 시스템(100)은, 배터리(B)의 충방전과 관련된 전반적인 제어를 담당하도록 제공된다.
배터리 관리 시스템(100)은, 배터리 진단 장치(200)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은, 전류 센서(320), 온도 센서(310) 및 인터페이스부(330) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 이하에서는, 배터리 관리 시스템(100)이 배터리 진단 장치(200), 전류 센서(320), 온도 센서(310) 및 인터페이스부(330)를 모두 포함하는 것으로 가정하겠다.
배터리 진단 장치(200)는, 전압 센서(210) 및 배터리 컨트롤러(220)를 포함한다. 배터리 진단 장치(200)는, 충방전 회로(230)를 더 포함할 수 있다.
전압 센서(210)는, 배터리(B)에 병렬 연결되어, 배터리(B)의 양단에 걸친 배터리 전압을 검출하고, 검출된 배터리 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다.
전류 센서(320)는, 전류 경로를 통해 배터리(B)에 직렬로 연결된다. 전류 센서(320)는, 배터리(B)를 통해 흐르는 배터리 전류를 검출하고, 검출된 배터리 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성된다.
온도 센서(310)는, 배터리(B)의 온도를 검출하고, 검출된 온도를 나타내는 온도 신호를 생성하도록 구성된다.
배터리 컨트롤러(220)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.
배터리 컨트롤러(220)는, 메모리부를 가질 수 있다. 메모리부는, 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. 메모리부는, 배터리 컨트롤러(220)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리부는, 배터리 컨트롤러(220)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다.
배터리 컨트롤러(220)는, 전압 센서(210), 충방전 회로(230), 온도 센서(310), 전류 센서(320), 인터페이스부(330) 및/또는 스위치(6)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 배터리 컨트롤러(220)는, 센싱 신호를 센싱부(110)로부터 수집할 수 있다. 센싱 신호는, 동기 검출된 전압 신호, 전류 신호 및/또는 온도 신호를 지칭한다.
배터리 컨트롤러(220)는, 배터리(B)의 충방전 중, 소정 시간마다, 센싱 신호를 기초로 배터리(B)의 SOC를 결정한다. SOC를 결정함에 있어서, 암페어 카운팅, 칼만 필터 등과 같은 공지의 알고리즘이 이용될 수 있다.
인터페이스부(330)는, 배터리 컨트롤러(220)와 차량 컨트롤러(5)(예, ECU: Electronic Control Unit) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성되는 통신 회로를 포함할 수 있다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론, 배터리 컨트롤러(220)와 차량 컨트롤러(5) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.
인터페이스부(330)는, 차량 컨트롤러(5) 및/또는 배터리 컨트롤러(220)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다. 차량 컨트롤러(5)는, 배터리 관리 시스템(100)과의 통신을 통해 수집되는 배터리 정보(예, 전압, 전류, 온도, SOC)를 기초로, 인버터(3)를 제어할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 오버행 영역에 의한 휴지 중인 리튬 이온 배터리의 전압 거동을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리(B)는, 외장재(10), 양극(11), 음극(12), 양극 리드(14), 음극 리드(15), 전해질 및 분리막(13)을 포함하고, 양극(11)과 음극(12) 간에서 전해질을 통한 리튬 이온(21)의 이동에 따라 충방전이 가능한 2차 전지이다. 양극(11), 음극(12) 및 분리막(13)의 적층체는 전해질과 함께 외장재(10)의 내부에 수납되어, 외부로부터 격리된다. 양극 리드(14)의 일단은 외장재(10)의 내부에서 양극(11)에 연결되고, 양극 리드(14)의 타단은 외장재(10)의 외부로 노출된다. 음극 리드(15)의 일단은 외장재(10)의 내부에서 음극(12)에 연결되고, 음극 리드(15)의 타단은 외장재(10)의 외부로 노출된다.
도 2에서 X축은 양극(11), 음극(12) 및 분리막(13)의 적층 방향을 나타내고, Y축은 X축의 수직 방향을 나타내며, Z축은 X축과 Y축에 수직 방향을 나타낸다. 적층체에 있어서, 충방전으로 인한 리튬 석출을 최소화하기 위해서는, 음극(12)의 Y축 길이 및 Z축 길이가 양극(11)의 Y축 길이 및 Z축 길이보다 길게 제조되어, X축에서 바라볼 때에 양극(11)이 음극(12)의 테두리 영역 내에 위치하게 된다.
그런데, 음극(12)을 제조 시, 양극(11)의 X-Y 면적이 설계치 대비 크게 제조되거나 양극(11)의 X-Y 면적이 설계치 대비 작게 제조되는 결함(공정 오차)이 발생할 수 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 두 양극(11) 사이에 음극(12)이 배치된 상태에서, 양극(11)의 일 부분이 음극(12)의 테두리 영역을 Y축 또는 Z축을 따라 넘어서게 되는 오버행 영역(O)이 존재하게 된다. 충전 중, 양극(11)으로부터 방출된 리튬 이온(21)은, 음극(12)의 표면 중에서 오버행 영역(O)에 맞닿거나 근처에 위치한 영역으로 집중된다. 결과적으로, 음극(12)의 표면 중에서 오버행 영역(O)에 가까운 영역일수록 과충전으로 인해 리튬 석출이 심화된다.
도 3을 참조하면, 방전 이벤트가 종료된 때로부터 배터리(B)가 휴지 상태로 유지되는 동안, 오버행 영역(O)의 리튬 석출물(22)과 음극(12) 간의 전위차로 인해, 리튬 석출물(22)의 일부가 리튬 이온(21)으로 산화될 수 있다. 휴지 상태에서, 리튬 석출물(22)로부터 발생된 리튬 이온(21)의 일부는 오버행 영역(O)에 맞닿거나 근접한 음극(12)의 표면을 통해 음극재(예, 탄소 재료)의 층상구조에 존재하는 빈 공간(23)으로 재삽입(re-intercalation)되는 현상이 1회 또는 시간차를 두고 2회 이상 발현될 수 있다. 이러한 리튬 이온(21)의 재삽입은, 충전과 유사하게, 음극(12)의 전위를 짧은 시간 내에 큰 폭으로 감소시키게 되며, 결과적으로 배터리(B)의 양단에 걸친 전압이 분극 해소에 따른 정상적인 수준보다 훨씬 큰 폭으로 상승하게 된다.
도 4는 리튬 석출 이상이 없는 정상 상태인 배터리에 연관된 전압 커브 및 미분 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4에 있어서, 전압 커브(401)는, 리튬 석출 이상이 없는 배터리의 휴지 시간과 전압 간의 관계를 나타내고, 좌측의 세로축은 배터리(B)의 전압을, 우측의 세로축은 배터리(B)의 미분 전압을, 가로축은 휴지 시간을 나타낸다. 휴지 시간은, 방전 이벤트의 종료 시점으로부터 휴지 상태로 유지되고 있는 시간이다. 편의를 위해, 세로축의 시점 시간을 0 [hour]로 표시하였다.
본 발명에 있어서, 방전 이벤트란, 배터리의 전압이 제1 임계 전압(예, 3.75 V) 이상인 시점으로부터 제1 임계 전압보다 낮은 제2 임계 전압(예, 3.30 V)에 도달할 때까지 배터리를 정전류 또는 정전력으로 방전하는 절차이다.
도 4의 미분 전압 커브(402)는, 도 4의 전압 커브(401)로부터 결정되는 것으로서, 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계를 나타낸다. 미분 전압은, 배터리의 전압의 변화 속도 즉, 단위 시간 당 전압의 상승량을 나타낸다. 배터리 컨트롤러(220)는, 전압 커브(401)의 전압을 시간에 대해 미분하여, 미분 전압 커브(402)를 결정할 수 있다.
전압 커브(401)를 통해 확인할 수 있듯이, 배터리(B)가 신품 상태인 경우에는 리튬 석출 이상이 없으며, 이 경우 방전 이벤트의 종료 시점에서의 SOC에 대응하는 OCV를 향하여, 방전 이벤트의 종료 시점부터 배터리(B)의 전압을 지속적으로 상승해간다. 또한, 미분 전압 커브(402)를 통해 확인할 수 있듯이, 리튬 석출 이상이 없는 경우, 배터리(B)의 미분 전압은 0 [V/Hour]를 향하여 지속적으로 감소한다. 즉, 휴지 시간이 경과할수록, 단위 시간 당 전압의 상승량은 점차 저하하는 것이다.
도 5은 리튬 석출 이상이 있는 배터리에 연관된 전압 커브 및 미분 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4와 마찬가지로, 도 5에 있어서, 좌측의 세로축은 배터리(B)의 전압을, 우측의 세로축은 배터리(B)의 미분 전압을, 가로축은 휴지 시간을 나타낸다.
도 5의 전압 커브(501)는, 리튬 석출 이상이 있는 배터리(B)의 휴지 시간과 전압 간의 관계를 나타낸다. 본 발명의 발명자는, 도 3 및 도 4에 도시된 오버행 영역(O)이 존재하도록 제조된 배터리에 대해, 오버행 영역(O)에 리튬 석출물(22)이 축적되도록, 충방전을 수차례에서 수십차례 반복하는 실험을 진행함으로써, 도 5과 같은 전압 커브(501)를 취득할 수 있었다.
도 5의 미분 전압 커브(502)는, 전압 커브(501)로부터 결정되는 것으로서, 전압 커브(501)에 연관된, 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계를 나타낸다. 배터리 컨트롤러(220)는, 전압 커브(501)의 전압을 시간에 대해 미분하여, 미분 전압 커브(502)를 결정할 수 있다.
전압 커브(501)를 통해 확인할 수 있듯이, 배터리(B)에 리튬 석출 이상이 발생된 경우, 방전 이벤트의 종료 시점부터 배터리(B)의 전압이 지속적으로 상승해간다는 점은 도 4와 공통된다. 다만, 미분 전압 커브(502)를 통해 확인할 수 있듯이, 리튬 석출 이상이 있는 경우, 휴지 중 적어도 하나 이상의 시간대에서 배터리(B)의 미분 전압이 역으로 증가하는 현상이 관측된다. 즉, 휴지 시간이 경과하고 있음에도, 미분 전압이 지속적으로 저하하는 대신, 일부 시간 동안은 오히려 증가했다가 다시 감소하는 패턴이 발생하는 것이다. 이는, 도 2 및 도 3을 참조하여 전술된 바와 같이, 휴지 상태에서 오버행 영역(O)으로부터 방출된 리튬 이온(21)이 음극 내로 재삽입(충전과 유사한 화학 반응)됨으로써, 음극(12)의 전위가 낮아져 배터리(B)의 양단에 걸친 전압의 비정상적인 상승을 유도하기 때문이다.
배터리 컨트롤러(220)는, 미분 전압 커브(502)에 위치하는 적어도 하나의 피크를 검출할 수 있다.
극대점 및 극대점이 피크로서 검출될 수 있다. 극대점은 도 4와 같이 미분 전압의 정상적 변화 대비 뚜렷한 차이를 띄는 지점이기 때문에, 리튬 석출 이상을 판정하는 데에 유리하다. 도 4의 미분 전압 커브(402)는, 리튬 석출 이상의 판정을 위한 기준 미분 전압 커브로서 메모리부에 미리 기록되어 있을 수 있다. 즉, 기준 미분 전압 커브(402)는, 배터리(B)가 리튬 석출 이상이 없는 정상 상태에서의 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계로서 미리 주어진 것이다. 도 5에서, P1과 P2는 각각 미분 전압 커브(502)의 피크로서 검출된 극대점이다. t1 및 H1은 피크(P1)의 휴지 시간과 미분 전압을 나타내고, t2 및 H2은 피크(P2)의 휴지 시간과 미분 전압을 나타낸다. 참고로, 도 4의 HA 및 HB는 각각 t1 및 t2에서의 미분 전압 커브의 미분 전압을 나타낸다.
미분 전압 커브(502)에 있어서, 극대점은 극소점과 한 세트로 나타난다. 즉, 극대점과 극소점은 단독으로 나타날 수 없는 것이어서, 극대점과 극소점 중 어느 하나가 존재하는 것은 다른 하나의 존재를 의미한다. 각 피크의 미분 전압을 '피크 세기'라고 칭할 수도 있다.
도 5에 있어서, P3은 극대점(P1)보다 시간 상으로 먼저 나타나는 극소점이고, P4는 극대점(P1)보다 시간 상으로 늦고 극대점(P2)보다 시간 상으로 먼저 나타나는 극소점이다. 배터리 컨트롤러(220)는, 극대점(P1)과 극소점(P3) 간의 미분 전압 차이(H1-H3)를 극대점(P1)에 연관된 유효 미분 전압으로 결정하고, 극대점(P2)과 극소점(P4) 간의 미분 전압 차이(H2-H4)를 극대점(P2)에 연관된 유효 미분 전압으로 결정할 수 있다.
배터리 컨트롤러(220)는, 배터리(B)의 전압이 제1 임계 전압 미만인 경우, 스위치(6)를 온 상태로 제어함과 동시에, 충방전 회로(230)에게 충전 명령을 전송할 수 있다. 충방전 회로(230)는, 충전 명령에 응답하여, 배터리(B)의 전압이 제1 임계 전압이 제1 임계 전압보다 큰 기준 전압(예, 3.75 V)에 도달할 때까지, 배터리(B)를 정전류, 정전압 또는 정전력으로 충전하는 충전 이벤트를 실행할 수 있다.
배터리 컨트롤러(220)는, 배터리(B)의 전압이 제1 임계 전압(예, 3.75 V) 이상인 경우, 스위치(6)를 온 상태로 제어함과 동시에, 충방전 회로(230)에게 방전 명령을 전송할 수 있다. 충방전 회로(230)는, 방전 명령에 응답하여, 방전 이벤트를 실행한다.
배터리 컨트롤러(220)는, 미분 전압 커브에서 피크가 검출되는 경우, 검출된 피크(들) 중 하나 또는 둘 이상의 미분 전압을 기초로, 배터리(B)의 리튬 석출 이상을 판정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 보여주는 순서도이다. 도 6의 방법은 도 1의 배터리 감시 장치에 의해 실행 가능하다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 단계 S600에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 배터리(B)의 전압이 제1 임계 전압 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S600의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S610으로 진행된다. 단계 S600의 값이 "예"인 경우, 단계 S620으로 진행된다.
단계 S610에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 충방전 회로(230)에게 충전 명령을 전송한다. 충방전 회로(230)는, 충전 명령에 응답하여, 배터리(B)의 전압이 제1 임계 전압보다 큰 기준 전압에 도달할 때까지 배터리(B)에 대한 충전 이벤트를 실행한다.
단계 S620에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 충방전 회로(230)에게 방전 명령을 전송한다. 충방전 회로(230)는, 방전 명령에 응답하여, 배터리(B)에 대한 방전 이벤트를 실행한다.
단계 S630에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 배터리의 전압이 제2 임계 전압에 도달하였는지 여부를 판정한다. 단계 S630의 값이 "예"인 경우, 단계 S640으로 진행된다.
단계 S640에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 배터리를 휴지 상태로 제어한다. 즉, 배터리 컨트롤러(220)는, 방전 이벤트를 중단시키고, 스위치(6)를 오프 상태로 제어한다. 즉, 배터리(B)는 방전으로부터 휴지 상태로 전환된다.
단계 S650에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 배터리가 휴지 상태로 유지되는 동안, 설정 시간(예, 1초)마다 전압 센서(210)로부터의 전압 신호를 수집하여, 휴지 시간과 배터리(B)의 전압 간의 관계를 나타내는 전압 커브(501)를 결정한다. 배터리 컨트롤러(220)는, 휴지 상태로 지속된 총 시간이 임계 시간(예, 12시간)에 도달하거나, 휴지 상태에서의 전압의 총 증가량이 설정 전압(예, 0.10 V)에 도달할 때까지의 기간에 걸쳐 수집된 전압 신호를 기초로, 전압 커브(501)를 결정할 수 있다.
단계 S660에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 전압 커브(501)를 기초로, 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계를 나타내는 미분 전압 커브(502)를 결정한다.
단계 S670에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 미분 전압 커브(502)에 적어도 하나의 극대점이 존재하는지 판정한다. 단계 S670의 값이 "예"인 것은, 배터리 컨트롤러(220)에 의해 미분 전압 커브(502)에 위치하는 극대점(P1, P2)이 검출된 것을 의미한다. 단계 S670의 값이 "예"인 경우, 단계 S680으로 진행된다.
단계 S680에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 극대점(P1, P2)의 휴지 시간(t1, t2)에서의 미분 전압 커브(502)와 기준 미분 전압 커브(402) 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인지 여부를 판정한다. 예컨대, t1에서의 미분 전압 차이는 H1-HA로, t2에서의 미분 전압 차이는 H2-HB로 각각 결정될 수 있다. 단계 S680의 값이 "예"인 것은, 배터리(B)가 리튬 석출 이상인 것을 의미한다. 단계 S680의 값이 "예"인 경우, 단계 S690으로 진행된다. 단계 S670의 값이 "아니오"이거나 단계 S680의 값이 "아니오"인 것은, 배터리(B)가 정상인 것을 의미한다. 단계 S690의 값이 "예"인 경우, 단계 S692로 진행된다.
단계 S690에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 소정의 안전 기능을 실행한다. 예컨대, 배터리 컨트롤러(220)는, 인터페이스부(330)를 통해 차량 컨트롤러(5) 및/또는 차량 유저에게 경고 메시지를 전달하거나, 충전 전류 및/또는 방전 전류의 최대 허용치를 감소시킬 수 있다. 최대 허용치를 감소량은, 미분 전압 차이(예, H1-HA, H2-HB)에 비례할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 보여주는 순서도이다. 도 7의 방법은 도 1의 배터리 감시 장치에 의해 실행 가능하다.
도 1 내지 도 5 및 도 7을 참조하면, 단계 S700에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 배터리(B)의 전압이 제1 임계 전압 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S700의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S710으로 진행된다. 단계 S700의 값이 "예"인 경우, 단계 S720으로 진행된다.
단계 S710에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 충방전 회로(230)에게 충전 명령을 전송한다. 충방전 회로(230)는, 충전 명령에 응답하여, 배터리(B)의 전압이 제1 임계 전압보다 큰 기준 전압에 도달할 때까지 배터리(B)에 대한 충전 이벤트를 실행한다.
단계 S720에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 충방전 회로(230)에게 방전 명령을 전송한다. 충방전 회로(230)는, 방전 명령에 응답하여, 배터리(B)에 대한 방전 이벤트를 실행한다.
단계 S730에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 배터리의 전압이 제2 임계 전압에 도달하였는지 여부를 판정한다. 단계 S730의 값이 "예"인 경우, 단계 S740으로 진행된다.
단계 S740에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 배터리를 휴지 상태로 제어한다. 즉, 배터리 컨트롤러(220)는, 방전 이벤트를 중단시키고, 스위치(6)를 오프 상태로 제어한다. 즉, 배터리(B)는 방전으로부터 휴지 상태로 전환된다.
단계 S750에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 배터리가 휴지 상태로 유지되는 동안, 설정 시간(예, 1초)마다 전압 센서(210)로부터의 전압 신호를 수집하여, 휴지 시간과 배터리(B)의 전압 간의 관계를 나타내는 전압 커브(501)를 결정한다. 배터리 컨트롤러(220)는, 휴지 상태로 지속된 총 시간이 임계 시간(예, 12시간)에 도달하거나, 휴지 상태에서의 전압의 총 증가량이 설정 전압(예, 0.10 V)에 도달할 때까지의 기간에 걸쳐 수집된 전압 신호를 기초로, 전압 커브를 결정할 수 있다.
단계 S760에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 전압 커브(501)를 기초로, 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계를 나타내는 미분 전압 커브(502)를 결정한다.
단계 S770에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 미분 전압 커브(502)에 적어도 하나의 극대점과 극소점의 쌍이 존재하는지 판정한다. 단계 S770의 값이 "예"인 것은, 배터리 컨트롤러(220)에 의해 미분 전압 커브(502)에 서로 인접하여 위치하는 극대점과 극소점의 쌍이 적어도 하나 이상 검출된 것을 의미한다. 예컨대, 배터리 컨트롤러(220)는, 극대점(P1)과 극소점(P3)을 하나의 쌍으로, 극대점(P2)과 극소점(P4)을 다른 하나의 쌍으로 각각 검출할 수 있다. 단계 S770의 값이 "예"인 경우, 단계 S780으로 진행된다.
단계 S780에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 동일 쌍의 극대점과 극소점 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인지 여부를 판정한다. 예컨대, 배터리 컨트롤러(220)는, 극대점(P1)과 극소점(P3) 간의 미분 전압 차이로서 H1-H3을, 극대점(P2)과 극소점(P4) 간의 미분 전압 차이로서 H2-H4를 각각 임계 차이와 비교할 수 있다. 단계 S780에서의 임계 차이는 단계 S680에서의 임계 차이와 동일하거나 상이하게 미리 정해질 수 있다. 단계 S780의 값이 "예"인 것은, 배터리(B)가 리튬 석출 이상인 것을 의미한다. 단계 S780의 값이 "예"인 경우, 단계 S790으로 진행된다. 단계 S770의 값이 "아니오"이거나 단계 S780의 값이 "아니오"인 것은, 배터리(B)가 정상인 것을 의미한다. 단계 S790의 값이 "예"인 경우, 단계 S792로 진행된다.
단계 S790에서, 배터리 컨트롤러(220)는, 소정의 안전 기능을 실행한다. 예컨대, 배터리 컨트롤러(220)는, 인터페이스부(330)를 통해 차량 컨트롤러(5) 및/또는 차량 유저에게 경고 메시지를 전달하거나, 충전 전류 및/또는 방전 전류의 최대 허용치를 감소시킬 수 있다. 최대 허용치를 감소량은, 미분 전압 차이(H1-H3 또는 H2-H4)에 비례할 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: 전기 차량
2: 배터리 팩
100: 배터리 관리 시스템
200: 배터리 진단 장치
210: 전압 센서 220: 배터리 컨트롤러
230: 충방전 회로
310: 온도 센서
320: 전류 센서
330: 인터페이스부

Claims (11)

  1. 층상 구조를 가지는 음극재를 포함하는 리튬 이온 배터리의 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 센서; 및
    상기 리튬 이온 배터리의 방전 이벤트의 종료 시점으로부터 상기 리튬 이온 배터리의 충방전이 중단되어 있는 휴지 상태로 유지되는 동안, 상기 전압 신호를 설정 시간마다 수집하도록 구성되는 배터리 컨트롤러를 포함하되,
    상기 배터리 컨트롤러는,
    상기 설정 시간마다 수집되는 상기 전압 신호를 기초로, 상기 종료 시점으로부터 상기 휴지 상태로 유지된 시간인 휴지 시간과 상기 리튬 이온 배터리의 전압 간의 관계를 나타내는 전압 커브를 결정하고,
    상기 전압 커브를 기초로, 상기 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계를 나타내는 미분 전압 커브를 결정하되, 상기 미분 전압은 상기 리튬 이온 배터리의 전압의 변화 속도를 나타내고,
    상기 미분 전압 커브에서 적어도 하나의 극대점이 검출되는 경우, 각 극대점의 미분 전압을 기초로, 상기 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전 이벤트를 진행하도록 구성되는 충방전 회로를 더 포함하는 배터리 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방전 이벤트는,
    상기 리튬 이온 배터리의 전압이 제1 임계 전압 이상인 시점으로부터 상기 제1 임계 전압보다 낮은 제2 임계 전압에 도달할 때까지 상기 리튬 이온 배터리를 정전류 또는 정전력으로 방전하는 것인 배터리 진단 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 컨트롤러는,
    상기 리튬 이온 배터리의 전압이 상기 제1 임계 전압 미만인 경우, 상기 충방전 회로에게 충전 명령을 전송하도록 구성되고,
    상기 충방전 회로는,
    상기 충전 명령에 응답하여, 상기 리튬 이온 배터리의 전압이 상기 제1 임계 전압보다 큰 기준 전압에 도달할 때까지 상기 리튬 이온 배터리에 대한 충전 이벤트를 실행하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 컨트롤러는,
    검출된 적어도 하나의 극대점의 휴지 시간에서의 상기 미분 전압 커브와 기준 미분 전압 커브 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인 경우, 상기 리튬 이온 배터리가 리튬 석출 이상인 것으로 판정하도록 구성되되,
    상기 기준 미분 전압 커브는, 상기 리튬 이온 배터리에 리튬 석출 이상이 없는 정상 상태에서의 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계로서 미리 주어진 것인 배터리 진단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 컨트롤러는,
    상기 미분 전압 커브에서 검출된 동일 쌍의 극대점과 극소점 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인 경우, 상기 리튬 이온 배터리가 리튬 석출 이상인 것으로 판정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 진단 장치에 의해 실행 가능한 배터리 진단 방법에 있어서,
    상기 리튬 이온 배터리의 방전 이벤트의 종료 시점으로부터 상기 리튬 이온 배터리의 충방전이 중단되어 있는 휴지 상태로 유지되는 동안, 상기 전압 신호를 설정 시간마다 수집하는 단계;
    상기 설정 시간마다 수집되는 상기 전압 신호를 기초로, 상기 종료 시점으로부터 상기 휴지 상태로 유지된 시간인 휴지 시간과 상기 리튬 이온 배터리의 전압 간의 관계를 나타내는 전압 커브를 결정하는 단계;
    상기 전압 커브를 기초로, 상기 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계를 나타내는 미분 전압 커브를 결정하는 단계로서, 상기 미분 전압은 상기 리튬 이온 배터리의 전압의 변화 속도를 나타내는 단계; 및
    상기 미분 전압 커브에서 적어도 하나의 극대점이 검출되는 경우, 각 극대점의 미분 전압을 기초로, 상기 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정하는 단계를 포함하는 배터리 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    각 극대점의 미분 전압을 기초로, 상기 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정하는 단계는,
    검출된 적어도 하나의 극대점의 휴지 시간에서의 상기 미분 전압 커브와 기준 미분 전압 커브 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인 경우, 상기 리튬 이온 배터리가 리튬 석출 이상인 것으로 판정하되,
    상기 기준 미분 전압 커브는, 상기 리튬 이온 배터리에 리튬 석출 이상이 없는 정상 상태에서의 휴지 시간과 미분 전압 간의 관계로서 미리 주어진 것인 배터리 진단 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    각 극대점의 미분 전압을 기초로, 상기 리튬 이온 배터리의 리튬 석출 이상을 판정하는 단계는,
    상기 미분 전압 커브에서 검출된 동일 쌍의 극대점과 극소점 간의 미분 전압 차이가 임계 차이 이상인 경우, 상기 리튬 이온 배터리가 리튬 석출 이상인 것으로 판정하는 배터리 진단 방법.
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