KR20220102472A - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 셀에 대한 복수의 배터리 정보를 획득하도록 구성된 배터리 정보 획득부; 및 상기 복수의 배터리 셀의 모집단에 대한 기준 분포 프로파일에 기반하여, 상기 복수의 배터리 정보에 대한 위스커를 산출하고, 상기 복수의 배터리 정보 및 산출된 위스커에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성하며, 상기 복수의 배터리 정보 각각이 생성된 박스 플롯에 대응되는 임계 구간에 포함되는지 여부에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 결정하도록 구성된 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 결정할 수 있는 배터리 관리 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 생산 공정에서의 편차 및 출하 후 실사용 환경에서의 편차 등으로 동일 제품이라고 하더라도 전기화학 특성의 격차가 증가할 수 있다. 예컨대, 배터리 간의 격차는 충방전 사이클 중의 거동 편차로 이어지게 되고, 이에 따른 발열 및 전압 차이가 비선형 형태로 가속될 수 있다.
종래에는 고정된 임계값 또는 고정된 임계 범위를 설정하고, 설정된 임계값 또는 임계 범위를 이용하여 비정상 상태의 배터리를 진단하였다. 다만, 이러한 종래의 방식은, 시간 경과에 따른 배터리의 퇴화를 반영하지 못하는 문제가 있다. 또한, 배터리의 퇴화를 반영하여 임계값 또는 임계 범위를 설정하기 위한 수치 결정 모델의 복잡도로 인해, 실제 구현이 매우 어려워지는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 모집단의 정규분포에 기반하여 현재 운용 중인 복수의 배터리 각각의 상태를 진단할 수 있는 배터리 관리 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 관리 장치는 복수의 배터리 셀에 대한 복수의 배터리 정보를 획득하도록 구성된 배터리 정보 획득부; 및 상기 복수의 배터리 셀의 모집단에 대한 기준 분포 프로파일에 기반하여, 상기 복수의 배터리 정보에 대한 위스커를 산출하고, 상기 복수의 배터리 정보 및 산출된 위스커에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성하며, 상기 복수의 배터리 정보 각각이 생성된 박스 플롯에 대응되는 임계 구간에 포함되는지 여부에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 결정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 기준 분포 프로파일은, 상기 모집단에 포함된 BOL(Beginning of life) 상태의 복수의 배터리에 대한 상기 배터리 정보의 분포도를 나타내는 프로파일일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 기준 분포 프로파일의 평균값, 상기 평균값으로부터 소정의 확률 밀도에 대응되는 참조값 및 상기 모집단에 대한 불량률에 대응되도록 설정된 임계값에 기반하여 상기 위스커를 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 참조값과 상기 평균값 간의 참조 편차를 산출하고, 상기 임계값과 상기 참조값 간의 임계 편차를 산출하며, 상기 산출된 참조 편차와 상기 임계 편차에 기반하여 상기 위스커를 산출하도록 될 수 있다.
상기 제어부는, 하기의 수학식을 이용하여 상기 위스커를 산출하도록 구성될 수 있다.
[수학식]
W=Td÷(2×Rd)
여기서, W는 위스커이고, Td는 임계 편차이며, Rd는 참조 편차일 수 있다.
상기 불량률은, 상기 모집단에 포함된 복수의 셀 중 결함 셀의 비율에 대응되도록 설정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀 중 대응되는 배터리 정보가 상기 박스 플롯의 임계 범위에 포함되는 배터리 셀의 상태를 정상 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀 중 대응되는 배터리 정보가 상기 박스 플롯의 임계 범위를 벗어난 배터리 셀의 상태를 결함 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 획득된 배터리 정보에 따라 상기 생성된 박스 플롯에 포함된 상단 구간 및 하단 구간 중 적어도 하나의 구간을 선택하고, 선택된 구간에 기반하여 상기 임계 구간을 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은 복수의 배터리 셀에 대한 복수의 배터리 정보를 획득하는 배터리 정보 획득 단계; 상기 복수의 배터리 셀의 모집단에 대한 기준 분포 프로파일에 기반하여, 상기 복수의 배터리 정보에 대한 위스커를 산출하는 위스커 산출 단계; 상기 복수의 배터리 정보 및 산출된 위스커에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성하는 박스 플롯 생성 단계; 및 상기 복수의 배터리 정보 각각이 생성된 박스 플롯에 대응되는 임계 구간에 포함되는지 여부에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 결정하는 상태 결정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 모집단의 불량률과 복수의 배터리 셀의 현재 퇴화 상태를 고려하여, 복수의 배터리 각각의 상태가 진단될 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 관리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 분포 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 일반적인 박스 플롯을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 분포 프로파일에 기반하여 생성된 박스 플롯을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 분포 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 일반적인 박스 플롯을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 분포 프로파일에 기반하여 생성된 박스 플롯을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 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.
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 관리 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 관리 장치(100)는 배터리 정보 획득부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
배터리 정보 획득부(110)는 복수의 배터리 셀에 대한 복수의 배터리 정보를 획득하도록 구성될 수 있다.
여기서, 배터리 셀은, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리 셀로 간주될 수 있다.
예컨대, 배터리 정보 획득부(110)가 획득할 수 있는 배터리 정보는, 복수의 배터리 셀 각각의 전압, 전류, 온도, SOC(State of charge), SOH(State of health) 및 저항 중 적어도 하나 이상이 포함될 수 있다. 구체적으로 배터리 정보 획득부(110)는 복수의 배터리 셀 각각의 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나를 획득할 수 있다. 또한, 배터리 정보 획득부(110)는 획득된 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나에 기반하여 SOC, SOH 및 저항 등의 배터리 정보를 획득할 수 있다.
제어부(120)는 상기 복수의 배터리 셀의 모집단에 대한 기준 분포 프로파일에 기반하여, 상기 복수의 배터리 정보에 대한 위스커를 산출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 기준 분포 프로파일은, 상기 모집단에 포함된 BOL(Beginning of life) 상태의 복수의 배터리에 대한 상기 배터리 정보의 연속 확률 분포를 나타내는 프로파일일 수 있다.
구체적으로, 모집단에는 상기 복수의 배터리 셀을 포함하여 복수의 배터리가 포함될 수 있다. 예컨대, 모집단은 동일한 생산 라인을 통해 제조된 배터리가 포함될 수 있다. 그리고, 모집단에는 상기 복수의 배터리 셀이 포함될 수 있다. 구체적인 예로, 복수의 배터리 셀은 100개이고, 모집단에 포함된 복수의 배터리는 1,000개일 수 있다. 즉, 모집단(1,000개의 배터리)에는 본 발명의 일 실시예에 따른 100개의 배터리 셀과 나머지 900개의 배터리 셀이 포함될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 분포 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2의 실시예에서, 모집단에 포함된 BOL 상태의 배터리에 대한 기준 분포 프로파일은 평균값이 0인 정규분포일 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(120)는, 상기 기준 분포 프로파일의 평균값, 상기 평균값으로부터 소정의 확률 밀도에 대응되는 참조값 및 상기 모집단에 대한 불량률에 대응되도록 설정된 임계값에 기반하여 상기 위스커를 산출하도록 구성될 수 있다.
도 2의 실시예에서, 기준 분포 프로파일은 정규분포를 따르는 분포 프로파일일 수 있다.
참조값은 기준 분포 프로파일의 평균값을 기준으로 소정의 확률 밀도(x%)에 대응되는 값일 수 있다. 예컨대, 도 2의 실시예에서, 참조값은 소정의 확률 밀도 25%에 대응되는 값으로서, 0.6745일 수 있다.
또한, 상기 불량률은, 상기 모집단에 포함된 복수의 셀 중 결함 셀의 비율에 대응되도록 설정될 수 있다. 그리고, 불량률에 대응되는 확률 밀도에 대응되는 값으로 임계값이 설정될 수 있다. 예컨대, 도 2의 실시예에서, 불량률은 모집단에 포함된 복수의 셀 중 실제 결함 셀의 비율로서, 0.7%일 수 있다. 그리고, 임계값은 불량률에 대응되는 값으로서, 2.698일 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 참조값과 상기 평균값 간의 참조 편차를 산출하고, 상기 임계값과 상기 참조값 간의 임계 편차를 산출하며, 상기 산출된 참조 편차와 상기 임계 편차에 기반하여 상기 위스커를 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(120)는, 하기의 수학식을 이용하여 상기 위스커를 산출하도록 구성될 수 있다.
[수학식]
W=Td÷(2×Rd)
여기서, W는 위스커이고, Td는 임계 편차이며, Rd는 참조 편차일 수 있다. 임계 편차(Td)는 "임계값 - 참조값"의 수식에 따라 계산되고, 참조 편차(Rd)는 "참조값 - 평균값"의 수식에 따라 계산될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 참조 편차(Rd)는 참조값(0.6745)과 평균값(0) 간의 차이인 0.6745일 수 있다. 또한, 임계 편차(Td)는 임계값(2.698)과 참조값(0.6745) 간의 차이인 2.024(또는, 2.0235)일 수 있다. 따라서, 위스커(W)는 "2.024÷(2×0.6745)"의 수식에 따라 1.5로 산출될 수 있다.
제어부(120)는 상기 복수의 배터리 정보 및 산출된 위스커에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성하도록 구성될 수 있다.
도 3은 일반적인 박스 플롯을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 박스 플롯은 하위 경계 내측의 최소값(Low inner fence), 사분위수 범위(Interquartile range, IQR) 및 상위 경계 내측의 최대값(Upper inner fence)를 포함할 수 있다. 여기서, 사분위수 범위(IQR)는 제1 분위수(Q1) 내지 제3 분위수(Q2)의 구간 범위로 정의될 수 있다.
구체적으로, 박스 플롯의 일반적인 정의에 따르면, 하위 경계 내측의 최소값(Low inner fence)은 사분위수 범위(IQR)와 위스커(W)에 기반하여 도출될 수 있다. 예컨대, 하위 경계 내측의 최소값(Low inner fence)은 "제1 분위수(Q1)-(사분위수 범위(IQR)×위스커(W))"로 정의될 수 있다.
또한, 상위 경계 내측의 최대값(Upper inner fence)는 사분위수 범위(IQR)와 위스커(W)에 기반하여 도출될 수 있다. 예컨대, 상위 경계 내측의 최대값(Upper inner fence)은 "제3 분위수(Q3)+(사분위수 범위(IQR)×위스커(W))"로 정의될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 분포 프로파일에 기반하여 생성된 박스 플롯을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제어부(120)는 도 2의 기준 분포 프로파일로부터 위스커를 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 산출된 위스커를 이용하여 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성할 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 복수의 배터리 정보의 중앙값(median)을 기준으로 박스 플롯을 생성할 수 있다. 즉, 도 4의 실시예에서, 제2 분위수(Q2)는 복수의 배터리 정보의 중앙값을 기준으로 설정될 수 있다.
구체적으로, 도 4의 실시예는 기준 분포 프로파일과 박스 플롯 간의 이상적인 대응 관계를 도시한 도면이다. 여기서 유의할 사항은 기준 분포 프로파일은 모집단의 배터리 정보에 기반한 것이고, 박스 플롯은 복수의 배터리 셀의 배터리 정보에 기반한 것이라는 점이다. 즉, 기준 분포 프로파일에 기반하여 산출된 위스커와 복수의 배터리 셀의 배터리 정보를 통해 박스 플롯이 생성되는 것이며, 기준 분포 프로파일이 박스 플롯으로 단순 치환되는 것이 아니다. 따라서, 도 4의 이상적인 실시예에 기반하여, 모집단에 대한 기준 분포 프로파일이 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯으로 단순 치환되는 것으로 해석되지 않아야 한다.
제어부(120)는 상기 복수의 배터리 정보 각각이 생성된 박스 플롯에 대응되는 임계 구간에 포함되는지 여부에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 결정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 제어부(120)는, 상기 복수의 배터리 셀 중 대응되는 배터리 정보가 상기 박스 플롯의 임계 범위에 포함되는 배터리 셀의 상태를 정상 상태로 결정하도록 구성될 수 있다. 반대로, 상기 제어부(120)는, 상기 복수의 배터리 셀 중 대응되는 배터리 정보가 상기 박스 플롯의 임계 범위를 벗어난 배터리 셀의 상태를 결함 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 복수의 배터리 셀이 포함되는 모집단의 기준 분포 프로파일에 기반하여 복수의 배터리 셀의 상태를 결정할 수 있다.
즉, 복수의 배터리 셀의 개수가 적을 경우에는, 복수의 배터리 셀에 대한 배터리 정보만으로는 이상적인 연속 확률 분포를 획득할 수 없는 경우가 발생될 수 있다. 이 경우, 표본의 개수가 부족하기 때문에 연속 확률 분포만으로는 복수의 배터리 셀의 상태 결정에 대한 정확도 및 신뢰도가 낮을 수 있다.
따라서, 배터리 관리 장치(100)는 표본(복수의 배터리 셀)의 개수가 적을 경우, 표본이 포함되는 모집단에 대한 기준 분포 프로파일에 기반하여 위스커를 산출함으로써 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성할 수 있다. 그리고, 배터리 관리 장치(100)는 생성된 박스 플롯에 기반하여 복수의 배터리 셀의 상태를 결정할 수 있으므로, 복수의 배터리 셀의 상태 결정에 대한 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
예컨대, 복수의 배터리 셀은 100개이지만, 모집단은 수 만개인 경우, 배터리 관리 장치(100)에 의해 생성되는 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯은 모집단의 정규 분포를 고려하여 생성되는 것이기 때문에, 복수의 배터리 셀에 대한 상태 결정의 정확도 및 신뢰도가 향상될 수 있다.
또한, 제어부(120)는 위스커를 모집단의 불량률에 기반하여 산출하기 때문에, 박스 플롯에 기반한 복수의 배터리 셀의 상태 결정의 정확도 및 신뢰도가 보다 높을 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 모집단의 불량률은 0.7%이며, 이에 따라 산출된 위스커는 1.5일 수 있다. 즉, 도 4의 실시예에 따른 박스 플롯은, 불량률이 0.7%로 검출된 모집단의 기준 분포 프로파일에 기반하여, 상기 모집단에 포함되는 복수의 배터리 셀의 상태를 결정할 수 있는 박스 플롯일 수 있다.
모집단의 불량률이 증가될수록 상기 수학식에 따라 산출되는 위스커는 작아지고, 이에 따라 박스 플롯의 임계 구간도 감소될 수 있다. 반대로, 모집단의 불량률이 감소될수록 상기 수학식에 따라 산출되는 위스커는 커지고, 이에 따라 박스 플롯의 임계 구간도 증가될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 모집단의 불량률에 따라 적응적으로 변할 수 있는 박스 플롯을 생성할 수 있기 때문에, 복수의 배터리 셀의 상태를 보다 정확하게 결정할 수 있는 장점이 있다. 이는 모집단의 불량률이 높을수록, 모집단에 포함되는 복수의 배터리 셀 또한 불량일 확률이 클 수 있다. 따라서, 배터리 관리 장치(100)는 MOL(Middle of life) 또는 EOL(End of life) 상태인 복수의 배터리 셀의 상태를 결정할 때 모집단의 불량률을 고려함으로써, 복수의 배터리 셀의 상태를 확률적으로 보다 정확하게 결정할 수 있는 것이다.
한편, 배터리 관리 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 관리 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 배터리 관리 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 기준 분포 프로파일을 저장할 수 있다. 또한, 저장부(130)는 기준 분포 프로파일에 기반하여 평균값, 참조값, 임계값, 참조 편차(Rd), 임계 편차(Td) 및 모집단의 불량률 등을 저장할 수도 있다. 제어부(120)는 저장부(130)에 접근하여, 위스커 산출 및 박스 플롯 생성에 필요한 정보들을 획득할 수 있다.
또한, 저장부(130)는 복수의 배터리 셀에 대한 배터리 정보를 저장할 수 있다. 배터리 정보 획득부(110)는 저장부(130)에 접근하여 배터리 정보를 획득하거나, 외부로부터 배터리 정보를 직접 수신하여 획득할 수 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 획득된 배터리 정보에 따라 상기 생성된 박스 플롯에 포함된 상단 구간 및 하단 구간 중 적어도 하나의 구간을 선택하고, 선택된 구간에 기반하여 상기 임계 구간을 결정하도록 구성될 수 있다.
박스 플롯은 복수의 배터리 정보의 중앙값을 기준으로 상단 구간과 하단 구간을 포함할 수 있다. 상단 구간은 중앙값 이상의 값들이 포함된 구간이고, 하단 구간은 중앙값 미만의 값들이 포함된 구간일 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 박스 플롯의 상단 구간은 제2 분위수(Q2) 이상 상위 경계 내측의 최대값(Upper inner fence) 이하의 구간에 대응되고, 하단 구간은 제2 분위수(Q2) 미만 하위 경계 내측의 최소값(Lower inner fence) 이상의 구간에 대응될 수 있다.
일반적으로는 상단 구간과 하단 구간을 모두 포함하여 임계 구간이 결정될 수 있다. 다만, 배터리 정보에 따라서는 상단 구간 및 하단 구간 중 적어도 하나로 임계 구간이 결정될 수 있다.
예컨대, 배터리 정보가 충전 종료 시점의 배터리 셀의 전압일 경우, 과충전된 배터리 셀을 결함 상태로 결정하기 위하여, 임계 구간에는 상단 구간만이 포함될 수 있다.
다른 예로, 배터리 정보가 방전 종료 시점의 배터리 셀의 전압일 경우, 과방전된 배터리 셀을 결함 상태로 결정하기 위하여, 임계 구간에는 상단 구간만이 포함될 수 있다.
즉, 제어부(120)는 배터리 정보에 따라 임계 구간을 상단 구간 및 하단 구간 중 적어도 하나로 결정함으로써, 임계 구간 설정 및 저장에 불필요하게 시스템 자원이 낭비되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 배터리 정보에 따라 최적화된 임계 구간이 설정될 수 있기 때문에, 제어부(120)는 배터리 셀의 상태를 보다 신속하게 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 관리 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치(100)의 배터리 정보 획득부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리 팩(1)에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상술한 배터리 관리 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(1)은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 5의 실시예에서, 측정부(200)는 제1 센싱 라인(SL1), 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)과 연결될 수 있다. 측정부(200)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(B)의 양극 단자와 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 음극 단자와 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(200)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 측정되는 전압과 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 측정되는 전압 간의 차이를 계산하여, 배터리(B)의 전압을 측정할 수 있다. 배터리(B)가 충전 C-rate로 충전되는 과정에서, 측정부(200)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 충전 전압을 측정할 수 있다. 반대로, 배터리(B)가 방전 C-rate로 방전되는 과정에서, 측정부(200)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 방전 전압을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(200)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 전류 측정 유닛(A)과 연결되어 배터리(B)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있다. 여기서, 배터리(B)는 충전 C-rate로 정전류 충전되거나 방전 C-rate로 정전류 방전될 수 있다.
예컨대, 전류 측정 유닛(A)은 배터리(B)의 충방전 경로에 구비되어 배터리(B)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있는 전류 센서 또는 션트 저항일 수 있다. 여기서, 배터리(B)의 충방전 경로란 배터리(B)로 충전 전류가 인가되거나 배터리(B)로부터 방전 전류가 출력되는 대전류 경로일 수 있다. 도 5의 실시예에서, 전류 측정 유닛은 배터리(B)의 충방전 경로 중 배터리(B)의 음극 단자와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 다만, 전류 측정 유닛은 배터리(B)의 충방전 경로 상이라면, 배터리(B)의 양극 단자와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에도 연결될 수 있음을 유의한다.
또한, 측정부(200)는 제4 센싱 라인(SL4)을 통해 배터리(B)의 온도를 측정할 수도 있다.
측정부(200)에 의해 측정된 배터리(B)의 전류, 전압 및 온도 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 정보는 배터리 관리 장치(100)로 송신될 수 있다. 예컨대, 측정부(200)로부터 송신된 배터리 정보는 저장부(130)에 저장되거나, 배터리 정보 획득부로 직접 송신될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 관리 방법의 각 단계는 배터리 관리 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 6을 참조하면, 배터리 관리 방법은 배터리 정보 획득 단계(S100), 위스커 산출 단계(S200), 박스 플롯 생성 단계(S300) 및 상태 결정 단계(S400)를 포함할 수 있다.
배터리 정보 획득 단계(S100)는 복수의 배터리 셀에 대한 복수의 배터리 정보를 획득하는 단계로서, 배터리 정보 획득부(110)에 의해 수행될 수 있다.
위스커 산출 단계(S200)는 상기 복수의 배터리 셀의 모집단에 대한 기준 분포 프로파일에 기반하여, 상기 복수의 배터리 정보에 대한 위스커를 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서 모집단의 불량률이 0.7%라고 가정한다. 제어부(120)는 기준 분포 프로파일에서의 임계 편차(Td) 및 참조 편차(Rd)를 상기 수학식에 대입하여, 위스커를 산출할 수 있다.
박스 플롯 생성 단계(S300)는 상기 복수의 배터리 정보 및 산출된 위스커에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제어부(120)는 기준 분포 프로파일에 대응되도록 산출된 위스커에 따라 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성할 수 있다.
상태 결정 단계(S400)는 상기 복수의 배터리 정보 각각이 생성된 박스 플롯에 대응되는 임계 구간에 포함되는지 여부에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 결정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제어부(120)는 배터리 정보가 박스 플롯의 임계 구간에 속하는 배터리 셀의 상태를 정상 상태로 결정할 수 있다. 반대로, 제어부(120)는 배터리 정보가 박스 플롯의 임계 구간에 속하지 않는 배터리 셀의 상태를 결함 상태로 결정할 수 있다.
또한, 앞선 실시예에 따르면, 박스 플롯의 임계 구간은 배터리 정보의 종류에 대응되도록 결정될 수 있으므로, 제어부(120)는 배터리 정보의 종류에 따라 복수의 배터리 셀의 상태를 보다 신속하게 결정할 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: 배터리 팩
100: 배터리 관리 장치
110: 배터리 정보 획득부
120: 제어부
130: 저장부
200: 측정부
100: 배터리 관리 장치
110: 배터리 정보 획득부
120: 제어부
130: 저장부
200: 측정부
Claims (10)
- 복수의 배터리 셀에 대한 복수의 배터리 정보를 획득하도록 구성된 배터리 정보 획득부; 및
상기 복수의 배터리 셀의 모집단에 대한 기준 분포 프로파일에 기반하여, 상기 복수의 배터리 정보에 대한 위스커를 산출하고, 상기 복수의 배터리 정보 및 산출된 위스커에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성하며, 상기 복수의 배터리 정보 각각이 생성된 박스 플롯에 대응되는 임계 구간에 포함되는지 여부에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 결정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 기준 분포 프로파일은,
상기 모집단에 포함된 BOL(Beginning of life) 상태의 복수의 배터리에 대한 상기 배터리 정보의 분포도를 나타내는 프로파일인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 기준 분포 프로파일의 평균값, 상기 평균값으로부터 소정의 확률 밀도에 대응되는 참조값 및 상기 모집단에 대한 불량률에 대응되도록 설정된 임계값에 기반하여 상기 위스커를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 참조값과 상기 평균값 간의 참조 편차를 산출하고, 상기 임계값과 상기 참조값 간의 임계 편차를 산출하며, 상기 산출된 참조 편차와 상기 임계 편차에 기반하여 상기 위스커를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 제어부는,
하기의 수학식을 이용하여 상기 위스커를 산출하도록 구성되고,
[수학식]
W=Td÷(2×Rd)
여기서, W는 위스커이고, Td는 임계 편차이며, Rd는 참조 편차인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 불량률은,
상기 모집단에 포함된 복수의 셀 중 결함 셀의 비율에 대응되도록 설정된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 배터리 셀 중 대응되는 배터리 정보가 상기 박스 플롯의 임계 범위에 포함되는 배터리 셀의 상태를 정상 상태로 결정하고,
상기 복수의 배터리 셀 중 대응되는 배터리 정보가 상기 박스 플롯의 임계 범위를 벗어난 배터리 셀의 상태를 결함 상태로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 획득된 배터리 정보에 따라 상기 생성된 박스 플롯에 포함된 상단 구간 및 하단 구간 중 적어도 하나의 구간을 선택하고, 선택된 구간에 기반하여 상기 임계 구간을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 복수의 배터리 셀에 대한 복수의 배터리 정보를 획득하는 배터리 정보 획득 단계;
상기 복수의 배터리 셀의 모집단에 대한 기준 분포 프로파일에 기반하여, 상기 복수의 배터리 정보에 대한 위스커를 산출하는 위스커 산출 단계;
상기 복수의 배터리 정보 및 산출된 위스커에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀에 대한 박스 플롯을 생성하는 박스 플롯 생성 단계; 및
상기 복수의 배터리 정보 각각이 생성된 박스 플롯에 대응되는 임계 구간에 포함되는지 여부에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 결정하는 상태 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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