KR20220130366A - Method of Online Detection of Soft Internal Short Circuit in Lithium-Ion Batteries at Various Standard Charging Ranges and Apparatus thereof - Google Patents

Method of Online Detection of Soft Internal Short Circuit in Lithium-Ion Batteries at Various Standard Charging Ranges and Apparatus thereof Download PDF

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Abstract

According to the present invention, an early detection method of an internal short fault generated in a lithium-ion battery in a constant-current charging situation is a method of estimating the open circuit voltage (OCV) and state of charge (SOC) of a lithium-ion battery by using the equivalent circuit model (ECM) of the battery and measured signals in an algorithm for detecting an internal short fault in an early stage by using current and voltage signals measured in the process of charging the battery at a constant current. The accuracy of estimation can be increased by using a fault index including information on the degree of a fault as well as whether an internal short fault exists.

Description

내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치{Method of Online Detection of Soft Internal Short Circuit in Lithium-Ion Batteries at Various Standard Charging Ranges and Apparatus thereof}Method and apparatus for early detection of internal short circuit failures {Method of Online Detection of Soft Internal Short Circuit in Lithium-Ion Batteries at Various Standard Charging Ranges and Apparatus thereof}

본 발명은 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치에 관한 것으로, 리튬 이온 배터리를 정전류로 충전하는 과정에서 측정된 전류, 전압 신호를 활용하여 내부 단락 고장을 조기 검출하는 알고리즘을 이용한 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for early detection of an internal short circuit failure, and a method for early detection of an internal short circuit failure using an algorithm for early detection of an internal short circuit failure using current and voltage signals measured in the process of charging a lithium ion battery with a constant current and devices.

배터리 내부 단락 검출의 중요성은, 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 전력, 장수명화 등의 이유로 전기차 및 스마트 그리드 시스템에서 에너지 저장 장치 (Energy storage system, ESS)로서 그 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상한다. 최근 국내외 등에서 보고된 태양열 에너지용 에너지 저장 장치(Energy storage system, ESS) 화재 사건, 휴대폰 폭발 사건, 전기자동차 화재 사건 등은 배터리 사용상 안전에 대해 소비자들이 큰 관심을 두게 되는 계기가 되었다. 언급된 사고의 주된 원인으로는 배터리 열폭주로 조사되었으며, 특히 배터리 내부 단락은 열폭주를 일으키는 주된 원인으로 여겨진다. 그래서 배터리 사용에 있어서 인적 물적 피해를 사전에 예방하고자 배터리 내부 단락을 검출하는 방법이 요구되었다. Due to the importance of detecting a short circuit inside the battery, the demand for lithium ion batteries as an energy storage system (ESS) in electric vehicles and smart grid systems is expected to increase explosively due to high energy power and long lifespan. Recently reported incidents such as solar energy storage system (ESS) fire incidents, cell phone explosion incidents, and electric vehicle fire incidents reported at home and abroad have been an opportunity for consumers to pay great attention to the safety of batteries. The main cause of the mentioned accidents was investigated as battery thermal runaway, and in particular, a short circuit inside the battery is considered to be the main cause of thermal runaway. Therefore, a method for detecting a short circuit inside a battery is required to prevent damage to human and property in advance.

내부 단락 개념 및 내부 단락 조기 검출의 중요성은, 배터리의 내부 단락은 제조상 결함, 사용 중 화학 성분의 변화, 사용자의 배터리 과충전 과방전과 같은 오용 등의 이유로 배터리에 발생할 수 있다. 배터리 내부 단락 초기 발생 시 약한 고장 단계로 배터리의 동작에는 영향은 주지 않으나 계속된 자가 방전 전류로 인해 배터리 사용 효율이 낮아진다. 이 상태의 배터리를 계속 사용하거나 배터리의 물리적 충돌로 인해 심한 고장 단계 내부 단락으로 발전하면 배터리는 폭발 및 화재를 동반하는 열폭주를 일으키게 된다. 그래서, 심한 고장 단계의 내부 단락을 검출하는 것은 물론이며 약한 고장 단계의 내부 단락을 검출(내부 단락 조기 검출)하여 배터리의 정확한 잔여 사용 시간을 계산할 수 있고 또한 사용자에서 배터리를 교체할 수 있는 시간을 제공할 수 있기 때문에, 내부 단락을 조기에 검출하는 방법이 요구되고 있다. The concept of internal short circuit and the importance of early detection of internal short circuit, internal short circuit of a battery can occur in the battery due to manufacturing defects, changes in chemical composition during use, misuse such as overcharging and overdischarging the user's battery. It is a weak failure stage at the initial occurrence of an internal short circuit in the battery, which does not affect the operation of the battery, but the battery usage efficiency is lowered due to the continuous self-discharge current. If the battery in this state continues to be used or develops into a severe failure stage internal short circuit due to the physical collision of the battery, the battery will undergo thermal runaway accompanied by explosion and fire. So, not only to detect the internal short circuit in the severe failure stage, but also detect the internal short circuit in the weak failure stage (early detection of internal short circuit) to calculate the correct remaining usage time of the battery, and also reduce the time the user can replace the battery. Therefore, there is a need for a method for early detection of an internal short circuit.

종래의 기술은 측정된 신호 문턱치를 이용한 내부 단락 검출 방법의 성능 한계로, 사전에 배터리에 물리적 충격을 주고 심한 내부 단락 고장이 배터리에 발생하였을 때 측정되는 신호적 특징(전압 감소, 온도 증가)으로부터 문턱치를 계산하고, 이를 이용해서 실시간으로 측정되는 전압 및 온도를 기준으로 내부 단락 고장의 유무를 판단한다. 그러나 사전 심한 내부 단락 고장 실험에 대한 필요성과 함께 약한 내부 단락 고장은 검출하지 못하는 성능 한계를 가지고 있다.The prior art is a performance limitation of the internal short-circuit detection method using the measured signal threshold, from the signal characteristics (voltage decrease, temperature increase) measured when a physical shock is given to the battery in advance and a severe internal short-circuit failure occurs in the battery. Threshold is calculated, and the presence or absence of internal short-circuit failure is determined based on the voltage and temperature measured in real time using this. However, it has a performance limitation of not detecting weak internal short-circuit failures along with the need for preliminary severe internal short-circuit failure testing.

또한, 실시간으로 추정된 등가 회로 모델 파라미터 변화를 이용한 내부 단락 검출 방법의 성능 한계로, 배터리를 전기적 등가 회로 모델로 표현하고 실시간으로 측정되는 배터리 전류 및 전압을 이용하여 모델 파라미터를 추정한다. 정상 배터리의 추정된 모델 파라미터를 기준으로 내부 단락이 발생한 배터리로부터 추정된 모델 파라미터의 변화 정도를 이용하여 내부 단락 고장의 유무를 판단한다. 그러나, 약한 고장 단계에서부터 심한 고장 단계까지 파라미터의 변화 정도가 선형적이지 못하여 고장 단계를 구분하는 고장 인덱스로 사용될 수 없다는 성능 한계를 가지고 있다.In addition, as a performance limitation of the internal short circuit detection method using the real-time estimated equivalent circuit model parameter change, the battery is expressed as an electrical equivalent circuit model, and the model parameters are estimated using the battery current and voltage measured in real time. Based on the estimated model parameter of the normal battery, it is determined whether there is an internal short circuit failure using the degree of change in the model parameter estimated from the battery in which the internal short circuit has occurred. However, it has a performance limitation that it cannot be used as a failure index to classify failure stages because the degree of parameter change from a weak failure stage to a severe failure stage is not linear.

또한, 내부 단락을 표현한 등가 회로 모델에서 내부 단락 저항을 실시간으로 추정한 내부 단락 검출 방법의 성능 한계 및 검출 가능 환경 제한으로, 기존 배터리 등가 회로 모델에 단락 저항을 평행하게 연결함으로써 배터리에 발생한 내부 단락을 표현하고 내부 단락의 정도는 단락 저항의 크기로 묘사하였다. 배터리에 인가된 부하 전류 및 출력된 단자 전압을 이용하여 회로상의 단락 저항을 직접적으로 추정함으로써 내부 단락 고장 단계를 구분할 수 있는 고장 인덱스를 제안하였다. 하지만, 추정된 내부 단락 저항의 정확도가 낮다는 성능의 한계가 있고, 또한 배터리에 인가된 부하 전류에 따라서 단락 저항이 추정이 안 될 수도 있어서 고장 인덱스 검출 가능한 배터리 사용환경이 제한적이라는 단점을 가지고 있다.In addition, due to the performance limitations and detectable environment limitations of the internal short circuit detection method that estimates the internal short circuit resistance in real time in the equivalent circuit model expressing the internal short circuit, the internal short circuit occurred in the battery by connecting the short circuit resistance in parallel to the existing battery equivalent circuit model. was expressed and the degree of internal short circuit was described as the size of the short circuit resistance. By estimating the short-circuit resistance on the circuit directly using the load current applied to the battery and the output terminal voltage, a failure index that can distinguish the internal short-circuit failure stages was proposed. However, there is a limitation in performance that the accuracy of the estimated internal short-circuit resistance is low, and also the short-circuit resistance may not be estimated depending on the load current applied to the battery, so the battery usage environment in which the failure index can be detected is limited. .

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 측정된 신호 및 배터리 등가 회로 모델(Equivalent circuit model, ECM)을 이용하여 배터리의 개방 회로 전압(Open circuit voltage, OCV) 및 충전 상태(State of charge, SOC)를 추정하는 방법을 제안한다. 내부 단락 고장의 유무뿐만 아니라 고장의 정도의 정보를 포함하고 있는 고장 인덱스를 제안하고 추정 정확도를 높일 수 있는, 전류 충전 상황에서 리튬 이온 배터리에 발생한 내부 단락 고장을 조기 검출할 수 있는 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is the open circuit voltage (OCV) and the state of charge of the battery using the measured signal and the battery equivalent circuit model (ECM) , we propose a method for estimating SOC). Early detection of internal short-circuit failures that occur in lithium-ion batteries under current charging conditions, which can suggest a failure index that includes information on the degree of failure as well as the presence or absence of an internal short-circuit failure and increase the estimation accuracy. A detection method and apparatus are provided.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 내부 단락 고장 조기 검출 장치는, 내부 단락 고장을 조기 검출하는 장치에 있어서, 프로세서(processor); 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory); 를 포함하되, 적어도 하나의 명령은, 리튬 이온 배터리를 정전류로 충전하는 과정에서 전류, 전압 신호를 측정하고, 측정된 신호 및 배터리 등가 회로 모델(Equivalent circuit model, ECM)을 이용하여 배터리의 개방 회로 전압(Open circuit voltage, OCV) 및 충전 상태(State of charge, SOC)를 추정하는 명령; 을 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, an apparatus for early detection of an internal short circuit failure according to an embodiment of the present invention comprises: a processor; a memory in which at least one instruction executed by the processor is stored; Including, but at least one command, in the process of charging the lithium ion battery with a constant current, measuring a current and a voltage signal, and using the measured signal and a battery equivalent circuit model (ECM) to open circuit of the battery a command for estimating an Open circuit voltage (OCV) and a State of charge (SOC); may include.

상기 장치는, 내부 단락 저항(RISCr)과 셀(Cell)이 내장된 열 챔버(Thermal chamber); 열 챔버와 연결되어 배터리 셀 실험을 수행하는 배터리 테스트 장치(Battery test device); 열 챔버와 연결되어 충전 전류 및 단자 전압 신호를 포함한 실험 데이터를 기록하는 데이터 로거 및 컴퓨터(Data logger & Computer); 내부 단락 회로(ISCr) 오류를 복수의 초기 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)가 있는 셀에 표준 충전 전류가 적용될 때 스위치로 트리거하는 ISCr 트리거 전환부(Switch to trigger ISCr); 를 포함할 수 있다.The device, the internal short circuit resistance (R ISCr ) and the cell (Cell) is built-in thermal chamber (Thermal chamber); a battery test device connected to the thermal chamber to perform a battery cell test; a data logger & computer connected to the thermal chamber to record experimental data including charging current and terminal voltage signals; Switch to trigger ISCr, which triggers an internal short circuit (ISCr) fault with a switch when standard charging current is applied to a cell with multiple initial states of charge (STATE OF CHARGE, SOC); may include.

상기 장치는, 내부 단락 고장의 유무뿐만 아니라 고장의 정도의 정보를 포함하고 있는 고장 인덱스를 이용한 고장 인덱스 추출부를 포함할 수 있다.The apparatus may include a failure index extraction unit using the failure index including information on the degree of failure as well as the presence or absence of an internal short circuit failure.

고장 인덱스 추출부는, 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정하는 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부; 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정하는 내부 단락 저항 추정부; 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는 고장 인덱스 대표 값 선정부; 를 포함할 수 있다.The failure index extraction unit may include: an internal short-circuit resistance estimation start time determination unit for variously determining a time point for estimating the internal short-circuit resistance; an internal short-circuit resistance estimator that directly estimates the internal short-circuit resistance using the current and voltage signals obtained from standard battery charging; a failure index representative value selection unit that obtains one failure index representative value from a plurality of internal short circuit resistances obtained from various points of view; may include.

내부 단락 저항 추정부는, 배터리를 표준 충전 시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정하는 배터리 표준 충전부; 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출하는 특성 곡선 추출부; 배터리 표준 충전부에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 실시간 배터리 상태 추정부; 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산하는 내부 단락 저항 추출부; 및 추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트하는 모델 업데이트부; 를 포함할 수 있다.The internal short-circuit resistance estimating unit includes a standard charging unit for charging the battery and measuring the charging constant current and the battery terminal voltage together; a characteristic curve extractor for extracting an OPEN CIRCUIT VOLTAGE (OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve of the battery required to estimate the open circuit voltage and state of charge of the battery from the constant current; The open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) obtained from the signal measured in the standard charging part of the battery and the characteristic curve extraction part 302 - The open circuit voltage (OPEN) from the battery model equation using the state of charge (SOC) curve a real-time battery state estimator for estimating CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and state of charge (STATE OF CHARGE, SOC); an internal short-circuit resistance extractor that calculates an internal short-circuit resistance using the estimated state of charge (SOC) of the battery; and a model update unit that updates the battery model using the estimated internal short-circuit resistance. may include.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 내부 단락 고장 조기 검출 방법은, 고장 인덱스 추출부가 내부 단락 검출을 위한 고장 인덱스 추출 시스템을 개시하는 단계; 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부가 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정하는 단계; 내부 단락 저항 추정부가 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정하는 단계; 및 고장 인덱스 대표 값 선정부가 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는 단계; 를 포함할 수 있다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method for early detection of internal short circuit failure, comprising the steps of: initiating a failure index extraction system for internal short circuit detection by a failure index extraction unit; determining, by the internal short-circuit resistance estimation start time determination unit, a time point for estimating internal short-circuit resistance in various ways; directly estimating the internal short-circuit resistance by the internal short-circuit resistance estimator using the current and voltage signals obtained from standard battery charging; and obtaining, by the failure index representative value selection unit, one representative failure index value from a plurality of internal short circuit resistances obtained from various time points. may include.

배터리 표준 충전부가 배터리를 표준 충전시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정하는 단계; 특성 곡선 추출부가 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출하는 단계; 실시간 배터리 상태 추정부가 배터리 표준 충전부에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 단계; 내부 단락 저항 추출부가 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산하는 단계; 및 모델 업데이트부가 추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.Standard charging the battery by the standard charging unit and measuring the charging constant current and the battery terminal voltage together; extracting an open circuit voltage (OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve of the battery required for the characteristic curve extraction unit to estimate the open circuit voltage and the state of charge of the battery from the constant current; The open circuit voltage from the battery model equation using the OPEN CIRCUIT VOLTAGE (OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve obtained from the signal measured in the standard charging part of the battery and the characteristic curve extraction part by the real-time battery state estimator estimating (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and a state of charge (STATE OF CHARGE, SOC); calculating, by an internal short-circuit resistance extractor, an internal short-circuit resistance using the estimated state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) of the battery; and updating, by the model updater, the battery model using the estimated internal short-circuit resistance. may further include.

상기 방법은, 내부 단락이 발생한 배터리 모델은 수학식 1에 의하여 정의될 수 있다.In the above method, a battery model in which an internal short circuit occurs may be defined by Equation (1).

상기 방법은, 내부 단락 저항 추출부가 실시간 배터리 상태 추정부에서 실시간으로 추정된 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)와 측정되는 전류 및 전압값을 이용해 수학식 2에서부터 내부 단락 저항(

Figure pat00001
)을 계산할 수 있다. In the above method, the internal short-circuit resistance extractor uses the state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) estimated in real time by the real-time battery state estimator and the current and voltage values measured from Equation 2 to the internal short-circuit resistance (
Figure pat00001
) can be calculated.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 내부 단락 고장 조기 검출 방법 중 어느 한 항의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 프로그램을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체일 수 있다.It may be a computer-readable recording medium for implementing the program of the internal short-circuit failure early detection method according to any one of the internal short-circuit failure early detection methods for achieving another object of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래 기술로 내부 단락 저항을 추정하는 방법의 활용은 특정한 조건을 만족하는 배터리 부하 전류가 사용되는 배터리 운용 환경(전기차 방전 상황 등)에 국한되지만,According to an embodiment of the present invention, the use of the method for estimating the internal short-circuit resistance in the prior art is limited to a battery operating environment (electric vehicle discharge situation, etc.) in which a battery load current that satisfies a specific condition is used,

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치에서는, 특정 내부 단락 검출 가능 환경을 극복하기 위해 일반적인 배터리 표준 충전 환경(정전류 충전)에서 내부 단락을 조기에 검출할 수 있다. In the method and apparatus for early detection of an internal short circuit failure of the present invention, an internal short circuit can be detected early in a general battery standard charging environment (constant current charging) in order to overcome a specific internal short circuit detectable environment.

또한, 고장 인덱스로 사용된 내부 단락 저항의 추정 정확도를 향상할 수 있다.In addition, it is possible to improve the estimation accuracy of the internal short-circuit resistance used as the failure index.

또한, 배터리 표준 충전 상황에서 측정된 전류 및 전압을 이용하여 실시간으로 배터리 내부 단락을 조기에 검출하는 알고리즘을 제안할 수 있다.In addition, it is possible to propose an algorithm for early detection of a short circuit inside a battery in real time by using the current and voltage measured in a standard battery charging situation.

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치의 알고리즘에는 정전류 환경에서 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) 및 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 방법을 포함할 수 있다.The algorithm of the method and apparatus for early detection of an internal short circuit failure of the present invention may include a method of estimating an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and a state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) of a battery in a constant current environment.

다수의 지점에서 내부 단락 저항을 추정하고 최종 고장 인덱스를 추출하여 고장 인덱스의 추정 정확도를 향상하는 방법도 포함될 수 있다.A method for estimating the internal short circuit resistance at multiple points and extracting the final failure index to improve the estimation accuracy of the failure index may also be included.

또한, 배터리 표준 충전 상태에서 얻은 전류 및 전압 신호를 이용하여 배터리에 발생한 내부 단락을 조기에 진단함으로써, 종래 기술이 가지고 있던 특정 방전 상황에서만 진단이 가능하다는 한계점을 극복할 수 있다. In addition, by diagnosing an internal short circuit occurring in the battery at an early stage using the current and voltage signals obtained in the standard charging state of the battery, it is possible to overcome the limitation in that the diagnosis is possible only in a specific discharge condition of the prior art.

또한, 완전 충전이 아닌 다양한 충전 범위에서 내부 단락을 검출할 수 있고 고장 인덱스로 사용되는 내부 단락 저항의 추정 정확도가 크게 향상되어 이는 심한 고장 단계에서 열폭주로 이어지는 시기에서 한참 떨어진 시기에 배터리 고장 상태를 진단하기 때문에 배터리 사용 안전성을 높일 수 있고, 약한 고장 단계에서 추정된 내부 단락 저항으로 인해 배터리의 모델의 정확성을 높여 현재 배터리 상태를 더욱 정확하게 진단하여 사용 효율성 증진에도 크게 이바지할 수 있다.In addition, it is possible to detect internal short circuits in various charging ranges rather than full charge, and the estimation accuracy of internal short circuit resistance used as a failure index is greatly improved, which is a battery failure state far away from the period leading to thermal runaway in the severe failure phase. battery usage safety can be improved, and the accuracy of the battery model can be improved due to the internal short-circuit resistance estimated in the weak failure stage, thereby diagnosing the current battery condition more accurately, which can greatly contribute to improving the use efficiency.

도 1은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 개략적인 구성을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 ISCr(internal short circuit) 실험 벤치(experiment bench)를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 고장 인덱스 추출부(100)의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 내부 저항 추정부(300)의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 상온에서의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선의 예시를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 추정된 내부 단락 저항값(내부 단락 저항이 50Ω 일 때)들의 히스토그램 예시도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법에서 ISCr 50Ω 일때 다수의 추정 시점에서 추정된 다수의 내부 단락 저항값(RISCr)을 도시한 그래프 및 이를 확대한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 고장 인덱스 추출 알고리즘의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 내부 단락 저항 추정 알고리즘의 순서도이다.
1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a method for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.
2 is a block diagram illustrating an internal short circuit (ISCr) experiment bench of the device for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.
3 is a block diagram of the failure index extraction unit 100 of the device for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.
4 is a block diagram of the internal resistance estimator 300 of the device for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.
5 is a graph illustrating an example of an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve at room temperature of the present invention.
6 is an exemplary histogram of estimated internal short-circuit resistance values (when the internal short-circuit resistance is 50Ω) according to the present invention.
7 (a) and (b) are graphs showing a plurality of internal short-circuit resistance values (R ISCr ) estimated at a plurality of estimation points when ISCr is 50Ω in the method for early detection of an internal short circuit failure of the present invention, and an enlarged graph thereof to be.
8 is a flowchart of a failure index extraction algorithm of the method for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.
9 is a flowchart of an internal short circuit resistance estimation algorithm of the internal short circuit failure early detection method according to the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. Terms such as first, second, A, B, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component. The term "and/or" includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it is understood that other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 개략적인 구성을 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a method for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 제안된 알고리즘의 전체 구조가 도시된다. Referring to Fig. 1, the overall structure of the proposed algorithm of the method for early detection of an internal short circuit failure of the present invention is shown.

내부 단락 저항(RISCr)추정 프로세스(estimation process)(100)는 소프트 내부 단락 저항(RISCr)(Internal short circuit)의 온라인 감지를 위해 내부 단락 저항(RISCr)(Internal short circuit resistance) 표준 충전(110)을 위해 측정된 단자 전압과 정전류로 추정된다. Internal short circuit resistance (R ISCr ) estimation process 100 is a standard charging internal short circuit resistance (R ISCr ) (Internal short circuit resistance) standard for on-line detection of soft internal short circuit (R ISCr ) (Internal short circuit) It is estimated with the measured terminal voltage and constant current for (110).

내부 단락 저항(RISCr)의 추정 정확도를 향상시키고 신뢰할 수 있는 최종 고장 인덱스(Final fault index)(200)를 얻기 위해 다양한 추정 지점을 사용하여 다양한 내부 단락 저항(RISCr)를 추정한다. In order to improve the estimation accuracy of the internal short-circuit resistance (R ISCr ) and obtain a reliable final fault index ( 200 ), various estimation points are used to estimate various internal short-circuit resistance (R ISCr ).

이 추정치의 평균값은 편차가 가장 큰 이상 값을 제외한 후 최종 고장 인덱스로 사용된다.The average value of this estimate is used as the final failure index after excluding outliers with the largest deviation.

본 발명의 일 실시예에서, 제안된 방법을 검증하기 위해 소프트(Soft) 내부 단락 회로(Internal short circuit, ISCr)에 대한 실험을 수행하였다. 두 개의 동일한 배터리(SAMSUNG INR 18650-29E) A와 B를 사용하여 실험 데이터를 얻었으며 셀의 공칭 용량은 2.850 Ah이다. 충전 및 방전 차단 전압은 각각 4.2V 및 2.5V에 해당하고 공칭 전압은 3.65V에 해당한다. 용량과 OCV-SOC 곡선을 얻기 위해 사전 테스트가 수행되었다. 용량 테스트에 따르면 셀을 정전류-정전압(CC-CV) 프로토콜로 충전한 다음 CC 방전으로 0.2C (0.57A)로 방전했다. 방전 용량은 실제 용량으로 정의되었으며 값은 셀 A와 B에 대해 각각 2.8374 Ah 및 2.8340 Ah에 해당한다. OCV-SOC 곡선 테스트와 관련하여 완전히 충전된 배터리 셀을 4 시간 동안 휴지하여 100 % SOC에서 단자 전압과 동일한 OCV를 측정했다. 이어서, 0.5C의 방전 전류를 720 초 동안 셀에 인가하여 90 % SOC를 설정 한 다음, 셀을 4 시간 동안 휴지시켜 OCV를 얻었다. 0 % SOC에 도달할 때까지 프로세스를 반복하고 실험적인 OCV-SOC 곡선을 얻었다.In an embodiment of the present invention, an experiment on a soft internal short circuit (ISCr) was performed to verify the proposed method. Experimental data were obtained using two identical batteries (SAMSUNG INR 18650-29E) A and B, and the nominal capacity of the cell is 2.850 Ah. The charge and discharge cut-off voltages correspond to 4.2V and 2.5V, respectively, and the nominal voltage corresponds to 3.65V. Pre-tests were performed to obtain dose and OCV-SOC curves. The capacity test showed that the cell was charged with a constant current-constant voltage (CC-CV) protocol and then discharged to 0.2C (0.57A) with a CC discharge. The discharge capacity was defined as the actual capacity and the values correspond to 2.8374 Ah and 2.8340 Ah for cells A and B, respectively. Regarding the OCV-SOC curve test, a fully charged battery cell was rested for 4 hours to measure an OCV equal to the terminal voltage at 100% SOC. Then, a discharge current of 0.5C was applied to the cell for 720 s to set 90% SOC, and then the cell was rested for 4 h to obtain OCV. The process was repeated until 0% SOC was reached and an experimental OCV-SOC curve was obtained.

도 2는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 ISCr(internal short circuit) 실험 벤치(experiment bench)를 도시한 구성도이다.2 is a block diagram illustrating an internal short circuit (ISCr) experiment bench of the device for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.

도 2를 참조하면, 배터리 테스트 벤치의 구성이 도시된다. 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치는, 내부 단락 저항(RISCr)(11)과 셀(Cell)(15)이 내장된 열 챔버(Thermal chamber)(10), 배터리 테스트 장치(Battery test device, Chroma 17020)(20); 데이터 로거 및 컴퓨터(Data logger & Computer)(30), 내부 단락 회로(ISCr) 트리거 전환부(Switch to trigger ISCr, national Instruments) (40)를 포함한다.Referring to Figure 2, the configuration of the battery test bench is shown. The internal short circuit failure early detection device of the present invention, the internal short circuit resistor (R ISCr ) 11 and the cell (Cell) 15 is a built-in thermal chamber (Thermal chamber) 10, a battery test device (Battery test device, Chroma 17020) (20); Data logger & Computer (30), Internal Short Circuit (ISCr) Switch to trigger ISCr, national Instruments (40).

배터리 셀은 셀의 주변 온도가 25 ± 1 ° C로 유지되는 열 챔버에서 테스트되었다. 배터리 테스트 장치(재생 배터리 팩 테스트 시스템 17020, Chroma)를 사용하여 배터리 셀 실험을 수행했으며 샘플 기간은 0.1 초였다. 충전 전류 및 단자 전압 신호를 포함한 실험 데이터는 데이터 로거를 통해 측정되어 컴퓨터에 저장되었다. 다양한 소프트 ISCr 오류를 나타내기 위해 ± 5 % 허용 오차의 저항을 배터리와 병렬로 연결하고 측정된 실제 값은 99.83, 49.91, 29.98 및 20.00에 해당한다. 저항이 99.83 일 때 배터리의 자체 방전 전류는 C / 67이고 값은 표준 충전 전류 (1.375A 및 C / 2)의 3 % 를 나타낸다. 본 발명에서 저항 범위는 99.83이 약한 결함을 설명하기에 충분히 큰 값이기 때문에 20.00에서 99.83으로 설정되었다. 넓은 저항 범위(RISCr > 100)를 갖는 실험 데이터로 제안된 방법의 검증은 향후 작업으로 남아 있다. 최종 고장 인덱스(Final fault index, Rfi)의 상대 오차는 실제 저항 값으로 계산되었다. 소프트 내부 단락 회로(ISCr) 오류는 다양한 초기 SOC가있는 셀에 표준 충전 전류가 적용될 때 스위치로 트리거 되었다. 셀 A는 49.91, 29.98 및 20.00으로 소프트 ISCr 결함에 적용되었고 셀 B는 99.83으로 적용되었다.The battery cells were tested in a thermal chamber where the ambient temperature of the cells was maintained at 25 ± 1 °C. Battery cell experiments were performed using a battery test device (Regenerative Battery Pack Test System 17020, Chroma), with a sample duration of 0.1 s. Experimental data, including charging current and terminal voltage signals, were measured through a data logger and stored in a computer. To represent the various soft ISCr errors, a resistor with ±5% tolerance is connected in parallel with the battery and the actual values measured correspond to 99.83, 49.91, 29.98 and 20.00. When the resistance is 99.83, the battery's self-discharge current is C/67 and the values represent 3% of the standard charge current (1.375A and C/2). In the present invention, the resistance range was set from 20.00 to 99.83 because 99.83 is a large enough value to account for the weak defect. Validation of the proposed method with experimental data with a wide resistance range (R ISCr > 100) remains a future work. The relative error of the final fault index (R fi ) was calculated as the actual resistance value. A soft internal short circuit (ISCr) fault was triggered by a switch when a standard charge current was applied to a cell with various initial SOCs. Cell A applied 49.91, 29.98 and 20.00 to soft ISCr defects and cell B applied 99.83.

도 3은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 고장 인덱스 추출부(100)의 구성도이다.3 is a block diagram of the failure index extraction unit 100 of the device for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에서 배터리 표준 충전 상태에서 내부 단락을 조기에 검출하기 위해 고장 인덱스를 추출하는 전체 알고리즘 순서도가 개시된다.Referring to FIG. 3 , a flowchart of an overall algorithm for extracting a failure index to early detection of an internal short circuit in a standard battery state of charge in the present invention is disclosed.

본 발명의 내부 단락 검출을 위한 고장 인덱스 추출 시스템(200)은 고장 인덱스 추출부(100)를 포함한다. The failure index extraction system 200 for detecting an internal short of the present invention includes a failure index extraction unit 100 .

고장 인덱스 추출부(100)는 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200), 내부 단락 저항 추정부(300), 고장 인덱스 대표 값 선정부(400)를 포함한다.The failure index extraction unit 100 includes an internal short-circuit resistance estimation start time determination unit 200 , an internal short-circuit resistance estimation unit 300 , and a failure index representative value selection unit 400 .

내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200)는 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정한다(210).The internal short-circuit resistance estimation start time determination unit 200 variously determines the internal short-circuit resistance estimation timing ( 210 ).

내부 단락 저항 추정부(300)는 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정한다(220).The internal short-circuit resistance estimating unit 300 directly estimates the internal short-circuit resistance using the current and voltage signals obtained from standard battery charging ( 220 ).

고장 인덱스 대표 값 선정부(400)는 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항(230)으로부터 편차를 고려하여(240)하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는다(250).The failure index representative value selection unit 400 obtains a single failure index representative value in consideration of deviations from a plurality of internal short circuit resistors 230 obtained from various time points (240).

도 4는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치의 내부 저항 추정부(300)의 구성도이다.4 is a block diagram of the internal resistance estimator 300 of the device for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.

도 4를 참조하면, 내부 단락 저항 추정부(300)는 배터리 표준 충전부(301), 특성 곡선 추출부(302), 실시간 배터리 상태 추정부(303), 내부 단락 저항 추출부(304), 모델 업데이트부(305)를 포함한다.Referring to FIG. 4 , the internal short-circuit resistance estimation unit 300 includes a battery standard charging unit 301 , a characteristic curve extraction unit 302 , a real-time battery state estimation unit 303 , an internal short-circuit resistance extraction unit 304 , and a model update. part 305 .

배터리 표준 충전부(301)는 배터리를 표준 충전 시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정한다.The standard battery charging unit 301 charges the battery and measures the charging constant current and the battery terminal voltage together.

특성 곡선 추출부(302)는 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출한다.The characteristic curve extraction unit 302 extracts an open circuit voltage (OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve of the battery required to estimate the open circuit voltage and the state of charge of the battery from the constant current.

실시간 배터리 상태 추정부(303)는 배터리 표준 충전부(301)에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정한다.The real-time battery state estimating unit 303 includes a signal measured by the battery standard charging unit 301 and an open circuit voltage (OCV)-STATE OF CHARGE, SOC curve obtained by the characteristic curve extraction unit 302 . Estimate the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and the state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) from the battery model equation using

내부 단락 저항 추출부(304)는 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산한다.The internal short-circuit resistance extractor 304 calculates the internal short-circuit resistance using the estimated state of charge (SOC) of the battery.

모델 업데이트부(305)는 추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트한다.The model update unit 305 updates the battery model using the estimated internal short-circuit resistance.

도 5는 본 발명의 상온에서의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선의 예시를 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 추정된 내부 단락 저항값(내부 단락 저항이 50Ω 일 때)들의 히스토그램 예시도이다.5 is a graph showing an example of an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve at room temperature of the present invention, and FIG. 6 is an estimated internal short-circuit resistance value of the present invention (When the internal short-circuit resistance is 50Ω) is an example of a histogram.

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 장치는, 종래의 내부 단락 저항을 추정하는 방법은 배터리가 특정한 조건(persistent excitation)을 만족시키는 부하전류로 방전되는 상황에서만 동작하고 내부 단락을 검출할 수 있는 단점을 극복하기 위하여, 초기 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 다르게 가지는 배터리(120)를 정전류(특정 조건을 만족하지 않는 전류)로 표준 충전(110)할 때 측정되는 전류

Figure pat00002
및 전압
Figure pat00003
을 배터리 표준 충전부(301)에서 측정한다. The device for early detection of internal short circuit failure of the present invention, the conventional method of estimating internal short circuit resistance operates only in a situation in which the battery is discharged with a load current that satisfies a specific condition (persistent excitation), and has a disadvantage in that it can detect an internal short circuit. In order to overcome this, the current measured when the standard charging 110 of the battery 120 having a different initial state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) is charged with a constant current (current that does not satisfy a specific condition).
Figure pat00002
and voltage
Figure pat00003
is measured in the battery standard charging unit 301 .

내부 단락이 발생한 배터리 모델은 수학식 1과 같다. A battery model in which an internal short circuit occurs is shown in Equation 1.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서

Figure pat00005
는 배터리의 화학적 특징에 의한 내부 저항을 나타내고,
Figure pat00006
는 내부 단락으로 유발된 자가방전 전류를 나타낸다. 즉, 배터리(120)를 표준 충전(110)시킬 때 충전 전류
Figure pat00007
에서 계속해서 누설되고 있는 자가 방전 전류
Figure pat00008
를 뺀 전류로 충전이 되는 것을 수학식 1은 설명하고 있다.here
Figure pat00005
represents the internal resistance by the chemical characteristics of the battery,
Figure pat00006
represents the self-discharge current induced by an internal short circuit. That is, the charging current when the battery 120 is standard-charged 110 .
Figure pat00007
self-discharge current continuously leaking from
Figure pat00008
Equation 1 explains that charging is performed by subtracting the current.

종래 기술은 최소 순환 자승법을 이용하여 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)의

Figure pat00009
를 실시간으로 추정할 수 있었지만, 정전류 충전에서는 최소 순환 자승법을 동작하지 못하기 때문에 실시간 배터리 상태 추정부(303)에서 수학식 1로부터 배터리(120)의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 구하게 되고 수식적으로 구해진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)에 맞는 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선(140)을 이용하여 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하게 된다.In the prior art, the OPEN CIRCUIT VOLTAGE (OCV) of the battery is
Figure pat00009
could be estimated in real time, but the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) of the battery 120 is obtained from Equation 1 in the real-time battery state estimator 303 because the least cyclic square method does not operate in constant current charging. The open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) of the battery corresponding to the mathematically obtained open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve 140 OF CHARGE, SOC) is estimated.

첫 반복(iteration)에서의 배터리 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 수학식 1로부터 계산될 때, 배터리(120)는 정상이라고 가정을 하여 자가 방전 전류는 없다고 생각한다. 그리고 내부 저항은 실험적 경험으로 인해 하나의 상수로 선택하여 측정되는 전압, 전류 신호만으로 배터리 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 계산하게 된다. 추후 내부 단락 저항 추정부(300)에서 내부 단락 저항이 추정되면 추정값을 이용해서 모델 업데이트부(305)로부터 계산된 자가 방전 전류를 공급받게 된다. When the battery open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) in the first iteration is calculated from Equation 1, it is assumed that the battery 120 is normal and there is no self-discharge current. And the internal resistance is selected as a constant due to the experimental experience, and the battery open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) is calculated using only the measured voltage and current signals. If the internal short-circuit resistance is estimated later by the internal short-circuit resistance estimator 300 , the self-discharge current calculated from the model updater 305 is supplied using the estimated value.

특성 곡선 추출부(302)에서는 정상 배터리(120)의 완전 방전에서 완전 충전까지의 전류 및 전압 신호를 이용하여, 수학식 1로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 그리고 전류 적산법으로 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 각각 계산한다. 이 두 값을 이용하여 정상 배터리(120)의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선(140)을 추출하여 실시간 배터리 상태 추정부(303)에 제공하고 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선의 일 예가 도 3에 도시된다. The characteristic curve extracting unit 302 uses the current and voltage signals from full discharge to full charge of the normal battery 120 to draw an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) from Equation 1 and the state of charge by the current integration method. (STATE OF CHARGE, SOC) is calculated respectively. By using these two values, the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-STATE OF CHARGE, SOC curve 140 of the normal battery 120 is extracted and provided to the real-time battery state estimation unit 303 and An example of an OPEN CIRCUIT VOLTAGE (OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve of a battery is shown in FIG. 3 .

내부 단락 저항 추출부(304)에서는 실시간 배터리 상태 추정부(303)에서 실시간으로 추정된 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)(160)와 측정되는 전류 및 전압값을 이용해 수학식 2에서부터 내부 단락 저항

Figure pat00010
을 계산(170)하게 된다. The internal short-circuit resistance extraction unit 304 uses the state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) 160 estimated in real time by the real-time battery state estimation unit 303 and the current and voltage values measured from Equation 2 to the internal short-circuit resistance
Figure pat00010
is calculated (170).

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00011
Figure pat00011

여기서,

Figure pat00012
는 배터리 정격 용량을 나타내며,
Figure pat00013
는 배터리 표준 충전부(301)에서 신호를 측정할 때 샘플링 주기를 나타낸다.here,
Figure pat00012
indicates the rated capacity of the battery,
Figure pat00013
denotes a sampling period when a signal is measured in the battery standard charging unit 301 .

내부 단락 저항이 추정이 되면 측정된 배터리 전압을 추정된 내부 단락 저항으로 나눠서 단락으로 인한 자가 방전 전류

Figure pat00014
를 계산할 수 있으며 이를 활용해서 다음 반복(iteration)에서 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)를 계산할 때 사용되는 방식의 모델 업데이트(150)를 모델 업데이트부(305)에서 진행한다. 또한 매순간 추정되는 내부 단락 저항을 그대로 반영하기 보다는 순간적으로 튀는 추정값들의 영향을 줄이고자 추정되는 값들을 평균하여 평균값
Figure pat00015
을 모델 업데이트(150)에 사용한다. When the internal short-circuit resistance is estimated, the measured battery voltage is divided by the estimated internal short-circuit resistance to determine the self-discharge current caused by the short circuit.
Figure pat00014
can be calculated, and the model update unit 305 performs the model update 150 of the method used to calculate the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) in the next iteration by using it. In addition, rather than reflecting the instantaneous internal short-circuit resistance as it is, to reduce the influence of instantaneous estimated values, the estimated values are averaged and averaged.
Figure pat00015
is used for model update 150 .

고장 인덱스 추출부(100)에서는 배터리 내부 단락 저항을 추정할 때, 하나의 고정된 시점

Figure pat00016
에서 하나의 내부 단락 저항을 얻기보다 다양한 시점에서 다수의 내부 단락 저항을 동시에 추정하기 위해서 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200)에서 p시점을 추정된 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)을 기준으로 특정 간격으로 다양하게 정하게 된다(210). 그리고 각 시점마다 평행하게 내부 단락 저항 추정부(300)는 동시에 작동이 되며, 배터리 충전이 종료되는 시점에서는 다수의 p시점과 같은 수의 내부 단락 저항의 추정 평균 값의 마지막 반복(iteration)에서의 값
Figure pat00017
을 얻게(230) 된다. 고장 인덱스 대표 값 선정부(400)에서는 다수의
Figure pat00018
에서 하나의 대표 값을 계산(250)하게 된다. 즉, 다수의
Figure pat00019
(230)을 도 4와 같이 추정 값들의 분산을 나타내는 히스토그램을 도시할 수 있으며, 히스토그램의 평균으로부터 가장 편차가 심한 몇 개의 추정 값들은 제거를 하고 비교적 평균에 가까운 값들을 평균하여 얻은 평균 값을 최종 내부 단락 고장을 검출하기 위한 최종 고장 인덱스(250)로 사용한다.In the failure index extraction unit 100, when estimating the internal short circuit resistance of the battery, one fixed time point
Figure pat00016
In order to simultaneously estimate a plurality of internal short-circuit resistances at various time points rather than obtaining one internal short-circuit resistance at is variously determined at a specific interval ( 210 ). And in parallel at each time point, the internal short-circuit resistance estimating unit 300 is simultaneously operated, and at the time when battery charging is finished, in the last iteration of the estimated average value of the same number of internal short-circuit resistance as a plurality of p time points. value
Figure pat00017
is obtained (230). In the failure index representative value selection unit 400, a plurality of
Figure pat00018
One representative value is calculated ( 250 ). That is, many
Figure pat00019
4, a histogram showing the variance of the estimated values can be shown. Some estimated values with the greatest deviation from the mean of the histogram are removed, and the average value obtained by averaging the values relatively close to the mean is finalized. It is used as the final failure index 250 for detecting an internal short-circuit failure.

도 7의 (a) 및 (b)는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법에서 ISCr 50Ω 일때 다수의 추정 시점에서 추정된 다수의 내부 단락 저항값(RISCr)을 도시한 그래프 및 이를 확대한 그래프이다.7 (a) and (b) are graphs showing a plurality of internal short-circuit resistance values (R ISCr ) estimated at a plurality of estimation points when ISCr is 50Ω in the method for early detection of an internal short circuit failure of the present invention, and an enlarged graph thereof to be.

도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명에서 고안한 방법의 예시 실험 검증로써, SAMSUNG lithium-ion 배터리(INR 18650-29E)에 평행하게 단락 저항 50Ω을 연결하고 정전류로 충전을 시켰을 때 다수의 추정 시점에서 추정된 다수의 내부 단락 저항값들이 개시된다. 다수의 시점에서 추정된 저항값들이 추정 말미에는 실제 값에 유사한 값으로 수렴하는 것을 확인할 수 있으며, 계산된 최종 고장 인덱스는 47.4032Ω으로 상당히 신뢰성 있는 값을 도출하는 것을 확인하였다. Referring to (a) and (b) of FIG. 7 , as an exemplary experimental verification of the method devised in the present invention, a short-circuit resistance of 50Ω is connected in parallel to a SAMSUNG lithium-ion battery (INR 18650-29E) and charging is performed with a constant current. When set, a plurality of internal short-circuit resistance values estimated at a plurality of estimation points are disclosed. It can be seen that the resistance values estimated at multiple time points converge to a value similar to the actual value at the end of the estimation, and the calculated final failure index is 47.4032Ω, confirming that a fairly reliable value is derived.

또한, 본 발명에서 고안한 방법은 다양한 충전 범위에서도 작동이 가능하고, 심한 고장 단계(상기 배터리 기준 5.5Ω 이하의 내부 단락 저항의 고장)의 내부 단락뿐만 아니라 약한 고장 단계(상기 배터리 기준 5.5Ω 이상의 내부 단락 저항의 고장)의 내부 단락도 정확하게 검출할 수 있다. 즉, 사용자에게 더욱 안전한 시점(약한 고장 단계)에서 배터리 내부 단락 고장을 진단하여 배터리 교체 시점을 정확히 알려 줄 수 있고 추정된 내부 단락 저항을 이용하여 실시간으로 누설 전류를 계산할 수 있어서 정확한 배터리 잔여 사용 시간도 제공해줄 수 있다. 그리고, 본 발명은 배터리 사용의 안전성 및 효율성 두 가지 측면에서 향후 배터리 관리 기술을 향상할 수 있을 것으로 예상된다.In addition, the method devised in the present invention can operate in a variety of charging ranges, and not only internal short circuits in severe failure stages (failure of internal short circuit resistance of 5.5 Ω or less based on the battery) but also weak failure stages (5.5 Ω or more based on the battery standards). Internal short circuits (failures of internal short circuit resistors) can also be accurately detected. In other words, it is possible to diagnose the battery internal short circuit failure at a safer time (weak failure stage) and inform the user of the exact time to replace the battery. can also provide Further, the present invention is expected to improve battery management technology in the future in terms of safety and efficiency of battery use.

도 8은 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 고장 인덱스 추출 알고리즘의 순서도이다.8 is a flowchart of a failure index extraction algorithm of the method for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 배터리 표준 충전 상태에서 내부 단락을 조기에 검출하기 위해 고장 인덱스를 추출하는 전체 알고리즘 순서도가 도시되어 있다.Referring to FIG. 8 , a flowchart of an entire algorithm for extracting a failure index for early detection of an internal short circuit in a standard battery state of charge of the method for early detection of an internal short circuit failure of the present invention is shown.

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법은 S1100 단계 내지 S1400 단계를 포함한다.The method for early detection of an internal short circuit failure of the present invention includes steps S1100 to S1400.

S1100 단계는 고장 인덱스 추출부(100)가 내부 단락 검출을 위한 고장 인덱스 추출 시스템을 개시한다. In step S1100, the failure index extraction unit 100 starts a failure index extraction system for detecting an internal short.

S1200 단계는 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200)가 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정한다.In step S1200, the internal short-circuit resistance estimation start time determination unit 200 determines variously the internal short-circuit resistance estimation time point.

S1300 단계는 내부 단락 저항 추정부(300)가 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정한다.In step S1300, the internal short-circuit resistance estimating unit 300 directly estimates the internal short-circuit resistance using the current and voltage signals obtained from standard charging of the battery.

S1400 단계는 고장 인덱스 대표 값 선정부(400)가 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는다.In step S1400, the failure index representative value selection unit 400 obtains one representative failure index value from a plurality of internal short circuit resistances obtained from various time points.

도 9는 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 내부 단락 저항 추정 알고리즘의 순서도이다.9 is a flowchart of an internal short circuit resistance estimation algorithm of the internal short circuit failure early detection method according to the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법은 S2100 단계 내지 S2500 단계를 포함한다.Referring to FIG. 9 , the method for early detection of an internal short circuit failure according to the present invention includes steps S2100 to S2500.

S2100 단계는 배터리 표준 충전부(301)가 배터리를 표준 충전 시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정한다.In step S2100, the standard battery charging unit 301 charges the battery and measures the charging constant current and the battery terminal voltage together.

S2200 단계는 특성 곡선 추출부(302)가 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출한다.In step S2200, the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve of the battery required for the characteristic curve extraction unit 302 to estimate the open circuit voltage and the state of charge of the battery from the constant current. extract

S2300 단계는 실시간 배터리 상태 추정부(303)가 배터리 표준 충전부(301)에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정한다.In step S2300, the real-time battery state estimating unit 303 obtains the signal measured by the battery standard charging unit 301 and the characteristic curve extracting unit 302 OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV-STATE OF CHARGE, SOC) curves are used to estimate the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and the state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) from the battery model equation.

S2400 단계는 내부 단락 저항 추출부(304)는 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산한다.In step S2400, the internal short-circuit resistance extracting unit 304 calculates the internal short-circuit resistance using the estimated state of charge (SOC) of the battery.

S2500 단계는 모델 업데이트부(305)는 추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트한다.In step S2500, the model update unit 305 updates the battery model using the estimated internal short-circuit resistance.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래 기술로 내부 단락 저항을 추정하는 방법의 활용은 특정한 조건을 만족하는 배터리 부하 전류가 사용되는 배터리 운용 환경(전기차 방전 상황 등)에 국한되지만,According to an embodiment of the present invention, the use of the method for estimating the internal short-circuit resistance in the prior art is limited to a battery operating environment (electric vehicle discharge situation, etc.) in which a battery load current that satisfies a specific condition is used,

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치에서는, 특정 내부 단락 검출 가능 환경을 극복하기 위해 일반적인 배터리 표준 충전 환경(정전류 충전)에서 내부 단락을 조기에 검출할 수 있다. In the method and apparatus for early detection of an internal short circuit failure of the present invention, an internal short circuit can be detected early in a general battery standard charging environment (constant current charging) in order to overcome a specific internal short circuit detectable environment.

또한, 고장 인덱스로 사용된 내부 단락 저항의 추정 정확도를 향상할 수 있다.In addition, it is possible to improve the estimation accuracy of the internal short-circuit resistance used as the failure index.

또한, 배터리 표준 충전 상황에서 측정된 전류 및 전압을 이용하여 실시간으로 배터리 내부 단락을 조기에 검출하는 알고리즘을 제안할 수 있다.In addition, it is possible to propose an algorithm for early detection of a short circuit inside a battery in real time by using the current and voltage measured in a standard battery charging situation.

본 발명의 내부 단락 고장 조기 검출 방법 및 장치의 알고리즘에는 정전류 환경에서 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) 및 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 방법을 포함할 수 있다.The algorithm of the method and apparatus for early detection of an internal short circuit failure of the present invention may include a method of estimating an open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and a state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) of a battery in a constant current environment.

다수의 지점에서 내부 단락 저항을 추정하고 최종 고장 인덱스를 추출하여 고장 인덱스의 추정 정확도를 향상하는 방법도 포함될 수 있다.A method for estimating the internal short circuit resistance at multiple points and extracting the final failure index to improve the estimation accuracy of the failure index may also be included.

또한, 배터리 표준 충전 상태에서 얻은 전류 및 전압 신호를 이용하여 배터리에 발생한 내부 단락을 조기에 진단함으로써, 종래 기술이 가지고 있던 특정 방전 상황에서만 진단이 가능하다는 한계점을 극복할 수 있다. In addition, by diagnosing an internal short circuit occurring in the battery at an early stage using the current and voltage signals obtained in the standard charging state of the battery, it is possible to overcome the limitation in that the diagnosis is possible only in a specific discharge condition of the prior art.

또한, 완전 충전이 아닌 다양한 충전 범위에서 내부 단락을 검출할 수 있고 고장 인덱스로 사용되는 내부 단락 저항의 추정 정확도가 크게 향상되어 이는 심한 고장 단계에서 열폭주로 이어지는 시기에서 한참 떨어진 시기에 배터리 고장 상태를 진단하기 때문에 배터리 사용 안전성을 높일 수 있고, 약한 고장 단계에서 추정된 내부 단락 저항으로 인해 배터리의 모델의 정확성을 높여 현재 배터리 상태를 더욱 정확하게 진단하여 사용 효율성 증진에도 크게 이바지할 수 있다.In addition, it is possible to detect internal short circuits in various charging ranges rather than full charge, and the estimation accuracy of internal short circuit resistance used as a failure index is greatly improved, which is a battery failure state far away from the period leading to thermal runaway in the severe failure phase. battery usage safety can be improved, and the accuracy of the battery model can be improved due to the internal short-circuit resistance estimated in the weak failure stage, thereby diagnosing the current battery condition more accurately, which can greatly contribute to improving the use efficiency.

본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 정보가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. The operation of the method according to the embodiment of the present invention can be implemented as a computer-readable program or code on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices in which information readable by a computer system is stored. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed in a network-connected computer system to store and execute computer-readable programs or codes in a distributed manner.

또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.In addition, the computer-readable recording medium may include a hardware device specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, and flash memory. The program instructions may include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다. Although some aspects of the invention have been described in the context of an apparatus, it may also represent a description according to a corresponding method, wherein a block or apparatus corresponds to a method step or feature of a method step. Similarly, aspects described in the context of a method may also represent a corresponding block or item or a corresponding device feature. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device such as, for example, a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, one or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.

실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그머블 게이트 어레이는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.In embodiments, a programmable logic device (eg, a field programmable gate array) may be used to perform some or all of the functions of the methods described herein. In embodiments, the field programmable gate array may operate in conjunction with a microprocessor to perform one of the methods described herein. In general, the methods are preferably performed by some hardware device.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that you can.

10 : 열 챔버
11 : 내부 단락 저항
15 : 셀
20 : 배터리 테스트 장치
30 : 데이터 로거 및 컴퓨터
40 : ISCr 트리거 전환부
100 : 고장 인덱스 추출부
200 : 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부
300 : 내부 단락 저항 추정부
301 : 배터리 표준 충전부
302 : 특성 곡선 추출부
303 : 실시간 배터리 상태 추정부
304 : 내부 단락 저항 추출부
305 : 모델 업데이트부
400 : 고장 인덱스 대표 값 선정부
10: heat chamber
11: internal short circuit resistance
15 : cell
20: battery test device
30: Data loggers and computers
40: ISCr trigger switching part
100: failure index extraction unit
200: internal short-circuit resistance estimation start time determining unit
300: internal short circuit resistance estimation unit
301: battery standard charging part
302: characteristic curve extraction unit
303: Real-time battery state estimation unit
304: internal short circuit resistance extraction part
305: model update unit
400: failure index representative value selection unit

Claims (10)

내부 단락 고장을 조기 검출하는 장치에 있어서,
프로세서(processor);
프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory); 를 포함하되,
적어도 하나의 명령은,
리튬 이온 배터리를 정전류로 충전하는 과정에서 전류, 전압 신호를 측정하고, 측정된 신호 및 배터리 등가 회로 모델(Equivalent circuit model, ECM)을 이용하여 배터리의 개방 회로 전압(Open circuit voltage, OCV) 및 충전 상태(State of charge, SOC)를 추정하는 명령; 을 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.
A device for early detection of an internal short circuit failure, comprising:
processor;
a memory in which at least one instruction executed by the processor is stored; including,
At least one command is
In the process of charging a lithium-ion battery with a constant current, the current and voltage signals are measured, and the open circuit voltage (OCV) and charging of the battery are measured using the measured signals and the battery equivalent circuit model (ECM). a command for estimating a state of charge (SOC); containing,
Internal short circuit failure early detection device.
제 1항에 있어서, 상기 장치는,
내부 단락 저항(RISCr)(11)과 셀(Cell)(15)이 내장된 열 챔버(Thermal chamber)(10);
열 챔버(10)와 연결되어 배터리 셀 실험을 수행하는 배터리 테스트 장치(Battery test device)(20);
열 챔버(10)와 연결되어 충전 전류 및 단자 전압 신호를 포함한 실험 데이터를 기록하는 데이터 로거 및 컴퓨터(Data logger & Computer)(30);
내부 단락 회로(ISCr) 오류를 복수의 초기 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)가 있는 셀에 표준 충전 전류가 적용될 때 스위치로 트리거하는 ISCr 트리거 전환부(Switch to trigger ISCr)(40); 를 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.
The method of claim 1, wherein the device comprises:
Internal short circuit resistance (R ISCr ) (11) and a cell (Cell) (15) is a built-in thermal chamber (Thermal chamber) (10);
a battery test device 20 connected to the thermal chamber 10 to perform a battery cell experiment;
a data logger & computer 30 connected to the thermal chamber 10 to record experimental data including a charging current and a terminal voltage signal;
a Switch to trigger ISCr (40) that triggers an internal short circuit (ISCr) fault with a switch when a standard charge current is applied to a cell with multiple initial states of charge (STATE OF CHARGE, SOC); containing,
Internal short circuit failure early detection device.
청구항 1에 있어서, 상기 장치는,
내부 단락 고장의 유무뿐만 아니라 고장의 정도의 정보를 포함하고 있는 고장 인덱스를 이용한 고장 인덱스 추출부(100)를 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.
The method according to claim 1, wherein the device,
Including the failure index extraction unit 100 using the failure index containing information on the degree of failure as well as the presence or absence of an internal short circuit failure,
Internal short circuit failure early detection device.
청구항 3에 있어서, 고장 인덱스 추출부(100)는,
내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정하는 내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200);
배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정하는 내부 단락 저항 추정부(300);
다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는 고장 인덱스 대표 값 선정부(400); 를 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.
The method according to claim 3, The failure index extraction unit 100,
an internal short-circuit resistance estimation start time determination unit 200 for variously determining a time point for estimating the internal short-circuit resistance;
an internal short-circuit resistance estimating unit 300 for directly estimating internal short-circuit resistance using current and voltage signals obtained from standard battery charging;
a failure index representative value selection unit 400 that obtains one failure index representative value from a plurality of internal short circuit resistances obtained from various time points; containing,
Internal short circuit failure early detection device.
청구항 4에 있어서,
내부 단락 저항 추정부(300)는,
배터리를 표준 충전 시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정하는 배터리 표준 충전부(301);
정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE,OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출하는 특성 곡선 추출부(302);
배터리 표준 충전부(301)에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 실시간 배터리 상태 추정부(303);
추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산하는 내부 단락 저항 추출부(304); 및
추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트하는 모델 업데이트부(305); 를 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 장치.
5. The method according to claim 4,
The internal short-circuit resistance estimation unit 300,
a standard charging unit 301 for charging the battery and measuring the charging constant current and the battery terminal voltage together;
a characteristic curve extraction unit 302 for extracting an OPEN CIRCUIT VOLTAGE (OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve of the battery required to estimate the open circuit voltage and the state of charge of the battery from the constant current;
The open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve obtained from the signal measured by the battery standard charging unit 301 and the characteristic curve extraction unit 302 is used to calculate the open circuit from the battery model equation. a real-time battery state estimator 303 for estimating a voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and a state of charge (STATE OF CHARGE, SOC);
an internal short-circuit resistance extraction unit 304 for calculating an internal short-circuit resistance using the estimated state of charge (SOC) of the battery; and
a model update unit 305 for updating the battery model using the estimated internal short-circuit resistance; containing,
Internal short circuit failure early detection device.
고장 인덱스 추출부(100)가 내부 단락 검출을 위한 고장 인덱스 추출 시스템을 개시하는 단계(S1100);
내부 단락 저항 추정 시작 시점 결정부(200)가 내부 단락 저항을 추정하는 시점을 다양하게 정하는 단계(S1200);
내부 단락 저항 추정부(300)가 배터리 표준 충전에서 얻어진 전류, 전압 신호를 이용해서 직접적으로 내부 단락 저항을 추정하는 단계(S1300); 및
고장 인덱스 대표 값 선정부(400)가 다양한 시점으로부터 구해진 다수의 내부 단락 저항으로부터 하나의 고장 인덱스 대표 값을 얻는 단계(S1400); 를 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 방법.
The failure index extraction unit 100 starts the failure index extraction system for detecting an internal short circuit (S1100);
determining, by the internal short-circuit resistance estimation start time determination unit 200, various timing points for estimating the internal short-circuit resistance (S1200);
The internal short-circuit resistance estimating unit 300 directly estimating the internal short-circuit resistance using the current and voltage signals obtained from standard charging of the battery (S1300); and
The step of the failure index representative value selection unit 400 obtaining one representative failure index value from a plurality of internal short circuit resistances obtained from various time points (S1400); containing,
An early detection method for internal short circuit failure.
청구항 6에 있어서,
배터리 표준 충전부(301)가 배터리를 표준 충전시키고 충전 정전류와 배터리 단자 전압을 같이 측정하는 단계(S2100);
특성 곡선 추출부(302)가 정전류로부터 배터리의 개방 회로 전압 및 충전 상태를 추정하기 위해 필요한 배터리의 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 추출하는 단계(S2200);
실시간 배터리 상태 추정부(303)가 배터리 표준 충전부(301)에서 측정된 신호와 특성 곡선 추출부(302)에서 얻어진 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) - 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC) 곡선을 이용하여 배터리 모델식으로부터 개방 회로 전압(OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)와 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 추정하는 단계(S2300);
내부 단락 저항 추출부(304)가 추정된 배터리의 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)를 이용해서 내부 단락 저항을 계산하는 단계(S2400); 및
모델 업데이트부(305)가 추정된 내부 단락 저항을 이용해서 배터리 모델을 업데이트하는 단계(S2500); 를 더 포함하는,
내부 단락 고장 조기 검출 방법.
7. The method of claim 6,
The standard battery charging unit 301 charges the battery and measures the charging constant current and the battery terminal voltage together (S2100);
Step of extracting the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV)-STATE OF CHARGE (SOC) curve of the battery required for the characteristic curve extraction unit 302 to estimate the open circuit voltage and the state of charge of the battery from the constant current (S2200);
The real-time battery state estimating unit 303 obtains the signal measured by the battery standard charging unit 301 and the characteristic curve extracting unit 302 OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV-STATE OF CHARGE, SOC curve estimating the open circuit voltage (OPEN CIRCUIT VOLTAGE, OCV) and the state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) from the battery model equation by using (S2300);
calculating, by the internal short circuit resistance extraction unit 304, the internal short circuit resistance using the estimated state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) of the battery (S2400); and
updating, by the model updater 305, the battery model using the estimated internal short-circuit resistance (S2500); further comprising,
An early detection method for internal short circuit failure.
청구항 6에 있어서, 상기 방법은,
내부 단락이 발생한 배터리 모델은 수학식 1에 의하여 정의되는,
내부 단락 고장 조기 검출 방법.
(수학식 1)
Figure pat00020

여기서,
Figure pat00021
는 배터리의 화학적 특징에 의한 내부 저항,
Figure pat00022
는 내부 단락으로 유발된 자가방전 전류
The method of claim 6, wherein the method comprises:
The battery model in which the internal short circuit occurred is defined by Equation 1,
An early detection method for internal short circuit failure.
(Equation 1)
Figure pat00020

here,
Figure pat00021
is the internal resistance of the battery,
Figure pat00022
is the self-discharge current caused by an internal short circuit
청구항 6에 있어서, 상기 방법은,
내부 단락 저항 추출부(304)가 실시간 배터리 상태 추정부(303)에서 실시간으로 추정된 충전 상태(STATE OF CHARGE, SOC)(160)와 측정되는 전류 및 전압값을 이용해 수학식 2에서부터 내부 단락 저항(
Figure pat00023
)을 계산(170)하는,
내부 단락 고장 조기 검출 방법.
(수학식 2)
Figure pat00024

여기서,
Figure pat00025
는 배터리 정격 용량,
Figure pat00026
는 배터리 표준 충전부(301)에서 신호를 측정할 때의 샘플링 주기
The method of claim 6, wherein the method comprises:
The internal short-circuit resistance extraction unit 304 uses the state of charge (STATE OF CHARGE, SOC) 160 estimated in real time by the real-time battery state estimation unit 303 and the current and voltage values measured from Equation 2 to the internal short-circuit resistance (
Figure pat00023
) to calculate 170 ,
An early detection method for internal short circuit failure.
(Equation 2)
Figure pat00024

here,
Figure pat00025
is the rated capacity of the battery,
Figure pat00026
is the sampling period when measuring the signal in the battery standard charging unit 301
청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 내부 단락 고장 조기 검출 방법의 프로그램을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.10. A computer-readable recording medium for implementing the program of the method for early detection of an internal short-circuit failure according to any one of claims 6 to 9.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220133695A (en) * 2021-03-25 2022-10-05 (주)오렌지아이 Method for detecting anomaly in charger/discharger based on charger/discharger data for manufacturing or evaluating lithium-ion battery
CN116184248A (en) * 2023-04-24 2023-05-30 广东石油化工学院 Method for detecting tiny short circuit fault of series battery pack
CN116805813A (en) * 2023-08-24 2023-09-26 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 Feedback-based battery quick charge control method and device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013238402A (en) * 2012-05-11 2013-11-28 Calsonic Kansei Corp Battery charge ratio estimation device
KR101930647B1 (en) * 2017-11-22 2019-03-11 주식회사 포스코아이씨티 Apparatus and Method for Estimating Capacity of Battery Using Second Order Differential Voltage Curve
KR102101002B1 (en) * 2019-01-21 2020-04-14 (주)인텍에프에이 Method for battery lifetime prediction

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013238402A (en) * 2012-05-11 2013-11-28 Calsonic Kansei Corp Battery charge ratio estimation device
KR101930647B1 (en) * 2017-11-22 2019-03-11 주식회사 포스코아이씨티 Apparatus and Method for Estimating Capacity of Battery Using Second Order Differential Voltage Curve
KR102101002B1 (en) * 2019-01-21 2020-04-14 (주)인텍에프에이 Method for battery lifetime prediction

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220133695A (en) * 2021-03-25 2022-10-05 (주)오렌지아이 Method for detecting anomaly in charger/discharger based on charger/discharger data for manufacturing or evaluating lithium-ion battery
CN116184248A (en) * 2023-04-24 2023-05-30 广东石油化工学院 Method for detecting tiny short circuit fault of series battery pack
CN116805813A (en) * 2023-08-24 2023-09-26 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 Feedback-based battery quick charge control method and device
CN116805813B (en) * 2023-08-24 2023-12-12 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 Feedback-based battery quick charge control method and device

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