KR20230063689A - 저항 퇴화도에 기초한 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템 - Google Patents

저항 퇴화도에 기초한 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템 Download PDF

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Abstract

배터리 진단 방법은, 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩을 진단하는 방법에 있어서, BMS(Battery Management System)가, 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하는 단계, 상기 BMS가, 상기 판단 단계를 통해 검출된 타겟 배터리 뱅크를 소정 시간 동안 방전시키는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하는 단계, 상기 BMS가, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하는 단계, 및 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 포함하고, 상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

저항 퇴화도에 기초한 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템{BATTERY DIAGNOSIS METHOD BASED ON RESISTANCE DEGRADATION AND BATTERY SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 저항 퇴화도에 기초한 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템에 관한 것이다.
배터리 팩은 직렬로 연결된 복수의 배터리 뱅크를 포함할 수 있고, 각 배터리 뱅크는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
배터리 팩이 외부 장치를 통해 충방전을 반복하게 되면 내부의 배터리 셀의 충전 용량에 차이가 발생할 수 있다. 이를 방치한 채로 충방전을 지속하게 되면 배터리 셀의 저항 퇴화 또는 이상 상황이 발생할 수 있다.
배터리 셀의 저항 퇴화 또는 이상 상황이 발생하게 되면 배터리 팩에서 안정적으로 외부 장치에 전원을 공급할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩에 대하여, 배터리 뱅크의 이상을 감지할 수 있는 배터리 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
발명의 한 특징에 따른 배터리 진단 방법은, 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩을 진단하는 방법에 있어서, BMS(Battery Management System)가, 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하는 단계, 상기 BMS가, 상기 판단 단계를 통해 검출된 타겟 배터리 뱅크를 소정 시간 동안 방전시키는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하는 단계, 상기 BMS가, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하는 단계, 및 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 포함하고, 상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 타겟 배터리 뱅크의 기준 전압 변화량은, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대하여 상기 BMS에 저장된 초기 전압 변화량이고, 상기 초기 전압 변화량은, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 최초 방전에서의 방전 전후의 전압 변화량이다.
상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계는, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하는 단계, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출하는 단계, 상기 BMS가, 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 정상 범위의 상한 임계값을 산출하는 단계, 및 상기 BMS가, 상기 상한 임계값에 기초하여 정상 범위를 도출하고, 상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는 단계를 포함한다.
상기 상한 임계값을 산출하는 단계는, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 복수의 제1 배터리 뱅크를 타겟 그룹으로 설정하는 단계, 상기 BMS가, 상기 타겟 그룹에 속하는 상기 복수의 제1 배터리 뱅크의 저항 퇴화도에 대한 타겟 대표값을 도출하는 단계, 및 상기 타겟 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 상기 정상 상태의 상한 임계값을 산출하는 단계를 포함한다.
복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는 단계는, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크는 정상 상태로 판단하는 단계, 및 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 보다 큰 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단하는 단계를 포함한다.
발명의 다른 특징에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀이 병렬 연결되어 있는 복수의 배터리 뱅크, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 배터리 뱅크의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 상기 각각의 배터리 뱅크를 방전시키는 방전 회로, 및 상기 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하여, 검출된 타겟 배터리 뱅크를 상기 방전 회로에 의해 방전시키고, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하며, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하고, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하며, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는, BMS(Battery Management System)를 포함하고, 상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 타겟 배터리 뱅크의 기준 전압 변화량은, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대하여 상기 BMS에 저장된 초기 전압 변화량이고, 상기 초기 전압 변화량은, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 최초 방전에서의 방전 전후의 전압 변화량이다.
상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 정상 범위의 상한 임계값을 산출하고, 상기 상한 임계값에 기초하여 정상 범위를 도출하며, 상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단한다.
상기 상한 임계값은, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하고, 상기 복수의 배터리 뱅크의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출하며, 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 산출한다.
상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 것은, 상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크는 정상 상태로 판단하고, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 보다 큰 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단한다.
상기 BMS는, 복수의 배터리 뱅크 각각이 이상 상태인지를 구분하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단한다.
복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩에 대하여, 일정 조건 하에서 배터리 뱅크를 방전시키고, 배터리 뱅크의 방전 전후로 전압 변화량을 도출하며, 전압 변화량에 기초하여 배터리 뱅크 각각의 저항 퇴화도를 산출하고, 복수의 배터리 뱅크 각각의 저항 퇴화도에 기초하여 배터리 뱅크의 이상을 감지할 수 있도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 배터리 뱅크의 방전에 따른 스위치 제어 신호, 뱅크 전압, 및 뱅크 전류의 변화를 나타낸 파형도이다.
도 4는 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 설명하기 위한 세부 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
일 실시예에 따른 구성들 중 특정 제어 조건에서 다른 구성을 제어하는 구성에는, 다른 구성을 제어하기 위해 필요한 제어 알고리즘을 구체화한 명령어의 집합으로 구현된 프로그램이 설치될 수 있다. 제어 구성은 설치된 프로그램에 따라 입력 데이터 및 저장된 데이터를 처리하여 출력 데이터를 생성할 수 있다. 제어 구성은 프로그램을 저장하는 비휘발성 메모리 및 데이터를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여, 일 실시예에 따라 배터리 뱅크의 저항 퇴화도를 추정하고, 저항 퇴화도의 다병렬 이상 계수를 고려하여 배터리를 진단하는 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 설명한다. 저항 퇴화도의 다병렬 이상 계수를 고려하여 배터리를 진단하는 방법은 배터리 관리 시스템에 설치된 소프트웨어 또는 소프트웨어의 결합을 포함하는 프로그램으로 구현될 수 있다. 해당 프로그램은 배터리 관리 시스템의 저장 매체에 저장될 수 있다. 저장 매체는 고속 랜덤 액세스 메모리(high-speed random access memory), 플래시 메모리 장치, 기타 비휘발성 고체 상태 메모리 장치(non-volatile solid-state memory device) 등의 비휘발성 메모리 등 다양한 종류의 메모리로 구현될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
배터리 시스템(1)은, 배터리 팩(10), 배터리 관리 시스템(20), 방전 회로(30) 및 릴레이(40, 41)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(20)을 이하, BMS(Battery Management System)라 한다. 도 1에서는 배터리 팩(10)의 개수가 1개인 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않으며, 배터리 시스템(1)은 2개 이상의 배터리 팩을 포함할 수 있다.
외부 장치(2)는 인버터, 컨버터 등의 부하 및 충전 장치를 포함할 수 있다. 외부 장치(2)가 충전기인 경우, 배터리 시스템(1)의 양단은 충전기에 연결되어 충전기로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 외부 장치(2)가 부하인 경우, 배터리 시스템(1)의 양단은 부하에 연결되어 배터리 팩(10)이 공급하는 전력이 부하를 통해 방전될 수 있다.
배터리 팩(10)은, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 및 복수의 온도 센서(111-113)를 포함한다. 도 1에서는 배터리 뱅크의 개수가 3개인 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않으며, 배터리 팩(10)은 2개 이상의 배터리 뱅크를 포함할 수 있다.
복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각(예를 들어, 101)은, 병렬 연결된 복수의 배터리 셀(예를 들어, 11, 12)을 포함한다. 도 1에는 각 배터리 뱅크(예를 들어, 101)가 2 개의 병렬 연결된 배터리 셀(예를 들어, 11, 12)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않으며, 각 배터리 뱅크는 2 이상의 병렬 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다.
복수의 온도 센서(111-113) 각각(예를 들어, 111)은 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 대응하는 배터리 뱅크(예를 들어, 101)의 뱅크 온도를 감지하여 온도 측정 신호(예를 들어, TS1)를 생성할 수 있다. 도 1에는 복수의 온도 센서(111-113)가 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대응되도록 위치하여 복수의 온도 측정 신호(TS1-TS3)를 생성하는 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않으며, 배터리 팩(10) 내의 온도 센서 개수 및 그 위치는 변경될 수 있다.
BMS(20)는 복수의 전압 측정 신호 및 복수의 온도 측정 신호로부터 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 뱅크 전압 및 뱅크 온도를 모니터링하고, 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간에 기초하여 배터리 뱅크가 방전 조건을 만족하는지 판단하여 배터리 뱅크의 저항 퇴화도를 추정하며, 배터리 뱅크 별 저항 퇴화도에 기초하여 배터리 뱅크의 이상을 감지하여 배터리 뱅크를 진단할 수 있다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각의 뱅크에 연결되어 있고, 복수의 입력단(P1-P4)을 통해 복수의 배터리 뱅크(101-103) 양단으로부터 측정된 복수의 전압 측정 신호(VS1-VS4)를 획득한다. 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각(예를 들어, 101)의 양극은, 배선을 통해 복수의 입력단(P1-P3) 중 대응하는 입력단(예를 들어, P1)에 연결되어 있고, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각(예를 들어, 101)의 음극은, 배선을 통해 복수의 입력단(P2-P4) 중 대응하는 입력단(예를 들어, P2)에 연결되어 있다. 예를 들어, 측정 신호(VS1)는 배터리 뱅크(101)의 양극 전압이고, 입력단(P1)을 통해 BMS(20)에 입력되며, 측정 신호(VS2)는 배터리 뱅크(101)의 음극의 전압 또는 배터리 뱅크(102)의 양극의 전압이고, 입력단(P2)을 통해 BMS(20)에 입력된다.
BMS(20)는, 복수의 입력단(P8-P10)을 통해 복수의 온도 센서(111-113) 각각으로부터 감지한 온도에 따라 결정되는 복수의 온도 측정 신호(TS1-TS3)를 수신할 수 있다.
방전 회로(30)는 복수의 방전 스위치(31-33) 및 복수의 방전 저항(301-303)을 포함할 수 있다. 직렬 연결된 방전 스위치(31) 및 방전 저항(301)은 배터리 뱅크(101)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있고, 직렬 연결된 방전 스위치(32) 및 방전 저항(302)은 배터리 뱅크(102)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있으며, 직렬 연결된 방전 스위치(33) 및 방전 저항(303)은 배터리 뱅크(103)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있다. 복수의 방전 스위치(31-33) 및 복수의 방전 저항(301-303)의 개수는 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 개수에 따라 증감될 수 있다.
복수의 방전 스위치(31-33)의 온 및 오프는 BMS(20)로부터 공급되는 스위치 제어 신호(SCS1-SCS3)에 따라 제어될 수 있다. 복수의 스위치 제어 신호(SCS1-SCS3) 각각(예를 들어, SCS1)은, BMS(20)의 복수의 출력단(P5-P7) 중 대응하는 출력단(예를 들어, P5)을 통해 복수의 방전 스위치(31-33) 중 대응하는 스위치(31)에 전송된다.
복수의 방전 저항(301-303) 각각(예를 들어, 301)은, 복수의 방전 스위치(31-33) 중 대응하는 방전 스위치(예를 들어, 31)가 온 되면, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 대응하는 배터리 뱅크(예를 들어, 101)를 방전시킨다.
릴레이(40, 41)의 일단은 배터리 팩(10)에 연결되어 있고, 릴레이(40, 41)의 타단은 외부 장치(2)에서 적어도 하나의 구성과 연결되어 있다. 릴레이(40, 41)의 닫힘 및 개방은 BMS(20)로부터 공급되는 릴레이 제어 신호(RSC1, RSC2)에 따라 제어된다.
이하에서, 배터리 팩(10)의 상태를 진단하기 위한 BMS(20)의 각 구성의 동작을 도 2에 도시된 순서도에 따라 순차적으로 설명한다.
도 2는, 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 나타낸 순서도이다.
BMS(20)에는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 기준 전압 변화량(ΔV기준)이 기 저장되어 있다(S1).
전압 변화량에 대하여는 이하 전압 변화량을 산출하는 단계(S6)에서 설명한다. 기준 전압 변화량은, 초기 전압 변화량일 수 있다. 초기 전압 변화량은, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각이 최초로 방전되었을 때, 방전 전후의 전압 변화량을 의미할 수 있다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간이 방전 조건을 만족하는 배터리 뱅크가 있는지를 판단한다(S2).
이하, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간이 방전 조건을 만족하는 배터리 뱅크를 타겟 배터리 뱅크라 한다. BMS(20)는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간에 기초하여 타겟 배터리 뱅크를 검출할 수 있다.
BMS(20)는 복수의 전압 측정 신호(VS1-VS4)에 기초하여 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 뱅크 전압을 도출할 수 있다. 예를 들어, BMS(20)는 전압 측정 신호(VS1)와 전압 측정 신호(VS2) 간의 전압 차에 기초하여 배터리 뱅크(101)의 뱅크 전압을 도출할 수 있다. BMS(20)는 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 뱅크(101-103)의 개수와 동일한 수의 뱅크 전압을 도출할 수 있다.
BMS(20)는, 복수의 온도 측정 신호(TS1-TS3)에 기초하여 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 뱅크 온도를 도출할 수 있다. BMS(20)는 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 뱅크(101-103)의 개수와 동일한 수의 뱅크 온도를 도출할 수 있다. 도 1에서는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대응하여 위치하는 3 개의 온도 센서가 도시되어 있으나, 배터리 팩(10)은 복수의 배터리 뱅크의 개수보다 적은 개수의 온도 센서를 포함할 수 있다. 이 경우, BMS(20)는 온도 센서 각각에서 감지된 온도 측정 신호로부터 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각의 뱅크 온도를 추정할 수 있다.
BMS(20)는, 배터리 뱅크가 충방전되지 않는 휴지 기간(rest time)이 방전 조건에 포함된 휴지 기간에 관한 조건을 충족하는지를 판단할 수 있다.
방전 조건은, 적어도 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간에 관한 조건을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방전 조건은, 뱅크 전압이 3.6V 내지 3.65 V의 범위 내에 있을 것, 뱅크 온도가 20℃ 내지 30℃의 범위 내에 있을 것, 및 휴지 기간이 2시간 이상일 것의 조건을 포함할 수 있다.
BMS(20)는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간이 방전 조건을 만족하는 배터리 뱅크가 없으면, 주기적으로 S2 단계를 반복할 수 있다.
BMS(20)는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간이 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있으면, 타겟 배터리 뱅크의 뱅크 전압을, 방전 전의 배터리 뱅크 전압을 지시하는 제1 전압으로 저장할 수 있다(S3).
이하, 배터리 뱅크(101)가 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크인 것으로 설명한다.
BMS(20)는 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 시작되기 전, 타겟 배터리 뱅크(101)에 대한 뱅크 전압(VB1)을 도출하고, 도출된 뱅크 전압(VB1)을 제1 전압으로 저장할 수 있다.
BMS(20)는, 스위치 제어 신호(SCS1)를 통해 방전 스위치(31)를 온 시켜, 타겟 배터리 뱅크(101)를 소정 시간 동안 방전시킬 수 있다(S4).
복수의 방전 스위치(31-33) 각각(예를 들어, 31)은, 복수의 스위치 제어 신호(SCS1-SCS3) 중 대응하는 스위치 제어 신호(예를 들어, SCS1)가 온 레벨인 하이 레벨이면 온 되고, 오프 레벨인 로우 레벨이면 오프된다. 예를 들어, 스위치 제어 신호(SCS1)이 하이 레벨이면, 방전 스위치(31)가 온 될 수 있다.
소정 시간은, 초기 정보로 미리 정해진 고정된 시간일 수 있다.
소정 시간이 경과하여 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 종료되면, BMS(20)는, 타겟 배터리 뱅크에 대한 뱅크 전압을, 방전 후의 배터리 뱅크 전압을 지시하는 제2 전압으로 저장할 수 있다(S5).
BMS(20)는 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 종료된 이후, 타겟 배터리 뱅크(101)에 대한 뱅크 전압(VB1)을 도출하고, 도출된 뱅크 전압(VB1)을 제2 전압으로 저장할 수 있다.
BMS(20)는, 제1 전압 및 제2 전압에 기초하여 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전에 의한 뱅크 전압의 변화량을 지시하는 현재 전압 변화량(ΔV현재)을 도출할 수 있다(S6).
[수학식 1]을 참조하면, 제1 전압 및 제2 전압에 기초하여 현재 전압 변화량(ΔV현재)을 도출할 수 있다.
Figure pat00001
ΔV현재는 배터리 뱅크의 현재 전압 변화량, V1은 제1 전압으로 저장된 전압, V2는 제2 전압으로 저장된 전압이다.
이하, 도 3을 참조하여, BMS(20)가 타겟 배터리 뱅크(101)의 현재 전압 변화량을 도출하는 과정을 설명한다.
도 3은 배터리 뱅크의 방전에 따른 스위치 제어 신호, 뱅크 전압, 및 뱅크 전류의 변화를 나타낸 파형도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 타겟 배터리 뱅크(101)는 방전에 의해, 뱅크 전압(VB1)이 감소할 수 있다. 도 3에서, (a) 파형도는, 복수의 스위치 제어 신호(SCS1-SCS3) 중 타겟 배터리 뱅크(101)에 대응하는 스위치 제어 신호(SCS1)를 나타내고, (b) 파형도는 시간의 경과에 따른 타겟 배터리 뱅크(101)의 뱅크 전압(VB1)을 나타내며, (c) 파형도는 시간의 경과에 따른 타겟 배터리 뱅크(101)에 흐르는 뱅크 전류(IB)를 나타낸 파형도이다.
도 3에 도시된 파형도에 따라, 스위치 제어 신호(SCS1)의 온 레벨인 하이 레벨의 신호에 의해 방전 스위치(31)가 온 될 수 있다.
스위치 제어 신호(SCS1)는, 오프 레벨인 로우 레벨의 신호로 유지되다가, t1 시점에 하이 레벨의 신호로 천이 되어, t2 시점까지 하이 레벨로 유지될 수 있다. 이후, t2 시점부터 다시 로우 레벨의 신호로 천이 되어 유지될 수 있다.
도 3를 참조하면, BMS(20)는 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 시작되는 시점 t1에 동기 되어 뱅크 전압(VB1)을 도출할 수 있다. 시점 t1에 도출된 뱅크 전압(VB1)은 전압(V1)이다.
BMS(20)는 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전이 종료되는 시점 t2에 동기 되어 뱅크 전압(VB1)을 도출할 수 있다. 시점 t2에 도출된 뱅크 전압(VB1)은 전압(V2)이다. BMS(20)는 시점 t1에서의 뱅크 전압과 시점 t2에서의 뱅크 전압 간의 차(V2-V1)를 계산하여 타겟 배터리 뱅크(101)의 방전에 의한 뱅크 전압(VB1)의 현재 전압 변화량(ΔV현재)을 산출할 수 있다.
방전 중 뱅크 전류(IB)는 전류 레벨(Idis)로 일정하게 제어될 수 있다.
BMS(20)는 기준 전압 변화량(ΔV기준) 및 현재 전압 변화량(ΔV현재)에 기초하여 타겟 배터리 뱅크(101)에 대한 저항 퇴화도를 추정할 수 있다(S7).
배터리 셀의 내부 저항이 증가하여 배터리 뱅크의 저항이 증가한 정도를 저항 퇴화도라 한다.
BMS(20)는 기 저장된 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 기준 전압 변화량 중 타겟 배터리 뱅크(101)의 기준 전압 변화량(ΔV기준) 및 타겟 배터리 뱅크(101)의 현재 전압 변화량(ΔV현재)에 기초하여 타겟 배터리 뱅크(101)에 대한 저항 퇴화도를 추정할 수 있다.
[수학식 2]를 참조하면, 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도는, 기준 전압 변화량을 기준으로 한 현재 전압 변화량의 비율을 산출하여 추정할 수 있다.
Figure pat00002
BMS(20)는, 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 배터리 뱅크(101-103) 전부에 대한 저항 퇴화도가 추정될 때까지 상기 S1 단계 내지 상기 S7 단계를 반복할 수 있다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 배터리 뱅크(101-103)를 진단할 수 있다(S8).
이하, 도 4을 참조하여, BMS(20)가 복수의 저항 퇴화도에 기초하여, 복수의 배터리 뱅크(101-103)를 진단하는 과정을 설명한다.
도 4는, 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 설명하기 위한 세부 순서도이다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출한다(S81).
저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하는 방식은, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도의 중앙값, 평균값 등을 도출하는 방식이 사용될 수 있다. 이하에서는, 저항 퇴화도의 전체 대표값은 복수의 저항 퇴화도의 중앙값인 것을 기준으로 하여 설명한다.
BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출한다(S82).
병렬 연결 수는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 중 하나(예를 들어, 101)에 포함된 병렬 연결된 복수의 배터리 셀(예를 들어, 11, 12)의 개수이다.
도 1에 도시된 바와 마찬가지로, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각은, 서로 동일한 병렬 연결 수를 가질 수 있다.
도 1의 예에서, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각은 병렬 연결된 2개의 배터리 셀(11-12, 13-14, 15-16)을 포함하고, BMS(20)는 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 병렬 연결 수를 2로 결정할 수 있다.
이하, [수학식 3]를 참조하면, BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103)의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 도출할 수 있다.
Figure pat00003
μ는 다병렬 이상계수이다. P는 병렬 연결 수이다. 도 1의 예에서, 병렬 연결 수는 2이므로, μ는 2/1=2이다.
BMS(20)는, 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 다병렬 이상계수에 기초하여 정상 범위의 상한 임계 값을 산출할 수 있다(S83).
복수의 배터리 뱅크(101-103)가 정상 상태일 때 배터리 뱅크의 저항 퇴화도에 대한 범위를 정상 범위라 한다. 저항 퇴화도가 정상 범위에 속하지 않는 배터리 뱅크는 저항 퇴화도가 높은 이상 상태인 것으로 판단될 수 있다.
먼저, BMS(20)는, 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도 중 저항 퇴화도가 전체 대표값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크들을 타겟 그룹으로 설정할 수 있다.
BMS(20)는, 타겟 그룹에 속하는 배터리 뱅크들의 저항 퇴화도의 타겟 대표값을 도출할 수 있다.
타겟 대표값을 도출하는 방식은, 타겟 그룹에 속하는 배터리 뱅크들의 저항 퇴화도의 중앙값, 평균값 등을 도출하는 방식이 사용될 수 있다. 이하에서는, 타겟 그룹에 속하는 배터리 뱅크들의 저항 퇴화도의 타겟 대표값은 타겟 그룹에 속하는 복수의 배터리 뱅크들 각각에 대한 저항 퇴화도의 중앙값인 것을 기준으로 하여 설명한다.
이하, [수학식 4]를 참조하면, BMS(20)는 타겟 그룹에 속하는 복수의 배터리 뱅크들 각각에 대한 저항 퇴화도의 중앙값으로 도출된 타겟 대표값에 다병렬 이상계수를 곱하여 상한 임계 값을 산출할 수 있다.
Figure pat00004
Upper는 정상 범위의 상한 임계 값이다. B는 배터리 뱅크의 저항 퇴화도이다. T(B)는 타겟 그룹에 속하는 배터리 뱅크들의 저항 퇴화도이다. XT(T(B))는 B의 타겟 대표값이다. μ는 다병렬 이상계수이다. P는 병렬 연결 수이다.
BMS(20)는, 상한 임계 값에 기초하여 정상 범위를 도출하고, 정상 범위에 따라 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각의 상태를 진단할 수 있다(S84).
정상 범위는 산출된 상한 임계 값을 가질 수 있다.
정상 범위가 상한 임계 값을 가지는 경우, BMS(20)는 배터리 뱅크의 저항 퇴화도가 상한 임계 값 이하인 배터리 뱅크를 정상 상태로 판단할 수 있다. 또한 BMS(20)는 배터리 뱅크의 저항 퇴화도가 상한 임계 값을 초과하는 경우, 해당 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단할 수 있다.
BMS(20)는, 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각이 정상 상태인지, 및/또는 복수의 배터리 뱅크(101-103) 각각이 이상 상태인지를 구분하여, 배터리 팩(10)의 상태를 진단할 수 있다.
1 : 배터리 시스템
2 : 외부 장치
10 : 배터리 팩
11, 12, 13, 14, 15, 16: 배터리 셀
101, 102, 103 : 배터리 뱅크
111, 112, 113 : 온도 센서
20 : 배터리 관리 시스템
30 : 방전 회로
31, 32, 33 : 방전 스위치
301, 302, 303 : 방전 저항
40, 41 : 릴레이

Claims (11)

  1. 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩을 진단하는 방법에 있어서,
    BMS(Battery Management System)가, 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 판단 단계를 통해 검출된 타겟 배터리 뱅크를 소정 시간 동안 방전시키는 단계;
    상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하는 단계; 및
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계를 포함하고,
    상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 배터리 뱅크의 기준 전압 변화량은, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대하여 상기 BMS에 저장된 초기 전압 변화량이고,
    상기 초기 전압 변화량은, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 최초 방전에서의 방전 전후의 전압 변화량인, 배터리 진단 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 단계는,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 정상 범위의 상한 임계값을 산출하는 단계; 및
    상기 BMS가, 상기 상한 임계값에 기초하여 정상 범위를 도출하고, 상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는 단계를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상한 임계값을 산출하는 단계는,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 복수의 제1 배터리 뱅크를 타겟 그룹으로 설정하는 단계;
    상기 BMS가, 상기 타겟 그룹에 속하는 상기 복수의 제1 배터리 뱅크의 저항 퇴화도에 대한 타겟 대표값을 도출하는 단계; 및
    상기 타겟 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 상기 정상 상태의 상한 임계값을 산출하는 단계를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는 단계는,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크는 정상 상태로 판단하는 단계; 및
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 보다 큰 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단하는 단계를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  6. 복수의 배터리 셀이 병렬 연결되어 있는 복수의 배터리 뱅크;
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 배터리 뱅크의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 상기 각각의 배터리 뱅크를 방전시키는 방전 회로; 및
    상기 복수의 배터리 뱅크 중 방전 조건을 만족하는 타겟 배터리 뱅크가 있는지를 판단하여, 검출된 타겟 배터리 뱅크를 상기 방전 회로에 의해 방전시키고, 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시키기 전의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제1 뱅크 전압 및 상기 타겟 배터리 뱅크를 방전시킨 후의 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 제2 뱅크 전압을 저장하며, 상기 제1 뱅크 전압 및 상기 제2 뱅크 전압에 기초하여 현재 전압 변화량을 도출하고, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 기준 전압 변화량 및 상기 현재 전압 변화량에 기초하여 상기 타겟 배터리 뱅크에 대한 저항 퇴화도를 추정하며, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 저항 퇴화도에 기초하여 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는, BMS(Battery Management System)를 포함하고,
    상기 방전 조건은 상기 배터리 뱅크의 뱅크 전압, 뱅크 온도, 및 휴지 기간 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 타겟 배터리 뱅크의 기준 전압 변화량은, 상기 타겟 배터리 뱅크에 대하여 상기 BMS에 저장된 초기 전압 변화량이고,
    상기 초기 전압 변화량은, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 최초 방전에서의 방전 전후의 전압 변화량인, 배터리 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 BMS가,
    상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 정상 범위의 상한 임계값을 산출하고, 상기 상한 임계값에 기초하여 정상 범위를 도출하며, 상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크 각각의 상태를 진단하는, 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상한 임계값은,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 각각에 대한 복수의 저항 퇴화도에 기초하여 저항 퇴화도의 전체 대표값을 도출하고, 상기 복수의 배터리 뱅크의 병렬 연결 수에 기초하여 다병렬 이상계수를 산출하며, 상기 저항 퇴화도의 전체 대표값 및 상기 다병렬 이상계수에 기초하여 산출하는, 배터리 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 정상 범위에 따라 상기 복수의 배터리 뱅크를 진단하는 것은,
    상기 BMS가, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 이하인 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크는 정상 상태로 판단하고, 상기 복수의 배터리 뱅크 중 상기 저항 퇴화도의 상한 임계값 보다 큰 저항 퇴화도를 갖는 배터리 뱅크를 이상 상태로 판단하는, 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 BMS는,
    복수의 배터리 뱅크 각각이 이상 상태인지를 구분하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는, 배터리 시스템.
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