KR20230069591A - 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법 - Google Patents

불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230069591A
KR20230069591A KR1020210155750A KR20210155750A KR20230069591A KR 20230069591 A KR20230069591 A KR 20230069591A KR 1020210155750 A KR1020210155750 A KR 1020210155750A KR 20210155750 A KR20210155750 A KR 20210155750A KR 20230069591 A KR20230069591 A KR 20230069591A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
voltage
battery
battery cell
charging
standard
Prior art date
Application number
KR1020210155750A
Other languages
English (en)
Inventor
최원빈
이정빈
김원경
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to KR1020210155750A priority Critical patent/KR20230069591A/ko
Publication of KR20230069591A publication Critical patent/KR20230069591A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/003—Measuring mean values of current or voltage during a given time interval
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/10—Measuring sum, difference or ratio
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16566—Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 적어도 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 하나 이상의 배터리 팩; 상기 배터리 셀들 각각의 충전 및 방전 종료 시점의 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압을 기반으로 해당 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 산출부; 상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압과 상기 충전 및 방전 표준 점수가 각각의 기준 조건을 충족하는지를 비교 판단하는 비교 판단부; 및 상기 비교 판단부의 판단 결과에 따라 기준 조건을 모두 충족하는 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 판단하는 불량 검출부를 포함하는 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 제시한다.

Description

불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법{Apparatus and method for detecting poor battery cell}
본 발명은 배터리 관리 장치에 관한 것으로, 특히 배터리 팩 내의 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지, 즉 배터리(battery)는 스마트폰 등의 모바일 기기의 에너지원으로 널리 사용되고 있다. 뿐만 아니라, 배터리는 화석 연료를 사용하는 가솔린 차량, 디젤 차량 등에 의한 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 친환경 자동차의 에너지원으로도 사용되고 있다. 배터리를 이용하는 애플리케이션의 종류는 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 배터리가 적용될 것으로 예상된다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리, 리튬 이온 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이온 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 또한, 리튬 이온 배터리는 소형, 경향으로 제작할 수 있으므로 이동 기기의 전원으로 사용되며, 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
상기한 바와 같이 배터리는 다양한 분야에서 이용되는데, 전기 자동차, 스마트 그리드 시스템과 같이 최근에 배터리가 많이 활용되는 분야는 큰 용량을 필요로 하는 경우가 많다. 배터리의 용량을 증가하기 위해서는 배터리 셀 자체의 용량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이 경우 용량 증대 효과가 크지 않고, 배터리의 크기 확장에 물리적 제한이 있으며, 관리가 불편하다는 단점을 갖는다. 따라서, 통상적으로는 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 팩이 널리 이용된다.
배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀은 사용 시간이 경과됨에 따른 본질적인 특성, 제조 환경의 차이, 시스템 적용의 다원성 등에 기인하여 배터리 셀들 사이의 용량(capacity) 성능의 차이가 발생하게 된다. 이러한 용량 성능의 차이는 충방전에 의한 해당 배터리 셀 전압의 차이 또는 SOC(State Of Charge) 차이를 발생시키게 된다. 또한, 이러한 차이는 상대적인 전기적 특성의 차이를 가지는 복수의 배터리 셀이 하나의 배터리 팩으로서 구동하므로 성능이 저하된 특정 배터리 셀에 의하여 배터리 팩 전체의 충전 또는 방전 능력이 제한되고, 배터리 팩이 노화되며, 과전압 등의 문제점이 발생할 수 있다.
상기한 바와 같이 배터리 팩 내의 적어도 하나의 배터리 셀의 성능이 저하될 경우 배터리 셀 사이의 전압 편차가 발생된다. 따라서, 종래에는 배터리 팩 내의 배터리 셀들의 최대 SOC 및 최소 SOC 편차가 미리 설정된 임계값 이상인 경우 이상 편차로 판단하여 불량 배터리 팩으로 검출하였다.
그러나, SOC 추정에 대한 한계점들로 인해 불량 판정에 긴 시간이 소요되고, 불량 배터리 셀의 오검출이 발생될 가능성이 높은 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2021-0001724호
본 발명은 종래의 배터리 팩 내의 이상 편차 판단 방식을 개선하여 배터리 팩 내의 불량 배터리 셀을 조기 검출할 수 있고 오검출을 방지할 수 있는 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 배터리 팩 내의 배터리 셀들의 전압 편차의 표준 점수를 이용하여 불량 셀을 검출하는 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치는 적어도 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 하나 이상의 배터리 팩; 상기 배터리 셀들 각각의 충전 및 방전 종료 시점의 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압을 기반으로 해당 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 산출부; 상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압과 상기 충전 및 방전 표준 점수가 각각의 기준 조건을 충족하는지를 비교 판단하는 비교 판단부; 및 상기 비교 판단부의 판단 결과에 따라 기준 조건을 모두 충족하는 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 검출하는 불량 검출부를 포함한다.
상기 산출부는, 상기 충전 및 방전 종료 시점의 상기 배터리 셀들의 전압값들의 평균 전압을 산출하는 평균 전압 산출부; 상기 충전 및 방전 종료 시점의 상기 배터리 셀들의 전압값들의 표준 편차를 산출하는 표준 편차 산출부; 및 상기 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압, 상기 배터리 셀들의 평균 전압과 표준 편차, 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 표준 점수 산출부를 포함한다.
상기 표준 점수 산출부는 하기 [수학식 1]에 의해 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 각각 산출한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
는 z-score의 표준 편차,
Figure pat00005
는 z-score의 평균,
Figure pat00006
는 t시점의 중앙값 대비 배터리 셀 전압의 편차,
Figure pat00007
는 t 시점의 배터리 셀 전압,
Figure pat00008
는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 평균 전압,
Figure pat00009
는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압 표준 편차,
Figure pat00010
는 중앙값,
Figure pat00011
는 배터리 팩 내의 배터리 셀 전압이다. 또한, z-score는 원수치가 평균에서 얼마나 떨어져 있는지 나타내는 값이고, 중앙값(med)은 측정된 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압값을 순차적으로 정렬하였을 때 중앙에 위치하는 전압값을 의미한다.
상기 비교 판단부는, 상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압 값이 기준 방전 종료 전압 값 미만인지를 비교 판단하는 제 1 비교 판단부; 상기 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단하는 제 2 비교 판단부; 및 상기 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단하는 제 3 비교 판단부를 포함한다.
상기 기준 방전 종료 전압, 기준 표준 점수를 포함하는 데이터를 저장하는 저장부를 더 포함한다.
상기 불량 검출부는 상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압 값이 기준 방전 종료 전압 값 미만이고, 상기 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만이며, 상기 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 검출한다.
상기 불량 검출부는 상기 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단한다.
상기 배터리 팩은 착탈 가능하여 교체 가능하며, 상기 불량 배터리 팩을 새로운 배터리 팩으로 교체한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 불량 배터리 셀 검출 방법은 복수의 배터리 셀들 각각의 충전 및 방전 종료 시점의 전압을 측정하는 과정; 상기 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압을 기반으로 해당 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 과정; 상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압과 상기 충전 및 방전 표준 점수가 각각의 기준 조건을 충족하는지를 비교 판단하는 과정; 및 상기 판단 결과에 따라 기준 조건을 모두 충족하는 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 판단하는 과정을 포함한다.
상기 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 과정은, 상기 충전 및 방전 종료 시점의 상기 배터리 셀들의 전압값들의 평균 전압을 산출하는 과정과, 상기 충전 및 방전 종료 시점의 상기 배터리 셀들의 전압값들의 표준 편차를 산출하는 과정과, 상기 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압, 상기 배터리 셀들의 평균 전압과 표준 편차, 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 과정을 포함한다.
상기 충전 및 방전 표준 점수는 하기 [수학식 1]에 의해 산출한다.
[수학식 1]
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
는 z-score의 표준 편차,
Figure pat00016
는 z-score의 평균,
Figure pat00017
는 t시점의 중앙값 대비 배터리 셀 전압의 편차,
Figure pat00018
는 t 시점의 배터리 셀 전압,
Figure pat00019
는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 평균 전압,
Figure pat00020
는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압 표준 편차,
Figure pat00021
는 중앙값,
Figure pat00022
는 배터리 팩 내의 배터리 셀 전압이다. 또한, z-score는 원수치가 평균에서 얼마나 떨어져 있는지 나타내는 값이고, 중앙값(med)은 측정된 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압값을 순차적으로 정렬하였을 때 중앙에 위치하는 전압값을 의미한다.
상기 비교 판단 과정은, 상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압 값이 기준 방전 종료 전압 값 미만인지를 비교 판단하는 과정과, 상기 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단하는 과정과, 상기 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단하는 과정을 포함한다.
상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압 값이 기준 방전 종료 전압 값 미만이고, 상기 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만이며, 상기 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 검출한다.
상기 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단하는 과정을 더 포함한다.
상기 배터리 팩은 착탈 가능하여 교체 가능하며, 상기 불량 배터리 팩을 새로운 배터리 팩으로 교체하는 과정을 더 포함한다.
본 발명은 충방전 종료 시점의 전압의 변화가 임계값 이상 차이가 날 경우 불량 배터리 셀로 판단하는 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 제공한다. 즉, 본 발명의 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법은 복수의 배터리 셀의 충전 및 방전 종료 시점의 전압을 측정하고, 이를 이용하여 배터리 셀 평균 전압값과 표준 편차를 산출한 후 충방전 종료 시점의 배터리 셀 전압값, 산출된 배터리 셀 평균 전압값과 표준 편차, 그리고 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균 전압값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 산출하고, 방전 종료 시점의 전압과 충방전 표준 점수가 임계값 미만인지를 비교 판단하여 이를 모두 충족하는 배터리 셀에 대해 불량 배터리 셀로 판단하고 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단한다. 따라서, 본 발명은 종래에 비해 배터리 팩 내의 불량 배터리 셀을 조기 검출할 수 있고 오검출을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 불량 배터리 셀 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 시간 경과에 따른 배터리 셀들의 방전 종료 전압과 방전 표준 점수의 변화를 예시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 종래의 불량 배터리 셀 검출 방식과 본 발명에 따른 불량 배터리 셀 검출 방법의 차이를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치는 충방전 가능한 적어도 둘 이상의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 구비하는 배터리(100)와, 배터리 셀(111, 112, 113, 114)의 전압을 포함하여 배터리(100)의 상태를 측정하기 위한 측정부(200)와, 배터리 셀(111, 112, 113, 114)의 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출하기 위한 산출부(300)와, 측정된 충방전 종료 시점의 배터리 셀 전압과 산출된 충방전 표준 점수가 각각의 기준 조건을 충족하는지를 비교 판단하는 비교 판단부(400)와, 비교 판단부(400)의 판단 결과에 따라 불량 배터리 셀을 검출하고 불량 배터리 셀이 속하는 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 검출하는 불량 검출부(500)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치의 동작을 위한 기준 방전 종료 전압, 기준 표준 점수 등의 데이터를 저장하는 저장부(600)를 더 포함할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치를 각 구성별로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
1. 배터리
배터리(100)는 충전 및 방전 가능하여 전기전자 장치의 구동에 필요한 에너지를 제공할 수 있다. 즉, 배터리(100)는 충전되어 소정 용량의 전기 에너지를 저장하고 방전되어 전기전자 기기의 동작을 위한 전기 에너지를 제공할 수 있다. 이러한 배터리(100)는 적어도 하나의 배터리 팩(110, 120, 130, 140)을 포함할 수 있으며, 배터리 팩(110, 120, 130, 140)은 각각 충방전 가능한 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 포함할 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 포함하고, 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 소정 단위로 묶어 배터리 팩(110, 120, 130, 140)을 이룰 수도 있으며, 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140)이 하나의 배터리(100)을 이룰 수 있다. 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)은 전기전자 기기의 스펙(specification)에 부합되도록 다양한 방법으로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 물론, 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140) 또한 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140) 각각은 동일 수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)를 구비할 수 있고, 각각의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)는 동일 용량, 동일 전압 등 동일 성능을 가질 수 있다. 즉, 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140)은 각각 동일 성능을 가질 수 있다. 여기서, 배터리 셀의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등으로 구성할 수 있다. 한편, 본 발명은 복수의 배터리 팩(110, 120, 130, 140) 중 적어도 하나가 교체 가능할 수 있다. 즉, 적어도 하나의 배터리 팩(110, 120, 130, 140) 내의 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114) 중 적어도 하나가 본 발명에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치에 의해 불량 배터리 셀로 판단될 수 있고, 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단하여 해당 배터리 팩을 다른 배터리 팩으로 교체할 수 있다.
2. 측정부
측정부(200)는 배터리(100)의 상태를 측정하기 위해 마련될 수 있다. 여기서, 측정부(200)는 배터리(100)의 전압을 측정할 수 있다. 이를 위해 측정부(200)는 배터리(100)의 전압을 측정하는 전압 측정부(210)를 포함할 수 있다. 이때, 전압 측정부(210)는 배터리 팩(110, 120, 130, 140) 및 배터리 셀(111, 112, 113, 114)의 전압을 측정할 수 있다. 즉, 전압 측정부(210)는 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114) 각각의 전압을 측정할 수도 있고, 배터리 팩(110, 120, 130, 140)의 전압을 측정할 수 있다. 그런데, 본 발명은 배터리 셀(111, 112, 113, 114)의 불량을 검출하기 위해 전압 측정부(210)가 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114) 각각의 전압을 측정한다. 이를 위해 측정부(200)는 복수의 전압 측정부(210)를 포함할 수 있다. 복수의 전압 측정부(210)는 배터리 셀(111, 112, 113, 114)의 전압을 주기적으로 측정하고 측정 결과를 산출부(300)로 제공할 수 있다. 이때, 전압 측정부(210)는 충전 및 방전 종료 시점의 복수의 배터리 셀(111, 112, 113, 114) 각각의 전압을 측정할 수 있다. 즉, 전압 측정부(210)는 충전 종료 시점, 그리고 방전 종료 시점의 배터리 셀(111, 112, 113, 114) 각각의 전압을 측정할 수 있다. 충방전 종료 시점의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)의 전압을 측정하기 위해 도시되지 않은 충방전 제어부의 제어 신호를 이용할 수 있다. 즉, 충방전 제어부는 충방전 스위치(미도시)를 구동시켜 배터리(100)의 충방전을 제어할 수 있는데, 충방전 제어부의 충방전 종료에 따른 제어 신호가 출력되어 전압 측정부(210)에 입력되면 충방전 전류가 흐르지 않는 상태에서의 배터리 셀(111, 112, 113, 114)의 전압을 측정할 수 있다. 측정 결과는 아날로그 신호 또는 디지털 신호로서 산출부(300)로 제공될 수 있다. 여기서, 전압 측정부(210)는 배터리 셀(111, 112, 113, 114)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압을 측정할 수 있다. 이러한 전압 측정부(210)는 일 예시로서 배터리 셀(111, 112, 113, 114)의 양극 및 음극 단자 사이의 전압 차이에 상응하는 전압 신호를 출력하는 차동 증폭 회로를 포함할 수 있다. 한편, 측정부(200)는 배터리(100)의 전압을 측정할 뿐만 아니라 배터리(100)의 전류 및 온도 등의 상태를 측정할 수 있다. 이를 위해 측정부(200)는 전압 측정부(210) 뿐만 아니라 전류 측정부(미도시) 및 온도 측정부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 전류 측정부는 센스 저항 또는 홀 센서로서 충전 전류의 크기에 상응하는 신호를 생성할 수 있다. 물론, 전류 측정부는 충전 전류 뿐만 아니라 방전 전류의 크기도 측정할 수 있다. 그리고, 온도 측정부는 온도 측정에 사용되는 일 예로 써머 커플러일 수 있다. 온도 측정부는 배터리(100)의 온도에 상응하는 신호를 생성할 수 있다. 측정부(200)를 구성하는 전압 측정부(210), 전류 측정부 및 온도 측정부는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도를 측정하여 배터리(100)의 SOC 추정에 이용될 수 있고, 이를 위해 측정 데이터는 도시되지 않은 SOC 추정부에 제공될 수 있다. 즉, 전압 측정부(210)의 측정 데이터는 본 발명의 불량 배터리 셀 검출 장치를 구성하는 산출부(300) 제공되는 동시에 SOC 추정을 위해 BMS를 구성하는 도시되지 않은 SOC 추정부에 제공될 수 있다.
3. 산출부
산출부(300)는 본 발명에 따른 표준 점수를 산출하기 위해 마련될 수 있다. 즉, 산출부(300)는 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 산출할 수 있다. 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수는 측정된 충방전 종료 시점의 배터리 셀 전압값, 산출된 배터리 셀 평균 전압값과 표준 편차, 그리고 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균 전압값을 이용하여 산출할 수 있다. 이를 위해 산출부(300)는 평균 전압 산출부(310)와, 표준 편차 산출부(320)와, 표준 점수 산출부(330)를 포함할 수 있다. 평균 전압 산출부(310)는 측정된 충방전 종료 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀 전압 값들의 평균값을 산출한다. 즉, 평균 전압 산출부(310)는 충전 종료 시점의 배터리 팩 내의 배터리 셀들의 측정된 전압값들로부터 평균을 산출할 수 있고, 방전 종료 시점이 배터리 팩 내부의 배터리 셀들의 측정된 전압값들로부터 평균을 산출할 수 있다. 전압 평균은 측정된 배터리 셀들의 전압을 합한 값을 배터리 셀들의 수로 나누어 산출할 수 있다. 표준 편차 산출부(320)는 측정된 충방전 종료 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀 전압 값들의 표준 편차를 산출한다. 즉, 표준 편차 산출부(320)는 각 배터리 셀의 측정 전압이 평균 전압 산출부(310)에 의해 산출된 평균값으로부터 편차 및 분산을 통해 산출될 수 있다. 표준 점수 산출부(330)는 측정부(210)로부터 측정된 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압을 기반으로 해당 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출한다. 표준 점수 산출부(330)는 아래의 수학식 1에 의해 각 배터리 셀의 충/방전 표준 점수를 각각 산출한다.
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
여기서,
Figure pat00026
는 z-score의 표준 편차,
Figure pat00027
는 z-score의 평균,
Figure pat00028
는 t시점의 중앙값 대비 배터리 셀 전압의 편차,
Figure pat00029
는 t 시점의 배터리 셀 전압,
Figure pat00030
는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 평균 전압,
Figure pat00031
는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압 표준 편차,
Figure pat00032
는 중앙값,
Figure pat00033
는 배터리 팩 내의 배터리 셀 전압이다. 또한, z-score(표준값)은 원수치가 평균에서 얼마나 떨어져 있는지 나타내는 값이고, 중앙값(med)은 측정된 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압값을 순차적으로 정렬하였을 때 중앙에 위치하는 전압값을 의미한다. 이때, 배터리 셀의 갯수가 홀수개인 경우 중앙에 위치하는 값을 중앙값으로, 배터리 셀의 개수가 짝수개인 경우에는 중앙의 2개의 값의 평균값을 중앙값으로 사용한다. 따라서, [수학식 1]은 md값, 즉 중앙값 대비 배터리 셀 전압의 편차가 표준편차 상 어떤 위치에 있는지를 보여주는 식이다.
즉, 표준 점수 산출부(330)는 측정된 충방전 종료 시점의 배터리 셀 전압값, 산출된 배터리 셀 평균 전압값과 표준 편차, 그리고 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균 전압값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 각각 산출한다. 여기서, 충방전 종료 시점의 배터리 셀 전압은 측정부(200)의 전압 측정부(210)에 의해 측정된다. 또한, 배터리 셀의 평균 전압값과 표준 편차는 평균 전압 산출부(310) 및 표준 편차 산출부(330)에 의해 각각 구해질 수 있다.
4. 비교 판단부
비교 판단부(400)는 측정된 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압과 산출된 충방전 표준 점수가 각각의 기준 조건을 충족하는지를 비교 판단한다. 즉, 복수의 배터리 셀은 사용 시간이 경과됨에 따른 본질적인 특성, 제조 환경의 차이, 시스템 적용의 다원성 등에 기인하여 배터리 셀들 사이의 용량(capacity) 성능의 차이가 발생하게 되고, 용량 성능의 차이는 충방전에 의한 해당 배터리 셀 전압의 차이 또는 SOC(State Of Charge) 차이를 발생시키게 된다. 따라서, 복수의 배터리 셀들의 성능 차이를 검출하기 위해 비교 판단부(400)는 측정부(200) 및 산출부(300)의 데이터로부터 기준값을 비교하게 된다. 이를 위해 비교 판단부(400)는 측정된 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압과 기준 방전 종료 전압값을 비교 판단하는 제 1 비교 판단부(410)와, 산출된 충전 종료 시점의 표준 점수와 기준 표준 점수를 비교 판단하는 제 2 비교 판단부(420)와, 산출된 방전 종료 시점의 표준 점수와 기준 표준 점수를 비교 판단하는 제 3 비교 판단부(430)를 포함할 수 있다. 즉, 제 1 비교 판단부(410)는 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압이 기준 방전 종료 전압값 미만인지를 비교 판단하고, 제 2 비교 판단부(420)는 산출된 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수를 미만인지를 비교 판단하며, 제 3 비교 판단부(430)는 산출된 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단한다. 한편, 기준 방전 종료 전압값, 기준 표준 점수는 각각 메모리부(600)에 저장될 수 있다. 여기서, 기준 방전 종료 전압값을 예를 들어 3.1V로 설정하고, 제 1 비교 판단부(410)는 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압(
Figure pat00034
)이 3.1V 미만인지를 판단한다(
Figure pat00035
). 또한, 기준 표준 점수는 예를 들어 -0.104로 설정하고, 제 2 비교 판단부(420)는 충전 종료 시점의 표준 점수(
Figure pat00036
)가 기준 표준 점수(-0.104) 미만인지를 판단한다(
Figure pat00037
). 그리고, 제 3 비교 판단부(420)는 방전 종료 시점의 표준 점수(
Figure pat00038
)가 기준 표준 점수(-0.104) 미만인지를 판단한다(
Figure pat00039
). 여기서, 기준 방전 종료 전압은 테스트 시 3.1V 미만의 전압에 도달할 경우 내부 불량 확률이 큰 것으로 확인되어 기준 방전 종료 전압을 3.1V 미만으로 설정하였다. 또한, 불량 배터리 셀의 과검출 또는 오검출을 방지하기 위해 충방전 대기시 표준 점수가 -0.104 미만으로 떨어진 것을 대상으로 선별하였다. 물론, 기준 방전 종료 전압, 기준 표준 점수는 배터리 셀들의 특성, 배터리 팩의 특성 등에 따라 달라질 수 있으며, 테스트 결과에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
5. 불량 검출부
불량 검출부(500)는 비교 판단부(400)의 판단 결과에 따라 불량 배터리 셀을 검출하고, 불량 배터리 셀이 속하는 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단한다. 여기서, 불량 검출부(500)는 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압이 기준 방전 종료 전압값 미만이고, 충방전 표준 점수가 모두 기준 표준 점수 미만인 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 검출한다. 즉, 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압(
Figure pat00040
)이 3.1V 미만이고(
Figure pat00041
), 충전 종료 시점의 표준 점수(
Figure pat00042
)가 기준 표준 점수(-0.104) 미만이며(
Figure pat00043
), 방전 종료 시점의 표준 점수(
Figure pat00044
)가 기준 표준 점수(-0.104) 미만(
Figure pat00045
)인 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 판단한다. 다시 말하면, (
Figure pat00046
)&(
Figure pat00047
)&(
Figure pat00048
)인 조건을 모두 만족하는 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 판단한다. 또한, 불량 검출부(500)는 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단한다. 도시되지 않았지만, 불량 배터리 팩 관련 신호를 사용자에게 전달하고 사용자는 불량 배터리 팩을 정상 배터리 팩으로 교체할 수 있다.
6. 저장부
저장부(600)는 배터리(100)의 관리를 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(250)는 배터리(100)의 종류, 충방전을 위한 전압, 전류 및 그에 따른 SOC, SOH, SOP 등의 데이터가 저장될 수 있다. 따라서, 저장부(600)의 이러한 데이터를 이용하여 배터리(100)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 또한, 저장부(600)는 본 발명에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치의 동작을 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 즉, 저장부(600)는 기준 방전 종료 전압, 기준 표준 점수 등의 데이터를 저장할 수 있다. 이때, 기준 방전 종료 전압, 기준 표준 점수는 복수의 배터리 셀 및 배터리 팩의 테스트 결과에 따라 다양하게 설정되어 저장부(600)에 저장될 수 있다. 또한, 테스트 결과는 배터리 셀들의 특성, 배터리 팩의 특성 등에 따라 달라질 수 있다. 이러한 저장부(600)는 플래시 메모리, EEPROM(Electrically erasable programmable read-only memory), SRAM(Static RAM), FRAM (Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리가 이용될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치는 배터리(100)의 복수의 배터리 셀의 충전 및 방전 종료 시점의 전압을 측정부(200)를 이용하여 측정하고, 이를 이용하여 산출부(300)가 배터리 셀 평균 전압값과 표준 편차를 산출한 후 충방전 종료 시점의 배터리 셀 전압값, 산출된 배터리 셀 평균 전압값과 표준 편차, 그리고 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균 전압값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 산출하고, 비교 판단부(400)가 방전 종료 시점의 전압과 충방전 표준 점수가 임계값 미만인지를 비교 판단하여 불량 검출부(500)가 이를 모두 충족하는 배터리 셀에 대해 불량 배터리 셀로 판단하고 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단한다. 따라서, 본 발명에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 이용하여 배터리 팩 내의 불량 배터리 셀을 조기 검출할 수 있고 오검출을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 불량 배터리 셀 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 불량 배터리 셀 검출 방법은 배터리(100)의 복수의 배터리 셀의 충전 및 방전 종료 시점의 전압을 측정하는 과정(S110)과, 각 배터리 셀의 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 과정(S120)과, 방전 종료 시점의 전압과 충방전 표준 점수가 임계값 미만인지를 비교 판단하는 과정(S130)과, 비교 판단 결과 이러한 조건을 모두 충족하는 배터리 셀에 대해 불량 배터리 셀로 판단하고 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단하는 과정(S140)을 포함할 수 있다. 물론, 비교 판단 과정(S130)에서 조건을 충족하는 배터리 셀이 검출되지 않는 경우 충방전을 반복할 때마다 상기 과정을 반복하여 불량 배터리 셀을 검출할 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만 불량 배터리 셀을 포함하여 불량 배터리 팩으로 판단된 배터리 팩에 대해 사용자에게 전달하여 사용자가 불량 배터리 팩을 교체하도록 할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 불량 배터리 셀 검출 방법을 각 과정별로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
S110 : 배터리(100)를 구성하는 복수의 배터리 셀의 충전 및 방전 종료 시점의 전압을 측정한다. 여기서, 배터리(100)는 복수의 배터리 셀을 포함하며, 적어도 하나 이상의 배터리 셀이 배터리 팩을 이룰 수 있다. 즉, 소정 수의 배터리 셀이 배터리 팩을 구성하고, 적어도 하나의 배터리 팩이 배터리를 구성할 수 있다. 이러한 복수의 배터리 셀의 전압을 전압 측정부(210)를 이용하여 측정할 수 있다. 이때, 전압 측정부(210)는 충전 및 방전 종료 시점의 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정할 수 있다. 즉, 전압 측정부(210)는 충전 종료 시점, 그리고 방전 종료 시점의 배터리 셀 각각의 전압을 측정할 수 있다.
S120 : 각 배터리 셀의 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출한다. 이를 위해 산출부(300)는 충방전 종료 시점의 배터리 셀 전압값, 배터리 셀 평균 전압값과 표준 편차, 그리고 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균 전압값을 이용하여 배터리 셀의 충전 및 방전 시점의 표준 점수를 산출할 수 있다. 이때, 표준 점수를 산출하기 위해 복수의 배터리 셀 전압 값들의 평균값과 표준 편차를 산출한다. 평균 전압은 평균 전압 산출부(310)를 이용하여 산출할 수 있는데, 측정된 배터리 셀들의 전압을 합한 값을 배터리 셀들의 수로 나누어 평균 전압을 산출할 수 있다. 즉, 평균 전압 산출부(310)는 충전 종료 시점의 배터리 팩 내의 배터리 셀들의 측정된 전압값들로부터 평균을 산출할 수 있고, 방전 종료 시점이 배터리 팩 내부의 배터리 셀들의 측정된 전압값들로부터 평균을 산출할 수 있다. 또한, 표준 편차는 표준 편차 산출부(320)를 이용하여 산출할 수 있는데, 표준 편차 산출부(320)는 측정된 충방전 종료 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀 전압 값들의 표준편차를 산출한다. 즉, 표준 편차 산출부(320)는 각 배터리 셀의 측정 전압이 평균 전압 산출부(310)에 의해 산출된 평균값과의 차이로부터 산출될 수 있다. 그리고, 충전 및 방전 표준 점수는 표준 점수 산출부(330)를 이용하여 산출할 수 있는데, 표준 점수 산출부(330)는 측정부(210)로부터 측정된 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압을 기반으로 해당 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출한다. 표준 점수 산출부(330)는 아래의 수학식 1에 의해 각 배터리 셀의 충/방전 표준 점수를 각각 산출한다.
[수학식 1]
Figure pat00049
Figure pat00050
Figure pat00051
여기서,
Figure pat00052
는 z-score의 표준 편차,
Figure pat00053
는 z-score의 평균,
Figure pat00054
는 t 시점의 배터리 셀 전압,
Figure pat00055
는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 평균 전압,
Figure pat00056
는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압 표준 편차,
Figure pat00057
는 중앙값,
Figure pat00058
는 배터리 팩 내의 배터리 셀 전압이다. 또한, z-score는 원수치가 평균에서 얼마나 떨어져 있는지 나타내는 값이고, 중앙값(med)은 측정된 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압값을 순차적으로 정렬하였을 때 중앙에 위치하는 전압값을 의미한다. 이때, 배터리 셀의 갯수가 홀수개인 경우 중앙에 위치하는 값을 중앙값으로, 배터리 셀의 개수가 짝수개인 경우에는 중앙의 2개의 값의 평균값을 중앙값으로 사용한다.
즉, 표준 점수 산출부(330)는 측정된 충방전 종료 시점의 배터리 셀 전압값, 산출된 배터리 셀 평균 전압값과 표준 편차, 그리고 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균 전압값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 각각 산출한다.
S130 : 방전 종료 시점의 전압과 충방전 표준 점수가 임계값 미만인지를 비교 판단한다. 즉, 비교 판단부(400)는 측정된 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압과 산출된 충방전 표준 점수가 각각의 기준 조건을 충족하는지를 비교 판단한다. 복수의 배터리 셀은 사용 시간이 경과됨에 따른 본질적인 특성, 제조 환경의 차이, 시스템 적용의 다원성 등에 기인하여 배터리 셀들 사이의 용량(capacity) 성능의 차이가 발생하게 되고, 용량 성능의 차이는 충방전에 의한 해당 배터리 셀 전압의 차이 또는 SOC(State Of Charge) 차이를 발생시키게 된다. 따라서, 복수의 배터리 셀들의 성능 차이를 검출하기 위해 비교 판단부(400)는 측정부(200) 및 산출부(300)의 데이터로부터 기준값을 비교하게 된다. 즉, 제 1 비교 판단부(410)는 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압이 기준 방전 종료 전압값 미만인지를 비교 판단하고, 제 2 비교 판단부(420)는 산출된 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수를 미만인지를 비교 판단하며, 제 3 비교 판단부(430)는 산출된 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단한다. 한편, 기준 방전 종료 전압값, 기준 표준 점수는 각각 메모리부(600)에 저장될 수 있다. 여기서, 기준 방전 종료 전압값을 예를 들어 3.1V로 설정하고, 제 1 비교 판단부(410)는 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압(
Figure pat00059
)이 3.1V 미만인지를 판단한다(
Figure pat00060
). 또한, 기준 표준 점수는 예를 들어 -0.104로 설정하고, 제 2 비교 판단부(420)는 충전 종료 시점의 표준 점수(
Figure pat00061
)가 기준 표준 점수(-0.104) 미만인지를 판단한다(
Figure pat00062
). 그리고, 제 3 비교 판단부(420)는 방전 종료 시점의 표준 점수(
Figure pat00063
)가 기준 표준 점수(-0.104) 미만인지를 판단한다(
Figure pat00064
). 여기서, 기준 방전 종료 전압은 테스트 시 3.1V 미만의 전압에 도달할 경우 내부 불량 확률이 큰 것으로 확인되어 기준 방전 종료 전압을 3.1V 미만으로 설정하였다. 또한, 불량 배터리 셀의 과검출 또는 오검출을 방지하기 위해 충방전 대기시 표준 점수가 -0.104 미만으로 떨어진 것을 대상으로 선별하였다. 물론, 기준 방전 종료 전압, 기준 표준 점수는 배터리 셀들의 특성, 배터리 팩의 특성 등에 따라 달라질 수 있으며, 테스트 결과에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 배터리 셀들은 시간이 경과함에 따라(즉, day 1, day , …, day n)에 따라 배터리 셀 전압이 저하되고 그에 따라 표준 점수가 낮아질 수 있다. 즉, 적어도 하나의 배터리 셀은 방전 종료 전압이 기준 전압보다 낮아질 수 있으며, 방전 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수보다 낮아질 수 있다. 예를 들어, n일(day n)에서 제 2 배터리 셀(CV#2)은 방전 종료 전압이 3.09V로서 기준 전압인 3.1V보다 낮아지고 방전 시점의 표준 점수가 -0.105로서 기준 표준 점수인 -0.104보다 낮아질 수 있다.
S140 : 불량 검출부(500)는 비교 판단 결과 이러한 조건을 모두 충족하는 배터리 셀에 대해 불량 배터리 셀로 판단하고 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단한다. 여기서, 불량 검출부(500)는 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압이 기준 방전 종료 전압값 미만이고, 충방전 표준 점수가 모두 기준 표준 점수 미만인 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 검출한다. 즉, 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압(
Figure pat00065
)이 3.1V 미만이고(
Figure pat00066
), 충전 종료 시점의 표준 점수(
Figure pat00067
)가 기준 표준 점수(-0.104) 미만이며(
Figure pat00068
), 방전 종료 시점의 표준 점수(
Figure pat00069
)가 기준 표준 점수(-0.104) 미만(
Figure pat00070
)인 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 판단한다. 다시 말하면, (
Figure pat00071
)&(
Figure pat00072
)&(
Figure pat00073
)인 조건을 모두 만족하는 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 판단한다. 예를 들어, 도 3에서 n일(day n)에서 방전 종료 전압이 3.09V로서 기준 전압인 3.1V보다 낮고 방전 시점의 표준 점수가 -0.105로서 기준 표준 점수인 -0.104보다 낮은 제 2 배터리 셀(CV#2)을 불량 배터리 셀로 판단할 수 있다. 또한, 불량 검출부(500)는 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단한다. 도시되지 않았지만, 불량 배터리 팩 관련 신호를 사용자에게 전달하고 사용자는 불량 배터리 팩을 정상 배터리 팩으로 교체할 수 있다.
도 4 및 도 5는 종래의 불량 배터리 셀 검출 방법과 본 발명에 따른 불량 배터리 셀 검출 방법의 차이를 설명하기 위한 그래프이다. 도 4의 케이스 1 및 2(case 1 및 2)는 기존에 검출되었고 기존에 검출된 시점보다 먼저 검출해야 하는 케이스이고, 도 5의 케이스 3 및 4(case 3 및 4)는 기존에 검출되었으나 검출되지 말아야 하는 케이스이다. 즉, 도 4는 종래 방법 및 본 발명의 방법으로 검출되지만 종래 방법보다 본 발명의 방법이 불량 배터리 셀을 빨리 검출할 수 있음을 설명하기 위한 그래프이고, 도 5는 종래 방법으로 불량 배터리 셀로 검출되었으나, 이는 오검출로서 본 발명의 방법으로는 검출되지 않음을 설명하기 위한 그래프이다. 한편, 도 4 및 5에서 각 케이스별 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압을 전압 프로파일(voltage profile)로 나타내었고, 충전 종료 시점과 방전 종료 시점에서의 전압과 표준 점수를 경시적으로 나타내었다. 즉, 전압 프로파일에서 충전 및 방전 시점의 전압과 그 시점의 표준 점수를 그래프로 나타내었다. 검출 조건에 명시된 조건이 부합되는 시점, 즉 충전 및 방전 종료 시점의 그래프 내에 ①, ②, ③으로 나타내었다. 조건에 맞지 않는 경우 번호를 부여하지 않았다. ③의 경우는 3.1V 미만의 영역 도달(즉 붉은 음영 내에 전압이 도달)할 경우에 조건이 만족된다. 또한, 회색 음영은 기존 불량 판정 시점이고 본 발명을 통해 불량을 판정한 시점은 붉은 실선으로 표현하였다. 붉은 화살표는 기존 검출 대비 사전 검출된 시점을 나타낸 것으로, 본 발명의 방법이 종래 방식보다 불량 배터리 셀을 빨리 검출하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5의 케이스 3 및 4에 도시된 바와 같이 종래의 방법은 충전 및 방전 종료 시점의 그래프에서 볼 수 있듯이 기존의 불량 판정 시점인 회색 음영 부분이 나타나 오검출되지만 본 발명의 방법은 이러한 오검출이 발생되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법을 이용하는 경우 종래의 방법에 비해 검출 속도를 빠르게 할 수 있고 오검출을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 배터리 200 : 측정부
300 : 산출부 400 : 비교 판단부
500 : 불량 검출부 600 : 저장부

Claims (15)

  1. 적어도 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 하나 이상의 배터리 팩;
    상기 배터리 셀들 각각의 충전 및 방전 종료 시점의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압을 기반으로 해당 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 산출부;
    상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압과 상기 충전 및 방전 표준 점수가 각각의 기준 조건을 충족하는지를 비교 판단하는 비교 판단부; 및
    상기 비교 판단부의 판단 결과에 따라 기준 조건을 모두 충족하는 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 검출하는 불량 검출부를 포함하는 불량 배터리 셀 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 산출부는,
    상기 충전 및 방전 종료 시점의 상기 배터리 셀들의 전압값들의 평균 전압을 산출하는 평균 전압 산출부;
    상기 충전 및 방전 종료 시점의 상기 배터리 셀들의 전압값들의 표준 편차를 산출하는 표준 편차 산출부; 및
    상기 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압, 상기 배터리 셀들의 평균 전압과 표준 편차, 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 표준 점수 산출부를 포함하는 불량 배터리 셀 검출 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 표준 점수 산출부는 하기 [수학식 1]에 의해 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 각각 산출하는 불량 배터리 셀 검출 장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00074

    Figure pat00075

    Figure pat00076

    여기서,
    Figure pat00077
    는 z-score의 표준 편차,
    Figure pat00078
    는 z-score의 평균,
    Figure pat00079
    는 t시점의 중앙값 대비 배터리 셀 전압의 편차,
    Figure pat00080
    는 t 시점의 배터리 셀 전압,
    Figure pat00081
    는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 평균 전압,
    Figure pat00082
    는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압 표준 편차,
    Figure pat00083
    는 중앙값,
    Figure pat00084
    는 배터리 팩 내의 배터리 셀 전압이다. 또한, z-score는 원수치가 평균에서 얼마나 떨어져 있는지 나타내는 값이고, 중앙값(med)은 측정된 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압값을 순차적으로 정렬하였을 때 중앙에 위치하는 전압값을 의미한다.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 비교 판단부는,
    상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압 값이 기준 방전 종료 전압 값 미만인지를 비교 판단하는 제 1 비교 판단부;
    상기 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단하는 제 2 비교 판단부; 및
    상기 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단하는 제 3 비교 판단부를 포함하는 불량 배터리 셀 검출 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 기준 방전 종료 전압, 기준 표준 점수를 포함하는 데이터를 저장하는 저장부를 더 포함하는 불량 배터리 셀 검출 장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 불량 검출부는 상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압 값이 기준 방전 종료 전압 값 미만이고, 상기 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만이며, 상기 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 검출하는 불량 배터리 셀 검출 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 불량 검출부는 상기 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단하는 불량 배터리 셀 검출 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 배터리 팩은 착탈 가능하여 교체 가능하며, 상기 불량 배터리 팩을 새로운 배터리 팩으로 교체하는 불량 배터리 셀 검출 장치.
  9. 복수의 배터리 셀들 각각의 충전 및 방전 종료 시점의 전압을 측정하는 과정;
    상기 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압을 기반으로 해당 충전 및 방전 종료 시점에 대응하는 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 과정;
    상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압과 상기 충전 및 방전 표준 점수가 각각의 기준 조건을 충족하는지를 비교 판단하는 과정; 및
    상기 판단 결과에 따라 기준 조건을 모두 충족하는 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 검출하는 과정을 포함하는 불량 배터리 셀 검출 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 과정은,
    상기 충전 및 방전 종료 시점의 상기 배터리 셀들의 전압값들의 평균 전압을 산출하는 과정과,
    상기 충전 및 방전 종료 시점의 상기 배터리 셀들의 전압값들의 표준 편차를 산출하는 과정과,
    상기 충전 및 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압, 상기 배터리 셀들의 평균 전압과 표준 편차, 미리 설정된 z-score의 표준 편차 및 평균값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 및 방전 표준 점수를 산출하는 과정을 포함하는 불량 배터리 셀 검출 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 충전 및 방전 표준 점수는 하기 [수학식 1]에 의해 산출하는 불량 배터리 셀 검출 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00085

    Figure pat00086

    Figure pat00087

    여기서,
    Figure pat00088
    는 z-score의 표준 편차,
    Figure pat00089
    는 z-score의 평균,
    Figure pat00090
    는 t시점의 중앙값 대비 배터리 셀 전압의 편차,
    Figure pat00091
    는 t 시점의 배터리 셀 전압,
    Figure pat00092
    는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 평균 전압,
    Figure pat00093
    는 t 시점의 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압 표준 편차,
    Figure pat00094
    는 중앙값,
    Figure pat00095
    는 배터리 팩 내의 배터리 셀 전압이다. 또한, z-score는 원수치가 평균에서 얼마나 떨어져 있는지 나타내는 값이고, 중앙값(med)은 측정된 배터리 팩 내 배터리 셀들의 전압값을 순차적으로 정렬하였을 때 중앙에 위치하는 전압값을 의미한다.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 비교 판단 과정은,
    상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압 값이 기준 방전 종료 전압 값 미만인지를 비교 판단하는 과정과,
    상기 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단하는 과정과,
    상기 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인지를 비교 판단하는 과정을 포함하는 불량 배터리 셀 검출 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 방전 종료 시점의 배터리 셀 전압 값이 기준 방전 종료 전압 값 미만이고, 상기 충전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만이며, 상기 방전 종료 시점의 표준 점수가 기준 표준 점수 미만인 배터리 셀을 불량 배터리 셀로 검출하는 불량 배터리 셀 검출 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 불량 배터리 셀이 포함된 배터리 팩을 불량 배터리 팩으로 판단하는 과정을 더 포함하는 불량 배터리 셀 검출 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 배터리 팩은 착탈 가능하여 교체 가능하며, 상기 불량 배터리 팩을 새로운 배터리 팩으로 교체하는 과정을 더 포함하는 불량 배터리 셀 검출 방법.
KR1020210155750A 2021-11-12 2021-11-12 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법 KR20230069591A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210155750A KR20230069591A (ko) 2021-11-12 2021-11-12 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210155750A KR20230069591A (ko) 2021-11-12 2021-11-12 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230069591A true KR20230069591A (ko) 2023-05-19

Family

ID=86546663

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210155750A KR20230069591A (ko) 2021-11-12 2021-11-12 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230069591A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210001724A (ko) 2019-06-28 2021-01-07 주식회사 엘지화학 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210001724A (ko) 2019-06-28 2021-01-07 주식회사 엘지화학 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7289113B2 (ja) 管理装置、及び電源システム
EP2435841B1 (en) Battery system and method for system state of charge determination
EP3961233B1 (en) Battery cell diagnosis device and method
US11965936B2 (en) Battery diagnosis apparatus and method
CN103138026A (zh) 电池组的控制装置
US20230258725A1 (en) Battery abnormality diagnosis apparatus and method
KR20140053585A (ko) 배터리 잔존 수명 추정 장치 및 방법
CN114069077A (zh) 电化学装置管理方法、电子设备及电池系统
KR20220102454A (ko) 배터리 시스템 진단 장치 및 방법
Azizighalehsari et al. A review of lithium-ion batteries diagnostics and prognostics challenges
KR20210141212A (ko) 배터리를 진단하기 위한 장치 및 그 방법
US20230148088A1 (en) Battery management apparatus and method
EP4446760A1 (en) Apparatus for calculating depth of charge of battery, and operation method thereof
KR20230069591A (ko) 불량 배터리 셀 검출 장치 및 방법
US20240337701A1 (en) Device and method for detecting deteriorated battery cell
US20230194622A1 (en) Battery abnormality diagnosis apparatus and method
US12130338B2 (en) Battery abnormality diagnosis apparatus and method
US20240047976A1 (en) Battery control system and method
CN112578294B (zh) 锂电池测定的方法、装置、车辆及介质
KR20240036410A (ko) 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법
KR20240057271A (ko) 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법
KR20240022931A (ko) 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법
KR20240147283A (ko) 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법
KR20240085857A (ko) 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법
CN118818309A (zh) 动力电池的充电策略评估方法、装置、电子设备和存储介质

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination