KR20230157646A - 내부 저항 평가 장치 및 배터리 시스템 - Google Patents

Abstract

배터리 시스템은, 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩 복수 개; 및 상기 복수의 배터리 팩 각각에서, 상기 복수의 배터리 뱅크의 복수의 내부 저항(DCIR) 값을 산출하고, 상기 각 배터리 팩에서 소정의 제1 위치의 배터리 뱅크에 대한 제1 내부 저항 값에 대한 보정을 수행하며, 상기 보정된 제1 내부 저항 값에 기초하여 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 이상 여부를 진단하는, 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있다. 상기 복수의 배터리 뱅크 각각은 병렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하고, 상기 제1 위치는, 상기 복수의 배터리 팩 각각에서 동일한 위치일 수 있다.

Description

내부 저항 평가 장치 및 배터리 시스템{INTERNAL RESISTANCE EVALUATION DEVICE AND BATTERY SYSTEM}

본 개시는 내부 저항 평가 장치 및 내부 저항 평가 장치로부터 도출된 정보를 이용한 배터리 시스템에 관한 것이다.

배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀이 전기적으로 예를 들어, 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 이 경우, 복수의 배터리 셀 간의 복수의 접촉 저항 및 연결 저항으로 인해 배터리 팩에 전류가 흐를 때, 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압 보다 더 높은 전압이 각 배터리 셀의 셀 전압으로 측정된다. 즉, 각 배터리 셀의 셀 전압 측정에 있어, 각 배터리 셀의 내부 저항 뿐만 아니라 복수의 배터리 셀을 연결하는데 이용된 연결 부재들의 기구적 저항이 영향을 준다.

이와 같이, 셀 전압을 정확하게 측정하기 어려운 문제점이 있다. 셀 전압은 배터리 셀의 충전 상태, 과전압, 저전압 등 배터리 셀 상태를 모니터링하는데 있어 중요한 데이터이다.

위와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위해서 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 정확하게 측정할 수 있도록 구현된 내부 저항 평가 장치 및 내부 저항 평가 장치로부터 도출된 정보를 이용한 배터리 시스템을 제공하고자 한다.

발명의 한 특징에 배터리 시스템은, 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩 복수 개, 및 상기 복수의 배터리 팩 각각에서, 상기 복수의 배터리 뱅크의 복수의 내부 저항(DCIR) 값을 산출하고, 상기 각 배터리 팩에서 소정의 제1 위치의 배터리 뱅크에 대한 제1 내부 저항 값에 대한 보정을 수행하며, 상기 보정된 제1 내부 저항 값에 기초하여 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 이상 여부를 진단하는, 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있다. 상기 복수의 배터리 뱅크 각각은 병렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하고, 상기 제1 위치는, 상기 복수의 배터리 팩 각각에서 동일한 위치일 수 있다.

상기 배터리 관리 시스템은, 상기 제1 내부 저항 값에 대한 1미만의 소정 비율을 곱하여 상기 제1 내부 저항 값을 보정할 수 있다.

상기 소정 비율은, 각 배터리 팩에서, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 상기 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들 중 중간값으로 나눈 결과에 기초하여 결정될 수 있다.

상기 배터리 시스템은, 상기 복수의 배터리 팩에 연결되어 상기 복수의 배터리 뱅크의 복수의 배터리 뱅크 전압을 측정하는 복수의 모니터링 IC, 및 상기 복수의 배터리 팩 각각에 대해서, 상기 복수의 배터리 뱅크 전압 및 상기 각 배터리 뱅크에 흐르는 전류에 기초하여 상기 각 배터리 뱅크의 상기 복수의 배터리 뱅크의 복수의 내부 저항 값을 산출하고, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 소정 비율에 기초하여 보정하는 메인 제어 IC를 포함할 수 있다.

상기 메인 제어 IC는, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값에 상기 소정 비율을 곱하여 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 보정하고, 상기 소정 비율은 1보다 작을 수 있다.

상기 소정 비율은, 각 배터리 팩에서, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 상기 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들 중 중간값으로 나눈 결과에 기초하여 결정될 수 있다.

각 배터리 팩에서, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항이 상기 각 배터리 팩의 다른 위치의 배터리 뱅크들에 비해 기구적 저항의 영향을 더 받을 수 있다.

발명의 다른 특징에 따른 내부 저항 평가 장치는, 복수의 배터리 팩에 대해서, 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 복수의 내부 저항 값에 대해서 정규성을 검증하는 정규성 검증부, 상기 복수의 배터리 팩 전체에 대해서, 상기 복수의 내부 저항 값을 상기 복수의 배터리 뱅크 위치 별로 정상 범위를 벗어난 것으로 판단되는 배터리 뱅크의 제1 위치를 결정하는 관리도 분석부, 및 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값 및 상기 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들에 기초하여 보정 정도를 결정하는 내부 저항 분석부를 포함할 수 있다.

상기 내부 저항 분석부는, 상기 복수의 배터리 팩 각각에 대해서, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항을 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항들의 중간값으로 나눈 제1 값을 산출하며, 상기 복수의 배터리 팩 전체에 대해서, 복수의 제1 값들의 평균에 기초하여 상기 보정 정도를 결정할 수 있다.

상기 내부 저항 분석부는, 상기 복수의 제1 값들의 평균에서 1을 차감한 값을 상기 보정 정도로 결정할 수 있다.

상기 정규성 검증부는, 상기 복수의 배터리 팩 전체에 대해서, 배터리 뱅크의 위치별로, 상기 복수의 내부 저항의 정규성을 검증할 수 있다.

본 발명은, 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 정확하게 측정할 수 있도록 구현된 내부 저항 평가 장치 및 내부 저항 평가 장치로부터 도출된 정보를 이용한 배터리 시스템을 제공한다.

도 1은 일 실시예에 따른 내부 저항 평가 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 복수의 배터리 팩의 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항들의 저항 값 분포를 나타낸 확률도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타낸 회로도이다.
도 4는 내부 저항 값들의 평균값에 대한 Xbar-S 관리도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 207개의 배터리 팩들의 복수의 배터리 뱅크들에 대한 표준 편차와 표준 편차를 중간값으로 나눈 결과(표준 편차/중간값)이다.
도 6는 내부 저항 값이 높은 제8 위치의 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들을 보정했을 때, 207개의 배터리 팩들의 복수의 배터리 뱅크들에 대한 표준 편차와 표준 편차를 중간값으로 나눈 결과이다.
도 7은 도 5에 도시된 표준 편차/중간값 결과에 기초한 공정 능력 분석 결과이다.
도 8은 도 6에 도시된 표준 편차/중간값 결과에 기초한 공정 능력 분석 결과이다.
도 9는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타낸 도면이다.

본 발명은 복수의 배터리 셀이 전기적으로 연결된 배터리 팩을 복수 개 포함하는 배터리 시스템에 관한 것일 수 있다. 각 배터리 팩은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하거나, 병렬 연결된 적어도 두 개의 배터리 셀로 구성된 배터리 뱅크 복수 개를 포함할 수 있다.

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.

동일한 구조를 가지는 복수의 배터리 팩에서, 특정 배터리 셀이나 특정 배터리 뱅크에 대한 다른 배터리 셀들이나 다른 배터리 뱅크에 비해 그 내부 저항이 높을 수 있다. 각 배터리 팩에서 각 배터리 셀 또는 뱅크의 위치에 따라, 각 배터리 셀 또는 뱅크에 연결된 버스바, 배선 등과 같은 연결 부재의 종류, 개수, 형상 등이 달라질 수 있다. 연결 부재에 의한 접촉 저항, 연결 저항 등이 발생할 수 있고, 이하 이를 기구적 저항이라 한다. 복수의 배터리 뱅크의 복수의 내부 저항 중 기구적 저항의 영향을 상대적으로 많이 받은 내부 저항은 상대적으로 적게 받은 내부 저항과 비교해 그 저항 값이 클 수 있다.

일 실시예에 따른 정규성 검증 방법은, 복수의 배터리 팩에 있어서, 위치별 복수의 배터리 셀 또는 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항의 분포를 도출하는 단계, 도출된 전체 위치에 대한 내부 저항의 분포를 비교하는 단계, 및 비교 결과에 기초하여 전체 위치 중 내부 저항 분포가 다른 내부 저항들의 분포에 기초하여 정의되는 정상 범위를 벗어난 위치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 배터리 시스템은 정규성 검증 방법에 의해 획득된 위치에 대응하는 배터리 셀 또는 배터리 뱅크에 대한 내부 저항을 결정할 때, 배터리 셀 전압 및 전류 또는 배터리 뱅크 전압 및 전류를 이용하여 산출한 내부 저항을 보상할 수 있다.

이하, 설명에서는 배터리 팩이 직렬 연결된 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 구조에서, 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들을 분석하여, 기구적 저항의 영향을 줄일 수 있는 내부 저항 값 보정 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 제공하고자 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 내부 저항 평가 장치를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 내부 저항 평가 장치(500)는 정규성 검증부(510), 관리도 분석부(520), 및 내부 저항 분석부(530)를 포함한다.

도 2는 복수의 배터리 팩의 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항들의 저항 값 분포를 나타낸 확률도이다.

도 3은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타낸 회로도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 직렬 연결된 14개의 배터리 뱅크(1_1~1_14)를 포함할 수 있다. 14개의 배터리 뱅크(1_1~1_14) 각각은 병렬 연결된 두 개의 배터리 셀(CELL1, CELL2)을 포함한다. 배터리 팩(1)의 양극단(BP+)과 음극단(BP-) 사이에 14개의 배터리 뱅크(1_1~1_14)가 직렬 연결되어 있다. 도 2에서는 배터리 팩(1)이 14개의 배터리 뱅크를 포함하고, 각 배터리 뱅크가 두 개의 배터리 셀을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 배터리 팩을 구성하는 배터리 뱅크의 개수는 14개와 다를 수 있고, 각 배터리 뱅크는 병렬 연결된 세 개 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다.

도 2의 확률도는, 총 207개의 배터리 팩들의 14개의 배터리 뱅크에 대한 내부 저항 값들(DCIR1-DCIR14)에 대한 데이터(이하, 입력 데이터)가 이용되었다. 입력 데이터는 직접 측정되거나, 각 배터리 뱅크의 전압 변화량을 각 배터리 뱅크에 흐르는 전류로 나누어 산출될 수 있다. 14개의 배터리 뱅크 각각은 해당 위치에 따라 구분될 수 있다. 위치는 배터리 팩 내에서 양극단과 음극단 사이에 직렬 연결된 복수의 배터리 뱅크 각각의 상대적인 위치를 의미한다. 예를 들어, 배터리 팩(1)에서 양극단(BP+)으로부터 음극단(BP-)으로 향하는 방향을 따라 제1 내지 제14 위치가 정의될 수 있고, 반대로 음극단(BP-)으로부터 양극단(BP+)으로 향하는 방향을 따라 제1 내지 제14 위치가 정의될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 총 207개의 배터리 팩들에 대한 14개의 배터리 뱅크의 14개의 내부 저항의 저항 값이 DCIR1-DCIR14로 표시되어 있다. 도 2의 가로축은 내부 저항 값이고, 세로축은 207개의 배터리 팩들에서 동일한 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 가지는 배터리 뱅크의 개수에 기초한 확률이다. 예를 들어, 제1 위치의 배터리 뱅크(예를 들어, 1_1)의 DCIR1이 소정의 특정 값 RA[Ω]일 때 확률이 PA%이면, 총 207개의 배터리 팩의 제1 위치 배터리 뱅크들(도 1의 1_1) 중 내부 저항 값이 RA[Ω]인 배터리 뱅크의 개수는 207*PA/100일 수 있다.

정규성 검증부(510)는 입력 데이터에 대한 정규성을 검증할 수 있다. 구체적으로, 정규성 검증부(510)는 내부 저항 값들(DCIR1-DCIR14)에 대한 P 값을 산출하고, 산출된 P 값이 소정의 기준치 이하인지 판단한 결과에 기초하여 정규성을 검증할 수 있다. 일 실시예에 따른 도 3에 도시된 207개의 배터리 팩에서 14개의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들(DCIR1-DCIR14)에 대한 모든 P 값이 0.05 이하이다. 따라서, 207개의 배터리 팩에서 14 개의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들은 정규함을 알 수 있다. 정규성의 검증이 완료되면, 207개의 배터리 팩에서 14 개의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들에 대한 관리도가 분석될 수 있다. 정규성 검증부(510)는 입력 데이터에 대한 정규성 검증을 완료하면 이를 관리도 분석부(520)에 전달할 수 있다.

관리도 분석부(520)는 표 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 배터리 팩에 대해서 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들에 대한 통계 값들을 산출할 수 있다. 통계 값들은, 평균값(Avg), 중간값(med), 최소값(min), 최대값(max), 표준 편차(std), 및 표준 편차/중간값(std/med)을 포함한다.

[표 1]

관리도 분석부(520)는 표 1에 나타낸 바와 같이, 내부 저항들의 저항 값(DCIR1-DCIR14)중 DCIR8의 저항 값이 다른 DCIR의 저항 값보다 높게 나타남을 도출할 수 있다. 예를 들어, 207개의 배터리 팩에서, 제8 위치의 배터리 뱅크(예를 들어, 도 3의 1_8)들의 내부 저항 값들(DCIR8)의 평균값(Avg), 중간값(med), 최소값(min), 및 최대값(max)은 다른 위치의 배터리 뱅크들(예를 들어, 도 2의 1_1~1_7, 1_9~1_14)의 내부 저항 값들(DCIR1-7 및 DCIR9-14)의 평균값(Avg), 중간값(med), 최소값(min), 및 최대값(max) 보다 높다. 관리도 분석부(520)는 제8 위치의 배터리 뱅크가 다른 배터리 뱅크들에 비해 통계값이 높은 점을 내부 저항 분석부(530)에 전달할 수 있다.

도 4는 내부 저항 값들의 평균값에 대한 Xbar-S 관리도를 나타내는 그래프이다.

도 4에서는, 207개의 배터리 팩들에 대해서 14개의 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들에 대한 평균이 도시되어 있다. 도 4에서 x축은 14개 배터리 뱅크 각각의 배터리 뱅크의 위치를 나타내는 것으로 x축 값은 제1 위치부터 제14 위치까지이고, y축은 14개의 배터리 뱅크 각각의 내부 저항 값들(DCIR1-14)에 대한 평균을 나타내는 것으로 y 축 값은 내부 저항의 저항 값이다. 관리도 분석부(520)는 도 4에 도시된 바와 같이, 다른 DCIR에 비해 DCIR8의 평균이 높고, 관리도의 상한(UCL)을 벗어난 것을 도출할 수 있다.

내부 저항 분석부(530)는 표 2와 같이, 207개의 배터리 팩들에서 전체 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들에 대한 평균값(Avg), 중간값(med), 최소값(min), 최대값(max), 표준 편차(std), 및 표준 편차/중간값(std/med)을 산출할 수 있다.

[표 2]

내부 저항 분석부(530)는 표 3과 같이, 207개의 배터리 팩들 각각에서의 14개 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들에 대한 평균값(Avg), 중간값(med), 최소값(min), 및 최대값(max) 각각에 대한 평균값(Avg), 중간값(med), 최소값(min), 및 최대값(max), 표준 편차(std), 및 표준 편차/중간값(std/med)을 산출할 수 있다.

[표 3]

내부 저항 분석부(530)는 하나의 배터리 팩을 구성하는 14개의 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들에 대한 평균값(이하, 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값)을 산출하는 동작을 207개의 배터리 팩들에 대해서 모두 수행할 수 있다. 그러면, 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들이 산출되는데, 위 표 3에서 세로축의 “Avg”에 의해 정의되는 행은, 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들에 대한 통계 값들이다. 즉, “3.856”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들의 평균값(Avg)이고, “3.842”는 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들 중 중간값(med)이며, “3.798”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들의 최소값(min)이며, “4.078”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들의 최대값(max)이고, “0.066”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들의 표준 편차(std)이며, “0.017”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들의 표준 편차(std)를 중간값(med)로 나눈 값(std/med)이다.

내부 저항 분석부(530)는 하나의 배터리 팩을 구성하는 14개의 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들에 대한 중간값(이하, 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값)을 산출하는 동작을 207개의 배터리 팩들에 대해서 모두 수행할 수 있다. 그러면, 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값들이 산출되는데, 위 표 3에서 세로축의 “med”에 의해 정의되는 행은, 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값들에 대한 통계 값들이다. 즉, “3.859”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값들의 평균값(Avg)이고, “3.840”는 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값들 중 중간값(med)이며, “3.805”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들의 최소값(min)이며, “4.081”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값들의 최대값(max)이고, “0.066”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값들의 표준 편차(std)이며, “0.017”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값들의 표준 편차(std)를 중간값(med)로 나눈 값(std/med)이다.

내부 저항 분석부(530)는 하나의 배터리 팩을 구성하는 14개의 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들에 대한 최소값(이하, 팩 단위 뱅크 내부 저항 최소값)을 산출하는 동작을 207개의 배터리 팩들에 대해서 모두 수행할 수 있다. 그러면, 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최소값들이 산출되는데, 위 표 3에서 세로축의 “min”에 의해 정의되는 행은, 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최소값들에 대한 통계 값들이다. 즉, “3.590”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값들의 평균값(Avg)이고, “3.580”는 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최소값들 중 중간값(med)이며, “3.540”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들의 최소값(min)이며, “3.793”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최소값들의 최대값(max)이고, “0.042”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최소값들의 표준 편차(std)이며, “0.011”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최소값들의 표준 편차(std)를 중간값(med)로 나눈 값(std/med)이다.

내부 저항 분석부(530)는 하나의 배터리 팩을 구성하는 14개의 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들에 대한 최대값(이하, 팩 단위 뱅크 내부 저항 최대값)을 산출하는 동작을 207개의 배터리 팩들에 대해서 모두 수행할 수 있다. 그러면, 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최대값들이 산출되는데, 위 표 3에서 세로축의 “max”에 의해 정의되는 행은, 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최대값들에 대한 통계 값들이다. 즉, “4.122”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최대값들의 평균값(Avg)이고, “4.115”는 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최대값들 중 중간값(med)이며, “4.023”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균값들의 최소값(min)이며, “4.334”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최대값들의 최대값(max)이고, “0.089”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최대값들의 표준 편차(std)이며, “0.024”은 207개의 팩 단위 뱅크 내부 저항 최대값들의 표준 편차(std)를 중간값(med)로 나눈 값(std/med)이다.

내부 저항 분석부(530)는 하나의 배터리 팩의 제8 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 해당 배터리 팩을 구성하는 14개의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들 중 중간값으로 나누어 팩 단위 뱅크 내부 저항 중간값에 대한 제8 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값의 비율(이하, 저항비 값)을 산출하는 동작을 207개의 배터리 팩들에 대해서 모두 수행할 수 있다. 그러면, 207개의 저항비 값들이 산출되는데, 표 4는 207개의 저항비 값들에 대한 평균값, 중간값, 최소갑, 최대값, 표준편차, 표준편차/중간값을 나타낸 표이다.

[표 4]

표 4에 도시된 바와 같이, 207개의 배터리 팩들에서 제8 위치의 배터리 뱅크들의 저항비 값의 평균값은 1.062로, 중간값에 비해 6.2%높게 측정되었다. 표 3에서 팩 단위 뱅크 내부 저항 평균의 표준편차/중간값(std/med)이 1.7%이므로, 207개의 배터리 팩들에서 배터리 뱅크들의 표준 산포의 평균이 1.7%인 것으로 해석될 수 있다. 따라서, 제8 위치의 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들이 다른 위치의 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들에 비해 높게 나타남을 알 수 있다. 이는 제8 위치의 배터리 뱅크들의 내부 저항이 다른 위치의 배터리 뱅크들에 비해서 기구적 저항에 의한 영향이 더 크다고 해석될 수 있다. 이 경우, 내부 저항 분석부(530)는 제8 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값에 대한 보정 정도를 6.2%로 결정할 수 있다. 그러면, 제8 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 보정하기 위해서 93.8%(100%-6.2%)가 내부 저항 값에 곱해질 수 있다.

도 5는 207개의 배터리 팩들의 복수의 배터리 뱅크들에 대한 표준 편차와 표준 편차를 중간값으로 나눈 결과(표준 편차/중간값)이다.

도 6는 내부 저항 값이 높은 제8 위치의 배터리 뱅크들의 내부 저항 값들을 보정했을 때, 207개의 배터리 팩들의 복수의 배터리 뱅크들에 대한 표준 편차와 표준 편차를 중간값으로 나눈 결과이다.

도 5 및 도 6의 비교를 통해 알 수 있듯이, 207개의 배터리 팩들에서의 복수의 배터리 뱅크에 대한 표준편차와 산포 평균이 기존 대비 65% 만큼 감소하는 것을 알 수 있다.

도 7은 도 5에 도시된 표준 편차/중간값 결과에 기초한 공정 능력 분석 결과이다.

도 8은 도 6에 도시된 표준 편차/중간값 결과에 기초한 공정 능력 분석 결과이다.

도 7에서는 207개의 배터리 뱅크들에 대한 표준 편차/중간값들이 대부분 규격 상한인 0.01 보다 높은 것이 보여진다.

이와 달리, 도 8에서는 207개의 배터리 뱅크들에 대한 표준 편차/중간값들이 대부분 규격 상한인 0.01 보다 낮을 것이 보여진다.

아울러, 도 7 및 도 8에 표시된 공정 능력 분석 결과에서 알 수 있듯이, 공정 능력 역시 향상된 것이 보여진다.

이와 같이 다른 배터리 뱅크 보다 높은 내부 저항 값을 가지는 배터리 뱅크를 도출하고, 해당 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 보정함으로써 보다 정확한 내부 저항 값을 결정할 수 있다. 이하, 이를 이용한 배터리 시스템에 관해서 설명한다. 실시예에 따른 배터리 시스템은 내부 저항 값이 높은 특정 배터리 뱅크에 대한 정보를 이용하여 특정 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항을 결정하는데 있어, 산출된 내부 저항 값에서 기구적 저항에 의한 영향을 제거할 수 있다.

도 9는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.

도 9에서는, 배터리 시스템(2)은 복수의 배터리 팩(10_1~10_n, n은 2 이상의 자연수) 및 배터리 관리 시스템(20)을 포함한다. 배터리 관리 시스템(20)은 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)의 각 배터리 팩에 연결되어 있는 복수의 모니터링 IC(30_1~30_n) 및 메인 제어 IC(40)를 포함할 수 있다. 배터리 시스템(2)은 출력단(P+)과 배터리 팩(10_1)의 양극 사이에 연결되어 있는 제1 메인 릴레이(51) 및 출력단(P-)과 배터리 팩(10_n)의 음극 사이에 연결되어 있는 제2 메인 릴레이(52)를 더 포함할 수 있다.

제1 메인 릴레이(51) 및 제2 메인 릴레이(52)는 배터리 관리 시스템(20)의 제어에 의해 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 메인 제어 IC(40)는 제1 및 제2 메인 릴레이(51, 52)의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 신호(SC1, SC2)를 생성하여 제1 및 제2 메인 릴레이(51, 52)에 공급할 수 있다. 도 1에서는 두 개의 메인 릴레이가 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리 시스템(1)은 두 개의 메인 릴레이 중 하나에 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항이 병렬 연결될 수 있다. 또는, 배터리 시스템(1)은 두 개의 메인 릴레이 중 하나만 포함할 수 있다.

두 출력단(P+) 및 출력단(P-) 사이에는 외부 장치(2)가 연결될 수 있다. 외부 장치(2)는 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)의 방전에 의해 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)으로부터 공급되는 전력을 외부 부하(예를 들어, 전기차에 구동력을 제공하는 모터)에 제공하거나, 외부 상용 전원으로부터 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)을 충전하기 위한 전력을 공급하는 충전기일 수 있다.

도 10은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타낸 도면이다.

도 10에서는 복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 중 하나인 배터리 팩(10_i)이 도시되어 있다. i는 1부터 n까지의 자연수 중 하나일 수 있다.

복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 각각은, 직렬 연결된 복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m, m은 2이상의 자연수)를 포함한다. 복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m) 각각은 병렬 연결된 두 개의 배터리 셀(예를 들어, 101, 102)을 포함한다. 도 1에서는 복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m) 각각을 구성하는 배터리 셀의 개수가 두 개인 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않는다. 복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m) 각각은 병렬 연결된 세 개 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 중 나머지 배터리 팩들도 도 2에 도시된 배터리 팩(10_i)과 동일하게 구현될 수 있다.

배터리 관리 시스템(20)은 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)에 연결되어 소정의 모니터링 주기마다 복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 각각에 대한 복수의 배터리 뱅크 각각의 전압인 뱅크 전압을 측정할 수 있다.

복수의 모니터링 IC(30_1~30_n) 각각은 대응하는 배터리 팩의 복수의 배터리 뱅크의 각 배터리 뱅크의 양단에 연결되어 있고, 각 배터리 뱅크의 뱅크 전압을 측정할 수 있다. 복수의 모니터링 IC(30_1~30_n) 각각은 측정한 복수의 뱅크 전압을 메인 제어 IC(40)에 전송할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 모니터링 IC(30_i)는 배터리 팩(10_i)의 복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m) 각각의 양단에 연결되어 있다. 복수의 모니터링 IC(30_1~30_n) 각각은 대응하는 배터리 팩의 복수의 배터리 뱅크 각각의 양극과 음극 각각의 전압을 입력받고, 양극 전압 및 음극 전압 간의 차에 기초하여 각 배터리 뱅크의 뱅크 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 모니터링 IC(30_i)는 복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m)의 복수의 뱅크 전압(BV1~BVm)을 메인 제어 IC(40)에 전송할 수 있다.

배터리 관리 시스템(20)은 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)의 전류(이하, 배터리 팩 전류) 및 온도(이하, 배터리 팩 온도)에 대한 정보를 획득할 수 있다.

전류 센서(60)는 배터리 팩 전류(IB)를 측정하고, 측정한 배터리 팩 전류에 대한 정보(IS)를 메인 제어 IC(40)에 전송할 수 있다. 메인 제어 IC(40)는 각 뱅크를 포함하고 있는 배터리 팩의 온도에 기초하여 각 뱅크의 온도를 결정할 수 있다.

복수의 온도 센서(70_1~70_n) 각각은, 각 온도 센서가 위치하는 배터리 팩의 온도를 측정하고, 각 배터리 팩의 온도에 대한 정보(TS1~TSn)를 메인 제어 IC(40)에 전송할 수 있다.

배터리 관리 시스템(20)은 복수의 뱅크 전압에 기초하여 복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 각각의 복수의 배터리 뱅크에 대한 셀 밸런싱을 제어 및 수행할 수 있다. 배터리 관리 시스템(20)은 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)의 복수의 뱅크 전압, 측정된 복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 각각에 대한 정보(배터리 팩 전류, 배터리 팩 온도 등)에 기초하여 복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 각각에 대한 SOC(State of Charge), SOH(State of Health), SOP(State of Power) 등을 추정할 수 있다.

배터리 관리 시스템(20)은 복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 각각에 대하여, 각 배터리 팩의 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항(DCIR) 값을 산출하고, 특정 배터리 뱅크의 내부 저항 값에 대해서는 보정을 수행할 수 있다.

예를 들어, 메인 제어 IC(40)는 도 2에 도시된 복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m) 각각의 뱅크 전압의 전압 변화 및 각 뱅크에 흐르는 전류를 이용하여 각 뱅크의 내부 저항 값을 산출할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)이 직렬 연결되어 있으므로, 각 뱅크에 흐르는 전류는 배터리 팩 전류(IB)와 동일할 수 있다. 각 뱅크 전압의 전압 변화는 배터리 팩(10_i)에 대한 충전 또는 방전에 의한 전압 변화일 수 있다. 메인 제어 IC(40)는 충전의 시작 시점으로부터 소정 기간 경과 후의 배터리 뱅크의 전압(이하, 충전 후 배터리 뱅크 전압)을 측정하고, 충전 전 배터리 뱅크 전압과 충전 후 배터리 뱅크 전압 간의 전압 차를 충전 기간 동안의 배터리 뱅크 전류로 나눈 결과에 기초하여 내부 저항 값을 산출할 수 있다. 또는, 메인 제어 IC(40)는 방전이 종료된 후 소정 기간 경과 후의 배터리 뱅크 전압(이하, 방전 후 배터리 뱅크 전압)을 측정하고, 방전 중 배터리 뱅크 전압의 최저 전압과 방전 후 배터리 뱅크 전압 간의 전압 차를 방전 기간 동안의 배터리 뱅크 전류로 나눈 결과에 기초하여 내부 저항 값을 산출할 수 있다. 이때, 충전 및 방전은 일정한 충전 전류 및 방전 전류에 의해 수행될 수 있다. 또한, 메인 제어 IC(40)는 각 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 결정하는데 있어, 각 뱅크의 온도 또는 충방전시의 C-rate에 의한 영향을 고려할 수 있다.

복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m) 각각의 내부 저항을 산출하는 방법은 앞서 설명한 것에 한정되지 않고, 공지된 배터리 셀의 내부 저항을 산출하는 방식으로부터 도출될 수 있다. 예를 들어, 메인 제어 IC(40)는 복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m) 각각을 구성하는 각 배터리 셀(예를 들어, 101, 102)의 내부 저항 값을 공지된 방식으로 산출한 후, 산출된 두 개의 내부 저항에 대한 병렬 저항을 산출하여 각 배터리 뱅크의 내부 조항을 산출할 수 있다.

메인 제어 IC(40)는 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)에 대해서 특정 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 보정한다. 특정 위치의 배터리 뱅크(이하, 고저항 배터리 뱅크)는, 앞서 설명한 방식으로 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)에서 내부 저항 값이 기구적 저항의 영향으로 다른 배터리 뱅크의 내부 저항 값보다 높게 나타나는 배터리 뱅크를 의미한다. 복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 각각에서 고저항 배터리 뱅크의 개수는 하나 이상일 수 있다. “고저항 배터리 뱅크”는 실제 해당 배터리 뱅크의 내부 저항이 높다는 것을 의미하는 것이 아니고, 해당 배터리 뱅크의 내부 저항 값이 기구적 저항의 영향에 의해 실제 내부 저항 값보다 높게 측정되는 것을 의미할 수 있다.

메인 제어 IC(40)는 복수의 배터리 뱅크(100_1~100_m)에 대한 복수의 내부 저항 값을 산출하고, 고저항 배터리 뱅크의 내부 저항 값에 대해서는 보정을 수행할 수 있다. 메인 제어 IC(40)는 고저항 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 보정하기 위해 필요한 데이터를 저장하고, 복수의 배터리 팩(10_1~10_n)에 대해서 고저항 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 산출하고, 산출한 내부 저항 값에 대한 보정을 수행할 수 있다. 고저항 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 보정하기 위해 필요한 데이터는, 산출한 내부 저항 값을 입력받아 내부 저항 값을 보정하는 보정 함수 및 보정 함수를 구성하는 파라미터들에 관한 데이터를 포함할 수 있다. 파라미터들은 고저항 배터리 뱅크의 (내부저항 값/중간값)에 기초하여 결정될 수 있다.

예를 들어, 앞서 설명한 207개의 배터리 팩들에서 제8 위치의 배터리 뱅크들의 저항비 값의 평균값은 1.062로, 중간값에 비해 6.2%높게 측정되었다. 이 경우, 보정 함수는 산출된 내부 저항 값에 소정의 보정 비율을 곱하는 것이고, 보정 함수의 파라미터인 보정 비율은 100%에서 6.2%를 차감한 값(93.8%)으로 결정될 수 있다. 메인 제어 IC(40)는 고저항 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 산출하고, 산출된 내부 저항 값에 93.8%를 곱하여 내부 저항 값을 보상할 수 있다.

메인 제어 IC(40)는 복수의 배터리 팩(10_1~10_n) 각각의 복수의 배터리 뱅크에 대한 내부 저항 값들에 기초하여 배터리 뱅크의 이상 여부를 진단할 수 있다. 예를 들어, 메인 제어 IC(40)는 복수의 배터리 뱅크에 대한 내부 저항 값들 중 소정의 임계치 보다 높은 저항 값을 가지는 배터리 뱅크는 이상이 있는 것으로 진단할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

1, 2: 배터리 시스템
3: 외부 장치
10_1~10_n: 배터리 팩
20: 배터리 관리 시스템
30_1~30_n: 모니터링 IC
40: 메인 제어 IC
1_1~1_14, 100_1~100_m: 배터리 뱅크
51: 제1 메인 릴레이
52: 제2 메인 릴레이
60: 전류 센서
70_1~70_n: 온도 센서

Claims (11)

1. 복수의 배터리 뱅크를 포함하는 배터리 팩 복수 개; 및
   상기 복수의 배터리 팩 각각에서, 상기 복수의 배터리 뱅크의 복수의 내부 저항(DCIR) 값을 산출하고, 상기 각 배터리 팩에서 소정의 제1 위치의 배터리 뱅크에 대한 제1 내부 저항 값에 대한 보정을 수행하며, 상기 보정된 제1 내부 저항 값에 기초하여 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 이상 여부를 진단하는, 배터리 관리 시스템을 포함하고,
   상기 복수의 배터리 뱅크 각각은 병렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하고, 상기 제1 위치는, 상기 복수의 배터리 팩 각각에서 동일한 위치인, 배터리 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 관리 시스템은,
   상기 제1 내부 저항 값에 대한 1미만의 소정 비율을 곱하여 상기 제1 내부 저항 값을 보정하는, 배터리 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 소정 비율은,
   각 배터리 팩에서, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 상기 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들 중 중간값으로 나눈 결과에 기초하여 결정되는, 배터리 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 배터리 팩에 연결되어 상기 복수의 배터리 뱅크의 복수의 배터리 뱅크 전압을 측정하는 복수의 모니터링 IC; 및
   상기 복수의 배터리 팩 각각에 대해서, 상기 복수의 배터리 뱅크 전압 및 상기 각 배터리 뱅크에 흐르는 전류에 기초하여 상기 각 배터리 뱅크의 상기 복수의 배터리 뱅크의 복수의 내부 저항 값을 산출하고, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 소정 비율에 기초하여 보정하는 메인 제어 IC를 포함하는, 배터리 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 메인 제어 IC는,
   상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값에 상기 소정 비율을 곱하여 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 보정하고,
   상기 소정 비율은 1보다 작은, 배터리 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 소정 비율은,
   각 배터리 팩에서, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값을 상기 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들 중 중간값으로 나눈 결과에 기초하여 결정되는, 배터리 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   각 배터리 팩에서, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항이 상기 각 배터리 팩의 다른 위치의 배터리 뱅크들에 비해 기구적 저항의 영향을 더 받은, 배터리 시스템.
8. 복수의 배터리 팩에 대해서, 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 복수의 내부 저항 값에 대해서 정규성을 검증하는 정규성 검증부;
   상기 복수의 배터리 팩 전체에 대해서, 상기 복수의 내부 저항 값을 상기 복수의 배터리 뱅크 위치 별로 정상 범위를 벗어난 것으로 판단되는 배터리 뱅크의 제1 위치를 결정하는 관리도 분석부; 및
   상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항 값 및 상기 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항 값들에 기초하여 보정 정도를 결정하는 내부 저항 분석부를 포함하는, 내부 저항 평가 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 내부 저항 분석부는,
   상기 복수의 배터리 팩 각각에 대해서, 상기 제1 위치의 배터리 뱅크의 내부 저항을 각 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 뱅크의 내부 저항들의 중간값으로 나눈 제1 값을 산출하며, 상기 복수의 배터리 팩 전체에 대해서, 복수의 제1 값들의 평균에 기초하여 상기 보정 정도를 결정하는, 내부 저항 평가 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 내부 저항 분석부는,
    상기 복수의 제1 값들의 평균에서 1을 차감한 값을 상기 보정 정도로 결정하는, 내부 저항 평가 장치.
11. 제9항에 있어서,
    상기 정규성 검증부는,
    상기 복수의 배터리 팩 전체에 대해서, 배터리 뱅크의 위치별로, 상기 복수의 내부 저항의 정규성을 검증하는, 내부 저항 평가 장치.