KR20230171596A - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치는 배터리가 충전되는 과정에서 상기 배터리의 전압 값을 소정의 주기마다 측정하도록 구성된 측정부; 및 측정된 배터리의 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 저항 값을 산출하고, 산출된 복수의 저항 값과 미리 설정된 기준 프로파일을 비교하여 저항 변화 패턴을 결정하며, 결정된 저항 변화 패턴에 기반하여 상기 배터리의 상태를 결정하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 배터리 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 상태를 진단하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 배터리는 고용량화 및 고밀도화 측면에서 많은 연구가 진행되고 있지만 수명과 안전성 향상 측면도 중요하다. 이를 위해서는 전극 표면에서 전해액과의 분해 반응 억제가 필요하고, 과충전 및 과방전을 방지하는 것이 요구된다.
특히, 배터리의 제조 과정에서 양극과 음극의 배열이 어긋나는 오버행(overhang)이 발생할 수 있고, 오버행은 음극 표면에 리튬이 석출되는 현상(리튬 플레이팅, Li-plating)의 원인 중 하나가 될 수 있다. 음극 표면에 리튬이 석출되면 전해액과의 부반응 및 배터리의 운동역학적 균형(kinetic balance) 변경 등을 초래하여 배터리 퇴화의 원인이 된다. 또한, 음극 표면에 리튬 금속이 석출됨에 따라 배터리의 내부 단락이 발생될 수 있기 때문에, 내부 단락에 의한 발화 및 폭발 등의 위험이 있다.
따라서, 오버행 발생 여부 및/또는 발생 정도를 고려하여 배터리의 상태를 진단할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 오버행을 갖는 배터리의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치는 배터리가 충전되는 과정에서 상기 배터리의 전압 값을 소정의 주기마다 측정하도록 구성된 측정부; 및 측정된 배터리의 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 저항 값을 산출하고, 산출된 복수의 저항 값과 미리 설정된 기준 프로파일을 비교하여 저항 변화 패턴을 결정하며, 결정된 저항 변화 패턴에 기반하여 상기 배터리의 상태를 결정하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기준 프로파일은, 상기 소정의 주기마다 기준 배터리의 충전 과정에서 산출된 복수의 저항 값의 변화를 나타내는 프로파일인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 산출된 복수의 저항 값의 변화를 나타내는 저항 프로파일을 생성하고, 생성된 저항 프로파일과 상기 기준 프로파일을 비교하여 상기 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴 또는 제2 저항 변화 패턴으로 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 저항 프로파일에서 제1 기울기를 산출하고, 상기 기준 프로파일에서 제2 기울기를 산출하며, 상기 제1 기울기와 상기 제2 기울기를 비교한 결과에 따라 상기 저항 변화 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 저항 프로파일 상에서 충전 종료 시점의 제1 기울기가 상기 기준 프로파일 상의 충전 종료 시점의 제2 기울기 미만인 경우, 상기 저항 변화 패턴을 상기 제1 저항 변화 패턴으로 결정하고, 상기 제1 기울기가 상기 제2 기울기 이상인 경우, 상기 저항 변화 패턴을 상기 제2 저항 변화 패턴으로 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 저항 프로파일 상의 충전 종료 시점에 대응하는 제1 지점 및 상기 제1 지점과 상이한 제2 지점을 기준으로 한 제1 기울기가, 상기 기준 프로파일 상의 상기 제1 지점에 대응하는 제3 지점 및 상기 제2 지점에 대응하는 제4 지점을 기준으로 한 제2 기울기 미만인 경우, 상기 저항 변화 패턴을 상기 제1 저항 변화 패턴으로 결정하고, 상기 제1 기울기가 상기 제2 기울기 이상인 경우, 상기 저항 변화 패턴을 상기 제2 저항 변화 패턴으로 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 배터리가 충전되는 과정에서 상기 배터리의 SOC와 상기 산출된 저항 값 간의 대응 관계를 나타내는 SOC-저항 프로파일을 생성하고, 상기 SOC-저항 프로파일에서 소정의 SOC에 대응되는 타겟 저항 값을 결정하며, 상기 저항 프로파일에서 상기 타겟 저항 값에 대응되는 지점을 상기 제2 지점으로 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 기준 프로파일에 대응된 기준 SOC-저항 프로파일에서 상기 소정의 SOC에 대응되는 참조 저항 값을 결정하고, 상기 기준 프로파일에서 상기 참조 저항 값에 대응되는 지점을 상기 제4 지점으로 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 배터리의 SOC와 상기 배터리의 전압 값에 대응되는 미분 프로파일에서 소정의 SOC 구간에 속하는 피크를 결정하고, 결정된 피크에 대응되는 SOC를 상기 소정의 SOC로 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 저항 변화 패턴이 상기 제1 저항 변화 패턴인 경우, 상기 배터리의 상태를 불량 상태라고 판단하고, 상기 저항 변화 패턴이 상기 제2 저항 변화 패턴인 경우, 상기 배터리의 상태를 정상 상태라고 판단하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 소정의 주기마다 반복적으로 상기 배터리의 충전 전류 값을 변화시키며 상기 배터리가 충전되도록 하고, 상기 배터리의 충전 전류 값이 소정의 값에 대응하는 동안의 전압 값의 변화에 기반하여 상기 저항 값을 산출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 도 다른 측면에 따른 배터리 진단 방법은, 배터리가 충전되는 과정에서 상기 배터리의 전압 값을 소정의 주기마다 측정하는 전압 값 측정 단계; 측정된 배터리의 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 저항 값을 산출하는 저항 값 산출 단계; 산출된 복수의 저항 값과 미리 설정된 기준 프로파일을 비교하여 저항 변화 패턴을 결정하는 저항 변화 패턴 결정 단계; 및 결정된 저항 변화 패턴에 기반하여 상기 배터리의 상태를 결정하는 배터리 상태 결정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제조 과정에 발생한 오버행으로 인해 리튬이 석출된 불량 배터리를 진단할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 충전 과정에서 획득된 저항 값의 변화 패턴만으로도 오버행에 의하여 리튬이 석출된 불량 배터리를 신속하게 판단할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 배터리의 충전 과정에서 배터리에 인가되는 충전 전류의 일 예시이다.
도 3은 기준 배터리가 충전되는 과정에서 기준 배터리의 전압 값을 나타내는 기준 전압 프로파일 및 기준 배터리의 저항 값을 나타내는 기준 프로파일의 일 예시이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서가 저항 프로파일을 이용하여 저항 변화 패턴을 결정하는 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 프로세서가 저항 프로파일을 이용하여 저항 변화 패턴을 결정하는 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC-저항 프로파일 및 기준 SOC-저항 프로파일의 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 7은 배터리의 SOC와 전압에 기반한, 미분 전압과 SOC 간의 대응관계를 나타내는 미분 프로파일의 일 예시이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩을 예시적으로 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 자동차를 예시적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 배터리의 충전 과정에서 배터리에 인가되는 충전 전류의 일 예시이다.
도 3은 기준 배터리가 충전되는 과정에서 기준 배터리의 전압 값을 나타내는 기준 전압 프로파일 및 기준 배터리의 저항 값을 나타내는 기준 프로파일의 일 예시이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서가 저항 프로파일을 이용하여 저항 변화 패턴을 결정하는 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 프로세서가 저항 프로파일을 이용하여 저항 변화 패턴을 결정하는 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC-저항 프로파일 및 기준 SOC-저항 프로파일의 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 7은 배터리의 SOC와 전압에 기반한, 미분 전압과 SOC 간의 대응관계를 나타내는 미분 프로파일의 일 예시이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩을 예시적으로 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 자동차를 예시적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 진단 장치(100)는 측정부(110), 프로세서(120) 및 메모리(130)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 배터리가 충전되는 과정에서 배터리의 전압 값을 소정의 주기마다 측정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리로 간주될 수 있다. 또한, 배터리는 복수의 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 의미할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.
측정부(110)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 전압 측정 기술을 채용할 수 있다. 예를 들어, 측정부(110)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 전압 센서를 구비할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)가 배터리 팩에 적용되는 경우, 배터리 팩에 이미 구비된 전압 센서를 본 발명에 따른 측정부(110)로 이용할 수도 있다.
측정부(110)는, 프로세서(120)의 제어에 기초하여, 배터리가 충전되는 동안에 소정의 주기마다 배터리의 전압 값을 측정할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는 배터리에 충전 전류가 인가되도록 제어하여 배터리가 충전되도록 할 수 있다. 일 예에서, 프로세서(120)는, 배터리를 충전하기 위하여 인가되는 충전 전류를 펄스 형태로 배터리에 인가되도록 할 수 있다.
프로세서(120)는, 소정의 주기마다 반복적으로 배터리의 충전 전류 값을 변화시키며 배터리가 충전되도록 할 수 있다. 도 2는 배터리의 충전 과정에서 배터리에 인가되는 충전 전류의 일 예시이다. 도 2의 그래프의 x축은 시간이고, y축은 충전 전류의 전류 값이다. 프로세서(120)는 제1 전류 값(I1)으로 배터리를 충전하면서 소정의 주기마다 제2 전류 값(I2)의 펄스 전류가 배터리에 인가되도록 할 수 있다. 즉, 제1 시간(t1) 내지 제2 시간(t2), 제3 시간(t3) 내지 제4 시간(t4), 제5 시간(t5) 내지 제6 시간(t6) 동안에는 제2 전류 값(I2)의 전류가 배터리에 인가되고, 제2 시간(t2) 내지 제3 시간(t3), 제4 시간(t4) 내지 제5 시간(t5)에는 제1 전류 값(I1) 크기의 전류가 배터리에 인가될 수 있다. 여기서, 펄스 전류가 인가되는 소정의 주기는 제1 주기(p1)일 수 있고, 펄스 전류가 인가되는 듀레이션은 제1 시간 간격(d1)일 수 있다. 펄스 전류가 인가되는 듀레이션은 0.1초, 0.5초 또는 1초 등 다양한 값에 대응할 수 있다. 또는, 다양한 실시예에서, 프로세서(120)는 전류가 0인 휴지 시간을 가지도록 충전 전류를 설정할 수도 있다. 예를 들어, 도 2에 도시되지는 않았으나, 제1 시간(t1) 내지 제2 시간(t2), 제3 시간(t3) 내지 제4 시간(t4), 제5 시간(t5) 내지 제6 시간(t6) 동안에는 소정의 크기의 전류가 배터리에 인가되고, 제2 시간(t2) 내지 제3 시간(t3), 제4 시간(t4) 내지 제5 시간(t5)에는 전류 값이 0일 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 휴지 시간이 없이 배터리가 충전되는 것을 예시로 설명한다.
프로세서(120)는 배터리의 충전 전류 값이 소정의 값에 대응하는 동안의 전압 값의 변화에 기반하여 저항 값을 산출할 수 있다. 구체적으로, 측정부(110)는, 소정의 주기마다 펄스 전류가 배터리에 인가될 때, 제2 전류 값(I2)의 전류가 인가되는 시작 시간 및 종료 시간 각각에서 배터리의 전압 값을 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(110)는, 제1 시간(t1)에 배터리의 전압 값을 측정하고, 제2 시간(t2)에 배터리의 전압 값을 측정할 수 있다. 이후에 측정부(110)는, 제3 시간(t3)에 배터리의 전압 값을 다시 측정하고, 제4 시간(t4)에 배터리의 전압 값을 다시 측정하여 소정의 주기(예: 제1 주기(p1)) 마다 배터리의 전압 값을 측정할 수 있다. 측정부(110)는 측정한 전압 값을 프로세서(120)로 전송할 수 있다. 프로세서(120)는, 전압 값의 변화에 기반하여 저항 값을 산출할 수 있다.
프로세서(120)는 측정부(110)에 의해 측정된 배터리의 전압 값을 획득할 수 있다. 프로세서(120)는, 측정된 배터리의 전압 값에 기반하여, 배터리의 저항 값을 산출할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는 배터리가 충전되는 동안에 소정의 주기마다(예: 제1 주기(p1)) 배터리의 저항 값을 산출할 수 있다. 프로세서(120)는 배터리의 전압 차이를 산출하고, 산출된 전압 차이를 충전 전류 값으로 나누어 소정의 주기마다 배터리의 저항 값을 산출할 수 있다.
프로세서(120)는, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 측정된 배터리의 전압 값을 이용하여 배터리의 저항 값을 산출할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는 제1 시간(t1)의 배터리의 전압 값에 대응하는 제1 전압 값과 제2 시간(t2)의 배터리의 전압 값에 대응하는 제2 전압 값의 차이를 산출할 수 있다. 프로세서(120)는, 옴의 법칙(ohm's law, R=△V÷△I)을 이용하여 배터리의 저항 값을 산출할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는, 산출한 전압 값의 차이(예컨대, △V)를 제1 시간(t1) 및 제2 시간(t2) 사이 동안에 인가된 전류량(예컨대, △I= I2×(t2-t1))으로 나누어 저항 값을 산출할 수 있다. 프로세서(120)는, 전술한 방식으로 소정의 주기마다 배터리의 저항 값을 산출하여 복수의 저항 값을 산출할 수 있다. 일 예시로, 프로세서(120)가 산출하는 저항 값은 DCIR(Direct current internal resistance)에 대응할 수 있다.
프로세서(120)는 산출된 복수의 저항 값과 미리 설정된 기준 프로파일을 비교하여 저항 변화 패턴을 결정할 수 있다. 여기서, 기준 프로파일은, 진단의 대상이 되는 배터리와 동일한 종류의 배터리 또는 동일한 특성을 갖도록 설계된 배터리(이하, 기준 배터리)에 대하여 사전에 충전 과정을 거치면서 추출된 저항 값의 변화를 나타내는 프로파일일 수 있다. 기준 프로파일은 메모리(130)에 미리 저장될 수 있다.
도 3은 기준 배터리가 충전되는 과정에서 기준 배터리의 전압 값을 나타내는 기준 전압 프로파일(Vr) 및 기준 배터리의 저항 값을 나타내는 기준 프로파일(Rr)의 일 예시이다. 예컨대, 도 3의 실시예에서, 기준 전압 프로파일(Vr)은 X축이 시간이고, Y축이 전압 값인 X-Y 그래프로 표현될 수 있다. 마찬가지로, 기준 프로파일(Rr)은 X축이 시간이고, Y축이 전압값인 X-Y 그래프로 표현될 수 있다.
기준 프로파일(Rr)은 소정의 주기마다 기준 배터리의 충전 과정에서 산출된 복수의 저항 값의 변화를 나타내는 프로파일일 수 있다. 기준 프로파일(Rr)은 후술하는 프로세서(120)가 진단의 대상이 되는 배터리의 저항 값과 비교할 수 있도록 동일한 조건에서 산출된 기준 배터리의 저항 값을 나타내는 그래프일 수 있다. 예를 들어, 기준 프로파일(Rr)은, 도 2를 참조하여 설명한 방식과 동일하게, 진단 대상이 되는 배터리의 충전 전류의 크기와 동일한 충전 전류의 크기로 기준 배터리를 충전하는 경우에, 측정 시간 및 측정 주기를 동일하게 하여 측정된 기준 배터리의 전압 값들을 이용하여 산출된 저항 값을 나타내는 그래프일 수 있다. 한편, 도 3은 설명의 편의를 위해 기준 전압 프로파일(Vr) 및 기준 프로파일(Rr)을 하나의 평면에 표시하였다.
기준 배터리의 기준 전압 프로파일(Vr)을 참조하면, 기준 배터리가 충전되는 과정에서, 기준 배터리의 전압 값은 충전이 종료되는 시점(tf)까지 점차 상승하는 것을 파악할 수 있다. 기준 배터리의 기준 프로파일(Rr)을 참조하면, 기준 배터리가 충전되는 과정에서, 기준 배터리의 저항 값은 충전 시작부터 충전이 종료되는 시점(tf)까지 점차 감소하는 것을 파악할 수 있다.
프로세서(120)는, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 복수의 저항 값과 전술한 기준 프로파일을 비교하여 저항 변화 패턴을 결정할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는 특정 지점을 기준으로 기준 프로파일의 기울기와 진단 대상이 되는 배터리의 저항 값의 변화를 나타내는 프로파일의 기울기를 비교할 수 있다.
프로세서(120)는, 결정된 저항 변화 패턴에 기반하여 배터리의 상태를 결정할 수 있다.
프로세서(120)는, 저항 변화 패턴이 제1 저항 변화 패턴으로 결정된 경우, 진단의 대상이 되는 배터리의 상태를 불량 상태로 판단할 수 있다. 여기서, 제1 저항 변화 패턴은, 기준 프로파일의 기울기 미만의 기울기를 가지는 패턴일 수 있다. 구체적으로, 배터리에 오버행이 발생하는 경우, 음극에 리튬이 석출되어 충전 과정 말단에서 저항 값이 감소하는 패턴이 나타날 수 있다. 바람직하게, 배터리에 기준 비율 이상의 오버행이 발생하는 경우, 충전 과정 말단에서 저항이 감소하는 패턴이 나타날 수 있다. 프로세서(120)는, 저항 변화 패턴이 제1 저항 변화 패턴인 경우, 배터리의 상태를 오버행이 발생한 불량 상태로 판단할 수 있다.
예컨대, 기준 비율은 3% 이상의 값으로 설정될 수 있다. 바람직하게, 기준 비율은 3% 내지 5% 중 어느 한 값으로 설정될 수 있다. 다만, 기준 비율은 상술한 예시적인 수치에 의해 제한되어 해석되지 않음을 유의한다.
프로세서(120)는, 저항 변화 패턴이 제2 저항 변화 패턴으로 결정된 경우 진단의 대상이 되는 배터리의 상태를 정상 상태로 판단할 수 있다. 여기서, 제2 저항 변화 패턴은 기준 프로파일의 기울기 이상의 기울기를 가지는 패턴일 수 있다.
즉, 본원의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 충전 과정에서의 배터리의 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴 또는 제2 저항 변화 패턴으로 구체적으로 구분할 수 있다. 그리고, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 저항 변화 패턴에 기반하여 배터리의 상태를 진단할 수 있다. 따라서, 배터리 진단 장치(100)는 충전 과정에서 배터리의 상태를 신속하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
이하의 도면들을 이용하여 프로세서(120)가 저항 변화 패턴을 결정하는 다양한 실시예가 설명된다.
프로세서(120)는, 배터리 진단 장치(100)의 다른 구성들과 작동적으로 연결되고, 배터리 진단 장치(100)의 다양한 동작들을 제어할 수 있다. 프로세서(120)는 메모리(130)에 저장된 하나 이상의 인스트럭션들을 실행함으로써 배터리 진단 장치(100)의 다양한 동작들을 수행할 수 있다. 프로세서(120)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서(120), ASIC(application-specific integrated circuit), 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 프로세서(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리(130)에 저장되고, 프로세서(120)에 의해 실행될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)가 배터리 팩에 포함되는 형태로 구현되는 경우, 배터리 팩에는 MCU(micro controller unit) 내지 BMS(battery management system)와 같은 용어로 지칭되는 제어 장치가 포함될 수 있다. 이 때, 프로세서(120)는 이러한 일반적인 배터리 팩에 구비된 MCU나 BMS와 같은 구성 요소에 의해 구현될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서, 프로세서(120)의 동작이나 기능에 대한 '~한다'또는 '되도록 구성된다'는 용어들은, '~되도록 프로그래밍된다'는 의미를 포함할 수 있다.
메모리(130)는 소정의 데이터를 저장하도록 구성될 수 있다. 특히, 본 발명에서, 메모리(130)는 기준 프로파일을 미리 저장할 수 있다. 기준 프로파일은 진단 대상이 되는 배터리의 저항 값과 비교를 위한 기준이 되는 프로파일일 수 있다. 즉, 기준 프로파일은, 진단 대상이 되는 배터리의 전압 값을 산출하기 위하여 수행한 방식과 동일한 방식으로, 기준 배터리의 충전 과정에서 기준 배터리의 전압 값을 측정하고, 충전 전류 값을 이용하여 산출된 저항 값의 추이에 대응할 수 있다. 일 예시로서 기준 프로파일은 도 3을 참조하여 이미 설명된 바, 중복되는 설명은 생략한다.
메모리(130)는 배터리 진단 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 메모리(130)는 프로세서(120)의 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서(120)와 연결될 수 있다. 메모리(130)는, 프로세서(120)에 의해서 실행되는 적어도 하나의 프로그램, 어플리케이션, 데이터, 또는 인스트럭션들(instructions)을 저장할 수 있다. 메모리(130)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 상기 메모리(130)는, 플래시 메모리(130) 타입, 하드 디스크 타입, SSD(Solid State Disk) 타입, SDD(Solid Disk Drive) 타입, 멀티미디어 카드 마이크로 타입, 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static RAM), ROM(Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory) 중 적어도 하나로 구현될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 메모리(130)의 구체적인 형태로 제한되는 것은 아니다. 또한, 메모리(130)는 프로세서(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리의 충전 과정 말단에서의 저항 값들의 변화에 기초하여 배터리의 상태가 용이하게 진단될 수 있다. 이하의 도면들을 참조하여 프로세서(120)가 저항 변화 패턴을 이용하여 배터리의 상태를 결정하는 다양한 실시예를 설명한다.
프로세서(120)는 산출된 복수의 저항 값의 변화를 나타내는 저항 프로파일을 생성할 수 있다. 이에 대해서, 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(120)가 저항 프로파일을 이용하여 저항 변화 패턴을 결정하는 일 예시를 나타내는 그래프이다. 본 실시예 및 이하의 다른 실시예들에 대해서는, 앞서 설명한 것과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하며, 동일 또는 유사한 설명이 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 도 2에서 설명한 것과 마찬가지로 기준 배터리에 대한 기준 프로파일(Rr)이 도시된다. 여기서, 프로세서(120)는, 진단 대상이 되는 배터리의 소정의 주기마다 측정된 전압 값을 이용하여 복수의 저항 값을 산출하고, 산출된 복수의 저항 값의 변화 패턴를 나타내는 저항 프로파일(Rd)을 생성할 수 있다.
프로세서(120)는, 생성한 저항 프로파일(Rd)과 기준 프로파일(Rr)을 비교하여 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴 또는 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
구체적으로, 프로세서(120)는 배터리 진단의 정확성을 높이기 위하여 저항 프로파일(Rd)과 기준 프로파일(Rr)의 기울기를 비교하여 저항 변화 패턴을 결정할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(120)는 저항 프로파일(Rd)의 기울기에 따라 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴 또는 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
프로세서(120)는, 저항 프로파일(Rd)에서 제1 기울기를 산출하고, 기준 프로파일(Rr)에서 제2 기울기를 산출할 수 있다. 그리고, 프로세서(120)는 제1 기울기와 제2 기울기를 비교한 결과에 따라서 저항 변화 패턴을 결정할 수 있다. 프로세서(120)는, 저항 프로파일(Rd)의 소정의 지점에서의 순간 기울기를 인식하여 제1 기울기를 산출할 수 있다. 프로세서(120)는, 기준 프로파일(Rr)에서 상기 소정의 지점에 대응하는 지점에서의 순간 기울기를 인식하여 제2 기울기를 산출할 수 있다. 프로세서(120)는, 제1 기울기가 제2 기울기 미만인 경우 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다. 프로세서(120)는 제1 기울기가 제2 기울기 이상인 경우 저항 변화 패턴을 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다. 이에 대해서, 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
프로세서(120)는, 저항 프로파일(Rd) 상에서 충전이 종료되는 시점(tf)의 제1 기울기가 기준 프로파일(Rr) 상에서 충전이 종료되는 시점(tf)의 제2 기울기 미만인 경우, 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다. 저항 프로파일(Rd) 상에서 충전이 종료되는 시점(tf)의 제1 기울기는 충전이 종료되는 시점(tf)의 순간 기울기에 대응할 수 있다. 또한, 기준 프로파일(Rr) 상에서 충전이 종료되는 시점(tf)의 제2 기울기는 충전이 종료되는 시점(tf)의 순간 기울기에 대응할 수 있다.
도 4를 참조하면, 저항 프로파일(Rd) 상에서 충전이 종료되는 시점(tf)의 접선(Rda) 및 기준 프로파일(Rr) 상에서 충전이 종료되는 시점(tf)의 접선(Rra)이 표시되어 있다. 접선(Rda)의 기울기에 대응하는 제1 기울기는 접선(Rra)의 기울기에 대응하는 제2 기울기 미만이므로, 프로세서(120)는, 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다. 다양한 실시 예에서, 제1 기울기 및 제2 기울기의 차이 값이 소정의 범위를 초과하는 경우, 프로세서(120)는 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴으로 결정할 수도 있다.
프로세서(120)는, 저항 변화 패턴이 제1 저항 변화 패턴인 경우, 배터리의 상태를 불량 상태라고 판단할 수 있다.
예컨대, 제1 저항 변화 패턴은 제1 기울기가 제2 기울기 미만인 패턴으로, 배터리의 저항 값이 감소하는 패턴일 수 있다.
다른 예로, 제1 저항 변화 패턴은, 제1 기울기가 제2 기울기 미만이면서, 제1 기울기 및 제2 기울기의 차이 값이 임계값 이상인 패턴일 수 있다. 프로세서(120)는 “제2 기울기 - 제1 기울기”의 수식을 계산하여 상기 차이 값을 산출할 수 있다. 그리고, 프로세서(120)는 산출한 차이 값이 미리 설정된 임계값 이상이면, 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
프로세서(120)는, 제1 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 불량 상태인 배터리로 진단할 수 있다. 즉, 프로세서(120)는, 제1 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 오버행이 기준 비율 이상으로 발생한 비정상 배터리로 진단할 수 있다.
프로세서(120)는, 저항 프로파일(Rd) 상에서 충전이 종료되는 시점(tf)의 제1 기울기가 기준 프로파일(Rr) 상에서 충전이 종료되는 시점(tf)의 제2 기울기 이상인 경우, 저항 변화 패턴을 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
예컨대, 제2 저항 변화 패턴은 제1 기울기가 제2 기울기 이상인 패턴일 수 있다. 프로세서(120)는 제1 기울기는 감소하지만, 제1 기울기가 제2 기울기 이상인 경우에는 저항 변화 패턴을 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
다른 예로, 제2 저항 변화 패턴은 제1 기울기가 제2 기울기 미만이지만, 제1 기울기 및 제2 기울기의 차이 값이 임계값 미만인 경우, 프로세서(120)는 저항 변화 패턴을 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수도 있다. 프로세서(120)는 “제2 기울기 - 제1 기울기”의 수식을 계산하여 상기 차이 값을 산출할 수 있다. 그리고, 프로세서(120)는 산출한 차이 값이 미리 설정된 임계값 미만이면, 저항 변화 패턴을 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다. 즉, 프로세서(120)는 제1 기울기가 제2 기울기 미만이지만, 제1 기울기의 감소폭이 제2 기울기에 비하여 일정 수준 미만인 경우에는 저항 변화 패턴을 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
프로세서(120)는, 저항 변화 패턴이 제2 저항 변화 패턴인 경우, 배터리의 상태를 정상 상태라고 판단할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는, 제2 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 정상 상태인 배터리로 진단할 수 있다. 즉, 프로세서(120)는, 제2 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 오버행이 발생하지 않은 정상 배터리로 진단할 수 있다. 또는, 프로세서(120)는 제2 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 기준 비율 미만의 오버행이 발생한 정상 배터리로 진단할 수 있다. 이와 같이 프로세서(120)는, 배터리의 충전 중에 충전 말단에서의 저항 변화 패턴만으로 배터리의 오버행 발생 여부를 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 제1 기울기의 증감 및 제1 기울기와 제2 기울기 간의 차이에 따라 배터리의 저항 변화 패턴을 세분화할 수 있다. 그리고, 배터리 진단 장치(100)는 세분화된 저항 변화 패턴에 따라 배터리의 상태를 진단할 수 있다. 따라서, 배터리 진단 장치(100)는 충전 과정에서 배터리의 상태를 신속하게 진단할 수 있음은 물론이고, 배터리의 상태를 구체적으로 세분화하여 진단할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여, 프로세서(120)가 저항 변화 패턴을 결정하는 다른 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다. 설명의 편의를 위해, 프로세서(120)가 결정된 저항 변화 패턴에 따라 배터리의 상태를 진단하는 내용은 상술한 내용과 중복되므로, 간략히 설명하거나 생략함을 유의한다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 프로세서(120)가 저항 프로파일을 이용하여 저항 변화 패턴을 결정하는 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도 4에서 설명한 것과 마찬가지로 기준 배터리에 대한 기준 프로파일(Rr) 및 프로세서(120)가 생성한 저항 프로파일(Rd)이 도시된다.
프로세서(120)는, 저항 프로파일(Rd) 상의 충전이 종료되는 시점(tf)에 대응하는 제1 지점(r11) 및 제1 지점(r11)과 상이한 제2 지점(r12)을 기준으로 한 제1 기울기가, 제1 지점에 대응하는 기준 프로파일(Rr) 상의 제3 지점(r13) 및 제2 지점(r12)에 대응하는 기준 프로파일(Rr) 상의 제4 지점(r14)을 기준으로 한 제2 기울기 미만인 경우, 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
구체적으로, 프로세서(120)는 저항 프로파일(Rd) 상의 제1 지점(r11) 및 제2 지점(r12)을 기준으로 제1 직선(Rdb)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 직선(Rdb)은 제1 지점(r11) 및 제2 지점(r12)을 포함하는 직선일 수 있다. 즉, 제1 직선(Rdb)은 제1 지점(r11) 및 제2 지점(r12)을 연결하는 직선일 수 있다.
프로세서(120)는 기준 프로파일(Rr) 상의 제3 지점(r13) 및 제4 지점(r14)을 기준으로 제2 직선(Rrb)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제2 직선(Rrb)은 제3 지점(r13) 및 제4 지점(r14)을 포함하는 직선일 수 있다. 즉, 제2 직선(Rrb)은 제3 지점(r13) 및 제4 지점(r14)을 연결하는 직선일 수 있다.
여기서, 제1 지점(r11)과 제3 지점(r13)은 동일한 시각에 대해 대응되는 지점일 수 있다. 구체적으로, 제1 지점(r11)이 제3 지점(r13)에 대응한다는 것은, 제1 지점(r11)은 저항 프로파일(Rd) 상의 충전이 종료되는 시점(tf)의 진단 대상이 되는 배터리의 저항 값에 대응하고, 제3 지점(r13)은 충전이 종료되는 시점(tf)의 기준 배터리의 저항 값에 대응함을 의미할 수 있다.
또한, 제2 지점(r12)과 제4 지점(r14)은 동일한 SOC에 대해 대응되는 지점일 수 있다. 구체적으로, 제2 지점(r12)이 제4 지점(r14)에 대응한다는 것은, 제2 지점(r12)은 소정의 SOC에 대응되는 진단 대상이 되는 배터리의 저항 값에 대응하고, 제4 지점(r12)은 상기 소정의 SOC에 대응되는 기준 배터리의 저항 값에 대응함을 의미할 수 있다. 제2 지점(r12)과 제4 지점(r14)이 결정되는 실시예는 도 6 및 도 7을 이용하여 후술한다.
도 5를 참조하면, 제1 직선(Rdb) 및 제2 직선(Rrb)이 표시되어 있다. 제1 직선(Rdb)의 제1 기울기가 제2 직선(Rrb)의 제2 기울기 미만인 것에 기반하여 프로세서(120)는 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다. 여기서, 제1 저항 변화 패턴은 저항 값이 감소하는 패턴일 수 있다. 다양한 실시 예에서, 제1 직선(Rdb)의 제1 기울기 및 제2 직선(Rrb)의 제2 기울기의 차이 값이 소정의 범위를 초과하는 경우, 프로세서(120)는 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴으로 결정할 수도 있다. 프로세서(120)는, 제1 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 불량 상태인 배터리로 진단할 수 있다. 즉, 프로세서(120)는, 제1 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 오버행이 기준 비율 이상으로 발생된 비정상 배터리로 진단할 수 있다.
프로세서(120)는, 제1 기울기가 제2 기울기 이상인 경우, 저항 변화 패턴을 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
예컨대, 제1 직선(Rdb)의 제1 기울기가 제2 직선(Rrb)의 제2 기울기 이상인 경우, 프로세서(120)는 저항 변화 패턴을 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
다른 예로, 제1 직선(Rdb)의 제1 기울기와 제2 직선(Rrb)의 제2 기울기의 차이 값이 임계값 미만인 경우, 프로세서(120)는 저항 변화 패턴을 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수도 있다.
그리고, 프로세서(120)는, 제2 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 정상 상태인 배터리로 진단할 수 있다. 즉, 프로세서(120)는, 제2 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 오버행이 발생하지 않은 정상 배터리로 진단할 수 있다. 또는, 프로세서(120)는 제2 저항 변화 패턴으로 결정된 배터리를 기준 비율 미만으로 오버행이 발생된 정상 배터리로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 충전 말단에서의 순간 기울기뿐만 아니라, 충전 말단 및 소정의 지점에서의 평균 기울기를 이용하여 배터리의 상태를 용이하게 진단할 수 있다. 즉, 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 저항 변화를 다양한 측면(특히, 시점)에서 고려함으로써, 배터리의 상태를 보다 정확하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
이하에서, 프로세서(120)가 상기 제2 지점(r12) 및 제4 지점(r14)을 결정하는 실시예가 설명된다.
프로세서(120)는 배터리의 충전 과정에서, 배터리의 SOC(state of charge)와 저항 값의 대응 관계를 나타내는 SOC-저항 프로파일을 생성할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는, 기준 배터리의 충전 과정에서 기준 배터리의 SOC와 저항 값의 대응 관계를 나타내는 기준 SOC-저항 프로파일을 획득할 수 있다. 여기서, 기준 SOC-저항 프로파일은 미리 기준 배터리의 충전 과정을 거치면서 추출된 저항 값과 SOC의 대응 관계를 나타내는 프로파일일 수 있다. 기준 SOC-저항 프로파일은 메모리(130)에 미리 저장될 수 있다. 다시 말해, 앞서 설명한 기준 프로파일 또한 기준 배터리의 충전 과정에서 획득한 프로파일로서 기준 프로파일은 기준 SOC-저항 프로파일과 대응할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC-저항 프로파일(SOCd) 및 기준 SOC-저항 프로파일(SOCr)의 일 예시를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 그래프의 x축은 SOC이고, y축은 저항 값이다. 여기서 x축의 단위는 퍼센트(%)로 표시하였으나, 0 내지 1의 수로 표시될 수도 있다.
프로세서(120)는, 배터리의 충전 과정에서 배터리의 SOC를 소정의 주기마다 산출하고, 산출된 SOC를 전술한 방식으로 측정한 배터리의 저항 값과 맵핑하여 SOC-저항 프로파일(SOCd)을 생성할 수 있다. 도 6은 프로세서(120)가 생성한 SOC-저항 프로파일(SOCd) 및 메모리(130)에 미리 저장된 기준 SOC-저항 프로파일(SOCr)이 도시된다.
프로세서(120)는, 생성한 SOC-저항 프로파일(SOCd)에서 소정의 SOC에 대응되는 타겟 저항 값(Rt)을 결정할 수 있다. 예를 들어, 소정의 SOC는 약 60%에 대응할 수 있으나 이와 같은 수치는 제한되지 않는다. 보다 상세하게, 프로세서(120)가 소정의 SOC를 결정하는 내용은 후술하는 도 7을 이용하여 설명된다.
프로세서(120)는, 저항 프로파일에서 타겟 저항 값(Rt)에 대응되는 지점을 제2 지점으로 결정할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는, 소정의 SOC에 대응하는 타겟 저항 값(Rt)을 결정하고, 도 5을 참조하여 설명한 바와 같이 저항 프로파일(Rd) 상에서 타겟 저항 값(Rt)에 대응하는 지점을 제2 지점(r12)로 결정할 수 있다. 즉, 프로세서(120)는, 저항 프로파일(Rd) 상에서 배터리가 소정의 SOC(예컨대, 60%)에 대응하는 저항 값(Rt)을 갖는 지점을 평균 기울기를 구하기 위한 제2 지점(r12)으로 결정할 수 있다.
한편 프로세서(120)는, 평균 기울기를 구하기 위한 제2 직선(Rrb)의 제4 지점(r14)을 결정하기 위하여 기준 SOC-저항 프로파일을 이용할 수 있다.
프로세서(120)는, 기준 프로파일에 대응되는 기준 SOC-저항 프로파일에서 소정의 SOC에 대응되는 참조 저항 값을 결정할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는, 기준 SOC-저항 프로파일 상에서, 타겟 저항 값(Rt)을 결정하기 위한 SOC와 동일한 SOC에 대응되는 참조 저항 값(Rf)을 결정할 수 있다. 여기서, 비교의 대상을 선정하는 것이므로 동일한 SOC로 타겟 저항 값(Rt) 및 참조 저항 값(Rf)을 결정하는 것이 바람직하다.
프로세서(120)는, 기준 프로파일에서 참조 저항 값에 대응되는 지점을 제4 지점으로 결정할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는, 소정의 SOC에 대응하는 참조 저항 값(Rf)을 결정하고, 도 5을 참조하여 설명한 바와 같이 기준 프로파일(Rr) 상에서 참조 저항 값(Rf)에 대응하는 지점을 제4 지점(r14)로 결정할 수 있다. 즉, 프로세서(120)는, 기준 프로파일(Rr) 상에서 배터리가 소정의 SOC(예컨대, 60%)에 대응하는 저항 값을 갖는 지점을 평균 기울기를 구하기 위한 제4 지점(r14)으로 결정할 수 있다. 이와 같이, 프로세서(120)는, 저항 변화 패턴을 결정하기 위하여 저항 프로파일(Rd) 및 기준 프로파일(Rr)에서 충전 종료 시점에 대응하는 지점 및 배터리의 충전 상태가 소정의 SOC에 도달한 상태의 지점을 이용할 수 있다. 이 외에도, 프로세서(120)는, 저항 변화 패턴을 결정하기 위하여 이용하는 소정의 SOC를 결정할 때 미분 프로파일을 이용할 수 있다. 이하에서 도 7을 이용하여 상세한 실시 예가 설명된다.
도 7은 배터리의 SOC와 전압에 기반한, 미분 전압과 SOC 간의 대응관계를 나타내는 미분 프로파일의 일 예시이다.
프로세서(120)는 미분 전압과 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일을 생성하도록 구성할 수 있다.
여기서, 미분 전압은 배터리의 전압을 SOC로 미분한 값으로, dV/dSOC로 나타낼 수 있다. 즉, 미분 전압은 SOC에 대한 전압의 순간 변화율을 나타내는 값에 대응할 수 있다.
미분 프로파일은 X축이 SOC이고, Y축이 미분 전압 값인 X-Y 그래프로 표현될 수 있다. 미분 프로파일은 복수의 피크들(P1, P2, P3, P4)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 제1 피크(P1), 제2 피크(P2), 제3 피크(P3) 및 제4 피크(P4)를 검출할 수 있다. 여기서, 피크는 미분 프로파일에서 위로 볼록한 개형을 갖는 지점일 수 있다.
프로세서(120)는, 배터리의 SOC와 배터리의 전압 값에 대응되는 미분 프로파일에서 소정의 SOC 구간에 속하는 피크를 결정할 수 있다.
도 7을 참조하면, 프로세서(120)는, 일 예시로서 제1 SOC(SOC1) 및 제2 SOC(SOC2) 사이의 구간을 소정의 SOC 구간으로 결정하고, 해당 구간에 속하는 피크를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 SOC(SOC1)은 50% 이고, 제2 SOC(SOC2)는 70%일 수 있다. 이 경우, 소정의 SOC 구간은 50% 및 70% 사이의 구간일 수 있으나, 이러한 수치에 제한되어 해석되지 않는다. 도 7을 참조하면, 프로세서(120)는, 제3 피크(P3)를 타겟 저항 값(Rt) 및 참조 저항 값(Rf)을 결정하기 위한 피크로 결정할 수 있다. 즉, 제3 피크(P3)가 타겟 저항 값(Rt) 및 참조 저항 값(Rf)을 결정하기 위한 타겟 피크로 결정될 수 있다. 다양한 실시 예에서, 프로세서(120)는, 제1 SOC(SOC1) 및 제3 SOC(SOC3) 사이의 구간을 소정의 SOC 구간으로 결정하는 경우, 해당 구간에 제3 피크(P3) 및 제4 피크(P4)가 속할 수 있다. 이 경우, 프로세서(120)는 미분 전압 값(dV/dSOC)이 상대적으로 큰 제3 피크(P3)를 타겟 저항 값(Rt) 및 참조 저항 값(Rf)을 결정하기 위한 피크로 결정할 수 있다. 또는, 프로세서(120)는, 미분 프로파일의 모든 구간에 있는 피크들 중에서, 미분 전압 값이 가장 큰 피크(예컨대, 제3 피크(P3))를 타겟 저항 값(Rt) 및 참조 저항 값(Rf)을 결정하기 위한 피크로 결정할 수 있다.
프로세서(120)는 결정된 피크에 대응되는 SOC를 소정의 SOC로 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, 프로세서(120)는 제3 피크(P3)를 타겟 저항 값(Rt) 및 참조 저항 값(Rf)을 결정하기 위한 피크로 결정할 수 있다. 프로세서(120)는, 제3 피크(P3)에 대응하는 SOC를 소정의 SOC로 결정할 수 있다. 예를 들어, 결정된 소정의 SOC는 60%일 수 있다. 프로세서(120)는 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, SOC-저항 프로파일(SOCd) 및 기준 SOC-저항 프로파일(SOCr)에서 결정된 소정의 SOC에 대응하는 타겟 저항 값(Rt) 및 참조 저항 값(Rf)을 결정할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는, SOC-저항 프로파일(SOCd) 상에서 SOC가 60%인 점의 저항 값을 타겟 저항 값(Rt)로 결정할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 기준 SOC-저항 프로파일(SOCr) 상에서 SOC가 60%인 점의 저항 값을 참조 저항 값(Rf)으로 결정할 수 있다.
프로세서(120)는, 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 결정된 타겟 저항 값(Rt)에 대응하는, 저항 프로파일(Rd) 상의 제2 지점(r12)을 결정할 수 있다. 마찬가지로 프로세서(120)는 결정된 참조 저항 값(Rf)에 대응하는, 기준 프로파일(Rr) 상의 제4 지점(r14)을 결정할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 프로세서(120)는 배터리의 충전 과정에서 주기적으로 산출되는 저항의 변화를 감지하여 저항 변화 패턴을 결정할 수 있고, 결정된 저항 변화 패턴에 따라서 배터리의 상태를 용이하게 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)는, BMS에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 진단 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 진단 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 진단 장치(100)의 측정부(110), 프로세서(120) 및 메모리(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(10)을 예시적으로 도시한다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)는, 배터리 팩(10)에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀(B)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100) 이외에, 배터리 팩(10)에 통상적으로 포함되는 구성요소, 이를테면 하나 이상의 이차 전지, BMS(Battery Management System), 전류센서, 릴레이, 퓨즈, 팩 케이스 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)의 적어도 일부 구성요소는, 배터리 팩(10)에 포함되어 있는 종래 구성요소로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)의 측정부(110)는, 배터리 팩(10)에 포함된 전압 센서에 의해 구현될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)의 프로세서(120)의 적어도 일부 기능 내지 동작은, 배터리 팩(10)에 포함된 BMS에 의해 구현될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)를 포함하는 자동차(1)를 예시적으로 도시한다. 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)는, 자동차(1)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차(1)는, 상술한 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)를 포함할 수 있다. 특히, 전기 자동차의 경우, 배터리 팩(10)이 구동원으로서 매우 중요한 구성요소이므로, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)가 보다 유용하게 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차(1)는, 이러한 배터리 진단 장치(100) 이외에, 다른 다양한 장치, 이를테면, 차체, ECU(Electronic control unit)와 같은 차량 제어 유닛, 모터, 접속 단자, DC-DC 컨버터 등을 더 포함할 수 있다. 이외에, 본 발명에 따른 자동차(1)는, 자동차에 통상적으로 포함된 구성요소를 더 채용할 수 있음은 물론이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 8에서 각 단계의 주체는 전술한 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)의 각 구성요소가 될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 진단 방법은 전압 값 측정 단계(S110), 저항 값 산출 단계(S120), 저항 변화 패턴 결정 단계(S130) 및 배터리 상태 결정 단계(S140)를 포함할 수 있다.
S110 단계는, 배터리가 충전되는 과정에서 배터리의 전압 값을 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 측정부(110)는 소정의 주기마다 배터리의 전압 값을 측정할 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 프로세서(120)는 소정의 주기마다 배터리에 충전 전류를 펄스 형태로 인가하고, 측정부(110)는 펄스 신호가 배터리에 인가되는 동안 배터리의 전압 값을 측정할 수 있다.
S120 단계는, S110 단계에서 측정된 배터리의 전압 값에 기반하여 배터리의 저항 값을 산출하는 단계로서, 프로세서(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 프로세서(120)는 소정의 주기마다 펄스 신호에 대응되는 충전 전류량에 대한 전압 값의 변화에 기반하여 저항 값을 산출할 수 있다.
S130 단계는, S120 단계에서 산출된 복수의 저항 값과 미리 설정된 기준 프로파일을 비교하여 저항 변화 패턴을 결정하는 단계로서, 프로세서(120)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 프로세서(120)는 복수의 저항 값과 기준 프로파일을 비교한 결과에 기반하여 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴 또는 제2 저항 변화 패턴으로 결정할 수 있다.
예컨대, 프로세서(120)는 복수의 저항 값의 변화를 나타내는 저항 프로파일에서의 제1 기울기와 기준 프로파일에서의 제2 기울기를 비교하고, 비교 결과에 따라 저항 변화 패턴을 결정할 수 있다.
S140 단계는, S130 단계에서 결정된 저항 변화 패턴에 기반하여 배터리의 상태를 결정하는 단계로서, 프로세서(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 저항 변화 패턴이 제1 저항 변화 패턴으로 결정된 경우, 프로세서(120)는 배터리의 상태를 불량 상태로 결정할 수 있다. 반대로, 저항 변화 패턴이 제2 저항 변화 패턴으로 결정된 경우, 프로세서(120)는 배터리의 상태를 정상 상태로 결정할 수 있다.
상기 S110 단계 내지 S140 단계와 관련하여, 앞서 설명한 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)의 내용이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 제어 방법의 각 단계에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
100: 배터리 진단 장치
110: 측정부
120: 프로세서
130: 메모리
110: 측정부
120: 프로세서
130: 메모리
Claims (14)
- 배터리가 충전되는 과정에서 상기 배터리의 전압 값을 소정의 주기마다 측정하도록 구성된 측정부; 및
측정된 배터리의 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 저항 값을 산출하고, 산출된 복수의 저항 값과 미리 설정된 기준 프로파일을 비교하여 저항 변화 패턴을 결정하며, 결정된 저항 변화 패턴에 기반하여 상기 배터리의 상태를 결정하도록 구성된 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제1항에 있어서,
상기 기준 프로파일은,
상기 소정의 주기마다 기준 배터리의 충전 과정에서 산출된 복수의 저항 값의 변화를 나타내는 프로파일인 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 산출된 복수의 저항 값의 변화를 나타내는 저항 프로파일을 생성하고, 생성된 저항 프로파일과 상기 기준 프로파일을 비교하여 상기 저항 변화 패턴을 제1 저항 변화 패턴 또는 제2 저항 변화 패턴으로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제3항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 저항 프로파일에서 제1 기울기를 산출하고, 상기 기준 프로파일에서 제2 기울기를 산출하며, 상기 제1 기울기와 상기 제2 기울기를 비교한 결과에 따라 상기 저항 변화 패턴을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제4항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 저항 프로파일 상에서 충전 종료 시점의 제1 기울기가 상기 기준 프로파일 상의 충전 종료 시점의 제2 기울기 미만인 경우, 상기 저항 변화 패턴을 상기 제1 저항 변화 패턴으로 결정하고,
상기 제1 기울기가 상기 제2 기울기 이상인 경우, 상기 저항 변화 패턴을 상기 제2 저항 변화 패턴으로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제4항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 저항 프로파일 상의 충전 종료 시점에 대응하는 제1 지점 및 상기 제1 지점과 상이한 제2 지점을 기준으로 한 제1 기울기가, 상기 기준 프로파일 상의 상기 제1 지점에 대응하는 제3 지점 및 상기 제2 지점에 대응하는 제4 지점을 기준으로 한 제2 기울기 미만인 경우, 상기 저항 변화 패턴을 상기 제1 저항 변화 패턴으로 결정하고,
상기 제1 기울기가 상기 제2 기울기 이상인 경우, 상기 저항 변화 패턴을 상기 제2 저항 변화 패턴으로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제6항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 배터리가 충전되는 과정에서 상기 배터리의 SOC와 상기 산출된 저항 값 간의 대응 관계를 나타내는 SOC-저항 프로파일을 생성하고, 상기 SOC-저항 프로파일에서 소정의 SOC에 대응되는 타겟 저항 값을 결정하며, 상기 저항 프로파일에서 상기 타겟 저항 값에 대응되는 지점을 상기 제2 지점으로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제7항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 기준 프로파일에 대응된 기준 SOC-저항 프로파일에서 상기 소정의 SOC에 대응되는 참조 저항 값을 결정하고, 상기 기준 프로파일에서 상기 참조 저항 값에 대응되는 지점을 상기 제4 지점으로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제7항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 배터리의 SOC와 상기 배터리의 전압 값에 대응되는 미분 프로파일에서 소정의 SOC 구간에 속하는 피크를 결정하고, 결정된 피크에 대응되는 SOC를 상기 소정의 SOC로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제3항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 저항 변화 패턴이 상기 제1 저항 변화 패턴인 경우, 상기 배터리의 상태를 불량 상태라고 판단하고,
상기 저항 변화 패턴이 상기 제2 저항 변화 패턴인 경우, 상기 배터리의 상태를 정상 상태라고 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서는,
소정의 주기마다 반복적으로 상기 배터리의 충전 전류 값을 변화시키며 상기 배터리가 충전되도록 하고, 상기 배터리의 충전 전류 값이 소정의 값에 대응하는 동안의 전압 값의 변화에 기반하여 상기 저항 값을 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 자동차.
- 배터리가 충전되는 과정에서 상기 배터리의 전압 값을 소정의 주기마다 측정하는 전압 값 측정 단계;
측정된 배터리의 전압 값에 기반하여 상기 배터리의 저항 값을 산출하는 저항 값 산출 단계;
산출된 복수의 저항 값과 미리 설정된 기준 프로파일을 비교하여 저항 변화 패턴을 결정하는 저항 변화 패턴 결정 단계; 및
결정된 저항 변화 패턴에 기반하여 상기 배터리의 상태를 결정하는 배터리 상태 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
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