KR20230174640A - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리 관리 장치는 배터리의 가스 발생량과 소정의 피크의 변화량 간의 대응 관계를 나타내는 가스량 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부 및 상기 배터리의 용량과 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일에 대한 미분 프로파일을 생성하도록 구성된 프로파일 생성부 및 상기 프로파일 생성부로부터 수신한 프로파일에서 상기 타겟 피크의 변화량을 결정하고, 결정된 타겟 피크의 변화량과 상기 가스량 프로파일에 대해 미리 설정된 제어 기준을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 C-rate를 조절하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 비파괴적인 방식으로 배터리의 상태를 진단할 수 있는 배터리 관리 장치 및 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 충전 및 방전이 지속됨에 따라 퇴화할 수 있다. 예컨대, 가스 발생으로 인해 전극 내 전자 전달력이 저하되어 음극 퇴화 불균형이 일어날 수 있다. 또한, 배터리의 가스 발생량은 발화로 연결될 수 있기 때문에, 배터리의 상태 진단이 신속하게 진행되지 않은 경우에는, 예상치 못한 사고가 발생될 수 있는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 가스량 프로파일 해석을 통해 비파괴적인 방식으로 배터리의 상태를 진단할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 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 관리 장치는 배터리의 가스 발생량과 소정의 피크의 변화량 간의 대응 관계를 나타내는 가스량 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부 및 상기 배터리의 용량과 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일에 대한 미분 프로파일을 생성하도록 구성된 프로파일 생성부 및 상기 프로파일 생성부로부터 수신한 프로파일에서 상기 타겟 피크의 변화량을 결정하고, 결정된 타겟 피크의 변화량과 상기 가스량 프로파일에 대해 미리 설정된 제어 기준을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 C-rate를 조절하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 상기 제어부가, 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하고, 미리 설정된 기준 피크의 용량값과 상기 타겟 피크의 용량값을 비교한 결과에 기반하여 상기 타겟 피크의 변화량을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 상기 제어 기준이, 상기 타겟 피크 변화량이 상기 가스량 프로파일에서 미리 설정된 가스 발생량의 기준 값에 대응되는 제1 변화량 이하에 해당하는지를 판단하는 제1 제어 기준 및 상기 타겟 피크 변화량이 음극 반응 면적 손실량의 기준 값에 대응되는 제2 변화량 이하에 해당하는지를 판단하는 제2 제어 기준을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 할 수 있다
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 상기 제어부가 상기 타겟 피크 변화량이 상기 제1 제어 기준을 만족하는 경우, 상기 배터리의 온도 및 SOC를 조절하고, 상기 C-rate를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 상기 제어부가 상기 타겟 피크 변화량이 상기 제2 제어 기준을 만족하는 경우, 상기 C-rate를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 상기 제1 변화량은 상기 제2 변화량 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 상기 가스량 프로파일이, 특정 SOC에서 서로 다른 온도를 가진 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일과 상기 복수의 배터리의 가스 발생량에 기반하여 생성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 상기 가스량 프로파일은, 상기 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일에서 결정된 소정의 피크의 변화량과 대응되는 가스 발생량 간의 상관 관계를 나타내도록 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은 배터리의 가스 발생량과 소정의 피크의 변화량 간의 대응 관계를 나타내는 가스량 프로파일을 획득하는 가스량 프로파일 획득 단계, 상기 배터리의 용량과 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일에 대한 미분 프로파일을 생성하는 미분 프로파일 생성 단계, 상기 프로파일 생성부로부터 수신한 프로파일에서 상기 타겟 피크의 변화량을 결정하는 타겟 피크의 변화량 결정 단계 및 결정된 타겟 피크의 변화량과 상기 가스량 프로파일에 대해 미리 설정된 제어 기준을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 C-rate를 조절하는 C-rate 조절 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스량 프로파일 해석을 통해 비파괴적인 방식으로 배터리의 상태가 진단될 수 있다. 특히, 배터리의 가스 발생량이 임계치 이상인지 여부가 구체적으로 진단될 수 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 관리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
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 관리 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 프로파일 획득부(110), 프로파일 생성부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 배터리의 가스 발생량과 소정의 피크의 변화량 간의 대응 관계를 나타내는 가스량 프로파일을 획득하도록 구성될 수 있다.
여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미할 수 있다. 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.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 외부로부터 가스량 프로파일을 직접 수신할 수 있다.
가스량 프로파일은, 특정 SOC에서 서로 다른 온도를 가진 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일과 상기 복수의 배터리의 가스 발생량에 기반하여 생성된 것을 의미할 수 있다.
예컨대, 가스량 프로파일은 배터리의 가스 발생량과 소정의 피크의 변화량 간의 대응 관계를 나타낼 수 있다. 여기서, 가스 발생량 및 소정의 피크의 변화량은 상대적인 값일 수 있다. 예를 들어, 가스 발생량 및 소정의 피크의 변화량은 정규화된 값일 수 있다.
또한, 가스량 프로파일은, X를 소정의 피크의 변화량으로 설정하고 Y를 총 가스량으로 설정한 경우, X-Y 2차원 그래프로 표현될 수 있다. 도 2를 참조하여 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2에는 X를 소정의 피크의 변화량으로 설정하고 Y를 총 가스량으로 설정한, X-Y 2차원 그래프로 표현된 가스량 프로파일이 도시되어 있다. 예컨대, 도 2의 실시예에서, ◆로 표시된 포인트는 SOC 100%인 배터리의 온도가 70℃로 유지될 때의 가스량을 나타낸다. ■로 표시된 포인트는 SOC 100%인 배터리의 온도가 65℃로 유지될 때의 가스량을 나타낸다. ▲로 표시된 포인트는 SOC 100%인 배터리의 온도가 60℃로 유지될 때의 가스량을 나타낸다.
실시예에 따라, 가스량 프로파일은, 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일에서 결정된 소정의 피크의 변화량과 대응되는 가스 발생량 간의 상관 관계를 나타내도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 가스량 프로파일은 서로 다른 온도에서 측정된 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일에서 결정된 소정의 피크의 변화량에 대응되는 가스 발생량 간의 상관 관계를 나타내도록 구성될 수 있다. 여기서, 미분 프로파일은 배터리의 용량(Q)과 미분 전압(dV/dQ) 간의 대응 관계를 나타내는 미분 전압 프로파일을 의미할 수 있다. 여기서, 배터리의 용량(Q) 및 미분 전압(dV/dQ)은 상대적인 값일 수 있다. 예를 들어, 배터리의 용량(Q) 및 미분 전압(dV/dQ)은 정규화된 값일 수 있다. 도 3을 이용하여 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3에는 X를 정규화된 용량으로 설정하고 Y를 미분 전압(dV/dQ)으로 설정한, X-Y 2차원 그래프로 표현된 복수의 미분 프로파일이 도시되어 있다.
가스량 프로파일은 복수의 미분 프로파일 각각의 소정의 피크 변화량에 기반하여 생성될 수 있다. 예컨대, 소정의 피크 변화량은 기준 미분 프로파일의 소정의 피크와 비교한 결과값에 의해 결정될 수 있다. 기준 미분 프로파일은 BOL 프로파일을 의미할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 미분 프로파일의 소정의 피크(TP1)는 기준 프로파일의 소정의 피크(TP8)보다 왼쪽으로 약 17 용량만큼 떨어져 있으므로, 제1 미분 프로파일의 소정의 피크 변화량은 -17로 계산될 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 기준 프로파일의 소정의 피크(TP8, TP9)의 용량 값에서 제1 미분 프로파일의 소정의 피크(TP1)의 용량 값을 빼서, 제1 미분 프로파일의 소정의 피크 변화량을 -17로 계산할 수 있다.
반대로, 제2 미분 프로파일의 소정의 피크(TP5)는 기준 프로파일의 소정의 피크(TP8)보다 왼쪽으로 5 용량만큼 떨어져 있으므로, 제2 미분 프로파일의 소정의 피크 변화량은 -5로 계산될 수 있다.
가스량 프로파일은 복수의 미분 프로파일 각각에서 계산된 소정의 피크 변화량 및 각 미분 프로파일에 대응되는 가스 발생량에 기반하여 생성될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 소정의 피크의 변화량과 총 가스량 간의 상관 관계가 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스량 프로파일을 이용하면, 소정의 피크의 변화량에 기반하여 총 가스량을 정확하게 추정할 수 있다.
프로파일 생성부(120)는 배터리의 용량과 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일에 대한 미분 프로파일을 생성할 수 있다.
여기서, 미분 프로파일은 배터리의 용량(Q)과 미분 전압(dV/dQ) 간의 대응 관계를 나타내는 미분 전압 프로파일을 의미할 수 있다. 여기서, 배터리의 용량(Q) 및 미분 전압(dV/dQ)은 상대적인 값일 수 있다. 예를 들어, 배터리의 용량(Q) 및 미분 전압(dV/dQ)은 정규화된 값일 수 있다.
프로파일 생성부(120)는 외부로부터 미분 프로파일을 직접 수신하거나, 외부로부터 배터리의 전압과 용량을 주기적으로 수신하여 미분 프로파일을 직접 생성할 수도 있다.
예컨대, 배터리 프로파일은 배터리의 용량(Q)과 전압(V) 간의 대응 관계를 나타낼 수 있다. 여기서, 용량의 단위는 [mAh]이고, 전압의 단위는 [V]일 수 있다. 또한, 배터리 프로파일은, X를 용량으로 설정하고 Y를 전압으로 설정한 경우, X-Y 2차원 그래프로 표현될 수 있다.
그리고, 프로파일 생성부(120)는 배터리 프로파일의 1차 도함수에 해당하는 미분 프로파일을 생성할 수 있다. 예컨대, 프로파일 생성부(120)는 용량(Q)과 미분 전압(dV/dQ) 간의 대응 관계를 나타내는 미분 전압 프로파일을 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
제어부(130)는 프로파일 생성부(120)로부터 수신한 미분 프로파일에서 상기 타겟 피크를 결정할 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 미분 프로파일의 소정의 피크 중 하나를 타겟 피크로 결정할 수 있다.
일반적으로, 배터리가 충전되는 과정에서 음극 상변이가 발생될 수 있다. 그리고 음극 상변이가 발생될 때, 배터리의 미분 프로파일의 피크가 나타날 수 있다. 예를 들어, 6번의 음극 상변이가 발생된 경우, 순차적으로 Ta(1), Ta(2), Ta (3), Ta(4), Ta(5) 및 Ta(6) 피크가 미분 프로파일에 포함될 수 있다.
예를 들어, 제어부(130)는 미분 프로파일에 포함된 Ta(6)를 타겟 피크로 결정할 수 있다.
제어부(130)는 미리 결정된 기준 피크의 용량 값과 타겟 피크의 용량 값(TP10)을 비교한 결과에 기반하여 타겟 피크의 변화량을 결정할 수 있다.
도 4를 참조하면, 타겟 피크(TP10)의 용량 값이 미리 결정된 기준 피크(TP11)의 용량 값보다 왼쪽으로 약 1만큼 떨어져 있으므로, 타겟 피크의 변화량을 -1로 결정할 수 있다.
제어부(130)는 결정된 타겟 피크의 변화량과 상기 가스량 프로파일에 대해 미리 설정된 제어 기준을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 C-rate를 조절할 수 있다. 이에 대하여는 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 배터리를 실시간으로 측정하여 생성된 미분 프로파일을 이용하여 타겟 피크를 결정함으로써, 정확하게 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 배터리의 상태를 정확하게 진단하고 C-rate를 조절함으로써, 배터리의 가스 발생에 따른 퇴화를 방지할 수 있다.
한편, 배터리 관리 장치(100)에 구비된 프로파일 획득부(110), 프로파일 생성부(120) 및 제어부(130)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 프로파일 획득부(110), 프로파일 생성부(120) 및 제어부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로파일 획득부(110), 프로파일 생성부(120) 및 제어부(130)에 의해 실행될 수 있다. 메모리는 프로파일 획득부(110), 프로파일 생성부(120) 및 제어부(130) 각각의 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로파일 획득부(110), 프로파일 생성부(120) 및 제어부(130)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 관리 장치(100)는 저장부(140)를 더 포함할 수 있다. 저장부(140)는 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(140)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(140)는 제어부(130)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
이하에서는, 제어 기준에 대해 구체적으로 설명한다. 제어부(130)는 결정된 타겟 피크의 변화량과 상기 가스량 프로파일에 대해 미리 설정된 제어 기준을 비교할 수 있다. 제어 기준은, 배터리의 생성시 미리 설정된 값이거나, 사용자가 미리 설정한 값일 수 있다.
실시예에 따라, 제어 기준은 제1 제어 기준 및 제2 제어 기준을 포함할 수 있다. 도 5를 참조하여 자세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5에는 제1 변화량 및 제2 변화량이 표시되어 있으며, 제1 제어 기준이 제2 제어 기준보다 왼쪽에 있음을 확인할 수 있다.
제어부(130)는 타겟 피크 변화량이 제1 제어 기준을 만족하는지 판단할 수 있다. 제1 제어 기준은 타겟 피크 변화량이 가스량 프로파일에서 미리 설정된 가스 발생량의 기준 값에 대응되는 제1 변화량 이하에 해당하는지를 판단하는 기준을 의미할 수 있다. 예컨대, 도 5의 실시예에서, 미리 설정된 가스 발생량의 기준 값에 대응되는 제1 변화량은 -2일 수 있다.
가스량 프로파일에서 미리 설정된 가스 발생량의 기준 값이란, 배터리의 가스 발생량에 대한 제어가 필요한 임계 값을 의미할 수 있다. 일반적으로, 배터리의 타겟 피크 변화량이 제1 변화량 이하인 경우(다른 말로, 배터리의 가스 발생량이 기준 값 이상인 경우), 배터리가 고온에 노출된 시간이 상대적으로 많은 경우일 수 있다.
따라서, 제어부(130)는 타겟 피크 변화량이 제1 제어 기준을 만족하는 경우, 배터리의 온도 및 SOC를 조절하고, C-rate를 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 배터리의 온도 및 SOC의 상한을 낮출 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 배터리의 충전 C-rate를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 도 5의 실시예에서, 제어부(130)는 배터리의 타겟 피크 변화량이 -2 이하인 경우, 배터리의 온도 및 SOC의 상한을 낮추고, 충전 C-rate를 감소시킬 수 있다.
다른 예를 들어, 제어부(130)는 타겟 피크 변화량이 제2 제어 기준을 만족하는지 판단할 수 있다. 제2 제어 기준은 타겟 피크 변화량이 음극 반응 면적 손실량의 기준 값에 대응되는 제2 변화량 이하에 해당하는지를 판단하는 기준을 의미할 수 있다. 예컨대, 도 5의 실시예에서, 제2 변화량은 -1일 수 있다.
음극 반응 면적 손실량의 기준 값이란, 음극이 퇴화되어 음극 반응 면적이 손실됨에 따른 제어가 필요한 임계 값을 의미할 수 있다. 일반적으로, 음극 반응 면적이 손실은 배터리의 수명을 낮추고 이로 인해 가스 발생을 가속시킬 위험이 있다.
따라서, 제어부(130)는 타겟 피크 변화량이 제2 제어 기준을 만족하는 경우, C-rate를 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 배터리의 충전 C-rate를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 도 5의 실시예에서, 제어부(130)는 배터리의 타겟 피크 변화량이 -1 이하 -2 초과인 경우, 배터리의 충전 C-rate를 감소시킬 수 있다.
한편, 일 실시예에서, 제1 변화량은 제2 변화량 이하일 수 있다. 전술한 바와 같이, 음극 반응 면적이 손실은 배터리의 수명을 낮추고 이로 인해 가스 발생을 가속시키는 바, 음극 반응 면적 손실에 대한 제2 변화량은 가스 발생량에 대한 제1 변화량보다 클 수 있다. 즉, 음극 반응 면적 손실에 의해 가스가 발생될 수 있기 때문에, 제2 변화량은 제1 변화량보다 클 수 있다.
이 경우, 제어부(130)는 음극 반응 면적 손실과 가스 발생량에 대한 배터리 이상을 단계적으로 진단할 수 있도록 배터리의 운용 조건을 설정할 수 있다. 배터리의 운용 조건이 단계적으로 설정되기 때문에, 배터리의 심각한 퇴화가 방지되고, 예상치 못한 화재나 폭발 등의 사고가 미연에 방지될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 관리 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치(100)의 프로파일 획득부(110), 프로파일 생성부(120), 제어부(130) 및 저장부(140)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리 팩(1)에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상술한 배터리 관리 장치(100) 및 하나 이상의 배터리를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(1)은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
배터리(B)의 양극 단자는 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 배터리(B)의 음극 단자는 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다.
측정부(200)는 제1 센싱 라인(SL1), 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 측정부(200)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(B)의 양극 단자에 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 측정부(200)는 제1 센싱 라인(SL1)과 제2 센싱 라인(SL2) 각각에서 측정된 전압에 기반하여, 배터리(B)의 전압을 측정할 수 있다.
그리고, 측정부(200)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 전류 측정 유닛(A)과 연결될 수 있다. 예컨대, 전류 측정 유닛(A)은 배터리(B)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있는 전류계 또는 션트 저항일 수 있다. 측정부(200)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(B)의 충전 전류를 측정하여 충전량을 산출할 수 있다. 또한, 측정부(200)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(B)의 방전 전류를 측정하여 방전량을 산출할 수 있다.
충방전 장치는 일단이 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 타단이 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다. 따라서, 배터리(B)의 양극 단자, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+), 충방전부(300), 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 및 배터리(B)의 음극 단자는 전기적으로 연결될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 관리 방법의 각 단계는 배터리 관리 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
가스량 프로파일 획득 단계(S110)는 배터리의 가스 발생량과 소정의 피크의 변화량 간의 대응 관계를 나타내는 가스량 프로파일을 획득하는 단계로서, 프로파일 획득부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 외부로부터 가스량 프로파일을 직접 수신할 수 있다. 가스량 프로파일은, 특정 SOC에서 서로 다른 온도를 가진 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일과 상기 복수의 배터리의 가스 발생량에 기반하여 생성된 것을 의미할 수 있다.
실시예에 따라, 가스량 프로파일은, 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일에서 결정된 소정의 피크의 변화량과 대응되는 가스 발생량 간의 상관 관계를 나타내도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 가스량 프로파일은 서로 다른 온도에서 측정된 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일에서 결정된 소정의 피크의 변화량에 대응되는 가스 발생량 간의 상관 관계를 나타내도록 구성될 수 있다.
미분 프로파일 생성 단계(S120)는 배터리의 용량과 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일에 대한 미분 프로파일을 생성하는 단계로서, 프로파일 생성부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 프로파일 생성부(120)는 배터리의 용량과 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일에 대한 미분 프로파일을 생성할 수 있다.
여기서, 미분 프로파일은 배터리의 용량(Q)과 미분 전압(dV/dQ) 간의 대응 관계를 나타내는 미분 전압 프로파일을 의미할 수 있다. 여기서, 배터리의 용량(Q) 및 미분 전압(dV/dQ)은 상대적인 값일 수 있다. 예를 들어, 배터리의 용량(Q) 및 미분 전압(dV/dQ)은 정규화된 값일 수 있다.
타겟 피크의 변화량 결정 단계(S130)는 프로파일 생성 단계(S120)에서 생성된 미분 프로파일에서 타겟 피크의 변화량을 결정하는 단계로서 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 프로파일 생성부(120)로부터 수신한 미분 프로파일에서 상기 타겟 피크를 결정할 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 미분 프로파일의 소정의 피크 중 하나를 타겟 피크로 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(130)는 미분 프로파일에 포함된 Ta(6)를 타겟 피크로 결정할 수 있다.
제어부(130)는 미리 결정된 기준 피크의 용량 값과 타겟 피크의 용량 값을 비교한 결과에 기반하여 타겟 피크의 변화량을 결정할 수 있다.
C-rate 조절 단계(S140)는 결정된 타겟 피크의 변화량과 가스량 프로파일에 대해 미리 설정된 제어 기준을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 C-rate를 조절하는 단계로서 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
제어 기준은, 배터리의 생성시 미리 설정된 값이거나, 사용자가 미리 설정한 값일 수 있다. 실시예에 따라, 제어 기준은 제1 제어 기준 및 제2 제어 기준을 포함할 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 타겟 피크 변화량이 제1 제어 기준을 만족하는지 판단할 수 있다. 제1 제어 기준은 타겟 피크 변화량이 가스량 프로파일에서 미리 설정된 가스 발생량의 기준 값에 대응되는 제1 변화량 이하에 해당하는지를 판단하는 기준을 의미할 수 있다. 제어부(130)는 타겟 피크 변화량이 제1 제어 기준을 만족하는 경우, 배터리의 온도 및 SOC를 조절하고, C-rate를 감소시킬 수 있다.
다른 예를 들어, 제어부(130)는 타겟 피크 변화량이 제2 제어 기준을 만족하는지 판단할 수 있다. 제2 제어 기준은 타겟 피크 변화량이 음극 반응 면적 손실량의 기준 값에 대응되는 제2 변화량 이하에 해당하는지를 판단하는 기준을 의미할 수 있다. 제어부(130)는 타겟 피크 변화량이 제2 제어 기준을 만족하는 경우, C-rate를 감소시킬 수 있다.
제어부(130)는 음극 반응 면적 손실과 가스 발생량에 대한 배터리 이상을 단계적으로 진단할 수 있도록 배터리의 운용 조건을 설정할 수 있다. 배터리의 운용 조건이 단계적으로 설정되기 때문에, 배터리의 심각한 퇴화가 방지되고, 예상치 못한 화재나 폭발 등의 사고가 미연에 방지될 수 있다.
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.
1: 배터리 팩
100: 배터리 관리 장치
110: 프로파일 획득부
120: 프로파일 생성부
130: 제어부
140: 저장부
200: 측정부
300: 충방전부
100: 배터리 관리 장치
110: 프로파일 획득부
120: 프로파일 생성부
130: 제어부
140: 저장부
200: 측정부
300: 충방전부
Claims (10)
- 배터리의 가스 발생량과 소정의 피크의 변화량 간의 대응 관계를 나타내는 가스량 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부;
상기 배터리의 용량과 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일에 대한 미분 프로파일을 생성하도록 구성된 프로파일 생성부; 및
상기 프로파일 생성부로부터 수신한 프로파일에서 상기 타겟 피크의 변화량을 결정하고, 결정된 타겟 피크의 변화량과 상기 가스량 프로파일에 대해 미리 설정된 제어 기준을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 C-rate를 조절하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하고, 미리 설정된 기준 피크의 용량값과 상기 타겟 피크의 용량값을 비교한 결과에 기반하여 상기 타겟 피크의 변화량을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어 기준은,
상기 타겟 피크 변화량이 상기 가스량 프로파일에서 미리 설정된 가스 발생량의 기준 값에 대응되는 제1 변화량 이하에 해당하는지를 판단하는 제1 제어 기준; 및
상기 타겟 피크 변화량이 음극 반응 면적 손실량의 기준 값에 대응되는 제2 변화량 이하에 해당하는지를 판단하는 제2 제어 기준을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 타겟 피크 변화량이 상기 제1 제어 기준을 만족하는 경우, 상기 배터리의 온도 및 SOC를 조절하고, 상기 C-rate를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 타겟 피크 변화량이 상기 제2 제어 기준을 만족하는 경우, 상기 C-rate를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 변화량은 상기 제2 변화량 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 가스량 프로파일은,
특정 SOC에서 서로 다른 온도를 가진 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일과 상기 복수의 배터리의 가스 발생량에 기반하여 생성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 가스량 프로파일은,
상기 복수의 배터리에 대한 미분 프로파일에서 결정된 소정의 피크의 변화량과 대응되는 가스 발생량 간의 상관 관계를 나타내도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩.
- 배터리의 가스 발생량과 소정의 피크의 변화량 간의 대응 관계를 나타내는 가스량 프로파일을 획득하는 가스량 프로파일 획득 단계;
상기 배터리의 용량과 미분 전압 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일에 대한 미분 프로파일을 생성하는 미분 프로파일 생성 단계;
상기 프로파일 단계에서 생성된 프로파일에서 상기 타겟 피크의 변화량을 결정하는 타겟 피크의 변화량 결정 단계; 및
결정된 타겟 피크의 변화량과 상기 가스량 프로파일에 대해 미리 설정된 제어 기준을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 C-rate를 조절하는 C-rate 조절 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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