KR20240043846A - 배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법, 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 진단 제어 장치는 전압 센싱 회로, 저장매체 및 제어 회로를 포함한다. 제어 회로는 제1 내지 제N배터리 셀의 제1 내지 제N전압 시계열 데이터를 저장매체에 기록한다. 또한, 제어 회로는 제1 내지 제N전압 시계열 데이터로부터 제1시간에 측정된 제1전압의 세트와 제2시간에 측정된 제2전압의 세트를 선택한다. 또한, 제어 회로는, 좌표 <제1시간, 제1전압의 세트의 평균> 및 좌표 <제2시간, 제2전압의 세트의 평균>을 각각 제1평균 위치 벡터 및 제2평균 위치 벡터로서 결정한다. 또한 제어 회로는, 제2평균 위치 벡터로부터 제1평균 위치 벡터의 차이를 진단 기준 벡터로서 결정한다. 또한, 제어 회로는, 제i배터리 셀(i는 1 내지 N)에 대해, 좌표 <제1시간, 제1전압> 및 좌표 <제2시간, 제2전압>을 제1진단 위치 벡터 및 제2진단 위치 벡터로서 결정하고; 제2진단 위치 벡터로부터 제1진단 위치 벡터의 차이를 제i진단 벡터로서 결정하고; 상기 진단 기준 벡터와 상기 제i진단 벡터 사이의 외적(cross product) 크기를 기초로 제i진단 팩터를 결정하고, 상기 제i진단 팩터가 임계치를 초과하면, 상기 제i배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단할 수 있다.

Description

배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법, 배터리 팩 및 자동차{BATTERY DIAGNOSIS APPARATUS, BATTERY DIAGNOSIS METHOD, BATTERY PACK, AND VEHICLE INCLUDING THE SAME}
본 발명은, 배터리의 전압 이상을 진단하는 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장 시스템, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리, 리튬 배터리 등이 있다. 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.
최근, 고전압이 요구되는 애플리케이션(예, 에너지 저장 시스템, 전기 차량)이 널리 보급됨에 따라, 배터리 팩 내에 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 전압 이상을 정확하게 검출해내는 진단 기술의 필요성이 증대되고 있다.
배터리 셀의 전압 이상이란, 내부 단락, 외부 단락, 전압 센싱 라인의 고장, 충방전 라인과의 접속 불량 등으로 인하여, 셀 전압이 비정상적으로 강하 및/또는 상승하는 고장 상태를 의미한다.
종래에는, 서로 다른 두 시점에 측정된 셀 전압의 차이가 임계치를 초과하는지 여부를 판별하여 배터리 셀의 전압 이상을 진단하는 단순한 방법을 사용하였다. 이러한 방법은 데이터의 연산량이 많지 않으므로 고성능 프로세서를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
하지만, 배터리 셀의 전압은 배터리 셀의 온도, 전류 및/또는 SOH(State Of Health) 등에도 의존하는 것이기 때문에, 단순히 서로 다른 시점에 측정된 배터리 셀의 전압 차이와 임계치를 비교하는 과정만으로는 배터리 셀의 전압 이상을 정확하게 진단해내기 어렵다.
또한, 배터리 셀의 전압 차이가 임계치 이하이지만 배터리 셀의 전압 기울기가 비정상적인 거동을 보일 경우, 예를 들어 리튬 배터리의 음극에서 리튬 플레이팅(Li-plating)이 발생하는 경우 셀 전압의 이상을 검출할 수 없다는 한계가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 복수의 배터리 셀들 중에서 전압 이상을 나타내는 배터리 셀을 간단한 수학적 연산을 통해 신뢰성 있게 진단하기 위한 배터리 진단 장치, 배터리 진단 방법, 배터리 팩 및 자동차를 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.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 배터리 진단 장치는, 제1 내지 제N배터리 셀의 각각에 대한 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 센싱 회로; 전압 시계열 데이터를 저장하도록 구성된 저장매체; 및 상기 전압 센싱 회로 및 상기 저장매체와 동작 가능하게 결합된 제어 회로를 포함할 수 있다.
상기 제어 회로는, (a) 상기 전압 센싱 회로로부터 전압 신호를 수신하여 상기 제1 내지 제N배터리 셀의 제1 내지 제N전압 시계열 데이터를 저장매체에 기록하고, (b) 제1 내지 제N전압 시계열 데이터로부터 제1시간에 측정된 제1전압의 세트와 상기 제1시간보다 후행하는 제2시간에 측정된 제2전압의 세트를 선택하고, (c) 좌표 <제1시간, 제1전압의 세트의 평균>을 제1평균 위치 벡터로서 결정하고, 좌표 <제2시간, 제2전압의 세트의 평균>을 제2평균 위치 벡터로서 결정하고, (d) 제2평균 위치 벡터로부터 제1평균 위치 벡터의 차이를 진단 기준 벡터로서 결정하고, (e) 제i배터리 셀(i는 1 내지 N)에 대해, (i) 좌표 <제1시간, 제1전압>을 제1진단 위치 벡터로서 결정하고 좌표 <제2시간, 제2전압>을 제2진단 위치 벡터로서 결정하고 (ii) 제2진단 위치 벡터로부터 제1진단 위치 벡터의 차이를 제i진단 벡터로서 결정하고, (iii) 상기 진단 기준 벡터와 상기 제i진단 벡터 사이의 외적(cross product) 크기를 기초로 제i진단 팩터를 결정하고, (f) 상기 제i진단 팩터가 임계치를 초과하면, 상기 제i배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단할 수 있다.
일 측면에서, 상기 제1전압의 세트의 평균은 상기 제1전압의 세트의 산술 평균값이고, 상기 제2전압의 세트의 평균은 상기 제2전압의 세트의 산술 평균값일 수 있다.
다른 측면에서, 상기 제1전압의 세트의 평균은 상기 제1전압의 세트의 중앙값이고, 상기 제2전압의 세트의 평균은 상기 제2전압의 세트의 중앙값일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 제1전압의 세트의 평균은 상기 제1전압의 세트에 포함된 전압 값들 중에서 β 시그마(sigma) 이내에 있는 전압 값들의 산술 평균값 또는 중앙값이고, 상기 제2전압의 세트의 평균은 상기 제2전압의 세트에 포함된 전압 값들 중에서 β 시그마(sigma) 이내에 있는 전압 값들의 산술 평균값 또는 중앙값일 수 있다. 이 경우, 상기 β는 1 내지 3일 수 있다.
상기 제어 회로는, 상기 제i진단 팩터(i는 1 내지 N)의 평균을 기준으로 상기 임계치를 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 회로는, 상기 제i진단 팩터(i는 1 내지 N)의 평균을 mave라고 할 때, mave*α(α는 1 내지 10)에 해당하는 값을 상기 임계치로 설정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1시간과 상기 제2시간의 시간 간격은 전압 측정 주기의 정수배일 수 있다.
상기 배터리 진단 장치는, 상기 제어 회로와 동작 가능하게 결합되어 외부 디바이스와의 통신을 지원하는 인터페이스부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어 회로는 상기 제1 내지 제N배터리 셀에 대한 전압 이상의 진단 결과를 상기 인터페이스부를 통해 외부 디바이스로 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 진단 장치는, 상기 제어 회로와 동작 가능하게 결합된 인터페이스부; 및 상기 인터페이스부에 동작 가능하게 결합된 출력 디바이스;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어 회로는 상기 제1 내지 제N배터리 셀에 대한 전압 이상의 진단 결과를 상기 출력 디바이스를 통해 시각적 또는 청각적으로 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 배터리 진단 방법은, (a) 전압 센싱 회로로부터 수신된 전압 신호로부터 제1 내지 제N배터리 셀의 제1 내지 제N전압 시계열 데이터를 생성하여 저장매체에 기록하는 단계; (b) 제1 내지 제N전압 시계열 데이터로부터 제1시간 및 이보다 후행하는 제2시간에 측정된 제1전압의 세트와 제2전압의 세트를 선택하는 단계; (c) 좌표 <제1시간, 제1전압의 세트의 평균>을 제1평균 위치 벡터로서 결정하고, 좌표 <제2시간, 제2전압의 세트의 평균>을 제2평균 위치 벡터로서 결정하는 단계; (d) 제2평균 위치 벡터로부터 제1평균 위치 벡터의 차이를 진단 기준 벡터로서 결정하는 단계; (e) 제i배터리 셀(i는 1 내지 N)에 대해, (i) 좌표 <제1시간, 제1전압>을 제1진단 위치 벡터로서 결정하고 좌표 <제2시간, 제2전압>을 제2진단 위치 벡터로서 결정하고 (ii) 제2진단 위치 벡터로부터 제1진단 위치 벡터의 차이를 제i진단 벡터로서 결정하고, (iii) 상기 진단 기준 벡터와 상기 제i진단 벡터 사이의 외적(cross product) 크기를 기초로 제i진단 팩터를 결정하는 단계; 및 (f) 상기 제i진단 팩터가 임계치를 초과하면, 상기 제i배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는 또한 상술한 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩과 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 배터리 셀들 중에서 전압 이상을 나타내는 배터리 셀을 간단한 수학적 연산을 통해 용이하게 식별하여 진단할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 진단에 사용되는 계산 방식이 복잡하지 않으므로 고사양의 프로세서가 요구되지 않는다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 배터리 셀들의 평균적인 전압 변화 거동 대비 비정상 배터리 셀의 전압 변화 거동의 차이를 정량적으로 분석함으로써 전압 이상 진단의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 서로 다른 시점에 측정된 전압의 차이가 크지 않더라도 비정상적인 전압 거동을 나타내는 배터리 셀을 신뢰성 있게 식별할 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 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 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 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 총 9개의 배터리 셀에 대한 9개의 전압 시계열 데이터들을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 제1시간(tk*) 및 제2시간(tk*+1)의 전압 세트로부터 결정한 진단 기준 벡터
Figure pat00001
와 6번 배터리 셀에 대한 진단 벡터
Figure pat00002
를 도 2a의 그래프에 함께 나타낸 도면이다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따라 총 9개의 배터리 셀에 대해 제1시간(tk*) 및 제2시간(tk*+1)의 전압 세트로부터 결정한 진단 팩터들 J1,k*, J2,k*, J3,k*, J4,k*, J5,k*, J6,k*, J7,k*, J8,k* 및 J9,k*을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
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.
제1, 제2등과 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. 또한, 명세서에 기재된 <제어 회로>와 같은 구성요소는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 자동차(1)은, 배터리 팩(B), 인버터(3), 전기 모터(4) 및 차량 컨트롤러(5)를 포함한다.
자동차(1)은 배터리 팩(B)에 의해 제공되는 전기 에너지를 이용하여 모터에 의해 구동될 수 있는 차량을 의미한다. 일 예로, 자동차(1)은 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 또는 하이브리드 자동차일 수 있다.
배터리 팩(B)은, 셀 그룹(CG), 스위치(6) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
셀 그룹(CG)은, 배터리 팩(B)에 마련된 한 쌍의 전원 단자를 통해 인버터(3)에 결합될 수 있다. 셀 그룹(CG)은, 직렬 연결된 제1 내지 제N배터리 셀(BC1~BCN)을 포함한다. 여기서, N은 2 이상의 자연수로서 배터리 셀의 수를 나타낸다. 제i배터리 셀(BCi)은, 리튬 이온 배터리 셀과 같이 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. i는 배터리 셀의 식별을 위한 인덱스이다. i는 자연수로서 1 내지 N이다.
스위치(6)는, 셀 그룹(CG)에 직렬로 연결된다. 스위치(6)는, 셀 그룹(CG)의 충방전을 위한 전류 경로에 설치된다. 스위치(6)는, 배터리 관리 시스템(100)으로부터의 스위칭 신호에 응답하여, 온오프 제어된다. 스위치(6)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 릴레이이거나 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다.
인버터(3)는, 배터리 관리 시스템(100) 또는 차량 컨트롤러(5)로부터의 명령에 응답하여, 셀 그룹(CG)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하도록 제공된다. 전기 모터(4)는, 예컨대 3상 교류 모터일 수 있다. 전기 모터(4)는, 인버터(3)로부터의 교류 전력에 의해 구동된다.
배터리 관리 시스템(100)은, 자동차(1)이 운행되는 동안 셀 그룹(CG)의 충방전과 관련된 전반적인 제어를 담당하도록 제공된다. 여기서, 자동차(1)의 운행은 자동차(1)의 이동, 주차 또는 신호 대기 등을 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)은, 배터리 진단 장치(200)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은, 전류 센서(310), 온도 센서(320) 및 인터페이스부(330) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
배터리 진단 장치(200)는, 자동차(1)이 운행되는 동안 제1 내지 제N배터리 셀(BC1~BCN)의 전압 이상을 진단하도록 제공된다. 배터리 진단 장치(200)는, 전압 센싱 회로(210) 및 제어 회로(220)를 포함한다.
전압 센싱 회로(210)는, 복수의 전압 센싱 라인을 통해, 제1 내지 제N 배터리 셀(BC1~BCN) 각각의 양극 및 음극에 연결된다. 전압 센싱 회로(210)은, 자동차(1)이 운행되는 동안 제어 회로(220)의 통제 하에서 일정한 시간 간격마다 제i배터리 셀(BCi)의 양단에 걸친 셀 전압을 측정하고, 측정된 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다.
전압 센싱 회로(210)는 당업계에 알려진 통상의 전압 측정 회로를 포함할 수 있다. 전압 측정 회로는 전압 측정의 대상이 되는 배터리 셀을 시간 간격을 두고 순차적으로 선택할 수 있는 멀티플렉싱 회로 수단, 전압 측정 신호에서 잡음을 제거하는 필터 수단, 전압 측정 신호를 증폭하는 증폭 회로 수단 등을 포함할 수 있다.
전류 센서(310)는, 전류 경로를 통해 셀 그룹(CG)에 직렬로 연결된다. 전류 센서(310)는, 자동차(1)이 운행되는 동안 제어 회로(220)의 통제 하에서 일정한 시간 간격보다 셀 그룹(CG)를 통해 흐르는 배터리 전류를 검출하고, 검출된 배터리 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성된다.
전류 센서(310)는 당업계에 알려진 통상의 센서, 예컨대 센스 저항 또는 홀(hall) 센서일 수 있다. 셀 그룹(GC)을 통해 흐르는 전류는 충전 전류 또는 방전전류일 수 있다.
온도 센서(320)는, 자동차(1)이 운행되는 동안 제어 회로(220)의 통제 하에서 일정한 시간 간격마다 셀 그룹(CG)의 온도를 검출하고, 검출된 온도를 나타내는 온도 신호를 생성하도록 구성된다.
온도 센서(320)는 당업계에 알려진 통상의 센서, 예컨대 열전대(thermocouple)일 수 있다. 온도 센서(320)는 제i배터리 셀(BCi)의 온도를 독립적으로 측정할 수 있도록 배터리 팩(B) 내의 복수 지점에 설치될 수 있다.
제어 회로(220)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어 회로(220)는, 저장매체(221)를 가질 수 있다. 저장매체(221)는, 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체일 수 있다.
저장매체(221)는, 제어 회로(220)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 저장매체(221)는, 제어 회로(220)에 의한 연산 동작의 결과, 예컨대 진단 결과를 나타내는 데이터를 타임 스탬프와 함께 누적적으로 저장할 수 있다.
제어 회로(220)는, 전압 센싱 회로(210), 온도 센서(320), 전류 센서(310), 인터페이스부(330) 및/또는 스위치(6)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 제어 회로(220)는, 자동차(1)이 운행되는 동안 일정한 시간 간격으로 센싱 신호를 전압 센싱 회로(210), 전류 센서(310) 및 온도 센서(320)로부터 수집할 수 있다. 센싱 신호는, 동기 검출된 전압 신호, 전류 신호 및/또는 온도 신호를 지칭한다. 제어 회로(220)는 각 배터리 셀(BCi)의 전압 및/또는 전류 및/또는 온도에 관한 시계열 데이터의 생성을 위해, 전압 신호 및/또는 전류 신호 및/또는 온도 신호를 디지털 데이터로 변환하여 저장매체(221)에 누적해서 저장할 수 있다. 따라서, 저장매체(221)에는 제i배터리 셀(BCi)의 전압, 배터리 팩(B)을 통해 흐르는 전류 및 온도에 관한 시계열 데이터가 누적해서 저장될 수 있다.
전압에 대한 시계열 데이터는 전압의 측정 횟수에 상응하는 수의 전압 데이터들을 포함할 수 있다. 하나의 전압 데이터는 측정 시간과 측정된 전압 값을 포함한다. 전류에 대한 시계열 데이터는 전류의 측정 횟수에 상응하는 수의 전류 데이터를 포함한다. 하나의 전류 데이터는 측정 시간과 측정된 전류 값을 포함한다. 온도에 대한 시계열 데이터는 온도의 측정 횟수에 상응하는 수의 온도 데이터를 포함한다. 하나의 온도 데이터는 측정 시간과 측정된 온도 값을 포함한다.
제어 회로(220)는 전류 센서(310)을 통해 측정된 전류의 크기와 부호를 참조함으로써 제i배터리 셀(BCi)이 충전 중인지, 방전 중인지 또는 무부하 상태에 있는지 식별할 수 있다.
구체적으로, 제어 회로(220)는 전류 센서(310)를 통해 측정한 전류의 크기가 0 일 때, 배터리 셀이 무부하 상태에 있다고 식별할 수 있다. 또한, 제어 회로(220)는 전류 센서(310)를 통해 측정한 전류의 크기가 0 보다 크고 전류 값의 부호가 양수일 때 배터리 셀이 방전 중인 것으로 식별할 수 있다. 또한, 제어 회로(220)는 전류 센서(310)를 통해 측정한 전류의 크기가 0 보다 크고 전류 값의 부호가 음수일 때 배터리 셀이 충전 중인 것으로 식별할 수 있다.
인터페이스부(330)는, 제어 회로(220)와 차량 컨트롤러(5)(예, ECU: Electronic Control Unit) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성되는 통신 회로를 포함할 수 있다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: controller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비(ZigBee)나 블루투스(Bluetooth) 통신일 수 있다. 물론, 제어 회로(220)와 차량 컨트롤러(5) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프로토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.
인터페이스부(330)는, 차량 컨트롤러(5) 및/또는 제어 회로(220)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(331)와 동작 가능하게 결합될 수 있다. 출력 디바이스(331)는 디스플레이(331a)와 스피커(331b)를 포함할 수 있다.
인터페이스부(330)는 출력 디바이스(331)를 통해 진단 결과를 시각적 또는 청각적으로 출력하기 위해 영상 I/O 인터페이스 및/또는 오디오 I/O 인터페이스를 포함할 수 있다.
차량 컨트롤러(5)는, 배터리 관리 시스템(100)과의 통신을 통해 수집되는 배터리 정보(예, 전압, 전류, 온도, SOC)를 기초로, 인버터(3)를 제어할 수 있다.
제어 회로(220)는, 자동차(1)이 운행되는 동안, 전압 센싱 회로(210)에 의해 측정된 제i배터리 셀(BCi)의 전압에 대한 시계열 데이터를 저장매체(221)에 기록하고, 해당 시계열 데이터를 이용하여 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다.
구체적으로, 제어 회로(220)는 제1 내지 제N배터리 셀(BC1~BCN)이 충전 또는 방전되는 동안 전압 센싱 회로(210)로부터 전압 신호를 주기적으로 수신하여 제1 내지 제N배터리 셀(BC1~BCN)의 제1 내지 제N전압 시계열 데이터를 저장매체(221)에 기록한다.
제어 회로(220)는 제1 내지 제N전압 시계열 데이터의 각각에 포함된 전압 데이터의 수량이 미리 설정된 수 n에 도달되면 제1 내지 제N배터리 셀(BC1~BCN)의 전압 이상 진단을 개시할 수 있다. 여기서, n은 수 백 내지 수 천일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제어 회로(220)는 진단이 개시되면 k번째 진단 사이클에서 제1 내지 제N전압 시계열 데이터로부터 제1시간(tk)에 측정된 제1전압(Vi,k)의 세트와 상기 제1시간(tk)보다 후행하는 제2시간(tk+1)에 측정된 제2전압(Vi,k+1)의 세트를 선택한다.
제1시간(tk) 및 제2시간(tk+1)은 전압이 측정된 시간을 나타낸다. 제1전압(Vi,k)의 세트와 제2전압(Vi,k+1)의 세트를 나타낸 기호 중에서 아래 첨자 i는 1 내지 N의 자연수이다. 따라서, 제1전압(Vi,k)의 세트 및 제2전압(Vi,k+1)의 세트는 각각 총 N 개의 전압 값을 포함한다.
k는 진단 사이클에 대한 인덱스로서, 진단 사이클이 복수 회 반복될 때 각 진단 사이클을 구별하기 위한 변수이다. 제1 내지 제N전압 시계열 데이터의 각각은 총 n 개의 전압 값을 포함하고 있다. 일 예에서, k는 1 내지 n-1의 값을 가지며, 진단 사이클이 증가함에 따라 1부터 n-1까지 1씩 증가할 수 있다. 즉, 최초 진단 사이클에서 k는 1이고, 진단 사이클이 하나씩 증가할 때마다 k는 2 부터 n-1까지 순차적으로 증가할 수 있다. k가 1부터 n-1까지 변화하므로 진단 사이클의 진행 횟수는 n-1이다.
실시예에서, 제1시간(tk) 및 제2시간(tk+1) 사이의 간격은 전압 측정 주기에 해당한다. 대안적으로, 제1시간(tk) 및 제2시간(tk+1) 사이의 간격은 전압 측정 주기의 정수배일 수 있다. 이 경우, 제1 내지 제N전압 시계열 데이터로부터 제1전압(Vi,k)의 세트 및 제2전압(Vi,k+1)의 세트가 샘플링되는 시간 간격이 증가하므로 진단 사이클의 수는 n-1보다 줄어든다. 일 예에서, 제1시간(tk) 및 제2시간(tk+1) 사이의 간격이 전압 측정 주기의 m배일 때 진단 사이클의 수는 'n-1/m'으로 감소한다. 진단 사이클에 관한 분수식의 계산 결과에서 소수 점은 절사할 수 있다.
제어 회로(220)는 제1 내지 제N전압 시계열 데이터로부터 제1전압(Vi,k)의 세트와 제2전압(Vi,k+1)의 세트를 선택하고 나서 좌표 <제1시간(tk), 제1전압(Vi,k)의 세트의 평균(Vk,ave)>을 제1평균 위치 벡터로서 결정하고 <제2시간(tk+1), 제2전압(Vi,k+1)의 세트의 평균(Vk+1,ave)>을 제2평균 위치 벡터로서 결정한다.
실시예에서, <제1시간(tk), 제1전압(Vi,k)의 세트의 평균(Vk,ave)> 및 <제2시간(tk+1), 제2전압(Vi,k+1)의 세트의 평균(Vk+1,ave)>은 2차원 벡터 좌표에 해당한다.
이하, <제1시간(tk), 제1전압(Vi,k)의 세트의 평균(Vk,ave)>은 <tk,Vk,ave)>로 나타내고, <제2시간(tk+1), 제2전압(Vi,k+1)의 세트의 평균(Vk+1,ave)>은 <tk+1, Vk,ave>로 간략하게 나타낸다.
상기 제1평균 위치 벡터 및 상기 제2평균 위치 벡터를 각각
Figure pat00003
및
Figure pat00004
로 나타낼 때,
Figure pat00005
및
Figure pat00006
는 다음 수식 1과 같이 나타낼 수 있다.
수식 1:
Figure pat00007
Figure pat00008
일 측면에서, 제1전압(Vi,k)의 세트의 평균 Vk,ave는 제1전압(Vi,k)의 세트의 산술 평균값일 수 있다. 유사하게, 제2전압(Vi,k+1)의 세트의 평균 Vk+1,ave는 제2전압(Vi,k+1)의 세트의 산술 평균값일 수 있다.
다른 측면에서, 제1전압(Vi,k)의 세트의 평균 Vk,ave는 제1전압(Vi,k)의 세트의 중앙값일 수 있다. 유사하게, 제2전압(Vi,k+1)의 세트의 평균 Vk+1,ave는 제2전압(Vi,k+1)의 세트의 중앙값일 수 있다.
또 다른 측면에서, 제1전압(Vi,k)의 세트의 평균 Vk,ave는 제1전압(Vi,k)의 세트에 포함된 전압 값들 중에서 β 시그마(sigma) 이내에 있는 전압 값들의 산술 평균값 또는 중앙값일 수 있다. 유사하게, 제2전압(Vi,k+1)의 세트의 평균 Vk+1,ave는 제2전압(Vi,k+1)의 세트에 포함된 전압 값들 중에서 β 시그마(sigma) 이내에 있는 전압 값들의 산술 평균값 또는 중앙값일 수 있다. 상기 β는 1 내지 3이고, 시그마는 전압 세트에 포함된 전압 값들의 표준편차이다.
제어 회로(220)는 제1평균 위치 벡터
Figure pat00009
및 제2평균 위치 벡터
Figure pat00010
를 결정한 후, 제2평균 위치 벡터
Figure pat00011
로부터 제1평균 위치 벡터
Figure pat00012
의 차이를 진단 기준 벡터
Figure pat00013
로서 결정할 수 있다.
진단 기준 벡터
Figure pat00014
는 다음 수식 2와 같이 나타낼 수 있다.
수식 2:
Figure pat00015
Figure pat00016
제어 회로(220)는 진단 기준 벡터 ㅊ를 결정하는 것과 별개로, 제i배터리 셀(BCi, i는 1 내지 N)에 대해 진단 벡터
Figure pat00017
를 결정한다. i가 1 내지 N이므로, 진단 벡터
Figure pat00018
의 수는 N 개이다.
진단 벡터
Figure pat00019
의 결정 방법은 진단 기준 벡터
Figure pat00020
의 결정 방법과 유사하다. 즉, 제어 회로(220)는 제i배터리 셀(BCi, i는 1 내지 N)에 대해서 <제1시간, 제1전압>에 해당하는 <tk, Vi,k>을 제1진단 위치 벡터
Figure pat00021
로서 결정하고 <제2시간, 제2전압>에 해당하는 <tk+1, Vi,k+1>을 제2진단 위치 벡터
Figure pat00022
로서 결정한다. 또한, 제2진단 위치 벡터
Figure pat00023
로부터 제1진단 위치 벡터
Figure pat00024
의 차이를 제i진단 벡터
Figure pat00025
로서 결정한다. 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00026
는 다음 수식 3과 같이 나타낼 수 있다.
수식 3:
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
제어 회로(220)는 제i배터리 셀(BCi)의 전압 이상을 진단하기 위해 진단 기준 벡터
Figure pat00030
와 제i진단 벡터
Figure pat00031
사이의 외적
Figure pat00032
의 크기를 기초로 제i진단 팩터를 결정한다.
외적
Figure pat00033
는 다음 수식 4와 같이 행렬을 이용하여 간단하게 계산될 수 있다.
수식 4:
Figure pat00034
Figure pat00035
Figure pat00036
Figure pat00037
수식 4에 있어서, i, j, k는 각각 3차원 좌표계의 단위 벡터로서, 좌표 <1,0,0>, <0,1,0> 및 <0,0,1>로 나타낼 수 있다.
또한, 외적
Figure pat00038
의 크기는 다음 수식 5와 같이 나타낼 수 있다.
수식 5:
Figure pat00039
수식 5에 있어서,
Figure pat00040
는 일정한 상수로 간주할 수 있다. 따라서, 제i배터리 셀(BCi)에 대한 제i진단 팩터는 실질적으로 Vi,k+1, Vi,k, Vk+1,ave 및 Vk,ave에 의존하는 함수로 나타낼 수 있다.
제i진단 팩터를 Ji,k라는 함수로 표현할 때, 제i진단 팩터 Ji,k는 근사적으로 수식 6과 같이 나타낼 수 있다.
수식 6:
Figure pat00041
한편, 벡터 이론에 따르면, 2개의 벡터 사이의 외적 크기는 2개의 벡터에 의해 형성되는 평형사변형의 넓이에 해당한다. 즉, 외적
Figure pat00042
의 크기는 다음 수식 7로 나타낼 수 있다.
수식 7:
Figure pat00043
수식 7에서, θ는 두 벡터 사이의 각도에 해당한다. 사인 함수의 특징에 따라, 두 벡터 사이의 각도가 작을수록 외적의 크기는 0에 가까워진다. 참고로, θ가 0도부터 90까지 증가할 때 Sinθ는 0부터 1까지 증가하고, θ가 90도부터 180도까지 증가할 때 Sinθ는 1부터 0까지 다시 감소한다.
따라서, 제i배터리 셀(BCi)에 대한 제i진단 팩터 Ji,k는 진단 기준 벡터
Figure pat00044
와 제i배터리 셀(BCi)에 대한 제i진단 벡터
Figure pat00045
사이의 평행한 정도를 정량적으로 나타내는 지표로 사용될 수 있다. 즉, 제i진단 팩터 Ji,k가 작으면 작을수록 진단 기준 벡터
Figure pat00046
와 제i진단 벡터
Figure pat00047
사이의 각도가 0도에 가까워지므로 두 벡터의 평행 정도가 크다고 볼 수 있다.
만약, 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내지 않는다면, 제i진단 벡터
Figure pat00048
와 진단 기준 벡터
Figure pat00049
사이의 각도가 매우 작을 것이므로 제i진단 팩터 Ji,k는 0에 가까운 작은 값을 가진다. 제i배터리 셀(BCi)이 정상이면, 다른 배터리 셀들과 비슷한 전압 거동을 나타낼 것이기 때문이다. 반대로, 전압 이상을 나타내는 제i배터리 셀(BCi)이 다른 배터리 셀들과 달리 비정상적인 전압 변화 거동을 나타내면, 제i진단 벡터
Figure pat00050
와 진단 기준 벡터
Figure pat00051
사이의 각도가 증가할 것이므로 제i진단 팩터 Ji,k는 무시할 수 없는 수준으로 그 값이 증가할 수 있다.
제어 회로(220)는 위와 같은 제i진단 팩터 Ji,k의 특성을 이용하여 제i배터리 셀(BCi)의 전압 이상 여부를 진단할 수 있다. 즉, 제어 회로(220)는 제i진단 팩터 Ji,k가 임계치를 초과하면, 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단할 수 있다.
제어 회로(220)는 제i진단 팩터 Ji,k(i는 1 내지 N)의 평균을 기준으로 임계치를 설정할 수 있다.
일 예에서, 제어 회로(220)는 제i진단 팩터 Ji,k의 평균을 mave라고 정의할 때 mave*α에 해당하는 값을 임계치로서 설정할 수 있다. 여기서, 평균은 진단 팩터들에 대한 산출 평균값 또는 중앙값, 또는 진단 팩터들 중에서 β 시그마 이내에 속하는 진단 팩터들에 대한 평균값 또는 중앙값일 수 있다. α는 1 내지 10, 바람직하게는 3 내지 4일 수 있다. 하지만, 본 발명은 α에 할당된 구체적인 수치에 의해 한정되지 않는다.
대안적으로, 상기 임계치는 반복실험(trial & error)을 통해서 미리 설정한 값일 수 있다. 즉, 실제로 전압 이상을 나타내는 배터리 셀에 대한 진단 팩터를 실험을 통해 결정하고, 실험에서 확인된 진단 팩터보다 수% 내지 수십% 낮은 값으로 임계치를 설정할 수 있다. 이 경우, 임계치는 저장매체(221)에 미리 기록될 수 있고, 제어 회로(220)는 저장매체(221)에 기록된 임계치를 참조할 수 있다.
제어 회로(220)는 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단된 경우, 진단 결과를 저장매체(221)에 기록할 수 있다. 진단 결과는 제i배터리 셀(BCi)의 전압 이상이 진단된 시점과 전압 이상이 나타난 배터리 셀의 식별정보(일련번호 등)를 포함할 수 있다. 복수의 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단된 경우, 진단 결과는 전압 이상을 나타내는 각 배터리 셀의 진단 시점과 식별정보를 포함할 수 있다.
제어 회로(220)는 또한 진단 결과를 인터페이스부(330)에 동작 가능하게 결합된 출력 디바이스(331)를 통해 시각적 또는 청각적으로 출력할 수 있다.
일 예에서, 제어 회로(220)는 진단 결과를 디스플레이(331a)를 통해 그래픽 유저 인터페이스로 출력할 수 있다. 다른 예에서, 제어 회로(220)는 진단 결과를 스피커(331b)를 통해 음성으로 출력할 수 있다. 바람직하게, 진단 결과는 배터리 팩(B)의 정밀 점검이 필요하다는 경고 메시지를 포함할 수 있다. 진단 결과가 시각적 또는 청각적으로 출력될 때, 전압 이상이 진단된 시점과 배터리 셀의 식별 정보는 제외하고 경고 메시지만 출력되는 것도 가능하다.
제어 회로(220)는 또한 진단 결과를 인터페이스부(330)가 지원하는 유무선 통신을 통해 외부 다바이스로 전송할 수 있다.
일 예에서, 외부 디바이스는 차량 컨트롤러(5)일 수 있다. 차량 컨트롤러(5)가 진단 결과를 전송받으면, 자동차(1)에 탑재된 통합 디스플레이 패널을 통해 경고 메시지를 그래픽 유저 인터페이스로 출력할 수 있다. 이 경우, 운전자는 자동차(1)를 서비스 센터에 입고시켜 배터리 팩(B)에 대한 정밀 검사를 진행할 수 있다. 정밀 검사를 통해 전압 이상을 나타낸 배터리 셀이 확인된 경우 해당 배터리 셀을 다른 배터리 셀로 교체할 수 있다.
다른 예에서, 외부 디바이스는 인터페이스부(330)를 통해 연결된 온-보드(0n-board) 진단 디바이스(미도시)일 수 있다. 온-보드 진단 디바이스는 자동차(1)에 포함된 각종 부품의 상태를 점검하는 디바이스이다. 온-보드 진단 디바이스가 인터페이스부(330)를 통해 접속되면, 제어 회로(220)는 저장매체(221)에 저장된 배터리 셀의 전압 이상에 관한 진단 결과를 독출하여 인터페이스부(330)를 통해 온-보드 진단 디바이스 측으로 전송할 수 있다. 그러면, 오퍼레이터는 온-보드 진단 디바이스의 디스플레이를 통해 출력되는 진단 결과를 인식하고 배터리 팩(B)에 대한 정밀 검사를 시행할 수 있다. 또한 오퍼레이터는 전압 이상을 나타낸 배터리 셀이 확인되면 해당 배터리 셀을 다른 배터리 셀로 교체할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 총 9개의 배터리 셀에 대한 9개의 전압 시계열 데이터들을 나타낸 그래프이다. 도면에서, 세로 점선들은 복수의 전압 측정 시점들을 표시한 것이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 총 9개의 배터리 셀 중에서 ID가 6번인 배터리 셀은 음극에서 리튬 플레이팅이 발생하여 전압 시계열 데이터(ID#6)의 49070초 내지 49080초 사이의 시간 구간에서 다른 배터리 셀들과 달리 비정상적인 전압 변화 거동을 나타낸다(점선원 참조). 즉, 6번 배터리 셀을 제외한 다른 배터리 셀들은 전압이 선형적으로 증가하는 패턴을 보이지만, 6번 배터리 셀은 49070초 내지 49080초 구간에서 전압의 기울기가 갑자기 변동되는 특징을 보인다. 참고로, 동일한 측정 시점을 기준으로 9개 배터리 셀들의 전압이 조금씩 다른 이유는 배터리 셀들의 퇴화도가 서로 다르기 때문이다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 진단 장치(200)는 도 2a에 도시된 것과 같은 전압 시계열 데이터들이 저장매체(221)에 저장된 이후에 6번 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단할 수 있다.
구체적으로, 제어 회로(220)는 첫번째 진단 사이클에서 제1시간(t1) 및 제2시간(t2)에서 측정된 제1전압(Vi,1, i는 1 내지 9)의 세트와 제2전압(Vi,2, , i는 1 내지 9)의 세트로부터 결정된 진단 기준 벡터
Figure pat00052
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00053
를 이용하여 제i배터리(BCi)의 제i진단 팩터 Ji,1를 결정하고, 진단 팩터 Ji,1가 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상(BCi)을 나타내는지 진단할 수 있다. i는 1 내지 9이므로, 첫 번째 진단 사이클에서 총 9 개의 배터리 셀들 각각에 대해 전압 이상 진단이 독립적으로 이루어진다.
유사하게, 제어 회로(220)는 두번째 진단 사이클에서 제1시간(t2) 및 제2시간(t3)에서 측정된 제1전압(Vi,2, i는 1 내지 9)의 세트와 제2전압(Vi,3, i는 1 내지 9)의 세트로부터 결정된 진단 기준 벡터
Figure pat00054
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00055
를 이용하여 제i배터리(BCi)의 제i진단 팩터 Ji,2를 결정하고, 진단 팩터 Ji,2가 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다. i는 1 내지 9이므로, 두 번째 진단 사이클에서도 총 9 개의 배터리 셀들 각각에 대해 전압 이상 진단이 독립적으로 이루어진다.
유사하게, 제어 회로(220)는 임의의 k번째 진단 사이클에서 제1시간(tk) 및 제2시간(tk+1)에서 측정된 제1전압(Vi,k, i는 1 내지 9)의 세트와 제2전압(Vi,k+1, i는 1 내지 9)의 세트로부터 결정된 진단 기준 벡터
Figure pat00056
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00057
를 이용하여 제i배터리(BCi)의 제i진단 팩터 Ji,k를 결정하고, 진단 팩터 Ji,k가 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다. i는 1 내지 9이므로, k번째 진단 사이클에서도 총 9 개의 배터리 셀들 각각에 대해 전압 이상 진단이 독립적으로 이루어진다.
마지막으로, 제어 회로(220)는 n-1번째 진단 사이클에서 제1시간(tn-1) 및 제2시간(tn)에서 측정된 제1전압(Vi,n-1, i는 1 내지 9)의 세트와 제2전압(Vi,n, i는 1 내지 9)의 세트로부터 결정된 진단 기준 벡터
Figure pat00058
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00059
를 이용하여 제i배터리(BCi)의 제i진단 팩터 Ji,n-1를 결정하고, 진단 팩터 Ji,n-1이 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다. i는 1 내지 9이므로, n-1 번째 진단 사이클에서도 총 9 개의 배터리 셀들 각각에 대해 전압 이상 진단이 독립적으로 이루어진다.
한편, 6번 배터리 셀은 복수의 전압 측정 시점들 중에서 제1시간(tk*) 및 제2시간(tk*+1) 구간에서 전압이 갑자기 감소하면서 전압의 변화 기울기가 양에서 음으로 전환되는 비정상적인 전압 변화 거동을 보인다. 따라서, 제1시간(tk*) 및 제2시간(tk*+1)에서 선택된 전압 세트로부터 결정된 6번 배터리 셀의 진단 팩터 J6,k*는 다른 배터리 셀들의 진단 팩터들, 즉 J1,k*, J2,k*, J3,k*, J4,k*, J5,k*, J7,k*, J8,k*, J9,k* 보다 큰 특징을 나타낼 수 있다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 제1시간(tk*) 및 제2시간(tk*+1)의 전압 세트로부터 결정한 진단 기준 벡터
Figure pat00060
와 6번 배터리 셀에 대한 진단 벡터
Figure pat00061
를 도 2a의 그래프에 함께 나타낸 도면이다.
도시된 것과 같이, 진단 기준 벡터
Figure pat00062
와 6번 배터리 셀의 진단 벡터
Figure pat00063
사이의 각도는 대략 90도에 가깝게 상당히 크다. 즉, 진단 기준 벡터
Figure pat00064
와 6번 배터리 셀의 진단 벡터
Figure pat00065
사이의 평행 정도는 상당히 낮다. 따라서, 6번 배터리 셀의 진단 팩터 J6,k*는 다른 배터리 셀들의 진단 팩터에 비해 상당히 큰 값을 가질 것임은 자명하다.
도 2c는 6번 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 제1시간(tk*) 및 제2시간(tk*+1)의 전압 세트로부터 결정한 진단 팩터들 J1,k*, J2,k*, J3,k*, J4,k*, J5,k*, J6,k*, J7,k*, J8,k* 및 J9,k*을 나타낸 그래프이다.
도 2c를 참조하면, 진단 팩터들의 평균 Jave는 산술 평균값을 기준으로 대략 0.00078이다. 1번 내지 5번 배터리 셀, 그리고 7번 내지 9번 배터리 셀의 진단 팩터들은 평균 대비 큰 편차를 보이지 않지만, 6번 배터리 셀의 진단 팩터는 평균 대비 3배 이상의 큰 값을 가진다. 따라서, 배터리 셀의 전압 이상을 진단하는 기준으로 사용되는 임계치를 진단 팩터의 평균 대비 2배로 설정하면 제1시간(tk*) 및 제2시간(tk*+1) 구간에서 6번 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단할 수 있다. 이 경우, 제어 회로(220)는 6번 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단된 시간 tk*와 배터리 셀의 식별정보(ID 6번)를 진단 결과로서 저장매체(221)에 기록할 수 있다. 또한, 제어 회로(220)는 경고 메시지를 포함하는 진단 결과를 인터페이스부(330)에 동작 가능하게 결합된 출력 디바이스(331)를 통해 시각적 또는 청각적으로 출력할 수 있다. 또한, 제어 회로(220)는 진단 결과를 인터페이스부(330)를 통해 외부 디바이스로 전송할 수 있다.
제어 회로(220)는 상술한 배터리 셀의 전압 이상에 관한 진단 로직을 배터리 팩(B)에 포함된 전체 배터리 셀에 대해 주기적으로 실행할 수 있다. 또한, 제어 회로(220)는 전체 배터리 셀에 대한 진단 로직을 실행함에 있어서 미리 정해진 순서에 따라 각 배터리 셀에 대한 진단 로직을 각 배터리 셀마다 독립적으로 실행할 수 있다.
제어 회로(220)는 또한 미리 설정된 n개의 셀 전압에 대한 시계열 데이터를 획득하기 전에 상술한 배터리 셀의 전압 이상에 관한 진단 로직을 셀 전압의 측정과 연계시켜 실시간으로 실행할 수 있다.
구체적으로, 제어 회로(220)는 첫번째 전압 측정 시점(t1) 및 두번째 전압 측정 시점(t2)이 경과된 직후에 제1시간(t1)에 측정된 제1전압(Vi,1)의 세트와 제2시간(t2)에 측정된 제2전압(Vi,2)의 세트를 이용하여 진단 기준 벡터
Figure pat00066
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00067
를 결정하고, 진단 기준 벡터
Figure pat00068
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00069
를 이용하여 제i배터리(BCi)의 제i진단 팩터 Ji,1를 결정하고, 진단 팩터 Ji,1가 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다.
유사하게, 제어 회로(220)는 두번째 전압 측정 시점(t2) 및 세번째 전압 측정 시점(t3)이 경과된 직후에 제1시간(t2)에 측정된 제1전압(Vi,2)의 세트와 제2시간(t3)에 측정된 제2전압(Vi,3)의 세트를 이용하여 진단 기준 벡터
Figure pat00070
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00071
를 결정하고, 진단 기준 벡터
Figure pat00072
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00073
를 이용하여 제i배터리(BCi)의 제i진단 팩터 Ji,2를 결정하고, 진단 팩터 Ji,2가 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다.
유사하게, 제어 회로(220)는 임의의 k번째 전압 측정 시점(tk) 및 k+1번째 전압 측정 시점(tk+1)이 경과된 직후에 제1시간(tk)에 측정된 제1전압(Vi,k)의 세트와 제2시간(tk+1)에 측정된 제2전압(Vi,k+1)의 세트를 이용하여 진단 기준 벡터
Figure pat00074
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00075
를 결정하고, 진단 기준 벡터
Figure pat00076
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00077
를 이용하여 제i배터리(BCi)의 제i진단 팩터 Ji,k를 결정하고, 진단 팩터 Ji,k가 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다.
마지막으로, 제어 회로(220)는 n-1번째 전압 측정 시점(tn-1) 및 n번째 전압 측정 시점(tn)이 경과된 직후에 제1시간(tn-1)에 측정된 제1전압(Vi,n-1)의 세트와 제2시간(tn)에 측정된 제2전압(Vi,n)의 세트를 이용하여 진단 기준 벡터
Figure pat00078
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00079
를 결정하고, 진단 기준 벡터
Figure pat00080
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00081
를 이용하여 제i배터리(BCi)의 제i진단 팩터 Ji,n-1를 결정하고, 진단 팩터 Ji,n-1이 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 진단 장치(200)는 배터리 관리 시스템(100), 부하장치의 제어 시스템(미도시) 또는 자동차(1)나 배터리 팩(B)의 정비 센터에 구비된 진단 시스템 등에 포함될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제어 회로(220)은 상술한 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, 상기 제어 로직들이 소프트웨어로 구현될 때, 제어 회로(220)은 프로그램 모듈의 집합을 실행하는 프로세서로 대체될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 저장매체(221)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
또한, 제어 회로(220)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이하에서는, 상술한 본 발명의 배터리 진단 장치(200)를 이용한 배터리 진단 방법을 상세히 설명한다. 일 실시예에서, 배터리 진단 방법은 자동차(1)이 운행되는 동안 배터리 진단 장치(200)에 의해 실시될 수 있다. 제어 회로(220)의 동작은 배터리 진단 방법의 다양한 실시예(들)에서 보다 구체적으로 설명될 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 3의 진단 방법은 배터리 팩(B)에 포함된 각 배터리 셀에 대해서 제어 회로(220)에 의해 미리 설정된 진단 주기마다 반복적으로 실행될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제어 회로(220)는 진단이 시작되면 단계 S10에서 전압 센싱 회로(210)를 제어하여 제1 내지 제N배터리 셀(BC1~BCN)의 전압을 일정한 시간 간격(△t)으로 반복 측정하여 제1 내지 제N전압 시계열 데이터를 생성하여 저장매체(221)에 기록한다. 제i전압 시계열 데이터는 제i배터리 셀(BCi)에 대한 전압 시계열 데이터에 해당한다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S20에서 진단 사이클에 관한 인덱스 k에 1을 할당하여 인덱스 k를 초기화한다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S30에서 저장매체(221)에 기록된 제1 내지 제N전압 시계열 데이터로부터 제1시간(tk)에 측정된 제1전압(Vi,k)의 세트와 상기 제1시간(tk)보다 후행하는 제2시간(tk+1)에 측정된 제2전압(Vi,k+1)의 세트를 선택한다. i는 1 내지 N이다. 따라서, 제1전압(Vi,k)의 세트에 포함된 전압 값의 수는 N개이다. 마찬가지로, 제2전압(Vi,k+1)의 세트에 포함된 전압 값의 수 또한 N 개이다. k의 현재 할당 값은 1이다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S40에서 좌표 <tk, Vk,ave>를 제1평균 위치 벡터
Figure pat00082
로서 결정하고, 좌표 <tk+1, Vk+1,ave>을 제2평균 위치 벡터
Figure pat00083
로서 결정한다.
제1전압(Vi,k)의 세트의 평균 Vk,ave 및 제2전압(Vi,k+1)의 세트의 평균 Vk+1,ave에 대한 여러 가지 실시 양태는 상술하였다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S50에서 제2평균 위치 벡터
Figure pat00084
로부터 제1평균 위치 벡터
Figure pat00085
의 차이를 진단 기준 벡터
Figure pat00086
로서 결정한다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S60에서 셀 인덱스 i에 1을 할당하여 셀 인덱스를 초기화한다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S70에서 좌표 <tk, Vi,k>를 제i배터리 셀(BCi)에 대한 제1진단 위치 벡터
Figure pat00087
로서 결정하고 좌표 <tk+1, Vi,k+1>을 제i배터리 셀(BCi)에 대한 제2진단 위치 벡터
Figure pat00088
로서 결정한다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S80에서 제2진단 위치 벡터
Figure pat00089
로부터 제1진단 위치 벡터
Figure pat00090
의 차이를 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00091
로서 결정한다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S90에서 수식 4 내지 6을 이용하여 진단 기준 벡터
Figure pat00092
와 제i진단 벡터
Figure pat00093
사이의 제i외적(cross product) 크기를 기초로 제i진단 팩터 Ji,k를 결정한다.
이어서, 제어 회로(220)는 단계 S100에서 제i진단 팩터 Ji,k가 임계치를 초과하는지 판단한다. 임계치 설정에 관한 다양한 실시 양태는 이미 상술하였다.
단계 S100의 판단이 YES이면, 제어 회로(220)는 단계 S110에서 진단 결과를 저장매체(221)에 기록한다. 진단 결과는 배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단된 시간(tk)과 배터리 셀의 식별정보를 포함한다. 식별정보는 배터리 셀의 ID로서 셀 인덱스일 수 있다.
단계 S100의 판단이 NO이면, 제어 회로(220)는 단계 S120에서 셀 인덱스 i가 배터리 셀들의 총 수인 N과 동일한지 판단한다.
단계 S120의 판단이 NO이면, 제어 회로(220)는 단계 S130에서 셀 인덱스 i를 1 증가시킨 후 프로세스를 단계 S70으로 복귀시켜 단계 S70 내지 단계 S110을 다시 반복함으로써 다음 진단 대상이 되는 배터리 셀의 전압 이상 여부를 진단한다. 셀 인덱스 i에는 2가 할당되어 있으므로, 제어 회로(220)는 제2배터리 셀(BC2)에 대한 전압 이상 여부를 진단한다. 단계 S70 내지 단계 S110의 반복적인 실행은 단계 S120의 판단이 YES가 될 때까지 반복된다. 즉, 제N배터리 셀(BCN)에 대한 전압 이상 진단이 완료될 때까지 단계 S70 내지 단계 S110이 반복될 수 있다.
단계 S120의 판단이 YES이면, 제어 회로(220)는 단계 S140에서 진단 사이클 인덱스 k가 n-1과 동일하지 여부를 판단한다. 여기서, n은 제1 내지 제N전압 시계열 데이터의 각각에 포함된 전압 값의 수이다. 현재의 k에는 1이 할당되어 있으므로, 제어 회로(220)는 단계 S150에서 진단 사이클 인덱스를 1 증가시킨 후 프로세스를 단계 S30으로 복귀시켜서 두 번째 진단 사이클을 진행한다.
즉, 제어 회로(220)는, 좌표 <t2, V2,ave>를 제1평균 위치 벡터
Figure pat00094
로서 결정하고, 좌표 <t3, V3,ave>을 제2평균 위치 벡터
Figure pat00095
로서 결정하고, 제2평균 위치 벡터
Figure pat00096
로부터 제1평균 위치 벡터
Figure pat00097
의 차이를 진단 기준 벡터
Figure pat00098
로서 결정한다.
이어서, 제어 회로(220)는 셀 인덱스 i에 1을 할당하여 셀 인덱스를 초기화하고, 좌표 <t2, Vi,2>를 제i배터리 셀(BCi)에 대한 제1진단 위치 벡터
Figure pat00099
로서 결정하고 좌표 <t3, Vi,3>을 제i배터리 셀(BCi)에 대한 제2진단 위치 벡터
Figure pat00100
로서 결정하고, 제2진단 위치 벡터
Figure pat00101
로부터 제1진단 위치 벡터
Figure pat00102
의 차이를 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00103
로서 결정하고, 진단 기준 벡터
Figure pat00104
와 제i진단 벡터
Figure pat00105
사이의 제i외적(cross product) 크기를 기초로 제i진단 팩터 Ji,2를 결정하고, 제i진단 팩터 Ji,k가 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는지 진단한다. 또한, 제어 회로(220)는 셀 인덱스 i가 N과 동일해질 때까지 상기의 절차들을 반복적으로 진행할 수 있다.
제어 회로(220)는 두 번째 진단 사이클의 진행이 완료되면, 다시 진단 사이클 인덱스 k를 1증가시킨 후 세 번째 진단 사이클을 진행한다.
제어 회로(220)는 세번째 진단 사이클부터 n-1번째 진단 사이클에서 상술한 제어 로직을 실질적으로 동일하게 실행하여 제1시간(tk) 및 이보다 후행하는 제2시간(tk+1)에서 선택된 제1전압(Vi,k)의 세트와 제2전압(Vi,k+1)의 세트를 이용하여 제1 내지 제N배터리 셀(BC1~BCN)에 대한 전압 이상 여부를 진단할 수 있다.
한편, 제어 회로(220)는 제1 내지 제N전압 시계열 데이터에 기초한 진단 사이클의 실행이 모두 완료되면 저장매체(221)에 기록된 진단 결과를 참조하여 진단 후 프로세스를 진행할 수 있다.
즉, 제어 회로(220)는 저장매체(221)에 기록된 진단 결과를 인터페이스부(330)를 통해 외부 디바이스로 전송할 수 있다. 외부 디바이스로 전송하는 진단 결과는 전압 이상이 발생된 배터리 셀의 식별 정보와 해당 배터리 셀의 전압 이상 진단 시점에 관한 정보를 포함할 수 있다. 외부 디바이스로 전송하는 진단 결과는 배터리 팩(B)에 관한 점검이 필요하다는 경고 메시지 또는 그에 상응하는 진단 코드를 더 포함할 수 있다. 또 다른 대안으로서, 외부 디바이스로 전송되는 진단 결과에서 전압 이상이 발생된 배터리 셀의 식별 정보와 해당 배터리 셀의 전압 이상 진단 시점에 관한 상세 정보는 제외될 수 있다. 외부 디바이스가 차량 컨트롤러(5)일 때, 차량 컨트롤러(5)는 진단 결과를 자동차(1)에 탑재된 통합 디스플레이 패널에 그래픽 유저 인터페이스로 출력할 수 있다. 외부 디바이스가 인터페이스부(330)에 동작 가능하게 결합되는 온-보드 진단 디바이스일 때, 온-보드 진단 디바이스는 진단 결과를 디스플레이를 출력할 수 있다. 이 때, 진단 결과는 배터리 팩 내에 전압 이상을 나타내는 배터리 셀이 있음을 나타내는 진단 코드를 포함하는 것이 바람직하다.
다른 예에서, 제어 회로(220)는 전체 배터리 셀에 대한 진단이 완료된 후 저장매체(221)에 기록된 진단 결과를 인터페이스부(330)와 동작 가능하게 결합된 출력 디바이스(331)를 통해 시각적 또는 청각적으로 출력할 수 있다. 출력 디바이스(331)를 통해 출력되는 진단 결과는 전압 이상이 발생된 배터리 셀의 식별 정보와 해당 배터리 셀의 전압 이상 진단 시점에 관한 정보를 포함할 수 있다. 대안적으로, 출력 디바이스(331)를 통해 출력되는 진단 결과는 배터리 팩(B)에 관한 점검이 필요하다는 경고 메시지 또는 그에 상응하는 진단 코드를 더 포함할 수 있다. 또 다른 대안으로서, 출력 디바이스(331)를 통해 출력되는 진단 결과에서 전압 이상이 발생된 배터리 셀의 식별 정보와 해당 배터리 셀의 전압 이상 진단 시점에 관한 상세 정보는 제외될 수 있다.
출력 디바이스(331)를 통해 진단 결과가 출력되면, 자동차(1)의 사용자는 자동차(1)를 서비스 센터에 입고시켜 배터리 팩(B)의 상태를 보다 정밀하게 진단할 수 있다. 만약, 배터리 팩(B)에 포함된 일부 배터리 셀에서 리튬 플레이팅 등의 현상이 실제로 확인된 경우 배터리 팩(B)의 교체가 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 진단 방법은 다음과 같이 변형될 수 있다. 즉, 제어 회로(220)는 미리 설정된 n개의 셀 전압에 대한 시계열 데이터를 획득하기 전에 진단 사이클을 셀 전압의 측정과 연계시켜 실시간으로 실행할 수 있다.
구체적으로, 제어 회로(220)는 k번째 측정 시점에 해당하는 제1시간(tk) 및 k+1번째 측정 시점에 해당하는 제2시간(tk+1)이 경과된 직후에 제1시간(tk)에 측정된 제1전압(Vi,k)의 세트와 제2시간(tk+1)에 측정된 제2전압(Vi,k+1)의 세트를 이용하여 진단 기준 벡터
Figure pat00106
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00107
를 결정하고, 진단 기준 벡터
Figure pat00108
와 제i배터리 셀(BCi)의 제i진단 벡터
Figure pat00109
를 이용하여 제i배터리(BCi)의 제i진단 팩터 Ji,k를 결정하고, 진단 팩터 Ji,k가 임계치를 초과하는지 여부에 따라 제i배터리 셀(BCi)이 전압 이상을 나타내는지 진단할 수 있다.
제어 회로(220)는 제1 내지 제N배터리 셀(BC1~BCN)에 대한 전압 측정이 이루어질 때마다 k를 1부터 n-1까지 1씩 증가시키며, k가 1씩 증가할 때마다 상기의 실시간 제어 로직을 반복할 수 있다.
제어 회로(220)의 실시간 진단 로직은 각 배터리 셀의 셀 전압 측정 프로세스와 동기화되어 진행될 수 있다. 또한, 제어 회로(220)는 전체 배터리 셀에 대한 진단이 완료되면, 상술한 바와 같이 인터페이스부(330)를 통해 외부 디바이스로 진단 결과를 전송하거나 인터페이스부(330)에 동작 가능하게 결합된 출력 디바이스(331)를 통해 진단 결과를 시각적 또는 청각적으로 출력할 수 있다.
상술한 실시예들에 따르면, 복수의 배터리 셀들 중에서 전압 이상을 나타내는 배터리 셀을 간단한 수학적 연산을 통해 용이하게 식별하여 진단할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 진단에 사용되는 계산 방식이 복잡하지 않으므로 고사양의 프로세서가 요구되지 않는다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 배터리 셀들의 평균적인 전압 변화 거동 대비 전압 이상을 나타내는 배터리 셀의 비정상적인 전압 변화 거동의 차이를 정량적으로 분석함으로써 전압 이상 진단의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 서로 다른 시점에 측정된 전압의 차이가 크지 않더라도 비정상적인 전압 거동을 나타내는 배터리 셀을 신뢰성 있게 식별할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부' 또는 '~회로'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
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.

Claims (20)

  1. 제1 내지 제N배터리 셀의 각각에 대한 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 센싱 회로;
    전압 시계열 데이터를 저장하도록 구성된 저장매체; 및
    상기 전압 센싱 회로 및 상기 저장매체와 동작 가능하게 결합된 제어 회로를 포함하고,
    상기 제어 회로는,
    (a) 상기 전압 센싱 회로로부터 전압 신호를 수신하여 상기 제1 내지 제N배터리 셀의 제1 내지 제N전압 시계열 데이터를 저장매체에 기록하고,
    (b) 제1 내지 제N전압 시계열 데이터로부터 제1시간에 측정된 제1전압의 세트와 상기 제1시간보다 후행하는 제2시간에 측정된 제2전압의 세트를 선택하고,
    (c) 좌표 <제1시간, 제1전압의 세트의 평균>을 제1평균 위치 벡터로서 결정하고, 좌표 <제2시간, 제2전압의 세트의 평균>을 제2평균 위치 벡터로서 결정하고,
    (d) 제2평균 위치 벡터로부터 제1평균 위치 벡터의 차이를 진단 기준 벡터로서 결정하고,
    (e) 제i배터리 셀(i는 1 내지 N)에 대해, (i) 좌표 <제1시간, 제1전압>을 제1진단 위치 벡터로서 결정하고 좌표 <제2시간, 제2전압>을 제2진단 위치 벡터로서 결정하고 (ii) 제2진단 위치 벡터로부터 제1진단 위치 벡터의 차이를 제i진단 벡터로서 결정하고, (iii) 상기 진단 기준 벡터와 상기 제i진단 벡터 사이의 외적(cross product) 크기를 기초로 제i진단 팩터를 결정하고,
    (f) 상기 제i진단 팩터가 임계치를 초과하면, 상기 제i배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하도록 구성된,
    배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전압의 세트의 평균은 상기 제1전압의 세트의 산술 평균값이고,
    상기 제2전압의 세트의 평균은 상기 제2전압의 세트의 산술 평균값인, 배터리 진단 장치.

  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1전압의 세트의 평균은 상기 제1전압의 세트의 중앙값이고,
    상기 제2전압의 세트의 평균은 상기 제2전압의 세트의 중앙값인, 배터리 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전압의 세트의 평균은 상기 제1전압의 세트에 포함된 전압 값들 중에서 β(β는 1 내지 3) 시그마(sigma) 이내에 있는 전압 값들의 산술 평균값 또는 중앙값이고,
    상기 제2전압의 세트의 평균은 상기 제2전압의 세트에 포함된 전압 값들 중에서 β(β는 1 내지 3) 시그마(sigma) 이내에 있는 전압 값들의 산술 평균값 또는 중앙값인, 배터리 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 제i진단 팩터(i는 1 내지 N)의 평균을 기준으로 상기 임계치를 설정하도록 구성된, 배터리 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 제i진단 팩터(i는 1 내지 N)의 평균을 mave라고 할 때,
    mave*α(α는 1 내지 10)에 해당하는 값을 상기 임계치로 설정하도록 구성된,
    배터리 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1시간과 상기 제2시간의 시간 간격은 전압 측정 주기의 정수배인, 배터리 진단 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로와 동작 가능하게 결합되어 외부 디바이스와의 통신을 지원하는 인터페이스부를 더 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 제1 내지 제N배터리 셀에 대한 전압 이상의 진단 결과를 상기 인터페이스부를 통해 외부 디바이스로 전송하도록 구성된, 배터리 진단 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로와 동작 가능하게 결합된 인터페이스부; 및
    상기 인터페이스부에 동작 가능하게 결합된 출력 디바이스;를 더 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 제1 내지 제N배터리 셀에 대한 전압 이상의 진단 결과를 상기 출력 디바이스를 통해 시각적 또는 청각적으로 출력하도록 구성된, 배터리 진단 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
  12. (a) 전압 센싱 회로로부터 수신된 전압 신호로부터 제1 내지 제N배터리 셀의 제1 내지 제N전압 시계열 데이터를 생성하여 저장매체에 기록하는 단계;
    (b) 제1 내지 제N전압 시계열 데이터로부터 제1시간 및 이보다 후행하는 제2시간에 측정된 제1전압의 세트와 제2전압의 세트를 선택하는 단계;
    (c) 좌표 <제1시간, 제1전압의 세트의 평균>을 제1평균 위치 벡터로서 결정하고, 좌표 <제2시간, 제2전압의 세트의 평균>을 제2평균 위치 벡터로서 결정하는 단계;
    (d) 제2평균 위치 벡터로부터 제1평균 위치 벡터의 차이를 진단 기준 벡터로서 결정하는 단계;
    (e) 제i배터리 셀(i는 1 내지 N)에 대해, (i) 좌표 <제1시간, 제1전압>을 제1진단 위치 벡터로서 결정하고 좌표 <제2시간, 제2전압>을 제2진단 위치 벡터로서 결정하고 (ii) 제2진단 위치 벡터로부터 제1진단 위치 벡터의 차이를 제i진단 벡터로서 결정하고, (iii) 상기 진단 기준 벡터와 상기 제i진단 벡터 사이의 외적(cross product) 크기를 기초로 제i진단 팩터를 결정하는 단계; 및
    (f) 상기 제i진단 팩터가 임계치를 초과하면, 상기 제i배터리 셀이 전압 이상을 나타내는 것으로 진단하는 단계;를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    상기 제1전압의 세트의 산술 평균값을 상기 제1전압의 세트의 평균으로 설정하는 단계; 및
    상기 제2전압의 세트의 산술 평균값을 상기 제2전압의 세트의 평균으로 설정하는 단계;를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    상기 제1전압의 세트의 중앙값을 상기 제1전압의 세트의 평균으로 설정하는 단계; 및
    상기 제2전압의 세트의 중앙값을 상기 제2전압의 세트의 평균으로 설정하는 단계;를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    β(β는 1 내지 3) 시그마(sigma) 이내에 있는 제1전압의 산술 평균값 또는 중앙값을 상기 제1전압의 세트의 평균으로 설정하는 단계; 및
    β(β는 1 내지 3) 시그마(sigma) 이내에 있는 제2전압의 산술 평균값 또는 중앙값을 상기 제2전압의 세트의 평균으로 설정하는 단계;를 포함하는, 배터리 진단 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    (g) 상기 제i진단 팩터(i는 1 내지 N)의 평균을 기준으로 상기 임계치를 설정하는 단계;를 더 포함하는, 배터리 진단 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (g) 단계에서, 상기 제i진단 팩터(i는 1 내지 N)의 평균을 mave라고 할 때, mave*α(α는 1 내지 10)에 해당하는 값을 상기 임계치로 설정하는 것인, 배터리 진단 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제1시간과 상기 제2시간의 시간 간격은 전압 측정 주기의 정수배인, 배터리 진단 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N배터리 셀에 대한 전압 이상의 진단 결과를 인터페이스부를 통해 외부 디바이스로 전송하는 단계;를 더 포함하는, 배터리 진단 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N배터리 셀에 대한 전압 이상의 진단 결과를 출력 디바이스를 통해 시각적 또는 청각적으로 출력하는 단계;를 더 포함하는, 배터리 진단 방법.
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KR102357351B1 (ko) * 2015-01-07 2022-01-28 삼성전자주식회사 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩의 상태를 추정하는 장치 및 방법
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KR20220045451A (ko) * 2020-10-05 2022-04-12 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 상태 진단 장치 및 방법
US20230152388A1 (en) * 2020-11-27 2023-05-18 Lg Energy Solution, Ltd. Battery Diagnosis Apparatus, Battery Diagnosis Method, Battery Pack, and Vehicle

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