KR20240045915A - 배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치는 배터리 셀의 두께 정보, 상기 배터리 셀의 전압 정보, 상기 배터리 셀의 전류 정보 또는 상기 배터리 셀의 온도 정보를 포함하는 배터리 셀에 관한 정보를 획득하는 정보 획득부 및 상기 배터리 셀에 관한 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법{BATTERY STATUS MANAGING APPARATUS AND OPERATING METHOD OF THE SAME}
본 문서에 개시된 실시예들은 배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등과 최근의 리튬 이온 배터리를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 배터리는 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 배터리는 소형, 경량으로 제작할 수 있어 이동 기기의 전원으로 사용되며, 최근에는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
리튬 이온 배터리의 파우치 내에서 단선이 발생하면 화재 위험이 증가할 수 있다. 화재 발생을 사전에 검출하기 위한 알고리즘의 개발이 중요한데, 파우치 내부에 여러 장의 셀이 병렬로 쌓여있는 경우 단선의 발생을 검출하는 것이 어려울 수 있다. 또한, 셀의 탭 단선이 충전 중 또는 방전 중 발생하는 경우에는 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 신호에 변화가 발생하여 감지가 가능할 수 있지만, 셀의 탭 단선이 배터리 셀의 휴지 구간에서 발생하는 경우에는 탭 단선을 감지하는 것이 어려운 문제가 발생할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예들의 일 목적은 배터리 셀의 휴지 구간 탭 단선을 진단할 수 있는 배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 문서에 개시된 실시예들의 일 목적은 배터리 셀의 충전, 방전 조건을 제어하여 단락을 유도하여 배터리 셀의 탭 단선을 정확하게 진단할 수 있는 배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 문서에 개시된 실시예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치는 배터리 셀의 두께 정보, 상기 배터리 셀의 전압 정보, 상기 배터리 셀의 전류 정보 또는 상기 배터리 셀의 온도 정보를 포함하는 배터리 셀에 관한 정보를 획득하는 정보 획득부 및 상기 배터리 셀에 관한 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀의 방전 후 휴지 구간에서 상기 두께 정보를 확인하고, 상기 배터리 셀의 두께가 증가한 경우 상기 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 리튬이 석출되어 상기 배터리 셀이 단락되도록 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하고, 상기 전압 정보, 상기 전류 정보 및 상기 배터리 셀의 온도 정보 중 적어도 어느 하나를 기초로 상기 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀을 급속 충전 조건으로 충전하고, 방전 가능한 최대 전류로 방전하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 급속 충전 조건은 2 C-rate일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방전 가능한 최대 전류는 2 C-rate일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단되는 경우, 정상 배터리 셀의 충전 조건보다 충전 C-rate가 낮은 조건으로 충전을 수행하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단되는 경우, 상기 방전 가능한 최대 전류보다 방전 C-rate가 낮은 조건으로 방전을 수행하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀의 휴지 구간에서 음극 탭 단선이 발생하였는지 여부를 진단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각부를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 냉각부를 제어하여 상기 배터리 셀의 온도를 관리하고, 상기 배터리 셀의 방전 전류에 기반하여 상기 냉각부를 제어할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법은 배터리 셀의 두께 정보, 상기 배터리 셀의 전압 정보, 상기 배터리 셀의 전류 정보 또는 상기 배터리 셀의 온도 정보를 포함하는 배터리 셀에 관한 정보를 획득하는 단계 및 상기 배터리 셀에 관한 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 두께 정보, 상기 배터리 셀의 전압 정보 또는 상기 배터리 셀의 전류 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 단계는, 상기 배터리 셀의 방전 후 휴지구간에서 상기 두께 정보를 확인하는 단계 및 상기 배터리 셀의 두께가 증가한 경우 상기 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단하는 단계 를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 두께 정보, 상기 배터리 셀의 전압 정보 또는 상기 배터리 셀의 전류 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 단계는, 리튬이 석출되어 상기 배터리 셀이 단락되도록 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 단계 및 상기 전압 정보, 상기 전류 정보 및 상기 온도 정보 중 적어도 어느 하나를 기초로 상기 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법은, 배터리 셀의 두께 정보에 기반하여 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법은 배터리 셀의 휴지 구간 탭 단선을 진단할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법은 배터리 셀의 충방전을 제어하여 리튬 석출을 통한 단락을 유도하고, 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 신호에 기반하여 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치 및 그것의 동작 방법은 최대 전류로 방전을 수행하는 경우 냉각부를 통해 배터리 셀의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치를 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 정상 배터리 셀과 음극 탭이 단선된 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 농도의 변화를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 정상 배터리 셀과 음극 탭이 단선된 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 석출에 대응되는 부피 변화를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 음극 탭이 단선된 배터리 셀의 두께 변화의 예시를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 방전 C-rate의 변화에 따른 리튬 석출에 대응되는 부피 변화를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 8 및 도 9는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법을 구체적으로 보여주는 흐름도이다.
도 10은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법을 수행하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 본 문서에 개시된 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 문서에 개시된 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 문서에 개시된 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 문서에 개시된 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고 충방전 가능한 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 (+) 단자 측 또는 (-) 단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)을 포함한다. 이 때, 배터리 팩(1)에는 배터리 모듈(10), 센서(12), 스위칭부(14) 및 배터리 관리 시스템(20)이 복수 개 구비될 수 있다.
여기서, 스위칭부(14)는 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 소자로서, 예를 들면, 배터리 팩(1)의 사양에 따라서 적어도 하나의 릴레이, 마그네틱 접촉기 등이 이용될 수 있다.
배터리 관리 시스템(20)은 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(20)은, 스위칭부(14) 예를 들어, 릴레이 또는 접촉기 등의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(10)에 연결되어 배터리 모듈(10) 각각의 상태를 감시할 수 있다. 실시예에 따르면, 배터리 관리 시스템(20)은 도 2의 배터리 셀 진단 장치(100)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 배터리 관리 시스템(20)은 도 2의 배터리 셀 진단 장치(100)와 상이한 다른 시스템일 수 있다. 즉, 도 2의 배터리 셀 진단 장치(100)는 배터리 팩(1)에 포함될 수도 있고, 배터리 팩(1) 외부의 다른 장치로 구성될 수도 있다.
상위 제어기(2)는 배터리 관리 시스템(20)으로 배터리 모듈(10)에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템(20)은 상위 제어기(2)로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치(100)는 정보 획득부(110) 및 컨트롤러(120)를 포함할 수 있다. 실시예예 따르면, 배터리 셀 진단 장치(100)는 냉각부(130)를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 셀 진단 장치(100)는 도 1의 배터리 관리 시스템(20)에 포함될 수 있다. 다른 실시예에 따르면 배터리 셀 진단 장치(100)는 도 1의 상위 제어기(2)에 포함될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 배터리 셀 진단 장치(100)는 도 1의 배터리 팩(1)에 도시되지 않은 별개 장치에 포함될 수 있다.
정보 획득부(110)는 배터리 셀에 관한 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀에 관한 정보는 배터리 셀의 두께 정보, 배터리 셀의 전압 정보, 배터리 셀의 전류 정보 또는 배터리 셀의 온도 정보를 포함할 수 있다.
정보 획득부(110)는 배터리 셀의 두께 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 정보 획득부(110)는 배터리 셀에 포함된 양극 또는 음극의 두께 정보를 획득할 수 있다. 다른 예를 들어, 정보 획득부(110)는 배터리 셀의 국부 최대 부피 분율(local maximum volume fraction)을 획득할 수 있다.
정보 획득부(110)는 배터리 셀의 전압 정보 또는 전류 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 정보 획득부(110)는 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 정보(V, I, T 정보)를 획득할 수 있다.
실시예에 따르면, 정보 획득부(110)는 배터리 셀의 석출된 리튬 농도 정보를 획득할 수 있다.
컨트롤러(120)는 배터리 셀에 관한 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 두께 정보, 배터리 셀의 전압 정보 또는 전류 정보에 기반하여 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 방전 후 휴지 구간에서 두께 정보를 확인하고, 배터리 셀의 두께가 증가한 경우 음극 탭이 단선된 것으로 진단할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 음극의 두께를 확인하고, 배터리 셀의 두께가 증가한 경우 음극 탭이 단선된 것으로 진단할 수 있다. 다른 예를 들어, 음극 탭이 단선되는 경우 음극에서 리튬 석출이 발생할 수 있고, 방전시 석출된 리튬이 환원되지 않아 배터리 셀의 음극은 두께가 지속적으로 증가할 수 있고, 컨트롤러(120)는 방전 후 휴지구간에서 음극 또는 배터리 셀의 두께 증가를 모니터링하여 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(120)는 리튬이 석출되어 배터리 셀이 단락되도록 배터리 셀의 충방전을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)는 배터리 셀을 급속 충전 조건으로 충전하도록 제어할 수 있고, 방전 가능한 최대 전류로 방전하도록 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 리튬 석출을 통하여 단락을 유도할 수 있고, 전압 정보, 전류 정보 및 온도 정보 중 적어도 어느 하나를 기초로 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다. 예를 들어, 휴지 구간에서 배터리 셀의 음극 탭이 단선되는 경우 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 변화는, 정상인 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도 변화와 유사하여 음극 탭의 단선이 진단이 되지 않을 수 있다. 이 경우, 리튬 석출로 배터리 셀이 단락되도록 배터리 셀의 충방전을 제어할 수 있고, 단락이 발생하면 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도 변화 중 적어도 어느 하나가 정상인 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도 변화 중 적어도 어느 하나와 차이가 발생하기 때문에, 컨트롤러(120)는 차이 발생 여부를 기초로 배터리 셀의 음극 탭 단선을 진단할 수 있다. 실시예예 따르면, 급속 충전 조건은 2 C-rate일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 배터리 셀의 단락을 유도할 수 있는 최대 전류일 수 있다. 실시예에 따르면, 방전 가능한 최대 전류는 2 C-rate일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 배터리 셀의 단락을 유도할 수 있는 최대 전류일 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단되는 경우, 정상 배터리 셀의 충전 조건보다 완화된 충전 조건으로 충전을 수행하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 완화된 충전 조건은 정상 배터리 셀의 충전 조건보다 충전 C-rate가 낮은 조건일 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단되는 경우, 방전 가능한 최대 전류보다 완화된 방전 조건으로 방전을 수행하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 완화된 방전 조건은 정상 배터리 셀의 방전 조건보다 방전 C-rate가 낮은 조건일 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 휴지 구간에서 음극 탭 단선이 발생하였는지 여부를 진단할 수 있다. 배터리 셀의 휴지 구간에서 음극 탭 단선이 발생하는 경우 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 신호에는 차이가 발생하지 않아 기존의 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 신호를 기초로 음극 탭 단선 여부를 진단하는 방법은 휴지 구간에서 음극 탭 단선을 진단할 수 없다. 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치(100)는 배터리 셀 또는 음극의 두께를 통해 배터리 셀의 음극 탭 단선을 진단하거나, 배터리 셀의 충방전을 제어하여 단락을 유도해 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 신호에 변화를 유도하여 배터리 셀의 음극 탭 단선을 진단할 수 있기 때문에, 휴지 구간에서 배터리 셀의 음극 탭 단선이 발생하여도 진단할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 리튬 석출을 통하여 음극의 두께 증가를 유도할 수 있고, 배터리 셀 또는 음극의 두께 정보에 기반하여 두께가 증가하는 경우 음극 탭이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따르면 배터리 셀 진단 장치(100)는 냉각부(130)를 더 포함할 수 있다.
냉각부(130)는 배터리 셀을 냉각할 수 있다. 예를 들어, 냉각부(130)는 배터리 셀의 방전 전류에 기반하여 구동될 수 있다. 실시예에 따르면, 컨트롤러(120)는 냉각부(130)를 제어하여 배터리 셀의 온도를 관리할 수 있고, 배터리 셀의 방전 전류에 기반하여 냉각부(130)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)는 냉각부(130)를 제어하여 배터리 셀의 온도가 일정하게 유지되도록 관리할 수 있다. 다른 예를 들어, 방전 전류가 높게 설정되어 방전이 진행되는 경우 배터리 셀에 열이 발생할 수 있고, 단락이 발생하는 경우 열폭주 및 열전파가 발생할 수 있으므로, 컨트롤러(120)는 방전 전류에 기반하여 냉각부(130)를 제어(구동)하여 배터리 셀의 온도를 일정하게 유지함으로서 열폭주 및 열전파에 의한 위험을 방지할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치는, 배터리 셀의 두께 정보에 기반하여 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치는 배터리 셀의 휴지 구간 탭 단선을 진단할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치는 배터리 셀의 충방전을 제어하여 리튬 석출을 통한 단락을 유도하고, 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 신호에 기반하여 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치는 최대 전류로 방전을 수행하는 경우 냉각부를 통해 배터리 셀의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 정상 배터리 셀과 음극 탭이 단선된 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 농도의 변화를 보여주는 도면이다.
도 3에서 310은 휴지 구간에서 음극 탭 단선이 발생한 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 농도의 변화를 나타내는 그래프이고, 320은 정상 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 충전이 수행되는 경우에는 배터리 셀의 리튬 석출이 발생하면서 정상인 배터리 셀과 휴지 구간에서 음극 탭 단선이 발생한 배터리 셀 모두 리튬의 농도가 증가할 수 있다.
휴지 구간에서 단선이 발생한 배터리 셀은 방전이 수행되는 경우에도 리튬의 석출이 지속적으로 발생하여 리튬의 농도가 계속해서 증가할 수 있다. 정상인 배터리 셀은 방전이 수행되는 경우에 석출된 리튬 중 가역적인 부분이 환원되어 리튬 농도가 감소할 수 있다.
또한, 휴지 구간에서 단선이 발생한 배터리 셀은 방전 후 휴지 구간에서도 지속적으로 석출된 리튬의 농도가 증가할 수 있다. 정상인 배터리 셀은 방전 후 휴지 구간에서, 더 이상 환원되는 리튬이 없어 리튬의 농도가 변하지 않을 수 있다.
도 4는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 정상 배터리 셀과 음극 탭이 단선된 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 석출에 대응되는 부피 변화를 보여주는 도면이다.
도 4에서 410은 휴지 구간에서 음극 탭 단선이 발생한 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 석출에 대응되는 부피 변화를 나타내는 그래프이고, 420은 정상 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 석출에 대응되는 부피 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 충전이 수행되는 경우에는 배터리 셀의 리튬 석출이 발생하면서 정상인 배터리 셀과 휴지 구간에서 음극 탭 단선이 발생한 배터리 셀 모두 리튬 석출에 대응하여 부피가 증가할 수 있다. 이 경우 부피는, 국부 최대 부피 분율(local maximum volume fraction)을 나타낼 수 있다.
휴지 구간에서 단선이 발생한 배터리 셀은 방전이 수행되는 경우에도 리튬의 석출이 지속적으로 발생하여 리튬 석출에 따른 부피가 계속해서 증가할 수 있다. 정상인 배터리 셀은 방전이 수행되는 경우에 석출된 리튬 중 가역적인 부분이 환원되어 리튬 석출에 따른 부피가 감소할 수 있다.
또한, 휴지 구간에서 단선이 발생한 배터리 셀은 방전 후 휴지 구간에서도 석출된 리튬의 부피가 급격히 증가할 수 있고, 부피의 급격한 증가는 단선된 음극의 엣지(edge) 쪽에서 국부적으로 리튬 석출이 다량 발생하는 상황으로 단락이 될 확률이 높을 수 있다. 반면에, 정상인 배터리 셀은 방전 후 휴지 구간에서, 더 이상 환원되는 리튬이 없어 리튬 석출에 따른 부피가 변하지 않을 수 있다.
도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 음극 탭이 단선된 배터리 셀의 두께 변화의 예시를 보여주는 도면이다.
음극(515) 탭이 단선된 배터리 셀(510)의 경우, 도 3 및 도 4에 그래프로 도시된 바와 같이 충방전을 수행함에 있어서 리튬 석출로 음극(515)의 두께가 증가할 수 있다.
도 2의 배터리 셀 진단 장치(100)는 충방전을 수행함에 있어서 리튬이 석출된 배터리 셀(520)의 경우 두께가 증가한 음극(525)의 두께 정보에 기반하여 음극(525) 탭이 단선되었는지 여부를 진단할 수 있다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 방전 C-rate의 변화에 따른 리튬 석출에 대응되는 부피 변화를 보여주는 도면이다.
도 6에서 610은 휴지 구간에서 음극 탭 단선이 발생한 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 석출에 대응되는 부피 변화를 나타내는 그래프이고, 620은 정상 배터리 셀의 충방전에 따른 리튬 석출에 대응되는 부피 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 방전 C-rate의 변화에 따라서 음극 탭 단선이 발생한 배터리 셀의 리튬 석출에 대응되는 부피도 다르게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 0.2 C-rate로 방전하는 경우보다 1 C-rate로 방전하는 경우에 리튬 석출에 대응되는 부피의 변화가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, 높은 C-rate로 방전을 수행하는 경우 부피의 변화가 더 크고 충방전 사이클의 시간을 단축할 수 있으므로, 도 2의 배터리 셀 진단 장치(100)는 방전 가능한 최대 전류로 방전을 수행하여 배터리 셀의 단락을 유도할 수 있다.
도 7은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치(100)의 동작 방법은 배터리 셀의 두께 정보, 배터리 셀의 전압 정보, 배터리 셀의 전류 정보 또는 배터리 셀의 온도 정보를 포함하는 배터리 셀에 관한 정보를 획득하는 단계(S110) 및 배터리 셀에 관한 정보에 기반하여 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
배터리 셀의 두께 정보, 배터리 셀의 전압 정보, 배터리 셀의 전류 정보 또는 배터리 셀의 온도 정보를 포함하는 배터리 셀에 관한 정보를 획득하는 단계(S110)에서 정보 획득부(110)는 배터리 셀의 두께 정보, 배터리 셀의 전압 정보 또는 배터리 셀의 전류 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 정보 획득부(110)는 배터리 셀에 포함된 양극 또는 음극의 두께 정보를 획득할 수 있다. 다른 예를 들어, 정보 획득부(110)는 배터리 셀의 국부 최대 부피 분율(local maximum volume fraction)을 획득할 수 있다. 또한, 정보 획득부(110)는 배터리 셀의 전압 정보 또는 전류 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 정보 획득부(110)는 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 정보(V, I, T 정보)를 획득할 수 있다.
배터리 셀에 관한 정보에 기반하여 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 단계(S120)에서 컨트롤러(120)는 두께 정보, 배터리 셀의 전압 정보 또는 배터리 셀의 전류 정보에 기반하여 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법을 구체적으로 보여주는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치(100)의 동작 방법은 배터리 셀의 충방전 사이클 후 두께 정보를 확인하는 단계(S210) 및 배터리 셀의 두께가 증가한 경우 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단하는 단계(S220)를 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, S210 단계 및 S220 단계는 도 7의 S120 단계에 포함될 수 있다.
배터리 셀의 충방전 사이클 후 두께 정보를 확인하는 단계(S210)에서 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 충방전 사이클 후 두께 정보를 확인할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 음극의 두께 정보를 확인할 수 있다. 다른 예를 들어, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 국부 최대 부피 분율(Local Maximum Volume Fraction)을 확인할 수 있다.
배터리 셀의 두께가 증가한 경우 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단하는 단계(S220)에서 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 두께가 증가한 것으로 확인되면, 음극 탭이 단선된 것으로 진단할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 음극의 두께 또는 배터리 셀의 국부 최대 부피 분율이 증가한 것으로 확인되는 경우 음극 탭이 단선된 것으로 진단할 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치(100)의 동작 방법은 리튬이 석출되어 배터리 셀이 단락되도록 배터리 셀의 충방전을 제어하는 단계(S310) 및 전압 정보, 전류 정보 및 온도 정보 중 적어도 어느 하나에 기반하여 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단하는 단계(S320)를 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, S310 단계 및 S320 단계는 도 7의 S120 단계에 포함될 수 있다.
리튬이 석출되어 배터리 셀이 단락되도록 배터리 셀의 충방전을 제어하는 단계(S310)에서 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 충방전을 제어하여 리튬 석출을 통한 단락을 유도할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀의 충방전 사이클이 진행되면 리튬의 석출이 발생하여 단락이 발생할 수 있고, 따라서 컨트롤러(120)는 급속 충전 조건으로 충전하도록 제어하고, 방전 가능한 최대 전류로 방전하도록 제어하여 시간을 단축하여 배터리 셀의 단락을 유도할 수 있다.
전압 정보, 전류 정보 및 온도 정보 중 적어도 어느 하나에 기반하여 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단하는 단계(S320)에서 컨트롤러(120)는 단락이 발생하면 전압 정보 및 전류 정보를 기초로 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다. 예를 들어, 단락이 발생하는 경우 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 신호 중 적어도 어느 하나에 변화가 발생할 수 있고, 컨트롤러(120)는 배터리 셀의 전압 정보, 전류 정보 및 온도 정보 중 적어도 어느 하나를 기초로 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단할 수 있다.
도 10은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법을 수행하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10을 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템(1000)은 MCU(1010), 메모리(1020), 입출력 I/F(1030) 및 통신 I/F(1040)를 포함할 수 있다.
MCU(1010)는 메모리(1020)에 저장되어 있는 각종 프로그램(예를 들면, 배터리 팩 전압 또는 전류 수집 프로그램, 배터리 셀의 두께 산출 프로그램, 배터리 셀의 리튬 이온 농도 산출 프로그램, 배터리 셀의 음극 탭 단선 검출 프로그램, 충방전 제어 프로그램 등)을 실행시키고, 이러한 프로그램들을 통해 배터리 셀의 전압, 전류, 온도, 리튬 농도, 두께 정보 등을 포함한 각종 정보를 처리하며, 전술한 도 2에 나타낸 배터리 셀 진단 장치에 포함된 컨트롤러의 기능들을 수행하도록 하는 프로세서일 수 있다.
메모리(1020)는 배터리 셀의 용량, 전압 수집, 두께 산출 및 충방전 제어 프로그램 등 각종 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(1020)는 배터리 셀의 전류, 전압, 온도, 두께, 리튬 이온 농도, 국부 최대 부피 분율(Local Maximum Volume Fraction), 음극 탭 단선 여부, 충방전 제어 프로그램 등 각종 정보를 저장할 수 있다.
이러한 메모리(1020)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수도 있을 것이다. 메모리(1020)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(1020)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(1020)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(1020)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
입출력 I/F(1030)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 MCU(1010) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
통신 I/F(1040)는 서버와 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다. 예를 들면, 배터리 셀 진단 장치는 통신 I/F(1040)를 통해 별도로 마련된 외부 서버로부터 각종 배터리 셀의 전압, 전류, 두께 정보, 충방전 제어 정보, 음극 탭 단선 여부, 단락 여부와 같은 정보를 송수신할 수 있다.
이와 같이, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(1020)에 기록되고, MCU(1010)에 의해 처리됨으로써, 예를 들면 도 2에서 도시한 각 기능들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.
이상의 설명은 본 문서에 개시된 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 문서에 개시된 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 문서에 개시된 실시예들은 본 문서에 개시된 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 문서에 개시된 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 문서에 개시된 기술 사상의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 문서의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 배터리 팩
2: 상위 제어기
10: 복수의 배터리 모듈
12: 센서
14: 스위칭 부
20: 배터리 관리 시스템
100: 배터리 셀 진단 장치
110: 정보 획득부
120: 컨트롤러
130: 냉각부
510, 520: 배터리 셀
515, 525: 음극
1000: 컴퓨팅 시스템
1010: MCU
1020: 메모리
1030: 입출력 I/F
1040: 통신 I/F

Claims (13)

  1. 배터리 셀의 두께 정보, 상기 배터리 셀의 전압 정보, 상기 배터리 셀의 전류 정보 또는 상기 배터리 셀의 온도 정보를 포함하는 배터리 셀에 관한 정보를 획득하는 정보 획득부; 및
    상기 배터리 셀에 관한 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 컨트롤러를 포함하는 배터리 셀 진단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀의 방전 후 휴지 구간에서 상기 두께 정보를 확인하고, 상기 배터리 셀의 두께가 증가한 경우 상기 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단하는, 배터리 셀 진단 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    리튬이 석출되어 상기 배터리 셀이 단락되도록 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하고,
    상기 전압 정보, 상기 전류 정보 및 상기 배터리 셀의 온도 정보 중 적어도 어느 하나를 기초로 상기 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단하는, 배터리 셀 진단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀을 급속 충전 조건으로 충전하고, 방전 가능한 최대 전류로 방전하도록 제어하는, 배터리 셀 진단 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 급속 충전 조건은 2 C-rate인, 배터리 셀 진단 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 방전 가능한 최대 전류는 2 C-rate인 배터리 셀 진단 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단되는 경우, 정상 배터리 셀의 충전 조건보다 충전 C-rate가 낮은 조건으로 충전을 수행하도록 제어하는, 배터리 셀 진단 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단되는 경우, 상기 방전 가능한 최대 전류보다 방전 C-rate가 낮은 조건으로 방전을 수행하도록 제어하는, 배터리 셀 진단 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀의 휴지 구간에서 음극 탭 단선이 발생하였는지 여부를 진단하는, 배터리 셀 진단 장치. .
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각부를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 냉각부를 제어하여 상기 배터리 셀의 온도를 관리하고,
    상기 배터리 셀의 방전 전류에 기반하여 상기 냉각부를 제어하는, 배터리 셀 진단 장치.
  11. 배터리 셀의 두께 정보, 상기 배터리 셀의 전압 정보, 상기 배터리 셀의 전류 정보 또는 상기 배터리 셀의 온도 정보를 포함하는 배터리 셀에 관한 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 배터리 셀에 관한 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 단계; 를 포함하는 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 두께 정보, 상기 배터리 셀의 전압 정보 또는 상기 배터리 셀의 전류 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 방전 후 휴지구간에서 상기 두께 정보를 확인하는 단계; 및
    상기 배터리 셀의 두께가 증가한 경우 상기 배터리 셀의 음극 탭이 단선된 것으로 진단하는 단계; 를 포함하는, 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 두께 정보, 상기 배터리 셀의 전압 정보 또는 상기 배터리 셀의 전류 정보에 기반하여 상기 배터리 셀의 탭 단선 여부를 진단하는 단계는,
    리튬이 석출되어 상기 배터리 셀이 단락되도록 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 단계; 및
    상기 전압 정보, 상기 전류 정보 및 상기 온도 정보 중 적어도 어느 하나를 기초로 상기 배터리 셀의 음극 탭 단선 여부를 진단하는 단계; 를 포함하는 배터리 셀 진단 장치의 동작 방법.
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