KR20240061489A - Method of predicting trouble or failure of lithium ion battery contion using electrochemical impedance spectroscopy - Google Patents

Method of predicting trouble or failure of lithium ion battery contion using electrochemical impedance spectroscopy Download PDF

Info

Publication number
KR20240061489A
KR20240061489A KR1020220143200A KR20220143200A KR20240061489A KR 20240061489 A KR20240061489 A KR 20240061489A KR 1020220143200 A KR1020220143200 A KR 1020220143200A KR 20220143200 A KR20220143200 A KR 20220143200A KR 20240061489 A KR20240061489 A KR 20240061489A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery
failure
impedance
lithium
advance
Prior art date
Application number
KR1020220143200A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이덕영
이평연
김종훈
Original Assignee
주식회사 에스앤에스
충남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 에스앤에스, 충남대학교산학협력단 filed Critical 주식회사 에스앤에스
Priority to KR1020220143200A priority Critical patent/KR20240061489A/en
Publication of KR20240061489A publication Critical patent/KR20240061489A/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/026Dielectric impedance spectroscopy
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644Constructional arrangements
    • G01R31/3646Constructional arrangements for indicating electrical conditions or variables, e.g. visual or audible indicators
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644Constructional arrangements
    • G01R31/3648Constructional arrangements comprising digital calculation means, e.g. for performing an algorithm
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/389Measuring internal impedance, internal conductance or related variables
    • GPHYSICS
    • G08SIGNALLING
    • G08BSIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/18Status alarms
    • G08B21/182Level alarms, e.g. alarms responsive to variables exceeding a threshold
    • GPHYSICS
    • G08SIGNALLING
    • G08BSIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/18Status alarms
    • G08B21/185Electrical failure alarms
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은, 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)을 이용하여 고온 조건에서 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법으로서, 교류를 활용한 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여, 상기 리튬이온 배터리의 각 셀에 대한 임피던스를 추출하되, 상기 임피던스를 일정한 시간 간격으로 시계열적으로 측정하는 단계; 배터리 관리 시스템를 통해서, 시계열적으로 각 측정 시점에서의 각 셀의 임피던스의 최대 편차를 계산하는 단계; 및 상기 배터리 관리 시스템를 통해서, 고장 진단 사전 예측값을 계산하고, 상기 고장 진단 사전 예측값에 따라서 상기 리튬이온 배터리의 고장을 사전 진단하는 단계;를 포함한다. 상기 고장 진단 사전 예측값은, 다음의 수식을 이용하여 SampEn으로 계산하며, , 여기서,Bm(r)은 상기 배터리 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 임피던스의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타내며, Am(r)은 Bm(r)이 대상하는 배터리 셀의 임피던스 측정값의 시계열적으로 바로 다음 측정시점에서, 상기 배터리 팩 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 임피던스의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타내며, X는 변수로서, 여기서는 배터리 셀의 임피던스를 나타내며, N은 변수의 데이터 길이를 나타내며, m은 2인 것을 특징으로 한다. The present invention is a method of diagnosing failure of a lithium-ion battery in advance under high temperature conditions using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The present invention uses electrochemical impedance spectroscopy using alternating current to detect the lithium-ion battery. extracting the impedance for each cell, and measuring the impedance time series at regular time intervals; Calculating the maximum deviation of the impedance of each cell at each measurement point in time series through a battery management system; and calculating a failure diagnosis preliminary prediction value through the battery management system, and pre-diagnosing a failure of the lithium-ion battery according to the failure diagnosis advance prediction value. The fault diagnosis preliminary prediction value is calculated as SampEn using the following formula, , where, B m (r) is the impedance difference or distance between the i and jth battery cells, which are different battery cells, among the plurality of battery cells in the battery, than r, which is an indicator of data volatility. It represents a small number, and A m (r) is a different battery among a plurality of battery cells in the battery pack at the next measurement point in time series of the impedance measurement value of the battery cell targeted by B m (r). The impedance difference or distance between the i and jth battery cells represents the number smaller than r, which is an indicator of data volatility, It represents the length, and m is characterized as 2.

Description

전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법{METHOD OF PREDICTING TROUBLE OR FAILURE OF LITHIUM ION BATTERY CONTION USING ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY}Method for diagnosing lithium-ion battery failure in advance using electrochemical impedance spectroscopy {METHOD OF PREDICTING TROUBLE OR FAILURE OF LITHIUM ION BATTERY CONTION USING ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY}

본 발명은 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 특히 화재가 다발하는 고온 조건에서 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for diagnosing a failure of a lithium-ion battery in advance, and more specifically, a method of diagnosing a failure of a lithium-ion battery in advance using electrochemical impedance spectroscopy, especially under high temperature conditions where fires occur frequently. It's about.

리튬이온 배터리가 다양한 어플리케이션(EV, ESS, 전기철도, 무인항공기, UPS 등)에 적용됨에 따라 다양한 환경 조건에 노출되고 있다. 리튬이온 배터리의 성능은 온도 조건에 따라 전기적 특성의 변화가 다르게 나타난다. 대표적으로 배터리의 용량과 내부 저항의 변화가 상이하다. 참고로, 도 1은 리튬이온 배터리의 온도에 따른 배터리 용량과 내부 저항의 변화, 즉 전기적 특성의 변화를 나타낸 것이다. As lithium-ion batteries are applied to various applications (EV, ESS, electric railway, unmanned aerial vehicle, UPS, etc.), they are exposed to various environmental conditions. The performance of lithium-ion batteries shows different changes in electrical characteristics depending on temperature conditions. Typically, changes in battery capacity and internal resistance are different. For reference, Figure 1 shows changes in battery capacity and internal resistance, that is, changes in electrical characteristics, depending on the temperature of a lithium-ion battery.

언론매체를 통해서, 고온 노출된 리튬이온 배터리의 경우, 급격한 특성 변화로 열폭주가 발생사례가 자주 보고되고 있다. 리튬이온 배터리의 열폭주 진행 과정은, 셀 및 팩 설계 요건, 온도/습도에 의한 환경 조건, 부하 조건에 따라 배터리 내부의 부반응(SEI층 분해 (>섭씨 69도), 전해질 분해(>섭씨 200도) 등)을 가속화 시키고, SEI층의 분해로 인해 음극과 전해질의 반응으로 발열 및 가연성 가스를 발생시킨다. 가스 생성으로 인한 내부 압력 증가는 셀의 스웰링, 전해질 누출 등을 초래하고, 리튬 이온 활물질 감소는 용량 감소 및 내부 저항 증가를 초래한다. Through the media, cases of thermal runaway occurring due to rapid changes in characteristics of lithium-ion batteries exposed to high temperatures are frequently reported. The thermal runaway process of a lithium-ion battery is a side reaction inside the battery (SEI layer decomposition (>69 degrees Celsius), electrolyte decomposition (>200 degrees Celsius) depending on cell and pack design requirements, environmental conditions due to temperature/humidity, and load conditions. ), etc.), and the decomposition of the SEI layer generates heat and flammable gas through the reaction between the cathode and the electrolyte. An increase in internal pressure due to gas generation causes cell swelling and electrolyte leakage, and a decrease in lithium ion active material causes a decrease in capacity and an increase in internal resistance.

이러한 문제점을 해결하기 위해 대표적인 기술이 배터리의 물질적 특성 정보를 모니터링하는 것이다. To solve this problem, a representative technology is to monitor material characteristic information of the battery.

이와 관련한 종래의 기술로서 대한민국 특허 제10-2449836호(2022.09.27 등록, 발명의 명칭 : ESS 안정성 향상을 위한 리튬이온 배터리의 열폭주 전조현상 감지 및 LN2를 이용한 소화 시스템(Lithium-ion battery thermal runaway detection and fire extinguishing system using LN2 for ESS improved reliability)) 등을 들 수 있다. As a related conventional technology, Korean Patent No. 10-2449836 (registered on September 27, 2022, title of invention: detection of thermal runaway phenomenon of lithium-ion battery to improve ESS stability and extinguishing system using LN2 (Lithium-ion battery thermal runaway) detection and fire extinguishing system using LN2 for ESS improved reliability)), etc.

해당 종래 등록특허에서는, "본 발명은 ESS 안정성 향상을 위한 리튬이온 배터리의 열폭주 전조현상 감지 및 LN2를 이용한 소화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 리튬이온 배터리로 구성된 ESS 설비의 열폭주 전조현상을 미리 감지하고, LN2를 이용해 리튬이온 배터리의 온도 및 주변 온도를 급격히 냉각시켜 폭발, 화재로부터의 피해를 최소화할 수 있는 안정성 기반의 소화 시스템"에 관해서 개시하였다. In the previously registered patent, "The present invention relates to a detection of thermal runaway precursor phenomenon of lithium-ion batteries to improve ESS stability and a fire extinguishing system using LN2. More specifically, the thermal runaway precursor of ESS facilities composed of lithium-ion batteries A safety-based fire extinguishing system that can detect the phenomenon in advance and rapidly cool the temperature of the lithium-ion battery and the surrounding temperature using LN2 to minimize damage from explosions and fires was disclosed.

하지만, 상술한 종래 특허문헌에서는 단순히 온도센서를 통해서 복수 개로 이루어진 단위ESS모듈 각각의 온도를 측정하여 과열을 감지할 수 있다고 할 뿐, 사전 예측을 통해서, 고온 조건에서 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법에 대해서 솔루션은 제시하지 못하고 있다. However, the above-described conventional patent document simply states that overheating can be detected by measuring the temperature of each unit ESS module consisting of a plurality of units through a temperature sensor, and through prior prediction, failure of the lithium-ion battery in high temperature conditions can be prevented in advance. There is no solution provided regarding how to diagnose.

대한민국 특허 제10-2449836호(2022.09.27 등록, 발명의 명칭 : ESS 안정성 향상을 위한 리튬이온 배터리의 열폭주 전조현상 감지 및 LN2를 이용한 소화 시스템(Lithium-ion battery thermal runaway detection and fire extinguishing system using LN2 for ESS improved reliability))Republic of Korea Patent No. 10-2449836 (registered on September 27, 2022, title of invention: Lithium-ion battery thermal runaway detection and fire extinguishing system using LN2 and detection of thermal runaway phenomenon of lithium-ion battery to improve ESS stability LN2 for ESS improved reliability))

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은, 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 특히 화재가 다발하는 고온 조건에서 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention was created to solve the above-mentioned problems, and the purpose of the present invention is to provide a method for diagnosing failure of a lithium-ion battery in advance using electrochemical impedance spectroscopy, especially under high temperature conditions where fires occur frequently. The purpose.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)을 이용하여 고온 조건에서 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법은, 교류를 활용한 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여, 상기 리튬이온 배터리의 각 셀에 대한 임피던스를 추출하되, 상기 임피던스를 일정한 시간 간격으로 시계열적으로 측정하는 단계; 배터리 관리 시스템를 통해서, 시계열적으로 각 측정 시점에서의 각 셀의 임피던스의 최대 편차를 계산하는 단계; 및 상기 배터리 관리 시스템를 통해서, 고장 진단 사전 예측값을 계산하고, 상기 고장 진단 사전 예측값에 따라서 상기 리튬이온 배터리의 고장을 사전 진단하는 단계;를 포함한다. A method of diagnosing a failure of a lithium-ion battery in advance under high temperature conditions using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) according to a preferred embodiment of the present invention to achieve the above object is an electric current using alternating current. Extracting the impedance for each cell of the lithium-ion battery using chemical impedance spectroscopy, and measuring the impedance in time series at regular time intervals; Calculating the maximum deviation of the impedance of each cell at each measurement point in time series through a battery management system; and calculating a failure diagnosis preliminary prediction value through the battery management system, and pre-diagnosing a failure of the lithium-ion battery according to the failure diagnosis advance prediction value.

여기서, 상기 고장 진단 사전 예측값은, 다음의 수식을 이용하여 SampEn으로 계산하며, 여기서, Bm(r)은 상기 배터리 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 임피던스의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타내며, Am(r)은 Bm(r)이 대상하는 배터리 셀의 임피던스 측정값의 시계열적으로 바로 다음 측정시점에서, 상기 배터리 팩 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 임피던스의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타내며, X는 변수로서, 여기서는 배터리 셀의 임피던스를 나타내며, N은 변수의 데이터 길이를 나타내며, m은 2이다. Here, the failure diagnosis preliminary prediction value is calculated as SampEn using the following formula, Here, B m (r) is the difference in impedance or distance between the i and j battery cells, which are different battery cells, among the plurality of battery cells in the battery, and is smaller than r, which is an indicator of data volatility. Indicates the number, and A m (r) is a different battery cell among a plurality of battery cells in the battery pack at the next measurement point in time series of the impedance measurement value of the battery cell targeted by B m (r). The impedance difference or distance between the i and jth battery cells represents the number smaller than r, which is an indicator of data volatility, , and m is 2.

또한, 상기 데이터의 변동성 지표인 r은 0.002 보다 작게 설정하는 것이 바람직하다. In addition, r, which is an indicator of the volatility of the data, is preferably set to less than 0.002.

또한, 상기 고장 진단 사전 예측값이 특정 임계값을 초과하는 경우, 상기 상기 배터리 관리 시스템은 유지보수가 필요하다는 경고나 알림을 출력할 수 있다. Additionally, when the failure diagnosis preliminary prediction value exceeds a specific threshold, the battery management system may output a warning or notification that maintenance is necessary.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 고온 조건에서 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법은, 특히 화재가 다발하는 여름철 등 "고온 환경"에서 화재 및 폭발 사고가 발생하기 전 배터리의 특성을 반영하고 화재를 대비하기 위해 사전에 고장 진단하는 방안을 제공할 수 있다. 배터리 셀 레벨에서 배터리를 물리적으로 해체하지 않아도 배터리 내부를 볼 수 있는 효과를 제공한다. 즉, 배터리 저항인 Ri라는 파라미터가 고온에서 일정 사이클 후 급격히 증가하는 패턴을 고장 진단 예측값을 통해서 사전에 진단가능하여, 고온 환경에서 화재 등이 발생하기 전에 유지 보수 될 수 있는 기회를 제공한다. The method of diagnosing failure of a lithium-ion battery in advance under high temperature conditions using electrochemical impedance spectroscopy according to a preferred embodiment of the present invention is to prevent fires and explosions from occurring in "high temperature environments", especially in the summer when fires occur frequently. It can reflect the characteristics of all batteries and provide a way to diagnose failures in advance to prepare for fire. It provides the effect of being able to see the inside of the battery without physically dismantling the battery at the battery cell level. In other words, the pattern in which the parameter Ri, which is the battery resistance, increases rapidly after a certain cycle at high temperature can be diagnosed in advance through the failure diagnosis prediction value, providing an opportunity for maintenance before a fire, etc. occurs in a high temperature environment.

도 1은 리튬이온 배터리의 온도에 따른 배터리 용량과 내부 저항의 변화, 즉 전기적 특성의 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)을 이용한 배터리 특성을 분석하는 것에 대해서 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에서 사용하는 고장 진단 사전 예측값에 대해서 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에서 사용하는 고장 진단 사전 예측값을 적용할 경우, 종래 이동평균 필터를 활용한 이상탐지 기법보다는 더 빨리 사전에 고장 진단을 예측할 수 있음을 나타낸 것이다.
도 5은 배터리 팩 노화에 다른 셀간 편차 변화를 확인한 것이다.
도 6은 배터리 팩 노화에 따른 방전 용량의 변화를 확인한 것이다.
도 7은 고용량 배터리 팩의 셀간 불균형으로 인한 과방전 및 최소 셀 부분의온도 상승을 시뮬레이션한 결과이다.
도 8은 본 발명에서 발명한 불균형 진단 사전 진단값을 활용하여 배터리 팩 내 전압 편차 불균형을 사전 진단하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 r=0.005의 경우, 불균형 진단 사전 예측값을 기반으로 배터리 팩 내의 불균형을 사전 진단한 것이다.
도 10은 도 9에서 예측한 187cycle째의 배터리 팩 내 배터리 셀의 최소 전압값을 나타낸 것이다.
도 11은 r=0.01의 경우, 불균형 진단 사전 예측값을 기반으로 배터리 팩 내의 불균형을 사전 진단한 것이다.
도 12는 도 11에서 예측한 228cycle째의 배터리 팩 내 배터리 셀의 최소 전압값을 나타낸 것이다.
Figure 1 shows changes in battery capacity and internal resistance, that is, changes in electrical characteristics, depending on the temperature of a lithium-ion battery.
Figure 2 shows analysis of battery characteristics using electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
Figure 3 is a diagram explaining the failure diagnosis preliminary prediction value used in the present invention.
Figure 4 shows that when applying the failure diagnosis advance prediction value used in the present invention, failure diagnosis can be predicted in advance more quickly than the conventional anomaly detection technique using a moving average filter.
Figure 5 confirms changes in variation between cells due to battery pack aging.
Figure 6 confirms the change in discharge capacity as the battery pack ages.
Figure 7 shows the results of simulating overdischarge and temperature increase in the minimum cell portion due to imbalance between cells of a high-capacity battery pack.
Figure 8 is a diagram illustrating a method of pre-diagnosing voltage deviation imbalance within a battery pack using the pre-diagnosis imbalance diagnosis value invented in the present invention.
Figure 9 shows a preliminary diagnosis of imbalance in the battery pack based on the imbalance diagnosis preliminary prediction value in the case of r = 0.005.
Figure 10 shows the minimum voltage value of the battery cell in the battery pack at the 187th cycle predicted in Figure 9.
Figure 11 shows a preliminary diagnosis of imbalance in the battery pack based on the imbalance diagnosis preliminary prediction value in the case of r = 0.01.
Figure 12 shows the minimum voltage value of the battery cell in the battery pack at the 228th cycle predicted in Figure 11.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 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 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. Based on the principle of definability, it must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

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.Accordingly, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent the entire technical idea of the present invention, so at the time of filing this application, various alternatives are available to replace them. It should be understood that equivalents and variations may exist.

최근 전 세계적으로 배터리의 수요는 2030년에 2TWh 규모를 넘어설 것으로 전망하고 있으며, 배터리의 수요 중 가장 많은 부분을 차지하고 있는 운송 분야는 2030년 85.7%까지 늘어날 것으로 예측하고 있다. 배터리의 수요가 늘어남에 따라 배터리 상태 진단 및 안전성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 국내외적으로 전기자동차(Electric vehicle; EV)와 에너지저장장치(Energy storage system; ESS)의 화재사고가 보고되고 있다. Recently, global demand for batteries is expected to exceed 2TWh in 2030, and the transportation sector, which accounts for the largest portion of battery demand, is expected to increase to 85.7% by 2030. As the demand for batteries increases, research on battery status diagnosis and safety is actively underway, but fire accidents in electric vehicles (EV) and energy storage systems (ESS) are being reported both domestically and internationally. .

전기자동차와 에너지저장장치의 화재의 원인은 충전, 외부 충돌, 고온과 같은 환경에 장기간 노출 등을 지목하고 있다. 이를 방지하기 위해 에너지저장장치와 전기자동차에 안전성을 높이기 위해 운영 SOC 범위를 줄이는 방안, SPD(Surge protection device), 제조공정 개선 등 다수의 방안이 적용되었다. Causes of fires in electric vehicles and energy storage devices include charging, external collisions, and long-term exposure to environments such as high temperatures. To prevent this, a number of measures have been applied to energy storage devices and electric vehicles, such as reducing the operating SOC range, SPD (Surge protection device), and manufacturing process improvement to increase safety.

하지만, 이러한 방안들에도 불구하고 H사의 전기자동차는 2018년 출시 이후 18건(2021.07 기준)의 화재사고가 발생하였으며, 여름철에 10건으로 절반 이상의 비중을 차지하고 있다. 특히, "고온 환경"에서 화재 및 폭발 사고가 발생하기 전 배터리의 특성을 반영하고 화재를 대비하기 위해 고장 진단 방안이 필요하다. However, despite these measures, 18 fire accidents have occurred with Company H's electric vehicle since its launch in 2018 (as of July 2021), with 10 fire accidents occurring in the summer, accounting for more than half. In particular, a failure diagnosis plan is needed to reflect the characteristics of the battery and prepare for fire before a fire or explosion occurs in a "high temperature environment."

리튬이온 배터리는 고온 조건에서 배터리는 전해질 및 분리막의 분해로 인해 내부 단락 및 내부 가스로 인한 벤팅(Venting)이 발생할 수 있다. 전기자동차나 에너지저장장치에 탑재되고 있는 리튬이온 배터리는 화재 발생 시 소화가 어려워 배터리의 고장 진단 방안으로 사전 및 사후 진단으로 나눌 수 있다. In lithium-ion batteries, under high temperature conditions, internal short circuits and venting due to internal gas may occur due to decomposition of the electrolyte and separator. Lithium-ion batteries installed in electric vehicles or energy storage devices are difficult to extinguish in the event of a fire, so battery failure diagnosis methods can be divided into pre- and post-diagnosis.

사전 진단은 배터리의 특성으로부터 이상 징후를 진단하여 화재가 발생하기 전 진단하는 방법이며, 사후 진단은 화재 발생하기 직전에 Off-gas, 아크(Arc) 등을 검출하여 화재 확산을 방지하는 목적이 있다. Pre-diagnosis is a method of diagnosing abnormal signs based on battery characteristics before a fire occurs, and post-diagnosis is aimed at preventing the spread of fire by detecting off-gas, arc, etc. just before a fire occurs. .

본 발명에서는 사전 진단에 초점을 맞추고 있으며, 사전 진단을 위해 배터리의 특성을 반영한 진단 방안을 제안한다. 배터리의 특성을 진단하는 방안에는 직류(Direct current; DC)와 교류(Alternative current AC)를 활용하여 배터리의 특성을 확인한다. 직류의 경우 펄스 전류(Pulse current)를 인가하여 전압의 변화를 통해 배터리의 출력 특성을 확인하는 방안 및 완전 충전과 완전 방전으로 배터리의 용량을 진단하는 방안이 사용되고 있다. 이의 방안은 전기적 특성을 통해 배터리의 노화를 진단할 수 있지만, 배터리 내부 특성을 확인할 수 없어 고장 발생 시점 이전에 특이점을 발견하기 어려운 단점을 가지고 있다. The present invention focuses on pre-diagnosis and proposes a diagnostic method that reflects the characteristics of the battery for pre-diagnosis. To diagnose the characteristics of a battery, direct current (DC) and alternative current AC are used to check the characteristics of the battery. In the case of direct current, a method of checking the output characteristics of the battery through changes in voltage by applying pulse current and a method of diagnosing the battery capacity by fully charging and fully discharging are used. This method can diagnose battery aging through electrical characteristics, but it has the disadvantage of not being able to check the internal characteristics of the battery, making it difficult to find outliers before the failure occurs.

본 발명에서 적용하는, 교류를 활용한 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)은 전압 및 전류에 정현파를 인가하여 출력되는 전압 및 전류를 통해 나이퀴스트 선도(Nyquist plot) 및 보드 선도(Bode plot)를 추출할 수 있으며, 배터리의 내부 특성을 확인할 수 있다.Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) using alternating current, applied in the present invention, is a Nyquist plot and Bode diagram through the voltage and current output by applying a sine wave to the voltage and current. plot) can be extracted and the internal characteristics of the battery can be checked.

참고로, 도 2는 교류 방식의 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)을 이용한 배터리 특성을 분석하는 것에 대해서 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리의 물리적 특성 정보를 나이퀴스트 플롯(Nyquitst Plot)을 이용하여 표현 가능하며(도 2의 오른쪽), 등가회로모델로 표현이 가능하다(도 2의 왼쪽). For reference, Figure 2 shows analysis of battery characteristics using alternating current electrochemical impedance spectroscopy (EIS). As shown in FIG. 2, the physical characteristic information of the battery can be expressed using a Nyquist Plot (right side of FIG. 2) and an equivalent circuit model (left side of FIG. 2).

본 발명에서는, 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)을 이용하여 고온 조건에서 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법으로서, 먼저 교류를 활용한 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여, 상기 리튬이온 배터리의 각 셀에 대한 임피던스를 추출하되, 상기 임피던스를 일정한 시간 간격으로 시계열적으로 측정한다. In the present invention, as a method of diagnosing a failure of a lithium-ion battery in advance under high temperature conditions using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), first, using electrochemical impedance spectroscopy using alternating current, the lithium ion The impedance for each cell of the battery is extracted, and the impedance is measured time series at regular time intervals.

본 발명에서 사용한 고장 진단 사전 예측값은, 상술한 전기화학 임피던스 분광법 이외에, 다음의 수식을 이용하여 SampEn으로 계산한다. 여기는 샘플 엔트로피 모델을 활용한다. In addition to the electrochemical impedance spectroscopy described above, the fault diagnosis preliminary prediction value used in the present invention is calculated as SampEn using the following formula. Here, the sample entropy model is used.

도 3은 본 발명에서 사용하는 고장 진단 사전 예측값에 대해서 설명하는 도면이다. 차량 내부 또는 차량 외부의 배터리 관리 시스템 또는 차량 유지보수 시스템을 통해서, 시계열적으로 각 측정 시점에서의 각 셀의 임피던스의 최대 편차를 계산한다. 도 3에 도시된 방식을 통해서, 배터리 관리 시스템 또는 차량 유지보수 시스템 등이, 고장 진단 사전 예측값을 계산하고, 상기 고장 진단 사전 예측값에 따라서 상기 리튬이온 배터리의 고장을 사전 진단하게 된다. Figure 3 is a diagram explaining the failure diagnosis preliminary prediction value used in the present invention. The maximum deviation of the impedance of each cell at each measurement point is calculated in time series through a battery management system or vehicle maintenance system inside or outside the vehicle. Through the method shown in FIG. 3, a battery management system or vehicle maintenance system calculates a failure diagnosis preliminary prediction value and pre-diagnoses a failure of the lithium-ion battery according to the failure diagnosis preliminary prediction value.

도 3를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 고장 진단 사전 예측값을 계산하는 것에 대해서, 좀 더 구체적으로 살펴보면, 고장 진단 사전 예측값은 시계열 데이터의 패턴의 규칙과 불규칙을 정량화하는 기법으로 정의되는 샘플 엔트로피를 활용한다. Referring to FIG. 3, looking more specifically at calculating the failure diagnosis advance prediction value according to the present invention, the failure diagnosis advance prediction value is sample entropy defined as a technique for quantifying the regularity and irregularity of the pattern of time series data. Use .

여기서의 불균형 진단 사전 예측값은, 다음의 수식을 이용하여 SampEn으로 계산할 수 있다. 비지도 학습 기반으로 예측하게 된다. Here, the imbalance diagnosis prior prediction value can be calculated with SampEn using the following formula. Predictions are made based on unsupervised learning.

여기서, Bm(r)은 상기 배터리 팩 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 임피던스의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타낸다. Here, B m (r) is the impedance difference or distance between the i and jth battery cells, which are different battery cells, among the plurality of battery cells in the battery pack, than r, which is an indicator of data volatility. Indicates a small number.

Am(r)은 Bm(r)이 대상하는 배터리 셀의 임피던스 측정 시점의 시계열적으로 바로 다음 측정시점에서, 상기 배터리 팩 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 임피던스의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타낸다. A m (r) is the i and j th battery cells that are different from each other among the plurality of battery cells in the battery pack at the time-serially next measurement point of the impedance measurement time of the battery cell targeted by B m (r). The impedance difference or distance between the battery cells represents the number smaller than r, which is an indicator of data volatility.

X는 변수로서, 여기서는 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)을 이용하여 추출된 배터리 셀의 임피던스을 나타내지만, 배터리 팩 내의 배터리 셀의 온도(Tcell), 배터리 팩의 전류(Ipack), 배터리 셀의 전압(Vcell) 등을 포함한 배터리의 각종 측정값일 수 있다. N은 윈도우 크기를 나타내며, m은 2이다. X is a variable, and here represents the impedance of the battery cell extracted using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), but the temperature of the battery cell in the battery pack (Tcell), the current of the battery pack (Ipack), and the battery cell It can be various measurement values of the battery, including voltage (Vcell). N represents the window size, and m is 2.

이와 같이 계산된 고장 진단 사전 예측값이 특정 임계값을 초과하는 경우, 고장이 발생할 우려가 있다고 보고, 차량 내부 또는 차량 외부의 배터리 관리 시스템 또는 차량 유지보수 시스템은 배터리를 사용하는 전기차 사용자 등에게 유지보수(MRO)가 필요하다는 경고나 알림을 출력할 수 있다. 여기서 특정 임계값은 1(one)일 수 있다. If the predicted failure diagnosis value calculated in this way exceeds a certain threshold, it is reported that there is a risk of failure, and the battery management system or vehicle maintenance system inside or outside the vehicle is provided to users of electric vehicles using batteries, etc. A warning or notification that (MRO) is required can be output. Here, the specific threshold may be 1 (one).

이와 같은 고장 진단 사전 예측값은 매번 이전 데이터를 활용하여 새로운 패턴의 확률을 산출하는데, A/B 값이 1에 가까울수록 고장 진단 사전 예측값은 0에 가깝게 산출되고, 이상 데이터가 발생하면, 즉 정상 데이터인 셀간 임피던스 차이가 r보다 작은 개수가 줄어들어서, A/B값이 0에 근접하게 되므로, 고장 진단 사전 예측값은 커지게 되는 특징을 갖게 설계하였다. 바람직하게는, 고장 진단 사전 예측값이 1이상인 경우 고장을 사전 예측한 것으로 설계하였다. This type of fault diagnosis advance prediction value uses previous data to calculate the probability of a new pattern every time. The closer the A/B value is to 1, the closer the fault diagnosis advance prediction value is to 0, and when abnormal data occurs, that is, normal data It was designed to have the feature that the number of impedance differences between in-cells smaller than r is reduced, and the A/B value approaches 0, so the advance prediction value for fault diagnosis increases. Preferably, if the failure diagnosis prior prediction value is 1 or more, the failure is designed to be predicted in advance.

도 4는 본 발명에서 사용하는 고장 진단 사전 예측값을 적용할 경우, 종래 이동평균 필터를 활용한 이상탐지 기법보다는 더 빨리 사전에 고장 진단을 예측할 수 있음을 나타낸 것이다. Figure 4 shows that when applying the failure diagnosis advance prediction value used in the present invention, failure diagnosis can be predicted in advance more quickly than the conventional anomaly detection technique using a moving average filter.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고장 진단 사전 예측값을 이용할 ㄱ겨경우, r=0.0001 일 때에는 135cyle째 고장 진단을 사전에 예측 할 수 있고, r=0.0002일 때에는 145cycle째 고장 진단을 사전에 예측할 수 있음을 확인할 수 있다. 반면에, 이동평균 필터를 활용한 이상탐지 기법은 대략 163cycle째가 되어야 추세선을 이탈한 것을 확인하고 고장을 진단할 수 있었다.As shown in Figure 4, when using the failure diagnosis advance prediction value of the present invention, when r = 0.0001, the 135th cycle failure diagnosis can be predicted in advance, and when r = 0.0002, the 145th cycle failure diagnosis can be predicted in advance. You can confirm that it is possible. On the other hand, the anomaly detection technique using a moving average filter required approximately the 163rd cycle to confirm deviation from the trend line and diagnose a failure.

즉, 배터리 저항인 Ri라는 파라미터가 고온에서 일정 사이클 후 급격히 증가하는 패턴을 고장 진단 예측값(샘플 엔트로피값)을 통해서 실제 고장 나기 이전에, 사전에 진단가능하여, 고온 환경에서 화재 등이 발생하기 전에 유지 보수 될 수 있는 기회를 제공한다. In other words, the pattern in which the parameter Ri, which is the battery resistance, increases rapidly after a certain cycle at high temperature can be diagnosed in advance before actual failure through the failure diagnosis prediction value (sample entropy value), before a fire, etc. occurs in a high temperature environment. Provides an opportunity for maintenance.

(다른 실시예)(Other Embodiments)

상술한 고장 진단 사전 예측값은 다른 변수를 활용하여 셀 간 불균형을 예측하는데도 활용이 가능하다. 이하에는 다른 실시예에 대해서도 설명을 하기로 한다. The above-described failure diagnosis advance prediction value can also be used to predict imbalance between cells using other variables. Below, other embodiments will be described.

도 5은 배터리 팩 노화에 다른 셀간 편차 변화를 확인한 것이고, 도 6은 배터리 팩 노화에 따른 방전 용량의 변화를 확인한 것이다. Figure 5 confirms the change in variation between cells depending on battery pack aging, and Figure 6 confirms the change in discharge capacity according to battery pack aging.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 출원인은 셀간 전압 편차가 크게 발생됨에 따라 용량의 급격한 감소가 발생하게 된다는 것을 확인하였다. 도 5 및 도 6에서, 셀간 전압 편차가 발생하는 지점은 156cycle 째였으며, 최소 전압인 2.7V 이하에 도달하는 시점은 230 cycle째인 것을 알 수 있다. As shown in Figures 5 and 6, the present applicant confirmed that as the voltage difference between cells increases, a rapid decrease in capacity occurs. In Figures 5 and 6, it can be seen that the point at which the inter-cell voltage deviation occurs is the 156th cycle, and the point at which the minimum voltage of 2.7V or less is reached is the 230th cycle.

도 6에서 노화 270cycle째의 경우 118.5Ah를 예상했으나, 실제로는 116.3Ah인 것을 확인하였다. 배터리 팩의 노화가 진행할 경우, 배터리 팩 내 셀간의 불균형이 발생하는 시점부터 방전 용량의 변화 기울기가 변경되고, 셀간 전압 편차 발생 시점부터 배터리 팩의 성능 감소를 확인할 수 있었다. In Figure 6, in the case of the 270th cycle of aging, 118.5 Ah was expected, but it was confirmed that it was actually 116.3 Ah. As the battery pack ages, the slope of the discharge capacity changes from the point when an imbalance between cells in the battery pack occurs, and the performance of the battery pack decreases from the point when the voltage difference between cells occurs.

도 7은 고용량 배터리 팩의 셀간 불균형으로 인한 과방전 및 최소 셀 부분의온도 상승을 시뮬레이션한 결과이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 셀간 편차가 발생하기 전 시점 (150cycle)에서는, 최소 셀 전압 (3.108V), 온도 편차 (6.97℃)이지만, 셀간 편차가 가장 심한 시점 (270cycle)에서는, 최소 셀 전압(1.713V), 온도 편차 (7.26℃)라는 것을 확인할 수 있다. Figure 7 shows the results of simulating overdischarge and temperature increase in the minimum cell portion due to imbalance between cells of a high-capacity battery pack. As shown in Figure 7, at the time before inter-cell variation occurs (150 cycles), the minimum cell voltage is (3.108V) and temperature deviation (6.97°C), but at the time when inter-cell variation is most severe (270 cycles), the minimum cell voltage is (1.713V) and temperature deviation (7.26℃).

도 8는 본 발명에서 발명한 불균형 진단 사전 예측값을 활용하여 배터리 팩 내 전압 편차 불균형을 사전 진단하는 방법을 설명하는 도면이다. Figure 8 is a diagram illustrating a method of pre-diagnosing voltage deviation imbalance within a battery pack using the imbalance diagnosis prior prediction value invented in the present invention.

도 8에 도시된 바와 같이, 배터리 팩 내의 배터리 셀의 전압(Vcell)을 일정한 시간 간격으로 시계열적으로 측정하고, 즉 배터리 팩 내의 다수의 배터리 셀 각각에 대해서 시계열적으로 측정하고, 각 측정 시점에서의 배터리 팩 내의 다수의 배터리 셀의 전압의 최대 편차를 계산한다. 여기서는 배터리 셀의 전압(Vcell)을 예로 하여 설명하였으나, 배터리 팩 내의 배터리 셀의 온도(Tcell), 배터리 팩의 전류(Ipack)를 포함한 배터리의 각종 측정값의 시계열적인 최대 편차를 이용할 수 있다. As shown in FIG. 8, the voltage (Vcell) of the battery cell in the battery pack is measured time-series at regular time intervals, that is, measured time-series for each of a plurality of battery cells in the battery pack, and at each measurement point. Calculate the maximum deviation of the voltage of multiple battery cells within a battery pack. Here, the voltage of the battery cell (Vcell) is used as an example, but the maximum time-series deviation of various measurement values of the battery, including the temperature of the battery cell in the battery pack (Tcell) and the current (Ipack) of the battery pack, can be used.

다음으로 후술하는 불균형 진단 사전 예측값을 계산하고, 그 불균형 진단 사전 예측값에 따라서 불균형을 사전 진단하게 된다. 여기서 배터리 팩 내의 셀간 편차를 통해 불균형을 비지도 학습 기반으로 불균형 편차를 사전에 예측하게 되며, 특정 임계값, 통상 1을 초과하게 되면, 불균형이 발생할 우려가 있다고 보고, 유지보수(MRO)가 필요하다고 사용자에게 경고나 알림을 제공하는 것이 가능하다. Next, a pre-prediction value for imbalance diagnosis, which will be described later, is calculated, and the imbalance is pre-diagnosed according to the pre-prediction value for imbalance diagnosis. Here, the imbalance is predicted in advance based on unsupervised learning through the variation between cells in the battery pack. If it exceeds a certain threshold, usually 1, it is considered that there is a risk of imbalance and maintenance (MRO) is required. It is possible to provide warnings or notifications to the user.

이미 설명한 것처럼, 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 고용량 배터리 팩 불균형 사전 진단 방법에서 사용하는 불균형 진단 사전 예측값을 계산하는 것에 대해서, 좀 더 구체적으로 살펴보면, 불균형 진단 사전 예측값은 시계열 데이터의 패턴의 규칙과 불규칙을 정량화하는 기법으로 정의되는 샘플 엔트로피를 활용한다. As already described, referring to FIG. 3, looking more specifically at calculating the imbalance diagnosis advance prediction value used in the high-capacity battery pack imbalance advance diagnosis method according to the present invention, the imbalance diagnosis advance prediction value is the time series data. It utilizes sample entropy, which is defined as a technique to quantify regularity and irregularity in patterns.

여기서의 불균형 진단 사전 예측값은, 다음의 수식을 이용하여 SampEn으로 계산할 수 있다. 비지도 학습 기반으로 예측하게 된다. Here, the imbalance diagnosis prior prediction value can be calculated with SampEn using the following formula. Predictions are made based on unsupervised learning.

여기서, Bm(r)은 상기 배터리 팩 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 전압(Vcell)의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타낸다. Here, B m (r) is the difference or distance in voltage (Vcell) of the i and jth battery cells, which are different battery cells, among the plurality of battery cells in the battery pack, and is an indicator of data volatility. It represents a number smaller than r.

Am(r)은 Bm(r)이 대상하는 배터리 셀의 전압(Vcell) 측정시점의 시계열적으로 바로 다음 측정시점에서, 상기 배터리 팩 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 전압(Vcell)의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타낸다. A m (r) is a different battery cell i among a plurality of battery cells in the battery pack at the time-series immediately following measurement time of the voltage (Vcell) of the battery cell targeted by B m (r). , indicates the number of differences or distances in the voltage (Vcell) of the jth battery cell that are smaller than r, which is an indicator of data volatility.

X는 변수로서, 여기서는 배터리 셀의 전압(Vcell)을 나타내지만, 상술한 바와 같이, 배터리 팩 내의 배터리 셀의 온도(Tcell), 배터리 팩의 전류(Ipack)를 포함한 배터리의 각종 측정값일 수 있다. N은 윈도우 크기를 나타내며, m은 2이다. X is a variable, and here represents the voltage of the battery cell (Vcell), but as described above, it can be various measurement values of the battery, including the temperature of the battery cell in the battery pack (Tcell) and the current (Ipack) of the battery pack. N represents the window size, and m is 2.

이와 같이 계산된 불균형 진단 사전 예측값이 특정 임계값을 초과하는 경우, 불균형이 발생할 우려가 있다고 보고, 상기 상기 배터리 관리 시스템은 배터리를 사용하는 전기차 사용자 등에게 유지보수(MRO)가 필요하다는 경고나 알림을 출력할 수 있다. 여기서 특정 임계값은 1일 수 있다. If the pre-predicted imbalance diagnosis value calculated in this way exceeds a certain threshold, it is considered that there is a risk of imbalance occurring, and the battery management system warns or notifies users of electric vehicles using the battery that maintenance (MRO) is required. can be output. Here, the specific threshold may be 1.

이와 같은 불균형 진단 사전 예측값은 매번 이전 데이터를 활용하여 새로운 패턴의 확률을 산출하는데, A/B 값이 1에 가까울수록 불균형 진단 사전 예측값은 0에 가깝게 산출되고, 이상 데이터가 발생하면, 즉 정상 데이터인 셀간 전압차가 r보다 작은 개수가 줄어들어서, A/B값이 0에 근접하게 되므로, 불균형 진단 사전 예측값은 커지게 되는 특징을 갖게 설계하였다. 바람직하게는, 불균형 진단 사전 예측값이 1이상인 경우 불균형을 사전 예측한 것으로 설계하였다. This kind of imbalance diagnosis advance prediction value uses previous data to calculate the probability of a new pattern every time. The closer the A/B value is to 1, the closer the imbalance diagnosis advance prediction value is to 0, and when abnormal data occurs, that is, normal data It was designed to have the feature that the number of voltage differences between in-cells smaller than r decreases, and the A/B value approaches 0, so the preliminary prediction value for imbalance diagnosis increases. Preferably, if the imbalance diagnosis prior prediction value is greater than 1, the imbalance is designed to be predicted in advance.

도 9는 r=0.005의 경우, 불균형 진단 사전 예측값을 기반으로 배터리 팩 내의 불균형을 사전 진단한 것이며, 도 10은 도 9에서 예측한 187cycle째의 배터리 팩 내 배터리 셀의 최소 전압값을 나타낸 것이다. Figure 9 shows a preliminary diagnosis of imbalance in the battery pack based on the imbalance diagnosis preliminary prediction value in the case of r = 0.005, and Figure 10 shows the minimum voltage value of the battery cell in the battery pack at the 187th cycle predicted in Figure 9.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 배터리 팩의 불균형이 심화되기 전 187cycle째 불균형 진단 사전 예측값(SampEn)가 임계값인 1을 초과하고, 3.046V로 배터리의 각 셀의 하한 전압(2.7V)에 걸리기 이전에 배터리 팩 내 전압 불균형을 진단할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. As shown in Figures 9 and 10, the imbalance diagnosis advance prediction value (SampEn) exceeds the threshold of 1 at the 187th cycle before the imbalance of the battery pack worsens, and the lower limit voltage of each cell of the battery (2.7V) is 3.046V. ), it was confirmed that it was possible to diagnose voltage imbalance within the battery pack before it occurred.

도 11은 r=0.01의 경우, 불균형 진단 사전 예측값을 기반으로 배터리 팩 내의 불균형을 사전 진단한 것이며, 도 12는 도 11에서 예측한 228cycle째의 배터리 팩 내 배터리 셀의 최소 전압값을 나타낸 것이다. Figure 11 shows a preliminary diagnosis of imbalance in the battery pack based on the imbalance diagnosis preliminary prediction value in the case of r = 0.01, and Figure 12 shows the minimum voltage value of the battery cell in the battery pack at the 228th cycle predicted in Figure 11.

도 11에 도시된 바와 같이, 배터리 팩의 불균형이 심화되기 전 228cycle째 불균형 진단 사전 예측값(SampEn)가 임계값인 1을 초과하는 것을 확인할 수 있다. 도 12에 도시된 바 같이, 228cycle째에 2.705V로 배터리의 각 셀의 하한 전압(2.7V)에 걸리기 이전에 배터리 팩 내 전압 불균형을 진단할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 11, it can be confirmed that the imbalance diagnosis advance prediction value (SampEn) exceeds the threshold of 1 at the 228th cycle before the imbalance of the battery pack worsens. As shown in Figure 12, it was confirmed that the voltage imbalance in the battery pack could be diagnosed before the lower limit voltage (2.7V) of each cell of the battery was reached at 2.705V at the 228th cycle.

도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 배터리 팩 내의 배터리 셀간 전압 편차로 인해 셀 최소 전압에 도달하기 전에 불균형을 사전 진단할 수 있는 가능성을 확인할 수 있다. As shown in FIGS. 9 to 12 , it is possible to confirm the possibility of pre-diagnosing imbalance before the cell minimum voltage is reached due to the voltage difference between battery cells in the battery pack.

이상과 같이, 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 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following will be understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalence of the claims to be described.

Claims (4)

전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy; EIS)을 이용하여 고온 조건에서 리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법으로서,
교류를 활용한 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여, 상기 리튬이온 배터리의 각 셀에 대한 임피던스를 추출하되, 상기 임피던스를 일정한 시간 간격으로 시계열적으로 측정하는 단계;
배터리 관리 시스템를 통해서, 시계열적으로 각 측정 시점에서의 각 셀의 임피던스의 최대 편차를 계산하는 단계; 및
상기 배터리 관리 시스템를 통해서, 고장 진단 사전 예측값을 계산하고, 상기 고장 진단 사전 예측값에 따라서 상기 리튬이온 배터리의 고장을 사전 진단하는 단계;를 포함하는,
리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법.
A method of diagnosing failure of a lithium-ion battery in advance under high temperature conditions using electrochemical impedance spectroscopy (EIS),
Extracting the impedance of each cell of the lithium-ion battery using electrochemical impedance spectroscopy using alternating current, and measuring the impedance in time series at regular time intervals;
Calculating the maximum deviation of the impedance of each cell at each measurement point in time series through a battery management system; and
Comprising: calculating a failure diagnosis preliminary prediction value through the battery management system, and pre-diagnosing a failure of the lithium-ion battery according to the failure diagnosis advance prediction value;
How to diagnose lithium-ion battery failure in advance.
제 1 항에 있어서,
상기 고장 진단 사전 예측값은, 다음의 수식을 이용하여 SampEn으로 계산하며,

여기서,Bm(r)은 상기 배터리 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 임피던스의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타내며,
Am(r)은 Bm(r)이 대상하는 배터리 셀의 임피던스 측정값의 시계열적으로 바로 다음 측정시점에서, 상기 배터리 팩 내의 복수 개의 배터리 셀 가운데, 임의의 서로 다른 배터리 셀인 i, j번째의 배터리 셀에서의 임피던스의 차이 또는 거리(distance)가, 데이터의 변동성 지표인 r보다 작은 개수를 나타내며,
X는 변수로서, 여기서는 배터리 셀의 임피던스를 나타내며,
N은 변수의 데이터 길이를 나타내며, m은 2인 것을 특징으로 하는,
리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법.
According to claim 1,
The fault diagnosis preliminary prediction value is calculated as SampEn using the following formula,

Here, B m (r) is the impedance difference or distance between the i and jth battery cells, which are different battery cells, among the plurality of battery cells in the battery, and is smaller than r, which is an indicator of data volatility. Indicates the number,
A m (r) is the i and j th battery cells that are different from each other among the plurality of battery cells in the battery pack at the next measurement point in time series of the impedance measurement value of the battery cell targeted by B m (r). The impedance difference or distance between the battery cells represents the number smaller than r, which is an indicator of the volatility of the data.
X is a variable, here representing the impedance of the battery cell,
N represents the data length of the variable, and m is 2.
How to diagnose lithium-ion battery failure in advance.
제 2 항에 있어서,
상기 데이터의 변동성 지표인 r은 0.002 보다 작게 설정하는 것을 특징으로 하는,
리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법.
According to claim 2,
r, the volatility index of the data, is set to be less than 0.002,
How to diagnose lithium-ion battery failure in advance.
제 3 항에 있어서,
상기 고장 진단 사전 예측값이 특정 임계값을 초과하는 경우, 상기 상기 배터리 관리 시스템은 유지보수가 필요하다는 경고나 알림을 출력하는 것을 특징으로 하는,
리튬이온 배터리의 고장을 사전에 진단하는 방법.
According to claim 3,
When the failure diagnosis preliminary prediction value exceeds a certain threshold, the battery management system outputs a warning or notification that maintenance is necessary,
How to diagnose lithium-ion battery failure in advance.
KR1020220143200A 2022-10-31 2022-10-31 Method of predicting trouble or failure of lithium ion battery contion using electrochemical impedance spectroscopy KR20240061489A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220143200A KR20240061489A (en) 2022-10-31 2022-10-31 Method of predicting trouble or failure of lithium ion battery contion using electrochemical impedance spectroscopy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220143200A KR20240061489A (en) 2022-10-31 2022-10-31 Method of predicting trouble or failure of lithium ion battery contion using electrochemical impedance spectroscopy

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240061489A true KR20240061489A (en) 2024-05-08

Family

ID=91074856

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220143200A KR20240061489A (en) 2022-10-31 2022-10-31 Method of predicting trouble or failure of lithium ion battery contion using electrochemical impedance spectroscopy

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240061489A (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
대한민국 특허 제10-2449836호(2022.09.27 등록, 발명의 명칭 : ESS 안정성 향상을 위한 리튬이온 배터리의 열폭주 전조현상 감지 및 LN2를 이용한 소화 시스템(Lithium-ion battery thermal runaway detection and fire extinguishing system using LN2 for ESS improved reliability))

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11658350B2 (en) Smart battery management systems
US9465077B2 (en) Battery health monitoring system and method
US20170117725A1 (en) Thermal Monitoring of Battery Packs
US9704384B2 (en) Battery management systems with thermally integrated fire suppression
Appleberry et al. Avoiding thermal runaway in lithium-ion batteries using ultrasound detection of early failure mechanisms
CN103636030B (en) Method for recognizing the triggering of safety device
Jeevarajan et al. Battery hazards for large energy storage systems
US20220123559A1 (en) System For Detecting, Assessing, and Displaying Battery Faults
Zhang et al. A critical review of thermal runaway prediction and early-warning methods for lithium-ion batteries
Dong et al. Electrical‐thermal behaviors of a cylindrical graphite‐NCA Li‐ion battery responding to external short circuit operation
Wang et al. Safety performance and failure prediction model of cylindrical lithium-ion battery
US20210218079A1 (en) Early detection of thermal incident in battery pack
KR20220102454A (en) Apparatus and method for diagnosing battery system
CN112550074A (en) Safety early warning method and monitoring system for internal temperature of electric vehicle battery
Yang et al. A review on models to prevent and control lithium-ion battery failures: From diagnostic and prognostic modeling to systematic risk analysis
EP4361983A1 (en) Fire-protection detecting method and device, electronic device and medium
KR20240061489A (en) Method of predicting trouble or failure of lithium ion battery contion using electrochemical impedance spectroscopy
KR20220018832A (en) Apparatus of detecting thermal runaway for electric vehicle
CN116840702A (en) Method and device for detecting abnormality of storage battery in running state
CN116930764A (en) Power-electron-fused fault diagnosis and danger prediction method for lithium battery energy storage system
CN116381544A (en) Method and device for detecting battery self-discharge abnormality, electronic equipment and storage medium
CN117239264B (en) Battery safety control method and device, intelligent battery and medium
Yang et al. Insight into gas evolution behavior induced by external short-circuit in commercial LiFePO4 batteries
Swartz et al. Lithium Ion Battery Off-Gas Monitoring for Battery Health and Safety
CN117691227B (en) Method and system for safety pre-warning of battery energy storage system and computing device