WO2021049882A1 - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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WO2021049882A1
WO2021049882A1 PCT/KR2020/012195 KR2020012195W WO2021049882A1 WO 2021049882 A1 WO2021049882 A1 WO 2021049882A1 KR 2020012195 W KR2020012195 W KR 2020012195W WO 2021049882 A1 WO2021049882 A1 WO 2021049882A1
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김지연
김대수
김영덕
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주식회사 엘지화학
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery management apparatus and method, and more particularly, to a battery management apparatus and method for diagnosing a state of a battery cell and managing a battery cell based on a capacity-voltage differential profile.
  • Battery cells may undergo deterioration as charging or discharging is repeated.
  • the electrolyte may be oxidized or the crystal structure may be destroyed, and thus the battery cell may be deteriorated.
  • metallic lithium On the negative electrode side, metallic lithium may be deposited and the battery cell may be degraded.
  • the capacity deterioration of the secondary battery is accelerated.
  • Patent Document 1 an invention for detecting an abnormality in a battery cell based on a capacity-voltage differential profile has been disclosed so that long-term capacity reliability can be ensured in a manufacturing step of a battery cell.
  • Patent Document 1 is for detecting the reliability of long-term capacity of the battery cell in the manufacturing stage of the battery cell, and thus there is a limitation in that the charging of the battery cell is performed only through the same charging rate.
  • Patent Literature 1 has a problem in that when a battery cell is charged at a different charging rate than a preset charging rate, the state of the battery cell cannot be diagnosed. That is, Patent Document 1 cannot be used in a process in which a battery cell is provided in a vehicle and is actually operated, and there is a limit that it can be used only for test purposes in the step of manufacturing a battery cell.
  • Patent Document 1 KR 10-2013-0142884 A
  • the present invention has been conceived to solve the above problems, and provides a battery management apparatus and method capable of diagnosing a state of a battery cell in real time even in a process of operating a battery cell based on a capacity-voltage differential profile. It aims to do.
  • a battery management apparatus includes a measuring unit configured to measure voltage and current of the battery cell while the battery cell is being charged or discharged in a charge/discharge cycle of the battery cell; A control unit configured to estimate a capacity of the battery cell based on the current of the battery cell measured by the measurement unit; And a storage configured to store a capacity-voltage differential profile generated based on the voltage of the battery cell measured by the measuring unit and the capacity of the battery cell estimated by the control unit, and a charge/discharge slate of each charge/discharge cycle. May contain wealth.
  • the control unit generates a group of charge/discharge cycles having the same charge/discharge cycles stored in the storage unit, and compares each of the capacity-voltage differential profiles corresponding to charge/discharge cycles included in the same group, and the state of the battery cell Can be configured to diagnose.
  • the control unit estimates the capacity of the battery cell based on the current of the battery cell measured by the measurement unit in the process of a new charge/discharge cycle, and based on the voltage measured by the measurement unit and the estimated capacity. To generate a new capacitance-voltage differential profile.
  • the controller selects a predetermined group from among the generated groups, and the state of the battery cell according to a change type between a capacity-voltage differential profile corresponding to a charge/discharge cycle of the selected predetermined group and the new capacity-voltage differential profile. Can be configured to diagnose.
  • the predetermined group may be a group in which the charge/discharge sirrate among the generated groups is the same as that of the new charge/discharge cycle.
  • the control unit includes a first peak associated with loss of available lithium of a battery cell provided in the battery cell, and a second associated with an anode reaction area. It may be configured to extract at least one of the peaks.
  • the control unit may be configured to diagnose a state of the battery cell according to a change type of at least one of a plurality of extracted first peaks and a plurality of second peaks.
  • the control unit is configured to diagnose a state of the battery cell as a state in which available lithium of the provided battery cell is lost when the voltages of the plurality of first peaks are moved to a high potential side as the charge/discharge cycle increases. Can be.
  • the control unit diagnoses the state of the battery cell as a state in which the anode reaction area of the provided battery cell is reduced. Can be configured.
  • the control unit extracts a plurality of peaks from each of the capacity-voltage differential profile, selects a reference peak that satisfies a predetermined condition among the extracted plurality of peaks, and based on the voltage of the selected reference peak and a capacity change amount per unit voltage. It may be configured to extract at least one of the first peak and the second peak.
  • the reference peak may be a peak in which an anode peak and a cathode peak of the battery cell are mixed and overlapped in the capacity-voltage differential profile.
  • the control unit may be configured to select the first peak in a lower potential section than the voltage of the reference peak among the extracted plurality of peaks.
  • the controller may be configured to select a peak having a capacity change amount per unit voltage closest to a capacity change amount per unit voltage of the reference peak in the low-potential section among the extracted plurality of peaks as the first peak.
  • the control unit may be configured to select the second peak in a high potential section than the voltage of the reference peak among the extracted plurality of peaks.
  • the controller may be configured to select, as the second peak, a peak in which a slope changes from positive to negative among a plurality of peaks belonging to the high potential section and a corresponding voltage is largest.
  • the control unit may be configured to change at least one of a threshold value of a charge or discharge rate of the battery cell and an operating voltage range of the battery cell based on a result of diagnosing a state of the battery cell.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include a battery management apparatus according to an aspect of the present invention.
  • a battery management method includes a voltage and current measurement step of measuring voltage and current of the battery cell while the battery cell is being charged or discharged in a charge/discharge cycle of the battery cell; A capacity estimating step of estimating a capacity of the battery cell based on the current of the battery cell measured in the measuring step; A group creation step of generating groups of charge/discharge cycles having the same charge/discharge rate; And a state diagnosis step of diagnosing a state of the battery cell by comparing each of the capacity-voltage differential profiles corresponding to the charge/discharge cycles included in the same group.
  • the state of the battery cell is diagnosed by the peak selected in consideration of the voltage-capacity profile and the capacity-voltage differential profile of the battery cell, there is an advantage in that the accuracy and reliability of the condition diagnosis of the battery cell can be improved.
  • the accuracy and reliability of the condition diagnosis of the battery cell may be improved.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a battery pack including a battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a first capacity-voltage differential profile generated by a battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a second capacity-voltage differential profile generated by a battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a voltage-capacity profile generated by a battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a capacity-voltage differential profile of a first battery cell according to a charging cycle.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a capacity-voltage differential profile of a second battery cell according to a charging cycle.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a capacity-voltage differential profile of a third battery cell according to a charging cycle.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a battery management method according to another embodiment of the present invention.
  • control unit 130 when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.
  • terms such as the control unit 130 described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a battery management apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a diagram illustrating a configuration of a battery pack 1 including the battery management apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a battery management apparatus 100 may include a measurement unit 110, a storage unit 120, and a control unit 130.
  • the battery management apparatus 100 may be provided inside the battery pack 1 and may be connected to the battery cell 10.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example in which a single battery cell 10 is provided in the battery pack 1, but a battery module in which one or more battery cells 10 are connected in series and/or in parallel in the battery pack 1 This may be provided.
  • the battery management apparatus 100 may be connected to each of the battery module and the plurality of battery cells 10 included in the battery module.
  • the measurement unit 110 and the storage unit 120 included in the battery management apparatus 100 may be connected to the controller 130 to communicate with each other.
  • the measurement unit 110 may transmit a measurement result of the battery cell 10 to the control unit 130.
  • the control unit 130 may extract data stored in the storage unit 120 and store new data in the storage unit 120.
  • the measurement unit 110 may be configured to measure the voltage and current of the battery cell 10 while the battery cell 10 is being charged or discharged in a charge/discharge cycle of the battery cell 10.
  • the measurement unit 110 may include a voltage measurement unit that measures a voltage of the battery cell 10 and a current measurement unit that measures a charge/discharge current of the battery cell 10.
  • the voltage measurement unit may measure the voltage of the battery cell 10 by measuring the positive potential and the negative potential of the battery cell 10 and obtaining a difference between the measured positive and negative potentials.
  • the current measurement unit may measure the charge/discharge current of the battery cell 10 through an ammeter A provided on the charge/discharge path of the battery cell 10.
  • the measurement unit 110 may signal information on the measured voltage and current of the battery cell 10 and transmit the signal to the controller 130.
  • the control unit 130 may be configured to estimate the capacity of the battery cell 10 based on the current of the battery cell 10 measured by the measurement unit 110.
  • the capacity of the battery cell 10 may be a state of charge of the battery cell 10.
  • the controller 130 may estimate the capacity of the battery cell 10 by integrating the amount of charging current measured through the current measuring unit.
  • the controller 130 may estimate the capacity of the battery cell 10 by integrating the amount of discharge current measured through the current measuring unit.
  • the controller 130 may estimate the capacity of the battery cell 10 using the current integration method.
  • the storage unit 120 is a capacity-voltage differential generated based on the voltage of the battery cell 10 measured by the measurement unit 110 and the capacity of the battery cell 10 estimated by the control unit 130 It may be configured to store a profile and a charge/discharge rate of each of the charge/discharge cycles.
  • the storage unit 120 may be configured to store the capacity-voltage differential profile of the battery cell 10 and current rate information of each charge/discharge cycle.
  • the capacity-voltage differential profile is a profile obtained by differentiating the capacity-voltage profile of the battery cell 10 with respect to the voltage, and may be a profile regarding the amount of change in capacity per unit voltage with respect to the voltage of the battery cell 10.
  • the storage unit 120 may store the capacity-voltage differential profile in the form of a table in which the amount of change in capacity per unit voltage for each voltage of the battery cell 10 is recorded.
  • the storage unit 120 stores the capacity-voltage differential profile in the form of a graph recorded in coordinates where the X-axis is the voltage of the battery cell 10 and the Y-axis is the amount of change in capacity per unit voltage of the battery cell 10. May be.
  • the storage unit 120 may store a charge/discharge rate in each charge/discharge cycle of the battery cell 10. That is, the storage unit 120 may match and store the charge/discharge rate and the capacity-voltage differential profile for each charge/discharge cycle of the battery cell 10.
  • the storage unit 120 may store a charge/discharge rate and a capacity-voltage differential profile in each charge/discharge cycle of the battery cell 10.
  • the storage unit 120 stores a charge slate and a capacity-voltage differential profile in a first charging cycle of the battery cell 10, and stores a discharge slate and a capacity-voltage differential profile in the first discharge cycle. Can be saved.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a first capacity-voltage differential profile P1 generated by the battery management apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the first capacity-voltage differential profile P1 shown in FIG. 3 is the voltage of the battery cell 10 measured in the charging cycle of the battery cell 10 and the estimated capacity of the battery cell 10 Note that it was created based on. That is, the controller 130 may generate a capacity-voltage differential profile in a charging cycle and/or a discharge cycle of the battery cell 10.
  • a charge/discharge cycle will be described as referring to a charge cycle and/or a discharge cycle, and a charge/discharge sirate refers to a charge throat and/or a discharge throat.
  • FIG. 3 shows a reference profile PB generated when the battery cell 10 is in an initial state (Beginning of Life) and a first capacity-voltage differential profile P1 of the deteriorated battery cell 10 by 2 It is a diagram shown together on a dimensional coordinate plane.
  • the capacity-voltage differential profile is a profile related to the amount of change in capacity per unit voltage with respect to the voltage of the battery cell 10, and may be stored in the storage unit 120 in the form of a graph as shown in FIG. It may be stored in the form of a table in which the value and the amount of change in capacity per unit voltage are recorded.
  • the control unit 130 may generate a group of charge/discharge cycles having the same charge/discharge rate stored in the storage unit 120.
  • a charge/discharge slate and a capacity-voltage differential profile may be matched and stored for each charge/discharge cycle.
  • the control unit 130 may generate a group of charge/discharge cycles having the same sill rate.
  • the control unit 130 may store information on the generated group in the storage unit 120. That is, the storage unit 120 stores group information for each charge/discharge rate, and the group information may include charge/discharge cycle information.
  • control unit 130 may generate a group of cycles having the same sill rate among the charge/discharge cycles stored in the storage unit 120.
  • the first charging cycle, the 100th charging cycle, and the 200th charging cycle have a charging throat rate of 0.33C, and that of the 50th charging cycle, the 150th charging cycle, and the 250th charging cycle is 0.05C.
  • the controller 130 may group the first charging cycle, the 100th charging cycle, and the 200th charging cycle with the same charging slate into one group. Also, the controller 130 may group the 50th charging cycle, the 150th charging cycle, and the 250th charging cycle into one group. That is, the generated group may include information on a charging cycle in which charging is performed at the same charging rate.
  • the reference profile PB and the first capacity-voltage differential profile P1 are the voltage of the battery cell 10 measured in the charging cycle charged with the same charging slate and the estimated capacity of the battery cell 10. It may be generated based on.
  • controller 130 may be configured to diagnose the state of the battery cell 10 by comparing each capacity-voltage differential profile corresponding to a charge/discharge cycle included in the same group.
  • control unit 130 compares the capacity-voltage differential profile corresponding to the cycle charged at the same slate or the cycle discharged at the same slate, thereby improving the accuracy and reliability of diagnosis of the condition of the battery cell 10. I can.
  • the battery cell 10 when charging and discharging of the battery cell 10 is performed at a low rate sir rate (e.g., a sir rate of 0.1 C or less), charging or discharging takes a long time, but the battery cell in the obtained capacity-voltage differential profile ( The peak for diagnosing the condition of 10) may appear more clearly.
  • a low rate sir rate e.g., a sir rate of 0.1 C or less
  • the battery cell in the obtained capacity-voltage differential profile The peak for diagnosing the condition of 10
  • the battery cell 10 when the battery cell 10 is provided in a device receiving power from the battery cell 10 such as a vehicle, the battery cell 10 cannot be charged or discharged at a low slate rate during the driving of the device. There is.
  • the charging or discharging time is shortened, but the battery cell 10 in the obtained capacity-voltage differential profile
  • the peak for diagnosing the state of may appear more unclear than in the case of low rate charging and discharging.
  • the state of the battery cell 10 is diagnosed by comparing the capacity-voltage differential profiles in a plurality of charging cycles charged at different charging slate rates, the accuracy and reliability of the diagnosis result of the battery cell 10 will be very low. I have no choice but to.
  • the battery management apparatus 100 can diagnose the state of the battery cell 10 more accurately by comparing the capacity-voltage differential profiles corresponding to the cycles charged and discharged at the same slate rate.
  • the controller 130 provided in the battery management apparatus 100 includes a processor known in the art, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, and a register in order to execute various control logics performed in the present invention.
  • a communication modem, a data processing device, and the like may be optionally included.
  • the control unit 130 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in a memory and executed by a processor.
  • the memory may be inside or outside the processor, and may be connected to the processor by various well-known means.
  • the storage unit 120 may store programs and data necessary for the control unit 130 to diagnose the state of the battery cell 10. That is, the storage unit 120 includes data required for each component of the battery management device 100 according to an embodiment of the present invention to perform an operation or function, or data generated in the process of performing the operation and function, etc. Can be saved. If the storage unit 120 is a known information storage means known to be capable of recording, erasing, updating, and reading data, there is no particular limitation on its type. As an example, the information storage means may include RAM, flash memory, ROM, EEPROM, register, and the like. In addition, the storage unit 120 may store program codes in which processes executable by the control unit 130 are defined.
  • the controller 130 may be configured to estimate the capacity of the battery cell 10 based on the current of the battery cell 10 measured by the measurement unit 110 during a process of a new charge/discharge cycle. .
  • the controller 130 estimates the capacity of the battery cell 10 in real time based on the current of the battery cell 10 measured by the current measuring unit. can do.
  • control unit 130 may be configured to generate a new capacity-voltage differential profile based on the voltage measured by the measurement unit 110 and the estimated capacity.
  • the voltage measurement unit may measure the voltage of the battery cell 10, and the controller 130 may estimate the capacity of the battery cell 10.
  • the controller 130 may generate a new capacity-voltage differential profile in a new charge/discharge cycle in progress based on the measured voltage of the battery cell 10 and the estimated capacity of the battery cell 10.
  • the control unit 130 may store the generated new capacity-voltage differential profile in the storage unit 120.
  • control unit 130 selects a predetermined group from among the generated groups, and according to a type of change between the capacity-voltage differential profile corresponding to the charge/discharge cycle of the selected predetermined group and the new capacity-voltage differential profile. It may be configured to diagnose the state of the battery cell 10.
  • control unit 130 grasps the type of change between the capacity-voltage differential profile corresponding to a predetermined group and the new capacity-voltage differential profile among the groups generated according to the charge/discharge rate, and the battery according to the determined change type.
  • the state of the cell 10 can be diagnosed.
  • control unit 130 is based on a new capacity-voltage differential profile generated while the battery cell 10 is being driven, as well as a pre-stored capacity-voltage differential profile to diagnose the state of the battery cell 10. (10) The condition can be diagnosed.
  • the controller 130 may diagnose the state of the battery cell 10 in real time.
  • the battery cell 10 and the battery management device 100 are provided in a vehicle, the vehicle is currently running, and the battery cell 10 is being charged.
  • the measurement unit 110 may measure the voltage and current of the battery cell 10, and the controller 130 may estimate the capacity of the battery cell 10.
  • the controller 130 may generate a new voltage-capacity differential profile based on the voltage and capacity of the battery cell 10.
  • the controller 130 may select a predetermined group from among the generated groups, and compare the capacity-voltage differential profile corresponding to the charging cycle of the selected predetermined group with the generated new voltage-capacity differential profile. Accordingly, the controller 130 can diagnose the state of the battery cell 10 even while the vehicle is running.
  • the battery management apparatus 100 has the advantage of being able to diagnose the state of the battery cell 10 in real time even in the process of using the battery cell 10.
  • the predetermined group may be a group in which the charge/discharge sirrate among the generated groups is the same as that of the new charge/discharge cycle.
  • control unit 130 may select a group grouped at the same sir rate as the charging/discharging sirrate of the new charging/discharging cycle from among the generated groups.
  • the selected group may be the predetermined group.
  • the controller 130 may diagnose the state of the battery cell 10 by comparing the capacity-voltage differential profile included in the selected predetermined group with the new capacity-voltage differential profile.
  • control unit 130 may diagnose the state of the battery cell 10 by comparing the capacity-voltage differential profiles generated when charging and discharging at the same stalk rate. In this case, the accuracy and reliability of the condition diagnosis of the battery cell 10 is improved compared to the case of diagnosing the condition of the battery cell 10 by comparing the capacity-voltage differential profile generated when charging and discharging at a different charge/discharge rate. Can be.
  • the control unit 130 may select a group having the same charging stalk rate as the sir rate of a new charging cycle from among the generated groups. That is, the charging cycle of the selected group and the charging sir rate of the new charging cycle may be the same.
  • the controller 130 may diagnose the state of the battery cell 10 by comparing the capacity-voltage differential profile corresponding to the charging cycle of the selected group and the new capacity-voltage differential profile.
  • the battery management apparatus 100 compares the voltage-capacity differential profiles at the same sill rate even if the battery cells 10 are charged or discharged at different sill rates for each situation, There is an advantage of improving the accuracy and reliability of diagnosis of the condition of the battery cell 10.
  • the control unit 130 includes a first peak associated with the loss of available lithium in the battery cell 10 provided in the battery cell 10. And it may be configured to extract at least one of the second peak related to the anodic reaction area.
  • the controller 130 may diagnose whether the anode reaction area decreases based on a peak at the anode side of the battery cell 10 in the capacity-voltage differential profile. In addition, the controller 130 may diagnose the loss of available lithium based on a peak at the cathode side of the battery cell 10 in the capacity-voltage differential profile. That is, the controller 130 may diagnose whether or not lithium plating has occurred due to the loss of available lithium based on the peak at the cathode side of the battery cell 10 in the capacity-voltage differential profile.
  • the peak on the cathode side for determining whether available lithium is lost is the first peak.
  • a peak on the anode side for determining whether the reaction area of the anode is reduced is the second peak.
  • the controller 130 may be configured to diagnose the state of the battery cell 10 according to a change type of at least one of the extracted plurality of first peaks and the plurality of second peaks.
  • the controller 130 may diagnose whether available lithium is lost based on the first peak, or diagnose whether the anode reaction area is reduced based on the second peak. In addition, the controller 130 may diagnose whether the battery cell 10 has lost available lithium and whether the anode reaction area has decreased, taking into account both the first peak and the second peak.
  • the battery management apparatus 100 may diagnose the state of the battery cell 10 by taking into account the peak on the negative side and the peak on the positive side of the battery cell 10, respectively. Accordingly, since the positive and negative conditions of the battery cell 10 are independently diagnosed, there is an advantage that the condition of the battery cell 10 can be diagnosed more specifically and accurately.
  • the controller 130 determines the state of the battery cell 10 when the provided battery cell 10 is available. It can be configured to diagnose a state in which lithium is lost.
  • the usable capacity of the battery cell 10 may be reduced even at the same voltage as the battery cell 10 in the initial state. Accordingly, as the available lithium is lost, the voltage of the first peak may shift toward the high potential side.
  • the reaction area of the negative electrode surface decreases and the amount of available lithium decreases, so that the voltage behavior of the negative electrode half cell may be changed.
  • the voltage behavior of the positive half cell is relatively unchanged.
  • the voltage of the first peak of the full cell is high due to the changed voltage behavior of the negative half cell. Can be moved upwards.
  • the controller 130 may diagnose that available lithium is lost.
  • the first peak of the reference profile PB is located at about 3.36V
  • the first peak of the first capacitance-voltage differential profile P1 is located at about 3.42V. This may mean that, in the charging cycle corresponding to the first capacity-voltage differential profile P1, the available lithium of the battery cell 10 is reduced from the initial state. Accordingly, the controller 130 moves the voltage of the first peak of the first capacity-voltage differential profile P1 to a higher potential side than the voltage of the first peak of the reference profile PB, so that the battery cell 10 is usable. It can be diagnosed as loss of lithium.
  • lithium metal is precipitated, and since lithium metal reacts violently with water, there is a possibility that the battery cell 10 may explode. That is, the occurrence of lithium plating may cause a major problem not only in the battery cell 10 but also in the battery pack 1 including the battery cell 10.
  • the battery management apparatus 100 checks whether the battery cell 10 has lost available lithium in real time based on the first peak of the capacity-voltage differential profile. ) Can be quickly and accurately diagnosed.
  • the battery management apparatus 100 has an advantage of preventing unexpected accidents due to the occurrence of lithium plating by quickly diagnosing whether lithium plating has occurred in the battery cell 10.
  • the controller 130 determines the state of the battery cell 10 as a positive reaction of the provided battery cell 10. It may be configured to diagnose a state in which the area is reduced.
  • the capacity-voltage differential profile corresponding to each charge/discharge cycle when the amount of change in capacity per unit voltage of the second peak decreases as the charge/discharge cycle increases, a reaction on the positive electrode of the battery cell 10 is available due to a side reaction or the like. It may be the case that the area is reduced.
  • the positive electrode reaction area may be reduced even for reasons such as deterioration of the positive electrode active material or increase in particle film resistance.
  • the anodic reaction area may be reduced by Pore clogging or contact loss.
  • the controller 130 may diagnose whether or not the anode reaction area of the battery cell 10 is decreased according to the type of change in the second peak of the capacity-voltage differential profile.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a second capacity-voltage differential profile P2 generated by the battery management apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the second capacity-voltage differential profile P2 illustrated in FIG. 4 is similar to the first capacity-voltage differential profile P1, as measured in the charging cycle of the battery cell 10. Note that it is generated based on the voltage of) and the estimated capacity of the battery cell 10.
  • FIG. 4 shows a reference profile PB generated when the battery cell 10 is in an initial state (Beginning of Life) and a second capacity-voltage differential profile P2 generated after several times of charging and discharging are performed. It is a diagram shown together on a dimensional coordinate plane.
  • the capacity-voltage differential profile is a profile related to the amount of change in capacity per unit voltage with respect to the voltage of the battery cell 10, and may be stored in the form of a graph in the storage unit 120 as shown in FIG. It may be stored in the form of a table in which the value and the amount of change in capacity per unit voltage are recorded.
  • the second peaks of the reference profile PB and the second capacitance-voltage differential profile P2 are located at about 4.11V.
  • the capacity change amount per unit voltage of the second peak of the reference profile PB is 97
  • the capacity change amount per unit voltage of the second peak of the second capacity-voltage differential profile P2 is 92. That is, the capacity change amount per unit voltage of the second peak of the capacity-voltage differential profile is reduced than the capacity change amount per unit voltage of the second peak of the reference profile PB.
  • the controller 130 may diagnose the state of the battery cell 10 as a state in which the anode reaction area is reduced.
  • the battery management apparatus 100 checks whether the anode reaction area of the battery cell 10 is decreased in real time based on the second peak of the capacity-voltage differential profile, and thus the battery cell 10 ) Can be quickly and accurately diagnosed.
  • the controller 130 may be configured to extract a plurality of peaks from each of the capacitance-voltage differential profile.
  • the peak is a point corresponding to the inflection point in the capacitance-voltage profile. That is, the peak may be a point at which the slope changes from positive to negative or from negative to positive in the capacitance-voltage differential profile. For example, in a plurality of peaks, an instantaneous slope of the capacitance-voltage differential profile may be zero.
  • the controller 130 may be configured to select a reference peak Ref P that satisfies a predetermined condition from among a plurality of extracted peaks.
  • a plurality of peaks may be extracted from the capacity-voltage differential profile of the battery cell 10.
  • a plurality of peaks may exist in each capacitance-voltage differential profile.
  • the controller 130 may select a reference peak Ref P that satisfies a predetermined condition from among a plurality of extracted peaks.
  • the reference peaks Ref P in the reference profile PB, the first capacitance-voltage differential profile P1, and the second capacitance-voltage differential profile P2 shown in FIGS. 3 and 4 are all about 3.6V. It may be a peak located at a point.
  • the controller 130 extracts at least one of the first peak (Ea(1)) and the second peak (Ec(4)) based on the voltage of the selected reference peak Ref P and the amount of capacity change per unit voltage. Can be configured.
  • the control unit 130 first selects a reference peak Ref P among a plurality of peaks included in the capacitance-voltage differential profile, and the first peak based on the voltage of the reference peak Ref P and the amount of change in capacity per unit voltage. At least one of (Ea(1)) and the second peak (Ec(4)) may be extracted. Since the reference peak Ref P is a peak that can only be selected in the battery cell 10 including the negative electrode and the positive electrode, the controller 130 uses the reference peak Ref P to determine the first peak Ea(1). ) And the second peak (Ec(4)) can be improved in accuracy and reliability.
  • the battery management apparatus 100 is based on a first peak (Ea(1)) and/or a second peak (Ec(4)) selected based on the reference peak (Ref P).
  • a first peak Ea(1)
  • Ec(4) second peak selected based on the reference peak (Ref P).
  • the reference peak Ref P may be a peak in which an anode peak and a cathode peak of the battery cell 10 are mixed and overlapped in the capacity-voltage differential profile.
  • the controller 130 may select a first peak Ea(1) and a second peak Ec(4) based on the reference peak Ref P. That is, the control unit 130 diagnoses whether the battery cell 10 has lost available lithium based on the first peak Ea(1), which is the negative side peak of the battery cell 10, and the positive electrode of the battery cell 10 It can be diagnosed whether the anode reaction area of the battery cell 10 is decreased based on the second peak Ec(4), which is a side peak.
  • the reference peaks Ref P in the reference profile PB, the first capacitance-voltage differential profile P1, and the second capacitance-voltage differential profile P2 shown in FIGS. 3 and 4 are all about 3.6V. It may be a peak located at a point.
  • the reference peak Ref P may be selected based on a voltage-capacity profile and a capacity-voltage differential profile of the battery cell 10.
  • the voltage-capacity profile is a voltage profile with respect to capacity, and is a profile that can be shown on a coordinate plane in which the X axis is the capacity and the Y axis is the voltage. That is, the voltage-capacitance profile and the capacity-voltage profile may be symmetrical to each other.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a voltage-capacity profile generated by the battery management apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 5 is a diagram schematically showing a voltage-capacity profile of the battery cell 10 in a charging cycle.
  • the controller 130 may identify a plurality of flat portions from the voltage-capacity profile of the battery cell 10.
  • the control unit may select one or more flat portions from among the plurality of identified flat portions.
  • the flat portion may mean a period in which the voltage is constant. That is, the flat portion can be said to mean a section in which the voltage is constant or the voltage change is less than a predetermined level even when the capacity increases.
  • the controller 130 may determine that a plurality of flat portions are formed in 0.2V, 0.11V, and 0.08V portions of the voltage-capacity profile for the negative electrode of the battery cell 10. In addition, the controller 130 may select a capacity section of the flat portion having the second largest voltage corresponding to the selected flat portion. The selected dose interval may be between 17Ah and 26Ah.
  • the controller 130 may determine the voltage section of the battery cell 10 corresponding to the selected capacity section. Referring to FIG. 5, the voltage section of the battery cell 10 corresponding to the selected capacity section 17Ah to 26Ah may be 3.58V to 3.7V.
  • the controller 130 may select a peak included in the selected voltage section among a plurality of peaks included in the capacitance-voltage differential profile as the reference peak Ref P. For example, referring to FIGS. 3 and 4, one peak may be included in a voltage section of 3.58V to 3.7V among a plurality of peaks included in the capacitance-voltage differential profile. The controller 130 may select a peak included in this voltage section as the reference peak Ref P.
  • the battery management apparatus selects a peak in which a positive peak and a negative peak are mixed as the reference peak Ref P, so that the first peak Ea(1) and the second peak Ec (4)) can improve the accuracy of selecting.
  • the controller 130 may be configured to select the first peak Ea(1) in a lower potential section than the voltage of the reference peak among the extracted plurality of peaks.
  • a plurality of peaks may be included in a potential section lower than the voltage of the reference peak of the reference peak Ref P.
  • the controller 130 may select a first peak Ea(1) related to the loss of available lithium from among a plurality of peaks included in the low potential section.
  • a first peak Ea(1) in the first capacitance-voltage differential profile P1 is a peak at a voltage of 3.42V.
  • the first peak Ea(1) in the second capacitance-voltage differential profile P2 is a peak at a point where the voltage is 3.36V.
  • the controller 130 may extract the first peak Ea(1) from each of the capacitance-voltage differential profiles generated for each charge/discharge cycle. Further, the controller 130 may diagnose whether the available lithium capacity of the battery cell 10 is lost according to whether the voltage of the extracted first peak Ea(1) is moved toward the high potential side as the charge/discharge cycle increases. .
  • control unit 130 selects a peak having a capacity change amount per unit voltage that is closest to a capacity change amount per unit voltage of the reference peak Ref P in the low-potential section among the plurality of extracted peaks. It can be configured to select (1)).
  • the reference peak Ref P is a peak at a point where the voltage is about 3.6V.
  • the controller 130 may select, as the first peak Ea(1), a peak in which the amount of change in capacity per unit voltage and the amount of change in capacity per unit voltage of the reference peak Ref P is closest at a voltage of less than 3.6V.
  • the controller 130 may select a capacity section of the flat portion having the largest corresponding voltage among a plurality of flat portions selected from the voltage-capacity profile for the negative electrode of the battery cell 10.
  • the selected capacity interval may be 4Ah to 7Ah.
  • the controller 130 may select a voltage section of the battery cell 10 corresponding to the selected capacity section. Referring to FIG. 5, the voltage section of the battery cell 10 corresponding to the selected capacity section 4Ah to 7Ah may be 3.35V to 3.45V.
  • the controller 130 may select a peak included in the selected voltage section among a plurality of peaks included in the capacitance-voltage differential profile as the first peak Ea(1). For example, referring to FIGS. 3 and 4, one peak may be included in a voltage section of 3.35V to 3.45V among a plurality of peaks included in the capacitance-voltage differential profile. The controller 130 may select a peak included in this voltage section as the first peak Ea(1).
  • the battery management apparatus 100 selects the reference peak Ref P and the first peak Ea(1) using a voltage-capacity profile and a capacity-voltage differential profile, There is an advantage that peaks can be selected according to a more clear criterion. In addition, through this, the state of the battery cell 10 can be more accurately diagnosed.
  • the controller 130 may be configured to select the second peak Ec(4) in a higher potential section than the voltage of the reference peak among the extracted plurality of peaks.
  • a plurality of peaks may be included in a high potential section than the voltage of the reference peak Ref P.
  • the controller 130 may select a second peak Ec(4) related to the loss of an anode reaction area among a plurality of peaks included in the high potential section.
  • the second peak Ec(4) in the first capacitance-voltage differential profile P1 is a peak at a voltage of 4.11V.
  • the second peak Ec(4) in the second capacitance-voltage differential profile P2 is a peak at a point where the voltage is 4.11V. That is, the second peak Ec(4) is a peak located in the vicinity of the charging end around about 4.1V in the capacitance-voltage differential profile.
  • the controller 130 may extract a second peak Ec(4) from each of the capacitance-voltage differential profiles generated for each charge/discharge cycle. In addition, the controller 130 may diagnose whether the anode reaction area of the battery cell 10 is lost according to whether the amount of change in capacity per unit voltage of the extracted second peak decreases as the charge/discharge cycle increases.
  • the voltage of the reference profile PB and the second peak Ec(4) of the first capacitance-voltage differential profile P1 and the capacitance change amount per unit voltage are the same. That is, the voltage of the second peak in the reference profile PB and the second peak in the first capacitance-voltage differential profile P1 and the capacitance change amount per unit voltage are the same. It can be seen that the positive reaction area of the battery cell 10 is not reduced and remains in its initial state. Accordingly, the controller 130 may diagnose that the positive electrode reaction area of the battery cell 10 of FIG. 3 has not been reduced.
  • the voltages of the reference profile PB and the second peak Ec(4) of the second capacitance-voltage differential profile P2 are the same, but the capacitance change amount per unit voltage is different. That is, the amount of change in capacity per unit voltage of the second peak Ec(4) in the reference profile PB is the second capacity-capacitance per unit voltage of the second peak Ec(4) in the voltage differential profile P2. Greater than the amount of change.
  • the capacity change amount per unit voltage of the second peak Ec(4) in the reference profile PB is 97
  • the second peak (Ec(4)) of the second capacity-voltage differential profile P2 The amount of change in capacity per unit voltage of is 92. That is, as the battery cell 10 is used, the amount of change in capacity per unit voltage of the second peak Ec(4) is reduced by 5, which can be regarded as a case where the anode reaction area of the battery cell 10 is reduced. Accordingly, the control unit 130 may diagnose that the anode reaction area of the battery cell 10 of FIG. 4 is reduced.
  • Battery management apparatus 100 based on the change pattern of the peak located in the high potential section (positive pole section) than the reference peak (Ref P) in the capacity-voltage differential profile. Whether or not the anode reaction area is lost can be independently diagnosed. Accordingly, whether the anode area of the battery cell 10 is reduced due to a side reaction or the like can be more accurately diagnosed.
  • the controller 130 may be configured to select a peak in which a slope changes from positive to negative among a plurality of peaks belonging to the high potential section, and a peak having the largest corresponding voltage as the second peak Ec(4). have.
  • the second peak Ec(4) belongs to a high potential section than the reference peak Ref P of the capacitance-voltage differential profile.
  • the second peak Ec(4) is a peak in which the slope changes from positive to negative in the capacitance-voltage differential profile. That is, the second peak Ec(4) may be any one of peaks corresponding to the local maximum value in the capacitance-voltage differential profile.
  • the local maximum value is a point at which the slope changes from positive to negative in the capacitance-voltage differential profile.
  • the first peak Ea(1), the reference peak Ref P, and the second peak Ec(4) may all be peaks corresponding to the local maximum values.
  • the second peak Ec(4) may be a peak having the largest corresponding voltage. That is, since the second peak Ec(4) is a peak appearing near the charging end of the battery cell 10, the corresponding voltage may be the largest peak even in the high potential section.
  • the second peak Ec(4) may appear around 4.1V. This is because lithium ions are moved from the positive electrode to the negative electrode during the charging process of the battery cell 10, because the change pattern when the positive electrode reaction area decreases can best appear near the charging end of the battery cell 10. .
  • the battery management apparatus 100 is based on the change aspect of the second peak (Ec(4)) that best represents the decrease in the positive electrode reaction area, the positive reaction of the battery cell 10
  • Ec(4) the change aspect of the second peak
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a capacity-voltage differential profile of a first battery cell according to a charging cycle.
  • the first peak Ea(1) is a peak located around 3.45V to 3.5V based on the voltage
  • the peak (Ref P) is a peak located around 3.65V based on the voltage
  • the second peak Ec(4) is a peak located around 4.14V based on the voltage.
  • the first battery cell is a battery cell 10 in which graphite and silicon are mixed with a negative active material. Accordingly, in FIG. 6, a silicon peak (Ea(Si)) may appear based on silicon included in the first battery cell.
  • the controller 130 may diagnose that the available lithium in the first battery cell is lost.
  • the controller 130 may diagnose that the positive electrode reaction area of the first battery cell has not been reduced.
  • the controller 130 may diagnose the state of the first battery cell as a state in which available lithium is lost but the positive electrode reaction area is not reduced.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a capacity-voltage differential profile of a second battery cell according to a charging cycle.
  • the first peak Ea(1) is a peak located around 3.46V based on the voltage
  • the reference peak Ref P is assumed to be a peak located around 3.67V based on the voltage
  • the second peak Ec(4) is a peak located in the vicinity of about 4.15V to 4.16V based on the voltage.
  • the second battery cell is a battery cell 10 in which graphite and silicon are mixed with a negative active material. Accordingly, in FIG. 7, an Ea(Si) peak may appear based on silicon included in the second battery cell.
  • the controller 130 may diagnose that the available lithium of the second battery cell has not been lost.
  • the controller 130 may diagnose that the anode reaction area of the second battery cell is reduced.
  • the controller 130 may diagnose the state of the second battery cell as a state in which the available lithium is not lost, but the anode reaction area is reduced.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a capacity-voltage differential profile of a third battery cell according to a charging cycle.
  • the first peak Ea(1) is a peak located in the vicinity of about 3.5V to 3.55V based on the voltage
  • the peak Ref P is a peak located around 3.7V based on the voltage
  • the second peak Ec(4) is a peak located around 4.18V based on the voltage.
  • the third battery cell is a battery cell 10 in which graphite and silicon are mixed with a negative active material. Accordingly, in FIG. 8, an Ea(Si) peak may appear based on silicon included in the third battery cell.
  • the controller 130 may diagnose that the available lithium in the third battery cell is lost.
  • the controller 130 may diagnose that the positive electrode reaction area of the third battery cell is reduced.
  • the controller 130 may diagnose the state of the third battery cell as a state in which available lithium has been lost and an anode reaction area has been reduced.
  • the control unit may be configured to change at least one of a threshold value of a charge or discharge rate of the battery cell and an operating voltage range of the battery cell based on a result of diagnosing the state of the battery cell.
  • the control unit may change and set the upper limit threshold of the charge/discharge threshold to slow the deterioration rate of the battery cell.
  • the control unit may change an upper limit value of the charge/discharge rate of the battery cell. For example, when the charge/discharge rate of the battery cell is initially set to the maximum value, the controller may change the upper limit threshold of the charge/discharge rate of the battery cell to a level of 90% of the maximum value.
  • the controller may change the operating voltage range of the battery cell when it is diagnosed that the available lithium of the battery cell is lost or the anode reaction area is decreased. For example, when the operating voltage range of the battery cell is initially set to 3.6V to 4.2V, the controller may change the operating voltage range of the battery cell to 3.7V to 4.1V. Accordingly, overcharging and/or overdischarging of the deteriorated battery cell can be prevented in advance.
  • the battery management apparatus 100 may be applied to a battery management system (BMS). That is, the BMS according to the present invention may include the battery management apparatus 100 according to the present invention described above. In this configuration, at least some of the components of the battery management apparatus 100 according to the present invention may be implemented by supplementing or adding functions of the configuration included in the conventional BMS. For example, the measurement unit 110, the storage unit 120, and the control unit 130 of the battery management apparatus 100 according to the present invention may be implemented as components of a BMS.
  • the battery management apparatus 100 according to the present invention may be provided in the battery pack 1. That is, the battery pack 1 according to the present invention may include the battery management apparatus 100 according to the present invention described above.
  • the battery pack 1 may include one or more battery cells 10, the battery management device 100, an electronic product (including a BMS, a relay, a fuse, etc.), a case, and the like.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a battery management method according to another embodiment of the present invention.
  • a battery management method according to another embodiment of the present invention may be performed by the battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a battery management method includes a voltage and current measurement step (S100), a capacity estimation step (S200), a group creation step (S300), and a condition diagnosis step (S400). I can.
  • the voltage and current measurement step S100 is a step of measuring the voltage and current of the battery cell while the battery cell is being charged or discharged in a charge/discharge cycle of the battery cell, and may be performed by the measurement unit 110. .
  • the measuring unit 110 may measure the positive and negative potentials of the battery cell 10 and measure the voltage of the battery cell 10 by obtaining a difference between the measured positive and negative potentials.
  • the measurement unit 110 may measure the charge/discharge current of the battery cell 10 through an ammeter A provided on the charge/discharge path of the battery cell 10.
  • the capacity estimating step S200 is a step of estimating the capacity of the battery cell based on the current of the battery cell measured in the measuring step S100, and may be performed by the controller 130.
  • the controller 130 may estimate the capacity of the battery cell 10 by using the current integration method.
  • the capacity of the battery cell 10 may be a state of charge of the battery cell 10.
  • the group generation step S300 is a group generation step of generating a group between charge/discharge cycles having the same charge/discharge rate, and may be performed by the control unit 130.
  • the storage unit 120 may store a capacity-voltage differential profile and a charge/discharge threshold for each charge/discharge cycle of the battery cell 10.
  • the control unit 130 may generate a group of charge/discharge cycles having the same charge/discharge rate among charge/discharge cycles stored in the storage unit 120.
  • the capacity-voltage differential profile and the charging slate of the first to sixth charging cycles may be stored in the storage unit 120.
  • the control unit 130 generates a first group including a first charging cycle, a second charging cycle, and a third charging cycle having the same charging slate, and includes a fourth charging cycle, a fifth charging cycle, and a sixth charging cycle.
  • a second group can be created. That is, the charge/discharge cycles belonging to one group are cycles charged and discharged with the same charge/discharge slate.
  • the state diagnosis step S400 is a step of diagnosing the state of the battery cell by comparing each of the capacity-voltage differential profiles corresponding to the charge/discharge cycles included in the same group, and may be performed by the controller 130.
  • the controller 130 may select a charge/discharge cycle included in a group for each group in order to select a charge/discharge cycle charged or discharged at the same charge/discharge rate.
  • the controller 130 may select a capacity-voltage differential profile corresponding to a selected charge/discharge cycle from among the capacity-voltage differential profiles stored in the storage unit 120. In addition, the controller 130 may diagnose the state of the battery cell 10 by comparing the selected capacity-voltage differential profile, respectively.
  • the controller 130 may extract a first peak related to the loss of available lithium in the battery cell 10.
  • the controller 130 may diagnose whether available lithium of the battery cell 10 is lost according to whether the voltage of the first peak in the selected capacity-voltage differential profile moves toward the high potential side as the charge/discharge cycle increases.
  • the controller 130 may extract a second peak related to the positive electrode reaction area of the battery cell 10 from each of the selected capacity-voltage differential profiles.
  • the controller 130 may diagnose whether available lithium of the battery cell 10 is lost according to whether the amount of change in capacity per unit voltage of the second peak in the selected capacity-voltage differential profile decreases as the charge/discharge cycle increases.
  • control unit 130 can diagnose the state of the battery cell 10 by comparing the capacity-voltage profile previously stored in the storage unit 120, as well as The current state of the battery cell 10 can be diagnosed in real time using the capacity-voltage profile.
  • the controller 130 compares the generated new capacity-voltage profile and the capacity-voltage profile previously stored in the storage unit 120 to diagnose whether the battery cell 10 has lost available lithium and whether the anode reaction area is reduced. I can.
  • the battery management method can diagnose the state of the battery cell 10 even while the battery cell 10 is being driven.
  • the accuracy and reliability of diagnosis of the battery cell 10 may be improved.
  • the embodiments of the present invention described above are not implemented only through an apparatus and a method, but may be implemented through a program that realizes a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded. Implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiment.
  • control unit 130 control unit

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 용량-전압 미분 프로파일에 기반하여 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 배터리 관리 장치는 용량-전압 미분 프로파일에서 양극 반응 면적과 관련된 피크 및 가용 리튬 손실과 관련된 피크의 변화 양상에 따라 배터리 셀의 상태를 진단한다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀이 구동되는 중에도 배터리 셀의 상태가 실시간으로 진단될 수 있는 장점이 있다. 또한, 배터리 셀의 양극 반응 면적의 감소 여부 및 가용 리튬 손실 여부가 독립적으로 진단될 수 있는 장점이 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법
본 출원은 2019년 09월 11일자로 출원된 한국 특허 출원번호 제 10-2019-0112936호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 용량-전압 미분 프로파일에 기반하여 배터리 셀의 상태를 진단하고, 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리 셀은 충전이나 방전이 반복되면서 퇴화가 진행될 수 있다. 예컨대, 배터리 셀의 양극 측에서는 전해액이 산화되거나 결정 구조가 파괴되어, 배터리 셀이 퇴화될 수 있다. 음극 측에서는 금속 리튬이 석출되어 배터리 셀이 퇴화될 수 있다. 또한, 일반적으로, 리튬 이온 이차전지의 제조 조건에 따라, 상기 이차전지의 용량 열화가 빨라지는 경우가 있다.
따라서, 종래에는 배터리 셀의 제조 단계에서 장기 용량 신뢰성을 확보할 수 있도록, 용량-전압 미분 프로파일에 기반하여, 배터리 셀의 이상을 검지하기 위한 발명이 개시되었다(특허문헌 1).
다만, 특허문헌 1은 배터리 셀의 제조 단계에서 배터리 셀의 장기 용량 신뢰성을 검지하기 위한 것이어서, 배터리 셀의 충전이 동일한 충전 씨레이트를 통해서만 수행되는 제한이 있다.
예컨대, 특허문헌 1은 미리 설정된 충전 씨레이트와 상이한 충전 씨레이트로 배터리 셀이 충전되는 경우에는, 배터리 셀의 상태를 진단할 수 없는 문제가 있다. 즉, 특허문헌 1은 배터리 셀이 차량 등에 구비되어 실제 운용되는 과정에서는 활용될 수 없으며, 배터리 셀을 제조하는 단계에서 테스트 용도로만 활용될 수 있는 한계가 있다.
(특허문헌 1) KR 10-2013-0142884 A
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 용량-전압 미분 프로파일에 기반하여, 배터리 셀이 운용되는 과정에서도 실시간으로 배터리 셀의 상태를 진단할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 배터리 셀의 충방전 사이클에서, 상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 중에 상기 배터리 셀의 전압 및 전류를 측정하도록 구성된 측정부; 상기 측정부에 의해 측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 추정하도록 구성된 제어부; 및 상기 측정부에 의해 측정된 상기 배터리 셀의 전압 및 상기 제어부에 의해 추정된 배터리 셀의 용량에 기반하여 생성된 용량-전압 미분 프로파일 및 상기 충방전 사이클 각각의 충방전 씨레이트를 저장하도록 구성된 저장부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 저장부에 저장된 충방전 씨레이트가 동일한 충방전 사이클끼리 그룹을 생성하고, 동일한 그룹에 포함된 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일 각각을 비교하여, 상기 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 신규 충방전 사이클이 진행되는 과정에서 상기 측정부에 의해 측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 추정하고, 상기 측정부에 의해 측정된 전압과 추정된 용량에 기반하여 신규 용량-전압 미분 프로파일을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 생성된 그룹 중 소정의 그룹을 선택하고, 선택된 소정의 그룹의 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일과 상기 신규 용량-전압 미분 프로파일 간의 변화 유형에 따라 상기 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 소정의 그룹은, 상기 생성된 그룹 중 충방전 씨레이트가 상기 신규 충방전 사이클의 충방전 씨레이트와 동일한 그룹일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 동일한 그룹에 포함된 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일 각각에서, 상기 배터리 셀에 구비된 배터리 셀의 가용 리튬 손실 여부와 연관된 제1 피크 및 양극 반응 면적과 연관된 제2 피크 중 적어도 하나를 추출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 추출된 복수의 제1 피크 및 복수의 제2 피크 중 적어도 하나의 변화 유형에 따라 상기 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 충방전 사이클이 증가함에 따라 상기 복수의 제1 피크의 전압이 고전위 측으로 이동된 경우, 상기 배터리 셀의 상태를 상기 구비된 배터리 셀의 가용 리튬이 손실된 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 충방전 사이클이 증가함에 따라 상기 복수의 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량이 감소한 경우, 상기 배터리 셀의 상태를 상기 구비된 배터리 셀의 양극 반응 면적이 감소된 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 용량-전압 미분 프로파일 각각에서 복수의 피크를 추출하고, 추출된 복수의 피크 중 소정의 조건을 만족하는 기준 피크를 선택하며, 선택된 기준 피크의 전압 및 단위 전압당 용량 변화량을 기준으로 제1 피크 및 제2 피크 중 적어도 하나를 추출하도록 구성될 수 있다.
상기 기준 피크는, 상기 용량-전압 미분 프로파일에서, 상기 배터리 셀의 양극 피크 및 음극 피크가 혼재되어 겹쳐진 피크일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 추출된 복수의 피크 중 상기 기준 피크의 전압보다 저전위 구간에서 상기 제1 피크를 선택하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 추출된 복수의 피크 중 상기 저전위 구간에서 상기 기준 피크의 단위 전압당 용량 변화량과 가장 근사한 단위 전압당 용량 변화량을 갖는 피크를 제1 피크로 선택하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 추출된 복수의 피크 중 상기 기준 피크의 전압보다 고전위 구간에서 상기 제2 피크를 선택하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 고전위 구간에 속한 복수의 피크 중 기울기가 양에서 음으로 변하는 피크이고, 대응되는 전압이 가장 큰 피크를 상기 제2 피크로 선택하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 셀의 상태를 진단한 결과에 기반하여, 상기 배터리 셀의 충전 또는 방전 씨레이트의 임계값 및 상기 배터리 셀의 가동 전압 범위 중 적어도 하나를 변경하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은 배터리 셀의 충방전 사이클에서, 상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 중에 상기 배터리 셀의 전압 및 전류를 측정하는 전압 및 전류 측정 단계; 상기 측정 단계에서 측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 추정하는 용량 추정 단계; 충방전 씨레이트가 동일한 충방전 사이클끼리 그룹을 생성하는 그룹 생성 단계; 및 동일한 그룹에 포함된 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일 각각을 비교하여, 상기 배터리 셀의 상태를 진단하는 상태 진단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀이 구동되는 중에도 배터리 셀의 상태가 실시간으로 진단될 수 있는 장점이 있다.
또한, 배터리 셀의 양극 반응 면적의 감소 여부 및 가용 리튬 손실 여부가 독립적으로 진단될 수 있는 장점이 있다.
또한, 배터리 셀의 전압-용량 프로파일 및 용량-전압 미분 프로파일을 고려하여 선택된 피크에 의해 배터리 셀의 상태가 진단되기 때문에, 배터리 셀의 상태 진단의 정확도 및 신뢰도가 향상될 수 있는 장점이 있다.
또한, 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일이 누적될수록 배터리 셀의 상태 진단의 정확도 및 신뢰도가 향상될 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 포함된 배터리 팩의 구성을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에서 생성한 제1 용량-전압 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에서 생성한 제2 용량-전압 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에서 생성된 전압-용량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 충전 사이클에 따른 제1 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 충전 사이클에 따른 제2 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 충전 사이클에 따른 제3 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 제어부(130)와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 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.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)가 포함된 배터리 팩(1)의 구성을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 측정부(110), 저장부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 배터리 관리 장치(100)는 배터리 팩(1) 내부에 구비되어, 배터리 셀(10)과 연결될 수 있다. 다만, 도 2는 단일 배터리 셀(10)이 배터리 팩(1)에 구비된 예시를 도시한 도면이지만, 배터리 팩(1)에는 하나 이상의 배터리 셀(10)이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈이 구비될 수도 있다. 이 경우, 배터리 관리 장치(100)는 배터리 모듈 및 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀(10) 각각과 연결될 수 있다.
배터리 관리 장치(100)에 포함된 측정부(110)와 저장부(120)는 각각 제어부(130)와 연결되어 통신할 수 있다. 예컨대, 측정부(110)는 배터리 셀(10)에 대해 측정한 결과를 제어부(130)에게 송신할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 저장부(120)에 저장된 데이터를 추출하고, 신규 데이터를 저장부(120)에 저장할 수도 있다.
이하에서는 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소에 대해 구체적으로 설명한다.
측정부(110)는 배터리 셀(10)의 충방전 사이클에서, 상기 배터리 셀(10)이 충전 또는 방전되는 중에 상기 배터리 셀(10)의 전압 및 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 측정부(110)는 배터리 셀(10)의 전압을 측정하는 전압 측정 유닛 및 배터리 셀(10)의 충방전 전류를 측정하는 전류 측정 유닛을 포함할 수 있다.
전압 측정 유닛은 배터리 셀(10)의 양극 전위 및 음극 전위를 측정하고, 측정한 양극 전위 및 음극 전위 간의 차이를 구하여 배터리 셀(10)의 전압을 측정할 수 있다.
전류 측정 유닛은 배터리 셀(10)의 충방전 경로 상에 구비된 전류계(A)를 통해 배터리 셀(10)의 충방전 전류를 측정할 수 있다.
측정부(110)는 측정한 배터리 셀(10)의 전압 및 전류에 대한 정보를 신호화하여 제어부(130)에게 전송할 수 있다.
제어부(130)는 상기 측정부(110)에 의해 측정된 배터리 셀(10)의 전류에 기반하여 상기 배터리 셀(10)의 용량을 추정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 배터리 셀(10)의 용량은 배터리 셀(10)의 충전 상태일 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 배터리 셀(10)이 충전되는 과정에서, 전류 측정 유닛을 통해 측정된 충전 전류량을 적산하여 배터리 셀(10)의 용량을 추정할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 배터리 셀(10)이 방전되는 과정에서, 전류 측정 유닛을 통해 측정된 방전 전류량을 적산하여서 배터리 셀(10)의 용량을 추정할 수 있다.
즉, 제어부(130)는 전류 적산법을 이용하여 배터리 셀(10)의 용량을 추정할 수 있다.
저장부(120)는 상기 측정부(110)에 의해 측정된 상기 배터리 셀(10)의 전압 및 상기 제어부(130)에 의해 추정된 배터리 셀(10)의 용량에 기반하여 생성된 용량-전압 미분 프로파일 및 상기 충방전 사이클 각각의 충방전 씨레이트를 저장하도록 구성될 수 있다.
즉, 저장부(120)는 배터리 셀(10)의 용량-전압 미분 프로파일 및 충방전 사이클 각각의 씨레이트(Current rate) 정보를 저장하도록 구성될 수 있다.
여기서, 용량-전압 미분 프로파일이란 배터리 셀(10)의 용량-전압 프로파일을 전압에 대해 미분한 프로파일로서, 배터리 셀(10)의 전압에 대한 단위 전압당 용량 변화량에 관한 프로파일일 수 있다.
예컨대, 저장부(120)는 배터리 셀(10)의 전압마다 단위 전압당 용량 변화량이 기록된 테이블 형태로 용량-전압 미분 프로파일을 저장할 수 있다. 또는, 저장부(120)는 X축이 배터리 셀(10)의 전압이고, Y축이 배터리 셀(10)의 단위 전압당 용량 변화량인 좌표에 기록된 그래프의 형태로 용량-전압 미분 프로파일을 저장할 수도 있다.
또한, 저장부(120)는 배터리 셀(10)의 충방전 사이클 각각에서의 충방전 씨레이트를 저장할 수 있다. 즉, 저장부(120)는 배터리 셀(10)의 충방전 사이클 마다 충방전 씨레이트 및 용량-전압 미분 프로파일을 매칭하여 저장할 수 있다.
예컨대, 저장부(120)는 배터리 셀(10)의 각각의 충방전 사이클에서의 충방전 씨레이트 및 용량-전압 미분 프로파일을 저장할 수 있다. 바람직하게, 저장부(120)는 배터리 셀(10)의 제1 충전 사이클에서의 충전 씨레이트 및 용량-전압 미분 프로파일을 저장하고, 제1 방전 사이클에서의 방전 씨레이트 및 용량-전압 미분 프로파일을 저장할 수 있다.
용량-전압 미분 프로파일의 예시는 도 3을 이용하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)에서 생성한 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)을 개략적으로 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위하여, 도 3에 도시된 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)은 배터리 셀(10)의 충전 사이클에서 측정된 배터리 셀(10)의 전압 및 추정된 배터리 셀(10)의 용량에 기반하여 생성되었음을 유의한다. 즉, 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 충전 사이클 및/또는 방전 사이클에서의 용량-전압 미분 프로파일을 생성할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 충방전 사이클은 충전 사이클 및/또는 방전 사이클을 의미하고, 충방전 씨레이트는 충전 씨레이트 및/또는 방전 씨레이트를 의미하는 것으로 설명한다.
구체적으로, 도 3은 배터리 셀(10)이 초기 상태(Beginning of Life)일 때 생성한 기준 프로파일(PB)과 퇴화가 진행된 배터리 셀(10)의 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)을 2차원 좌표 평면 상에 함께 도시한 도면이다.
즉, 용량-전압 미분 프로파일은 배터리 셀(10)의 전압에 대한 단위 전압당 용량 변화량에 관한 프로파일로서, 저장부(120)에는 도 3에 도시된 바와 같이 그래프의 형태로 저장될 수도 있고, 전압값 및 단위 전압당 용량 변화량이 기록된 테이블의 형태로 저장될 수도 있다.
제어부(130)는, 상기 저장부(120)에 저장된 충방전 씨레이트가 동일한 충방전 사이클끼리 그룹을 생성할 수 있다.
저장부(120)에는 충방전 사이클마다 충방전 씨레이트 및 용량-전압 미분 프로파일이 매칭되어 저장될 수 있다. 제어부(130)는 씨레이트가 동일한 충방전 사이클끼리 그룹을 생성할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 생성한 그룹에 대한 정보를 저장부(120)에 저장할 수 있다. 즉, 저장부(120)에는 충방전 씨레이트별로 그룹 정보가 저장되어 있으며, 이 그룹 정보에는 충방전 사이클 정보가 포함될 수 있다.
바람직하게, 제어부(130)는 저장부(120)에 저장된 충방전 사이클 중 씨레이트가 동일한 사이클끼리 그룹을 생성할 수 있다.
예컨대, 제1 충전 사이클, 제100 충전 사이클 및 제200 충전 사이클의 충전 씨레이트가 0.33C이고, 제50 충전 사이클, 제150 충전 사이클 및 제250 충전 사이클의 충전 씨레이트가 0.05C라고 가정한다. 제어부(130)는 충전 씨레이트가 동일한 제1 충전 사이클, 제100 충전 사이클 및 제200 충전 사이클을 하나의 그룹으로 그룹화할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 제50 충전 사이클, 제150 충전 사이클 및 제250 충전 사이클 하나의 그룹으로 그룹화할 수 있다. 즉, 생성된 그룹에는 동일한 충전 씨레이트로 충전이 수행된 충전 사이클에 대한 정보가 포함될 수 있다.
도 3에서, 기준 프로파일(PB)과 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)은 동일한 충전 씨레이트로 충전된 충전 사이클에서 측정된 배터리 셀(10)의 전압 및 추정된 배터리 셀(10)의 용량에 기반하여 생성된 것일 수 있다.
또한, 제어부(130)는 동일한 그룹에 포함된 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일 각각을 비교하여, 상기 배터리 셀(10)의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 제어부(130)는 동일한 씨레이트로 충전된 사이클 또는 동일한 씨레이트로 방전된 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일을 비교하여, 배터리 셀(10)의 상태 진단의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
예컨대, 배터리 셀(10)의 충방전이 저율 씨레이트(예컨대, 0.1C 이하의 씨레이트)에서 진행되는 경우, 충전 또는 방전 시간은 오래 걸리지만, 획득된 용량-전압 미분 프로파일에서의 배터리 셀(10)의 상태를 진단하기 위한 피크가 보다 명확하게 나타날 수 있다. 하지만, 배터리 셀(10)이 자동차 등 배터리 셀(10)로부터 전원을 공급받는 장치에 구비된 경우, 상기 장치를 구동하는 과정에서 배터리 셀(10)을 저율 씨레이트로 충전 또는 방전할 수 없는 문제가 있다.
반대로, 배터리 셀(10)의 충방전이 고율 씨레이트(예컨대, 0.1C 초과 씨레이트)에서 수행되는 경우, 충전 또는 방전 시간은 단축되지만, 획득된 용량-전압 미분 프로파일에서의 배터리 셀(10)의 상태를 진단하기 위한 피크가 저율 충방전의 경우보다는 불명확하게 나타날 수 있다. 즉, 상이한 충전 씨레이트로 충전된 복수의 충전 사이클에서의 용량-전압 미분 프로파일을 비교하여 배터리 셀(10)의 상태를 진단하면, 배터리 셀(10)의 진단 결과에 대한 정확도 및 신뢰도가 매우 낮아질 수밖에 없다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 동일한 씨레이트로 충방전된 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일끼리 비교하여, 배터리 셀(10)의 상태를 보다 정확하게 진단할 수 있는 장점이 있다
한편, 배터리 관리 장치(100)에 구비된 제어부(130)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다.
또한, 저장부(120)는 제어부(130)가 배터리 셀(10)의 상태를 진단하는데 필요한 프로그램 및 데이터 등을 저장할 수 있다. 즉, 저장부(120)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(120)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(120)는 제어부(130)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
제어부(130)는, 신규 충방전 사이클이 진행되는 과정에서 상기 측정부(110)에 의해 측정된 배터리 셀(10)의 전류에 기반하여 상기 배터리 셀(10)의 용량을 추정하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 신규 충방전 사이클이 진행될 때, 전류 측정 유닛에 의해 측정된 배터리 셀(10)의 전류에 기반하여, 배터리 셀(10)의 용량을 실시간으로 추정할 수 있다.
또한, 제어부(130)는, 상기 측정부(110)에 의해 측정된 전압과 추정된 용량에 기반하여 신규 용량-전압 미분 프로파일을 생성하도록 구성될 수 있다.
즉, 신규 충방전 사이클이 진행되는 과정에서, 전압 측정 유닛은 배터리 셀(10)의 전압을 측정하고, 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 용량을 추정할 수 있다.
제어부(130)는 측정된 배터리 셀(10)의 전압 및 추정한 배터리 셀(10)의 용량에 기반하여, 진행 중인 신규 충방전 사이클에서의 신규 용량-전압 미분 프로파일을 생성할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 생성한 신규 용량-전압 미분 프로파일을 저장부(120)에 저장할 수 있다.
또한, 제어부(130)는, 상기 생성된 그룹 중 소정의 그룹을 선택하고, 선택된 소정의 그룹의 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일과 상기 신규 용량-전압 미분 프로파일 간의 변화 유형에 따라 상기 배터리 셀(10)의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 제어부(130)는 충방전 씨레이트에 따라 생성된 그룹 중 소정의 그룹에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일과 신규 용량-전압 미분 프로파일 간의 변화 유형을 파악하고, 파악된 변화 유형에 따라 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있다.
따라서, 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 상태를 진단하기 위해 미리 저장된 용량-전압 미분 프로파일뿐만 아니라, 배터리 셀(10)이 구동되는 중에 생성되는 신규 용량-전압 미분 프로파일에 기반하여 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있다.
즉, 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 상태를 실시간으로 진단할 수 있다.
예컨대, 배터리 셀(10) 및 배터리 관리 장치(100)가 자동차에 구비되었고, 현재 자동차가 운행 중이며, 배터리 셀(10)은 충전 중이라고 가정한다. 설명의 편의를 위해 자동차에 하나의 배터리 셀(10)이 포함되었다고 가정한다. 측정부(110)는 배터리 셀(10)의 전압 및 전류를 측정하고, 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 용량을 추정할 수 있다. 그리고 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 전압 및 용량에 기반하여, 신규 전압-용량 미분 프로파일을 생성할 수 있다. 그리고 제어부(130)는 생성한 그룹 중 소정의 그룹을 선택하고, 선택한 소정의 그룹의 충전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일과 생성한 신규 전압-용량 미분 프로파일을 비교할 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 자동차 운행 중에도 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 배터리 셀(10)이 사용되는 과정에서도 배터리 셀(10)의 상태를 실시간으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
바람직하게, 상기 소정의 그룹은, 상기 생성된 그룹 중 충방전 씨레이트가 상기 신규 충방전 사이클의 충방전 씨레이트와 동일한 그룹일 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 생성한 그룹 중에서 신규 충방전 사이클의 충방전 씨레이트와 동일한 씨레이트로 그룹화된 그룹을 선택할 수 있다. 여기서, 선택된 그룹이 상기 소정의 그룹일 수 있다.
제어부(130)는 선택한 소정의 그룹에 포함된 용량-전압 미분 프로파일과 신규 용량-전압 미분 프로파일을 비교하여, 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있다.
즉, 제어부(130)는 동일한 씨레이트로 충방전될 때 생성된 용량-전압 미분 프로파일끼리 비교하여 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있다. 이 경우, 상이한 충방전 씨레이트로 충방전될 때 생성된 용량-전압 미분 프로파일을 비교하여 배터리 셀(10)의 상태를 진단하는 경우보다, 배터리 셀(10)의 상태 진단의 정확도 및 신뢰도가 향상될 수 있다.
예컨대, 앞선 예시와 같이, 배터리 셀(10) 및 배터리 관리 장치(100)가 자동차에 구비되었고, 현재 자동차가 운행 중이며, 배터리 셀(10)은 충전 중이라고 가정한다. 제어부(130)는 생성한 그룹 중 충전 씨레이트가 신규 충전 사이클의 씨레이트와 동일한 그룹을 선택할 수 있다. 즉, 선택된 그룹의 충전 사이클 및 신규 충전 사이클의 충전 씨레이트는 모두 동일할 수 있다. 제어부(130)는 선택한 그룹의 충전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일과 신규 용량-전압 미분 프로파일을 비교하여, 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 배터리 셀(10)이 각각의 상황마다 상이한 씨레이트로 충전 또는 방전되더라도, 동일한 씨레이트에서의 전압-용량 미분 프로파일끼리 비교함으로써, 배터리 셀(10)의 상태 진단의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
제어부(130)는, 상기 동일한 그룹에 포함된 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일 각각에서, 상기 배터리 셀(10)에 구비된 배터리 셀(10)의 가용 리튬 손실 여부와 연관된 제1 피크 및 양극 반응 면적과 관련된 제2 피크 중 적어도 하나를 추출하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 용량-전압 미분 프로파일에서 배터리 셀(10)의 양극측 피크에 기반하여, 양극 반응 면적이 감소하는지 여부를 진단할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 용량-전압 미분 프로파일에서 배터리 셀(10)의 음극측 피크에 기반하여, 가용 리튬 손실 여부를 진단할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 용량-전압 미분 프로파일에서 배터리 셀(10)이 음극측 피크에 기반하여, 가용 리튬의 손실로 인해 리튬 플레이팅(Li Plating)이 발생하였는지 여부를 진단할 수 있다. 여기서, 가용 리튬이 손실되었는지 여부를 판단하기 위한 음극측 피크가 상기 제1 피크이다. 또한, 양극의 반응 면적이 감소하였는지를 판단하기 위한 양극측 피크가 상기 제2 피크다.
제어부(130)는, 추출된 복수의 제1 피크 및 복수의 제2 피크 중 적어도 하나의 변화 유형에 따라 상기 배터리 셀(10)의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 제1 피크에 기반하여 가용 리튬의 손실 여부를 진단하거나, 제2 피크에 기반하여 양극 반응 면적의 감소 여부를 진단할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 제1 피크 및 제2 피크를 모두 고려하여, 배터리 셀(10)의 가용 리튬 손실 여부 및 양극 반응 면적 감소 여부를 모두 진단할 수도 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 배터리 셀(10)의 음극측 피크 및 양극측 피크를 각각 고려하여, 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있다. 따라서, 배터리 셀(10)의 양극측 상태 및 음극측 상태가 각각 독립적으로 진단되기 때문에, 배터리 셀(10)의 상태가 보다 구체적이고 정확하게 진단될 수 있는 장점이 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 충방전 사이클이 증가함에 따라 상기 복수의 제1 피크의 전압이 고전위 측으로 이동된 경우, 상기 배터리 셀(10)의 상태를 상기 구비된 배터리 셀(10)의 가용 리튬이 손실된 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 각각의 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일에서, 충방전 사이클이 증가함에 따라 제1 피크의 전압이 고전위 측으로 이동되는 경우는, 배터리 셀(10)의 음극 상에 고체 리튬이 석출되어 리튬 플레이팅이 발생된 경우일 수 있다.
즉, 리튬 플레이팅이 발생되어 음극 표면에 금속 리튬 도금막이 형성됨으로써, 초기 상태의 배터리 셀(10)과 동일한 전압이더라도 배터리 셀(10)의 가용 용량이 줄어들 수 있다. 따라서, 가용 리튬이 손실될수록 제1 피크의 전압이 고전위 측으로 이동될 수 있다.
구체적으로, 음극 표면에 금속 리튬 도금막이 형성되면, 음극 표면의 반응 면적이 감소하고, 가용 리튬이 줄어들기 때문에, 음극 하프 셀(Half Cell)의 전압 거동이 달라질 수 있다. 반면, 리튬 플레이팅이 발생하더라도, 상대적으로 양극 하프 셀의 전압 거동은 달라지지 않기 때문에, 결과적으로는 음극 하프 셀의 달라진 전압 거동에 의하여, 완전 셀(Full Cell)의 제1 피크의 전압의 고전위 측으로 이동될 수 있다.
제어부(130)는 이러한 점에 기반하여, 충방전 사이클이 증가함에 따라 제1 피크의 전압이 고전위 측으로 이동되면, 가용 리튬이 손실되었다고 진단할 수 있다.
예컨대, 도 3을 참조하면, 기준 프로파일(PB)의 제1 피크는 약 3.36V에 위치하고, 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)의 제1 피크는 약 3.42V에 위치한다. 이는, 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)에 대응되는 충전 사이클에서, 배터리 셀(10)의 가용 리튬이 초기 상태보다 감소된 것을 의미할 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)의 제1 피크의 전압이 기준 프로파일(PB)의 제1 피크의 전압보다 고전위 측으로 이동했기 때문에, 배터리 셀(10)의 가용 리튬이 손실된 것으로 진단할 수 있다.
또한, 리튬 플레이팅은 리튬 금속이 석출되는 것이고, 리튬 금속은 물과 격렬히 반응하기 때문에, 배터리 셀(10)이 폭발할 가능성이 있다. 즉, 리튬 플레이팅의 발생은 배터리 셀(10)뿐만 아니라 배터리 셀(10)이 포함된 배터리 팩(1)에도 큰 문제를 일으킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 용량-전압 미분 프로파일의 제1 피크에 기반하여, 실시간으로 배터리 셀(10)의 가용 리튬 손실 여부를 확인함으로써, 배터리 셀(10)의 상태를 빠르고 정확하게 진단할 수 있다. 또한, 배터리 관리 장치(100)는 배터리 셀(10)에 리튬 플레이팅이 발생하였는지 여부를 빠르게 진단함으로써, 리튬 플레이팅의 발생에 따른 예기치 못한 사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
제어부(130)는, 상기 충방전 사이클이 증가함에 따라 상기 복수의 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량이 감소한 경우, 상기 배터리 셀(10)의 상태를 상기 구비된 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적이 감소된 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
각각의 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일에서, 충방전 사이클이 증가함에 따라 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량이 감소된 경우는, 부반응 등에 의하여 배터리 셀(10)의 양극 상의 반응 가용 면적이 감소된 경우일 수 있다. 예컨대, 양극 활물질이 퇴화하거나, 입자 피막 저항의 증가 등의 이유로도 양극 반응 면적이 감소될 수 있다. 또한, Pore clogging 또는 Contact loss 현상에 의해서도 양극 반응 면적이 감소될 수 있다.
양극 반응 면적이 감소한 경우, 양극 활물질 표면과 전해액과의 반응 면적이 감소하기 때문에, 배터리 셀(10)의 출력이 감소될 수 있다. 즉, 양극 반응 면적이 감소될수록 배터리 셀(10)의 단위 전압당 용량 변화량이 감소할 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 용량-전압 미분 프로파일의 제2 피크의 변화 유형에 따라 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적의 감소 여부를 진단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)에서 생성한 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)을 개략적으로 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위하여, 도 4에 도시된 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)은 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)과 마찬가지로, 배터리 셀(10)의 충전 사이클에서 측정된 배터리 셀(10)의 전압 및 추정된 배터리 셀(10)의 용량에 기반하여 생성되었음을 유의한다.
구체적으로, 도 4는 배터리 셀(10)이 초기 상태(Beginning of Life)일 때 생성한 기준 프로파일(PB)과 수회의 충방전이 진행된 이후 생성된 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)을 2차원 좌표 평면 상에 함께 도시한 도면이다.
즉, 용량-전압 미분 프로파일은 배터리 셀(10)의 전압에 대한 단위 전압당 용량 변화량에 관한 프로파일로서, 저장부(120)에는 도 4에 도시된 바와 같이 그래프의 형태로 저장될 수도 있고, 전압값 및 단위 전압당 용량 변화량이 기록된 테이블의 형태로 저장될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 기준 프로파일(PB)과 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)의 제2 피크는 약 4.11V 지점에 위치한다. 다만, 기준 프로파일(PB)의 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량은 97인 반면, 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)의 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량은 92이다. 즉, 용량-전압 미분 프로파일의 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량이 기준 프로파일(PB)의 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량 보다 감소하였다. 상술한 바와 같이, 이렇듯 단위 전압당 용량 변화량, 즉, 배터리 셀(10)의 출력이 감소한 경우는, 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적이 감소한 경우이다. 따라서, 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 상태를 양극 반응 면적이 감소된 상태로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 용량-전압 미분 프로파일의 제2 피크에 기반하여, 실시간으로 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적의 감소 여부를 확인함으로써, 배터리 셀(10)의 상태를 빠르고 정확하게 진단할 수 있다.
제어부(130)는, 상기 용량-전압 미분 프로파일 각각에서 복수의 피크를 추출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 피크는 용량-전압 프로파일에서의 변곡점에 대응되는 지점이다. 즉, 피크는 용량-전압 미분 프로파일에서 기울기가 양에서 음으로 변하는 지점이거나, 음에서 양으로 변하는 지점일 수 있다. 예컨대, 복수의 피크에서는 용량-전압 미분 프로파일의 순간 기울기가 0일 수 있다.
제어부(130)는 추출된 복수의 피크 중 소정의 조건을 만족하는 기준 피크(Ref P)를 선택하도록 구성될 수 있다.
일반적으로, 배터리 셀(10)의 용량-전압 미분 프로파일에서는 복수의 피크가 추출될 수 있다. 예컨대, 도 3 및 도 4를 참조하면, 각각의 용량-전압 미분 프로파일에는 복수의 피크가 존재할 수 있다.
제어부(130)는 추출한 복수의 피크 중 소정의 조건을 만족하는 기준 피크(Ref P)를 선택할 수 있다.
예컨대, 도 3 및 도 4에 도시된 기준 프로파일(PB), 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1) 및 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)에서의 기준 피크(Ref P)는 모두 약 3.6V 지점에 위치한 피크일 수 있다.
또한, 제어부(130)는 선택된 기준 피크(Ref P)의 전압 및 단위 전압당 용량 변화량을 기준으로 제1 피크(Ea(1)) 및 제2 피크(Ec(4)) 중 적어도 하나를 추출하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(130)는 먼저 용량-전압 미분 프로파일에 포함된 복수의 피크 중 기준 피크(Ref P)를 선택하고, 기준 피크(Ref P)의 전압 및 단위 전압당 용량 변화량에 기반하여 제1 피크(Ea(1)) 및 제2 피크(Ec(4)) 중 적어도 하나를 추출할 수 있다. 기준 피크(Ref P)는 음극 및 양극을 포함하는 배터리 셀(10)에서는 항상 선택될 수밖에 없는 피크이므로, 제어부(130)는 이러한 기준 피크(Ref P)를 이용하여 제1 피크(Ea(1)) 및 제2 피크(Ec(4)) 선택의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 기준 피크(Ref P)에 기반하여 선택된 제1 피크(Ea(1)) 및/또는 제2 피크(Ec(4))에 기반하여 배터리 셀(10)의 상태를 보다 정확하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
바람직하게, 상기 기준 피크(Ref P)는, 상기 용량-전압 미분 프로파일에서, 상기 배터리 셀(10)의 양극 피크 및 음극 피크가 혼재되어 겹쳐진 피크일 수 있다.
제어부(130)는 기준 피크(Ref P)를 기준으로 제1 피크(Ea(1)) 및 제2 피크(Ec(4))를 선택할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 음극측 피크인 제1 피크(Ea(1))에 기반하여 배터리 셀(10)의 가용 리튬 손실 여부를 진단하고, 배터리 셀(10)의 양극측 피크인 제2 피크(Ec(4))에 기반하여 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적 감소 여부를 진단할 수 있다.
예컨대, 도 3 및 도 4에 도시된 기준 프로파일(PB), 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1) 및 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)에서의 기준 피크(Ref P)는 모두 약 3.6V 지점에 위치한 피크일 수 있다.
구체적으로, 기준 피크(Ref P)는 배터리 셀(10)의 전압-용량 프로파일 및 용량-전압 미분 프로파일에 기반하여 선택될 수 있다. 여기서, 전압-용량 프로파일은 용량에 대한 전압 프로파일로서, X축이 용량이고 Y축이 전압인 좌표 평면에 도시될 수 있는 프로파일이다. 즉, 전압-용량 프로파일과 용량-전압 프로파일은 서로 대칭일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)에서 생성된 전압-용량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다. 구체적으로 도 5는 충전 사이클에서, 배터리 셀(10)의 전압-용량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
제어부(130)는 배터리 셀(10)의 전압-용량 프로파일에서 복수의 평탄부를 파악할 수 있다. 그리고, 제어부는 파악된 복수의 평탄부 중 하나 이상의 평탄부를 선택할 수 있다. 여기서, 평탄부란 전압이 일정한 구간을 의미할 수 있다. 즉, 평탄부는 용량이 증가하더라도 전압이 일정하거나 전압 변화가 소정 수준 이하인 구간을 의미한다고 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어부(130)는 배터리 셀(10)의 음극에 대한 전압-용량 프로파일의 0.2V, 0.11V 및 0.08V 부분에서 복수의 평탄부가 형성된 것으로 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 선택한 복수의 평탄부 중에서 대응되는 전압의 크기가 두 번째로 큰 평탄부의 용량 구간을 선택할 수 있다. 선택된 용량 구간은 17Ah 내지 26Ah일 수 있다.
제어부(130)는 선택한 용량 구간에 대응되는 배터리 셀(10)의 전압 구간을 파악할 수 있다. 도 5를 참조하면, 선택된 용량 구간 17Ah 내지 26Ah에 대응되는 배터리 셀(10)의 전압 구간은 3.58V 내지 3.7V일 수 있다.
마지막으로, 제어부(130)는 용량-전압 미분 프로파일에서 포함된 복수의 피크 중 상기 선택한 전압 구간에 포함된 피크를 기준 피크(Ref P)로 선택할 수 있다. 예컨대, 도 3 및 도 4를 참조하면, 용량-전압 미분 프로파일에 포함된 복수의 피크 중 전압 구간 3.58V 내지 3.7V에 하나의 피크가 포함될 수 있다. 제어부(130)는 이 전압 구간에 포함된 피크를 기준 피크(Ref P)로 선택할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리장치는, 양극 피크 및 음극 피크가 혼재된 피크를 기준 피크(Ref P)로 선택함으로써, 제1 피크(Ea(1)) 및 제2 피크(Ec(4))를 선택하는 정확도를 향상시킬 수 있다.
제어부(130)는, 상기 추출된 복수의 피크 중 상기 기준 피크의 전압보다 저전위 구간에서 상기 제1 피크(Ea(1))를 선택하도록 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기준 피크(Ref P)의 기준 피크의 전압보다 저전위 구간에는 복수의 피크가 포함될 수 있다. 제어부(130)는 저전위 구간에 포함된 복수의 피크 중 가용 리튬 손실과 관련된 제1 피크(Ea(1))를 선택할 수 있다.
예컨대, 도 3을 참조하면, 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)에서의 제1 피크(Ea(1))는 전압이 3.42V인 지점의 피크이다. 또한, 도 4를 참조하면, 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)에서의 제1 피크(Ea(1))는 전압이 3.36V인 지점의 피크이다.
제어부(130)는 충방전 사이클마다 생성된 용량-전압 미분 프로파일 각각에서, 제1 피크(Ea(1))를 추출할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 추출한 제1 피크(Ea(1))의 전압이 충방전 사이클이 증가될수록 고전위 측으로 이동되는지에 따라 배터리 셀(10)의 가용 리튬 용량의 손실 여부를 진단할 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는, 상기 추출된 복수의 피크 중 상기 저전위 구간에서 상기 기준 피크(Ref P)의 단위 전압당 용량 변화량과 가장 근사한 단위 전압당 용량 변화량을 갖는 피크를 제1 피크(Ea(1))로 선택하도록 구성될 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)에서, 기준 피크(Ref P)는 전압이 약 3.6V인 지점의 피크이다. 제어부(130)는 3.6V 미만의 전압에서 단위 전압당 용량 변화량이 기준 피크(Ref P)의 단위 전압당 용량 변화량과 가장 근사한 피크를 제1 피크(Ea(1))로 선택할 수 있다.
다른 예로, 제어부(130)는, 배터리 셀(10)의 음극에 대한 전압-용량 프로파일에서 선택한 복수의 평탄부 중에서 대응되는 전압의 크기가 가장 큰 평탄부의 용량 구간을 선택할 수 있다. 도 5를 참조하면, 선택된 용량 구간은 4Ah 내지 7Ah일 수 있다.
제어부(130)는 선택한 용량 구간에 대응되는 배터리 셀(10)의 전압 구간을 선택할 수 있다. 도 5를 참조하면, 선택된 용량 구간 4Ah 내지 7Ah에 대응되는 배터리 셀(10)의 전압 구간은 3.35V 내지 3.45V일 수 있다.
마지막으로, 제어부(130)는 용량-전압 미분 프로파일에서 포함된 복수의 피크 중 상기 선택한 전압 구간에 포함된 피크를 제1 피크(Ea(1))로 선택할 수 있다. 예컨대, 도 3 및 도 4를 참조하면, 용량-전압 미분 프로파일에 포함된 복수의 피크 중 전압 구간 3.35V 내지 3.45V에 하나의 피크가 포함될 수 있다. 제어부(130)는 이 전압 구간에 포함된 피크를 제1 피크(Ea(1))로 선택할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 전압-용량 프로파일과 용량-전압 미분 프로파일을 이용하여 기준 피크(Ref P) 및 제1 피크(Ea(1))를 선택함으로써, 보다 명확한 기준에 따라 피크가 선택할 수 있는 장점이 있다. 또한 이를 통해서, 배터리 셀(10)의 상태가 보다 정확하게 진단될 수 있다.
제어부(130)는, 상기 추출된 복수의 피크 중 상기 기준 피크의 전압보다 고전위 구간에서, 상기 제2 피크(Ec(4))를 선택하도록 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기준 피크(Ref P)의 전압보다 고전위 구간에는 복수의 피크가 포함될 수 있다. 제어부(130)는 고전위 구간에 포함된 복수의 피크 중 양극 반응 면적 손실과 관련된 제2 피크(Ec(4))를 선택할 수 있다.
예컨대, 도 3을 참조하면, 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)에서의 제2 피크(Ec(4))는 전압이 4.11V인 지점의 피크이다. 또한, 도 4를 참조하면, 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)에서의 제2 피크(Ec(4))는 전압이 4.11V인 지점의 피크이다. 즉, 제2 피크(Ec(4))는 용량-전압 미분 프로파일에서 약 4.1V 부근의 충전 말단 부근에 위치한 피크이다.
제어부(130)는 충방전 사이클마다 생성된 용량-전압 미분 프로파일 각각에서, 제2 피크(Ec(4))를 추출할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 추출한 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량이 충방전 사이클이 증가될수록 감소하는지에 따라 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적의 손실 여부를 진단할 수 있다.
예컨대, 도 3을 참조하면, 기준 프로파일(PB)과 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)의 제2 피크(Ec(4))의 전압 및 단위 전압당 용량 변화량이 동일하다. 즉, 기준 프로파일(PB)에서의 제2 피크와 제1 용량-전압 미분 프로파일(P1)의 제2 피크의 전압 및 단위 전압당 용량 변화량이 동일하다. 이는, 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적이 감소되지 않고, 초기 상태 그대로인 것으로 볼 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 도 3의 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적이 감소되지 않은 것으로 진단할 수 있다.
다른 예로, 도 4를 참조하면, 기준 프로파일(PB)과 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)의 제2 피크(Ec(4))의 전압은 동일하지만, 단위 전압당 용량 변화량은 상이하다. 즉, 기준 프로파일(PB)에서의 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량이 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)의 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량보다 크다.
구체적으로, 기준 프로파일(PB)에서의 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량은 97인 반면, 제2 용량-전압 미분 프로파일(P2)의 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량은 92이다. 즉, 배터리 셀(10)이 사용되면서 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량이 5 감소하였고, 이는 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적이 감소된 경우라고 볼 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 도 4의 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적이 감소된 것으로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 용량-전압 미분 프로파일에서 기준 피크(Ref P)보다 고전위 구간(양극 구간)에 위치한 피크의 변화 양상에 기반하여 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적의 손실 여부를 독립적으로 진단할 수 있다. 따라서, 부반응 등에 의한 배터리 셀(10)의 양극 면적 감소 여부가 보다 정확하게 진단될 수 있다.
제어부(130)는, 상기 고전위 구간에 속한 복수의 피크 중 기울기가 양에서 음으로 변하는 피크이고, 대응되는 전압이 가장 큰 피크를 상기 제2 피크(Ec(4))로 선택하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제2 피크(Ec(4))는 용량-전압 미분 프로파일의 기준 피크(Ref P)보다 고전위 구간에 속한다. 또한, 제2 피크(Ec(4))는 용량-전압 미분 프로파일에서 기울기가 양에서 음으로 변하는 피크이다. 즉, 제2 피크(Ec(4))는 용량-전압 미분 프로파일에서 국부 최대값에 해당하는 피크 중 어느 하나일 수 있다. 여기서, 국부 최대값이란 용량-전압 미분 프로파일에서 기울기가 양에서 음으로 변하는 지점이다. 예컨대, 도 3 및 4를 참조하면, 제1 피크(Ea(1)), 기준 피크(Ref P) 및 제2 피크(Ec(4))가 모두 국부 최대값에 해당하는 피크일 수 있다.
또한, 제2 피크(Ec(4))는 대응되는 전압이 가장 큰 피크일 수 있다. 즉, 제2 피크(Ec(4))는 배터리 셀(10)의 충전 말단 부근에서 나타나는 피크이기 때문에, 고전위 구간에서도 대응되는 전압이 가장 큰 피크일 수 있다.
예컨대, 배터리 셀(10)의 최대 가동 전압이 4.2V라고 가정하면, 제2 피크(Ec(4))는 약 4.1V 부근에서 나타날 수 있다. 이는, 배터리 셀(10)의 충전 과정에서 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하게 되는데, 양극 반응 면적이 감소할 때의 변화 양상이 배터리 셀(10)의 충전 말단 부근에서 가장 잘 나타날 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 양극 반응 면적의 감소를 가장 잘 나타내는 제2 피크(Ec(4))의 변화 양상에 기반하여, 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적의 감소 여부를 진단할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 배터리 셀(10)의 상태가 보다 독립적이고 정확하게 진단될 수 있다.
도 6은 충전 사이클에 따른 제1 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위해, 도 6에 도시된 제1 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일에서, 제1 피크(Ea(1))는 전압을 기준으로 약 3.45V 내지 3.5V 부근에 위치한 피크이고, 기준 피크(Ref P)는 전압을 기준으로 약 3.65V 부근에 위치한 피크라고 가정한다. 또한, 제2 피크(Ec(4))는 전압을 기준으로 약 4.14V 부근에 위치한 피크라고 가정한다.
제1 배터리 셀은 음극 활물질에 흑연 및 실리콘이 혼합된 배터리 셀(10)이다. 따라서, 도 6에서, 제1 배터리 셀에 포함된 실리콘에 기반하여 실리콘 피크 (Ea(Si))가 나타날 수 있다.
제1 배터리 셀의 충전 사이클이 증가할수록 용량-전압 미분 프로파일의 제1 피크(Ea(1))의 전압이 고전위 측으로 이동된 것을 확인할 수 있다. 예컨대, 제1 배터리 셀의 제1 충전 사이클에서는 제1 피크(Ea(1))의 전압이 약 3.45V이지만, 제50 충전 사이클에서는 제1 피크(Ea(1))의 전압이 약 3.5V이다. 제1 피크(Ea(1))의 전압이 고전위 측으로 이동된 것은 제1 배터리 셀의 가용 리튬이 손실된 결과로 볼 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 제1 배터리 셀의 가용 리튬이 손실되었다고 진단할 수 있다.
다만, 제1 배터리 셀의 충전 사이클이 증가하더라도 용량-전압 미분 프로파일의 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량은 일정한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 제1 배터리 셀의 양극 반응 면적은 감소되지 않은 것으로 진단할 수 있다.
정리하면, 제어부(130)는 제1 배터리 셀의 상태를, 가용 리튬은 손실되었지만, 양극 반응 면적은 감소되지 않은 상태로 진단할 수 있다.
도 7은 충전 사이클에 따른 제2 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위해, 도 7에 도시된 제2 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일에서, 제1 피크(Ea(1))는 전압을 기준으로 약 3.46V 부근에 위치한 피크이고, 기준 피크(Ref P)는 전압을 기준으로 약 3.67V 부근에 위치한 피크라고 가정한다. 또한, 제2 피크(Ec(4))는 전압을 기준으로 약 4.15V 내지 4.16V 부근에 위치한 피크라고 가정한다.
제2 배터리 셀은 제1 배터리 셀과 마찬가지로, 음극 활물질에 흑연 및 실리콘이 혼합된 배터리 셀(10)이다. 따라서, 도 7에서, 제2 배터리 셀에 포함된 실리콘에 기반하여 Ea(Si) 피크가 나타날 수 있다.
제2 배터리 셀의 충전 사이클이 증가하더라도 용량-전압 미분 프로파일의 제1 피크(Ea(1))의 전압은 일정한 것을 확인할 수 있다. 예컨대, 제2 배터리 셀의 제1 충전 사이클 및 제100 충전 사이클에서 제1 피크(Ea(1))의 전압은 약 3.46V로 동일하다. 따라서, 제어부(130)는 제2 배터리 셀의 가용 리튬이 손실되지 않은 것으로 진단할 수 있다.
다만, 제2 배터리 셀의 충전 사이클이 증가할수록 용량-전압 미분 프로파일의 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량이 감소한 것을 확인할 수 있다. 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량의 감소는 제2 배터리 셀의 양극 반응 면적이 감소한 결과로 볼 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 제2 배터리 셀의 양극 반응 면적이 감소된 것으로 진단할 수 있다.
정리하면, 제어부(130)는 제2 배터리 셀의 상태를, 가용 리튬은 손실되지 않았지만, 양극 반응 면적은 감소된 상태로 진단할 수 있다.
도 8은 충전 사이클에 따른 제3 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위해, 도 8에 도시된 제3 배터리 셀의 용량-전압 미분 프로파일에서, 제1 피크(Ea(1))는 전압을 기준으로 약 3.5V 내지 3.55V 부근에 위치한 피크이고, 기준 피크(Ref P)는 전압을 기준으로 약 3.7V 부근에 위치한 피크라고 가정한다. 또한, 제2 피크(Ec(4))는 전압을 기준으로 약 4.18V 부근에 위치한 피크라고 가정한다.
제3 배터리 셀은 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀과 마찬가지로, 음극 활물질에 흑연 및 실리콘이 혼합된 배터리 셀(10)이다. 따라서, 도 8에서, 제3 배터리 셀에 포함된 실리콘에 기반하여 Ea(Si) 피크가 나타날 수 있다.
제3 배터리 셀의 충전 사이클이 증가할수록 용량-전압 미분 프로파일의 제1 피크(Ea(1))의 전압이 고전위 측으로 이동된 것을 확인할 수 있다. 예컨대, 제3 배터리 셀의 제1 충전 사이클에서는 제1 피크(Ea(1))의 전압이 약 3.5V이지만, 제400 충전 사이클에서는 제1 피크(Ea(1))의 전압이 약 3.55V이다. 제1 피크(Ea(1))의 전압이 고전위 측으로 이동된 것은 제3 배터리 셀의 가용 리튬이 손실된 결과로 볼 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 제3 배터리 셀의 가용 리튬이 손실되었다고 진단할 수 있다.
또한, 제3 배터리 셀의 충전 사이클이 증가할수록 용량-전압 미분 프로파일의 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량이 감소한 것을 확인할 수 있다. 제2 피크(Ec(4))의 단위 전압당 용량 변화량의 감소는 제3 배터리 셀의 양극 반응 면적이 감소한 결과로 볼 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 제3 배터리 셀의 양극 반응 면적이 감소된 것으로 진단할 수 있다.
정리하면, 제어부(130)는 제3 배터리 셀의 상태를, 가용 리튬이 손실되었으며, 양극 반응 면적이 감소된 상태로 진단할 수 있다.
제어부는, 상기 배터리 셀의 상태를 진단한 결과에 기반하여, 상기 배터리 셀의 충전 또는 방전 씨레이트의 임계값 및 상기 배터리 셀의 가동 전압 범위 중 적어도 하나를 변경하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부는 배터리 셀의 가용 리튬이 손실되었거나 양극 반응 면적이 감소된 것으로 진단한 경우, 충방전 씨레이트의 상한 임계값을 변경 설정하여 배터리 셀의 퇴화 속도를 늦출 수 있다. 바람직하게, 제어부는 배터리 셀의 충방전 씨레이트의 상한값을 변경할 수 있다. 예컨대, 초기에 배터리 셀의 충방전 씨레이트가 최대치로 설정된 경우, 제어부는 배터리 셀의 충방전 씨레이트의 상한 임계값을 최대치의 90% 수준으로 변경할 수 있다.
또한, 제어부는 배터리 셀의 가용 리튬이 손실되었거나 양극 반응 면적이 감소된 것으로 진단한 경우, 배터리 셀의 가동 전압 범위를 변경할 수 있다. 예컨대, 초기에 3.6V 내지 4.2V로 배터리 셀의 가동 전압 범위가 설정된 경우, 제어부는 배터리 셀의 가동 전압 범위를 3.7V 내지 4.1V로 변경할 수 있다. 이로 인해, 퇴화가 진행된 배터리 셀의 과충전 및/또는 과방전이 미연에 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)의 측정부(110), 저장부(120) 및 제어부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리 팩(1)에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 팩(1)은, 하나 이상의 배터리 셀(10), 상기 배터리 관리 장치(100), 전장품(BMS나 릴레이, 퓨즈 등 구비) 및 케이스 등을 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 전압 및 전류 측정 단계(S100), 용량 추정 단계(S200), 그룹 생성 단계(S300) 및 상태 진단 단계(S400)를 포함할 수 있다.
전압 및 전류 측정 단계(S100)는 배터리 셀의 충방전 사이클에서, 상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 중에 상기 배터리 셀의 전압 및 전류를 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
측정부(110)는 배터리 셀(10)의 양극 전위 및 음극 전위를 측정하고, 측정한 양극 전위 및 음극 전위의 차이를 구하여 배터리 셀(10)의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)는 배터리 셀(10)의 충방전 경로 상에 구비된 전류계(A)를 통해 배터리 셀(10)의 충방전 전류를 측정할 수 있다.
용량 추정 단계(S200)는 상기 측정 단계(S100)에서 측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 추정하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
제어부(130)는 전류 적산법을 이용하여 배터리 셀(10)의 용량을 추정할 수 있다. 여기서, 배터리 셀(10)의 용량은 배터리 셀(10)의 충전 상태일 수 있다.
그룹 생성 단계(S300)는 충방전 씨레이트가 동일한 충방전 사이클끼리 그룹을 생성하는 그룹 생성 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 저장부(120)에는 배터리 셀(10)의 충방전 사이클마다 용량-전압 미분 프로파일 및 충방전 씨레이트가 저장될 수 있다. 제어부(130)는 저장부(120)에 저장된 충방전 사이클 중 충방전 씨레이트가 동일한 충방전 사이클끼리 그룹을 생성할 수 있다.
예컨대, 제1 충전 사이클, 제2 충전 사이클 및 제3 충전 사이클의 충전 씨레이트가 0.33C이고, 제4 충전 사이클, 제5 충전 사이클 및 제6 충전 사이클이 충전 씨레이트가 0.2C라고 가정한다. 제1 내지 제6 충전 사이클의 용량-전압 미분 프로파일 및 충전 씨레이트는 저장부(120)에 저장될 수 있다. 제어부(130)는 충전 씨레이트가 동일한 제1 충전 사이클, 제2 충전 사이클 및 제3 충전 사이클이 포함된 제1 그룹을 생성하고, 제4 충전 사이클, 제5 충전 사이클 및 제6 충전 사이클이 포함된 제2 그룹을 생성할 수 있다. 즉, 한 그룹에 속한 충방전 사이클은 동일한 충방전 씨레이트로 충방전된 사이클이다.
상태 진단 단계(S400)는 동일한 그룹에 포함된 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일 각각을 비교하여, 상기 배터리 셀의 상태를 진단하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
제어부(130)는 동일한 충방전 씨레이트로 충전 또는 방전된 충방전 사이클을 선택하기 위하여, 그룹별로 그룹에 포함된 충방전 사이클을 선택할 수 있다.
제어부(130)는 저장부(120)에 저장된 용량-전압 미분 프로파일 중 선택한 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일을 선택할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 선택한 용량-전압 미분 프로파일을 각각 비교하여, 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 선택한 용량-전압 미분 프로파일 각각에서, 배터리 셀(10)의 가용 리튬 손실 여부와 관련된 제1 피크를 추출할 수 있다. 제어부(130)는 충방전 사이클이 증가할수록 선택한 용량-전압 미분 프로파일에서 제1 피크의 전압이 고전위 측으로 이동되는지 여부에 따라 배터리 셀(10)의 가용 리튬이 손실되었는지를 진단할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 선택한 용량-전압 미분 프로파일 각각에서, 배터리 셀(10)의 양극 반응 면적과 관련된 제2 피크를 추출할 수 있다. 제어부(130)는 충방전 사이클이 증가할수록 선택한 용량-전압 미분 프로파일에서 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량이 감소하는지 여부에 따라 배터리 셀(10)의 가용 리튬이 손실되었는지를 진단할 수 있다.
바람직하게 제어부(130)는 저장부(120)에 미리 저장된 용량-전압 프로파일을 비교하여 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 셀(10)이 구동 중인 상태에서 생성한 신규 용량-전압 프로파일을 이용하여 배터리 셀(10)의 현재 상태를 실시간으로 진단할 수 있다.
즉, 제어부(130)는 생성한 신규 용량-전압 프로파일과 저장부(120)에 미리 저장된 용량-전압 프로파일을 비교하여, 배터리 셀(10)의 가용 리튬 손실 여부 및 양극 반응 면적 감소 여부를 진단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 배터리 셀(10)이 구동되는 중에도 배터리 셀(10)의 상태를 진단할 수 있다. 또한, 배터리 셀(10)에 대한 용량-전압 프로파일이 많이 누적될수록, 배터리 셀(10)의 진단의 정확도 및 신뢰도가 향상될 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
(부호의 설명)
1: 배터리 팩
10: 배터리 셀
100: 배터리 관리 장치
110: 측정부
120: 저장부
130: 제어부
A: 전류계
PB: 기준 프로파일
P1: 제1 용량-전압 미분 프로파일
P2: 제2 용량-전압 미분 프로파일
Ea(1): 제1 피크
Ec(4): 제2 피크
Ref P: 기준 피크

Claims (15)

  1. 배터리 셀의 충방전 사이클에서, 상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 중에 상기 배터리 셀의 전압 및 전류를 측정하도록 구성된 측정부;
    상기 측정부에 의해 측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 추정하도록 구성된 제어부; 및
    상기 측정부에 의해 측정된 상기 배터리 셀의 전압 및 상기 제어부에 의해 추정된 배터리 셀의 용량에 기반하여 생성된 용량-전압 미분 프로파일 및 상기 충방전 사이클 각각의 충방전 씨레이트를 저장하도록 구성된 저장부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 저장부에 저장된 충방전 씨레이트가 동일한 충방전 사이클끼리 그룹을 생성하고, 동일한 그룹에 포함된 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일 각각을 비교하여, 상기 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    신규 충방전 사이클이 진행되는 과정에서 상기 측정부에 의해 측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 추정하고, 상기 측정부에 의해 측정된 전압과 추정된 용량에 기반하여 신규 용량-전압 미분 프로파일을 생성하며,
    상기 생성된 그룹 중 소정의 그룹을 선택하고, 선택된 소정의 그룹의 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일과 상기 신규 용량-전압 미분 프로파일 간의 변화 유형에 따라 상기 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소정의 그룹은,
    상기 생성된 그룹 중 충방전 씨레이트가 상기 신규 충방전 사이클의 충방전 씨레이트와 동일한 그룹인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 동일한 그룹에 포함된 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일 각각에서, 상기 배터리 셀에 구비된 배터리 셀의 가용 리튬 손실 여부와 연관된 제1 피크 및 양극 반응 면적과 연관된 제2 피크 중 적어도 하나를 추출하고,
    추출된 복수의 제1 피크 및 복수의 제2 피크 중 적어도 하나의 변화 유형에 따라 상기 배터리 셀의 상태를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충방전 사이클이 증가함에 따라 상기 복수의 제1 피크의 전압이 고전위 측으로 이동된 경우, 상기 배터리 셀의 상태를 상기 구비된 배터리 셀의 가용 리튬이 손실된 상태로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충방전 사이클이 증가함에 따라 상기 복수의 제2 피크의 단위 전압당 용량 변화량이 감소한 경우, 상기 배터리 셀의 상태를 상기 구비된 배터리 셀의 양극 반응 면적이 감소된 상태로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 용량-전압 미분 프로파일 각각에서 복수의 피크를 추출하고,
    추출된 복수의 피크 중 소정의 조건을 만족하는 기준 피크를 선택하며,
    선택된 기준 피크의 전압 및 단위 전압당 용량 변화량을 기준으로 제1 피크 및 제2 피크 중 적어도 하나를 추출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기준 피크는,
    상기 용량-전압 미분 프로파일에서, 상기 배터리 셀의 양극 피크 및 음극 피크가 혼재되어 겹쳐진 피크인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 추출된 복수의 피크 중 상기 기준 피크의 전압보다 저전위 구간에서, 상기 제1 피크를 선택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 추출된 복수의 피크 중 상기 저전위 구간에서 상기 기준 피크의 단위 전압당 용량 변화량과 가장 근사한 단위 전압당 용량 변화량을 갖는 피크를 상기 제1 피크로 선택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 추출된 복수의 피크 중 상기 기준 피크의 전압보다 고전위 구간에서, 상기 제2 피크를 선택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고전위 구간에 속한 복수의 피크 중 기울기가 양에서 음으로 변하는 피크이고, 대응되는 전압이 가장 큰 피크를 상기 제2 피크로 선택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 셀의 상태를 진단한 결과에 기반하여, 상기 배터리 셀의 충전 또는 방전 씨레이트의 임계값 및 상기 배터리 셀의 가동 전압 범위 중 적어도 하나를 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩.
  15. 배터리 셀의 충방전 사이클에서, 상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 중에 상기 배터리 셀의 전압 및 전류를 측정하는 전압 및 전류 측정 단계;
    상기 측정 단계에서 측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 추정하는 용량 추정 단계;
    충방전 씨레이트가 동일한 충방전 사이클끼리 그룹을 생성하는 그룹 생성 단계; 및
    동일한 그룹에 포함된 충방전 사이클에 대응되는 용량-전압 미분 프로파일 각각을 비교하여, 상기 배터리 셀의 상태를 진단하는 상태 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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