WO2022092621A1 - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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WO2022092621A1
WO2022092621A1 PCT/KR2021/014043 KR2021014043W WO2022092621A1 WO 2022092621 A1 WO2022092621 A1 WO 2022092621A1 KR 2021014043 W KR2021014043 W KR 2021014043W WO 2022092621 A1 WO2022092621 A1 WO 2022092621A1
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battery
degree
degradation
battery module
soh
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김정완
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present disclosure relates to an apparatus and method for diagnosing a battery, and more particularly, to an apparatus and method for diagnosing a state of a battery by using an SOH estimated through measurement of a degradation degree of a battery and an AC impedance.
  • the secondary battery is a battery capable of charging and discharging, and includes all of the conventional Ni/Cd batteries, Ni/MH batteries, and the latest lithium ion batteries.
  • lithium ion batteries have an advantage in that their energy density is much higher than that of conventional Ni/Cd batteries and Ni/MH batteries.
  • lithium ion batteries can be manufactured in a small size and light weight, so they are used as power sources for mobile devices.
  • the lithium ion battery is receiving attention as a next-generation energy storage medium as the range of use has been expanded as a power source for electric vehicles.
  • the secondary battery is generally used as a battery pack including a battery module in which a plurality of battery cells are connected in series and/or in parallel.
  • the state and operation of the battery pack are managed and controlled by the battery management system.
  • a typical example of a device operating through such a battery is an electric vehicle (EV) or an energy storage system (ESS).
  • EV electric vehicle
  • ESS energy storage system
  • the present disclosure provides a battery diagnosis apparatus and method capable of quickly and easily diagnosing the state of a battery by calculating the deterioration degree of the battery and estimating the SOH of the battery through AC impedance to classify the battery in a short time The purpose.
  • a battery diagnosis apparatus includes a battery cell, a calculator for calculating a degree of degradation of a battery module including the battery cell, a measuring unit for measuring AC impedance of a battery pack including the battery module; An estimator for estimating the SOH of the battery pack based on the AC impedance of the battery pack, and the state of the battery pack based on the degree of degradation of the battery cell, the degree of degradation of the battery module, and the SOH of the battery pack It may include a diagnostic unit.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine whether the battery pack can be reused based on the degradation degree of the battery cell, the degradation degree of the battery module, and the SOH of the battery pack.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may diagnose the state of the battery pack based on a deviation of at least one of the degradation degree of the battery cell and the degradation degree of the battery module.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine that the battery pack is reusable when a deviation of at least one of the degradation degree of the battery cell and the degradation degree of the battery module is included in a reference range. there is.
  • the calculator of the battery diagnosis apparatus calculates the degree of degradation of the battery module, the measurer measures the AC impedance of the battery module, and the estimator measures the AC impedance of the battery module based on the AC impedance of the battery module
  • the SOH of the battery module may be estimated, and the diagnosis unit may diagnose the state of the battery module based on the degradation degree of the battery cell and the SOH of the battery module.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine whether the battery module can be reused based on the degree of degradation of the battery cell and the SOH of the battery module.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine that the battery module is reusable when the deviation of the deterioration degree of the battery cell is included in a reference range.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine that a battery cell having the highest degradation degree among the battery cells can be used as a reference when the deviation of the degradation degree of the battery cell is out of a reference range.
  • a calculator for calculating the degree of deterioration of a battery cell of the battery diagnosis apparatus a measuring unit for measuring an AC impedance of a battery module including the battery cell, and the AC impedance of the battery module and an estimator for estimating the SOH of the battery module, and a diagnosis unit for diagnosing the state of the battery module based on the degradation degree of the battery cell and the SOH of the battery module.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine whether the battery module can be reused based on the degree of degradation of the battery cell and the SOH of the battery module.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine that the battery module is reusable when the deviation of the deterioration degree of the battery cell is included in a reference range.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine that a battery cell having the highest degradation degree among the battery cells can be used as a reference when the deviation of the degradation degree of the battery cell is out of a reference range. there is.
  • the calculator of the battery diagnosis apparatus calculates the degree of degradation of the battery module, the measurer measures an AC impedance of a battery pack including the battery module, and the estimator measures the level of deterioration of the battery pack
  • the SOH of the battery pack may be estimated based on AC impedance, and the diagnosis unit may diagnose the state of the battery pack based on the degree of degradation of the battery cell, the degree of degradation of the battery module, and the SOH of the battery pack.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine whether the battery pack can be reused based on the degradation degree of the battery cell, the degradation degree of the battery module, and the SOH of the battery pack.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may diagnose the state of the battery pack based on a deviation of at least one of the degradation degree of the battery cell and the degradation degree of the battery module.
  • the diagnosis unit of the battery diagnosis apparatus may determine that the battery pack is reusable when a deviation of at least one of the degradation degree of the battery cell and the degradation degree of the battery module is included in a reference range. there is.
  • a battery diagnosis method includes calculating a battery cell and a degree of degradation of a battery module including the battery cell, measuring an AC impedance of a battery pack including the battery module, and the battery estimating the SOH of the battery pack based on the AC impedance of the pack, and diagnosing the state of the battery pack based on the degradation degree of the battery cell, the degradation degree of the battery module, and the SOH of the battery pack can do.
  • the battery diagnosis method includes calculating the degradation degree of the battery module, measuring the AC impedance of the battery module, and estimating the SOH of the battery module based on the AC impedance of the battery module and diagnosing the state of the battery module based on the degradation degree of the battery cell and the SOH of the battery module.
  • the battery diagnosis apparatus and method of the present disclosure by calculating the degree of degradation of the battery and estimating the SOH of the battery through the AC impedance to classify the battery in a short time, it is possible to quickly and easily diagnose the state of the battery.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a general battery pack.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an apparatus for diagnosing a battery according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a single battery cell.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a battery module or a battery pack.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a waveform of an AC impedance measured by a battery diagnosis apparatus according to an embodiment of the present disclosure.
  • 6 and 7 are flowcharts illustrating a battery diagnosis method according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a hardware configuration of a computing system for operating an apparatus for detecting a battery abnormality according to an embodiment of the present disclosure.
  • first, second, first, or second used in various embodiments may modify various components regardless of order and/or importance, do not limit
  • a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be renamed as a first component.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a general battery pack.
  • FIG. 1 it schematically shows a battery control system including a battery pack 1 and an upper-level controller 2 included in the upper-level system according to an embodiment of the present disclosure.
  • the battery pack 1 includes a battery module 10 that is composed of one or more battery cells and is capable of being charged and discharged, and the (+) terminal side or the (-) terminal side of the battery module 10 is in series.
  • the switching unit 14 for controlling the charge/discharge current flow of the battery module 10 connected to and a battery management system 20 (eg, MBMS).
  • the battery pack 1 may include a plurality of battery modules 10 , a sensor 12 , a switching unit 14 , and a battery management system 20 .
  • the switching unit 14 is a device for controlling the current flow for charging or discharging of the plurality of battery modules 10 , for example, at least one relay, a magnetic contactor according to the specifications of the battery pack 1 . etc. may be used.
  • the battery management system 20 is an interface for receiving measured values of the various parameters described above, and may include a plurality of terminals and a circuit connected to these terminals to process the received values.
  • the battery management system 20 may control ON/OFF of the switching unit 14 , for example, a relay or a contactor, and is connected to the battery module 10 to determine the state of each battery module 10 . can monitor
  • the deterioration degree of the battery cell and the battery module may be calculated through a separate program.
  • the battery management system 20 may measure the AC impedance between the battery module and the battery pack, estimate the SOH of the battery based on the measurement, and then diagnose whether the battery pack and the battery module can be reused. That is, the battery management system 20 of FIG. 1 may correspond to the battery diagnosis apparatus 100 described below.
  • the upper controller 2 may transmit a control signal for the battery module 10 to the battery management system 20 . Accordingly, the operation of the battery management system 20 may be controlled based on a signal applied from the upper controller 2 .
  • the battery cell of the present disclosure may be a component included in the battery module 10 used in an electric vehicle.
  • the battery pack 1 of FIG. 1 is not limited to this purpose, and for example, a battery rack of the ESS may be included instead of the battery pack 1 of FIG. 1 .
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an apparatus for diagnosing a battery according to an embodiment of the present disclosure.
  • the battery diagnosis apparatus 100 includes a calculator 110 , a measurement unit 120 , an estimator 130 , a diagnosis unit 140 , and a storage unit 150 .
  • a calculator 110 may include
  • the calculator 110 may calculate a degree of degradation of a battery module including a battery cell and at least one battery cell. Also, the calculator 110 may calculate a deviation between the deterioration degree of the battery cell and the battery module. Specifically, the calculator 110 may calculate the degree of degradation based on the charge/discharge voltage for a predetermined cycle before removing the battery pack. For example, the charge/discharge voltage of the battery cell may be obtained as a voltage in a period in which the state of charge (SOC) of the battery cell is less than 5 or greater than or equal to 95.
  • SOC state of charge
  • the measurement unit 120 may measure the AC impedance of the battery pack including the battery module and at least one battery module. For example, the measurement unit 120 may measure the AC impedance between the battery module and the battery pack at a predetermined period.
  • the AC impedance measured by the measuring unit 120 is different from the conventional measuring method by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). That is, in the case of the conventional EIS, impedance is measured in units of battery cells, but the battery diagnosis apparatus 100 according to an embodiment of the present disclosure may measure AC impedance in units of battery modules or battery packs.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • the impedance of a battery cell unit of less than 5V is measured
  • the measuring unit 120 of the battery diagnosis apparatus 100 according to an embodiment of the present disclosure has a voltage range of about 1000V. It can be measured by high voltage alternating current impedance measurement method.
  • This high-voltage AC impedance measurement method does not perform measurement by connecting a measuring device to the electrode of a battery cell like the conventional EIS, but rather the +/- terminal of the battery module or battery pack to which a plurality of battery cells are connected and the battery pack. It is directly connected to the high voltage connector connection of the battery cell to measure the AC impedance trend of the total sum of multiple battery cells. This will be described later in detail with reference to FIGS. 3 and 4 .
  • the estimator 130 may estimate the state of health (SOH) of the battery module and the battery pack based on the AC impedance of the battery module and the battery pack.
  • the estimator 130 may estimate the SOH of the battery module and the battery pack through a table or graph of the correlation between the AC impedance and the SOH of the battery module and the battery pack measured in advance. For example, data on the correlation between AC impedance and SOH may be stored in the storage unit 150 .
  • the diagnosis unit 140 may diagnose the state of the battery pack based on the degradation degree of the battery cell, the degradation degree of the battery module, and the SOH of the battery pack. In this case, the diagnosis unit 140 may determine whether the battery pack can be reused based on the degradation degree of the battery cell, the degradation degree of the battery module, and the SOH of the battery pack. Also, the diagnosis unit 140 may diagnose the state of the battery pack based on a deviation of at least one of the degradation degree of the battery cell and the degradation degree of the battery module.
  • the diagnosis unit 140 may determine that the battery pack is reusable when a deviation of at least one of the degradation degree of the battery cell and the degradation degree of the battery module is included in the reference range (ie, uniform). On the other hand, when the deviation of at least one of the degradation degree of the battery cell and the degradation degree of the battery module is outside the reference range (ie, non-uniformity), the diagnosis unit 140 may determine that the battery pack cannot be reused. In this case, the battery pack can be disassembled and reused as a module unit.
  • the diagnosis unit 140 may diagnose the state of the battery module based on the degradation degree of the battery cell and the SOH of the battery module. In this case, the diagnosis unit 140 may determine whether the battery module can be reused based on the degree of degradation of the battery cell and the SOH of the battery module. In addition, the diagnosis unit 140 may diagnose the state of the battery module based on the deviation of the deterioration degree of the battery cell.
  • the diagnosis unit 140 may determine that the battery module is reusable when the deviation of the deterioration degree of the battery cell is included in the reference range. On the other hand, when the deviation in the degree of degradation of the battery cells is out of the reference range, the diagnosis unit 140 may determine that the battery cell having the highest degree of degradation among the battery cells is usable as a reference. Accordingly, the user can determine various utilization methods, such as whether to use the most degraded battery cell as a reference or to extract and use the material inside the battery cell.
  • the storage unit 150 may store data on the correlation between the AC impedance of the battery module and the battery pack and the SOH. In addition, the storage unit 150 may store various data, such as the deterioration degree of the battery cell and the battery module, the AC impedance of the battery module and the battery pack, and the SOH.
  • the battery diagnosis apparatus 100 does not necessarily include the storage unit 150, and stores data in a database in an external server and transmits and receives data through a communication unit (not shown). can be configured.
  • the battery diagnosis apparatus by calculating the degree of degradation of the battery and estimating the SOH of the battery through the AC impedance to classify the battery in a short time, the state of the battery is quickly and easily can be diagnosed
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a single battery cell
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a battery module or a battery pack.
  • the battery diagnosis apparatus applies an alternating current in a specific frequency range (eg, 0.1 to several Hz) to a battery module or a battery pack, and measures the voltage response for each frequency band to determine the impedance of the battery module or battery pack. It can measure magnitude and phase. Also, each parameter value of the battery may be extracted based on a response according to the frequency of each parameter of the equivalent circuit of the battery cell/module/pack.
  • a specific frequency range eg, 0.1 to several Hz
  • a battery module or battery pack in which a plurality of normal battery cells and at least one abnormal battery cell are connected and the conventional EIS measurement method and Since the equivalent circuit is different, the type and number of extracted result values are different.
  • the voltage range is about 20V, and the frequency range is 0.1 to 1050hz.
  • the three-electrode measurement method separates the anode and the cathode for measurement, and ohmic resistance can be corrected by removing noise.
  • This conventional measurement method performs measurement in a steady state of the battery cell, that is, in a chemical equilibrium and a potential equilibrium state of the positive electrode, and detects an abnormality through absolute comparison of the battery cell with a reference value.
  • the existing cell-unit EIS measurement method requires disassembling the battery module or battery pack in cell-by-cell units, and since it is difficult to measure three electrodes and form a chemical equilibrium state, there are limitations when applied to actual products.
  • the voltage range is about 1000V, and the frequency range is 0.1 to 4000hz.
  • a two-electrode measurement method is used for a plurality of battery cells connected in series, and repeated and reproducible measurement is possible.
  • the high voltage AC impedance measurement method used in the battery diagnostic device performs measurement in a state after the charging and discharging of all battery modules in the same battery rack are simultaneously completed, and relative comparison and absolute for each battery module All comparisons are possible.
  • the impedance value of the battery system increases in proportion to the number of series connections (N) of the battery cells.
  • external influences eg, sensing line inductance, contact resistance, etc.
  • measurement and abnormality can be performed without disassembling the battery cell unit, and the battery module of the ESS can be reused immediately. It can also be applied immediately to racks or car battery packs. In addition, since there is no need to charge and discharge the battery, power due to charging and discharging can be reduced.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a waveform of an AC impedance measured by a battery diagnosis apparatus according to an embodiment of the present disclosure.
  • the x-axis represents the resistance element (real(Z)) (mOhm) of the AC impedance
  • the y-axis represents the reactance element (Imaginary(Z))(mOhm) of the AC impedance.
  • each of the high voltage AC impedance values measured by the measurement unit 120 of the battery diagnosis apparatus 100 at a predetermined period is shown. At this time, it can be confirmed that the shape of the AC impedance waveform of the battery module is different for each battery module.
  • the measured AC impedance of a specific battery module is significantly different from that of other battery modules, or a reference set based on the AC impedance of a degraded battery module built in a database in advance
  • the degree of deterioration of the battery module may be estimated in a manner such as out of range.
  • the remaining lifespan can be checked through a separate charge/discharge test, and it can be used as reference data when an abnormality of the battery module is detected later.
  • the remaining lifetime of the replaced battery module with the measured AC impedance value in the storage unit 150 and storing it in a table form, it can be used as reference data when diagnosing an abnormality of the battery module later.
  • the reused battery in the case of replacing the deteriorated battery module, it is possible to use the reused battery to replace the battery at a low price and to operate the system stably in accordance with the degree of deterioration of the entire battery system of the ESS.
  • 6 and 7 are flowcharts illustrating a battery diagnosis method according to an embodiment of the present disclosure.
  • a deterioration degree deviation between a battery cell and a battery module is first calculated ( S102 ).
  • the degree of degradation may be calculated based on the charge/discharge voltage for a predetermined cycle before the battery pack is removed.
  • the charge/discharge voltage of the battery cell may be obtained as a voltage in a section in which the SOC of the battery cell is less than 5 or greater than or equal to 95.
  • the AC impedance of the battery pack is measured (S104).
  • the AC impedance of the battery pack may be measured at a predetermined period.
  • the SOH of the battery pack is calculated based on the AC impedance of the battery pack ( S106 ).
  • the SOH of the battery pack may be estimated through a table or graph of the correlation between the AC impedance of the battery pack and the SOH measured in advance. For example, data on the correlation between AC impedance and SOH may be stored in the storage unit 150 of FIG. 1 .
  • the degradation degree deviation between the battery cell and the battery module is included in the reference range ( S108 ). If the degradation degree deviation between the battery cell and the battery module is included in the reference range (ie, uniform) (YES), it is determined whether the SOH of the battery pack is equal to or greater than the reference value (S110). Also, when the SOH of the battery pack is equal to or greater than the reference value (YES), the corresponding battery pack is diagnosed as a reusable battery pack (S112).
  • the corresponding battery pack is diagnosed as a non-reusable battery pack ( S114 ).
  • the battery pack can be disassembled and reused as a module unit.
  • step S114 it is assumed that the non-reusable battery pack is diagnosed in step S114 .
  • the AC impedance of the battery module is measured ( S116 ).
  • the SOH of the battery module is calculated based on the AC impedance of the battery module (S118).
  • the degradation degree deviation of the battery cell is included in the reference range ( S120 ). If the deterioration degree deviation of the battery cell is included in the reference range (ie, uniform) (YES), it is determined whether the SOH of the battery module is equal to or greater than the reference value (S122). Also, when the SOH of the battery module is equal to or greater than the reference value (YES), the corresponding battery module is diagnosed as a reusable battery module (S124).
  • the corresponding battery module is diagnosed as a non-reusable battery module ( S126 ).
  • the battery cell with the highest degree of degradation among the battery cells can be used as a reference. Accordingly, the user can determine various utilization methods, such as whether to use the most degraded battery cell as a reference or to extract and use the material inside the battery cell.
  • the battery diagnosis method of the present disclosure by calculating the degree of deterioration of the battery and estimating the SOH of the battery through the AC impedance to classify the battery in a short time, the state of the battery can be quickly and easily diagnosed. .
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a hardware configuration of a computing system for operating an apparatus for detecting a battery abnormality according to an embodiment of the present disclosure.
  • the computing system 30 may include an MCU 32 , a memory 34 , an input/output I/F 36 , and a communication I/F 38 . .
  • the MCU 32 executes various programs (eg, a battery deterioration calculation program, an SOH calculation program, a battery diagnostic program, etc.) stored in the memory 34 , and through these programs, deterioration of the battery cells and battery modules
  • FIG. 2 may be a processor that processes various data including AC impedance of the battery module and the battery pack, SOH, and the like, and performs functions of the battery diagnosis apparatus illustrated in FIG. 2 .
  • the memory 34 may store various programs related to battery degradation and SOH calculation and battery diagnosis.
  • the memory 720 may store various data such as battery degradation, AC impedance, and SOH data.
  • Memory 34 may be volatile memory or non-volatile memory.
  • RAM volatile memory
  • DRAM dynamic random access memory
  • SRAM static random access memory
  • non-volatile memory ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, flash memory, or the like can be used.
  • the examples of memories 34 listed above are merely examples and are not limited to these examples.
  • the input/output I/F 36 is an interface that connects between an input device (not shown) such as a keyboard, mouse, and touch panel and an output device such as a display (not shown) and the MCU 32 to transmit/receive data can provide
  • the communication I/F 340 is a configuration capable of transmitting and receiving various data to and from the server, and may be various devices capable of supporting wired or wireless communication. For example, a program or various data for calculating the SOH of the battery and diagnosing the battery state may be transmitted/received from an external server provided separately through the communication I/F 38 .
  • the computer program according to an embodiment of the present disclosure is recorded in the memory 34 and processed by the MCU 32, so that, for example, it may be implemented as a module performing each function shown in FIG. 2 . .

Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 산출부, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 측정부, 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하는 추정부 및 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 진단 장치 및 방법
관련출원과의 상호인용
본 발명은 2020.10.30.에 출원된 한국 특허 출원 제10-2020-0143820호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로 포함한다.
기술분야
본 개시는 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 퇴화도와 교류 임피던스 측정을 통해 추정된 SOH를 이용하여 배터리의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
또한, 이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩으로 이용된다. 그리고 배터리 팩은 배터리 관리 시스템에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다.
이러한 배터리를 통해 동작하는 장치로는 대표적으로 전기 자동차(EV)나 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)가 있다. 특히, 전기 자동차의 배터리의 경우, 아직 수명이 많이 남아있음에도 불구하고 전기 자동차의 출력을 만족시킬 수 없어서 폐기되는 배터리들이 발생하고 있다.
따라서, 배터리를 그대로 폐기하기 보다는 새로운 애플리케이션으로 재사용하는 다양한 방법들이 시도되고 있다. 예를 들면, 이러한 배터리의 재사용 애플리케이션으로는 ESS grid, UPS, 스쿠터 등이 있으며, 각각의 애플리케이션에 맞는 배터리의 등급을 분류하여 적용하는 것이 필요하다. 그러나, 기존에 배터리를 분류하기 위해 사용되는 방법은 충방전을 3회 이상 수행하여 SOHE를 산출하여야 했으므로 작업 시간이 많이 소요되고 절차적으로 번거로움이 있었다.
본 개시는 배터리의 퇴화도를 산출하고 교류 임피던스를 통해 배터리의 SOH를 추정하여 단시간에 배터리의 등급을 분류함으로써, 신속하고 용이하게 배터리의 상태를 진단할 수 있는 배터리 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 산출부, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 측정부, 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하는 추정부 및 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 산출부는 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하고, 상기 측정부는 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하고, 상기 추정부는 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하고, 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다,
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 배터리 셀의 퇴화도를 산출하는 산출부, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하는 측정부, 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하는 추정부 및 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 산출부는 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하고, 상기 측정부는 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하고, 상기 추정부는 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하고, 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법은 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 단계, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 단계, 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하는 단계 및 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법은 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 단계, 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하는 단계, 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하는 단계 및 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 배터리 진단 장치 및 방법에 따르면, 배터리의 퇴화도를 산출하고 교류 임피던스를 통해 배터리의 SOH를 추정하여 단시간에 배터리의 등급을 분류함으로써, 신속하고 용이하게 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3는 단일 배터리 셀의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치를 통해 측정한 교류 임피던스의 파형을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 이상 검출 장치를 동작하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 개시의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 개시의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 개시의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고 충방전 가능한 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 (+) 단자 측 또는 (-) 단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)(예를 들면, MBMS)을 포함한다. 이 때, 배터리 팩(1)에는 배터리 모듈(10), 센서(12), 스위칭부(14) 및 배터리 관리 시스템(20)이 복수 개 구비될 수 있다.
여기서, 스위칭부(14)는 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 소자로서, 예를 들면, 배터리 팩(1)의 사양에 따라서 적어도 하나의 릴레이, 마그네틱 접촉기 등이 이용될 수 있다.
배터리 관리 시스템(20)은 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(20)은, 스위칭부(14) 예를 들어, 릴레이 또는 접촉기 등의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(10)에 연결되어 배터리 모듈(10) 각각의 상태를 감시할 수 있다.
한편, 본 개시의 배터리 관리 시스템(20)에서는 이하에서 후술하는 바와 같이 별도의 프로그램을 통해 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도를 산출할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(20)은 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정한 후, 이에 기초하여 배터리의 SOH를 추정한 후 배터리 팩과 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 진단할 수 있다. 즉, 도 1의 배터리 관리 시스템(20)은 이하에서 설명하는 배터리 진단 장치(100)에 해당할 수 있다.
상위 제어기(2)는 배터리 관리 시스템(20)으로 배터리 모듈(10)에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템(20)은 상위 제어기(2)로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다. 한편, 본 개시의 배터리 셀은 전기 자동차에 이용되는 배터리 모듈(10)에 포함된 구성일 수 있다. 다만, 도 1의 배터리 팩(1)은 이러한 용도에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 도 1의 배터리 팩(1) 대신 ESS의 배터리 랙이 포함될 수 있다.
이와 같은 배터리 팩(1)의 구성 및 배터리 관리 시스템(20)의 구성은 공지된 구성이므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 산출부(110), 측정부(120), 추정부(130), 진단부(140) 및 저장부(150)를 포함할 수 있다.
산출부(110)는 배터리 셀과 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출할 수 있다. 또한, 산출부(110)는 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도의 편차를 산출할 수 있다. 구체적으로, 산출부(110)는 배터리 팩을 탈거하기 전 일정 사이클 동안의 충방전 전압에 기초하여 퇴화도를 산출할 수 있다. 예를 들면, 배터리 셀의 충방전 전압은 배터리 셀의 SOC(state of charge)가 5 미만이거나, 95 이상인 구간에서의 전압으로 획득될 수 있다.
측정부(120)는 배터리 모듈과 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(120)는 일정 주기로 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정할 수 있다.
특히, 측정부(120)를 통해 측정하는 교류 임피던스는 기존의 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)에 의한 측정 방법과는 상이한 것이다. 즉, 기존의 EIS의 경우 모두 배터리 셀의 단위로 임피던스를 측정하는 것이지만, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(100)에서는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 단위로 교류 임피던스를 측정할 수 있다. 예를 들면, 기존의 EIS 측정 방법의 경우 5V 미만의 배터리 셀 단위의 임피던스를 측정하는 반면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(100)의 측정부(120)는 약 1000V 전압 범위의 고전압 교류 임피던스 측정법을 통해 측정할 수 있다.
이러한, 고전압 교류 임피던스 측정법은 기존의 EIS와 같이 배터리 셀의 전극에 측정 장치를 접속하여 측정을 수행하는 것이 아니라, 다수의 배터리 셀이 연결되어 있는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 +/- 단자와 배터리 팩의 고전압 커넥터 연결부에 직접 접속하여 다수 배터리 셀 전체 합의 교류 임피던스 경향을 측정하는 것이다. 이에 관해서는 도 3 및 4에서 상세하게 후술한다.
추정부(130)는 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 배터리 모듈과 배터리 팩의 SOH(state of health)를 추정할 수 있다. 이 때, 추정부(130)는 사전에 측정된 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 대한 테이블 또는 그래프 등을 통해 배터리 모듈과 배터리 팩의 SOH를 추정할 수 있다. 예를 들어, 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 대한 데이터는 저장부(150)에 저장되어 있을 수 있다.
진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도, 배터리 모듈의 퇴화도 및 배터리 팩의 SOH에 기초하여 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다. 이 때, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도, 배터리 모듈의 퇴화도 및 배터리 팩의 SOH에 기초하여 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다. 또한, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도와 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
구체적으로, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도와 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우(즉, 균일한 경우), 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다. 반면, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도와 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우(즉, 불균일한 경우), 배터리 팩을 재사용 가능 불가능한 것으로 판단할 수 있다. 이 때에는 배터리 팩을 분해하여 모듈 단위로 재사용할 수 있다.
또한, 진단부(140)는 배터리 팩이 재사용이 불가능한 경우, 배터리 셀의 퇴화도 및 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 배터리 모듈의 상태를 진단할 수 있다. 이 때, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도 및 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도의 편차에 기초하여 배터리 모듈의 상태를 진단할 수 있다.
구체적으로, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단할 수 있다. 반면, 진단부(140)는 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 사용자는 가장 퇴화가 많이된 배터리 셀을 기준으로 사용하거나, 배터리 셀 내부의 물질을 추출하여 사용할지 등 다양한 활용 방안에 대하여 판단할 수 있다.
저장부(150)는 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 관한 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 저장부(150)는 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도, 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스와 SOH 등 각종 데이터를 저장할 수 있다.
그러나, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(100)가 반드시 저장부(150)를 포함해야 하는 것은 아니며, 외부 서버에 데이터베이스에 데이터를 저장하고 통신부(미도시)를 통해 송수신하는 방식으로 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에 따르면, 배터리의 퇴화도를 산출하고 교류 임피던스를 통해 배터리의 SOH를 추정하여 단시간에 배터리의 등급을 분류함으로써, 신속하고 용이하게 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
도 3은 단일 배터리 셀의 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 4는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리 모듈 또는 배터리 팩에 특정 주파수 범위(예를 들면, 0.1 내지 수 Hz)에서 교류 전류를 인가하고, 주파수 대역별로 전압 응답을 측정하여 임피던스의 크기와 위상을 측정할 수 있다. 또한, 배터리 셀/모듈/팩의 등가 회로의 각 파라미터들의 주파수에 따른 반응에 기초하여 배터리의 각 파라미터 값을 추출할 수 있다.
특히, 본 개시의 배터리 진단 장치에 의한 고전압 교류 임피던스 분석 방법의 경우에는 다수의 정상 배터리 셀과 적어도 하나의 이상 배터리 셀이 연결되어 있는 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 측정하는 것으로서, 기존의 EIS 측정 방법과는 등가 회로가 상이하여 추출되는 결과값의 종류와 개수가 달라진다.
이에 따라, 먼저 도 3을 살펴보면, 단일 배터리 셀의 EIS를 측정하는 기존 방식의 경우 전압 범위는 20V 내외이며, 주파수 범위는 0.1 내지 1050hz이다. 또한, 삼전극 측정 방식으로 양극과 음극을 분리하여 측정하며, 노이즈 제거를 통해 Ohmic 저항을 보정할 수 있다.
이러한 종래의 측정 방식은 배터리 셀의 정상 상태(steady state), 즉 화학적 평형 및 양극의 전위 평형 상태에서 측정을 수행하며, 배터리 셀을 기준치와 절대 비교를 통해 이상을 검출한다. 이처럼, 기존의 셀 단위 EIS 측정 방법은 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 셀 단위로 분해해야 하며, 삼전극 측정 및 화학적 평형 상태를 형성하는 것이 어렵기 때문에 실제 제품에 적용시 한계점이 있다.
반면, 도 4와 같이 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 단위의 등가 회로를 활용하는 본 개시의 고전압 교류 임피던스 측정 방법에서는 전압 범위가 1000V 내외이며, 주파수 범위는 0.1 내지 4000hz이다. 또한, 직렬로 연결된 다수의 배터리 셀에 대해 이전극 측정 방식을 이용하며 반복 및 재현 측정이 가능하다. 또한, 이러한 방식에 의하면, 컨택터나 와이어 등에 의한 기생 저항을 보정할 수 있으며, 다수 배터리 셀의 직렬 연결에 의해 기생 저항 영향을 최소화할 수 있다.
이러한 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에서 사용되는 고전압 교류 임피던스 측정 방법은 동일한 배터리 랙의 모든 배터리 모듈의 충방전이 동시에 끝난 후의 상태에서 측정을 수행하며 배터리 모듈 각각에 대한 상대 비교와 절대 비교 모두 가능하다. 특히, 이러한 방식에 따르면, 도 4에 나타낸 등가 회로에 따라 배터리 셀의 직렬 연결 개수(N)에 비례하여 배터리 시스템의 임피던스 값이 증가하여, 측정 데이터로부터 Nyquist plot을 획득하고 분석을 수행하는 경우 단일 배터리 셀에 비해 측정 조건에 따른 외부 영향(예를 들면, 센싱 라인 인덕턴스, 접촉 저항 등)을 감소시킬 수 있다.
이처럼, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에서 사용되는 고전압 교류 임피던스 측정 방법에 의하면, 배터리 셀 단위로 분해하지 않아도 측정 및 이상을 수행할 수 있고, 즉시 배터리 재사용이 가능하여 ESS의 배터리 모듈이나 랙 또는 자동차 배터리 팩에 즉시 적용할 수 있다. 또한, 배터리를 충방전할 필요가 없어 충방전으로 인한 전력을 절감할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치를 통해 측정한 교류 임피던스의 파형을 나타내는 도면이다.
도 5의 그래프에서 x축은 교류 임피던스의 저항 요소(real(Z))(mOhm)를 나타내고, y축은 교류 임피던스의 리액턴스 요소(Imaginary(Z))(mOhm)를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 배터리 진단 장치(100)의 측정부(120)를 통해 일정 주기로 측정한 배터리 모듈 각각의 고전압 교류 임피던스 값을 나타내고 있다. 이 때, 배터리 모듈의 교류 임피던스 파형의 형태가 배터리 모듈별로 상이한 것을 확인할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치에서는 특정 배터리 모듈의 측정 교류 임피던스가 다른 배터리 모듈과 비교하여 크게 차이나는 경우나, 또는 사전에 데이터베이스에 구축된 퇴화 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 등의 방식으로 배터리 모듈의 퇴화도를 추정할 수 있다.
이와 같은 방식으로 퇴화가 많이 진행된 배터리 모듈에 대해서는 별도의 충방전 시험을 통해 잔존 수명을 확인하고 추후 배터리 모듈의 이상 검출시 기준 데이터로서 활용할 수 있다. 예를 들면, 저장부(150)에 교체된 배터리 모듈의 잔존 수명과 측정된 교류 임피던스 값을 매칭하여 테이블 형태로 저장함으로써, 추후에 배터리 모듈의 이상 진단시 기준 데이터로 사용할 수 있다. 한편, 퇴화된 배터리 모듈을 교체하는 경우에는 재사용 배터리를 활용하여 배터리를 저렴한 가격으로 교체하고 ESS의 배터리 시스템 전체의 퇴화도를 맞추어 안정적으로 시스템을 운영할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 진단 방법은 먼저 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도 편차를 산출한다(S102). 구체적으로, 단계 S102에서는 배터리 팩을 탈거하기 전 일정 사이클 동안의 충방전 전압에 기초하여 퇴화도를 산출할 수 있다. 예를 들면, 배터리 셀의 충방전 전압은 배터리 셀의 SOC가 5 미만이거나, 95 이상인 구간에서의 전압으로 획득될 수 있다.
그리고, 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정한다(S104). 예를 들어, 단계 S104에서는 일정 주기로 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정할 수 있다. 또한, 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 배터리 팩의 SOH를 산출한다(S106). 이 때, 단계 S106에서는 사전에 측정된 배터리 팩의 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 대한 테이블 또는 그래프 등을 통해 배터리 팩의 SOH를 추정할 수 있다. 예를 들면, 교류 임피던스와 SOH의 상관관계에 대한 데이터는 도 1의 저장부(150)에 저장되어 있을 수 있다.
다음으로, 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되는지 여부를 판단한다(S108). 만약, 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되는 경우(즉, 균일한 경우)(YES), 배터리 팩의 SOH가 기준치 이상인지 여부를 판단한다(S110). 또한, 배터리 팩의 SOH가 기준치 이상인 경우(YES), 해당 배터리 팩을 재사용 가능한 배터리 팩으로 진단한다(S112).
반면, 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되지 않는 경우나, 배터리 팩의 SOH가 기준치 미만인 경우에는 해당 배터리 팩을 재사용 불가능한 배터리 팩으로 진단한다(S114). 이 때에는 배터리 팩을 분해하여 모듈 단위로 재사용할 수 있다.
다음으로, 도 7에서는 단계 S114에서 재사용 불가능한 배터리 팩으로 진단된 경우를 전제로 진행한다. 도 7을 참조하면, 먼저배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정한다(S116). 또한, 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 배터리 모듈의 SOH를 산출한다(S118).
다음으로, 배터리 셀의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되는지 여부를 판단한다(S120). 만약, 배터리 셀의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되는 경우(즉, 균일한 경우)(YES), 배터리 모듈의 SOH가 기준치 이상인지 여부를 판단한다(S122). 또한, 배터리 모듈의 SOH가 기준치 이상인 경우(YES), 해당 배터리 모듈을 재사용 가능한 배터리 모듈로 진단한다(S124).
반면, 배터리 셀의 퇴화도 편차가 기준 범위에 포함되지 않는 경우나, 배터리 모듈의 SOH가 기준치 미만인 경우에는 해당 배터리 모듈을 재사용 불가능한 배터리 모듈로 진단한다(S126). 이 때에는 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 사용자는 가장 퇴화가 많이된 배터리 셀을 기준으로 사용하거나, 배터리 셀 내부의 물질을 추출하여 사용할지 등 다양한 활용 방안에 대하여 판단할 수 있다.
이와 같이, 본 개시의 배터리 진단 방법에 따르면, 배터리의 퇴화도를 산출하고 교류 임피던스를 통해 배터리의 SOH를 추정하여 단시간에 배터리의 등급을 분류함으로써, 신속하고 용이하게 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 이상 검출 장치를 동작하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템(30)은 MCU(32), 메모리(34), 입출력 I/F(36) 및 통신 I/F(38)를 포함할 수 있다.
MCU(32)는 메모리(34)에 저장되어 있는 각종 프로그램(예를 들면, 배터리 퇴화도 산출 프로그램, SOH 산출 프로그램, 배터리 진단 프로그램 등)을 실행시키고, 이러한 프로그램들을 통해 배터리 셀과 배터리 모듈의 퇴화도, 배터리 모듈과 배터리 팩의 교류 임피던스, SOH 등을 포함한 각종 데이터를 처리하며, 전술한 도 2에 나타낸 배터리 진단 장치의 기능들을 수행하도록 하는 프로세서일 수 있다.
메모리(34)는 배터리의 퇴화도 및 SOH 산출과 배터리 진단에 관한 각종 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(720)는 배터리의 퇴화도, 교류 임피던스, SOH 데이터 등 각종 데이터를 저장할 수 있다.
이러한 메모리(34)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수도 있을 것이다. 메모리(34)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(34)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(34)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(34)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
입출력 I/F(36)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 MCU(32) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
통신 I/F(340)는 서버와 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다. 예를 들면, 통신 I/F(38)를 통해 별도로 마련된 외부 서버로부터 배터리의 SOH 산출과 배터리 상태 진단을 위한 프로그램이나 각종 데이터 등을 송수신할 수 있다.
이와 같이, 본 개시의 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(34)에 기록되고, MCU(32)에 의해 처리됨으로써, 예를 들면 도 2에서 도시한 각 기능들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.
이상에서, 본 개시의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 개시가 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 개시에 개시된 실시 예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 산출부;
    상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 측정부;
    상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH(state of health)를 추정하는 추정부; 및
    상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 진단부를 포함하는 배터리 진단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단하는 배터리 진단 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 산출부는 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하고,
    상기 측정부는 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하고,
    상기 추정부는 상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하고,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단하는 배터리 진단 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치.
  9. 배터리 셀의 퇴화도를 산출하는 산출부;
    상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하는 측정부;
    상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하는 추정부; 및
    상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 진단부를 포함하는 배터리 진단 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 재사용 가능 여부를 판단하는 배터리 진단 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 모듈을 재사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도의 편차가 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 배터리 셀 중 퇴화도가 가장 높은 배터리 셀을 기준으로 사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 산출부는 상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하고,
    상기 측정부는 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하고,
    상기 추정부는 상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하고,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 재사용 가능 여부를 판단하는 배터리 진단 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 진단부는 상기 배터리 셀의 퇴화도와 상기 배터리 모듈의 퇴화도 중 적어도 하나의 편차가 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 배터리 팩을 재사용 가능한 것으로 판단하는 배터리 진단 장치.
  17. 배터리 셀과, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 단계;
    상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 교류 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 배터리 팩의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 추정하는 단계; 및
    상기 배터리 셀의 퇴화도, 상기 배터리 모듈의 퇴화도 및 상기 배터리 팩의 SOH에 기초하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 단계를 포함하는 배터리 진단 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 퇴화도를 산출하는 단계;
    상기 배터리 모듈의 교류 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 배터리 모듈의 교류 임피던스에 기초하여 상기 배터리 모듈의 SOH를 추정하는 단계; 및
    상기 배터리 셀의 퇴화도 및 상기 배터리 모듈의 SOH에 기초하여 상기 배터리 모듈의 상태를 진단하는 단계를 더 포함하는 배터리 진단 방법.
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