WO2022154354A1 - 배터리 시스템 진단 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 시스템 진단 장치 및 방법 Download PDF

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WO2022154354A1
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battery
battery cell
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cell
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채수현
이범진
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery diagnosis technology, and more particularly, to a battery diagnosis technology for diagnosing a bad battery cell in a battery system including a plurality of battery cells.
  • lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so charging and discharging are free, The self-discharge rate is very low and the energy density is high, attracting attention.
  • Such a lithium secondary battery mainly uses a lithium-based oxide and a carbon material as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are applied, respectively, are disposed with a separator interposed therebetween, and a casing for sealing and housing the electrode assembly together with an electrolyte, that is, a battery case.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can-type secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet according to the shape of the exterior material.
  • the pouch-type secondary battery tends to be more widely used due to advantages such as easy stacking and light weight.
  • the pouch-type secondary battery may be manufactured through a process in which an electrolyte is injected while the electrode assembly is accommodated in the pouch case, and the pouch case is sealed.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating the configuration of a typical pouch-type secondary battery
  • FIG. 2 is a combined view of the pouch-type secondary battery of FIG. 1 .
  • the pouch-type secondary battery 1 may include an electrode assembly 20 and a pouch casing 30 accommodating the electrode assembly 20 .
  • the electrode assembly 20 has a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator interposed therebetween as a basic structure, and may be accommodated in the inner space I formed in the pouch case 30 .
  • the pouch exterior material 30 may be formed of an upper pouch 31 and a lower pouch 32 , and a sealing portion S is provided on the outer peripheral surfaces of the upper pouch 31 and the lower pouch 32 to seal the seal. Since the parts S are adhered to each other, the inner space I in which the electrode assembly 20 is accommodated may be sealed.
  • one or more positive electrode tabs 11 and one or more negative electrode tabs 12 may extend from the positive electrode plate and the negative electrode plate, respectively.
  • the positive electrode tab 11 and the negative electrode tab 12 may be combined with a plate-shaped electrode lead, that is, a plate-shaped positive electrode lead 41 and a plate-shaped negative lead 42 , respectively.
  • a portion of the positive lead 41 and the negative lead 42 is exposed to the outside of the pouch case 30, so that an electrode terminal is provided so as to be electrically connected to an external configuration of the secondary battery, for example, another secondary battery or an external device.
  • a large number of secondary batteries may be electrically connected in series and/or parallel to increase output or capacity.
  • a very large number of secondary batteries may be included.
  • the power storage system may include a plurality of battery racks, each battery rack may be configured in a form in which a plurality of battery modules are accommodated in the rack frame.
  • each battery module may include several secondary batteries, and each secondary battery may be referred to as a battery cell.
  • a power storage system may include a very large number, such as thousands to tens of thousands of battery cells.
  • the tab failure is a type of failure in which one or more positive electrode tabs 11 or negative electrode tabs 12, that is, the electrode tab 10 existing inside the battery cell, are broken or a contact abnormality occurs. .
  • the performance of the corresponding battery cell may be deteriorated or a failure may occur, and thus the performance and reliability of the entire battery system may be deteriorated.
  • the corresponding battery cell may ignite and cause a fire in the entire battery system.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and includes an apparatus and method for diagnosing a battery system and a method for diagnosing a bad battery cell among a plurality of battery cells included in a battery system at an early stage and effectively, and a battery system diagnosis apparatus
  • An object of the present invention is to provide a battery system and the like.
  • an apparatus for diagnosing a battery system including a plurality of battery cells having electrode tabs therein.
  • a cell measuring unit configured to measure voltage or current; and calculating the SOH for each battery cell multiple times over time using the voltage or current measured by the cell measuring unit, and based on the SOH of each battery cell calculated multiple times, among the plurality of battery cells and a processor configured to detect a battery cell in which a failure has occurred in the electrode tab.
  • the processor may be configured to detect a disconnection defect and an incomplete contact defect as the defect of the electrode tab by comparing the SOH calculation value and the threshold value.
  • the processor may be configured to detect a disconnection defect with respect to the corresponding battery cell when the case in which the SOH calculation value is less than or equal to the threshold continues for more than a first reference number of times.
  • the processor may be configured to detect an incomplete contact failure with respect to the corresponding battery cell when the number of up-down direction switching with respect to the threshold value of the SOH calculation value continues for a second reference number or more.
  • the processor may be configured to determine whether the number of vertical direction switching is increased or decreased.
  • the threshold value may be set based on the SOH of at least some of the plurality of battery cells.
  • the processor may be configured to detect a defective battery cell by distinguishing a charging process and a discharging process for each battery cell.
  • the processor may be configured to set a prerequisite for calculating the SOH for each battery cell, but to set a precondition for a charging process and a prerequisite for a discharging process to be different from each other.
  • a battery system according to another aspect of the present invention for achieving the above object includes the battery system diagnosis apparatus according to the present invention.
  • a method for diagnosing a battery system for achieving the above object is a method for diagnosing a battery system including a plurality of battery cells having electrode tabs therein, each of the plurality of battery cells For , measuring a voltage or current; calculating the SOH for each battery cell a plurality of times over time using the voltage or current measured in the measuring step; and detecting, among the plurality of battery cells, a battery cell in which a defect has occurred in the electrode tab, based on the SOH of each battery cell calculated a plurality of times in the calculation step.
  • appropriate follow-up measures such as separation, repair, replacement, etc. may be performed for a defective battery cell, particularly, a battery cell in which an abnormality occurs in the electrode tab.
  • the defect rate of the battery cell can be lowered.
  • the present invention may have various other effects, and these effects may be described in more detail below. In addition, in relation to each configuration, detailed description of effects that can be easily understood by those skilled in the art to which the present invention pertains will be omitted.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of a typical pouch-type secondary battery.
  • FIG. 2 is a coupling view of the pouch-type secondary battery of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a block diagram schematically illustrating a functional configuration of an apparatus for diagnosing a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph illustrating an SOH calculated for any one battery cell by a processor according to an embodiment of the present invention and a threshold value compared thereto.
  • FIG. 5 is a graph illustrating an SOH calculated for another battery cell by a processor according to an embodiment of the present invention and a threshold value compared thereto.
  • FIG. 6 is a graph illustrating an SOH calculated for another battery cell by a processor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph illustrating SOH calculation values for various battery cells included in the battery system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart schematically illustrating a method for diagnosing a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram schematically illustrating a functional configuration of an apparatus for diagnosing a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of battery cells 1 may be included in the battery system.
  • the battery cell 1 may mean one secondary battery.
  • the secondary battery may be a pouch-type secondary battery in which the electrode assembly 20 is accommodated in the pouch case 30, as shown in FIGS. 1 and 2, and the electrode assembly is accommodated in a cylindrical or prismatic metal can. It may be a can-type secondary battery.
  • the battery cell 1 diagnosed by the apparatus for diagnosing a battery system of the present invention may be a target of various secondary batteries known at the time of filing of the present invention.
  • the battery cell 1 may include an electrode tab 10 therein.
  • the electrode assembly 20 of the battery cell 1 may include one or more positive plates and one or more negative plates.
  • a positive electrode tab 11 and a negative electrode tab 12 are provided on each positive electrode plate and negative electrode plate, respectively, the positive electrode tab 11 is connected to the positive electrode lead 41 , and the negative electrode tab 12 is a negative electrode lead 42 .
  • this is widely known at the time of filing of the present invention, a more detailed description of the internal configuration of the battery cell 1 will be omitted.
  • the battery system may include a plurality of such secondary batteries (battery cells 1 ). That is, the battery system is a system including a plurality of battery cells 1 , and may refer to a system configured to charge and discharge power. Such a battery system may include various types of systems such as a battery module, a battery pack, a battery rack, and an electric power storage system (ESS). In particular, in a battery system, a plurality of secondary batteries may be electrically connected to each other in series and/or in parallel.
  • ESS electric power storage system
  • the apparatus for diagnosing a battery system according to the present invention can be said to be an apparatus for diagnosing a battery system including a plurality of battery cells 1 having electrode tabs therein.
  • the apparatus for diagnosing a battery system may include a cell measuring unit 100 and a processor 200 .
  • the cell measuring unit 100 may be configured to measure a voltage or a current for each of the plurality of battery cells 1 included in the battery system.
  • the cell measuring unit 100 may include a voltage sensor and may be configured to measure the voltage across both ends of each battery cell 1 included in the battery system.
  • the cell measuring unit 100 may include a current sensor to measure the current flowing in each battery cell 1 .
  • the cell measuring unit 100 may measure only one of a voltage or a current of each battery cell 1 , or may be configured to measure both a voltage and a current of each battery cell 1 .
  • the cell measuring unit 100 for each battery cell 1, other than the voltage or current battery characteristics, such as temperature for the battery cell 1, charging time, discharging time, or the number of charge/discharge cycles, etc. can be configured to measure
  • the cell measuring unit 100 may be configured to measure characteristics of all battery cells 1 included in the battery system, for example, voltages of all battery cells 1 .
  • the present invention is not necessarily limited to this form, and the cell measuring unit 100 is configured to measure voltage or current only for some battery cells 1 among a plurality of battery cells 1 included in the battery system. can be
  • the cell measuring unit 100 of the present invention various battery measuring apparatuses known at the time of filing of the present invention may be employed as the cell measuring unit 100 of the present invention. Therefore, a more detailed description of the cell measurement unit 100 will be omitted.
  • the processor 200 may be electrically connected to the cell measurement unit 100 to receive measured data from the cell measurement unit 100 .
  • the processor 200 measures the voltage or current for each battery cell 1 as described above.
  • the information on the may be transmitted from the cell measurement unit 100 .
  • the processor 200 may calculate the SOH for each battery cell 1 by using the voltage or current measurement value of each battery cell 1 transmitted as described above.
  • the SOH of each battery cell 1 means a state of health, and may be calculated from the voltage or current of the battery cell 1 . Since this SOH calculation method is widely known in various forms at the time of filing of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
  • the processor 200 may employ an SOH calculation method known at the time of filing of the present invention in order to calculate the SOH.
  • the processor 200 may calculate the SOH multiple times for each battery cell 1 .
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH for each battery cell 1 a plurality of times over time.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH daily, weekly, or monthly for each battery cell 1 .
  • the processor may be configured to calculate the SOH for each battery cell 1 whenever the number of cycles increases by a predetermined number of times.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH whenever the number of cycles increases by 10 for each battery cell 1 .
  • the processor 200 since the processor 200 obtains an SOH operation result over time for each battery cell 1 , a plurality of SOH operation results may be obtained for each battery cell 1 .
  • the processor 200 may have 50 SOH calculation results for a predetermined period for each battery cell 1 .
  • the processor 200 may be configured to detect a defective battery cell 1 based on the SOH of each battery cell 1 calculated a plurality of times. That is, the processor 200 obtains a plurality of SOH operation results for each battery cell 1 , and uses the plurality of SOH operation results respectively obtained for a plurality of battery cells 1 included in the battery system. It may be configured to detect which battery cell 1 has a problem.
  • the processor 200 may be configured to detect the battery cell 1 in which a defect has occurred in the electrode tap by using the SOH operation result for each battery cell 1 .
  • the processor 200 may include any one of the plurality of battery cells 1 . It can be diagnosed whether a defect has occurred in the electrode tab.
  • a defective battery cell can be diagnosed early by using the SOH of each battery cell 1 .
  • the processor 200 is a central processing unit (CPU), an application-specific integrated circuit (ASIC), a chipset, a logic circuit, a register, a communication modem. , data processing device, and the like may be optionally included or expressed in these terms.
  • the control logic is implemented in software
  • the processor 200 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in an internal memory or an external memory unit 400 , and may be executed by the processor 200 .
  • the memory unit 400 may be inside or outside the processor 200 , and may be connected to the processor 200 by various well-known means.
  • the processor 200 may be implemented by components such as the MCU or the BMS. may be
  • terms such as 'to be' or 'configured to be' for the operation or function of the processor 200 may include the meaning of 'programmed to be'.
  • the battery system diagnosis apparatus may further include a notification unit 300 .
  • the notification unit 300 may be configured to deliver a detection result by the processor 200 to a user or the like.
  • the notification unit 300 may include a display monitor, a speaker, a warning lamp, and the like, and display the bad cell detection result to the user in various ways, such as visual and auditory methods.
  • the notification unit 300 provides information on which battery cell 1 among the plurality of battery cells 1 included in the battery system has a tap failure, for example, identification information or location information of the defective battery cell. It may be configured to deliver to a user.
  • the notification unit 300 may be connected to various wired or wireless communication networks known at the time of filing of the present invention, and may be connected to a user's mobile terminal or an external server. In this case, the notification unit 300 may transmit bad cell detection information to a portable terminal or a server through a communication network.
  • the battery system diagnosis apparatus may further include a memory unit 400 .
  • the memory unit 400 may store programs and data necessary for the cell measurement unit 100 or the processor 200 to perform its functions. That is, the memory unit 400 includes data or programs necessary for at least some components of the battery system diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention to perform operations and functions, or data generated in the course of performing operations and functions, etc. can be saved. For example, the memory unit 400 may store a plurality of SOH calculation values measured for each battery cell 1 for each time.
  • the memory unit 400 is not particularly limited in its type as long as it is a known information storage means capable of writing, erasing, updating, and reading data.
  • the information storage means may include a RAM, a flash memory, a ROM, an EEPROM, a register, and the like.
  • the memory unit 400 may store program codes in which processes executable by the cell measurement unit 100 and/or the processor 200 are defined.
  • the processor 200 may be configured to compare the SOH operation value with a threshold value.
  • the threshold value is a value to be compared with the SOH calculated value, and may be a value serving as a criterion for determining whether the SOH calculated value of the corresponding battery cell 1 is normal.
  • the threshold value may be an SOH value capable of discriminating whether an electrode tap defect has occurred in the corresponding battery cell 1 .
  • Such a threshold value may be expressed as a specific numerical value or may be expressed in a specific range.
  • the threshold value may be stored in advance in the processor 200 itself or in the memory unit 400 so that the processor 200 can use it.
  • the threshold value may be set in plurality according to the lapse of time. That is, the SOH for each battery cell 1 is calculated a plurality of times over time, and a corresponding threshold value may be set for each calculated SOH. For example, for each battery cell 1, if the monthly SOH is calculated as in January, February, March, ..., the threshold is also the January threshold, February threshold, and March threshold. Value, ... can be set every month. In this case, each of the threshold values may be set differently, but at least some threshold values may be set identically to each other.
  • the processor 200 may diagnose the failure of the electrode tap based on the comparison result of the SOH calculation value and the threshold value.
  • the processor 200 may be configured to distinguish and detect whether the defect of the electrode tab is a disconnection defect or an incomplete contact defect.
  • the disconnection failure may mean a state in which one or more electrode tabs 10 included in the battery cell 1 are completely cut off at a specific part.
  • a defect in a state in which at least one electrode tab 10 is completely cut may be a disconnection defect.
  • the incomplete contact failure may mean that one or more electrode tabs 10 included in the battery cell 1 are cut off at a specific part and then contacted repeatedly occurs. For example, when a cut portion is present in at least one electrode tab 10 and intermittent contact occurs in the cut portion, it may be referred to as an incomplete contact failure.
  • the internal electrode tap failure of the battery cell 1 is detected using the SOH calculation value, even the type of the electrode tap failure can be specifically classified and diagnosed. Accordingly, in this case, it is possible to take more appropriate measures according to the type of electrode tap defect.
  • the processor 200 may be configured to determine whether the case where the SOH operation value is less than or equal to a threshold value continues for more than a first reference number of times. In addition, the processor 200 may be configured to detect a disconnection defect with respect to the corresponding battery cell 1 when the case in which the SOH calculation value is less than or equal to the threshold value continues for more than the first reference number of times. This will be described in more detail with reference to FIG. 4 .
  • FIG 4 is a graph showing the SOH calculated for any one battery cell 1 by the processor 200 according to an embodiment of the present invention and a threshold value compared thereto.
  • a graph representing the SOH calculated for a specific battery cell 1 during a predetermined period, that is, between d1 and d2 is indicated by B1 .
  • the SOH values calculated during the period between d1 and d2 are indicated by points, and each point is connected by a line.
  • a threshold value for comparison with the SOH calculated value B1 is indicated by A1.
  • the threshold value A1 may be set to correspond to each SOH operation value during a period of d1 to d2 so as to be compared with a plurality of SOH operation values.
  • the threshold A1 may be configured to change, rather than remain constant, during the period from d1 to d2. That is, the threshold value corresponding to each operation cycle of the SOH may be configured differently.
  • the processor 200 may determine whether the calculated SOH(B1) is equal to or less than the threshold value A1. In addition, the processor 200, if there is a portion in which the SOH operation value B1 is less than or equal to the threshold value A1, it can be determined whether the number of times equal to or less than the threshold value A1 continues more than a certain number of times (the first reference number).
  • the first reference number may be appropriately set according to various factors such as the specification of the battery cell 1 or the operating condition of the battery system.
  • the first reference number may be preset and stored in the memory unit 400 or the processor 200 . For example, the first reference number may be set to 5 times. In this case, the processor 200 may determine whether the number of times the SOH calculation value B1 is equal to or less than the threshold value A1 continues 5 or more times.
  • the processor 200 may identify a portion in which the SOH operation value B1 is smaller than the threshold value A1. . In this case, the processor 200 may extract a portion e1 , a portion e2 , and a portion e3 as a continuous portion among portions in which the SOH operation value B1 is smaller than the threshold value A1 . In addition, the processor 200 may determine whether a portion in which the SOH calculation value B1 is smaller than the threshold value A1 among the extracted portions continues for more than a first reference number of times. For example, when the first reference number of times is set to 5, the processor 200 may determine a portion in which the portion in which the SOH calculation value B1 is smaller than the threshold value A1 continues 5 or more times.
  • the portion in which the SOH operation value B1 is less than the threshold value A1 lasts only once, and in the case of the portion e2, the portion in which the SOH operation value B1 is less than the threshold value A1 is 2 It is shown in a continuous form. Accordingly, the processor 200 may not determine that an electrode tap failure has occurred in the battery cell 1 in a state in which the e1 portion or the e2 portion is identified. However, in the case of the e3 portion, the portion in which the SOH operation value B1 is smaller than the threshold value A1 continues 5 or more times. Accordingly, the processor 200 may determine that an electrode tap failure has occurred in the battery cell 1 in a state where the portion e3 is identified.
  • the processor 200 may detect a disconnection defect with respect to the corresponding battery cell 1 from the first time point da when the e3 part starts. That is, when the state in which the SOH calculation value B1 is smaller than the threshold value A1 continues for a predetermined time or longer, the processor 200 may determine that the electrode tab is disconnected with respect to the battery cell 1 . . In addition, the processor 200 may determine that the capacity degradation of the corresponding battery cell 1 has occurred when the portion in which the SOH calculation value B1 is smaller than the threshold value A1 continues more than the first reference number of times. have. In addition, the processor 200 may deliver the capacity reduction determination result to the user through the notification unit 300 .
  • a disconnection defect or a decrease in capacity of the battery cell 1 is detected based on the number of times that the SOH calculated value B1 is equal to or less than the threshold A1, but the SOH calculated value ( The disconnection failure of the battery cell 1 may be detected based on a time when B1) is equal to or less than the threshold value A1.
  • the processor 200 when the SOH operation value B1 of a specific battery cell 1 is less than or equal to the threshold value A1 and continues for more than a certain day (eg, 4 days), the processor 200, the corresponding battery cell ( 1) can be configured to detect a disconnection defect.
  • the processor 200 even if it is determined that the number of times below the threshold value A1 of the SOH operation value B1 is equal to or greater than the first reference number, the calculated SOH(B1) within a predetermined time thereafter is the threshold value A1.
  • the determination of the disconnection failure detected with respect to the corresponding battery cell 1 may be canceled.
  • the processor 200 performs the e3 part It is possible to cancel the disconnection defect judgment made at the time of . In this case, it may be possible to more accurately determine the disconnection defect.
  • various additional information may be obtained according to the failure determination time. For example, if a cell is judged to be defective in the initial stage of being installed in the battery system, and the cell is in a bottom-of-life (BOL) state, that is, a cell immediately after manufacturing, this may cause a problem in the manufacturing process of the cell. It can be judged that there is Accordingly, in this case, related information is transmitted to the manufacturing process of the corresponding cell, thereby helping to solve the manufacturing problem of the corresponding cell.
  • BOL bottom-of-life
  • the corresponding cell is a cell in a medium of life (MOL) state, that is, a cell in a somewhat used state
  • MOL medium of life
  • information about the problem may be obtained through tracking of an existing use history or the like.
  • a problem such as an operating system or operating condition, or a problem at the time of manufacture may be comprehensively reviewed.
  • the processor 200 may be configured to determine whether the number of up-down direction switching with respect to the threshold value of the SOH operation value continues more than a second reference number. In addition, the processor 200 may be configured to detect an incomplete contact failure with respect to the corresponding battery cell 1 when the number of up-down direction switching continues more than the second reference number of times. This will be described in more detail with reference to FIG. 5 .
  • FIG 5 is a graph showing the SOH calculated for another battery cell 1 by the processor 200 according to an embodiment of the present invention and a threshold value compared thereto.
  • a graph indicating the SOH calculated for a battery cell 1 different from the battery cell 1 of FIG. 4 during a period from d1 to d2 is indicated by B2 .
  • the SOH value calculated at each time point is displayed as a point, and the points are connected with a line.
  • the threshold value of FIG. 5 is shown to be the same as the threshold value of FIG. 4 .
  • the processor 200 when comparing the calculated SOH (B2) with the threshold value (A1), the threshold value (A1) or more, it can identify a portion that is switched to less than the threshold value (A1) . That is, the processor 200, the number of times when the SOH operation value B2 is lower than the threshold value A1 and then increases, or when the SOH operation value B2 is higher and lower than the threshold value A1, or time can be counted.
  • the processor 200 may identify a transition point for the threshold value A1 of the SOH operation value B2 .
  • the processor 200 may determine whether the number of successive times of each switching point is equal to or greater than the second reference number.
  • the second reference number may be appropriately set according to various circumstances, such as the specification of the battery cell 1 or the operating condition of the battery system.
  • the second reference number may be preset and stored in the memory unit 400 or the processor 200 .
  • the second reference number may be set to three times. In this case, when the number of switching of the threshold value A1 of the SOH operation value B2 is continued for three or more times, the processor 200 has a tap defect in the form of incomplete contact with respect to the battery cell 1 . It can be judged that
  • the processor 200 determines that the SOH calculation value B2 moves up and down based on the threshold value A1.
  • the transition time point it can be grasped as f1, f2, f3, ..., f11.
  • the vertical direction switching time may be a point at which the graph of the SOH operation value B2 and the graph of the threshold value A1 intersect each other.
  • the processor 200 may determine whether each switching time point lasts a second reference number of times, for example, three or more times.
  • the continuous transition time can be seen to mean that the transition from the threshold value continues to occur between three or more consecutive SOH calculation time points.
  • the SOH threshold value is continuously switched from the time point f6 to the time point f11. That is, from the time point f6, the number of times of switching to the threshold value of the SOH calculation value is maintained up to 6 times, and it can be said that the second reference number (3 times) or more is continued. Accordingly, in this case, the processor 200 may determine that an incomplete contact failure has occurred in the electrode tab with respect to the corresponding battery cell 1 . This incomplete contact failure can be seen as a situation in which one electrode tab sticks to another electrode tab or an electrode lead in the battery cell 1 and then comes off repeatedly.
  • the processor 200 when the SOH calculation value B2 continuously vibrates in the up and down directions based on the threshold value A1, the processor 200 indicates that an incomplete contact failure has occurred in the electrode tab of the corresponding battery cell 1 . can judge Also, the processor 200 may determine that the capacity of the corresponding battery cell 1 is unstable when the SOH operation value B2 continuously vibrates in the up and down directions based on the threshold value A1 . In addition, the processor 200 may transmit such information to the user through the notification unit 300 .
  • FIG. 6 is a graph showing the SOH calculated for another battery cell 1 by the processor 200 according to an embodiment of the present invention.
  • a graph representing the SOH calculated for any one battery cell 1 during a period from d3 to d4 is indicated by B3 .
  • the SOH value calculated at each time point is indicated by a point, and the points are connected by a line.
  • the threshold value is not shown in FIG. 6 .
  • the processor 200 may calculate the amount of change in SOH between each number of calculations with respect to the SOH operation result graph.
  • the SOH variation may mean a difference between successive SOH calculation values.
  • the processor 200 may be configured to compare the calculated SOH change amount with a reference change amount as indicated by Mt in FIG. 6 .
  • the processor 200 is configured to detect the battery cell 1 as an incomplete contact failure when the number of times the SOH change amount is greater than the reference change amount Mt continues a predetermined number of times, for example, the third reference number or more. can be
  • portions in which the SOH change amount is greater than the reference change amount Mt are indicated by g1 to g7 .
  • the number of consecutive times is 2 times.
  • the number of consecutive times is 5 times. If the third reference number of times is 3, the processor 200, at time points g3 to g7, when the number of times the SOH change amount is greater than the reference change amount Mt is three or more consecutively, the battery cell 1 It may be determined that an incomplete contact defect has occurred in the electrode tab.
  • the processor 200 may be configured to consider the immediately preceding pattern as the number of times the SOH change amount is greater than the reference change amount Mt. More specifically, even if the SOH change amount is greater than the reference change amount Mt, if the SOH change amount increases or decreases in the same pattern as the previous pattern, the SOH change amount will not be counted as the number of times greater than the reference change amount Mt. can That is, the processor 200 may count the number of times the SOH change amount is greater than the reference change amount Mt only when it increases or decreases in a pattern different from the previous pattern.
  • the processor 200 may be configured to determine whether the SOH change amount is greater than the reference change amount Mt. In this case, the processor 200 counts the number of times when the SOH calculation value vibrates in the vertical direction and the amplitude is greater than or equal to a certain level (reference change amount), and based on the counting result, the corresponding battery cell (1) of incomplete contact can be detected.
  • the processor 200 may be configured to determine whether the number of up-down direction switching is increased or decreased with respect to the threshold value of the SOH calculation value. That is, the processor 200 may count the number of times the SOH operation value is switched from upper to lower and the number of times the SOH operation value is converted from lower to upper based on the threshold value. In addition, the processor 200 may record the counting result for each time, and determine whether the number of conversions gradually increases or decreases as time elapses.
  • the processor 200 may determine that there is a high risk of a problem occurring in the electrode tap when the number of switching is gradually increased over time. Furthermore, when the number of switching increases as time elapses, the processor 200 changes the electrode tab of the corresponding battery cell 1 from a normal state to an incomplete contact poor state, or a disconnection defective state from an incomplete contact poor state. can be judged to be in progress.
  • the threshold value may be set based on the SOH of at least some of the plurality of battery cells 1 . Moreover, the processor 200 sets a threshold value based on the SOH value calculated for at least some battery cells 1 among all the battery cells 1 included in the battery system, in particular, all the battery cells 1 . can This will be described in more detail with reference to FIG. 7 .
  • FIG. 7 is a graph showing SOH calculation values for several battery cells 1 included in the battery system according to an embodiment of the present invention.
  • the SOH was calculated for each of the plurality of battery cells 1 , and was calculated a plurality of times over time.
  • the calculated SOH value for each battery cell 1 is displayed for each time.
  • the x-axis represents the date as time
  • the y-axis represents the SOH calculated value in the form of standard deviation.
  • the deviation from the center is shown as sigma in a state where the average value of all SOH calculation values is at the center.
  • S1 and S2 represent limits corresponding to 3 sigma.
  • the processor 200 may set a value corresponding to 3 sigma as a standard deviation of the average value as a threshold value for each time (number of operations). Then, the processor 200 may detect the electrode tap failure of each battery cell 1 by comparing the value corresponding to the three sigma, that is, the threshold value and the SOH calculated value of each battery cell 1 .
  • the processor 200 is a value corresponding to two three sigma located on both sides of the average value, that is, among the threshold value S1 corresponding to +3 sigma and the threshold value S2 corresponding to -3 sigma, The lower limit value S2 may be set as a threshold value.
  • the present invention it is possible to effectively diagnose a problem in a specific battery cell 1, particularly whether there is a defect in the electrode tab, in consideration of the overall situation of the battery system.
  • the SOH of the battery cell 1 included in the battery system may vary depending on various factors such as the operating state of the battery system or the surrounding environment.
  • the threshold is appropriately set based on these factors, an electrode tap failure problem of a specific battery cell 1 can be more accurately diagnosed.
  • a value corresponding to 3 sigma is exemplified as a threshold value, but this is only an example, and a threshold value may be set as another value such as 6 sigma. That is, the processor 200 may be configured to compare a value corresponding to 6 sigma with respect to the average value of all battery cells 1 with the SOH of each battery cell 1 as a threshold value. Alternatively, the processor 200 is based on a change in the cell-to-cell rank of the SOH value of each battery cell 1 or a difference between the SOH value of each battery cell 1 and the average SOH value of the entire battery system. Thus, it is possible to diagnose whether there is an abnormality in the SOH of each battery cell 1 . In addition, the processor 200 may evaluate the SOH calculation value of each battery cell 1 in various other forms, and through this, determine whether or not an electrode tap of the corresponding battery cell 1 is defective.
  • the processor 200 may be configured to have the same or only a temporal error within a certain level at the time of calculating the SOH for each of the plurality of battery cells 1 , the reference time point for the SOH operation between the respective battery cells 1 . have.
  • the cell measurement unit 100 since the SOH operation is based on a result measured by the cell measurement unit 100 , the cell measurement unit 100 has the same or similar voltage measurement time or current measurement time for each of the plurality of battery cells 1 . It can be configured to be done in a time zone. For example, when a plurality of battery cells 1 are included in the battery system, the cell measuring unit 100 performs the measurement of all battery cells ( 1) can be configured to measure the voltage or current.
  • the reliability of the threshold setting is secured by making the reference time of the SOH calculation between the battery cells 1 the same or within a certain level, while diagnosis by comparison between the threshold value and the calculated value accuracy can be improved.
  • the processor 200 may be configured to separately perform a charging process and a discharging process for each battery cell 1 in detecting a defective battery cell.
  • the processor 200 may be configured to identify the SOH pattern calculated based on the voltage measured during the charging process and the SOH pattern calculated based on the voltage measured during the discharging process.
  • the charging threshold value and the discharging threshold value may also be set separately for the threshold value.
  • the threshold value of the three sigma type as shown in FIG. 7 may be separately set to correspond to the charging state and the discharging state, respectively.
  • the processor 200 is configured in such a way that, for each battery cell 1 , the SOH calculation value in the discharging process is compared with a discharge threshold value, and the SOH calculation value in the charging process is compared with the charging threshold value.
  • the state of the battery cell 1 can be diagnosed more accurately.
  • the pattern of the SOH of the battery cell 1 may be formed differently depending on whether the battery cell 1 is in a charged state or a discharged state. Therefore, accuracy for diagnosing an electrode tap failure of the battery cell 1 may be further improved.
  • the processor 200 may set a prerequisite for calculating the SOH for the battery cell 1 . That is, the processor 200 may be configured to calculate the SOH only when a predetermined precondition is satisfied. In addition, the processor 200 may be configured not to calculate the SOH if this precondition is not satisfied.
  • the processor 200 may calculate the SOH by using the SOC.
  • the method of obtaining the SOC is well known at the time of filing of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH through Equation 1 below.
  • I denotes a current flowing through the battery cell 1
  • f denotes a charging/discharging end time
  • i denotes a charging/discharging start time
  • SOCf means an SOC value at the end of charging/discharging
  • SOCi means an SOC value at the start of charging/discharging.
  • the processor 200 may use the amount of SOC change in the charging/discharging process as a prerequisite for calculating the SOH.
  • the processor 200 is configured to calculate the SOH of the corresponding battery cell 1 only when the difference between the SOC value at the start of charging/discharging and the SOC value at the end of charging/discharging of each battery cell 1 is equal to or greater than a certain level.
  • Equation 1 with respect to the absolute value of the difference between the SOC value at the start of charging/discharging and the SOC value at the end of charging/discharging, only when
  • the SOH is configured to be calculated only when the charging or discharging process is 50% or more.
  • the processor 200 may use a time difference between a start time and an end time in the charging/discharging process as a prerequisite for calculating the SOH.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH of the corresponding battery cell 1 only when the time difference between the charging/discharging end time and the charging/discharging start time of each battery cell 1 is equal to or greater than a predetermined level.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH only when (f-i) ⁇ 3600s.
  • the SOH can only be calculated if the charging or discharging process lasted longer than 3600 seconds.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH when both of the two preconditions described above, that is, a precondition for a difference between SOCs and a precondition for a time difference are satisfied.
  • the processor 200 may be configured to set the precondition for the charging process and the precondition for the discharging process differently from each other.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH when the SOC is less than or equal to a certain level at the start of charging. That is, the processor 200 may be configured not to calculate the SOH when the SOC at the start of charging exceeds a certain level.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH when SOCi ⁇ 7 of the battery cell 1 in Equation 1 during the charging process.
  • the processor 200 may not calculate the SOH.
  • the upper limit of the SOCi of 7% may be variously set according to the specification of the battery cell 1 or the operating method of the battery system.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH when the SOC is greater than or equal to a certain level at the start of the discharging as a prerequisite during the discharging process. That is, the processor 200 may be configured not to calculate the SOH only when the SOC at the start of the discharge is less than a certain level.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH when SOCi ⁇ 50 in Equation 1 during the discharging process.
  • the processor 200 may not calculate the SOH when the SOCi, which is the SOC at the discharge start time, is less than 50%.
  • 50% which is the lower limit of the SOCi, may be variously set according to the specifications of the battery cell 1 or the operating method of the battery system.
  • the SOH is calculated by dividing the charging process and the discharging process, and in particular, a prerequisite for calculating the SOH may be set differently in the charging process and the discharging process. In this case, depending on whether the battery cell 1 is a charging process or a discharging process, the SOH may be calculated under the most suitable conditions. Therefore, the accuracy and reliability of the SOH operation can be further improved.
  • such an upper limit condition for the charging start SOC or a lower limit value for the discharge start SOC may be set as a prerequisite for the SOH operation together with other common conditions described above.
  • ) is equal to or greater than a certain level, along with the condition of the upper limit of the charging start SOC (SOCi), and that the charging time (f-i) is greater than or equal to a certain level Only when all conditions are satisfied, the processor 200 may be configured to calculate the SOH during the charging process.
  • the processor 200 may be configured to calculate the SOH in the discharge process.
  • the battery system according to the present invention may include the battery system diagnosis apparatus according to the present invention.
  • the battery system may include various types of systems, such as a battery module, a battery pack, a battery rack, a battery bank, and a power storage system (ESS). That is, the battery system according to the present invention may be implemented in the form of a battery module having a plurality of battery cells 1 inside the module case, or may be implemented in the form of a battery pack having a plurality of such battery modules.
  • the battery system according to the present invention may be implemented in the form of a battery pack having a rack frame configured to stack a plurality of battery modules or battery packs and a plurality of battery modules or battery packs accommodated in the rack frame.
  • the battery system according to the present invention may be implemented in the form of a battery bank including a plurality of such battery racks.
  • the battery system according to the present invention may be implemented in the form of a power storage system including a plurality of battery banks.
  • FIG. 8 is a flowchart schematically illustrating a method for diagnosing a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • the subject performing each step in FIG. 8 may be referred to as each component of the apparatus for diagnosing a battery system according to the present invention described above.
  • the method for diagnosing a battery system is a method for diagnosing a battery system including a plurality of battery cells 1 having electrode tabs therein, and includes a measuring step ( S110 ) and an operation step ( S120 ). ) and a detection step (S130).
  • the step S110 may be referred to as a step of measuring a voltage or a current for each of the plurality of battery cells 1 included in the battery system.
  • the step S120 may be a step of calculating the SOH for each battery cell 1 multiple times over time using the voltage or current measured in the step S110 .
  • the step S130 may be a step of detecting a battery cell in which a defect has occurred in the electrode tab among the plurality of battery cells 1 based on the SOH of each battery cell 1 calculated a plurality of times in the step S120 . .

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Abstract

본 발명은 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀 중 불량 배터리 셀을 조기에 효과적으로 진단할 수 있는 배터리 시스템 진단 기술을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 장치로서, 다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하도록 구성된 셀 측정부; 및 상기 셀 측정부에 의해 측정된 전압 또는 전류를 이용하여 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하고, 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하도록 구성된 프로세서를 포함한다.

Description

배터리 시스템 진단 장치 및 방법
본 출원은 2021년 1월 13일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0004822호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 진단 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 배터리 셀이 포함된 배터리 시스템에서, 불량 배터리 셀을 진단하는 배터리 진단 기술에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 더욱 널리 이용되는 추세에 있다.
파우치형 이차 전지는 일반적으로 전극 조립체가 파우치 외장재에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 파우치 외장재가 실링되는 과정을 통해 제조될 수 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지(1)는, 전극 조립체(20)와 상기 전극 조립체(20)를 수용하는 파우치 외장재(30)로 이루어질 수 있다.
여기서, 전극 조립체(20)는, 양극판과 음극판, 그리고 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 기본 구조로 가지며, 파우치 외장재(30)에 형성된 내부 공간(I)에 수용될 수 있다. 이때, 파우치 외장재(30)는 상부 파우치(31)와 하부 파우치(32)로 형성될 수 있으며, 이러한 상부 파우치(31)와 하부 파우치(32)의 외주면에는 실링부(S)가 구비되어 이러한 실링부(S)가 서로 접착됨으로써 전극 조립체(20)가 수용된 내부 공간(I)은 밀폐될 수 있다.
여기서, 양극판과 음극판으로부터는, 각각 하나 이상의 양극 탭(11)과 음극 탭(12)이 연장될 수 있다. 그리고, 이러한 양극 탭(11)과 음극 탭(12)은 각각 플레이트 형태의 전극 리드, 즉 플레이트 형태의 양극 리드(41) 및 플레이트 형태의 음극 리드(42)와 결합될 수 있다. 그리고, 양극 리드(41)와 음극 리드(42)의 일부는 파우치 외장재(30)의 외부로 노출됨으로써, 이차 전지의 외부 구성, 이를테면 다른 이차 전지나 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있도록 전극 단자가 제공될 수 있다.
이차 전지의 적용 영역이 확대되면서, 최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)과 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치의 경우, 출력이나 용량을 증대시키기 위해, 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 형태로 연결될 수 있다. 특히, 전력 저장 시스템의 경우, 매우 많은 수의 이차 전지가 포함될 수 있다. 예를 들어, 전력 저장 시스템에는 다수의 배터리 랙이 포함될 수 있으며, 각 배터리 랙은 랙 프레임에 다수의 배터리 모듈이 수납된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 각 배터리 모듈에는 여러 이차 전지가 포함될 수 있으며, 각 이차 전지는 배터리 셀로 지칭될 수 있다. 따라서, 전력 저장 시스템에는 매우 많은 수, 이를테면 수천 내지 수만 개의 배터리 셀이 포함될 수 있다.
이러한 배터리 시스템의 경우, 각 배터리 셀의 상태를 진단하는 것은 매우 중요하다. 그러나, 내부에 포함된 배터리 셀의 수가 많을수록, 특정 배터리 셀에 대한 상태를 진단하고, 불량이 있는 배터리 셀을 검출하는 것은 쉽지 않다. 더욱이, 배터리 셀에 대한 고장 발생 유형은 매우 다양하게 존재할 수 있다. 예를 들어, 외장재 파손, 세퍼레이터 손상, 금속 이물 형성, 전해액 누액, 탭 불량 등 여러 문제가 배터리 셀에 발생할 수 있다. 그 중, 탭 불량은, 배터리 셀 내부에 존재하는 하나 이상의 양극 탭(11)이나 음극 탭(12), 즉 전극 탭(10)이 끊어지거나 접촉 이상 등이 발생하는 경우의 불량 유형이라 할 수 있다. 이러한 탭 불량이 발생하면, 해당 배터리 셀의 성능이 저하되거나 고장이 발생함은 물론이고, 이로 인해 배터리 시스템 전체의 성능 및 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 뿐만 아니라, 특정 배터리 셀에서 탭 불량과 같은 문제가 발생하는 경우, 해당 배터리 셀이 발화되어, 배터리 시스템 전체에 화재를 발생시킬 수도 있다.
따라서, 배터리 시스템에 포함된 많은 수의 배터리 셀 중에서 문제가 발생한 배터리 셀이 무엇인지, 그리고 어떠한 형태의 불량이 발생하였는지를 파악하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. 특히, 불량 셀이 발생한 경우, 그러한 불량 셀을 조기에 진단하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 아직까지 이러한 불량 배터리 셀 진단, 더 나아가 구체적인 불량 유형까지 조기에 진단하는 효과적인 방안이 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀 중 불량 배터리 셀을 조기에 효과적으로 진단할 수 있는 배터리 시스템 진단 장치와 방법, 그리고 배터리 시스템 진단 장치를 포함하는 배터리 시스템 등을 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 장치로서, 다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하도록 구성된 셀 측정부; 및 상기 셀 측정부에 의해 측정된 전압 또는 전류를 이용하여 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하고, 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
여기서, 상기 프로세서는, SOH 연산값과 임계값을 비교하여, 상기 전극 탭의 불량으로서, 단선 불량과 불완전 접촉 불량을 구분하여 검출 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, SOH 연산값이 임계값 이하인 경우가 제1 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, SOH 연산값의 임계값에 대한 상하 방향 전환 횟수가 제2 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 상하 방향 전환 횟수의 증감 여부를 파악하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 임계값은, 상기 다수의 배터리 셀 중 적어도 일부 배터리 셀의 SOH에 기초하여 설정될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 각 배터리 셀에 대한 충전 과정과 방전 과정을 구분하여, 불량 배터리 셀을 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 각 배터리 셀에 대하여 SOH를 연산하기 위한 전제 조건을 설정하되, 충전 과정용 전제 조건과 방전 과정용 전제 조건을 서로 다르게 설정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 시스템 진단 방법은, 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 방법으로서, 다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하는 단계; 상기 측정 단계에서 측정된 전압 또는 전류를 이용하여, 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하는 단계; 및 상기 연산 단계에서 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 다수의 배터리 셀이 포함된 배터리 시스템에서, 불량 배터리 셀을 효과적으로 진단할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 내부 구성 중 전극 탭에 문제가 발생한 배터리 셀을 신속하게 검출할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극 탭에 어떠한 문제가 발생하였는지 그 유형까지 구체적으로 분류할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 불량 배터리 셀, 특히 전극 탭에 이상이 발생한 배터리 셀에 대하여, 분리나 수리, 교체 등의 적절한 후속 조치가 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 배터리 셀의 불량 유형에 대한 구체적인 정보를 획득할 수 있으므로, 획득된 정보에 기반하여 배터리 셀 제조 공정이 적절하게 수정되도록 할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 배터리 셀의 불량률을 보다 낮출 수 있다.
이 밖에도, 본 발명은, 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 효과들에 대해서는 이하에서 보다 상세하게 설명될 수 있다. 또한, 각 구성과 관련하여, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 효과에 대해서는, 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 일반적인 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는, 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 어느 하나의 배터리 셀에 대하여 연산된 SOH와 그와 비교되는 임계값을 함께 나타낸 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 다른 하나의 배터리 셀에 대하여 연산된 SOH와 그와 비교되는 임계값을 함께 나타낸 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 또 다른 하나의 배터리 셀에 대하여 연산된 SOH를 나타낸 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템에 포함된 여러 배터리 셀에 대한 SOH 연산값을 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템에는, 다수의 배터리 셀(1)이 포함될 수 있다. 여기서, 배터리 셀(1)은, 하나의 이차 전지를 의미할 수 있다. 이러한 이차 전지는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전극 조립체(20)가 파우치 외장재(30)에 수납된 형태의 파우치형 이차 전지일 수도 있고, 전극 조립체가 원통형이나 각형 금속 캔에 수납된 형태의 캔형 이차 전지일 수도 있다. 본 발명의 배터리 시스템 진단 장치가 진단하는 배터리 셀(1)은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 이차 전지가 그 대상이 될 수 있다.
특히, 배터리 셀(1)은, 내부에 전극 탭(10)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바를 참조하면, 배터리 셀(1)의 전극 조립체(20)에는 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 포함될 수 있다. 그리고, 각각의 양극판과 음극판에는 양극 탭(11)과 음극 탭(12)이 각각 구비되어 있으며, 양극 탭(11)은 양극 리드(41)에 연결되고, 음극 탭(12)은 음극 리드(42)에 연결될 수 있다. 이는 본 발명의 출원 시점에 널리 알려진 내용이므로, 이러한 배터리 셀(1)의 내부 구성에 대해서는 보다 상세한 설명을 생략한다.
배터리 시스템에는 이러한 이차 전지(배터리 셀(1))가 다수 포함될 수 있다. 즉, 배터리 시스템은, 다수의 배터리 셀(1)을 포함하는 시스템으로서, 전력을 충전 및 방전하도록 구성된 시스템을 의미할 수 있다. 이러한 배터리 시스템에는, 배터리 모듈, 배터리 팩, 배터리 랙, 전력 저장 시스템(ESS) 등 다양한 형태의 시스템이 포함될 수 있다. 특히, 배터리 시스템에서 다수의 이차 전지는, 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 이와 같이 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀(1)을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 장치라 할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 셀 측정부(100) 및 프로세서(200)를 포함할 수 있다.
상기 셀 측정부(100)는, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 셀 측정부(100)는, 전압 센서를 구비하여, 배터리 시스템에 포함된 각 배터리 셀(1)의 양단 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 셀 측정부(100)는, 전류 센서를 구비하여, 각 배터리 셀(1)에 흐르는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 셀 측정부(100)는, 각 배터리 셀(1)의 전압이나 전류 중 하나만 측정할 수도 있고, 각 배터리 셀(1)의 전압과 전류를 모두 측정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 셀 측정부(100)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 전압이나 전류 이외에 다른 배터리 특성, 이를테면 배터리 셀(1)에 대한 온도, 충전 시간, 방전 시간, 또는 충방전 사이클 횟수 등을 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 셀 측정부(100)는, 배터리 시스템에 포함된 모든 배터리 셀(1)에 대한 특성, 이를테면 모든 배터리 셀(1)의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니며, 셀 측정부(100)는, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1) 중 일부 배터리 셀(1)에 대해서만 전압 또는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 전지 측정 장치를 본 발명의 셀 측정부(100)로 채용할 수 있다. 따라서, 이러한 셀 측정부(100)에 대한 보다 상세한 설명을 생략한다.
상기 프로세서(200)는, 상기 셀 측정부(100)와 전기적으로 연결되어, 상기 셀 측정부(100)로부터 측정된 데이터를 전송받을 수 있다. 특히, 셀 측정부(100)는 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대한 전압 또는 전류를 측정할 수 있기 때문에, 상기 프로세서(200)는 이와 같이 각 배터리 셀(1)에 대하여 측정된 전압 또는 전류에 대한 정보를 셀 측정부(100)로부터 전송받을 수 있다.
그리고, 상기 프로세서(200)는, 이와 같이 전송된 각 배터리 셀(1)의 전압 측정값 또는 전류 측정값을 이용하여, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH를 연산할 수 있다. 여기서, 각 배터리 셀(1)의 SOH는, 건강 상태(State Of Health)를 의미하는 것으로서, 배터리 셀(1)의 전압이나 전류로부터 연산될 수 있다. 이러한 SOH 계산 방식은, 본 발명의 출원 시점에 다양한 형태로 널리 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치에서, 상기 프로세서(200)는, SOH를 계산하기 위해, 본 발명의 출원 시점에 공지된 SOH 연산 방식을 채용할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여 SOH를 복수 회 연산할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여 매일, 매주, 또는 매달 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 프로세는, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 사이클 수가 소정 횟수만큼 증가할 때마다 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 일례로 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 사이클 수가 10회 증가할 때마다 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)마다 시간 경과에 따른 SOH 연산 결과를 획득하므로, 각 배터리 셀(1)마다 복수의 SOH 연산 결과를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 각각의 배터리 셀(1)마다, 소정 기간 동안 50회의 SOH 연산 결과를 가질 수 있다.
그리고, 상기 프로세서(200)는, 복수 회 연산된 각 배터리 셀(1)의 SOH에 기초하여 불량이 발생한 배터리 셀(1)을 검출하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 각각의 배터리 셀(1)마다 복수의 SOH 연산 결과를 획득하고, 각각 획득된 복수의 SOH 연산 결과를 이용하여, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1) 중 어느 배터리 셀(1)에 문제가 있는지 검출하도록 구성될 수 있다.
특히, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH 연산 결과를 이용하여, 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀(1)을 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템에 다수의 배터리 셀(1)이 포함된 경우, 상기 프로세서(200)는, 다수의 배터리 셀(1) 중 어느 배터리 셀(1)이 전극 탭에 불량이 발생하였는지 진단할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 각 배터리 셀(1)의 SOH를 이용하여 불량 배터리 셀을 조기에 진단할 수 있다. 특히, 상기 구성에 의하면, 전극 탭(10)에 불량이 발생한 배터리 셀(1)을 조기에 정확하게 검출할 수 있다. 따라서, 전극 탭(10)의 불량으로 인한 문제, 이를테면 배터리 시스템의 전반적인 성능 저하나 고장, 화재 발생 등의 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 것으로서, 중앙 처리 장치(CPU), ASIC(application-specific integrated circuit), 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함하거나 이들 용어로 표현될 수 있다. 또한, 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 프로세서(200)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 내장 메모리 또는 외부의 메모리부(400) 등에 저장되고, 프로세서(200)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리부(400)는, 프로세서(200)의 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서(200)와 연결될 수 있다.
특히, 배터리 시스템에 MCU(Micro Controller Unit) 내지 BMS(Battery Management System)와 같은 용어로 지칭되는 제어 장치가 포함되는 경우, 상기 프로세서(200)는, 이러한 MCU나 BMS 등의 구성요소에 의해 구현될 수도 있다.
한편, 본 명세서에서, 상기 프로세서(200) 등의 동작이나 기능에 대한 '~한다' 또는 '~되도록 구성된다'는 등의 용어들은, '~되도록 프로그래밍된다'는 의미를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 알림부(300)를 더 포함할 수 있다.
상기 알림부(300)는, 프로세서(200)에 의한 검출 결과를, 사용자 등에게 전달하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 알림부(300)는, 디스플레이 모니터, 스피커, 경고 램프 등의 구성을 포함하여, 사용자에게 불량 셀 검출 결과를 시각, 청각 등의 다양한 방식으로 표시할 수 있다. 특히, 상기 알림부(300)는, 배터리 시스템에 포함된 복수의 배터리 셀(1) 중 어느 배터리 셀(1)에 탭 불량이 발생하였는지에 대한 정보, 이를테면 불량 배터리 셀의 식별 정보나 위치 정보 등을 사용자에게 전달하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 알림부(300)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 유선 또는 무선 통신망에 접속되어, 사용자의 휴대 단말이나 외부의 서버 등에 접속될 수 있다. 이 경우, 상기 알림부(300)는, 통신망을 통해, 불량 셀 검출 정보를 휴대 단말이나 서버 등으로 전송할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 메모리부(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 메모리부(400)는 셀 측정부(100)나 프로세서(200)가 그 기능을 수행하는데 필요한 프로그램 및 데이터 등을 저장할 수 있다. 즉, 메모리부(400)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 적어도 일부 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램, 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 예를 들어, 상기 메모리부(400)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여 측정된 다수의 SOH 연산값을 시간 별로 저장할 수 있다.
상기 메모리부(400)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, 메모리부(400)는 셀 측정부(100) 및/또는 프로세서(200)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, SOH 연산값과 임계값을 비교하도록 구성될 수 있다. 여기서, 임계값은, SOH 연산값과 비교되기 위한 값으로서, 해당 배터리 셀(1)의 SOH 연산값이 정상인지 여부를 판별하는 기준이 되는 값일 수 있다. 특히, 임계값은, 해당 배터리 셀(1)에 전극 탭 불량이 발생하였는지를 구별할 수 있는 SOH 값이라 할 수 있다. 이러한 임계값은, 특정 수치로 표현될 수도 있고, 특정 범위로 표현될 수도 있다.
상기 임계값은, 프로세서(200)가 이용할 수 있도록, 프로세서(200) 자체 또는 메모리부(400) 등에 미리 저장될 수 있다.
또한, 상기 임계값은, 시간 경과에 따라 복수로 설정될 수 있다. 즉, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH는 시간 경과에 따라 복수 회 연산되는데, 이와 같이 연산된 SOH 각각에 대하여 그에 대응되는 임계값이 각각 설정될 수 있다. 예를 들어, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 1월, 2월, 3월, ...과 같이 매달 SOH가 연산되는 경우, 임계값 역시 1월 임계값, 2월 임계값, 3월 임계값, ...과 같이 매달 설정될 수 있다. 이때, 각각의 임계값들은 서로 다르게 설정될 수 있으나, 적어도 일부 임계값들은 서로 동일하게 설정될 수도 있다.
상기 프로세서(200)는, 이러한 SOH 연산값과 임계값의 비교 결과를 기초로, 전극 탭의 불량을 진단할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 전극 탭의 불량이 단선 불량인지, 또는 불완전 접촉 불량인지를 구분하여 검출 가능하도록 구성될 수 있다. 여기서, 단선 불량이란, 배터리 셀(1)에 포함된 하나 또는 그 이상의 전극 탭(10)이 특정 부분에서 완전히 끊어진 상태를 의미할 수 있다. 예를 들어, 10개의 전극 탭(10)을 포함하는 배터리 셀(1)에 있어서, 적어도 1개의 전극 탭(10)이 완전히 끊어진 상태의 불량이 단선 불량일 수 있다. 불완전 접촉 불량이란, 배터리 셀(1)에 포함된 하나 또는 그 이상의 전극 탭(10)이 특정 부분에서 끊어졌다가 접촉되는 현상이 반복적으로 일어나는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 적어도 1개의 전극 탭(10)에 절단된 부분이 존재하되, 절단된 부분에서 간헐적으로 접촉이 일어나는 경우, 불완전 접촉 불량이라 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, SOH 연산값을 이용하여 배터리 셀(1)의 내부 전극 탭 불량을 검출하되, 전극 탭 불량의 유형까지도 구체적으로 구분하여 진단될 수 있다. 따라서, 이 경우, 전극 탭 불량의 유형에 따라 보다 적절한 조치가 취해지도록 할 수 있다.
특히, 불완전 접촉 불량의 경우, 전극 탭(10)의 절단 부분이 붙었다가 떨어지는 과정이 반복되는 것이므로, 전극 탭(10)이나 배터리 셀(1)에 물리적인 외력이 가해진다고 예측될 수도 있다. 따라서, 이 경우, 해당 배터리 셀(1)에 가해지는 외력에 대하여 보다 적절한 조치가 취해지도록 할 수 있다. 예를 들어, 불완전 접촉 불량이 발생한 배터리 셀(1)이 존재하는 경우, 알림부(300)를 통해 사용자에게 해당 상황을 전달할 수 있다. 이때 사용자는, 외력의 원인을 파악하고, 그러한 외력의 원인을 제거하는 적절한 조치, 이를테면 배터리 시스템 정지나 랙 프레임 고정력 향상 등 후속 조치를 취할 수 있다.
상기 실시 구성에서, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값이 임계값 이하인 경우가 제1 기준 횟수 이상으로 지속되는지 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, SOH 연산값이 임계값 이하인 경우가 제1 기준 횟수 이상으로 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(200)에 의해 어느 하나의 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH와 그와 비교되는 임계값을 함께 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 소정 기간, 즉 d1부터 d2 사이의 기간 동안, 특정 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH를 나타내는 그래프가 B1으로 표시되어 있다. 특히, 그래프 B1에서 d1부터 d2 사이의 기간 동안 연산된 SOH 값은 포인트로 표시되어 있고, 각 포인트 사이는 선으로 연결되어 있다.
또한, 도 4에는 SOH 연산값(B1)과 비교되기 위한 임계값이 A1으로 표시되어 있다. 특히, 임계값 A1은 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 SOH 연산값들과 비교될 수 있도록, d1 내지 d2의 기간 동안 각 SOH 연산값들에 대응되도록 설정될 수 있다. 더욱이, 임계값 A1은, d1부터 d2 사이의 기간 동안, 일정하게 유지되지 않고, 변화되도록 구성될 수 있다. 즉, SOH의 각 연산 회차에 대응되는 임계값은 서로 다르게 구성될 수 있다.
이러한 실시예에서, 상기 프로세서(200)는, 연산된 SOH(B1)가 임계값(A1) 이하인지 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 부분이 있다면, 임계값(A1) 이하인 횟수가 일정 횟수(제1 기준 횟수) 이상 지속되는지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 제1 기준 횟수는, 배터리 셀(1)의 스펙이나 배터리 시스템의 운용 상황 등 다양한 요인에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 이러한 제1 기준 횟수는, 미리 설정되어 메모리부(400)나 프로세서(200) 등에 저장될 수 있다. 일례로, 제1 기준 횟수는, 5회로 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 횟수가 5회 이상 지속되는 경우가 있는지 여부를 판단할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 4에 도시된 바를 참조하면, d1부터 d2까지 시간이 경과하는 동안, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분을 파악할 수 있다. 이때, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분 중 연속하는 부분으로서, e1 부분, e2 부분 및 e3 부분을 추출할 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이와 같이 추출된 각 부분 중, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 제1 기준 횟수 이상 지속되는지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 기준 횟수가 5회로 설정된 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 5회 이상 지속되는 부분을 파악할 수 있다.
도 4에서는, e1 부분의 경우 SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 1회만 지속되고, e2 부분의 경우 SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 2회만 지속되는 형태로 표시되어 있다. 따라서, 프로세서(200)는, e1 부분이나 e2 부분이 파악된 상태에서는 배터리 셀(1)에 전극 탭 불량이 발생한 것으로 판단하지 않을 수 있다. 그러나, e3 부분의 경우 SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 5회 이상 지속되고 있다. 따라서, 프로세서(200)는, e3 부분이 파악된 상태에서는 배터리 셀(1)에 전극 탭 불량이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, e3 부분이 시작되는 최초 시점(da)부터 해당 배터리 셀(1)에 대하여 단선 불량으로 검출할 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 상태가 일정 시간 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 전극 탭이 단선된 것으로 판단할 수 있다. 또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1)보다 작은 부분이 제1 기준 횟수 이상 지속된 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대한 용량 저하가 발생했다고 판단할 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 용량 저하 판단 결과를, 알림부(300)를 통해 사용자에게 전달할 수 있다.
한편, 상기 도 4의 실시 구성에서는, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 횟수를 기준으로 배터리 셀(1)의 단선 불량 내지 용량 저하가 검출되는 형태로 설명되었으나, SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 시간을 기준으로 배터리 셀(1)의 단선 불량이 검출되도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 특정 배터리 셀(1)의 SOH 연산값(B1)이 임계값(A1) 이하인 경우가 일정 일자(ex. 4일) 이상 지속되는 경우, 상기 프로세서(200)는, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B1)의 임계값(A1) 이하 횟수가 제1 기준 횟수 이상으로 판단되었다 하더라도, 그로부터 소정 시간 이내에 연산된 SOH(B1)가 임계값(A1)보다 큰 것으로 판단된 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 검출된 단선 불량 판단을 취소할 수 있다. 예를 들어, 도 4의 실시 구성을 기준으로 e3 부분 이후의 지점에서, SOH 연산값(B1)이 다시 임계값(A1) 이상인 경우가 일정 횟수 이상 지속되는 경우, 프로세서(200)는, e3 부분의 시점에서 내려진 단선 불량 판단을 취소할 수 있다. 이 경우, 보다 정확한 단선 불량 판단이 가능해질 수 있다.
더욱이, 상기 프로세서(200)에 의해 단선 불량으로 판단되면, 불량 판단 시점에 따라 다양한 추가 정보가 얻어질 수 있다. 예를 들어, 셀이 배터리 시스템에 장착된 초기 단계에서 단선 불량으로 판단된 경우, 해당 셀이 BOL(Bottom Of Life) 상태의 셀, 즉 제조 직후의 셀이라면, 이는 해당 셀의 제조 과정에서 문제가 있다고 판단될 수 있다. 따라서, 이 경우, 해당 셀의 제조 과정에 관련 정보가 전달되어 해당 셀의 제조 상 문제점을 해소하는데 도움이 되도록 할 수 있다. 만일, 해당 셀이 MOL(Medium Of Life) 상태의 셀, 즉 어느 정도 사용된 상태의 셀이라면, 이는 기존 사용 이력 등의 추적 등을 통해 문제점에 대한 정보가 획득될 수 있다. 또는, 셀이 배터리 시스템에 장착된 이후 어느 정도 사용이 된 상태에서 단선 불량으로 판단된 경우, 운영 시스템이나 운영 조건 등의 문제, 또는 제조 시점의 문제점에 대해 종합적으로 추가 검토될 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값의 임계값에 대한 상하 방향 전환 횟수가 제2 기준 횟수 이상 지속되는지 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 상하 방향 전환 횟수가 제2 기준 회수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(200)에 의해 다른 하나의 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH와 그와 비교되는 임계값을 함께 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, d1부터 d2 사이의 기간 동안, 도 4의 배터리 셀(1)과는 다른 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH를 나타내는 그래프가 B2로 표시되어 있다. 또한, 그래프 B2에서도 각 시점에서 연산된 SOH 값은 포인트로 표시되어 있고, 각 포인트 사이는 선으로 연결되어 있다. 그리고, 도 5의 임계값은 도 4의 임계값과 동일하게 도시되어 있다.
이러한 실시예에서, 상기 프로세서(200)는, 연산된 SOH(B2)를 임계값(A1)과 비교할 때, 임계값(A1) 이상이었다가 임계값(A1) 이하로 전환되는 부분을 파악할 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)보다 낮았다가 높아지는 경우, 또는 SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)보다 높았다가 낮아지는 경우에 대한 횟수 또는 시간을 카운팅할 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 도 5의 구성에서, SOH 연산값(B2)의 임계값(A1)에 대한 전환 지점을 파악할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, 각 전환 지점의 연속 횟수가 제2 기준 횟수 이상인지 판단할 수 있다. 여기서, 제2 기준 횟수는, 배터리 셀(1)의 스펙이나 배터리 시스템의 운용 상황 등 다양한 상황에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 그리고, 제2 기준 횟수는 미리 설정되어 메모리부(400)나 프로세서(200) 등에 저장될 수 있다. 예를 들어, 제2 기준 횟수는, 3회로 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)의 임계값(A1)에 대한 전환 횟수가 3회 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 형태의 탭 불량이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 5에 도시된 바를 참조하면, d1부터 d2까지의 시간이 경과하는 동안, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)을 기준으로 상하 방향으로 전환되는 시점으로서, f1, f2, f3, ..., f11과 같이 파악할 수 있다. 특히, 이러한 상하 방향 전환 시점은, SOH 연산값(B2) 그래프와 임계값(A1) 그래프가 서로 교차하는 지점일 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, 각 전환 시점이 제2 기준 횟수, 이를테면 3회 이상 지속되는지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 전환 시점이 지속된다는 것은, 연속하는 3개 이상의 SOH 연산 시점에서, 연산 시점 사이마다 임계값과의 전환 부분이 계속해서 발생하는 것을 의미한다고 볼 수 있다.
도 5의 실시예에서는, f1, f2, f3 시점의 경우, 각각 전환 횟수가 연속되지 않고 전환 지속 횟수가 1회에 불과하다고 할 수 있다. 그리고, f4 및 f5의 경우, 연속하는 3개의 SOH 연산 시점에서 전환 부분이 2개 발생한 것이므로, 전환 지속 횟수가 2회에 해당한다고 할 수 있다. 이러한 전환 지속 횟수는 제2 기준 횟수인 3회 미만이므로, 상기 프로세서(200)는, f1~f5 시점까지는 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 판단하지 않을 수 있다.
그러나, f6 시점부터는 f11 시점에 이르기까지 SOH 임계값의 전환이 연속해서 이루어지고 있다. 즉, f6 시점부터는, SOH 연산값의 임계값에 대한 전환 횟수가 6회까지 지속되어, 제2 기준 횟수(3회) 이상 지속된다고 할 수 있다. 따라서, 상기 프로세서(200)는, 이 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여, 전극 탭에서 불완전 접촉 불량이 발생하였다고 판단할 수 있다. 이러한 불완전 접촉 불량은, 대체로 배터리 셀(1)의 내부에서 어느 하나의 전극 탭이 다른 전극 탭이나 전극 리드와 붙었다가 떨어졌다가 하는 상황이 반복해서 일어나는 것으로 볼 수 있다. 이와 같이, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)을 기준으로 위아래 방향으로 연속해서 진동하는 경우, 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭에서 불완전 접촉 불량이 발생하였다고 판단할 수 있다. 또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값(B2)이 임계값(A1)을 기준으로 위아래 방향으로 연속해서 진동하는 경우, 해당 배터리 셀(1)의 용량이 불안정적이라고 판단할 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 정보를 알림부(300)를 통해 사용자에게 전달할 수도 있다.
상기 실시예에 의하면, SOH 연산값(B2)과 임계값(A1)을 비교함으로써, 배터리 셀(1)의 전극 탭에 불완전 접촉 불량이 존재하는지를 효과적으로 파악할 수 있다.
한편, 상기 도 5의 실시예에서는, 각 배터리 셀(1)의 SOH 연산값(B2)과 임계값(A1)을 서로 비교하여 배터리 셀(1)의 전극 탭에 불완전 접촉 불량이 존재하는지 여부를 파악하는 구성이 설명되어 있으나, 전극 탭의 불완전 접촉 불량은, SOH 연산값 만으로 파악될 수도 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(200)에 의해 또 다른 하나의 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, d3부터 d4 사이의 기간 동안, 어느 하나의 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH를 나타내는 그래프가 B3으로 표시되어 있다. 여기서도, 각 시점에서 연산된 SOH 값은 포인트로 표시되어 있고, 각 포인트 사이는 선으로 연결되어 있다. 다만, 도 6에서는 도 4 및 도 5에서와 달리, 임계값이 도시되어 있지 않다.
상기 프로세서(200)는, SOH 연산 결과 그래프에 대하여, 각 연산 횟수 사이의 SOH 변화량을 계산할 수 있다. 여기서, SOH 변화량이란, 연속하는 SOH 연산값 사이의 차이를 의미할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, 그와 같이 계산된 SOH 변화량을, 도 6에서 Mt로 표시된 바와 같은 기준 변화량과 비교하도록 구성될 수 있다. 다음으로, 상기 프로세서(200)는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수가 소정 횟수, 이를테면 제3 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6의 구성에서, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 부분은 g1 내지 g7로 표시되어 있다. 그 중, g1 및 g2 부분의 경우에는 연속 횟수가 2회이다. 그리고, g3 내지 g7 부분의 경우에는 연속 횟수가 5회이다. 만일, 제3 기준 횟수가 3회인 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수가 연속으로 3회 이상 존재하는 g3 내지 g7 시점에서, 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭에 불완전 접촉 불량이 발생하였다고 판단할 수 있다.
상기와 같은 실시 구성에서, 상기 프로세서(200)는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수로서, 직전 패턴을 고려하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 프로세서(200)는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 크다 하더라도, 직전 패턴과 동일한 패턴으로 증가 또는 감소한 경우에는, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수로 카운팅하지 않을 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 직전 패턴과 서로 다른 패턴으로 증가하거나 감소한 경우에만, SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰 횟수로 카운팅할 수 있다. 예를 들어, 직전 횟수의 연산 결과에서는 SOH 변화량이 증가하고 현재 횟수의 연산 결과에서는 SOH 변화량이 감소한 경우, 또는 직전 횟수의 연산 결과에서는 SOH 변화량이 감소하고 현재 횟수의 연산 결과에서는 SOH 변화량이 증가한 경우에, 상기 프로세서(200)는 SOH 변화량이 기준 변화량(Mt)보다 큰지 판단하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값이 상하 방향으로 진동하는 형태에서, 그 진폭이 일정 수준(기준 변화량) 이상인 경우의 횟수를 카운팅하여, 카운팅 결과를 기초로 해당 배터리 셀(1)의 불완전 접촉 불량을 검출할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, SOH와 비교되기 위한 임계값이 설정되어 있지 않더라도, 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량, 특히 불완전 접촉 불량 상태 여부가 검출될 수 있다. 그러므로, 임계값 저장이나 연산을 위한 과정이 필요하지 않을 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값의 임계값에 대한 상하 방향 전환 횟수의 증감 여부를 파악하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, SOH 연산값이 임계값을 기준으로 상부에서 하부로 전환한 횟수 및 하부에서 상부로 전환한 횟수를 카운팅할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(200)는, 이와 같은 카운팅 결과를 시간 별로 기록하여, 전환 횟수가 시간 경과에 따라 점차 증가하는지 아니면 감소하는지를 파악할 수 있다.
특히, 상기 프로세서(200)는, 시간 경과에 따라, 전환 횟수가 점차 증가하는 경우, 전극 탭에 문제가 발생할 위험성이 높은 것으로 판단할 수 있다. 더욱이, 상기 프로세서(200)는, 시간이 경과함에 따라, 전환 횟수가 증가하는 경우, 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭이 정상 상태에서 불완전 접촉 불량 상태로, 또는 불완전 접촉 불량 상태에서 단선 불량 상태로 진행되고 있다고 판단할 수 있다.
상기 임계값은, 다수의 배터리 셀(1) 중 적어도 일부 배터리 셀(1)의 SOH에 기초하여 설정될 수 있다. 더욱이, 상기 프로세서(200)는, 배터리 시스템에 포함된 전체 배터리 셀(1) 중 적어도 일부 배터리 셀(1), 특히 모든 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH값을 기초로, 임계값을 설정할 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템에 포함된 여러 배터리 셀(1)에 대한 SOH 연산값을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 복수의 배터리 셀(1) 각각에 대하여 SOH가 연산되되, 시간의 흐름에 따라 복수 회 연산되었다. 그리고, 각 배터리 셀(1)에 대하여 연산된 SOH 값이 시간 별로 표시되어 있다. 도 7의 경우, x축은 시간으로서 날짜(day)를 나타내고, y축은 SOH 연산값을 표준 편차 형태로 나타낸다. 더욱이, y축의 경우, 전체 SOH 연산값의 평균값이 중앙에 오도록 한 상태에서, 중앙을 기준으로 한 편차를 시그마로서 나타내고 있다. 특히, 도 7에서, S1 및 S2는, 3 시그마에 해당하는 한계를 나타낸다. 상기 프로세서(200)는, 이러한 평균값에 대한 표준 편차로서 3 시그마에 해당하는 값을 각 시간(연산 횟수)에 대한 임계값으로 설정할 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 3 시그마에 해당하는 값, 즉 임계값과 각 배터리 셀(1)의 SOH 연산값을 비교함으로써, 각 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량을 검출할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 평균값을 중심으로 양측에 위치하는 2개의 3시그마에 해당하는 값, 즉 +3시그마에 해당하는 임계값인 S1과 -3시그마에 해당하는 임계값인 S2 중에서, 하한값인 S2를 임계값으로 설정할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 시스템의 전체적인 상황을 고려하여 특정 배터리 셀(1)에 문제, 특히 전극 탭의 불량이 있는지 등을 효과적으로 진단할 수 있다. 더욱이, 배터리 시스템에 포함된 배터리 셀(1)의 SOH는 배터리 시스템의 운용 상태나 주변 환경 등 여러 요인에 따라 달라질 수 있다. 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 요인들에 기초하여 임계값이 적절하게 설정됨으로써, 특정 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 문제 등이 보다 정확하게 진단될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 임계값을 메모리부(400)나 프로세서(200) 등에서 미리 저장할 필요가 없다.
한편, 도 7에서는 임계값으로서 3시그마에 해당하는 값을 예시로 들었으나, 이는 일례에 불과할 뿐, 6시그마 등 다른 값으로서 임계값이 설정될 수도 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는 전체 배터리 셀(1)들의 평균값에 대한 6시그마에 해당하는 값을 임계값으로서, 각 배터리 셀(1)의 SOH와 비교하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)의 SOH값에 대한 셀 간 순위 변화에 기초하거나, 각 배터리 셀(1)의 SOH값과 배터리 시스템 전체의 평균 SOH값과의 차이 등에 기초하여, 각 배터리 셀(1)의 SOH에 대한 이상 유무를 진단할 수 있다. 이 밖에도, 상기 프로세서(200)는, 다른 다양한 형태로 각 배터리 셀(1)의 SOH 연산값을 평가하고, 이를 통해 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 유무를 판단할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 다수의 배터리 셀(1)에 대하여 SOH를 각각 연산할 때, 각 배터리 셀(1) 간 SOH 연산을 위한 기준 시점은 동일하거나 일정 수준 이내의 시간적 오차만 갖도록 구성될 수 있다. 여기서, SOH 연산은 셀 측정부(100)에 의해 측정된 결과에 기초하므로, 셀 측정부(100)는, 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대한 전압 측정 시점 또는 전류 측정 시점이 서로 동일하거나 유사한 시간대에 이루어지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 다수의 배터리 셀(1)이 배터리 시스템에 포함된 경우, 상기 셀 측정부(100)는, 각 측정 회차마다, 동일한 시간, 또는 1초 이내의 시간적 오차 범위에서, 전체 배터리 셀(1)의 전압 내지 전류를 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 셀(1) 간 SOH 연산 기준 시점을 동일하게 하거나 일정 수준 이내가 되도록 함으로써, 임계값 설정의 신뢰성을 확보하는 한편, 임계값과 연산값과의 비교에 의한 진단 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, 불량 배터리 셀을 검출함에 있어서, 각 배터리 셀(1)에 대한 충전 과정과 방전 과정을 구분하여 수행하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 충전 과정에서 측정된 전압을 기초로 연산된 SOH 패턴과 방전 과정에서 측정된 전압을 기초로 연산된 SOH 패턴을 구분하여 확인하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 임계값 역시 충전 임계값과 방전 임계값이 별도로 설정될 수 있다. 이를테면, 도 7에 도시된 바와 같은 3 시그마 형태의 임계값이, 충전 상태와 방전 상태에 각각 대응하여, 별도로 설정될 수 있다.
그리고, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여 방전 과정에서의 SOH 연산값을 방전 임계값과 비교하고, 충전 과정에서의 SOH 연산값을 충전 임계값과 비교하는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 충전 과정과 방전 과정이 구분되어 서로 비교됨으로써, 배터리 셀(1)의 상태가 보다 정확하게 진단될 수 있다. 특히, 배터리 셀(1)의 SOH는, 충전 상태인지 방전 상태인지에 따라 그 패턴이 다르게 형성될 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 상황이 보다 적절하게 반영되어 SOH가 진단될 수 있다. 그러므로, 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 진단에 대한 정확도가 보다 향상될 수 있다.
특히, 상기 프로세서(200)는, 배터리 셀(1)에 대하여 SOH를 연산하기 위한 전제 조건을 설정할 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 소정 전제 조건을 만족하는 경우에만, SOH를 계산하도록 구성될 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 이러한 전제 조건을 만족하지 않는 경우에는, SOH를 계산하지 않도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, SOC를 이용하여 SOH를 계산할 수 있다. 여기서, SOC를 획득하는 방법은 본 발명의 출원 시점에 널리 공지되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
보다 구체적으로, 상기 프로세서(200)는, 다음 수학식 1을 통해 SOH를 계산하도록 구성될 수 있다.
[수학식 1]
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여기서, I는 배터리 셀(1)에 흐르는 전류를 의미하고, f는 충방전 종료 시간을 의미하며, i는 충방전 개시 시간을 의미한다. 또한, SOCf는 충방전 종료 시 SOC값을 의미하고, SOCi는 충방전 개시 시 SOC값을 의미한다.
여기서, 상기 프로세서(200)는, SOH 계산을 위한 전제 조건으로서, 충방전 과정에서의 SOC 변화량을 이용할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)의 충방전 개시 시 SOC값과 충방전 종료 시 SOC 값의 차이가 일정 수준 이상인 경우에만 해당 배터리 셀(1)의 SOH를 계산하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 수학식 1에서, 충방전 개시 시 SOC값과 충방전 종료 시 SOC 값의 차이에 대한 절대값과 관련하여, ｜(SOCf-SOCi)｜≥50인 경우에만, 상기 프로세서(200)가 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 충전 또는 방전 과정이 50% 이상인 경우에만 SOH가 연산되도록 구성된 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 충전 또는 방전이 일정 수준 이상으로 충분하게 일어난 경우에만, SOH가 연산되도록 할 수 있다. 이 경우, SOH 계산의 정확도와 신뢰도가 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, SOH 계산을 위한 전제 조건으로서, 충방전 과정에서의 개시 시간과 종료 시간 사이의 시간차를 이용할 수 있다. 특히, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)의 충방전 종료 시간과 충방전 개시 시간 사이의 시간차가 일정 수준 이상인 경우에만 해당 배터리 셀(1)의 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 수학식 1에서, (f-i)≥3600s인 경우에만, 상기 프로세서(200)가 SOH를 계산하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 충전 또는 방전 과정이 3600초 이상으로 지속된 경우에만 SOH가 계산될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 충전 또는 방전이 일정 시간 이상 지속된 경우에만, SOH가 계산되도록 함으로써, SOH 계산의 정확도와 신뢰도가 보다 향상될 수 있다.
더욱이, 상기 프로세서(200)는, 앞서 설명된 2개의 전제 조건, 즉 SOC 사이의 차이에 대한 전제 조건 및 시간차에 대한 전제 조건을 모두 만족한 경우에, SOH를 연산하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 실시 구성에서, 프로세서(200)는, 충전 과정용 전제 조건과 방전 과정용 전제 조건을 서로 다르게 설정하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 충전 과정 중의 전제 조건으로서, 충전 개시 시 SOC가 일정 수준 이하인 경우에, SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 충전 개시 당시의 SOC가 일정 수준을 초과하는 경우, SOH를 연산하지 않도록 구성될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 프로세서(200)는, 충전 과정 중이라면, 상기 수학식 1에서 배터리 셀(1)의 SOCi≤7인 경우에 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 프로세서(200)는, 충전 개시 시점에서의 SOC인 SOCi가 7%를 초과하는 경우에는, SOH를 연산하지 않을 수 있다. 이러한 실시 구성에 의하면, 과도하게 높은 SOC 구간에서만 충전이 이루어짐으로 인해, 충전 과정에서의 SOH 연산의 정확도가 떨어지는 문제를 예방할 수 있다. 한편, 이러한 실시 구성에서, SOCi의 상한선인 7%에 대해서는, 배터리 셀(1)의 사양이나 배터리 시스템의 운용 방식 등에 따라 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.
다른 예로, 상기 프로세서(200)는, 방전 과정 중의 전제 조건으로서, 방전 개시 시 SOC가 일정 수준 이상인 경우에, SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 프로세서(200)는, 방전 개시 당시의 SOC가 일정 수준 미만인 경우에만, SOH를 연산하지 않도록 구성될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 프로세서(200)는, 방전 과정 중이라면, 상기 수학식 1에서, SOCi≥50인 경우에 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 프로세서(200)는, 방전 개시 시점에서의 SOC인 SOCi가 50% 미만인 경우에는, SOH를 연산하지 않을 수 있다. 이러한 실시 구성에 의하면, 과도하게 낮은 SOC 구간에서 방전이 이루어짐으로 인해, 방전 과정에서의 SOH 연산의 정확도가 떨어지는 문제를 예방할 수 있다. 한편, 이러한 실시 구성에서, SOCi의 하한선인 50%에 대해서는, 배터리 셀(1)의 사양이나 배터리 시스템의 운용 방식 등에 따라 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 충전 과정 및 방전 과정이 구분되어 SOH가 연산되며, 특히 SOH를 연산하기 위한 전제 조건이 충전 과정과 방전 과정에서 서로 다르게 설정될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(1)이 충전 과정인지, 아니면 방전 과정인지에 따라, 최대한 적합한 조건에서 SOH가 연산되도록 할 수 있다. 그러므로, SOH 연산에 대한 정확도 및 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.
더욱이, 이와 같은 충전 개시 SOC의 상한값 조건이나 방전 개시 SOC에 대한 하한값 조건은, 앞서 설명된 다른 공통 조건과 함께 SOH 연산을 위한 전제 조건으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 충전 과정에서는, 충전 개시 SOC(SOCi)의 상한값 조건과 함께, SOC 차이의 절대값(｜SOCf-SOCi｜)이 일정 수준 이상이라는 조건, 및 충전 시간(f-i)이 일정 수준 이상이라는 조건을 모두 만족한 경우에만, 상기 프로세서(200)가 충전 과정에서 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다. 또한, 방전 과정에서는, 방전 개시 SOC(SOCi)의 하한값 조건과 함께, SOC 차이의 절대값(｜SOCf-SOCi｜)이 일정 수준 이상이라는 조건, 및 방전 시간(f-i)이 일정 수준 이상이라는 조건을 모두 만족한 경우에만, 상기 프로세서(200)가 방전 과정에서 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 충전 또는 방전 과정에서, 보다 정확한 SOH가 획득될 수 있는 상황에서만 SOH가 연산되도록 함으로써, SOH 연산의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 시스템에는, 배터리 모듈, 배터리 팩, 배터리 랙, 배터리 뱅크, 전력 저장 시스템(ESS) 등 다양한 형태의 시스템이 포함될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 모듈 케이스 내부에 다수의 배터리 셀(1)을 구비하는 배터리 모듈 형태로 구현될 수도 있고, 이러한 배터리 모듈이 다수 구비된 배터리 팩 형태로 구현될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 다수의 배터리 모듈이나 배터리 팩을 적층할 수 있도록 구성된 랙 프레임 및 이러한 랙 프레임에 수납된 배터리 모듈이나 배터리 팩을 다수 구비하는 배터리 팩 형태로 구현될 수도 있다. 또는, 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 이러한 배터리 랙을 복수 포함하는 배터리 뱅크 형태로 구현될 수도 있다. 또는, 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 다수의 배터리 뱅크를 포함하는 전력 저장 시스템 형태로 구현될 수도 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 8에서 각 단계의 수행 주체는, 앞서 설명된 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 방법은, 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀(1)을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 방법으로서, 측정 단계(S110), 연산 단계(S120) 및 검출 단계(S130)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 S110 단계는, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하는 단계라 할 수 있다.
다음으로, 상기 S120 단계는, S110 단계에서 측정된 전압 또는 전류를 이용하여, 각 배터리 셀(1)에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하는 단계라 할 수 있다.
그리고, 상기 S130 단계는, S120 단계에서 복수 회 연산된 각 배터리 셀(1)의 SOH에 기초하여, 다수의 배터리 셀(1) 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하는 단계라 할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 방법의 구체적인 내용에 대해서는, 앞서 설명된 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 내용이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있으므로, 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
1: 배터리 셀
10: 전극 탭
11: 양극 탭, 12: 음극 탭
20: 전극 조립체
30: 파우치 외장재
31: 상부 파우치, 32: 하부 파우치
41: 양극 리드, 42: 음극 리드
100: 셀 측정부
200: 프로세서
300: 알림부
400: 메모리부

Claims (10)

  1. 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 장치에 있어서,
    다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하도록 구성된 셀 측정부; 및
    상기 셀 측정부에 의해 측정된 전압 또는 전류를 이용하여 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하고, 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하도록 구성된 프로세서
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, SOH 연산값과 임계값을 비교하여, 상기 전극 탭의 불량으로서, 단선 불량과 불완전 접촉 불량을 구분하여 검출 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는, SOH 연산값이 임계값 이하인 경우가 제1 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는, SOH 연산값의 임계값에 대한 상하 방향 전환 횟수가 제2 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 상하 방향 전환 횟수의 증감 여부를 파악하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 임계값은, 상기 다수의 배터리 셀 중 적어도 일부 배터리 셀의 SOH에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 각 배터리 셀에 대한 충전 과정과 방전 과정을 구분하여, 불량 배터리 셀을 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는, 각 배터리 셀에 대하여 SOH를 연산하기 위한 전제 조건을 설정하되, 충전 과정용 전제 조건과 방전 과정용 전제 조건을 서로 다르게 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 시스템 진단 장치를 포함하는 배터리 시스템.
  10. 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 방법에 있어서,
    다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 전압 또는 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정 단계에서 측정된 전압 또는 전류를 이용하여, 각 배터리 셀에 대한 SOH를 시간 경과에 따라 복수 회 연산하는 단계; 및
    상기 연산 단계에서 복수 회 연산된 각 배터리 셀의 SOH에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 방법.
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