WO2022154441A1 - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 방법 Download PDF

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WO2022154441A1
WO2022154441A1 PCT/KR2022/000491 KR2022000491W WO2022154441A1 WO 2022154441 A1 WO2022154441 A1 WO 2022154441A1 KR 2022000491 W KR2022000491 W KR 2022000491W WO 2022154441 A1 WO2022154441 A1 WO 2022154441A1
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cycle
battery
deviation
preset
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PCT/KR2022/000491
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정희석
배윤정
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery management apparatus and method, and more particularly, to a battery management apparatus and method capable of improving performance efficiency of a battery.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a battery management apparatus and method capable of increasing the performance efficiency and lifespan of the battery by adjusting the discharge termination voltage of the battery.
  • a battery management apparatus includes: a measuring unit configured to measure the voltage of the battery after discharging the battery to a preset discharging end voltage for each cycle; and receiving voltage information of the battery from the measuring unit for each cycle, calculating a first voltage deviation of the battery based on a preset first reference voltage and a voltage of the battery, and calculating the first voltage deviation in each cycle a control unit configured to calculate a second voltage deviation between the voltage deviation and a preset second reference voltage, and to adjust the discharge termination voltage based on the reference deviation set to correspond to the current cycle and the second voltage deviation calculated in the current cycle; may include
  • the control unit may be configured to determine a cycle section to which the current cycle belongs among a plurality of preset cycle sections, and to adjust the discharge termination voltage based on a reference deviation set for the determined cycle section and the calculated second voltage deviation can
  • the controller may be configured to increase the discharge termination voltage when the calculated second voltage deviation is equal to or greater than the reference deviation.
  • the plurality of cycle periods may be set based on a capacity retention rate for each cycle of the reference cell corresponding to the battery.
  • the control unit obtains a capacity profile indicating a correspondence relationship between a cycle and a capacity with respect to the reference cell corresponding to the battery, and divides a plurality of cycles included in the capacity profile into a plurality of cycle sections according to a capacity change rate for the cycle It can be configured to set the division.
  • the control unit may be configured to set the reference deviation in each of the plurality of cycle sections, and set the reference deviation corresponding to the first cycle section among the plurality of cycle sections to be lower than the reference deviation corresponding to the remaining cycle sections have.
  • the controller may be configured to change the second reference voltage to the first voltage deviation corresponding to a cycle after the discharge termination voltage is changed after the discharge termination voltage is changed.
  • the measuring unit may be configured to measure the rest voltage of the battery after a predetermined time has elapsed after the discharging of the battery is terminated, and to transmit the rest voltage as voltage information of the battery.
  • the controller may be configured to calculate the first voltage deviation by calculating a difference between the rest voltage and the first reference voltage.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include the battery management apparatus according to an aspect of the present invention.
  • a battery management method includes: a voltage measuring step of measuring the voltage of the battery after discharging the battery to a preset discharging end voltage for each cycle; a first voltage deviation calculating step of calculating a first voltage deviation of the battery based on a preset first reference voltage and a voltage of the battery; a second voltage deviation calculating step of calculating a second voltage deviation between the first voltage deviation and a preset second reference voltage in each cycle; and adjusting the discharge termination voltage based on a reference deviation set to correspond to the current cycle and a second voltage deviation calculated in the current cycle.
  • the battery management apparatus has the advantage of improving the performance efficiency of the battery and increasing the lifespan of the battery by adjusting the discharge termination voltage based on the voltage of the battery.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a voltage profile of a battery and a voltage profile of a reference cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a capacity profile of a battery and a capacity profile of a reference cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a CE profile of a battery and a CE profile of a reference cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an exemplary configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a battery management method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a battery management apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery management apparatus 100 may include a measurement unit 110 and a control unit 120 .
  • the measurement unit 110 may be configured to measure the voltage of the battery after discharging of the battery to a preset discharging termination voltage is terminated for each cycle.
  • the battery includes a negative terminal and a positive terminal, and means one physically separable cell.
  • one pouch-type lithium ion battery may be regarded as a battery.
  • the cycle may indicate the number of times the battery is fully discharged after being fully charged.
  • SOC state of charge
  • the measurement unit 110 may be configured to measure the rest voltage of the battery after a predetermined time has elapsed after the discharge of the battery is terminated.
  • the measurement unit 110 may measure an open circuit voltage (OCV) of the battery after a predetermined time has elapsed after discharging to the battery is terminated.
  • OCV open circuit voltage
  • control unit 120 may be configured to receive the voltage information of the battery from the measurement unit 110 every cycle.
  • control unit 120 may be communicatively connected to the measurement unit 110 . Accordingly, the control unit 120 may receive the voltage information of the battery from the measurement unit 110 every cycle.
  • the measurement unit 110 may be configured to transmit voltage information of the battery to the control unit 120 every cycle, and transmit the rest voltage as voltage information of the battery.
  • the controller 120 may be configured to calculate a first voltage deviation of the battery based on a preset first reference voltage and a voltage of the battery.
  • the controller 120 may calculate the first voltage deviation by calculating Equation 1 below.
  • VD1 V - VR1
  • VD1 may be the first voltage deviation
  • V may be the voltage of the battery measured by the measurement unit 110
  • VR1 may be the first reference voltage
  • the first reference voltage is set for a battery in a beginning of life (BOL) state, and may be set as an open-circuit voltage for the battery in a BOL state.
  • the first reference voltage may be set to an open-circuit voltage after discharging the battery in the BOL state is terminated. That is, the first voltage deviation VD1 may be calculated according to a difference between a preset first reference voltage (open voltage) and a measured voltage (open voltage) of the battery.
  • the voltage profile Pv of the battery may be a profile indicating a correspondence relationship between the cycle and the voltage of the battery.
  • the first voltage deviation VD1 may be preset to 0 mV in the 0th cycle.
  • the first voltage deviation VD1 may be calculated to be -7 mV as a result of the calculation of "the voltage V of the battery - the first reference voltage VR1" according to Equation (1). That is, in the 19th cycle, the voltage V of the battery may be lower than the first reference voltage VR1 .
  • the controller 120 may be configured to calculate a second voltage deviation between the first voltage deviation and a preset second reference voltage in each cycle.
  • the controller 120 may calculate the second voltage deviation by calculating Equation 2 below.
  • VD2
  • VD2 may be the second voltage deviation
  • VD1 may be the first voltage deviation according to Equation 1
  • VR2 may be the second reference voltage.
  • the second reference voltage VR2 may be the first voltage deviation VD1 in the 0th cycle or a cycle immediately after the discharge termination voltage is changed.
  • the second reference voltage VR2 of the 0th to 19th cycles may be 0mV. That is, the reference cycle in the 0th to 19th cycles may be the 0th cycle, and the second reference voltage VR2 may be 0mV, which is the first voltage deviation VD1 of the 0th cycle. That is, in the 0th cycle, the first voltage deviation VD1 and the second reference voltage VR2 may be preset to 0 mV.
  • the controller 120 calculates the difference between the first voltage deviation VD1 and the second reference voltage VR2 of the battery according to Equation 2 to calculate the second voltage deviation VD2 can do.
  • the second reference voltage VR2 of the 20th cycle to the 139th cycle may be 28mV. That is, the reference cycle in the twentieth cycle to the 139th cycle may be the twentieth cycle, and the second reference voltage VR2 may be 28 mV, which is the first voltage deviation VD1 of the twentieth cycle.
  • the controller 120 calculates a difference between the first voltage deviation VD1 and the second reference voltage VR2 of the battery according to Equation 2 to calculate the second voltage deviation VD2 can do.
  • the reference cycle after the 140th cycle is the 140th cycle
  • the second reference voltage VR2 may be 56mV, which is the first voltage deviation VD1 of the 140th cycle.
  • the controller 120 calculates the difference between the first voltage deviation VD1 and the second reference voltage VR2 of the battery according to Equation 2 to calculate the second voltage deviation VD2. have.
  • the controller 120 may be configured to adjust the discharge termination voltage based on a reference deviation set to correspond to the current cycle and a second voltage deviation calculated in the current cycle.
  • the controller 120 may be configured to determine a cycle section to which the current cycle belongs among a plurality of preset cycle sections.
  • the plurality of cycle sections may include a first cycle section R1 and a second cycle section R2 .
  • the first cycle section R1 may include 0th to 100th cycles
  • the second cycle section R2 may include 101st to 400th cycles.
  • controller 120 may be configured to adjust the discharge termination voltage based on a reference deviation set for the determined cycle period and the calculated second voltage deviation.
  • the controller 120 may be configured to increase the discharge termination voltage. Conversely, when the calculated second voltage deviation is less than the reference deviation, the controller 120 may maintain the discharge termination voltage as it is.
  • the reference deviation set for the first cycle period R1 may be 7 mV
  • the reference deviation set for the second cycle period R2 may be 10 mV
  • the second voltage deviation calculated in the 19th cycle may be 7mV. That is, in the 19th cycle, the second voltage deviation (7mv) between the second reference voltage (0mV) and the first voltage deviation (-7mV) is greater than or equal to the reference deviation (7mV) set for the first cycle period (R1),
  • the controller 120 may increase the discharge termination voltage from the twentieth cycle.
  • the second reference voltage may be changed from 0mV to 28mV from the twentieth cycle. That is, after the discharge termination voltage is changed, the controller 120 may be configured to change the second reference voltage to the first voltage deviation corresponding to a cycle after the discharge termination voltage is changed.
  • the second voltage deviation calculated in the 139th cycle may be 10mV. That is, in the 139th cycle, since the second voltage deviation (10mV) between the second reference voltage (28mV) and the first voltage deviation (18mV) is equal to or greater than the reference deviation (10mV) set for the second cycle section R2, the control unit Reference numeral 120 further increases the discharge termination voltage from the 140 th cycle.
  • the second reference voltage may be changed from 28mV to 56mV from the 140th cycle.
  • the discharge termination voltage may not be further increased by the controller 120 .
  • the voltage profile Rv of the reference cell may be a voltage profile of the reference cell to which the discharge termination voltage is not adjusted by the controller 120 .
  • the reference cell corresponds to a battery and may be a battery prepared for a comparative example that can be compared with an embodiment according to the present invention.
  • the first voltage deviation of the reference cell may decrease until about the 210th cycle, and thereafter, the first voltage deviation may increase.
  • FIG 3 is a diagram schematically illustrating a capacity profile (Pcr) of a battery and a capacity profile (Rcr) of a reference cell according to an embodiment of the present invention.
  • the capacity profile of FIG. 3 may be a profile indicating a correspondence relationship between a cycle and a capacity retention rate.
  • the capacity retention ratio may be a ratio of the discharge capacity in the current cycle to the discharge capacity of the battery in the initial cycle.
  • the capacity retention rate may decrease as the cycle increases.
  • the capacity retention ratio of the battery and the reference cell may be equally reduced.
  • the reduction rate of the capacity retention rate of the battery may be lower than the reduction rate of the capacity retention rate of the reference cell.
  • the reduction rate of the capacity retention rate of the battery may be lower than the reduction rate of the capacity retention rate of the reference cell.
  • the battery management apparatus 100 may reduce the reduction rate of the capacity retention rate of the battery by appropriately adjusting the discharge termination voltage for the battery. Accordingly, as the battery and the reference cell deteriorate, the battery can retain more capacity compared to the reference cell, thereby increasing the lifespan of the battery.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a CE profile (Pce) of a battery and a CE profile (Rce) of a reference cell according to an embodiment of the present invention.
  • the CE profile of FIG. 4 is a profile showing a correspondence relationship between a cycle and a Coulombic efficiency (CE).
  • CE Coulombic efficiency
  • the coulombic efficiency means the ratio of the capacity in the current cycle to the capacity in the previous cycle.
  • the coulombic efficiency of the battery may be maintained within a certain level from the 0th cycle to about the 160th cycle.
  • the Coulombic efficiency in the 20th cycle and the 140th cycle may be temporarily reduced, but the Coulombic efficiency is constant in the other cycles. level can be maintained.
  • the coulombic efficiency of the battery is maintained within a certain level even after about 160 th and may be increased after about 300 th cycle.
  • the coulombic efficiency for the reference cell decreases as the cycle increases, and may increase after about 300 cycles.
  • the coulombic efficiency of the battery whose discharge termination voltage is adjusted by the controller is maintained within a certain range, but the reference cell for which the discharge termination voltage is not adjusted at all tends to decrease as the cycle increases (as the reference cell deteriorates). looks like
  • the battery management apparatus 100 has the advantage of maintaining the coulombic efficiency of the battery at a certain level by adjusting the discharge termination voltage based on the voltage of the battery. Accordingly, compared with the reference cell, the performance efficiency of the battery may be improved.
  • control unit 120 provided in the battery management apparatus 100 is a processor, application-specific integrated circuit (ASIC), other chipsets, logic circuits, and registers known in the art to execute various control logics performed in the present invention.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the controller 120 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in the memory and executed by the controller 120 .
  • the memory may be inside or outside the control unit 120 , and may be connected to the control unit 120 by various well-known means.
  • the battery management apparatus 100 may further include a storage unit 130 .
  • the storage unit 130 may store data necessary for each component of the battery management apparatus 100 to perform an operation and function, a program or data generated while an operation and a function are performed.
  • the storage unit 130 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 storage unit 130 may store program codes in which processes executable by the control unit 120 are defined.
  • a voltage profile, a capacity profile, and a CE profile for a reference cell may be previously stored in the storage unit 130 .
  • the plurality of cycle periods may be set based on a capacity retention rate for each cycle of the reference cell corresponding to the battery.
  • the battery and the reference cell may include a negative active material manufactured by mixing two or more materials.
  • the battery and the reference cell may include a negative active material in which two or more materials having different charge/discharge efficiencies and reaction voltage ranges are mixed.
  • the battery and the reference cell may include a negative active material in which SiO and graphite are mixed.
  • SiO has a lower charging/discharging efficiency and reaction voltage range than graphite, and capacity may be more expressed in the initial cycle.
  • the plurality of cycle sections may be previously divided into a cycle section in which capacity is further expressed by SiO and a cycle section in which capacity is further expressed by graphite.
  • the plurality of cycle sections includes a first cycle section R1 including the 0th to 100th cycles corresponding to SiO and a second cycle section R2 after the 101st cycle corresponding to graphite. ) can be set in advance.
  • the battery management apparatus 100 sets a plurality of cycle sections in consideration of the composite negative active material included in the battery, and sets a reference deviation for each cycle section, thereby adjusting the discharge termination voltage to correspond to the deterioration of the battery. can Accordingly, the lifespan of a battery including the composite anode active material may be increased.
  • the controller 120 may be configured to acquire a capacity profile indicating a correspondence relationship between a cycle and a capacity with respect to a reference cell corresponding to the battery.
  • the controller 120 may acquire the capacity profile Rcr of the reference cell.
  • the controller 120 may acquire the capacity profile Rcr of the reference cell from an external server or an external device.
  • the controller 120 may access the storage unit 130 to obtain the capacity profile Rcr of the reference cell previously stored in the storage unit 130 .
  • the controller 120 may be configured to divide and set a plurality of cycles included in the capacity profile into a plurality of cycle sections according to a capacity change rate with respect to the cycle.
  • the capacity change rate may be an instantaneous rate of change in capacity retention rate with respect to a cycle. That is, based on the acquired capacity profile Rcr of the reference cell, the controller 120 may calculate an instantaneous rate of change of the capacity retention rate with respect to a cycle as the capacity change rate.
  • the controller 120 may be configured to compare the calculated capacity change rate with the reference change rate, and set a plurality of cycle sections according to the comparison result.
  • the controller 120 may compare the capacity change rate and the reference change rate while increasing the cycle by one cycle from the 0th cycle. In addition, the controller 120 may determine a cycle in which the capacity change rate is equal to or less than the reference change rate, and classify a plurality of cycle sections based on the determined cycle. That is, the controller 120 may be configured to classify a plurality of cycle sections based on the cycle in which the degradation of the reference cell is accelerated.
  • the capacity change rate in the 100th cycle may be less than or equal to the reference change rate. Accordingly, the controller 120 may set previous cycles as the first cycle period R1 based on the 100th cycle and set subsequent cycles as the second cycle period R2.
  • the battery management apparatus 100 sets a plurality of cycle sections based on the capacity profile Rcr of a reference cell including a composite negative active material in which two or more materials are mixed, and sets a reference deviation corresponding to each of the plurality of cycles.
  • the controller 120 may be configured to set a reference deviation in each of the plurality of cycle sections, and set the reference deviation corresponding to the first cycle section among the plurality of cycle sections to be lower than the reference deviation corresponding to the remaining cycle sections. have.
  • the reference deviation set in the first cycle period R1 may be set to be smaller than the reference deviation set in the second cycle period R2 .
  • the decrease in the capacity change rate in the initial cycle may be small. have.
  • the capacity of the active material having a low charge/discharge efficiency and a low response voltage is expressed, the total capacity of the battery may be preserved, but the deterioration of the battery may be accelerated.
  • the rate of change of the capacity retention rate in the first cycle section R1 is the capacity retention rate in the second cycle section R2 due to the capacity expression of SiO. may be lower than the rate of change.
  • the control unit 120 sets the reference deviation for the first cycle section R1 to be lower than the reference deviation for the second cycle section R2. can And, the control unit 120 adjusts the discharge termination voltage of the battery based on the reference deviation set differently in the first cycle section (R1) and the second cycle section (R2), thereby controlling the capacity expression of SiO contained in the battery. can be more restrained. Therefore, since the capacity expression of SiO in the battery can be effectively reduced in the initial cycle, the lifespan of the battery can be increased, and the performance efficiency can be improved.
  • the battery management apparatus 100 may be applied to a Battery Management System (BMS). That is, the BMS according to the present invention may include the above-described battery management apparatus 100 . In this configuration, at least some of each component of the battery management apparatus 100 may be implemented by supplementing or adding functions of the configuration included in the conventional BMS. For example, the measurement unit 110 , the control unit 120 , and the storage unit 130 of the battery management apparatus 100 may be implemented as components of the BMS.
  • BMS Battery Management System
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack 1 according to another embodiment of the present invention.
  • the battery management apparatus 100 according to the present invention may be provided in the battery pack 1 . That is, the battery pack 1 according to the present invention may include the battery management apparatus 100 and one or more battery cells B described above. In addition, the battery pack 1 may further include electrical equipment (relays, fuses, etc.) and a case.
  • the load 2 may be connected to the battery B through the positive terminal P+ and the negative terminal P ⁇ of the battery pack 1 .
  • the load 2 may be configured to charge and discharge the battery B.
  • the load 2 is capable of discharging the battery B to the discharge end voltage.
  • the load 2 may discharge the battery B to correspond to the discharge termination voltage changed by the controller 120 .
  • the measurement unit 110 may be connected to the battery B through the first sensing line SL1 and the second sensing line SL2 .
  • the measurement unit 110 may measure the positive voltage of the battery B through the first sensing line SL1 and measure the negative voltage of the battery B through the second sensing line SL2 .
  • the measurement unit 110 may measure the voltage of the battery B by calculating a difference between the measured positive voltage and the negative voltage.
  • the measurement unit 110 measures the voltage of the reference cell RB, but the controller 120 terminates the discharge of the reference cell RB. Voltage may not be adjustable.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a battery management method according to another embodiment of the present invention.
  • each step of the battery management method may be performed by the battery management apparatus 100 .
  • the battery management apparatus 100 Preferably, each step of the battery management method may be performed by the battery management apparatus 100 . Note that in the following, content overlapping with the previously described content will be omitted or briefly described.
  • the battery management method may include a voltage measuring step ( S100 ), a first voltage deviation calculating step ( S200 ), a second voltage deviation calculating step ( S300 ), and a discharging termination voltage adjusting step ( S400 ). .
  • the voltage measuring step ( S100 ) is a step of measuring the voltage of the battery (B) after the discharging of the battery (B) is terminated up to a preset discharging end voltage for each cycle, and may be performed by the measuring unit ( 110 ). have.
  • the first voltage deviation calculating step S200 is a step of calculating a first voltage deviation of the battery B based on a preset first reference voltage and the voltage of the battery B, and is performed by the controller 120 can be performed.
  • the controller 120 may calculate the first voltage deviation for the battery B for each cycle based on the measured voltage of the battery B and the preset first reference voltage.
  • the second voltage deviation calculating step S300 is a step of calculating a second voltage deviation between the first voltage deviation and a preset second reference voltage in each cycle, and may be performed by the controller 120 .
  • the controller 120 calculates the difference between the first voltage deviation VD1 and the second reference voltage VR2 of the battery according to Equation 2 and calculates the second The voltage deviation VD2 can be calculated.
  • the second reference voltage VR2 of the 0th to 19th cycles may be 0 mV, which is the first voltage deviation VD1 of the 0th cycle.
  • the controller 120 calculates the difference between the first voltage deviation VD1 and the second reference voltage VR2 of the battery according to Equation 2,
  • the voltage deviation VD2 can be calculated.
  • the second reference voltage VR2 of the 20th to 139th cycles may be 28mV, which is the first voltage deviation VD1 of the 20th cycle.
  • the reference cycle after the 140th cycle of the embodiment of FIG. 2 may be the 140th cycle
  • the second reference voltage VR2 may be 56mV, which is the first voltage deviation VD1 of the 140th cycle.
  • the discharging termination voltage adjustment step ( S400 ) is a step of adjusting the discharging termination voltage based on a reference deviation set to correspond to the current cycle and a second voltage deviation calculated in the current cycle, and may be performed by the controller 120 . have.
  • the reference deviation set for the first cycle period R1 may be 7 mV
  • the reference deviation set for the second cycle period R2 may be 10 mV
  • the second voltage deviation calculated in the 19th cycle may be 7mV. That is, in the 19th cycle, the second voltage deviation (7mv) between the second reference voltage (0mV) and the first voltage deviation (-7mV) is greater than or equal to the reference deviation (7mV) set for the first cycle period (R1),
  • the controller 120 may increase the discharge termination voltage from the twentieth cycle.
  • the second reference voltage may be changed from 0mV to 28mV from the twentieth cycle. That is, after the discharge termination voltage is changed, the controller 120 may be configured to change the second reference voltage to the first voltage deviation corresponding to a cycle after the discharge termination voltage is changed.
  • the second voltage deviation calculated in the 139th cycle may be 10mV. That is, in the 139th cycle, since the second voltage deviation (10mV) between the second reference voltage (28mV) and the first voltage deviation (18mV) is equal to or greater than the reference deviation (10mV) set for the second cycle section R2, the control unit Reference numeral 120 further increases the discharge termination voltage from the 140 th cycle.
  • the second reference voltage may be changed from 28mV to 56mV from the 140th cycle.
  • the discharge termination voltage may not be further increased by the controller 120 .
  • control unit 120 control unit

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 사이클마다 미리 설정된 방전 종료 전압까지 배터리의 방전이 종료된 후 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 사이클마다 상기 측정부로부터 상기 배터리의 전압 정보를 수신하고, 미리 설정된 제1 기준 전압과 상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 제1 전압 편차를 산출하며, 각각의 사이클에서의 상기 제1 전압 편차와 미리 설정된 제2 기준 전압 간의 제2 전압 편차를 산출하고, 현재 사이클에 대응되도록 설정된 기준 편차와 상기 현재 사이클에서 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법
본 출원은 2021년 01월 12일 자로 출원된 한국 특허 출원번호 제 10-2021-0004158호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 성능 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
또한, 최근에는 배터리의 고용량화 및 고출력화 등의 다양한 목표를 달성하기 위하여, 2종 이상의 물질이 혼합된 음극 활물질에 대해 연구가 진행되고 있다. 다만, 2종 이상의 물질은 서로 충방전 효율과 반응 전압대가 상이하기 때문에, 상대적으로 충방전 효율이 낮은 물질의 빠른 퇴화로 인하여 배터리의 퇴화 이슈가 발생되고 있다. 따라서, 2종 이상의 물질이 혼합된 음극 활물질을 포함하는 배터리에 대하여, 수명을 증대시킬 수 있는 방안 마련이 필요한 실정이다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리의 방전 종료 전압을 조정함으로써, 배터리의 성능 효율 및 수명을 증대시킬 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 사이클마다 미리 설정된 방전 종료 전압까지 배터리의 방전이 종료된 후 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 사이클마다 상기 측정부로부터 상기 배터리의 전압 정보를 수신하고, 미리 설정된 제1 기준 전압과 상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 제1 전압 편차를 산출하며, 각각의 사이클에서의 상기 제1 전압 편차와 미리 설정된 제2 기준 전압 간의 제2 전압 편차를 산출하고, 현재 사이클에 대응되도록 설정된 기준 편차와 상기 현재 사이클에서 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 미리 설정된 복수의 사이클 구간 중 상기 현재 사이클이 속하는 사이클 구간을 결정하고, 결정된 사이클 구간에 대해 설정된 기준 편차와 상기 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 산출된 제2 전압 편차가 상기 기준 편차 이상이면, 상기 방전 종료 전압을 증가시키도록 구성될 수 있다.
상기 복수의 사이클 구간은, 상기 배터리에 대응되는 기준 셀에 대한 사이클별 용량 보존율에 기초하여 설정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리에 대응되는 기준 셀에 대하여 사이클과 용량 간의 대응 관계를 나타내는 용량 프로파일을 획득하고, 상기 용량 프로파일에 포함된 복수의 사이클을 상기 사이클에 대한 용량 변화율에 따라 복수의 사이클 구간으로 구분 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 사이클 구간 각각에 상기 기준 편차를 설정하되, 상기 복수의 사이클 구간 중 최초 사이클 구간에 대응되는 상기 기준 편차를 나머지 사이클 구간에 대응되는 상기 기준 편차보다 낮게 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 방전 종료 전압이 변경된 후, 상기 제2 기준 전압을 상기 방전 종료 전압이 변경된 이후의 사이클에 대응되는 상기 제1 전압 편차로 변경하도록 구성될 수 있다.
상기 측정부는, 상기 배터리의 방전이 종료되고 소정의 시간이 경과된 후, 상기 배터리의 휴지 전압을 측정하고, 상기 배터리의 전압 정보로써 상기 휴지 전압을 송신하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 휴지 전압과 상기 제1 기준 전압 간의 차이를 계산하여 상기 제1 전압 편차를 산출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은 사이클마다 미리 설정된 방전 종료 전압까지 배터리의 방전이 종료된 후, 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 미리 설정된 제1 기준 전압과 상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 제1 전압 편차를 산출하는 제1 전압 편차 산출 단계; 각각의 사이클에서의 상기 제1 전압 편차와 미리 설정된 제2 기준 전압 간의 제2 전압 편차를 산출하는 제2 전압 편차 산출 단계; 및 현재 사이클에 대응되도록 설정된 기준 편차와 상기 현재 사이클에서 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하는 방전 종료 전압 조정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리의 전압에 기반하여 방전 종료 전압을 조정함으로써, 배터리의 성능 효율을 향상시키고, 배터리의 수명을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 전압 프로파일과 기준 셀의 전압 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 용량 프로파일과 기준 셀의 용량 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 CE 프로파일과 기준 셀의 CE 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 측정부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 사이클마다 미리 설정된 방전 종료 전압까지 배터리의 방전이 종료된 후, 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 파우치형 리튬 이온 전지 하나가 배터리로 간주될 수 있다.
여기서, 사이클은 배터리가 완전 충전된 후 완전 방전되는 횟수를 나타낼 수 있다. 예컨대, 배터리의 SOC(State of charge)가 0%에서 100%까지 충전되고, 배터리의 SOC가 100%에서 0%까지 방전되는 과정이 1 사이클로 표현될 수 있다.
구체적으로, 상기 측정부(110)는, 상기 배터리의 방전이 종료되고 소정의 시간이 경과된 후, 상기 배터리의 휴지 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 측정부(110)는 배터리에 대한 방전이 종료된 후, 소정의 시간이 경과된 후의 배터리의 개방 전압(Open circuit voltage, OCV)을 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 상기 사이클마다 상기 측정부(110)로부터 상기 배터리의 전압 정보를 수신하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 측정부(110)와 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 측정부(110)로부터 사이클마다 배터리의 전압 정보를 수신할 수 있다.
구체적으로, 측정부(110)는 사이클마다 배터리의 전압 정보를 제어부(120)로 송신하되, 배터리의 전압 정보로써 상기 휴지 전압을 송신하도록 구성될 수 있다.
제어부(120)는 미리 설정된 제1 기준 전압과 상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 제1 전압 편차를 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 하기의 수학식 1을 계산하여, 제1 전압 편차를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
VD1 = V - VR1
여기서, VD1은 제1 전압 편차이고, V는 측정부(110)에 의해 측정된 배터리의 전압이며, VR1은 제1 기준 전압일 수 있다.
구체적으로, 제1 기준 전압은 BOL(Beginning of life) 상태의 배터리에 대하여 설정되는 것으로, BOL 상태의 배터리에 대한 개방 전압으로 설정될 수 있다. 바람직하게, 제1 기준 전압은 BOL 상태의 배터리에 대한 방전 종료 후 개방 전압으로 설정될 수 있다. 즉, 제1 전압 편차(VD1)는 미리 설정된 제1 기준 전압(개방 전압)과 측정된 배터리의 전압(개방 전압) 간의 차이에 따라 산출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 전압 프로파일(Pv)과 기준 셀의 전압 프로파일(Rv)을 개략적으로 도시한 도면이다. 구체적으로, 배터리의 전압 프로파일(Pv)은 사이클과 배터리의 전압 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일일 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제0 사이클에서는 제1 전압 편차(VD1)가 0mV로 미리 설정될 수 있다. 제19 사이클에서는 수학식 1에 따른 "배터리의 전압(V) - 제1 기준 전압(VR1)"의 계산 결과로, 제1 전압 편차(VD1)가 -7mV로 산출될 수 있다. 즉, 제19 사이클에서는 제1 기준 전압(VR1)보다 배터리의 전압(V)이 낮을 수 있다.
제어부(120)는 각각의 사이클에서의 상기 제1 전압 편차와 미리 설정된 제2 기준 전압 간의 제2 전압 편차를 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 하기의 수학식 2를 계산하여, 제2 전압 편차를 산출할 수 있다.
[수학식 2]
VD2 = |VD1 - VR2|
여기서, VD2는 제2 전압 편차이고, VD1은 수학식 1에 따른 제1 전압 편차이며, VR2는 제2 기준 전압일 수 있다. 구체적으로, 제2 기준 전압(VR2)은 제0 사이클 또는 방전 종료 전압이 변경된 직후의 사이클에서의 제1 전압 편차(VD1)일 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제0 내지 제19 사이클의 제2 기준 전압(VR2)은 0mV일 수 있다. 즉, 제0 내지 제19 사이클에서의 기준 사이클은 제0 사이클이며, 제2 기준 전압(VR2)은 제0 사이클의 제1 전압 편차(VD1)인 0mV일 수 있다. 즉, 제0 사이클에서는 제1 전압 편차(VD1) 및 제2 기준 전압(VR2)이 0mV로 미리 설정될 수 있다. 제0 내지 제19 사이클에서, 제어부(120)는 수학식 2에 따라 배터리의 제1 전압 편차(VD1)와 제2 기준 전압(VR2) 간의 차이를 계산하여, 제2 전압 편차(VD2)를 산출할 수 있다.
또한, 도 2의 실시예에서, 제20 사이클 내지 제139 사이클의 제2 기준 전압(VR2)은 28mV일 수 있다. 즉, 제20 사이클 내지 제139 사이클에서의 기준 사이클은 제20 사이클이며, 제2 기준 전압(VR2)은 제20 사이클의 제1 전압 편차(VD1)인 28mV일 수 있다. 제20 내지 제139 사이클에서, 제어부(120)는 수학식 2에 따라 배터리의 제1 전압 편차(VD1)와 제2 기준 전압(VR2) 간의 차이를 계산하여, 제2 전압 편차(VD2)를 산출할 수 있다.
또한, 도 2의 실시예에서, 제140 사이클 이후의 기준 사이클은 제140 사이클이며, 제2 기준 전압(VR2)은 제140 사이클의 제1 전압 편차(VD1)인 56mV일 수 있다. 제140 사이클 이후에서, 제어부(120)는 수학식 2에 따라 배터리의 제1 전압 편차(VD1)와 제2 기준 전압(VR2) 간의 차이를 계산하여, 제2 전압 편차(VD2)를 산출할 수 있다.
제어부(120)는 현재 사이클에 대응되도록 설정된 기준 편차와 상기 현재 사이클에서 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(120)는, 미리 설정된 복수의 사이클 구간 중 상기 현재 사이클이 속하는 사이클 구간을 결정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 복수의 사이클 구간은 제1 사이클 구간(R1)과 제2 사이클 구간(R2)을 포함할 수 있다. 제1 사이클 구간(R1)은 제0 내지 제100 사이클을 포함하고, 제2 사이클 구간(R2)은 제101 내지 제400 사이클을 포함할 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 결정된 사이클 구간에 대해 설정된 기준 편차와 상기 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는, 상기 산출된 제2 전압 편차가 상기 기준 편차 이상이면, 상기 방전 종료 전압을 증가시키도록 구성될 수 있다. 반대로, 제어부(120)는, 상기 산출된 제2 전압 편차가 상기 기준 편차 미만이면, 상기 방전 종료 전압을 그대로 유지시킬 수 있다.
도 2의 실시예에서, 제1 사이클 구간(R1)에 대해 설정된 기준 편차는 7mV이고, 제2 사이클 구간(R2)에 대해 설정된 기준 편차는 10mV일 수 있다. 그리고, 제19 사이클에서 산출된 제2 전압 편차는 7mV일 수 있다. 즉, 제19 사이클에서는, 제2 기준 전압(0mV)과 제1 전압 편차(-7mV) 간의 제2 전압 편차(7mv)가 제1 사이클 구간(R1)에 대해 설정된 기준 편차(7mV) 이상이므로, 제어부(120)는 제20 사이클부터 방전 종료 전압을 증가시킬 수 있다.
그리고, 제2 기준 전압은 제20 사이클부터 0mV에서 28mV로 변경될 수 있다. 즉, 상기 제어부(120)는, 상기 방전 종료 전압이 변경된 후, 상기 제2 기준 전압을 상기 방전 종료 전압이 변경된 이후의 사이클에 대응되는 상기 제1 전압 편차로 변경하도록 구성될 수 있다.
또한, 제139 사이클에서 산출된 제2 전압 편차는 10mV일 수 있다. 즉, 제139 사이클에서는, 제2 기준 전압(28mV)과 제1 전압 편차(18mV) 간의 제2 전압 편차(10mV)가 제2 사이클 구간(R2)에 대해 설정된 기준 편차(10mV) 이상이므로, 제어부(120)는 제140 사이클부터 방전 종료 전압을 더 증가시킬 수 있다.
그리고, 제2 기준 전압은 제140 사이클부터 28mV에서 56mV로 변경될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 제140 사이클 이후에는 제2 전압 편차가 기준 편차 이상으로 산출되지 않았기 때문에, 제어부(120)에 의해 방전 종료 전압이 더 증가되지 않을 수 있다.
도 2를 더 참조하면, 기준 셀의 전압 프로파일(Rv)은 제어부(120)에 의해 방전 종료 전압이 조정되지 않는 기준 셀에 대한 전압 프로파일일 수 있다. 여기서, 기준 셀은 배터리에 대응되는 것으로서, 본 발명에 따른 실시예와 비교될 수 있는 비교예를 위해 준비된 배터리일 수 있다.
기준 셀에 대해서는 방전 종료 전압이 조정되지 않기 때문에, 약 제210 사이클까지 기준 셀의 제1 전압 편차가 감소되고, 그 이후부터는 제1 전압 편차가 증가될 수 있다.
배터리와 기준 셀 간의 구체적인 비교는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 용량 프로파일(Pcr)과 기준 셀의 용량 프로파일(Rcr)을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 3의 용량 프로파일은 사이클과 용량 보존율 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일일 수 있다. 여기서, 용량 보존율이란, 초기 사이클에서의 배터리의 방전 용량에 대한 현재 사이클에서의 방전 용량의 비율일 수 있다.
일반적으로, 배터리 셀은 사이클이 증가될수록 퇴화되기 때문에, 사이클이 증가됨에 따라 용량 보존율이 감소될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제0 사이클 내지 제19 사이클까지는 배터리와 기준 셀의 용량 보존율이 동일하게 감소될 수 있다. 반면, 배터리에 대한 방전 종료 전압이 조정된 제20 사이클부터는 배터리의 용량 보존율의 감소율이 기준 셀의 용량 보존율의 감소율 보다 낮아질 수 있다. 또한, 배터리에 대한 방전 종료 전압이 더 조정된 제140 사이클부터는 배터리의 용량 보존율의 감소율이 기준 셀의 용량 보존율의 감소율 보다 더 낮아질 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 배터리에 대한 방전 종료 전압을 적절하게 조정함으로써, 배터리의 용량 보존율의 감소율을 낮출 수 있다. 따라서, 배터리와 기준 셀이 퇴화될수록 배터리가 기준 셀에 비해 더 많은 용량을 보존할 수 있기 때문에, 배터리의 수명이 증대될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 CE 프로파일(Pce)과 기준 셀의 CE 프로파일(Rce)을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 4의 CE 프로파일은 사이클과 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE) 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일이다. 여기서, 쿨롱 효율이란 직전 사이클에서의 용량에 대한 현재 사이클에서의 용량의 비율을 의미한다.
도 4를 참조하면, 배터리에 대한 쿨롱 효율은 제0 내지 약 제160 사이클에서 일정 수준 내로 유지될 수 있다. 도 2를 더 참조하면, 제20 사이클 및 제140 사이클에서 방전 종료 전압이 조정되었기 때문에, 제20 사이클 및 제140 사이클에서의 쿨롱 효율은 일시적으로 감소될 수 있지만, 그 외의 사이클에서는 쿨롱 효율이 일정 수준 내에서 유지될 수 있다.
또한, 배터리에 대한 쿨롱 효율은 약 제160 이후에도 일정 수준 내로 유지되고, 약 제300 사이클 이후부터 증가될 수 있다.
반면, 기준 셀에 대한 쿨롱 효율은 사이클이 증가함에 따라 감소되고, 약 제300 사이클 이후부터 증가될 수 있다.
즉, 제어부에 의해 방전 종료 전압이 조정되는 배터리의 쿨롱 효율은 일정 범위 내에서 유지되지만, 방전 종료 전압이 전혀 조정되지 않은 기준 셀은 사이클이 증가함에 따라(기준 셀이 퇴화됨에 따라) 감소되는 경향을 보인다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 배터리의 전압에 기반하여 방전 종료 전압을 조정함으로써, 배터리에 대한 쿨롱 효율을 일정 수준으로 유지시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서, 기준 셀과 비교할 때, 배터리의 성능 효율이 향상될 수 있다.
한편, 배터리 관리 장치(100)에 구비된 제어부(120)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 관리 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(130)는 제어부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
예컨대, 저장부(130)에는 기준 셀에 대한 전압 프로파일, 용량 프로파일 및 CE 프로파일이 미리 저장될 수 있다.
상기 복수의 사이클 구간은, 상기 배터리에 대응되는 기준 셀에 대한 사이클별 용량 보존율에 기초하여 설정될 수 있다.
바람직하게, 배터리 및 기준 셀은 2종 이상의 물질이 혼합되어 제작된 음극 활물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 배터리 및 기준 셀은 충방전 효율과 반응 전압대가 서로 상이한 2종 이상의 물질이 혼합된 음극 활물질을 포함할 수 있다.
예컨대, 도 2 내지 도 4의 실시예에서, 배터리 및 기준 셀은 SiO 및 Graphite가 혼합된 음극 활물질을 포함할 수 있다. 이 경우, SiO는 Graphite에 비해 충방전 효율 및 반응 전압대가 낮고, 초기 사이클에서 용량이 더 발현될 수 있다.
따라서, 복수의 사이클 구간은 SiO에 의해 용량이 더 발현되는 사이클 구간과 Graphite에 의해 용량이 더 발현되는 사이클 구간으로 미리 구분 설정될 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 복수의 사이클 구간은 SiO에 대응되는 제0 내지 제100 사이클을 포함하는 제1 사이클 구간(R1)과 Graphite에 대응되는 제101 사이클 이후의 제2 사이클 구간(R2)으로 미리 구분되어 설정될 수 있다.
따라서, 배터리 관리 장치(100)는 배터리에 포함된 복합 음극 활물질을 고려하여 복수의 사이클 구간을 설정하고, 각각의 사이클 구간에 대한 기준 편차를 설정함으로써, 배터리의 퇴화에 대응되도록 방전 종료 전압을 조정할 수 있다. 따라서, 복합 음극 활물질을 포함하는 배터리의 수명이 증대될 수 있다.
이하에서는, 복수의 사이클 구간이 제어부(120)에 의해 설정되는 실시예를 설명한다.
상기 제어부(120)는, 상기 배터리에 대응되는 기준 셀에 대하여 사이클과 용량 간의 대응 관계를 나타내는 용량 프로파일을 획득하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 기준 셀의 용량 프로파일(Rcr)을 획득할 수 있다. 제어부(120)는 외부 서버 또는 외부 장치로부터 기준 셀의 용량 프로파일(Rcr)을 획득할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 저장부(130)에 접근(Access)하여, 저장부(130)에 미리 저장된 기준 셀의 용량 프로파일(Rcr)을 획득할 수도 있다.
제어부(120)는 상기 용량 프로파일에 포함된 복수의 사이클을 상기 사이클에 대한 용량 변화율에 따라 복수의 사이클 구간으로 구분 설정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 용량 변화율이란, 사이클에 대한 용량 보존율의 순간 변화율일 수 있다. 즉, 제어부(120)는 획득한 기준 셀의 용량 프로파일(Rcr)에 기반하여, 사이클에 대한 용량 보존율의 순간 변화율을 상기 용량 변화율로써 산출할 수 있다.
제어부(120)는 산출된 용량 변화율과 기준 변화율을 비교하고, 비교 결과에 따라 복수의 사이클 구간을 설정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 제0 사이클부터 1 사이클씩 사이클을 증가하면서 용량 변화율과 기준 변화율을 비교할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 용량 변화율이 기준 변화율 이하인 사이클을 결정하고, 결정된 사이클을 기준으로 복수의 사이클 구간을 구분할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 기준 셀의 퇴화가 가속되는 사이클을 기준으로 복수의 사이클 구간을 구분하도록 구성될 수 있다.
도 3의 실시예에서, 제100 사이클에서의 용량 변화율은 기준 변화율 이하일 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 제100 사이클을 기준으로 이전의 사이클들을 제1 사이클 구간(R1)으로 설정하고, 이후의 사이클들을 제2 사이클 구간(R2)으로 설정할 수 있다.
따라서, 배터리 관리 장치(100)는 2종 이상의 물질이 혼합된 복합 음극 활물질을 포함하는 기준 셀의 용량 프로파일(Rcr)에 기반하여 복수의 사이클 구간을 설정하고, 복수의 사이클 각각에 대응되는 기준 편차를 설정함으로써, 배터리의 방전 종료 전압을 적절하게 조정할 수 있는 장점이 있다.
상기 제어부(120)는, 상기 복수의 사이클 구간 각각에 기준 편차를 설정하되, 상기 복수의 사이클 구간 중 최초 사이클 구간에 대응되는 기준 편차를 나머지 사이클 구간에 대응되는 기준 편차보다 낮게 설정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 2 내지 도 4의 실시예에서, 제1 사이클 구간(R1)에 설정된 기준 편차는 제2 사이클 구간(R2)에 설정된 기준 편차보다 작게 설정될 수 있다.
구체적으로, 2종 이상의 복합 음극 활물질을 포함하는 배터리는, 초기 사이클에서 충방전 효율 및 반응 전압대가 낮은 활물질의 사용 영역이 확장되어 용량이 발현되기 때문에, 초기 사이클에서의 용량 변화율의 감소폭이 작을 수 있다.
다만, 충방전 효율 및 반응 전압대가 낮은 활물질의 용량이 발현됨에 따라, 배터리의 총 용량을 보존되는 것으로 보일지라도, 배터리의 퇴화는 가속되고 있을 수 있다.
예컨대, 도 3의 기준 셀의 용량 프로파일(Rcr)을 참조하면, 제1 사이클 구간(R1)에서의 용량 보존율의 변화율은, SiO의 용량 발현으로 인하여 제2 사이클 구간(R2)에서의 용량 보존율의 변화율보다 낮을 수 있다. 다만, SiO의 용량 발현으로 인해 기준 셀의 퇴화가 진행되고 있는 것이기 때문에, 제어부(120)는 제1 사이클 구간(R1)에 대한 기준 편차를 제2 사이클 구간(R2)에 대한 기준 편차 보다 낮게 설정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 제1 사이클 구간(R1)과 제2 사이클 구간(R2)에서 서로 상이하게 설정된 기준 편차에 기반하여 배터리의 방전 종료 전압을 조정함으로써, 배터리에 포함된 SiO의 용량 발현을 보다 억제할 수 있다. 따라서, 초기 사이클에서 배터리에서 SiO의 용량 발현이 효과적으로 감소될 수 있기 때문에, 배터리의 수명이 증대되고, 성능 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 관리 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치(100)의 측정부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리 팩(1)에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상술한 배터리 관리 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀(B)을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(1)은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 및 음극 단자(P-)를 통해 부하(2)가 배터리(B)와 연결될 수 있다. 부하(2)는 배터리(B)를 충전 및 방전시키도록 구성될 수 있다. 바람직하게, 부하(2)는 배터리(B)를 방전 종료 전압까지 방전시킬 수 있다. 또한, 부하(2)는 제어부(120)에 의해 변경된 방전 종료 전압에 대응되도록 배터리(B)를 방전시킬 수 있다.
측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1) 및 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)와 연결될 수 있다. 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(B)의 양극 전압을 측정하고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 음극 전압을 측정할 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 측정한 양극 전압과 음극 전압 간의 차이를 계산하여, 배터리(B)의 전압을 측정할 수 있다.
만약, 배터리 팩(1)에 기준 셀(RB)이 포함된 경우, 측정부(110)는 기준 셀(RB)의 전압을 측정하지만, 제어부(120)에 의해 기준 셀(RB)에 대한 방전 종료 전압이 조정되지 않을 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 관리 방법의 각 단계는 배터리 관리 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명함을 유의한다.
도 6을 참조하면, 배터리 관리 방법은 전압 측정 단계(S100), 제1 전압 편차 산출 단계(S200), 제2 전압 편차 산출 단계(S300) 및 방전 종료 전압 조정 단계(S400)를 포함할 수 있다.
전압 측정 단계(S100)는, 사이클마다 미리 설정된 방전 종료 전압까지 배터리(B)의 방전이 종료된 후, 상기 배터리(B)의 전압을 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
제1 전압 편차 산출 단계(S200)는, 미리 설정된 제1 기준 전압과 상기 배터리(B)의 전압에 기반하여 상기 배터리(B)의 제1 전압 편차를 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 측정된 배터리(B)의 전압과 미리 설정된 제1 기준 전압에 기반하여, 배터리(B)에 대한 제1 전압 편차를 사이클마다 산출할 수 있다.
제2 전압 편차 산출 단계(S300)는, 각각의 사이클에서의 상기 제1 전압 편차와 미리 설정된 제2 기준 전압 간의 제2 전압 편차를 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예의 제0 내지 제19 사이클에서, 제어부(120)는 수학식 2에 따라 배터리의 제1 전압 편차(VD1)와 제2 기준 전압(VR2) 간의 차이를 계산하여, 제2 전압 편차(VD2)를 산출할 수 있다. 제0 내지 제19 사이클의 제2 기준 전압(VR2)은 제0 사이클의 제1 전압 편차(VD1)인 0mV일 수 있다.
또한, 도 2의 실시예의 제20 내지 제139 사이클에서, 제어부(120)는 수학식 2에 따라 배터리의 제1 전압 편차(VD1)와 제2 기준 전압(VR2) 간의 차이를 계산하여, 제2 전압 편차(VD2)를 산출할 수 있다. 제20 내지 제139 사이클의 제2 기준 전압(VR2)은 제20 사이클의 제1 전압 편차(VD1)인 28mV일 수 있다.
또한, 도 2의 실시예의 제140 사이클 이후의 기준 사이클은 제140 사이클이며, 제2 기준 전압(VR2)은 제140 사이클의 제1 전압 편차(VD1)인 56mV일 수 있다.
방전 종료 전압 조정 단계(S400)는 현재 사이클에 대응되도록 설정된 기준 편차와 상기 현재 사이클에서 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
도 2의 실시예에서, 제1 사이클 구간(R1)에 대해 설정된 기준 편차는 7mV이고, 제2 사이클 구간(R2)에 대해 설정된 기준 편차는 10mV일 수 있다. 그리고, 제19 사이클에서 산출된 제2 전압 편차는 7mV일 수 있다. 즉, 제19 사이클에서는, 제2 기준 전압(0mV)과 제1 전압 편차(-7mV) 간의 제2 전압 편차(7mv)가 제1 사이클 구간(R1)에 대해 설정된 기준 편차(7mV) 이상이므로, 제어부(120)는 제20 사이클부터 방전 종료 전압을 증가시킬 수 있다.
그리고, 제2 기준 전압은 제20 사이클부터 0mV에서 28mV로 변경될 수 있다. 즉, 상기 제어부(120)는, 상기 방전 종료 전압이 변경된 후, 상기 제2 기준 전압을 상기 방전 종료 전압이 변경된 이후의 사이클에 대응되는 상기 제1 전압 편차로 변경하도록 구성될 수 있다.
또한, 제139 사이클에서 산출된 제2 전압 편차는 10mV일 수 있다. 즉, 제139 사이클에서는, 제2 기준 전압(28mV)과 제1 전압 편차(18mV) 간의 제2 전압 편차(10mV)가 제2 사이클 구간(R2)에 대해 설정된 기준 편차(10mV) 이상이므로, 제어부(120)는 제140 사이클부터 방전 종료 전압을 더 증가시킬 수 있다.
그리고, 제2 기준 전압은 제140 사이클부터 28mV에서 56mV로 변경될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 제140 사이클 이후에는 제2 전압 편차가 기준 편차 이상으로 산출되지 않았기 때문에, 제어부(120)에 의해 방전 종료 전압이 더 증가되지 않을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
(부호의 설명)
1: 배터리 팩
2: 부하
100: 배터리 관리 장치
110: 측정부
120: 제어부
130: 저장부

Claims (10)

  1. 사이클마다 미리 설정된 방전 종료 전압까지 배터리의 방전이 종료된 후 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및
    상기 사이클마다 상기 측정부로부터 상기 배터리의 전압 정보를 수신하고, 미리 설정된 제1 기준 전압과 상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 제1 전압 편차를 산출하며, 각각의 사이클에서의 상기 제1 전압 편차와 미리 설정된 제2 기준 전압 간의 제2 전압 편차를 산출하고, 현재 사이클에 대응되도록 설정된 기준 편차와 상기 현재 사이클에서 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    미리 설정된 복수의 사이클 구간 중 상기 현재 사이클이 속하는 사이클 구간을 결정하고, 결정된 사이클 구간에 대해 설정된 기준 편차와 상기 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 제2 전압 편차가 상기 기준 편차 이상이면, 상기 방전 종료 전압을 증가시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 사이클 구간은,
    상기 배터리에 대응되는 기준 셀에 대한 사이클별 용량 보존율에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리에 대응되는 기준 셀에 대하여 사이클과 용량 간의 대응 관계를 나타내는 용량 프로파일을 획득하고, 상기 용량 프로파일에 포함된 복수의 사이클을 상기 사이클에 대한 용량 변화율에 따라 복수의 사이클 구간으로 구분 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 사이클 구간 각각에 상기 기준 편차를 설정하되, 상기 복수의 사이클 구간 중 최초 사이클 구간에 대응되는 상기 기준 편차를 나머지 사이클 구간에 대응되는 상기 기준 편차보다 낮게 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 방전 종료 전압이 변경된 후, 상기 제2 기준 전압을 상기 방전 종료 전압이 변경된 이후의 사이클에 대응되는 상기 제1 전압 편차로 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 배터리의 방전이 종료되고 소정의 시간이 경과된 후, 상기 배터리의 휴지 전압을 측정하고, 상기 배터리의 전압 정보로써 상기 휴지 전압을 송신하도록 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 휴지 전압과 상기 제1 기준 전압 간의 차이를 계산하여 상기 제1 전압 편차를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩.
  10. 사이클마다 미리 설정된 방전 종료 전압까지 배터리의 방전이 종료된 후, 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계;
    미리 설정된 제1 기준 전압과 상기 배터리의 전압에 기반하여 상기 배터리의 제1 전압 편차를 산출하는 제1 전압 편차 산출 단계;
    각각의 사이클에서의 상기 제1 전압 편차와 미리 설정된 제2 기준 전압 간의 제2 전압 편차를 산출하는 제2 전압 편차 산출 단계; 및
    현재 사이클에 대응되도록 설정된 기준 편차와 상기 현재 사이클에서 산출된 제2 전압 편차에 기반하여 상기 방전 종료 전압을 조정하는 방전 종료 전압 조정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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