WO2022158757A1 - 배터리 시스템 진단 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 시스템 진단 장치 및 방법 Download PDF

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WO2022158757A1
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battery
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battery cell
voltage
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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 showing the configuration of a typical pouch-type secondary battery 1
  • FIG. 2 is a combined view of the pouch-type secondary battery 1 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 early and effectively among a plurality of battery cells included in a battery system, 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 voltage measuring unit configured to measure an end voltage for each charging or discharging; and accumulating the end voltage of each battery cell measured by the voltage measuring unit over time, and detecting a battery cell in which a defect has occurred in the electrode tab among the plurality of battery cells based on the accumulated end voltage trend.
  • the processor may be configured to distinguish and detect a disconnection defect and an incomplete contact defect as the defect of the electrode tab.
  • the processor may be configured to obtain a deviation trend between the end voltage trend and a reference trend, and detect whether an electrode tap of each battery cell is defective based on the obtained deviation trend.
  • the processor may be configured to obtain an average trend of termination voltages for a plurality of battery cells included in the battery system as the reference trend and compare it with the trend of the termination voltage.
  • the processor may be configured to detect a disconnection defect with respect to a corresponding battery cell when the deviation trend is equal to or greater than a reference deviation.
  • the processor may be configured to detect an incomplete contact defect with respect to a corresponding battery cell when the case where the deviation trend is equal to or greater than the reference deviation and the case where the deviation is equal to or less than the reference deviation is repeated.
  • the reference deviation may include a first reference deviation and a second reference deviation.
  • the processor may be configured to detect a defective battery cell by distinguishing a charging process and a discharging process for each battery cell.
  • 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 With respect to, measuring the end voltage for each charge or discharge; forming an end voltage trend by accumulating the end voltage of each battery cell measured in the measuring step over time; and detecting, among the plurality of battery cells, a battery cell in which a defect has occurred in the electrode tab, based on the trend of the termination voltage formed in the forming 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 a charge termination voltage trend for a plurality of battery cells obtained by a processor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a discharge termination voltage trend for a plurality of battery cells obtained by a processor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph illustrating an example of a deviation trend obtained according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a deviation trend and a reference deviation of a specific battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph illustrating a deviation trend and a reference deviation of a specific battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph illustrating a deviation trend and a reference deviation of a specific battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 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.
  • a battery system may include a plurality of such secondary batteries (battery cells). 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 10 therein.
  • the apparatus for diagnosing a battery system may include a voltage measuring unit 100 and a processor 200 .
  • the voltage measuring unit 100 may be configured to measure a voltage of each of the plurality of battery cells 1 included in the battery system.
  • the voltage measuring unit may include a voltage sensor to measure the voltage across both ends of each battery cell 1 included in the battery system.
  • the voltage measuring unit may be configured to measure an end voltage for each charging or discharging.
  • the voltage measuring unit may be configured to measure a voltage (charging termination voltage) whenever the charging of each battery cell 1 is terminated.
  • the voltage measuring unit may be configured to measure a voltage (discharge termination voltage) whenever the discharging of each battery cell 1 is terminated.
  • the processor 200 may be electrically connected to the voltage measuring unit to receive measured data from the voltage measuring unit.
  • the processor 200 since the voltage measuring unit can measure the charge/discharge end voltage (charge end voltage and/or discharge end voltage) for each of the plurality of battery cells 1 , the processor 200 performs the above-described method for each battery cell 1 . ) can receive information about the measured voltage from the voltage measuring unit.
  • the processor 200 may be configured to accumulate the end voltage of each battery cell 1 transmitted in this way over time.
  • the processor 200 may acquire a charge/discharge end voltage trend according to this accumulation.
  • the charge/discharge end voltage trend may be data continuously indicating the charge/discharge end voltages obtained for each date in the form of a graph.
  • the processor 200 records, for each battery cell 1, each periodically or irregularly measured charge termination voltage by time, and displays it as a point, and connects each point to each battery You can get one line per cell.
  • the line obtained for each battery cell may be the end voltage trend line for the corresponding battery cell.
  • FIG. 4 is a graph showing a charge termination voltage trend for a plurality of battery cells 1 obtained by the processor 200 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a processor ( 200) is a graph showing the discharging end voltage trend for a plurality of battery cells 1 obtained by .
  • the end of charge (EOC) measured for a certain period (March to April) is displayed in the form of points for each date (hour).
  • the end of discharge voltage (EOD) measured for a predetermined period (March to April) is displayed in the form of points for each date (time).
  • the ending voltage trend for each battery cell may be obtained by connecting the ending voltage points obtained from one battery cell to each other.
  • the processor 200 When the charge/discharge end voltage of each battery cell 1 is measured and transmitted from the voltage measuring unit, the processor 200 accumulates the transmitted values, and discharges the charge end voltage trend line as shown in FIG. 4 or the discharge as shown in FIG. 5 . You can create an ending voltage trend line.
  • the processor 200 determines which battery cell 1 among the plurality of battery cells 1 included in the battery system has a problem based on the generated charging end voltage trend and/or discharging end voltage trend. can be configured to detect.
  • the processor 200 may be configured to detect the battery cell 1 in which a defect has occurred in the electrode tab 10 , based on the trend of the termination voltage obtained for each battery cell 1 .
  • the processor 200 may include any one of the plurality of battery cells 1 . It is possible to diagnose whether a defect in the electrode tab 10 has occurred.
  • the defective battery cell 1 can be diagnosed early and in a simple manner by using the charging/discharging termination voltage 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. In this case, the program module may be stored in an internal memory or an external memory and executed by the processor 200 .
  • 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 a plurality of battery cells 1 included in the battery system has a tap failure, for example, identification information or location of the defective battery cell 1 . It may be configured to convey information or the like 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 voltage measuring 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 end voltages 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 voltage measuring unit 100 and/or the processor 200 are defined.
  • the charging/discharging termination voltage may be a voltage after a period of resting for a predetermined period of time after charging/discharging is terminated.
  • the charging termination voltage may be an open circuit voltage (OCV) measured after a predetermined rest time is given after the charging process for each battery cell 1 is terminated.
  • the discharge termination voltage may be an open circuit voltage (OCV) measured after a predetermined rest time is given after the discharging process for each battery cell 1 is terminated.
  • the processor 200 may be configured to distinguish and detect a disconnection defect and an incomplete contact defect as a defect of the electrode tab 10 .
  • 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, if 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 trend of the charging/discharging termination voltage, and 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 compare the end voltage trend of each battery cell 1 with a reference trend.
  • the reference trend may be data previously calculated or stored in order to be compared with an actual end voltage trend.
  • the processor 200 may be configured to obtain a deviation trend by using a deviation between the end voltage trend and the reference trend. This will be described in more detail with reference to FIG. 6 .
  • FIG. 6 is a graph illustrating an example of a deviation trend obtained according to an embodiment of the present invention.
  • an end voltage trend for a specific battery cell 1 is indicated by A1, and a reference trend is indicated by B1.
  • the deviation trend obtained by comparing the ending voltage trend A1 and the reference trend B1 is indicated by C1.
  • This deviation trend C1 may be referred to as data for a specific battery cell 1 , that is, the battery cell 1 whose end voltage trend is measured as A1 .
  • the deviation trend C1 is data that can be obtained by the difference between the end voltage trend A1 and the reference trend B1, and is represented in the form of a sigma level as shown in FIG. 6 .
  • the deviation trend C1 may be obtained in the following manner. For example, at a specific date, the average voltage value of all battery cells included in the battery system is Vm present in the B1 graph, the voltage standard deviation of all cells is Vs, and at that date of the battery cells corresponding to the A1 graph, the average voltage value is Vm. Assume that the voltage at is V1. At this time, the deviation trend C1 at the corresponding date may be obtained in the following manner.
  • the deviation trend C1 of a specific cell may be calculated by subtracting the voltage value A1 of the corresponding cell from the overall average voltage value B1 and dividing it by the overall standard deviation.
  • the deviation trend C1 may be displayed in various other forms.
  • the deviation trend C1 may be represented as a value representing the voltage difference between the ending voltage trend A1 and the reference trend B1.
  • the unit of the deviation trend C1 may be expressed as mV or the like.
  • This deviation trend C1 can also be represented in various other forms representing the difference between the ending voltage trend A1 and the reference trend B1, and the present invention is not limited by the specific form or unit of this deviation trend. does not
  • the processor 200 may be configured to detect whether the electrode tap of the battery cell 1 is defective based on the obtained deviation trend. That is, when a deviation trend is obtained for a specific battery cell 1 as indicated by C1 in FIG. 6 , the processor 200 determines the corresponding battery cell 1 through the size or shape of the deviation trend C1. ) can be diagnosed whether the electrode tap is defective.
  • the processor 200 may be configured to obtain a deviation trend for all battery cells 1 included in the battery system. Alternatively, the processor 200 may be configured to obtain a deviation trend with respect to some battery cells 1 included in the battery system.
  • the processor 200 may be configured to acquire a deviation trend only for the battery cells 1 having an end voltage trend equal to or less than a reference value among all the battery cells 1 included in the battery system.
  • the processor 200 may be configured such that, among all the battery cells 1 included in the battery system, the deviation trend is again obtained only for cells for which the deviation trend has been previously obtained. In this case, since it is not necessary to obtain a deviation trend for all the battery cells 1 , the calculation load of the processor 200 is lowered, so that the battery system diagnosis can be performed more efficiently.
  • the processor 200 may be configured to obtain, as a reference trend, an average trend of termination voltages for a plurality of battery cells 1 included in the battery system. For example, if there are a plurality of charging termination voltage trend lines for a plurality of battery cells 1 as shown in FIG. 4 , the average value of the plurality of charging termination voltage trend lines is shown as B1 in FIG. 6 . It can be referred to as a reference trend line, such as a bar. As a more specific example, the reference trend may be obtained in the form of extracting an average value for each end voltage measurement for a plurality of battery cells 1 and connecting the extracted average values to each other.
  • the processor 200 compares the acquired average trend with the trend of the termination voltage of each battery cell 1 with each other, and the corresponding battery cell ( It is possible to diagnose whether the electrode tap of 1) is defective.
  • the processor 200 may determine whether the deviation trend is greater than or equal to a reference deviation.
  • the reference deviation is a value to be compared with the deviation trend, and may be referred to as a reference value for determining whether the deviation trend is normal.
  • the reference deviation may be appropriately set according to the specification or type of the battery system or the battery cell 1 , the operating state of the battery system, various conditions, and the like.
  • the reference deviation may be stored in advance in the memory unit 400 or the processor 200 .
  • FIG. 7 is a graph showing a deviation trend and a reference deviation of a specific battery cell 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the deviation trend obtained for a specific battery cell 1 is indicated by C2 . Since the method of acquiring such a deviation trend has been described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • the reference deviation is indicated by D2.
  • the reference deviation D2 may be stored in the memory unit 400 and the like and configured to be accessible by the processor 200 .
  • the processor 200 compares the deviation trend C2 with the reference deviation D2, and when the deviation trend C2 is greater than or equal to the reference deviation D2, the battery cell 1 is configured to detect a disconnection defect.
  • the deviation trend C2 is formed to be higher than the reference deviation D2 from the point indicated by E. Accordingly, the processor 200 may diagnose that a disconnection has occurred in the electrode tab of the corresponding battery cell 1 at the point indicated by E .
  • the disconnection defect of the battery cell 1 can be easily grasped.
  • the processor 200 may detect a tap disconnection defect with respect to the battery cell 1 when the deviation trend is greater than or equal to the reference deviation and continues for a predetermined time or longer. For example, when the deviation trend is greater than or equal to the reference deviation for 3 days or longer, the processor 200 may diagnose that the tap disconnection is defective with respect to the corresponding battery cell 1 .
  • the reference deviation is shown in a form in which the reference deviation is set to be constant regardless of the date (time), but the present invention is not necessarily limited to this form.
  • the reference deviation may be configured to change with the lapse of a date (time).
  • the reference deviation may be configured to gradually increase over time.
  • the battery cell 1 may typically deteriorate as the number of uses increases. Accordingly, even if there is no battery cell 1 in which the electrode tab is defective, the deviation between the battery cells 1 may gradually increase. Therefore, as in the above embodiment, when the reference deviation is configured to gradually increase with the lapse of the date, even when the battery cell 1 is degraded, the diagnosis of the battery cell 1 in which the electrode tap is defective can be made more accurately. have.
  • the reference deviation may be configured to be set differently according to the lapse of a date, in particular, for each season. For example, a period of one year is divided into four quarters (March- May, June-August, September-November, and December-February), and the deviations can be varied. In particular, in countries where seasonal changes are clear, through such a classification, the standard deviation can be varied for each season. Since the battery cell 1 may have a change in the termination voltage or the like according to a change in temperature, it is possible to more accurately diagnose whether the electrode tap is defective by reflecting such a situation.
  • the reference deviation may be configured to be set differently depending on the temperature.
  • the battery system diagnosis apparatus may further include a temperature measuring unit (not shown). Accordingly, when the temperature inside or around the battery system is measured by the temperature measuring unit, the measured temperature information may be transmitted to the processor 200 . Then, the processor 200 may set a reference deviation according to the temperature information, and diagnose whether there is an abnormality in the deviation trend according to the set reference deviation. For example, the processor 200 may be configured to increase the reference deviation when the temperature is high compared to when the temperature is low.
  • FIG. 8 is a graph showing a deviation trend and a reference deviation of a specific battery cell 1 according to another embodiment of the present invention. With respect to FIG. 8 , detailed descriptions of parts to which the contents described in the previous embodiments, particularly the embodiment of FIG. 7 may be applied in the same or similar manner, will be omitted.
  • the deviation trend obtained for a specific battery cell 1 is indicated by C3 .
  • the reference deviation is indicated by D3.
  • the deviation trend C3 repeatedly shows a form of increasing and then decreasing based on the reference deviation D3. That is, in the portion indicated by F1, the deviation trend C3 is higher than the reference deviation D3, and in the portion indicated by F2, the deviation trend C3 is lower than the reference deviation D3. In the portion indicated by F3, the deviation trend C3 is again higher than the reference deviation D3, and in the portion indicated by F4, the deviation trend C3 is again lower than the reference deviation D3. That is, in the embodiment of FIG. 8 , it can be seen that the deviation trend C3 repeatedly appears when the deviation trend C3 is greater than or equal to the reference deviation D3 and less than or equal to the reference deviation D3 .
  • the processor 200 is configured to detect the battery cell 1 as incomplete contact failure.
  • the processor 200 may be configured to diagnose an incomplete contact failure when the number of vertical shifts of the deviation trend with respect to the reference deviation is repeated a predetermined number of times or more.
  • the processor 200 may be configured to diagnose an incomplete contact when the number of up-and-down transitions of the deviation trend with respect to the reference deviation is repeated three or more times for a predetermined period, for example, within two months. .
  • the processor 200 may diagnose the battery cell 1 as an incomplete contact failure.
  • the processor 200 does not diagnose the battery cell 1 as an incomplete contact failure, even if there is a vertical shift of the deviation trend with respect to the reference deviation. it may not be
  • FIG. 9 is a graph showing a deviation trend and a reference deviation of a specific battery cell 1 according to another embodiment of the present invention.
  • the present embodiment will also be mainly described with respect to parts that are different from the previous embodiments.
  • the deviation trend obtained for a specific battery cell 1 is indicated by C4 .
  • the reference deviation may include a first reference deviation as indicated by D41 and a second reference deviation as indicated by D42.
  • the second reference deviation D42 may be set to be lower than the first reference deviation D41 .
  • the processor 200 is configured to repeat the case where the deviation trend C4 is equal to or greater than the first reference deviation D41 and the case where the deviation trend C4 is less than or equal to the second reference deviation D42 is repeated a certain number of times or more. , it may be determined that the battery cell 1 is incompletely contacted.
  • the processor 200 determines whether the number of up-and-down switching is equal to or greater than a reference number of times (ex. 3 times), and if it is repeated more than the reference number of times, it can be determined that the battery cell 1 is incompletely contacted. .
  • an incomplete contact defect of the electrode tab can be detected more precisely.
  • the problem of being diagnosed as incomplete contact can be prevented until the vertical direction change is repeated at a level in which the deviation trend is substantially similar to one reference deviation.
  • the processor 200 may be configured to detect whether the battery cell 1 is disconnected by comparing the trend of the end voltage with the trend of the threshold.
  • the threshold trend is a value to be compared with the trend of the end voltage, and can be referred to as a reference value for determining whether the end voltage is abnormal.
  • the threshold trend may be a value corresponding to 3 sigma or 6 sigma obtained from a plurality of termination voltage data illustrated in FIG. 4 or FIG. 5 .
  • the graphs corresponding to 3 sigma or 6 sigma may be respectively located in the lower part and the upper part with respect to the average value of the termination voltages for the plurality of battery cells 1 .
  • the threshold trend may be selected as a graph located at a lower portion of the graphs corresponding to 3 sigma or 6 sigma for the plurality of end voltage data.
  • the processor 200 is configured to detect a disconnection defect with respect to the battery cell 1 when the trend of the ending voltage is less than or equal to the threshold trend, in particular, when the trend of the ending voltage is less than or equal to the threshold trend continues for a certain period of time or longer.
  • the processor 200 compares the ending voltage trend with the critical trend, and when the number of up-down direction switching for the critical trend of the ending voltage trend continues more than a reference number of times, the incomplete contact with the battery cell 1 is defective. It can be configured to detect
  • the processor 200 may be configured to separately perform a charging process and a discharging process for each battery cell 1 in detecting the defective battery cell 1 .
  • the processor 200 may be configured to separate and process an end voltage trend obtained in the charging process and an end voltage trend obtained in the discharging process.
  • the reference trend or deviation trend described above may also be separately processed, managed, and/or stored with respect to the charging process and the discharging process.
  • the reference trend may be accessed by the processor 200 by separately storing the reference trend for charging and the reference trend for discharging in the memory unit 400 .
  • the state of the battery cell 1 can be diagnosed more accurately.
  • the termination voltage of the battery cell 1 may have a different pattern depending on whether the battery cell 1 is in a charged state or a discharged state.
  • the voltage trend can be determined by reflecting this situation more appropriately. Therefore, accuracy for diagnosing an electrode tap failure of the battery cell 1 may be further improved.
  • 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 rack frame configured to stack a plurality of battery modules or battery packs, and a battery pack having 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. 10 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. 10 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 having electrode tabs therein, and includes an end voltage measurement step ( S110 ) and an end voltage trend forming step. (S120) and a bad cell detection step (S130) may be included.
  • an end voltage may be measured for each of the plurality of battery cells for each charging or discharging.
  • step S120 the ending voltage trend may be formed by accumulating the ending voltage of each battery cell measured in step S110 over time.
  • step S130 a battery cell in which a defect has occurred in an electrode tab among a plurality of battery cells may be detected based on the trend of the end voltage formed in 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, 충전 또는 방전마다 종료 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부에 의해 측정된 각 배터리 셀의 종료 전압을 시간 경과에 따라 누적하고, 누적된 종료 전압 추세에 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 19일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0007559호에 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 전지(1)의 구성을 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 도 1의 파우치형 이차 전지(1)의 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, 충전 또는 방전마다 종료 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부에 의해 측정된 각 배터리 셀의 종료 전압을 시간 경과에 따라 누적하고, 누적된 종료 전압 추세에 기초하여, 상기 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀을 검출하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
여기서, 상기 프로세서는, 상기 전극 탭의 불량으로서, 단선 불량과 불완전 접촉 불량을 구분하여 검출 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 종료 전압 추세와 참조 추세 사이의 편차 추세를 획득하고, 획득된 편차 추세에 기초하여 각 배터리 셀의 전극 탭 불량 여부를 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀에 대한 종료 전압의 평균 추세를 상기 참조 추세로 획득하여 상기 종료 전압 추세와 비교하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 편차 추세가 기준 편차 이상인 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 편차 추세가 기준 편차 이상인 경우와 기준 편차 이하인 경우를 반복할 때, 해당 배터리 셀에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 기준 편차는, 제1 기준 편차 및 제2 기준 편차를 구비할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 각 배터리 셀에 대한 충전 과정과 방전 과정을 구분하여, 불량 배터리 셀을 검출하도록 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, 충전 또는 방전마다 종료 전압을 측정하는 단계; 상기 측정 단계에서 측정된 각 배터리 셀의 종료 전압을 시간 경과에 따라 누적하여 종료 전압 추세를 형성하는 단계; 및 상기 형성 단계에서 형성된 종료 전압 추세에 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 획득된 다수의 배터리 셀에 대한 충전 종료 전압 추세를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서에 의해 획득된 다수의 배터리 셀에 대한 방전 종료 전압 추세를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따라 획득된 편차 추세의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 배터리 셀의 편차 추세와 기준 편차를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 특정 배터리 셀의 편차 추세와 기준 편차를 나타낸 그래프이다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 특정 배터리 셀의 편차 추세와 기준 편차를 나타낸 그래프이다.
도 10은, 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)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 탭(10)이 구비된 배터리 셀(1)을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 장치라 할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 전압 측정부(100) 및 프로세서(200)를 포함할 수 있다.
상기 전압 측정부(100)는, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대하여, 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전압 측정부는, 전압 센서를 구비하여, 배터리 시스템에 포함된 각 배터리 셀(1)의 양단 전압을 측정할 수 있다.
특히, 상기 전압 측정부는, 충전 또는 방전마다 종료 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전압 측정부는, 각 배터리 셀(1)의 충전이 종료될 때마다 전압(충전 종료 전압)을 측정하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전압 측정부는, 각 배터리 셀(1)의 방전이 종료될 때마다 전압(방전 종료 전압)을 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 전압 측정 기기나 부품을 본 발명의 전압 측정부로 채용할 수 있다. 따라서, 이러한 전압 측정부의 구체적인 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 프로세서(200)는, 상기 전압 측정부와 전기적으로 연결되어, 상기 전압 측정부로부터 측정된 데이터를 전송받을 수 있다. 특히, 전압 측정부는 다수의 배터리 셀(1) 각각에 대한 충방전 종료 전압(충전 종료 전압 및/또는 방전 종료 전압)을 측정할 수 있기 때문에, 상기 프로세서(200)는 이와 같이 각 배터리 셀(1)에 대하여 측정된 전압에 대한 정보를 전압 측정부로부터 전송받을 수 있다.
그리고, 프로세서(200)는, 이와 같이 전송된 각 배터리 셀(1)의 종료 전압을 시간 경과에 따라 누적하도록 구성될 수 있다. 상기 프로세서(200)는, 이러한 누적에 따른 충방전 종료 전압 추세를 획득할 수 있다. 여기서, 충방전 종료 전압 추세는, 각 날짜 별로 획득된 충방전 종료 전압을 하나의 그래프 형태로 연속하여 나타낸 데이터라 할 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 정기적 또는 비정기적으로 측정된 각각의 충전 종료 전압을 시간 별로 기록하여 포인트로 표시하고, 각 포인트를 서로 연결하여 각 배터리 셀마다 하나의 선을 얻을 수 있다. 이때, 각 배터리 셀에 대하여 얻어진 선이 곧, 해당 배터리 셀에 대한 종료 전압 추세선일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(200)에 의해 획득된 다수의 배터리 셀(1)에 대한 충전 종료 전압 추세를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(200)에 의해 획득된 다수의 배터리 셀(1)에 대한 방전 종료 전압 추세를 나타내는 그래프이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 일정 기간(3월 ~ 4월) 동안 측정된 충전 종료 전압(EOC; End Of Charge)이 날짜(시간) 별로 포인트 형태로 표시되어 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 일정 기간(3월 ~ 4월) 동안 측정된 방전 종료 전압(EOD; End Of Discharge)이 날짜(시간) 별로 포인트 형태로 표시되어 있다. 그리고, 하나의 배터리 셀에서 얻어진 종료 전압 포인트를 서로 연결하여 각 배터리 셀에 대한 죵료 전압 추세를 획득할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 전압 측정부로부터 각 배터리 셀(1)의 충방전 종료 전압이 측정되어 전송되면, 전송된 값을 누적하여, 상기 도 4와 같은 충전 종료 전압 추세선 또는 도 5와 같은 방전 종료 전압 추세선을 생성할 수 있다.
그리고, 프로세서(200)는, 이와 같이 생성된 충전 종료 전압 추세 및/또는 방전 종료 전압 추세를 기초로, 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 대하여 획득된 종료 전압 추세를 기초로, 전극 탭(10)에 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)에서 전극 탭(10)의 불량이 발생하였는지 진단할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 각 배터리 셀(1)의 충방전 종료 전압을 이용하여 불량 배터리 셀(1)을 조기에 간단한 방식으로 진단할 수 있다. 특히, 상기 구성에 의하면, 전극 탭(10)에 불량이 발생한 배터리 셀(1)을 신속하게 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 메모리 등에 저장되고, 프로세서(200)에 의해 실행될 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 셀(1)의 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 전압 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 종료 전압을 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 전압 측정부(100) 및/또는 프로세서(200)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
상기 충방전 종료 전압은, 충방전 종료 후 일정 시간 휴지 단계를 거친 이후의 전압일 수 있다.
예를 들어, 충전 종료 전압은, 각 배터리 셀(1)에 대한 충전 과정 종료 후, 소정의 휴지 시간이 부여된 이후에 측정된 개방 전압(OCV)일 수 있다. 또한, 방전 종료 전압은, 각 배터리 셀(1)에 대한 방전 과정 종료 후, 소정의 휴지 시간이 부여된 이후에 측정된 개방 전압(OCV)일 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 불량 셀에 대한 보다 효과적인 검출이 가능할 수 있다. 특히, 충전 내지 방전 후 동일한 휴지 시간이 주어졌을 때, 비정상적인 퇴화가 이루어진 셀은 다른 셀들에 비해, 전압 회복을 충분히 하지 못할 수 있다. 따라서, 소정의 휴지 기간 부여 후 측정된 전압의 차이를 비교함으로써, 퇴화 셀과 정상 셀을 보다 명확하게 구별할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 전극 탭(10)의 불량으로서, 단선 불량과 불완전 접촉 불량을 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, 충방전 종료 전압의 추세를 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 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)의 종료 전압 추세를 참조 추세와 비교하도록 구성될 수 있다. 여기서, 참조 추세는, 실제 종료 전압 추세와 비교되기 위해 미리 연산되거나 저장된 데이터일 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는, 종료 전압 추세와 참조 추세 사이의 편차를 이용하여 편차 추세를 획득하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따라 획득된 편차 추세의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 특정 배터리 셀(1)에 대한 종료 전압 추세가 A1으로 표시되어 있고, 참조 추세가 B1으로 표시되어 있다. 그리고, 이러한 종료 전압 추세(A1)와 참조 추세(B1)를 비교하여 획득된 편차 추세가 C1으로 표시되어 있다. 이러한 편차 추세(C1)는, 특정 배터리 셀(1), 즉 종료 전압 추세가 A1으로 측정된 배터리 셀(1)에 대한 데이터라 할 수 있다.
특히, 편차 추세(C1)는, 종료 전압 추세(A1)와 참조 추세(B1) 사이의 차이에 의해 얻어질 수 있는 데이터로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 시그마 레벨(sigma level) 형태로 나타내어질 수 있다. 즉, 특정 배터리 셀(1)에 대한 편차 추세(C1)는, 해당 배터리 셀(1)의 종료 전압 추세(A1)가 참조 추세(B1)로부터 어느 정도의 차이를 갖는지에 대한 형태로 나타내어질 수 있다.
일례로, 편차 추세(C1)는 다음과 같은 방식으로 얻어질 수 있다. 예를 들어, 특정 날짜에서, 배터리 시스템에 포함된 전체 배터리 셀의 평균 전압값이 B1 그래프에 존재하는 Vm이고, 전체 셀의 전압 표준 편차가 Vs이며, A1 그래프에 대응하는 배터리 셀의 해당 날짜에서의 전압이 V1이라 가정한다. 이때, 해당 날짜에서의 편차 추세(C1)는 다음과 같은 방식으로 얻어질 수 있다.
C1 = (Vm-V1)/Vs
즉, 특정 셀의 편차 추세(C1)는, 전체 평균 전압값(B1)에서 해당 셀의 전압값(A1)을 빼고, 그것을 전체 표준편차로 나누어 계산될 수 있다.
또한, 편차 추세(C1)는, 다른 다양한 형태로 표시될 수도 있다. 이를테면, 편차 추세(C1)는, 종료 전압 추세(A1)와 참조 추세(B1) 사이의 전압차를 나타내는 값으로서 표시될 수도 있다. 이 경우, 편차 추세(C1)의 단위는 ㎷ 등으로 표시될 수 있다. 이러한 편차 추세(C1)는, 종료 전압 추세(A1)와 참조 추세(B1) 사이의 차이를 나타내는 다른 다양한 형태로도 나타낼 수 있으며, 본 발명은, 이러한 편차 추세의 특정 형태나 단위 등에 의해 제한되지 않는다.
이와 같이 편차 추세가 획득되면, 상기 프로세서(200)는 획득된 편차 추세에 기초하여 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 여부를 검출하도록 구성될 수 있다. 즉, 특정 배터리 셀(1)에 대하여 상기 도 6에서 C1으로 표시된 바와 같이 편차 추세가 획득되는 경우, 상기 프로세서(200)는 이러한 편차 추세(C1)의 크기나 형태 등을 통해 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 여부를 진단할 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 배터리 시스템에 포함된 모든 배터리 셀(1)에 대하여 편차 추세를 획득하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 프로세서(200)는, 배터리 시스템에 포함된 일부 배터리 셀(1)에 대하여 편차 추세를 획득하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 배터리 시스템에 포함된 전체 배터리 셀(1) 중, 종료 전압 추세가 기준값 이하인 배터리 셀(1)에 대해서만 편차 추세를 획득하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 프로세서(200)는, 배터리 시스템에 포함된 전체 배터리 셀(1) 중, 이전에 편차 추세가 획득되었던 셀에 대해서만 다시 편차 추세가 획득되도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 모든 배터리 셀(1)에 대하여 편차 추세를 획득할 필요가 없으므로, 프로세서(200)의 연산 부담 등을 낮추어, 배터리 시스템 진단이 보다 효율적으로 이루어질 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀(1)에 대한 종료 전압의 평균 추세를 참조 추세로 획득하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 다수의 배터리 셀(1)에 대한 다수의 충전 종료 전압 추세선이 존재하는 경우, 이러한 다수의 충전 종료 전압 추세선에 대한 평균값이, 도 6에서 B1으로 도시된 바와 같은 참조 추세선이라 할 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 참조 추세는, 다수의 배터리 셀(1)에 대한 종료 전압 측정 시마다 평균값을 추출하고, 추출된 평균값을 서로 연결하는 형태로 획득될 수 있다.
이와 같이, 다수의 배터리 셀(1)에 대한 종료 전압의 평균 추세가 획득되면, 프로세서(200)는 획득된 평균 추세와 각 배터리 셀(1)의 종료 전압 추세를 서로 비교하여, 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 여부를 진단할 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, 편차 추세가 기준 편차 이상인지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 기준 편차는, 편차 추세와 비교되기 위한 값으로서, 편차 추세가 정상인지 여부를 판단하는 기준이 되는 값이라 할 수 있다. 기준 편차는, 배터리 시스템이나 배터리 셀(1)의 사양이나 종류, 배터리 시스템의 운용 상태나 여러 조건 등에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 이러한 기준 편차는, 메모리부(400)나 프로세서(200) 등에 미리 저장될 수 있다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 배터리 셀(1)의 편차 추세와 기준 편차를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 특정 배터리 셀(1)에 대하여 획득된 편차 추세가 C2로 표시되어 있다. 이러한 편차 추세의 획득 방식은 앞서 설명되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도 7에는, 편차 추세(C2)와 비교되기 위한 값으로서, 기준 편차가 D2로 표시되어 있다. 이러한 기준 편차(D2)는, 메모리부(400) 등에 저장되어 프로세서(200)가 액세스 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 프로세서(200)는, 편차 추세(C2)와 기준 편차(D2)를 비교하여, 편차 추세(C2)가 기준 편차(D2) 이상인 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 실시예에서는, E로 표시된 지점 이후부터 편차 추세(C2)가 기준 편차(D2)보다 높게 형성되고 있다. 따라서, 프로세서(200)는, E로 표시된 지점에서, 해당 배터리 셀(1)의 전극 탭에 단선이 발생하였다고 진단할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 특정 배터리 셀(1)에 대하여 획득된 편차 추세를 기준 편차와 비교함으로써, 배터리 셀(1)의 단선 불량이 간단하게 파악될 수 있다.
특히, 상기 실시 구성에서, 상기 프로세서(200)는, 편차 추세가 기준 편차 이상인 경우가 일정 시간 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 탭 단선 불량으로 검출할 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 편차 추세가 기준 편차 이상인 경우가 3일 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 탭 단선 불량이라고 진단할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 편차 추세가 일시적으로 기준 편차 이상인 경우까지 탭 단선 불량으로 진단하는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 진단의 정확도가 보다 향상될 수 있다.
한편, 도 7의 실시예에서는, 기준 편차가 날짜(시간)에 관계 없이 일정하게 설정된 형태로 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니다. 특히, 기준 편차는, 날짜(시간)의 경과에 따라 서로 달라지도록 구성될 수 있다.
먼저, 기준 편차는, 날짜의 경과에 따라 점차 증가하도록 구성될 수 있다. 배터리 셀(1)은 통상적으로 사용 횟수가 증가함에 따라 퇴화될 수 있다. 따라서, 전극 탭의 불량이 발생한 배터리 셀(1)이 없다 하더라도 배터리 셀(1) 간 편차는 점점 커질 수 있다. 그러므로, 상기 실시예와 같이 기준 편차를 날짜의 경과에 따라 점차 증가하도록 구성하는 경우, 배터리 셀(1)이 퇴화한 경우에도 전극 탭의 불량이 발생한 배터리 셀(1)의 진단이 보다 정확하게 이루어질 수 있다.
또는, 기준 편차는, 날짜의 경과, 특히 계절 별로 다르게 설정되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 1년이라는 기간을, 4개의 분기(3월~5월, 6월~8월, 9월~11월, 및 12월~2월)로 구분하고, 구분된 각 분기에 따라 기준 편차가 달라지도록 할 수 있다. 특히, 계절 변화가 뚜렷한 국가에서는, 이와 같은 구분을 통해, 각 계절 별로 기준 편차가 달라지도록 할 수 있다. 배터리 셀(1)은 온도 변화에 따라 종료 전압 등에 변화가 존재할 수 있으므로, 이러한 상황을 반영하여 전극 탭 불량 여부가 보다 정확하게 진단되도록 할 수 있다.
또는, 기준 편차는, 온도에 따라 다르게 설정되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치는, 온도 측정부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 온도 측정부에 의해 배터리 시스템 내부 또는 주변의 온도가 측정되면, 측정된 온도 정보는 프로세서(200)로 전달될 수 있다. 그러면, 프로세서(200)는, 온도 정보에 따라 기준 편차를 설정하고, 설정된 기준 편차에 따라 편차 추세의 이상 유무를 진단할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(200)는, 온도가 낮은 경우에 비해 온도가 높은 경우, 기준 편차가 높아지도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면 배터리 시스템의 온도 상황을 직접적으로 반영하여, 보다 정확한 전극 탭 불량 진단이 가능해질 수 있다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 특정 배터리 셀(1)의 편차 추세와 기준 편차를 나타낸 그래프이다. 도 8에 대해서는, 앞선 실시예들, 특히 도 7의 실시예에서 설명된 내용이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 8을 참조하면, 특정 배터리 셀(1)에 대하여 획득된 편차 추세가 C3로 표시되어 있다. 그리고, 기준 편차는 D3로 표시되어 있다. 특히, 편차 추세(C3)는 기준 편차(D3)를 기준으로 높아졌다가 낮아지는 형태를 반복적으로 보이고 있다. 즉, F1으로 표시된 부분에서는 편차 추세(C3)가 기준 편차(D3)보다 높게 나타나다가, F2로 표시된 부분에서는 편차 추세(C3)가 기준 편차(D3)보다 낮게 나타나고 있다. 그리고, F3로 표시된 부분에서는 다시 편차 추세(C3)가 기준 편차(D3)보다 높게 나타나다가, F4로 표시된 부분에서는 편차 추세(C3)가 기준 편차(D3)보다 다시 낮게 나타나고 있다. 즉, 도 8의 실시예에서, 편차 추세(C3)는 기준 편차(D3) 이상인 경우와 기준 편차(D3) 이하인 경우가 반복되어 나타난다고 볼 수 있다.
이처럼, 편차 추세(C3)가 기준 편차(D3) 이상인 경우와 기준 편차(D3) 이하인 경우를 반복하는 경우, 상기 프로세서(200)는, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 각 배터리 셀(1)에 대하여 획득된 편차 추세를 기준 편차와 비교함으로써, 배터리 셀(1)의 불완전 접촉 불량이 간단하게 파악될 수 있다.
특히, 상기 프로세서(200)는, 기준 편차에 대한 편차 추세의 상하 전환 횟수가 일정 횟수 이상 반복되는 경우, 불완전 접촉 불량으로 진단하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 소정 기간, 이를테면 2개월 이내의 기간 동안, 기준 편차에 대한 편차 추세의 상하 전환 횟수가 3회 이상 반복되는 경우, 불완전 접촉 불량으로 진단하도록 구성될 수 있다. 일례로, 도 8의 실시예를 참조하면, 2개월 이내의 기간 동안 기준 편차(D3)에 대한 편차 추세(C3)의 상하 전환 횟수가 3회라고 할 수 있다. 이 경우, 상하 전환 횟수(3회)가 기준 횟수(3회) 이상 반복된 것으로 볼 수 있으므로, 상기 프로세서(200)는, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 진단할 수 있다. 반면, 해당 기간 동안 상하 전환 회수가 2회에 불과하다면, 비록 기준 편차에 대한 편차 추세의 상하 전환이 존재한다고 하더라도, 상기 프로세서(200)는 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 진단하지 않을 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전환 횟수에 대한 조건을 추가로 부과함으로써, 보다 정교한 불완전 접촉 불량 진단이 가능해질 수 있다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 특정 배터리 셀(1)의 편차 추세와 기준 편차를 나타낸 그래프이다. 본 실시예에 대해서도 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 9를 참조하면, 특정 배터리 셀(1)에 대하여 획득된 편차 추세가 C4로 표시되어 있다. 특히, 본 실시예에서는 기준 편차가 2개 존재하도록 구성되어 있다. 즉, 기준 편차는, D41로 표시된 바와 같은 제1 기준 편차 및 D42로 표시된 바와 같은 제2 기준 편차를 구비할 수 있다. 여기서, 제2 기준 편차(D42)는, 제1 기준 편차(D41)보다 낮게 설정될 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 상기 프로세서(200)는, 편차 추세(C4)가 제1 기준 편차(D41) 이상인 경우와 편차 추세(C4)가 제2 기준 편차(D42) 이하인 경우가 일정 횟수 이상 반복될 때, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 판단할 수 있다.
즉, 도 9에서, 해당 기간 동안 편차 추세(C4)가 제1 기준 편차(D41) 이상인 경우는 G1 및 G3로 표시된 부분과 같고, 편차 추세(C4)가 제2 기준 편차(D42) 이하인 경우는 G2 및 G4로 표시된 부분과 같다. 이 경우, 기준 편차(D41, D42)에 대한 편차 추세(C4)의 상하 전환 횟수가 3회라고 할 수 있다. 그리고, 프로세서(200)는 이러한 상하 전환 횟수가 기준 횟수(ex. 3회) 이상인지 여부를 판단하여, 기준 횟수 이상으로 반복된다면, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 판단할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전극 탭의 불완전 접촉 불량이 보다 정밀하게 검출될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성에 의하면, 편차 추세가 하나의 기준 편차와 대체로 유사한 수준에서 상하 방향 전환이 반복되는 경우까지, 불완전 접촉 불량으로 진단되는 문제가 예방될 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, 종료 전압 추세와 임계 추세를 비교하여, 배터리 셀(1)에 대한 단선 불량 여부를 검출하도록 구성될 수 있다. 여기서, 임계 추세란, 종료 전압 추세와 비교되기 위한 값으로서, 종료 전압의 이상 유무를 판별할 수 있는 기준이 되는 값이라 할 수 있다.
예를 들어, 임계 추세는, 도 4 또는 도 5에 도시된 복수의 종료 전압 데이터로부터 획득된 3시그마 또는 6시그마에 해당하는 값일 수 있다. 특히, 이러한 3시그마 또는 6시그마에 해당하는 그래프는 다수의 배터리 셀(1)에 대한 종료 전압의 평균값을 중심으로 하부 및 상상에 각각 위치할 수 있다. 이때, 임계 추세는, 복수의 종료 전압 데이터에 대한 3시그마 또는 6시그마에 해당하는 그래프 중, 하부에 위치하는 그래프로 선택될 수 있다.
그리고, 상기 프로세서(200)는, 종료 전압 추세가 임계 추세 이하인 경우, 특히 종료 전압 추세가 임계 추세 이하인 상태가 일정 시간 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, 종료 전압 추세와 임계 추세를 비교하여, 종료 전압 추세의 임계 추세에 대한 상하 방향 전환 횟수가 기준 횟수 이상 지속되는 경우, 해당 배터리 셀(1)에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서(200)는, 불량 배터리 셀(1)을 검출함에 있어서, 각 배터리 셀(1)에 대한 충전 과정과 방전 과정을 구분하여 수행하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(200)는, 각 배터리 셀(1)에 대하여, 충전 과정에서 획득된 종료 전압 추세와 방전 과정에서 획득된 종료 전압 추세를 구분하여 처리하도록 구성될 수 있다. 이때, 앞서 설명된 참조 추세나 편차 추세 역시, 충전 과정 및 방전 과정에 대하여 각각 별도로 처리, 관리, 및/또는 저장될 수 있다. 예를 들어, 참조 추세는, 충전용 참조 추세와 방전용 참조 추세가 각각 별도로 메모리부(400)에 저장되어 프로세서(200)에 의해 액세스될 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 종료 전압은, 충전 상태인지 방전 상태인지에 따라 그 패턴이 다르게 형성될 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 상황이 보다 적절하게 반영되어 전압 추세가 결정될 수 있다. 그러므로, 배터리 셀(1)의 전극 탭 불량 진단에 대한 정확도가 보다 향상될 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 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 진단 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 10에서 각 단계의 수행 주체는, 앞서 설명된 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 시스템 진단 방법은, 내부에 전극 탭이 구비된 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 시스템을 진단하는 방법으로서, 종료 전압 측정 단계(S110), 종료 전압 추세 형성 단계(S120) 및 불량 셀 검출 단계(S130)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 S110 단계에서는, 다수의 배터리 셀 각각에 대하여, 충전 또는 방전마다 종료 전압이 측정될 수 있다.
다음으로, 상기 S120 단계에서는, S110 단계에서 측정된 각 배터리 셀의 종료 전압을 시간 경과에 따라 누적하여 종료 전압 추세가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 S130 단계에서는, S120 단계에서 형성된 종료 전압 추세에 기초하여, 다수의 배터리 셀 중 전극 탭에 불량이 발생한 배터리 셀이 검출될 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: 전압 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, 충전 또는 방전마다 종료 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부에 의해 측정된 각 배터리 셀의 종료 전압을 시간 경과에 따라 누적하고, 누적된 종료 전압 추세에 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, 상기 전극 탭의 불량으로서, 단선 불량과 불완전 접촉 불량을 구분하여 검출 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 종료 전압 추세와 참조 추세 사이의 편차 추세를 획득하고, 획득된 편차 추세에 기초하여 각 배터리 셀의 전극 탭 불량 여부를 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 배터리 시스템에 포함된 다수의 배터리 셀에 대한 종료 전압의 평균 추세를 상기 참조 추세로 획득하여 상기 종료 전압 추세와 비교하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 편차 추세가 기준 편차 이상인 경우, 해당 배터리 셀에 대하여 단선 불량으로 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 편차 추세가 기준 편차 이상인 경우와 기준 편차 이하인 경우를 반복할 때, 해당 배터리 셀에 대하여 불완전 접촉 불량으로 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기준 편차는, 제1 기준 편차 및 제2 기준 편차를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 진단 장치.
  8. 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.
  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, 충전 또는 방전마다 종료 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정 단계에서 측정된 각 배터리 셀의 종료 전압을 시간 경과에 따라 누적하여 종료 전압 추세를 형성하는 단계; 및
    상기 형성 단계에서 형성된 종료 전압 추세에 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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