WO2023008904A1 - 결함 있는 배터리 셀의 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템 - Google Patents

결함 있는 배터리 셀의 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀 중에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 배터리 관리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)으로서, 복수의 배터리 셀 각각의 양단에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 셀 모니터링 IC, 그리고 상기 배터리의 충전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 충전 상한전압 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출하고, 상기 배터리의 방전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 방전 하한전압에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출하며, 상기 충전 사이클 횟수 및 상기 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하면, 상기 충전 배터리 셀로 검출된 제1 횟수 및 상기 방전 배터리 셀로 검출된 제2 횟수를 더한 총 횟수가 제2 기준횟수 이상에 대응하는 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 메인 제어 회로를 포함한다.

Description

결함 있는 배터리 셀의 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 07월 30일자 한국 특허 출원 제10- 2021-0100431호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀 중에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
전기 차량은 소정의 개수, 예를 들어, 2 내지 4 개의 배터리 팩(battery pack)으로 구성되는 배터리에서 출력되는 전기 에너지로 동작하는 차량이다. 배터리는, 충/방전이 가능한 복수의 배터리 셀(battery cell)을 포함하고 외부 환경 및 자체 특성에 의하여 상태 변화를 일으킬 수 있다. 이에, 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)은 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀을 모니터링하고 관리한다.
복수의 배터리 셀 각각이 기 설정된 범위 내의 성능을 갖는 경우(이하, 정상범주 내에 있는 배터리 셀), 충전 사이클에서 및 방전 사이클에서 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압은 소정의 범위 내에서 유사하게 변동한다. 따라서, BMS가 셀 전압이 충전 상한전압(charge final voltage)에 도달하는 배터리 셀이 최초 발생하는 때에 충전 사이클을 종료하더라도, 배터리는 가용할 수 있는 배터리 용량을 모두 사용할 수 있다.
한편, 배터리를 장기간 사용하면, 배터리 셀이 퇴화(열화)되어 기 설정된 범위 내의 성능을 벗어난 배터리 셀(이하, 결함 있는 배터리 셀로 기재)이 발생할 수 있다. 충전 사이클에서 또는 방전 사이클에서, 결함 있는 배터리 셀의 셀 전압은 다른 정상범주 내에 있는 배터리 셀의 셀 전압보다 충전 상한전압(charge final voltage) 또는 방전 하한전압(discharge final voltage)에 빨리 도달하는 특성을 보일 수 있다.
결함 있는 배터리 셀의 셀 전압이 충전 상한전압에 도달할 때 충전 사이클이 종료되는 경우, 다른 정상범주 내에 있는 배터리 셀은 충분히 충전되지 않은 상태에서 충전이 종료될 수 있다. 그로 인해, 배터리는 가용할 수 있는 배터리 용량을 모두 사용할 수 없는 문제가 발생한다. 또한, 결함 있는 배터리 셀은 가용할 수 있는 용량 전구간을 반복 사용하게 되어, 퇴화가 가속화되는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 배터리를 구성하는 기본단위인 배터리 셀에 결함이 발생하는 경우, 배터리의 전체 전압은 떨어지고, 잦은 셀 밸런싱(Cell Balancing) 및 UV(Under Voltage) 진단을 유발하여 배터리 전체의 안정성을 위협할 수 있다.
본 발명은, 배터리의 성능을 저하시키는 결함 있는 배터리 셀을 검출할 수 있는 결함 있는 배터리 셀의 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따른 배터리 관리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)으로서, 복수의 배터리 셀 각각의 양단에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 셀 모니터링 IC, 그리고 상기 배터리의 충전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 충전 상한전압에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출하고, 상기 배터리의 방전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 방전 하한전압에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출하며, 상기 충전 사이클 횟수 및 상기 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하면, 상기 충전 배터리 셀로 검출된 제1 횟수 및 상기 방전 배터리 셀로 검출된 제2 횟수를 더한 총 횟수가 제2 기준횟수 이상에 대응하는 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 메인 제어 회로를 포함한다.
상기 메인 제어 회로는, 상기 충전 배터리 셀이 검출되면 상기 충전 사이클을 종료할 수 있다.
상기 메인 제어 회로는, 상기 방전 배터리 셀이 검출되면 상기 방전 사이클을 종료할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 배터리 관리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)으로서, 복수의 배터리 셀 각각의 양단에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 셀 모니터링 IC, 그리고 상기 배터리의 충전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 충전 상한전압에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출하고, 상기 배터리의 방전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 방전 하한전압에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출하며, 상기 충전 사이클 횟수 및 상기 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하면, N번째 충전 사이클에서 상기 충전 배터리 셀로 검출된 후 N+1번째 방전 사이클에서 상기 방전 배터리 셀로 검출된 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 메인 제어 회로를 포함한다.
상기 메인 제어 회로는, N번째 방전 사이클에서 상기 방전 배터리 셀로 검출된 후 N+1번째 충전 사이클에서 상기 충전 배터리 셀로 검출된 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출할 수 있다.
상기 메인 제어 회로는, 상기 충전 배터리 셀이 검출되면 상기 충전 사이클을 종료할 수 있다.
상기 메인 제어 회로는, 상기 방전 배터리 셀이 검출되면 상기 방전 사이클을 종료할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법은, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법으로서, 상기 배터리의 충전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 충전 상한전압에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출하는 단계, 상기 배터리의 방전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 방전 하한전압에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출하는 단계, 상기 충전 사이클 횟수 및 상기 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수에 도달 여부를 판단하는 단계, 그리고 상기 판단결과 도달하면, 상기 충전 배터리 셀로 검출된 제1 횟수 및 상기 방전 배터리 셀로 검출된 제2 횟수를 더한 총 횟수가 제2 기준횟수 이상에 대응하는 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 단계를 포함한다.
상기 충전 배터리 셀을 검출하는 단계는, 상기 충전 배터리 셀이 검출되면 상기 충전 사이클을 종료할 수 있다.
상기 방전 배터리 셀을 검출하는 단계는, 상기 방전 배터리 셀이 검출되면 상기 방전 사이클을 종료할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법은, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법으로서, 상기 배터리의 충전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 충전 상한전압에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출하는 단계, 상기 배터리의 방전 사이클마다 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 방전 하한전압에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출하는 단계, 상기 충전 사이클 횟수 및 상기 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수에 도달 여부를 판단하는 단계, 그리고 상기 판단결과 도달하면, N번째 충전 사이클에서 상기 충전 배터리 셀로 검출된 후, N+1번째 방전 사이클에서 상기 방전 배터리 셀로 검출된 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 단계를 포함한다.
상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 단계는, N번째 방전 사이클에서 상기 방전 배터리 셀로 검출된 후, N+1번째 충전 사이클에서 상기 충전 배터리 셀로 검출된 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출할 수 있다.
상기 충전 배터리 셀을 검출하는 단계는, 상기 충전 배터리 셀이 검출되면 상기 충전 사이클을 종료할 수 있다.
상기 방전 배터리 셀을 검출하는 단계는, 상기 방전 배터리 셀이 검출되면 상기 방전 사이클을 종료할 수 있다.
본 발명은, 결함 있는 배터리 셀을 신속하고 정밀도 높게 검출하여 배터리의 안정성을 높이고, 배터리의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 결함 있는 배터리 셀의 검출 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 결함 있는 배터리 셀의 검출 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 시스템(1)은 배터리(10), 전류센서(20), 릴레이(30), 그리고 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 ‘BMS’로 기재함)(40)을 포함한다.
배터리(10)는, 전기적으로 직렬 및 병렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln)을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 소정 개수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 배터리 모듈(battery module)을 구성하고, 소정 개수의 배터리 모듈이 직렬 연결되어 배터리 팩(battery pack)을 구성하고, 소정 개수의 배터리 팩이 병렬 연결되어 배터리 뱅크(battery bank)를 구성하여, 원하는 전력을 공급할 수 있다. 도 1에는, 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln)이 직렬 연결된 배터리(10)를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 배터리(10)는 배터리 모듈, 배터리 팩, 또는 배터리 뱅크 단위로 구성될 수 있다.
복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각은 배선을 통해 BMS(40)에 전기적으로 연결되어 있다. BMS(40)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln)에 대한 정보를 포함한 배터리 셀에 관한 다양한 정보를 취합 및 분석하여 배터리 셀의 충전 및 방전, 보호 동작 등을 제어하고, 릴레이(30)의 동작을 제어할 수 있다.
도 1에서는, 배터리(10)는 직렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln)을 포함하고, 배터리 시스템(1)의 두 출력단(OUT1, OUT2) 사이에 연결되어 있으며, 배터리 시스템(1)의 양극과 제1 출력단(OUT1) 사이에 릴레이(30)가 연결되어 있고, 배터리 시스템(1)의 음극과 제2 출력단(OUT2) 사이에 전류센서(20)가 연결되어 있다. 도 1에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전류센서(20)는 배터리(10)와 외부장치간 전류 경로에 직렬 연결되어 있다. 전류센서(20)는 배터리(10)에 흐르는 배터리 전류 즉, 충전 전류 및 방전 전류를 측정하고, 측정 결과를 BMS(40)에 전달할 수 있다.
릴레이(30)는 배터리 시스템(1)과 외부장치 간의 전기적 연결을 제어한다. 릴레이(30)가 온 되면, 배터리 시스템(1)과 외부장치가 전기적으로 연결되어 충전 또는 방전이 수행되고, 릴레이(30)가 오프 되면, 배터리 시스템(1)과 외부장치가 전기적으로 분리된다. 이때, 외부장치는 배터리(10)에 전력을 공급하여 충전하는 충전 사이클에서는 충전기이고, 배터리(10)가 외부장치로 전력을 방전하는 방전 사이클에서는 부하일 수 있다.
BMS(40)는 셀 모니터링 IC(41) 및 메인 제어 회로(43)를 포함한다.
셀 모니터링 IC(41)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 양극 및 음극에 전기적으로 연결되어, 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 셀 전압을 측정한다. 전류센서(20)에 의해 측정된 배터리 전류 값은 셀 모니터링 IC(41)로 전달될 수 있다. 셀 모니터링 IC(41)는 측정된 셀 전압 및 배터리 전류에 대한 정보를 메인 제어 회로(43)에 전달한다. 구체적으로, 셀 모니터링 IC(41)는 충전 및 방전이 발생하지 않는 휴식(rest) 기간에 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 셀 전압을 소정 주기 마다 측정하고, 측정된 셀 전압에 기초하여 셀 전류를 계산할 수 있다. 셀 모니터링 IC(41)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 셀 전압 및 셀 전류를 메인 제어 회로(43)에 전달할 수 있다.
메인 제어 회로(43)는, 충/방전 사이클(charge discharge cycle)의 횟수가 제1 기준횟수를 만족하면, 충전 배터리 셀 및 방전 배터리 셀에 기초하여 결함 있는 배터리 셀을 검출할 수 있다.
충전 배터리 셀은, 충전 사이클에서 셀 전압이 충전 상한전압(charge final voltage)에 첫 번째로 도달한 배터리 셀을 지시할 수 있다. 방전 배터리 셀은, 방전 사이클에서 셀 전압이 방전 하한전압(discharge final voltage)에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 지시할 수 있다. 예를 들어, 메인 제어 회로(43)는, 배터리(10)에서 배터리 셀의 전기적 위치를 배터리 셀의 식별인자로 사용할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 결함 있는 배터리 셀의 검출 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참고하여, 일 실시예에 따른 결함 있는 배터리 셀의 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템을 상세하게 설명한다.
우선, BMS(40)는 외부장치의 전력으로 배터리(10)를 충전하는 충전 사이클마다, 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 중에서 셀 전압이 충전 상한전압(charge final voltage, Vmax)에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출한다(S110).
충전 상한전압(Vmax)은, 배터리(10)가 위험하지 않는 범위에서 충전 가능한 최대 전압(Max Voltage)일 수 있다. 충전 상한전압(Vmax)이 높을수록 배터리(10)의 용량은 증가할 수 있으나, 과충전은 배터리(10)를 위험하게 만들 수 있다. 이에, 충전 상한전압은 배터리(10)의 용량과 안정성을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다.
BMS(40)는 배터리 셀의 전기적 위치를 배터리 셀의 식별인자로 사용할 수 있다. 예를 들어, N번째 충전 사이클에서, BMS(40)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 중 셀 전압이 충전 상한전압(Vmax)에 첫 번째로 도달한 배터리 셀의 전기적 위치를 확인하고, 해당 위치의 배터리 셀에 대해 검출 횟수를 1회 추가할 수 있다.
BMS(40)는 충전 배터리 셀이 검출되면 충전 사이클을 종료할 수 있다. 그러면, 충전 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 셀 전압이 충전 상한전압(Vmax)에 도달할 때까지 충전 배터리 셀이 계속 충전되는 과충전 상태를 차단하여, 충전 배터리 셀의 퇴화(열화)가 가속화 되는 것을 예방할 수 있다.
다음으로, BMS(40)는 배터리(10)의 방전된 전력을 외부장치에 공급하는 방전 사이클에서 셀 전압이 방전 하한전압(discharge final voltage, Vmin)에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출한다(S120).
방전 하한전압(Vmin)은, 배터리(10)가 위험하지 않는 범위에서 방전 가능한 최소 전압(Min Voltage)일 수 있다. 방전 하한전압(Vmin)이 낮을수록 배터리(10)의 용량은 증가할 수 있으나, 과방전은 배터리(10)를 위험하게 만들 수 있다. 이에, 방전 하한전압(Vmin)은 배터리(10)의 용량과 안정성을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 방전 하한전압은 컷 오프 전압(cut-off voltage)으로 지칭될 수 있다.
BMS(40)는 배터리(10)에서 배터리 셀의 전기적 위치를 배터리 셀의 식별인자로 사용할 수 있다. 예를 들어, N번째 방전 사이클에서, BMS(40)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 중 셀 전압이 방전 하한전압(Vmin)에 첫 번째로 도달한 배터리 셀의 위치를 확인하고, 해당 위치의 배터리 셀에 대해 검출 횟수를 1회 추가할 수 있다.
BMS(40)는 방전 배터리 셀이 검출되면 방전 사이클을 종료할 수 있다. 그러면, 방전 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 셀 전압이 방전 하한전압에 도달할 때까지 방전 배터리 셀이 계속해서 방전되는 과방전 상태를 차단하여, 방전 배터리 셀의 퇴화(열화)가 가속화 되는 것을 예방할 수 있다.
다음으로, BMS(40)는 충전 사이클 횟수 및 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하는지 여부를 판단한다(S130).
제1 기준횟수는, 결함 있는 배터리 셀을 검출하기 위한 최적의 충방전 사이클 횟수에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제1 기준횟수는, 소정의 실험에 의해 도출될 수 있다.
판단결과 충방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하지 못하면(S130, No), BMS(40)는 S110 단계부터 반복한다.
판단결과 충방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하면(S130, Yes), BMS(40)는 충전 배터리 셀로 검출된 제1 횟수 및 방전 배터리 셀로 검출된 제2 횟수를 더한 총 횟수가 제2 기준횟수 이상에 대응하는 배터리 셀이 존재하는지 여부를 판단한다(S140).
예를 들어, 배터리(10)가 5개의 배터리 셀(Cell1, Cell2, Cell3, Cell4, Ce115)을 포함하고, 제1 기준횟수 500회 및 제2 기준횟수 300회인 경우를 가정하자. 제3 배터리 셀은 총 400회(예를 들어, 충전 배터리 셀로 200회 검출 및 방전 배터리 셀로 200회 검출), 제1, 2, 4, 5 배터리 셀 각각은 총 25회(예를 들어, 충전 배터리 셀로 12회 검출 및 방전 배터리 셀로 13회 검출)로 검출된 경우, BMS(40)는 2 기준횟수 이상에 대응하는 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
다음으로, 판단결과 총 횟수가 제2 기준횟수 이상에 대응하는 배터리 셀이 존재하는 경우(S140, Yes), BMS(40)는 복수의 배터리 셀 중에서 결함 있는 배터리 셀이 존재하는 것으로 진단한다(S150).
예를 들어, BMS(40)는 총 횟수가 제2 기준횟수 이상에 대응하는 제3 배터리 셀(Cell3)을 결함 있는 배터리 셀로 검출할 수 있다. 실시예에 따라, 결함 있는 배터리 셀은, 배터리 셀이 퇴화(열화)되어 기 설정된 범위 내의 성능을 벗어난 배터리 셀일 수 있다.
다음으로, 판단결과 총 횟수가 제2 기준횟수 이상에 대응하는 배터리 셀이 존재하지 않는 경우(S140, No), BMS(40)는 복수의 배터리 셀 중에서 결함 있는 배터리 셀이 존재하지 않는 것으로 진단한다(S160).
도 3은 다른 실시예에 다른 결함 있는 배터리 셀의 검출 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 도 1 및 도 3을 참고하여, 다른 실시예에 따른 결함 있는 배터리 셀의 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템을 상세하게 설명한다.
우선, BMS(40)는 외부장치의 전력으로 배터리(10)를 충전하는 충전 사이클에서 셀 전압이 충전 상한전압(charge final voltage, Vmax)에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출한다(S210).
충전 상한전압(Vmax)은, 배터리(10)가 위험하지 않는 범위에서 충전 가능한 최대 전압(Max Voltage)일 수 있다. 충전 상한전압(Vmax)이 높을수록 배터리(10)의 용량은 증가할 수 있으나, 과충전은 배터리(10)를 위험하게 만들 수 있다. 이에, 충전 상한전압은 배터리(10)의 용량과 안정성을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다.
BMS(40)는 배터리 셀의 전기적 위치를 배터리 셀의 식별인자로 사용할 수 있다. 예를 들어, N번째 충전 사이클에서, BMS(40)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 중 셀 전압이 충전 상한전압(Vmax)에 첫 번째로 도달한 배터리 셀의 전기적 위치를 확인하고, 해당 위치의 배터리 셀에 대해 검출 횟수를 1회 추가할 수 있다.
BMS(40)는 충전 배터리 셀이 검출되면 충전 사이클을 종료할 수 있다. 그러면, 충전 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 셀 전압이 충전 상한전압(Vmax)에 도달할 때까지 충전 배터리 셀이 계속 충전되는 과충전 상태를 차단하여, 충전 배터리 셀의 퇴화(열화)가 가속화 되는 것을 예방할 수 있다.
다음으로, BMS(40)는 배터리(10)의 방전된 전력을 외부장치에 공급하는 방전 사이클에서 셀 전압이 방전 하한전압(discharge final voltage, Vmin)에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출한다(S220).
방전 하한전압(Vmin)은, 배터리(10)가 위험하지 않는 범위에서 방전 가능한 최소 전압(Min Voltage)일 수 있다. 방전 하한전압(Vmin)이 낮을수록 배터리(10)의 용량은 증가할 수 있으나, 과방전은 배터리(10)를 위험하게 만들 수 있다. 이에, 방전 하한전압(Vmin)은 배터리(10)의 용량과 안정성을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 방전 하한전압은 컷 오프 전압(cut-off voltage)으로 지칭될 수 있다.
BMS(40)는 배터리(10)에서 배터리 셀의 전기적 위치를 배터리 셀의 식별인자로 사용할 수 있다. 예를 들어, N번째 방전 사이클에서, BMS(40)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 중 셀 전압이 방전 하한전압(Vmin)에 첫 번째로 도달한 배터리 셀의 전기적 위치를 확인하고, 해당 위치의 배터리 셀에 대해 검출 횟수를 1회 추가할 수 있다.
BMS(40)는 방전 배터리 셀이 검출되면 방전 사이클을 종료할 수 있다. 그러면, 방전 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 셀 전압이 방전 하한전압에 도달할 때까지 방전 배터리 셀이 계속해서 방전되는 과방전 상태를 차단하여, 방전 배터리 셀의 퇴화(열화)가 가속화 되는 것을 예방할 수 있다.
다음으로, BMS(40)는 충전 사이클 횟수 및 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하는지 여부를 판단한다(S230).
제1 기준횟수는, 결함 있는 배터리 셀을 검출하기 위한 최적의 충방전 사이클 횟수에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제1 기준횟수는, 소정의 실험에 의해 도출될 수 있다.
판단결과 충방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하지 못하면(S230, No), BMS(40)는 S210 단계부터 반복한다.
판단결과 충방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하면(S230, Yes), BMS(40)는 충전 배터리 셀 및 방전 배터리 셀이 연속하여 동일한 배터리 셀에 대응하는지 여부를 판단한다(S240).
일 실시예에 따라, BMS(40)는 N번째 충전 사이클에서 충전 배터리 셀로 검출된 후, N+1번째 방전 사이클에서 방전 배터리 셀로 검출된 배터리 셀이 존재하면, 충전 배터리 셀 및 방전 배터리 셀이 연속하여 동일한 배터리 셀에 대응하는 것으로 판단할 수 있다.
다른 실시예에 따라, BMS(40)는 N번째 방전 사이클에서 방전 배터리 셀로 검출된 후, N+1번째 충전 사이클에서 충전 배터리 셀이 존재하면, 충전 배터리 셀 및 방전 배터리 셀이 연속하여 동일한 배터리 셀에 대응하는 것으로 판단할 수 있다.
배터리(10)가 5개의 배터리 셀(Cell1, Cell2, Cell3, Cell4, Ce115)을 포함하고, 제1 기준횟수가 500회인 경우를 가정하자. 예를 들어, 제4 배터리 셀(Cell4)이 35회째 충전 사이클에서 충전 배터리 셀로 검출된 이후, 36회째 방전 사이클에서 방전 배터리 셀로 검출되면, BMS(40)는 충전 배터리 셀 및 방전 배터리 셀이 연속하여 동일한 배터리 셀에 대응하는 것으로 판단할 수 있다. 다른 예를 들어, 제5 배터리 셀(Cell5)이 37회째 방전 사이클에서 방전 배터리 셀로 검출된 이후, 38회째 충전 사이클에서 충전 배터리 셀로 검출되면, BMS(40)는 충전 배터리 셀 및 방전 배터리 셀이 연속하여 동일한 배터리 셀에 대응하는 것으로 판단할 수 있다.
다음으로, 판단결과 충전 배터리 셀 및 방전 배터리 셀이 연속하여 동일한 배터리 셀에 대응하는 경우(S240, Yes), BMS(40)는 복수의 배터리 셀 중에서 결함 있는 배터리 셀이 존재하는 것으로 진단한다(S250).
예를 들어, BMS(40)는 35회째 충전 사이클에서 충전 배터리 셀로 검출된 이후, 36회째 방전 사이클에서 방전 배터리 셀로 검출된 제4 배터리 셀(Cell4)을 결함 있는 배터리 셀로 검출할 수 있다. 다른 예를 들어, BMS(40)는 37회째 방전 사이클에서 방전 배터리 셀로 검출된 이후, 38회째 충전 사이클에서 충전 배터리 셀로 검출된 제5 배터리 셀(Cell5)을 결함 있는 배터리 셀로 검출할 수 있다. 실시예에 따라, 결함 있는 배터리 셀은, 배터리 셀이 퇴화(열화)되어 기 설정된 성능 이하에 대응하는 배터리 셀일 수 있다.
다음으로, 판단결과 충전 배터리 셀 및 방전 배터리 셀이 연속하여 동일한 배터리 셀에 대응하지 않는 경우(S240, No), BMS(40)는 복수의 배터리 셀 중에서 결함 있는 배터리 셀이 존재하지 않는 것으로 진단한다(S260).
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)으로서,
    복수의 배터리 셀 각각의 양단에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 셀 모니터링 IC, 그리고
    상기 배터리의 충전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 충전 상한전압에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출하고, 상기 배터리의 방전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 방전 하한전압에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출하며, 상기 충전 사이클 횟수 및 상기 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하면, 상기 충전 배터리 셀로 검출된 제1 횟수 및 상기 방전 배터리 셀로 검출된 제2 횟수를 더한 총 횟수가 제2 기준횟수 이상에 대응하는 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 메인 제어 회로를 포함하는, 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 제어 회로는,
    상기 충전 배터리 셀이 검출되면 상기 충전 사이클을 종료하는, 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인 제어 회로는,
    상기 방전 배터리 셀이 검출되면 상기 방전 사이클을 종료하는, 배터리 관리 시스템.
  4. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)으로서,
    복수의 배터리 셀 각각의 양단에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 셀 모니터링 IC, 그리고
    상기 배터리의 충전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 충전 상한전압에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출하고, 상기 배터리의 방전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 방전 하한전압에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출하며, 상기 충전 사이클 횟수 및 상기 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수를 만족하면, N번째 충전 사이클에서 상기 충전 배터리 셀로 검출된 후 N+1번째 방전 사이클에서 상기 방전 배터리 셀로 검출된 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 메인 제어 회로를 포함하는, 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메인 제어 회로는,
    N번째 방전 사이클에서 상기 방전 배터리 셀로 검출된 후 N+1번째 충전 사이클에서 상기 충전 배터리 셀로 검출된 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는, 배터리 관리 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 메인 제어 회로는,
    상기 충전 배터리 셀이 검출되면 상기 충전 사이클을 종료하는, 배터리 관리 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 메인 제어 회로는,
    상기 방전 배터리 셀이 검출되면 상기 방전 사이클을 종료하는, 배터리 관리 시스템.
  8. 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법으로서,
    상기 배터리의 충전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 충전 상한전압에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출하는 단계,
    상기 배터리의 방전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 방전 하한전압에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출하는 단계,
    상기 충전 사이클 횟수 및 상기 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수에 도달 여부를 판단하는 단계, 그리고
    상기 판단결과 도달하면, 상기 충전 배터리 셀로 검출된 제1 횟수 및 상기 방전 배터리 셀로 검출된 제2 횟수를 더한 총 횟수가 제2 기준횟수 이상에 대응하는 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 단계를 포함하는, 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 충전 배터리 셀을 검출하는 단계는,
    상기 충전 배터리 셀이 검출되면 상기 충전 사이클을 종료하는, 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 방전 배터리 셀을 검출하는 단계는,
    상기 방전 배터리 셀이 검출되면 상기 방전 사이클을 종료하는, 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법.
  11. 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리에서 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법으로서,
    상기 배터리의 충전 사이클마다, 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 충전 상한전압에 첫 번째로 도달한 충전 배터리 셀을 검출하는 단계,
    상기 배터리의 방전 사이클마다 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 전압이 방전 하한전압에 첫 번째로 도달한 방전 배터리 셀을 검출하는 단계,
    상기 충전 사이클 횟수 및 상기 방전 사이클 횟수의 합이 제1 기준횟수에 도달 여부를 판단하는 단계, 그리고
    상기 판단결과 도달하면, N번째 충전 사이클에서 상기 충전 배터리 셀로 검출된 후, N+1번째 방전 사이클에서 상기 방전 배터리 셀로 검출된 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 단계를 포함하는, 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는 단계는,
    N번째 방전 사이클에서 상기 방전 배터리 셀로 검출된 후, N+1번째 충전 사이클에서 상기 충전 배터리 셀로 검출된 배터리 셀을 상기 결함 있는 배터리 셀로 검출하는, 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 충전 배터리 셀을 검출하는 단계는,
    상기 충전 배터리 셀이 검출되면 상기 충전 사이클을 종료하는, 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 방전 배터리 셀을 검출하는 단계는,
    상기 방전 배터리 셀이 검출되면 상기 방전 사이클을 종료하는, 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 방법.
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