WO2024096583A1 - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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WO2024096583A1
WO2024096583A1 PCT/KR2023/017288 KR2023017288W WO2024096583A1 WO 2024096583 A1 WO2024096583 A1 WO 2024096583A1 KR 2023017288 W KR2023017288 W KR 2023017288W WO 2024096583 A1 WO2024096583 A1 WO 2024096583A1
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battery
state
comparison result
voltage
peak
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PCT/KR2023/017288
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배윤정
우경화
차아밍
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • G—PHYSICS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery diagnostic device and method, and more specifically, to a battery diagnostic device and method for diagnosing the state of a battery in a non-destructive manner.
  • lithium batteries have almost no memory effect compared to nickel-based batteries, so they can be freely charged and discharged, and have a very high self-discharge rate. It is attracting attention due to its low and high energy density.
  • a battery includes an anode and a cathode, and has the property of deteriorating as it is used. Additionally, the degree of deterioration of the anode and cathode may vary depending on various causes such as the battery's usage environment and usage history.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and its purpose is to provide a battery diagnostic device and method that can diagnose the state of a battery in a non-destructive manner.
  • a battery diagnostic device includes a profile acquisition unit configured to obtain a differential profile indicating a correspondence between a voltage of a battery and a differential capacity with respect to the voltage; and determining a target peak from the differential profile, and determining a first comparison result of comparing the voltage between the reference peak of the reference profile preset for the battery and the determined target peak and a second comparison result of comparing the differential capacity. and may include a control unit configured to determine the state of the battery based on the first comparison result and the second comparison result.
  • the control unit may be configured to determine the first comparison result as a first state or a second state by comparing the magnitude of the voltage between the reference peak and the target peak.
  • the control unit may be configured to determine the second comparison result as the first state or the second state by comparing the magnitude of the differential capacity between the reference peak and the target peak.
  • the control unit may be configured to determine the first comparison result as the first state when the voltage of the target peak exceeds the voltage of the reference peak.
  • the control unit may be configured to determine the first comparison result as the second state when the voltage of the target peak is less than the voltage of the reference peak.
  • the control unit may be configured to determine the second comparison result as the first state when the differential capacity of the target peak exceeds the differential capacity of the reference peak.
  • the control unit may be configured to determine the second comparison result as the second state when the differential capacity of the target peak is less than the differential capacity of the reference peak.
  • the control unit may be configured to determine the state of the positive electrode of the battery based on the first comparison result and the second comparison result.
  • control unit may be configured to determine the state of the positive electrode of the battery as the first deterioration state or the second deterioration state based on the first comparison result.
  • the control unit may be configured to determine the state of the anode of the battery as the first deterioration state when the second comparison result is determined to be the second state and the first comparison result is determined to be the second state. there is.
  • the control unit may be configured to determine the state of the anode of the battery as the second deteriorated state when the second comparison result is determined to be the second state and the first comparison result is determined to be the first state. there is.
  • the control unit is configured to reduce at least one of an upper limit of a charge/discharge C-rate and an upper limit of an available SOC preset for the battery or to disable the battery when the state of the anode is determined to be the second deteriorated state. It can be.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include a battery diagnostic device according to an aspect of the present invention.
  • a battery diagnosis method includes a differential profile acquisition step of obtaining a differential profile indicating the correspondence between the voltage of the battery and the differential capacity with respect to the voltage; a target peak determination step of determining a target peak from the differential profile; A comparison result determining step of determining a first comparison result of comparing the voltage between a reference peak of a reference profile preset for the battery and the determined target peak and a second comparison result of comparing the differential capacity; and a battery state determination step of determining the state of the battery based on the first comparison result and the second comparison result.
  • a battery diagnosis device has the advantage of being able to diagnose the electrode state of a battery by considering peak behavior in the differential profile of the battery.
  • the battery diagnosis device has the advantage of being able to more specifically diagnose the state of the battery in a non-destructive manner.
  • the battery diagnosis device has the advantage of being able to set usage conditions appropriate for the current state of the battery.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a battery diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram schematically showing a battery profile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram schematically showing a differential profile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram schematically showing a reference profile and a differential profile according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a diagram schematically showing a diagnosis table according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a diagram schematically showing a battery diagnosis method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a battery diagnosis device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery has a negative terminal and a positive terminal and refers to an independent cell that is physically separable.
  • a lithium ion battery or a lithium polymer battery may be considered a battery.
  • a battery may refer to a battery module in which a plurality of cells are connected in series and/or parallel.
  • the battery will be described as meaning one independent cell.
  • the battery diagnosis device 100 may include a profile acquisition unit 110 and a control unit 120.
  • the profile acquisition unit 110 may be configured to obtain a differential profile indicating the correspondence between the voltage of the battery and the differential capacity with respect to the voltage.
  • differential capacity is a value obtained by differentiating the capacity of the battery by voltage, and can be expressed as dQ/dV.
  • differential capacity can be defined as the instantaneous rate of change of capacity with respect to voltage.
  • the profile acquisition unit 110 may directly obtain the differential profile from the outside.
  • the profile acquisition unit 110 may obtain a differential profile by receiving a pre-generated differential profile.
  • the profile acquisition unit 110 may be configured to acquire a battery profile indicating the correspondence between the voltage and capacity of the battery from the outside. Additionally, the profile acquisition unit 110 may obtain the differential profile by directly generating the differential profile from the battery profile.
  • the profile acquisition unit 110 may obtain battery information including the voltage and capacity of the battery. Additionally, the profile acquisition unit 110 may generate a battery profile indicating the correspondence between voltage and capacity based on battery information. Here, the voltage and capacity of the battery are measured by a measuring device, and the profile acquisition unit 110 can obtain the measured battery information. Additionally, the profile acquisition unit 110 may directly generate a battery profile from battery information.
  • the profile acquisition unit 110 acquires a differential profile.
  • the profile acquisition unit 110 may obtain a differential profile for the battery in various ways in addition to the limited embodiment described above. .
  • Figure 2 is a diagram schematically showing a battery profile according to an embodiment of the present invention.
  • the battery profile is a profile representing the correspondence between the capacity and voltage of the battery.
  • the battery profile can be expressed as an X-Y graph when X is set to voltage and Y is set to differential capacity.
  • the positive electrode profile is a profile for the positive electrode of the battery
  • the negative electrode profile is a profile for the negative electrode of the battery.
  • the profile acquisition unit 110 may acquire the battery profile shown in the embodiment of FIG. 2.
  • the profile acquisition unit 110 may acquire an anode profile and a cathode profile.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a differential profile (DP) according to an embodiment of the present invention.
  • the differential profile (DP) can be expressed as an X-Y graph when X is set to voltage (V) and Y is set to differential capacitance (dQ/dV).
  • the control unit 120 may be configured to determine a target peak in the differential profile (DP).
  • the differential profile (DP) may include a plurality of peaks.
  • the peak may be a point in the differential profile (DP) where the slope is 0 and has an upwardly convex shape.
  • the peak may be a point where the instantaneous rate of change of the differential capacity with respect to voltage is 0 and the slope of the differential profile (DP) changes from positive to negative.
  • the differential profile DP may include a first peak (p1), a second peak (p2), a third peak (p3), a fourth peak (p4), and a fifth peak (p5). there is.
  • the control unit 120 may determine a peak belonging to a preset target voltage range VR among a plurality of peaks included in the differential profile DP as the target peak.
  • the preset target voltage section (VR) may mean the highest voltage section among all voltage sections of the battery. For example, in the case of a 4.2V battery, approximately 4V to 4.2V may be set as the target voltage range (VR).
  • the target voltage section VR may be preset as a voltage section in which a peak corresponding to the fifth peak p5 appears.
  • the fifth peak (p5) is a peak that appears in the differential profile (DP) of a battery containing nickel.
  • the fifth peak (p5) is a peak that appears in the differential profile (DP) of a high nickel-based battery with a nickel content of 70% or more.
  • the target voltage section (VR) where the fifth peak (p5) appears in the differential profile (DP) of a high nickel-based battery is known as the voltage section corresponding to the 80% to 100% SOC (State of Charge) section of the battery. there is. That is, the voltage section corresponding to SOC 80% to 100% may be preset as the target voltage section (VR).
  • the control unit 120 may determine a peak belonging to the preset target voltage range VR among the plurality of peaks included in the differential profile DP as the target peak.
  • control unit 120 may determine the fifth peak (p5) among the plurality of peaks (p1 to p5) as the target peak.
  • the control unit 120 may be configured to determine a first comparison result of comparing the voltage between the reference peak of the reference profile preset for the battery and the determined target peak and the second comparison result of comparing the differential capacity.
  • the reference profile is a profile that represents the correspondence between voltage and differential capacity for the reference battery.
  • the reference battery may be a battery in a BOL (Beginning of Life) state or an experimental battery corresponding to a battery in the BOL state. That is, the reference profile can be set in advance based on the voltage and capacity of the reference battery. Also, among the plurality of peaks included in the reference profile, a peak belonging to the target voltage range (VR) may be determined as the reference peak.
  • BOL Beginning of Life
  • VR target voltage range
  • control unit 120 may determine the first comparison result by comparing the magnitude of the voltage between the reference peak and the target peak, and determine the second comparison result by comparing the magnitude of the differential capacitance between the reference peak and the target peak.
  • Figure 4 is a diagram schematically showing a reference profile (RP) and a differential profile (DP) according to an embodiment of the present invention.
  • the reference profile (RP) includes a reference peak (rp) and the differential profile (DP) includes a target peak (tp).
  • the reference peak (rp) has a voltage of Vr and a differential capacity of Dr.
  • the target peak (tp) has a voltage of Vt and a differential capacity of Dt.
  • the control unit 120 may determine a first comparison result by comparing the voltage (Vr) of the reference peak (rp) and the voltage (Vt) of the target peak (tp). Additionally, the control unit 120 may determine a second comparison result by comparing the differential capacitance (Dr) of the reference peak (rp) and the differential capacitance (Dt) of the target peak (tp).
  • control unit 120 may determine the first comparison result by considering that the voltage (Vt) of the target peak (tp) is smaller than the voltage (Vr) of the reference peak (rp). Additionally, the control unit 120 may determine the second comparison result by taking into account that the differential capacitance (Dt) of the target peak (tp) is smaller than the differential capacitance (Dr) of the reference peak (rp).
  • the control unit 120 may be configured to determine the state of the battery based on the first comparison result and the second comparison result.
  • control unit 120 may determine the state of the battery based on a combination of the first comparison result and the second comparison result. For example, the control unit 120 may diagnose the state of the positive electrode of the battery based on the first comparison result and the second comparison result.
  • the battery diagnosis device 100 has the advantage of being able to diagnose the electrode state of the battery by considering the peak behavior in the differential profile (DP) of the battery. That is, the battery diagnosis device 100 has the advantage of being able to diagnose the state of the battery in more detail by diagnosing the state of the positive electrode of the battery in a non-destructive manner.
  • DP differential profile
  • control unit 120 provided in the battery diagnosis device 100 uses a processor, an 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. , communication modem, data processing device, etc. may be optionally included. Additionally, when the control logic is implemented as software, the control unit 120 may be implemented as a set of program modules. At this time, the program module is stored in memory and can be executed by the control unit 120. The memory may be internal or external to the control unit 120 and may be connected to the control unit 120 by various well-known means.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the battery diagnosis device 100 may further include a storage unit 130.
  • the storage unit 130 may store data or programs necessary for each component of the battery diagnosis device 100 to perform operations and functions, or data generated in the process of performing operations and functions.
  • information storage means may include RAM, flash memory, ROM, EEPROM, registers, etc.
  • the storage unit 130 may store program codes in which processes executable by the control unit 120 are defined.
  • control unit 120 determines the first comparison result and the second comparison result
  • the control unit 120 may be configured to determine the first comparison result as the first state or the second state by comparing the magnitude of the voltage between the reference peak (rp) and the target peak (tp).
  • the control unit 120 may determine the first comparison result as the first state. Conversely, when the voltage of the target peak (tp) is less than the voltage of the reference peak (rp), the control unit 120 may determine the first comparison result as the second state.
  • the control unit 120 may determine the first comparison result as the second state.
  • the control unit 120 may be configured to determine the second comparison result as the first state or the second state by comparing the magnitude of the differential capacity between the reference peak (rp) and the target peak (tp).
  • the control unit 120 may determine the second comparison result as the first state. Conversely, when the differential capacity of the target peak (tp) is less than the differential capacity of the reference peak (rp), the control unit 120 may determine the second comparison result as the second state.
  • the control unit 120 may determine the second comparison result as the second state. there is.
  • the first state refers to a state in which the current value exceeds the reference value
  • the second state refers to a state in which the current value is less than the reference value
  • both the first comparison result and the second comparison result may be determined to be in the first state. there is.
  • the battery diagnosis device 100 independently determines the voltage comparison result (first comparison result) and the differential capacity comparison result (second comparison result) of the target peak (tp) and the reference peak (rp). You can decide. Additionally, since the state of the battery is diagnosed based on the first and second comparison results determined independently from each other, the reliability and accuracy of the state diagnosis result can be increased.
  • control unit 120 diagnoses the state of the battery based on the first comparison result and the second comparison result will be described in detail.
  • Figure 5 is a diagram schematically showing a diagnosis table according to an embodiment of the present invention.
  • the diagnosis table in FIG. 5 may be a table used to diagnose the state of the positive electrode of the battery based on the first and second comparison results.
  • the control unit 120 when the second comparison result is determined to be the second state, the control unit 120 may be configured to determine the state of the positive electrode of the battery. That is, when the differential capacity (Dt) of the target peak (tp) is less than the differential capacity (Dr) of the reference peak (rp), the control unit 120 may determine the state of the positive electrode of the battery based on the first comparison result. . Specifically, when the second comparison result is the second state, the control unit 120 may be configured to determine the state of the positive electrode of the battery as the first deterioration state or the second deterioration state based on the first comparison result.
  • the control unit 120 sets the state of the anode to the first state. It can be diagnosed as a degenerative condition.
  • the first degradation state represents a state in which cracks have occurred between active material particles inside the battery, and may represent a state of battery degradation (eg, linear degradation) that generally progresses.
  • the control unit 120 determines the state of the anode. It can be diagnosed as a secondary degenerative condition.
  • the second degradation state represents a state in which cracks are generated inside the active material particles, and may represent a state in which the degradation of the battery is accelerated. In this case, there is a problem that gas generation inside the battery may rapidly increase or a capacity drop may occur.
  • the battery diagnosis device 100 non-destructively determines the state of the battery based on the differential capacity comparison result (second comparison result) and the voltage comparison result (first comparison result) of the target peak (tp) and the reference peak (rp). It can be diagnosed quickly.
  • control unit 120 controls battery usage conditions based on the determined state of the battery.
  • control unit 120 may set usage conditions for the battery based on the state of the battery's positive electrode.
  • initial usage conditions for the battery may be set in advance.
  • control unit 120 can change the usage conditions according to the determined state of the anode.
  • the controller 120 may reduce at least one of the upper limit of the charge/discharge C-rate and the upper limit of the available SOC that are preset for the battery.
  • the control unit 120 may be configured to clean the battery when it is not used.
  • the control unit 120 may reduce the upper limit of the charging C-rate to prevent further deterioration of the positive electrode. That is, the control unit 120 can relax the conditions for rapid charging of the battery. Accordingly, fast charging of the battery may be prevented, or the fast charging level (eg, intensity of fast charging) may be adjusted downward.
  • the fast charging level eg, intensity of fast charging
  • the control unit 120 may reduce the upper limit of the available SOC to prevent further deterioration of the anode. That is, if the anode is in a degraded state, use of the anode on the high SOC side (i.e., high potential side) may be limited.
  • the control unit 120 may be configured to disable the battery. That is, when the state of the positive electrode of the battery is diagnosed as a second deterioration state, there is a problem that gas is generated and/or capacity drop occurs inside the battery due to cracks inside the active material particles. Since internal gas generation causes venting of the battery, accidents such as fire and/or explosion may occur. Accordingly, the control unit 120 may be configured to disable the battery in order to prevent such an accident.
  • control unit 120 may diagnose the state of the anode of the battery as the first deterioration state. Accordingly, the control unit 120 may not change the preset usage conditions for the battery.
  • the battery diagnosis device 100 has the advantage of being able to appropriately set the usage conditions of the battery based on the state of the anode. Because usage conditions appropriate to the current state of the battery are established, further degradation of the battery can be prevented or delayed. That is, according to the battery diagnosis device 100, the life expectancy of the battery can be improved.
  • the battery diagnosis device 100 according to the present invention can be applied to a battery management system (BMS). That is, the BMS according to the present invention may include the battery diagnosis device 100 described above. In this configuration, at least some of the components of the battery diagnosis device 100 may be implemented by supplementing or adding functions included in a conventional BMS. For example, the profile acquisition unit 110, control unit 120, and storage unit 130 of the battery diagnosis device 100 may be implemented as components of a BMS.
  • BMS battery management system
  • the battery diagnosis device 100 according to the present invention may be provided in a battery pack. That is, the battery pack according to the present invention may include the above-described battery diagnosis device 100 and one or more battery cells. Additionally, the battery pack may further include electrical components (relays, fuses, etc.) and a case.
  • Figure 6 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the positive terminal of the battery 10 may be connected to the positive terminal (P+) of the battery pack 1, and the negative terminal of the battery 10 may be connected to the negative terminal (P-) of the battery pack 1.
  • the measuring unit 20 may be connected to the first sensing line (SL1), the second sensing line (SL2), and the third sensing line (SL3). Specifically, the measuring unit 20 may be connected to the positive terminal of the battery 10 through the first sensing line SL1 and may be connected to the negative terminal of the battery 10 through the second sensing line SL2. The measurement unit 20 may measure the voltage of the battery 10 based on the voltage measured at each of the first and second sensing lines (SL1) and SL2.
  • the measurement unit 20 may be connected to the current measurement unit (A) through the third sensing line (SL3).
  • the current measurement unit A may be an ammeter or a shunt resistor capable of measuring the charging current and discharging current of the battery 10.
  • the measurement unit 20 may measure the charging current of the battery 10 through the third sensing line SL3 and calculate the charging amount. Additionally, the measurement unit 20 may calculate the discharge amount by measuring the discharge current of the battery 10 through the third sensing line SL3.
  • a charge/discharge device or load may be connected to the positive terminal (P+) and negative terminal (P-) of the battery pack 1.
  • One end of the load may be connected to the positive terminal (P+) of the battery pack 1, and the other end may be connected to the negative terminal (P-) of the battery pack 1. Accordingly, the positive terminal of the battery 10, the positive terminal (P+) of the battery pack 1, the load, the negative terminal (P-) of the battery pack 1, and the negative terminal of the battery 10 may be electrically connected. .
  • the profile acquisition unit 110 may receive the voltage and capacity of the battery 10 from the measurement unit 20 and obtain a battery profile. Additionally, the profile acquisition unit 110 may generate a differential profile (DP) from the acquired battery profile.
  • DP differential profile
  • battery information including the voltage and capacity of the battery 10 measured by the measurement unit 20 may be stored in the storage unit 130.
  • the battery profile and differential profile (DP) may also be stored in the storage unit 130.
  • Figure 7 is a diagram schematically showing a battery diagnosis method according to another embodiment of the present invention.
  • each step of the battery diagnosis method can be performed by the battery diagnosis device 100.
  • the battery diagnosis device 100 Preferably, each step of the battery diagnosis method can be performed by the battery diagnosis device 100.
  • content that overlaps with the content described above will be omitted or briefly described.
  • the battery diagnosis method may include a differential profile acquisition step (S100), a target peak determination step (S200), a comparison result determination step (S300), and a battery state determination step (S400).
  • the differential profile acquisition step (S100) is a step of acquiring a differential profile (DP) representing the correspondence between the voltage of the battery and the differential capacity with respect to the voltage, and may be performed by the profile acquisition unit 110.
  • DP differential profile
  • the profile acquisition unit 110 may directly receive a differential profile (DP) for the battery or generate it based on the battery profile.
  • DP differential profile
  • the target peak determination step (S200) is a step of determining the target peak (tp) from the differential profile (DP) and may be performed by the control unit 120.
  • control unit 120 may determine a peak belonging to the target voltage section VR among a plurality of peaks included in the differential profile DP as the target peak tp.
  • control unit 120 may determine the fifth peak (p5) among the plurality of peaks (p1 to p5) included in the differential profile (DP) as the target peak (tp).
  • the comparison result determination step (S300) compares the first comparison result of comparing the voltage between the reference peak (rp) of the reference profile (RP) preset for the battery and the determined target peak (tp) and the differential capacity. This step of determining the second comparison result may be performed by the control unit 120.
  • the control unit 120 may determine the first comparison result by comparing the magnitude between the voltage of the target peak (tp) and the voltage of the reference peak (rp). Additionally, the control unit 120 may determine a second comparison result by comparing the magnitude between the differential capacitance of the target peak (tp) and the differential capacitance of the reference peak (rp).
  • the first comparison result may be determined as the first state. Conversely, if the voltage of the target peak (tp) is less than the voltage of the reference peak (rp), the first comparison result may be determined as the second state.
  • the second comparison result may be determined to be the first state. Conversely, if the differential capacity of the target peak (tp) is less than the differential capacity of the reference peak (rp), the second comparison result may be determined as the second state.
  • the first state refers to a state in which the current value (e.g., the value of the target peak (tp)) exceeds the reference value (e.g., the value of the reference peak (rp)), and the second state refers to a state in which the current value is less than the reference value. do.
  • the first comparison result may be determined as the second state.
  • the differential capacity (Dt) of the target peak (tp) is less than the differential capacity (Dr) of the reference peak (rp)
  • the second comparison result may be determined as the second state.
  • the battery state determination step (S400) is a step of determining the state of the battery based on the first comparison result and the second comparison result, and may be performed by the control unit 120.
  • control unit 120 may determine the state of the positive electrode of the battery based on the first comparison result and the second comparison result.
  • the control unit 120 may determine the state of the positive electrode of the battery to be the first deterioration state or the second deterioration state based on the first comparison result. That is, when the differential capacitance (Dt) of the target peak (tp) is less than the differential capacitance (Dr) of the reference peak (rp), the control unit 120 determines the difference between the voltage (Vt) of the target peak (tp) and the reference peak (rp). The condition of the anode can be diagnosed based on the results of comparing the voltage (Vr).
  • the control unit 120 may determine that the state of the positive electrode of the battery is the first deterioration state. Conversely, when the second comparison result is the second state and the first comparison result is the first state, the control unit 120 may determine that the state of the positive electrode of the battery is the second deterioration state.
  • the control unit 120 may diagnose the state of the positive electrode of the battery as the first deterioration state.
  • control unit 120 may prevent the battery from further deteriorating by setting usage conditions for the battery based on the diagnosis results.
  • the embodiments of the present invention described above are not only implemented through devices and methods, but may also be implemented through a program that realizes the function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded.
  • the implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs based on the description of the embodiments described above.
  • control unit 120 control unit

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리의 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하며, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 상기 전압을 비교한 제1 비교 결과 및 상기 미분 용량을 비교한 제2 비교 결과를 결정하고, 상기 제1 비교 결과 및 상기 제2 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 진단 장치 및 방법
본 출원은 2022년 11월 01일 자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2022-0143795호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 비파괴적인 방식으로 배터리의 상태를 진단하는 배터리 진단 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.
일반적으로, 배터리는 양극과 음극을 포함하며, 배터리는 사용됨에 따라 퇴화되는 특성을 가지고 있다. 그리고, 배터리의 사용 환경, 사용 이력 등 다양한 원인에 따라 양극과 음극의 퇴화 정도가 달라질 수도 있다.
또한, 운용 중인 배터리를 분해하는 것은 용이하지 않으며, 분해 과정에서 폭발 등의 사고가 발생될 수도 있다. 즉, 배터리를 분해하여 양극 및 음극의 상태를 직접 확인하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서, 비파괴적인 방식을 이용하여, 배터리에 관련된 정보들을 토대로 배터리의 상태를 진단하는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 비파괴적인 방식으로 배터리의 상태를 진단할 수 있는 배터리 진단 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 진단 장치는 배터리의 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하며, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 상기 전압을 비교한 제1 비교 결과 및 상기 미분 용량을 비교한 제2 비교 결과를 결정하고, 상기 제1 비교 결과 및 상기 제2 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 기준 피크와 상기 타겟 피크 간의 상기 전압의 대소를 비교하여 상기 제1 비교 결과를 제1 상태 또는 제2 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 기준 피크와 상기 타겟 피크 간의 상기 미분 용량의 대소를 비교하여 상기 제2 비교 결과를 상기 제1 상태 또는 상기 제2 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압을 초과하는 경우, 상기 제1 비교 결과를 상기 제1 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압 미만인 경우, 상기 제1 비교 결과를 상기 제2 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 타겟 피크의 미분 용량이 상기 기준 피크의 미분 용량을 초과하는 경우, 상기 제2 비교 결과를 상기 제1 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 타겟 피크의 미분 용량이 상기 기준 피크의 미분 용량 미만인 경우, 상기 제2 비교 결과를 상기 제2 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 비교 결과 및 상기 제2 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 양극의 상태를 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제2 비교 결과가 상기 제2 상태인 경우, 상기 제1 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 양극의 상태를 제1 퇴화 상태 또는 제2 퇴화 상태로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제2 비교 결과가 상기 제2 상태로 결정되고, 상기 제1 비교 결과가 상기 제2 상태로 결정된 경우, 상기 배터리의 양극의 상태를 상기 제1 퇴화 상태로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제2 비교 결과가 상기 제2 상태로 결정되고, 상기 제1 비교 결과가 상기 제1 상태로 결정된 경우, 상기 배터리의 양극의 상태를 상기 제2 퇴화 상태로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 양극의 상태가 상기 제2 퇴화 상태로 결정된 경우, 상기 배터리에 대하여 미리 설정된 충방전 C-rate의 상한 및 가용 SOC의 상한 중 적어도 하나를 감소시키거나 상기 배터리를 불용 처리하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 진단 방법은 배터리의 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일을 획득하는 미분 프로파일 획득 단계; 상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하는 타겟 피크 결정 단계; 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 상기 전압을 비교한 제1 비교 결과 및 상기 미분 용량을 비교한 제2 비교 결과를 결정하는 비교 결과 결정 단계; 및 상기 제1 비교 결과 및 상기 제2 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단하는 배터리 상태 판단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 진단 장치는 배터리의 미분 프로파일에서의 피크 거동을 고려하여 배터리의 전극 상태를 진단할 수 있는 장점이 있다. 즉, 배터리 진단 장치는 비파괴적인 방식으로 배터리의 상태를 보다 구체적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 진단 장치는 배터리의 현재 상태에 적절한 사용 조건을 설정할 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 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 프로파일 및 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 테이블을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 진단 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 진단 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리로 간주될 수 있다. 또한, 배터리는 복수의 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 의미할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 프로파일 획득부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 배터리의 전압과 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일을 획득하도록 구성될 수 있다.
여기서, 미분 용량은 배터리의 용량을 전압으로 미분한 값으로서, dQ/dV로 나타낼 수 있다. 즉, 미분 용량은 전압에 대한 용량의 순간 변화율로 정의될 수 있다.
일 실시예에서, 프로파일 획득부(110)는 외부로부터 미분 프로파일을 직접 획득할 수 있다. 예컨대, 프로파일 획득부(110)는 미리 생성된 미분 프로파일을 수신함으로써, 미분 프로파일을 획득할 수 있다.
다른 실시예에서, 프로파일 획득부(110)는 외부로부터 배터리의 전압 및 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일을 획득하도록 구성될 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 배터리 프로파일로부터 미분 프로파일을 직접 생성함으로써, 미분 프로파일을 획득할 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 프로파일 획득부(110)는 배터리의 전압 및 용량을 포함하는 배터리 정보를 획득할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 배터리 정보에 기반하여 전압과 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일을 생성할 수 있다. 여기서, 배터리의 전압 및 용량은 측정 장치에 의해 측정되고, 측정된 배터리 정보를 프로파일 획득부(110)가 획득할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 배터리 정보로부터 배터리 프로파일을 직접 생성할 수 있다.
이상에서 프로파일 획득부(110)가 미분 프로파일을 획득하는 제한적인 실시예에 대해 설명하였으나, 프로파일 획득부(110)는 상술한 제한될 실시예 외에도 다양한 방법으로 배터리에 대한 미분 프로파일을 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2의 실시예에서, 배터리 프로파일은 배터리의 용량과 전압 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일이다. 배터리 프로파일은 X를 전압으로 설정하고, Y를 미분 용량으로 설정한 경우의 X-Y 그래프로 표현될 수 있다. 그리고, 양극 프로파일은 배터리의 양극에 대한 프로파일이고, 음극 프로파일은 배터리의 음극에 대한 프로파일이다. 바람직하게, 프로파일 획득부(110)는 도 2의 실시예에 도시된 배터리 프로파일을 획득할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로파일 획득부(110)는 양극 프로파일 및 음극 프로파일을 획득할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미분 프로파일(DP)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3의 실시예에서, 미분 프로파일(DP)은 X를 전압(V)으로 설정하고, Y를 미분 용량(dQ/dV)으로 설정한 경우의 X-Y 그래프로 표현될 수 있다.
제어부(120)는 미분 프로파일(DP)에서 타겟 피크를 결정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 미분 프로파일(DP)에는 복수의 피크가 포함될 수 있다. 여기서, 피크란 미분 프로파일(DP)에서 기울기가 0이고, 위로 볼록한 개형을 띠는 포인트일 수 있다. 다른 말로 설명하면, 피크는 전압에 대한 미분 용량의 순간 변화율이 0이고, 미분 프로파일(DP)의 기울기가 양에서 음으로 변경되는 포인트일 수 있다. 도 3의 실시예에서, 미분 프로파일(DP)에는 제1 피크(p1), 제2 피크(p2), 제3 피크(p3), 제4 피크(p4) 및 제5 피크(p5)가 포함될 수 있다.
제어부(120)는 미분 프로파일(DP)에 포함된 복수의 피크 중에서 미리 설정된 타겟 전압 구간(VR)에 속한 피크를 타겟 피크로 결정할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 타겟 전압 구간(VR)이란 배터리의 전제 전압 구간 중에서 최상단 전압 구간을 의미할 수 있다. 예컨대, 4.2V 배터리의 경우, 약 4V 내지 4.2V가 타겟 전압 구간(VR)으로 설정될 수 있다.
보다 구체적으로, 타겟 전압 구간(VR)은 제5 피크(p5)에 해당하는 피크가 나타나는 전압 구간으로 미리 설정될 수 있다. 제5 피크(p5)는 니켈이 포함된 배터리의 미분 프로파일(DP)에서 나타나는 피크이다. 예컨대, 제5 피크(p5)는 니켈 함량이 70% 이상인 하이 니켈계 배터리의 미분 프로파일(DP)에서 나타나는 피크이다. 일반적으로, 하이 니켈계 배터리의 미분 프로파일(DP)에서 제5 피크(p5)가 나타나는 타겟 전압 구간(VR)은 배터리의 SOC(State of charge) 80% 내지 100% 구간에 대응되는 전압 구간으로 알려져있다. 즉, SOC 80% 내지 100%에 대응되는 전압 구간이 타겟 전압 구간(VR)으로 미리 설정될 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 미분 프로파일(DP)에 포함된 복수의 피크 중에서 미리 설정된 타겟 전압 구간(VR)에 속한 피크를 타겟 피크로 결정할 수 있다.
도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 복수의 피크(p1 내지 p5) 중에서 제5 피크(p5)를 타겟 피크로 결정할 수 있다.
제어부(120)는 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 결정된 타겟 피크 간의 전압을 비교한 제1 비교 결과 및 미분 용량을 비교한 제2 비교 결과를 판단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 기준 프로파일은 기준 배터리에 대한 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일이다. 여기서, 기준 배터리는 BOL(Beginning of life) 상태의 배터리거나 BOL 상태의 배터리에 대응되는 실험용 배터리일 수 있다. 즉, 기준 프로파일은 기준 배터리의 전압 및 용량에 기반하여 미리 설정될 수 있다. 그리고, 기준 프로파일에 포함된 복수의 피크 중에서 타겟 전압 구간(VR)에 속한 피크는 기준 피크로 결정될 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 기준 피크와 타겟 피크 간의 전압의 대소를 비교하여 제1 비교 결과를 결정하고, 기준 피크와 타겟 피크 간의 미분 용량의 대소를 비교하여 제2 비교 결과를 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 프로파일(RP) 및 미분 프로파일(DP)을 개략적으로 도시한 도면이다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 기준 프로파일(RP)에는 기준 피크(rp)가 포함되고, 미분 프로파일(DP)에는 타겟 피크(tp)가 포함되었다고 가정한다. 기준 피크(rp)는 전압이 Vr이고, 미분 용량이 Dr이다. 타겟 피크(tp)는 전압이 Vt이고, 미분 용량이 Dt이다. 제어부(120)는 기준 피크(rp)의 전압(Vr)과 타겟 피크(tp)의 전압(Vt)을 비교하여 제1 비교 결과를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 기준 피크(rp)의 미분 용량(Dr)과 타겟 피크(tp)의 미분 용량(Dt)을 비교하여 제2 비교 결과를 결정할 수 있다.
도 4의 실시예에서, 제어부(120)는 타겟 피크(tp)의 전압(Vt)이 기준 피크(rp)의 전압(Vr)보다 작다는 점을 고려하여 제1 비교 결과를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 타겟 피크(tp)의 미분 용량(Dt)이 기준 피크(rp)의 미분 용량(Dr)보다 작다는 점을 고려하여 제2 비교 결과를 결정할 수 있다.
제어부(120)는 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과에 기반하여 배터리의 상태를 판단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과의 조합에 기반하여 배터리의 상태를 판단할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과에 기반하여 배터리의 양극의 상태를 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 배터리의 미분 프로파일(DP)에서의 피크 거동을 고려하여 배터리의 전극 상태를 진단할 수 있는 장점이 있다. 즉, 배터리 진단 장치(100)는 비파괴적인 방식으로 배터리의 양극의 상태를 진단함으로써, 배터리의 상태를 보다 구체적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
한편, 배터리 진단 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, 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 진단 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 배터리 진단 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.
이하에서는, 제어부(120)가 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과를 결정하는 실시예를 구체적으로 설명한다.
제어부(120)는 기준 피크(rp)와 타겟 피크(tp) 간의 전압의 대소를 비교하여 제1 비교 결과를 제1 상태 또는 제2 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 타겟 피크(tp)의 전압이 기준 피크(rp)의 전압을 초과하는 경우, 제어부(120)는 제1 비교 결과를 제1 상태로 결정할 수 있다. 반대로, 타겟 피크(tp)의 전압이 기준 피크(rp)의 전압 미만인 경우, 제어부(120)는 제1 비교 결과를 제2 상태로 결정할 수 있다.
도 4의 실시예에서, 타겟 피크(tp)의 전압(Vt)은 기준 피크(rp)의 전압(Vr)보다 작기 때문에, 제어부(120)는 제1 비교 결과를 제2 상태로 결정할 수 있다.
제어부(120)는 기준 피크(rp)와 타겟 피크(tp) 간의 미분 용량의 대소를 비교하여 제2 비교 결과를 제1 상태 또는 제2 상태로 결정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 타겟 피크(tp)의 미분 용량이 기준 피크(rp)의 미분 용량을 초과하는 경우, 제어부(120)는 제2 비교 결과를 제1 상태로 결정할 수 있다. 반대로, 타겟 피크(tp)의 미분 용량이 기준 피크(rp)의 미분 용량 미만인 경우, 제어부(120)는 제2 비교 결과를 제2 상태로 결정할 수 있다.
도 4의 실시예에서, 타겟 피크(tp)의 미분 용량(Dt)은 기준 피크(rp)의 미분 용량(Dr)보다 작기 때문에, 제어부(120)는 제2 비교 결과를 제2 상태로 결정할 수 있다.
즉, 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과에서, 제1 상태는 현재값이 기준값을 초과하는 상태를 의미하고, 제2 상태는 현재값이 기준값 미만인 상태를 의미한다.
도 4의 실시예와 달리, 타겟 피크(tp)의 전압 및 미분 용량이 기준 피크(rp)의 전압 및 미분 용량을 초과하면, 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과는 모두 제1 상태로 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 타겟 피크(tp)와 기준 피크(rp)의 전압 비교 결과(제1 비교 결과) 및 미분 용량 비교 결과(제2 비교 결과)를 독립적으로 결정할 수 있다. 그리고, 서로 독립적으로 결정된 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과에 기반하여 배터리의 상태가 진단되기 때문에, 상태 진단 결과에 대한 신뢰도 및 정확도가 높아질 수 있다.
이하에서는, 제어부(120)가 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과에 기반하여 배터리의 상태를 진단하는 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 테이블을 개략적으로 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 5의 진단 테이블은 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과에 기반하여, 배터리의 양극의 상태를 진단하는데 이용되는 테이블일 수 있다.
도 5의 실시예에서, 제2 비교 결과가 제2 상태로 판단된 경우, 제어부(120)는 배터리의 양극의 상태를 판단하도록 구성될 수 있다. 즉, 타겟 피크(tp)의 미분 용량(Dt)이 기준 피크(rp)의 미분 용량(Dr) 미만인 경우, 제어부(120)는 제1 비교 결과에 기반하여 배터리의 양극의 상태를 판단할 수 있다. 구체적으로, 제2 비교 결과가 제2 상태인 경우, 제어부(120)는 제1 비교 결과에 기반하여 배터리의 양극의 상태를 제1 퇴화 상태 또는 제2 퇴화 상태로 판단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 타겟 피크(tp)의 전압(Vt)이 기준 피크(rp)의 전압(Vr)보다 작은 경우(제1 비교 결과가 제2 상태인 경우), 제어부(120)는 양극의 상태를 제1 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
여기서, 제1 퇴화 상태는 배터리 내부의 활물질 입자 간 크랙이 발생된 상태를 나타내는 것으로서, 일반적으로 진행되는 배터리의 퇴화(예컨대, 선형 퇴화) 상태를 나타낼 수 있다.
다른 예로, 타겟 피크(tp)의 전압(Vt)이 기준 피크(rp)의 전압(Vr)을 초과하는 경우(제1 비교 결과가 제1 상태인 경우), 제어부(120)는 양극의 상태를 제2 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
여기서, 제2 퇴화 상태는 활물질 입자 내부에 크랙이 발생된 상태를 나타내는 것으로서, 배터리의 퇴화가 가속되는 상태를 나타낼 수 있다. 이러한 경우, 배터리 내부의 가스 발생이 급증하거나 용량 드랍이 발생될 수 있는 문제가 있다.
따라서, 배터리 진단 장치(100)는 타겟 피크(tp)와 기준 피크(rp)의 미분 용량 비교 결과(제2 비교 결과)및 전압 비교 결과(제1 비교 결과)에 기반하여, 배터리의 상태를 비파괴적으로 신속히 진단할 수 있다.
이하에서는, 판단된 배터리의 상태에 기반하여, 제어부(120)가 배터리의 사용 조건을 제어하는 실시예를 설명한다.
구체적으로, 제어부(120)는 배터리의 양극의 상태에 기반하여 배터리에 대한 사용 조건을 설정할 수 있다. 여기서, 배터리에 대한 초기 사용 조건은 미리 설정될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 판단된 양극의 상태에 따라 사용 조건을 변경할 수 있다.
양극의 상태가 제2 퇴화 상태로 결정된 경우, 제어부(120)는 배터리에 대하여 미리 설정된 충방전 C-rate의 상한 및 가용 SOC의 상한 중 적어도 하나를 감소시킬 수 있다. 실시예에 따라서, 제어부(120)는 배터리를 불용 청리하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 배터리의 양극의 상태가 제2 퇴화 상태인 경우, 제어부(120)는 양극의 추가 퇴화를 방지하기 위하여 충전 C-rate의 상한을 감소시킬 수 있다. 즉, 제어부(120)는 배터리에 대한 급속 충전의 조건을 완화시킬 수 있다. 따라서, 배터리에 대한 급속 충전이 방지되거나, 급속 충전 레벨(예컨대, 급속 충전의 세기)이 하향 조정될 수 있다.
다른 예로, 배터리의 양극의 상태가 제2 퇴화 상태인 경우, 제어부(120)는 양극의 추가 퇴화를 방지하기 위하여 가용 SOC의 상한을 감소시킬 수 있다. 즉, 양극의 상태가 퇴화 상태인 경우, 고SOC 측(즉, 고전위 측)에서의 양극의 사용이 제한될 수 있다.
또 다른 예로, 배터리의 양극의 상태가 제2 퇴화 상태인 경우, 제어부(120)는 배터리를 불용 처리하도록 구성될 수 있다. 즉, 배터리의 양극의 상태가 제2 퇴화 상태로 진단된 경우, 활물질 입자 내부의 크랙으로 인해 배터리 내부 가스 발생 및/또는 용량 드랍이 발생될 문제가 있다. 내부 가스 발생은 배터리의 벤팅(Venting)을 야기시키기 때문에, 화재 및/또는 폭발와 같은 사고가 발생될 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 이러한 사고를 미연에 방지하기 위하여, 배터리를 불용 처리하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제어부(120)는 배터리의 양극의 상태를 제1 퇴화 상태로 진단할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 배터리에 대해 미리 설정된 사용 조건을 변경하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)는 양극의 상태에 기반하여 배터리의 사용 조건을 적절하게 설정할 수 있는 장점이 있다. 배터리의 현재 상태에 적절한 사용 조건을 설정되기 때문에, 배터리에 대한 추가 퇴화가 방지 또는 지연될 수 있다. 즉, 배터리 진단 장치(100)에 따르면, 배터리의 기대 수명이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 진단 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 진단 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 진단 장치(100)의 프로파일 획득부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 진단 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 진단 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
배터리(10)의 양극 단자는 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 배터리(10)의 음극 단자는 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다.
측정부(20)는 제1 센싱 라인(SL1), 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 측정부(20)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(10)의 양극 단자에 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(10)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 측정부(20)는 제1 센싱 라인(SL1)과 제2 센싱 라인(SL2) 각각에서 측정된 전압에 기반하여, 배터리(10)의 전압을 측정할 수 있다.
그리고, 측정부(20)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 전류 측정 유닛(A)과 연결될 수 있다. 예컨대, 전류 측정 유닛(A)은 배터리(10)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있는 전류계 또는 션트 저항일 수 있다. 측정부(20)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(10)의 충전 전류를 측정하여 충전량을 산출할 수 있다. 또한, 측정부(20)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(10)의 방전 전류를 측정하여 방전량을 산출할 수 있다.
배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 및 음극 단자(P-)에는 충방전 장치 또는 부하가 연결될 수 있다. 부하는 일단이 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 타단이 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다. 따라서, 배터리(10)의 양극 단자, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+), 부하, 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 및 배터리(10)의 음극 단자는 전기적으로 연결될 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 측정부(20)로부터 배터리(10)에 대한 전압 및 용량을 수신하여 배터리 프로파일을 획득할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 획득된 배터리 프로파일로부터 미분 프로파일(DP)을 생성할 수 있다.
예컨대, 측정부(20)에 의해 측정된 배터리(10)의 전압 및 용량을 포함하는 배터리 정보는 저장부(130)에 저장될 수 있다. 또한, 배터리 프로파일 및 미분 프로파일(DP)도 저장부(130)에 저장될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 진단 방법의 각 단계는 배터리 진단 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 7을 참조하면, 배터리 진단 방법은 미분 프로파일 획득 단계(S100), 타겟 피크 결정 단계(S200), 비교 결과 결정 단계(S300) 및 배터리 상태 판단 단계(S400)를 포함할 수 있다.
미분 프로파일 획득 단계(S100)는 배터리의 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일(DP)을 획득하는 단계로서, 프로파일 획득부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 배터리에 대한 미분 프로파일(DP)을 직접 수신하거나, 배터리 프로파일에 기반하여 생성할 수 있다.
타겟 피크 결정 단계(S200)는 상기 미분 프로파일(DP)에서 타겟 피크(tp)를 결정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 미분 프로파일(DP)에 포함된 복수의 피크 중 타겟 전압 구간(VR)에 속한 피크를 타겟 피크(tp)로 결정할 수 있다.
도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 미분 프로파일(DP)에 포함된 복수의 피크(p1 내지 p5) 중에서 제5 피크(p5)를 타겟 피크(tp)로 결정할 수 있다.
비교 결과 결정 단계(S300)는 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일(RP)의 기준 피크(rp)와 상기 결정된 타겟 피크(tp) 간의 상기 전압을 비교한 제1 비교 결과 및 상기 미분 용량을 비교한 제2 비교 결과를 결정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
제어부(120)는 타겟 피크(tp)의 전압과 기준 피크(rp)의 전압 간의 대소를 비교하여 제1 비교 결과를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 타겟 피크(tp)의 미분 용량과 기준 피크(rp)의 미분 용량 간의 대소를 비교하여 제2 비교 결과를 결정할 수 있다.
예컨대, 타겟 피크(tp)의 전압이 기준 피크(rp)의 전압을 초과하면, 제1 비교 결과는 제1 상태로 결정될 수 있다. 반대로, 타겟 피크(tp)의 전압이 기준 피크(rp)의 전압 미만이면, 제1 비교 결과는 제2 상태로 결정될 수 있다.
다른 예로, 타겟 피크(tp)의 미분 용량이 기준 피크(rp)의 미분 용량을 초과하면, 제2 비교 결과는 제1 상태로 결정될 수 있다. 반대로, 타겟 피크(tp)의 미분 용량이 기준 피크(rp)의 미분 용량 미만이면 제2 비교 결과는 제2 상태로 결정될 수 있다.
여기서, 제1 상태는 현재값(예컨대, 타겟 피크(tp)의 값)이 기준값(예컨대, 기준 피크(rp)의 값)을 초과하는 상태이고, 제2 상태는 현재값이 기준값 미만인 상태를 의미한다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 타겟 피크(tp)의 전압(Vt)은 기준 피크(rp)의 전압(Vr) 미만이므로, 제1 비교 결과는 제2 상태로 결정될 수 있다. 그리고, 타겟 피크(tp)의 미분 용량(Dt)은 기준 피크(rp)의 미분 용량(Dr) 미만이므로, 제2 비교 결과는 제2 상태로 결정될 수 있다.
배터리 상태 판단 단계(S400)는 상기 제1 비교 결과 및 상기 제2 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 제1 비교 결과 및 제2 비교 결과에 기반하여 배터리의 양극의 상태를 판단할 수 있다.
바람직하게, 제어부(120)는 제2 비교 결과가 제2 상태로 판단되면, 제1 비교 결과에 기반하여 배터리의 양극의 상태를 제1 퇴화 상태 또는 제2 퇴화 상태로 판단할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 타겟 피크(tp)의 미분 용량(Dt)이 기준 피크(rp)의 미분 용량(Dr) 미만인 경우, 타겟 피크(tp)의 전압(Vt)과 기준 피크(rp)의 전압(Vr)을 비교한 결과에 따라 양극의 상태를 진단할 수 있다.
예컨대, 제2 비교 결과가 제2 상태이고, 제1 비교 결과가 제2 상태인 경우, 제어부(120)는 배터리의 양극의 상태를 제1 퇴화 상태로 판단할 수 있다. 반대로, 제2 비교 결과가 제2 상태이고, 제1 비교 결과가 제1 상태인 경우, 제어부(120)는 배터리의 양극의 상태를 제2 퇴화 상태로 판단할 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제1 비교 결과는 제2 상태이고, 제2 비교 결과는 제2 상태이다. 따라서, 제어부(120)는 배터리의 양극의 상태를 제1 퇴화 상태로 진단할 수 있다.
실시예에 따라, 제어부(120)는 진단된 결과에 기반하여 배터리에 대한 사용 조건을 설정함으로써, 배터리가 더 퇴화되지 않도록 유도할 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
10: 배터리
100: 배터리 진단 장치
110: 프로파일 획득부
120: 제어부
130: 저장부

Claims (10)

  1. 배터리의 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및
    상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하며, 상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 상기 전압을 비교한 제1 비교 결과 및 상기 미분 용량을 비교한 제2 비교 결과를 결정하고, 상기 제1 비교 결과 및 상기 제2 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기준 피크와 상기 타겟 피크 간의 상기 전압의 대소를 비교하여 상기 제1 비교 결과를 제1 상태 또는 제2 상태로 결정하고,
    상기 기준 피크와 상기 타겟 피크 간의 상기 미분 용량의 대소를 비교하여 상기 제2 비교 결과를 상기 제1 상태 또는 상기 제2 상태로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압을 초과하는 경우, 상기 제1 비교 결과를 상기 제1 상태로 결정하고,
    상기 타겟 피크의 전압이 상기 기준 피크의 전압 미만인 경우, 상기 제1 비교 결과를 상기 제2 상태로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 타겟 피크의 미분 용량이 상기 기준 피크의 미분 용량을 초과하는 경우, 상기 제2 비교 결과를 상기 제1 상태로 결정하고,
    상기 타겟 피크의 미분 용량이 상기 기준 피크의 미분 용량 미만인 경우, 상기 제2 비교 결과를 상기 제2 상태로 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 비교 결과 및 상기 제2 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 양극의 상태를 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 비교 결과가 상기 제2 상태인 경우, 상기 제1 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 양극의 상태를 제1 퇴화 상태 또는 제2 퇴화 상태로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 비교 결과가 상기 제2 상태로 결정되고, 상기 제1 비교 결과가 상기 제2 상태로 결정된 경우, 상기 배터리의 양극의 상태를 상기 제1 퇴화 상태로 판단하고,
    상기 제2 비교 결과가 상기 제2 상태로 결정되고, 상기 제1 비교 결과가 상기 제1 상태로 결정된 경우, 상기 배터리의 양극의 상태를 상기 제2 퇴화 상태로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 양극의 상태가 상기 제2 퇴화 상태로 결정된 경우, 상기 배터리에 대하여 미리 설정된 충방전 C-rate의 상한 및 가용 SOC의 상한 중 적어도 하나를 감소시키거나 상기 배터리를 불용 처리하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  10. 배터리의 전압과 상기 전압에 대한 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일을 획득하는 미분 프로파일 획득 단계;
    상기 미분 프로파일에서 타겟 피크를 결정하는 타겟 피크 결정 단계;
    상기 배터리에 대해 미리 설정된 기준 프로파일의 기준 피크와 상기 결정된 타겟 피크 간의 상기 전압을 비교한 제1 비교 결과 및 상기 미분 용량을 비교한 제2 비교 결과를 결정하는 비교 결과 결정 단계; 및
    상기 제1 비교 결과 및 상기 제2 비교 결과에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단하는 배터리 상태 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
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