WO2025147100A1 - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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control unit
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차아밍
배윤정
강혜진
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LG Energy Solution Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a technology for diagnosing and managing the state of a battery, and more specifically, to a battery management device and method for diagnosing the state of a battery using the characteristics of a differential profile.
  • lithium secondary batteries have the advantage of being free to charge and discharge and having a very low self-discharge rate compared to nickel-based secondary batteries, as well as having high energy density and high operating voltage. Therefore, they are being studied more intensively than other types of secondary batteries and are being applied more widely in actual products.
  • secondary batteries are widely used not only in small devices such as portable electronic devices, but also in medium and large-sized devices such as electric vehicles and energy storage systems (ESS).
  • ESS energy storage systems
  • secondary cell-based batteries generate energy through electrochemical reactions, so as the charge/discharge cycle continues or is repeated, they cannot maintain the performance they had when they were first manufactured, that is, the BOL (Beginning Of Life) state, and gradually deteriorate.
  • BOL Beginning Of Life
  • Conventional representative methods for diagnosing the condition of a battery cell include methods that utilize the behavioral characteristics of the differential profile of the battery cell or changes in peak points, and a three-electrode analysis method using a positive and negative coin half cell (CHC).
  • CHC coin half cell
  • a conventional method for diagnosing whether a battery cell is degraded or not using the depth of charge, positive end potential, negative end potential, etc. is mainly used.
  • the method involves artificially manufacturing a negative coin half cell, a positive coin half cell, etc. with a reference cell having the same specifications as the battery cell to be diagnosed, and comparing their electrical behavior characteristics with the charge/discharge profile of the target cell to determine the positions of the positive and negative electrodes corresponding to the deterioration point.
  • the reference cell means a cell in a BOL state, which is not degraded.
  • lithium plating may occur, in which the lithium (Li, lithium) cations (Li+) supplied to the cathode are not quickly absorbed by the cathode and are deposited as lithium metal on the surface of the cathode.
  • the present invention has been created to solve the problems described above against the background described above, and aims to provide a battery management device and method capable of quickly and reliably diagnosing the current state of a battery using a differential profile of the battery.
  • a battery management device may include a profile acquisition unit configured to acquire a differential profile indicating a correspondence between a voltage and a differential capacity of a battery; and a control unit configured to determine a first point, which is a start point of a preset target voltage range, a second point having a maximum differential capacity, and a third point having a minimum differential capacity in a voltage range higher than or equal to the voltage of the second point, and to diagnose a state of the battery based on the differential capacities of the first point, the second point, and the third point.
  • the control unit may be configured to calculate a first differential capacity difference between the first point and the second point, a second differential capacity difference between the second point and the third point, and a differential capacity ratio between the first differential capacity difference and the second differential capacity difference.
  • the above control unit may be configured to compare the differential capacity ratio with a preset first threshold value and diagnose whether lithium plating of the battery has occurred based on the comparison result.
  • the control unit may be configured to diagnose that lithium plating has occurred in the battery if the differential capacity ratio is less than or equal to the first threshold value.
  • the above control unit may be configured to diagnose that lithium plating has occurred in the battery when the differential capacity of the second point and the differential capacity of the third point are equal.
  • the control unit may be configured to determine the positive electrode potential and the negative electrode potential of the battery from the differential capacity ratio based on a potential profile preset to indicate a correspondence between the differential capacity and the positive electrode potential.
  • the above control unit may be configured to compare the negative electrode potential with a preset second threshold value and diagnose whether lithium plating of the battery has occurred based on the comparison result.
  • the control unit may be configured to diagnose that lithium plating has occurred in the battery if the differential capacity ratio is less than or equal to the second threshold value.
  • the above control unit may be configured to determine the positive electrode charge depth and the negative electrode charge depth of the battery based on the positive electrode potential and the negative electrode potential.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include a battery management device according to one aspect of the present invention.
  • a vehicle according to another aspect of the present invention may include a battery management device according to one aspect of the present invention.
  • a battery management method may include a profile acquisition step of acquiring a differential profile indicating a correspondence between a voltage of a battery and a differential capacity; a point determination step of determining a first point, which is a starting point of a preset target voltage range, a second point having a maximum differential capacity, and a third point having a minimum differential capacity in a voltage range higher than or equal to the voltage of the second point; and a diagnosis step of diagnosing a state of the battery based on the differential capacities of the first point, the second point, and the third point.
  • the battery management device has an advantage in that it can diagnose the current state of the battery in a non-destructive manner by comparing the differential capacities of points included in the differential profile of the battery.
  • the battery management device has the advantage of being able to specifically diagnose whether lithium plating has occurred in the battery and the depth of charge of the battery.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a battery management device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a first differential profile according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is an enlarged view of the first differential profile of Figure 2.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a second differential profile according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is an enlarged view of the second differential profile of Figure 4.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a potential profile according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a drawing illustrating an exemplary configuration of a battery pack including a battery management device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic drawing of a vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a battery management method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a battery management device (100) according to one embodiment of the present invention.
  • the battery management device (100) may include a profile acquisition unit (110), a control unit (120), and a storage unit (130).
  • the battery has a negative terminal and a positive terminal, and means a physically separable independent cell.
  • a lithium ion battery or a lithium polymer battery may be considered as the battery.
  • the type of the battery may be a cylindrical type, a prismatic type, or a pouch type.
  • the battery may mean a battery bank, a battery module, or a battery pack in which a plurality of cells are connected in series and/or in parallel.
  • the battery is described as meaning a single independent cell.
  • the profile acquisition unit (110) can be configured to acquire a differential profile indicating a correspondence between the voltage and differential capacity of the battery.
  • a battery profile is a profile that represents the relationship between voltage (V) and capacity (Q) when the battery's SOC is charged from a preset start SOC or 0% to a preset end SOC or 100%.
  • a battery profile may represent the relationship between voltage (V) and capacity (Q) when the battery's SOC is discharged from a preset start SOC or 100% to a preset end SOC or 0%.
  • a differential profile can be generated that represents the corresponding relationship between the differential capacity (dQ/dV) and the voltage (V).
  • the C-rate in the charge or discharge for generating the battery profile.
  • the battery should be charged or discharged at a low rate in order to obtain a more accurate battery profile and differential profile.
  • the battery profile can be generated in the process of charging or discharging the battery at 0.05C.
  • the profile acquisition unit (110) can directly receive the differential profile of the battery from the outside. That is, the profile acquisition unit (110) can acquire the differential profile by being connected to the outside by wire and/or wirelessly and receiving the differential profile.
  • the profile acquisition unit (110) can directly receive the battery profile of the battery from the outside. Then, the profile acquisition unit (110) can differentiate the battery profile with respect to the voltage to generate a differential profile. That is, the profile acquisition unit (110) can receive the battery profile by being connected to the outside by wire and/or wirelessly, and can directly generate the differential profile from the battery profile, thereby acquiring the differential profile.
  • the profile acquisition unit (110) can receive battery information about the voltage and capacity of the battery. Then, the profile acquisition unit (110) can generate a battery profile based on the received battery information, and generate a differential profile based on the generated battery profile. That is, the profile acquisition unit (110) can acquire a differential profile by directly generating the differential profile based on the battery information.
  • the profile acquisition unit (110) may be connected to the control unit (120) so as to be able to communicate with it.
  • the profile acquisition unit (110) may be connected to the control unit (120) by wire and/or wirelessly.
  • the profile acquisition unit may transmit the acquired differential profile to the control unit (120).
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a first differential profile (Pa) according to one embodiment of the present invention.
  • the first differential profile (Pa) can be expressed as an X-Y graph in which the X-axis is set as voltage (V) and the Y-axis is set as differential capacity (dQ/dV).
  • the first differential profile (Pa) is a differential profile that represents a correspondence between a preset voltage and differential capacity of a first battery.
  • the control unit (120) may be configured to determine a first point, which is a starting point of a preset target voltage section (RT) in the differential profile, a second point having the highest differential capacity, and a third point having the lowest differential capacity in a voltage section higher than the voltage of the second point.
  • a first point which is a starting point of a preset target voltage section (RT) in the differential profile
  • a second point having the highest differential capacity
  • a third point having the lowest differential capacity in a voltage section higher than the voltage of the second point.
  • the target voltage range (RT) is a portion of the total voltage range of the battery and can be preset by the control unit (120).
  • control unit (120) can determine one or more local minimum points in the differential profile.
  • the differential profile can include one or more local minimum points. This is because the differential profile is a profile in which the battery profile is differentiated with respect to voltage, and the slope of the battery profile (the rate of change of voltage and capacity) is not a constant.
  • the first differential profile (Pa) may include a first minimum point (m1), a second minimum point (m2), a third minimum point (m3), and a fourth minimum point (m4).
  • control unit (120) can determine a minimum point whose voltage corresponds to a preset reference voltage among one or more determined minimum points as a target minimum point.
  • control unit (120) can determine a local minimum point among one or more local minimum points whose corresponding voltage is near the reference voltage as the target local minimum point. In other words, the control unit (120) can determine a local minimum point among one or more local minimum points whose corresponding voltage is closest to the reference voltage as the target local minimum point.
  • the control unit (120) determines that among the four minimum points (m1, m2, m3, m4) included in the first differential profile (Pa), the minimum point whose corresponding voltage is closest to the reference voltage is the third minimum point (m3). Therefore, the control unit (120) can determine the third minimum point (m3) as the target minimum point.
  • control unit (120) can set a voltage range higher than the target voltage corresponding to the target minimum point among the entire voltage range as the target voltage range (RT).
  • control unit (120) can set the lower limit of the target voltage range (RT) to the target voltage of the target minimum point, and set the upper limit of the target voltage range (RT) to the upper limit of the entire voltage range of the battery. That is, the control unit (120) can set a voltage range higher than the target voltage as the target voltage range (RT).
  • the target voltage (VT) is 4.06 [V].
  • the control unit (120) can set a voltage range of 4.06 [V] or more and 4.2 [V] or less as the target voltage range (RT).
  • FIG. 3 is an enlarged view of the first differential profile (Pa) of FIG. 2. Specifically, FIG. 3 is an enlarged view of the target voltage section (RT) of the first differential profile (Pa).
  • RT target voltage section
  • the control unit (120) may determine the starting point of the target voltage section (RT) as the first point (Pa1). That is, the first point (Pa1) may be a target minimum point included in the first differential profile (Pa). Then, the control unit (120) may determine the point in the target voltage section (RT) where the differential capacitance is the largest as the second point (Pa2). Finally, the control unit (120) may determine the third point (Pa3) where the corresponding differential capacitance is the smallest in the voltage section where the corresponding voltage is higher than or equal to the voltage of the second point (Pa2).
  • the second point (Pa2) is a maximum point included in the target voltage section (RT), but depending on the embodiment, the target voltage section (RT) may not include a maximum point. That is, the differential capacity may not decrease in the voltage section after the first point (Pa1). For example, the rate of change of the differential capacity with respect to the voltage in the voltage section after the first point (Pa1) may be 0 or greater. In this case, the second point (Pa2) may be determined as the point at which the differential capacity is the largest in the target voltage section (RT). In addition, the differential capacity of the third point (Pa3) may be equal to the differential capacity of the second point (Pa2).
  • the control unit (120) can be configured to diagnose the condition of the battery based on the differential capacities of the first point, the second point, and the third point.
  • the differential capacity is a value obtained by differentiating the capacity with respect to the voltage, and means the instantaneous rate of change of the capacity with respect to the voltage.
  • the differential capacity is a representative factor that can also confirm the sensitive state change of the battery.
  • the differential capacity of the third point may change more rapidly than the differential capacities of the first and second points.
  • the degree to which the differential capacity of the third point increases may be greater than the degree to which the differential capacities of the first and second points decrease. Therefore, the control unit (120) can non-destructively diagnose the current state of the battery by diagnosing the state of the battery based on the differential capacities of the first to third points.
  • control unit (120) can diagnose whether lithium plating has occurred in the battery based on the differential capacity of the first to third points.
  • control unit (120) can determine the depth of charge (DOC) of the battery based on the differential capacity of the first to third points.
  • the depth of charge is an indicator of the charging performance of the battery, and is a term indicating the energy storage performance of the battery. For example, the greater the depth of charge of the battery, the more energy can be stored in the battery.
  • the control unit (120) can diagnose the current state of the battery more specifically by non-destructively diagnosing the positive depth of charge and the negative depth of charge of the battery.
  • the battery management device (100) has an advantage in that it can specifically diagnose the current state of a battery in a non-destructive manner by comparing the differential capacities of three points of a differential profile.
  • the battery management device (100) has an advantage in that it can specifically diagnose whether lithium plating has occurred in the battery and the depth of charge of the battery.
  • control unit (120) equipped in the battery management device (100) may optionally include a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, a register, a communication modem, a data processing device, etc. known in the art to execute various control logics performed in the present invention.
  • control logic when the control logic is implemented as software, the control unit (120) may be implemented as a set of program modules.
  • the program modules may be stored in a memory and executed by the control unit (120).
  • the memory may be located inside or outside the control unit (120) and may be connected to the control unit (120) by various well-known means.
  • the battery management device (100) may further include a storage unit (130).
  • the storage unit (130) may store data or programs required for each component of the battery management device (100) to perform operations and functions, or data generated in the process of performing operations and functions.
  • the storage unit (130) is not particularly limited in type as long as it is a known information storage means known to be able to record, erase, update, and read data.
  • the information storage means may include a RAM, a flash memory, a ROM, an EEPROM, a register, etc.
  • the storage unit (130) may store program codes in which processes executable by the control unit (120) are defined.
  • profiles acquired by the profile acquisition unit (110) can be stored in the storage unit (130). Then, the control unit (120) can access the storage unit (130) and acquire the stored profiles.
  • control unit (120) diagnoses whether lithium plating has occurred in the battery based on the differential capacity of the first to third points is specifically described.
  • the control unit (120) may be configured to calculate a first differential capacity difference for the first point and the second point. And, the control unit (120) may be configured to calculate a second differential capacity difference for the second point and the third point.
  • the differential capacity difference between the first point and the second point is Da1
  • the differential capacity difference between the second point and the third point is Da2.
  • the control unit (120) can be configured to calculate a differential capacity ratio for the first differential capacity difference and the second differential capacity difference.
  • the control unit (120) can calculate a value obtained by dividing the second differential capacity difference by the first differential capacity difference as a differential capacity ratio.
  • the control unit (120) can calculate the differential capacity ratio by calculating the formula of "Da2 ⁇ Da1" or "Da2 ⁇ Da1 ⁇ 100".
  • the differential capacity ratio can be expressed as a value of 0 to 1 or as a value of 0% to 100% depending on the calculation formula.
  • the differential capacity ratio is expressed as a value of 0% to 100%.
  • the control unit (120) may be configured to compare the differential capacity ratio with a preset first threshold value.
  • the first threshold value may be preset to a value corresponding to a differential capacity ratio of the battery in which lithium plating has occurred.
  • the first threshold value may be preset to a value of 0% or more and 1% or less.
  • the first threshold value may be preset to a value of 0% or more and 0.5% or less. More preferably, the first threshold value may be preset to 0.2%.
  • control unit (120) can compare the magnitude of the differential capacity ratio and the first threshold value. That is, the control unit (120) can determine whether the differential capacity ratio is less than or equal to the first threshold value or whether the differential capacity ratio exceeds the first threshold value.
  • the differential capacity ratio of the first battery is 76%.
  • the control unit (120) can determine that the differential capacity ratio (76%) of the first battery is equal to or greater than the first threshold value (0.2%).
  • the control unit (120) may be configured to diagnose whether lithium plating of the battery has occurred based on the comparison result.
  • control unit (120) may be configured to diagnose that lithium plating has occurred in the battery if the differential capacity ratio is below a first threshold value.
  • the control unit (120) can diagnose that lithium plating has not occurred in the first battery.
  • the amount of change in the differential capacity at the third point may be greater than the amount of change in the differential capacity at the first and second points. That is, if the state of the battery changes to such an extent that the differential capacity ratio becomes lower than the first threshold value, it can be diagnosed that lithium metal has been deposited on the negative electrode surface of the battery without disassembling the battery.
  • the battery management device (100) has the advantage of being able to non-destructively diagnose whether lithium plating has occurred in the battery based on the differential capacity ratio between some points in the differential profile.
  • the battery condition can be diagnosed only by analyzing the profile for the target voltage section (RT) among the differential profiles. Therefore, the battery management device (100) has the advantage of being able to diagnose the battery condition more quickly and using fewer system resources than when analyzing the entire differential profile.
  • control unit (120) may be configured to diagnose that lithium plating has occurred in the battery when the differential capacity of the second point and the differential capacity of the third point are the same.
  • the second point may not appear as a maximum point.
  • the second point may be determined as a point corresponding to the highest differential capacity in the target voltage range (RT).
  • RT target voltage range
  • the differential capacity of the third point and the differential capacity of the second point may be the same.
  • the second point and the third point may be the same.
  • the voltages of the second point and the third point are the upper limits of the target voltage range (RT)
  • the differential capacity is the highest differential capacity of the target voltage range (RT).
  • the second point and the third point may be different, but the differential capacitances may be the same.
  • the second point and the third point may be different.
  • the voltage of the second point (e.g., 4.15 [V]) and the voltage of the third point (e.g., 4.2 [V]) are different, but the differential capacitances of the second and third points are the highest differential capacitances in the target voltage section (RT).
  • the control unit (120) can calculate the second differential capacity difference as 0. And, since the second differential capacity difference is 0, the control unit (120) can calculate the differential capacity ratio as 0. In this case, since the differential capacity ratio is always less than or equal to the first threshold value, the control unit (120) can be configured to diagnose that lithium plating has occurred in the battery.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a second differential profile (Pb) according to one embodiment of the present invention.
  • the second differential profile (Pb) can be expressed as an X-Y graph in which the X-axis is set as voltage (V) and the Y-axis is set as differential capacity (dQ/dV).
  • the second differential profile (Pb) is a differential profile that represents a correspondence between a preset voltage and differential capacity of a second battery.
  • the second differential profile (Pb) may include first to fourth minimum points (m1, m2, m3, m4). Since the voltage of the third minimum point (m3) is closest to the preset reference voltage (4 [V]), the control unit (120) may determine the third minimum point (m3) as the target minimum point.
  • the target voltage (VT) corresponding to the target minimum point is 4.06 [V]. Accordingly, the control unit (120) may set a voltage range of 4.06 [V] or more and 4.2 [V] or less as the target voltage range (RT).
  • Fig. 5 is an enlarged view of the second differential profile (Pb) of Fig. 4. Specifically, Fig. 5 is an enlarged view of the target voltage section (RT) of the second differential profile (Pb).
  • control unit (120) can determine the starting point of a preset target voltage section (RT) in the differential profile as the first point (Pb1). Then, the control unit (120) can determine the point with the largest differential capacity in the target voltage section (RT) as the second point (Pb2). Finally, the control unit (120) can determine the point with the smallest corresponding differential capacity in a voltage section higher than the voltage of the second point (Pb2) as the third point (Pb3).
  • control unit (120) can calculate a first differential capacity difference (Db1) between the first point and the second point, calculate a second differential capacity difference (Db2) between the second point and the third point, and calculate a differential capacity ratio of the second differential capacity difference (Db2) to the first differential capacity difference (Db1).
  • the differential capacity ratio of the second battery is 42%.
  • the control unit (120) can determine that the differential capacity ratio (42%) of the second battery is equal to or greater than the first threshold value (0.2%). Accordingly, the control unit (120) can diagnose that lithium plating has not occurred in the second battery.
  • Fig. 6 is a diagram schematically illustrating a potential profile according to one embodiment of the present invention.
  • the potential profile of Fig. 6 is a potential profile preset to correspond to a battery having a charge termination voltage (or upper limit voltage) of 4.2 [V].
  • the differential capacity ratio of the first battery was calculated as 76%, and the differential capacity ratio of the second battery was calculated as 42%.
  • the control unit (120) can determine the positive electrode potential of the first battery as 4.2335 [V], and the negative electrode potential as 0.0335 [V].
  • the control unit (120) can determine the positive electrode potential of the second battery as 4.2175 [V], and the negative electrode potential as 0.0175 [V].
  • control unit (120) may be configured to determine the positive electrode charge depth and the negative electrode charge depth of the battery based on the positive electrode potential and the negative electrode potential.
  • the first battery can be charged until the positive electrode potential reaches 4.2335 [V] and the negative electrode potential reaches 0.0335 [V].
  • the control unit (120) can calculate the positive electrode charge amount until the positive electrode potential reaches 4.2335 [V] by referring to the positive electrode profile corresponding to the first battery. Then, the control unit (120) can determine the calculated positive electrode charge amount as the positive electrode charge depth.
  • the control unit (120) can calculate the negative electrode charge amount until the negative electrode potential reaches 0.0335 [V] by referring to the negative electrode profile corresponding to the first battery. Then, the control unit (120) can determine the calculated negative electrode charge amount as the negative electrode charge depth.
  • the positive electrode profile corresponding to the battery is a profile representing the current positive electrode state of the battery, and can represent the correspondence between the positive electrode capacity and the positive electrode potential.
  • a preset reference positive electrode profile is provided for a battery in the BOL (Beginning of Life) state or a theoretically ideal reference cell, and the positive electrode profile can be prepared by adjusting (or fitting) the reference positive electrode profile to correspond to the current state of the battery.
  • the negative electrode profile corresponding to the battery is a profile representing the current negative electrode state of the battery, and can represent the correspondence between the negative electrode capacity and the negative electrode potential.
  • a preset reference negative electrode profile is provided for a battery in the BOL state or a theoretically ideal reference cell, and the negative electrode profile can be prepared by adjusting (or fitting) the reference negative electrode profile to correspond to the current state of the battery. Since the adjustment process of the reference positive electrode profile and the reference negative electrode profile can be applied in a conventional manner, a detailed description thereof will be omitted.
  • control unit (120) may be configured to compare the cathode potential with a preset second threshold value.
  • the second threshold value may be preset to a value corresponding to the negative electrode potential of the battery in which lithium plating occurs.
  • the second threshold value may be preset to a value lower than or equal to 0 [V].
  • the second threshold value may be preset to a value lower than or equal to -0.1 [V]. More preferably, the second threshold value may be preset to -0.1 [V].
  • the second threshold value is -0.1 [V].
  • control unit (120) can compare the magnitude of the negative potential and the second threshold value. That is, the control unit (120) can determine whether the negative potential is lower than or equal to the second threshold value or whether the negative potential exceeds the second threshold value.
  • the negative potential of the first battery is 0.0335 [V]
  • the negative potential of the second battery is 0.0175 [V].
  • the control unit (120) can determine that both the negative potentials of the first battery and the second battery are equal to or higher than the second threshold value (-0.1 [V]).
  • the control unit (120) may be configured to diagnose whether lithium plating occurs in the battery based on the comparison result. That is, the control unit (120) may diagnose whether lithium plating occurs in the battery using not only the differential capacity ratio of the battery but also the cathode potential.
  • control unit (120) may be configured to diagnose that lithium plating has occurred in the battery if the differential capacity ratio is less than or equal to a second threshold value.
  • the control unit (120) can diagnose that lithium plating has not occurred in the first battery.
  • the negative electrode potential (0.0175 [V]) of the second battery is equal to or higher than the second threshold value (-0.1 [V]
  • the control unit (120) can diagnose that lithium plating has not occurred in the second battery.
  • the battery management device (100) can diagnose the state of the battery more objectively and complementarily by diagnosing the state of the battery based on the differential capacity ratio and/or the negative electrode potential.
  • the battery management device (100) according to the present invention can be applied to a BMS (Battery Management System). That is, the BMS according to the present invention can include the battery management device (100) described above. In this configuration, at least some of the components of the battery management device (100) can be implemented by supplementing or adding the functions of the components included in the conventional BMS. For example, the profile acquisition unit (110), the control unit (120), and the storage unit (130) of the battery management device (100) can be implemented as components of the BMS.
  • the battery management device (100) according to the present invention may be equipped in a battery pack. That is, the battery pack according to the present invention may include the battery management device (100) described above and one or more battery cells. In addition, the battery pack may further include electrical components (relays, fuses, etc.) and a case, etc.
  • FIG. 7 is a drawing illustrating an exemplary configuration of a battery pack including a battery management device (100) according to one embodiment of the present invention.
  • the positive terminal of the battery (11) can be connected to the positive terminal (P+) of the battery pack (10), and the negative terminal of the battery (11) can be connected to the negative terminal (P-) of the battery pack (10).
  • the measuring unit (12) can be connected to the first sensing line (SL1), the second sensing line (SL2), and the third sensing line (SL3). Specifically, the measuring unit (12) can be connected to the positive terminal of the battery (11) through the first sensing line (SL1), and can be connected to the negative terminal of the battery (11) through the second sensing line (SL2). The measuring unit (12) can measure the voltage of the battery (11) based on the voltage measured at each of the first sensing line (SL1) and the second sensing line (SL2).
  • the measuring unit (12) can be connected to the current measuring unit (A) through the third sensing line (SL3).
  • the current measuring unit (A) can be an ammeter or a shunt resistor capable of measuring the charging current and the discharging current of the battery (11).
  • the measuring unit (12) can measure the charging current of the battery (11) through the third sensing line (SL3) to calculate the charging amount.
  • the measuring unit (12) can measure the discharging current of the battery (11) through the third sensing line (SL3) to calculate the discharging amount.
  • the profile acquisition unit (110) can receive a differential profile indicating a correspondence between the voltage and differential capacity of the battery (11) from the measurement unit (12).
  • the profile acquisition unit (110) can receive a battery profile indicating a correspondence between the voltage and capacity of the battery (11) from the measurement unit (12). Then, the profile acquisition unit (110) can differentiate the battery profile with respect to the voltage to generate a differential profile.
  • the profile acquisition unit (110) can receive battery information about the voltage and capacity of the battery (11) from the measurement unit (12). Then, the profile acquisition unit (110) can generate a battery profile and a differential profile from the received battery information.
  • An external device may be connected to the positive terminal (P+) and the negative terminal (P-) of the battery pack (10).
  • the external device may be a charging device or a load.
  • the positive terminal of the battery (11), the positive terminal (P+) of the battery pack (10), the external device, the negative terminal (P-) of the battery pack (10), and the negative terminal of the battery (11) may be electrically connected.
  • FIG. 8 is a schematic drawing of a vehicle (700) according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a battery management method according to another embodiment of the present invention.
  • the profile acquisition step (S100) is a step of acquiring a differential profile that represents a correspondence between the voltage and differential capacity of the battery, and can be performed by the profile acquisition unit (110).

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 미리 설정된 타겟 전압 구간에서 상기 타겟 전압 구간의 시작점인 제1 포인트, 상기 미분 용량이 최고인 제2 포인트 및 상기 제2 포인트의 전압 이상의 전압 구간에서 상기 미분 용량이 최소인 제3 포인트를 결정하고, 상기 제1 포인트, 상기 제2 포인트 및 상기 제3 포인트의 미분 용량에 따라 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법
본 출원은 2024년 01월 04일 자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2024-0001796에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리의 상태를 진단하고 관리하는 기술에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 미분 프로파일의 특성을 이용하여 배터리의 상태를 진단하는 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
전기를 구동원으로 사용하는 노트북, 모바일 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증가하고, 이동형 로봇, 전기 자전거, 전동 카트, 전기 자동차 등이 보편적으로 상용화됨에 따라 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮은 장점을 가짐은 물론, 에너지 밀도가 높고 작동 전압이 높은 특성을 가지고 있어 다른 종류의 이차전지에 비해 더욱 집중적으로 연구됨은 물론, 실제 제품에도 더욱 확장적으로 적용되고 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 자동차나 전력저장장치(ESS, Energy Storage System)와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 이용되고 있다.
화석연료를 기반으로 에너지가 생성되는 방식과는 달리, 이차전지 기반의 배터리는 전기 화학적인 반응에 의해 에너지가 생성되므로 충방전 사이클이 지속 내지 반복되면서 최초 제조 시 즉, BOL(Beginning Of Life) 상태의 성능을 유지할 수 없고 점차적으로 퇴화된다.
이와 같이 배터리는 사용(충방전)이 지속되면서 용량 열화, 출력 열화 등에 따른 사용 효용성이 감소하고 안전성 또한, 위험 요소로 작용하게 되므로 제한적 사용을 위한 제어, 교체 시점의 결정, 배터리 공유 내지 구독을 위한 객관적인 가격 결정 및 배터리의 재사용 또는 재활용의 효율성 제고 등을 위해 배터리의 현재 상태가 정확하게 진단될 필요가 있다.
종래 배터리 셀의 상태를 진단하는 대표적인 방법은 배터리 셀의 미분 프로파일의 거동 특성이나 피크 포인트(Peak point)의 변화 등을 이용하는 방법, 양음극 코인 하프 셀(CHC, Coin Half Cell)을 이용하는 3전극 분석법 등이 있다.
충전 심도, 양극 종료 전위, 음극 종료 전위 등을 이용하여 배터리 셀의 퇴화 여부 등을 진단하는 종래 방법으로, 진단 대상이 되는 배터리 셀과 동일 스펙을 가지는 기준 셀을 대상으로 음극 코인 하프 셀, 양극 코인 하프 셀 등을 인위적인 방법으로 제작하고 이들의 전기적 거동 특성과 타겟 셀의 충방전 프로파일을 상호 대비하여 퇴화 시점에 해당하는 양극 및 음극의 포지션을 결정하는 방법이 주로 이용되고 있다. 여기서 기준 셀은 BOL 상태의 셀로서 퇴화되지 않은 셀을 의미한다.
그러나 이러한 종래 방법의 경우, 인위적인 코인 하프 셀을 전극별로 제작하여 하므로 상당 시간이 소요됨은 물론, 작업자에 의한 수작업 등에 상당 부분 의존하므로 편차 및 오차 발생 등 다양한 휴먼에러(human error)에 의한 영향으로 정밀성이 저하될 수 있다.
한편, 배터리 셀이 노화되거나 또는 제조 과정에서 불량이 발생하는 경우 음극으로 공급된 리튬(Li, lithium) 양이온(Li+)이 음극에서 빠르게 흡수되지 못하고 음극 표면에 리튬 금속으로 석출되는 리튬 플레이팅(Li-plating)이 발생될 수 있다.
종래 리튬 플레이팅의 발생을 진단하기 위해서는 상술된 충전심도 등의 진단과는 독립된 별도의 방법이 추가적으로 적용되어야 하므로 이들 모두를 진단하기 위해서는 더욱 많은 시간이 소요됨은 물론, 프로세싱 과정이 복잡해지는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 상술된 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리의 미분 프로파일을 이용하여 배터리의 현재 상태를 신속하고 신뢰성 높게 진단할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 미리 설정된 타겟 전압 구간에서 상기 타겟 전압 구간의 시작점인 제1 포인트, 상기 미분 용량이 최고인 제2 포인트 및 상기 제2 포인트의 전압 이상의 전압 구간에서 상기 미분 용량이 최소인 제3 포인트를 결정하고, 상기 제1 포인트, 상기 제2 포인트 및 상기 제3 포인트의 미분 용량에 따라 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 포인트와 상기 제2 포인트에 대한 제1 미분 용량차를 산출하고, 상기 제2 포인트와 상기 제3 포인트에 대한 제2 미분 용량차를 산출하며, 상기 제1 미분 용량차와 상기 제2 미분 용량차에 대한 미분 용량 비율을 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 미분 용량 비율과 미리 설정된 제1 임계값을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 배터리의 리튬 플레이팅의 발생 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 미분 용량 비율이 상기 제1 임계값 이하이면, 상기 배터리에 상기 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제2 포인트의 미분 용량과 상기 제3 포인트의 미분 용량이 동일한 경우, 상기 배터리에 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 미분 용량과 양음극 전위 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 전위 프로파일에 기반하여, 상기 미분 용량 비율로부터 상기 배터리의 양극 전위 및 음극 전위를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 음극 전위와 미리 설정된 제2 임계값을 비교하며, 비교 결과에 따라 상기 배터리의 리튬 플레이팅 발생 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 미분 용량 비율이 상기 제2 임계값 이하이면, 상기 배터리에 상기 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 양극 전위 및 상기 음극 전위에 기반하여 상기 배터리의 양극 충전 심도 및 음극 충전 심도를 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 획득하는 프로파일 획득 단계; 미리 설정된 타겟 전압 구간에서 상기 타겟 전압 구간의 시작점인 제1 포인트, 상기 미분 용량이 최고인 제2 포인트 및 상기 제2 포인트의 전압 이상의 전압 구간에서 상기 미분 용량이 최소인 제3 포인트를 결정하는 포인트 결정 단계; 및 상기 제1 포인트, 상기 제2 포인트 및 상기 제3 포인트의 미분 용량에 따라 상기 배터리의 상태를 진단하는 진단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리의 미분 프로파일에 포함된 포인트들의 미분 용량을 비교함으로써, 배터리의 현재 상태를 비파괴적인 방식으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
특히, 배터리 관리 장치는 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되었는지 여부 및 배터리의 충전 심도를 구체적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 제1 미분 프로파일을 확대 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 미분 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 제2 미분 프로파일을 확대 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전위 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 관리 장치(100)는 프로파일 획득부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)를 포함할 수 있다.
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, 배터리의 종류는 원통형(cylindrical type), 각형(prismatic type) 또는 파우치형(pouch type)일 수 있다. 또한, 배터리는 복수의 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 뱅크(battery bank), 배터리 모듈(battery module) 또는 배터리 팩(battery pack)을 의미할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.
프로파일 획득부(110)는 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일을 획득하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 배터리 프로파일은 배터리의 SOC가 미리 설정된 충전 시작 SOC 또는 0%에서 미리 설정된 충전 종료 SOC 또는 100%까지 충전될 때의 전압(V)과 용량(Q) 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일이다. 다른 예로, 배터리 프로파일은 배터리의 SOC가 미리 설정된 방전 시작 SOC 또는 100%에서 미리 설정된 방전 종료 SOC 또는 0%까지 방전될 때의 전압(V)과 용량(Q) 간의 대응 관계를 나타낼 수도 있다.
그리고, 배터리 프로파일을 전압에 대해 미분하면, 미분 용량(dQ/dV)과 전압(V) 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일이 생성될 수 있다.
예컨대, 배터리 프로파일을 생성하기 위한 충전 또는 방전에서의 C-rate에 특별한 제한은 없다. 다만, 바람직하게, 보다 정확한 배터리 프로파일 및 미분 프로파일을 획득하기 위해서는 저율로 배터리를 충전 또는 방전시켜야 한다. 예컨대, 0.05C로 배터리를 충전 또는 방전시키는 과정에서, 배터리 프로파일이 생성될 수 있다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 외부로부터 배터리의 미분 프로파일을 직접 수신할 수 있다. 즉, 프로파일 획득부(110)는 외부와 유선 및/또는 무선으로 연결되어 미분 프로파일을 수신함으로써, 미분 프로파일을 획득할 수 있다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 외부로부터 배터리의 배터리 프로파일을 직접 수신할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 배터리 프로파일을 전압에 대해 미분하여 미분 프로파일을 생성할 수 있다. 즉, 프로파일 획득부(110)는 외부와 유선 및/또는 무선으로 연결되어 배터리 프로파일을 수신하고, 배터리 프로파일로부터 미분 프로파일을 직접 생성함으로써, 미분 프로파일을 획득할 수 있다.
또 다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 배터리의 전압과 용량에 대한 배터리 정보를 수신할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 수신한 배터리 정보에 기반하여 배터리 프로파일을 생성하고, 생성된 배터리 프로파일에 기반하여 미분 프로파일을 생성할 수 있다. 즉, 프로파일 획득부(110)는 배터리 정보에 기반하여 미분 프로파일을 직접 생성함으로써, 미분 프로파일을 획득할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 제어부(120)와 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 예컨대, 프로파일 획득부(110)는 제어부(120)와 유선 및/또는 무선으로 연결될 수 있다. 프로파일을 획득부는 획득한 미분 프로파일을 제어부(120)로 송신할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 미분 프로파일(Pa)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2의 실시예에서, 제1 미분 프로파일(Pa)은 X축이 전압(V)으로 설정되고, Y축이 미분 용량(dQ/dV)로 설정된 X-Y 그래프로 표현될 수 있다. 구체적으로, 제1 미분 프로파일(Pa)은 미리 설정된 제1 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일이다.
제어부(120)는 미분 프로파일에서 미리 설정된 타겟 전압 구간(RT)의 시작점인 제1 포인트, 미분 용량이 최고인 제2 포인트 및 제2 포인트의 전압 이상의 전압 구간에서 미분 용량이 최소인 제3 포인트를 결정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 타겟 전압 구간(RT)은 배터리의 전체 전압 구간 중 일부 전압 구간으로, 제어부(120)에 의해 미리 설정될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 미분 프로파일에서 하나 이상의 극소점을 결정할 수 있다. 미분 프로파일에는 하나 이상의 극소점이 포함될 수 있다. 이는, 미분 프로파일은 배터리 프로파일을 전압에 대해 미분한 프로파일이며, 배터리 프로파일의 기울기(전압과 용량의 변화율)는 일정한 상수가 아니기 때문이다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제1 미분 프로파일(Pa)에는 제1 극소점(m1), 제2 극소점(m2), 제3 극소점(m3) 및 제4 극소점(m4)이 포함될 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 결정된 하나 이상의 극소점 중에서 전압이 미리 설정된 기준 전압에 대응되는 극소점을 타겟 극소점으로 결정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 하나 이상의 극소점 중에서 대응되는 전압이 기준 전압 부근의 전압인 극소점을 타겟 극소점으로 결정할 수 있다. 다른 말로 설명하면, 제어부(120)는 하나 이상의 극소점 중에서 대응되는 전압이 기준 전압에 가장 가까운 극소점을 타겟 극소점으로 결정할 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 기준 전압이 4.0[V]로 미리 설정되었다고 가정한다. 제어부(120)는 제1 미분 프로파일(Pa)에 포함된 4개의 극소점(m1, m2, m3, m4)중에서 대응되는 전압이 기준 전압에 가장 가까운 극소점은 제3 극소점(m3)이다. 따라서, 제어부(120)는 제3 극소점(m3)을 타겟 극소점으로 결정할 수 있다.
마지막으로, 제어부(120)는 전체 전압 구간 중에서 타겟 극소점에 대응되는 타겟 전압 이상의 전압 구간을 타겟 전압 구간(RT)으로 설정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 타겟 전압 구간(RT)의 하한값을 타겟 극소점의 타겟 전압으로 설정하고, 타겟 전압 구간(RT)의 상한값을 배터리의 전체 전압 구간의 상한값으로 설정할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 타겟 전압 이상의 전압 구간을 타겟 전압 구간(RT)으로 설정할 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 타겟 전압(VT)은 4.06[V]이다. 제어부(120)는 4.06[V] 이상 4.2[V] 이하의 전압 구간을 타겟 전압 구간(RT)으로 설정할 수 있다.
도 3은 도 2의 제1 미분 프로파일(Pa)을 확대 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 3은 제1 미분 프로파일(Pa)의 타겟 전압 구간(RT)을 확대 도시한 도면이다.
도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 타겟 전압 구간(RT)의 시작점을 제1 포인트(Pa1)로 결정할 수 있다. 즉, 제1 포인트(Pa1)는 제1 미분 프로파일(Pa)에 포함된 타겟 극소점일 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 타겟 전압 구간(RT)에서 미분 용량이 가장 큰 지점을 제2 포인트(Pa2)로 결정할 수 있다. 마지막으로, 제어부(120)는 대응되는 전압이 제2 포인트(Pa2)의 전압 이상인 전압 구간에서, 대응되는 미분 용량이 가장 작은 제3 포인트(Pa3)를 결정할 수 있다.
도 3의 실시예에서는 제2 포인트(Pa2)가 타겟 전압 구간(RT)에 포함된 극대점이지만, 실시예에 따라서는 타겟 전압 구간(RT)에는 극대점이 포함되지 않을 수도 있다. 즉, 제1 포인트(Pa1) 이후의 전압 구간에서 미분 용량이 감소하지 않을 수 있다. 예컨대, 제1 포인트(Pa1) 이후의 전압 구간에서 전압에 대한 미분 용량의 변화율이 0 이상일 수 있다. 이러한 경우, 제2 포인트(Pa2)는 타겟 전압 구간(RT)에서 미분 용량이 가장 큰 지점으로 결정될 수 있다. 그리고, 제3 포인트(Pa3)의 미분 용량은 제2 포인트(Pa2)의 미분 용량과 동일할 수 있다.
제어부(120)는 제1 포인트, 제2 포인트 및 제3 포인트의 미분 용량에 따라 배터리의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 미분 용량은 용량을 전압에 대해 미분한 값으로서, 전압에 대한 용량의 순간 변화율을 의미한다. 즉, 미분 용량은 배터리의 민감한 상태 변화도 확인할 수 있는 대표적인 인자이다. 특히, 배터리가 퇴화될수록 제3 포인트의 미분 용량은 제1 및 제2 포인트의 미분 용량보다 급격하게 변할 수 있다. 예컨대, 배터리가 퇴화될수록 제1 및 제2 포인트의 미분 용량이 감소하는 정도보다 제3 포인트의 미분 용량이 증가하는 정도가 클 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 제1 내지 제3 포인트의 미분 용량에 기초하여 배터리의 상태를 진단함으로써, 배터리의 현재 상태를 비파괴적으로 진단할 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 제1 내지 제3 포인트의 미분 용량에 기반하여, 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되었는지를 진단할 수 있다.
다른 예로, 제어부(120)는 제1 내지 제3 포인트의 미분 용량에 기반하여, 배터리의 충전 심도(DOC, depth of charge)를 결정할 수 있다. 여기서, 충전 심도는 배터리의 충전 성능을 나타내는 지표로서, 배터리의 에너지 저장 성능을 나타내는 용어이다. 예컨대, 배터리의 충전 심도가 클수록 더 많은 에너지가 배터리에 저장될 수 있다. 바람직하게, 제어부(120)는 배터리의 양극 충전 심도와 음극 충전 심도를 비파괴적으로 진단함으로써, 배터리의 현재 상태를 보다 구체적으로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 미분 프로파일의 3개 포인트의 미분 용량을 비교함으로써, 배터리의 현재 상태를 비파괴적인 방식으로 구체적으로 진단할 수 있는 장점이 있다. 특히, 배터리 관리 장치(100)는 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되었는지 여부 및 배터리의 충전 심도를 구체적으로 진단할 수 있는 장점이 있다.
한편, 배터리 관리 장치(100)에 구비된 제어부(120)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 관리 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(130)는 제어부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)가 획득한 프로파일들은 저장부(130)에 저장될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 저장부(130)에 접근(access)하여 저장된 프로파일들을 획득할 수 있다.
이하에서는, 제어부(120)가 제1 내지 제3 포인트의 미분 용량에 기반하여 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되었는지를 진단하는 실시예에 대해 구체적으로 설명한다.
제어부(120)는 제1 포인트와 제2 포인트에 대한 제1 미분 용량차를 산출하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 제2 포인트와 제3 포인트에 대한 제2 미분 용량차를 산출하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 제1 포인트와 제2 포인트의 미분 용량차는 Da1이고, 제2 포인트와 제3 포인트의 미분 용량차는 Da2이다.
제어부(120)는 제1 미분 용량차와 제2 미분 용량차에 대한 미분 용량 비율을 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 제2 미분 용량차를 제1 미분 용량차로 나눈 값을 미분 용량 비율로서 산출할 수 있다. 예컨대, 도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 "Da2÷Da1" 또는 "Da2÷Da1×100" 의 수식을 계산하여 미분 용량 비율을 산출할 수 있다. 미분 용량 비율은 산출 수식에 따라 0 내지 1의 값으로 표현되거나, 0% 내지 100%의 값으로 표현될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 미분 용량 비율이 0% 내지 100%의 값으로 표현되는 것으로 설명한다.
제어부(120)는 미분 용량 비율과 미리 설정된 제1 임계값을 비교하도록 구성될 수 있다.
여기서, 제1 임계값은 리튬 플레이팅이 발생된 배터리의 미분 용량 비율에 대응되는 값으로 미리 설정될 수 있다. 예컨대, 제1 임계값은 0% 이상 1% 이하의 값으로 미리 설정될 수 있다. 바람직하게, 제1 임계값은 0% 이상 0.5% 이하의 값으로 미리 설정될 수 있다. 더욱 바람직하게, 제1 임계값은 0.2%로 미리 설정될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 미분 용량 비율과 제1 임계값의 대소를 비교할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 미분 용량 비율이 제1 임계값 이하인지 또는 미분 용량 비율이 제1 임계값을 초과하는지를 판단할 수 있다.
예컨대, 도 2 및 도 3의 실시예에서, 제1 배터리의 미분 용량 비율은 76%이다. 제어부(120)는 제1 배터리의 미분 용량 비율(76%)이 제1 임계값(0.2%) 이상이라고 판단할 수 있다.
제어부(120)는 비교 결과에 따라 배터리의 리튬 플레이팅의 발생 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 미분 용량 비율이 제1 임계값 이하이면, 배터리에 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
앞선 실시예에서, 제1 배터리의 미분 용량 비율(76%)이 제1 임계값(0.2%) 이상이므로, 제어부(120)는 제1 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되지 않은 것으로 진단할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 배터리가 퇴화될수록 제3 포인트의 미분 용량의 변화량은 제1 및 제2 포인트의 미분 용량의 변화량보다 클 수 있다. 즉, 미분 용량 비율이 제1 임계값 이하가 될 정도로 배터리의 상태가 변경된 경우, 배터리를 분해하지 않더라도 배터리의 음극 표면에 리튬 금속이 석출된 것으로 진단할 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는 미분 프로파일에서의 일부 포인트들 간의 미분 용량 비율에 따라 비파괴적인 방식으로 배터리에 리튬 플레이팅 발생 여부를 진단할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 미분 프로파일 중에서 타겟 전압 구간(RT)에 대한 프로파일 분석만으로도 배터리의 상태가 진단 가능하다. 따라서, 배터리 관리 장치(100)는 미분 프로파일의 전체를 분석하는 경우보다 적은 시스템 자원을 사용하며 보다 신속하게 배터리 상태를 진단할 수 있는 장점이 있다.
한편, 제어부(120)는 제2 포인트의 미분 용량과 제3 포인트의 미분 용량이 동일한 경우, 배터리에 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 실시예에 따라서 제2 포인트는 극대점으로 나타나지 않을 수도 있다. 이 경우, 제2 포인트는 타겟 전압 구간(RT)에서의 최고 미분 용량에 대응되는 지점으로 결정될 수 있다. 그리고, 제2 포인트가 극대점이 아니기 때문에, 제3 포인트의 미분 용량과 제2 포인트의 미분 용량은 동일할 수 있다.
예컨대, 타겟 전압 구간(RT)에 극대점이 나타나지 않는 경우, 제2 포인트와 제3 포인트는 동일할 수 있다. 이 경우, 제2 포인트와 제3 포인트의 전압은 타겟 전압 구간(RT)의 상한값이고, 미분 용량은 타겟 전압 구간(RT)의 최고 미분 용량이다.
다른 예로, 타겟 전압 구간(RT)에 극대점이 나타나지 않는 경우, 제2 포인트와 제3 포인트는 상이하지만, 미분 용량은 서로 동일할 수 있다. 구체적으로, 제2 포인트 이후의 전압 구간에서 미분 용량이 모두 동일한 경우, 제2 포인트와 제3 포인트는 상이할 수 있다. 이 경우, 제2 포인트의 전압(예컨대, 4.15[V])과 제3 포인트의 전압(예컨대, 4.2[V])은 상이하지만, 제2 및 제3 포인트의 미분 용량은 타겟 전압 구간(RT)의 최고 미분 용량이다.
제2 및 제3 포인트의 미분 용량이 동일한 경우, 제어부(120)는 제2 미분 용량차를 0으로 산출할 수 있다. 그리고, 제2 미분 용량차가 0이므로, 제어부(120)는 미분 용량 비율을 0으로 산출할 수 있다. 이 경우, 미분 용량 비율은 항상 제1 임계값 이하이므로, 제어부(120)는 배터리에 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 미분 프로파일(Pb)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4의 실시예에서, 제2 미분 프로파일(Pb)은 X축이 전압(V)으로 설정되고, Y축이 미분 용량(dQ/dV)로 설정된 X-Y 그래프로 표현될 수 있다. 구체적으로, 제2 미분 프로파일(Pb)은 미리 설정된 제2 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일이다.
도 4의 실시예에서, 제2 미분 프로파일(Pb)에는 제1 내지 제4 극소점(m1, m2, m3, m4)이 포함될 수 있다. 제3 극소점(m3)의 전압이 미리 설정된 기준 전압(4[V])에 가장 근접하므로, 제어부(120)는 제3 극소점(m3)을 타겟 극소점으로 결정할 수 있다. 타겟 극소점에 대응되는 타겟 전압(VT)은 4.06[V]이다. 따라서, 제어부(120)는 4.06[V] 이상 4.2[V] 이하의 전압 구간을 타겟 전압 구간(RT)으로 설정할 수 있다.
도 5는 도 4의 제2 미분 프로파일(Pb)을 확대 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 5는 제2 미분 프로파일(Pb)의 타겟 전압 구간(RT)을 확대 도시한 도면이다.
도 5의 실시예에서, 제어부(120)는 미분 프로파일에서 미리 설정된 타겟 전압 구간(RT)의 시작점을 제1 포인트(Pb1)로 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 타겟 전압 구간(RT)에서 미분 용량이 가장 큰 지점을 제2 포인트(Pb2)로 결정할 수 있다. 마지막으로, 제어부(120)는 제2 포인트(Pb2)의 전압 이상의 전압 구간에서, 대응되는 미분 용량이 가장 작은 지점을 제3 포인트(Pb3)로 결정할 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 제1 포인트와 제2 포인트 간의 제1 미분 용량차(Db1)를 산출하고, 제2 포인트와 제3 포인트 간의 제2 미분 용량차(Db2)를 산출하며, 제1 미분 용량차(Db1)에 대한 제2 미분 용량차(Db2)의 미분 용량 비율을 산출할 수 있다.
마지막으로, 제어부(120)는 산출된 미분 용량 비율에 기반하여 제2 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
예컨대, 도 4 및 도 5의 실시예에서, 제2 배터리의 미분 용량 비율은 42%이다. 제어부(120)는 제2 배터리의 미분 용량 비율(42%)이 제1 임계값(0.2%) 이상이라고 판단할 수 있다. 따라서, 제어부(120)는 제2 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되지 않은 것으로 진단할 수 있다.
이하에서는, 제어부(120)가 제1 내지 제3 포인트의 미분 용량에 기반하여 배터리의 양음극 충전 심도를 결정하는 실시예에 대해 구체적으로 설명한다.
제어부(120)는 미분 용량과 양음극 전위 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 전위 프로파일에 기반하여, 미분 용량 비율로부터 배터리의 양극 전위 및 음극 전위를 결정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 전위 프로파일은 미분 용량 비율, 양극 전위 및 음극 전위 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정될 수 있다. 구체적으로, 3 전극 셀 또는 코인 하프 셀(CHC, coin half cell)을 이용한 실험을 통해, 배터리의 미분 용량 비율에 대응되는 양극 전위와 음극 전위가 미리 결정될 수 있다. 제어부(120)는 미리 설정된 전위 프로파일을 참조하여, 배터리에 대해 산출된 미분 용량 비율에 대응되는 양극 전위 및 음극 전위를 결정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전위 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 6의 전위 프로파일은 충전 종료 전압(또는 상한 전압)이 4.2[V]인 배터리에 대응되도록 미리 설정된 전위 프로파일이다.
앞선 실시예를 참조하면, 제1 배터리의 미분 용량 비율은 76%로 산출되고, 제2 배터리의 미분 용량 비율은 42%로 산출되었다. 제어부(120)는 제1 배터리의 양극 전위를 4.2335[V]로 결정하고, 음극 전위를 0.0335[V]로 결정할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 제2 배터리의 양극 전위를 4.2175[V]로 결정하고, 음극 전위를 0.0175[V]로 결정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 양극 전위 및 음극 전위에 기반하여 배터리의 양극 충전 심도 및 음극 충전 심도를 결정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제1 배터리는 양극 전위가 4.2335[V]에 도달하고, 음극 전위가 0.0335[V]에 도달할 때까지 충전이 가능하다. 제어부(120)는 제1 배터리에 대응되는 양극 프로파일을 참조하여, 양극 전위가 4.2335[V]에 도달할 때까지의 양극 충전량을 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 산출된 양극 충전량을 양극 충전 심도로 결정할 수 있다. 마찬가지로, 제어부(120)는 제1 배터리에 대응되는 음극 프로파일을 참조하여, 음극 전위가 0.0335[V]에 도달할 때까지의 음극 충전량을 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 산출된 음극 충전량을 음극 충전 심도로 결정할 수 있다.
여기서, 배터리에 대응되는 양극 프로파일은 배터리의 현재의 양극 상태를 나타내는 프로파일로서, 양극 전위에 대한 양극 용량 간의 대응 관계를 나타낼 수 있다. 예컨대, BOL(Beginning of life) 상태의 배터리 또는 이론적으로 이상적인 참조 셀에 대하여 미리 설정된 기준 양극 프로파일이 구비되고, 기준 양극 프로파일이 배터리의 현재 상태에 대응되도록 조정(또는 피팅)됨으로써 양극 프로파일이 마련될 수 있다. 마찬가지로, 배터리에 대응되는 음극 프로파일은 배터리의 현재의 음극 상태를 나타내는 프로파일로서, 음극 전위에 대한 음극 용량 간의 대응 관계를 나타낼 수 있다. 예컨대, BOL 상태의 배터리 또는 이론적으로 이상적인 참조 셀에 대하여 미리 설정된 기준 음극 프로파일이 구비되고, 기준 음극 프로파일이 배터리의 현재 상태에 대응되도록 조정(또는 피팅)됨으로써 음극 프로파일이 마련될 수 있다. 기준 양극 프로파일과 기준 음극 프로파일의 조정 과정은 종래의 방식이 적용될 수 있기 때문에, 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 미분 용량 비율에 기반하여 양음극 전위 및 양음극 충전 심도를 결정함으로써, 배터리의 현재 상태를 다양한 방면에서 진단할 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 리튬 플레이팅 발생 여부뿐만 아니라 양음극에 대한 구체적인 정보도 제공되기 때문에, 다양한 정보들에 기반하여 배터리의 상태가 객관적으로 진단될 수 있다.
한편, 제어부(120)는 음극 전위와 미리 설정된 제2 임계값을 비교하도록 구성될 수 있다.
여기서, 제2 임계값은 리튬 플레이팅이 발생된 배터리의 음극 전위에 대응되는 값으로 미리 설정될 수 있다. 일반적으로, 음극 전위가 소정의 값 이하인 경우, 리튬의 전착(electrodeposition) 반응이 발생하는 것으로 알려져 있다. 즉, 음극 전위가 제2 임계값 이하로 감소되면, 리튬 플레이팅 현상이 발생될 수 있다. 예컨대, 제2 임계값은 0[V] 이하의 값으로 미리 설정될 수 있다. 바람직하게, 제2 임계값은 -0.1[V] 이하의 값으로 미리 설정될 수 있다. 더욱 바람직하게, 제2 임계값은 -0.1[V]로 미리 설정될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 제2 임계값이 -0.1[V]인 것으로 설명한다.
구체적으로, 제어부(120)는 음극 전위와 제2 임계값의 대소를 비교할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 음극 전위가 제2 임계값 이하인지 또는 음극 전위가 제2 임계값을 초과하는지를 판단할 수 있다.
예컨대, 도 6의 실시예에서, 제1 배터리의 음극 전위는 0.0335[V]이고, 제2 배터리의 음극 전위는 0.0175[V]이다. 제어부(120)는 제1 배터리와 제2 배터리의 음극 전위가 모두 제2 임계값(-0.1[V]) 이상이라고 판단할 수 있다.
제어부(120)는 비교 결과에 따라 배터리의 리튬 플레이팅 발생 여부를 진단하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부(120)는 배터리의 미분 용량 비율뿐만 아니라 음극 전위를 이용하여 배터리의 리튬 플레이팅 발생 여부를 진단할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 미분 용량 비율이 제2 임계값 이하이면, 배터리에 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.
앞선 실시예에서, 제1 배터리의 음극 전위(0.0335[V])가 제2 임계값(-0.1[V]) 이상이므로, 제어부(120)는 제1 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되지 않은 것으로 진단할 수 있다. 또한, 제2 배터리의 음극 전위(0.0175[V])가 제2 임계값(-0.1[V]) 이상이므로, 제어부(120)는 제2 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되지 않은 것으로 진단할 수 있다.
즉, 배터리 관리 장치(100)는 미분 용량 비율 및/또는 음극 전위에 기반하여 배터리의 상태를 진단함으로써, 배터리의 상태를 보다 객관적이고 보완적으로 진단할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 관리 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치(100)의 프로파일 획득부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 관리 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 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)를 포함하는 배터리 팩의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
배터리(11)의 양극 단자는 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 배터리(11)의 음극 단자는 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다.
측정부(12)는 제1 센싱 라인(SL1), 제2 센싱 라인(SL2) 및 제3 센싱 라인(SL3)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 측정부(12)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(11)의 양극 단자에 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(11)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 측정부(12)는 제1 센싱 라인(SL1)과 제2 센싱 라인(SL2) 각각에서 측정된 전압에 기반하여, 배터리(11)의 전압을 측정할 수 있다.
그리고, 측정부(12)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 전류 측정 유닛(A)과 연결될 수 있다. 예컨대, 전류 측정 유닛(A)은 배터리(11)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있는 전류계 또는 션트 저항일 수 있다. 측정부(12)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(11)의 충전 전류를 측정하여 충전량을 산출할 수 있다. 또한, 측정부(12)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(11)의 방전 전류를 측정하여 방전량을 산출할 수 있다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 측정부(12)로부터 배터리(11)의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일을 수신할 수 있다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 측정부(12)로부터 배터리(11)의 전압과 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일을 수신할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 배터리 프로파일을 전압에 대해 미분하여 미분 프로파일을 생성할 수 있다.
또 다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 측정부(12)로부터 배터리(11)의 전압과 용량에 대한 배터리 정보를 수신할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 수신한 배터리 정보로부터 배터리 프로파일 및 미분 프로파일을 생성할 수 있다.
배터리 팩(10)의 양극 단자(P+)와 음극 단자(P-)에는 외부 장치가 연결될 수 있다. 예컨대, 외부 장치는 충전 장치 또는 부하일 수 있다. 그리고, 배터리(11)의 양극 단자, 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+), 외부 장치, 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-) 및 배터리(11)의 음극 단자는 전기적으로 연결될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차(700)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은 전기 자동차(Electric vehicle, EV)나 하이브리드 자동차(Hybrid vehicle, HV)와 같은 자동차(800)에 포함될 수도 있다. 그리고, 배터리 팩(810)은 자동차(800)에 구비된 인버터를 통해 모터에 전력을 공급함으로써, 자동차(800)를 구동시킬 수 있다. 여기서, 배터리 팩(810)에는 배터리 관리 장치(100)가 포함될 수 있다. 즉, 자동차(800)에는 배터리 관리 장치(100)가 포함될 수 있다. 이 경우, 배터리 관리 장치(100)는 자동차(800)에 포함된 온 보드 장치일 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 배터리 관리 방법은 프로파일 획득 단계(S100), 포인트 결정 단계(S200) 및 진단 단계(S300)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 배터리 관리 방법의 각 단계는 배터리 관리 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
프로파일 획득 단계(S100)는 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 획득하는 단계로서, 프로파일 획득부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 외부로부터 배터리의 미분 프로파일을 직접 수신할 수 있다. 즉, 프로파일 획득부(110)는 외부와 유선 및/또는 무선으로 연결되어 미분 프로파일을 수신함으로써, 미분 프로파일을 획득할 수 있다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 외부로부터 배터리의 배터리 프로파일을 직접 수신할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 배터리 프로파일을 전압에 대해 미분하여 미분 프로파일을 생성할 수 있다. 즉, 프로파일 획득부(110)는 외부와 유선 및/또는 무선으로 연결되어 배터리 프로파일을 수신하고, 배터리 프로파일로부터 미분 프로파일을 직접 생성함으로써, 미분 프로파일을 획득할 수 있다.
또 다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 배터리의 전압과 용량에 대한 배터리 정보를 수신할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 수신한 배터리 정보에 기반하여 배터리 프로파일을 생성하고, 생성된 배터리 프로파일에 기반하여 미분 프로파일을 생성할 수 있다. 즉, 프로파일 획득부(110)는 배터리 정보에 기반하여 미분 프로파일을 직접 생성함으로써, 미분 프로파일을 획득할 수 있다.
포인트 결정 단계(S200)는 미분 프로파일의 미리 설정된 타겟 전압 구간(RT)의 시작점인 제1 포인트, 미분 용량이 최고인 제2 포인트 및 제2 포인트의 전압 이상의 전압 구간에서 미분 용량이 최소인 제3 포인트를 결정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 3의 실시예에서, 제어부(120)는 타겟 전압 구간(RT)의 시작점을 제1 포인트(Pa1)로 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 타겟 전압 구간(RT)에서 미분 용량이 가장 큰 지점을 제2 포인트(Pa2)로 결정할 수 있다. 마지막으로, 제어부(120)는 제2 포인트(Pa2)의 전압 이상의 전압 구간에서, 대응되는 미분 용량이 가장 작은 지점을 제3 포인트(Pa3)로 결정할 수 있다.
다른 예로, 도 5의 실시예에서, 제어부(120)는 미분 프로파일에서 미리 설정된 타겟 전압 구간(RT)의 시작점을 제1 포인트(Pb1)로 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 타겟 전압 구간(RT)에서 미분 용량이 가장 큰 지점을 제2 포인트(Pb2)로 결정할 수 있다. 마지막으로, 제어부(120)는 제2 포인트(Pb2)의 전압 이상의 전압 구간에서, 대응되는 미분 용량이 가장 작은 지점을 제3 포인트(Pb3)로 결정할 수 있다.
진단 단계(S300)는 제1 포인트, 제2 포인트 및 제3 포인트의 미분 용량에 따라 배터리의 상태를 진단하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 제1 내지 제3 포인트의 미분 용량에 기반하여, 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되었는지를 진단할 수 있다. 구체적으로, 제어부(120)는 제1 포인트와 제2 포인트에 대한 제1 미분 용량차를 산출하고, 제2 포인트와 제3 포인트에 대한 제2 미분 용량차를 산출하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 제1 미분 용량차와 제2 미분 용량차에 대한 미분 용량 비율을 산출하도록 구성될 수 있다. 마지막으로, 제어부(120)는 산출된 미분 용량 비율과 미리 설정된 제1 임계값을 비교한 결과에 기반하여, 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되었는지를 진단할 수 있다.
다른 예로, 제어부(120)는 산출된 미분 용량 비율에 기반하여 배터리의 양극 전위 및 음극 전위를 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 결정된 양극 전위에 기반하여 배터리의 양극 충전 심도를 결정하고, 결정된 음극 전위에 기반하여 배터리의 음극 충전 심도를 결정할 수 있다.
또 다른 예로, 제어부(120)는 결정된 음극 전위와 미리 설정된 제2 임계값을 비교한 결과에 기반하여, 배터리에 리튬 플레이팅이 발생되었는지를 진단할 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)
10: 배터리 팩
11: 배터리
12: 측정부
100: 배터리 관리 장치
110: 프로파일 획득부
120: 제어부
130: 저장부
800: 자동차
810: 배터리 팩

Claims (12)

  1. 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및
    상기 미분 프로파일의 미리 설정된 타겟 전압 구간에서 상기 타겟 전압 구간의 시작점인 제1 포인트, 상기 미분 용량이 최고인 제2 포인트 및 상기 제2 포인트의 전압 이상의 전압 구간에서 상기 미분 용량이 최소인 제3 포인트를 결정하고, 상기 제1 포인트, 상기 제2 포인트 및 상기 제3 포인트의 미분 용량에 따라 상기 배터리의 상태를 진단하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 포인트와 상기 제2 포인트에 대한 제1 미분 용량차를 산출하고, 상기 제2 포인트와 상기 제3 포인트에 대한 제2 미분 용량차를 산출하며, 상기 제1 미분 용량차와 상기 제2 미분 용량차에 대한 미분 용량 비율을 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미분 용량 비율과 미리 설정된 제1 임계값을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 배터리의 리튬 플레이팅의 발생 여부를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미분 용량 비율이 상기 제1 임계값 이하이면, 상기 배터리에 상기 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 포인트의 미분 용량과 상기 제3 포인트의 미분 용량이 동일한 경우, 상기 배터리에 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    미분 용량과 양음극 전위 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 전위 프로파일에 기반하여, 상기 미분 용량 비율로부터 상기 배터리의 양극 전위 및 음극 전위를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 음극 전위와 미리 설정된 제2 임계값을 비교하며, 비교 결과에 따라 상기 배터리의 리튬 플레이팅 발생 여부를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미분 용량 비율이 상기 제2 임계값 이하이면, 상기 배터리에 상기 리튬 플레이팅이 발생된 것으로 진단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 양극 전위 및 상기 음극 전위에 기반하여 상기 배터리의 양극 충전 심도 및 음극 충전 심도를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 자동차.
  12. 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 프로파일 획득하는 프로파일 획득 단계;
    상기 미분 프로파일의 미리 설정된 타겟 전압 구간에서 상기 타겟 전압 구간의 시작점인 제1 포인트, 상기 미분 용량이 최고인 제2 포인트 및 상기 제2 포인트의 전압 이상의 전압 구간에서 상기 미분 용량이 최소인 제3 포인트를 결정하는 포인트 결정 단계; 및
    상기 제1 포인트, 상기 제2 포인트 및 상기 제3 포인트의 미분 용량에 따라 상기 배터리의 상태를 진단하는 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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