WO2025151007A1 - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 방법

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WO2025151007A1
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battery
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김지연
김영덕
박준철
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LG Energy Solution Ltd
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Batteries are used in various fields, and in fields where batteries are being widely used recently, such as electric vehicles or smart grid systems, large-capacity batteries are often required.
  • a battery pack In order to increase the capacity of a battery pack, there may be a method of increasing the capacity of the secondary battery, that is, the battery cell itself.
  • the effect of increasing the capacity is not great, and there is a physical limitation on the size expansion of the secondary battery, and it is inconvenient to manage. Therefore, battery packs in which a number of battery cells are connected in series and parallel are usually widely used.
  • FIG. 13 is a schematic drawing of a vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram schematically illustrating a condition judgment step and a status diagnosis step of a battery management method according to another embodiment of the present invention.
  • the present invention provides a technology capable of diagnosing a deterioration imbalance state between a plurality of batteries included in a battery pack.
  • 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) and a diagnostic unit (120).
  • the horizontal axis (X-axis) represents capacity (Ah)
  • the vertical axis (Y-axis) represents voltage (V).
  • the profile acquisition unit (110) may acquire a battery profile (BP) indicating a relationship between the voltage and capacity of a battery, and adjust a preset reference positive profile (Rp) and a reference negative profile (Rn) to correspond to the battery profile (BP) to acquire a positive profile (PP) and a positive participation end point (pf).
  • BP battery profile
  • Rp preset reference positive profile
  • Rn reference negative profile
  • PP positive profile
  • pf positive participation end point
  • the battery profile (BP) may be a profile representing the relationship between the voltage (V) and the capacity (Q) when the battery is charged.
  • the battery profile (BP) may be a profile representing the relationship between the voltage (V) and the capacity (Q) when the battery is discharged.
  • the reference capacity can be set based on the positive profile (PP).
  • the reference capacity can be set as the positive capacity (Qp), which is the difference between the maximum capacity and the minimum capacity of the positive profile (PP).
  • the reference capacity can be set as the negative capacity (Qn), which is the difference between the maximum capacity and the minimum capacity of the negative profile (NP).
  • the reference capacity can be set as the battery capacity (Qb), which is the difference between the maximum capacity and the minimum capacity of the battery profile (BP).
  • the reference capacity is a value representing the state of the battery, various values can be applied, not limited to the positive capacity (Qp), the negative capacity (Qn), and the battery capacity (Qb).
  • the diagnostic unit (120) can calculate the SOC (State of Charge) of the first target point based on the ratio of the capacity value of the first target point to the reference capacity, and determine the calculated SOC as the target value. Specifically, the diagnostic unit (120) can calculate the SOC of the first target point by dividing the capacity value of the first target point by the reference capacity, and determine the calculated SOC as the target value.
  • the capacity value of the first target point means a capacity value corresponding to the first target point on the first profile.
  • the capacity value of the first target point can be the difference between the start capacity (0 [Ah] of FIG. 2) of the first profile (PP) and the capacity (50 [Ah] of FIG. 2) of the first target point (pf of FIG. 2).
  • the diagnosis unit (120) may calculate the ratio between the first value (b2-b1) and the second value (b3-b2), "(b2-b1) ⁇ (b3-b2)” or "(b3-b2) ⁇ (b2-b1)", and may determine whether the distribution profile satisfies a predetermined condition based on the calculation result.
  • the first value is 1.8% (11.9-10.1) and the second value is 17.3% (29.2-11.9).
  • the ratio between the first value and the second value is 9.61 (17.3 ⁇ 1.8) or 0.10 (1.8 ⁇ 17.3).
  • the diagnostic unit (120) can determine that the distribution profile satisfies a predetermined condition. Alternatively, if the calculated ratio does not fall within the critical ratio range, the diagnostic unit (120) can be configured to determine that the distribution profile satisfies a predetermined condition.
  • the diagnostic unit (120) can determine that the calculated ratio belongs to the critical ratio interval. Then, the diagnostic unit (120) can determine that the distribution profile satisfies a predetermined condition. Conversely, if the ratio between the first value and the second value is less than the lower limit or exceeds the upper limit, the diagnostic unit (120) can determine that the ratio does not belong to the critical ratio interval. Then, the diagnostic unit (120) can determine that the distribution profile does not satisfy a predetermined condition.
  • the lower limit of the critical ratio interval is set to 3 ⁇ 7, and the upper limit is preset to 7 ⁇ 3.
  • the diagnosis unit (120) can determine that the first distribution profile (p1) satisfies a predetermined condition.
  • the diagnostic unit (120) calculates the anode loss rate based on the SOC of the first target point and determines the anode loss rate as the target value.
  • the diagnostic unit (120) can calculate the bipolar loss rate through the following calculation process.
  • the diagnostic unit (120) can calculate the first difference, which is the difference between the first reference value and the second reference value.
  • the diagnostic unit (120) can calculate the second difference, which is the difference between the SOC of the first target point and the first reference value.
  • the diagnostic unit (120) can calculate the bipolar loss rate by calculating the ratio of the second difference to the first difference.
  • the first reference value can be preset as the SOC of the reference participation end point.
  • the SOC of the reference participation end point can be calculated by dividing the capacity value of the reference participation end point by the reference capacity for the battery in the BOL state.
  • the second reference value can be preset as the SOC of the reference participation start point. That is, the SOC of the reference participation start point can be preset as the capacity value of the reference participation start point divided by the reference capacity for the battery in the BOL state.
  • the diagnostic unit (120) can calculate the bipolar loss rate using Equation 1 below.
  • L P is the anode loss ratio
  • pf MOL represents the SOC of the first target point
  • pi BOL represents the SOC of the anode participation start point of the anode profile obtained for the battery in the BOL state
  • pf BOL represents the SOC of the anode participation end point of the anode profile obtained for the battery in the BOL state.
  • MOL Middle of Life
  • the reference engagement endpoint may include the positive engagement onset point of the positive profile obtained for the battery in the BOL state and the negative engagement endpoint of the negative profile obtained for the battery in the BOL state.
  • the reference engagement onset point may be the negative engagement onset point of the negative profile obtained for the battery in the BOL state.
  • the diagnostic unit (120) can calculate the bipolar loss rate using Equation 2 below.
  • the diagnostic unit (120) calculates a capacity loss rate based on the SOC of the first target point and the SOC of the second target point, and determines the capacity loss rate as a target value.
  • the diagnostic unit (120) may be configured to determine a target value based on a reference capacity set for each of a plurality of batteries, a first target point, and a second target point included in each of a plurality of first profiles.
  • the reference capacity can be set as the positive electrode capacity (Qp), the negative electrode capacity (Qn), or the battery capacity (Qb).
  • the reference capacity is a value representing the state of the battery, various values can be applied, and are not limited to the positive electrode capacity (Qp), the negative electrode capacity (Qn), and the battery capacity (Qb).
  • the diagnostic unit (120) may be configured to calculate the SOC of the first target point based on the ratio of the capacity value of the first target point to the reference capacity, calculate the SOC of the second target point based on the ratio of the capacity value of the second target point to the reference capacity, calculate the capacity loss rate based on the first reference value and the second reference value preset for each of a plurality of batteries and the SOC of the first target point and the SOC of the second target point, and determine the calculated capacity loss rate as the target value.
  • the capacity loss rate means the capacity of the battery at the time of diagnosis compared to the capacity of the battery in the BOL state.
  • the reference engagement end point may be the positive engagement end point of the positive profile obtained for the battery in the BOL state
  • the reference engagement start point may be the positive engagement start point of the positive profile obtained for the battery in the BOL state
  • the diagnostic unit (120) can calculate the capacity loss rate using Equation 3 below.
  • L Q is the capacity loss rate
  • pf MOL represents the SOC of the first target point
  • pi MOL represents the SOC of the second target point
  • pi BOL represents the SOC of the positive engagement start point of the positive profile obtained for the battery in the BOL state
  • pf BOL represents the SOC of the positive engagement end point of the positive profile obtained for the battery in the BOL state.
  • L Q is the capacity loss rate
  • pf MOL represents the SOC of the first target point
  • pi MOL represents the SOC of the second target point
  • nf BOL represents the SOC of the negative participation end point of the negative profile obtained for the battery in the BOL state
  • ni BOL represents the SOC of the negative participation start point of the negative profile obtained for the battery in the BOL state.
  • the capacity loss rate (L Q ) calculated using Equation 3 and the capacity loss rate (L Q ) calculated using Equation 4 are the same.
  • “pf BOL -pi BOL” and "nf BOL -ni BOL” have the same value.
  • the difference between pf BOL and pi BOL and the difference between nf BOL and nf BOL correspond to the capacity (Qb) of the battery, so the capacity loss rates (L Q ) calculated using Equations 3 and 4 are the same.
  • the battery management device (100) can diagnose whether a battery pack is deteriorated or not in terms of the degree of capacity loss by calculating a capacity loss rate, which indicates the state of deterioration of the battery, as a target value.
  • the profile acquisition unit (110) determines a bipolar profile (PP) is described.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a reference anode profile (Rp) and a reference cathode profile (Rn) according to one embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis (X-axis) represents capacity (Ah) and the vertical axis (Y-axis) represents voltage (V).
  • FIGS. 6 to 8 are drawings for reference in explaining an example of a procedure for generating a comparison profile (S) used for comparison with a battery profile (BP) according to one embodiment of the present invention.
  • the generation procedure of the comparison profile (S) to be described with reference to FIGS. 6 to 8 is performed in the order of a first routine (see FIG. 6) for setting four points (positive participation start point (pi), positive participation end point (pf), negative participation start point (ni), and negative participation end point (nf)) to correspond to a voltage range of interest, a second routine (see FIG. 7) for performing profile shifting, and a third routine (see FIG. 8) for performing capacity scaling. That is, the generation procedure of the comparison profile (S) according to one embodiment of the present invention includes the first to third routines.
  • the positive electrode participation initiation point (pi) refers to the positive electrode point where the reaction starts during the charging process or the positive electrode point where the reaction ends during the discharging process.
  • the positive electrode participation end point (pf) refers to the positive electrode point where the reaction ends during the charging process or the positive electrode point where the reaction starts during the discharging process.
  • the negative electrode participation initiation point (ni) refers to the negative electrode point where the reaction starts during the charging process or the negative electrode point where the reaction ends during the discharging process.
  • the negative electrode participation end point (nf) refers to the negative electrode point where the reaction ends during the charging process or the negative electrode point where the reaction starts during the discharging process.
  • the reference anode profile (Rp) and the reference cathode profile (Rn) are the same as those shown in Fig. 5.
  • the profile acquisition unit (110) determines the positive participation start point (pi), the positive participation end point (pf), the negative participation start point (ni), and the negative participation end point (nf) on the reference positive profile (Rp) and the reference negative profile (Rn).
  • the difference between the voltage of the positive engagement initiation point (pi) and the voltage of the negative engagement initiation point (ni) can be set equal to the starting voltage (lowest voltage) of the battery profile (BP).
  • the profile acquisition unit (110) may divide the negative voltage range from the start point to the end point of the reference negative profile (Rn) into a plurality of micro-voltage sections of a predetermined size, and then set the boundary point of two adjacent micro-voltage sections among the plurality of micro-voltage sections as the negative participation start point (ni). Then, the profile acquisition unit (110) may set a point that exists on the reference positive profile (Rp) and is greater than the voltage of the negative participation start point (ni) by a first set voltage as the positive participation start point (pi).
  • the profile acquisition unit (110) may divide the anode voltage range from the second set voltage to the end point of the reference anode profile (Rp) into a plurality of micro-voltage sections of a predetermined size, and then set the boundary point of two adjacent micro-voltage sections among the plurality of micro-voltage sections as the anode participation end point (pf). Then, the profile acquisition unit (110) may set the point that exists on the reference cathode profile (Rn) and is smaller than the voltage of the anode participation end point (pf) by the second set voltage (e.g., 4 V) as the cathode participation end point (nf).
  • the second set voltage e.g., 4 V
  • the profile acquisition unit (110) shifts at least one of the reference positive profile (Rp) and the reference negative profile (Rn) to the left or right along the horizontal axis.
  • the profile acquisition unit (110) may shift the reference anode profile (Rp) to the left (low capacity side), shift the reference cathode profile (Rn) to the right (high capacity side), or perform both, so that the capacity values of the anode participation start point (pi) and the cathode participation start point (ni) match.
  • Fig. 7 illustrates a situation in which the capacity value of the positive participation start point (pi') matches the capacity value of the negative participation start point (ni) as a result of generating an adjusted positive participation profile (Rp') by shifting only the reference positive participation profile (Rp) to the left.
  • the adjusted positive participation profile (Rp') is the result of applying an adjustment procedure for shifting to the left the amount of the difference in capacity between the positive participation start point (pi) and the negative participation start point (ni) to the reference positive participation profile (Rp). Therefore, the two points (pi, pi') differ only in capacity value, and have the same voltage.
  • the two points (pf, pf') differ only in capacity value, and have the same voltage.
  • the profile acquisition unit (110) scales the capacity range of at least one of the adjustment result profiles (Rp', Rn).
  • the profile acquisition unit (110) can generate the adjusted positive electrode profile (Rp') by shrinking or expanding the adjusted positive electrode profile (Rp') so that the capacity range between the two points (pi', pf') of the adjusted positive electrode profile (Rp') matches the capacity range of the battery profile (BP).
  • the capacity range between the two points (pi', pf'') of the adjusted positive electrode profile (Rp'') can match the capacity range of the battery profile (BP).
  • the positive participation end point (pf'') on the adjusted positive profile (Rp'') corresponds to the positive participation end point (pf') on the adjusted positive profile (Rp').
  • the negative participation end point (nf') on the adjusted negative profile (Rn') corresponds to the negative participation end point (nf) on the reference negative profile (Rn).
  • the capacity range between the positive participation start point (pi') and the positive participation end point (pf'') of the regulated positive profile (Rp'') matches the capacity range of the battery profile (BP).
  • the capacity range between the negative participation start point (ni) and the negative participation end point (nf') of the regulated negative profile (Rn') matches the capacity range of the battery profile (BP).
  • the profile acquisition unit (110) can calculate the error (profile error) between the comparison profile (S) and the battery profile (BP).
  • the profile acquisition unit (110) can record in the storage unit (130) at least two of the adjusted positive profile (Rp''), the adjusted negative profile (Rn'), the positive participation start point (pi'), the positive participation end point (pf''), the negative participation start point (ni), the negative participation end point (nf'), the first scale factor, the second scale factor, the comparison profile (S), and the profile error by mutually mapping them.
  • the first scale factor can represent the ratio of the capacity difference between the two points (pi', pf'') to the capacity difference between the two points (pi0, pf0).
  • the second scale factor can represent the ratio of the capacity difference between the two points (ni, nf') to the capacity difference between the two points (ni0, nf0).
  • the profile acquisition unit (110) can determine the first scale factor as the positive change rate (ps) and the second scale factor as the negative change rate (ns).
  • the adjusted reference positive electrode profile (Rp'') can be used as the positive electrode profile (PP).
  • the profile acquisition unit (110) may set a point on the adjusted negative profile (Rn') that has a capacity value that is smaller by the size of the capacity range of the battery profile (BP) than the capacity value of the negative participation end point (nf') as the negative participation start point (ni').
  • the profile acquisition unit (110) may search for a point that is higher by a second set voltage than the voltage of the negative participation end point (nf') from the adjusted positive profile (Rp') and set the searched point as the positive participation end point (pf').
  • the profile acquisition unit (110) may set a point on the adjusted positive profile (Rp') that has a capacity value that is smaller by the size of the capacity range of the battery profile (BP) than the capacity value of the positive participation end point (pf') as the positive participation start point (pi').
  • the profile acquisition unit (110) can shift at least one of the adjusted positive profile (Rp') and the adjusted negative profile (Rn') to the left or right along the horizontal axis so that the capacity values of the positive participation start point (pi') and the negative participation start point (ni') match, or so that the capacity values of the positive participation end point (pf') and the negative participation end point (nf') match.
  • the profile acquisition unit (110) can calculate the error (profile error) between the comparison profile (U) and the battery profile (BP).
  • the profile acquisition unit (110) can mutually map at least two of the adjusted positive profile (Rp'), the adjusted negative profile (Rn''), the positive participation start point (pi'), the positive participation end point (pf'), the negative participation start point (ni''), the negative participation end point (nf''), the first scale factor, the second scale factor, the comparison profile (U), and the profile error, and record them in the storage unit (130).
  • the profile acquisition unit (110) can calculate an anode change ratio (ps) based on the reference anode profile (Rp) and the adjusted anode profile (Rp').
  • the anode change ratio (ps) means a ratio by which the adjusted anode profile is changed with respect to the reference anode profile.
  • the profile acquisition unit (110) can calculate an anode change ratio (ns) based on the reference cathode profile (Rn) and the adjusted anode profile (Rn'').
  • the cathode change ratio (ns) means a ratio by which the adjusted cathode profile is changed with respect to the reference cathode profile.
  • the adjusted reference positive electrode profile (Rp') can be used as the positive electrode profile (PP).
  • 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 diagnosis 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 batteries. In addition, the battery pack may further include electrical components (relays, fuses, etc.) and a case, etc.
  • FIG. 12 is a drawing illustrating an exemplary configuration of a battery pack (10) according to another embodiment of the present invention.
  • the first profile is a bipolar profile
  • the first target point included in the first profile may be a bipolar participation end point included in the bipolar profile.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각에 대한 제1 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 상기 복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제1 타겟점에 기반하여 상기 복수의 배터리 각각에 대해 용량값에 기반한 타겟값을 진단 인자로서 산출하고, 산출된 복수의 타겟값과 상기 복수의 타겟값 각각에 대한 개수 간의 대응 관계를 나타내는 분포 프로파일을 생성하며, 상기 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하고, 판정 결과에 따라 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 진단부를 포함한다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법
본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2024년 01월 12일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2024-0005656호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
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.
배터리는 다양한 분야에서 이용되는데, 전기 구동 차량 또는 스마트 그리드 시스템과 같이 최근에 배터리가 많이 활용되는 분야에서는 큰 용량의 배터리를 필요로 하는 경우가 많다. 배터리 팩의 용량을 증가하기 위해서는 이차 전지, 즉 배터리 셀 자체의 용량을 증가시키는 방법이 있을 수 있다. 하지만, 이 경우 용량 증대 효과는 크지 않은 반면, 이차 전지의 크기 확장에 물리적 제한이 있으며 관리가 불편하다는 단점을 갖는다. 따라서, 통상적으로는 다수의 배터리 셀이 직렬 및 병렬로 연결된 배터리 팩이 널리 이용된다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 간의 퇴화 불균형 상태를 진단할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각에 대한 제1 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및 복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제1 타겟점에 기반하여 상기 복수의 배터리 각각에 대해 용량값에 기반한 타겟값을 진단 인자로서 산출하고, 산출된 복수의 타겟값과 상기 복수의 타겟값 각각에 대한 개수 간의 대응 관계를 나타내는 분포 프로파일을 생성하며, 상기 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하고, 판정 결과에 따라 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.
상기 제1 프로파일은 양극 프로파일이고, 상기 제1 타겟점은 상기 양극 프로파일에서 충전 반응이 종료되거나 방전 반응이 시작되는 양극 지점을 나타내는 양극 참여 종료점일 수 있다.
상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 진단부는 상기 배터리 팩의 상태를 퇴화 불균형 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하는 경우, 상기 진단부는 상기 분포 프로파일의 특징값을 미리 설정된 임계값과 비교하고, 비교 결과에 기반하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 특징값이 상기 임계값을 초과하면, 상기 진단부는 상기 배터리 팩의 상태를 퇴화 불균형 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
특징값이 상기 임계값 이하이면, 상기 진단부는 상기 배터리 팩의 상태를 퇴화 균형 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
상기 진단부는, 상기 배터리 팩의 퇴화도와 미리 설정된 참조 특징값에 기반하여 상기 임계값을 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 진단부는, 상기 복수의 타겟값에 기반하여 제1 값 및 제2 값을 산출하고, 상기 제1 값과 상기 제2 값 간의 비율에 따라 상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하는지를 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 진단부는, 상기 복수의 타겟값 중에서 최소값, 최대값 및 기준값을 결정하고, 상기 최소값과 상기 기준값 간의 차이를 상기 제1 값으로 산출하며, 상기 기준값과 상기 최대값 간의 차이를 상기 제2 값으로 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 진단부는, 상기 복수의 타겟값 중에서 대응되는 개수가 가장 큰 타겟값을 상기 기준값으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 비율이 미리 설정된 임계 비율 구간에 속하는 경우, 상기 진단부는 상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 비율이 상기 임계 비율 구간에 속하지 않는 경우, 상기 진단부는 상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상기 진단부는, 상기 기준 용량에 대한 상기 제1 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 상기 제1 타겟점의 SOC를 산출하고, 산출된 SOC를 상기 타겟값으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 진단부는, 상기 기준 용량에 대한 상기 제1 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 상기 제1 타겟점의 SOC를 산출하고, 상기 복수의 배터리마다 미리 설정된 제1 참조값 및 제2 참조값과 상기 산출된 SOC에 기반하여 양극 손실률을 산출하고, 산출된 양극 손실률을 상기 타겟값으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 진단부는, 상기 복수의 배터리 각각에 대해 설정된 기준 용량, 상기 제1 타겟점 및 상기 복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제2 타겟점에 기반하여 상기 타겟값을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 프로파일은 양극 프로파일이고, 상기 제2 타겟점은 상기 양극 프로파일에 포함된 양극 참여 개시점일 수 있다.
상기 진단부는, 상기 배터리 팩의 상태가 퇴화 불균형 상태로 진단될 경우 퇴화 불균형을 해소하기 위한 기능을 작동시키거나, 알람을 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 퇴화 불균형을 해소하기 위한 기능은 팩 밸런싱(pack balancing) 기능으로 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 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각에 대한 제1 프로파일을 획득하는 프로파일 획득 단계; 복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제1 타겟점에 기반하여 상기 복수의 배터리 각각에 대해 용량값에 기반한 타겟값을 진단 인자로서 산출하는 타겟값 산출 단계; 산출된 복수의 타겟값과 상기 복수의 타겟값 각각에 대해 개수 간의 대응 관계를 나타내는 분포 프로파일을 생성하는 프로파일 생성 단계; 상기 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하는 조건 판정 단계; 및 판정 결과에 따라 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 상태 진단 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 저장 매체는 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각에 대한 제1 프로파일을 획득하는 프로파일 획득 단계; 복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제1 타겟점에 기반하여 상기 복수의 배터리 각각에 대해 용량값에 기반한 타겟값을 진단 인자로서 산출하는 타겟값 산출 단계; 산출된 복수의 타겟값과 상기 복수의 타겟값 각각에 대한 개수 간의 대응 관계를 나타내는 분포 프로파일을 생성하는 프로파일 생성 단계; 상기 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하는 조건 판정 단계; 및 판정 결과에 따라 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 상태 진단 단계를 포함하는 배터리 관리 방법을 실행하기 위한 프로그램이 저장된 비일시적 판독 가능한 저장 매체이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 간의 퇴화 불균형 상태를 진단할 수 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 양극 프로파일 및 양극 참여 종료점을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 분포 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 분포 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 양극 프로파일 및 기준 음극 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 프로파일과의 비교용으로 이용되는 비교 프로파일을 생성하는 절차의 일 예를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 프로파일과의 비교용으로 이용되는 비교 프로파일을 생성하는 절차의 다른 예를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법의 조건 판정 단계 및 상태 진단 단계를 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 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 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.
일반적으로 배터리는 사용할수록 퇴화되는데, 배터리 팩의 충방전이 반복되거나 배터리 팩이 장기간 방치되는 등의 사유로, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 퇴화 상태는 서로 상이해질 수 있다. 즉, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 퇴화 상태가 균일하지 않게 될 수 있다.
배터리는 퇴화될수록 가용 용량이 감소하는바, 배터리 팩 내 복수의 배터리의 퇴화 상태가 불균일하다면, 배터리마다 가용 용량이 상이할 수 있다. 이 경우, 배터리 팩의 가용 용량은 복수의 배터리의 가용 용량 중 가장 작은 가용 용량에 기반하여 결정될 수 있다.
예를 들면, 배터리 팩에 직렬로 연결된 5개의 배터리가 포함되고, 4개의 배터리의 가용 용량이 100[Ah]이고, 1개의 배터리의 가용 용량이 90[Ah]라고 가정한다. 이 경우, 배터리 팩의 가용 용량은 490[Ah]이 아니라 450[Ah]이다. 즉, 복수의 배터리의 퇴화가 불균일하기 때문에, 40[Ah]에 대한 용량이 사용되지 못하는 문제가 있다.
본 발명에서는, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 간의 퇴화 불균형 상태를 진단할 수 있는 기술을 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 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) 및 진단부(120)를 포함할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각에 대한 제1 프로파일을 획득하도록 구성될 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) 또는 배터리 모듈(battery module)을 의미할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.
여기서, 제1 프로파일은 양극 프로파일이고, 제1 프로파일에 포함된 제1 타겟점은 양극 프로파일에 포함된 양극 참여 종료점일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 프로파일(PP) 및 양극 참여 종료점(pf)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 양극 프로파일(Rp) 및 기준 음극 프로파일(Rn)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 5의 실시예에 있어서, 가로축(X축)은 용량(capacity, Ah)을 나타내고, 세로축(Y축)은 전압(voltage, V)을 나타낸다.
일 예로, 프로파일 획득부(110)는 배터리의 전압과 용량 간의 대응 관계를 나타내는 배터리 프로파일(BP)을 획득하고, 배터리 프로파일(BP)에 대응되도록 미리 설정된 기준 양극 프로파일(Rp) 및 기준 음극 프로파일(Rn)을 조정하여 양극 프로파일(PP) 및 양극 참여 종료점(pf)을 획득할 수 있다.
여기서, 배터리 프로파일(BP)은 배터리가 충전될 때의 전압(V)과 용량(Q) 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일일 수 있다. 또는, 배터리 프로파일(BP)은 배터리가 방전될 때의 전압(V)과 용량(Q) 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일일 수도 있다.
기준 양극 프로파일(Rp)은, 배터리의 양극에 대응되도록 미리 설정된 기준 양극 셀의 용량 및 전압 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일일 수 있다. 예컨대, 기준 양극 셀은 양극 코인 하프 셀 또는 3 전극 셀의 양극일 수 있다. 그리고, 기준 음극 프로파일(Rn)은, 배터리의 음극에 대응되도록 미리 설정된 기준 음극 셀의 용량 및 전압 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일일 수 있다. 예컨대, 기준 음극 셀은 음극 코인 하프 셀 또는 3 전극 셀의 음극일 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 기준 양극 프로파일(Rp) 및 기준 음극 프로파일(Rn) 각각을 조정(프로파일을 시프트(shift) 또는 용량 스케일링(scaling))하여 조정 양극 프로파일 및 조정 음극 프로파일을 획득할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일 및 조정 음극 프로파일을 합성(동일한 전압값에 대한 용량값을 합산 또는 동일한 용량값에 대한 전압값을 합산)하여 비교 프로파일을 생성할 수 있다. 프로파일 획득부(110)는 기준 양극 프로파일(Rp)과 기준 음극 프로파일(Rn)에 대한 조정 절차 및 합성 절차를 반복하여 복수의 비교 프로파일을 생성할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 복수의 비교 프로파일 중에서 배터리 프로파일(BP)과의 오차가 최소가 되는 비교 프로파일을 특정할 수 있다. 프로파일 획득부(110)는 특정된 비교 프로파일을 생성하는 데 이용된 조정 양극 프로파일 및 조정 음극 프로파일을 배터리의 양극 프로파일(PP) 및 음극 프로파일(NP)로 결정할 수 있다.
관련하여, 프로파일 획득부(110)가 양극 프로파일(PP)을 결정하는 실시예에 대해서는 도 5 내지 도 11을 참조하여 후술한다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 제1 프로파일을 자체적으로 생성하는 대신 외부로부터 양극 프로파일을 직접 수신할 수 있다. 예를 들면, 프로파일 획득부(110)는 외부와 유선 및/또는 무선으로 연결되어 양극 프로파일(PP) 및 양극 참여 종료점(pf)을 수신할 수 있다.
진단부(120)는 복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제1 타겟점에 기반하여 상기 복수의 배터리 각각에 대한 타겟값을 산출하도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 진단부(120)는 복수의 배터리 각각에 대해 설정된 기준 용량 및 제1 타겟점의 용량값에 기반하여 타겟값을 결정할 수 있다.
예컨대, 기준 용량은 양극 프로파일(PP)에 기반하여 설정될 수 있다. 예를 들면, 기준 용량은 양극 프로파일(PP)의 최대 용량과 최소 용량 간의 차이인 양극 용량(Qp)으로 설정될 수 있다. 다른 예로, 기준 용량은 음극 프로파일(NP)의 최대 용량과 최소 용량의 차이인 음극 용량(Qn)으로 설정될 수 있다. 또 다른 예로, 기준 용량은 배터리 프로파일(BP)의 최대 용량과 최소 용량의 차이인 배터리 용량(Qb)으로 설정될 수 있다. 기준 용량은, 배터리의 상태를 나타내는 값이라면, 양극 용량(Qp), 음극 용량(Qn) 및 배터리 용량(Qb)에 제한되지 않고 다양한 값이 적용될 수 있다.
진단부(120)는 기준 용량에 대한 제1 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 제1 타겟점의 SOC(State of charge)를 산출하고, 산출된 SOC를 타겟값으로 결정할 수 있다. 구체적으로, 진단부(120)는 제1 타겟점의 용량값을 기준 용량으로 나누어 제1 타겟점의 SOC를 산출하고, 산출된 SOC를 타겟값으로 결정할 수 있다. 여기서, 제1 타겟점의 용량값은 제1 프로파일 상에서 제1 타겟점에 대응되는 용량값을 의미한다. 예컨대, 도 2의 실시예에서, 제1 타겟점의 용량값은 제1 프로파일(PP)의 시작 용량(도 2의 0[Ah])과 제1 타겟점(도 2의 pf)의 용량(도 2의 50[Ah]) 간의 차이일 수 있다.
진단부(120)는 산출된 복수의 타겟값과 복수의 타겟값 각각의 개수 간의 대응 관계를 나타내는 분포 프로파일을 생성하도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 분포 프로파일(p1)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 분포 프로파일(p2)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4의 실시예에 있어서, 가로축(X축)은 타겟값을 나타내고, 세로축(Y축)은 복수의 타겟값 각각의 개수를 나타낸다.
앞서 설명한 바와 같이, 타겟값은 배터리의 퇴화도를 나타내는 지표로 사용될 수 있는바, 복수의 타겟값의 분포를 나타내는 분포 프로파일은 복수의 배터리의 퇴화 균일도를 나타내는 프로파일로 사용될 수 있다.
진단부(120)는 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하고, 판정 결과에 따라 배터리 팩의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따라, 소정의 조건은 분포 프로파일이 가우시안 분포를 따르는지 판정하기 위한 조건일 수 있다. 즉, 소정의 조건은 분포 프로파일이 가우시안 분포와 유사한 형태를 나타내는지 판정하기 위한 조건일 수 있다.
진단부(120)가, 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하는 실시예는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다.
분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하지 않는 경우, 진단부(120)는 배터리 팩의 상태를 퇴화 불균형 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
퇴화 불균형 상태란, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 퇴화 상태가 균일하지 않은 것으로 볼 수 있는 상태를 의미한다. 예컨대, 배터리 팩 내 복수의 배터리의 퇴화 상태가 불균일하다면, 배터리마다 사용될 수 있는 최대 용량이 상이할 수 있다.
한편, 퇴화 균형 상태란, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 퇴화 상태가 균일한 것으로 볼 수 있는 상태를 의미한다. 예컨대, 복수의 배터리 각각의 퇴화 상태가 일부 상이더라도, 상이한 정도가 미미하여 무시할 수 있는 정도의 수준이라면 배터리 팩의 상태는 퇴화 균형 상태로 진단될 수 있다.
배터리는 퇴화될수록 가용 용량이 감소하는바, 배터리 팩 내 복수의 배터리의 퇴화 상태가 불균일하다면, 배터리마다 가용 용량이 상이할 수 있다. 예를 들면, 배터리 팩 내 복수의 배터리의 퇴화 상태가 불균일하다면, 복수의 배터리의 가용 용량이 모두 동일하지는 않을 수 있다. 이 경우, 배터리 팩의 가용 용량은 복수의 배터리의 가용 용량 중 가장 작은 가용 용량에 기반하여 결정될 수 있다.
예컨대, 배터리 팩에 직렬로 연결된 5개의 배터리가 포함되고, 4개의 배터리의 가용 용량이 100[Ah]이고, 1개의 배터리의 가용 용량이 90[Ah]라고 가정한다. 이 경우, 배터리 팩의 가용 용량은 490[Ah]이 아니라 450[Ah]이다. 즉, 복수의 배터리의 퇴화가 불균일하기 때문에, 40[Ah]에 대한 용량이 사용되지 못하는 문제가 있다.
도 4에 도시된 제2 분포 프로파일(p2)은 소정의 조건을 만족하지 않는 분포 프로파일의 일 예이다. 진단부(120)는 제2 분포 프로파일(p2)에 대응되는 배터리 팩의 상태를 퇴화 불균형 상태로 진단할 수 있다.
분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는 경우, 진단부(120)는 분포 프로파일의 특징값을 미리 설정된 임계값과 비교하고, 비교 결과에 기반하여 배터리 팩의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 제1 분포 프로파일(p1)은 소정의 조건을 만족하는 분포 프로파일의 일 예이다.
도 3의 실시예에서, 진단부(120)는 제1 분포 프로파일(p1)의 특징값을 미리 설정된 임계값과 비교하고, 비교 결과에 기반하여 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
여기서, 특징값은, 분포 프로파일 상에서 대응되는 개수가 동일한 두 타겟값 간의 차이를 의미한다. 특징값 결정에 사용되는 개수(Y축값)는 미리 설정될 수 있다. 예컨대, 특징값은 반치전폭(FWHM, full width at half maximum)을 의미할 수 있다. 이 경우 특징값 결정에 사용되는 개수는 분포 프로파일의 최대 개수의 절반으로 미리 설정될 수 있다. 다른 예로, 특징값은 분포 프로파일 상에서 대응되는 개수가 동일한 두 타겟값 간의 최대 차이를 의미할 수 있다. 도 3을 참조하면, 제1 분포 프로파일(p1)의 특징값은, 대응되는 개수가 k로 동일한 두 타겟값(x1, x2) 간의 차이(x2-x1)일 수 있다.
임계값은 배터리 팩의 BOL(Beginning of life) 상태, 배터리 팩의 현재 상태(예컨대, 퇴화도), 배터리 팩에 대응되는 참조 팩으로부터 도출된 참조값 또는 이론적으로 도출된 분포 프로파일 등에 기반하여 미리 설정될 수 있다. BOL은 배터리의 초기상태를 의미하며, 제조 후 첫 사용 시점으로, 배터리가 최대 용량과 성능을 발휘할 수 있는 상태를 의미한다.
일 실시예에 따라, 특징값이 임계값을 초과하면, 진단부(120)는 배터리 팩의 상태를 퇴화 불균형 상태로 진단하도록 구성될 수 있다. 반대로, 특징값이 임계값 이하이면, 진단부(120)는 배터리 팩의 상태를 퇴화 균형 상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리의 퇴화 상태를 나타내는 타겟값의 분포를 통해 배터리 팩이 퇴화 불균형 상태인지를 진단할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 배터리 관리 장치(100)에 구비된 프로파일 획득부(110) 및 진단부(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, 프로파일 획득부(110) 및 진단부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로파일 획득부(110) 및 진단부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 배터리 관리 장치(100)의 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로파일 획득부(110) 및 진단부(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 도출할 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 프로파일 획득부(110) 및 진단부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
저장부(130)는 프로파일 획득부(110)가 배터리 프로파일을 획득하는 데 필요한 정보들을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 진단부(120)가 배터리 팩의 상태를 진단하는 데 필요한 정보들을 저장할 수 있다. 예컨대, 저장부(130)는 기준 양극 프로파일, 기준 음극 프로파일, 기준 용량 등을 저장할 수 있다. 그리고, 프로파일 획득부(110) 및 진단부(120)는 저장부(130)에 접근(access)하여 필요한 정보들을 획득할 수 있다. 예컨대, 프로파일 획득부(110)가 획득한 복수의 배터리에 대한 제1 프로파일 및 제1 타겟점은 저장부(130)에 저장되고, 진단부(120)는 저장부(130)에 접근하여 저장된 복수의 제1 프로파일 및 복수의 제1 타겟점을 획득할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 진단부(120)는 배터리 팩의 퇴화도와 미리 설정된 참조 특징값에 기반하여 임계값을 설정할 수 있다. 예컨대, 진단부(120)가 배터리 팩의 퇴화도와 미리 설정된 참조 특징값을 연관 지어서 산출할 수 있는 값이면 임계값으로 제한없이 적용될 수 있다.
일 실시예에 따라, 진단부(120)는 배터리 팩의 퇴화도와 미리 설정된 참조 특징값을 곱하여 임계값을 설정할 수 있다.
배터리 팩의 퇴화도는 배터리 팩이 퇴화된 정도를 나타낸다. 다른 말로, 배터리 팩의 퇴화도는 배터리 팩의 퇴화율을 나타낸다. 즉, 배터리 팩의 퇴화도는 배터리 팩의 건강 상태를 나타내는 SOH(State of Health)와 반대되는 개념으로서, (100-SOH)[%]의 수식으로 표현될 수 있다. 여기서, SOH는 배터리 팩의 현재값(예컨대, 용량 또는 저항 등)을 초기값과 비교한 비율에 따라 추정되는 것으로서, 종래의 SOH 추정 방식이 적용될 수 있다.
참조 특징값은 배터리 팩의 BOL 상태, 분포 프로파일의 특징값 또는 배터리 팩의 사양 등을 고려하여 미리 설정될 수 있다.
일 예로, 참조 특징값은 배터리 팩의 사양을 고려하여 특정한 값으로 미리 설정될 수 있다. 예를 들면, 진단 대상이 되는 배터리 팩의 사양을 고려한 일반적인 값이 참조 특징값으로 미리 설정될 수 있다. 한편, 배터리 팩의 사양을 고려한 일반적인 값은, 배터리 팩의 특징값에 대응되도록 미리 설정될 수 있다.
다른 예로, 참조 특징값은 기준 분포 프로파일의 특징값으로 미리 설정될 수 있다. 여기서, 기준 분포 프로파일은 배터리 팩에 대응되는 참조 팩으로부터 획득된 분포 프로파일을 의미할 수 있다. 또는, 기준 분포 프로파일은, 배터리 팩이 BOL 상태일 때 생성된 분포 프로파일을 의미할 수 있다. 기준 분포 프로파일의 특징값은, 기준 분포 프로파일 상에서 대응되는 개수가 동일한 두 타겟값 간의 차이를 의미한다. 예를 들면, 기준 분포 프로파일의 특징값을 결정하는 기준은, 분포 프로파일의 특징값을 결정하는 기준과 동일할 수 있다. 따라서, 동일한 기준에 따라 결정된 기준 분포 프로파일의 특징값과 분포 프로파일의 특징값은 서로 대응되는 값일 수 있다.
임계값은 배터리 팩의 현재 퇴화도를 고려하여 설정될 수 있다. 따라서, 배터리 관리 장치(100)는 배터리 팩의 현재 상태에 대한 기준(임계값)에 기반하여 배터리 팩의 상태를 보다 정확하게 진단할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는, 진단부(120)가 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판단하는 실시예를 설명한다.
진단부(120)는 복수의 타겟값에 기반하여 제1 값 및 제2 값을 산출하고, 제1 값과 제2 값 간의 비율에 따라 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지를 판단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 진단부(120)는 복수의 타겟값의 최소값, 최대값 및 기준값에 기반하여 제1 값 및 제2 값을 산출할 수 있다. 예를 들면, 진단부(120)는 복수의 타겟값 중에서 최소값, 최대값 및 기준값을 결정할 수 있다. 진단부(120)는 복수의 타겟값 중 대응되는 개수가 가장 큰 타겟값을 기준값으로 결정할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 최소값과 기준값 간의 차이를 제1 값으로 산출하며, 기준값과 최대값 간의 차이를 제2 값으로 산출하도록 구성될 수 있다. 마지막으로, 진단부(120)는 제1 값과 제2 값 간의 비율에 기반하여 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판단할 수 있다.
도 3의 실시예에서, 진단부(120)는 복수의 타겟값 중에서 a1을 최소값으로, a3를 최대값으로 결정할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 복수의 타겟값 중에서 대응되는 개수가 가장 큰 a2를 기준값으로 결정할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 a1과 a2 간의 차이(a2-a1)를 제1 값으로 산출하며, a2와 a3 간의 차이(a3-a2)를 제2 값으로 산출할 수 있다. 진단부(120)는 제1 값(a2-a1)과 제2 값(a3-a2) 간의 비율인 "(a2-a1)÷(a3-a2)" 또는 "(a3-a2)÷(a2-a1)"을 산출하고, 산출 결과에 기반하여 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판단할 수 있다.
예컨대, a1이 11.1%이고, a2가 12.1%이고, a3이 13.1%라면, 제1 값은 1%(12.1-11.1)이고, 제2 값은 1%(13.1-12.1)이다. 제1 값과 제2 값 간의 비율은 1이다.
도 4의 실시예에서, 진단부(120)는 복수의 타겟값 중에서 b1을 최소값으로, b3를 최대값으로 결정할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 복수의 타겟값 중에서 대응되는 개수가 가장 큰 b2를 기준값으로 결정할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 b1과 b2 간의 차이(b2-b1)를 제1 값으로 산출하며, b2와 b3 간의 차이(b3-b2)를 제2 값으로 산출할 수 있다. 진단부(120)는 제1 값(b2-b1)과 제2 값(b3-b2) 간의 비율인 "(b2-b1)÷(b3-b2)" 또는 "(b3-b2)÷(b2-b1)"을 산출하고, 산출 결과에 기반하여 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판단할 수 있다.
예컨대, b1이 10.1%이고, b2가 11.9%이고, b3이 29.2%라면, 제1 값은 1.8%(11.9-10.1)이고, 제2 값은 17.3%(29.2-11.9)이다. 제1 값과 제2 값 간의 비율은 9.61(17.3÷1.8) 또는 0.10(1.8÷17.3)이다.
진단부(120)는 비율을 미리 설정된 임계 비율 구간과 비교하고, 비교 결과에 따라 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지를 판단하도록 구성될 수 있다.
산출된 비율이 임계 비율 구간에 속하는 경우, 진단부(120)는 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다. 또는, 산출된 비율이 임계 비율 구간에 속하지 않는 경우, 진단부(120)는 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
제1 값과 제2 값 간의 비율이 임계 비율 구간의 하한값 이상이고 상한값 이하라면, 진단부(120)는 산출된 비율이 임계 비율 구간에 속한다고 판단할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다. 반대로, 제1 값과 제2 값 간의 비율이 하한값 미만이거나 상한값을 초과한다면, 진단부(120)는 비율이 임계 비율 구간에 속하지 않는다고 판단할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
예컨대, 임계 비율 구간의 하한값은 3÷7로 설정되고, 상한값은 7÷3으로 설정될 수 있다. 즉, 임계 비율 구간은 제1 값과 제2 값의 비율이 3:7 내지 7:3에 포함되는지를 확인하기 위하여 미리 설정된 구간일 수 있다. 이하에서는, 임계 비율 구간의 하한값을 3÷7로 설명하고, 상한값을 7÷3으로 설명하지만, 수치들은 본 발명의 일 실시예에 의해 한정되지 않음을 유의한다.
앞선 실시예와 마찬가지로, 임계 비율 구간의 하한값은 3÷7로 설정되고, 상한값은 7÷3으로 미리 설정되었다고 가정한다. 이 경우, 도 3의 실시예에서, 제1 값과 제2 값 간의 비율(제1 값(1%)÷제2 값(1%)=1)은 3÷7 이상 7÷3 이하이므로, 진단부(120)는 비율이 임계 비율 구간에 속한다고 판단할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 제1 분포 프로파일(p1)이 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
앞선 실시예와 마찬가지로, 임계 비율 구간의 하한값은 3÷7로 설정되고, 상한값은 7÷3으로 미리 설정되었다고 가정한다. 이 경우, 도 4의 실시예에서, 만약 임계 비율 구간이 3÷7 이상 7÷3 이하로 미리 설정되었다면, 제1 값과 제2 값 간의 비율(제1 값(17.3%)÷제2 값(1.8%)=9.61 또는 제1 값(1.8%)÷제2 값(17.3%)=0.10)은 3÷7 미만이거나 7÷3을 초과하므로, 진단부(120)는 비율이 임계 비율 구간에 속하지 않는다고 판단할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 제2 분포 프로파일(p2)이 소정의 조건을 만족하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
이하에서는, 진단부(120)가 제1 타겟점의 SOC에 기반하여 양극 손실률을 산출하고, 양극 손실률을 타겟값으로 결정하는 실시예를 설명한다.
진단부(120)는 기준 용량에 대한 제1 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 제1 타겟점의 SOC를 산출하고, 복수의 배터리마다 미리 설정된 제1 참조값 및 제2 참조값과 산출된 SOC에 기반하여 양극 손실률을 산출할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 산출된 양극 손실률을 타겟값으로 결정할 수 있다. 여기서, 양극 손실률은 BOL 상태 배터리의 양극 반응 면적 대비 진단 당시 배터리의 양극 반응 면적을 의미한다.
진단부(120)는 다음과 같은 계산 과정을 거쳐 양극 손실률을 산출할 수 있다. 진단부(120)는 제1 참조값과 제2 참조값 간의 차이인 제1 차이를 계산할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 제1 타겟점의 SOC와 제1 참조값 간의 차이인 제2 차이를 계산할 수 있다. 마지막으로, 진단부(120)는 제1 차이에 대한 제2 차이의 비율을 계산하여 양극 손실률을 산출할 수 있다.
여기서, 제1 참조값은 기준 참여 종료점의 SOC로 미리 설정될 수 있다. 기준 참여 종료점의 SOC는 기준 참여 종료점의 용량값을 BOL 상태의 배터리에 대한 기준 용량으로 나누어 산출될 수 있다. 제2 참조값은 기준 참여 개시점의 SOC로 미리 설정될 수 있다. 즉, 기준 참여 개시점의 SOC는 기준 참여 개시점의 용량값을 BOL 상태의 배터리에 대한 기준 용량으로 나눈 값으로 미리 설정될 수 있다.
예컨대, 기준 참여 종료점은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 종료점이고, 기준 참여 개시점은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 개시점일 수 있다.
예컨대, 진단부(120)는 아래의 수식 1을 이용하여 양극 손실률을 산출할 수 있다.
[수식 1]
여기서, LP는 양극 손실률이고, pfMOL은 제1 타겟점의 SOC를 나타낸다. piBOL은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 개시점의 SOC를 나타낸다. pfBOL은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 종료점의 SOC를 나타낸다. 또한 MOL (Middle of Life)은 배터리가 어느정도 사용된 상태로, 초기성능(BOL) 대비 저하가 발생하지만 여전히 정상적으로 작동하는 단계를 의미한다.
다른 예로, 기준 참여 종료점은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 개시점 및 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 음극 프로파일의 음극 참여 종료점을 포함할 수 있다. 기준 참여 개시점은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 음극 프로파일의 음극 참여 개시점일 수 있다.
다른 예로, 진단부(120)는 아래의 수식 2를 이용하여 양극 손실률을 산출할 수 있다.
[수식 2]
여기서, LP는 양극 손실률이고, pfMOL은 제1 타겟점의 SOC를 나타낸다. pfBOL은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 종료점의 SOC를 나타낸다. nfBOL은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 음극 프로파일의 음극 참여 종료점의 SOC를 나타내고, niBOL은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 음극 프로파일의 음극 참여 개시점의 SOC를 나타낸다.
수식 1을 이용하여 산출되는 양극 손실률(Lp)과 수식 2를 이용하여 산출되는 양극 손실률(Lp)은 동일하다. 이는, "pfBOL-piBOL"과 "nfBOL-niBOL"은 동일한 값이기 때문이다. 예컨대, 도 2의 실시예에서, pfBOL과 piBOL의 차이 및 nfBOL과 nfBOL의 차이는 배터리의 용량(Qb)에 대응되기 때문에, 수식 1과 수식 2를 이용하여 산출되는 양극 손실률(Lp)은 동일하다.
한편, 배터리가 퇴화될수록 양극 반응 면적은 감소하기 때문에, 충전 또는 방전시 반응에 참여하는 양극 용량이 줄어들 수 있다. 따라서, BOL 상태 배터리의 양극 반응 면적 대비 진단 당시 배터리의 양극 반응 면적을 의미하는 양극 손실률은 배터리의 퇴화도를 나타내는 지표로 사용될 수 있다. 그리고, 양극 손실률은 양극 참여 종료점의 SOC와 일대일 대응되는 관계이다. 이는 앞서 설명한 양극 손실률 산출 과정을 통해 확인할 수 있다. 따라서, 양극 참여 종료점의 SOC 또한 배터리의 퇴화도를 나타내는 지표로 사용될 수 있다. 즉, 타겟값은 배터리의 퇴화도를 나타내는 지표로 사용될 수 있다.
이상에서는 제1 타겟점의 SOC 또는 양극 손실률을 타겟값으로 산출하는 실시예에 대하여 설명하였으나, 타겟값은 제1 타겟점을 특정할 수 있는 값이라면 제1 타겟점의 SOC 또는 양극 손실률로 제한되지 않고, 다양하게 적용될 수 있다. 예컨대, 제1 타겟점의 용량값 또는 전압값도 타겟값으로 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리의 퇴화 상태를 나타내는 양극 손실률을 타겟값으로 산출함으로써, 배터리 팩의 퇴화 불균형 여부를 양극 손실 정도의 측면에서 진단할 수 있다.
이하에서는, 진단부(120)가 제1 타겟점의 SOC 및 제2 타겟점의 SOC에 기반하여 용량 손실률을 산출하고, 용량 손실률을 타겟값으로 결정하는 실시예를 설명한다.
진단부(120)는 복수의 배터리 각각에 대해 설정된 기준 용량, 제1 타겟점 및 복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제2 타겟점에 기반하여 타겟값을 결정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 제1 프로파일은 양극 프로파일이고, 제2 타겟점은 상기 양극 프로파일에 포함된 양극 참여 개시점(도 2에 도시된 pi)일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 기준 용량은 양극 용량(Qp), 음극 용량(Qn) 또는 배터리 용량(Qb)으로 설정될 수 있다. 기준 용량은, 배터리의 상태를 나타내는 값이라면, 양극 용량(Qp), 음극 용량(Qn) 및 배터리 용량(Qb)에 제한되지 않고 다양한 값이 적용될 수 있다.
예컨대, 진단부(120)는 기준 용량에 대한 제2 타겟점의 용량값에 비율에 기반하여 제2 타겟점의 SOC를 산출하고, 상기 제2 타겟점의 SOC를 타겟값으로 결정할 수 있다.
예를 들면, 진단부(120)는 제2 타겟점의 용량값을 기준 용량으로 나누어 제2 타겟점의 SOC를 산출하고, 산출된 SOC를 타겟값으로 결정할 수 있다. 여기서, 제2 타겟점의 용량값은 제1 프로파일 상에서 제2 타겟점에 대응되는 용량값을 의미한다. 예컨대, 도 2의 실시예에서, 제1 타겟점의 용량값은 제1 프로파일(PP)의 시작 용량(도 2의 0[Ah])과 제2 타겟점(도 2의 pi)의 용량(도 2의 5[Ah]) 간의 차이일 수 있다.
다른 예로, 진단부(120)는 기준 용량에 대한 제1 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 제1 타겟점의 SOC를 산출하고, 기준 용량에 대한 제2 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 제2 타겟점의 SOC를 산출하고, 복수의 배터리마다 미리 설정된 제1 참조값 및 제2 참조값과 제1 타겟점의 SOC 및 제2 타겟점의 SOC에 기반하여 용량 손실률을 산출하고, 산출된 용량 손실률을 타겟값으로 결정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 용량 손실률은 BOL 상태 배터리의 용량 대비 진단 당시 배터리의 용량을 의미한다.
일 실시예에 따라, 진단부(120)는 다음과 같은 계산 과정을 거쳐 용량 손실률을 산출할 수 있다. 진단부(120)는 제1 참조값과 제2 참조값 간의 차이인 제1 차이를 계산할 수 있다. 그리고, 진단부(120)는 제1 타겟점의 SOC와 제2 타겟점의 SOC 간의 차이인 제3 차이를 계산할 수 있다. 마지막으로, 진단부(120)는 제1 차이에 대한 제3 차이의 비율을 계산하여 용량 손실률을 산출할 수 있다.
여기서, 제1 참조값은 기준 참여 종료점의 SOC로 미리 설정될 수 있다. 기준 참여 종료점의 SOC는 기준 참여 종료점의 용량값을 BOL 상태의 배터리에 대한 기준 용량으로 나누어 산출될 수 있다. 제2 참조값은 기준 참여 개시점의 SOC로 미리 설정될 수 있다. 즉, 기준 참여 개시점의 SOC는 기준 참여 개시점의 용량값을 BOL 상태의 배터리에 대한 기준 용량으로 나눈 값으로 미리 설정될 수 있다.
일 예로, 기준 참여 종료점은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 종료점이고, 기준 참여 개시점은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 개시점일 수 있다.
예컨대, 진단부(120)는 아래의 수식 3을 이용하여 용량 손실률을 산출할 수 있다.
[수식 3]
여기서, LQ는 용량 손실률이고, pfMOL은 제1 타겟점의 SOC를 나타내고, piMOL은 제2 타겟점의 SOC를 나타낸다. piBOL은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 개시점의 SOC를 나타낸다. pfBOL은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 양극 프로파일의 양극 참여 종료점의 SOC를 나타낸다.
다른 예로, 기준 참여 종료점은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 음극 프로파일의 음극 참여 종료점이고, 기준 참여 개시점은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 음극 프로파일의 음극 참여 개시점일 수 있다.
예컨대, 진단부(120)는 아래의 수식 4를 이용하여 용량 손실률을 산출할 수 있다.
[수식 4]
여기서, LQ는 용량 손실률이고, pfMOL은 제1 타겟점의 SOC를 나타내고, piMOL은 제2 타겟점의 SOC를 나타낸다. nfBOL은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 음극 프로파일의 음극 참여 종료점의 SOC를 나타내고, niBOL은 BOL 상태의 배터리에 대해 획득된 음극 프로파일의 음극 참여 개시점의 SOC를 나타낸다.
예를 들면, 수식 3을 이용하여 산출되는 용량 손실률(LQ)과 수식 4를 이용하여 산출되는 용량 손실률(LQ)은 동일하다. 이는, "pfBOL-piBOL"과 "nfBOL-niBOL"은 동일한 값이기 때문이다. 예컨대, 도 2의 실시예에서, pfBOL과 piBOL의 차이 및 nfBOL과 nfBOL의 차이는 배터리의 용량(Qb)에 대응되기 때문에, 수식 3과 수식 4를 이용하여 산출되는 용량 손실률(LQ)은 동일하다.
한편, 배터리가 퇴화될수록 배터리의 용량은 감소한다. 따라서, BOL 상태 배터리의 용량 대비 진단 당시 배터리의 용량을 의미하는 용량 손실률은 배터리의 퇴화도를 나타내는 지표로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 배터리의 퇴화 상태를 나타내는 용량 손실률을 타겟값으로 산출함으로써, 배터리 팩의 퇴화 불균형 여부를 용량 손실 정도의 측면에서 진단할 수 있다.
이하에서는, 프로파일 획득부(110)가 양극 프로파일(PP)을 결정하는 실시예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 양극 프로파일(Rp) 및 기준 음극 프로파일(Rn)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5의 실시예에 있어서, 가로축(X축)은 용량(capacity, Ah)을 나타내고 세로축(Y축)은 전압(voltage, V)을 나타낸다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 프로파일(BP)과의 비교용으로 이용되는 비교 프로파일(S)을 생성하는 절차의 일 예를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하여 설명될 비교 프로파일(S)의 생성 절차는, 관심 전압 범위에 대응하도록 4개의 지점(양극 참여 개시점(pi), 양극 참여 종료점(pf), 음극 참여 개시점(ni), 음극 참여 종료점(nf))을 설정하는 제1 루틴(도 6 참조), 프로파일 시프트를 실시하는 제2 루틴(도 7 참조), 및 용량 스케일링을 실시하는 제3 루틴(도 8 참조)의 순서로 진행된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 비교 프로파일(S)의 생성 절차는 제1 내지 제3 루틴을 포함한다.
여기서, 양극 참여 개시점(pi)이란, 충전 과정에서 반응이 시작되는 양극 지점 또는 방전 과정에서 반응이 종료되는 양극 지점을 의미한다. 양극 참여 종료점(pf)이란, 충전 과정에서 반응이 종료되는 양극 지점 또는 방전 과정에서 반응이 시작되는 양극 지점을 의미한다. 또한, 음극 참여 개시점(ni)이란, 충전 과정에서 반응이 시작되는 음극 지점 또는 방전 과정에서 반응이 종료되는 음극 지점을 의미한다. 음극 참여 종료점(nf)이란, 충전 과정에서 반응이 종료되는 음극 지점 또는 방전 과정에서 반응이 시작되는 음극 지점을 의미한다.
먼저, 도 6을 참조하면, 기준 양극 프로파일(Rp)과 기준 음극 프로파일(Rn)은 도 5에 도시된 것과 동일하다.
프로파일 획득부(110)는 기준 양극 프로파일(Rp)과 기준 음극 프로파일(Rn) 상에서 양극 참여 개시점(pi), 양극 참여 종료점(pf), 음극 참여 개시점(ni) 및 음극 참여 종료점(nf)을 결정한다.
양극 참여 개시점(pi) 및 음극 참여 개시점(ni) 중 어느 하나는 다른 하나에 의존한다.
일 실시예에 따라, 양극 참여 개시점(pi)의 전압과 음극 참여 개시점(ni)의 전압 간의 차이는 배터리 프로파일(BP)의 시작 전압(최저 전압)과 동일하게 설정될 수 있다.
일 예로, 프로파일 획득부(110)는 기준 양극 프로파일(Rp)의 시작점부터 종료점까지의 양극 전압 범위를 복수의 미소 전압 구간으로 구획한 다음, 복수의 미소 전압 구간 중 인접한 두 미소 전압 구간의 경계 지점을, 양극 참여 개시점(pi)으로 설정할 수 있다. 각 미소 전압 구간은, 소정 사이즈(예, 0.01V)를 가질 수 있다. 그 다음, 프로파일 획득부(110)는 기준 음극 프로파일(Rn) 상에 존재하고, 양극 참여 개시점(pi)의 전압보다 제1 설정 전압(예, 3V)만큼 작은 지점을 음극 참여 개시점(ni)으로 설정할 수 있다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 기준 음극 프로파일(Rn)의 시작점부터 종료점까지의 음극 전압 범위를 소정 사이즈의 복수의 미소 전압 구간으로 구획한 다음, 복수의 미소 전압 구간 중 인접한 두 미소 전압 구간의 경계 지점을, 음극 참여 개시점(ni)으로 설정할 수 있다. 그 다음, 프로파일 획득부(110)는 기준 양극 프로파일(Rp) 상에 존재하고, 음극 참여 개시점(ni)의 전압보다 제1 설정 전압만큼 큰 지점을 양극 참여 개시점(pi)으로 설정할 수 있다.
양극 참여 종료점(pf) 및 음극 참여 종료점(nf) 중 어느 하나는 다른 하나에 의존한다.
일 실시예에 따라, 양극 참여 종료점(pf)의 전압과 음극 참여 종료점(nf)의 전압 간의 차이는 배터리 프로파일(BP)의 종료 전압(최고 전압)과 동일하게 설정될 수 있다.
일 예로, 프로파일 획득부(110)는 제2 설정 전압부터 기준 양극 프로파일(Rp)의 종료점까지의 양극 전압 범위를 소정 사이즈의 복수의 미소 전압 구간으로 구획한 다음, 복수의 미소 전압 구간 중 인접한 두 미소 전압 구간의 경계 지점을, 양극 참여 종료점(pf)으로 설정할 수 있다. 그 다음, 프로파일 획득부(110)는 기준 음극 프로파일(Rn) 상에 존재하고, 양극 참여 종료점(pf)의 전압보다 제2 설정 전압(예, 4V)만큼 작은 지점을 음극 참여 종료점(nf)으로 설정할 수 있다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 기준 음극 프로파일(Rn)의 시작점부터 종료점까지의 음극 전압 범위를 소정 사이즈의 복수의 미소 전압 구간으로 구획한 다음, 복수의 미소 전압 구간 중 인접한 두 미소 전압 구간의 경계 지점을, 음극 참여 종료점(nf)으로 설정할 수 있다. 그 다음, 프로파일 획득부(110)는 기준 양극 프로파일(Rp) 상에 존재하고, 음극 참여 종료점(nf)보다 제2 설정 전압만큼 큰 지점을 양극 참여 종료점(pf)으로 설정할 수 있다.
양극 참여 개시점(pi), 양극 참여 종료점(pf), 음극 참여 개시점(ni) 및 음극 참여 종료점(nf)의 결정이 완료되면, 프로파일 획득부(110)는 기준 양극 프로파일(Rp) 및 기준 음극 프로파일(Rn) 중 적어도 하나를 가로축을 따라 좌측 또는 우측으로 시프트한다.
일 실시예에 따라, 양극 참여 개시점(pi)의 용량값과 양극 참여 종료점(pf)의 용량값 간의 차이, 음극 참여 개시점(ni)의 용량값과 음극 참여 종료점(nf)의 용량값 간의 차이 및 배터리 프로파일(BP)의 시작 용량과 배터리 프로파일(BP)의 종료 용량 간의 차이는 동일하게 설정될 수 있다.
도 7을 참조하면, 예컨대, 프로파일 획득부(110)는 양극 참여 개시점(pi) 및 음극 참여 개시점(ni)의 용량값이 일치하도록, 기준 양극 프로파일(Rp)을 좌측(저용량측)으로 시프트시키거나, 기준 음극 프로파일(Rn)을 우측(고용량측)으로 시프트시키거나, 둘 다 실시할 수 있다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 양극 참여 종료점(pf) 및 음극 참여 종료점(nf)의 용량값이 일치하도록, 기준 양극 프로파일(Rp)을 좌측으로 시프트시키거나, 기준 음극 프로파일(Rn)을 우측으로 시프트시키거나, 둘 다 실시할 수 있다.
도 7은, 기준 양극 프로파일(Rp)만을 좌측으로 시프트시켜 조정 양극 프로파일(Rp')이 생성된 결과로 양극 참여 개시점(pi')의 용량값이 음극 참여 개시점(ni)의 용량값에 일치된 상황을 예시하고 있다. 조정 양극 프로파일(Rp')은, 양극 참여 개시점(pi)과 음극 참여 개시점(ni)의 용량값차만큼 좌측으로 시프트하는 조정 절차를 기준 양극 프로파일(Rp)에 적용한 결과이다. 따라서, 두 지점(pi, pi')은 단지 용량값만이 상이하고, 전압이 동일하다. 두 지점(pf, pf')은 단지 용량값만이 상이하고, 전압이 동일하다.
기준 양극 프로파일(Rp) 및 기준 음극 프로파일(Rn) 중 적어도 하나가 시프트된 조정 결과 프로파일들(Rp', Rn)이 확보되면, 프로파일 획득부(110)는 조정 결과 프로파일들(Rp', Rn) 중 적어도 하나의 용량 범위를 스케일링한다.
일 실시예에 따라, 조정 양극 프로파일(Rp')의 양극 참여 개시점과 양극 참여 종료점 간의 용량 범위, 조정 음극 프로파일(Rn)의 음극 참여 개시점과 음극 참여 종료점 간의 용량 범위 및 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위가 동일하도록 용량 스케일링을 실시할 수 있다.
도 8에 도시된 예에 따르면, 프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp') 및 기준 음극 프로파일(Rn) 중 적어도 하나를, 가로축을 따라 수축 또는 확대시키는 추가적인 조정 절차(용량 스케일링)를 실시한다. 즉, 조정 양극 프로파일(Rp')의 전압 범위는 일정하게 유지하면서, 용량 범위를 수축 또는 확대시킬 수 있다. 또는, 기준 음극 프로파일(Rn)의 전압 범위는 일정하게 유지하면서, 용량 범위를 수축 또는 확대시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp')의 두 지점(pi', pf') 간의 용량 범위가 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위에 일치되도록, 조정 양극 프로파일(Rp')을 수축 또는 확대하여, 조정 양극 프로파일(Rp'')을 생성할 수 있다. 이때, 두 지점(pi', pf') 중 어느 한 지점(pi')은 고정될 수 있다. 이에 따라, 조정 양극 프로파일(Rp'')의 두 지점(pi', pf'') 간의 용량 범위는 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위에 일치하게 될 수 있다.
또한, 프로파일 획득부(110)는 기준 음극 프로파일(Rn)의 두 지점(ni, nf) 간의 용량 범위도 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위에 일치하도록, 기준 음극 프로파일(Rn)을 수축 또는 확대하여, 조정 음극 프로파일(Rn')을 생성할 수 있다. 이때, 두 지점(ni, nf) 중 어느 한 지점(ni)은 고정될 수 있다. 이에 따라, 조정 음극 프로파일(Rn')의 두 지점(ni, nf') 간의 용량 범위는 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위에 일치하게 될 수 있다.
도 8에 있어서, 조정 양극 프로파일(Rp'')은 도 7에 도시된 조정 양극 프로파일(Rp')이 용량축을 따라 수축된 결과이고, 조정 음극 프로파일(Rn')은 도 6에 도시된 기준 음극 프로파일(Rn)이 용량축을 따라 확대된 결과이다.
조정 양극 프로파일(Rp'') 상의 양극 참여 종료점(pf'')은 조정 양극 프로파일(Rp') 상의 양극 참여 종료점(pf')에 대응한다. 조정 음극 프로파일(Rn') 상의 음극 참여 종료점(nf')은 기준 음극 프로파일(Rn) 상의 음극 참여 종료점(nf)에 대응한다.
조정 양극 프로파일(Rp'')의 양극 참여 개시점(pi')과 양극 참여 종료점(pf'') 간의 용량 범위는, 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위에 일치한다. 마찬가지로, 조정 음극 프로파일(Rn')의 음극 참여 개시점(ni)과 음극 참여 종료점(nf') 간의 용량 범위는, 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위에 일치한다.
또한, 조정 양극 프로파일(Rp'')의 두 지점(pi', pf'') 간의 용량 범위는 조정 음극 프로파일(Rn')의 두 지점(ni, nf') 간의 용량 범위에 일치한다. 프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp'')의 두 지점(pi', pf'') 사이의 프로파일을 조정 음극 프로파일(Rn')의 두 지점(ni, nf') 사이의 프로파일로부터 차감하여, 비교 프로파일(S)을 생성할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 비교 프로파일(S)과 배터리 프로파일(BP) 간의 오차(프로파일 오차)를 연산할 수 있다.
관련하여, 각각 2차원 좌표계로 표현 가능한 두 프로파일 간의 오차를 결정하는 데에는 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 방식이 채용될 수 있다. 이를테면, 두 프로파일 사이의 영역에 대한 절대값의 적분값 또는 RMSE(Root Mean Square Error) 등이 두 프로파일 간의 오차로서 이용될 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp''), 조정 음극 프로파일(Rn'), 양극 참여 개시점(pi'), 양극 참여 종료점(pf''), 음극 참여 개시점(ni), 음극 참여 종료점(nf'), 제1 스케일 팩터, 제2 스케일 팩터, 비교 프로파일(S) 및 프로파일 오차 중 적어도 둘을 상호 매핑하여, 저장부(130)에 기록할 수 있다. 제1 스케일 팩터는, 두 지점(pi0, pf0) 간의 용량차에 대한 두 지점(pi', pf'') 간의 용량차의 비율을 나타낼 수 있다. 제2 스케일 팩터는, 두 지점(ni0, nf0) 간의 용량차에 대한 두 지점(ni, nf') 간의 용량차의 비율을 나타낼 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 기준 양극 프로파일(Rp) 및 조정 양극 프로파일(Rp'')에 기초하여 양극 변경 비율(ps)을 산출할 수 있다. 여기서, 양극 변경 비율(ps)은 기준 양극 프로파일에 대해 조정 양극 프로파일이 변경된 비율을 의미한다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 기준 음극 프로파일(Rn) 및 조정 양극 프로파일(Rn')에 기초하여 음극 변경 비율(ns)을 산출할 수 있다. 여기서, 음극 변경 비율(ns)은 기준 음극 프로파일에 대해 조정 음극 프로파일이 변경된 비율을 의미한다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 제1 스케일 팩터를 양극 변경 비율(ps)로 결정하고, 제2 스케일 팩터를 음극 변경 비율(ns)로 결정할 수 있다.
전술된 바와 같이, 기준 양극 프로파일(Rp)의 양극 전압 범위가 복수의 미소 전압 구간으로 구획되는 경우, 복수의 미소 전압 구간 중 인접한 두 미소 전압 구간의 경계 지점이, 양극 참여 개시점(pi)으로 설정될 수 있다.
가령, 기준 양극 프로파일(Rp)의 양극 전압 범위를 100개의 미소 전압 범위로 구획한다면, 양극 참여 개시점(pi)으로 설정 가능한 경계 지점은 100개일 수 있다. 또한, 기준 양극 프로파일(Rp)에서 제2 설정 전압 이상인 전압 범위를 40개의 미소 전압 범위로 구획한다면, 양극 참여 종료점(pf)으로 설정 가능한 경계 지점은 40개일 수 있다. 이 경우, 최대 4000개의 서로 다른 비교 프로파일이 생성될 수 있다.
물론, 미소 전압 구간의 사이즈가 감소할수록 최대로 생성 가능한 비교 프로파일의 개수는 증가하고, 반대로 미소 전압 구간의 사이즈가 증가할수록 최대로 생성 가능한 비교 프로파일의 개수는 감소할 것임을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
프로파일 획득부(110)는 전술된 바와 같이 생성되는 복수의 비교 프로파일의 프로파일 오차들 중에서 최소치를 식별한 다음, 최소 프로파일 오차에 매핑된 정보(예, 양극 참여 개시점, 양극 참여 종료점, 음극 참여 개시점, 음극 참여 종료점, 제1 스케일 팩터, 제2 스케일 팩터 중 적어도 하나)를 저장부(130)으로부터 획득할 수 있다.
도 8에 도시된 비교 풀셀 프로파일(S)이 배터리 프로파일(BP)에 최소 프로파일 오차를 갖는다면, 조정된 기준 양극 프로파일(Rp'')이 상기 양극 프로파일(PP)로 이용될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 프로파일(BP)과의 비교용으로 이용되는 비교 프로파일(U)을 생성하는 절차의 다른 예를 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 참고로, 도 9 내지 도 11에 따른 실시예는 도 6 내지 도 8에 따른 실시예와는 독립적이다. 따라서, 도 6 내지 도 8에 따른 실시예와 도 9 내지 도 11에 따른 실시예를 설명하는 데에 공통적으로 기재된 용어나 부호는, 각 실시예에 한정되는 것으로 이해되어야 한다.
도 9 내지 도 11을 참조하여 설명될 비교 프로파일(U)의 생성 절차는, 용량 스케일링을 실시하는 제4 루틴(도 9 참조), 4개의 지점(양극 참여 개시점, 양극 참여 종료점, 음극 참여 개시점, 음극 참여 종료점)을 설정하는 제5 루틴(도 10 참조), 및 프로파일 시프트를 실시하는 제6 루틴(도 11 참조)의 순서로 진행된다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비교 프로파일(U)의 생성 절차는 제4 내지 제6 루틴을 포함한다.
도 9를 참조하면, 기준 양극 프로파일(Rp)과 기준 음극 프로파일(Rn)은 도 5에 도시된 것과 동일하다.
프로파일 획득부(110)는 스케일링 수치 범위로부터 선택된 제1 스케일 팩터 및 제2 스케일 팩터를, 기준 양극 프로파일(Rp)과 기준 음극 프로파일(Rn)에 각각 적용하여, 조정 양극 프로파일(Rp') 및 조정 음극 프로파일(Rn')을 생성한다.
스케일링 수치 범위는 미리 정해진 것이거나, 기준 프로파일(R)의 용량 범위의 사이즈에 대한 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈의 비율에 따라 가변될 수 있다. 일 예로, 스케일링 수치 범위(예, 90~99%)의 0.1%씩 간격을 둔 값들(즉, 90%, 90.1%, 90.2%, …, 98.9%, 99%) 중에서 제1 스케일 팩터 및 제2 스케일 팩터로 선택 가능하다고 할 때, 91개의 값이 각각 제1 스케일 팩터 및 제2 스케일 팩터로 선택될 수 있다. 이 경우, 91 ×91 = 8,281개의 조정 레벨(제1 스케일 팩터 및 제2 스케일 팩터의 조합)에 따라 최대 8,281개의 조정된 프로파일 쌍이 생성될 수 있다. 조정된 프로파일 쌍은, 조정 양극 프로파일 및 조정 음극 프로파일의 조합을 의미한다.
도 9에 도시된 조정 양극 프로파일(Rp') 및 조정 음극 프로파일(Rn')은, 각각 100% 미만인 제1 스케일 팩터 및 제2 스케일 팩터를 기준 양극 프로파일(Rp)과 기준 음극 프로파일(Rn)에 적용한 결과를 예시하고 있다.
제1 스케일 팩터 및 제2 스케일 팩터가 100% 미만이므로, 조정 양극 프로파일(Rp')은 기준 양극 프로파일(Rp)이 가로축을 따라 수축된 것이고, 조정 음극 프로파일(Rn') 역시 기준 음극 프로파일(Rn)이 가로축을 따라 수축되어 있다. 이해를 돕기 위해, 양극 프로파일(Rp)과 기준 음극 프로파일(Rn) 각각의 시작점은 고정시킨 채로 나머지 부분만을 가로축을 따라 좌측으로 축소시킨 개형으로 예시하였다.
도 10을 참조하면, 프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp')과 조정 음극 프로파일(Rn') 상에서 양극 참여 개시점(pi'), 양극 참여 종료점(pf'), 음극 참여 개시점(ni') 및 음극 참여 종료점(nf')을 결정한다.
양극 참여 개시점(pi') 및 음극 참여 개시점(ni') 중 어느 하나는 다른 하나에 의존할 수 있다. 또한, 양극 참여 종료점(pf') 및 음극 참여 종료점(nf') 중 어느 하나는 다른 하나에 의존할 수 있다. 또한, 양극 참여 개시점(pi') 및 양극 참여 종료점(pf') 중 어느 하나는, 다른 하나를 기초로 설정될 수 있다.
즉, 양극 참여 개시점(pi'), 양극 참여 종료점(pf'), 음극 참여 개시점(ni') 및 음극 참여 종료점(nf') 중 어느 하나가 설정되면, 나머지 3개의 지점들은 제1 설정 전압, 제2 설정 전압 및/또는 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈(예, SOC 0~100%의 충전 용량)에 의해 자동적으로 설정될 수 있다.
일 예로, 프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp')의 시작점부터 종료점(또는, 제2 설정 전압)까지의 양극 전압 범위를 복수의 미소 전압 구간으로 구획한 다음, 복수의 미소 전압 구간 중 인접한 두 미소 전압 구간의 경계 지점을, 양극 참여 개시점(pi')으로 설정할 수 있다. 그 다음, 프로파일 획득부(110)는 조정 음극 프로파일(Rn) 상에 존재하며, 양극 참여 개시점(pi')의 전압보다 제1 설정 전압(예, 3V)만큼 지점을 음극 참여 개시점(ni')으로 설정할 수 있다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 조정 음극 프로파일(Rn')의 시작점부터 종료점까지의 음극 전압 범위를 소정 사이즈의 복수의 미소 전압 구간으로 구획한 다음, 복수의 미소 전압 구간 중 인접한 두 미소 전압 구간의 경계 지점을, 음극 참여 개시점(ni')으로 설정할 수 있다. 그 다음, 프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp') 상에 존재하며, 음극 참여 개시점(ni')보다 제1 설정 전압만큼 큰 지점을 양극 참여 개시점(pi')으로 설정할 수 있다.
또 다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 제2 설정 전압부터 조정 양극 프로파일(Rp')의 종료점까지의 전압 범위를 소정 사이즈의 복수의 미소 전압 구간으로 구획한 다음, 복수의 미소 전압 구간 중 인접한 두 미소 전압 구간의 경계 지점을, 양극 참여 종료점(pf')으로 설정할 수 있다. 그 다음, 프로파일 획득부(110)는 조정 음극 프로파일(Rn') 상에 존재하며, 양극 참여 종료점(pf')의 전압보다 제2 설정 전압(예, 4V)만큼 작은 지점을 음극 참여 종료점(nf')으로 설정할 수 있다.
또 다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 조정 음극 프로파일(Rn')의 시작점부터 종료점까지의 음극 전압 범위를 소정 사이즈의 복수의 미소 전압 구간으로 구획한 다음, 복수의 미소 전압 구간 중 인접한 두 미소 전압 구간의 경계 지점을, 음극 참여 종료점(nf')으로 설정할 수 있다. 그 다음, 프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp') 상에 존재하며, 음극 참여 종료점(nf')의 전압보다 제2 설정 전압만큼 큰 지점을 양극 참여 종료점(pf')으로 설정할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 양극 참여 개시점(pi'), 양극 참여 종료점(pf'), 음극 참여 개시점(ni') 및 음극 참여 종료점(nf') 중 어느 하나가 결정되면, 결정된 지점을 기초로 나머지 3개 지점을 추가적으로 결정할 수 있다.
일 예로, 프로파일 획득부(110)는 양극 참여 개시점(pi')이 가장 먼저 결정되면, 양극 참여 개시점(pi')의 용량값보다 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈만큼 큰 용량값을 갖는 조정 양극 프로파일(Rp') 상의 지점을 양극 참여 종료점(pf')으로 설정할 수 있다. 또한, 프로파일 획득부(110)는 양극 참여 개시점(pi')의 전압보다 제1 설정 전압만큼 낮은 지점을 조정 음극 프로파일(Rn')으로부터 탐색하여, 탐색된 지점을 음극 참여 개시점(ni')으로 설정할 수 있다. 또한, 프로파일 획득부(110)는 음극 참여 개시점(ni')의 용량값보다 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈만큼 큰 용량값을 갖는 조정 음극 프로파일(Rn') 상의 지점을 음극 참여 종료점(nf')으로 설정할 수 있다.
다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 양극 참여 종료점(pf')이 가장 먼저 결정되면, 양극 참여 종료점(pf')의 용량값보다 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈만큼 작은 용량값을 갖는 조정 양극 프로파일(Rp') 상의 지점을 양극 참여 개시점(pi')으로 설정할 수 있다. 또한, 프로파일 획득부(110)는 양극 참여 종료점(pf')의 전압보다 제2 설정 전압만큼 낮은 지점을 조정 음극 프로파일(Rn')으로부터 탐색하여, 탐색된 지점을 음극 참여 종료점(nf')으로 설정할 수 있다. 또한, 프로파일 획득부(110)는 음극 참여 종료점(nf')의 용량값보다 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈만큼 작은 용량값을 갖는 조정 음극 프로파일(Rn') 상의 지점을 음극 참여 개시점(ni')으로 설정할 수 있다.
또 다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 음극 참여 개시점(ni')이 결정되면, 음극 참여 개시점(ni')의 용량값보다 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈만큼 큰 용량값을 갖는 조정 음극 프로파일(Rn') 상의 지점을 음극 참여 종료점(nf')으로 설정할 수 있다. 또한, 프로파일 획득부(110)는 음극 참여 개시점(ni')의 전압보다 제1 설정 전압만큼 높은 지점을 조정 양극 프로파일(Rp')으로부터 탐색하여, 탐색된 지점을 양극 참여 개시점(pi')으로 설정할 수 있다. 또한, 프로파일 획득부(110)는 양극 참여 개시점(pi')의 용량값보다 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈만큼 큰 용량값을 갖는 조정 양극 프로파일(Rp') 상의 지점을 양극 참여 종료점(pf')으로 설정할 수 있다.
또 다른 예로, 프로파일 획득부(110)는 음극 참여 종료점(nf')이 결정되면, 음극 참여 종료점(nf')의 용량값보다 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈만큼 작은 용량값을 갖는 조정 음극 프로파일(Rn') 상의 지점을 음극 참여 개시점(ni')으로 설정할 수 있다. 또한, 프로파일 획득부(110)는 음극 참여 종료점(nf')의 전압보다 제2 설정 전압만큼 높은 지점을 조정 양극 프로파일(Rp')으로부터 탐색하여, 탐색된 지점을 양극 참여 종료점(pf')으로 설정할 수 있다. 또한, 프로파일 획득부(110)는 양극 참여 종료점(pf')의 용량값보다 배터리 프로파일(BP)의 용량 범위의 사이즈만큼 작은 용량값을 갖는 조정 양극 프로파일(Rp') 상의 지점을 양극 참여 개시점(pi')으로 설정할 수 있다.
제1 스케일 팩터 및 제2 스케일 팩터의 쌍을 기초로 양극 참여 개시점(pi'), 양극 참여 종료점(pf'), 음극 참여 개시점(ni') 및 음극 참여 종료점(nf')의 결정이 완료되면, 프로파일 획득부(110)는 양극 참여 개시점(pi') 및 음극 참여 개시점(ni')의 용량값이 일치하도록 또는 양극 참여 종료점(pf') 및 음극 참여 종료점(nf')의 용량값이 일치하도록, 조정 양극 프로파일(Rp') 및 조정 음극 프로파일(Rn') 중 적어도 하나를 가로축을 따라 좌측 또는 우측으로 시프트시킬 수 있다.
도 11에 도시된 조정 음극 프로파일(Rn'')은, 도 10에 도시된 조정 음극 프로파일(Rn')만을 우측으로 시프트시킨 것이다. 이에 따라, 양극 참여 개시점(pi') 및 음극 참여 개시점(ni'')의 용량값이 서로 일치되어 있다. 관련하여, 양극 참여 개시점(pi')과 양극 참여 종료점(pf') 간의 용량차는 음극 참여 개시점(ni') 및 음극 참여 종료점(nf') 간의 용량차와 동일하므로, 양극 참여 개시점(pi') 및 음극 참여 개시점(ni'')의 용량값이 서로 일치하게 되면, 양극 참여 종료점(pf')과 음극 참여 종료점(nf'')의 용량값도 서로 일치하게 된다.
도 11을 참조하면, 프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp')의 두 지점(pi', pf') 사이의 부분 프로파일을 조정 음극 프로파일(Rn'')의 두 지점(ni'', nf'') 사이의 부분 프로파일로부터 차감하여, 비교 프로파일(U)을 생성할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 비교 프로파일(U)과 배터리 프로파일(BP) 간의 오차(프로파일 오차)를 연산할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 조정 양극 프로파일(Rp'), 조정 음극 프로파일(Rn''), 양극 참여 개시점(pi'), 양극 참여 종료점(pf'), 음극 참여 개시점(ni''), 음극 참여 종료점(nf''), 제1 스케일 팩터, 제2 스케일 팩터, 비교 프로파일(U) 및 프로파일 오차 중 적어도 둘을 상호 매핑하여, 저장부(130)에 기록할 수 있다.
프로파일 획득부(110)는 기준 양극 프로파일(Rp) 및 조정 양극 프로파일(Rp')에 기초하여 양극 변경 비율(ps)을 산출할 수 있다. 여기서, 양극 변경 비율(ps)은 기준 양극 프로파일에 대해 조정 양극 프로파일이 변경된 비율을 의미한다. 그리고, 프로파일 획득부(110)는 기준 음극 프로파일(Rn) 및 조정 양극 프로파일(Rn'')에 기초하여 음극 변경 비율(ns)을 산출할 수 있다. 여기서, 음극 변경 비율(ns)은 기준 음극 프로파일에 대해 조정 음극 프로파일이 변경된 비율을 의미한다.
예컨대, 프로파일 획득부(110)는 제1 스케일 팩터를 양극 변경 비율(ps)로 결정하고, 제2 스케일 팩터를 음극 변경 비율(ns)로 결정할 수 있다.
전술된 바와 같이, 프로파일 획득부(110)는 스케일링 수치 범위로부터 선택된 제1 스케일 팩터 및 제2 스케일 팩터의 쌍 별로 그에 대응되는 비교 프로파일을 생성할 수 있다. 제1 스케일 팩터 및 제2 스케일 팩터의 쌍은 복수이므로, 비교 프로파일 또한 복수로 생성될 것임은 자명하다. 프로파일 획득부(110)는 복수의 비교 프로파일의 프로파일 오차들 중에서 최소치를 식별한 다음, 최소 프로파일 오차에 매핑된 정보를 저장부(130)으로부터 획득할 수 있다.
도 11에 도시된 비교 풀셀 프로파일(U)이 배터리 프로파일(BP)에 최소 프로파일 오차를 갖는다면, 조정된 기준 양극 프로파일(Rp')이 상기 양극 프로파일(PP)로 이용될 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), 진단부(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 배터리를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 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.
외부 장치(미도시)는 일단이 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 타단이 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다. 따라서, 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.
예컨대, 외부 장치는 충전기일 수도 있고, 배터리(11)로부터 전원을 공급받는 전기차의 모터 등의 부하일 수도 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차(1)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 전기 자동차(Electric vehicle, EV)나 하이브리드 자동차(Hybrid vehicle, HV)와 같은 자동차(1)에 포함될 수도 있다. 여기서, 배터리 팩(10)은 앞서 설명한 배터리 팩(10)이 적용될 수 있다. 그리고, 배터리 팩(10)은 자동차(1)에 구비된 인버터를 통해 모터에 전력을 공급함으로써, 자동차(1)를 구동시킬 수 있다. 여기서, 배터리 팩(10)에는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)가 포함될 수 있다. 즉, 자동차(1)에는 배터리 관리 장치(100)가 포함될 수 있다. 이 경우, 배터리 관리 장치(100)는 자동차(1)에 포함된 온 보드 장치일 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법의 조건 판정 단계 및 상태 진단 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 배터리 관리 방법은 프로파일 획득 단계(S100), 타겟값 산출 단계(S200), 프로파일 생성 단계(S300), 조건 판정 단계(S400) 및 상태 진단 단계(S500)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, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각에 대한 제1 프로파일을 획득하는 프로파일 획득하는 단계로서 프로파일 획득부(110)에 의해 수행될 수 있다.
여기서, 제1 프로파일은 양극 프로파일이고, 제1 프로파일에 포함된 제1 타겟점은 양극 프로파일에 포함된 양극 참여 종료점일 수 있다.
타겟값 산출 단계(S200)는, 복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제1 타겟점에 기반하여 상기 복수의 배터리 각각에 대한 타겟값을 산출하는 단계로서 진단부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 진단부(120)는 복수의 배터리 각각에 대해 설정된 기준 용량에 대한 제1 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 타겟값을 결정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 진단부(120)는 양극 참여 종료점(pf)의 용량값을 기준 용량으로 나누어 양극 참여 종료점(pf)의 SOC를 산출하고, 산출된 SOC를 타겟값으로 결정할 수 있다.
다른 예로, 진단부(120)는 기준 용량에 대한 제1 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 제1 타겟점의 SOC를 산출하고, 복수의 배터리마다 미리 설정된 제1 참조값 및 제2 참조값과 산출된 SOC에 기반하여 양극 손실률을 산출하고, 산출된 양극 손실률을 타겟값으로 결정할 수 있다.
프로파일 생성 단계(S300)는 산출된 복수의 타겟값과 복수의 타겟값 각각의 개수 간의 대응 관계를 나타내는 분포 프로파일을 생성하는 단계로서 진단부(120)에 의해 수행될 수 있다.
조건 판정 단계(S400)는 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하는 단계로서 진단부(120)에 의해 수행될 수 있다.
상태 진단 단계(S500)는 판정 결과에 따라 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 단계로서 진단부(120)에 의해 수행될 수 있다.
조치 단계(S600)에서는 배터리의 진단 결과, 퇴화 불균형 상태로 판정될 경우 다양한 조치를 취할 수 있는 단계로서 진단부(120) 또는 별도의 제어부(미도시)에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 배터리 충전 시 저율 충전을 하거나 팩 밸런싱(pack balancing) 기능을 작동 시킬 수 있고, 또는 적절한 알람을 통해 사용자가 점검 서비스를 방문하여 팩 밸런싱을 시도하거나 필요할 경우 배터리 팩을 교체할 수도 있다. 일 실시예에 따라, 이 같은 알람 출력의 수신처로는, 예를 들면, BMS, 서버 또는 사용자 단말 등 배터리 팩을 관리하는 외부 장치가 될 수 있고, 또는 배터리 팩의 상태를 진단하는 외부 장치, 디스플레이 또는 음향장치가 포함될 수 있다.
도 15를 참조하면, 단계 S410에서 진단부(120)는 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 여부를 판정할 수 있다. 예를 들면, 소정의 조건은 분포 프로파일이 가우시안 분포를 따르는지 판정하기 위한 조건일 수 있다. 즉, 소정의 조건은 분포 프로파일이 가우시안 분포와 유사한 형태를 나타내는지 판정하기 위한 조건일 수 있다. 단계 S410의 값이 YES인 경우, 단계 S420이 진행될 수 있다. 단계 S410의 값이 NO인 경우, 단계 S520이 진행될 수 있다.
단계 S420에서, 진단부(120)는 분포 프로파일의 특징값이 임계값 이하인지 여부를 판정할 수 있다. 임계값은 배터리 팩의 BOL 상태, 배터리 팩의 현재 상태(예컨대, 퇴화도), 배터리 팩에 대응되는 참조 팩으로부터 도출된 참조값 또는 이론적으로 도출된 분포 프로파일 등에 기반하여 미리 설정될 수 있다. 단계 S420의 값이 YES인 경우, 단계 S510이 진행될 수 있다. 단계 S420의 값이 NO인 경우, 단계 S520이 진행될 수 있다.
도 15를 참조하면, 단계 S510에서 진단부(120)는 배터리 팩의 상태를 퇴화 균형 상태로 진단할 수 있다. 단계 S520에서 진단부(120)는 배터리 팩의 상태를 퇴화 불균형 상태로 진단할 수 있다.
여기서, 퇴화 균형 상태란 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 퇴화 상태가 균일하다고 볼 수 있는 상태를 의미한다. 그리고, 퇴화 불균형 상태란 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 퇴화 상태가 균일하지 않은 것으로 볼 수 있는 상태를 의미한다.
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: 자동차
10: 배터리 팩
11: 배터리
12: 측정부
100: 배터리 관리 장치
110: 프로파일 획득부
120: 진단부
130: 저장부

Claims (20)

  1. 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각에 대한 제1 프로파일을 획득하도록 구성된 프로파일 획득부; 및
    복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제1 타겟점에 기반하여 상기 복수의 배터리 각각에 대해 용량값에 기반한 타겟값을 진단 인자로서 산출하고, 산출된 복수의 타겟값과 상기 복수의 타겟값 각각에 대한 개수 간의 대응 관계를 나타내는 분포 프로파일을 생성하며, 상기 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하고, 판정 결과에 따라 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 진단부를 포함하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 프로파일은 양극 프로파일이고,
    상기 제1 타겟점은 상기 양극 프로파일에서 충전 반응이 종료되거나 방전 반응이 시작되는 양극 지점을 나타내는 양극 참여 종료점인 배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 배터리 팩의 상태를 퇴화 불균형 상태로 진단하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하는 경우, 상기 분포 프로파일의 특징값을 미리 설정된 임계값과 비교하고, 비교 결과에 기반하여 상기 배터리 팩의 상태를 진단하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 특징값이 상기 임계값을 초과하면, 상기 배터리 팩의 상태를 퇴화 불균형 상태로 진단하고,
    상기 특징값이 상기 임계값 이하이면, 상기 배터리 팩의 상태를 퇴화 균형 상태로 진단하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 배터리 팩의 퇴화도와 미리 설정된 참조 특징값에 기반하여 상기 임계값을 설정하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 복수의 타겟값에 기반하여 제1 값 및 제2 값을 산출하고, 상기 제1 값과 상기 제2 값 간의 비율에 따라 상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하는지를 판단하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 복수의 타겟값 중에서 최소값, 최대값 및 기준값을 결정하고, 상기 최소값과 상기 기준값 간의 차이를 상기 제1 값으로 산출하며, 상기 기준값과 상기 최대값 간의 차이를 상기 제2 값으로 산출하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 복수의 타겟값 중에서 대응되는 개수가 가장 큰 타겟값을 상기 기준값으로 결정하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 비율이 미리 설정된 임계 비율 구간에 속하는 경우, 상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단하고,
    상기 비율이 상기 임계 비율 구간에 속하지 않는 경우, 상기 분포 프로파일이 상기 소정의 조건을 만족하는 것으로 판단하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 복수의 배터리 각각에 대해 설정된 기준 용량에 대한 상기 제1 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 상기 제1 타겟점의 SOC를 산출하고, 산출된 SOC를 상기 타겟값으로 결정하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 복수의 배터리 각각에 대해 설정된 기준 용량에 대한 상기 제1 타겟점의 용량값의 비율에 기반하여 상기 제1 타겟점의 SOC를 산출하고, 상기 복수의 배터리마다 미리 설정된 제1 참조값 및 제2 참조값과 상기 산출된 SOC에 기반하여 양극 손실률을 산출하고, 산출된 양극 손실률을 상기 타겟값으로 결정하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 복수의 배터리 각각에 대해 설정된 기준 용량, 상기 제1 타겟점 및 상기 복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제2 타겟점에 기반하여 상기 타겟값을 결정하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 프로파일은 양극 프로파일이고,
    상기 제2 타겟점은 상기 양극 프로파일에 포함된 양극 참여 개시점인 배터리 관리 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 배터리 팩의 상태가 퇴화 불균형 상태로 진단될 경우 퇴화 불균형을 해소하기 위한 기능을 작동시키거나, 알람을 출력하는 배터리 관리 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 퇴화 불균형을 해소하기 위한 기능은 팩 밸런싱(pack balancing) 기능인 배터리 관리 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩.
  18. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 자동차.
  19. 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각에 대한 제1 프로파일을 획득하는 프로파일 획득 단계;
    복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제1 타겟점에 기반하여 상기 복수의 배터리 각각에 대해 용량값에 기반한 타겟값을 진단 인자로서 산출하는 타겟값 산출 단계;
    산출된 복수의 타겟값과 상기 복수의 타겟값 각각에 대해 개수 간의 대응 관계를 나타내는 분포 프로파일을 생성하는 프로파일 생성 단계;
    상기 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하는 조건 판정 단계; 및
    판정 결과에 따라 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 상태 진단 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  20. 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각에 대한 제1 프로파일을 획득하는 프로파일 획득 단계;
    복수의 제1 프로파일 각각에 포함된 제1 타겟점에 기반하여 상기 복수의 배터리 각각에 대해 용량값에 기반한 타겟값을 진단 인자로서 산출하는 타겟값 산출 단계;
    산출된 복수의 타겟값과 상기 복수의 타겟값 각각에 대한 개수 간의 대응 관계를 나타내는 분포 프로파일을 생성하는 프로파일 생성 단계;
    상기 분포 프로파일이 소정의 조건을 만족하는지 판정하는 조건 판정 단계; 및
    판정 결과에 따라 상기 배터리 팩의 상태를 진단하는 상태 진단 단계를 포함하는 배터리 관리 방법을 실행하기 위한 프로그램이 저장된 비일시적 판독 가능한 저장 매체.
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