KR20210054331A

KR20210054331A - 배터리 진단을 위한 장치, 그것을 포함하는 에너지 저장 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20210054331A
Application number: KR1020190140356A
Authority: KR
Inventors: 이현철; 권동근; 김승현; 김안수; 윤성열
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-05-13
Also published as: EP3982138A4; PL3982138T3; US20220196752A1; EP3982138A1; CN113795762B; JP7214002B2; CN113795762A; EP3982138B1; ES2946078T3; JP2022522342A; WO2021091086A1; HUE061962T2; US11796599B2

Abstract

배터리 진단을 위한 장치, 그것을 포함하는 에너지 저장 시스템 및 그 방법이 제공된다. 상기 배터리 진단 장치는, 제1 내지 제n 배터리 셀(n은 2 이상의 자연수) 각각의 셀 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 각각의 상기 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다. 상기 제어부는, 제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각각의 상기 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다. 상기 제어부는, 상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 고장을 진단한다.

Description

배터리 진단을 위한 장치, 그것을 포함하는 에너지 저장 시스템 및 그 방법{APPARATUS FOR BATTERY DIAGNOSIS, NERGY STORAGE SYSTEM INCLUDING SAME, AND METHOD THEREOF}

본 발명은 복수의 배터리 셀 각각의 휴지 상태에서의 전압 변화로부터 각 배터리 셀의 고장을 진단하기 위한 기술에 관한 것이다.

최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

한편, 고전압을 생성하기 위해 수개에서 수십개의 배터리 셀이 전기적으로 직렬로 연결된 셀 어셈블리가 널리 이용되고 있다. 만약, 일부 배터리 셀이 고장이라면, 고장인 각 배터리 셀의 셀 전압은 충방전이 중단되어 있는 휴지 상태에서도 비정상적으로 큰 폭으로 강하할 수 있다.

종래에는 특정 시점에서 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정한 다음, 각 셀 전압과 평균 셀 전압 간의 차이로부터 각 배터리 셀을 고장으로 진단하고 있다. 그러나, 셀 전압은 배터리 셀 자체의 결함 외에도 충전상태, 퇴화도 등에 의존하는 것이기 때문에, 특정 시점에서 일회성으로 측정된 셀 전압에 기초하는 종래기술로는 정상인 배터리 셀이 고장인 것으로 고장인 배터리 셀이 정상인 것으로 오진단될 가능성이 높다는 문제가 있다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 복수의 배터리 셀 각각의 휴지 상태에서의 전압 변화로부터 각 배터리 셀의 고장을 진단하는 장치 및 방법과, 상기 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치는, 제1 내지 제n 배터리 셀(n은 2 이상의 자연수) 각각의 셀 전압을 측정하도록 구성되는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 각각의 상기 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각각의 상기 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성된다. 상기 제3 시점은 상기 제2 시점 후의 시점으로서 상기 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점이다. 상기 제어부는, 상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 고장을 진단하도록 구성된다.

상기 제1 시점은, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀이 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환된 시점일 수 있다.

상기 제어부는, 하기의 수식 1을 이용하여, 상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.

<수식 1>

(k는 1~n의 자연수, i는 상기 제1 횟수, x는 1~i의 자연수, V_k[x]은 상기 제1 휴지 기간 내에서 x번째로 측정된 제k 배터리 셀의 셀 전압, V_{k_1}은 상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제k 배터리 셀의 평균 셀 전압임)

상기 제어부는, 하기의 수식 2를 이용하여, 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.

<수식 2>

(k는 1~n의 자연수, j는 상기 제2 횟수, y는 1~j의 자연수, V_k[y]은 상기 제2 휴지 기간 내에서 y번째로 측정된 제k 배터리 셀의 셀 전압, V_{k_2}은 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제k 배터리 셀의 평균 셀 전압임)

상기 제어부는, 상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압의 평균을 나타내는 제1 기준 전압을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압의 평균을 나타내는 제2 기준 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 하기의 수식 3을 이용하여, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정하도록 구성될 수 있다.

<수식 3>

(k는 1~n의 자연수, V_{ref_1}은 상기 제1 기준 전압, V_{ref_2}은 상기 제2 기준 전압, R_k는 제k 기준값임)

상기 제어부는, 하기의 수식 4를 이용하여, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정하도록 구성될 수 있다.

<수식 4>

상기 제어부는, 상기 제k 기준값이 1보다 큰 소정의 임계 진단값 이상인 경우, 상기 제k 배터리 셀이 고장인 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 최대 용량을 기초로, 각각 1보다 큰 제1 내지 제n 진단값을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제k 기준값이 상기 제k 진단값 이상인 경우, 상기 제k 배터리 셀이 고장인 것으로 진단하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제k 배터리 셀의 최대 용량이 감소할수록 상기 제k 진단값을 증가시키도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀의 평균 최대 용량을 기초로, 상기 임계 시간을 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 평균 최대 용량이 감소할수록 상기 임계 시간을 감소시키도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 에너리 저장 시스템은, 상기 배터리 진단 장치를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 진단 방법은, 제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(n은 2 이상의 자연수) 각각의 셀 전압을 기초로, 상기 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하는 단계; 제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각각의 상기 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하는 단계로서, 상기 제3 시점은 상기 제3 시점은 상기 제2 시점 후의 시점으로서 상기 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점인 단계; 및 상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 고장을 진단하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 복수의 배터리 셀이 휴지 상태로 유지되는 기간 동안의 각 배터리 셀의 전압 변화로부터 각 배터리 셀의 고장(예, 내부 단락, 외부 단락)을 진단할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 각 배터리 셀의 최대 용량을 기초로, 고장 진단에 활용되는 임계값(예, 후술된 임계 시간, 진단값)을 조절함으로써, 진단 정확도를 향상시키고 진단에 소요되는 시간을 단축할 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 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 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 발명에 따른 에너지 저장 시스템(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 휴지 상태로 유지되는 3개의 배터리 셀 각각의 전압 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 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.

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. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

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.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은, 배터리 팩(10), 스위치(20), 전력 변환 시스템(30) 및 배터리 진단 장치(100)를 포함한다.

배터리 팩(10)은, 양극 단자(P+), 음극 단자(P-) 및 셀 어셈블리(11)를 포함한다. 셀 어셈블리(11)는, 양극 단자(P+)와 음극 단자(P-) 간에 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 n개의 배터리 셀(BC₁~BC_n, n은 2 이상의 자연수)을 포함한다. 각 배터리 셀(BC)은, 리튬 이온 배터리 셀일 수 있다. 물론, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 배터리 셀(BC)의 종류는 특별히 한정되지 않는다.

스위치(20)는, 배터리 팩(10)을 위한 전력 라인(PL)에 설치된다. 스위치(20)가 온되어 있는 동안, 배터리 팩(10)과 전력 변환 시스템(30) 중 어느 하나로부터 다른 하나로의 전력 전달이 가능하다. 스위치(20)는, 릴레이, 전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor) 등과 같은 공지의 스위칭 기기들 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합함으로써 구현될 수 있다.

전력 변환 시스템(power conversion system, 30)은, 배터리 진단 장치(100)에 동작 가능하게 결합된다. 전력 변환 시스템(30)은, 전기 계통(40)으로부터의 교류 전력으로부터 배터리 팩(10)의 충전을 위한 직류 전력을 생성할 수 있다. 전력 변환 시스템(30)은, 배터리 팩(10)으로부터의 직류 전력으로부터 교류 전력을 생성할 수 있다.

배터리 진단 장치(100)(이하, '장치'라고 칭함)는, 전압 측정부(110) 및 제어부(140)를 포함한다. 장치(100)는, 전류 측정부(120), 온도 측정부(130) 및 통신부(150) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

전압 측정부(110)는, 각 배터리 셀(BC)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결 가능하도록 제공되는 적어도 하나의 전압 센서를 포함한다. 전압 측정부(110)는, 각 배터리 셀(BC)의 양단에 걸친 전압인 셀 전압을 측정하고, 측정된 셀 전압을 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.

전류 측정부(120)는, 전력 라인(PL)에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 예컨대, 션트 저항이나 홀 효과 소자 등이 전류 측정부로서 이용될 수 있다. 전류 측정부(120)는, 전력 라인(PL)을 통해 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.

온도 측정부(130)는, 배터리 팩(10)으로부터 소정 거리 내의 영역에 배치된 적어도 하나의 온도 센서를 포함한다. 예컨대, 열전대 등이 온도 센서로서 이용될 수 있다. 온도 측정부(130)는 배터리 팩(10)의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.

제어부(140)는, 스위치(20), 전압 측정부(110), 전류 측정부(120), 온도 측정부(130) 및 통신부(150)에 동작 가능하게 결합된다. 제어부(140)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.

제어부(140)에는 메모리가 내장될 수 있다. 메모리에는, 후술할 실시예들에 따른 배터리 진단 방법들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 저장될 수 있다. 메모리는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.

통신부(150)는, 에너지 저장 시스템(1)의 상위 컨트롤러(2)와 통신 가능하게 결합될 수 있다. 통신부(150)는, 상위 컨트롤러(2)로부터의 메시지를 제어부(140)로 전송하고, 제어부(140)로부터의 메시지를 상위 컨트롤러(2)로 전송할 수 있다. 제어부(140)로부터의 메시지는, 각 배터리 셀(BC)의 고장을 통지하기 위한 정보를 포함할 수 있다. 통신부(150)와 상위 컨트롤러(2) 간의 통신에는, 예를 들어, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 근거리 무선 네트워크가 활용될 수 있다.

제어부(140)는, 각 배터리 셀(BC)에 대하여, 셀 전압, 전류 및/또는 온도를 기초로, 각 배터리 셀(BC)의 충전상태(SOC: State Of Charge)를 결정할 수 있다. SOC의 결정은, 전류 적산법, 칼만 필터 등과 같은 공지의 방식이 활용될 수 있다.

제어부(140)는, 각 배터리 셀(BC)에 대하여, 일정 시간 동안의 전류의 적산량과 SOC 변화량 간의 비율로부터 각 배터리 셀(BC)의 최대 용량을 결정할 수 있다. 제어부(140)는 SOC 변화량이 소정의 임계 변화량(예, 50%) 이상이 되는 최근 기간에서의 전류 적산량과 SOC 변화량을 기초로 각 배터리 셀(BC)의 최대 용량을 결정할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(BC_k)에 있어서, 최근 1시간 동안의 전류 적산량과 SOC 변화량이 각각 50mAh와 80%인 경우, 배터리 셀(BC_k)의 최대 용량은 (50mAh/80%)×100% = 62.5mAh로 결정될 수 있다.

본 명세서에서, 휴지 상태란, 스위치(20)가 오프되어 전력 라인(PL)을 통해 전류가 흐르지 않는 상태를 지칭한다.

도 2는 휴지 상태로 유지되는 3개의 배터리 셀 각각의 전압 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.

도 2에 있어서, t_A는 휴지 상태의 시작 시점, t_B는 휴지 상태의 종료 시점이고, t_A에서 3개 배터리 셀의 셀 전압은 동일하다고 가정한다. 제1 커브(21)는, 최대 용량이 A(예, 100 mAh)이고 정상인 첫번째 배터리 셀의 시간에 따른 셀 전압의 변화를 보여준다. 제2 커브(22)는 최대 용량이 A이고 고장인 두번째 배터리 셀의 시간에 따른 셀 전압의 변화를 보여준다. 제3 커브(23)는 최대 용량이 A보다 작은 B(예, 85 mAh)이고 고장인 세번째 배터리 셀의 시간에 따른 셀 전압의 변화를 보여준다.

도 2의 제1 커브(21)와 제2 커브(22)를 비교하면, 두 배터리 셀의 최대 용량이 동일(즉, 퇴화도가 동일)한 경우에는, 동일 기간에서, 고장(예, 내부 단락, 외부 단락)인 배터리 셀의 전압 강하량이 정상인 배터리 셀의 전압 강하량보다 크다는 것을 확인할 수 있다.

도 2의 제2 커브(22)와 제3 커브(23)를 비교하면, 동일 기간에서, 배터리 셀의 최대 용량이 작아질수록 동일 기간에서의 전압 강하량이 증가한다는 점을 확인할 수 있다.

지금부터 도 3 내지 도 5를 참조하여, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 고장을 진단하기 위한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 3 및 도 4에 따른 배터리 진단 방법들은 배터리 팩(10)이 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환되는 것에 응답하여, 배터리 팩(10)이 휴지 상태로 유지되는 동안 제어부(140)에 의해 실행되는 것일 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 단계 S310에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 제1 횟수씩 측정한다. 제1 휴지 기간은 제1 시점부터 제2 시점까지일 수 있다. 제1 시점은, 배터리 팩(10)이 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환되는 시점일 수 있다. 제2 시점은, 제1 시점으로부터 제1 전압 센싱 시간이 경과된 시점일 수 있다. 제1 휴지 기간 동안, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압은 제1 시간 간격(예, 1초)마다 측정될 수 있다. 제1 횟수는, 셀 전압을 한번만 측정하는 방식의 부정확성을 제거하기 위해 2 이상으로 미리 정해진다. 따라서, 제1 전압 센싱 시간은, 제1 시간 간격과 제1 횟수의 곱 이상으로 미리 정해질 수 있다.

단계 S320에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다. 제어부(140)는, 하기의 수식 1을 이용하여, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정할 수 있다.

<수식 1>

수식 1에서, k는 1~n의 자연수, i는 제1 횟수, x는 1~i의 자연수, V_k[x]은 제1 휴지 기간 내에서 x번째로 측정된 제k 배터리 셀(BC_k)의 셀 전압, V_{k_1}은 제1 휴지 기간 동안의 제k 배터리 셀(BC_k)의 평균 셀 전압을 나타낸다.

단계 S330에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압으로부터 제1 기준 전압을 결정한다. 제1 기준 전압은, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압의 평균, 최소치 또는 최대치일 수 있다.

단계 S340에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 제2 횟수씩 측정한다. 제2 휴지 기간은 제3 시점부터 제4 시점까지일 수 있다. 제3 시점은, 제2 시점 후의 시점으로서, 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점이다. 임계 시간은, 제1 전압 센싱 시간보다 긴 소정의 설정 시간(예, 3시간)과 동일할 수 있다. 제4 시점은, 제3 시점으로부터 제2 전압 센싱 시간이 경과된 시점일 수 있다. 제2 휴지 기간 동안, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압은 제2 시간 간격마다 측정될 수 있다. 제2 시간 간격은, 제1 시간 간격과 동일할 수 있다. 제2 횟수는, 셀 전압을 한번만 측정하는 방식의 부정확성을 제거하기 위해 2 이상으로 미리 정해진다. 따라서, 제2 전압 센싱 시간은, 제2 시간 간격과 제2 횟수의 곱 이상으로 미리 정해질 수 있다.

단계 S350에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다. 제어부(140)는, 하기의 수식 2를 이용하여, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정할 수 있다.

<수식 2>

수식 2에서, k는 1~n의 자연수, j는 제2 횟수, y는 1~j의 자연수, V_k[y]은 제2 휴지 기간 내에서 y번째로 측정된 제k 배터리 셀(BC_k)의 셀 전압, V_{k_2}은 제2 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압을 나타낸다. 제2 횟수는, 제1 횟수와 동일할 수 있다.

단계 S360에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압으로부터 제2 기준 전압을 결정한다. 제2 기준 전압은, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압의 평균, 최소치 또는 최대치일 수 있다.

단계 S370에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n)에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정한다. 각 기준값의 결정에는, 하기의 수식 3이 이용될 수 있다.

<수식 3>

수식 3에서, k는 1~n의 자연수, V_{ref_1}은 제1 기준 전압, V_{ref_2}은 제2 기준 전압, R_k는 제k 기준값을 나타낸다. 만약, 제k 배터리 셀(BC_k)이 정상이라면, 제1 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압 V_{k_1}과 제2 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압 V_{k_2} 간의 차이는 매우 작을 것이기 때문에, 제k 기준값 R_k 역시 매우 작을 것이다. 반면, 제k 배터리 셀(BC_k)이 고장이라면, 제2 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압 V_{k_2}은 제1 휴지 기간 동안의 제k 평균 셀 전압 V_{k_1}으로부터 상당히 감소하였을 것이기 때문에, 제k 기준값 R_k은 매우 클 것이다.

대안적으로, 제어부(140)는, 수식 3 대신 다음의 수식 4를 이용하여, 제k 기준값을 결정할 수도 있다.

<수식 4>

단계 S380에서, 제어부(140)는, 제k 기준값이 1보다 큰 소정의 임계 진단값 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S380의 값이 "예"인 경우, 단계 S390으로 진행된다. 단계 S380의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있다.

단계 S390에서, 제어부(140)는, 안전 동작을 실행한다. 안전 동작은, 스위치(20)의 오프 및/또는 고장 신호의 생성일 수 있다. 고장 신호는, 통신부(150)를 통해 상위 컨트롤러(2)에게 전송될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 제2 실시예를 설명함에 있어서, 제1 실시예와 공통된 내용에 대하여는 반복된 설명을 설명한다.

도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 단계 S400에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n)의 평균 최대 용량을 결정한다. 평균 최대 용량은, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n)의 최대 용량의 합을 n으로 나눈 것이다.

단계 S402에서, 제어부(140)는, 평균 최대 용량을 기초로, 임계 시간을 결정한다. 제어부(140)는, 평균 최대 용량이 감소할수록 임계 시간을 감소시킬 수 있다. 제어부(140)는, 다음의 수식 5를 이용하여, 임계 시간을 결정할 수 있다.

<수식 5>

수식 5에서, Q_av는 평균 최대 용량, Q_design은 소정의 기준 용량, Δt_set는 상기 소정의 설정 시간, Δt_th은 임계 시간을 나타낸다.

단계 S410에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 셀 전압을 제1 횟수씩 측정한다. 제1 휴지 기간은 제1 시점부터 제2 시점까지일 수 있다.

단계 S420에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다(수식 1 참조).

단계 S430에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압으로부터 제1 기준 전압을 결정한다.

단계 S440에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 제2 횟수씩 측정한다. 제2 휴지 기간은 제3 시점부터 제4 시점까지일 수 있다. 제3 시점은, 제1 시점으로부터 단계 S402에서 결정된 임계 시간만큼 경과된 시점일 수 있다.

단계 S450에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다(수식 2 참조).

단계 S460에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압으로부터 제2 기준 전압을 결정한다.

단계 S470에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n)에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정한다(수식 3 또는 수식 4 참조).

단계 S480에서, 제어부(140)는, 제k 기준값이 1보다 큰 소정의 임계 진단값 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S480의 값이 "예"인 경우, 단계 S490으로 진행된다. 단계 S480의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있다.

단계 S490에서, 제어부(140)는, 안전 동작을 실행한다. 안전 동작은, 스위치(20)의 오프 및/또는 고장 신호의 생성일 수 있다. 고장 신호는, 통신부(150)를 통해 상위 컨트롤러(2)에게 전송될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 제3 실시예를 설명함에 있어서, 제1, 2 실시예와 공통된 내용에 대하여는 반복된 설명을 설명한다.

도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 단계 S500에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 최대 용량을 기초로, 제1 내지 제n 진단값을 결정한다. 제어부(140)는, 제k 배터리 셀(BC_k)의 최대 용량이 감소할수록 제k 진단값을 증가시킬 수 있다. 제어부(140)는, 다음의 수식 6을 이용하여, 각 진단값을 결정할 수 있다.

<수식 6>

수식 6에서, k는 1~n의 자연수, Q_k는 제k 배터리 셀(BC_k)의 최대 용량, Q_design은 소정의 기준 용량, D_set는 상기 소정의 임계 진단값, D_k은 제k 진단값을 나타낸다.

단계 S510에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 제1 횟수씩 측정한다. 제1 휴지 기간은 제1 시점부터 제2 시점까지일 수 있다.

단계 S520에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다(수식 1 참조).

단계 S530에서, 제어부(140)는, 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압으로부터 제1 기준 전압을 결정한다.

단계 S540에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 제2 횟수씩 측정한다. 제2 휴지 기간은 제3 시점부터 제4 시점까지일 수 있다. 제3 시점은, 제2 시점 후의 시점으로서, 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점이다. 임계 시간은, 상기 소정의 설정 시간(예, 3시간)과 동일할 수 있다.

단계 S550에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수씩 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n) 각각의 셀 전압을 기초로, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정한다(수식 2 참조).

단계 S560에서, 제어부(140)는, 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압으로부터 제2 기준 전압을 결정한다.

단계 S570에서, 제어부(140)는, 제1 내지 제n 배터리 셀(BC₁~BC_n)에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정한다(수식 3 또는 수식 4 참조).

단계 S580에서, 제어부(140)는, 제k 기준값이 제k 진단값 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S580의 값이 "예"인 경우, 단계 S590으로 진행된다. 단계 S580의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있다.

단계 S590에서, 제어부(140)는, 안전 동작을 실행한다. 안전 동작은, 스위치(20)의 오프 및/또는 고장 신호의 생성일 수 있다. 고장 신호는, 통신부(150)를 통해 상위 컨트롤러(2)에게 전송될 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.

1: 에너지 저장 시스템 2: 상위 컨트롤러
10: 배터리 팩 20: 스위치 30: 전력 변환 시스템
100: 배터리 진단 장치
110: 전압 측정부 120: 전류 측정부 130: 온도 측정부
140: 제어부 150: 통신부

Claims

배터리 진단 장치에 있어서,
제1 내지 제n 배터리 셀(n은 2 이상의 자연수) 각각의 셀 전압을 측정하도록 구성되는 전압 측정부; 및
상기 전압 측정부에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 각각의 상기 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하고,
제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각각의 상기 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하되, 상기 제3 시점은 상기 제2 시점 후의 시점으로서 상기 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점이고,
상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 고장을 진단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 시점은, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀이 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환된 시점인 배터리 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
하기의 수식 1을 이용하여, 상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
<수식 1>

(k는 1~n의 자연수, i는 상기 제1 횟수, x는 1~i의 자연수, V_k[x]은 상기 제1 휴지 기간 내에서 x번째로 측정된 제k 배터리 셀의 셀 전압, V_{k_1}은 상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제k 배터리 셀의 평균 셀 전압임)
제3항에 있어서,
상기 제어부는,
하기의 수식 2를 이용하여, 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
<수식 2>

(k는 1~n의 자연수, j는 상기 제2 횟수, y는 1~j의 자연수, V_k[y]은 상기 제2 휴지 기간 내에서 y번째로 측정된 제k 배터리 셀의 셀 전압, V_{k_2}은 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제k 배터리 셀의 평균 셀 전압임)
제4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압의 평균을 나타내는 제1 기준 전압을 결정하고,
상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압의 평균을 나타내는 제2 기준 전압을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
제5항에 있어서,
상기 제어부는,
하기의 수식 3을 이용하여, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
<수식 3>

(k는 1~n의 자연수, V_{ref_1}은 상기 제1 기준 전압, V_{ref_2}은 상기 제2 기준 전압, R_k는 제k 기준값임)
제5항에 있어서,
상기 제어부는,
하기의 수식 4를 이용하여, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀에 일대일로 연관되는 제1 내지 제n 기준값을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
<수식 4>

(k는 1~n의 자연수, V_{ref_1}은 상기 제1 기준 전압, V_{ref_2}은 상기 제2 기준 전압, R_k는 제k 기준값임)
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제k 기준값이 1보다 큰 소정의 임계 진단값 이상인 경우, 상기 제k 배터리 셀이 고장인 것으로 진단하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 최대 용량을 기초로, 각각 1보다 큰 제1 내지 제n 진단값을 결정하고,
상기 제k 기준값이 상기 제k 진단값 이상인 경우, 상기 제k 배터리 셀이 고장인 것으로 진단하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
제9항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제k 배터리 셀의 최대 용량이 감소할수록 상기 제k 진단값을 증가시키도록 구성되는 배터리 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 내지 제n 배터리 셀의 평균 최대 용량을 기초로, 상기 임계 시간을 결정하도록 구성되는 배터리 진단 장치.
제11항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 평균 최대 용량이 감소할수록 상기 임계 시간을 감소시키도록 구성되는 배터리 진단 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 진단 장치를 포함하는 에너리 저장 시스템.
배터리 진단 방법에 있어서,
제1 시점부터 제2 시점까지의 제1 휴지 기간 동안 제1 횟수 측정된 제1 내지 제n 배터리 셀(n은 2 이상의 자연수) 각각의 셀 전압을 기초로, 상기 제1 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하는 단계;
제3 시점부터 제4 시점까지의 제2 휴지 기간 동안 제2 횟수 측정된 각각의 상기 배터리 셀의 상기 셀 전압을 기초로, 상기 제2 휴지 기간 동안의 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 결정하는 단계로서, 상기 제3 시점은 상기 제3 시점은 상기 제2 시점 후의 시점으로서 상기 제1 시점으로부터 임계 시간이 경과된 시점인 단계; 및
상기 제1 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압 및 상기 제2 휴지 기간 동안의 상기 제1 내지 제n 평균 셀 전압을 기초로, 상기 제1 내지 제n 배터리 셀 각각의 고장을 진단하는 단계를 포함하는 배터리 진단 방법.