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KR20220163736A - Method for detecting abnomal cells and estimating SOH in Lithium-Ion battery pack - Google Patents

Method for detecting abnomal cells and estimating SOH in Lithium-Ion battery pack Download PDF

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KR20220163736A
KR20220163736A KR1020210072261A KR20210072261A KR20220163736A KR 20220163736 A KR20220163736 A KR 20220163736A KR 1020210072261 A KR1020210072261 A KR 1020210072261A KR 20210072261 A KR20210072261 A KR 20210072261A KR 20220163736 A KR20220163736 A KR 20220163736A
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Abstract

The present invention relates to a technique for providing a more accurate state of health (SOH) prediction value. A method for detecting abnormal cells and predicting the SOH of a lithium-ion battery pack according to the present invention may include: a first step of acquiring actual measured values for four parameters of voltage, capacity, temperature, and humidity for each battery cell; a second step of calculating a threshold value for each parameter by inputting the measured values of voltage, capacity, temperature, and humidity of each battery cell together with battery cell location information into a learning model for each parameter; a third step of determining whether each battery cell is in an abnormal state; and a fourth step of calculating the first weight for the electrochemical factor, calculating the second weight for the external environment factor, and calculating the sum of the values acquired by performing the convolution operation on the previous SOH prediction value as the SOH prediction value for the corresponding battery pack and each battery cell, respectively.

Description

리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법{Method for detecting abnomal cells and estimating SOH in Lithium-Ion battery pack}Method for detecting abnomal cells and estimating SOH in Lithium-Ion battery pack}

본 발명은 배터리셀의 전기화학적 특성과 환경 요인에 따른 성능 변화와 관련된 다수의 파라미터별 임계값을 이용하여 리튬이온 배터리팩 내에서 이상동작을 하는 배터리셀을 검출함과 더불어, 보다 정확한 SOH(State of Health) 예측값을 제공하는 기술에 관한 것이다. The present invention detects a battery cell operating abnormally in a lithium ion battery pack using threshold values for each of a number of parameters related to performance changes according to electrochemical characteristics and environmental factors of the battery cell, and more accurately SOH (State of Health) relates to technology that provides predictive values.

오늘날 산업 전반에 걸쳐 가장 많이 사용되고 있는 2차전지 중 하나로 리튬이온 배터리를 꼽을 수 있다. Lithium-ion batteries are one of the most widely used secondary batteries today.

리튬이온 배터리는 기전력이 3.6V이며, 매우 가벼운 특성으로 타 배터리보다 무게 대비 높은 에너지 밀도와 자가방전에 의한 전력손실이 매우 적다는 탁월한 장점을 지녀 스마트폰 등 소형 모바일 기기에서 전기자동차까지 전력원으로 쓰이고 있다. Lithium-ion batteries have an electromotive force of 3.6V, are very light, have a high energy density compared to other batteries, and have very low power loss due to self-discharge. It is being used.

이러한 리튬이온 배터리는 일정 이상의 용량이 필요한 경우, 충전 및 방전이 가능한 하나 이상의 전기화학 셀로 구성되는 배터리팩 형태로 주로 사용된다. Such a lithium ion battery is mainly used in the form of a battery pack composed of one or more electrochemical cells capable of charging and discharging when a certain amount or more is required.

최근 신차 판매의 25%가 전기 엔진을 탑재한 차량들이며, 환경 오염이나 기후 변화에 대한 대응으로 전기자동차 운용이 적극 장려되는 등 수요가 급증하고 있다. Recently, 25% of new car sales are vehicles equipped with electric engines, and the demand for electric vehicles is rapidly increasing as the operation of electric vehicles is actively encouraged in response to environmental pollution and climate change.

그러나 이러한 전기 자동차 등의 주 전원으로 사용되는 리튬이온 배터리는 온도에 민감한 특성으로 인해 온도가 높은 환경일수록 노화가 빨리 진행됨과 동시에 폭발 위험성도 증가하는 단점을 갖는다.However, lithium ion batteries used as a main power source for electric vehicles, etc., have disadvantages in that, due to their temperature-sensitive nature, the aging progresses faster and the risk of explosion increases as the temperature increases.

또한, 리튬이온 배터리를 사용하면서 충방전이 반복됨에 따라 배터리셀간 전압차가 커지면서 불평형이 생기는 경향이 있다. 이러한 경우 일부의 열화 배터리셀에 의하여 전체 배터리의 수명이 단축되고, 심지어는 화재나 폭발의 위험성도 증가하게 된다.In addition, as a lithium ion battery is used and repeatedly charged and discharged, a voltage difference between battery cells increases, resulting in unbalance. In this case, the lifetime of the entire battery is shortened by some of the deteriorating battery cells, and even the risk of fire or explosion increases.

이에 전기자동차에 쓰이는 리튬이온 배터리는 다양하고 혹독한 환경에서 안정적으로 동작하여야 하고, 정밀하게 관리되어야 하는 바, 이를 위해 최근에는 열적 불안전성 원인 규명을 포함 리튬 전지의 안정성을 위협하는 내·외부적 요인들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Accordingly, lithium-ion batteries used in electric vehicles must operate stably in various harsh environments and must be managed precisely. To this end, internal and external factors that threaten the stability of lithium batteries, including the identification of the cause of thermal instability, Research on this is actively progressing.

일반적으로 리튬이온 배터리의 열화상태를 수치적으로 제시하는 SOH(State of Health)를 모델링하여 현재 리튬이온 배터리의 상태를 파악하는데, 기존의 방법으로는 내부 저항/임피던스, 충전용량, 누적 충방전 사이클 수 등을 이용하여 대략적인 SOH를 산출하거나 칼만필터, 퍼지 로직, 또는 연속되는 사이클 간의 SOC 변화량을 이용하여 SOH를 추정하는 기법 등이 이용되고 있다. In general, SOH (State of Health), which numerically presents the deterioration state of lithium-ion batteries, is modeled to determine the current state of lithium-ion batteries. Existing methods use internal resistance/impedance, charge capacity, and accumulated charge/discharge cycles. A method of calculating approximate SOH using numbers or estimating SOH using a Kalman filter, fuzzy logic, or SOC variation between successive cycles is used.

그러나 이러한 기법들은 SOH 추정에 이용되는 파라메터가 제한적이며, LIB 전체 성능 저하와 폭발을 유발하는 다양한 요인들에 대한 고려가 되지 않아 장기 사이클 및 다양한 환경에서 운용 시 결국 추정 및 예측 정확도가 떨어진다는 치명적인 단점을 지닌다.However, these techniques have a fatal disadvantage in that the parameters used for SOH estimation are limited, and the accuracy of estimation and prediction eventually deteriorates when operating in long cycles and various environments because various factors that cause the overall performance degradation and explosion of the LIB are not considered. has

또한, 배터리셀은 그 배치 위치에 따라 열화특성이 다르게 나타나며, 열화특성 뿐 아니라 다른 환경 요인에 의해서도 SOH가 변화될 수 있는 바, SOH의 추정만으로 각 배터리셀의 현재 상태를 판단하는 데에는 무리가 있다.In addition, battery cells have different deterioration characteristics depending on their placement, and SOH can be changed not only by deterioration characteristics but also by other environmental factors, so it is difficult to determine the current state of each battery cell only by estimating SOH. .

1. 한국공개특허 제10-2020-0097170호 (명칭: 배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법 및 배터리팩)1. Korean Patent Publication No. 10-2020-0097170 (Name: Battery management device, battery management method and battery pack) 2. 한국공개특허 제10-2020-0056716호 (명칭 : 배터리 SOH산출 시스템)2. Korean Patent Publication No. 10-2020-0056716 (Name: Battery SOH Calculation System)

이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 리튬이온 배터리팩 및 배터리셀의 충방전상태에 대응되는 다수의 파라메터를 RNN계열의 구조를 통한 딥러닝 모델에 적용하여 열화특성이 반영된 임계값을 산출하고, 각 파라미터별 임계값을 근거로 배터리셀 상태를 판단함과 더불어, 현재 SOH 예측값을 산출함으로써, 보다 정확한 배터리셀 상태 감시 및 SOH 예측값 제공이 가능하도록 해 주는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 방법을 제공함에 그 기술적 목적이 있다.Therefore, the present invention was created in view of the above circumstances, and a number of parameters corresponding to the charging and discharging states of lithium ion battery packs and battery cells were applied to a deep learning model through an RNN-based structure to reflect the criticality of deterioration characteristics. By calculating the value, determining the battery cell state based on the threshold value for each parameter, and calculating the current SOH prediction value, it is possible to more accurately monitor the battery cell state and provide the SOH prediction value. Its technical purpose is to provide a cell detection method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 배터리 상태 감시장치에서 다수의 배터리셀로 이루어지는 리튬이온 배터리팩으로부터 인가되는 신호를 분석하여 리튬이온 배터리팩의 현재 상태를 감시하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법에 있어서, 배터리 상태 감시장치에서 리튬이온 배터리팩과 해당 리튬이온 배터리팩 내의 각 배터리셀에 대한 전압, 캐패시티, 온도, 습도 의 4개 파라미터에 대한 실측값을 획득하는 제1 단계와, 배터리 상태 감시장치에서 리튬이온 배터리팩과 해당 리튬이온 배터리팩 내의 각 배터리셀에 대한 전압, 캐패시티, 온도, 습도 실측값을 배터리셀 위치정보와 함께 각 파라미터별 학습모델에 입력하여 각 파라미터별 임계값을 산출하되, 상기 학습모델은 배터리셀 위치에 따라 서로 다른 열화특성이 적용된 임계값을 출력하는 제2 단계, 배터리 상태 감시장치에서 배터리팩의 임계값과 실측값간의 차이가 기 설정된 기준값 이상인 경우 해당 배터리팩내의 모든 배터리셀별 상태 검출동작을 수행하되, 배터리셀별 실측값과 임계값간의 차이를 기반으로 각 배터리셀의 이상 상태 여부를 판단하는 제3 단계 및, 배터리 상태 감시장치에서 배터리팩 및 각 배터리셀별 전압 임계값과 캐패시티 임계값을 근거로 전기화학적 요소에 대한 제1 가중치를 산출하고, 온도 임계값과 습도 임계값을 근거로 외부환경 요소에 대한 제2 가중치를 산출하여 이전 SOH 예측값에 각각 컨볼루션 연산한 값의 합을 해당 배터리팩 및 각 배터리셀별 SOH예측값으로 각각 산출하는 제4 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a lithium ion battery pack analyzes a signal applied from a lithium ion battery pack composed of a plurality of battery cells in a battery state monitoring device to monitor the current state of the lithium ion battery pack. In the method of detecting abnormal cells and predicting SOH of, the battery condition monitoring device obtains actual values for four parameters of voltage, capacity, temperature, and humidity for a lithium-ion battery pack and each battery cell in the lithium-ion battery pack In the first step, in the battery condition monitoring device, the measured values of the voltage, capacity, temperature, and humidity for each battery cell in the lithium-ion battery pack and the corresponding lithium-ion battery pack are converted to the learning model for each parameter together with the battery cell location information. A second step of outputting a threshold to which different deterioration characteristics are applied according to the position of the battery cell, the difference between the threshold of the battery pack and the actual value in the battery condition monitoring device. A third step of determining whether or not each battery cell is in an abnormal state based on the difference between the measured value of each battery cell and a threshold value while performing a state detection operation for each battery cell in the battery pack when is greater than a preset reference value, and battery state monitoring In the device, a first weight for an electrochemical element is calculated based on a voltage threshold and a capacity threshold for each battery pack and each battery cell, and a second weight for an external environment element is calculated based on a temperature threshold and a humidity threshold. and a fourth step of calculating the sum of the values calculated by convolution with the previous predicted SOH values as SOH predicted values for the corresponding battery pack and each battery cell, respectively. A prediction method is provided.

또한, 상기 제2 단계에서 배터리셀 위치에 따른 열화특성이 적용된 학습모델은 시그노이드 함수를 이용한 모델로서, 하기 수학식에 따라 각 파라미터별 임계값을 출력하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법이 제공된다.

Figure pat00001
여기서, Vt, Ct, Tt, Ht 는 각각 전압 임계값, 캐패시티 임계값, 온도 임계값, 습도 임계값이고, σ는 시그모이드 함수, W는 열화 가중치, X는 입력값, B는 바이어스 값, * 는 컨볼루션 연산자이며, 상기 열화 가중치(W)는 배터리셀의 위치가 배터리팩의 중심에서 멀어질수록 보다 큰 값으로 설정됨.In addition, in the second step, the learning model to which the deterioration characteristics according to the battery cell position are applied is a model using a signoid function, and a threshold value for each parameter is output according to the following equation. A cell detection and SOH prediction method is provided.
Figure pat00001
Here, Vt, Ct, Tt, and Ht are the voltage threshold, capacity threshold, temperature threshold, and humidity threshold, respectively, σ is the sigmoid function, W is the degradation weight, X is the input value, and B is the bias value. , * is a convolution operator, and the deterioration weight (W) is set to a larger value as the location of the battery cell is farther from the center of the battery pack.

또한, 상기 습도 학습모델은 배터리팩에 대한 습도 임계값만을 산출하고, 배터리 상태 감시장치는 배터리팩에 대한 습도 임계값을 해당 배터리팩 내의 모든 배터리셀의 습도 임계값으로 이용하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법이 제공된다.In addition, the humidity learning model calculates only the humidity threshold for the battery pack, and the battery condition monitoring device uses the humidity threshold for the battery pack as the humidity threshold for all battery cells in the battery pack. A method for detecting abnormal cells in a battery pack and predicting SOH is provided.

또한, 상기 제3 단계는 배터리 상태 감시장치에서 배터리팩 전압 실측값과 전압 임계값간의 제1 차이값과 배터리팩 캐패시티 실측값과 캐패시티 임계값간의 제2 차이값 중 적어도 하나가 기 설정된 기준 차이값 이상인 경우 해당 배터리팩 내의 모든 배터리셀에 대한 상태 검출 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법이 제공된다.Further, in the third step, at least one of a first difference between the measured voltage of the battery pack and the voltage threshold and the second difference between the measured battery pack capacity and the capacity threshold in the battery state monitoring device is a predetermined criterion. Provided is a method for detecting abnormal cells in a lithium ion battery pack and predicting SOH, characterized in that performing a state detection operation on all battery cells in a corresponding battery pack when the difference is greater than or equal to the difference value.

또한, 상기 제3 단계에서 배터리셀 상태 검출 동작은, 배터리셀의 전압 실측값과 전압 임계값간의 차이값과 캐패시티 실측값과 캐패시티 임계값간의 차이값이 모두 기 설정된 기준값 미만인 제1 조건을 만족하면 해당 배터리셀을 안정상태로 판단하는 단계와, 상기 제1 조건을 만족하지 않으면서, 기 설정된 기준 사이클 대비 해당 배터리셀의 평균 온도 변화량과 평균 습도 변화량이 온도 임계값과 습도 임계값 미만인 제2 조건을 만족하면, 배터리셀의 성능 열화상태로 판단하는 단계 및, 상기 제1 조건과 제2 조건을 만족하지 않으면, 배터리셀이 비정상 상태인 것으로 판단하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법이 제공된다.In addition, in the battery cell state detection operation in the third step, a first condition in which both the difference value between the measured voltage value of the battery cell and the voltage threshold value and the difference value between the measured capacity value and the capacity threshold value are less than a preset reference value. If the battery cell is satisfied, determining that the battery cell is in a stable state, and if the first condition is not satisfied, the average temperature change amount and average humidity change amount of the battery cell compared to a predetermined reference cycle are less than the temperature threshold value and the humidity threshold value. If two conditions are satisfied, determining that the battery cell is in a degraded state, and if the first and second conditions are not satisfied, determining that the battery cell is in an abnormal state. A method for detecting an abnormal cell of a lithium ion battery pack and predicting SOH is provided.

또한, 상기 제4 단계에서 제1 가중치와 제2 가중치는 ReLU 함수에 의해 산출되는 것으로, 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법이 제공된다.

Figure pat00002
여기서, Pt는 제1 가중치, Qt 는 제2 가중치, ReLU 은 ReLU 함수, h(t-1)은 이전 SOH 예측값이고, * 는 컨볼루션 연산자임.In addition, in the fourth step, the first weight and the second weight are calculated by the ReLU function, and a method for detecting an abnormal cell of a lithium ion battery pack and predicting SOH is provided, characterized in that they are calculated by the following equation.
Figure pat00002
Here, Pt is the first weight, Qt is the second weight, ReLU is the ReLU function, h(t-1) is the previous SOH prediction value, and * is the convolution operator.

또한, 상기 제4 단계에서 SOH 예측값은 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법이 제공된다.

Figure pat00003
여기서, h(t)는 SOH 예측값이고, K 는 운용 가중치임.In addition, a method for detecting an abnormal cell of a lithium ion battery pack and predicting SOH is provided, wherein the SOH prediction value in the fourth step is calculated by the following equation.
Figure pat00003
Here, h(t) is the predicted value of SOH, and K is the operating weight.

또한, 상기 제4 단계에서 배터리 상태 감시장치는 충방전 사이클 데이터를 수집하여 해당 사이클의 유효충전시작지점, 충전 피크지점, 유효방전종료지점을 추출하는 단계와, 추출된 유효충전시작지점과 충전 피크지점을 연결하여 생성된 직선의 기울기를 충전전압 기울기로 산출하고, 충전 피크지점과 유효방전종료지점을 연결하여 생성된 직선의 기울기를 방전전압 기울기로 산출하는 단계, 해당 사이클의 충전전압 및 방전전압 기울기와 기 설정된 기준 사이클에서의 기준 충전전압 및 방전전압 기울기간의 차이가 클수록 보다 작은 값의 SOH 가중치를 산출하는 단계 및, SOH 가중치를 SOH 예측값에 곱 연산하여 SOH 예측값을 보정출력하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법이 제공된다.In addition, in the fourth step, the battery condition monitoring device collects charge/discharge cycle data and extracts the effective charge start point, charge peak point, and effective discharge end point of the cycle, and the extracted effective charge start point and charge peak. Calculating the slope of the straight line generated by connecting the points as the charging voltage slope, and calculating the slope of the straight line generated by connecting the charging peak point and the effective discharge end point as the discharge voltage slope, the charging voltage and the discharging voltage of the cycle Calculating an SOH weight of a smaller value as the difference between the slope and the reference charge voltage and discharge voltage slope period in the preset reference cycle increases, and correcting and outputting the predicted SOH value by multiplying the SOH weight by the predicted SOH value A method for detecting an abnormal cell of a lithium ion battery pack and predicting SOH is provided.

본 발명에 의하면, 리튬이온 배터리팩 및 배터리셀의 충방전 상태에 대응되는 전압, 캐패시티, 온도, 습도의 다양한 파라메터를 근거로 열화특성이 반영된 임계값을 산출하고, 이를 이용하여 배터리셀 상태와 현재 SOH 예측값을 동시에 산출함으로써, 보다 정확한 배터리셀 상태 및 SOH 예측값을 제공할 수 있다.According to the present invention, a threshold value reflecting deterioration characteristics is calculated based on various parameters such as voltage, capacity, temperature, and humidity corresponding to the charging and discharging state of a lithium ion battery pack and battery cell, and using this, the battery cell state and By simultaneously calculating the current predicted SOH value, a more accurate battery cell state and predicted SOH value can be provided.

또한, 본 발명에서는 배터리셀의 전압과 캐패시티에 의한 전기화확적 특성 및 온도와 습도에 의한 외부환경적 특성을 고려한 각 파미터별 임계값을 이용하여 SOH 예측값을 산출하되, 충방전 사이클의 변화를 추가적으로 고려하여 SOH 예측값을 보정함으로써, 다양한 환경 조건들을 고려한 보다 신뢰성 있는 SOH 예측값을 제공하는 것이 가능하다. In addition, in the present invention, the SOH prediction value is calculated using the threshold value for each parameter in consideration of the electrochemical characteristics by the voltage and capacity of the battery cell and the external environmental characteristics by temperature and humidity, but the change in the charge/discharge cycle It is possible to provide a more reliable SOH prediction value considering various environmental conditions by correcting the SOH prediction value by additionally considering .

또한, 본 발명에서는 배터리팩의 임계값이 기준값 이상인 경우에 한하여 해당 배터리팩 내의 배터리셀 상태 검출 동작을 수행함으로써, 불필요한 배터리셀 상태 검출 동작 수행으로 인한 자원의 낭비를 방지할 수 있다. In addition, in the present invention, waste of resources due to unnecessary battery cell state detection can be prevented by performing the battery cell state detection operation in the battery pack only when the threshold value of the battery pack is equal to or greater than the reference value.

도1은 본 발명이 적용되는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 기능을 갖는 배터리 상태 감시장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도2는 도1에 도시된 임계값 산출부(200)의 학습모델을 설명하기 위한 도면.
도3은 도1에 도시된 임계값 산출부(200) 및 SOH 예측부(400)의 각 학습모델에 적용된 활성화 함수 특성을 도시한 도면.
도4는 도1에 도시된 SOH 예측부(400)의 SOH 예측값 보정방법을 설명하기 위한 도면.
도5는 도1에 도시된 배터리 상태 감시장치의 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 동작을 설명하기 위한 도면.
도6은 도5에 도시된 배터리셀 상태 판단과정(ST300)을 보다 상세히 설명하기 위한 도면.
도7은 도5에 도시된 배터리 SOH 예측과정(ST400)을 보다 상세히 설명하기 위한 도면.
1 is a diagram showing a schematic configuration of a battery state monitoring device having an abnormal cell detection and SOH prediction function of a lithium ion battery pack to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram for explaining a learning model of the threshold calculation unit 200 shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing activation function characteristics applied to each learning model of the threshold value calculator 200 and the SOH predictor 400 shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of correcting an SOH predicted value of the SOH predictor 400 shown in FIG. 1;
5 is a view for explaining an operation of detecting an abnormal cell of a lithium ion battery pack and predicting SOH of the battery state monitoring device shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a diagram for explaining a battery cell state determination process (ST300) shown in FIG. 5 in more detail;
FIG. 7 is a diagram for explaining a battery SOH prediction process (ST400) shown in FIG. 5 in more detail;

본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The embodiments described in the present invention and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, so the scope of the present invention is limited to the embodiments and drawings described in the text. should not be construed as being limited by That is, since the embodiment can be changed in various ways and can have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as being consistent with meanings in the context of related art, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings that are not clearly defined in the present invention.

도1은 본 발명이 적용되는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 기능을 갖는 배터리 상태 감시장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a battery state monitoring device having an abnormal cell detection and SOH prediction function of a lithium ion battery pack to which the present invention is applied.

도1을 참조하면, 본 발명에 적용되는 배터리 상태 감시장치는, 배터리정보 수집부(100)와 임계값 산출부(200), 배터리 상태 결정부(300) 및, SOH 예측부(400)를 포함한다. 이러한 배터리 상태 감시장치는 배터리 관리 시스템(BMS : Battery management system)내에 구비되어 운용되거나, 배터리 관리 시스템과 독립적인 장치로 될 수 있다. Referring to FIG. 1, the battery state monitoring device applied to the present invention includes a battery information collection unit 100, a threshold value calculation unit 200, a battery state determination unit 300, and an SOH prediction unit 400. do. The battery condition monitoring device may be provided and operated in a battery management system (BMS) or may be an independent device from the battery management system.

또한, 본 발명에 적용되는 배터리팩(10)은 복수의 배터리셀(S)을 포함하며, 하나 이상의 배터리팩(10)이 배터리 상태 감시장치에 연결될 수 있다. 그리고, 각 배터리셀(S)은 그 위치에 따라 열화 특성이 다르게 나타나며, 배터리팩(10)내에서 외측에 배치된 배터리셀이 배터리팩(10)의 중앙 부분에 위치한 셀 보다 상대적으로 열화속도가 빠르게 진행되는 특성을 갖는다.In addition, the battery pack 10 applied to the present invention includes a plurality of battery cells S, and one or more battery packs 10 may be connected to the battery state monitoring device. In addition, each battery cell (S) has different deterioration characteristics depending on its location, and the battery cell disposed outside the battery pack 10 has a relatively higher deterioration rate than the cell located in the center of the battery pack 10. It has fast-paced characteristics.

또한, 배터리팩(10) 내부 또는 외부에는 해당 배터리팩(10)에 구비된 각 배터리셀(S)의 충방전 사이클정보를 수집하여 출력하는 배터리 컨트롤러가 구비되어, 이를 통해 배터리정보 수집부(100)와 통신할 수 있다. In addition, a battery controller is provided inside or outside the battery pack 10 to collect and output charge/discharge cycle information of each battery cell S included in the corresponding battery pack 10, through which the battery information collection unit 100 ) can communicate with.

배터리정보 수집부(100)는 각 배터리셀(S)로부터 배터리팩 충/방전 사이클 데이터를 수집하고, 충/방전 데이터로부터 전압, 캐패시티(capacity), 온도, 습도의 4개 파라미터를 추출한다. 배터리정보 수집부(100)는 배터리셀(S)별 전압, 캐패시티, 온도 정보를 포함하는 셀 상태정보와, 배터리팩별 전압, 캐패시티, 온도 및 습도 정보를 포함하는 팩 상태정보를 추출한다. 이때, 배터리팩의 전압, 캐패시티, 온도 정보는 해당 배터리팩을 구성하는 모든 배터리셀(S)의 각 파라미터별 평균값으로 산출된다. 그리고, 습도정보는 배티리 팩 별로 수집되거나, 각 배터리셀 별로 수집된 셀별 습도값의 평균값으로 산출될 수 있다.The battery information collection unit 100 collects battery pack charge/discharge cycle data from each battery cell S, and extracts four parameters of voltage, capacity, temperature, and humidity from the charge/discharge data. The battery information collection unit 100 extracts cell state information including voltage, capacity, and temperature information for each battery cell S, and pack state information including voltage, capacity, temperature, and humidity information for each battery pack. At this time, the voltage, capacity, and temperature information of the battery pack is calculated as an average value for each parameter of all battery cells S constituting the battery pack. Also, the humidity information may be collected for each battery pack or may be calculated as an average value of humidity values for each cell collected for each battery cell.

임계값 산출부(200)는 학습 모델을 이용하여 배터리정보 수집부(100)에서 획득한 배터리 상태값에 대응되는 각 파라미터별 임계값을 산출한다. The threshold value calculation unit 200 calculates a threshold value for each parameter corresponding to the battery state value acquired by the battery information collection unit 100 using the learning model.

학습 모델은 도2에 도시된 바와 같이, 배터리 상태 파라미터별로 각각 구비되는 바, 전압 학습모델과, 캐패시티 학습모델, 온도 학습모델 및 습도 학습모델을 포함한다. As shown in FIG. 2, the learning model is provided for each battery state parameter, and includes a voltage learning model, a capacity learning model, a temperature learning model, and a humidity learning model.

이때, 전압 학습모델과 캐패시티 학습모델 및 온도 학습모델은 배터리팩 상태값과 배터리셀 상태값을 하나의 학습 모델내에서 병렬로 학습시켜 배터리셀별 임계값과 배터리팩의 임계값을 각각 출력한다. 그리고, 셀별 임계값을 출력하는 학습 모델은 셀 위치에 따라 서로 다른 열화특성이 적용된 임계값을 출력하도록 구성된다. 즉, 상기한 학습 모델은 배터리셀 위치값을 입력값으로 사용하여 동일 상태값에 대해 배티러팩(10)의 가운데에 배치된 셀보다 양 끝단에 배치된 셀이 상대적으로 낮은 임계값을 출력하도록 구성된다. In this case, the voltage learning model, the capacity learning model, and the temperature learning model learn battery pack state values and battery cell state values in parallel within one learning model, and output threshold values for each battery cell and battery pack threshold values, respectively. And, the learning model that outputs the threshold value for each cell is configured to output the threshold value to which different degradation characteristics are applied according to cell positions. That is, the above-described learning model uses the battery cell location value as an input value, and is configured so that cells disposed at both ends of the battery pack 10 output relatively lower threshold values than cells disposed in the middle of the battery pack 10 for the same state value. do.

또한, 습도 학습모델은 배터리팩 전체의 습도와 팩 내부 셀별 습도의 변화 양상이 거의 동일한 특성을 갖는다는 실험 결과에 기반하여 연산량을 감소시키기 위해 배터리팩에 대한 단일 파라미터로 학습시킨다. 즉, 습도 학습모델은 배터리팩에 대한 습도 임계값만을 산출하고, 배터리팩에 대한 습도 임계값을 해당 배터리팩 내의 모든 배터리셀의 습도 임계값으로 이용하도록 한다. In addition, the humidity learning model is trained as a single parameter for the battery pack in order to reduce the amount of calculation based on the experimental result that the humidity of the entire battery pack and the humidity of each cell inside the pack have almost the same characteristics. That is, the humidity learning model calculates only the humidity threshold value for the battery pack and uses the humidity threshold value for the battery pack as the humidity threshold value for all battery cells in the corresponding battery pack.

상기한 각 학습 모델은 RNN 구조의 시그모이드(Sigmoide) 함수를 이용하여 일정 시간 단위로 각 파라미터별 임계값을 산출한다. 시그모이드 함수는 도3 (A)에 도시된 바와 같이 입력값에 대해 "0 ~ 1" 값을 출력하는 특성을 갖는다. 즉, 각 파라미터별 임계값은 하기 수학식1으로 산출된다. Each learning model described above uses a sigmoid function of an RNN structure to calculate a threshold value for each parameter in units of a certain time. As shown in FIG. 3(A), the sigmoid function has a characteristic of outputting a value of “0 to 1” for an input value. That is, the threshold value for each parameter is calculated by Equation 1 below.

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, Vt, Ct, Tt, Ht 는 각각 전압 임계값, 캐패시티 임계값, 온도 임계값, 습도 임계값이고, σ는 시그모이드 함수, W는 열화 가중치, X는 입력값, B는 바이어스 값이며, * 는 컨볼루션 연산자이다. 여기서, 각 파라미터별 열화 가중치(W)와 바이어스 값(B)은 미리 설정되고, 셀별 열화 가중치(W)는 해당 셀의 위치에 따라 다르게 설정되는 것으로, 배터리팩(10)의 중심에서 멀어질수록 보다 큰 값으로 설정된다. Here, Vt, Ct, Tt, and Ht are the voltage threshold, capacity threshold, temperature threshold, and humidity threshold, respectively, σ is the sigmoid function, W is the degradation weight, X is the input value, and B is the bias value. , and * is the convolution operator. Here, the deterioration weight (W) and bias value (B) for each parameter are set in advance, and the deterioration weight (W) for each cell is set differently according to the location of the corresponding cell. set to a larger value.

즉, 각 파라미터별 임계값(Vt, Ct, Tt, Ht)은 입력값에 기 설정된 가중치를 컨볼루션 연산하고, 그 결과에 기 설정된 바이어스 값을 합 연산한 값을 시그모이드 함수에 적용하여 산출된다. That is, the threshold values (Vt, Ct, Tt, Ht) for each parameter are calculated by performing a convolution operation with a preset weight on the input value and applying a value calculated by summing the preset bias value to the result to the sigmoid function. do.

임계값 산출부(200)는 배터리팩별 전압 임계값과, 캐패시티 임계값, 온도 임계값 및 습도 임계값을 출력함과 더불어, 각 배터리팩(10)의 모든 배터리셀별 전압 임계값과 캐패시티 임계값, 온도 임계값을 출력한다.The threshold calculation unit 200 outputs voltage thresholds, capacity thresholds, temperature thresholds, and humidity thresholds for each battery pack, as well as voltage thresholds and capacity thresholds for all battery cells of each battery pack 10 . value, the temperature threshold is output.

배터리 상태 결정부(300)는 배터리정보 수집부(100)에서 수집된 각 파라미터별 실측값과 상기 임계값 산출부(200)에서 산출된 임계값간의 차이에 기반하여 배터리셀의 현재 상태를 판단한다. 이때, 배터리 상태 결정부(300)는 배터리팩(10)의 임계값과 실측값간의 차이가 기 설정된 기준값 이상인 경우 해당 배터리팩(10) 내의 모든 배터리셀별 상태 검출동작을 수행하되, 배터리셀별 실측값과 임계값간의 차이를 기반으로 각 배터리셀의 이상 상태 여부를 판단한다. The battery state determination unit 300 determines the current state of the battery cell based on the difference between the measured value for each parameter collected by the battery information collection unit 100 and the threshold value calculated by the threshold value calculation unit 200. . At this time, the battery state determining unit 300 performs a state detection operation for each battery cell in the corresponding battery pack 10 when the difference between the threshold value and the measured value of the battery pack 10 is equal to or greater than a predetermined reference value, but the measured value for each battery cell It is determined whether or not each battery cell is in an abnormal state based on the difference between ? and a threshold value.

SOH 예측부(400)는 상기 임계값 산출부(200)에서 산출된 각 파라미터별 임계값을 ReLU(Rectified Linear Unit)함수에 기반한 학습모델에 적용하여 배터리팩 및 배터리셀에 대한 SOH 예측값을 산출한다. The SOH prediction unit 400 applies the threshold value for each parameter calculated by the threshold value calculation unit 200 to a learning model based on a Rectified Linear Unit (ReLU) function to calculate SOH prediction values for the battery pack and battery cell. .

ReLU 함수는 도3 (B)에 도시된 바와 같이 "0"보다 작은 값이 나온 경우 "0"을 반환하고, "0"보다 큰 값이 나온 경우 해당 출력값을 그대로 출력하는 특성을 갖는다. 즉, 배터리팩 및 각 배터리셀의 SOH 예측값은 하기 수학식2에 의해 산출된다. As shown in FIG. 3(B), the ReLU function returns “0” when a value smaller than “0” is obtained, and outputs the corresponding output value as it is when a value greater than “0” is obtained. That is, the predicted SOH value of the battery pack and each battery cell is calculated by Equation 2 below.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, Pt는 전기화학적 요소에 기반한 제1 가중치이고, Qt 는 외부환경 요소에 기반한 제2 가중치, ReLU 은 ReLU 함수, h 는 출력값(SOH 예측값), K는 운용 가중치이다. 여기서, K 는 배터리팩 운용 환경을 고려한 가중치이다. Here, Pt is a first weight based on an electrochemical factor, Qt is a second weight based on an external environment factor, ReLU is a ReLU function, h is an output value (SOH prediction value), and K is an operating weight. Here, K is a weight considering the battery pack operating environment.

즉, SOH 예측부(400)는 배터리팩 및 각 배터리셀별 전압 임계값과 캐패시티 임계값을 근거로 전기화학적 요소에 대한 제1 가중치를 산출하고, 온도 임계값과 습도 임계값을 근거로 외부환경 요소에 대한 제2 가중치를 산출하여 이전 SOH 예측값에 각각 컨볼루션 연산한 값의 합을 해당 배터리팩 및 각 배터리셀별 SOH예측값으로 각각 산출한다.That is, the SOH predictor 400 calculates the first weight for the electrochemical factor based on the voltage threshold and the capacity threshold for each battery pack and each battery cell, and the external environment based on the temperature threshold and humidity threshold. A second weight for each element is calculated, and a sum of values obtained by performing a convolution operation on previous SOH predicted values is calculated as an SOH predicted value for each battery pack and each battery cell.

결과적으로 본 발명에서 SOH 예측부(400)는 배터리셀 위치별 열화 가중치를 반영하여 산출된 임계값을 근거로 전기화학적 요인과 외부환경 요인에 기반한 SOH 값을 출력하게 되는 바, 보다 정확한 SOH 값을 예측하는 것이 가능하다. As a result, in the present invention, the SOH predictor 400 outputs an SOH value based on electrochemical factors and external environmental factors based on the threshold value calculated by reflecting the deterioration weight for each battery cell position, so that a more accurate SOH value can be obtained. it is possible to predict

또한, SOH 예측부(400)는 기 설정된 기준 사이클을 시작으로 각 사이클마다의 특징 포인트(specific point)를 각각 추출하고, 추출된 특징 포인트를 연결하여 해당 사이클에서의 충전전압 기울기와 방전전압 기울기를 각각 산출하며, 충전전압 기울기와 방전전압 기울기를 근거로 SOH 출력값에 가중치를 추가 적용하여 최종 SOH 값을 출력할 수 있다.In addition, the SOH predictor 400 extracts a specific point for each cycle starting from a preset reference cycle, and connects the extracted feature points to determine the charging voltage slope and the discharge voltage slope in the corresponding cycle. Each is calculated, and a final SOH value can be output by additionally applying a weight to the SOH output value based on the slope of the charging voltage and the slope of the discharging voltage.

이때, SOH 예측부(400)는 도4에 도시된 바와 같이 하나의 충방전 사이클에서 유효충전시작지점(P1)과, 충전 피크지점(P2), 유효방전종료지점(P3)을 특징 포인트로 추출하고, 수학적 알고리즘을 이용하여 유효충전시작지점(P1)과 충전 피크지점(P2)을 연결하는 직선의 기울기를 충전 전압 기울기로 산출함과 더불어, 충전 피크지점(P2)과 유효방전종료지점(P3)을 연결하는 직선의 기울기를 방전 전압 기울기로 산출한다. 도4에는 기준 사이클, 예컨대 세번째 사이클에 대한 충방전 전압 기울기와, 현재 사이클(n번째 사이클)에 대한 충방전 전압 기울기가 예시되어 있다. At this time, as shown in FIG. 4, the SOH predictor 400 extracts the effective charge start point P1, charge peak point P2, and effective discharge end point P3 as feature points in one charge/discharge cycle. And, using a mathematical algorithm, the slope of the straight line connecting the effective charging start point (P1) and the charging peak point (P2) is calculated as the charging voltage slope, and the charging peak point (P2) and the effective discharge end point (P3 ) is calculated as the slope of the discharge voltage. 4 illustrates a charge/discharge voltage slope for a reference cycle, for example, a third cycle, and a charge/discharge voltage slope for a current cycle (nth cycle).

SOH 예측부(400)는 기준 사이클에서의 기준 충전 전압 기울기와 현재 사이클의 충전 전압 기울기간의 차이값과 기준 방전 전압 기울기 절대값과 현재 사이클의 방전 전압 기울기 절대값간의 차이값이 클수록, 기준 충전 전압 기울기 대비 현재 사이클의 충전 전압 기울기 비율과 기준 방전 전압 기울기 절대값 대비 현재 사이클의 방전 전압 기울기 절대값 비율이 작을수록 보다 작은값의 가중치를 SOH 예측값에 적용하여 보다 작은 SOH 예측값이 최종적으로 출력되도록 구성될 수 있다. The SOH prediction unit 400 increases the difference between the reference charging voltage slope in the reference cycle and the charging voltage slope of the current cycle and the absolute value of the reference discharge voltage slope and the absolute value of the discharge voltage slope in the current cycle. The smaller the ratio of the current cycle's charging voltage slope to the slope and the absolute value of the current cycle's discharge voltage slope to the absolute value of the reference discharge voltage slope, the smaller the weighted value is applied to the SOH prediction value so that the smaller SOH prediction value is finally output. It can be.

이어, 상기한 구성으로 된 배터리 상태 감시장치의 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 동작을 도5 내지 도7에 도시된 흐름도를 참조하여 설명한다.Subsequently, the operation of detecting abnormal cells of the lithium ion battery pack and predicting SOH of the battery state monitoring device configured as described above will be described with reference to flowcharts shown in FIGS. 5 to 7 .

도5를 참조하면, 배터리 상태 감시장치는 배터리팩(10)으로부터 인가되는 충방전 사이클에서 각 배터리셀(S)별 전압, 캐패시티, 온도 및 습도의 4개 파라미터에 대한 상태값을 획득하고, 각 파라미터에 대한 배터리셀(S)별 상태값의 평균값을 해당 배터리팩에 대한 각 파라미터별 상태값으로 산출하여 배터리 상태값을 획득한다(ST100). 이때, 충방전 사이클은 특징 포인트가 모두 포함된 온전한 하나의 사이클을 이루는 데이터로 이루어지며, 현재 사이클의 충방전이 진행중이라면, 이전 사이클의 전체 데이터를 이용하여 전압, 캐패시티, 온도 및 습도의 4개 파라미터에 대한 상태값을 획득할 수 있다. Referring to FIG. 5, the battery state monitoring device acquires state values for four parameters of voltage, capacity, temperature, and humidity for each battery cell (S) in a charge/discharge cycle applied from the battery pack 10, A battery state value is obtained by calculating an average value of state values for each battery cell S for each parameter as a state value for each parameter for a corresponding battery pack (ST100). At this time, the charge/discharge cycle is composed of data constituting one complete cycle including all feature points, and if charge/discharge of the current cycle is in progress, 4 values of voltage, capacity, temperature and humidity are used using the entire data of the previous cycle. State values for each parameter can be obtained.

이어, 배터리 상태 감시장치는 배터리 상태값을 미리 학습된 학습모델을 이용하여 각 파라미터별 임계값을 산출한다(ST200). 이때, 학습모델은 배터리셀 위치별 열화특성이 반영된 모델로서, 수학식1의 알고리즘에 따라 배터리팩에 대한 전압 임계값(Vt)과 캐패시티 임계값(Ct), 온도 임계값(Tt) 및 습도 임계값(Ht)을 출력하고, 각 배터리셀별 전압 임계값(Vt)과 캐패시티 임계값(Ct), 온도 임계값(Tt)을 출력한다.Subsequently, the battery state monitoring device calculates a threshold value for each parameter using a learning model pre-learned for the battery state value (ST200). At this time, the learning model is a model in which deterioration characteristics of each battery cell location are reflected, and the voltage threshold value (Vt), capacity threshold value (Ct), temperature threshold value (Tt) and humidity of the battery pack according to the algorithm of Equation 1 A threshold value (Ht) is output, and a voltage threshold value (Vt), a capacity threshold value (Ct), and a temperature threshold value (Tt) for each battery cell are output.

이후, 배터리 상태 감시장치는 상기 ST200 단계에서 산출된 각 파라미터별 임계값을 근거로 해당 배터리팩내 배터리셀별 임계값에 기반한 배터리셀 상태 검출 동작을 수행하여 배터리셀 상태를 판단한다(ST300).Thereafter, the battery state monitoring apparatus determines the battery cell state by performing a battery cell state detection operation based on the threshold value for each battery cell in the battery pack based on the threshold value for each parameter calculated in step ST200 (ST300).

또한, 배터리 상태 감시장치는 서로 다른 임계값을 이용하여 제1 및 제2 가중치를 산출하고, 이를 이전 시간의 SOH 예측값에 적용하여 현재 SOH 예측값을 산출한다(ST400).In addition, the battery state monitoring device calculates first and second weights using different threshold values and applies them to the SOH prediction value of the previous time to calculate the current SOH prediction value (ST400).

이어 도6을 참조하여 도5에 도시된 배터리셀 상태 판단과정(ST300)을 보다 상세히 설명한다.Next, referring to FIG. 6, the battery cell state determination process (ST300) shown in FIG. 5 will be described in more detail.

도6을 참조하면, 배터리 상태 감시장치는 배터리팩(10)의 전압 실측값과 전압 임계값간의 제1 차이값과 캐패시티 실측값과 캐패시티 임계값간의 제2 차이값을 각각 산출한다(ST310). 이때, 전압 실측값과 캐패시티 실측값은 배터리팩(10)으로부터 인가된 신호에서 획득한 값이고, 전압 임계값과 캐패시티 임계값은 도5의 ST200 단계에서 학습모델에 의해 출력된 값이다.Referring to FIG. 6, the battery state monitoring apparatus calculates a first difference between the measured voltage of the battery pack 10 and the voltage threshold and a second difference between the measured capacity and the threshold, respectively (ST310). ). At this time, the measured voltage value and the measured capacity value are values obtained from a signal applied from the battery pack 10, and the voltage threshold value and the capacity threshold value are values output by the learning model in step ST200 of FIG. 5.

배터리 상태 감시장치는 상기 ST310 단계에서 제1 및 제2 차이값 모두가 기 설정된 기준 차이값 미만인지를 판단한다(ST320). 이때, 기준값은 셀의 개수와 운용 환경 변수를 고려한 에러값으로 설정되며, "0.001 ~ 0.01" 범위의 값으로 설정된다. The battery state monitoring device determines whether both the first and second difference values are less than a predetermined reference difference value in step ST310 (ST320). At this time, the reference value is set to an error value considering the number of cells and operating environment variables, and is set to a value in the range of "0.001 to 0.01".

상기 ST320 단계에서 전압과 캐패시티의 실측값과 임계값간의 차이값이 모두 기준값 미만인 경우, 배터리 상태 감시장치는 해당 배터리팩(10)을 안정적인 운용상태로 판단한다(ST330).In the step ST320, when the difference between the measured values of the voltage and the capacity and the threshold is less than the reference value, the battery state monitoring apparatus determines the battery pack 10 to be in a stable operating state (ST330).

한편, 상기 ST320 단계에서 제1 또는 제2 차이값 중 적어도 하나의 차이값이 기준 차이값 이상인 경우, 배터리 상태 감시장치는 해당 배터리팩(10)에 구비된 모든 배터리셀에 대한 상태 검출동작을 순차적으로 수행한다. Meanwhile, in the step ST320, when at least one of the first and second difference values is equal to or greater than the reference difference value, the battery state monitoring device sequentially performs state detection operations for all battery cells included in the corresponding battery pack 10. do it with

즉, 배터리 상태 감시장치는 배터리셀의 전압 실측값과 전압 임계값, 캐패시티 실측값과 캐패시티 임계값간의 차이값을 산출한다(ST340). 이때, 전압 실측값과 캐패시티 실측값은 해당 배터리셀로부터 인가된 신호에서 획득한 값이고, 전압 임계값과 캐패시티 임계값은 도5의 ST200 단계에서 학습모델에 의해 출력된 값이다. That is, the battery state monitoring apparatus calculates the difference between the measured voltage value of the battery cell and the voltage threshold value, and the measured capacity value and the capacity threshold value (ST340). In this case, the measured voltage value and the measured capacity value are values obtained from a signal applied from the corresponding battery cell, and the voltage threshold value and the capacity threshold value are values output by the learning model in step ST200 of FIG. 5 .

그리고, 배터리 상태 감시장치는 상기 ST340 단계에서 산출된 전압 또는 캐패시티의 실측값과 임계값간의 차이값이 기 설정된 기준값 미만인지의 제1 조건을 만족하는지를 판단한다(ST350). Then, the battery state monitoring device determines whether the first condition of whether the difference between the measured value of the voltage or capacity calculated in step ST340 and the threshold value is less than a preset reference value is satisfied (ST350).

상기 ST350 단계에서 전압과 캐패시티의 실측값과 임계값간의 차이값이 모두 기준값 미만인 경우, 배터리 상태 감시장치는 해당 배터리셀을 안정적인 운용상태로 판단한다(ST330).In the step ST350, when the difference between the measured values of the voltage and the capacity and the threshold value are all less than the reference value, the battery state monitoring apparatus determines the battery cell to be in a stable operating state (ST330).

한편, 상기 ST350 단계에서 전압과 캐패시티 중 적어도 하나의 실측값과 임계값간의 차이값이 기준값 이상으로 제1 조건을 만족하지 않으면, 배터리 상태 감시장치는 해당 배터리셀의 기 설정된 기준 사이클 대비 평균 온도 및 습도 변화량을 산출한다(ST360). 이때, 기준 사이클은 해당 배티리 셀의 세번째 사이클로 설정되며, 세번째 사이클 동작시의 온도와 습도를 기준 온도 및 기준 습도로 설정하여 현재 사이클까지의 평균 온도 및 평균 습도와의 차이값을 산출한다.Meanwhile, in the step ST350, if the difference between the measured value of at least one of the voltage and the capacity and the threshold value is higher than the reference value and does not satisfy the first condition, the battery condition monitoring device determines the average temperature of the corresponding battery cell compared to the preset reference cycle. And the amount of change in humidity is calculated (ST360). At this time, the reference cycle is set as the third cycle of the corresponding battery cell, and the difference between the average temperature and average humidity up to the current cycle is calculated by setting the temperature and humidity during the third cycle operation as the reference temperature and reference humidity.

그리고, 배터리 상태 감시장치는 상기 ST360 단계에서 산출된 기준 사이클 대비 평균 온도 및 습도 변화량이 온도 임계값과 습도 임계값 미만인지의 제2 조건을 만족하는지를 판단한다(ST370). 여기서, 온도 임계값과 습도 임계값은 해당 배터리셀에 대해 도5의 ST200 단계에서 학습모델에 의해 출력된 값이다.Then, the battery state monitoring device determines whether the second condition of whether the average temperature and humidity change amount compared to the reference cycle calculated in the step ST360 is less than the temperature threshold value and the humidity threshold value is satisfied (ST370). Here, the temperature threshold and humidity threshold are values output by the learning model in step ST200 of FIG. 5 for the corresponding battery cell.

상기 ST370 단계에서 기준 사이클 대비 평균 온도 및 습도 변화량이 모두 기준값 미만으로 제2 조건을 만족하는 경우, 배터리 상태 감시장치는 해당 배터리셀이 온습도는 안정하나 성능 열화된 상태로 판단한다(ST380). 이는 배터리셀은 정상적으로 운용되지만, 특정 배터리셀의 전기화학적 성능이 떨어져 있는 상태로서, 배터리관리시스템(미도시)의 셀 밸런싱 모듈 등과 연계하여 안정적으로 운용되도록 조치할 수 있다. In the step ST370, if both the average temperature and humidity change compared to the reference cycle are less than the reference value and satisfy the second condition, the battery state monitoring device determines that the battery cell is in a stable temperature and humidity state, but has deteriorated performance (ST380). This is a state in which the battery cell is normally operated, but the electrochemical performance of a specific battery cell is degraded, and measures can be taken to operate stably in connection with a cell balancing module of a battery management system (not shown).

한편, 상기 ST370 단계에서 기준 사이클 대비 평균 온도와 습도 변화량 중 적어도 하나가 기준값 이상으로 제2 조건을 만족하지 않는 경우, 배터리 상태 감시장치는 해당 배터리셀을 비정상 상태로 판단한다(ST390). 비정상 상태는 전기화학적 성능과 외부 환경에 모두 문제가 있는 상태로서, 해당 배터리셀을 교체하는 등의 능동적인 조치를 통해 보다 안정적으로 시스템을 운용할 수 있도록 한다.On the other hand, in the step ST370, when at least one of the average temperature and humidity change compared to the reference cycle does not satisfy the second condition by a reference value or more, the battery state monitoring device determines the battery cell to be in an abnormal state (ST390). The abnormal state is a state in which there is a problem in both electrochemical performance and the external environment, and the system can be operated more stably through active measures such as replacing the battery cell.

이때, 상술한 ST340 내지 ST390의 동작은 해당 배터리팩(10)에 구비된 모든 배터리셀에 대해 동일하게 수행한다.At this time, the above-described operations of ST340 to ST390 are equally performed for all battery cells provided in the corresponding battery pack 10 .

이어, 도7을 참조하여 도5에 도시된 배터리 SOH 예측과정(ST400)을 보다 상세히 설명한다.Next, with reference to FIG. 7, the battery SOH prediction process (ST400) shown in FIG. 5 will be described in more detail.

도7을 참조하면, 배터리 상태 감시장치는 도5의 ST200 단계에서 산출된 전압 임계값과 캐패시티 임계값을 ReLU 함수에 기반한 학습 모델에 적용하여 전기화학적 요소에 따른 제1 가중치를 산출한다(ST410). 이때, 제1 가중치는 상기 수학식2의 Pt 값으로 산출된다.Referring to FIG. 7, the battery state monitoring apparatus calculates a first weight according to an electrochemical factor by applying the voltage threshold and the capacity threshold calculated in step ST200 of FIG. 5 to a learning model based on the ReLU function (ST410). ). At this time, the first weight is calculated as the Pt value of Equation 2 above.

또한, 배터리 상태 감시장치는 도5의 ST200 단계에서 산출된 온도 임계값과 습도 임계값을 ReLU 함수에 기반한 학습 모델에 적용하여 외부환경 요소에 따른 제2 가중치를 산출한다(ST420). 이때, 제2 가중치는 상기 수학식2의 Qt 값으로 산출된다.In addition, the battery state monitoring apparatus applies the temperature threshold and humidity threshold calculated in step ST200 of FIG. 5 to a learning model based on the ReLU function to calculate a second weight according to external environmental factors (ST420). At this time, the second weight is calculated as the Qt value of Equation 2 above.

이어, 배터리 상태 감시장치는 상기 제1 및 제2 가중치를 이용하여 해당 배터리팩 또는 해당 배터리셀에 대한 SOH 예측값을 산출한다(ST430). 이때, SOH 예측값은 상기 수학식2의 h(t)값으로 산출된다.Subsequently, the battery state monitoring apparatus calculates an SOH prediction value for the corresponding battery pack or the corresponding battery cell using the first and second weights (ST430). At this time, the SOH predicted value is calculated as the h(t) value of Equation 2 above.

또한, 배터리 상태 감시장치는 상기 배터리팩(10)으로부터 인가되는 충방전 사이클 데이터를 기반으로 해당 사이클의 유효충전시작지점, 충전 피크지점, 유효방전종료지점을 추출하고, 유효충전시작지점과 충전 피크지점을 연결하여 생성된 직선의 기울기를 충전전압 기울기로 산출하고, 충전 피크지점과 유효방전종료지점을 연결하여 생성된 직선의 기울기를 방전전압 기울기로 산출한다(ST440).In addition, the battery condition monitoring device extracts the effective charge start point, charge peak point, and effective discharge end point of the cycle based on the charge and discharge cycle data applied from the battery pack 10, and the effective charge start point and charge peak point. The slope of the straight line created by connecting the points is calculated as the charging voltage slope, and the slope of the straight line created by connecting the charging peak point and the effective discharge end point is calculated as the discharge voltage slope (ST440).

이어, 배터리 상태 감시장치는 충전전압/방전전압 기울기과 기 설정된 기준 사이클에서의 기준 충전전압/방전전압 기울기간의 차이에 대응되는 SOH 가중치를 산출한다(ST450). 이때, SOH 가중치는 충전전압 기울기와 방전전압 기울기를 입력으로 하여 SOH를 최적의 예측값으로 출력하기 위한 SOH 가중치를 출력하는 별도의 학습모델을 통해 결정될 수 있다. 즉, 해당 사이클의 충전전압 및 방전전압 기울기와 기 설정된 기준 사이클에서의 기준 충전전압 및 방전전압 기울기간의 차이가 클수록 보다 작은 값의 SOH 가중치가 산출된다.Subsequently, the battery state monitoring device calculates an SOH weight corresponding to a difference between the charge voltage/discharge voltage slope and the reference charge/discharge voltage slope period in a preset reference cycle (ST450). In this case, the SOH weight may be determined through a separate learning model that outputs an SOH weight for outputting the SOH as an optimal predicted value by taking the charging voltage slope and the discharge voltage slope as inputs. That is, as the difference between the charge voltage and discharge voltage slopes of the corresponding cycle and the reference charge voltage and discharge voltage slopes in the preset reference cycle increases, a smaller SOH weight is calculated.

그리고, 배터리 상태 감시장치는 상기 ST450 단계에서 산출된 SOH 가중치를 이용하여 상기 ST430단계에서 산출된 SOH 예측값을 보정함으로써, 최적의 SOH 예측값을 출력한다(ST460). 즉, 배터리 상태 감시장치는 SOH 가중치를 SOH 예측값에 곱 연산하여 상기 ST430 단계에서 산출된 임계값에 기반한 SOH 예측값을 충방전 사이클에 의한 가중치를 통해 추가적으로 보정하여 출력한다.Then, the battery state monitoring device corrects the predicted SOH value calculated in the step ST430 using the SOH weight calculated in the step ST450, and outputs an optimal predicted SOH value (ST460). That is, the battery state monitoring device multiplies the SOH weight by the SOH prediction value, and additionally corrects and outputs the SOH prediction value based on the threshold value calculated in the step ST430 through the weight according to the charge/discharge cycle.

100 : 배터리 정보 수집부, 200 : 임계값 산출부,
300 : 배터리 상태 검출부, 400 : SOH 예측부,
10 : 배터리팩, S : 배터리셀.
100: battery information collection unit, 200: threshold value calculation unit,
300: battery state detection unit, 400: SOH prediction unit,
10: battery pack, S: battery cell.

Claims (8)

배터리 상태 감시장치에서 다수의 배터리셀로 이루어지는 리튬이온 배터리팩으로부터 인가되는 신호를 분석하여 리튬이온 배터리팩의 현재 상태를 감시하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법에 있어서,
배터리 상태 감시장치에서 리튬이온 배터리팩과 해당 리튬이온 배터리팩 내의 각 배터리셀에 대한 전압, 캐패시티, 온도, 습도 의 4개 파라미터에 대한 실측값을 획득하는 제1 단계와,
배터리 상태 감시장치에서 리튬이온 배터리팩과 해당 리튬이온 배터리팩 내의 각 배터리셀에 대한 전압, 캐패시티, 온도, 습도 실측값을 배터리셀 위치정보와 함께 각 파라미터별 학습모델에 입력하여 각 파라미터별 임계값을 산출하되, 상기 학습모델은 배터리셀 위치에 따라 서로 다른 열화특성이 적용된 임계값을 출력하는 제2 단계,
배터리 상태 감시장치에서 배터리팩의 임계값과 실측값간의 차이가 기 설정된 기준값 이상인 경우 해당 배터리팩내의 모든 배터리셀별 상태 검출동작을 수행하되, 배터리셀별 실측값과 임계값간의 차이를 기반으로 각 배터리셀의 이상 상태 여부를 판단하는 제3 단계 및,
배터리 상태 감시장치에서 배터리팩 및 각 배터리셀별 전압 임계값과 캐패시티 임계값을 근거로 전기화학적 요소에 대한 제1 가중치를 산출하고, 온도 임계값과 습도 임계값을 근거로 외부환경 요소에 대한 제2 가중치를 산출하여 이전 SOH 예측값에 각각 컨볼루션 연산한 값의 합을 해당 배터리팩 및 각 배터리셀별 SOH예측값으로 각각 산출하는 제4 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법.
A method for detecting abnormal cells in a lithium ion battery pack and predicting SOH by analyzing a signal applied from a lithium ion battery pack composed of a plurality of battery cells in a battery state monitoring device to monitor the current state of the lithium ion battery pack,
A first step of acquiring actual measured values for four parameters of voltage, capacity, temperature, and humidity for a lithium ion battery pack and each battery cell in the lithium ion battery pack in a battery condition monitoring device;
In the battery condition monitoring device, the measured values of the voltage, capacity, temperature, and humidity of each battery cell in the lithium-ion battery pack and the corresponding lithium-ion battery pack are entered into the learning model for each parameter along with the battery cell location information, and the threshold for each parameter is entered. A second step of calculating a value, but the learning model outputs a threshold value to which different deterioration characteristics are applied according to the location of the battery cell;
In the battery condition monitoring device, if the difference between the threshold value and the measured value of the battery pack is greater than the preset reference value, the state detection operation is performed for each battery cell in the battery pack, and each battery cell is based on the difference between the measured value and the threshold value for each battery cell. A third step of determining whether or not is in an abnormal state, and
In the battery condition monitoring device, a first weight value for an electrochemical element is calculated based on a voltage threshold value and a capacity threshold value for each battery pack and each battery cell, and a control value for external environmental factors is determined based on a temperature threshold value and a humidity threshold value. 2. An abnormal cell of a lithium-ion battery pack, characterized in that it comprises a fourth step of calculating the weight and calculating the sum of the values obtained by convolution with the previous SOH predicted value as the SOH predicted value for the corresponding battery pack and each battery cell, respectively. Detection and SOH prediction methods.
제1항에 있어서,
상기 제2 단계에서 배터리셀 위치에 따른 열화특성이 적용된 학습모델은 시그노이드 함수를 이용한 모델로서, 하기 수학식에 따라 각 파라미터별 임계값을 출력하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법.
Figure pat00006

여기서, Vt, Ct, Tt, Ht 는 각각 전압 임계값, 캐패시티 임계값, 온도 임계값, 습도 임계값이고, σ는 시그모이드 함수, W는 열화 가중치, X는 입력값, B는 바이어스 값, * 는 컨볼루션 연산자이며, 상기 열화 가중치(W)는 배터리셀의 위치가 배터리팩의 중심에서 멀어질수록 보다 큰 값으로 설정됨.
According to claim 1,
In the second step, the learning model to which the deterioration characteristics according to the battery cell position are applied is a model using a signoid function, and a threshold value for each parameter is output according to the following equation. and SOH prediction methods.
Figure pat00006

Here, Vt, Ct, Tt, and Ht are the voltage threshold, capacity threshold, temperature threshold, and humidity threshold, respectively, σ is the sigmoid function, W is the degradation weight, X is the input value, and B is the bias value. , * is a convolution operator, and the deterioration weight (W) is set to a larger value as the location of the battery cell is farther from the center of the battery pack.
제1항 또는 제2항에 있어서
상기 습도 학습모델은 배터리팩에 대한 습도 임계값만을 산출하고,
배터리 상태 감시장치는 배터리팩에 대한 습도 임계값을 해당 배터리팩 내의 모든 배터리셀의 습도 임계값으로 이용하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법.
According to claim 1 or 2
The humidity learning model calculates only the humidity threshold for the battery pack,
A method for detecting abnormal cells in a lithium ion battery pack and predicting SOH, characterized in that the battery condition monitoring device uses a humidity threshold for the battery pack as a humidity threshold for all battery cells in the battery pack.
제1항에 있어서,
상기 제3 단계는 배터리 상태 감시장치에서 배터리팩 전압 실측값과 전압 임계값간의 제1 차이값과 배터리팩 캐패시티 실측값과 캐패시티 임계값간의 제2 차이값 중 적어도 하나가 기 설정된 기준 차이값 이상인 경우 해당 배터리팩 내의 모든 배터리셀에 대한 상태 검출 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법.
According to claim 1,
In the third step, at least one of the first difference between the measured battery pack voltage and the voltage threshold and the second difference between the measured battery pack capacity and the capacity threshold in the battery state monitoring device is a preset reference difference value. A method for detecting abnormal cells in a lithium-ion battery pack and predicting SOH, characterized in that in the case of an abnormality, a state detection operation is performed for all battery cells in the corresponding battery pack.
제4항에 있어서,
상기 제3 단계에서 배터리셀 상태 검출 동작은,
배터리셀의 전압 실측값과 전압 임계값간의 차이값과 캐패시티 실측값과 캐패시티 임계값간의 차이값이 모두 기 설정된 기준값 미만인 제1 조건을 만족하면 해당 배터리셀을 안정상태로 판단하는 단계와,
상기 제1 조건을 만족하지 않으면서, 기 설정된 기준 사이클 대비 해당 배터리셀의 평균 온도 변화량과 평균 습도 변화량이 온도 임계값과 습도 임계값 미만인 제2 조건을 만족하면, 배터리셀의 성능 열화상태로 판단하는 단계 및,
상기 제1 조건과 제2 조건을 만족하지 않으면, 배터리셀이 비정상 상태인 것으로 판단하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법.
According to claim 4,
The battery cell state detection operation in the third step,
Determining that the battery cell is in a stable state when a difference value between the measured voltage value of the battery cell and the voltage threshold value and the difference value between the measured capacity value and the capacity threshold value both satisfy a first condition that is less than a preset reference value;
If the first condition is not satisfied and the average temperature change and average humidity change of the battery cell compared to the preset reference cycle satisfy the second condition that is less than the temperature threshold and humidity threshold, the battery cell is determined to be in a performance deterioration state Steps to do and
A method for detecting an abnormal cell in a lithium ion battery pack and predicting SOH, characterized in that it comprises the step of determining that the battery cell is in an abnormal state when the first condition and the second condition are not satisfied.
제1항에 있어서,
상기 제4 단계에서 제1 가중치와 제2 가중치는 ReLU 함수에 의해 산출되는 것으로, 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법.
Figure pat00007

여기서, Pt는 제1 가중치, Qt 는 제2 가중치, ReLU 은 ReLU 함수, h(t-1)은 이전 SOH 예측값이고, * 는 컨볼루션 연산자임.
According to claim 1,
In the fourth step, the first weight and the second weight are calculated by the ReLU function, and the abnormal cell detection and SOH prediction method of the lithium ion battery pack, characterized in that calculated by the following equation.
Figure pat00007

Here, Pt is the first weight, Qt is the second weight, ReLU is the ReLU function, h(t-1) is the previous SOH prediction value, and * is the convolution operator.
제6항에 있어서,
상기 제4 단계에서 SOH 예측값은 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법.
Figure pat00008

여기서, h(t)는 SOH 예측값이고, K 는 운용 가중치임.
According to claim 6,
In the fourth step, the SOH prediction value is calculated by the following equation.
Figure pat00008

Here, h(t) is the predicted value of SOH, and K is the operating weight.
제1항, 6항, 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제4 단계에서 배터리 상태 감시장치는 충방전 사이클 데이터를 수집하여 해당 사이클의 유효충전시작지점, 충전 피크지점, 유효방전종료지점을 추출하는 단계와,
추출된 유효충전시작지점과 충전 피크지점을 연결하여 생성된 직선의 기울기를 충전전압 기울기로 산출하고, 충전 피크지점과 유효방전종료지점을 연결하여 생성된 직선의 기울기를 방전전압 기울기로 산출하는 단계,
해당 사이클의 충전전압 및 방전전압 기울기와 기 설정된 기준 사이클에서의 기준 충전전압 및 방전전압 기울기간의 차이가 클수록 보다 작은 값의 SOH 가중치를 산출하는 단계 및,
SOH 가중치를 SOH 예측값에 곱 연산하여 SOH 예측값을 보정출력하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법.
The method of any one of claims 1, 6, and 7,
In the fourth step, the battery state monitoring device collects charge/discharge cycle data and extracts an effective charge start point, a charge peak point, and an effective discharge end point of the cycle;
Calculating the slope of the straight line generated by connecting the extracted effective charge start point and the charging peak point as the charging voltage slope, and calculating the slope of the straight line generated by connecting the charging peak point and the effective discharge end point as the discharge voltage slope ,
Calculating an SOH weight of a smaller value as the difference between the slope of the charge voltage and discharge voltage of the corresponding cycle and the slope of the reference charge voltage and discharge voltage in the preset reference cycle increases;
A method for detecting an abnormal cell in a lithium ion battery pack and predicting SOH, further comprising the step of correcting and outputting the predicted SOH value by multiplying the SOH weight by the predicted SOH value.
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