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WO2021054618A1 - 배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량 - Google Patents

배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량 Download PDF

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WO2021054618A1
WO2021054618A1 PCT/KR2020/010918 KR2020010918W WO2021054618A1 WO 2021054618 A1 WO2021054618 A1 WO 2021054618A1 KR 2020010918 W KR2020010918 W KR 2020010918W WO 2021054618 A1 WO2021054618 A1 WO 2021054618A1
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WO
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battery
capacity curve
differential capacity
value
charging
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/010918
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English (en)
French (fr)
Inventor
차아밍
배윤정
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
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Priority to US17/440,905 priority patent/US12007449B2/en
Priority to PL20866793.1T priority patent/PL3982141T3/pl
Priority to JP2021546327A priority patent/JP7159524B2/ja
Priority to CN202080029169.3A priority patent/CN113711461B/zh
Priority to ES20866793T priority patent/ES2975509T3/es
Publication of WO2021054618A1 publication Critical patent/WO2021054618A1/ko

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a technique for determining deterioration information of a battery.
  • deterioration information information related to deterioration of a battery
  • capacity curve representing a correspondence relationship between the voltage and capacity of the battery.
  • Differential Capacity Analysis determines the deterioration information of the battery from the differential capacity curve instead of the capacity curve.
  • DCA Differential Capacity Analysis
  • the present invention is a battery from at least four differential capacity curves obtained by performing a charging process and a discharging process at least once using two or more constant currents having different current rates, respectively.
  • An object of the present invention is to provide a battery management device, a battery management method, a battery pack, and an electric vehicle for determining degradation information.
  • a battery management apparatus includes: a sensing unit configured to detect a voltage and current of a battery and output a sensing signal representing the detected voltage and the detected current; And a control unit operatively coupled to the sensing unit.
  • the control unit determines a first differential capacity curve based on a first voltage history and a first capacity history of the battery acquired during a first period in which the battery is charged with a first constant current.
  • the control unit determines a second differential capacity curve based on a second voltage history and a second capacity history of the battery acquired during a second period in which the battery is discharged with the first constant current.
  • the control unit determines a third differential capacity curve based on a third voltage history and a third capacity history of the battery acquired during a third period in which the battery is charged with a second constant current different from the first constant current.
  • the control unit determines a fourth differential capacity curve based on a fourth voltage history and a fourth capacity history of the battery acquired during a fourth period in which the battery is discharged with the second constant current.
  • the control unit detects a first charging characteristic point from the first differential capacity curve.
  • the control unit detects a first discharge characteristic point from the second differential capacity curve.
  • the control unit detects a second charging characteristic point from the third differential capacity curve.
  • the control unit detects a second discharge characteristic point from the fourth differential capacity curve.
  • the control unit determines the deterioration information of the battery based on the first and second charging characteristic values and the first and second discharge characteristic values.
  • the first and second charging characteristic values are voltage values of the first and second charging characteristic points, respectively.
  • the first and second discharge characteristic values are voltage values of the first and second discharge characteristic points, respectively.
  • the first charging characteristic point is a peak positioned in a first predetermined order among peaks of the first differential capacity curve.
  • the first discharge characteristic point is a peak positioned in the first predetermined order among peaks of the second differential capacity curve.
  • the second charging characteristic point is a peak positioned in the first predetermined order among peaks of the third differential capacity curve.
  • the second discharge characteristic point is a peak positioned in the first predetermined order among peaks of the fourth differential capacity curve.
  • the controller may determine a first hysteresis value representing an absolute value of a difference between the first charging characteristic value and the first discharge characteristic value.
  • the controller may determine a second hysteresis value indicating an absolute value of a difference between the second charging characteristic value and the second discharge characteristic value.
  • the deterioration information may include the first and second hysteresis values.
  • the deterioration information may further include a first difference value that is an absolute value of a difference between the first hysteresis value and the second hysteresis value.
  • the controller may further detect a third charging characteristic point from the first differential capacity curve.
  • a third discharge characteristic point may be further detected from the second differential capacity curve.
  • the controller may further detect a fourth charging characteristic point from the third differential capacity curve.
  • the controller may further detect a fourth discharge characteristic point from the fourth differential capacity curve.
  • the control unit may further determine the deterioration information based on third and fourth charging feature values and third and fourth discharge feature values.
  • the third and fourth charging characteristic values are voltage values of the third and fourth charging characteristic points, respectively.
  • the third and fourth discharge characteristic values are voltage values of the third and fourth discharge characteristic points, respectively.
  • the third charging characteristic point is a peak positioned in a second predetermined order among peaks of the first differential capacity curve.
  • the third discharge characteristic point is a peak positioned in the second predetermined order among peaks of the second differential capacity curve.
  • the fourth charging characteristic point is a peak positioned in the second predetermined order among peaks of the third differential capacity curve.
  • the fourth discharge characteristic point is a peak positioned in the second predetermined order among peaks of the fourth differential capacity curve.
  • the controller may determine a third hysteresis value indicating an absolute value of a difference between the third charging characteristic value and the third discharge characteristic value.
  • the controller may determine a fourth hysteresis value indicating an absolute value of a difference between the fourth charging characteristic value and the fourth discharge characteristic value.
  • the deterioration information may further include the third and fourth hysteresis values.
  • the deterioration information includes a second difference value that is an absolute value of a difference between the third hysteresis value and the fourth hysteresis value, a third difference value that is an absolute value of the difference between the first hysteresis value and the third hysteresis value, and the It may further include at least one of a fourth difference value that is an absolute value of a difference between the second hysteresis value and the fourth hysteresis value.
  • the controller may determine a maximum current rate allowed for charging and discharging the battery based on the deterioration information.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention includes the battery management device.
  • An electric vehicle includes the battery pack.
  • a battery management method uses the battery management device.
  • the controller calculates the first differential capacity curve based on a first voltage history and a first capacity history of the battery acquired during the first period when the battery is charged with the first constant current.
  • Determining Determining; Determining, by the controller, the second differential capacity curve based on a second voltage history and a second capacity history of the battery acquired during the second period in which the battery is discharged with the first constant current; Determining, by the controller, the third differential capacity curve based on a third voltage history and a third capacity history of the battery acquired during the third period in which the battery is charged with the second constant current; Determining, by the control unit, the fourth differential capacity curve based on a fourth voltage history and a fourth capacity history of the battery acquired during the fourth period in which the battery is discharged with the second constant current; Detecting, by the control unit, the first charging characteristic point from the first differential capacity curve; Detecting, by the control unit, the first discharge characteristic point from the second differential capacity curve; Detecting, by the control unit, the second charging characteristic point from the third differential capacity curve; Detecting, by the control unit, the second discharge characteristic point from the fourth differential capacity curve; And determining, by the control unit, the deterioration information based on the
  • deterioration information of a battery may be determined from at least four differential capacity curves obtained by performing a charging process and a discharging process at least once using different constant currents, respectively.
  • FIG. 1 is a diagram showing an exemplary configuration of an electric system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph exemplarily showing first to fourth capacity curves determined by the battery management apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a graph exemplarily showing first and second differential capacity curves corresponding to the first and second capacity curves of FIG. 2 on a one-to-one basis.
  • FIG. 4 is a graph exemplarily showing third and fourth differential capacity curves corresponding to the third and fourth capacity curves of FIG. 2 on a one-to-one basis.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an exemplary battery management method according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a battery management method according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • control unit> described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a diagram exemplarily showing a configuration of an electric system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a graph exemplarily showing first to fourth capacity curves determined by the battery management apparatus of FIG. 1 .
  • the battery pack 10 is provided to be installed in an electric system 1 (eg, an electric vehicle), and includes a battery B, a switch SW, and a battery management device 100 do.
  • an electric system 1 eg, an electric vehicle
  • the battery B includes a battery B, a switch SW, and a battery management device 100 do.
  • the positive terminal and the negative terminal of the battery B are electrically connected to the battery management device 100.
  • the battery B includes at least one unit cell.
  • the unit cell may be, for example, a lithium ion battery.
  • the type of the unit cell is not limited to the lithium ion battery, and another type of battery cell capable of repetitive charging and discharging may be used as the unit cell.
  • the switch SW is provided in the current path for charging and discharging the battery B. While the switch SW is turned on, charging and discharging of the battery B is possible.
  • the switch SW may be a mechanical relay that is turned on and off by a magnetic force of a coil or a semiconductor switch such as a Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor (MOSFET). While the switch SW is turned off, charging and discharging of the battery B is stopped.
  • the switch SW may be turned on in response to a first switching signal from the switch driver 200.
  • the switch SW may be turned off in response to a second switching signal from the switch driver 200.
  • the battery management apparatus 100 is provided to determine deterioration information of the battery B, and to control charge/discharge of the battery B based on the deterioration information.
  • the battery management apparatus 100 includes a sensing unit 110, a control unit 120, and a memory unit 130.
  • the battery management apparatus 100 may further include at least one of an interface unit 140 and a switch driver 200.
  • the sensing unit 110 includes a voltage sensor 111 and a current sensor 112.
  • the voltage sensor 111 is electrically connected to the positive terminal and the negative terminal of the battery B.
  • the voltage sensor 111 is configured to detect a voltage across both ends of the battery B every unit time (eg, 0.01 seconds) while the battery B is being charged or discharged.
  • the current sensor 112 is installed in a current path for charging and discharging the battery B.
  • the current sensor 112 is configured to detect the current of the battery B every unit time while the battery B is being charged or discharged.
  • the sensing unit 110 is configured to periodically output a sensing signal representing the voltage and current of the battery B detected every unit time to the controller 120.
  • control unit 120 includes application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), and microprocessors. It may be implemented using at least one of (microprocessors) and electrical units for performing other functions.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • microprocessors It may be implemented using at least one of (microprocessors) and electrical units for performing other functions.
  • the control unit 120 is operatively coupled to at least one of the sensing unit 110, the memory unit 130, the interface unit 140, and the switch driver 200.
  • the controller 120 may instruct the switch driver 200 to turn on the switch SW. In other situations, the controller 120 may instruct the switch driver 200 to turn off the switch SW.
  • the control unit 120 sequentially records the sensing signals from the sensing unit 110 in the memory unit 130 to obtain data representing the voltage history, current history, and capacity history of the battery B over an arbitrary period.
  • the history of a parameter refers to a time-series change of a parameter over a certain period.
  • the voltage history, current history, and capacity history of the battery B may be related to the same period or different periods.
  • the capacity of the battery B at the characteristic time point indicates the amount of charge stored in the battery B at the characteristic time point.
  • the controller 120 may determine the capacity history from the current history of the battery B using amperage counting. For example, the current capacity is equal to the sum of the capacity change amount obtained by multiplying the current detected at the current time by the unit time and the previous capacity.
  • the controller 120 determines a first capacity curve 201, a second capacity curve 202, a third capacity curve 203, and a fourth capacity curve 204 of the battery B.
  • Q max of FIG. 2 is the maximum capacity of the battery B, and may be the capacity of the battery B when the SOC of the battery B is 100% (that is, when the battery B is fully charged). . Q max gradually decreases as the battery B deteriorates.
  • the first capacity curve 201 shows that the battery B is in a second SOC (eg, 95%, higher than the first SOC) from a first state of charge (SOC) (eg, 0%, 5%, etc.).
  • SOC state of charge
  • the first capacitance curve 201 is based on a sensing signal periodically output by the sensing unit 110 during a first period.
  • the controller 120 may control the switch driver 200 so that the battery B is charged with a constant current of the first current rate during the first period.
  • the second capacity curve 202 is a second voltage history and a second voltage history acquired during a period in which the battery B is discharged with a first constant current from the second SOC to the first SOC (hereinafter referred to as a'second period'). 2 Shows the correspondence between dose history.
  • the second capacity curve 202 is based on a sensing signal periodically output by the sensing unit 110 during a second period.
  • the controller 120 may control the switch driver 200 to discharge the battery B with the second constant current during the second period.
  • the third capacity curve 203 is a period in which the battery B is charged with a second constant current having a second current rate (eg, 0.05C) different from the first current rate from the first SOC to the second SOC (hereinafter, ').
  • the third capacitance curve 203 is based on a sensing signal periodically output by the sensing unit 110 during a third period.
  • the controller 120 may control the switch driver 200 to charge the battery B with the second constant current during the third period. In the following, it will be assumed that the second current rate is greater than the first current rate.
  • the fourth capacity curve 204 is a fourth voltage history and a fourth voltage history acquired during a period in which the battery B is discharged from the second SOC to the first SOC with a second constant current (hereinafter referred to as'fourth period'). 4 Shows the correspondence between dose history.
  • the fourth capacitance curve 204 is based on a sensing signal periodically output by the sensing unit 110 during the fourth period.
  • the controller 120 may control the switch driver 200 so that the battery B is discharged at a constant current of the second current rate during the fourth period.
  • the first to fourth periods do not overlap with each other, and the relationship between the preceding and following is not particularly limited.
  • the controller 120 may control charging and discharging of the battery B such that a time interval between two adjacent periods is less than or equal to a predetermined time (eg, 5 hours).
  • a predetermined time eg, 5 hours.
  • the control unit 120 The second period is started when a certain amount of time (e.g., 3 hours) has elapsed from the end of the period, and the third period is started when a certain amount of time has elapsed from the end of the second period.
  • the fourth period may be started when a certain time has elapsed from the end point.
  • the voltage difference between any two capacity curves is due to the voltage drop across the battery (B) and the hysteresis characteristics of the battery (B) caused by the internal resistance of the battery (B) when current flows through the battery (B). will be.
  • This hysteresis characteristic is due to the difference between the voltage at which the phase transition occurs while the battery B is charging and the voltage at which the phase transition occurs during the discharge of the battery B. As the battery B deteriorates and the current flowing through the battery B The larger is, the more clearly it can appear.
  • the controller 120 may determine a voltage change amount dV and a capacity change amount dQ of the battery B for each unit time from the first capacity curve 201.
  • the control unit 120 stores a first data set indicating a correspondence relationship between the voltage V, the capacity Q, the voltage change amount dV, and the capacity change amount dQ of the battery B for each unit time determined from the first capacity curve 201. It can be stored in the unit 130.
  • the controller 120 may determine a first differential capacity curve from the first data set.
  • the first differential capacity curve represents the relationship between the ratio dQ/dV of the capacity change dQ of the battery B to the voltage V of the battery B and the voltage change dV of the battery B during the first period. It may also be referred to as a 1 V-dQ/dV curve.
  • the controller 120 may determine a voltage change amount dV and a capacity change amount dQ of the battery B for each unit time from the second capacity curve 202.
  • the control unit 120 stores a second data set indicating a correspondence relationship between the voltage V, the capacity Q, the voltage change amount dV, and the capacity change amount dQ of the battery B for each unit time determined from the second capacity curve 202. It can be stored in the unit 130.
  • the controller 120 may determine a second differential capacity curve from the second data set.
  • the second differential capacity curve represents a relationship between the ratio dQ/dV of the capacity change dQ of the battery B to the voltage V of the battery B and the voltage change dV of the battery B during the second period. It may also be referred to as a 2 V-dQ/dV curve.
  • the controller 120 may determine a voltage change amount dV and a capacity change amount dQ of the battery B for each unit time from the third capacity curve 203.
  • the control unit 120 stores a third data set indicating a correspondence relationship between the voltage V, the capacity Q, the voltage change amount dV, and the capacity change amount dQ of the battery B for each unit time determined from the third capacity curve 203. It can be stored in the unit 130.
  • the controller 120 may determine a third differential capacity curve from the third data set.
  • the third differential capacity curve represents the relationship between the ratio dQ/dV of the capacity change dQ of the battery B to the voltage V of the battery B and the voltage change dV of the battery B during the third period. It may also be referred to as a 3 V-dQ/dV curve.
  • the controller 120 may determine a voltage change amount dV and a capacity change amount dQ of the battery B for each unit time from the fourth capacity curve 204.
  • the control unit 120 stores a fourth data set indicating a correspondence relationship between the voltage V, the capacity Q, the voltage change amount dV, and the capacity change amount dQ of the battery B for each unit time determined from the fourth capacity curve 204. It can be stored in the unit 130.
  • the controller 120 may determine a fourth differential capacity curve from the fourth data set.
  • the fourth differential capacity curve represents the relationship between the ratio dQ/dV of the capacity change dQ of the battery B to the voltage V of the battery B during the fourth period and the voltage change dV of the battery B. It may also be referred to as a 4 V-dQ/dV curve.
  • dQ/dV is a differential value obtained by differentiating the capacitance Q by the voltage V, and may also be referred to as'differential capacity'.
  • the memory unit 130 is operatively coupled to the control unit 120.
  • the memory unit 130 may be operatively coupled to the sensing unit 110 as well.
  • the memory unit 130 is configured to store a sensing signal from the sensing unit 110.
  • the memory unit 130 may store data and programs required for an operation by the control unit 120.
  • the memory unit 130 may store data representing a result of an operation operation performed by the control unit 120.
  • the memory unit 130 is, for example, a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type, an SDD type, and a multimedia card micro type.
  • card micro type random access memory (RAM), static random access memory (SRAM), read-only memory (ROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), programmable read-only memory (PROM)
  • RAM random access memory
  • SRAM static random access memory
  • ROM read-only memory
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • PROM programmable read-only memory
  • the switch driver 200 is electrically coupled to the battery management device 100 and the switch SW.
  • the switch driver 200 is configured to selectively output a first switching signal or a second switching signal to the switch SW in response to a command from the battery management apparatus 100.
  • the interface unit 140 is configured to support wired communication or wireless communication between the control unit 120 and the upper controller 2 (eg, an ECU: Electronic Control Unit) of the electric system 1.
  • Wired communication may be, for example, CAN (controller area network) communication
  • wireless communication may be, for example, Zigbee or Bluetooth communication.
  • the interface unit 140 may include an output device such as a display or a speaker that provides information on degradation of the battery B determined by the control unit 120 in a form recognizable by a user.
  • the interface unit 140 may also include an input device such as a mouse or a keyboard that can receive data from a user.
  • FIG. 3 is a graph exemplarily showing first and second differential capacity curves corresponding one-to-one to the first and second capacity curves of FIG. 2, and FIG. 4 is a one-to-one corresponding to the third and fourth capacity curves of FIG. 2. It is a graph showing the third and fourth differential capacity curves by way of example.
  • the first differential capacity curve 301 may be determined from the first capacity curve 201.
  • the second differential capacity curve 302 may be determined from the second capacity curve 202.
  • the third differential capacity curve 303 may be determined from the third capacity curve 203.
  • the fourth differential capacity curve 304 may be determined from the fourth capacity curve 204.
  • the second differential capacity curve 302 and the fourth differential capacity curve 304 obtained through discharge are shown in the lower side of FIGS. 3 and 4, respectively.
  • the number of peaks located in each of the first to fourth differential capacity curves 301, 302, 303, and 304 depends on the electrode material of the battery B, or the like. Accordingly, even if the battery B is deteriorated, the total number (or minimum number) of peaks of each of the first to fourth differential capacity curves 301, 302, 303, and 304 may be constant. Each peak refers to a maximum point or a minimum point.
  • the first differential capacity curve 301 includes peaks P C1_1 , P C1_2 , P C1_3
  • the second differential capacity curve 302 indicates peaks P D1_1 , P D1_2 , P D1_3
  • the third differential capacity curve 303 includes peaks P C2_1 , P C2_2 , P C2_3
  • the fourth differential capacity curve 304 is peaks P D2_1 , P D2_2 and P D2_3 ).
  • Each of the peaks P C1_1 , P C1_2 , and P C1_3 of the first differential capacity curve 301 may be referred to as a charging characteristic point of the first differential capacity curve 301.
  • the controller 120 may store a charging characteristic value representing each of the voltage values V C1_1 , V C1_2, and V C1_3 of the peaks P C1_1 , P C1_2 , and P C1_3 in the memory unit 130.
  • Each of the peaks P D1_1 , P D1_2 , and P D1_3 of the second differential capacity curve 302 may be referred to as a discharge characteristic point of the second differential capacity curve 302.
  • the controller 120 may store a discharge characteristic value representing each of the voltage values V D1_1 , V D1_2, and V D1_3 of the peaks P D1_1 , P D1_2 , and P D1_3 in the memory unit 130.
  • Each of the peaks P C2_1 , P C2_2 , and P C2_3 of the third differential capacity curve 303 may be referred to as a charging characteristic point of the third differential capacity curve 303.
  • the controller 120 may store a charging characteristic value representing each of the voltage values V C2_1 , V C2_2, and V C2_3 of the peaks P C2_1 , P C2_2 , and P C2_3 in the memory unit 130.
  • Each of the peaks P D2_1 , P D2_2 , and P D2_3 of the fourth differential capacity curve 304 may be referred to as a discharge characteristic point of the fourth differential capacity curve 304.
  • the controller 120 may store a discharge characteristic value representing each of the voltage values V D2_1 , V D2_2, and V D2_3 of the peaks P D2_1 , P D2_2 , and P D2_3 in the memory unit 130.
  • a peak P C1_1 , a peak P C1_2 , and a peak P C1_3 are located in the order of the smallest voltage V.
  • a peak P D1_1 , a peak P D1_2 , and a peak P D1_3 are located in the order of the smallest voltage V.
  • a peak P C2_1 , a peak P C2_2 , and a peak P C2_3 are located in the order of the smallest voltage V.
  • the peak P D2_1 , the peak P D2_2 , and the peak P D2_3 are located in the order of the smallest voltage V.
  • the peaks P C1_1 , P D1_1 , P C2_1 , P D2_1 are located in the same order, and the peaks P C1_2 , P D1_2 , P C2_2 , P D2_2 ) are located in the same order, and it is assumed that the peaks P C1_3 , P D1_3 , P C2_3 , P D2_3 are located in the same order.
  • the two charging characteristic points have different charging voltage values. That is, the charging characteristic value (V C2_1) charging characteristic value is greater than (V C1_1), charge characteristic value (V C2_2) charging characteristic value is greater than (V C1_2), charge characteristic value (V C2_3) charging characteristic value ( V is greater than C1_3 ).
  • the discharge characteristic value (V D2_1) is the discharge characteristic value is smaller than (V D1_1)
  • the discharge characteristic value (V D2_2) is smaller than the discharge characteristic value (V D1_2)
  • the discharge characteristic value (V D2_3) is the discharge characteristic value ( V is smaller than D1_3 ).
  • the voltage difference between the charging characteristic points and the discharge characteristic points located in the same order of the third differential capacity curve 303 and the fourth differential capacity curve 304 is the first differential capacity curve 301 and the second differential capacity curve ( It can be seen that the voltage difference between the charging characteristic points and the discharging characteristic points located in the same order of 302) is greater than the voltage difference.
  • the difference between the charging characteristic value (V C2_1) and discharge characteristic value (V D2_1) is larger than the difference between the charging characteristic value (V C1_1) and discharge characteristic value (V D1_1).
  • the difference between the charging characteristic value (V C2_2) and discharge characteristic value (V D2_2) is larger than the difference between the charging characteristic value (V C1_2) and discharge characteristic value (V D1_2).
  • the difference between the charging characteristic value (V C2_3) and discharge characteristic value (V D2_3) is larger than the difference between the charging characteristic value (V C1_3) and discharge characteristic value (V D1_3).
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an exemplary battery management method according to the first embodiment of the present invention.
  • step S500 the controller 120 includes a first voltage history and a first capacity history of the battery B acquired during a first period in which the battery B is charged with a first constant current. Based on, the first differential capacity curve 301 is determined.
  • step S505 the control unit 120, based on the second voltage history and the second capacity history of the battery B acquired during the second period in which the battery B is discharged with the first constant current, the second differential capacity curve Determine 302.
  • step S510 the control unit 120, based on the third voltage history and the third capacity history of the battery B acquired during the third period in which the battery B is charged with the second constant current, the third differential capacity curve (303) is determined.
  • step S515 the control unit 120, based on the fourth voltage history and the fourth capacity history of the battery B acquired during the fourth period in which the battery B is discharged with the second constant current, the fourth differential capacity curve Decide on (304).
  • step S520 the control unit 120 detects a first charging characteristic point from the first differential capacity curve 301.
  • First charging feature point from among the first peak in the differential capacity curve (301) (C1_1 P, P C1_2, C1_3 P), the first peak may be located in the predetermined order.
  • the first predetermined order may be the first in the order in which the voltage is small, and in this case, the peak P C1_1 may be determined as the first charging characteristic point.
  • step S525 the control unit 120 detects the first discharge characteristic point from the second differential capacity curve 302.
  • First discharge feature point from among the second peak of the differential capacity curve (302) (P D1_1, P D1_2, D1_3 P), the first peak may be located in the predetermined order.
  • the peak P D1_1 may be determined as the first discharge characteristic point.
  • step S530 the control unit 120 detects a second charging characteristic point from the third differential capacity curve 303.
  • Second charging feature point, and the third from the peak of a differential capacity curve (303) (C2_1 P, P C2_2, C2_3 P) the first peak may be located in the predetermined order.
  • the peak P C2_1 may be determined as the second charging characteristic point.
  • step S535 the control unit 120 detects a second discharge characteristic point from the fourth differential capacity curve 304.
  • Second discharge characteristic point is the fourth from the peak of a differential capacity curve (304) (P D2_1, P D2_2, D2_3 P), the first peak may be located in the predetermined order.
  • the peak P D2_1 may be determined as the second discharge characteristic point.
  • the control unit 120 determines degradation information of the battery B based on the first and second charging characteristic values and the first and second discharge characteristic values.
  • the deterioration information includes a first hysteresis value ( ⁇ V hys1 ) and a second hysteresis value ( ⁇ V hys2 ).
  • the first hysteresis value ⁇ V hys1 represents an absolute value of a difference between the first charging characteristic value V C1_1 and the first discharge characteristic value V D1_1.
  • the second hysteresis value ⁇ V hys2 represents an absolute value of a difference between the second charging characteristic value V C2_1 and the second discharge characteristic value V D2_1.
  • the deterioration information may further include a first difference value that is an absolute value of a difference between the first hysteresis value ⁇ V hys1 and the second hysteresis value ⁇ V hys2.
  • step S545 the controller 120 controls charging and discharging of the battery B based on the deterioration information of the battery B.
  • the control unit 120 may reduce the maximum allowable current rate of the battery B, decrease the charging end voltage of the battery B, or The discharge end voltage of (B) can be increased.
  • the first threshold may be predetermined in consideration of the electrochemical characteristics of the battery B.
  • the maximum allowable current rate may be a maximum value of the current rate allowed for charging and discharging of the battery B.
  • the charging end voltage may be a maximum voltage that allows charging of the battery B.
  • the discharge end voltage may be a minimum value of a voltage at which discharge of the battery B is allowed.
  • the decrease in the maximum allowable current rate, the decrease in the charge end voltage, and the increase in the discharge stop voltage may be proportional to a ratio of the first difference value to the first threshold value. For example, when the first difference value is 1.1 times the first threshold value, the maximum allowable current rate may decrease by a ratio of 1/1.1 compared to the previous one.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a battery management method according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • steps S500 to S535 of the battery management method according to the first embodiment described above with reference to FIG. 5 are common. Therefore, hereinafter, a description will be made focusing on differences from the battery management method according to the first embodiment.
  • step S600 the controller 120 detects a third charging characteristic point from the first differential capacity curve 301.
  • Third charging feature point from among the first peak in the differential capacity curve (301) (C1_1 P, P C1_2, C1_3 P), the second peak may be positioned in a predetermined order.
  • the second predetermined order may be the third in the order of the smallest voltage, and in this case, the peak P C1_3 may be determined as the third charging characteristic point.
  • step S605 the control unit 120 detects a third discharge characteristic point from the second differential capacity curve 302.
  • Third discharge feature point from among the second peak of the differential capacity curve (302) (P D1_1, P D1_2, D1_3 P), the second peak may be positioned in a predetermined order.
  • the peak P D1_3 may be determined as the third discharge characteristic point.
  • step S610 the control unit 120 detects a fourth charging characteristic point from the third differential capacity curve 303.
  • a fourth charging feature point, from the third differential capacitance peaks (P C2_1, C2_2 P, P C2_3) of curve 303, the peak may be located in the second predetermined order.
  • the peak P C2_3 may be determined as the fourth charging feature point.
  • step S615 the control unit 120 detects a fourth discharge characteristic point from the fourth differential capacity curve 304.
  • the fourth discharge characteristic point is the fourth from the differential capacitance peaks (P D2_1, P D2_2, D2_3 P) of the curve 304, the second peak may be positioned in a predetermined order.
  • the peak P D2_3 may be determined as the fourth discharge characteristic point.
  • step S620 the controller 120 determines deterioration information of the battery B based on the first to fourth charging characteristic values and the first to fourth discharge characteristic values.
  • the degradation information includes first to fourth hysteresis values.
  • the third hysteresis value ⁇ V hys3 represents an absolute value of a difference between the third charge characteristic value V C1_3 and the third discharge characteristic value V D1_3.
  • the fourth hysteresis value ⁇ V hys4 represents an absolute value of a difference between the fourth charging characteristic value V C2_3 and the fourth discharge characteristic value V D2_3.
  • the deterioration information may further include a second difference value that is an absolute value of a difference between the third hysteresis value ⁇ V hys3 and the fourth hysteresis value ⁇ V hys4.
  • the deterioration information may further include a third difference value, which is an absolute value of a difference between the first hysteresis value ⁇ V hys1 and the third hysteresis value ⁇ V hys3.
  • the deterioration information may further include a fourth difference value that is an absolute value of a difference between the second hysteresis value ⁇ V hys2 and the fourth hysteresis value ⁇ V hys4.
  • step S625 the control unit 120 controls charging and discharging of the battery B based on the deterioration information of the battery B.
  • the battery B when the second difference value is greater than the second threshold value, the third difference value is greater than the third threshold value, or the fourth difference value is greater than the fourth threshold value, the battery B
  • the maximum allowable current rate of) may be reduced, the charging end voltage of the battery B may be reduced, or the discharge end voltage of the battery B may be increased.
  • Each of the second to fourth threshold values may be predetermined in consideration of the electrochemical characteristics of the battery B.
  • the decrease in the maximum allowable current rate, the decrease in the charge termination voltage, and the increase in the discharge termination voltage are the ratio of the first difference value to the first threshold value, the ratio of the second difference value to the second threshold value, and the third threshold value.
  • the maximum allowable current rate may decrease by a ratio of 1/1.2 compared to the previous one.
  • the ratio of the second difference value to the first difference value is outside the first threshold range or the ratio of the fourth difference value to the third difference value is outside the second threshold range
  • the maximum allowable current rate of the battery B may be reduced, the charging end voltage of the battery B may be reduced, or the discharge end voltage of the battery B may be increased.
  • Each of the first and second threshold ranges may be predetermined in consideration of the electrochemical characteristics of the battery B.
  • the decrease in the maximum allowable current rate, the decrease in the charge stop voltage, and the increase in the discharge stop voltage are proportional to the greater of the ratio of the second difference value to the first difference value and the ratio of the fourth difference value to the third difference value. can do.
  • the embodiments of the present invention described above are not implemented only through an apparatus and a method, but may be implemented through a program that realizes a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded. Implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiment.

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Abstract

배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법 및 배터리 팩이 제공된다. 상기 배터리 관리 장치는, 제1 정전류로 배터리를 충전하여 취득된 제1 미분 용량 커브, 상기 제1 정전류로 상기 배터리를 방전하여 취득된 제2 미분 용량 커브, 제2 정전류로 배터리를 충전하여 취득된 제3 미분 용량 커브 및 상기 제2 정전류로 상기 배터리를 방전하여 취득된 제4 미분 용량 커브 각각의 특징점을 검출하고, 각 미분 용량 커브로부터 검출된 특징점의 전압값을 기초로 상기 배터리의 퇴화 정보를 결정한다.

Description

배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량
본 발명은, 배터리의 퇴화 정보를 결정하기 위한 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 09월 19일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2019-0115464호에 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 차량, 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.
배터리의 전압과 용량 간의 대응 관계를 나타내는 용량 커브로부터 배터리의 퇴화에 연관된 정보(이하, '퇴화 정보'라고 함)를 결정하는 종래 기술이 존재한다. 그러나, 용량 커브에 있어서, 전압의 변화가 뚜렷하게 관측되지 않는 용량 범위가 존재하는 경우, 배터리의 퇴화 정보를 정확하게 결정하기가 어렵다.
위와 같은 단점을 해소하기 위한 미분 용량 분석법(DCA: Differential Capacity Analysis)은, 용량 커브 대신 미분 용량 커브로부터 배터리의 퇴화 정보를 결정한다. 그러나, 미분 용량 커브를 취득하기 위해 충전 과정과 방전 과정 중 어느 하나만을 진행하거나 단일의 전류 레이트만을 이용할 경우, 배터리의 퇴화에 강한 상관 관계를 가지는 히스테리시스 특성에 관련된 정보가 미분 용량 커브에 충분히 반영되지 못한다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 서로 다른 전류 레이트를 가지는 둘 이상의 정전류를 각각 이용하여 충전 과정 및 방전 과정을 적어도 한번씩 진행함으로써 취득되는 적어도 4개의 미분 용량 커브로부터 배터리의 퇴화 정보를 결정하는 배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량을 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, 배터리의 전압 및 전류를 검출하고, 검출된 전압 및 검출된 전류를 나타내는 센싱 신호를 출력하도록 구성되는 센싱부; 및 상기 센싱부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 배터리가 제1 정전류로 충전되는 제1 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제1 전압 이력 및 제1 용량 이력을 기초로, 제1 미분 용량 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 배터리가 상기 제1 정전류로 방전되는 제2 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제2 전압 이력 및 제2 용량 이력을 기초로, 제2 미분 용량 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 배터리가 상기 제1 정전류와 상이한 제2 정전류로 충전되는 제3 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제3 전압 이력 및 제3 용량 이력을 기초로, 제3 미분 용량 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 배터리가 상기 제2 정전류로 방전되는 제4 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제4 전압 이력 및 제4 용량 이력을 기초로, 제4 미분 용량 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 제1 미분 용량 커브로부터 제1 충전 특징점을 검출한다. 상기 제어부는, 상기 제2 미분 용량 커브로부터 제1 방전 특징점을 검출한다. 상기 제어부는, 상기 제3 미분 용량 커브로부터 제2 충전 특징점을 검출한다. 상기 제어부는, 상기 제4 미분 용량 커브로부터 제2 방전 특징점을 검출한다. 상기 제어부는, 제1 및 제2 충전 특징값과 제1 및 제2 방전 특징값을 기초로, 상기 배터리의 퇴화 정보를 결정한다. 상기 제1 및 제2 충전 특징값은 각각 상기 제1 및 제2 충전 특징점의 전압값이다. 상기 제1 및 제2 방전 특징값은 각각 상기 제1 및 제2 방전 특징점의 전압값이다.
상기 제1 충전 특징점은, 상기 제1 미분 용량 커브의 피크들 중에서 제1 소정 순서에 위치하는 피크이다. 상기 제1 방전 특징점은, 상기 제2 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제1 소정 순서에 위치하는 피크이다. 상기 제2 충전 특징점은, 상기 제3 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제1 소정 순서에 위치하는 피크이다. 상기 제2 방전 특징점은, 상기 제4 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제1 소정 순서에 위치하는 피크이다.
상기 제어부는, 상기 제1 충전 특징값과 상기 제1 방전 특징값 간의 차이의 절대값을 나타내는 제1 히스테리시스 값을 결정할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제2 충전 특징값과 상기 제2 방전 특징값 간의 차이의 절대값을 나타내는 제2 히스테리시스 값을 결정할 수 있다. 상기 퇴화 정보는, 상기 제1 및 제2 히스테리시스 값을 포함할 수 있다.
상기 퇴화 정보는, 상기 제1 히스테리시스 값과 상기 제2 히스테리시스 값 간의 차이의 절대값인 제1 차이값을 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 미분 용량 커브로부터 제3 충전 특징점을 더 검출할 수 있다. 상기 제2 미분 용량 커브로부터 제3 방전 특징점을 더 검출할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제3 미분 용량 커브로부터 제4 충전 특징점을 더 검출할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제4 미분 용량 커브로부터 제4 방전 특징점을 더 검출할 수 있다. 상기 제어부는, 제3 및 제4 충전 특징값과 제3 및 제4 방전 특징값을 더 기초로, 상기 퇴화 정보를 결정할 수 있다. 상기 제3 및 제4 충전 특징값은 각각 상기 제3 및 제4 충전 특징점의 전압값이다. 상기 제3 및 제4 방전 특징값은 각각 상기 제3 및 제4 방전 특징점의 전압값이다.
상기 제3 충전 특징점은, 상기 제1 미분 용량 커브의 피크들 중에서 제2 소정 순서에 위치하는 피크이다. 상기 제3 방전 특징점은, 상기 제2 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제2 소정 순서에 위치하는 피크이다. 상기 제4 충전 특징점은, 상기 제3 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제2 소정 순서에 위치하는 피크이다. 상기 제4 방전 특징점은, 상기 제4 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제2 소정 순서에 위치하는 피크이다.
상기 제어부는, 상기 제3 충전 특징값과 상기 제3 방전 특징값 간의 차이의 절대값을 나타내는 제3 히스테리시스 값을 결정할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제4 충전 특징값과 상기 제4 방전 특징값 간의 차이의 절대값을 나타내는 제4 히스테리시스 값을 결정할 수 있다. 상기 퇴화 정보는, 상기 제3 및 제4 히스테리시스 값을 더 포함할 수 있다.
상기 퇴화 정보는, 상기 제3 히스테리시스 값과 상기 제4 히스테리시스 값 간의 차이의 절대값인 제2 차이값, 상기 제1 히스테리시스 값과 상기 제3 히스테리시스 값 간의 차이의 절대값인 제3 차이값 및 상기 제2 히스테리시스 값과 상기 제4 히스테리시스 값 간의 차이의 절대값인 제4 차이값 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 퇴화 정보를 기초로, 상기 배터리의 충방전에 허용되는 최대 전류 레이트를 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은, 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 상기 배터리 관리 장치를 이용한다. 상기 배터리 관리 방법은, 상기 제어부가, 상기 배터리가 상기 제1 정전류로 충전되는 상기 제1 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제1 전압 이력 및 제1 용량 이력을 기초로, 상기 제1 미분 용량 커브를 결정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 배터리가 상기 제1 정전류로 방전되는 상기 제2 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제2 전압 이력 및 제2 용량 이력을 기초로, 상기 제2 미분 용량 커브를 결정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 배터리가 상기 제2 정전류로 충전되는 상기 제3 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제3 전압 이력 및 제3 용량 이력을 기초로, 상기 제3 미분 용량 커브를 결정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 배터리가 상기 제2 정전류로 방전되는 상기 제4 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제4 전압 이력 및 제4 용량 이력을 기초로, 상기 제4 미분 용량 커브를 결정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 제1 미분 용량 커브로부터 상기 제1 충전 특징점을 검출하는 단계; 상기 제어부가, 상기 제2 미분 용량 커브로부터 상기 제1 방전 특징점을 검출하는 단계; 상기 제어부가, 상기 제3 미분 용량 커브로부터 상기 제2 충전 특징점을 검출하는 단계; 상기 제어부가, 상기 제4 미분 용량 커브로부터 상기 제2 방전 특징점을 검출하는 단계; 및 상기 제어부가, 상기 제1 및 제2 충전 특징값 및 상기 제1 및 제2 방전 특징값을 기초로, 상기 퇴화 정보를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 서로 다른 정전류를 각각 이용하여 충전 과정 및 방전 과정을 적어도 한번씩 진행함으로써 취득되는 적어도 4개의 미분 용량 커브로부터 배터리의 퇴화 정보를 결정할 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 발명의 일 실시예에 따른 전기 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 관리 장치에 의해 결정되는 제1 내지 제4 용량 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 도 2의 제1 및 제2 용량 커브에 일대일 대응하는 제1 및 제2 미분 용량 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 2의 제3 및 제4 용량 커브에 일대일 대응하는 제3 및 제4 미분 용량 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 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.
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 발명의 일 실시예에 따른 전기 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 배터리 관리 장치에 의해 결정되는 제1 내지 제4 용량 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(10)은, 전기 시스템(1)(예, 전기 차량)에 설치 가능하도록 제공되는 것으로서, 배터리(B), 스위치(SW) 및 배터리 관리 장치(100)를 포함한다.
배터리(B)의 양극 단자 및 음극 단자는 배터리 관리 장치(100)에 전기적으로 연결된다. 배터리(B)는, 적어도 하나의 단위 셀을 포함한다. 단위 셀은, 예컨대 리튬 이온 배터리일 수 있다. 물론, 단위 셀의 종류가 리튬 이온 배터리로 한정되는 것은 아니며, 반복적인 충방전이 가능한 다른 종류의 배터리 셀이 단위 셀로서 이용될 수 있다.
스위치(SW)는, 배터리(B)의 충방전을 위한 전류 경로에 설치된다. 스위치(SW)가 턴 온되어 있는 동안, 배터리(B)의 충방전이 가능하다. 스위치(SW)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 릴레이이거나 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다. 스위치(SW)가 턴 오프되어 있는 동안, 배터리(B)의 충방전은 중단된다. 스위치(SW)는, 스위치 드라이버(200)로부터의 제1 스위칭 신호에 응답하여, 턴 온될 수 있다. 스위치(SW)는, 스위치 드라이버(200)로부터의 제2 스위칭 신호에 응답하여, 턴 오프될 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는, 배터리(B)의 퇴화 정보를 결정하고, 퇴화 정보를 기초로 배터리(B)의 충방전을 제어하도록 제공된다.
배터리 관리 장치(100)는, 센싱부(110), 제어부(120) 및 메모리부(130)를 포함한다. 배터리 관리 장치(100)는, 인터페이스부(140) 및 스위치 드라이버(200) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
센싱부(110)는, 전압 센서(111) 및 전류 센서(112)를 포함한다.
전압 센서(111)는, 배터리(B)의 양극 단자 및 음극 단자에 전기적으로 연결된다. 전압 센서(111)는, 배터리(B)가 충전 또는 방전되는 동안에, 배터리(B)의 양단에 걸친 전압을 단위 시간(예, 0.01초)마다 검출하도록 구성된다. 전류 센서(112)는, 배터리(B)의 충방전을 위한 전류 경로에 설치된다. 전류 센서(112)는, 배터리(B)가 충전 또는 방전되는 동안에, 배터리(B)의 전류를 단위 시간마다 검출하도록 구성된다.
센싱부(110)는, 단위 시간마다 검출되는 배터리(B)의 전압 및 전류를 나타내는 센싱 신호를 제어부(120)에게 주기적으로 출력하도록 구성된다.
제어부(120)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(120)는, 센싱부(110), 메모리부(130), 인터페이스부(140) 및 스위치 드라이버(200) 중 적어도 하나에 동작 가능하게 결합된다.
제어부(120)는, 소정의 이벤트(들) 중 적어도 하나가 발생된 경우, 스위치(SW)를 턴 온시킬 것을 스위치 드라이버(200)에게 명령할 수 있다. 그 외의 상황에서는, 제어부(120)는, 스위치(SW)를 턴 오프시킬 것을 스위치 드라이버(200)에게 명령할 수 있다.
제어부(120)는, 센싱부(110)로부터의 센싱 신호를 메모리부(130)에 순차 기록함으로써, 임의의 기간에 걸친 배터리(B)의 전압 이력, 전류 이력 및 용량 이력을 나타내는 데이터를 취득할 수 있다. 어떤 파라미터의 이력이란, 임의의 기간에 걸친 해당 파라미터의 시계열적 변화를 의미한다. 배터리(B)의 전압 이력, 전류 이력 및 용량 이력은, 서로 같은 기간 또는 서로 상이한 기간에 관한 것일 수 있다. 특징 시점에서의 배터리(B)의 용량이란, 그 특징 시점에 배터리(B)에 저장되어 있는 전하량을 나타낸다. 제어부(120)는, 암페어 카운팅을 이용하여, 배터리(B)의 전류 이력으로부터 용량 이력을 결정할 수 있다. 예컨대, 현회의 용량은, 현회에 검출된 전류에 단위 시간을 곱한 용량 변화량과 전회의 용량의 합과 동일하다.
도 2를 참조하면, 제어부(120)는, 배터리(B)의 제1 용량 커브(201), 제2 용량 커브(202), 제3 용량 커브(203) 및 제4 용량 커브(204)를 결정한다. 도 2의 Q max은, 배터리(B)의 최대 용량으로서, 배터리(B)의 SOC가 100%인 때(즉, 배터리(B)가 완전히 충전된 때)의 배터리(B)의 용량일 수 있다. Q max은, 배터리(B)가 퇴화됨에 따라 점차적으로 감소한다.
제1 용량 커브(201)는, 배터리(B)가 제1 충전 상태(SOC: State Of Charge)(예, 0%, 5% 등)로부터 제1 SOC보다 큰 제2 SOC(예, 95%, 100% 등)까지 제1 전류 레이트(예, 0.02C)의 제1 정전류로 충전되는 기간(이하, '제1 기간'이라고 칭함) 동안에 취득된, 제1 전압 이력과 제1 용량 이력 간의 대응 관계를 나타낸다. 제1 용량 커브(201)는, 제1 기간 동안 센싱부(110)에 의해 주기적으로 출력된 센싱 신호에 기초한다. 제어부(120)는, 제1 기간 동안 제1 전류 레이트의 정전류로 배터리(B)가 충전되도록 스위치 드라이버(200)를 제어할 수 있다.
제2 용량 커브(202)는, 배터리(B)가 제2 SOC로부터 제1 SOC까지 제1 정전류로 방전되는 기간(이하, '제2 기간'이라고 칭함) 동안에 취득된, 제2 전압 이력과 제2 용량 이력 간의 대응 관계를 나타낸다. 제2 용량 커브(202)는, 제2 기간 동안 센싱부(110)에 의해 주기적으로 출력된 센싱 신호에 기초한다. 제어부(120)는, 제2 기간 동안 제2 정전류로 배터리(B)가 방전되도록 스위치 드라이버(200)를 제어할 수 있다.
제3 용량 커브(203)는, 배터리(B)가 제1 SOC로부터 제2 SOC까지 제1 전류 레이트와 상이한 제2 전류 레이트(예, 0.05C)의 제2 정전류로 충전되는 기간(이하, '제3 기간'이라고 칭함) 동안에 취득된, 제3 전압 이력과 제3 용량 이력 간의 대응 관계를 나타낸다. 제3 용량 커브(203)는, 제3 기간 동안 센싱부(110)에 의해 주기적으로 출력된 센싱 신호에 기초한다. 제어부(120)는, 제3 기간 동안 제2 정전류로 배터리(B)가 충전되도록 스위치 드라이버(200)를 제어할 수 있다. 이하에서는, 제2 전류 레이트가 제1 전류 레이트보다 큰 것으로 가정하겠다.
제4 용량 커브(204)는, 배터리(B)가 제2 SOC로부터 제1 SOC까지 제2 정전류로 방전되는 기간(이하, '제4 기간'이라고 칭함) 동안에 취득된, 제4 전압 이력과 제4 용량 이력 간의 대응 관계를 나타낸다. 제4 용량 커브(204)는, 제4 기간 동안 센싱부(110)에 의해 주기적으로 출력된 센싱 신호에 기초한다. 제어부(120)는, 제4 기간 동안 제2 전류 레이트의 정전류로 배터리(B)가 방전되도록 스위치 드라이버(200)를 제어할 수 있다.
제1 내지 제4 기간은, 서로 중복되지 않으며, 상호 간의 선후 관계는 특별히 제한되지 않는다. 제어부(120)는, 서로 인접한 두 기간 사이의 시간 간격이 소정 시간(예, 5시간) 이하가 되도록 배터리(B)의 충방전을 제어할 수 있다. 예컨대, 제1 기간이 가장 앞서고, 제1 기간 다음 제2 기간이 도래하고, 제2 기간 다음 제3 기간이 도래하고, 제3 기간 다음 제4 기간이 도래하는 경우, 제어부(120)는 제1 기간의 종료 시점으로부터 일정 시간(예, 3시간)이 경과된 시점에 제2 기간을 개시하고, 제2 기간의 종료 시점으로부터 일정 시간이 경과된 시점에 제3 기간을 개시하고, 제3 기간의 종료 시점으로부터 일정 시간이 경과된 시점에 제4 기간을 개시할 수 있다.
0 ~ Q max 사이의 적어도 일부의 용량 범위 내에서, 동일 용량에서의 용량 커브들(201, 202, 203, 204) 간의 전압차가 존재하게 된다. 어느 두 용량 커브에 있어서의 전압차는, 배터리(B)를 통해 전류가 흐를 때에 배터리(B)의 내부 저항으로 인해 유발되는 배터리(B) 양단에 걸친 전압 강하와 배터리(B)의 히스테리시스 특성으로 인한 것이다. 이러한 히스테리시스 특성은, 배터리(B)가 충전 중에 상전이가 일어나는 전압과 배터리(B)의 방전 중에 상전이가 일어나는 전압 간의 차이로 인한 것으로서, 배터리(B)가 퇴화될수록 그리고 배터리(B)를 통해 흐르는 전류가 클수록 뚜렷하게 나타날 수 있다.
제어부(120)는, 제1 용량 커브(201)로부터 단위 시간마다의 배터리(B)의 전압 변화량 dV 및 용량 변화량 dQ을 결정할 수 있다. 제어부(120)는, 제1 용량 커브(201)로부터 결정되는, 단위 시간마다의 배터리(B)의 전압 V, 용량 Q, 전압 변화량 dV 및 용량 변화량 dQ의 대응 관계를 나타내는 제1 데이터 세트를 메모리부(130)에 저장할 수 있다. 제어부(120)는, 제1 데이터 세트로부터 제1 미분 용량 커브를 결정할 수 있다. 제1 미분 용량 커브는, 제1 기간 동안의 배터리(B)의 전압 V과 배터리(B)의 전압 변화 dV에 대한 배터리(B)의 용량 변화 dQ의 비율 dQ/dV 간의 관계를 나타내는 것으로서, 제1 V-dQ/dV 커브라고 칭할 수도 있다.
제어부(120)는, 제2 용량 커브(202)로부터 단위 시간마다의 배터리(B)의 전압 변화량 dV 및 용량 변화량 dQ을 결정할 수 있다. 제어부(120)는, 제2 용량 커브(202)로부터 결정되는, 단위 시간마다의 배터리(B)의 전압 V, 용량 Q, 전압 변화량 dV 및 용량 변화량 dQ의 대응 관계를 나타내는 제2 데이터 세트를 메모리부(130)에 저장할 수 있다. 제어부(120)는, 제2 데이터 세트로부터 제2 미분 용량 커브를 결정할 수 있다. 제2 미분 용량 커브는, 제2 기간 동안의 배터리(B)의 전압 V과 배터리(B)의 전압 변화 dV에 대한 배터리(B)의 용량 변화 dQ의 비율 dQ/dV 간의 관계를 나타내는 것으로서, 제2 V-dQ/dV 커브라고 칭할 수도 있다.
제어부(120)는, 제3 용량 커브(203)로부터 단위 시간마다의 배터리(B)의 전압 변화량 dV 및 용량 변화량 dQ을 결정할 수 있다. 제어부(120)는, 제3 용량 커브(203)로부터 결정되는, 단위 시간마다의 배터리(B)의 전압 V, 용량 Q, 전압 변화량 dV 및 용량 변화량 dQ의 대응 관계를 나타내는 제3 데이터 세트를 메모리부(130)에 저장할 수 있다. 제어부(120)는, 제3 데이터 세트로부터 제3 미분 용량 커브를 결정할 수 있다. 제3 미분 용량 커브는, 제3 기간 동안의 배터리(B)의 전압 V과 배터리(B)의 전압 변화 dV에 대한 배터리(B)의 용량 변화 dQ의 비율 dQ/dV 간의 관계를 나타내는 것으로서, 제3 V-dQ/dV 커브라고 칭할 수도 있다.
제어부(120)는, 제4 용량 커브(204)로부터 단위 시간마다의 배터리(B)의 전압 변화량 dV 및 용량 변화량 dQ을 결정할 수 있다. 제어부(120)는, 제4 용량 커브(204)로부터 결정되는, 단위 시간마다의 배터리(B)의 전압 V, 용량 Q, 전압 변화량 dV 및 용량 변화량 dQ의 대응 관계를 나타내는 제4 데이터 세트를 메모리부(130)에 저장할 수 있다. 제어부(120)는, 제4 데이터 세트로부터 제4 미분 용량 커브를 결정할 수 있다. 제4 미분 용량 커브는, 제4 기간 동안의 배터리(B)의 전압 V과 배터리(B)의 전압 변화 dV에 대한 배터리(B)의 용량 변화 dQ의 비율 dQ/dV 간의 관계를 나타내는 것으로서, 제4 V-dQ/dV 커브라고 칭할 수도 있다.
dQ/dV는, 용량 Q를 전압 V로 미분하였을 때의 미분값으로서, '미분 용량(differential capacity)'이라고 칭할 수도 있다.
메모리부(130)는, 제어부(120)에 동작 가능하게 결합된다. 메모리부(130)는, 센싱부(110)에도 동작 가능하게 결합될 수 있다. 메모리부(130)는, 센싱부(110)로부터의 센싱 신호를 저장하도록 구성된다. 메모리부(130)는, 제어부(120)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리부(130)는, 제어부(120)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다.
메모리부(130)는, 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.
스위치 드라이버(200)는, 배터리 관리 장치(100) 및 스위치(SW)에 전기적으로 결합된다. 스위치 드라이버(200)는, 배터리 관리 장치(100)로부터의 명령에 응답하여, 제1 스위칭 신호 또는 제2 스위칭 신호를 스위치(SW)에게 선택적으로 출력하도록 구성된다.
인터페이스부(140)는, 제어부(120)와 전기 시스템(1)의 상위 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성된다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론, 제어부(120)와 상위 컨트롤러(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 인터페이스부(140)는, 제어부(120)에 의해 결정된 배터리(B)의 퇴화 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 디스플레이나, 스피커 등과 같은 출력 디바이스를 포함할 수 있다. 인터페이스부(140)는, 또한 사용자로부터의 데이터를 입력 받을 수 있는 마우스, 키보드 등과 같은 입력 디바이스를 포함할 수 있다.
도 3은 도 2의 제1 및 제2 용량 커브에 일대일 대응하는 제1 및 제2 미분 용량 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 4는 도 2의 제3 및 제4 용량 커브에 일대일 대응하는 제3 및 제4 미분 용량 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 미분 용량 커브(301)는, 제1 용량 커브(201)로부터 결정될 수 있다. 제2 미분 용량 커브(302)는, 제2 용량 커브(202)로부터 결정될 수 있다. 제3 미분 용량 커브(303)는, 제3 용량 커브(203)로부터 결정될 수 있다. 제4 미분 용량 커브(304)는, 제4 용량 커브(204)로부터 결정될 수 있다.
이해를 돕기 위해, dQ/dV = 0 Ah/V인 가로축을 기준으로, 충전을 통해 취득된 제1 미분 용량 커브(301)와 제3 미분 용량 커브(303) 각각은 도 3 및 도 4의 상측에, 방전을 통해 취득된 제2 미분 용량 커브(302)와 제4 미분 용량 커브(304)는 각각은 도 3 및 도 4의 하측에 도시하였다.
제1 내지 제4 미분 용량 커브(301, 302, 303, 304) 각각에 위치하는 피크들의 개수는, 배터리(B)의 전극 재료 등에 의존하는 것이다. 따라서, 배터리(B)의 퇴화되더라도 제1 내지 제4 미분 용량 커브(301, 302, 303, 304) 각각의 피크들의 총 개수(또는 최소 개수)는 일정할 수 있다. 각 피크는, 극대점 또는 극소점을 칭한다.
도 3 및 도 4의 그래프에는, 제1 미분 용량 커브(301)가 피크들(P C1_1, P C1_2, P C1_3)을 포함하고, 제2 미분 용량 커브(302)가 피크들(P D1_1, P D1_2, P D1_3)을 포함하고, 제3 미분 용량 커브(303)가 피크들(P C2_1, P C2_2, P C2_3)을 포함하고, 제4 미분 용량 커브(304)가 피크들(P D2_1, P D2_2, P D2_3)을 포함하는 것으로 예시되어 있다.
제1 미분 용량 커브(301)의 피크들(P C1_1, P C1_2, P C1_3) 각각을 제1 미분 용량 커브(301)의 충전 특징점이라고 칭할 수 있다. 제어부(120)는, 피크들(P C1_1, P C1_2, P C1_3)의 전압값(V C1_1, V C1_2, V C1_3) 각각을 나타내는 충전 특징값을 메모리부(130)에 저장할 수 있다.
제2 미분 용량 커브(302)의 피크들(P D1_1, P D1_2, P D1_3) 각각을 제2 미분 용량 커브(302)의 방전 특징점이라고 칭할 수 있다. 제어부(120)는, 피크들(P D1_1, P D1_2, P D1_3)의 전압값(V D1_1, V D1_2, V D1_3) 각각을 나타내는 방전 특징값을 메모리부(130)에 저장할 수 있다.
제3 미분 용량 커브(303)의 피크들(P C2_1, P C2_2, P C2_3) 각각을 제3 미분 용량 커브(303)의 충전 특징점이라고 칭할 수 있다. 제어부(120)는, 피크들(P C2_1, P C2_2, P C2_3)의 전압값(V C2_1, V C2_2, V C2_3) 각각을 나타내는 충전 특징값을 메모리부(130)에 저장할 수 있다.
제4 미분 용량 커브(304)의 피크들(P D2_1, P D2_2, P D2_3) 각각을 제4 미분 용량 커브(304)의 방전 특징점이라고 칭할 수 있다. 제어부(120)는, 피크들(P D2_1, P D2_2, P D2_3)의 전압값(V D2_1, V D2_2, V D2_3) 각각을 나타내는 방전 특징값을 메모리부(130)에 저장할 수 있다.
제1 미분 용량 커브(301)에는, 전압 V이 작은 순서로, 피크(P C1_1), 피크(P C1_2) 및 피크(P C1_3)가 위치한다. 제2 미분 용량 커브(302)에는, 전압 V이 작은 순서로, 피크(P D1_1), 피크(P D1_2) 및 피크(P D1_3)가 위치한다. 제3 미분 용량 커브(303)에는, 전압 V이 작은 순서로, 피크(P C2_1), 피크(P C2_2) 및 피크(P C2_3)가 위치한다. 제4 미분 용량 커브(304)에는, 전압 V이 작은 순서로, 피크(P D2_1), 피크(P D2_2) 및 피크(P D2_3)가 위치한다.
제1 내지 제4 미분 용량 커브(301, 302, 303, 304)에 있어서, 피크들(P C1_1, P D1_1, P C2_1, P D2_1)은 서로 동일 순서에 위치하고, 피크들(P C1_2, P D1_2, P C2_2, P D2_2)은 서로 동일 순서에 위치하고, 피크들(P C1_3, P D1_3, P C2_3, P D2_3)은 서로 동일 순서에 위치하는 것으로 가정하겠다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 및 제2 정전류 각각으로 배터리(B)를 충전하여 얻어낸 제1 미분 용량 커브(301)와 제3 미분 용량 커브(303)에 있어서, 동일 순서에 위치하는 두 충전 특징점이 서로 다른 충전 전압값을 가지게 된다. 즉, 충전 특징값(V C2_1)은 충전 특징값(V C1_1)보다 크고, 충전 특징값(V C2_2)은 충전 특징값(V C1_2)보다 크고, 충전 특징값(V C2_3)은 충전 특징값(V C1_3)보다 크다.
또한, 제1 및 제2 정전류로 배터리(B)를 방전하여 얻어낸 제2 미분 용량 커브(302)와 제4 미분 용량 커브(304)에서 동일 순서에 위치하는 두 방전 특징점이 서로 다른 방전 전압값을 가지게 된다. 즉, 방전 특징값(V D2_1)은 방전 특징값(V D1_1)보다 작고, 방전 특징값(V D2_2)은 방전 특징값(V D1_2)보다 작고, 방전 특징값(V D2_3)은 방전 특징값(V D1_3)보다 작다.
이로부터, 제3 미분 용량 커브(303)와 제4 미분 용량 커브(304)의 동일 순서에 위치하는 충전 특징점과 방전 특징점의 전압차는, 제1 미분 용량 커브(301)와 제2 미분 용량 커브(302)의 동일 순서에 위치하는 충전 특징점과 방전 특징점의 전압차보다 크다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 충전 특징값(V C2_1)과 방전 특징값(V D2_1) 간의 차이는, 충전 특징값(V C1_1)과 방전 특징값(V D1_1) 간의 차이보다 크다. 다른 예로, 충전 특징값(V C2_2)과 방전 특징값(V D2_2) 간의 차이는, 충전 특징값(V C1_2)과 방전 특징값(V D1_2) 간의 차이보다 크다. 또 다른 예로, 충전 특징값(V C2_3)과 방전 특징값(V D2_3) 간의 차이는, 충전 특징값(V C1_3)과 방전 특징값(V D1_3) 간의 차이보다 크다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 단계 S500에서, 제어부(120)는, 배터리(B)가 제1 정전류로 충전되는 제1 기간 동안에 취득된 배터리(B)의 제1 전압 이력 및 제1 용량 이력을 기초로, 제1 미분 용량 커브(301)를 결정한다.
단계 S505에서, 제어부(120)는, 배터리(B)가 제1 정전류로 방전되는 제2 기간 동안에 취득된 배터리(B)의 제2 전압 이력 및 제2 용량 이력을 기초로, 제2 미분 용량 커브(302)를 결정한다.
단계 S510에서, 제어부(120)는, 배터리(B)가 제2 정전류로 충전되는 제3 기간 동안에 취득된 배터리(B)의 제3 전압 이력 및 제3 용량 이력을 기초로, 제3 미분 용량 커브(303)를 결정한다.
단계 S515에서, 제어부(120)는, 배터리(B)가 제2 정전류로 방전되는 제4 기간 동안에 취득된 배터리(B)의 제4 전압 이력 및 제4 용량 이력을 기초로, 제4 미분 용량 커브(304)를 결정한다.
단계 S520에서, 제어부(120)는, 제1 미분 용량 커브(301)로부터 제1 충전 특징점을 검출한다. 제1 충전 특징점은, 제1 미분 용량 커브(301)의 피크들(P C1_1, P C1_2, P C1_3) 중에서, 제1 소정 순서에 위치하는 피크일 수 있다. 예컨대, 제1 소정 순서는 전압이 작은 순서로 첫번째일 수 있고, 이 경우 피크(P C1_1)가 제1 충전 특징점으로 결정될 수 있다.
단계 S525에서, 제어부(120)는, 제2 미분 용량 커브(302)로부터 제1 방전 특징점을 검출한다. 제1 방전 특징점은, 제2 미분 용량 커브(302)의 피크들(P D1_1, P D1_2, P D1_3) 중에서, 제1 소정 순서에 위치하는 피크일 수 있다. 예컨대, 피크(P D1_1)가 제1 방전 특징점으로 결정될 수 있다.
단계 S530에서, 제어부(120)는, 제3 미분 용량 커브(303)로부터 제2 충전 특징점을 검출한다. 제2 충전 특징점은, 제3 미분 용량 커브(303)의 피크들(P C2_1, P C2_2, P C2_3) 중에서, 제1 소정 순서에 위치하는 피크일 수 있다. 예컨대 피크(P C2_1)가 제2 충전 특징점으로 결정될 수 있다.
단계 S535에서, 제어부(120)는, 제4 미분 용량 커브(304)로부터 제2 방전 특징점을 검출한다. 제2 방전 특징점은, 제4 미분 용량 커브(304)의 피크들(P D2_1, P D2_2, P D2_3) 중에서, 제1 소정 순서에 위치하는 피크일 수 있다. 예컨대, 피크(P D2_1)가 제2 방전 특징점으로 결정될 수 있다.
단계 S540에서, 제어부(120)는, 제1 및 제2 충전 특징값과 제1 및 제2 방전 특징값을 기초로, 배터리(B)의 퇴화 정보를 결정한다. 퇴화 정보는, 제1 히스테리시스 값(ΔV hys1) 및 제2 히스테리시스 값(ΔV hys2)을 포함한다. 제1 히스테리시스 값(ΔV hys1)은, 제1 충전 특징값(V C1_1)과 제1 방전 특징값(V D1_1) 간의 차이의 절대값을 나타낸다. 제2 히스테리시스 값(ΔV hys2)은, 제2 충전 특징값(V C2_1)과 제2 방전 특징값(V D2_1) 간의 차이의 절대값을 나타낸다. 퇴화 정보는, 제1 히스테리시스 값(ΔV hys1) 및 제2 히스테리시스 값(ΔV hys2) 간의 차이의 절대값인 제1 차이값을 더 포함할 수 있다.
단계 S545에서, 제어부(120)는, 배터리(B)의 퇴화 정보를 기초로, 배터리(B)의 충방전을 제어한다.
일 예로, 제어부(120)는, 제1 차이값이 제1 임계값보다 큰 경우, 배터리(B)의 최대 허용 전류 레이트를 감소시키거나, 배터리(B)의 충전 종지 전압을 감소시키거나, 배터리(B)의 방전 종지 전압을 증가시킬 수 있다. 제1 임계값은, 배터리(B)의 전기화학적 특성 등을 고려하여 미리 정해진 것일 수 있다.
최대 허용 전류 레이트는, 배터리(B)의 충방전에 허용되는 전류 레이트의 최대치일 수 있다. 충전 종지 전압은, 배터리(B)의 충전이 허용되는 전압의 최대치일 수 있다. 방전 종지 전압은, 배터리(B)의 방전이 허용되는 전압의 최소치일 수 있다. 최대 허용 전류 레이트의 감소분, 충전 종지 전압의 감소분 및 방전 종지 전압의 증가분은, 제1 임계값에 대한 제1 차이값의 비율에 비례할 수 있다. 예컨대, 제1 차이값이 제1 임계값의 1.1배인 경우, 최대 허용 전류 레이트는 종전 대비 1/1.1의 비율만큼 감소할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법은, 도 5를 참조하여 전술된 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법의 단계 S500~S535가 공통된다. 따라서, 이하에서는, 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법과의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 단계 S600에서, 제어부(120)는, 제1 미분 용량 커브(301)로부터 제3 충전 특징점을 검출한다. 제3 충전 특징점은, 제1 미분 용량 커브(301)의 피크들(P C1_1, P C1_2, P C1_3) 중에서, 제2 소정 순서에 위치하는 피크일 수 있다. 예컨대, 제2 소정 순서는 전압이 작은 순서로 세번째일 수 있고, 이 경우 피크(P C1_3)가 제3 충전 특징점으로 결정될 수 있다.
단계 S605에서, 제어부(120)는, 제2 미분 용량 커브(302)로부터 제3 방전 특징점을 검출한다. 제3 방전 특징점은, 제2 미분 용량 커브(302)의 피크들(P D1_1, P D1_2, P D1_3) 중에서, 제2 소정 순서에 위치하는 피크일 수 있다. 예컨대, 피크(P D1_3)가 제3 방전 특징점으로 결정될 수 있다.
단계 S610에서, 제어부(120)는, 제3 미분 용량 커브(303)로부터 제4 충전 특징점을 검출한다. 제4 충전 특징점은, 제3 미분 용량 커브(303)의 피크들(P C2_1, P C2_2, P C2_3) 중에서, 제2 소정 순서에 위치하는 피크일 수 있다. 예컨대 피크(P C2_3)가 제4 충전 특징점으로 결정될 수 있다.
단계 S615에서, 제어부(120)는, 제4 미분 용량 커브(304)로부터 제4 방전 특징점을 검출한다. 제4 방전 특징점은, 제4 미분 용량 커브(304)의 피크들(P D2_1, P D2_2, P D2_3) 중에서, 제2 소정 순서에 위치하는 피크일 수 있다. 예컨대, 피크(P D2_3)가 제4 방전 특징점으로 결정될 수 있다.
단계 S620에서, 제어부(120)는, 제1 내지 제4 충전 특징값과 제1 내지 제4 방전 특징값을 기초로, 배터리(B)의 퇴화 정보를 결정한다. 퇴화 정보는, 제1 내지 제4 히스테리시스 값을 포함한다. 제3 히스테리시스 값(ΔV hys3)은, 제3 충전 특징값(V C1_3)과 제3 방전 특징값(V D1_3) 간의 차이의 절대값을 나타낸다. 제4 히스테리시스 값(ΔV hys4)은, 제4 충전 특징값(V C2_3)과 제4 방전 특징값(V D2_3) 간의 차이의 절대값을 나타낸다. 퇴화 정보는, 제3 히스테리시스 값(ΔV hys3) 및 제4 히스테리시스 값(ΔV hys4) 간의 차이의 절대값인 제2 차이값을 더 포함할 수 있다. 퇴화 정보는, 제1 히스테리시스 값(ΔV hys1) 및 제3 히스테리시스 값(ΔV hys3) 간의 차이의 절대값인 제3 차이값을 더 포함할 수 있다. 퇴화 정보는, 제2 히스테리시스 값(ΔV hys2) 및 제4 히스테리시스 값(ΔV hys4) 간의 차이의 절대값인 제4 차이값을 더 포함할 수 있다.
단계 S625에서, 제어부(120)는, 배터리(B)의 퇴화 정보를 기초로, 배터리(B)의 충방전을 제어한다.
일 예로, 제어부(120)는, 제2 차이값이 제2 임계값보다 크거나, 제3 차이값이 제3 임계값보다 크거나 제4 차이값이 제4 임계값보다 큰 경우, 배터리(B)의 최대 허용 전류 레이트를 감소시키거나, 배터리(B)의 충전 종지 전압을 감소시키거나, 배터리(B)의 방전 종지 전압을 증가시킬 수 있다. 제2 내지 제4 임계값 각각은, 배터리(B)의 전기화학적 특성 등을 고려하여 미리 정해진 것일 수 있다. 최대 허용 전류 레이트의 감소분, 충전 종지 전압의 감소분 및 방전 종지 전압의 증가분은, 제1 임계값에 대한 제1 차이값의 비율, 제2 임계값에 대한 제2 차이값의 비율, 제3 임계값에 대한 제3 차이값의 비율 및 제4 임계값에 대한 제4 차이값의 비율 중 가장 큰 것에 비례할 수 있다. 예컨대, 제1 차이값이 제1 임계값의 1.1배이고 제2 차이값이 제2 임계값의 1.2배인 경우, 최대 허용 전류 레이트는 종전 대비 1/1.2의 비율만큼 감소할 수 있다.
다른 예로, 제어부(120)는, 제1 차이값에 대한 제2 차이값의 비율이 제1 임계 범위를 벗어나거나 제3 차이값에 대한 제4 차이값의 비율이 제2 임계 범위를 벗어나는 경우, 배터리(B)의 최대 허용 전류 레이트를 감소시키거나, 배터리(B)의 충전 종지 전압을 감소시키거나, 배터리(B)의 방전 종지 전압을 증가시킬 수 있다. 제1 및 제2 임계 범위 각각은, 배터리(B)의 전기화학적 특성 등을 고려하여 미리 정해진 것일 수 있다. 최대 허용 전류 레이트의 감소분, 충전 종지 전압의 감소분 및 방전 종지 전압의 증가분은, 제1 차이값에 대한 제2 차이값의 비율 및 제3 차이값에 대한 제4 차이값의 비율 중 더 큰 것에 비례할 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.
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.

Claims (12)

  1. 배터리의 전압 및 전류를 검출하고, 검출된 전압 및 검출된 전류를 나타내는 센싱 신호를 출력하도록 구성되는 센싱부; 및
    상기 센싱부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 제1 정전류로 충전되는 제1 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제1 전압 이력 및 제1 용량 이력을 기초로, 제1 미분 용량 커브를 결정하고,
    상기 배터리가 상기 제1 정전류로 방전되는 제2 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제2 전압 이력 및 제2 용량 이력을 기초로, 제2 미분 용량 커브를 결정하고,
    상기 배터리가 상기 제1 정전류와 상이한 제2 정전류로 충전되는 제3 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제3 전압 이력 및 제3 용량 이력을 기초로, 제3 미분 용량 커브를 결정하고,
    상기 배터리가 상기 제2 정전류로 방전되는 제4 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제4 전압 이력 및 제4 용량 이력을 기초로, 제4 미분 용량 커브를 결정하고,
    상기 제1 미분 용량 커브로부터 제1 충전 특징점을 검출하고,
    상기 제2 미분 용량 커브로부터 제1 방전 특징점을 검출하고,
    상기 제3 미분 용량 커브로부터 제2 충전 특징점을 검출하고,
    상기 제4 미분 용량 커브로부터 제2 방전 특징점을 검출하고,
    제1 및 제2 충전 특징값과 제1 및 제2 방전 특징값을 기초로, 상기 배터리의 퇴화 정보를 결정하도록 구성되되,
    상기 제1 및 제2 충전 특징값은 각각 상기 제1 및 제2 충전 특징점의 전압값이고,
    상기 제1 및 제2 방전 특징값은 각각 상기 제1 및 제2 방전 특징점의 전압값인 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 충전 특징점은, 상기 제1 미분 용량 커브의 피크들 중에서 제1 소정 순서에 위치하는 피크이고,
    상기 제1 방전 특징점은, 상기 제2 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제1 소정 순서에 위치하는 피크이고,
    상기 제2 충전 특징점은, 상기 제3 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제1 소정 순서에 위치하는 피크이고,
    상기 제2 방전 특징점은, 상기 제4 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제1 소정 순서에 위치하는 피크인 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 충전 특징값과 상기 제1 방전 특징값 간의 차이의 절대값을 나타내는 제1 히스테리시스 값을 결정하고,
    상기 제2 충전 특징값과 상기 제2 방전 특징값 간의 차이의 절대값을 나타내는 제2 히스테리시스 값을 결정하도록 구성되되,
    상기 퇴화 정보는, 상기 제1 및 제2 히스테리시스 값을 포함하는 배터리 관리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 퇴화 정보는, 상기 제1 히스테리시스 값과 상기 제2 히스테리시스 값 간의 차이의 절대값인 제1 차이값을 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 미분 용량 커브로부터 제3 충전 특징점을 더 검출하고,
    상기 제2 미분 용량 커브로부터 제3 방전 특징점을 더 검출하고,
    상기 제3 미분 용량 커브로부터 제4 충전 특징점을 더 검출하고,
    상기 제4 미분 용량 커브로부터 제4 방전 특징점을 더 검출하고,
    제3 및 제4 충전 특징값과 제3 및 제4 방전 특징값을 더 기초로, 상기 퇴화 정보를 결정하도록 구성되되,
    상기 제3 및 제4 충전 특징값은 각각 상기 제3 및 제4 충전 특징점의 전압값이고,
    상기 제3 및 제4 방전 특징값은 각각 상기 제3 및 제4 방전 특징점의 전압값인 배터리 관리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 충전 특징점은, 상기 제1 미분 용량 커브의 피크들 중에서 제2 소정 순서에 위치하는 피크이고,
    상기 제3 방전 특징점은, 상기 제2 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제2 소정 순서에 위치하는 피크이고,
    상기 제4 충전 특징점은, 상기 제3 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제2 소정 순서에 위치하는 피크이고,
    상기 제4 방전 특징점은, 상기 제4 미분 용량 커브의 피크들 중에서 상기 제2 소정 순서에 위치하는 피크인 배터리 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제3 충전 특징값과 상기 제3 방전 특징값 간의 차이의 절대값을 나타내는 제3 히스테리시스 값을 결정하고,
    상기 제4 충전 특징값과 상기 제4 방전 특징값 간의 차이의 절대값을 나타내는 제4 히스테리시스 값을 결정하도록 구성되되,
    상기 퇴화 정보는, 상기 제3 및 제4 히스테리시스 값을 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 퇴화 정보는, 상기 제3 히스테리시스 값과 상기 제4 히스테리시스 값 간의 차이의 절대값인 제2 차이값, 상기 제1 히스테리시스 값과 상기 제3 히스테리시스 값 간의 차이의 절대값인 제3 차이값 및 상기 제2 히스테리시스 값과 상기 제4 히스테리시스 값 간의 차이의 절대값인 제4 차이값 중 적어도 하나를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 퇴화 정보를 기초로, 상기 배터리의 충방전에 허용되는 최대 전류 레이트를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  12. 제1 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 장치를 이용하는 배터리 관리 방법에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 배터리가 상기 제1 정전류로 충전되는 상기 제1 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제1 전압 이력 및 제1 용량 이력을 기초로, 상기 제1 미분 용량 커브를 결정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 배터리가 상기 제1 정전류로 방전되는 상기 제2 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제2 전압 이력 및 제2 용량 이력을 기초로, 상기 제2 미분 용량 커브를 결정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 배터리가 상기 제2 정전류로 충전되는 상기 제3 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제3 전압 이력 및 제3 용량 이력을 기초로, 상기 제3 미분 용량 커브를 결정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 배터리가 상기 제2 정전류로 방전되는 상기 제4 기간 동안에 취득된 상기 배터리의 제4 전압 이력 및 제4 용량 이력을 기초로, 상기 제4 미분 용량 커브를 결정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 제1 미분 용량 커브로부터 상기 제1 충전 특징점을 검출하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 제2 미분 용량 커브로부터 상기 제1 방전 특징점을 검출하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 제3 미분 용량 커브로부터 상기 제2 충전 특징점을 검출하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 제4 미분 용량 커브로부터 상기 제2 방전 특징점을 검출하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 제1 및 제2 충전 특징값 및 상기 제1 및 제2 방전 특징값을 기초로, 상기 퇴화 정보를 결정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
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