KR20200101754A

KR20200101754A - 배터리 제어 장치 및 배터리 제어 방법

Info

Publication number: KR20200101754A
Application number: KR1020190020037A
Authority: KR
Inventors: 김기영; 조영신
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2020-08-28
Also published as: US20200266645A1; US11456610B2

Abstract

본 발명은 배터리를 제어하는 방법으로서, 상기 배터리의 충전 전류, 방전 전류, 및 SOC를 포함하는 충전 상태 정보를 검출하는 단계; 상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하고, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했을 때를 제1 기준 시점으로 하고, 상기 제1 기준 시점 이후에 상기 배터리의 SOC가 기준 SOC에 도달 했을 때를 제2 기준 시점으로 하는 단계; 상기 제1 시점으로부터 상기 제2 시점까지의 충전 전류를 이용하여 상기 배터리의 충전 용량을 산출하고, 상기 방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 방전 용량을 산출하는 단계; 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이를 비교하는 단계; 및 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이가 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함한다.

Description

배터리 제어 장치 및 배터리 제어 방법{BATTERY CONTROL APPRATUS AND BATTERY CONTROL METHOD}

본 발명은 배터리 제어 장치 및 배터리 제어 방법에 관한 것이다.

전기 및 전자 기술의 발달로 작고 가벼우면서도 다양한 기능을 갖는 휴대형 전자제품들의 사용이 급속하게 증가하고 있다. 휴대형 전자제품의 동작을 위한 전원공급 장치로서 배터리(Battery)가 일반적으로 사용되는데, 충전하여 다시 쓸 수 있는 2차 전지가 주로 사용되고 있다.

이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전할 수 있는 전지이다. 이차전지는 휴대전화나 노트북과 같이 휴대 가능한 소형 전자기기에 사용되거나 전동공구, 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다. 이차전지의 내부는 양극, 음극, 분리막, 전해질 등으로 구성될 수 있으며 케이스는 금속판 또는 파우치로 이루어질 수 있다.

에너지 밀도가 높은 이차전지는 열폭주와 같은 안전문제를 일으킬 수 있는데, 특히 이차전지 내부의 양극과 음극이 단락이 되어 이차전지가 과열되는 경우가 대표적인 예이다. 이러한 내부 단락은 분리막의 기능 상실에서 비롯되는데 그 예로 외부충격에 의한 변형, 제조과정에 포함된 금속성 이물질, 전기화학반응에 의한 리튬 또는 구리의 덴드라이트(dendrite) 형성 등이 있을 수 있다.

종래 이차전지의 내부 단락 상태를 사전에 감지해서 이를 예방하는 기술이 개발되고 있다. 이러한 종래 방식은 이차전지의 전압이 매우 안정된 상태(무부하 또는 매우 낮은 부하)로 수 십분 이상의 확인시간이 필요하다. 따라서 이차전지가 계속적으로 충전 또는 방전되는 상태에서 발생하는 내부 단락은 감지할 수 없는 단점이 있다.

한편, 종래에는 이차전지의 충전이 완료된 직후에 셀 밸런싱(cell balancing)이 수행되고 있다. 그러나 셀 내부의 물리적 변화 및 화학적 변화(전자, 리튬 이온의 이동, 리튬 이온의 수분흡착 등)로 인하여 셀 밸런싱 후에도 셀 전압이 변화된다. 이는 셀들간의 불균형(imbalance)을 발생시킬 수 있는 문제가 있다.

본 발명은 배터리의 내부 단락을 감지하는 배터리 제어 장치 및 배터리 제어 방법을 제공하기 위함이다.

또한, 본 발명은 배터리의 열 폭주를 예방할 수 있는 배터리 제어 장치 및 배터리 제어 방법을 제공하기 위함이다.

또한, 본 발명은 배터리 셀들 사이의 전압 편차를 감소시킬 수 있는 배터리 제어 장치 및 배터리 제어 방법을 제공하기 위함이다.

본 발명은 배터리를 제어하는 방법을 제공하고, 이러한 방법은, 상기 배터리의 충전 전류, 방전 전류, 및 SOC를 포함하는 충전 상태 정보를 검출하는 단계; 상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하고, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했을 때를 제1 기준 시점으로 하고, 상기 제1 기준 시점 이후에 상기 배터리의 SOC가 기준 SOC에 도달했을 때를 제2 기준 시점으로 하는 단계; 상기 제1 시점으로부터 상기 제2 시점까지의 충전 전류를 이용하여 상기 배터리의 충전 용량을 산출하고, 상기 방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 방전 용량을 산출하는 단계; 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이를 비교하는 단계; 및 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이가 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예의 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이가 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계는, 상기 산출된 충전 용량에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 산출된 방전 용량 높이를 산출하는 단계; 및 상기 충전 용량 높이의 크기와 상기 방전 용량 높이의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예의 상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하는 단계는, 상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하고, 상기 제1 기준 시점에서의 상기 배터리의 충전 상태인 제1 충전 상태를 저장하는 단계; 상기 제1 기준 시점 이후에 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했는지 검출하는 단계; 상기 제1 충전 상태와 상기 제2 기준 시점에서의 상기 배터리의 충전 상태인 제2 충전 상태가 소정의 유사 범위 내에 있는지 판단하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예의 상기 제1 충전 상태와 제2 충전 상태가 소정의 유사 범위 내에 있는지 판단하는 단계는, 상기 제1 기준 시점에서의 전압, 전류, 및 온도 각각과 상기 제2 기준 시점에서의 전압, 전류, 및 온도 각각의 차이가 소정의 기준치 이내인지 판단하는 단계이다.

또한, 본 발명에 따른 실시예의 상기 방법은, 상기 제1 기준 시점으로부터 상기 제2 기준 시점까지의 시간 간격이 제1 기간 내에 있는지 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 기간은 누설 전류에 의해 상기 배터리의 충전 용량과 방전 용량 차이가 발생할 수 있는 시간 간격이다.

또한, 본 발명에 따른 실시예의 상기 산출된 충전 용량에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 산출된 방전 용량 높이를 산출하는 단계가, 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량을 이용하여 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량을 이용하여 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이를 산출하는 단계; 및 제2 기준 시점에 대응하는 충전 용량을 이용하여 상기 제2 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 제2 기준 시점에 대응하는 방전 용량을 이용하여 상기 제2 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이를 산출하는 단계 를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예의 상기 충전 용량 높이의 크기와 상기 방전 용량 높이의 크기의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계가, 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이와 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이의 크기의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 제1 기준 시점과 상기 제2 기준 시점 사이에서 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예의 상기 기준 SOC는 상기 배터리가 완전 충전될 때의 SOC이다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 상기 제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과되었는지 판단하는 단계, 및 상기 제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과된 것으로 판단되면, 상기 배터리에 대해 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예는 배터리를 제어하는 장치를 제공하고, 이러한 장치는, 상기 배터리의 충전시의 전압, 온도, 및 전류를 계측하도록 구성된 계측부; 및 상기 배터리의 충전 전류, 방전 전류, 및 SOC를 포함하는 충전 상태 정보를 검출하고, 상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하고 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했을 때를 제1 기준 시점으로 하고, 상기 제1 기준 시점 이후에 상기 배터리의 SOC가 기준 SOC에 도달 했을 때를 제2 기준 시점으로 하며, 상기 충전 전류를 이용하여 상기 배터리의 충전 용량을 산출하고, 상기 방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 방전 용량을 산출하고, 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이를 비교하여 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이가 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하도록 구성된 감지부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예의 상기 감지부는, 상기 충전 전류를 적산하여 상기 배터리의 충전 적산값을 산출하고, 상기 방전 전류를 적산하여 상기 배터리의 방전 전산값을 산출하도록 구성된 적산기; 및 상기 충전 적산 값을 이용하여 상기 배터리의 충전 용량을 산출하고, 상기 방전 적산 값을 이용하여 상기 배터리의 방전 용량을 산출하고, 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이가 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하도록 구성된 내부 단락 감지기를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예의 상기 내부 단락 감지기는 추가로, 상기 산출된 충전 용량에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 산출된 방전 용량 높이를 산출하고, 상기 충전 용량 높이의 크기와 상기 방전 용량 높이의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하도록 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예의 상기 내부 단락 감지기는 추가로, 상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하고, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했을 때를 제1 기준 시점으로 하고 상기 제1 기준 시점에서의 상기 배터리의 충전 상태인 제1 충전 상태를 저장하고, 상기 제1 기준 시점 이후에 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했는지 검출하고, 상기 제1 충전 상태와 상기 제2 기준 시점에서의 상기 배터리의 충전 상태인 제2 충전 상태가 소정의 유사 범위 내에 있는지 판단하도록 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예의 상기 내부 단락 감지기는 추가로, 상기 제1 기준 시점에서의 전압, 전류, 및 온도 각각과 상기 제2 기준 시점에서의 전압, 전류, 및 온도 각각의 차이가 소정의 기준치 이내인지 판단하도록 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예의 상기 내부 단락 감지기는 추가로, 상기 제1 기준 시점으로부터 상기 제2 기준 시점까지의 시간 간격이 제1 기간 내에 있는지 판단하도록 구성되고, 상기 제1 기간은 누설 전류에 의해 상기 배터리의 충전 용량과 방전 용량 차이가 발생할 수 있는 시간 간격이다.

상기 내부 단락 감지기는 추가로, 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량을 이용하여 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량을 이용하여 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이를 산출하고, 제2 기준 시점에 대응하는 충전 용량을 이용하여 상기 제2 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 제2 기준 시점에 대응하는 방전 용량을 이용하여 상기 제2 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이를 산출하도록 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예의 상기 내부 단락 감지기는 추가로, 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이와 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이의 크기의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 제1 기준 시점과 상기 제2 기준 시점 사이에서 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하도록 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예의 상기 기준 SOC는 상기 배터리가 완전 충전될 때의 SOC이다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예의 상기 적산기는 상기 제2 기준 시점에 리셋된다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예는 상기 제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과되었는지 판단하고, 상기 제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과된 것으로 판단되면, 상기 배터리에 대해 셀 밸런싱을 수행하는 제어부를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 배터리의 내부 단락을 감지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 배터리의 열 폭주를 예방할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 배터리 셀들을 충분히 밸런싱할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 등가 회로이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전/방전 전류 및 충전/방전 용량을 나타내는 그래프이다.
도 4는 만충전 직후, 시간 경과에 따른 셀 내부 누설 전류를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 내부 단락 감지기의 배터리의 내부 단락을 검출하고, 셀 밸런싱을 수행하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 제어 장치에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도 이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 등가회로이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 제어 장치(1)는 배터리(10), 계측부(20), 감지부(30), 및 제어부(40)를 포함하고, 배터리(10)의 내부 단락을 감지하여 배터리의 열 폭주를 예방할 수 있다.

배터리(10)는 계측부(20)에 연결되어 있고 복수의 셀(C: Cell, 도 2 참조)을 포함할 수 있다. 배터리(10)는 이차전지일 수 있으나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2를 참조하면, 배터리(10)는 2 개의 단자(B+, B-)를 포함하고 이러한 2개의 단자(B+, B-)를 통해 외부의 충전 장치(미도시)에 의해 충전되거나 외부의 부하(미도시)에 의해 방전될 수 있다. 설명의 편의를 위해 충전 장치가 배터리 제어 장치(1)의 외부에 있는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(10)는, 셀(C) 및 내부 저항(RB)을 포함할 수 있고, 내부 저항(RB)은 수(mΩ)에서 수백(mΩ)일 수 있다. 배터리(10)에 내부 단락이 발생하면 배터리(10) 내부의 스위치(S)가 도통 되는 것과 동일한 효과가 발생한다. 이러한 스위치(S)가 도통 되면, 단락 저항(RS)에 단락 전류(IS)가 흐르게 되어 배터리(10)가 방전된다. 이때, 단락 저항은 mΩ에서 kΩ까지 넓은 범위의 저항값을 가질 수 있다.

배터리(10)는, 충전 초기부터 완료까지 일정한 전류로 충전을 행하는 정전류(CC: constant current) 충전, 충전 초기부터 완료까지 일정한 전압으로 충전을 행하는 정전압(CV: constant voltage) 충전, 및 충전 초기에는 일정한 전류로 충전하고, 충전 말기에는 일정한 전압으로 충전하는 정전류-정전압(CC-CV) 충전 중 하나 이상의 충전 방법에 의해 충전된다.

정전류(CC) 충전은 미리 설정된 설정 전압까지 정전류의 전력을 배터리(10)에 공급하여 충전하는 충전 방법일 수 있다. 정전류 충전이 수행되는 중에는 배터리의 충전량과 함께 배터리의 전압이 상승할 수 있다. 배터리(10)는 동일한 조건으로 충전과 방전을 반복할 때 충전 용량이 방전 용량보다 근소하게 크게 나타난다. 이러한 차이는 충전/방전이 진행되는 동안 배터리(10)의 발열, 자가방전 등의 다양한 에너지 손실이 동반되기 때문이다.

배터리(10)에 내부 단락이 발생하게 되면 단락 전류(IS)가 발생하므로 충전 용량과 방전 용량의 차이가 일반적인 수준보다 더욱 높게 나타난다. 이러한 배터리(10)의 충전 용량과 방전 용량의 차이를 이용하여 배터리(10)의 내부 단락을 검출하는 구체적 구성에 대해서는 후술한다.

계측부(20)는 배터리(10)의 충전시의 전압(V), 전류(I), 및 온도(T) 등을 계측하여 계측된 전압(V), 전류(I), 및 온도(T) 등을 감지부(30)에 전달한다.

감지부(30)는 검출기(31), 적산기(32), 및 내부 단락 감지기(33)를 포함하고, 배터리(10)의 충전 용량과 방전 용량을 비교하여 배터리(10)의 내부 단락을 감지하고 단락 검출 신호(DS)를 생성한다. 또한 감지부(30)는 배터리(10)가 완전 충전되었다고 판단될 때, 만충전 알림 신호(FCS)를 생성한다.

검출기(31)는 배터리(10)의 온도(T), 전압(V), 전류(I), SOC(State of Charge) 등이 포함된 충전 상태 정보를 검출한다. 또한, 검출기(31)는 배터리(10)의 기준 SOC에 도달하는 기준 시점에서 배터리(10)의 온도(T), 전압(V), 전류(I) 등의 충전 상태 정보를 검출한다.

기준 SOC는 배터리(10)가 완전 충전될 때의 SOC일 수 있으나 이에 한정되지 않고 임의로 정해질 수 있거나 메모리에 미리 저장될 수 있다. 기준 SOC에 도달한다는 것은 배터리(10)의 충전 전압이 일정 수준 이상이고 충전 전류가 일정 수준 이하로 떨어졌을 때를 말하는 것이나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 기준 시점은 배터리(10)가 기준 SOC에 도달한 시점 또는 기준 SOC에 도달한 다음 소정의 시간이 경과한 시점일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 기준 시점에서, 검출기(31)는 만충전 알림 신호(FCS)를 생성하여 제어부(40)에 전달한다.

적산기(32)는 소정의 구간에서, 제1 기준 시점(예를 들어, 이전 구간에서 기준 SOC에 도달한 시점)과 제2 기준 시점(예를 들어 현재 구간에서 기준 SOC에 도달한 시점) 사이의 충전 전류를 적산하여 충전 적산값을 산출하고 제1 기준 시점과 제2 기준 시점 사이의 방전 전류를 적산하여 방전 적산값을 산출한다.

구체적으로, 적산기(32)는 제1 구간(p1, 도 3 참조)에서, 제1 구간(p1)의 이전 구간에서 기준 시점에 도달한 후의 제1 기준 시점(이하, 제1 기준 시점, t1)과 제1 구간(p1)에서 기준 시점에 도달한 후의 제2 기준 시점(이하, 제2 기준 시점, t2) 사이에서, 배터리(10)의, 계측된 충전 전류를 적산하여 충전 적산값(c1)을 산출하고, 방전 전류를　적산하여 방전 적산값(d1)을 산출한다.

이와 같은 방식으로, 적산기(32)는 복수의 구간(p1 내지 p3, 도 3 참조)의 복수의 제1 기준 시점(t1, t3, t5)과 복수의 제2 기준 시점(t2, t4, t6) 사이에서 계측된 충전 전류를 적산하여 복수의 충전 적산값(c1, c2, c3)을 각각 산출하고 방전 전류를　적산하여 복수의 방전 적산값(d1, d2, d3)을 각각 산출하고, 각 구간의 제2 기준 시점에 리셋 된다.

적산기(32)는 부호를 갖는 단일 적산기일 수도 있고, 충전과 방전에 대해 각각 적산하는 개별 적산기일 수도 있으나 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

내부 단락 감지기(33)는 복수의 구간(p1 내지 p3)에서 충전 용량 및 방전 용량을 이용하여 배터리(10)의 내부 단락(IS)을 검출하고, 내부 단락(IS) 여부에 대한 정보를 포함하는 검출 신호(DS)를 제어부(40)에 전달한다.

이하, 도 3을 참조하여, 내부 단락 감지기(33)가 배터리(10)의 내부 단락(IS)을 감지하는 구체적인 방법을 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전/방전 전류 및 충전/방전 용량을 나타내는 그래프이다.

검출기(31)는 검출된 충전 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 SOC가 기준 SOC(예를 들어 완전 충전 상태, 이하 만충전 상태)에 도달했는지 검출한다.

배터리(10)의 SOC가 기준 SOC에 도달한 경우, 검출기(31)는 제1 기준 시점에서의 배터리(10)의 충전 상태 정보(1차 충전 상태 정보)를 메모리(미도시)에 저장한다. 또한, 검출기(31)는 제1 기준 시점으로부터 경과 시간을 측정할 수 있다.

검출기(31)는 제1 기준 시점 이후에 검출된 충전 상태 정보를 이용하여 배터리(10)가 기준 SOC(예를 들어 완전 충전 상태, 이하, 만충전 상태)에 도달했는지 검출한다.

배터리(10)가 제1 기준 시점 이후에 다시 기준 SOC에 도달한 경우, 검출기(31)는 제2 기준 시점에서의 배터리(10)의 충전 상태 정보(2차 충전 상태 정보)를 메모리에 저장한다. 또한, 검출기(31)는 제2 기준 시점으로부터의 경과 시간을 측정할 수 있다.

내부 단락 감지기(33)는, 1차 충전 상태 정보와 2차 충전 상태 정보가 소정의 유사 범위 내에 있는지 판단한다. 구체적으로, 내부 단락 감지기(33)는 제1 기준 시점에서의 배터리(10)의 전압, 전류, 및 온도 각각과 제2 기준 시점에서의 배터리(10)의 전압, 전류, 및 온도 각각의 차이가 소정의 기준치 이내인지 판단한다.

1차 충전 상태 정보와 2차 충전 상태 정보가 유사 범위에 있지 판단하는 것은, 배터리(10)의 충전용량과 방전용량의 차이가 내부 단락에 의한 것인지 아니면 상태정보의 차이에 따른 충전상태의 차이에 의한 것인지 구분하기 위한 것으로서, 1차 충전 상태 정보와 2차 충전 상태 정보가 유사 범위에 있지 않는 경우의 배터리(10)의 충전용량과 방전용량의 차이는 내부 단락에 의하지 않을 수 있다.

1차 충전 상태 정보와 2차 충전 상태 정보가 유사 범위에 있는 경우, 내부 단락 감지기(33)는 충전 누적 용량이 제1 기준 용량 이상 발행하고 방전 누적 용량이 제2 기준 용량 이상 발생했는지 판단한다.

충전 누적 용량이 제1 기준 용량 이상 발행하고 방전 누적 용량이 제2 기준 용량 이상 발생한 경우, 내부 단락 감지기(33)는 제1 기준 시점으로부터 제2 기준 시점까지의 시간 간격이 제1 기준 시간 이상이고 제2 기준 시간 이내 즉, 제1 기간 내에 있는지 판단한다.

제1 기준 시간은 누설 전류에 의한 배터리(10)의 용량 차이를 확인할 수 있는 최소 시간을 의미하며, 제2 기준 시간은 제1 기준 시점으로부터 적산기(32)의 충전 적산값 및 방전 적산값을 신뢰할 수 있는 임계 시간으로서, 제2 기준 시간을 초과하는 적산기(32)의 충전 적산값 및 방전 적산값을 신뢰할 수 없다.

구체적으로, 제1 기간은 단락 전류(IS)에 의한 충전 용량과 방전 용량의 차이가 발생할 수 있는 시간 간격이다. 따라서, 제1 기준 시점으로부터 제2 기준 시점까지의 시간 간격이 제1 기준 기간을 초과하면 적산기(32)의 충전 적산값 및 방전 적산값은 신뢰할 수 없는 값이 된다. 즉, 제1 기간은 일정 수준의 계측 오차를 허용하면서 동시에 IS 전류에 의해 용량 차이를 확인할 수 있는 시간 간격이며 최소 2시간에서 최대 48시간 사이일 수 있으나 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 내부 단락 감지기(33)는 복수의 충/방전 구간(p1 내지 p3, 이하, 복수의 구간) 각각의 제1 기준 시점(t1, t3, t5)으로부터 제2 기준 시점(t2, t4, t6) 사이의 시간 간격(d1, d2, d3)이 제1 기간 내에 있는지 판단한다.

제1 기준 시점(t1, t3, t5)으로부터 제2 기준 시점(t2, t4, t6) 사이의 시간 간격(d1, d2, d3)이 제1 기간 내에 있는 경우, 내부 단락 감지기(33)는 복수의 구간(p1 내지 p3) 각각에서 배터리(10)의 산출된 방전 용량과 충전 용량의 높이를 비교하여 충전 용량과 방전 용량 차이가 임계값을 초과하는지 판단한다.

구체적으로, 내부 단락 감지기(33)는, 제1 구간(p1)의 이전 구간의 제1 기준 시점(t1)과 제1 구간(p1)의 제2 기준 시점(t2) 사이에서 방전 적산값(d1)을 이용하여 배터리(10)의 방전 용량(dc1)을 계산하고, 충전 적산값(c1)을 이용하여 충전 용량(cc1)을 계산한다. 제1 구간(p1)의 방전 용량(dc1)과 충전 용량(cc1)의 높이가 동일하므로, 방전 용량(dc1)과 충전 용량(cc1)의 높이 차이는 임계값을 초과하지 않는다. 따라서, 내부 단락 감지기(33)는 배터리(10)에 내부 단락이 발생하지 않은 것으로 판단한다.

내부 단락 감지기(33)는, 제1 구간(p1)의 제1 기준 시점(t2)과 제2 구간(p2)의 제2 기준 시점(t4) 사이에서, 방전 적산값(d2)을 이용하여 배터리(10)의 방전 용량(dc2)을 계산하고 충전 적산값(c2)을 이용하여 충전 용량(cc2)을 계산한 다음, 방전 용량(dc2)과 충전 용량(cc2)의 높이를 비교한다. 제2 구간(p2)에서는 충전 용량(cc2)의 높이가 방전 용량(dc2)의 높이보다 도 3의 음영 부분만큼 임계값을 초과한다. 따라서, 내부 단락 감지기(33)는 배터리(10)에 내부 단락이 발생한 것으로 판단한다.

내부 단락 감지기(33)는, 제2 구간(p2)의 제1 기준 시점(t4)과 제3 구간(p3)의 제2 기준 시점(t6) 사이에서, 방전 적산값(d3)을 이용하여 배터리(10)의 방전 용량(dc3)을 계산하고 충전 적산값(c3)을 이용하여 충전 용량(cc3)을 계산한 다음, 방전 용량(dc3)과 충전 용량(cc3)의 높이를 비교한다. 제3 구간(p3)에서도 방전 용량(dc3)의 높이가 충전 용량(cc3)의 높이보다 도 3의 음영 부분만큼 임계값을 초과한다. 따라서, 내부 단락 감지기(33)는 배터리(10)에 내부 단락이 발생한 것으로 판단한다.

복수의 구간(p1, p2, p3)에서 계측 시작 시점(t1, t3, t5)과 계측 종료 시점(t2, t4, t6)은 배터리(10)의 SOC 중 어느 SOC에서도 가능하다. 그러나 계측 시작 시점(t1, t3, t5)의 SOC와 계측 종료 시점(t2, t4, t6)에 대응하는 SOC가 서로 다를 경우 SOC를 계산하기 위해 배터리 셀(c)의 용량을 정확히 알고 있어야 하며 높은 정확도를 갖는 Fuel gauge 알고리즘이 요구된다.

따라서 이러한 정보가 없이도 계측 시작 SOC와 계측 SOC가 일관성을 가질 수 있는 계측 종료 시점은 기준 시점이므로 충전/방전 용량 비교는 기준 시점에 실시하는 것이 바람직하다.

제어부(40)는 검출 신호(DS)를 이용하여, 배터리(10)에 연결된 외부의 충전 장치(미도시) 또는 부하(미도시)의 연결 또는 차단을 제어한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 제어 장치(1)는 배터리(10)의 내부 단락을 감지할 수 있고, 배터리(10)의 열 폭주를 예방할 수 있다.

또한, 제어부(40)는 만충전 알림 신호(FCS)를 이용하여, 배터리(10)의 셀 밸런싱을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(40)는 만충전 알림 신호(FCS)가 감지부(30)로부터 수신된 후, 소정의 안정화 시간이 경과되면, 셀 밸런싱을 개시한다. 배터리(10)가 만충전되더라도, 셀 내부의 물리적 변화 및 화학적 변화(전자, 리튬 이온의 이동, 리튬 이온의 수분흡착 등)로 인하여 셀 내부에 누설 전류가 발생되고, 이로 인해 각각의 셀의 전압이 변화된다.

이하, 도 4를 참조하여, 안정화 시간과 셀 내부 누설 전류량의 관계에 대해 설명한다.

도 4는 만충전 직후, 시간 경과에 따른 셀 내부 누설 전류를 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 적어도 0 사이클 내지 50 사이클 사이의 기간에서, 셀들 내부 누설 전류가 존재하는 것이 확인된다.

즉, 만충전 이후에 셀 밸런싱을 수행하게 되면, 셀 밸런싱 각각의 셀 별로 전압을 균등화하더라도 셀 전압이 바뀌게 된다. 여기서 셀 별로 전압을 균등화하는 것은 셀들 사이의 전압 편차를 완전하게 0으로 하는 것뿐만 아니라, 셀들 사이의 전압 편차를 더욱 감소시키는 것을 포함한다.

그러면 제어부(40)는 안정화 시간(예를 들어, 50 사이클)이 경과된 후, 셀 밸런싱을 수행한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 제어 장치(1)는 배터리(10) 내의 셀들을 충분히 밸런싱할 수 있는 효과가 있다.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 제어 방법을 설명한다.

단계 s10에서, 검출기(31)는 검출된 충전 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 상태가 만충전(기준 SOC)인지 검출한다.

배터리(10)가 만충전인 것이 검출되면, 단계 s100에서 제어부(40)는 제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과되었는지 판단한다.

제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과된 것으로 판단되면, 단계 s110에서 제어부(40)는 셀 밸런싱을 수행한다.

한편, 배터리(10)가 만충전인 것이 검출되면, 단계 s20에서 내부 단락 감지기(33)는 제1 기준 시점에서의 1차 충전 상태 정보를 메모리에 저장한다.

단계 s30에서, 검출기(31)는 제1 기준 시점 이후에 검출된 충전 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 상태가 만충전인지 검출한다.

한편, 제1 기준 시점 이후에 배터리(10)의 충전 상태가 만충전인 것으로 검출된 경우, 단계 s40에서 내부 단락 감지기(33)는 1차 충전 상태 정보와 2차 충전 상태 정보가 유사 범위에 있는지 판단한다.

1차 충전 상태 정보와 2차 충전 상태 정보가 유사 범위에 있는 경우, 단계 s50에서 내부 단락 감지기(33)는 충전 누적 용량이 제1 기준 용량 이상 발행하고 방전 누적 용량이 제2 기준 용량 이상 발생했는지 판단한다.

충전 누적 용량이 제1 기준 용량 이상 발행하고 방전 누적 용량이 제2 기준 용량 이상 발생한 경우, 단계 s60에서 내부 단락 감지기(33)는 제1 기준 시점으로부터 제2 기준 시점까지의 시간 간격이 제1 기간 내에 있는지 판단한다.

제1 기준 시점으로부터 제2 기준 시점까지의 시간 간격이 제1 기간 내인 경우, 단계 s70에서, 내부 단락 감지기(33)는 복수의 구간(p1 내지 p3) 각각에서 배터리(10)의 방전 전류와 충전 전류를 적산하여 복수의 구간 각각에서 방전 용량과 충전 용량을 산출하고, 산출된 방전 용량과 충전 용량의 높이를 비교하여 충전 용량과 방전 용량 차이가 임계값을 초과하는지 판단한다.

단계 s80에서, 내부 단락 감지기(33)는 충전 용량과 방전 용량의 높이 차이가 임계값을 초과하는 경우 배터리(10)에 내부 단락이 발생한 것으로 판단한다.

Claims

배터리를 제어하는 방법으로서,
상기 배터리의 충전 전류, 방전 전류, 및 SOC를 포함하는 충전 상태 정보를 검출하는 단계;
상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하고, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했을 때를 제1 기준 시점으로 하고, 상기 제1 기준 시점 이후에 상기 배터리의 SOC가 기준 SOC에 도달 했을 때를 제2 기준 시점으로 하는 단계;
상기 제1 시점으로부터 상기 제2 시점까지의 충전 전류를 이용하여 상기 배터리의 충전 용량을 산출하고, 상기 방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 방전 용량을 산출하는 단계;
상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이를 비교하는 단계; 및
상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이가 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계
를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이가 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계는,
상기 산출된 충전 용량에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 산출된 방전 용량 높이를 산출하는 단계; 및
상기 충전 용량 높이의 크기와 상기 방전 용량 높이의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계
를 포함하는, 방법.
제2항에 있어서,
상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하는 단계는,
상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하고,
상기 제1 기준 시점에서의 상기 배터리의 충전 상태인 제1 충전 상태를 저장하는 단계;
상기 제1 기준 시점 이후에 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했는지 검출하는 단계;
상기 제1 충전 상태와 상기 제2 기준 시점에서의 상기 배터리의 충전 상태인 제2 충전 상태가 소정의 유사 범위 내에 있는지 판단하는 단계
를 포함하는, 방법.
제3항에 있어서,
상기 제1 충전 상태와 제2 충전 상태가 소정의 유사 범위 내에 있는지 판단하는 단계는,
상기 제1 기준 시점에서의 전압, 전류, 및 온도 각각과 상기 제2 기준 시점에서의 전압, 전류, 및 온도 각각의 차이가 소정의 기준치 이내인지 판단하는 단계인, 방법.
제4항에 있어서,
상기 방법은,
상기 제1 기준 시점으로부터 상기 제2 기준 시점까지의 시간 간격이 제1 기간 내에 있는지 판단하는 단계
를 더 포함하고,
상기 제1 기간은 누설 전류에 의해 상기 배터리의 충전 용량과 방전 용량 차이가 발생할 수 있는 시간 간격인, 방법.
제5항에 있어서,
상기 산출된 충전 용량에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 산출된 방전 용량 높이를 산출하는 단계가,
상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량을 이용하여 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량을 이용하여 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이를 산출하는 단계; 및
제2 기준 시점에 대응하는 충전 용량을 이용하여 상기 제2 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 제2 기준 시점에 대응하는 방전 용량을 이용하여 상기 제2 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이를 산출하는 단계
를 포함하는, 방법.
제6항에 있어서,
상기 충전 용량 높이의 크기와 상기 방전 용량 높이의 크기의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계가,
상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이와 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이의 크기의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 제1 기준 시점과 상기 제2 기준 시점 사이에서 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하는 단계
를 포함하는, 방법.
제6항에 있어서,
상기 기준 SOC는 상기 배터리가 완전 충전될 때의 SOC인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과되었는지 판단하는 단계, 및
상기 제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과된 것으로 판단되면, 상기 배터리에 대해 셀 밸런싱을 수행하는 단계
를 더 포함하는 방법.
배터리를 제어하는 장치로서,
상기 배터리의 충전시의 전압, 온도, 및 전류를 계측하도록 구성된 계측부; 및
상기 배터리의 충전 전류, 방전 전류, 및 SOC를 포함하는 충전 상태 정보를 검출하고, 상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하고 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했을 때를 제1 기준 시점으로 하고, 상기 제1 기준 시점 이후에 상기 배터리의 SOC가 기준 SOC에 도달 했을 때를 제2 기준 시점으로 하며, 상기 충전 전류를 이용하여 상기 배터리의 충전 용량을 산출하고, 상기 방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 방전 용량을 산출하고, 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이를 비교하여 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이가 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하도록 구성된 감지부
를 포함하는 장치.
제10항에 있어서,
상기 감지부는,
상기 충전 전류를 적산하여 상기 배터리의 충전 적산값을 산출하고, 상기 방전 전류를 적산하여 상기 배터리의 방전 전산값을 산출하도록 구성된 적산기; 및
상기 충전 적산 값을 이용하여 상기 배터리의 충전 용량을 산출하고, 상기 방전 적산 값을 이용하여 상기 배터리의 방전 용량을 산출하고, 상기 충전 용량과 상기 방전 용량의 차이가 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하도록 구성된 내부 단락 감지기
를 포함하는, 장치.
제11항에 있어서,
상기 내부 단락 감지기는 추가로,
상기 산출된 충전 용량에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 산출된 방전 용량 높이를 산출하고, 상기 충전 용량 높이의 크기와 상기 방전 용량 높이의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하도록 구성된, 장치.
제12항에 있어서,
상기 감지부는,
상기 충전 상태 정보를 이용하여 상기 배터리의 SOC가 미리 설정된 기준 SOC에 도달했는지 검출하고, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했을 때를 제1 기준 시점으로 하고 상기 제1 기준 시점에서의 상기 배터리의 충전 상태인 제1 충전 상태를 저장하고, 상기 제1 기준 시점 이후에 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC에 도달했는지 검출하도록 구성된 검출기를 더 포함하고,
상기 내부 단락 감지기는, 상기 제1 충전 상태와 상기 제2 기준 시점에서의 상기 배터리의 충전 상태인 제2 충전 상태가 소정의 유사 범위 내에 있는지 판단하도록 더 구성된,
장치.
제13항에 있어서,
상기 내부 단락 감지기는 추가로,
상기 제1 기준 시점에서의 전압, 전류, 및 온도 각각과 상기 제2 기준 시점에서의 전압, 전류, 및 온도 각각의 차이가 소정의 기준치 이내인지 판단하도록 구성된, 장치.
제14항에 있어서,
상기 내부 단락 감지기는 추가로,
상기 제1 기준 시점으로부터 상기 제2 기준 시점까지의 시간 간격이 제1 기간 내에 있는지 판단하도록 구성되고,
상기 제1 기간은 누설 전류에 의해 상기 배터리의 충전 용량과 방전 용량 차이가 발생할 수 있는 시간 간격인, 장치.
제15항에 있어서,
상기 내부 단락 감지기는 추가로,
상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량을 이용하여 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량을 이용하여 상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이를 산출하고,
제2 기준 시점에 대응하는 충전 용량을 이용하여 상기 제2 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이를 산출하고 상기 제2 기준 시점에 대응하는 방전 용량을 이용하여 상기 제2 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이를 산출하도록 구성된, 장치.
제16항에 있어서,
상기 내부 단락 감지기는 추가로,
상기 제1 기준 시점에 대응하는 방전 용량 높이와 상기 제1 기준 시점에 대응하는 충전 용량 높이의 크기의 차가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 제1 기준 시점과 상기 제2 기준 시점 사이에서 상기 배터리의 내부 단락이 발생한 것으로 판단하도록 구성된, 장치.
제17항에 있어서,
상기 기준 SOC는 상기 배터리가 완전 충전될 때의 SOC인, 장치.
제18항에 있어서,
상기 적산기는 상기 제2 기준 시점에 리셋되는, 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과되었는지 판단하고, 상기 제1 기준 시점으로부터 소정 시간이 경과된 것으로 판단되면, 상기 배터리에 대해 셀 밸런싱을 수행하는 제어부
를 더 포함하는 장치.