特開 2024-77587 異常セル検出方法、異常セル検出装置およびバッテリーパック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024077587

(43)【公開日】2024-06-07

(54)【発明の名称】異常セル検出方法、異常セル検出装置およびバッテリーパック

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20240531BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20240531BHJP

   G01R 31/396 20190101ALI20240531BHJP

【ＦＩ】

H01M10/48 P

H02J7/00 Y

G01R31/396

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023134041

(22)【出願日】2023-08-21

(31)【優先権主張番号】10-2022-0161767

(32)【優先日】2022-11-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】590002817

【氏名又は名称】三星エスディアイ株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＳＡＭＳＵＮＧ ＳＤＩ Ｃｏ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】１５０－２０ Ｇｏｎｇｓｅ－ｒｏ，Ｇｉｈｅｕｎｇ－ｇｕ，Ｙｏｎｇｉｎ－ｓｉ， Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ， ４４６－９０２ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】▲曹▼ ▲徳▼九

【テーマコード（参考）】

2G216

5G503

5H030

【Ｆターム（参考）】

2G216BB01

2G216CB17

5G503BA01

5G503BB01

5G503CB11

5G503EA08

5G503HA00

5H030AS08

5H030FF22

5H030FF41

5H030FF42

5H030FF43

5H030FF44

5H030FF52

(57)【要約】

【課題】本開示を通じて解決しようとする課題は、異常セルを早期に検出することができる異常セル検出方法、異常セル検出装置およびバッテリーパックを提供することにある。
【解決手段】本開示による複数のセルを含むバッテリーパックの異常セル検出方法は、セルバランシングが許容された状態で、各セルに対して第１休止期間の第１放電率を獲得する段階、前記第１放電率が第１臨界値以上であるセルが検出されると、前記複数のセルのセルバランシングを禁止する段階、セルバランシングが禁止された状態で、前記各セルに対して第２休止期間の第２放電率を獲得する段階、そして前記複数のセルのうち前記第２放電率が第２臨界値以上であるセルを異常セルとして検出する段階を含むことができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のセルを含むバッテリーパックの異常セル検出方法であって、
セルバランシングが許容された状態で、各セルに対して第１休止期間の第１放電率を獲得する段階、
前記第１放電率が第１臨界値以上であるセルが検出されると、前記複数のセルのセルバランシングを禁止する段階、
セルバランシングが禁止された状態で、前記各セルに対して第２休止期間の第２放電率を獲得する段階、そして
前記複数のセルのうち前記第２放電率が第２臨界値以上であるセルを異常セルとして検出する段階を含む異常セル検出方法。

【請求項2】

前記第２臨界値は前記第１臨界値より大きい、請求項１に記載の異常セル検出方法。

【請求項3】

前記第２放電率を獲得する段階は、
前記複数のセルのうち前記第１放電率が前記第１臨界値以上である各セルのみに対して前記第２放電率を獲得する段階を含む、請求項１に記載の異常セル検出方法。

【請求項4】

前記異常セルが検出されると、前記バッテリーパックの充放電を遮断する段階をさらに含む、請求項１に記載の異常セル検出方法。

【請求項5】

バッテリーモジュールを構成する複数のセルのそれぞれの電圧を検出する検出装置、そして
セルバランシングが許容された状態で各セルに対して第１休止期間の第１放電率を獲得し、前記第１放電率が第１臨界値以上であるセルが検出されると前記複数のセルのセルバランシングを禁止し、セルバランシングが禁止された状態で前記各セルに対して第２休止期間の第２放電率を獲得し、前記複数のセルのうち前記第２放電率が第２臨界値以上であるセルを異常セルとして検出するバッテリー管理システムを含む異常セル検出装置。

【請求項6】

前記第２臨界値は前記第１臨界値より大きい、請求項５に記載の異常セル検出装置。

【請求項7】

前記バッテリー管理システムは、前記複数のセルのうち前記第１放電率が前記第１臨界値以上である各セルのみに対して前記第２放電率を獲得する、請求項５に記載の異常セル検出装置。

【請求項8】

前記バッテリー管理システムは、前記異常セルが検出されると前記バッテリーモジュールの充放電を遮断する、請求項５に記載の異常セル検出装置。

【請求項9】

請求項５乃至８のいずれか一項に記載の異常セル検出装置を含むバッテリーパック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、異常セル検出方法、およびこれを遂行する異常セル検出装置およびバッテリーパックに関する。

【背景技術】

【0002】

二次バッテリー（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電および放電が繰り返され得るという点で、化学物質の電気エネルギーへの非可逆的変換のみを提供する一次バッテリー（ｐｒｉｍａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）とは異なる。低容量の二次バッテリーは、携帯電話、ノートパソコン、およびカムコーダーのような小型電子装置の電源装置として使用され、高容量の二次バッテリーは、ハイブリッド自動車などの電源装置として使用される。

【0003】

一般的に、二次バッテリーセルは、正極、負極、および正極と負極との間に介されたセパレータを含む電極組立体、電極組立体を収容するケース、そして電極組立体と電気的に連結されている電極端子を含む。正極、負極、および電解質溶液の電気化学的反応を通じてバッテリーセルの充放電を可能にするために、ケースに電解液が注入される。円筒形または長方形のようなケースの形状はバッテリーセルの用途により異なる。

【0004】

バッテリーセルの内部異物、内部短絡などはバッテリーセルを過熱させて熱暴走、発火などバッテリーパックの安全問題を起こす原因のうちの一つである。したがって、バッテリーパックの安全性を確保するためには異常セルを早期に検出して措置することが非常に重要である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示を通じて解決しようとする課題は、異常セルを早期に検出することができる異常セル検出方法、異常セル検出装置およびバッテリーパックを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記課題を解決するための一実施形態による複数のセルを含むバッテリーパックの異常セル検出方法は、セルバランシングが許容された状態で、各セルに対して第１休止期間の第１放電率を獲得する段階、前記第１放電率が第１臨界値以上であるセルが検出されると、前記複数のセルのセルバランシングを禁止する段階、セルバランシングが禁止された状態で、前記各セルに対して第２休止期間の第２放電率を獲得する段階、そして前記複数のセルのうち前記第２放電率が第２臨界値以上であるセルを異常セルとして検出する段階を含むことができる。

【0007】

前記第２臨界値は前記第１臨界値より大きくてもよい。

【0008】

前記第２放電率を獲得する段階は、前記複数のセルのうち前記第１放電率が前記第１臨界値以上である各セルのみに対して前記第２放電率を獲得する段階を含むことができる。

【0009】

前記異常セル検出方法は、前記異常セルが検出されると、前記バッテリーパックの充放電を遮断する段階をさらに含むことができる。

【0010】

一実施形態による異常セル検出装置は、バッテリーモジュールを構成する複数のセルのそれぞれの電圧を検出する検出装置、そしてセルバランシングが許容された状態で各セルに対して第１休止期間の第１放電率を獲得し、前記第１放電率が第１臨界値以上であるセルが検出されると前記複数のセルのセルバランシングを禁止し、セルバランシングが禁止された状態で前記各セルに対して第２休止期間の第２放電率を獲得し、前記複数のセルのうち前記第２放電率が第２臨界値以上であるセルを異常セルとして検出するバッテリー管理システムを含むことができる。

【0011】

前記第２臨界値は前記第１臨界値より大きくてもよい。

【0012】

前記バッテリー管理システムは、前記複数のセルのうち前記第１放電率が前記第１臨界値以上である各セルのみに対して前記第２放電率を獲得することができる。

【0013】

前記バッテリー管理システムは、前記異常セルが検出されると前記バッテリーモジュールの充放電を遮断することができる。

【0014】

一実施形態によるバッテリーパックは、前述した特徴のうちの少なくとも一つを含む異常セル検出装置を含むことができる。

【発明の効果】

【0015】

本開示によれば、異常セルを早期に検出することによってバッテリーパックの安全性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】一実施形態によるバッテリーパックを概略的に示す。

【図2】一実施形態による異常セル検出方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。以下、添付した図面を参照して実施形態の効果および特徴、そしてその具現方法を詳しく説明する。図面において、同一の参照符号は同一の構成要素を示し、それに関する重複する説明は省略される。しかし、本発明は多様な形態に具現することができ、ここで説明する実施形態に限定されると解釈されてはならない。むしろ、これら実施形態は本開示が徹底かつ完全になることができるように例として提供され、通常の技術者に本発明の様態および特徴を十分に伝達する。

【0018】

したがって、本発明の様態および特徴の完全な理解のために当業者に必要でないと考慮されるプロセス、要素、および技術は説明されないことがある。図面において、素子、層、および領域の相対的な大きさは明確性のために誇張され得る。

【0019】

本文書で「および／または」という用語は、関連して列挙された複数の項目の全ての組み合わせまたは任意の組み合わせを含む。本発明の実施形態を記述する時、「～することができる」を使用することは、「本発明の一つ以上の実施形態」を意味する。次の本発明の実施形態に関する説明において、単数の形態の用語は、文脈に別に明示されない限り、複数の形態を含むことができる。

【0020】

「第１」および「第２」の用語は、多様な構成要素を説明することに使用されるが、これら構成要素はこの用語により限定されない。この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。例えば、本発明の権利範囲を逸脱せずに第２構成要素は第１構成要素と命名され得、同様に第１構成要素も第２構成要素と命名され得る。

【0021】

本文書で一つの構成要素または層が他の構成要素または層に対して「上に」、「連結された」、または「結合された」と記載される場合に、「上に」、「連結された」および「結合された」とは、直接、または一つ以上の他の構成要素または層を介して形成されることを全て含む。また、一つの構成要素または層が２個の構成要素または層の「間」にあると記載される場合、２個の構成要素または層の間の唯一の構成要素または層であるか、一つ以上の介された他の要素または層が存在すると理解されなければならない。

【0022】

本文書で２個の構成要素を「電気的に連結」するということは、２個の構成要素を直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）連結する場合だけでなく、２個の構成要素の間に他の構成要素を経て連結する場合も含むことができる。他の構成要素は、スイッチ、抵抗、キャパシタなどを含むことができる。実施形態を説明するに当たり、「連結」するという表現は、直接連結するという表現がない場合には、電気的に連結することを意味する。

【0023】

以下、必要な図面を参照して一実施形態による異常セル検出方法、およびこれを遂行する異常セル検出装置およびバッテリーパックについて詳しく説明する。

【0024】

図１は一実施形態によるバッテリーパックを概略的に示す。

【0025】

図１を参照すれば、一実施形態によるバッテリーパック１０は、バッテリーモジュール１１、検出装置１２、およびバッテリー管理システム（ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）１３を含むことができる。

【0026】

バッテリーモジュール１１は、互いに直列または並列連結される複数のセル１１１を含むことができる。

【0027】

検出装置１２は、バッテリーモジュール１１を構成するセル１１１の状態を検出することができる。検出装置１２は、各セルのセル電圧、バッテリーモジュール１１のモジュール電圧などを検出する電圧検出部１２１を含むことができる。検出装置１２は、バッテリーモジュール１１に流れる電流を検出する電流検出部１２２をさらに含むことができる。検出装置１２は、バッテリーモジュール１１の少なくとも一地点での温度を検出する温度検出部１２３をさらに含むことができる。

【0028】

バッテリー管理システム１３は、検出装置１２からバッテリーモジュール１１の状態情報（電圧、電流、温度）を受信することができる。バッテリー管理システム１３は、検出装置１２から受信した状態情報に基づいてバッテリーモジュール１１の状態（電圧、電流、温度、充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）、寿命（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ、ＳＯＨ）など）をモニタリングすることができる。また、バッテリー管理システム１３は、状態モニタリング結果に基づいて、制御機能（例えば、温度制御、セルバランシング制御、充放電制御など）、保護機能（例えば、異常セル検出、過放電防止、過充電防止、過電流防止など）などを遂行することができる。

【0029】

この実施形態によれば、バッテリー管理システム１３は、検出装置１２と共にバッテリーモジュール１１の異常セル検出装置として動作することができる。バッテリー管理システム１３は、検出装置１２から受信する状態情報に基づいて、バッテリーモジュール１１を構成するセルのうち、内部異物、内部短絡などにより異常が発生したセルを検出することができる。このために、バッテリー管理システム１３は、放電率検出部１３１、１次異常検出部１３２、および２次異常検出部１３３を含むことができる。

【0030】

放電率検出部１３１は、バッテリーパック１０の休止（ｒｅｓｔ）期間内に各セル１１１の放電率を検出することができる。放電率検出部１３１は、電圧検出部１２１を通じて休止期間に各セル１１１のセル電圧を持続的に獲得し、セル電圧の時間による変化を計算して各セル１１１の放電率を算出することができる。ここで、休止期間は、バッテリーパック１０の充電および放電が中断された状態を意味し得る。

【0031】

１次異常検出部１３２は、各セル１１１の休止期間の放電率が算出されると、これを第１臨界値と比較することができる。１次異常検出部１３２は、休止期間での放電率が第１臨界値以上であるセルが存在すると、バッテリーモジュール１１に異常セルが存在する可能性があると判断することができる。

【0032】

バッテリー管理システム１３は、１次異常検出部１３２によりバッテリーモジュール１１内に異常セルが存在する可能性があると判断されると、警告段階に入ってバッテリーモジュール１１のセルバランシングを制限することができる。つまり、バッテリー管理システム１３は、警告段階に入ると、バッテリーモジュール１１を構成するセル１１１の間の電圧差またはＳＯＣ差がセルバランシング開始基準を超えてもセルバランシングを遂行しないことができる。

【0033】

通常、セルバランシングは、バッテリーモジュール１１を構成するセルの状態を均等化させるために遂行され、各セルの電圧またはＳＯＣによりセルバランシングを開始するか否かが決定され得る。一方、バッテリーモジュール１１に異常セルが含まれている状態でセルバランシングを遂行する場合、セルバランシングにより異常セルの状態不均衡が緩和されて異常セルを早期に発見することができず、発火につながる状況が発生することもある。

【0034】

したがって、バッテリー管理システム１３は、セルバランシングが許容された状態で１次異常検出部１３２により異常セルが存在する可能性があると判断されると、セルバランシングを中断させてセルバランシングにより異常セルの状態異常が隠されることを防止することができる。その後、バッテリー管理システム１３は、２次異常検出部１３３を実行させてセルバランシングが中断された状態で最終的に異常セルを検出することができる。

【0035】

２次異常検出部１３３は、バッテリー管理システムが警告段階に入ってセルバランシングが中断されると、セルバランシングが中断された状態で各セル１１１の休止期間の放電率を第２臨界値と比較することができる。また、２次異常検出部１３３は、休止期間での放電率が第２臨界値以上であるセルが検出されると、当該セルを異常セルとして最終決定することができる。異常セル検出の正確度を高めるために、第２臨界値は前述した第１臨界値より大きい値であり得る。演算量を減らすために、２次異常検出部１３３は１次異常検出部１３２で休止期間における放電率が第１臨界値以上であると判断されたセルのみに対して、放電率と第２臨界値との比較を遂行することができる。２次異常検出部１３３は、バッテリーモジュール１１を構成する全てのセル１１１に対して休止期間における放電率を第２臨界値と比較することもできる。

【0036】

２次異常検出部１３３は、最終的に異常セルが検出されると、バッテリーモジュール１１の充放電を遮断して発火危険からバッテリーモジュール１１を保護することができる。また、２次異常検出部１３３は、異常セルの検出時、異常セルが検出されたことを示す通知情報を異常セルの情報と共に使用者に伝達することができる。

【0037】

図２は一実施形態によるバッテリーパックで異常セルを検出する方法を示す。図２の方法は図１を参照して説明したバッテリー管理システムにより遂行することができる。

【0038】

図２を参照すれば、一実施形態によるバッテリー管理システム１３は、セルバランシングが許容された状態でバッテリーモジュール１１を構成する各セル１１１に対して休止期間の放電率を獲得することができる（Ｓ１１）。バッテリー管理システム１３は、休止期間に検出装置１２を通じて各セル１１１のセル電圧を持続的に検出し、検出されたセル電圧の時間に応じた変化を算出して各セル１１１の放電率を獲得することができる。

【0039】

バッテリー管理システム１３は、各セル１１１の休止期間での放電率が獲得されると、セル１１１のうち放電率が第１臨界値以上であるセルが存在するか否かを確認することができる（Ｓ１２）。

【0040】

バッテリー管理システム１３は、Ｓ１２段階で放電率が第１臨界値以上であるセルが存在すると確認されると、警告段階に入ってセルバランシングを禁止することができる（Ｓ１３）。つまり、バッテリー管理システム１３は、警告段階に入ると、バッテリーモジュール１１を構成するセル１１１の間の電圧差またはＳＯＣ差がセルバランシング開始基準を超えてもセルバランシングを遂行しないようにセルバランシング機能を不活性化させることができる。

【0041】

その後、バッテリー管理システム１３は、バッテリーパック１０が休止期間に入ると、各セル１１１に対して休止期間の放電率を獲得することができる（Ｓ１４）。バッテリー管理システム１３は、各セル１１１の休止期間での放電率が獲得されると、セル１１１のうち放電率が第２臨界値以上であるセルが存在するか否かを確認することができる（Ｓ１５）。

【0042】

バッテリー管理システム１３は、Ｓ１５段階で放電率が第２臨界値以上であるセルが確認されると、当該セルを異常セルとして検出し（Ｓ１６）、保護動作を遂行することができる（Ｓ１７）。つまり、バッテリー管理システム１３は、バッテリーモジュール１１の充放電を遮断し、異常セルが検出されたことを使用者に通知することができる。

【0043】

前述した実施形態によれば、異常セル検出装置は、セルバランシングが許容された状態で各セル１１１の休止期間での放電率を第１臨界値と比較して異常セルの存在の可能性を判断し、異常セルが存在する可能性があると判断されるとセルバランシングを中断した状態で各セル１１１の休止期間での放電率を第２臨界値と比較して異常セルを最終検出することができる。このような方式は、異常セルの早期検出が可能であり、検出正確度も向上する効果がある。

【0044】

ここで説明された本発明の実施形態による電子または電気装置および／または任意の他の関連装置または構成要素は、任意の適したハードウェア、ファームウエア（例えば、特定用途向け集積回路（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ））、ソフトウェア、またはソフトウェア、ファームウエアおよびハードウェアの組み合わせを利用して具現され得る。例えば、これら装置の多様な構成要素は、一つの集積回路（ＩＣ）チップ上にまたは個別ＩＣチップ上に形成され得る。また、これら装置の多様な構成要素は、フレキシブルプリント回路フィルム（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｉｌｍ）、テープキャリアパッケージ（ＴＣＰ：ｔａｐｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｐａｃｋａｇｅ）、プリント回路基板（ＰＣＢ：ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）または一つの基板上に具現され得る。本明細書に記載された電気的連結または相互連結は、例えば、ＰＣＢまたは他の種類の回路キャリア上の配線または伝導性素子により具現され得る。伝導性素子は、例えば表面金属化（ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｓ）のような金属化、および／またはピン（ｐｉｎ）を含むことができ、伝導性重合体（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒｓ）またはセラミック（ｃｅｒａｍｉｃｓ）を含むことができる。

【0045】

また、これら装置の多様な構成要素は、ここで説明された多様な機能を遂行するために一つ以上のプロセッサー上で実行され、一つ以上のコンピューティング装置内で実行され、コンピュータプログラム命令を実行し、他のシステム構成要素と相互作用するプロセスまたはスレッドであり得る。コンピュータプログラム命令は、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）のような、標準メモリ装置を使用するコンピューティング装置で具現され得るメモリに保存される。コンピュータプログラム命令はまた、例えばＣＤ－ＲＯＭ、フラッシュドライブなどのような他の非一時的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）コンピュータ読み取り可能媒体に保存され得る。

【0046】

また、当業者は多様なコンピューティング装置の機能が単一のコンピューティング装置に結合または統合され得るか、または特定のコンピューティング装置の機能が本発明の例示的な実施形態の範囲を逸脱せずに一つ以上の他のコンピューティング装置にわたって分散され得ることを認識しなければならない。

【符号の説明】

【0047】

１０：バッテリーパック
１１：バッテリーモジュール
１１１：バッテリーセル
１２：検出装置
１２１：電圧検出部
１２２：電流検出部
１２３：温度検出部
１３：バッテリー管理システム
１３１：放電率検出部
１３２：１次異常検出部
１３３：２次異常検出部

【図1】

【図2】