KR100708854B1

KR100708854B1 - 배터리의 ｓｏｃ 추정 방법 및 이를 이용한 배터리 관리시스템

Info

Publication number: KR100708854B1
Application number: KR1020050115581A
Authority: KR
Inventors: 서세욱; 최수석; 윤한석; 임계종
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-04-17

Abstract

배터리의 SOC 추정 방법은 OCV(open circuit voltage)를 이용하여 보다 정확하게 배터리의 SOC(state of charging)를 산출한다.

먼저, 배터리의 팩전류가 0 A인 상태가 제1 기간 동안 계속되는 지를 판단한다. 그리고 제1 기간 종료 시의 팩전압을 유사 OCV로서 결정하고, 유사 OCV를 이용하여 리셋 SOC를 결정한다. 여기서 리셋 SOC는 실험에 의해 얻어진 값으로서 데이터 데이블 형태로 유사 OCV에 대응되게 저장될 수 있다. 다르게는 리셋 SOC는 실험에 의해 얻어진 값들을 기초로 모델링 된 SOC 산출식에 의해 얻어질 수 있다.

SOC, 배터리, BMS, 하이브리드 자동차, 전기 자동차

Description

배터리의 ＳＯＣ 추정 방법 및 이를 이용한 배터리 관리 시스템{Method of estimating SOC for battery and battery management system using the same}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기를 이용하는 자동차 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 BMS의 MCU를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 3은 수학식 2의 4 개의 계수들(A₁, A₂, V₀, dV)의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 4는 배터리의 SOC와 V_OCV와의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리의 SOC 추정방법을 순서대로 보여주는 도면이다.

도 6은 도 5의 단계(S130)를 보다 구체적으로 보여주는 도면이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 BMS의 MCU를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리의 SOC 추정방법을 순서대로 보여주는 도면이다.

본 발명은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것으로, 특히, 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리의 SOC 추정 방법 및 이를 이용한 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

전기 자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.

한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 엔진을 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.

이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 성능이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 더욱 정확하게 배터리의 SOC를 추정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 OCV(open circuit voltage)를 이용하여 보다 정확하게 배터리의 SOC(state of charging)를 산출하여 자동차의 ECU에 제공할 수 있는 배터리 관리 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 특징에 따른 배터리 관리 시스템에서 사용되는 배터리의 SOC 추정 방법은, a) 배터리의 팩전류가 제1 값인 상태가 제1 기간 동안 계속되는 지를 판단하는 단계; b) 상기 제1 기간 종료 시의 팩전압을 유사 OCV로서 판단하는 단계; c) 상기 유사 OCV를 이용하여 제1 SOC를 출력하는 단계; 및 d) 상기 제1 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 출력하는 단계를 포함한다.

상기 a) 단계에서 상기 팩전류가 상기 제1 값이 아니라고 판단되면, a-1) 상기 팩전류를 이용하여 제2 SOC를 산출하는 단계; 및 a-2) 상기 제2 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 c) 단계는 배터리의 SOC를 측정하는 실험에 의해 얻어진 결과를 기초로 모델링된 SOC 산출식을 이용하여 상기 제1 SOC를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

다르게는 상기 c) 단계는 배터리의 SOC를 측정하는 실험에 의해 얻어진 결과를 기초로 상기 유사 OCV에 대응되게 데이터 데이블 형태로 저장되어 있는 제1 SOC를 출력할 수 있다.

상기 제1 기간은 상기 배터리의 팩전압이 임의의 값으로 수렴하는 데 필요한 시간일 수 있고, 상기 제1 값은 실질적으로 상기 배터리로부터 출력되는 전류값으로써 대략 0 A에 해당할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따른 전기를 이용하는 자동차의 ECU(engine controller unit)에 연결되는 배터리 관리 시스템의 구동방법은, a) 배터리의 팩전류 및 팩전압을 측정하는 단계; b) 측정된 상기 팩전류가 제1 값이 아니면 상기 팩전류를 이용하여 제1 SOC를 산출하는 단계; c) 상기 제1 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 출력하는 단계; d) 특정 기간동안 상기 팩전류가 상기 제2 값이고, 상기 팩전압이 임의의 어떤 값으로 수렴되면 수렴된 상기 팩전압을 유사 OCV로 판단하고, 상기 유사 OCV를 이용하여 제2 SOC를 출력하는 단계; 및 e) 상기 제2 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 상기 ECU로 출력하는 단계를 포함한다.

상기 d) 단계는 배터리의 SOC를 측정하는 실험에 의해 얻어진 결과를 기초로 모델링된 SOC 산출식을 이용하여 상기 제2 SOC를 산출할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 전기를 이용하는 자동차의 ECU로 배터리의 SOC를 출력하는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템은, 배터리의 팩전류를 이용 하여 추정 SOC를 산출하는 추정 SOC 산출부; 특정 시간 동안 상기 배터리의 팩전류가 제1 값인가를 판단하여 상기 특정 시간 종료 시의 팩전압을 유사 OCV로 출력하는 유사 OCV 판단부; 상기 유사 OCV에 대응되는 배터리의 리셋 SOC를 출력하는 리셋 SOC 산출부; 및 상기 추정 SOC 또는 상기 리셋 SOC 중 어느 하나를 상기 배터리의 현재 SOC로서 상기 ECU로 출력하는 SOC 출력부를 포함한다.

상기 리셋 SOC 산출부는, 상기 유사 OCV 및 실험에 의해 얻어진 배터리의 실제 SOC가 서로 대응되게 저장되는 LUT를 포함하고, 상기 LUT에 저장된 상기 실제 SOC를 상기 리셋 SOC로 출력할 수 있다.

다르게는 상기 리셋 SOC 산출부는,

(여기서, A₁은 SOC 시작값 f(-∞), A₂는 SOC 최종값 f(∞), V₀는 SOC가 (A₁+A₂)/2 일 때의 전압값, dV는 폭, V_OCV는 상기 유사 OCV)

을 이용하여 상기 리셋 SOC를 산출할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따른 전기를 이용하는 자동차의 ECU로 배터리의 SOC를 출력하는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템은, 상기 배터리의 측정된 팩전류를 이용하여 추정 SOC를 산출하는 추정 SOC 산출부; 제1 기간 동안 상기 배터리의 팩전류는 제1 값이고, 상기 제1 기간보다 작은 제2 기간 간격으로 측정된 상기 배터리의 복수의 팩전압의 크기 변화가 특정 값보다 작으면, 상기 제1 기간 종료 시의 팩전압을 유사 OCV로 출력하는 유사 OCV 판단부; 상기 유사 OCV를 이용하여 리셋 SOC를 산출하는 리셋 SOC 산출부; 상기 추정 SOC 또는 상기 리셋 SOC 중 어느 하나를 상기 배터리의 현재 SOC로서 상기 ECU로 출력하는 SOC 출력부를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 전기를 이용하는 자동차의 ECU로 배터리의 SOC를 출력하는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템의 구동방법은, a) 제1 기간 동안 상기 배터리의 팩전류는 일정한 값을 유지하고, 상기 제1 기간보다 작은 제2 기간 간격으로 측정된 상기 배터리의 팩전압값들이 크기 변화가 특정 값보다 작으면, 상기 제1 시간 종료시의 팩전압을 유사 OCV로서 출력하는 단계; b) 상기 유사 OCV를 배터리의 SOC를 측정하는 실험에 의해 얻어진 결과를 기초로 모델링된 SOC 산출식에 대입하여 리셋 SOC를 산출하는 단계; 및 c) 상기 리셋 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 상기 ECU로 출력하는 단계를 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 " 포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 자동차 시스템은, BMS(1), 배터리(2), 전류센서(3), 냉각팬(4), 퓨즈(5), 메인 스위치(6), ECU(engine controller unit, 7), 인버터(8) 및 모터제너레이터(9)를 포함한다.

먼저, 배터리(2)는 복수의 전지 셀이 서로 직렬로 연결된 복수의 서브팩(2a ~ 2h), 줄력단자(2_OUT1), 출력단자(2_OUT2) 및 서브팩(2d)과 서브팩(2e) 사이에 마련되는 안전스위치(2_SW)를 포함한다. 여기서 서브팩(2a ~ 2h)은 예시적으로 8개로 표시되고 서브팩은 복수의 전지 셀을 하나의 그룹으로 표시한 것에 불과한 것이고, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 안전 스위치(2_SW)는 서브팩(2d)과 서브팩(2e) 사이에 마련되는 스위치로서 배터리를 교체하거나 배터리에 대한 작업을 수행할 때 작업자의 안전을 위하여 수동적으로 온 오프할 수 있는 스위치이다. 본 제1 실시예에서는 서브팩(2d)과 서브팩(2e) 사이에 안전 스위치(2_SW)가 마련되나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 출력단자(2_OUT1) 및 출력단자(2_OUT2)는 인버터(8)와 연결된다.

전류센서(3)는 배터리(2)의 출력전류 량을 측정하여 BMS(1)의 센싱부(10)로 출력한다. 구체적으로 전류센서(3)는 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하고 측정된 전류에 대응되는 아날로그 전류 신호로 출력하는 Hall CT(Hall current transformer)일 수 있다.

냉각팬(4)은 BMS(1)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)의 충방전에 의해 발생할 수 있는 열을 냉각하여 온도 상승으로 인한 배터리(2)의 열화 및 충방전 효율의 저하를 방지한다.

퓨즈(5)는 배터리(2)의 단선 또는 단락에 의해 과전류가 배터리(2)에 전달되는 것을 방지한다. 즉 과전류가 발생하면 퓨즈(5)는 단선되어 과전류가 배터리(2)에 전달되는 것을 차단한다.

메인 스위치(6)는 과전압, 과전류, 고온 등 이상 현상이 발생하면 BMS(1) 또는 자동차의 ECU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)를 온오프 한다.

BMS(1)는 센싱부(10), MCU(Main control unit, 20), 내부전원 공급부(30), 셀밸런싱부(40), 저장부(50), 통신부(60), 보호회로부(70), 파워온 리셋부(80) 및 외부인터페이스(90)를 포함한다.

센싱부(10)는 배터리 전체 팩전류, 배터리 전체 팩전압, 각 전지 셀전압, 셀온도 및 주변온도를 측정하여 MCU(20)에 전달한다.

MCU(20)는 센싱부(10)로부터 전달받은 배터리 전체 팩전류, 배터리 전체 팩전압, 각 전지 셀전압, 셀온도 및 주변온도에 기초하여 배터리(2)의 충전상태(state of charging, 이하 SOC), 건강상태(state of health, 이하 SOH) 등을 추정하여 배터리(2)의 상태를 알려주는 정보를 생성하고 자동차의 ECU(7)에 전달한다. 따라서 자동차의 ECU는 MCU(20)로부터 전달된 SOC 및 SOH에 기초하여 배터리(2)의 충전 또는 방전을 수행한다.

내부전원 공급부(30)는 일반적으로 보조 배터리를 이용하여 BMS(1)에 전원을 공급하는 장치이다. 셀밸런싱부(40)는 각 셀의 충전상태의 균형을 맞춘다. 즉, 충전상태가 비교적 높은 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 셀은 충전시킬 수 있다. 저장부(50)는 BMS(1)의 전원이 오프될 때, 현재의 SOC, SOH 등의 데이터들을 저장한다. 여기서 저장부(50)는 전기적으로 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 저장장치로서 EEPROM일 수 있다. 통신부(60)는 자동차의 ECU(7)와 통신을 수행한다. 보호회로부(70)는 펌웨어(firm ware)를 이용하여 외부의 충격, 과전류, 저전압 등으로부터 배터리(2)를 보호하기 위한 회로이다. 파워온 리셋부(80)는 BMS(1)의 전원이 켜지면 전체 시스템을 리셋한다. 외부 인터페이스(90)는 냉각팬(4), 메인 스위치(6) 등 BMS의 보조장치들을 MCU(20)에 연결하기 위한 장치이다. 본 실시에에서는 냉각팬(4) 및 메인 스위치(6)만이 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니다.

ECU(7)는 차량의 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 차량 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 즉 ECU(7)는 인버터(8)의 스위칭을 제어하여 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한 ECU(7)는 BMS(1)의 통신부(60)를 통하여 MCU(20)로부터 전달되는 배터리(2)의 SOC를 전달받아 배터리(2)의 SOC가 목표값(예컨대 55%)이 되도록 제어한다. 예를 들면 MCU(20)로부터 전달된 SOC가 55% 이하이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 배터리(10) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 충전시키고 이때 팩전류(I)는 '-'값이 된다. 한편, SOC가 55% 이상이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 모터제너레이터(9) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 방전시키고 이때 팩전류(I)는 '+'값이 된다.

인버터(8)는 ECU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)가 충전 또는 방전되도록 한다.

모터 제너레이터(9)는 배터리(2)의 전기에너지를 이용하여 ECU(7)로부터 전달되는 토크 정보에 기초하여 자동차를 구동한다.

결국 ECU(7)는 SOC에 기초하여 충방전 할 수 있는 파워만큼 충방전함으로써 배터리(2)가 과충전이나 과방전되는 것을 방지하여 배터리(2)를 효율적으로 오랫동안 사용할 수 있도록 한다. 그러나 배터리(2)가 자동차에 장착된 후에는 배터리(2)의 실제 SOC를 측정하기는 어려우므로, BMS(1)는 센싱부(10)에서 센싱한 팩전류, 팩전압 등을 이용하여 SOC를 정확하게 추정하여 ECU(7)에 전달하여야 한다.

이하에서는 더욱 정확하게 SOC를 출력할 수 있는 MCU(20)에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 BMS(1)의 MCU(20)를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, MCU(20)는 추정 SOC 산출부(21), 유사 OCV 판단부(22), 리셋 SOC 산출부(23) 및 SOC 출력부(24)를 포함한다.

먼저, SOC 출력부(24)는 추정 SOC 산출부(21)에서 산출된 추정 SOC 또는 리셋 SOC 산출부(23)에서 산출된 리셋 SOC 중 어느 하나를 현재 배터리(2)의 SOC ECU(7)로 출력한다.

추정 SOC 산출부(21)는 센싱부(10)로부터 전달받은 팩전류(I) 및 충전효율을 기초로 추정 SOC를 산출한다. 구체적으로 정해진 배터리(2)의 실제 충전효율(

)을 이용하여 아래 수학식 1과 같이 추정 SOC를 산출한다.

여기서

는 충방전 전류로서 센싱부(10)에서 출력된 팩전류(I)이고,

는 배터리(2)의 실제 충전효율이고,

는 총 배터리 용량(Total Amount of charge)이다.

유사 OCV 판단부(22)는 현재 팩전압이 유사 OCV에 해당하는 지를 판단한다.

일반적으로 OCV(open circuit voltage)는 BMS(1)가 개방회로(open circuit) 상태인 때의 팩전압, 즉 무부하 상태의 팩전압을 의미한다. 예컨대 BMS(1)의 키온(key on) 시의 전압을 의미한다. 이에 대하여 유사 OCV라 함은 BMS(1)가 개방회로 상태는 아니나 실질적인 무부하 상태가 특정 시간 동안 계속 될 때의 팩전압을 의미한다. 예컨대 자동차의 정속주행 등에 의해 배터리(2)를 사용하지 않아 배터리(2)로부터 출력되는 팩전류가 0(zero)인 상태가 특정 시간 동안 유지된 때의 팩전압을 유사 OCV라고 정의한다. 여기서 특정 시간은 팩전압이 특정 값으로 수렴하는 데 필요한 시간으로서, 팩전류가 0 A가 되기 전에 출력되던 팩전류 크기, 온도 등에 따라 다를 수 있다. 예컨대 25℃에서 10C(여기서 C는 배터리가 1시간 동안 방전하는 전류크기, 40개의 전지셀을 포함하는 배터리의 경우 대략 5.6 A)로 출력되다가 팩전류가 0 A가 된 경우에 팩전압 값이 어떤 특정 값으로 수렴하기 위한 특정 시간은 10분이 될 수 있다.

따라서 유사 OCV 판단부(22)는 직전 출력 전류량, 온도 및 시간에 대한 데이터가 서로 대응되게 저장된 OCV LUT(look up table, 22a) 및 전류량이 0 A 인 상태가 유지되는 시간을 카운팅하는 카운터(22b)를 포함한다. 현재 배터리(2)를 사용하지 않아 배터리(2)로부터 출력되는 팩전류가 0(zero)인 상태가 OCV LUT(22a)에 기초하여 특정 시간이상 계속되는 가를 판단하고, 이 때의 팩전압을 유사 OCV로서 출력한다.

리셋 SOC 산출부(23)는 OCV 또는 유사 OCV를 이용하여 아래 수학식 2와 같이 리셋 SOC를 산출한다.

여기서, A₁, A₂, V₀, dV는 배터리(2)의 상태에 따라 설정되는 특정 계수로서, A₁은 SOC 시작값 f(-∞), A₂는 SOC 최종값 f(∞), V₀는 SOC가 (A₁+A₂)/2 일 때의 전압값, dV는 폭(width)이다. V_OCV는 OCV 또는 유사 OCV이다.

도 3은 4 개의 계수들(A₁, A₂, V₀, dV)의 관계를 보여주는 도면이다.

예컨대 계수 A₁, A₂, V₀, dV는 아래와 같이 설정될 수 있다.

계수	설정값
A₁	-7.697
A₂	104.061
V₀	147.972
dV	7.657

앞의 수학식 2는 실험에 의해 얻어진 실제 배터리의 SOC와 전압과의 관계를 모델링한 식이다. 따라서 본 실시예에서는 수학식 2를 이용하여 유사 OCV에 대한 리셋 SOC를 산출하나, 다르게는 리셋 SOC 산출부(23)가 실험에 의해 얻어진 전압에 대응되는 SOC를 테이블 형태로 저장하고, 유사 OCV 판단부(22)에서 출력된 유사 OCV에 대응되는 SOC를 리셋 SOC로 출력할 수 있다.

도 4는 계수가 표 1과 같이 설정되었을 때, 도 1과 같이 40개의 전지셀을 포함하는 배터리(2)의 SOC와 V_OCV와의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 4에서 점선으로 표시된 곡선은 실제 실험에 의해 측정된 배터리의 SOC와 전압의 관계를 보여주는 것이고, 실선으로 표시된 곡선은 앞의 수학식 2에 기초하여 산출된 전압 및 SOC의 관계를 보여주는 것이다. 수학식 2는 실험에 의한 결과들을 모델링한 것이므로 수학식 2에 의해 산출된 SOC는 실제 실험 값과 유사하다. 따라서 유사 OCV를 앞의 수학식 2에 대입하여 산출된 SOC는 현재 배터리의 실제 SOC와의 오차를 줄일 수 있다.

다음은 도 5를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 SOC 결정 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 BMS(1)에서 SOC를 출력하는 과정을 순서대로 보여주는 도면이다.

먼저, BMS(1)의 전원을 키고(키온), OCV를 측정한다(S110).

리셋 SOC 산출부(23)는 키온 시 측정된 OCV를 앞서 설명한 수학식 2에 대입하여 초기 리셋 SOC를 산출하고, SOC 출력부(24)에서는 이렇게 산출된 초기 리셋 SOC를 ECU(7)에 출력하여 초기 SOC 리셋을 수행한다(S120).

다음, 유사 OCV 판단부(22)는 현재의 팩전압이 유사 OCV에 해당하는 지를 판단한다(S130). 현재의 팩전압은 배터리(2)로부터 출력되는 팩전류가 '0 A'인 상태가 특정 시간 이상동안 유지되었을 때의 팩전압인가를 판단한다. 예컨대, 배터리(2)로부터 10C로 전류가 출력되다가 전류 출력이 '0'이 된 후 약 10분이 경과한 후 전압은 유사 OCV가 된다.

도 6은 단계(S130)를 보다 구체적으로 보여주는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 센싱부에서 팩전류 및 팩전압이 측정되어 전달되면, 카운터(23b)는 0으로 설정된다(S131). 센싱부(10)에서 측정된 팩전류 및 팩전압을 전달받는다(S132). 그리고 측정된 팩전류가 0 A인가를 판단하여(S133), 0 A가 아니면 도 5의 추정 SOC 산출 단계(S150)로 진행된다. 한편 0 A 이면 카운터는 1이 증가하고(S134), 현재의 카운터가 6×10⁴, 즉 팩전류 및 팩전압이 10㎳ 단위로 측정되는 경우 약 10분에 해당되는 시간이 경과하면(S135), 이 때 측정된 팩전압을 유사 OCV로 판단하여 출력한다(S136).

유사 OCV 판단부(22)로부터 유사 OCV가 출력되면, 리셋 SOC 산출부(23)는 전달받은 유사 SOC를 앞서 설명한 수학식 2에 대입하여 리셋 SOC를 산출하여 SOC 출력부(24)로 출력한다(S140).

SOC 출력부(24)는 리셋 SOC 산출부(23)에서 산출된 리셋 SOC를 현재 배터리(2)의 SOC로서 ECU(7)로 출력하여 SOC 리셋을 수행한다(S141).

한편, 유사 OCV 판단부(22)에 의해 유사 OCV가 아니라고 판단되면, 추정 SOC 산출부(21)는 센싱부(10)에서 측정된 현재의 팩전류를 앞서 설명한 수학식 1에 대입하여 추정 SOC를 산출하여 SOC 출력부(24)로 출력한다(S150).

SOC 출력부(24)는 추정 SOC 산출부(21)에서 산출된 추정 SOC를 현재 배터리(2)의 SOC로서 ECU(7)로 출력한다(S151).

이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면 유사 OCV 및 수학식 2를 이용하여 산출한 리셋 SOC로 현재 배터리의 SOC를 리셋 함으로써 수학식 1을 기초로 하여 산출된 추정 SOC의 오차를 효과적으로 줄일 수 있다. 따라서 자동차의 ECU(7)는 비교적 정확한 배터리(2)의 SOC를 기초로 충방전을 수행할 수 있다.

다음은 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 제2 실시예는 리셋 SOC 산출부가 유사 OCV에 대응되는 리셋 SOC가 저장된 SOC LUT를 포함한다는 점이 제1 실시예와 다르다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 BMS(1)의 MCU(200)를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 7에서, 추정 SOC 산출부(210), 유사 OCV 판단부(220) 및 SOC 출력부(240)은 도 2에 도시된 제1 실시예의 추정 SOC 산출부(21), 유사 OCV 판단부(22) 및 SOC 출력부(24)와 구성 및 기능이 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

리셋 SOC 산출부(230)는 실험에 의해 얻어진 결과로서 팩전압에 대응되는 실제 배터리의 SOC가 저장된 SOC LUT(230a)를 포함한다.

따라서 유사 OCV 판단부(220)에서 유사 OCV가 출력되면, 리셋 SOC 산출부(230)는 SOC LUT(230a)에 저장된 입력된 유사 OCV에 대응되는 SOC를 리셋 SOC로서 출력한다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 별도의 리셋 SOC 산출 과정없이 데이터 데이블에 저장된 SOC를 이용할 수 있다. 또한 유사 OCV를 이용하므로 더욱 정확한 리셋 SOC를 출력할 수 있다.

다음은 도 8을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 제3 실시예는 특정 시간 동안 팩전압이 특정 범위 내에 존재하는 경우 해당 팩전압을 유사 OCV라고 판단한다는 점이 제1 실시예와 다르다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 BMS(1)에서 SOC를 출력하는 과정을 순서대로 보여주는 도면이고, 도 9는 도 8의 단계(S230)를 보다 구체적으로 보여주는 도면이다. 도 8에서 단계(S230)를 제외하고 도 5와 동일하므로 상세한 설명은 생략하고, 도 9를 참조하여 단계(S230)를 상세하게 설명한다.

먼저, 유사 OCV 판단부(22, 도 2 참조)의 카운터(22b)는 팩전류 카운터(I_counter) 및 팩전압 카운터(V_counter)를 0으로 리셋한다(S231). 그리고, 센싱부(10, 도 1 참조)에서 측정된 팩전류 및 팩전압을 입력받고(S232), 현재 팩전류가 0 A인가를 판단한다(S233). 팩전류가 0 A가 아니면 추정 SOC 산출부(21)는 측정된 팩전류를 이용하여 추정 SOC를 산출한다(S250).

팩전류가 0 A이면, 카운터(22b)는 팩전류 카운터(I_counter) 및 팩전압 카운터(V_counter)에 1을 추가한다(S234). 그리고 팩전압 카운터(V_counter)가 100, 즉 1초가 될 때까지 단계(S232) 내지 단계(S234)를 반복한다(S235).

팩전압 카운터(V_counter)가 100이 되면 카운터(22b)는 팩전압 카운터(V_counter)를 다시 0으로 리셋하고(S236), 현재의 팩전압과 직전의 팩전압(1초 전의 팩전압)의 차(V_diff)가 0.1V보다 작은가를 판단한다(S237).

현재의 팩전압과 직전의 팩전압(1초 전의 팩전압)의 차(V_diff)가 0.1V보다 크면, 팩전압이 일정한 범위 내에 존재하는 것이 아니므로 팩전류가 0 A가 아닌 경우와 마찬가지로 추정 SOC 산출부(21)는 이 때 측정된 팩전류를 이용하여 추정 SOC를 산출한다(S250).

한편, 현재의 팩전압과 직전의 팩전압(1초 전의 팩전압)의 차(V_diff)가 0.1V보다 작으면, 팩전류 카운터(I_counter)가 3×10⁴, 즉 5분이 될 때 까지 단계(S232) 내지 단계 (S237)를 반복한다(S238). 팩전류 카운터(I_counter)가 3×10⁴, 즉 5분이 되면, 이 때의 팩전압을 유사 OCV로 출력한다(S239).

이렇게 출력된 유사 OCV를 이용하여 리셋 SOC 산출부(23)는 리셋 SOC를 산출한다(S240).

이와 같이, 팩전압의 크기 변화, 즉 현재 팩전압과 1초 전의 팩전압의 차(V_diff)가 0.1V보다 작은 상태가 5분 동안 계속되면 5분 종료 시의 팩전압은 유사 OCV라고 판단할 수 있다. 이렇게 판단된 유사 OCV를 이용하여 리셋 SOC를 산출한다.

이와 같이 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 제1 실시예에서의 팩전압이 특정 값으로 수렴하는 데 필요한 시간에 비하여 짧은 시간 안에 유사 OCV를 판단할 수 있다. 제3 실시예에서는 현재 팩전압과 1초 전의 팩전압를 이용하였으나 여기서 1초는 배터리(2)의 상태, 자동차의 운행 상태 등에 따라 다르게 설정할 수 있다. 또한 현재 팩전압과 1초 전의 팩전압의 차(V_diff)가 0.1V인 경우로 설명하였으나 0.1V라는 전압차 값 또한 배터리, 자동차 등의 상태에 따라 다르게 설정될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

본 발명에 따르면, 배터리로부터 출력되는 전류가 0 A인 상태가 특정 시간 지속되는 경우, 이 때의 팩전압을 유사 OCV라고 판단하고, 이러한 유사 OCV를 이용하여 SOC를 산출함으로써 보다 정확하게 현재 배터리의 SOC를 판단할 수 있다.

또한, 배터리로부터 출력되는 특정 시간 동안 전류가 0 A 이고 팩전압이 특정 범위 내에 존재하는 경우, 이 때의 팩전압을 유사 OCV라고 판단하고 이러한 유사 OCV를 이용하여 SOC를 산출함으로써 보다 정확하게 현재 배터리의 SOC를 판단할 수 있다.

Claims

배터리 관리 시스템에서 사용되는 배터리의 SOC 추정 방법에 있어서,

a) 배터리의 팩전류가 제1 값인 상태가 제1 기간 동안 계속되는 지를 판단하는 단계;

b) 상기 제1 기간 종료 시의 팩전압을 유사 OCV로서 판단하는 단계;

c) 상기 유사 OCV를 이용하여 제1 SOC를 출력하는 단계; 및

d) 상기 제1 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 출력하는 단계

를 포함하는 배터리의 SOC 추정 방법.
제1항에 있어서,

상기 a) 단계에서 상기 팩전류가 상기 제1 값이 아니라고 판단되면,

a-1) 상기 팩전류를 이용하여 제2 SOC를 산출하는 단계; 및

a-2) 상기 제2 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 출력하는 단계

를 포함하는 배터리의 SOC 추정 방법.
제1항에 있어서,

상기 c) 단계는

배터리의 SOC를 측정하는 실험에 의해 얻어진 결과를 기초로 모델링된 SOC 산출식을 이용하여 상기 제1 SOC를 산출하는 단계를 포함하는 배터리의 SOC 추정 방법.
제1항에 있어서,

상기 c) 단계는

배터리의 SOC를 측정하는 실험에 의해 얻어진 결과를 기초로 상기 유사 OCV에 대응되게 데이터 데이블 형태로 저장되어 있는 제1 SOC를 출력하는 배터리의 SOC 추정 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 기간은 상기 배터리의 팩전압이 임의의 값으로 수렴하는 데 필요한 시간인 배터리의 SOC 추정 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 값은 실질적으로 상기 배터리로부터 출력되는 전류값으로써, 0A에 해당하는 배터리의 SOC 추정 방법.
전기를 이용하는 자동차의 ECU(engine controller unit)에 연결되는 배터리 관리 시스템의 구동방법에 있어서,

a) 배터리의 팩전류 및 팩전압을 측정하는 단계;

b) 측정된 상기 팩전류가 제1 값이 아니면 상기 팩전류를 이용하여 제1 SOC 를 산출하는 단계;

c) 상기 제1 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 출력하는 단계;

d) 특정 기간동안 상기 팩전류가 상기 제2 값이고, 상기 팩전압이 임의의 어떤 값으로 수렴되면 수렴된 상기 팩전압을 유사 OCV로 판단하고, 상기 유사 OCV를 이용하여 제2 SOC를 출력하는 단계; 및

e) 상기 제2 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 상기 ECU로 출력하는 단계

를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
제7항에 있어서,

상기 d) 단계는

배터리의 SOC를 측정하는 실험에 의해 얻어진 결과를 기초로 모델링된 SOC 산출식을 이용하여 상기 제2 SOC를 산출하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 값은 실질적으로 상기 배터리로부터 출력되는 전류값으로써 대략 0 A에 해당하고,

상기 제1 기간은 상기 팩전류가 상기 제1 값이 되기 전에 상기 배터리에서 출력되던 팩전류 값, 온도에 기초하여 다른 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
전기를 이용하는 자동차의 ECU로 배터리의 SOC를 출력하는 배터리를 관리하 는 배터리 관리 시스템에 있어서,

배터리의 팩전류를 이용하여 추정 SOC를 산출하는 추정 SOC 산출부;

특정 시간 동안 상기 배터리의 팩전류가 제1 값인가를 판단하여 상기 특정 시간 종료 시의 팩전압을 유사 OCV로 출력하는 유사 OCV 판단부;

상기 유사 OCV에 대응되는 배터리의 리셋 SOC를 출력하는 리셋 SOC 산출부;

상기 추정 SOC 또는 상기 리셋 SOC 중 어느 하나를 상기 배터리의 현재 SOC로서 상기 ECU로 출력하는 SOC 출력부

를 포함하는 배터리 관리 시스템.
제10항에 있어서,

상기 특정 시간은 상기 배터리의 팩전압이 특정 값으로 수렴할 때까지의 시간인 배터리 관리 시스템.
제11항에 있어서,

상기 유사 OCV 판단부는 상기 팩전류가 상기 제1 값이기 전에 출력되는 출력 팩전류 값, 온도 및 상기 출력 팩전류값 및 온도에 대응되는 상기 특정 시간이 저장된 LUT; 및

상기 팩전류가 상기 제1 값인 시간을 측정하는 카운터

를 포함하는 배터리 관리 시스템.
제10항에 있어서,

상기 리셋 SOC 산출부는,

상기 유사 OCV 및 실험에 의해 얻어진 배터리의 실제 SOC가 서로 대응되게 저장되는 LUT를 포함하고,

상기 LUT에 저장된 상기 실제 SOC를 상기 리셋 SOC로 출력하는 배터리 관리 시스템.
제10항에 있어서,

상기 리셋 SOC 산출부는,

(여기서, A₁은 SOC 시작값 f(-∞), A₂는 SOC 최종값 f(∞), V₀는 SOC가 (A₁+A₂)/2 일 때의 전압값, dV는 폭, V_OCV는 상기 유사 OCV)

을 이용하여 상기 리셋 SOC를 산출하는 배터리 관리 시스템.
제10항에 있어서,

상기 SOC 출력부는

상기 리셋 SOC 산출부로부터 상기 리셋 SOC를 입력받으면 상기 리셋 SOC를 상기 ECU로 출력하고, 상기 리셋 SOC 산출부로부터 상기 리셋 SOC가 입력되지 않으 면 상기 추정 SOC 산출부로부터 입력된 추정 SOC를 상기 ECU로 출력하는 배터리 관리 시스템.
제10항에 있어서,

상기 리셋 SOC 산출부는,

상기 배터리 관리 시스템이 키온 되었을 때의 OCV를 이용하여 초기 리셋 SOC산출하여 출력하는 배터리 관리 시스템.
전기를 이용하는 자동차의 ECU로 배터리의 SOC를 출력하는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템에 있어서,

상기 배터리의 측정된 팩전류를 이용하여 추정 SOC를 산출하는 추정 SOC 산출부;

제1 기간 동안 상기 배터리의 팩전류는 제1 값이고, 상기 제1 기간보다 작은 제2 기간 간격으로 측정된 상기 배터리의 복수의 팩전압의 크기 변화가 특정 값보다 작으면, 상기 제1 기간 종료 시의 팩전압을 유사 OCV로 출력하는 유사 OCV 판단부;

상기 유사 OCV를 이용하여 리셋 SOC를 산출하는 리셋 SOC 산출부;

상기 추정 SOC 또는 상기 리셋 SOC 중 어느 하나를 상기 배터리의 현재 SOC로서 상기 ECU로 출력하는 SOC 출력부

를 포함하는 배터리 관리 시스템.
제17항에 있어서,

상기 제1 값은 실질적으로 상기 배터리로부터 출력되는 전류값으로써, 0A에 해당하는 배터리 관리 시스템.
제17항에 있어서,

상기 리셋 SOC 산출부는,

상기 유사 OCV 및 실험에 의해 얻어진 배터리의 실제 SOC가 서로 대응되게 저장되는 LUT를 포함하고,

상기 LUT에 저장된 상기 실제 SOC를 상기 리셋 SOC로 출력하는 배터리 관리 시스템.
제17항에 있어서,

상기 리셋 SOC 산출부는,

(여기서, A₁은 SOC 시작값 f(-∞), A₂는 SOC 최종값 f(∞), V₀는 SOC가 (A₁+A₂)/2 일 때의 전압값, dV는 폭, V_OCV는 상기 유사 OCV)

을 이용하여 상기 리셋 SOC를 산출하는 배터리 관리 시스템.
전기를 이용하는 자동차의 ECU로 배터리의 SOC를 출력하는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템의 구동방법에 있어서,

a) 제1 기간 동안 상기 배터리의 팩전류는 일정한 값을 유지하고, 상기 제1 기간보다 작은 제2 기간 간격으로 측정된 상기 배터리의 팩전압값들이 크기 변화가 특정 값보다 작으면, 상기 제1 시간 종료시의 팩전압을 유사 OCV로서 출력하는 단계;

b) 상기 유사 OCV를 배터리의 SOC를 측정하는 실험에 의해 얻어진 결과를 기초로 모델링된 SOC 산출식에 대입하여 리셋 SOC를 산출하는 단계; 및

c) 상기 리셋 SOC를 상기 배터리의 현재 SOC로서 상기 ECU로 출력하는 단계

를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.