KR100717789B1 - 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 산출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지의 SOC를 정밀하게 산출할 수 있도록, 전지 모듈의 전압을 측정하여 OCV(Open Circuit Voltage) 대 SOC(State of Charge) 관계에서 SOC를 산출함에 있어서, 키 온(key-on)시 일정 시간동안 전류를 흘리지 않는 시간 지연 단계와, 상기 시간 지연 단계 진행시 OCV값을 측정하는 단계, OCV값 대 SOC값의 관계식을 통해 상기 OCV값에 대한 SOC값을 구하는 단계를 포함하는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 산출방법을 제공한다.

OCV, SOC, BMS

Description

이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 산출방법{METHOD FOR ESTIMATING SOC OF SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 산출 과정을 도시한 순서도이다.

본 발명은 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 잔존 용량(Stage of Charge 이하, SOC로 약칭한다)을 보다 정밀하게 산출할 수 있도록 된 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 산출방법에 관한 것이다.

최근들어 고에너지 밀도의 비수전해해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.

이와같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어진다.

상기한 전지모듈 특히, HEV용 이차 전지 모듈의 경우 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지가 충전과 방전을 번갈아가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충방전 등을 제어하여 전지 모듈이 적정한 동작 상태로 유지하도록 관리할 필요성이 있다.

이를 위해, HEV용 전지 모듈은 전지의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 SOC를 연산에 의해 추정하고, 차량의 연료 소비 효율이 가장 좋아지도록 SOC 제어를 행하고 있다. 또, 이 때의 SOC 레벨은, 가속시의 모터 구동에 의한 파워 어시스트 및 감속시의 에너지 회수(회생 제동)를 밸런스 좋게 동작시키기 위해서, 일반적으로, 예를 들면 SOC가 50%부터 70%의 범위 내가 되도록, SOC가 저하하여 예를 들면 50%가 된 경우에는 충전 과다의 제어를 행하고, 반대로, SOC가 상승하여 예를 들면 70%가 된 경우에는 방전 과다의 제어를 행하여, SOC를 제어 중심에 근접하도록 하는 것이다.

이러한 SOC 제어를 정확히 행하기 위해서는, 충방전을 행하고 있는 이차 전지의 SOC를 정확히 추정하는 것이 필요해진다.

종래 상용화되고 있는 전지의 SOC 산출방법은 잔존 용량판단의 기준으로 어떤 값을 이용하느냐에 따라 몇 가지 방법으로 분류되고 있다.

첫 번째는 Ah법으로 사용 전류(Ampere)와 시간(hour)의 관계에서 사용된 용량을 구하여 SOC(State Of Charge)에 반영하는 방법이고, 두 번째는 전압측정법으로 전지단자의 전압(OCV; Open Circuit Voltage)을 측정하여 미리 측정된 OCV와 SOC 관계에서 잔존용량을 계산하는 방법이며, 세 번째는 저항측정법으로 배터리의 내부저항(IR-drop; Internal Resistance - drop)과 SOC의 관계에서 잔존용량을 계산하는 방법이다.

그러나, Ah법은 부하조건에 따른 사용 가능한 용량의 표시가 불가능하고 충전 또는 방전시 전류센싱 오차에 의하여 SOC값 또한 오차가 누적되어 특히 EV(Electric Vehicles)에 비교해 상대적으로 전류의 크기와 방향의 변화가 매우 잦은 하이브리드 전기 자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicles) 등에 단독으로 사용하기에는 부적합하며, 전압측정법의 경우 순간적인 전류, 온도 및 노화 등과 같이 다른 요인들에 의하여 변화가 심한 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전지의 SOC를 정밀하게 산출할 수 있도록 된 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 SOC 산출 방법은 전지 모듈 전압을 측정하여 OCV(Open Circuit Voltage) 대 SOC 관계에서 SOC를 산출함에 있어서, 키 온(key-on)시 일정 시간동안 전류를 흘리지 않는 시간 지연 단계와, 상기 시간 지연 단계 진행시 OCV를 측정하는 단계, OCV 대 SOC의 관계식을 통해 상기 OCV값에 대한 SOC값을 구하는 단계를 포함한다.

이에 따라 전류가 흐르지 않는 상태에서 정확한 OCV 값을 얻을 수 있게 되어 이 OCV에 기초하여 정확한 SOC값을 구할 수 있게 되는 것이다.

여기서 상기 OCV값에 대한 SOC값 산출은 볼츠만(Boltzman)식을 통해 얻어질 수 있다.
상기 볼츠만식은

로 표현될 수 있으며, 상기 식을 통해 OCV값을 x값으로 하여 y값인 SOC값을 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 COV에 대한 SOC 변화량의 관계는 미리 테이블맵화 또는 수식화됨이 바람직하다.

또한, 상기 시간 지연 단계는 키온 시 모듈에 전류가 흘러 모듈이 정상 작동되기 까지의 지연시간이 적어도 1초 이상임이 바람직하다.

여기서 상기와 같은 이차 전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

이하, 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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 구성도이다.

상기한 도면을 참조하여 먼저 본 실시예에 따른 이차 전지 모듈(10)을 살펴보면 이차 전지 모듈(10)은 대용량의 전지 모듈로서 다수 개의 단위 전지(11)가 일정 간격을 두고 연속적으로 배열되어 이루어지는 적어도 하나 이상의 전지 집합체 와, 상기 전지 집합체가 내부에 배치되고 냉각매체가 유통되는 하우징(13), 상기 전지 집합체의 각 단위 전지(11)를 관리하는 BMS(20)를 포함한다.

상기 각 단위 전지(11)는 세퍼레이터를 사이에 두고 이의 양측에 양극판과 음극판이 배치되는 전극 조립체를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충,방전시키는 통상적인 구조의 이차전지로서 구성된다. 상기 전지 집합체는 언급한 바와 같이 단위 전지(11)가 일정 간격으로 배치되어 하나의 열을 이룬 구조를 의미하는 것으로 정의한다.

본 실시예에 따르면, 상기 전지 집합체는 각각의 단위 전지(11)들이 대략 사각형(본 실시예에서는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 가로 폭이 넓은 직사각형)의 외형을 가지면서 직립되게 배열되어 이루어지는 것이 바람직하다.

물론 상기 단위 전지는 상기와 같이 각형으로 이루어진 구조 이외에 원통형 구조로 이루어질 수 있다.

이러한 전지 집합체는 각 단위 전지(11) 사이 및 최 외측의 단위 전지(11)에 전지 격벽(12)을 설치하고 있는 바, 이 전지 격벽(12)은 각 단위 전지(11)의 간격을 일정하게 유지시키면서 온도 제어용 공기를 유통시키고, 각 단위 전지(11)의 측면을 지지하는 기능을 하게 된다.

한편, 상기 BMS(20)는 전지 모듈(10)내의 각 단위 전지의 온도, 전류, 전압값을 검출하고 이를 관리하게 되며 본 실시예에서 차량의 시동 온 신호에 따라 전류가 전지 모듈의 단위 전지(11)로 흐르는 것을 일정 시간 지연시키는 역할을 수행하게 된다.

또한, 상기 BMS(20)는 전지 모듈(10)의 OCV값에 따른 SOC값의 관계를 볼츠만 식에 의해 테이블맵화한 데이터가 미리 내장되어 필요한 SOC값을 계산할 수 있도록 되어 있다.

미설명된 도면 부호 (30)은 차량의 시동 키로서 전지 모듈(10)과 전기적으로 연결되고 상기 BMS(20)와는 별도로 시동 온 시 자체적으로 회로 연결 지연시간을 갖는 구조로 이루어질 수 있다.

여기서 상기 전지 모듈(10)의 초기 SOC값을 구하는 과정에 대해 살펴보면 다음과 같다.

먼저 시동 키를 작동하여 시동을 온시키게 되면 BMS는 전지 모듈로 인가되는 전류를 일정시간동안 전지모듈로 인가되지 않도록 하여 전지 모듈에 전류가 인가되는 것을 차단하게 된다.(S100 ~ S110)

본 실시예에서 상기 BMS에 의한 전류 인가 지연 시간은 1초로 설정되어 있으나 반드시 이 시간에 한정된 것은 아니다.

그리고 전지 모듈로 전류가 인가되는 시간이 상기와 같이 1초 동안 지연되는 동안 다음의 과정을 거치면서 SOC값이 구해지게 된다.

전지 모듈로 인가되는 전류의 흐름이 지연되면 BMS는 전류가 흐르지 않는 상태에서 전지 모듈의 전압값(OCV)을 측정하게 된다.(S120)

그리고 상기 BMS(20)는 미리 기억되어 있는 OCV값에 대한 SOC값의 변화량 관계를 테이블맵화한 데이터를 기준하여 상기 OCV값에 따른 SOC값을 계산하게 된다.(S130 ~S140)

이와같이 시동이 온됨에 따라 전지 모듈(10)로 인가되는 전류를 일정시간 지연시키고 지연된 시간 내에 전류가 배재된 상태의 OCV값을 구함으로써 최종적으로 보다 정밀한 SOC값을 구할 수 있게 되는 것이다.

한편, SOC값이 구해지고 지연시간이 지나게 되면 회로가 연결되어 전지 모듈로 전류가 인가되고 정상적으로 전지 모듈이 작동하게 된다.(S150 ~ S160)

상기한 본 발명의 전지 모듈은 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 전지 모듈에 전류가 인가되면 과전압이 흐르게 되어 정확한 OCV값과 SOC값을 구할 수 없게 되는 데, 키온 시 전류 인가 시간을 지연시키고 전류가 인가되지 않은 상태에서 정확한 OCV값을 측정함으로써 이에 따른 정밀한 SOC값을 얻을 수 있게 된다.

전지의 정확한 SOC값을 검출할 수 있게 되어 전지의 안정성을 높이고 정확한 충방전 제어가 가능하게 된다.

Claims (6)

1. 전지 모듈의 전압을 측정하여 OCV(Open Circuit Voltage) 대 SOC(State of Charge) 관계에서 SOC를 산출함에 있어서,

   키 온(key-on)시 일정 시간동안 전류를 흘리지 않는 시간 지연 단계와, 상기 시간 지연 단계 진행시 OCV값을 측정하는 단계, OCV값 대 SOC값의 변화량 관계를 통해 상기 OCV값에 대한 SOC값을 구하는 단계를 포함하고,

   상기 COV값에 대한 SOC값의 변화량 관계는 테이블맵화되어 상기 전지 모듈의 BMS에 내장되는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 산출방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,

   상기 시간 지연 단계는 전류를 흘리지 않는 시간이 적어도 1초 이상인 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 산출방법.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 설정된 지연 시간이 경과되면 상기 전지 모듈로 전류를 인가하여 전지 모듈을 정상작동하는 단계를 포함하는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 산출방법.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 산출방법.

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