KR100869801B1 - 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템 및 그의 구동방법에 관한 것이다.
배터리 관리 시스템은 센싱부 및 MCU를 포함한다. 센싱부는 배터리 전류 및 배터리 전압을 측정한다. 그리고 MCU는 제1시점으로부터 무부하 기간에 따라 OCV를 재설정하여, 재설정된 OCV에 대응되는 SOC를 추정한다.
OCV, SOC

Description

배터리 관리 시스템 및 그 구동방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND DRIVING METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 MCU(20)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 시간에 따른 배터리 전압과의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 배터리 관리 시스템의 구동방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것으로, 특히 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기 오염 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 모터를 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, 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)이 필요하다.
일반적으로, 배터리 관리 시스템은 SOC를 추정하기 위해, OCV와 SOC의 관계를 기록한 데이터 테이블을 이용한다. 이 때, 정확한 SOC를 산출하기 위해서는 OCV 를 정확하게 측정할 수 있어야 한다.
배터리에 충전 혹은 방전이 지속된 후 무부하 상태로 온 경우, 빠른 시간 내에 내부 저항 및 배터리의 분극 현상에 의해 정확한 OCV를 측정할 수 없다. 정확한 OCV를 측정하기 위해서는 내부 저항 및 배터리의 분극 현상이 모두 해소되는 시간이 필요하다. 그러나 하이브리드 자동차 운행에 있어, 이런 시간을 항상 보장하는 것은 불가능하다. 따라서, 짧은 시간 내에 측정된 OCV에 포함되어 있는 오차는 SOC의 오차를 발생시키는 원인이 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보다 정확한 OCV를 추정하여 정확하게 SOC를 추정 할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 하이브리드(Hybrid) 자동차의 배터리 관리 시스템에 있어서, 배터리 전류 및 배터리 전압을 측정하는 센싱부 및 제1시점으로부터 무부하 기간에 따라 OCV를 재설정하여, 상기 재설정된 OCV에 대응하는 SOC를 추정하는 MCU를 포함한다. 상기, 제1시점은 정차 시점 및 충전 또는 방전이 멈춘 시점인 것을 특징으로 한다. MCU는 상기 무부하 기간 동안, 제1기간의 간격으로 상기 배터리 전압을 상기 OCV전압으로 설정한다. 그리고 상기 제1기간은 시간에 따라 가변적이다. 상기 MCU는 상기 제1시점으로부터 무부하 기간을 측정하는 타이머, 상기 무부하 기간 동안, 제1기간의 간격으로 상기 배터리 전압을 상기 OCV전압으로 설정하는 OCV설정부 및 상기 OCV를 전달 받아 상기 OCV를 이용하여 상기 SOC를 추정하는 추정부를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 하이브리드(Hybrid) 자동차의 배터리 관리 시스템의 구동방법에 있어서,
a) 제1시점으로부터 무부하 기간을 측정하는 단계,
b) 상기 무부하 기간 동안, 제1기간의 간격으로 상기 배터리 전압을 OCV전압으로 설정하는 단계 및
c) 상기 OCV를 이용하여 상기 SOC를 추정하는 단계
를 포함한다. 상기 제1시점은 정차 시점 및 충전 또는 방전이 멈춘 시점인 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 제1기간은 시간에 따라 가변적인 것을 특징으로 한다.
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 구성 요소를”포함“한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소 를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차 시스템의 구성을 간략히 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 자동차 시스템은, BMS(1), 배터리(2), 전류센서(3), 냉각팬(4), 퓨즈(5), 메인 스위치(6), MTCU(Motor Control Unit, 7), 인버터(8) 및 모터제너레이터(9)를 포함한다.
먼저, 배터리(2)는 복수의 전지 셀이 서로 직렬로 연결된 복수의 서브팩(2a ~ 2h), 출력단자(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 온오프 할 수 있는 스위치이다. 본 발명에 따른 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 출력전류량을 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)이거나, 배터리와 부하 사이 라인에 위치한 Shunt 저항을 통해 전류를 수식에 의해 변환한 전압 신호이다.
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 MTCU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)를 온오프 한다.
BMS(1)는 센싱부(10), MCU(micro 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 전류 및 전압을 측정하여 MCU(20)에 전달한다. 이하 배터리의 충방전 전류를 간략히 배터리 전류라 한다. 그리고 배터리의 출력단자의 전압을 배터리 전압이라 한다.
MCU(20)는 센싱부(10)로부터 전달받은 배터리 전압에 기초하여 배터리(2)의 SOC를 검출하여 배터리(2)의 상태를 알려주는 정보를 생성한다. 그리고 MCU(20)는 배터리(2)의 상태를 알려주는 정보를 자동차의 MTCU(7)에 전달 한다. 또한 MCU(20)는 제1시점으로부터 무부하 기간을 측정하여, 무부하 기간 동안 제1기간 단위로 증가 하는 기간에 대응하는 배터리 전압을 OCV전압로 설정한다. 여기서 제1시점은 정 차시점 이고, 제1기간은 시간에 따라 가변적일 수 있다. 구체적으로 제1 기간은 일정한 시간 간격으로 증가하는 값일 수 있으며, 이와 달리 시간 간격을 달리하여 증가하는 값일 수 있다. 이하 구체적인 내용은 도 2 내지 도 4를 참조하여 후술한다.
그리고 MCU(20)는 OCV에 대응하는 SOC를 추정한다. 또한, 정차 시간이 계속 되면 제1기간의 간격 단위로 재설정되는 새로운OCV에 대응되는 SOC를 재추정 한다.
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.
통신부(60)는 자동차의 MTCU(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 실시예에서는 냉각팬(4) 및 메인 스위치(6)만이 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니다.
MTCU(motor control unit, 7)는 차량의 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 차량 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 즉, MTCU(7)는 인버터(8)의 스위칭을 제어하여 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한 MTCU(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 입력되도록 하여 배터리(2)를 충전시키고 이때 배터리 전류는 ‘+’값으로 설정한다. 한편, SOC가 55% 이상이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 모터제너레이터(9) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 방전시키고 이때 배터리 전류는 ‘-’값으로 설정한다.
인버터(8)는 MTCU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)가 충전 및 방전되도록 한다. 모터제너레이터(9)는 배터리(2)의 전기에너지를 이용하여 MTCU(7)로부터 전달되는 토크 정보에 기초하여 자동차를 구동한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 MCU(20)를 개략적으로 보여주는 도면이며, 도3은 도2를 설명하기 위한 시간과 배터리 전압의 관계를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 MCU(20)는 타이머(210), OCV설정부(220), 데이터 저장부(230) 및 SOC추정부(240)를 포함한다.
타이머(210)는 제1시점으로부터 무부하 기간을 측정하여 OCV설정부(220)로 전달한다. 이때, 제1시점은 정차 시점이거나, 충전 또는 방전이 멈춘 시점으로, 배터리에 흐르는 전류가 0인 시점이다. 본 발명의 실시예에 제1기간은 실험적으로 설정할 수 있다.
OCV 설정부(220)는 제1시점으로부터 무부하 기간과 제1기간을 비교하여, 비 교 결과에 따라 OCV설정 시점을 결정한다. 구체적으로, 무부하 기간이 제1기간과 같으면, 그때 배터리 전압을 OCV전압으로 설정한다.
본 발명의 실시예에 따른 제1기간은 실험에 의해서 미리 설정된 일정한 시간 간격 단위로 가변한다. 도3에 도시되어 있듯이 제1기간은 10분, 20분, 30분과 같이 10분 단위의 시간 간격으로 증가한다. 그리고 정차 시부터 10분 단위로 증가하는 시간에 대응하는 배터리 전압과의 관계를 알 수 있다. 여기서, 그래프의 전압축에서 배터리 전압인V1, V2 및 V3는 시간축에서 정차시, 10분 및 20분 시간간격에 해당하는 배터리 전압으로서 본 발명의 실시예에 따른 MCU(20)는 각 배터리 전압을 OCV로 설정 할 수 있다. 구체적으로 OCV설정부(220)는 정차 시점으로부터 10분이 경과 하기 전까지 제1기간을 10분으로 설정하고, 무부하 기간과 제1기간을 비교하여, 무부하 기간이 제1기간보다 짧으면, 정차시 SOC를 유지한다. 그러나 무부하 기간이 10분이 되면, 그때 배터리 전압을 OCV로 설정하고, 이때 제1기간을 20분으로 설정한다. 이와 같은 방법으로 OCV설정부(220)는 제1시점부터 소정의 시간 간격(본 발명의 실시예에 따르면 10분)으로 증가하는 제1기간에 해당하는 배터리 전압을 OCV로 설정한다. 그래서 OCV설정부(220)는 정차시간이 길어질수록 새로운 OCV를 재설정함으로써, 보다 정확한 OCV를 할 수 있다.
데이터 저장부(230)는 배터리의 상태 정보가 저장된다. 구체적으로, 데이터 저장부(230)는 OCV에 대응하는 SOC에 관한 데이터 테이블을 저장하며, SOC추정부(240)로부터 전달되는 추정 SOC를 저장한다.
SOC추정부(240)는 OCV설정부(220)로부터 OCV를 전달 받아 OCV에 대응하는 SOC를 추정한다. 이때, OCV에 대응 하는 SOC에 관한 데이터 테이블을 이용하여 SOC를 추정한다. 한편, 무부하 기간이 제1기간과 동일 하지 않는 경우, SOC추정부(240)는 종전 SOC를 유지한다. 또한, 자동차가 작동하거나, 충전 또는 방전이 다시 발생하여, 배터리 전류가 흐르면 배터리 전류를 시간에 대해서 적산하는 전류적산 방법으로 SOC를 추정한다.
그리고 SOC추정부(240)는 정차시간이 길어 질수록 OCV 설정부(220)로부터 더 정확한 OCV값을 전달받아 더 정확한 SOC값에 수렴하게 된다.
본 발명의 OCV설정에 의한 SOC추정 방법에 관한 배터리 관리 시스템에서, 충전 및 방전이 멈춘 경우에도 이와 같은 시스템으로 OCV를 설정 할 수 있다. 또한 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현 될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 배터리 관리 시스템의 구동방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, BMS(1)의 MCU(20)는 제1시점으로부터 무부하 기간을 측정한다(S100). 이때, 본 발명의 실시예에 따른 제1시점은 정차 시점 및 충전 또는 방전이 멈춘 시점이다.
S100단계에서 측정한 무부하 기간과 제1기간을 비교한다(S200). 구체적으로, S200단계에서 무부하 기간이 제1기간과 동일하면, 제1기간은 미리 설정된 일정한 시간 간격 단위로 증가한다(S300).
도3에 도시되어 있듯이 제1기간은 10분, 20분, 30분과 같이 10분 단위의 시 간 간격으로 증가한다. 그리고 정차 시부터 10분 단위로 증가하는 시간에 대응하는 배터리 전압과의 관계를 알 수 있다. 그리고MCU(20)는 각 배터리 전압을 OCV로 설정 할 수 있다. S300단계에서 제1시점부터 소정의 시간 간격으로 증가하는 제1기간에 해당하는 배터리 전압을 OCV로 설정한다(S400).
S400단계에서 설정된 OCV를 전달 받아 OCV에 대응하는 SOC에 관한 데이터 테이블을 이용하여, OCV에 대응하는 SOC를 추정한다(S500).
한편, S200단계에서 무부하 기간과 제1기간을 비교하여, 무부하 기간이 제1기간보다 짧으면, 직전 SOC를 유지한다(S600). 즉, 무부하기간이 제1 시점부터 10분이전에는 정차시 SOC를 유지하고, 무부하기간이 10분이후부터 20분 이전에는 10분에서 추정된 SOC를 유지한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 OCV설정에 의한 SOC추정 방법에 관한 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법에 따르면, 제1시점으로부터 무부하 기간과 제1기간을 비교하여, 비교 결과에 따라 OCV를 설정한다. 이때, OCV는 제1시점부터 소정의 시간 간격 증가되는 제1기간에 해당하는 배터리 전압을 OCV로 설정한다. 그리고 설정된 OCV에 대응하는 SOC를 추정한다.
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 권리 범위에 속하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 정차시간이 길어 질수록 정확한 OCV를 추정할 수 있다. 이에 따라 정확하게 SOC를 추정할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법을 제공한다.
그리고 OCV측정 시 발생하는 오차로 인한 SOC 추정 오차를 방지 함으로써, 배터리의 과충전 및 과방전을 방지 할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법을 제공한다.

Claims (8)

  1. 배터리 전류 및 배터리 전압을 측정하는 센싱부; 및
    제1 시점으로부터 무부하 기간에 따라 OCV 전압을 재설정하여, 상기 재설정된 OCV 전압에 대응하는 SOC를 추정하는 MCU를 포함하며,
    상기 MCU는,
    상기 무부하 기간이 제1 기간보다 긴 경우 상기 제1 기간에 대응하는 상기 배터리 전압을 상기 OCV 전압으로 설정하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시점은 정차 시점, 충전이 멈춘 시점 및 방전이 멈춘 시점 중 어느 하나의 시점인 배터리 관리 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기간은 실험에 의해 측정되는 실험값으로 소정의 단위 기간 간격으로 증가하도록 설정되는 배터리 관리 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 MCU는
    상기 제1 시점으로부터 상기 무부하 기간을 측정하는 타이머;
    상기 무부하 기간이 상기 제1 기간보다 긴 경우 상기 제1 기간에 대응하는 상기 배터리 전압을 상기 OCV 전압으로 설정하는 OCV 설정부; 및
    상기 설정된 OCV 전압을 이용하여 상기 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  6. 배터리 관리 시스템의 구동방법에 있어서,
    상기 배터리에 전류가 흐르지 않는 무부하 기간을 측정하는 단계,
    상기 무부하 기간이 제1 기간보다 긴 경우 상기 제1 기간에 대응하는 배터리 전압을 OCV 전압으로 설정하는 단계, 및
    상기 설정된 OCV 전압을 이용하여 SOC를 추정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 무부하 기간을 측정하는 시점은 정차 시점, 충전이 멈춘 시점 및 방전이 멈춘 시점 중 어느 하나의 시점인 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 기간은 설정된 단위 기간 간격으로 증가하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
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