KR101798464B1

KR101798464B1 - 다중 팩 병렬 구조의 ｓｏｃ 보정 시스템

Info

Publication number: KR101798464B1
Application number: KR1020110015591A
Authority: KR
Inventors: 임재환
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2017-11-16
Also published as: CN103415778A; EP2678701A2; US20140002095A1; US9234944B2; KR20120096278A; WO2012115393A2; WO2012115393A3

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템은, 다수 개의 셀이 직렬로 연결된 서브 팩 다수 개가 병렬로 연결된 다중 팩 병렬 구조에서 상기 서브 팩 각각에 연결되어 상기 서브 팩 각각의 SOC(State Of Charge)를 산출하는 서브 BMS(Battery Management System); 및 상기 서브 BMS 각각에 연결되어 상기 서브 BMS 각각에서 산출한 SOC를 취합하여 최종 SOC를 차량 제어기에 전송하는 메인 BMS를 포함하되, 상기 메인 BMS는 상기 서브 팩 각각의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 미만인 경우 상기 서브 팩 각각의 SOC 중에서 최소값을 상기 최종 SOC로 하고 상기 서브 팩 각각의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 이상인 경우 상기 서브 팩 각각의 SOC 중에서 최대값을 상기 최종 SOC로 하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 팩 병렬 구조의 ＳＯＣ 보정 시스템{SOC correction method in multi-pack of parallel type}

본 발명은 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 셀 전압 센싱 오류로 전압값이 약 0~0.5V 정도를 지시하게 되면 서브 팩의 기전력 합산이 낮아짐에 따라 최종 SOC가 낮게 보정되어지고 이러한 오류로 인해 원하는 에너지 소모가 불가능하고 차량 제어기가 SOC 오류값에 의해 제어가 되어 다중 팩 불균형을 유발하며 또한 다중 팩 병렬 구조로 인해 급격한 SOC 폭이 발생하게 되는 문제점을 해결하기 위한 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.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있다. 전기 자동차 등과 같이 모터 구동을 위한 대전력을 필요로 하는 기기에 사용될 수 있도록 상기 고출력 이차 전지는 복수개를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.

이와 같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 "배터리"라 한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지로 이루어진다. 상기 배터리 특히, HEV용 배터리의 경우 수 개에서 많게는 수십 개의 이차 전지가 충전과 방전을 번갈아가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충방전 등을 제어하여 배터리가 적정한 동작 상태로 유지하도록 관리할 필요성이 있다.

이를 위해, 배터리에 대한 제반적인 상태를 관리하는 배터리관리시스템(BMS: Battery Management System)이 구비된다. 상기 BMS는 전지의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 SOC를 연산에 의해 추정하고, 차량의 연료 소비 효율이 가장 좋아지도록 SOC를 제어한다. SOC를 정확히 제어하기 위해, 충방전을 행하고 있는 배터리의 SOC를 정확히 측정하는 것이 필요하다.

종래 기술로서 대한민국 특허출원번호 2005-0061123(2005년 07월 07일 출원)에는 "이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법"가 개시되어 있다.

상기 종래 기술은 발명은 전지의 SOC를 정밀하게 산출할 수 있도록, 시동온 시 전지 모듈의 전류값과 전압값 및 온도값을 측정하는 단계, 상기 측정된 값으로 초기 SOC를 산출하는 단계, 전류 적산 단계, 상기 전류적산 값에 따른 실제 SOC 산출 단계, 상기 전지 모듈이 무부하상태인가를 확인하는 단계, 무부하상태인 경우 상기 실제 SOC가 전류적산에 의해 측정가능한 설정범위 이내인지를 확인하는 단계, 상기 실제 SOC가 설정범위 밖인 경우 전압값을 측정하여 전압값에 따른 SOC를 산출하는 단계를 포함하는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법을 제공한다.

일반적으로 SOCi는 단기적으로 크게 오차가 생기지 않는다. 하지만, 도 1에서 도시된 것처럼, 지속적으로 오차가 적산되는 경향을 가지고 있어서 배터리를 오래 운전하는 경우 상당한 양의 오차가 발생하게 된다. 이러한 누적 오차는 특히 완전히 충방전이 이루어지지 않은 때에 주로 발생한다. 그 이유는 SOC의 계산을 위한 CPU의 LBS digit의 생략이나 자가 방전에 의한 충전량 감소에 의해 발생한 오차에 의해 정확도가 크게 영향을 받기 때문이다. 또한 SOC의 정확도는 전류 측정 센서에 크게 의존하기 때문에 센서에 문제가 생기는 경우 오차의 보정이 불가능한 문제점이 있다.

반면에 SOCv는, 도 2에 도시된 것처럼, 기전력을 통해 SOC를 측정하게 된다. 상기 측정 방법은 전류가 흐르지 않는 경우에 아주 정확한 결과를 가지게 된다. 그러나 전류가 흐르는 경우의 SOCv계산의 정확도는 전지의 충전과 방전 패턴에 의존한다. 그에 따라 SOC의 정확도는 충방전의 패턴에 의존하여 악화된다. 게다가 SOCv의 정확도를 악화시키는 충방전 패턴은 주로 배터리의 일반적인 사용범위 내에 있다. 그렇기 때문에 SOCv만을 사용하는 것 역시 상당한 오차를 감수해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 셀 전압 센싱 오류로 전압값이 약 0~0.5V 정도를 지시하게 되면 서브 팩의 기전력 합산이 낮아짐에 따라 최종 SOC가 낮게 보정되어지고 이러한 오류로 인해 원하는 에너지 소모가 불가능하고 차량 제어기가 SOC 오류값에 의해 제어가 되어 다중 팩 불균형을 유발하며 또한 다중 팩 병렬 구조로 인해 급격한 SOC 폭이 발생하게 되는 문제점을 해결하기 위한 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템은, 다수 개의 셀이 직렬로 연결된 서브 팩 다수 개가 병렬로 연결된 다중 팩 병렬 구조에서 상기 서브 팩 각각에 연결되어 상기 서브 팩 각각의 SOC(State Of Charge)를 산출하는 서브 BMS(Battery Management System); 및 상기 서브 BMS 각각에 연결되어 상기 서브 BMS 각각에서 산출한 SOC를 취합하여 최종 SOC를 차량 제어기에 전송하는 메인 BMS를 포함하되, 상기 메인 BMS는 상기 서브 팩 각각의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 미만인 경우 상기 서브 팩 각각의 SOC 중에서 최소값을 상기 최종 SOC로 하고 상기 서브 팩 각각의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 이상인 경우 상기 서브 팩 각각의 SOC 중에서 최대값을 상기 최종 SOC로 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템에서 상기 서브 BMS는 상기 서브 팩 각각에 구비되는 다수 개의 전압 센서에 의해 센싱된 셀 전압이 0.5V 이하인 경우 해당 전압 센서의 센싱 오류로 판정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템에서 상기 서브 BMS는 상기 서브 팩 각각에 구비되는 다수 개의 전압 센서 중에서 센싱 오류가 발생하지 않은 전압 센서에 의해 센싱된 셀 전압을 합산하고 이를 상기 센싱 오류가 발생하지 않은 전압 센서의 수로 나누어 하나의 셀 전압을 산출하며 이에 의거하여 해당 서브 팩의 SOC를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템에서 상기 서브 BMS는 상기 서브 팩 각각에 구비되는 다수 개의 전압 센서에 의해 센싱된 셀 전압이 0.5V 이하인 경우 상기 메인 BMS로 진단 코드를 전송하고 상기 메인 BMS는 상기 차량 제어기로 상기 진단 코드를 전송하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템에서 상기 메인 BMS는 상기 최종 SOC가 급변하는 것을 보정하기 위해 보정율을 상기 최종 SOC에 적용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템에 따르면, 셀 전압 센싱 오류로 전압값이 약 0~0.5V 정도를 지시하게 되면 서브 팩의 기전력 합산이 낮아짐에 따라 최종 SOC가 낮게 보정되어지고 이러한 오류로 인해 원하는 에너지 소모가 불가능하고 차량 제어기가 SOC 오류값에 의해 제어가 되어 다중 팩 불균형을 유발하며 또한 다중 팩 병렬 구조로 인해 급격한 SOC 폭이 발생하게 되는 문제점을 해결하도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 SOCi로 배터리 SOC로 설정하는 경우를 나타내는 그래프.
도 2는 종래의 SOCv로 배터리 SOC를 보정하는 경우를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조도.
도 4는 서브 BMS에서의 SOC 계산 절차를 나타낸 순서도.
도 5는 메인 BMS에서의 최종 SOC 산정 절차를 나타낸 순서도.
도 6은 셀 전압 센싱 오류 발생시 최종 SOC 거동 실례를 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조도이다.

도 4는 서브 BMS에서의 SOC 계산 절차를 나타낸 순서도이고 도 5는 메인 BMS에서의 최종 SOC 산정 절차를 나타낸 순서도이다.

도 6은 셀 전압 센싱 오류 발생시 최종 SOC 거동 실례를 나타낸 도면이다.

본 발명의 일실시예에 따른 다중 팩 병렬 구조는 도 3에 도시된 바와 같이, 다수 개의 서브 팩(10 내지 100)이 병렬로 연결된 구조로 각각의 서브 팩(10 내지 100)은 다수 개의 셀이 직렬로 연결되어 구성된다. 예를 들어, 각 서브 팩(10 내지 100)은 100개의 셀이 직렬로 연결된 형태를 가질 수 있다.

각 서브 팩(10 내지 100)은 해당되는 셀의 전압과 온도, 전류량을 측정하여 각 해당되는 서브 팩(10 내지 100)의 SOC를 계산하는 서브 BMS(110 내지 200)를 가지게 된다.

예를 들어, 첫 번째 서브 팩(10)에는 해당 서브 팩(10)의 SOC를 측정하기 위한 첫 번째 서브 BMS(110)이 연결되고 네 번째 서브 팩(40)에는 해당 서브 팩(40)의 SOC를 측정하기 위한 네 번째 서브 BMS(140)가 연결된다. 각 서브 BMS(110 내지 200)의 SOC는 전류 적산 또는 전압 보정에 의한 계산 로직을 모두 사용할 수 있다.

이렇게 하여 각 서브 BMS(110 내지 200)에서 계산된 SOC는 메인 BMS(300)로 전달이 되며 메인 BMS(300)에서는 전달받은 SOC를 이용하여 최종 SOC를 차량 제어기 및 다중 팩 외의 제어기에 전달하게 된다. 메인 BMS(300)는 각각의 서브 BMS(110 내지 200)에서 전달받은 SOC의 평균을 산출하여(S520) 이를 기준으로 최종 SOC를 결정한다. 이는 도 5를 참조할 수 있다.

메인 BMS(300)는 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 미만인 경우 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC 중에서 최소값을 최종 SOC로 하고(S550) 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 이상인 경우 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC 중에서 최대값을 최종 SOC로 한다(S540).

보다 쉬운 이해를 위해 서브 팩과 서브 BMS의 수를 네 개로 한정하여 메인 BMS가 네 개의 서브 BMS로부터 51%, 52%, 53%, 54%의 SOC를 전달받았다고 하면 메인 BMS는 이들 값의 평균인 52%가 50% 이상인 값이므로 51%, 52%, 53%, 54% 중에서 최대값인 54%를 최종 SOC로 한다.

또한, 상술한 바와 같이 서브 팩과 서브 BMS의 수를 네 개로 한정하여 메인 BMS가 네 개의 서브 BMS로부터 35%, 51%, 52%, 53%의 SOC를 전달받았다고 하면 메인 BMS는 이들 값의 평균인 48%가 50% 미만인 값이므로 35%, 51%, 52%, 53% 중에서 최소값인 35%를 최종 SOC로 한다. 이는 도 6을 참조할 수 있다.

본 발명은 다중 팩 병렬 구조로 야기되는 각 서브 BMS(110 내지 200)에서의 다수 개 셀의 전압 센싱 오류로 나타나는 SOC 계산 오차와 메인 BMS(300)에서의 SOC 50%를 기준으로 변경되어지는 SOC 오차를 개선하고자 하는 방안이다. 각 서브 BMS(110 내지 200)의 SOC 계산은 전압 센싱 오류가 나지 않은 각 셀에서 측정되어진 셀 전압을 합산하여 해당 서브 팩(10 내지 100) 전압으로 만든 값에 의해 전압 보정이 들어가게 된다.

전압 센서의 이상에 따라 셀 전압이 0 내지 0.05V 미만을 가리키게 되면 해당 서브 팩(10 내지 100) 전압의 합이 달라지게 되고 이에 따라 해당 서브 BMS(110 내지 200)의 SOC뿐만 아니라 이를 가지고 결정된 최종 SOC에도 또한 오차가 생기게 된다.

예를 들어, 첫 번째 서브 팩(10)에 포함되는 전압 센서에 이상이 생겨 첫 번째 서브 팩(10) 전압의 합이 달라지게 되면 이를 기반으로 계산된 첫 번째 서브 BMS(110)의 SOC에 오차가 생기게 되고 이에 이어 최종 SOC에도 오차가 생기게 된다.

이를 해결하기 위해 서브 BMS(110 내지 200)는 서브 팩(10 내지 100) 각각에 구비되는 다수 개의 전압 센서에 의해 센싱된 셀 전압이 0.5V 이하인 경우 해당 전압 센서의 센싱 오류로 판정한다(S430).

또한, 서브 BMS(110 내지 200)는 상술한 바와 같이 셀 전압 센싱 오류로 인한 전압 보정을 수행하게 되는데 서브 팩(10 내지 100) 각각에 구비되는 다수 개의 전압 센서 중에서 센싱 오류가 발생하지 않는 전압 센서에 의해 센싱된 셀 전압을 합산하고 이를 센싱 오류가 발생하지 않는 전압 센서의 수로 나누어 하나의 셀 전압을 산출하며 이에 의거하여 해당 서브 팩(10 내지 100)의 SOC를 산출한다(S440, S450).

또한, 서브 BMS(110 내지 200)는 서브 팩(10 내지 100) 각각에 구비되는 다수 개의 전압 센서에 의해 센싱된 셀 전압이 0.5V 이하인 경우 메인 BMS(300)로 진단 코드를 전송하고 메인 BMS(300)는 차량 제어기로 진단 코드를 전송할 수 있다(S470).

한편, 상술한 바와 같이 메인 BMS(300)에서는 장표에 제기된 SOC 식에 의해 최종 SOC를 계산하게 되는데 문제는 추가적으로 SOC 50% 지점에서는 다중 팩 병렬 구조로 인해 최종 SOC의 변화가 급하게 발생할 수 있어 이러한 급변을 줄이기 위해 SOC 변화율을 완만하게 할 수 있다.

예를 들어, 도 6에서와 같이 첫 번째 서브 팩(10)의 전압 센서의 오류로 인해 첫 번째 서브 BMS(110)에서 산출된 SOC가 54%에서 35%로 되는 경우 최종 SOC가 한 지점에서 19%, 즉, 54%(이는 곧, 51%, 52%, 53%, 54%의 평균이 52%로 이는 50% 이상이므로 최종 SOC로 54%를 택함)에서 35%(이는 곧, 35%, 51%, 52%, 53%의 평균이 48%로 이는 50% 미만이므로 최종 SOC로 35%를 택함)로 급변하게 된다. 이러한 최종 SOC의 급변을 최소화하기 위해 %/100ms의 보정율을 적용할 수 있다. 이렇게 하여 54%에서 35%로 %/100ms의 비율로 서서히 변화하게 할 수 있다.

Claims

다수 개의 셀이 직렬로 연결된 서브 팩 다수 개(10 내지 100)가 병렬로 연결된 다중 팩 병렬 구조에서
상기 서브 팩 각각(10 내지 100)에 연결되어 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC(State Of Charge)를 산출하는 서브 BMS(Battery Management System)(110 내지 200); 및
상기 서브 BMS 각각(110 내지 200)에 연결되어 상기 서브 BMS 각각(110 내재 200)에서 산출한 SOC를 취합하여 최종 SOC를 차량 제어기에 전송하는 메인 BMS(300)를 포함하되,
상기 메인 BMS(300)는 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 미만인 경우 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC 중에서 최소값을 상기 최종 SOC로 하고 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 이상인 경우 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC 중에서 최대값을 상기 최종 SOC로 하며,
상기 서브 BMS(110 내지 200)는 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)에 구비되는 다수 개의 전압 센서 중에서 센싱 오류가 발생하지 않은 전압 센서에 의해 센싱된 셀 전압을 합산하고 이를 상기 센싱 오류가 발생하지 않은 전압 센서의 수로 나누어 하나의 셀 전압을 산출하며 이에 의거하여 해당 서브 팩(10 내지 100)의 SOC를 산출하는 것을 특징으로 하는 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템.
다수 개의 셀이 직렬로 연결된 서브 팩 다수 개(10 내지 100)가 병렬로 연결된 다중 팩 병렬 구조에서
상기 서브 팩 각각(10 내지 100)에 연결되어 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC(State Of Charge)를 산출하는 서브 BMS(Battery Management System)(110 내지 200); 및
상기 서브 BMS 각각(110 내지 200)에 연결되어 상기 서브 BMS 각각(110 내재 200)에서 산출한 SOC를 취합하여 최종 SOC를 차량 제어기에 전송하는 메인 BMS(300)를 포함하되,
상기 메인 BMS(300)는 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 미만인 경우 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC 중에서 최소값을 상기 최종 SOC로 하고 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC에 대한 평균 SOC가 50% 이상인 경우 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)의 SOC 중에서 최대값을 상기 최종 SOC로 하며,
상기 메인 BMS(300)는 상기 최종 SOC가 급변하는 것을 보정하기 위해 시간당 상기 최종 SOC의 변화율인 보정율을 상기 최종 SOC에 적용하는 것을 특징으로 하는 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 서브 BMS(110 내지 200)는 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)에 구비되는 다수 개의 전압 센서에 의해 센싱된 셀 전압이 0.5V 이하인 경우 해당 전압 센서의 센싱 오류로 판정하는 것을 특징으로 하는 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 서브 BMS(110 내지 200)는 상기 서브 팩 각각(10 내지 100)에 구비되는 다수 개의 전압 센서에 의해 센싱된 셀 전압이 0.5V 이하인 경우 상기 메인 BMS(300)로 진단 코드를 전송하고 상기 메인 BMS(300)는 상기 차량 제어기로 상기 진단 코드를 전송하는 것을 특징으로 하는 다중 팩 병렬 구조의 SOC 보정 시스템.
삭제