KR102066703B1 - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 관리 장치와 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 메모리부와 제어부를 포함한다. 상기 메모리부는, 제1 충전 상태값에 연관된 제1 방전 커브 모델을 포함하는 복수의 방전 커브 모델들을 저장한다. 이때, 상기 제1 방전 커브 모델은 제1 방전 조건 하에서 상기 제1 충전 상태값을 가지는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 것이다. 상기 제어부는, 상기 메모리부와 통신 가능하게 연결되어, 상기 메모리부에 저장된 상기 제1 방전 커브 모델을 호출 가능하도록 구성된다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANAGING A BATTERY}
본 발명은 배터리를 관리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 충방전 특성에 기초해 배터리를 보호할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
배터리는 반복적인 충전과 방전이 가능하므로 다양한 분야에서 전력 소스로 사용된다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리 등은, 휴대 전화, 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 태블릿 컴퓨터, 전동 공구 등과 같이 사람의 손에 휴대할 수 있는 장치에 사용됨은 물론, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치에 사용된다.
배터리는 인버터와 같은 전력 변환 디바이스를 통해 부하 장치에 연결된다. 부하 장치는 상기에서 언급된 배터리에 저장된 전력을 사용하는 임의의 장치를 의미한다.
부하 장치는 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 통신을 통해 배터리의 충방전을 관리하는 장치(이하, '배터리 관리 장치'라고 함)로부터 배터리에 대한 출력 파라미터를 제공 받는다.
출력 파라미터는 배터리의 방전 성능 또는 충전 성능을 나타내는 지표이고, 배터리의 충전 상태와 온도에 따라 갱신된다. 출력 파라미터는 배터리가 방전 또는 충전될 때 배터리를 통해 흐를 수 있는 최대 충방전 전류값 또는 이로부터 계산되는 허용 파워(Power)에 대한 정보를 포함할 수 있다.
제어 시스템은 배터리 관리 장치로부터 제공되는 출력 파라미터의 범위 내에서 배터리의 충전과 방전을 제어한다. 즉, 제어 시스템은 전력 변환 디바이스를 제어함으로써 배터리의 출력을 허용 출력 값 이하로 통제하거나 충전 또는 방전 전류의 크기를 최대 충방전 전류값 이하로 통제한다.
한편, 배터리의 전압은 미리 정해진 방전 하한 전압(또는 충전 상한 전압)에 가까워지면 빠르게 변화한다. 여기서, 방전 하한 전압은 과방전을 방지하기 위해 충전 상한 전압은 과충전을 방지하기 위해 각각 미리 정해질 수 있는 것이다.
도 1은 만충전 용량이 360Ah인 리튬 배터리의 충전 상태가 20%일 때 360A의 정전류로 방전이 이루어지는 동안에 나타나는 전압 변화를 보여주는 그래프이다. 360A의 정전류라는 비교적 큰 전류를 이용하여, 수초에서 수십초 정도의 짧은 시간 동안에 방전이 이루어지므로, 방전 전후로 배터리의 용량은 일정하게 유지되는 것으로 취급할 수 있다.
도 1에 도시된 그래프를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 배터리의 전압이 방전 하한 전압 Vmin에 보다 높은 특정 전압값 Vs에 도달하면서부터, 전압의 감소 속도가 갑자기 빨라진다.
이와 유사하게, 전압의 급격한 변화는 배터리의 충전 상황에서도 나타날 수 있다. 즉, 배터리의 전압이 충전 상한 전압에 가까워질수록 전압의 증가 속도가 갑자기 빨라진다. 배터리의 전압의 급격한 변화가 발생하는 주요 원인 중 하나는, 배터리의 충전 상태에 따른 내부 저항의 급격한 변화 현상이다.
배터리의 전압의 급격한 변화는 배터리가 곧 과충전 또는 과방전될 위험이 있는 상태임을 나타내는 것이다. 따라서, 배터리 관리 장치는, 배터리의 양단 사이의 전압에 급격한 변화가 모니터되는 경우, 배터리의 방전 전류 또는 충전 전류의 크기를 적절히 조절해줄 필요가 있다. 즉, 배터리 관리 장치는 배터리에 허용되는 출력 파라미터를 적절히 감쇄시킬 수 있어야만, 배터리의 전압이 방전 하한 전압보다 낮아지거나 충전 상한 전압보다 높이지게 되는 문제를 해결할 수 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 배터리를 과방전 또는 과충전으로부터 보호하기 위해, 배터리의 충전 상태와 온도에 따라 배터리에 허용되는 충방전 전류의 상한값을 결정하기 위한 전류 감쇄 비율을 산출할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 제1 충전 상태값에 연관된 제1 방전 커브 모델을 포함하는 복수의 방전 커브 모델들을 저장하되, 상기 제1 방전 커브 모델은 제1 방전 조건 하에서 상기 제1 충전 상태값을 가지는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 메모리부; 및 상기 메모리부와 통신 가능하게 연결되어, 상기 메모리부에 저장된 상기 제1 방전 커브 모델을 호출 가능하도록 구성된 제어부;를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 제1 방전 커브 모델로부터 상기 제1 방전 커브 모델이 상기 배터리의 방전 하한 전압값보다 높게 정해진 방전 설정 전압값과 만나는 제1 시점부터 상기 방전 하한 전압값과 만나는 제2 시점까지의 제1 시간 변화량을 산출하고, 상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값 및 상기 제1 시간 변화량을 기초로, 제1 온도값에 대한 제1 감쇄 전류값을 산출하며, 상기 제1 충전 상태값에 매핑된 제1 최대 방전 전류값에 대한 상기 제1 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제1 전류 감쇄 비율을 산출하고, 상기 제1 전류 감쇄 비율을 상기 제1 충전 상태값 및 상기 제1 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 최대 방전 전류값, 제1 팩터 및 제2 팩터를 더 기초로, 상기 제1 감쇄 전류값을 산출한다. 이 경우, 상기 제1 팩터는 상기 제1 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제1 내부 저항값이며, 상기 제2 팩터는 상기 제1 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제1 최대 저항 변화율이다.
또한, 상기 제어부는, 하기 수학식 1을 이용하여, 상기 제1 감쇄 전류값을 산출하되,
[수학식 1]
Figure 112017008540447-pat00001
상기 수학식 1에서, ID_max는 상기 제1 최대 방전 전류값이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, VD_set는 상기 방전 설정 전압이고, R0는 상기 제1 내부 저항값이며, ΔtD는 상기 제1 시간 변화량이고, (dR/dt)D_max는 상기 제1 최대 저항 변화율이며, ID_ derate는 상기 제1 감쇄 전류값이다.
또한, 상기 제어부는, 상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값, 상기 제1 시간 변화량, 제3 팩터 및 제4 팩터를 기초로, 제2 온도값에 대한 제2 감쇄 전류값을 산출할 수 있다. 이때, 상기 제3 팩터는 상기 제2 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제2 내부 저항값이며, 상기 제4 팩터는 상기 제2 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제2 최대 저항 변화율이다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 최대 방전 전류값에 대한 상기 제2 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제2 전류 감쇄 비율을 산출하며, 상기 제2 전류 감쇄 비율을 상기 제1 충전 상태값 및 상기 제2 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장할 수 있다.
또한, 상기 메모리부는, 상기 제1 충전 상태값과는 상이한 제2 충전 상태값 및 상기 제2 충전 상태값에 연관된 제2 방전 커브 모델을 더 저장할 수 있다. 이때, 상기 제2 방전 커브 모델은 제2 방전 조건 하에서 상기 제2 충전 상태값을 가지는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 정의한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2 방전 커브 모델로부터 상기 제2 방전 커브 모델이 상기 방전 설정 전압값과 만나는 제3 시점부터 상기 방전 하한 전압값과 만나는 제4 시점까지의 제2 시간 변화량을 산출하고, 상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값 및 상기 제2 시간 변화량을 기초로, 제3 온도값에 대한 제3 감쇄 전류값을 산출하며, 상기 제2 충전 상태값에 매핑된 제2 최대 방전 전류값에 대한 상기 제3 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제3 전류 감쇄 비율을 산출하고, 상기 제3 전류 감쇄 비율을 상기 제2 충전 상태값 및 상기 제3 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2 최대 방전 전류값, 제5 팩터 및 제6 팩터를 더 기초로, 상기 제3 감쇄 전류값을 산출할 수 있다. 이 경우, 상기 제5 팩터는 상기 제3 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제3 내부 저항값이며, 상기 제6 팩터는 상기 제3 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제3 최대 저항 변화율이다.
또한, 상기 제어부는, 상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값, 상기 제2 시간 변화량, 제7 팩터 및 제8 팩터를 기초로, 제4 온도값에 대한 제4 감쇄 전류값을 산출한다. 이때, 상기 제7 팩터는 상기 제4 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제4 내부 저항값이며, 상기 제8 팩터는 상기 제4 온도값에 대응하는 상기 배터리의 제4 최대 저항 변화율이다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2 최대 방전 전류값에 대한 상기 제4 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제4 전류 감쇄 비율을 산출하며, 상기 제4 전류 감쇄 비율을 상기 제2 충전 상태값 및 상기 제4 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2 온도값과 상기 제3 온도값이 동일한 경우, 상기 제2 전류 감쇄 비율 및 상기 제3 전류 감쇄 비율 중 더 큰 것을 상기 제3 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 장치는, 상기 배터리의 방전 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 배터리의 전류를 측정하는 전류 측정부; 및 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정부;를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제어부는, 상기 전압 측정부, 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부에 의해 측정되는 전압값, 전류값 및 온도값에 기초해 상기 배터리의 현재 충전 상태값을 추정하고, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 설정 전압값 이하인 경우, 상기 메모리부로부터 상기 현재 충전 상태값 및 온도값에 매핑된 대표 감쇄 비율을 획득하며, 상기 획득된 대표 감쇄 비율을 이용하여, 상기 배터리의 방전 전류의 상한값을 결정할 수 있다.
또한, 상기 메모리부는, 미리 정해진 복수의 안전 기준값들을 더 저장할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 미리 정해진 규칙에 따라 상기 복수의 안전 기준값들을 상기 방전 설정 전압값에 순차적으로 할당하고, 각 안전 기준값이 상기 방전 설정 전압값으로 설정된 상태에서, 상기 제1 전류 감쇄 비율을 산출할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 제1 충전 상태값에 연관된 제1 충전 커브 모델을 포함하는 복수의 충전 커브 모델들을 저장하되, 상기 제1 충전 커브 모델은 제1 충전 조건 하에서 상기 제1 충전 상태값을 가지는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 메모리부; 및 상기 메모리부와 통신 가능하게 연결되어, 상기 메모리부에 저장된 상기 제1 충전 커브 모델을 호출 가능하도록 구성된 제어부;를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 제1 충전 커브 모델로부터 상기 제1 충전 커브 모델이 상기 배터리의 충전 상한 전압값보다 낮게 정해진 충전 설정 전압값과 만나는 제1 시점부터 상기 충전 상한 전압값과 만나는 제2 시점까지의 제1 시간 변화량을 산출한다. 상기 제어부는, 상기 충전 상한 전압값, 상기 충전 설정 전압값 및 상기 제1 시간 변화량을 기초로, 제1 온도값에 대한 제1 감쇄 전류값을 산출한다. 상기 제어부는, 상기 제1 충전 상태값에 매핑된 제1 최대 충전 전류값에 대한 상기 제1 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제1 전류 감쇄 비율을 산출한다. 상기 제어부는, 상기 제1 전류 감쇄 비율을 상기 제1 충전 상태값 및 상기 제1 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장한다.
본 발명의 또다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 미리 저장된 복수의 방전 커브 모델들 중, 제1 충전 상태값에 연관된 제1 방전 커브 모델을 호출하는 단계로서, 상기 제1 방전 커브 모델은 제1 방전 조건 하에서 상기 제1 충전 상태값을 가지는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 것인 단계; 상기 제1 방전 커브 모델로부터 상기 제1 방전 커브 모델이 상기 배터리의 방전 하한 전압값보다 높게 정해진 방전 설정 전압값과 만나는 제1 시점부터 상기 방전 하한 전압값과 만나는 제2 시점까지의 제1 시간 변화량을 산출하는 단계; 상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값, 상기 제1 시간 변화량, 제1 팩터 및 제2 팩터를 기초로, 제1 온도값에 대한 제1 감쇄 전류값을 산출하는 단계로서, 상기 제1 팩터는 상기 제1 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제1 내부 저항값이며, 상기 제2 팩터는 상기 제1 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제1 최대 저항 변화율인 단계; 상기 제1 충전 상태값에 매핑된 제1 최대 방전 전류값에 대한 상기 제1 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제1 전류 감쇄 비율을 산출하는 단계; 및 상기 제1 전류 감쇄 비율을 상기 제1 충전 상태값 및 상기 제1 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 사전 실험을 통해 얻어진 적어도 하나의 방전 커브 모델 또는 충전 커브 모델을 이용하여, 배터리가 가질 수 있는 충전 상태값과 온도값에 따른 전류 감쇄 비율을 미리 산출해둘 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 충방전 중인 배터리의 전압이 미리 정해진 설정 전압에 도달하는 경우, 현재 배터리의 충전 상태와 온도에 대응하는 미리 정해진 전류 감쇄 비율을 기초로 충방전 전류의 상한값을 결정할 수 있다. 이에 따라, 전압 급변 구간(예컨대, 도 1의 음영으로 표시된 구간) 내에서 배터리의 충방전 전류가 상기 상한값 이하로 제한될 수 있다. 이에 따라, 배터리를 과방전 및 과충전 중 적어도 하나으로부터 효과적으로 보호할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 상기 방전 설정 전압값으로 활용 가능한 복수개의 안전 기준값들을 미리 정해놓음으로써, 방전 전류의 상한값을 각 안전 기준값별로 상이하게 결정할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 36Ah의 용량을 가진 리튬 배터리의 충전 상태가 20%일 때 360A의 정전류로 방전이 이루어질 때의 전압 변화 개형을 보여주는 방전 커브 모델이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 출력 파라미터 조정 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 3은 만충전 용량은 36Ah로 동일하고 충전 상태가 15%, 20%, 30%, 40% 및 50%로서 서로 다른 6개의 리튬 배터리의 방전 커브 모델을 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 감쇄 전류값을 결정할 때 사용하는 수학식의 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 각 방전 커브 모델로부터 온도별로 감쇄 전류값과 전류 감쇄 비율을 산출하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서 설명되는 실시 예에 있어서, 배터리는 리튬 배터리를 일컫는다. 여기서, 리튬 배터리라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 배터리를 총칭한다.
한편, 리튬 배터리에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 배터리를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 배터리의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 배터리의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 배터리라면 모두 상기 리튬 배터리의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 배터리 이외의 다른 배터리에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 배터리라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 배터리는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 배터리는 하나의 포장재 내에 양극/분리막/음극의 조립체 및 전해질이 포함된 단위 셀을 비롯하여 단위 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 어셈블리, 다수의 어셈블리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 모듈, 다수의 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 팩, 다수의 팩이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 전지 시스템 등도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하는 장치(100)를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)는, 기본적으로 메모리부(150) 및 제어부(140)를 포함하고, 선택적으로 전압 측정부(110), 전류 측정부(120), 온도 측정부(130) 및 정보 출력부 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
장치(100)는, 충방전 중인 배터리(10)의 전압이 미리 정해진 설정 전압과 같아진 시점 이후부터 배터리(10)의 전류를 감쇄시킬 수 있다. 예를 들어, 장치(100)는, 충전 중인 배터리(10)의 전압이 충전 설정 전압에 도달한 경우 배터리(10)의 충전 전류를 감쇄시키고, 방전 중인 배터리(10)의 전압이 방전 설정 전압에 도달한 경우에는 배터리(10)의 방전 전류를 감쇄시킬 수 있다. 물론, 충전 설정 전압은 방전 설정 전압보다 높은 레벨을 가지도록 미리 정해질 수 있다.
배터리(10)는 고전위 단자(PACK+) 및 저전위 단자(PACK-)를 통해 부하 장치(200)와 전기적으로 연결된다. 부하 장치(200)는, 배터리(10)로부터 출력되는 전력으로 동작하는 장치를 일컫는다.
부하 장치(200)는 제어 시스템(210), 전력 변환부(220) 및 부하(230)를 포함한다. 부하 장치(200)는, 선택적으로, 충전기(240)를 더 포함할 수 있다. 충전기(240)는 배터리(10)를 충전할 수 있는 충전 전류를 전력 변환부(220)를 통해 배터리(10) 측으로 제공할 수 있다. 충전기(240)는 자체적으로 충전 전류를 생성할 수도 있고, 상용 전원으로부터 전력을 인가 받아 충전 전류를 생성할 수도 있다.
바람직한 예에서, 부하(230)는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 포함된 모터일 수 있고, 전력 변환부(220)는 쌍방향 전력 변환이 가능한 인버터일 수 있다.
제어 시스템(210)은 부하 장치(200)의 전반적인 동작을 제어하는 컴퓨팅 시스템이다. 특히, 제어 시스템(210)은 제어부(140)가 제공하는 배터리(10)의 출력 파라미터를 이용하여 배터리(10)의 방전을 제어한다. 즉, 제어 시스템(210)은 출력 파라미터에 대응되는 방전 조건으로 전력 변환부(220)를 제어함으로써 배터리(10)의 방전을 제어한다.
전력 변환부(220)는 배터리(10)의 방전 출력을 부하(230) 측으로 전달한다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 배터리(10)가 방전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
반대로, 전력 변환부(220)는 충전기(240)로부터 공급되는 충전 출력을 배터리(10) 측으로 전달할 수 있다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 배터리(10)가 충전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
메모리부(150)는 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 메모리부(150)은 RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다. 메모리부(150)는 또한 제어부(140)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 제어부(140)와 전기적으로 연결될 수 있다. 메모리부(150)는 또한 제어부(140)와 통신 가능하게 연결되어, 제어부(140)가 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송한다. 메모리부(150)는 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 제어부(140) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
전압 측정부(110)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 전압 측정부(110)는 제어부(140)의 통제 하에, 시간 간격을 두고 배터리(10)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압을 측정하고 측정된 전압의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 전압 측정부(110)로부터 출력되는 신호로부터 배터리(10)의 전압을 결정하고, 결정된 전압의 값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 전압 측정부(110)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 전압 측정 회로로 구성될 수 있다.
전류 측정부(120)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 전류 측정부(120)는 제어부(140)의 통제하에 시간 간격을 두고 배터리(10)를 통해 흐르는 전류의 크기를 반복 측정하고 측정된 전류의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 전류 측정부(120)로부터 출력되는 신호로부터 전류의 크기를 결정하고 결정된 전류값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 전류 측정부(120)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 홀 센서 또는 센스 저항으로 구성될 수 있다.
온도 측정부(130)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 온도 측정부(130)는 시간 간격을 두고 배터리(10)의 온도를 반복 측정하고 측정된 온도의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 온도 측정부(130)로부터 출력되는 신호로부터 배터리(10)의 온도를 결정하고 결정된 온도의 값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 온도 측정부(130)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 열전대(thermocouple)로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 장치(100)는 통신 인터페이스(160)를 더 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(160)는 제어부(140)가 부하 장치(200)에 포함된 제어 시스템(210)과 통신을 수행하기 위해 필요한 구성요소이다.
통신 인터페이스(160)로는 서로 다른 2개의 시스템이 통신을 할 수 있도록 지원하는 공지된 통신 인터페이스라면 어떠한 것이라도 사용될 수 있다. 통신 인터페이스는 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있다. 바람직하게, 통신 인터페이스는 캔(CANN) 통신이나 데이지 체인(Daisy Chain) 통신을 지원하는 것일 수 있다.
제어부(140)는 전압 측정부(110)에 의해 측정된 배터리(10)의 전압 및 전류 측정부(120)에 의해 측정된 배터리(10)의 전류 중 적어도 하나와 온도 측정부(130)에 의해 측정된 배터리(10)의 온도를 선택적으로 활용하여 배터리(10)의 충전 상태를 결정할 수 있다.
예컨대, 배터리(10)의 충전 상태는 전류 측정부(120)를 통해서 주기적으로 측정되는 전류값을 적산하여 결정될 수 있다. 이러한 방식은 암페어 카운팅법이라는 이름으로 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다른 예로, 배터리(10)의 충전 상태는 전압 측정부(110)를 통해서 주기적으로 측정되는 전압값을 기초로 개방 전압을 결정하고, 메모리에 미리 저장된 OCV-SOC 테이블을 참조하여 결정될 수 있다. 또 다른 예로, 충전 상태는 배터리(10)의 회로 모델링에 기반을 둔 확장 칼만 필터와 같은 적응적 알고리즘을 이용하여 결정할 수 있다.
물론, 충전 상태는 전술한 암페어 카운팅법 또는 확장 칼만 필터 이외에도 배터리(10)의 전압, 온도 및 전류를 선택적으로 활용하여 충전 상태를 추정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.
제어부(140)는, 배터리(10)가 방전되는 동안 전압 측정부(110)에 의해 측정된 배터리(10)의 전압 레벨을 모니터한다. 제어부(140)는, 전류 측정부(120)에 측정되는 전류의 방향에 따라, 배터리(10)가 충전 중인지 방전 중인지를 판정할 수 있다.
제어부(140)는 배터리(10)의 전압 레벨에 따라 배터리의 출력 파라미터를 다르게 결정한다. 구체적으로, 제어부(140)는 방전 중인 배터리(10)의 전압이 전압 평탄 구간에 속하면 일반 모드로 출력 파라미터를 결정할 수 있다. 반면, 배터리(10)의 전압이 전압 평탄 구간을 벗어나 전압 급감 구간 또는 전압 급증 구간에 진입하면 감쇄 모드로 출력 파라미터를 결정할 수 있다. 이때, 전압 평탄 구간과 전압 급감 구간은, 미리 정해진 방전 설정 전압을 기준으로 구분될 수 있다. 또한, 전압 평탄 구간과 전압 급증 구간은, 방전 설정 전압보다 높도록 미리 정해진 충전 설정 전압을 기준으로 구분될 수 있다. 즉, 전압 급감 구간은 방전 설정 전압 이하의 전압 범위에 해당하는 구간이고, 전압 급증 구간은 충전 설정 전압 이상의 전압 범위에 해당하는 구간이며, 전압 평탄 구간은 방전 설정 전압보다 크면서 충전 설정 전압보다는 작은 전압 범위에 해당하는 구간이다.
먼저, 배터리(10)의 미리 정해진 충전 상태값별로 동일한 온도를 유지한 상태로 정전류 방전 시험을 시행하여 복수의 방전 커브 모델들을 얻을 수 있다.
도 3은 만충전 용량은 36Ah로 동일하고 충전 상태가 15%, 20%, 30%, 40% 및 50%로서 서로 다른 6개의 리튬 배터리의 방전 커브 모델을 그래프들이다. 좌측으로부터 우측으로 갈수록, 각 방전 커브 모델에 대응하는 충전 상태값은 더 크다.
각각의 정전류 방전 시험에서 적용된 방전 전류의 크기는 배터리(10)의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류값이다. 특정한 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류값은 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization)법으로 배터리(10)를 펄스 방전시켰을 때 배터리(10)의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 도달되도록 하는 방전 전류값이다.
바람직하게, HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 배터리(10)의 안전(Safety)을 위해 설정한 방전 상한 전류값보다 크면 최대 방전 전류값은 방전 상한 전류값으로 대체될 수 있다.
도 3에 도시된 방전 커브 모델들을 얻기 위한 정전류 방전 실험 시 방전 상한 전류값은 360A로 설정하였다.
도 3에 있어서, 각 방전 커브 모델을 얻을 때 적용한 최대 방전 전류값은 그래프의 오른쪽에 표시하였다. 즉, 충전 상태 15%, 20%, 30%, 40% 및 50%에 대응되는 최대 방전 전류값은 360A로서 동일하다. 충전 상태 20%, 30%, 40% 및 50%일 때에는, HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 방전 상한 전류값으로 설정된 360A(ampere)를 초과하였기 때문에 최대 방전 전류값을 방전 상한 전류값으로 대체하였기 때문이다. 반면, 배터리(10)의 SOC가 15%일 경우는, HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값 359A 이 방전 상한 전류값인 360A보다 작으므로, HPPC법으로 결정한 359A이 그대로 적용되었다.
도 3에 있어서, 수평선 A는 미리정해진 방전 설정 전압(VD_set)의 레벨을 나타내고, 수평선 B는 방전 하한 전압(Vmin)의 레벨을 나타낸다. 이때, 방전 설정 전압(VD_set)은 미리 정해진 안전 기준값들 중 어느 하나와 동일할 수 있다. 예컨대, 방전 하한 전압(Vmin)이 1.5V라고 할 때, 2.6V, 2.3V 및 2.0V에 대응하는 3개의 안전 기준값들이 미리 정해질 수 있다.
위와 같이, 제어부(140)는 미리 정해진 안전 기준값들을 순차적으로 방전 설정 전압(VD_set)으로 설정한 상태에서, 충전 상태와 온도에 따라 감쇄 전류값과 전류 감쇄 비율을 산출할 수 있다. 이때, 최대 방전 전류값이 고정되어 있을 때, 감쇄 전류값이 작아질수록, 전류 감쇄 비율은 커질 수 있다. 즉, 감쇄 전류값과 전류 감쇄 비율은 반비례 관계를 가질 수 있다.
또한, 제어부(140)는 산출된 전류 감쇄 비율에 기초해, 배터리(10)의 출력 파라미터 특히, 방전 전류를 감쇄시킴으로써, 배터리(10)의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 도달하기까지 걸리는 시간을 충분히 늘릴 수 있다.
또한, 제어부(140)는 각 방전 커브 모델이 수평선 A에 교차하는 제1 시점과 수평선 B에 교차하는 제2 시점을 각각 검출하고, 검출된 제1 시점부터 제2 시점까지의 경과 시간 즉, 시간 변화율을 산출할 수 있다.
제어부(140)는 전압 측정부(110)를 통해서 측정한 배터리(10)의 현재 전압이 미리 설정된 방전 설정 전압(VD_set)보다 큰 경우는 일반 모드에서 출력 파라미터를 결정한다. 일반 모드는, 후술할 감쇄 모드와는 달리, 배터리(10)의 방전 전류에 대한 어떠한 제한도 가하지 않는 모드를 의미하는 것일 수 있다. 즉, 제어부(140)가 감쇄 모드로 동작하지 않는 동안에는 항상 일반 모드로 동작할 수 있다.
방전 과정 중에 결정되는 출력 파라미터는, 배터리(10)의 최대 방전 전류값 및 전류 감쇄 비율 중 적어도 하나 또는 이와 관련된 파라미터를 포함한다. 제어부(140)는 메모리부(150)에 미리 저장된 제1 전류맵을 이용하여 충전 상태별 최대 방전 전류값을 결정할 수 있다. 여기서, 제1 전류맵은, 복수의 충전 상태값들 각각에 연관되는 최대 방전 전류값을 정의하는 룩업 테이블 등을 형식을 가지는 데이터 구조일 수 있다.
허용 파워값 PD은 다음의 수학식 1에 의해 결정할 수 있다.
<수학식 1>
PD = Vmin × ID_max
수학식 1에 있어서, Vmin은 배터리(10)의 방전 하한 전압으로서 미리 정해진 값이다. ID_max는 특정한 충전 상태에서 방전 중인 배터리(10)에 적용 가능한 최대 방전 전류값에 해당한다.
한편, 제어부(140)는 전압 측정부(110)를 통해 측정한 배터리(10)의 전압이 방전 설정 전압(VD_set) 이하로 떨어지면(즉, 전압 급감 구간에 속하면) 일반 모드로부터 감쇄 모드로 전환하여, 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정한다. 이때, 제어부(140)는 출력 파라미터를 결정하는 동작을 수행하기에 앞서서, 미리 정해진 적어도 하나의 충전 상태값과 적어도 하나의 온도값에 대응하는 전류 감쇄 비율을 결정하는 동작을 수행할 수 있다. 이를 위해, 메모리부(150)에는 복수의 방전 커브 모델들이 미리 저장될 수 있다. 메모리부(150)에 미리 저장되는 각 방전 커브 모델은, 상기 복수의 충전 상태값들 각각에 일대일로 연관되는 것일 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 메모리부(150)에는 적어도 제1 방전 커브 모델 및 제2 방전 커브 모델이 저장되는 것으로 가정한다. 여기서, 제1 방전 커브 모델은 제1 방전 조건 하에서 제1 충전 상태값을 가지는 배터리(10)의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 것이고, 제2 방전 커브 모델은 제2 방전 조건 하에서 제2 충전 상태값을 가지는 배터리(10)의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 것일 수 있다. 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 제1 방전 조건은 지정된 온도(예, 25도)에서 제1 충전 상태값에 대응하는 제1 최대 방전 전류값으로 배터리(10)를 방전 하한 전압 이하까지 방전시키는 것이고, 제2 방전 조건은 제1 방전 조건과 동일한 온도에서 제2 충전 상태값에 대응하는 제2 최대 방전 전류값으로 배터리(10)를 방전 하한 전압 이하까지 방전시키는 것일 수 있다.
또한, 제어부(140)가 감쇄 모드에서 동작하는 동안에 결정되는 파라미터는 배터리(10)의 감쇄 전류값 및 감쇄 목표 파워값 중 적어도 하나를 포함한다.
구체적으로, 제어부(140)는 메모리부(150)에 미리 저장된 각각의 방전 커브 모델을 하나씩 또는 둘 이상을 동시에 호출할 수 있다. 제어부(140)에 의해 메모리부(140)로부터 현재 호출된 방전 커브 모델을 '타겟 커브 모델'라고 칭하기로 한다.
제어부(140)는 타겟 커브 모델로부터 타켓 커브 모델이 방전 설정 전압값과 만나는 시점과 방전 하한 전압값과 만나는 시점을 각각 검출한다. 이로부터, 제어부(140)는 검출된 두 시점 간의 시간을 나타내는 시간 변화량을 산출할 수 있다. 즉, 시간 변화량은, 두 시점 중 큰 것에서 작은 것을 뺀 값이다.
다음으로, 제어부(140)는 적어도 방전 설정 전압값, 방전 하한 전압값 및 시간 변화량을 기초로, 미리 주어진 타겟 온도 범위 내의 적어도 한 온도값에 대한 감쇄 전류값을 산출할 수 있다. 이때, 감쇄 전류값은 전압 급감 구간 내에서 배터리(10)의 전압이 방전 하한 전압에 도달하기까지 남은 시간을 충분히 연장시키기 위한 전류값이다. 또한, 타겟 온도 범위는, 타겟 커브 모델에 대응하여 미리 정해지는 것일 수 있다. 일 예로, 타겟 온도 범위가 0~20도인 경우, 제어부(140)는 타겟 온도 범위 내의 10도에 대한 감쇄 전류값을 산출할 수 있다.
상세히는, 방전 설정 전압값과 방전 하한 전압값은 미리 정해지는 것이고, 시간 변화량은 방전 커브 모델별로 유일하게 결정될 수 있는 것이므로, 제어부(140)는 미리 정해진 수학 알고리즘을 이용하여, 방전 설정 전압값, 방전 하한 전압값 및 시간 변화량로부터 감쇄 전류값을 구할 수 있다. 일 예로, 어느 한 타켓 커브 모델에 대하여, 시간 변화량과 감쇄 전류값은 비례 관계를 가질 수 있다.
바람직하게는, 제어부(140)는 최대 방전 전류값과 둘 이상의 서로 다른 팩터를 더 기초로, 타겟 커브 모델에 대한 감쇄 전류값을 온도별로 산출할 수 있다. 여기서, 최대 방전 전류값은, 타겟 커브 모델에 대응하는 것일 수 있다. 예를 들어, 타겟 커브 모델이 충전 상태 15%에 대응하는 경우 최대 방전 전류값은 359A인 반면, 충전 상태 20% 이상에 대응하는 경우 최대 방전 전류값은 360A이다. 또한, 둘 이상의 서로 다른 팩터들 중 하나는 배터리의 내부 저항값이고, 다른 하나는 배터리의 최대 저항 변화율일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 제어부(140)는 아래의 수학식 2를 이용하여 타겟 커브 모델에 대한 감쇄 전류값 ID_ derate을 결정할 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112017008540447-pat00002
수학식 2에서, ID_max는 최대 방전 전류값이고, Vmin은 방전 하한 전압이며, VD_set는 방전 설정 전압이고, R0는 내부 저항값이며, ΔtD는 시간 변화량이고, (dR/dt)D_max는 최대 저항 변화율이며, ID_ derate는 감쇄 전류값이다.
여기서, R0 및 (dR/dt)D_max은 배터리(10)의 온도에 따라 제어부(140)에 의해 다른 값이 할당될 수 있는 두 팩터이다.
가령, 타겟 커브 모델이 충전 상태 20%인 배터리(10)로부터 얻어진 경우, 제어부(140)는 아래의 표 1 및 표 2로부터 수학식 2의 R0 및 (dR/dt)D_max 에 할당할 값을 결정할 수 있다.
온도값(℃) 내부 저항값 R0
0 A
10 B
25 C
45 D
표 1에서, 상대적으로 높은 온도값에 매핑된 내부 저항값은 상대적으로 낮은 온도값에 매핑된 내부 저항값보다 작을 수 있다. 예를 들어, 표 1의 10도에 연관된 내부 저항값 B는 45도에 연관된 내부 저항값 D보다 크다. 다시 말해, A > B > C > D 의 관계를 만족한다. 표 1과 같이 정의되는 온도와 내부 저항값 간의 관계는 룩업 테이블 등의 형식으로 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다.
온도값(℃) 최대 저항 변화율(dR/dt)D_max
0 E
10 F
25 G
45 H
표 2에서, 상대적으로 높은 온도에 매핑된 최대 저항 변화율은 상대적으로 낮은 온도에 연관된 최대 저항 변화율보다 클 수 있다. 예를 들어, 표 2의 0도에 매핑된 최대 저항 변화율 E는 10도에 연관된 최대 저항 변화율 F보다 작다. 다시 말해, E < F < G < H 의 관계를 만족한다. 표 2과 같이 정의되는 온도와 최대 저항 변화율 간의 관계는, 표 1과 마찬가지로 룩업 테이블 등의 형식으로 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다.
도 4는 수학식 2와 관련된 파라미터들을 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 그래프 (a)에 도시된 방전 커브 모델은 도 3에 도시된 복수의 방전 커브 모델들 중 충전 상태 20%에 대응하는 방전 커브 모델이다. 배터리(10)의 충전 상태가 20%일 때 허용되는 최대 방전 전류값인 360A이 수학식 2의 ID_max에 할당된다는 것은, 도 3을 참조하여 전술한 설명으로부터 쉽게 알 수 있는 것이다.
도 4의 그래프 (b)는 충전 상태가 20%인 배터리(10)가 360A로 방전될 때 시간에 따른 저항 변화율을 나타낸 것이다. 옴의 법칙(ohm's law)에 의하면 V = I×R인데, 양변을 시간 t에 대해 미분하면 dV/dt = ID_max×dR/dt이 되므로, dR/dt는 (dV/dt)/ID_max와 실질적으로 동일하다. 이때, 충전 상태가 일정하다면 제1 전류맵에 의해 ID_max 역시 일정한 값이므로, 방전 커브 모델별 dR/dt는 전압 변화율 dV/dt을 이용하여 결정할 수 있다.
도 4를 참조하면, 수학식 2에 있어서, R0은 배터리(10)의 내부 저항값으로서 실험을 통해 온도별로 미리 정해져 표 1과 같이 정의될 수 있는 파라미터이다. Vmin, VD_set 및 R0는 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다.
여기서 주목해야할 파라미터는, (dR/dt)D_ max이다. (dR/dt)D_max는, 전압 급감 구간에 나타나는 (dR/dt)의 최대값으로서 그래프 (b)에 나타낸 것과 같이, 배터리(10)의 전압이 Vmin에 도달한 시점에서의 전압 변화율 또는 전압 변화율의 절대값을 ID_max로 나눈 값에 해당한다.
(dR/dt)D_max는, 배터리(10)의 충전 상태와 온도 별로 측정한 방전 커브 모델들을 이용하여 미리 결정할 수 있고, 충전 상태 및 온도 별로 정의된 (dR/dt)D_max에 관한 데이터는 표 2와 같이 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다.
한편, 수학식 2는 다음과 같이 유도할 수 있다. 배터리(10)의 전압은 배터리(10)의 충전 상태 및 온도에 따라 변하는 개방 전압 성분, 내부 저항(R0) 및 RC 회로가 서로 직렬로 연결된 회로에 의해 등가적으로 모델링할 수 있다.
상기 회로 모델링에 의하면, 배터리(10)의 전압 V는 하기 수학식 3과 같이 3개의 전압 성분의 합으로 나타낼 수 있다. 즉, 3개의 전압 성분은, 충전 상태에 따라 고유하게 결정되는 개방 전압 성분인 OCV, 전류 I가 흐를 때 내부 저항 R0의 양단에 걸리는 전압 성분인 IR0 및 RC 회로의 저항(R)에 전류 IRC가 흐를 때 RC 회로의 양단에 걸리는 전압 성분 IRC×R의 합으로 나타낼 수 있다.
<수학식 3>
V = OCV + I×R0 + IRC×R
상기 수학식 3의 양변을 시간 t로 미분하면 다음 수학식 5를 얻을 수 있다.
<수학식 4>
dV/dt = dOCV/dt + (dI/dt) × R0 + (dIRC/dt) × R + IRC × (dR/dt)
배터리(10)의 충전 상태와 RC 회로의 저항에 흐르는 전류 IRC가 일정 시간동안(예, 수초 내지 수십초)에 대해 일정하다고 가정하면, dOCV/dt와 dIRC/dt는 0이 되므로 수학식 4는 하기의 수학식 5과 같이 근사할 수 있다.
<수학식 5>
dV/dt = (dI/dt) × R0 + IRC × (dR/dt)
한편, 방전 커브 모델이 방전 설정 전압 VD_set과 만나는 시점 t0에 측정되는 전류를 I0라고 하고, 방전 하한 전압 Vmin과 만나는 시점 t1에 측정되는 전류를 I1라고 하자. 또한, t0부터 t1까지 동안에 IRC는 I1과 같고 (dR/dt)는 (dR/dt)D_max로 일정하다고 가정하여, 수학식 5의 양변을 시간에 대해 적분하면 하기의 수학식 6을 얻을 수 있다.
<수학식 6>
Vmin-VD_set = (I1 - I0) × R0 + I1 × (dR/dt)D_max × (t1-t0)
= (I1 - I0) × R0 + I1 × (dR/dt)D_max × ΔtD
한편, 수학식 6을 I1에 대해 정리하면, 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
<수학식 7>
Figure 112017008540447-pat00003
수학식 7에 있어서, I0 에 ID_max을 할당하는 경우, I1는 감쇄 전류값으로서 수학식 2의 ID_ derate가 된다.
위와 같이, 수학식 5에서 (dR/dt)에 (dR/dt)D_ max 을 할당하는 이유는, 배터리(10)의 전압이 방전 하한 전압 Vmin 이하로 떨어지는 과방전 상태에 대비하여 ID_derate을 보수적으로 산출하기 위함이다.
제어부(140)는, 수학식 2를 이용하여 산출된 감쇄 전류값에 대응하는 전류 감쇄 비율을 산출할 수 있다. 구체적으로, 전류 감쇄 비율은, 방전 커브 모델의 충전 상태에 대응하는 최대 방전 전류값에 대한 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 파라미터이다. 예컨대, 최대 방전 전류값이 360A라고 할 때, 특정 온도값에 대한 감쇄 전류값이 90A인 경우, 제어부(140)는 (360-90A)/360A × 100% = 75%를 상기 특정 온도값에 대한 전류 감쇄 비율로 메모리부(150)에 저장할 수 있다.
경우에 따라, 제어부(140)는 위와 같은 과정을 통해 각각 산출된 감쇄 전류값과 전류 감쇄 비율 중, 전류 감쇄 비율만을 메모리부(150)에 저장할 수 있다. 이는, 감쇄 전류값보다 전류 감쇄 비율을 저장하는 데에 요구되는 데이터량이 적기 때문이다.
정보 출력부는, 제어부(140)에 의해 각각의 방전 커브 모델로부터 온도별로 산출된 전류 감쇄 비율을 통지하는 시각적 신호 및 청각적 신호 중 적어도 하나를 출력하도록 구성된다.
선택적으로, 제어부(140)는, 수학식 2를 이용하여 산출된 감쇄 전류값으로부터 감쇄 목표 파워값인 PD_ derate을 결정할 수 있다. PD_ derate은 아래의 수학식 8을 이용하여 구할 수 있다.
<수학식 8>
PD_ derate = Vmin × ID_ derate
제어부(140)는 감쇄 모드에서, 감쇄 전류값 및 감쇄 목표 파워값 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송할 수 있다.
제어 시스템(210)은 지연 시간이 경과된 이후에 제어부(140)로부터 전송된 출력 파라미터를 이용하여 전력 변환부(220)를 제어하여 배터리(10)의 방전 전류 또는 출력을 감쇄시킨다. 즉, 제어 시스템(210)은 출력 파라미터에 포함된 감쇄 전류값 또는 감쇄 목표 출력 값을 이용하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 배터리(10)로부터 출력되는 방전 전류의 크기를 미리 구한 감쇄 전류값 이하로 통제하거나 배터리(10)의 출력을 감쇄 목표 출력 값보다 작게 통제할 수 있다.
제어 시스템(210)은 바람직한 예로서 전력 변환부(220)를 제어하여 단계적으로 방전 전류의 크기를 감쇄 전류값 이하로 감쇄시킬 수 있다.
제어부(140)는 상술한 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(140)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 메모리부(150)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
제어부(140)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 각 방전 커브 모델로부터 온도별로 감쇄 전류값과 전류 감쇄 비율을 산출하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 구체적으로, 도 5는 미리 정해진 제1 전류맵에 의해 정의되는 배터리(10)의 충전 상태와 최대 방전 전류값 간의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 6은 배터리(10)의 충전 상태와 온도값에 따른 전류 감쇄 비율의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 7은 도 6에 도시된 그래프로부터 도출된 온도별 최대 대표 감쇄 비율의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 8은 방전 설정 전압의 증감에 따른 대표 감쇄 비율의 변화 특성을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 배터리(10)의 최대 방전 전류값은, 충전 상태가 증가함에 따라 지속적으로 증가하다가 특정 포인트를 넘어서면서부터는 일정하게 유지될 수 있다. 도 4을 함께 참조하면, 충전 상태가 20%에 이르기 전에는 최대 방전 전류값은 360A을 향하여 직선에 가까운 형태로 점차적으로 상승한다. 이어, 충전 상태가 20%에 도달한 후부터는 최대 방전 전류값은 360A로 일정하게 유지된다.
도 6을 참조하면, 방전 설정 전압이 2.6V인 경우에, 미리 정해진 온도값과 방전 커브 모델로부터 산출된 전류 감쇄 비율을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 6의 그래프에는 총 22개(45도에서 3개, 25도에서 5개, 10도에서 5개, 0도에서 4개, -10도에서 1개, -20도에서 4개)의 전류 감쇄 비율이 표시되어 있다.
이해를 돕기 위해, 도 3에서 충전 상태값 40%에 연관된 방전 커브 모델을 제1 모델이라고 칭하고, 충전 상태값 50%에 연관된 방전 커브 모델을 제2 모델이라고 하자. 이 경우, 온도값이 특정되면, 표 1 및 표 2로부터 수학식 2의 R0 및 (dR/dt)D_max가 제1 모델 및 제2 모델에 대하여 개별적으로 정해질 수 있다. 또한, 수학식 2의 Vmin 및 VD_set는 제1 모델과 제2 모델에 공통되는 값이고, ΔtD는 제1 모델과 제2 모델 각각으로부터 개별적으로 산출되는 값이며, ID_max는 제1 전류맵(도 5 참조)으로부터 제1 모델 및 제2 모델에 대하여 개별적으로 정해질 수 있다. 여기서, 수학식 2의 파라미터들 중 온도값에 따라 달라지는 파라미터는, R0 및 (dR/dt)D_max 뿐일 수 있다.
<제1 모델에 대한 전류 감쇄 비율의 산출 동작>
도 6을 참조하면, 제1 모델에 대하여 서로 다른 2개의 온도값인 10도 및 25도에서 서로 다른 2개의 전류 감쇄 비율인 K1% 및 K2%가 산출되어 있다. 즉, 제어부(140)는 제1 모델에 대하여, 제1 온도값인 10도에 매핑된 제1 내부 저항값 B과 제1 최대 저항 변화율 F을 수학식 2의 R0 및 (dR/dt)max 에 할당하고, 제2 온도값인 25도에 매핑된 제2 내부 저항값 C과 제2 최대 저항 변화율 G을 수학식 2의 R0 및 (dR/dt)max 에 할당함으로써, 전류 감쇄 비율인 K1% 및 K2%를 각각 산출할 수 있다.
<제2 모델에 대한 전류 감쇄 비율의 산출 동작>
다시 도 6을 참조하면, 제2 모델에 대하여 서로 다른 2개의 온도값인 0도 및 10도에서 서로 다른 2개의 전류 감쇄 비율인 K3% 및 K4%가 산출되어 있다. 즉, 제어부(140)는 제2 모델에 대하여, 제3 온도값인 0도에 매핑된 제3 내부 저항값 A과 제3 최대 저항 변화율 E을 수학식 2의 R0 및 (dR/dt)D_max 에 할당하고, 제4 온도값인 10도에 매핑된 제4 내부 저항값 B과 제4 최대 저항 변화율 F을 수학식 2의 R0 및 (dR/dt)D_max 에 할당함으로써, 전류 감쇄 비율인 K3% 및 K4%를 각각 산출할 수 있다.
<온도별 대표 감쇄 비율의 산출 동작>
전류 감쇄 비율을 산출하기 위하여 제1 모델에 사용된 온도값과 제2 모델에 사용된 온도값 중 적어도 하나가 공통되는 경우, 제어부(140)는 공통 온도값에 대응하는 전류 감쇄 비율들 중 어느 하나를 공통 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정할 수 있다.
예컨대, 제1 모델에 사용된 온도값은 10도와 25도이고, 제2 모델에 사용된 온도값은 0도와 10도이므로, 이 중 10도가 공통 온도값이다. 따라서, 제어부(140)는 10도에 연관된 제1 모델의 전류 감쇄 비율인 K1%와 제2 모델의 전류 감쇄 비율인 K4% 중 더 큰 K1%를 공통 온도값 10도에 대한 대표 감쇄 비율로 설정할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 어느 한 온도값(도 6의 -10도)에 대하여 산출된 전류 감쇄 비율이 단 하나인 경우, 그 전류 감쇄 비율을 해당 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정할 수 있다.
제어부(140)는 전술한 과정을 반복함으로써, 미리 주어진 모든 온도값들에 대한 대표 감쇄 비율을 설정할 수 있는데, 도 7이 바로 온도값별 대표 감쇄 비율을 표시한 그래프를 보여준다. 도 7을 참조하면, 미리 정해진 복수의 온도값들 중 최소값으로부터 최대값으로 갈수록, 그에 대응하는 대표 감쇄 비율은 점차적으로 증가함을 확인할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 복수의 안전 기준값들 중 상대적으로 큰 안전 기준값이 방전 설정 전압으로 설정된 경우, 동일한 온도값에서 상대적으로 작은 대표 감쇄 비율이 설정된다는 점을 확인할 수 있다. 이는, 방전 설정 전압이 클수록, 수학식 2의 (Vmin-VD_set)의 값이 증가하기 때문이다.
이하에서는 배터리 관리 장치(100)가 배터리(10)를 과방전으로부터 보호하기 위해 실행하는 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 보여주는 순서도이다. 설명의 편의를 위해, 메모리부(150)에는 서로 다른 충전 상태값에 연관된 제1 방전 커브 모델 및 제2 방전 커브 모델만이 미리 저장되어 있고, 방전 커브 모델별로 두 온도값에 대한 전류 감쇄 비율을 산출하는 것으로 가정한다.
먼저 도 9를 참조하면, 단계 910에서, 제어부(140)는 메모리부(150)로부터 제1 방전 커브 모델을 호출한다. 제1 방전 커브 모델은, 제1 방전 조건 하에서 제1 충전 상태값을 가지는 시간에 따른 배터리(10) 양단의 전압 변화를 정의하는 것이다.
이어서, 단계 920에서, 제어부(140)는 제1 방전 커브 모델로부터 제1 시간 변화량을 산출한다. 제1 시간 변화량은, 제1 방전 커브 모델이 방전 설정 전압값(VD_set)과 만나는 제1 시점부터 방전 하한 전압값(Vmin)과 만나는 제2 시점까지의 기간을 나타낸다.
이어서, 단계 930에서, 제어부(140)는 제1 방전 커브 모델을 기준으로 제1 온도값에 대한 제1 감쇄 전류값을 산출한다. 제1 감쇄 전류값은 방전 하한 전압값, 방전 설정 전압값, 제1 시간 변화량, 제1 팩터 및 제2 팩터에 기초해 산출될 수 있다. 여기서, 제1 팩터는 제1 온도값에 매핑된 제1 내부 저항값이며, 제2 팩터는 제1 온도값에 매핑된 제1 최대 저항 변화율이다.
이어서, 단계 940에서, 제어부(140)는 제1 전류 감쇄 비율을 산출한다. 제1 전류 감쇄 비율은, 제1 충전 상태값에 매핑된 제1 최대 방전 전류값에 대한 제1 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 파라미터이다. 제1 최대 방전 전류값은, 예컨대 도 3에 도시된 그래프를 정의하는 제1 전류맵(도 5 참조)을 참조하여 결정되는 파라미터이다.
이어서, 단계 950에서, 제어부(140)는 제1 전류 감쇄 비율을 메모리부(150)에 저장한다. 이때, 제어부(140)는 제1 전류 감쇄 비율을 제1 충전 상태값 및 제1 온도값에 연관시킬 수 있다. 물론, 제1 감쇄 전류값도 함께 저장될 수 있다.
이어서, 단계 960에서, 제어부(140)는 제1 방전 커브 모델을 기준으로 제2 온도값에 대한 제2 감쇄 전류값을 산출한다. 제2 온도값은 제1 온도값과는 상이하다. 제2 감쇄 전류값은 방전 하한 전압값, 방전 설정 전압값, 제1 시간 변화량, 제3 팩터 및 제4 팩터에 기초해 산출될 수 있다. 여기서, 제3 팩터는 제2 온도값에 매핑된 제2 내부 저항값이며, 제4 팩터는 제2 온도값에 매핑된 제2 최대 저항 변화율이다.
이어서, 단계 970에서, 제어부(140)는 제2 전류 감쇄 비율을 산출한다. 제2 전류 감쇄 비율은, 제1 최대 방전 전류값에 대한 제2 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 파라미터이다.
이어서, 단계 980에서, 제어부(140)는 제2 전류 감쇄 비율을 메모리부(150)에 저장한다. 이때, 제어부(140)는 제2 전류 감쇄 비율을 제1 충전 상태값 및 제2 온도값에 연관시킬 수 있다. 물론, 제2 감쇄 전류값도 함께 저장될 수 있다.
다음으로 도 10을 참조하면, 단계 1010에서, 제어부(140)는 메모리부(150)로부터 제2 방전 커브모델을 호출한다. 제2 방전 커브 모델은, 제2 방전 조건 하에서 상기 제2 충전 상태값을 가지는 배터리(10) 양단의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 것이다.
이어서, 단계 1020에서, 제어부(140)는 제2 방전 커브 모델로부터 제2 시간 변화량을 산출한다. 제2 시간 변화량은, 제2 방전 커브 모델이 방전 설정 전압값(VD_set)과 만나는 제3 시점부터 방전 하한 전압값(Vmin)과 만나는 제4 시점까지의 기간을 나타낸다.
이어서, 단계 1030에서, 제어부(140)는 제2 방전 커브 모델을 기준으로 제3 온도값에 대한 제3 감쇄 전류값을 산출한다. 제3 감쇄 전류값은 방전 하한 전압값, 방전 설정 전압값, 제2 시간 변화량, 제5 팩터 및 제6 팩터에 기초해 산출될 수 있다. 여기서, 제5 팩터는 제3 온도값에 매핑된 제3 내부 저항값이며, 제6 팩터는 제3 온도값에 매핑된 제3 최대 저항 변화율이다.
이어서, 단계 1040에서, 제어부(140)는 제3 전류 감쇄 비율을 산출한다. 제3 전류 감쇄 비율은, 제2 충전 상태값에 매핑된 제2 최대 방전 전류값에 대한 제3 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 파라미터이다. 제2 최대 방전 전류값은, 예컨대 도 3에 도시된 그래프를 정의하는 제1 전류맵을 참조하여 결정되는 파라미터이다.
이어서, 단계 1050에서, 제어부(140)는 제3 전류 감쇄 비율을 메모리부(150)에 저장한다. 이때, 제어부(140)는 제3 전류 감쇄 비율을 제2 충전 상태값 및 제3 온도값에 연관시킬 수 있다. 물론, 제3 감쇄 전류값도 함께 저장될 수 있다.
이어서, 단계 1060에서, 제어부(140)는 제2 방전 커브 모델을 기준으로 제4 온도값에 대한 제4 감쇄 전류값을 산출한다. 제4 온도값은 제3 온도값과는 상이하다. 제4 감쇄 전류값은 방전 하한 전압값, 방전 설정 전압값, 제2 시간 변화량, 제7 팩터 및 제8 팩터에 기초해 산출될 수 있다. 여기서, 제7 팩터는 제4 온도값에 매핑된 제4 내부 저항값이며, 제8 팩터는 제4 온도값에 매핑된 제4 최대 저항 변화율이다.
이어서, 단계 1070에서, 제어부(140)는 제4 전류 감쇄 비율을 산출한다. 제4 전류 감쇄 비율은, 제2 최대 방전 전류값에 대한 제4 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 파라미터이다.
이어서, 단계 1080에서, 제어부(140)는 제4 전류 감쇄 비율을 메모리부(150)에 저장한다. 이때, 제어부(140)는 제4 전류 감쇄 비율을 제2 충전 상태값 및 제4 온도값에 연관시킬 수 있다. 물론, 제4 감쇄 전류값도 함께 저장될 수 있다.
도 11을 설명하기에 앞서서, 메모리부(150)에는 방전 커브 모델별로 사용될 온도값들이 미리 저장되어 있는바, 제어부(150)는 서로 다른 두 방전 커브 모델에 공통적으로 사용되는 온도값을 획득할 수 있다.
도 11을 참조하면, 단계 1110에서 제어부(140)는 제1 온도값과 제2 온도값 중 제3 온도값 또는 제4 온도값과 동일한 온도값이 존재하는지 판정한다. 예컨대, 제1 온도값 < 제2 온도값 = 제3 온도값 < 제4 온도값인 경우, 제2 온도값과 제3 온도값이 동일하므로 단계 1110에서는 "YES"로 판정된다. 반면, 제1 온도값 < 제2 온도값 < 제3 온도값 < 제4 온도값 등인 경우, 제1 온도값과 제2 온도값 중 어느 것도 제3 온도값이나 제4 온도값과 일치하지 않으므로 단계 1110에서는 "NO"로 판정된다. 단계 1110에서의 판정 결과가 "YES"인 경우 단계 1120으로 진행한다. 반면, 단계 1110에서의 판정 결과가 "NO"인 경우 단계 1130으로 진행한다.
단계 1120에서 제어부(140)는 동일 온도값에 연관된 두 전류 감쇄 비율 중 더 큰 것을 동일 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정한다. 예를 들어, 제2 온도값 = 제3 온도값인 경우, 제2 전류 감쇄 비율과 제3 전류 감쇄 비율을 비교하여, 제2 전류 감쇄 비율이 더 크면 제2 전류 감쇄 비율을 제2 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정하고, 제3 전류 감쇄 비율이 더 크면 제3 전류 감쇄 비율을 제2 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정한다.
이와 함께 또는 별개로, 제어부(140)는 나머지 온도값 각각에 연관된 전류 감쇄 비율을 해당 온도값의 대표 감쇄 비율로 설정할 수 있다. 예를 들어, 제1 온도값 < 제2 온도값 = 제3 온도값 < 제4 온도값인 경우, 제1 전류 감쇄 비율을 제1 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정하고, 제4 전류 감쇄 비율을 제4 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정할 수 있다.
단계 1130에서 제어부(140)는 제1 내지 제4 전류 감쇄 비율을 제1 내지 제4 온도값 각각에 대한 대표 감쇄 비율로 설정한다. 즉, 제1 전류 감쇄 비율을 제1 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로, 제2 전류 감쇄 비율을 제2 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로, 제3 전류 감쇄 비율을 제3 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로, 제4 전류 감쇄 비율을 제4 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정한다.
단계 1120 또는 단계 1130을 통해 설정된 온도별 대표 감쇄 비율은 메모리부(150)에 저장될 수 있다.
도 12는 상기와 같은 과정을 통해 메모리부(150)에 저장된 온도별 대표 감쇄 비율에 기초해 배터리(10)의 방전 전류를 제한하는 방법의 단계들을 순차적으로 도시한 순서도이다.
다음으로, 도 12를 참조하면, 단계 1210에서 제어부(140)는 배터리(10)의 현재 충전 상태값을 추정한다. 예컨대, 제어부(140)는 전압 측정부(110), 전류 측정부(120) 및 온도 측정부(130)에 의해 측정되는 배터리(10)의 전압값, 전류값 및 온도값에 기초해 배터리(10)의 현재 충전 상태값을 추정할 수 있다.
단계 1220에서 제어부(140)는 배터리(10)의 현재 전압이 방전 설정 전압값 이하인지 판정한다. 단계 1220의 판정 결과가 "YES"인 경우 단계 1230으로 진행한다.
단계 1230에서 제어부(140)는 메모리부(150)에 기 저장된 대표 감쇄 비율들 중에서 배터리(10)의 현재 충전 상태값 및 온도값에 미리 매핑된 어느 한 대표 감쇄 비율을 획득한다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 현재 충전 상태값과 온도값이 각각 20%와 10도인 경우, 메모리부(150)로부터 K1%가 획득될 수 있다.
단계 1240에서 제어부(140)는 획득된 대표 감쇄 비율을 이용하여, 배터리(10)의 방전 전류의 상한값을 결정한다. 예컨대, 현재 충전 상태값에 매핑된 최대 방전 전류값이 360A이면서 단계 1230을 통해 획득된 대표 감쇄 비율이 80%인 경우, 360A ×(100% - 80%) = 72A가 상한값으로 결정될 수 있다. 제어부(140)는 결정된 상한값 이하로 방전 전류를 제한할 수 있다. 예컨대, 제어부(140)는 현재의 방전 전류와 상기 상한값 간의 차이에 기초해 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 결정하고, 결정된 주파수를 알리는 신호를 통신 인터페이스(160)를 통해 제어시스템(210)으로 전송할 수 있다. 제어시스템(210)은 제어부(140)로부터 전송된 듀티비에 따라 배터리(10)와 부하(230) 사이에 연결된 스위칭 소자의 턴온과 턴오프를 조절함으로써, 최종적으로 배터리(10)의 방전 전류가 상기 상한값을 초과하지 않도록 할 수 있다. 단계 1240에 의해 상한값이 결정되면, 제어부(140)는 단계 1210로 회귀할 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 12를 참조하여 배터리(10)의 방전 전류를 제한하는 장치(100)의 동작 즉, 과방전 보호 동작을 중심으로 설명하였으나, 장치(100)는 배터리(10)의 충전 전류를 제한하기 위한 동작 즉, 과충전 보호 동작을 실행할 수 있음은 물론이다.
보다 상세하게는, 충전 커브 모델들은, 도 3을 참조하여 전술한 방전 커브 모델들을 얻기 위한 정전류 방전 시험과 유사하게 얻을 수 있다. 즉, 배터리(10)의 미리 정해진 충전 상태값별로 동일한 온도를 유지한 상태로 정전류 충전 시험을 시행하여 복수의 충전 커브 모델들을 얻을 수 있다. 이때, 각 정전류 충전 실험에서 사용되는 충전 전류의 크기는 HPPC 법으로 정한 최대 충전 전류 값을 설정한다.
과방전 보호와 관련된 감쇄 전류값을 결정하는 데에 이용되는 수학식 2를 과충전 보호와 관련된 감쇄 전류값을 결정하는 데에 이용하고자 하는 경우, 이미 설명된 ID_ derate, Vmin, VD_set, ID_max, (dR/dt)D_max, ΔtD는 각각 IC_ derate, Vmax, VC_set, IC_max, (dR/dt)C_max, ΔtC 로 치환될 수 있다. IC_ derate는 과충전 보호와 관련된 감쇄 전류값, Vmax은 충전 상한 전압, VC_set은 충전 설정 전압, IC_max은 최대 충전 전류값, (dR/dt)C_max은 전압 급증 구간인 Vmax ~ VC_set에 나타나는 (dR/dt)의 최대값, ΔtC은 충전 커브 모델이 충전 설정 전압 VC_set과 만나는 시점부터 충전 상한 전압 Vmax와 만나는 시점까지의 시간 변화량이다. 과충전 보호 동작과 관련된 위 파라미터들과 함께 충전 커브 모델들 역시 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다.
예를 들어, 제1 충전 커브 모델은 제1 충전 조건 하에서 제1 충전 상태값을 가지는 배터리(10)의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 것이고, 제2 충전 커브 모델은 제2 충전 조건 하에서 제2 충전 상태값을 가지는 배터리(10)의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 것일 수 있다. 도 3을 참조하여 전술한바와 유사하게, 제1 충전 조건은 지정된 온도(예, 25도)에서 제1 충전 상태값에 대응하는 제1 최대 충전 전류값으로 배터리(10)를 충전 상한 전압 이상까지 충전시키는 것이고, 제2 충전 조건은 제1 충전 조건과 동일한 온도에서 제2 충전 상태값에 대응하는 제2 최대 충전 전류값으로 배터리(10)를 충전 상한 전압 이상까지 충전시키는 것일 수 있다.
제어부(140)는 메모리부(150)에 미리 저장된 제2 전류맵을 이용하여 충전 상태별 최대 방전 전류값을 결정할 수 있다. 여기서, 제2 전류맵은, 제1 전류맵과 유사하게, 복수의 충전 상태값들 각각에 연관되는 최대 충전 전류값을 정의하는 룩업 테이블 등을 형식을 가지는 데이터 구조일 수 있다. 배터리(10)의 충전 상태가 일정하다면 제2 전류맵에 의해 IC_max 역시 일정한 값이다. 따라서, 제어부(140)는, 전압 급증 구간 내에서의 전압 변화율 dV/dt을 이용하여, 충전 커브 모델별 (dR/dt)C_max를 결정할 수도 있다.
즉, 과방전 보호 동작과 과충전 보호 동작은 단지 배터리(10)가 충전 중인지 방전 중인지에 따라 구분되는 것이므로, 과방전 보호 동작과 관련된 실시예들은 관련 파라미터만을 달리하여 과충전 보호 동작을 실행하는 데에 적용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 배터리
100: 배터리 관리 장치
110: 전압 측정부
120: 전류 측정부
130: 온도 측정부
140: 제어부
150: 메모리부
160: 통신 인터페이스
200: 부하 장치

Claims (12)

  1. 제1 충전 상태값에 연관된 제1 방전 커브 모델을 포함하는 복수의 방전 커브 모델들을 저장하되, 상기 제1 방전 커브 모델은 제1 방전 조건 하에서 상기 제1 충전 상태값을 가지는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 메모리부; 및
    상기 메모리부와 통신 가능하게 연결되어, 상기 메모리부에 저장된 상기 제1 방전 커브 모델을 호출 가능하도록 구성된 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 제1 방전 커브 모델로부터 상기 제1 방전 커브 모델이 상기 배터리의 방전 하한 전압값보다 높게 정해진 방전 설정 전압값과 만나는 제1 시점부터 상기 방전 하한 전압값과 만나는 제2 시점까지의 제1 시간 변화량을 산출하고,
    상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값 및 상기 제1 시간 변화량을 기초로, 제1 온도값에 대한 제1 감쇄 전류값을 산출하며,
    상기 제1 충전 상태값에 매핑된 제1 최대 방전 전류값에 대한 상기 제1 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제1 전류 감쇄 비율을 산출하고,
    상기 제1 전류 감쇄 비율을 상기 제1 충전 상태값 및 상기 제1 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장하는, 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 최대 방전 전류값, 제1 팩터 및 제2 팩터를 더 기초로, 상기 제1 감쇄 전류값을 산출하되,
    상기 제1 팩터는 상기 제1 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제1 내부 저항값이며, 상기 제2 팩터는 상기 제1 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제1 최대 저항 변화율인, 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기 수학식 1을 이용하여, 상기 제1 감쇄 전류값을 산출하되,
    [수학식 1]
    Figure 112017008540447-pat00004

    상기 수학식 1에서, ID_max는 상기 제1 최대 방전 전류값이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, VD_set는 상기 방전 설정 전압이고, R0는 상기 제1 내부 저항값이며, ΔtD는 상기 제1 시간 변화량이고, (dR/dt)D_max는 상기 제1 최대 저항 변화율이며, ID_ derate는 상기 제1 감쇄 전류값인, 배터리 관리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값, 상기 제1 시간 변화량, 제3 팩터 및 제4 팩터를 기초로, 제2 온도값에 대한 제2 감쇄 전류값을 산출하되, 상기 제3 팩터는 상기 제2 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제2 내부 저항값이며, 상기 제4 팩터는 상기 제2 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제2 최대 저항 변화율이고,
    상기 제1 최대 방전 전류값에 대한 상기 제2 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제2 전류 감쇄 비율을 산출하며,
    상기 제2 전류 감쇄 비율을 상기 제1 충전 상태값 및 상기 제2 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장하는, 배터리 관리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메모리부는,
    상기 제1 충전 상태값과는 상이한 제2 충전 상태값 및 상기 제2 충전 상태값에 연관된 제2 방전 커브 모델을 더 저장하되, 상기 제2 방전 커브 모델은 제2 방전 조건 하에서 상기 제2 충전 상태값을 가지는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 정의하고,
    상기 제어부는,
    상기 제2 방전 커브 모델로부터 상기 제2 방전 커브 모델이 상기 방전 설정 전압값과 만나는 제3 시점부터 상기 방전 하한 전압값과 만나는 제4 시점까지의 제2 시간 변화량을 산출하고,
    상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값 및 상기 제2 시간 변화량을 기초로, 제3 온도값에 대한 제3 감쇄 전류값을 산출하며,
    상기 제2 충전 상태값에 매핑된 제2 최대 방전 전류값에 대한 상기 제3 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제3 전류 감쇄 비율을 산출하고,
    상기 제3 전류 감쇄 비율을 상기 제2 충전 상태값 및 상기 제3 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장하는, 배터리 관리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 최대 방전 전류값, 제5 팩터 및 제6 팩터를 더 기초로, 상기 제3 감쇄 전류값을 산출하되,
    상기 제5 팩터는 상기 제3 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제3 내부 저항값이며, 상기 제6 팩터는 상기 제3 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제3 최대 저항 변화율인, 배터리 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값, 상기 제2 시간 변화량, 제7 팩터 및 제8 팩터를 기초로, 제4 온도값에 대한 제4 감쇄 전류값을 산출하되, 상기 제7 팩터는 상기 제4 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제4 내부 저항값이며, 상기 제8 팩터는 상기 제4 온도값에 대응하는 상기 배터리의 제4 최대 저항 변화율이고,
    상기 제2 최대 방전 전류값에 대한 상기 제4 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제4 전류 감쇄 비율을 산출하며,
    상기 제4 전류 감쇄 비율을 상기 제2 충전 상태값 및 상기 제4 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장하는, 배터리 관리 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 온도값과 상기 제3 온도값이 동일한 경우, 상기 제2 전류 감쇄 비율 및 상기 제3 전류 감쇄 비율 중 더 큰 것을 상기 제3 온도값에 대한 대표 감쇄 비율로 설정하는, 배터리 관리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리의 방전 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 배터리의 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 전압 측정부, 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부에 의해 측정되는 전압값, 전류값 및 온도값에 기초해 상기 배터리의 현재 충전 상태값을 추정하고,
    상기 배터리의 전압이 상기 방전 설정 전압값 이하인 경우, 상기 메모리부로부터 상기 현재 충전 상태값 및 온도값에 매핑된 대표 감쇄 비율을 획득하며,
    상기 획득된 대표 감쇄 비율을 이용하여, 상기 배터리의 방전 전류의 상한값을 결정하는, 배터리 관리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메모리부는,
    미리 정해진 복수의 안전 기준값들을 더 저장하고,
    상기 제어부는,
    미리 정해진 규칙에 따라 상기 복수의 안전 기준값들을 상기 방전 설정 전압값에 순차적으로 할당하고,
    각 안전 기준값이 상기 방전 설정 전압값으로 설정된 상태에서, 상기 제1 전류 감쇄 비율을 산출하는, 배터리 관리 장치.
  11. 제1 충전 상태값에 연관된 제1 충전 커브 모델을 포함하는 복수의 충전 커브 모델들을 저장하되, 상기 제1 충전 커브 모델은 제1 충전 조건 하에서 상기 제1 충전 상태값을 가지는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 메모리부; 및
    상기 메모리부와 통신 가능하게 연결되어, 상기 메모리부에 저장된 상기 제1 충전 커브 모델을 호출 가능하도록 구성된 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 제1 충전 커브 모델로부터 상기 제1 충전 커브 모델이 상기 배터리의 충전 상한 전압값보다 낮게 정해진 충전 설정 전압값과 만나는 제1 시점부터 상기 충전 상한 전압값과 만나는 제2 시점까지의 제1 시간 변화량을 산출하고,
    상기 충전 상한 전압값, 상기 충전 설정 전압값 및 상기 제1 시간 변화량을 기초로, 제1 온도값에 대한 제1 감쇄 전류값을 산출하며,
    상기 제1 충전 상태값에 매핑된 제1 최대 충전 전류값에 대한 상기 제1 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제1 전류 감쇄 비율을 산출하고,
    상기 제1 전류 감쇄 비율을 상기 제1 충전 상태값 및 상기 제1 온도값에 연관시켜 상기 메모리부에 저장하는, 배터리 관리 장치.
  12. 미리 저장된 복수의 방전 커브 모델들 중, 제1 충전 상태값에 연관된 제1 방전 커브 모델을 호출하는 단계로서, 상기 제1 방전 커브 모델은 제1 방전 조건 하에서 상기 제1 충전 상태값을 가지는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 정의하는 것인 단계;
    상기 제1 방전 커브 모델로부터 상기 제1 방전 커브 모델이 상기 배터리의 방전 하한 전압값보다 높게 정해진 방전 설정 전압값과 만나는 제1 시점부터 상기 방전 하한 전압값과 만나는 제2 시점까지의 제1 시간 변화량을 산출하는 단계;
    상기 방전 하한 전압값, 상기 방전 설정 전압값, 상기 제1 시간 변화량, 제1 팩터 및 제2 팩터를 기초로, 제1 온도값에 대한 제1 감쇄 전류값을 산출하는 단계로서, 상기 제1 팩터는 상기 제1 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제1 내부 저항값이며, 상기 제2 팩터는 상기 제1 온도값에 매핑된 상기 배터리의 제1 최대 저항 변화율인 단계;
    상기 제1 충전 상태값에 매핑된 제1 최대 방전 전류값에 대한 상기 제1 감쇄 전류값의 상대적 크기를 나타내는 제1 전류 감쇄 비율을 산출하는 단계; 및
    상기 제1 전류 감쇄 비율을 상기 제1 충전 상태값 및 상기 제1 온도값에 연관시켜 메모리부에 저장하는 단계;
    를 포함하는, 배터리 관리 방법.
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