KR102141263B1 - 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하는 산출하고, 산출된 방전 전압값 오차율을 이용하여 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하는 산출하고, 산출된 방전 전압값 오차율을 이용하여 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈과 화석 에너지의 사용으로 인한 환경오염으로 이차 전지 배터리를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라, 모바일 기기, 전기 차량(Electric Vehicle; EV), 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle; HV), 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 및 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 배터리의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이러한 이차 전지 배터리는 화석 에너지의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
특히 전기 차량, 하이브리드 차량, 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 이차 전지 배터리는 고출력 및 대용량의 전력을 충전 또는 방전하기 위하여 배터리 셀을 여러 개 연결하여 구성된다. 이와 같은, 이차 전지 배터리의 배터리 셀들은 이상적으로 동일한 특성을 가져야 하나, 용량, 임피던스 및 내부저항의 편차를 가지며 이차 전지 배터리의 충방전이 수행됨에 따라 상술된 편차는 증가하게 된다. 이러한, 배터리 셀 간에 편차로 인하여 특정 배터리 셀은 과충전 또는 과방전되어 배터리 셀의 수명이 단축되고, 나아가 이차 전지 배터리의 수명까지 단축되는 문제점을 가진다.
이에 따라, 배터리 셀의 안정성과 수명 향상을 위하여 배터리 셀들 간에 전압을 균일하게 유지하는 밸런싱 기술이 이차 전지 배터리에 적용된다. 보다 구체적으로, 이차 전지 배터리에 포함된 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 밸런싱하는 방법에는, 전압이 상대적으로 낮은 배터리 셀에 충전전류를 공급하여 전압을 상승시키는 액티브 밸런싱(Active Balancing), 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 방전시켜 전압을 강하시키는 패시브 밸런싱(Passive Balancing) 등이 있다.
특히, 패시브 밸런싱 기술을 구현하기 위하여 이차 전지 배터리에는 배터리 셀의 전력을 소비하는 밸런싱 저항, 배터리 셀과 밸런싱 저항 사이의 통전을 제어하는 스위칭 소자, 배리터 셀의 전압에 따라 스위칭 소자의 온 또는 오프를 제어하는 제어부가 구비된다.
하지만, 종래의 밸런싱 회로에 구비된 제어부는 밸런싱 저항의 설계 저항값을 기준으로 배터리 셀을 방전시키므로 실제 밸런싱 저항의 저항값이 설계값 보다 작은 경우, 밸런싱 회로에 설계 기준 보다 큰 방전 전류가 흐르므로 증가하여 배터리 셀이 과방전되는 문제점이 있다.
반대로, 실제 밸런싱 저항의 저항값이 설계값 큰 경우에 종래의 밸런싱 회로에 구비된 제어부가 밸런싱 저항의 설계 저항값을 기준으로 배터리 셀을 방전시키면 밸런싱 회로에 설계 기준 보다 작은 방전 전류가 흐르므로 배터리 셀이 목표 방전 전압까지 방전되지 않는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자는 상기의 문제점을 해결하기 위해, 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하는 산출하고, 산출된 방전 전압값 오차율을 이용하여 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은, 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하고, 산출된 방전 전압값 오차율을 이용하여 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정함으로써, 밸런싱 저항의 저항값 오차로 인한 과방전 및 과충전을 방지할 수 있는 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치는 미리 설정된 방전 시간 동안 배터리 셀과 밸런싱 저항을 연결시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 제어부; 상기 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 상기 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 상기 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 상기 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하는 산출부; 및 상기 방전 전압값 오차율을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 추정부;를 포함하여 구성된다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 배터리 셀과 밸런싱 저항 사이에 연결된 스위칭 소자의 연결 상태를 온(On) 상태로 제어하여 상기 배터리 셀을 방전시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치는 상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제1 셀 전압값 및 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값에 기초하여 상기 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 상기 배터리 셀의 설계 방전 전압값을 결정하는 결정부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출부는 상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제1 셀 전압값과 상기 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제2 셀 전압값 간의 셀 전압차를 상기 실제 방전 전압값으로 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출부는 하기의 수학식을 이용하여 상기 방전 전압값 오차율을 산출할 수 있다.
<수학식>
여기서, Ev는 상기 방전 전압값 오차율, Vr은 상기 실제 방전 전압값, Vd는 상기 설계 방전 전압값, V1은 상기 제1 셀 전압값, V2는 제2 셀 전압값이다.
일 실시예에서, 상기 추정부는 하기의 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정할 수 있다.
<수학식>
여기서, Re는 상기 추정 저항값, Rd는 상기 설계 저항값, Ev는 상기 방전 전압값 오차율이다.
일 실시예에서, 상기 산출부는 상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 밸런싱 저항의 제1 저항 온도값과 상기 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 상기 밸런싱 저항의 제1 저항 온도값 간의 저항 온도차를 이용하여 저항 온도값 증가율을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출부는 하기의 수학식을 이용하여 상기 저항 온도값 증가율을 산출할 수 있다.
<수학식>
여기서, It는 상기 저항 온도값 증가율, Tg는 상기 저항 온도차, T1은 상기 제1 저항 온도값, T2는 상기 제2 저항 온도값이다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치는 상기 저항 온도값 증가율을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 추정 저항값을 보정 저항값으로 보정하는 보정부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 보정부는 하기의 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 추정 저항값을 보정 저항값으로 보정할 수 있다.
<수학식>
여기서, Re'는 상기 보정 저항값, Re는 상기 추정 저항값, f는 저항값 보정계수, It는 상기 저항 온도값 증가율이다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법은 제어부가 미리 설정된 방전 시간 동안 배터리 셀과 밸런싱 저항을 연결시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계; 산출부가 상기 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 상기 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 상기 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 상기 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하는 단계; 및 추정부가 상기 방전 전압값 오차율을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방전시키는 단계는 상기 제어부가 상기 배터리 셀과 밸런싱 저항 사이에 연결된 스위칭 소자의 연결 상태를 온(On) 상태로 제어하여 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법은 결정부가 상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제1 셀 전압값 및 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값에 기초하여 상기 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 상기 배터리 셀의 설계 방전 전압값을 결정하는 단계를;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출하는 단계는 상기 산출부가 상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제1 셀 전압값과 상기 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제2 셀 전압값 간의 셀 전압차를 상기 실제 방전 전압값으로 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출하는 단계는 상기 산출부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 방전 전압값 오차율을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
<수학식>
여기서, Ev는 상기 방전 전압값 오차율, Vr은 상기 실제 방전 전압값, Vd는 상기 설계 방전 전압값, V1은 상기 제1 셀 전압값, V2는 제2 셀 전압값이다.
일 실시예에서, 상기 추정하는 단계는 상기 추정부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
<수학식>
여기서, Re는 상기 추정 저항값, Rd는 상기 설계 저항값, Ev는 상기 방전 전압값 오차율이다.
일 실시예에서, 상기 산출하는 단계는 상기 산출부가 상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 밸런싱 저항의 제1 저항 온도값과 상기 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 상기 밸런싱 저항의 제1 저항 온도값 간의 저항 온도차를 이용하여 저항 온도값 증가율을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출하는 단계는 상기 산출부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 저항 온도값 증가율을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
<수학식>
여기서, It는 상기 저항 온도값 증가율, Tg는 상기 저항 온도차, T1은 상기 제1 저항 온도값, T2는 상기 제2 저항 온도값이다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법은 보정부가 상기 저항 온도값 증가율을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 추정 저항값을 보정 저항값으로 보정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 보정하는 단계는 상기 보정부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 추정 저항값을 보정 저항값으로 보정하는 단계;를 포함할 수 있다.
<수학식>
여기서, Re'는 상기 보정 저항값, Re는 상기 추정 저항값, f는 저항값 보정계수, It는 상기 저항 온도값 증가율이다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치 및 방법은 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하고, 산출된 방전 전압값 오차율을 이용하여 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정함으로써, 밸런싱 저항의 저항값 오차로 인한 과방전 및 과충전을 방지할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치가 적용될 수 있는 전기 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 작동을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치가 적용될 수 있는 전기 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치가 전기 차량에 적용된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치는 전기 차량 이외에도 모바일 기기, 에너지 저장 시스템 또는 무정전 전원 공급 장치 등 이차 전지 배터리가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.
전기 차량(1)은 배터리(10), BMS(Battery Management System, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 차량(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(10)는 모터(50) 또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리한다. 예컨대, 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(10)의 교체 시기 추정도 가능하다.
또한, BMS(20)는 후술되는 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치(도 2의 100)를 포함할 수 있다. 이러한 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치(100)는 배터리(10)에 포함된 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하고, 산출된 방전 전압값 오차율을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정함으로써, 밸런싱 저항의 저항값 오차로 인한 과방전 및 과충전을 방지할 수 있다.
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치(100)가 밸런싱 저항의 저항값을 추정하는 내용은 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.
ECU(30)는 전기 차량(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(Accelerator), 브레이크(Break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 전달받은 배터리(10)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(40)에 제어 신호를 보낸다.
인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 차량(1)를 구동한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치의 구성을 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치(100)는 밸런싱부(110), 제어부(120), 측정부(130), 결정부(140), 산출부(150), 추정부(160) 및 보정부(170)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치(100)는 배터리 셀(11)을 포함하는 배터리(10) 및 배터리 셀(11) 각각 전압, 전류 및 온도에 근거하여 배터리 셀(11)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH) 및 최대 입출력 전력 허용량을 산출하고, 산출된 배터리 셀(11)의 상태 정보(SOC, SOH 및 최대 입출력 전력 허용량)를 이용하여 배터리 셀(11)의 충전 또는 방전을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS, 20)에 포함될 수 있다.
밸런싱부(110)는 후술되는 배터리(10)에 포함된 배터리 셀(11)의 충전 전압을 방전시키는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 밸런싱부(110)는 스위칭 소자(111) 및 밸런싱 저항(112)을 포함할 수 있다.
여기서, 스위칭 소자(111)는 MOS FET(Metal Oxide Silicon Field Effect transistor) 소자, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자 및 BJT(Bipolar Junction Transistor) 소자 중 어느 하나일 수 있다.
밸런싱부(110)는 스위칭 소자(111)가 MOS FET 소자인 경우, 밸런싱 저항(112) 외에 MOS FET 소자의 게이트 전압을 조절하기 위한 게이트 저항(113)을 더 포함할 수 있다.
이하에서, 스위칭 소자(111)가 MOS FET 소자인 밸런싱부(110)에 대해 설명하도록 한다.
스위칭 소자(111)는 드레인 단자(D), 게이트 단자(G) 및 소스 단자(S)를 포함할 수 있으며, 드레인 단자(D) 및 게이트 단자(G) 는 각각 밸런싱 저항(112) 및 게이트 저항(113)과 연결될 수 있다.
스위칭 소자(111)는 게이트 단자(G)에 문턱 전압(Threshold Voltage) 이상의 게이트 전압이 인가되는 경우, 드레인 단자(D) 및 소스 단자(S)가 통전되어 드레인 단자(D)와 연결된 밸런싱 저항(112)에 전류가 흐를 수 있다.
즉, 스위칭 소자(111)가 통전되어 배터리 셀(11)로부터 출력되는 전류가 밸런싱 저항(112)에 흐름으로써 배터리 셀(11)이 방전되고, 이로 인해, 배터리 셀(11)에 충전된 충전 전압의 전압값이 감소될 수 있다.
한편, 스위칭 소자(111)의 문턱 전압에 대응하여 게이트 단자(G)에 인가되는 게이트 전압을 조절하기 위해 게이트 저항(113)의 저항값은 변경될 수 있다.
제어부(120)는 미리 설정된 방전 시간 동안 스위치 소자(111)의 작동 상태을 온(On)으로 제어하여 배터리 셀(11)과 밸런싱 저항(112)을 연결함으로써 배터리 셀(11)을 방전시키는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(120)는 미리 설정된 방전 시간 동안 스위칭 소자(111)의 문턱 전압 이상의 게이트 전압을 게이트 단자(G)에 인가시켜 스위칭 소자(111)의 작동 상태를 온(On)으로 제어할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 방전 시간은 밸런싱 저항(112)의 실제 저항값을 추정하기 위해 밸런싱 저항(112)을 이용하여 배터리 셀(11)을 방전시키는 시간일 수 있다.
이를 통해, 제어부(120)는 스위칭 소자(111)의 드레인 단자(D)와 연결된 밸런싱 저항(112)에 전류가 흐르게 함으로써, 배터리 셀(11)을 방전시킬 수 있다.
반대로, 제어부(120)는 미리 설정된 방전 시간 동안이 경과하면 스위칭 소자(111)의 작동 상태를 오프(Off)로 제어하여 배터리 셀(11)을 방전시키지 않을 수 있다.
이때, 제어부(120)는 MCU(Micro Controller Unit) 및 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 중 어느 하나일 수 있다.
측정부(130)는 배터리 셀(11)에 충전된 전압의 전압값을 측정하는 역할을 할 수 있다. 보다 구체적으로, 측정부(130)는 상술된 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 베터리 셀(11)의 전압을 제1 셀 전압값으로 측정할 수 있다. 또한, 측정부(130)는 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 시점에 베터리 셀(11)의 전압을 제2 셀 전압값으로 측정할 수 있다.
이를 위해, 측정부(130)는 노드 양단의 전압을 측정하는 전압 센서를 포함할 수 있다.
결정부(140)는 측정부(130)로부터 측정된 제1 셀 전압값과 밸런싱 저항(112)의 설계 저항값에 기초하여 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 베터리 셀(11)의 설계 방전 전압값을 결정하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 결정부(140)는 밸런싱 저항(112)의 실제 저항값이 설계 저항값인 경우 미리 설정된 방전 시간 동안 배터리 셀(11)을 방전시켜 강하된 전압값을 설계 방전 전압값으로 결정할 수 있다.
이를 위하여, 결정부(140)는 제1 셀 전압값과 밸런싱 저항(112)의 설계 저항값을 이용하여 설계 방전 전압값 산출할 수도 있고, 미리 설정된 방전 시간에 따른 제1 셀 전압값 별 설계 저항값이 맵핑된 맵핑 테이블로부터 현재 제1 셀 전압값과 미리 설정된 방전 시간을 이용하여 설계 방전 전압값을 결정할 수 있다.
산출부(150)는 결정부(140)로부터 결정된 설계 방전 전압값과 제어부(120)의 스위칭 소자(111) 제어로 인해 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 배터리 셀(11)의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하는 역할을 수행할 수 있다.
이를 위하여, 산출부(150)는 측정부(130)로부터 측정된 제1 셀 전압값과 제2 셀 전압값 간의 셀 전압차를 상술된 실제 방전 전압값으로 산출할 수 있다.
이때, 산출부(140)는 하기의 수학식 1을 이용하여 실제 방전 전압값을 산출할 수 있다.
여기서, Vr은 실제 방전 전압값, V1은 제1 셀 전압값, V2는 제2 셀 전압값이다.
다음으로, 산출부(140)는 하기의 수학식 2를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출할 수 있다.
여기서, Ev는 방전 전압값 오차율, Vr은 실제 방전 전압값, Vd는 설계 방전 전압값, V1은 제1 셀 전압값, V2는 제2 셀 전압값이다.
상술된 산출부(150)가 이용하는 수학식 1 및 수학식 2에 대해 설명하면, 밸런싱 저항(112)의 실제 저항값이 밸런싱 저항(112)의 설계 저항값과 동일한 경우, 밸런싱 저항(112)의 실제 방전 전압값과 밸런싱 저항(112)의 설계 방전 전압값은 동일하므로 방전 전압값 오차율은 0%가 산출될 수 있다.
이에 반해, 밸런싱 저항(112)의 실제 저항값이 밸런싱 저항(112)의 설계 저항값 보다 작은 경우, 베터리 셀(11)에 과방전이 일어나 0% 보다 큰 방전 전압값 오차율이 산출될 있으며, 반대로, 밸런싱 저항(112)의 실제 저항값이 밸런싱 저항(112)의 설계 저항값 보다 큰 경우, 베터리 셀(11)에 목표 방전 전압 보다 덜 방전이 0% 보다 작은 방전 전압값 오차율이 산출될 수 있다.
이러한 밸런싱 저항(112)의 실제 저항값에 따른 방전 전압값 오차율을 통해 추정부(160)는 추정 저항값을 추정하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 추정부(160)는 산출부(150)로부터 산출된 방전 전압값 오차율을 이용하여 밸런싱 저항(112)의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정할 수 있다.
즉, 추정부(160)는 밸런싱 저항(112)의 설계 저항값에 방전 전압값 오차율을 상쇄시켜 추정 저항값을 추정할 수 있다. 이때, 추정부(160)는 밸런싱 저항(112)의 하기의 수학식 3을 이용하여 추정 저항값을 추정할 수 있다.
여기서, Re는 추정 저항값, Rd는 설계 저항값, Ev는 방전 전압값 오차율이다.
한편, 추정부(160)로 추정된 추정 저항값은 베터리 셀(11)의 충전 전압에 기초하여 산출 및 추정된 값으로 온도가 변화하면 저항값이 선형적으로 변화는 밸런싱 저항(112)의 저항값 특성을 반영하지 않는다.
이에 따라, 밸런싱 저항(112)의 온도값을 반영하여 추정된 추정 저항값을 보정하는 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치(100)에 대해 설명하도록 한다.
밸런싱 저항(112)의 온도값을 반영하여 추정된 추정 저항값을 보정하기 위하여 산출부(140) 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 밸런싱 저항(112)의 제1 저항 온도값과 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 밸런싱 저항(112)의 제1 저항 온도값 간의 저항 온도차를 이용하여 저항 온도값 증가율을 산출할 수 있다.
즉, 산출부(140) 배터리 셀(112)의 방전 전과 방전 후의 온도 변화를 저항 온도값으로 산출할 수 있다.
이때, 산출부(140)는 하기의 수학식 4를 이용하여 저항 온도차를 산출할 수 있다.
여기서, Tg는 저항 온도차, T1은 제1 저항 온도값, T2는 제2 저항 온도값이다.
다음으로, 산출부(140)는 하기의 수학식 5를 이용하여 저항 온도값 증가율을 산출할 수 있다.
여기서, It는 저항 온도값 증가율, Tg는 저항 온도차, T1은 제1 저항 온도값, T2는 제2 저항 온도값이다.
보정부(170)는 온도 변화에 따른 저항값 변화가 반영되지 않은 추정 저항값을 산출부(140)로부터 산출된 저항 온도값 증가율을 이용하여 보정 저항값으로 보정할 수 있다. 즉, 보정부(170)는 미리 설정된 방전 시간 동안 밸런싱 저항(112)에 전압이 인가되어 상승된 온도값에 따른 저항값 변화를 추정 저항값에 반영하는 보정을 수행할 수 있다.
이때, 보정부(170)는 하기의 수학식 6을 이용하여 추정 저항값을 보정 보정값으로 보정할 수 있다.
여기서, Re'는 보정 저항값, Re는 추정 저항값, f는 저항값 보정계수, It는 저항 온도값 증가율이다.
이를 통해, 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치(100)는 산출된 방전 전압값 오차율을 이용하여 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하고 온도 변화를 반영하여 추정 저항값을 보정 저항값으로 보정함으로써, 밸런싱 저항(112)의 저항값 오차로 인한 과방전 및 과충전을 방지할 수 있다
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 측정부는 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 배터리 셀의 제1 셀 전압값과 밸런싱 저항의 제1 저항 온도값을 측정되고(S401), 제어부는 스위칭 소자를 온으로 변경하여 배터리 셀과 밸런싱 저항을 연결시켜 배터리 셀을 미리 설정된 방전 시간 동안 방전시키게 된다(S402).
제어부는 미리 설정된 방전 시간 동안의 종료 시점에 스위칭 소자를 오프로 변경하여 배터리 셀의 방전을 중지하고 측정부는 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 배터리 셀의 제2 셀 전압값과 밸런싱 저항의 제2 저항 온도값을 측정하게 된(S403).
이후, 결정부는 측정부로부터 측정된 제1 셀 전압값과 밸런싱 저항의 설계 저항값에 기초하여 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 베터리 셀의 설계 방전 전압값을 결정하게 된다(S404).
산출부는 결정부로부터 결정된 설계 방전 전압값과 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하게 된다(S405). 이때, 산출부는 측정부로부터 측정된 제1 셀 전압값과 제2 셀 전압값 간의 셀 전압차를 상술된 실제 방전 전압값으로 산출할 수 있다.
다음으로, 추정부는 산출부로부터 산출된 방전 전압값 오차율을 이용하여 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하게 된다(S406).
이후, 밸런싱 저항의 온도 변화에 따른 저항값 변화를 보정하기 위하여 산출부는 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 밸런싱 저항(112)의 제1 저항 온도값과 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 밸런싱 저항(112)의 제1 저항 온도값 간의 저항 온도차를 이용하여 저항 온도값 증가율을 산출하게 된다(S407).
마지막으로, 보정부는 온도 변화에 따른 저항값 변화가 반영되지 않은 추정 저항값을 산출부로부터 산출된 저항 온도값 증가율을 이용하여 보정 저항값으로 보정하게 된다(S408).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치
110 : 밸런싱부
111 : 스위칭 소자 112 : 밸런싱 저항
113 : 게이트 저항
D : 드레인 단자 G : 게이트 단자
S : 소스 단자
120 : 제어부 130 : 측정부
140 : 결정부 150 : 산출부
160 : 추정부 170 : 보정부
10 : 배터리
11 : 배터리 셀
20: 배터리 관리 시스템
110 : 밸런싱부
111 : 스위칭 소자 112 : 밸런싱 저항
113 : 게이트 저항
D : 드레인 단자 G : 게이트 단자
S : 소스 단자
120 : 제어부 130 : 측정부
140 : 결정부 150 : 산출부
160 : 추정부 170 : 보정부
10 : 배터리
11 : 배터리 셀
20: 배터리 관리 시스템
Claims (20)
- 미리 설정된 방전 시간 동안 배터리 셀과 밸런싱 저항을 연결시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 제어부;
상기 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 상기 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 상기 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 상기 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하는 산출부; 및
상기 방전 전압값 오차율을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 추정부;를 포함하고,
상기 산출부는,
상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제1 셀 전압값과 상기 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제2 셀 전압값 간의 셀 전압차를 상기 실제 방전 전압값으로 산출하며,
하기의 수학식을 이용하여 상기 방전 전압값 오차율을 산출하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치.
<수학식>
여기에서, Ev는 상기 방전 전압값 오차율, Vr은 상기 실제 방전 전압값, Vd는 상기 설계 방전 전압값, V1은 상기 제1 셀 전압값, V2는 제2 셀 전압값이다.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 배터리 셀과 밸런싱 저항 사이에 연결된 스위칭 소자의 연결 상태를 온(On) 상태로 제어하여 상기 배터리 셀을 방전시키는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제1 셀 전압값 및 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값에 기초하여 상기 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 상기 배터리 셀의 설계 방전 전압값을 결정하는 결정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 추정부는,
하기의 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치.
<수학식>
여기서, Re는 상기 추정 저항값, Rd는 상기 설계 저항값, Ev는 상기 방전 전압값 오차율이다 - 제1항에 있어서,
상기 산출부는,
상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 밸런싱 저항의 제1 저항 온도값과 상기 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 상기 밸런싱 저항의 제2 저항 온도값 간의 저항 온도차를 이용하여 저항 온도값 증가율을 산출하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 산출부는,
하기의 수학식을 이용하여 상기 저항 온도값 증가율을 산출하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치.
<수학식>
여기서, It는 상기 저항 온도값 증가율, Tg는 상기 저항 온도차, T1은 상기 제1 저항 온도값, T2는 상기 제2 저항 온도값이다 - 제7항에 있어서,
상기 저항 온도값 증가율을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 추정 저항값을 보정 저항값으로 보정하는 보정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치. - 제9항에 있어서,
상기 보정부는,
하기의 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 추정 저항값을 보정 저항값으로 보정하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 장치.
<수학식>
여기서, Re'는 상기 보정 저항값, Re는 상기 추정 저항값, f는 저항값 보정계수, It는 상기 저항 온도값 증가율이다 - 제어부가 미리 설정된 방전 시간 동안 배터리 셀과 밸런싱 저항을 연결시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계;
산출부가 상기 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 상기 배터리 셀의 설계 방전 전압값과 상기 미리 설정된 방전 시간 동안 실제로 방전된 상기 배터리 셀의 실제 방전 전압값 간의 방전 전압차를 이용하여 방전 전압값 오차율을 산출하는 단계; 및
추정부가 상기 방전 전압값 오차율을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 단계;를 포함하고,
상기 산출하는 단계는,
상기 산출부가 상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제1 셀 전압값과 상기 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제2 셀 전압값 간의 셀 전압차를 상기 실제 방전 전압값으로 산출하는 단계;를 포함하며,
상기 산출하는 단계는,
상기 산출부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 방전 전압값 오차율을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법.
<수학식>
여기에서, Ev는 상기 방전 전압값 오차율, Vr은 상기 실제 방전 전압값, Vd는 상기 설계 방전 전압값, V1은 상기 제1 셀 전압값, V2는 제2 셀 전압값이다.
- 제11항에 있어서,
상기 방전시키는 단계는,
상기 제어부가 상기 배터리 셀과 밸런싱 저항 사이에 연결된 스위칭 소자의 연결 상태를 온(On) 상태로 제어하여 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법. - 제11항에 있어서,
결정부가 상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 배터리 셀의 제1 셀 전압값 및 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값에 기초하여 상기 미리 설정된 방전 시간에 대응하는 상기 배터리 셀의 설계 방전 전압값을 결정하는 단계를;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법. - 삭제
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 추정하는 단계는,
상기 추정부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 설계 저항값으로부터 추정 저항값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법.
<수학식>
여기서, Re는 상기 추정 저항값, Rd는 상기 설계 저항값, Ev는 상기 방전 전압값 오차율이다 - 제11항에 있어서,
상기 산출하는 단계는,
상기 산출부가 상기 미리 설정된 방전 시간의 시작 시점에 측정된 상기 밸런싱 저항의 제1 저항 온도값과 상기 미리 설정된 방전 시간의 종료 시점에 측정된 상기 밸런싱 저항의 제2 저항 온도값 간의 저항 온도차를 이용하여 저항 온도값 증가율을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 산출하는 단계는,
상기 산출부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 저항 온도값 증가율을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법.
<수학식>
여기서, It는 상기 저항 온도값 증가율, Tg는 상기 저항 온도차, T1은 상기 제1 저항 온도값, T2는 상기 제2 저항 온도값이다 - 제17항에 있어서,
보정부가 상기 저항 온도값 증가율을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 추정 저항값을 보정 저항값으로 보정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법. - 제19항에 있어서,
상기 보정하는 단계는,
상기 보정부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 저항의 추정 저항값을 보정 저항값으로 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀의 밸런싱 저항값 추정 방법.
<수학식>
여기서, Re'는 상기 보정 저항값, Re는 상기 추정 저항값, f는 저항값 보정계수, It는 상기 저항 온도값 증가율이다
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2016
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