KR102360012B1 - 배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법 - Google Patents

배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 복수의 배터리 셀 각각의 파라미터를 모니터링하는 모니터링 유닛, 그리고 파라미터를 사용하여 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하고, 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는 것으로 결정되면, 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 기준 전압을 계산하고 균등화 목표 영역으로의 셀 밸런싱을 수행하도록 제어하는 제어 유닛을 포함한다.

Description

배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법{BATTERY SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING BATTERY SYSTEM}
본 개시는 배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법에 관한 것이다.
충전식 또는 이차전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서, 화학 물질의 전기 에너지로의 비가역적 변환만을 제공하는 일차전지와 상이하다. 저용량의 재충전 가능한 배터리는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원 공급 장치로서 사용되고, 고용량의 재충전 가능한 배터리는 하이브리드 자동차 등의 전원 공급 장치로서 사용된다.
일반적으로, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 그리고 전극 조립체와 전기적으로 연결되어 있는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극, 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 배터리의 충방전을 가능하게 하기 위해, 케이스로 전해액이 주입된다. 원통형 또는 직사각형과 같은 케이스의 형상은 배터리의 용도에 따라 다르다.
재충전 가능한 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 결합된 다수의 단위 배터리 셀로 형성된 배터리 모듈로서 사용되어, 예를 들어 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위한, 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 즉, 배터리 모듈은 예를 들어, 전기 자동차용 고전력 재충전 가능한 배터리를 구현하기 위해 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 배터리 셀의 전극 단자들을 상호 연결하여 형성된다. 배터리 시스템을 구성하기 위해 하나 이상의 배터리 모듈이 기계적 및 전기적으로 통합되고, 열 관리 시스템이 장착되며, 하나 이상의 전기 소비자와 통신하도록 설정된다.
배터리 시스템에 연결되어 있는 다양한 전기 소비자의 동적 전력 수요를 충족시키기 위해, 배터리 전력 출력 및 충전에 대한 정적 제어만으로는 충분하지 않다. 따라서, 배터리 시스템과 전기 소비자들의 컨트롤러들 사이에 정보가 꾸준히 또는 간헐적으로 교환되어야 한다. 이 정보는 배터리 시스템의 실제 충전상태(SoC: state of charge), 잠재적인 전기적 성능, 충전 능력, 및 내부 저항은 물론 실제 또는 예측 전력 수요 또는 소비자 잉여분을 포함한다.
전술한 파라미터의 모니터링, 제어, 및/또는 설정을 위해, 배터리 관리 유닛(BMU: battery management unit) 및/또는 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)을 포함한다. 이러한 제어 유닛은 배터리 시스템의 필수 부품일 수 있고 공통의 하우징 내에 배치될 수 있거나 또는 적절한 통신 버스를 통해 배터리 시스템과 통신하는 원격 제어 유닛의 일부일 수 있다. BMS/BMU는 일반적으로 배터리 시스템의 각각의 배터리 모듈뿐만 아니라 하나 이상의 전기 소비자의 컨트롤러에도 연결된다. 일반적으로 각 배터리 모듈은 BMS/BMU 및 상이한 배터리 모듈과의 통신을 유지하도록 구성된 셀 감시 회로(CSC: cell supervision circuit)를 포함한다. CSC는 일부 또는 각각의 배터리 모듈의 배터리 셀들의 셀 전압을 모니터링하고 모듈 내의 개개의 배터리 셀의 전압을 능동적으로 또는 수동적으로 밸런싱하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점 중 적어도 일부를 극복하거나 또는 감소시키고, 무효한 셀 밸런싱을 방지하는 배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 균등화 목표 영역(균등화 목표 전압 영역 또는 균등화 목표 SoC 영역)에서 밸런싱된(top-balanced, mid-balanced, 또는 bottom-balanced) 배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 복수의 배터리 셀 각각의 파라미터를 모니터링하는 모니터링 유닛, 그리고 파라미터를 사용하여 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하고, 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는 것으로 결정되면, 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 기준 전압을 계산하고 균등화 목표 영역으로의 셀 밸런싱을 수행하도록 제어하는 제어 유닛을 포함한다.
비정상 배터리 셀은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나이다.
균등화 목표 영역은 톱-밸런싱(top-balancing) 영역, 미드-밸런싱(mid-balancing) 영역, 바텀-밸런싱(bottom-balancing) 영역 중 어느 하나이다.
제어 유닛은 임의의 두 시점에서 산출된 충전 상태(SoC: state of charge)를 사용하여, 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정한다.
제어 유닛은 충전 또는 방전 이전의 휴지 기간에서 측정된 전압(OCV: open circuit voltage)와 충전 또는 방전 이후의 휴지 기간에서 측정된 OCV를 비교하여, 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정한다.
제어 유닛은 파라미터를 사용하여 복수의 배터리 셀 각각의 용량을 산출하고, 용량들을 비교하여 배터리 모듈 내에 위크 셀이 있는지 결정한다.
제어 유닛은 파라미터를 사용하여 복수의 배터리 셀 각각의 저항 값을 산출하고, 저항 값들을 비교하여 배터리 모듈 내에 하이-임피던스 셀이 있는지 결정한다.
제어 유닛은 복수의 배터리 셀 중 비정상 셀 이외의 최소 전압 셀을 예비 셀로 결정하고, 균등화 목표 영역에서의 예비 셀과 비정상 셀 사이의 SoC 차이를 사용하여 기준 전압을 계산한다.
제어 유닛은 수학식,
Figure 112020015436162-pat00001
,
Figure 112020015436162-pat00002
,
Figure 112020015436162-pat00003
을 사용하여 기준 전압을 계산하고,
Figure 112020015436162-pat00004
은 예비 셀의 SoC이며,
Figure 112020015436162-pat00005
은 균등화 목표 영역에서의 최소 전압 셀의 SoC이고,
Figure 112020015436162-pat00006
은 예비 셀의 전압이며,
Figure 112020015436162-pat00007
는 기준 전압이다.
제어 유닛은 셀 밸런싱이 수행된 시간에 따라 기준 전압을 보상한다.
제어 유닛은 수학식,
Figure 112020015436162-pat00008
,
Figure 112020015436162-pat00009
을 사용하여 기준 전압을 보상하고,
Figure 112020015436162-pat00010
는 밸런싱 전류이고
Figure 112020015436162-pat00011
는 셀 밸런싱이 수행된 시간이며,
Figure 112020015436162-pat00012
는 셀 밸런싱의 듀티비이고,
Figure 112020015436162-pat00013
은 배터리 모듈 내에 포함된 예비 셀의 용량이며, K는 상수이다.
일 실시예에 따른 배터리 시스템 제어 방법은, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 파라미터를 모니터링하는 단계, 파라미터를 사용하여 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계, 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는 것으로 결정되면, 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 기준 전압을 계산하는 단계, 그리고 기준 전압을 사용하여 균등화 목표 영역으로의 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함한다.
비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는, 임의의 두 시점에서 산출된 충전 상태(SoC: state of charge)사용하여, 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함한다.
비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는, 충전 또는 방전 이전의 휴지 기간에서 측정된 전압(OCV: open circuit voltage)와 충전 또는 방전 이후의 휴지 기간에서 측정된 OCV를 비교하여, 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함한다.
비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는, 파라미터를 사용하여 복수의 배터리 셀 각각의 용량을 산출하는 단계, 그리고 용량들을 비교하여 배터리 모듈 내에 위크 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함한다.
비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는, 파라미터를 사용하여 복수의 배터리 셀 각각의 저항 값을 산출하는 단계, 그리고 저항 값들을 비교하여 배터리 모듈 내에 하이-임피던스 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함한다.
기준 전압을 계산하는 단계는, 복수의 배터리 셀 중 비정상 셀 이외의 최소 전압 셀을 예비 셀로 결정하는 단계, 그리고 균등화 목표 영역에서의 예비 셀과 비정상 셀 사이의 SoC 차이를 사용하여 기준 전압을 계산하는 단계를 포함한다.
셀 밸런싱이 수행된 시간에 따라 기준 전압을 보상하는 단계를 더 포함한다.
비정상 배터리 셀은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나이다.
균등화 목표 영역은 톱-밸런싱(top-balancing) 영역, 미드-밸런싱(mid-balancing) 영역, 바텀-밸런싱(bottom-balancing) 영역 중 어느 하나이다.
종래 기술의 하나 이상의 단점은 본 발명에 의해 방지되거나 또는 적어도 감소될 수 있다.
본 발명에 따르면, 밸런싱 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 부하에 전달하는 배터리 용량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
특징들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세히 설명함으로써 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 배터리 모듈 내의 셀 뱅크들을 나타낸 예시도이다.
도 2는 배터리 모듈 내의 위크 셀을 나타낸 예시도이다.
도 3은 위크 셀을 포함하는 배터리 모듈이 종래의 밸런싱 방법에 따라 밸런싱되는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 4는 위크 셀을 포함하는 배터리 모듈의 셀 불균형 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리 시스템 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 6의 비정상 셀 진단 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 8은 SoC 시프트 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 9는 위크 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 10은 하이-임피던스 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 11은 도 7의 SoC 시프트 셀 결정 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 12는 배터리 셀의 구간 별 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 SoC 시프트 셀의 SoC를 도시한 그래프이다.
도 14는 도 6의 셀 밸런싱 기준 및 목표 설정 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 15는 충전 종료 시점에 최소 전압 셀이 비정상 셀인 경우를 도시한 그래프이다.
도 16은 도 6의 셀 밸런싱 수행 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 17은 셀 밸런싱이 수행되는 때의 가상 기준 셀의 전압을 보상하는 경우를 도시한 그래프이다.
도 18은 셀 밸런싱이 수행되는 때 계산된 기준 셀 전압의 일례를 도시한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 작용 효과 및 그 구현 방법을 설명한다. 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 소자를 나타내며, 중복되는 설명은 생략된다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 구체화될 수 있으며, 여기에 도시된 실시예들에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시예들은 본 개시가 철저하고 완전하게 될 수 있도록 예로서 제공되며, 당업자에게 본 발명의 양태 및 특징을 충분히 전달할 것이다.
따라서, 본 발명의 양태들 및 특징들의 완전한 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않다고 여겨지는 프로세스들, 요소들, 및 기술들은 설명되지 않을 수 있다. 도면에서, 소자, 층, 및 영역의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.
여기서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 연관되고 열거된 항목의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 기술할 때 "할 수 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다. 본 발명의 실시예들에 대한 이하의 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥이 다른 것을 명백하게 나타내지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다.
"제1" 및 "제2"라는 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 사용되지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되어서는 안됨을 이해할 것이다. 이 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제1 요소는 제2 요소로 명명될 수 있고, 마찬가지로, 제2 요소는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 제1 요소로 명명될 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련되고 열거된 항목의 임의 및 모든 조합을 포함한다. "적어도 하나"와 같은 표현은, 요소들의 목록에 선행하여, 요소의 전체 목록을 수정하고 목록의 개별 요소를 수정하지 않는다.
여기서 사용되는 용어 "실질적으로", "약" 및 유사한 용어는 근사의 용어로 사용되고 정도의 용어로 사용되지 않으며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 수 있는 측정된 값 또는 계산된 값의 고유한 편차를 설명하기 위한 것이다. 또한, 용어 "실질적으로"가 수치를 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합하여 사용되면, "실질적인"이라는 용어는 그 수치를 중심으로 한 값의 +/-5%의 범위를 나타낸다.
도 1은 배터리 모듈 내의 셀 뱅크(bank)들을 나타낸 예시도이다. 배터리 모듈(10) 내에서 셀 뱅크(B1, B2, B3)들은 직렬로 연결되어 있다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 하나의 뱅크(B1)는 하나의 배터리 셀(100)을 포함할 수 있거나, 도 1의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 하나의 뱅크(B2/B3)는 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀(100)을 포함할 수 있다. 일반적으로 다수의 배터리 셀을 직렬, 병렬 연결하여 사용할 때, 전압은 직렬 연결된 셀(또는 뱅크)을 기준으로 측정되고 모니터링된다.
배터리 셀들의 전압(SoC), 저항 등 전기적 특성은 균일한 것이 이상적이나 제조 산포, 배터리를 사용하면서 발생되는 열화 차이, 배터리 셀 이상 등이 있을 수 있으므로 직렬 연결된 배터리 셀(또는 뱅크)들 사이에 전압 또는 충전상태(SoC) 차이가 존재한다. 이와 같이 직렬 연결된 배터리 셀(또는 뱅크)들 사이의 전압 또는 충전상태(SoC)가 균등하지 않은 상태를 셀 불균형(cell imbalance) 상태라고 지칭한다. 셀 불균형이 존재하면 배터리의 사용 가능한 용량이 감소하고, 셀이 과충전될 가능성이 높아지며, 이로 인해 열화가 가속되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 셀 밸런싱(cell balancing)은 이러한 셀 불균형 상태를 셀 전압 또는 충전상태(SoC)가 균등한 상태로 만들기 위한 것으로서, 배터리의 안정 동작에 있어서 중요하다.
셀 밸런싱은 직렬 연결된 배터리 셀(또는 뱅크)의 전압 또는 충전상태(SoC)가 균등하지 않을 때, 즉 셀 불균형이 존재할 때, 이를 균등화(equalization)하기 위해 수행된다. 첫 번째 방법으로서, 패시브 밸런싱(passive balancing)은 전압 또는 충전상태(SoC)가 높은 셀의 에너지를 소모하여 밸런싱하는 방법이다. 에너지를 소모하는 방법으로는 저항을 통해 셀을 방전시키는 것이 일반적이다. 두 번째 방법으로서, 액티브 밸런싱(active balancing)은 전압 또는 충전상태(SoC)가 높은 셀의 에너지를, 전압 또는 충전상태(SoC)가 낮은 셀로 전달하여 두 셀 사이의 전압 또는 충전상태(SoC)를 균등화하는 것이다. 액티브 밸런싱은 에너지를 소모하지 않고 다른 셀(또는 뱅크)에 전달한다는 측면에서 이상적이나, 많은 부품이 필요해 제조비용이 증가하고, 액티브 밸런싱을 제어하기 어려운 단점이 있다. 따라서 일반적으로 패시브 밸런싱이 주로 사용된다.
패시브 밸런싱으로써 셀 밸런싱을 수행하기 위해서는 어떤 셀(또는 뱅크)의 에너지를 소모해야 하는지 결정되어야 한다. 예를 들어, 어떤 셀(또는 뱅크)을 방전시켜야 하는지, 어떤 셀(또는 뱅크)의 전압 또는 충전상태(SoC)를 기준으로 균등화를 수행해야 하는지, 언제 셀 밸런싱을 수행할 것인지 등이 결정되어야 한다. 그리고, 셀(또는 뱅크)의 용량 차이가 있는 경우, 셀 밸런싱을 수행하더라도 어느 전압 또는 어느 충전상태(SoC) 영역에서는 불균형이 발생할 수 있으므로, 어느 전압 또는 어느 충전상태(SoC) 영역(균등화 목표 영역 또는 지점)에서 균등화되도록 할 것인지가 결정되어야 한다. 이를 셀 밸런싱 전략이라고 할 수 있다.
셀 밸런싱 전략이 너무 단순하거나 또는 셀 밸런싱 전략에서 셀 불균형 원인이 고려되지 않는다면, 의도한 바와 상이한 셀 밸런싱 동작, 즉 무효한 셀 밸런싱이 될 수 있다. 무효한 셀 밸런싱은, 직렬 연결된 셀(또는 뱅크)의 전압 또는 충전상태(SoC)를 균등화하기 위해 수행된 셀 밸런싱이 결과적으로 균등화와 반대되는 방향으로 작용하는 것을 의미한다.
예를 들어, 배터리 모듈(10) 내에 위크(weak) 셀(또는 뱅크)이 존재하는 경우, 무효한 셀 밸런싱이 발생할 수 있다. 이와 관련하여 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
도 2는 배터리 모듈 내의 위크 셀을 나타낸 예시도이고, 도 3은 위크 셀을 포함하는 배터리 모듈이 종래의 밸런싱 방법에 따라 밸런싱되는 상태를 나타낸 예시도이며, 도 4는 위크 셀을 포함하는 배터리 모듈의 셀 불균형 상태를 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 위크 셀은 직렬 연결된 셀(또는 뱅크)들 중 용량이 다른 셀(또는 뱅크)들(100a, 100c, 100d)과 비교하여 유의미하게 작은 셀(100b)(또는 뱅크)이다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 낮은 전압 영역에서는 위크 셀(100b)의 전압이 최소 전압이므로, 다른 셀들(100a, 100c, 100d)에 대해 셀 밸런싱을 수행하여, 위크 셀(100b)의 전압을 목표 전압으로 균등화해야 한다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 중간 전압 영역에서는 셀 전압이 균등화되어 있으므로 셀 밸런싱을 수행하지 않는다.
도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 높은 전압 영역에서는 셀(100d)의 전압이 최소 전압이므로, 셀들(100a, 100c, 100b)에 대해 셀 밸런싱을 수행해야 한다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 전압이 높은 영역에서 균등화되도록 하는 높은 전압 영역에서의 밸런싱(top balancing)을 목표로 한다면, 도 3의 (a)와 같이 낮은 전압 영역에서 위크 셀(100b)의 전압을 기준으로 수행된 셀 밸런싱은 중간 전압 영역과 높은 전압 영역에서의 셀 불균형을 초래할 수 있다. 따라서, 낮은 전압 영역에서 셀 밸런싱을 수행하는 것은, 높은 전압 영역에서 균등화되도록 하려는 의도와는 반대로 셀 불균형을 초래하는 것이므로 무효한 셀 밸런싱이 된다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 낮은 전압 영역에서는 위크 셀(100b)의 전압이 최소 전압이 되고, 이를 기준으로 셀 밸런싱을 수행하면 위크 셀(100b)과 다른 셀들(100a, 100c, 100d) 사이의 용량 차이에 의해, 높은 전압 영역에서 셀 불균형이 확대되는 결과를 초래한다. 이와 같은 무효한 셀 밸런싱을 방지하기 위한 방법으로 셀 밸런싱을 시작하는 전압을 높일 수 있다. 이 경우, 위크 셀의 유무와 관계없이 셀 밸런싱이 동작하는 전압 범위가 감소하여 충전 중에 셀 밸런싱을 수행할 수 있는 시간이 감소하므로, 셀 밸런싱 효율이 떨어진다.
이러한 무효한 셀 밸런싱을 방지하고, 셀 밸런싱 효율을 증가시키며, 균등화 목표 전압 영역에서 밸런싱된(예를 들어, top-balanced) 상태를 제공하기 위해, 본 개시의 배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법은 비정상 셀을 진단하고, 가상의 기준 셀 전압(또는 SoC)에 기초하여 셀 밸런싱을 수행한다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 블록도이다. 도시된 바와 같이, 배터리 시스템은 배터리 모듈(10), 밸런싱 유닛(20), 모니터링 유닛(30), 제어 유닛(40), 및 메모리 유닛(50)을 포함한다.
배터리 모듈(10)은 직렬 및/또는 병렬로 결합된 다수의 단위 배터리 셀(100)을 포함한다. 배터리 모듈(10)은 직렬로 연결되어 있는 다수의 셀 뱅크(110a, 110b, 110c, 내지 100n)를 포함한다.
밸런싱 유닛은 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각에 병렬로 연결되어 있는 다수의 밸런싱 회로(120)를 포함한다. 밸런싱 회로(120) 각각은 밸런싱 저항(미도시) 및 밸런싱 스위칭 소자(미도시) 등을 포함할 수 있다. 밸런싱 회로(120)는 밸런싱 유닛(20)의 외부에서 전달된 신호에 의해 작동하여, 병렬로 연결되어 있는 셀 또는 뱅크의 전압을 낮춘다.
모니터링 유닛(30)은 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n)에 연결되어 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 전압을 검출할 수 있다. 한편, 도 5에서는 모니터링 유닛(30)에 연결되는 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각이 서로 병렬 연결되는 복수의 셀을 포함하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니어서, 도 1에서 설명한 바와 같이, 하나의 셀 뱅크는 하나의 셀만을 포함할 수도 있다.
또한, 모니터링 유닛(30)은 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n)에 흐르는 전류, 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 온도 등을 검출할 수도 있다.
제어 유닛(40)은 모니터링 유닛(30)으로부터 검출된 전압, 전류, 및 온도와 같은 파라미터에 대한 정보를 수신하고, 이를 기초로 뱅크 각각의 충전 상태(SoC), 뱅크 각각의 SoH(state of health), 뱅크 각각의 SoP(state of power)와 같은 배터리의 상태 정보를 산출할 수 있다.
또한, 제어 유닛(40)은 적어도 OCV(open circuit voltage), SoH, 및 SoC를 사용하여 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 현재 용량(remaining capacity)을 산출할 수 있다. 추가적으로, 제어 유닛(40)은 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 온도도 함께 고려하여 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 현재 용량을 예측할 수도 있다.
제어 유닛(40)은 모니터링 유닛(30)으로부터 검출된 전압, 전류, 및 온도와 같은 파라미터와 SoC, 용량과 같은 배터리 상태 정보를 사용하여, 비정상 셀을 진단할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 비정상 셀 뱅크(또는 셀)을 판정하고, 비정상 셀 뱅크(또는 셀)의 불균형의 유형도 판정할 수 있다.
제어 유닛(40)은 비정상 셀의 유무, 비정상 셀의 비정상 유형 등에 따라, 셀 밸런싱 기준 및 목표를 설정할 수 있다. 제어 유닛(40)은 설정된 기준 및 목표에 따라 셀 밸런싱이 수행되도록, 제어 신호를 밸런싱 유닛(20)에 전달할 수 있다.
이러한 제어 유닛(40)은 배터리 관리 유닛(BMU: battery management unit) 및/또는 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)일 수 있으며, 밸런싱 유닛(20)과 모니터링 유닛(30)은 셀 감시 회로(CSC: cell supervision circuit)일 수 있다.
메모리 유닛(50)은 모니터링 유닛(30)에서 획득된 전압, 전류, 및 온도와 같은 파라미터에 대한 정보, 제어 유닛(40)에서 산출된 뱅크 각각의 충전 상태(SoC), 뱅크 각각의 SoH(state of health), 뱅크 각각의 SoP(state of power)와 같은 배터리의 상태 정보, 그리고 제어 유닛(40)에서 결정된 뱅크 각각의 진단 정보를 저장할 수 있다. 진단 정보는 파라미터 및 상태 정보 중 적어도 하나에 기초하여 제어 유닛(40)에 의해 판단된 정보일 수 있다. 예를 들어, 휴지 구간에서 전압 값과 같은 파라미터가 획득되면, 제어 유닛(40)은 전압 값에 기초하여 각 뱅크들의 충전 상태(SoC)를 산출하여 비교하고, 충전 상태(SoC)가 다른 뱅크들에 비해 더 낮은 뱅크에 대한 정보를 메모리 유닛(50)에 저장할 수 있다. 이후, 충전이 수행되고, 다시 휴지 구간에서 전압 값이 획득되면, 제어 유닛(40)은 전압 값에 기초하여 각 뱅크들의 충전 상태(SoC)를 산출하여 다시 비교하고, 충전 후의 충전 상태(SoC)가 다른 뱅크들에 비해 더 낮은 뱅크와 메모리 유닛(50)에 저장된, 충전 전의 충전 상태(SoC)가 다른 뱅크들에 비해 더 낮은 뱅크가 일치하는지를 판단하여, 해당 뱅크를 Soc 시프트 뱅크(셀)로 결정할 수 있다.
상기의 배터리 시스템의 제어 방법에 대해 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리 시스템 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 도시된 바와 같이, 제어 유닛(40)은 비정상 셀(또는 뱅크)을 진단(S10)한다. 비정상 셀의 종류는 SoC 시프트 셀, 위크(weak) 셀, 및 하이-임피던스(high-impedance) 셀 등을 포함한다. 제어 유닛(40)은 모니터링 유닛(30)으로부터 검출된 전압, 전류, 및 온도와 같은 파라미터와 SoC, 용량과 같은 배터리 상태 정보를 사용하여, 비정상 셀 뱅크(또는 셀)을 판정하고, 비정상 셀 뱅크(또는 셀)의 비정상의 유형도 판정할 수 있다.
제어 유닛(40)은 각 셀의 SoC, 용량, 용량 증가에 따른 전압 증가율, 배터리 저항에 대해 통계적 방법 또는 기계학습을 사용하여 비정상 셀을 검출할 수도 있다.
제어 유닛(40)은 비정상 셀(또는 뱅크)을 진단하는 단계와 관련하여 도 7 내지 도 10을 함께 참조하여 설명한다.
도 7은 도 6의 비정상 셀 진단 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이고, 도 8은 SoC 시프트 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이며, 도 9는 위크 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이고, 도 10은 하이-임피던스 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(40)은 SoC 시프트 셀을 결정(S100)하고, 위크 셀을 결정(S110)하며, 하이-임피던스 셀(S120)을 결정한다.
먼저 SoC 시프트 셀은, 셀(또는 뱅크)들 간 자가방전(self discharge) 차이, 용량 산포, 용량 변동, 셀 이상 등으로 인해 셀(또는 뱅크)의 용량은 비슷한 값을 갖지만, 다른 셀(또는 뱅크)들에 비해 SoC가 더욱 높거나, 또는 더욱 낮은 셀(또는 뱅크)일 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 8의 (a)는 배터리 모듈(10)이 높은 전압 영역에서의 밸런싱되어 있는 때의 전압 값의 그래프를 도시한다. 높은 전압 영역과 낮은 전압 영역 모두에서 배터리 모듈(10)에 포함된 셀(또는 뱅크)의 전압 값이 유사한 값을 갖는다.
도 8의 (b)와 (c)는 SoC 시프트가 존재하는 셀이 있는 때의 전압 값의 그래프를 각각 도시한다. SoC 시프트가 존재하면, 종래의 셀 밸런싱과 같이 최소 전압 셀을 기준으로 밸런싱 동작을 수행할 수 있으며, 셀 밸런싱이 동작하는 전압의 범위도 낮은 전압에서 높은 전압까지 넓게 설정될 수 있다.
다음으로 위크 셀은 셀(또는 뱅크)들 간 열화(aging) 차이, 셀 이상 등으로 인해 다른 셀(또는 뱅크)들에 비해 용량이 더욱 낮은 셀(또는 뱅크)일 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 9의 (a)는 위크 셀이 포함된 배터리 모듈이 높은 전압 영역에서 균등화된 밸런싱 상태를 나타낸다. 도 9의 (a)에서는 낮은 전압 영역과 중간 전압 영역에서는 셀 불균형 상태가 나타나지만, 높은 전압 영역에서의 균등화가 밸런싱의 목표인 경우, 높은 전압 영역에서 균등화되어 밸런싱의 목표가 달성되었으므로 추가적인 셀 밸런싱을 수행할 필요가 없다.
도 9의 (b)와 (c)는 각각 낮은 전압 영역에서 낮은 전압 영역에서 균등화된(bottom balanced) 낮은 전압 영역에서의 밸런싱 상태와 중간 전압 영역에서 균등화된(middle balanced) 중간 전압 영역에서의 밸런싱 상태를 나타낸다. 높은 전압 영역에서의 균등화가 밸런싱의 목표인 경우, 추가적인 셀 밸런싱을 수행하여 도 9의 (a)와 같은 상태에 도달해야 한다.
다음으로 하이-임피던스 셀은 셀(또는 뱅크)들 간의 접속 문제, 열화 차이, 셀 이상 등으로 인해, 다른 셀(또는 뱅크)들에 비해 셀 내부 저항(impedance) 또는 등가 저항이 더욱 높은 셀(또는 뱅크)일 수 있다.
도 10을 참조하면, 도 10의 (a)는 하이-임피던스 셀이 포함된 배터리 모듈이 높은 전압 영역에서 균등화된 높은 전압 영역에서의 밸런싱 상태를 나타낸다. 도 10의 (a)에서는 낮은 전압 영역과 중간 전압 영역에서는 셀 불균형 상태가 나타나지만, 높은 전압 영역에서의 균등화가 밸런싱의 목표인 경우, 높은 전압 영역에서 균등화되어 밸런싱 목표가 달성되었으므로 추가적인 셀 밸런싱을 수행할 필요가 없다.
도 10의 (b)와 (c)는 각각 하이-임피던스 셀의 SoC가 위쪽으로 이동된 경우와, 하이-임피던스 셀의 SoC가 아래쪽으로 이동된 경우를 나타낸다. 높은 전압 영역에서의 균등화가 밸런싱의 목표인 경우, 추가적인 셀 밸런싱을 수행하여 도 10의 (a)와 같은 상태에 도달해야 한다.
다음으로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱의 기준 전압 및 셀 밸런싱의 목표를 설정(S20)한다. 제어 유닛(40)은 비정상 셀의 유무와 비정상 셀의 비정상 유형을 고려하여, 셀 밸런싱의 기준 전압 및 셀 밸런싱의 대상을 설정할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(10) 내에 위크 셀 및 하이-임피던스 셀이 존재하면, 제어 유닛(40)은 위크 셀 및 하이-임피던스 셀이 최소 전압을 갖는 셀이라 하더라도, 위크 셀 및 하이-임피던스 셀을 셀 밸런싱의 기준 셀로 설정하지 않을 수 있다. 이 경우, 제어 유닛(40)은 가상의 기준 셀을 설정하여, 다른 셀들과 가상의 기준 셀 사이의 전압을 비교하여 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
다음으로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 수행(S30)한다. 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱의 대상이 되는 셀의 전압이 밸런싱 회로(120)에 의해 낮아지도록 제어 신호를 생성하여 밸런싱 유닛(20)에 공급할 수 있다.
이러한 배터리 시스템 제어 방법에 대해, 이하의 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 11 내지 13을 참조하여, 제어 유닛(40)이 SoC 시프트 셀을 결정하는 방법에 대해 설명한다.
도 11은 도 7의 SoC 시프트 셀 결정 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이고, 도 12는 배터리 셀의 구간 별 전압 변화를 나타낸 그래프이며, 도 13은 SoC 시프트 셀의 SoC를 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 제어 유닛(40)은 제1 휴지 구간에서 획득된 전압 값에 기초하여 각 셀들의 SoC를 산출(S101)한다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 도 12의 A구간에서의 각 셀들의 SoC를 산출할 수 있다.
다음으로, 제어 유닛(40)은 충전 또는 방전이 수행되는지 판정(S103)한다.
충전 또는 방전이 수행된 것으로 판정되면, 제어 유닛(40)은 제2 휴지 구간에서 획득된 전압 값에 기초하여 각 셀들의 SoC를 산출(S105)한다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 도 12의 C구간에서의 각 셀들의 SoC를 산출할 수 있다.
또는 제어 유닛(40)은 각 셀의 SOC를 실시간으로 예측할 수 있는 경우에는, 단계들(S101, S103, S105)을 수행하지 않고도 각 셀(또는 뱅크)에 대해 일정량 이상의 충전 또는 방전으로 분리된 두 개의 SOC 값을 취득할 수도 있다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 BMU 또는 BMS에서 예측하는 각 셀(또는 뱅크)의 SoC를 사용할 수 있다.
다음으로, 제어 유닛(40)은 단계(S101)에서 산출된 SoC와 단계(S105)에서 산출된 SoC를 사용하여 각 셀의 SoC 편차를 계산(S107)한다. 예를 들어, 도 13을 참조하면, 뱅크들 각각의 SoC 분포가 도시되어 있다.
제어 유닛(40)은 예외적인 SoC를 갖는 뱅크(또는 셀)를 SoC 시프트 셀로 결정(S109)한다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 다른 셀들에 비해 소정 값 더 높은 SoC를 갖는 뱅크(또는 셀)를 SoC가 위로 이동된 SoC 시프트 셀로서 결정하고, 다른 셀들에 비해 소정 값 더 낮은 SoC를 갖는 뱅크(또는 셀)를 SoC가 위로 또는 아래로 이동된 SoC 시프트 셀로서 결정할 수 있다. 즉, 평균적인 셀에 비해 SOC가 두드러지게 높은 셀은 위로 이동(shifted high), SOC가 두드러지게 낮은 셀은 아래도 이동(shifted low)이라고 할 수 있다.
임의의 두 시점에서 측정된 각 셀의 SoC를 사용하여, 어떤 셀의 SoC가 모든 셀의 SoC의 평균값 또는 중간값 등에 비해 소정 값 이상 높으면, 제어 유닛(40)은 해당 셀을 SoC 시프트가 발생한 셀이라고 판정할 수 있다. 예를 들어, 일정량 이상의 충전 또는 방전으로 분리된 두 개의 SoC 데이터(단계(S101)에서 산출된 SoC 및 단계(S105)에서 산출된 SoC)에서, 제어 유닛(40)은 어떤 셀의 SoC가 다른 셀의 SoC보다 소정 값 더 높거나, 또는 소정 값 더 낮으면, 해당 셀을 SoC 시프트가 발생한 셀이라고 판정할 수 있다.
이외에도 제어 유닛(40)은 각 셀의 SoC를 산출할 수 없는 경우, 휴지 구간에서 취득한 OCV를 활용하여 SoC 시프트 셀을 결정할 수 있다. 예를 들어 제어 유닛(40)은 상기의 단계들(S101 내지 S109)에서 SoC를 OCV 값으로 치환하여 ΔOCV 값이 비정상적인 뱅크(또는 셀)를 SoC 시프트 셀이라고 결정할 수 있다.
그리고 제어 유닛(40)은 각 셀의 용량을 산출하고, 이를 사용하여 위크 셀을 결정할 수 있다. 제어 유닛(40)은 적어도 OCV, SoH, 및 SoC 등을 사용하여 셀 뱅크들 각각의 현재 용량을 산출할 수 있으며, 다른 셀들에 비해 소정 용량 값 이상 더 작은 셀을 위크 셀로 결정할 수 있다.
또는, 제어 유닛(40)은 용량을 사용하지 않고 충방전 특성을 사용하여 위크 셀을 결정할 수 있다. 위크 셀은 용량이 작으므로 평균적인 셀(또는 뱅크)에 비해 용량 증감에 대한 전압 변화율이 크다. 충전하는 경우를 예로 들면 위크 셀은 동일한 충전 용량에 대해 전압 증가량이 더 크다. 제어 유닛(40)은 이와 같은 dV/dQ 특성을 사용하여 위크 셀을 판정할 수 있다.
일례로, 위크 셀의 경우 일반적으로 다른 셀에 비해 전압의 변화량(ΔV)이 크므로, 제어 유닛(40)은 ΔQ만큼의 용량 변화에 대해 각 셀 전압의 변화량(ΔV)을 산출하여 위크 셀을 판정할 수 있다.
다른 예로, 위크 셀의 경우 일반적으로 고정된 전압 구간에서 다른 셀에 비해 용량 변화량(ΔQ)이 작으므로, 고정된 전압 구간 [VA, VB](ΔV) 동안, 각 셀 별로 용량 변화량(ΔQ)를 산출하여 위크 셀을 판정할 수 있다.
그리고 제어 유닛(40)은 각 셀의 내부 저항 값을 산출하고, 이를 사용하여 하이-임피던스 셀 및 내부 단락 셀을 결정할 수 있다.
제어 유닛(40)은 휴지 기간과 충/방전 기간 각각에서 각 셀의 전압, 전류, 시간 변화를 측정하고, 용량 변화 등을 산출하여 비정상 셀을 진단할 수 있다. 또한, 모니터링 유닛(30)에 의해 측정된 파라미터와 제어 유닛(40)에 의해 산출된 정보는 통계적 방법(outlier detection) 또는 기계학습(machine learning) 알고리즘에 의해 인식(recognition) 또는 분류(classification)되어, 제어 유닛(40)은 다른 셀에 비해 유의미하게 상이한 파라미터를 갖는 비정상 셀을 검출할 수 있다.
다음으로 도 14 및 15를 참조하여, 셀 밸런싱을 수행하기 위한 기준 전압과 셀 밸런싱의 목표를 설정하는 방법에 대해 설명한다.
도 14는 도 6의 셀 밸런싱 기준 및 목표 설정 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이고, 도 15는 충전 종료 시점에 최소 전압 셀이 비정상 셀인 경우를 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 비정상 셀의 진단이 완료되면, 제어 유닛(40)은 배터리 모듈(10)이 균등화 목표 영역에서 균등화되어 있는지 판단(S200)한다. 여기서 제어 유닛(40)이 높은 전압 영역에서의 밸런싱 여부에 대해 판단하는 것으로 설명하나, 제어 유닛(40)은 어플리케이션 또는 사용 목적에 따라 낮은 전압 영역/중간 전압 영역에서의 밸런싱 여부를 결정할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
배터리 모듈(10)이 높은 전압 영역에서의 균등화 상태로 판단되면, 셀 밸런싱을 수행할 필요가 없으므로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 종료한다.
제어 유닛(40)은 배터리 모듈(10) 내에 비정상 셀이 있는지를 판단(S210)한다.
제어 유닛(40)은 배터리 모듈(10) 내에 비정상 셀이 있는 것으로 판단된 경우, 기준 셀이 있는지 판단(S220)한다. 기준 셀은 셀 밸런싱의 기준이 되는 셀로서, 다른 셀의 전압 또는 SoC가 기준 셀의 전압 또는 SoC와 동일/유사해지도록 밸런싱이 수행될 수 있다.
제어 유닛(40)은 배터리 모듈(10) 내에 비정상 셀이 없는 것으로 판단된 경우와, 배터리 모듈(10) 내에 비정상 셀이 있으나, 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 최소 전압을 가지는 셀이 비정상 셀, 즉 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나가 아닌 경우, 최소 전압 셀을 기준 셀로 결정(S230)한다.
제어 유닛(40)은 기준 셀이 없는 것으로 판단된 경우, 가상의 셀을 기준 셀로 결정(S240)한다. 높은 전압 영역에서의 균등화를 목표로 한다면, 가상의 셀은 다음과 같이 산출될 수 있다.
먼저, 제어 유닛(40)은 충전 종료(cut-off) 시점에 기준 셀을 위한 예비 예비 셀 인덱스(reserved cell index)(r)를 설정한다. 제어 유닛(40)은 셀 인덱스를 설정할 때 단계(S10)에서 획득 비정상 셀의 비정상 유형 정보를 사용한다.
예를 들어, 배터리 모듈(10) 내에 SoC 시프트 셀만 존재하는 경우, 제어 유닛(40)은 충전 종료 시점에 최소 전압을 가지는 셀의 인덱스를 예비 셀 인덱스(r)로 설정한다. 이 경우
Figure 112020015436162-pat00014
이 되고, 여기서,
Figure 112020015436162-pat00015
은 상기 예비 셀(예를 들어, 최소 전압 셀)의 SoC이며,
Figure 112020015436162-pat00016
는 균등화 목표 셀(이 예에서는 최소 전압 셀)의 SoC이고,
Figure 112020015436162-pat00017
은 최소 전압 셀의 SoC이다. 또한,
Figure 112020015436162-pat00018
이 되며, 여기서,
Figure 112020015436162-pat00019
는 가상 기준 셀의 ΔV이다. 정리하면,
Figure 112020015436162-pat00020
이다.
즉, 배터리 모듈(10) 내에 SoC 시프트 셀만 존재하는 경우, 제어 유닛(40)은 충전 종료 시점에 최소 전압을 가지는 셀의 전압을 기준으로 셀 밸런싱을 수행한다.
다른 예로, 도 15와 같이, 배터리 모듈(10) 내에 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나가 존재하는 경우, 가상 기준 셀을 결정하는 방법에 대해 설명한다.
제어 유닛(40)은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀을 제외한 셀들 중 최소 전압인 셀의 인덱스로 예비 셀 인덱스를 설정할 수 있다. 그리고, 높은 전압 영역에서의 균등화 상태가 될 수 있도록, 가상 기준 셀 전압(
Figure 112020015436162-pat00021
)은 다음의 수학식 1 내지 3을 사용하여 계산될 수 있다.
Figure 112020015436162-pat00022
Figure 112020015436162-pat00023
Figure 112020015436162-pat00024
또한, 배터리 모듈(10) 내에 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나가 존재하더라도 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 최소 전압을 가지는 셀이 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나에 해당하지 않는 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 최소 전압 셀이 기준 셀이 된다. 이 경우, 가상 기준 셀 전압(
Figure 112020015436162-pat00025
)은 하기의 수학식 4 내지 6와 같이 r번째 셀(즉, 균등화 목표 영역에서 최소 전압을 가지는 셀)의 셀 전압으로 설정될 수 있다.
Figure 112020015436162-pat00026
Figure 112020015436162-pat00027
Figure 112020015436162-pat00028
그러나 도 15와 같이 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 최소 전압을 가지는 셀이 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나인 경우, 최소 전압을 가지는 셀을 기준 셀로 결정하면 무효한 셀 밸런싱이 발생할 수 있으므로, 이를 제외한 셀들 중 최소 전압인 셀의 인덱스로 예비 셀 인덱스(r)를 설정할 수 있다. 이때
Figure 112020015436162-pat00029
는 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 예비 셀과 최소 전압 셀의 SoC 차이를 의미한다. 셀 밸런싱을 위한 가상의 기준 셀의 SOC는 예비 셀(r)의 SOC를
Figure 112020015436162-pat00030
만큼 아래로 시프트시킨 것이며 가상의 기준 셀의 전압(
Figure 112020015436162-pat00031
)은 예비 셀(r)의 전압을
Figure 112020015436162-pat00032
에 해당하는 전압(
Figure 112020015436162-pat00033
)만큼 아래로 시프트시킨 것이다. 이러한 가상 기준 셀 전압은 도 15의 (a) 및 (b)에서 점선으로 도시되어 있다.
상기의 수학식 1에서,
Figure 112020015436162-pat00034
는 충전 종료 시의 예비 셀과 최소 전압 셀의 SoC 차이를 의미한다.
다음으로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱 대상 셀을 결정(S250)한다. 셀 밸런싱 대상 셀은 셀 밸런싱을 수행해야 하는 셀을 의미한다. 제어 유닛(40)은 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 기준 셀 전압 기준으로 균등화되어 있지 않은 셀을 셀 밸런싱 대상으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 어느 셀의 전압이 기준 셀 전압보다 소정 전압 이상의 전압을 가지면, 해당 셀을 밸런싱되어 있지 않은 셀이라고 결정하며, 셀 밸런싱 대상으로 결정할 수 있다.
다음으로 도 16 내지 도 18을 참조하여, 셀 밸런싱 동작에 대해 구체적으로 설명한다.
도 16은 도 6의 셀 밸런싱 수행 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이고, 도 17은 셀 밸런싱이 수행되는 때의 가상 기준 셀의 전압을 보상하는 경우를 도시한 그래프이며, 도 18은 셀 밸런싱이 수행되는 때 계산된 기준 셀 전압의 일례를 도시한 그래프이다.
도 16을 참조하면, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 시작할 수 있는 조건을 만족하는지 결정(S300)한다. 예를 들어, 셀 밸런싱을 시작할 수 있는 전압(또는 SoC)/전류/온도 조건을 만족하고, 균등화 목표 영역에서의 밸런싱 상태가 아니고, 고장 상태가 아닐 때 셀 밸런싱이 시작될 수 있다.
그러면, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱 시작을 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 밸런싱 유닛(20)은 제어 신호에 의해 셀 밸런싱을 수행(S310)한다. 셀 밸런싱은 충전 또는 휴지 기간에서 수행될 수 있다.
제어 유닛(40)은 가상의 기준 셀 전압을 구할 때 사용되는 예비 셀의 전압이 셀 밸런싱에 의해 감소하면, 이를 고려하여 가상 기준 셀 전압을 보상(S320)한다.
예비 셀도 가상의 기준 셀의 전압(또는 SOC) 차이(
Figure 112020015436162-pat00035
)에 의해 셀 밸런싱의 대상이 될 수 있다. 그리고 예비 셀에 대해 셀 밸런싱이 수행되면, 가상의 기준 셀 전압을 구하는 식(
Figure 112020015436162-pat00036
)에서
Figure 112020015436162-pat00037
이 셀 밸런싱이 수행된 만큼(
Figure 112020015436162-pat00038
) 전압이 감소하므로 이를 보상할 필요가 있다. 따라서 균등화 목표 지점에서 예비 셀과 최소 전압 셀의 SOC 차이에 해당하는
Figure 112020015436162-pat00039
에서 셀 밸런싱에 의한 예비 셀의 SOC 변화량을 차감할 필요가 있다.
예비 셀에 대해 셀 밸런싱을 수행하는 경우,
Figure 112020015436162-pat00040
에 대한 보상은 다음의 수학식 7 내지 9로 표현할 수 있다.
Figure 112020015436162-pat00041
Figure 112020015436162-pat00042
Figure 112020015436162-pat00043
여기서
Figure 112020015436162-pat00044
는 밸런싱 전류이고
Figure 112020015436162-pat00045
는 셀 밸런싱이 동작한 시간,
Figure 112020015436162-pat00046
는 셀 밸런싱 듀티비,
Figure 112020015436162-pat00047
은 예비 셀(r)의 용량이다. 상기의 수학식 2에 의해
Figure 112020015436162-pat00048
와
Figure 112020015436162-pat00049
가 일정 시간마다(예를 들어, 1분 간격마다) 갱신될 수 있다.
관련하여, 도 17에 도시된 바와 같이, 예비 셀이 셀 밸런싱의 대상이 되는 경우 보상되지 않은 가상 기준 셀의 전압은 균등화 목표 영역(도 17에서는 충전 종료 시점)에서 최소 전압을 갖는 셀의 전압보다 낮아질 수 있으므로 과도하게 셀 밸런싱되는 오류가 발생할 수 있다. 따라서 예비 셀이 셀 밸런싱의 대상이 되는 경우 가상 기준 셀의 전압을 보상해야 한다.
가상의 기준 셀 전압(
Figure 112020015436162-pat00050
)을 구하기 위해서는
Figure 112020015436162-pat00051
에 해당하는 전압(
Figure 112020015436162-pat00052
)을
Figure 112020015436162-pat00053
에서 차감해야 한다.
균등화 목표 지점에서 가상의 기준 셀과 예비 셀의 SOC 차이를 의미하는
Figure 112020015436162-pat00054
는 다음과 같이 근사 될 수 있다.
예를 들어 충전 cut-off 시점에서 균등화를 목표로 한다면 휴지 구간에서 가상 기준 셀 전압은 수학식 10 및 11과 같이 근사될 수 있다.
Figure 112020015436162-pat00055
Figure 112020015436162-pat00056
와 같이 근사될 수 있다. (휴지 구간에서 예비 셀의 전압을 SoC로 변환하고 이 값에서 균등화 목표지점에서 구한 또는 근사한 가상의 기준 셀과 예비 셀의 차이를 뺀 값, 즉 가상의 기준 셀의 SoC를 구하고 이를 다시 OCV로 변환한 값으로 가상의 기준 셀의 전압을 근사 할 수 있다)
휴지 구간에서 예비 셀이 셀 밸런싱의 대상이 되는 경우 가상 기준 셀 전압을 보상하기 위한
Figure 112020015436162-pat00057
는 앞에서 설명한 것과 같이 주기적으로 계산되어 보상에 반영할 수 있다. 이를 고려하면 휴지 구간에서의 가상의 기준 셀 전압은
Figure 112020015436162-pat00058
과 같이 근사된다. 전 구간에서는
Figure 112020015436162-pat00059
,
Figure 112020015436162-pat00060
에서
Figure 112020015436162-pat00061
를 전압으로 변환해야 하는데, 휴지 구간과 달리 SoC-OCV 관계를 이용하여 근사할 수 없기 때문에 충전 시 예비 셀의 SOC가 소정 비율만큼 증가할 때의 전압 증가량으로부터 1% ΔSOC 증가에 대한 ΔV를 구하고, 이를
Figure 112020015436162-pat00062
에 곱하여
Figure 112020015436162-pat00063
를 근사할 수 있다. 즉
Figure 112020015436162-pat00064
로 근사한 값을 이용하여 가상 기준 셀의 전압을 근사한다 충전 구간에서의 가상 기준 셀의 전압(
Figure 112020015436162-pat00065
)은 이전의 SoC의 소정 비율 증가분에 대응하는 전압을 계산하여 현재의 가상 기준 셀의 전압(
Figure 112020015436162-pat00066
) 계산에 사용하므로, 도 18에서 도시된 바와 같이, 불연속적일 수 있다.
다음으로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 종료할 수 있는 조건을 만족하는지 결정(S330)한다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 종료할 수 있는 전압(또는 SoC)/전류/온도 조건을 만족하거나, 높은 전압 영역에서의 밸런싱 상태를 만족하거나, 고장 상태가 되었을 때 셀 밸런싱을 종료할 수 있다.
실시예들에 따르면, 무효한 셀 밸런싱을 방지하고, 균등화 목표 영역에서 밸런싱된(예를 들어, top-balanced) 배터리 시스템을 제공하여, 부하에 전달하는 배터리 용량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
여기에 설명된 본 발명의 실시예들에 따른 전자 또는 전기 장치 및/또는 임의의 다른 관련 장치 또는 구성 요소는 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 통합 회로(ASIC: application-specific integrated circuit)), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어, 및 하드웨어의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 통합 회로(IC) 칩 상에 또는 개별 IC 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름(flexible printed circuit film), 테이프 캐리어 패키지(TCP: tape carrier package), 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 여기서 기재된 전기적 연결 또는 상호 연결은, 예를 들어 PCB 상에서 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상에서, 배선들 또는 전도성 소자들에 의해 구현된다. 전도성 소자들은 예를 들어 표면 금속화(surface metallizations)와 같은 금속화, 및/또는 핀(pin) 및/또는 전도성 중합체 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 또한, 전기 에너지는 무선 접속을 통해, 예를 들어 전자기 방사 및/또는 빛을 사용하여 전송될 수 있다.
또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 여기에 설명된 다양한 기능을 수행하기 위해 하나 이상의 프로세서 상에서 실행되고, 하나 이상의 컴퓨팅 장치 내에서 실행되며, 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하고 다른 시스템 구성 요소와 상호 작용하는 프로세스 또는 스레드일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory)와 같은, 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어 CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다.
또한, 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 단일 컴퓨팅 장치에 결합되거나 또는 통합될 수 있거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이 본 발명의 예시적인 실시예들의 범위를 벗어나지 않으면서 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치에 걸쳐 분산될 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (20)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 파라미터를 모니터링하는 모니터링 유닛, 그리고
    상기 파라미터를 사용하여 상기 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하고, 상기 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는 것으로 결정되면, 상기 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 기준 전압을 계산하고 균등화 목표 영역으로의 셀 밸런싱을 수행하도록 제어하는 제어 유닛
    을 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 비정상 셀 이외의 최소 전압 셀을 예비 셀로 결정하고, 상기 균등화 목표 영역에서의 상기 예비 셀과 상기 비정상 셀 사이의 SoC 차이를 사용하여 상기 기준 전압을 계산하는,
    배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비정상 배터리 셀은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나인,
    배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 균등화 목표 영역은 톱-밸런싱(top-balancing) 영역, 미드-밸런싱(mid-balancing) 영역, 바텀-밸런싱(bottom-balancing) 영역 중 어느 하나인,
    배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 임의의 두 시점에서 산출된 충전 상태(SoC: state of charge)를 사용하여, 상기 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는,
    배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 충전 또는 방전 이전의 휴지 기간에서 측정된 전압(OCV: open circuit voltage)와 상기 충전 또는 상기 방전 이후의 휴지 기간에서 측정된 OCV를 비교하여, 상기 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는,
    배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 파라미터를 사용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 용량을 산출하고, 상기 용량들을 비교하여 상기 배터리 모듈 내에 위크 셀이 있는지 결정하는,
    배터리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 파라미터를 사용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 저항 값을 산출하고, 상기 저항 값들을 비교하여 상기 배터리 모듈 내에 하이-임피던스 셀이 있는지 결정하는,
    배터리 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 수학식,
    Figure 112021086933781-pat00067
    ,
    Figure 112021086933781-pat00068
    ,
    Figure 112021086933781-pat00069

    을 사용하여 상기 기준 전압을 계산하고,
    Figure 112021086933781-pat00070
    은 상기 예비 셀의 SoC이며,
    Figure 112021086933781-pat00071
    은 균등화 목표 영역에서의 최소 전압 셀의 SoC이고,
    Figure 112021086933781-pat00072
    은 예비 셀의 전압이며,
    Figure 112021086933781-pat00073
    는 상기 기준 전압인,
    배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 셀 밸런싱이 수행된 시간에 따라 상기 기준 전압을 보상하는,
    배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 수학식,
    Figure 112020015436162-pat00074
    ,
    Figure 112020015436162-pat00075
    ,
    을 사용하여 상기 기준 전압을 보상하고,
    Figure 112020015436162-pat00076
    는 밸런싱 전류이고
    Figure 112020015436162-pat00077
    는 상기 셀 밸런싱이 수행된 시간이며,
    Figure 112020015436162-pat00078
    는 상기 셀 밸런싱의 듀티비이고,
    Figure 112020015436162-pat00079
    은 상기 배터리 모듈 내에 포함된 예비 셀의 용량이며, K는 상수인,
    배터리 시스템.
  12. 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 파라미터를 모니터링하는 단계,
    상기 파라미터를 사용하여 상기 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계,
    상기 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는 것으로 결정되면, 상기 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 기준 전압을 계산하는 단계, 그리고
    상기 기준 전압을 사용하여 균등화 목표 영역으로의 셀 밸런싱을 수행하는 단계
    를 포함하고,
    상기 기준 전압을 계산하는 단계는,
    상기 복수의 배터리 셀 중 상기 비정상 셀 이외의 최소 전압 셀을 예비 셀로 결정하는 단계, 그리고
    상기 균등화 목표 영역에서의 상기 예비 셀과 상기 비정상 셀 사이의 SoC 차이를 사용하여 상기 기준 전압을 계산하는 단계를 포함하는,
    배터리 시스템 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는,
    임의의 두 시점에서 산출된 충전 상태(SoC: state of charge)사용하여, 상기 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함하는,
    배터리 시스템 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는,
    충전 또는 방전 이전의 휴지 기간에서 측정된 전압(OCV: open circuit voltage)와 상기 충전 또는 상기 방전 이후의 휴지 기간에서 측정된 OCV를 비교하여, 상기 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함하는,
    배터리 시스템 제어 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는,
    상기 파라미터를 사용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 용량을 산출하는 단계, 그리고
    상기 용량들을 비교하여 상기 배터리 모듈 내에 위크 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함하는,
    배터리 시스템 제어 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는,
    상기 파라미터를 사용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 저항 값을 산출하는 단계, 그리고
    상기 저항 값들을 비교하여 상기 배터리 모듈 내에 하이-임피던스 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함하는,
    배터리 시스템 제어 방법.
  17. 삭제
  18. 제12항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱이 수행된 시간에 따라 상기 기준 전압을 보상하는 단계를 더 포함하는 배터리 시스템 제어 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 비정상 배터리 셀은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나인,
    배터리 시스템 제어 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 균등화 목표 영역은 톱-밸런싱(top-balancing) 영역, 미드-밸런싱(mid-balancing) 영역, 바텀-밸런싱(bottom-balancing) 영역 중 어느 하나인,
    배터리 시스템 제어 방법.
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