KR102431801B1 - Soc 인덱스를 이용한 배터리 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

Soc 인덱스를 이용한 배터리 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102431801B1
KR102431801B1 KR1020220035877A KR20220035877A KR102431801B1 KR 102431801 B1 KR102431801 B1 KR 102431801B1 KR 1020220035877 A KR1020220035877 A KR 1020220035877A KR 20220035877 A KR20220035877 A KR 20220035877A KR 102431801 B1 KR102431801 B1 KR 102431801B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
soc
battery
balancing
index
target cell
Prior art date
Application number
KR1020220035877A
Other languages
English (en)
Inventor
이중휘
Original Assignee
주식회사 크레스트
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 크레스트 filed Critical 주식회사 크레스트
Priority to KR1020220035877A priority Critical patent/KR102431801B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102431801B1 publication Critical patent/KR102431801B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16566—Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/30—Measuring the maximum or the minimum value of current or voltage reached in a time interval
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 각 배터리 셀에 부여된 SOC 인덱스에 기반한 목표 셀을 선정하여 밸런싱을 실행함으로써, SOC 값 산출을 위한 복잡한 연산 과정 없이 밸런싱 속도를 개선할 수 있는 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는, 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀들의 SOC에 기반한 배터리 밸런싱 장치로서, 배터리 셀들의 단자전압 및 충방전 전류를 측정하는 배터리 상태 측정부, 상기 배터리 팩의 전체 전압을 직렬 배열된 배터리 셀들의 개수로 나눈 셀 전압 평균값과, 직렬스트링의 전류값을 이용하여 복수의 배터리 셀들의 SOC 값들의 평균을 산출하는 평균 SOC 산출부, 상기 배터리 셀들 각각에 SOC 인덱스를 설정하고, 상기 SOC 인덱스에 기반하여 밸런싱을 실행할 목표 셀을 선정하는 목표 셀 선정부, 상기 목표 셀 선정부에서 선정한 목표 셀에 대해 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 단자전압 및 충방전 전류를 기반으로 해당 목표 셀의 SOC 값을 산정하는 SOC 추정부, 및 상기 목표 셀의 SOC 값이 상기 평균 SOC 산출부에서 산출한 SOC 값들의 평균과 대비하여, 미리 설정된 범위를 이탈하면, 상기 목표 셀에 대한 밸런싱을 실행하는 밸런싱부를 포함한다.

Description

SOC 인덱스를 이용한 배터리 밸런싱 장치 및 방법 {BATTERY BALANCING APPARATUS AND METHOD USING SOC INDEX}
본 발명은 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 각 배터리 셀에 부여된 SOC 인덱스에 기반한 목표 셀을 선정하여 밸런싱을 실행함으로써, 셀 SOC 산출을 위한 복잡한 연산 과정을 효율화 하면서도 효과적인 셀 밸런싱이 수행될 수 있도록 하는 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
복수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 모듈 또는 배터리 팩에 대하여 배터리 셀 간의 충전량 차이가 발생한 경우 이를 균등하게 하기 위한 회로를 밸런싱 회로라 하며 크게 패시브 방식과 액티브 방식으로 구분된다.
여기서, 충전량 차이가 발생한 셀을 저항을 통하여 방전시켜 균등화를 달성하는 방식을 패시브 밸런싱이라고 하며, 충전량 차이가 발생한 셀의 에너지를 다른 셀로 혹은 그 반대방향으로 서로 이동시키는 형태로 균등화를 달성화는 방식을 액티브 밸런싱이라고 한다.
리튬 배터리가 전기차나 ESS 등 대용량 고출력의 용도로 응용됨에 따라 셀 용량이 점차 커지고 있으며, 리튬 배터리에 대한 장수명 요구도 지속적으로 높아지고 있다. 이러한 상황에서 배터리 팩에 대한 밸런싱 장치, 그 중에서도 액티브 밸런싱 장치는 배터리 시스템의 필수적인 요소가 되고 있다.
현재 배터리 팩의 셀 밸런싱은 대부분 각 셀의 전압을 기준으로 이루어지고 있으나, 이 경우 대전류가 흐르는 구간에서는 밸런싱 목표 셀에 대한 오류가 발생할 수 있으며, 배터리 전압이 안정화 된 구간에서만 밸런싱 하는 것은 시간적으로 한계가 있어 효율적이지 못한 것이 현재 실정이다.
밸런싱을 셀 SOC 기반으로 실시하고자 한다면 기본적으로 모든 셀의 SOC를 추정해 내야 한다. 그러나 주어진 시간 내에 많은 셀의 SOC를 산정하려면 상당히 복잡하면서 고가의 하드웨어가 필요하게 되어 자원적인 측면에서 매우 비효율적이다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배터리 팩 내 각 배터리 셀의 SOC에 기반하되 최대한 효율적으로 셀 SOC를 산정하여 밸런싱을 실행할 수 있는 배터리 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 배터리 팩 전체에 대한 충방전 진행 중에도 배터리 팩 내 각 배터리 셀에 대한 밸런싱을 실행할 수 있는 배터리 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는, 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀들의 SOC에 기반한 배터리 밸런싱 장치로서, 배터리 셀들의 단자전압 및 충방전 전류를 측정하는 배터리 상태 측정부, 상기 배터리 팩의 전체 전압을 직렬 배열된 배터리 셀들의 개수로 나눈 셀 전압 평균값과, 직렬스트링의 전류값을 이용하여 복수의 배터리 셀들의 SOC 값들의 평균을 산출하는 평균 SOC 산출부, 상기 배터리 셀들 각각에 SOC 인덱스를 설정하고, 상기 SOC 인덱스에 기반하여 밸런싱을 실행할 목표 셀을 선정하는 목표 셀 선정부, 상기 목표 셀 선정부에서 선정한 목표 셀에 대해 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 단자전압 및 충방전 전류를 기반으로 해당 목표 셀의 SOC 값을 산정하는 SOC 추정부, 및 상기 목표 셀의 SOC 값이 상기 평균 SOC 산출부에서 산출한 SOC 값들의 평균과 대비하여, 미리 설정된 범위를 이탈하면, 상기 목표 셀에 대한 밸런싱을 실행하는 밸런싱부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 목표 셀 선정부는, 상기 배터리 셀들에 대해 밸런싱이 실행 중인 상태면, 상기 배터리 셀들의 이전 차수의 SOC 인덱스를 현재의 SOC 인덱스로 결정하며, 밸런싱이 실행 중인 상태가 아니면, 상기 배터리 셀들의 전압 인덱스를 SOC 인덱스로 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 목표 셀 선정부는, 상기 배터리 팩의 배터리 안정화 상태에서 측정된 전압에 기반한 전압 인덱스를 초기 SOC 인덱스로 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 SOC 추정부는, 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 전류 값에서 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하여 목표 셀의 SOC 값을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 목표 셀 선정부는, 상기 배터리 셀들 중 제N 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제N+1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀들로 선정하며, 상기 밸런싱부는, 상기 제N 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행한 후, 순차적으로 상기 제N+1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 목표 셀 선정부는, 상기 제N 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 완료되는 시점에, 제N+2 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀로 선정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 목표 셀 선정부는, 상기 배터리 셀들 중 제N 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제N+1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀들로 선정하며, 상기 밸런싱부는, 상기 제N 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행한 후, 순차적으로 상기 제N+1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 목표 셀 선정부는, 상기 제N 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 완료되는 시점에, 제N+2 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀로 선정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 목표 셀 선정부에서 선정한 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀 중, 평균 SOC 값과 더 큰 편차가 발생하는 SOC 값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 밸런싱을 실행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법은, 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀들의 SOC에 기반한 배터리 밸런싱 방법으로서, (a) 배터리 셀들의 단자전압 및 충방전 전류를 배터리 상태 측정부에서 측정하는 단계, (b) 상기 배터리 팩의 전체 전압을 직렬 배열된 배터리 셀들의 개수로 나눈 셀 전압 평균값과, 직렬스트링의 전류값을 이용하여 복수의 배터리 셀들의 SOC 값들의 평균을 평균 SOC 산출부에서 산출하는 단계, (c) 상기 배터리 셀들 각각에 SOC 인덱스를 설정하고, 상기 SOC 인덱스에 기반하여 밸런싱을 실행할 목표 셀을 목표 셀 선정부에서 선정하는 단계, (d) 상기 목표 셀 선정부에서 선정한 목표 셀에 대해 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 단자전압 및 충방전 전류를 기반으로 해당 목표 셀의 SOC 값을 SOC 추정부에서 산정하는 단계, 및 (e) 상기 목표 셀의 SOC 값이 상기 평균 SOC 산출부에서 산출한 평균 SOC 값과 대비하여, 미리 설정된 범위를 이탈하면, 밸런싱부에서 상기 목표 셀에 대한 밸런싱을 실행하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 (c) 단계는, 상기 배터리 셀들에 대해 밸런싱이 실행 중인 상태면, 상기 배터리 셀들의 이전 차수의 SOC 인덱스를 현재의 SOC 인덱스로 결정하며, 밸런싱이 실행 중인 상태가 아니면, 상기 배터리 셀들의 전압 인덱스를 SOC 인덱스로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (c) 단계는, 상기 배터리 팩의 배터리 안정화 상태에서 측정된 전압에 기반한 전압 인덱스를 초기 SOC 인덱스로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (d) 단계는, 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 전류 값에서 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하여 목표 셀의 SOC 값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (e) 단계는, 상기 목표 셀 선정부에서 선정한 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀 중, 평균 SOC 값과 더 큰 편차가 발생하는 SOC 값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 밸런싱을 실행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 밸런싱 장치 및 방법은, 배터리 셀의 SOC에 기반하여 각 셀에 대해 SOC 인덱스를 부여하고, SOC 인덱스로부터 셀 밸런싱을 실행할 목표 셀을 우선적으로 선정하여, 순차적으로 목표 셀에 대한 밸런싱을 실행함으로써, 전체 배터리 시스템 내부의 모든 셀에 대한 SOC를 추적하지 않으면서도, 밸런싱을 적절히 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 밸런싱 장치 및 방법은, 각 배터리 셀에 대한 SOC 인덱스 또는 전압 인덱스를 이용하여 배터리 팩 전체에 대한 충방전 진행 중에도 각 셀에 대한 밸런싱을 실행할 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치를 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 칼만 필터가 적용된 배터리 모델로서 1차 등가회로를 도시한다.
도 4는 목표 셀 선정부의 목표 셀 선정 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 배터리 셀에 대한 밸런싱 실행의 순서도이다.
도 6은 시뮬레이션 결과 각 시점에서 선정된 목표 셀의 SOC 인덱스와 밸런싱 상태 플래그를 나타낸다.
도 7 및 8은 시뮬레이션 과정에서 15개 셀의 실제 SOC와 단자전압을 도시하는 도면이다.
도 9는 SOCmin 값을 갖는 배터리 셀의 실제 SOC와 추정 SOC를 나타낸 그래프이다.
도 10은 SOCmax1, SOCmin1, SOCmin2를 갖는 목표 셀들과 SOCavg에 대한 SOC 추정 오차를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실제 각각의 배터리 셀의 SOC 편차를 평균 SOC 대비값으로 나타낸 그래프이다.
도 12는 배터리 셀 SOC의 최대 편차를 나타낸 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치를 도시하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 배터리 밸런싱 장치(100)는 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀들의 SOC에 기반한 배터리 밸런싱 장치로서, 배터리 상태 측정부(110), 평균 SOC 산출부(120), 목표 셀 선정부(130), SOC 추정부(140) 및 밸런싱부(150)를 포함한다.
배터리 상태 측정부(110)는 배터리 셀들의 단자전압 및 충방전 전류를 측정한다. 배터리 상태 측정부(110)는 종래 배터리 팩에 구비된 전압 및 전류 측정부로 대체할 수 있다.
평균 SOC 산출부(120)는 배터리 팩의 전체 전압을 직렬 배열된 배터리 셀들의 개수로 나눈 셀 전압 평균값과, 직렬스트링의 전류값을 이용하여 배터리 팩의 평균 SOC를 산출한다. 배터리 팩의 양단의 전압을 배터리 상태 측정부(110)에서 측정하여 배터리 팩의 전체 전압이 산출될 수 있다. 또한, 배터리 셀들이 직렬로 연결된 배터리 팩의 직렬스트링에서 각각의 배터리 셀들에는 같은 크기의 전류가 흐르며, 배터리 상태 측정부(110)에서 전류값을 측정할 수 있다.
목표 셀 선정부(130)는 배터리 셀들 각각의 개방회로전압과 밸런싱 상태에 따라 목표 셀을 선정하고, 목표 셀들의 일련번호를 SOC 인덱스로 설정한다.
SOC 추정부(140)는 목표 셀 선정부(130)에서 선정한 목표 셀에 대해 배터리 상태 측정부(110)에서 측정한 단자전압 및 충방전 전류를 기반으로 해당 목표 셀의 SOC 값을 추정한다. SOC 추정부(140)는 듀얼 확장 칼만필터를 이용할 수 있으며, 이에 따라 목표 셀들의 상태 변수와 배터리 모델의 파라미터를 추정하고, SOC 값을 산정하는 동시에 전류 오프셋을 보정할 수 있다.
밸런싱부(150)는 목표 셀의 SOC 값이 평균 SOC 산출부(120)에서 산출한 SOC 값들의 평균과 대비하여, 미리 설정된 범위를 이탈하면, 상기 목표 셀에 대한 밸런싱을 실행한다. 밸런싱부(150)는 밸런싱 알고리즘과 밸런싱 하드웨어로 구성될 수 있다. 일 예로써 밸런싱 하드웨어는 한번에 하나의 셀을 충전할 수 있는 형태의 회로를 적용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제어부(160)는 각 구성요소들의 동작을 제어하며, 특정 입력 값에 대한 피드백 제어를 할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법을 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 배터리 밸런싱 방법은 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀들의 SOC에 기반한 배터리 밸런싱 방법으로서, 우선, 배터리 상태 측정부(110)에서 배터리 셀들의 단자전압 및 충방전 전류를 측정한다(S100).
평균 SOC 산출부(120)는 배터리 팩의 전체 전압을 직렬 배열된 배터리 셀들의 개수로 나눈 셀 전압 평균값과, 직렬스트링의 전류값을 이용하여 복수의 배터리 셀들의 평균 SOC 값을 산출한다(S200).
계속하여, 목표 셀 선정부(130)는 배터리 셀들 각각의 개방회로전압과 밸런싱 상태에 따라 목표 셀을 선정하고, 목표 셀들의 일련번호를 SOC 인덱스로 설정한다(S300).
일 실시예에서, 목표 셀 선정부(130)는, 배터리 셀들 중 SOC가 가장 낮은 배터리 셀, 즉, 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과, SOC가 두번째로 낮은 배터리 셀, 즉, 제2 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 밸런싱을 실행할 목표 셀로 선정할 수 있다. 목표 셀의 SOC 값이 평균 SOC 값과 대비하여, 미리 설정된 범위를 이탈하면, 밸런싱부(150)는 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀의 SOC 값이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행한 후, 순차적으로 제2 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀의 SOC 값이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행한다.
이하에서는, 배터리 셀들 중 SOC가 N번째로 낮은 것으로 추정되는 배터리 셀에 대해서는 제N 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀로 지칭한다. 여기서, N은 1 이상의 자연수이다. 마찬가지로, 배터리 셀들 중 SOC가 N번째로 높은 것으로 추정되는 배터리 셀에 대해서는 제N 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀로 지칭한다. 여기서, N은 1 이상의 자연수이다.
목표 셀 선정부(130)는 초기에 배터리 셀의 단자전압을 기준으로 목표 셀 후보를 선정할 수 있다. 전류가 없는 상태에서 일정기간이 유지되면 배터리 셀의 단자전압은 개방회로전압(Open Circuit Voltage, OCV)에 근접하며, 이를 배터리 안정화 상태라 한다. 개방회로전압이 높으면 SOC도 높으므로, 개방회로전압에 따라 목표 셀 후보를 선정할 수 있다. 전류가 영(zero)인 상태와 안정화 시간은 배터리의 종류 또는 사용하는 전류패턴에 따라 변경될 수 있다.
계속하여 도 2를 참조하면, SOC 추정부(140)는 목표 셀 선정부(130)에서 선정한 목표 셀에 대해 배터리 상태 측정부(110)에서 측정한 단자전압 및 충방전 전류를 기반으로 해당 목표 셀의 SOC 값을 추정한다(S400).
이어서, 밸런싱부(150)는 목표 셀의 SOC 값이 평균 SOC 산출부(120)에서 산출한 SOC 값들의 평균과 대비하여, 미리 설정된 범위를 이탈하면, 상기 목표 셀에 대한 밸런싱을 실행한다(S500).
도 3은 칼만 필터가 적용된 배터리 모델로서 1차 등가회로를 도시한다.
도 3을 참고하면, 전압원, 저항 및 커패시터를 이용하여 1차 등가회로가 구성된다. 다른 실시예에서, 배터리 모델은 2차 등가회로로 구성될 수 있다.
하기 수학식 1, 2는 SOC 추정을 위해 듀얼 확장 칼만 필터에 적용된 배터리모델의 상태방정식을 나타낸다. 칼만 필터는 주어진 입력전류에 대한 배터리 단자전압과 SOC 값을 산정한다.
Figure 112022031227812-pat00001
여기서,
Figure 112022031227812-pat00002
는 배터리 셀의 SOC 추정값, uk는 배터리 셀의 충방전 전류,
Figure 112022031227812-pat00003
는 배터리 모델의 내부 커패시터의 전압강하 추정값을 의미한다. 또한,
Figure 112022031227812-pat00004
는 칼만 필터에 의해 오차가 보정된 이전 차수의 배터리 셀의 SOC 추정값,
Figure 112022031227812-pat00005
는 칼만 필터에 의해 오차가 보정된 이전 차수의 배터리 모델의 내부 커패시터의 전압강하 추정값을 나타낸다. 또 Q0는 배터리의 용량(Capacity)을 나타내며, α1과 β1는 각각
Figure 112022031227812-pat00006
이고,
Figure 112022031227812-pat00007
이다.
한편, 배터리 셀의 단자전압의 추정값
Figure 112022031227812-pat00008
는 수학식 2와 같이 나타난다.
Figure 112022031227812-pat00009
여기서,
Figure 112022031227812-pat00010
는 배터리 셀의 개방회로전압(Open Circuit Voltage; OCV)으로
Figure 112022031227812-pat00011
이다.
배터리 셀의 개방회로전압은 SOC와 특정한 관계에 있으며 SOC의 함수로 표현되므로, 수학식 1에서 SOC 대신 개방회로전압을 직접 상태변수로 적용할 수도 있다.
칼만 필터는 출력변수의 실제 값과 추정 값의 차이에 칼만 게인(Gain)을 곱한 값을 상태변수의 추정 값에 더하여 오차를 보상한다. 본 발명의 일 예로써, 수학식 3과 같이, 배터리 셀의 단자전압의 실제 값과 추정 값의 차이에 칼만 게인을 곱한 값을 상태변수의 추정 값에 더하여 오차를 보상할 수 있다.
Figure 112022031227812-pat00012
여기서,
Figure 112022031227812-pat00013
,
Figure 112022031227812-pat00014
이고,
Figure 112022031227812-pat00015
는 측정된 배터리 셀의 단자전압,
Figure 112022031227812-pat00016
는 배터리 셀의 단자전압 추정값,
Figure 112022031227812-pat00017
는 칼만게인이다.
오프셋 전류가 없는 경우, 칼만 게인이 점차 줄어듦에 따라 SOC의 추정 값이 실제 값에 접근하게 된다. 그러나, 오프셋 전류가 존재하는 경우에는, 칼만 게인이 영(Zero)까지 줄어들어도 일정수준의 오차가 존재하게 되며, 칼만 게인이 영(Zero)까지 줄어든 후에는 상태변수 추정 값의 오차가 보상되지 않으므로, 오프셋 전류에 의한 오차가 보상될 수 없다.
따라서 칼만 게인이 영(Zero)까지 줄어든 이후에도 오프셋 전류를 지속적으로 보상할 수 있는 추가 조치가 필요하며, 본 발명의 일 실시예로써, 배터리 셀의 단자전압 추정 값과 측정 값의 차이에 일정 크기의 게인을 곱한 만큼 배터리의 상태변수를 지속적으로 보상해 주는 방법을 적용할 수 있다. 이는 결과적으로, 칼만 게인을 영까지 줄이지 않고, 일정한 허용수준에서 유지시키는 것과 동일한 방법이 된다.
이렇게 오프셋 전류의 영향을 지속적으로 보상하는 경우, 오프셋 전류가 존재하더라도 배터리 셀의 단자전압이 발산하지 않을 수 있다. 이는 배터리 셀의 단자전압 추정값의 오차를 이용해 오프셋 전류가 적분되는 기울기 만큼 상쇄하는 방향으로 상태변수를 보정하기 때문이다. 다만, 배터리 셀의 단자전압과 SOC의 추정 값에는 소정 크기의 오프셋이 발생하며, 배터리 충방전 시 전류 패턴에 따라 추정 값의 등락이 반복될 수 있다.
배터리 셀의 단자전압 추정 값의 오프셋은, 평균적으로, 배터리의 내부 임피던스와 같은 형태의 회로에 일정한 크기의 전류가 인가될 때의 스텝(Step) 응답과 같은 형태에 수렴한다.
중첩의 원리에 따라 배터리 셀의 단자전압 추정 값
Figure 112022031227812-pat00018
을 구성하는 두 요소, 즉, 실제 전류에 의한 배터리 셀의 단자전압 추정 값
Figure 112022031227812-pat00019
과 오프셋 전류에 의해 발생하는 배터리 셀의 단자전압 추정 값
Figure 112022031227812-pat00020
은 구분하여 취급할 수 있다.
즉, 배터리 셀의 단자전압 추정 값
Figure 112022031227812-pat00021
은 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112022031227812-pat00022
실제 전류에 의한 배터리 셀의 단자전압 추정 값
Figure 112022031227812-pat00023
이 실제 배터리 셀의 단자전압
Figure 112022031227812-pat00024
에 가깝다면 배터리 셀의 단자전압 추정오차
Figure 112022031227812-pat00025
는 오프셋 전류에 의한 단자전압 추정 값
Figure 112022031227812-pat00026
으로 결정되며, 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112022031227812-pat00027
배터리 셀의 단자전압 추정 값이 실제 배터리 셀의 단자전압에 근접하면, 실제의 개방회로전압과 추정 개방회로전압은 상쇄될 수 있다. 이는 배터리 셀의 단자전압의 추정오차
Figure 112022031227812-pat00028
가 배터리의 DC-IR(Internal Resistance), 즉,
Figure 112022031227812-pat00029
에 걸리는 전압강하 만큼이 된다는 뜻이며, 따라서, 오프셋 전류는 배터리 셀의 단자전압의 추정오차
Figure 112022031227812-pat00030
를 배터리의 DC-IR로 나눈 것과 유사한 값이 됨을 추론할 수 있다.
최근 배터리에 적용되는 전류패턴은 충방전이 수시로 교번 되는 형태가 아니라 지속적 충전 후 지속적 방전이 반복되는 형태이므로, AC-IR보다 DC-IR을 적용하는 것이 더 적절하다.
결론적으로, 오프셋 전류는 하기 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112022031227812-pat00031
여기서,
Figure 112022031227812-pat00032
와
Figure 112022031227812-pat00033
는 듀얼 확장 칼만 필터에 의해 실제 값에 근접하도록 산정될 수 있으며,
Figure 112022031227812-pat00034
는 칼만 필터에서 산정한 배터리 셀의 단자전압 추정 값과 배터리 상태 측정부(110)에서 측정한 배터리 셀의 단자전압 측정 값의 차이로 산정될 수 있다.
상기 수학식 6에 따라 도출된 오프셋 전류 추정 값을 전류 측정 값에서 빼면 이 값은 실제 전류에 근접하게 되며, 실제 전류 추정 값은 하기 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112022031227812-pat00035
실제 전류 추정 값
Figure 112022031227812-pat00036
은 오프셋 전류 추정 값이 상쇄된 값이므로, 이를 시간에 대해 적분한 형태의 배터리 셀의 단자전압 추정 값
Figure 112022031227812-pat00037
도 발산하지 않을 수 있다.
다만, 오프셋 전류 추정 값
Figure 112022031227812-pat00038
에도 오차가 있을 수 있으므로, 많은 시간이 경과하면 배터리 셀의 단자전압 추정 값
Figure 112022031227812-pat00039
도 발산할 수 있다.
이를 감안해, 오프셋 전류 추정 값
Figure 112022031227812-pat00040
을 주기적으로 업데이트(Update) 하여 배터리 셀의 단자전압 추정 값
Figure 112022031227812-pat00041
가 발산하는 것을 방지할 수 있다.
SOC 추정부(140)는 실제 전류 추정 값
Figure 112022031227812-pat00042
을 칼만필터에 입력함으로써 배터리 셀의 SOC를 정밀하게 산출할 수 있다. 또한, SOC 추정부(140)는, 배터리 상태 측정부(110)에서 측정한 전류 값에서 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하여 목표 셀의 SOC 값을 산출할 수 있다.
본 발명의 SOC 추정부(140)는, 배터리 등가 모델과 칼만 필터를 이용하여 실제 전류 추정 값
Figure 112022031227812-pat00043
을 산정함으로써, 목표 셀 선정부(130)에서 선정한 목표 셀의 SOC를 정밀하게 산출할 수 있다. 도 3은 하나의 배터리 셀의 배터리 등가 모델을 나타낸 것이며, 배터리 팩은 복수의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 구성될 수 있다.
도 4는 목표 셀 선정부의 목표 셀 선정 방법을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 목표 셀 선정부(130)는 배터리 팩이 안정화 상태인지 판단한다(S310). 배터리 팩이 안정화 상태가 아니라면, 기존의 전압 인덱스를 유지하며(S330), 배터리 팩이 안정화 상태로 판단되면, 각각의 배터리 셀의 전압을 다시 비교하여 전압 인덱스를 재산정한다(S320), 이때, 전압이 가장 낮은 셀의 인덱스 Indexv,min1, 두번째로 낮은 셀의 인덱스 Indexv,min2, 가장 높은 셀의 인덱스 Indexv,max1를 결정할 수 있다.
이어서, 배터리 셀들 간에 밸런싱이 진행 중인지 판단하여(S340), 배터리 셀들 간에 이미 밸런싱이 실행되고 있는 상태라면, 목표 셀 선정부(130)는 기존에 설정된 SOC 인덱스를 유지하여 목표 셀을 선정한다(S350). SOC 인덱스는 SOC를 산정해야 할 배터리 셀의 배터리 팩 내 일련번호이다. 만약 밸런싱이 실행 중인 상태가 아니라면, 목표 셀 선정부(130)는 수학식 8과 같이 전압 인덱스를 SOC 인덱스로 결정하여 SOC 추정부(140)로 전달한다(S360).
Figure 112022031227812-pat00044
SOC 추정부(140)는 SOC 알고리즘을 이용하여 각 목표 셀의 SOC를 산정할 수 있다. 본 발명의 일 예로써, 듀얼 확장 칼만필터(dual extended kalman filter)를 이용할 수 있다. 본 발명의 배터리 밸런싱 장치(100)는 최소 개수의 셀 SOC를 이용하여 효율적으로 셀 SOC를 산출한다.
일 실시예에서, SOC가 낮은 셀들을 충전하기만 하는 단방향의 밸런싱 회로에 대해, 배터리 밸런싱 장치(100)는 모든 배터리 셀들 각각의 SOC 값을 연산하지 않고, 총 4개의 SOC 값만을 산정하여 밸런싱을 실행할 수 있다. SOC가 가장 낮은 셀의 SOC는 SOCmin1, SOC가 두번째로 낮은 셀의 SOC는 SOCmin2, SOC가 가장 높은 셀의 SOC는 SOCmax1, 배터리 팩의 평균 SOC는 SOCavg로 지칭한다. SOCmax1는 배터리 팩 내부의 배터리 셀들의 SOC가 어느 정도 범위에 분포하는지 파악하기 위한 것으로, SOCmax1의 산정은 생략할 수 있다.
각각의 목표 셀의 SOC는 배터리 상태 측정부(110)에서 측정되는 각 셀의 단자전압 값과 직렬스트링에 흐르는 전류를 이용하여 산정될 수 있다. 즉, SOCmin1, SOCmin2, SOCmax1는 각각 해당되는 셀의 전압과 직렬스트링의 전류를 이용하여 산정 가능하며, SOCavg는 배터리 팩의 전체전압을 직렬 배열된 배터리 셀들의 개수로 나눈 셀 전압 평균값과, 직렬스트링의 전류값을 이용하여 산정 가능하다.
즉, 하나의 샘플링 주기 내에서 목표 셀들의 단자전압과 충방전 전류를 이용하여 각각의 목표 셀들의 SOC를 산정할 수 있다.
도 5는 배터리 셀에 대한 밸런싱 실행의 순서도이다.
도 5를 참조하면, 최초의 밸런싱 목표 셀로 Indexsoc,min1 의 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 선정한다. SOCavg는 배터리 셀에 대한 밸런싱의 종료 조건을 설정하는데 사용되며, 배터리 팩의 SOC를 파악하는 데에도 사용된다.
SOCmin2 추정은 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 종료된 이후, 즉시 제2 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 연결될 수 있도록 사전에 추적을 하는 것이다. SOCmax 추정은 배터리 팩 내 각 셀들의 SOC 범위를 알기 위해 산정하는 것이며, 생략될 수 있다.
목표 셀의 SOC를 산정하여, 밸런싱이 진행 중인지 판단하며(S510), 밸런싱이 진행 중이라면, 밸런싱부(150)는 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀의 SOC 값이 밸런싱 종료 조건에 도달했는지 계속 감시한다(S520). 일 예로써, SOCmin1에서 SOCavg로 SOC 값이 도달하는 것을 밸런싱 종료 조건으로 설정할 수 있다.
밸런싱 종료 조건이 만족되면, 밸런싱을 종료하고(S550), 초기 상태로 다시 돌아가며, 제2 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 순차적으로 진행될 수 있다. 여기서, 제1 최소 SOC 인덱스, IndexSOC,min1을 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 종료되었으므로, 제2 최소 SOC 인덱스, IndexSOC,min2를 갖는 배터리 셀에 대해 제1 최소 SOC 인덱스, IndexSOC,min1 가 새로 부여되고, 다른 배터리 셀들의 SOC 인덱스도 순차적으로 변경될 수 있다.
상기 실시예를 확장하면, 목표 셀 선정부(130)는 제N 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 완료되는 시점에, 제N+1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱을 순차적으로 진행하면서, 제N+2 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 밸런싱을 실행할 목표 셀로 추가할 수 있다.
또한, 밸런싱이 진행 중인 상태가 아니라면, 밸런싱부(150)는 밸런싱 개시 조건인지 판단하여(S530), 밸런싱 실행 여부를 결정할 수 있다(S540). 일 예로써, SOCmin이 SOCavg보다 5% 이상 낮은 것을 밸런싱 개시 조건으로 설정할 수 있으며, 밸런싱 개시 조건에 대한 다양한 변형이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 목표 셀 선정부(130)는, 배터리 셀들 중 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제2 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀들로 선정할 수 있다. 밸런싱부(150)는, 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행한 후, 순차적으로 제2 최대 SOC 값을 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행할 수 있다.
이를 확장하면, 목표 셀 선정부(130)는 제N 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 완료되는 시점에, 제N+1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱을 순차적으로 진행하면서, 제N+2 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 밸런싱을 실행할 목표 셀로 추가할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, SOC가 낮은 셀은 충전하고, SOC가 높은 셀은 방전하는 양방향 밸런싱 회로에 대해, 목표 셀 선정부(130)는 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀로 선정하고, SOC 추정부(140)가 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대해 각각 SOC 값을 산정했을 때, 평균 SOC 값과 더 큰 편차가 발생하는 SOC 값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 밸런싱이 실행될 수 있다.
예를 들어, SOC 추정부(140)가 산정한 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀의 SOC 값이 평균 SOC 값보다 7% 높고, 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀의 SOC 값이 평균 SOC 값보다 6% 낮다면, 기준 편차가 더 큰 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 기준으로 밸런싱을 실행하며, 순차적으로 제2 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 진행될 수 있다.
본 발명의 배터리 밸런싱 장치(100)는 배터리 팩의 평균 SOC 값을 기준으로, 평균 SOC보다 낮은 SOC로 추정되는 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀들에 대해서만 SOC 값을 산정하여 평균 SOC 값으로 밸런싱을 실행하거나, 또는 평균 SOC보다 높은 SOC로 추정되는 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀들에 대해서만 SOC 값을 산정하여 평균 SOC 값으로 밸런싱을 실행할 수 있다. 따라서, 전체 배터리 셀들의 SOC 값을 각각 산정할 필요가 없으므로, 복잡한 연산 과정 없이, 효율적, 효과적인 밸런싱이 가능하다.
도 6 내지 도 12는 본 발명의 배터리 밸런싱 장치(100)를 이용하여 배터리 밸런싱을 실행한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
시뮬레이션은 15개의 셀로 구성된 배터리 팩에서 최초 모든 셀의 SOC를 동일하게 설정한 후, 일부 셀의 초기 SOC를 조정하여 밸런싱 동작을 확인하는 형태로 실행하였다.
먼저 목표가 될 3개의 셀을 다른 셀보다 SOC가 현저히 낮게 조정하였다. 최초 SOC가 가장 낮은 셀은 5번 셀이며, 두번째로 낮은 셀은 4번, 그리고 세번째로 낮은 셀은 3번으로 설정하였다. 또한, 2번 셀의 SOC는 다른 모든 셀들보다 약간 높게 설정하였다.
이 상태에서, 배터리 팩에 충방전 전류를 인가하면서, 즉, 배터리 팩의 동작 중에도 목표 셀의 선정 및 밸런싱 동작이 원활하게 실행되는지 확인하였다. 시뮬레이션의 샘플링 주기는 1초로 설정하였다.
도 6은 시뮬레이션 결과 각 시점에서 선정된 목표 셀의 SOC 인덱스와 밸런싱 상태(eq. state) 플래그를 나타낸다. SOCmin 값을 갖는 SOC 인덱스, Indexsoc,min가 5, 4, 3번 배터리 셀의 순서로 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 SOC가 다른 셀보다 현저히 낮은 3개의 셀에 대해 밸런싱이 실행되고, 해당 셀들에 대한 밸런싱이 종료된 후, 목표 셀의 SOC 인덱스가 변화함을 확인할 수 있다.
도 7 및 8은 시뮬레이션 과정에서 15개 셀의 실제 SOC와 단자전압을 도시하는 도면이다.
도 7 및 8에서, 하늘색 그래프는 최초 SOC가 가장 낮았던 배터리 셀의 SOC와 전압, 녹색 그래프는 두번째로 낮았던 배터리 셀의 SOC와 전압, 그리고 자색 그래프는 세번째로 낮았던 배터리 셀의 SOC와 전압이다.
도 7에서, 배터리 팩에 충방전 전류가 인가되면서, SOC 값이 등락을 반복한다. 초기에 전체 배터리 팩의 평균 SOC가 약 60%에 도달하여, 방전이 개시되는 시점에서, 최초 SOC가 낮았던 배터리 셀들은 SOC 값들이 60%에 미치지 못한 상태에서 방전으로 전환된다. 또한, 최초 SOC가 가장 낮았던 배터리 셀의 SOC가 약 20%에 도달하여, 충전으로 전환되는 시점의 전체 배터리 팩의 평균 SOC는 20%와 상당한 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 이후, 배터리 밸런싱이 진행되면서, 개별 배터리 셀들의 SOC 등락 추이와 전체 배터리 팩의 SOC 등락 추이가 전체적으로 일치해 가는 것을 확인할 수 있다. 도 8의 단자전압의 등락 역시 유사한 패턴이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 밸런싱 이전의 휴지상태 시점과 밸런싱 이후 휴지상태의 시점을 비교해 볼 때, 최초 상당한 차이를 보였던 SOC와 단자전압들이 적절한 밸런싱을 통해 전체적으로 모아지는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 SOCmin 값을 갖는 배터리 셀의 실제 SOC와 추정 SOC를 나타낸 그래프이다.
도 9에서, 청색 그래프는 실제 SOC, 적색 그래프는 추정 SOC이며, 전반적으로 추정 SOC가 실제 SOC를 잘 추종하고 있음을 알 수 있다.
도 10은 SOCmax1, SOCmin1, SOCmin2를 갖는 목표 셀들과 SOCavg에 대한 SOC 추정 오차를 나타내는 그래프이다.
도 10에서, 청색 그래프는 SOCavg, 적색 그래프는 SOCmax1, 황색 그래프는 SOCmin2, 자색 그래프는 SOCmin1을 각각 나타낸다. 목표 셀의 SOC 인덱스가 변하는 시점에서 추정오차가 커지나, 시간이 경과함에 따라 줄어들어, SOC 추정 성능이 우수함을 보여준다.
도 11은 실제 각각의 배터리 셀의 SOC 편차를 평균 SOC 대비값으로 나타낸 그래프이다. 최초 6% 이상이었던 편차가 밸런싱을 통해 2% 이하로 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 배터리 셀 SOC의 최대 편차를 나타낸 도면이다. 청색 그래프가 실제 SOC의 최대 편차, 적색 그래프가 추정 SOC의 최대 편차이며, 목표 셀의 SOC 인덱스가 변경되는 시점 근처의 과도 상태를 제외하고, 전반적으로 추정 SOC 편차가 실제 SOC 편차를 잘 추종하고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 예로써 단방향 밸런싱 회로를 대상으로 알고리즘을 구성하였으나, 양방향 밸런싱 회로에 대해서도 유사한 방법으로 셀 기반의 밸런싱 알고리즘을 구현할 수 있다. 이 때에는 배터리 팩의 평균 SOC보다 일정 수준 낮은 SOC의 셀에 대한 밸런싱과 평균 SOC보다 일정 수준 높은 SOC의 셀에 대해, 동일한 형태로 목표 셀을 선정하고, 밸런싱을 실행할 수 있다.
본 발명의 일 예로써 밸런싱이 종료될 때마다 목표 셀을 다시 선정하여 밸런싱을 실행하는 알고리즘을 구현하였으나, 하드웨어의 성능에 따라서 밸런싱 종료 시 목표 셀을 더 많이 선정하고, 복수개의 목표 셀에 대해 밸런싱을 연속적으로 실행하는 알고리즘으로 구현할 수도 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로 컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 실행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 실행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서 (parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
100: 배터리 밸런싱 장치 110: 배터리 상태 추정부
120: 평균 SOC 산출부 130: 목표 셀 선정부
140: SOC 추정부 150: 밸런싱부
160: 제어부

Claims (14)

  1. 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀들의 SOC에 기반한 배터리 밸런싱 장치로서,
    배터리 셀들의 단자전압 및 충방전 전류를 측정하는 배터리 상태 측정부;
    상기 배터리 팩의 전체 전압을 직렬 배열된 배터리 셀들의 개수로 나눈 셀 전압 평균값과, 직렬스트링의 전류값을 이용하여 복수의 배터리 셀들의 SOC 값들의 평균을 산출하는 평균 SOC 산출부;
    상기 배터리 셀들 각각에 SOC 인덱스를 설정하고, 상기 SOC 인덱스에 기반하여 밸런싱을 실행할 목표 셀을 선정하는 목표 셀 선정부;
    상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 단자전압 및 충방전 전류를 기반으로 상기 목표 셀 선정부에서 선정한 목표 셀에 대해서만 SOC 값을 산정하는 SOC 추정부; 및
    상기 목표 셀의 SOC 값이 상기 평균 SOC 산출부에서 산출한 SOC 값들의 평균과 대비하여, 미리 설정된 범위를 이탈하면, 상기 목표 셀에 대한 밸런싱을 실행하는 밸런싱부;를 포함하며,
    상기 목표 셀 선정부는, 상기 배터리 팩의 배터리 안정화 상태에서 측정된 전압에 기반한 전압 인덱스를 초기 SOC 인덱스로 설정하고,
    상기 SOC 인덱스는 상기 전압 인덱스 또는 각 배터리 셀들의 SOC 값에 근거하여 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목표 셀 선정부는,
    상기 배터리 셀들에 대해 밸런싱이 실행 중인 상태면, 상기 배터리 셀들의 이전 차수의 SOC 인덱스를 현재의 SOC 인덱스로 결정하며, 밸런싱이 실행 중인 상태가 아니면, 상기 배터리 셀들의 전압 인덱스를 SOC 인덱스로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 SOC 추정부는,
    상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 전류 값에서 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하여 목표 셀의 SOC 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 목표 셀 선정부는,
    상기 배터리 셀들 중 제N 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제N+1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀들로 선정하며,
    상기 밸런싱부는,
    상기 제N 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행한 후, 순차적으로 상기 제N+1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 목표 셀 선정부는,
    상기 제N 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 완료되는 시점에, 제N+2 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀로 선정하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 목표 셀 선정부는,
    상기 배터리 셀들 중 제N 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제N+1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀들로 선정하며,
    상기 밸런싱부는,
    상기 제N 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행한 후, 순차적으로 상기 제N+1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀이 평균 SOC 값에 도달할 때까지 밸런싱을 실행하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 목표 셀 선정부는,
    상기 제N 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀에 대한 밸런싱이 완료되는 시점에, 제N+2 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀을 목표 셀로 선정하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 목표 셀 선정부에서 선정한 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀 중, 평균 SOC 값과 더 큰 편차가 발생하는 SOC 값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 밸런싱을 실행하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  10. 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀들의 SOC에 기반한 배터리 밸런싱 방법으로서,
    (a) 배터리 셀들의 단자전압 및 충방전 전류를 배터리 상태 측정부에서 측정하는 단계;
    (b) 상기 배터리 팩의 전체 전압을 직렬 배열된 배터리 셀들의 개수로 나눈 셀 전압 평균값과, 직렬스트링의 전류값을 이용하여 복수의 배터리 셀들의 SOC 값들의 평균을 평균 SOC 산출부에서 산출하는 단계;
    (c) 상기 배터리 셀들 각각에 SOC 인덱스를 설정하고, 상기 SOC 인덱스에 기반하여 밸런싱을 실행할 목표 셀을 목표 셀 선정부에서 선정하는 단계;
    (d) 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 단자전압 및 충방전 전류를 기반으로 SOC 추정부가 상기 목표 셀 선정부에서 선정한 목표 셀에 대해서만 SOC 값을 산정하는 단계; 및
    (e) 상기 목표 셀의 SOC 값이 상기 평균 SOC 산출부에서 산출한 평균 SOC 값과 대비하여, 미리 설정된 범위를 이탈하면, 밸런싱부에서 상기 목표 셀에 대한 밸런싱을 실행하는 단계;를 포함하며,
    상기 (c) 단계는,
    상기 배터리 팩의 배터리 안정화 상태에서 측정된 전압에 기반한 전압 인덱스를 초기 SOC 인덱스로 설정하는 단계;를 포함하고,
    상기 SOC 인덱스는 상기 전압 인덱스 또는 각 배터리 셀들의 SOC 값에 근거하여 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 배터리 셀들에 대해 밸런싱이 실행 중인 상태면, 상기 배터리 셀들의 이전 차수의 SOC 인덱스를 현재의 SOC 인덱스로 결정하며, 밸런싱이 실행 중인 상태가 아니면, 상기 배터리 셀들의 전압 인덱스를 SOC 인덱스로 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 전류 값에서 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하여 목표 셀의 SOC 값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    상기 목표 셀 선정부에서 선정한 제1 최대 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀과 제1 최소 SOC 인덱스를 갖는 배터리 셀 중, 평균 SOC 값과 더 큰 편차가 발생하는 SOC 값을 갖는 배터리 셀을 기준으로 밸런싱을 실행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 방법.
KR1020220035877A 2022-03-23 2022-03-23 Soc 인덱스를 이용한 배터리 밸런싱 장치 및 방법 KR102431801B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220035877A KR102431801B1 (ko) 2022-03-23 2022-03-23 Soc 인덱스를 이용한 배터리 밸런싱 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220035877A KR102431801B1 (ko) 2022-03-23 2022-03-23 Soc 인덱스를 이용한 배터리 밸런싱 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102431801B1 true KR102431801B1 (ko) 2022-08-11

Family

ID=82803400

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220035877A KR102431801B1 (ko) 2022-03-23 2022-03-23 Soc 인덱스를 이용한 배터리 밸런싱 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102431801B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116388339A (zh) * 2023-04-26 2023-07-04 上海玫克生储能科技有限公司 具备soc并行计算功能的电池组均衡设备及相关方法和装置
CN117151201A (zh) * 2023-08-24 2023-12-01 广芯微电子（广州）股份有限公司 一种用于神经网络训练的电池组样本组织方法及装置
WO2024101909A1 (ko) * 2022-11-11 2024-05-16 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 이상 진단 장치 및 이의 동작 방법
WO2024101911A1 (ko) * 2022-11-11 2024-05-16 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 이상 진단 장치 및 이의 동작 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100019256A (ko) * 2008-08-08 2010-02-18 주식회사 엘지화학 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법
JP4433752B2 (ja) * 2003-10-03 2010-03-17 日産自動車株式会社 組電池の充放電制御装置
KR20210023377A (ko) * 2019-08-23 2021-03-04 주식회사 엘지화학 에너지저장시스템(ess)의 셀 안정화 방법 및 시스템
JP2022008732A (ja) * 2018-10-25 2022-01-14 ソニーグループ株式会社 信号処理装置および方法、並びにプログラム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4433752B2 (ja) * 2003-10-03 2010-03-17 日産自動車株式会社 組電池の充放電制御装置
KR20100019256A (ko) * 2008-08-08 2010-02-18 주식회사 엘지화학 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법
JP2022008732A (ja) * 2018-10-25 2022-01-14 ソニーグループ株式会社 信号処理装置および方法、並びにプログラム
KR20210023377A (ko) * 2019-08-23 2021-03-04 주식회사 엘지화학 에너지저장시스템(ess)의 셀 안정화 방법 및 시스템

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024101909A1 (ko) * 2022-11-11 2024-05-16 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 이상 진단 장치 및 이의 동작 방법
WO2024101911A1 (ko) * 2022-11-11 2024-05-16 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 이상 진단 장치 및 이의 동작 방법
CN116388339A (zh) * 2023-04-26 2023-07-04 上海玫克生储能科技有限公司 具备soc并行计算功能的电池组均衡设备及相关方法和装置
CN116388339B (zh) * 2023-04-26 2024-01-23 上海玫克生储能科技有限公司 具备soc并行计算功能的电池组均衡设备及相关方法和装置
CN117151201A (zh) * 2023-08-24 2023-12-01 广芯微电子（广州）股份有限公司 一种用于神经网络训练的电池组样本组织方法及装置
CN117151201B (zh) * 2023-08-24 2024-03-15 广芯微电子（广州）股份有限公司 一种用于神经网络训练的电池组样本组织方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102431801B1 (ko) Soc 인덱스를 이용한 배터리 밸런싱 장치 및 방법
KR102476166B1 (ko) 배터리의 하전 상태 보정 방법, 장치, 시스템 및 저장 매체
EP3779484B1 (en) Method and apparatus for correcting state of health of battery, and management system and storage medium
US11340298B2 (en) Apparatus and method for calculating state of charge of battery by reflecting noise
JP4630113B2 (ja) 二次電池劣化状態判定方法及び二次電池劣化状態判定装置
JP5739788B2 (ja) 充放電計画立案システムおよび充放電計画立案方法
CN113036846B (zh) 基于阻抗检测的锂离子电池智能优化快速充电方法及系统
JP4547908B2 (ja) 二次電池の入出力可能電力推定装置
CN111416397B (zh) 电池均衡方法及装置、控制设备、计算机可读存储介质
KR20190087616A (ko) 전기 에너지 저장 팩의 밸런싱을 위한 에너지 저장 셀들을 선택하기 위한 시스템 및 방법
KR20120068852A (ko) 전지의 제어 방법 및 그 방법을 구현하기 위한 장치
KR102416009B1 (ko) 배터리의 soc 추정 장치 및 방법
KR20210028476A (ko) 배터리 충전 장치 및 방법
KR102412606B1 (ko) 배터리의 soh 추정 장치 및 방법
KR20200010369A (ko) 축전지 잔량 추정 장치, 축전지 잔량 추정 방법, 및 프로그램
CN113678009A (zh) 电池状态推定装置及方法
KR20220029109A (ko) 배터리 상태 추정 방법 및 장치
WO2023001214A1 (zh) 多电池包充电管理方法、装置、储能设备
KR20200056716A (ko) 배터리 soh 산출 시스템 및 방법
JP7116205B2 (ja) 組電池の制御システム
CN113195291A (zh) 用于控制能量存储系统的改进方法
WO2018179852A1 (ja) 蓄電池制御装置および制御方法
CN117751296A (zh) 控制充电信号以对可充电的电池单元或电池进行充电的方法和装置
KR102256117B1 (ko) 배터리 수명 상태 추정 장치 및 방법
KR20230157833A (ko) 배터리 상태 추정을 수행하는 전자 장치 및 이의 동작 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant