KR102574083B1 - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

배터리 관리 장치 및 방법이 개시된다. 일 양상에 따른, 다수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 장치는, 각 배터리 유닛의 전압을 센싱하는 전압 센싱부와, 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출하는 위상차 산출부와, 산출된 위상차를 기반으로 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 온도 제어부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법{Apparatus and method for managing battery}
배터리 관리 기술에 관한 것으로, 특히 배터리 관리 장치 및 방법과 관련된다.
이차 전지는 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 동력원으로 사용되기 위하여 고출력 대용량으로 형성된다. 다수의 이차 전지들은 직렬 또는 병렬로 연결되어 중대형 배터리 팩으로 사용하고 있다. 이러한 고출력 대용량 배터리 팩은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 이 과정에서 발생한 열은 배터리를 발화 또는 폭발하게 할 수 있다. 또한, 배터리의 성능과 수명은 온도에 큰 영향을 받는다. 따라서, 배터리의 온도를 일정하기 유지하기 위한 온도 제어 기술에 대한 연구가 계속되고 있다.
배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른, 다수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 장치는, 각 배터리 유닛의 전압을 센싱하는 전압 센싱부와, 상기 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출하는 위상차 산출부와, 상기 산출된 위상차를 기반으로 상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 온도 제어부를 포함할 수 있다.
상기 배터리는 배터리 팩이고, 상기 배터리 유닛은 배터리 모듈일 수 있다.
상기 배터리는 배터리 모듈이고, 상기 배터리 유닛은 배터리 셀일 수 있다.
배터리 관리 장치는, 배터리 전압, 또는 상기 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압을 기준 전압으로 설정하는 기준 전압 설정부를 더 포함할 수 있다.
배터리 관리 장치는, 상기 설정된 기준 전압을 변경하는 기준 전압 변경부를 더 포함할 수 있다.
상기 기준 전압 변경부는, 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우, 기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 중간값(median)에 해당되는지 여부를 판단하고, 판단결과 중간값에 해당되지 않는 경우 중간값의 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경할 수 있다.
상기 기준 전압 변경부는, 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우, 기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들의 평균값(mean)에 가장 근접한지 여부를 판단하고, 판단결과 평균값에 가장 근접하지 않는 경우 평균값에 가장 근접한 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경할 수 있다.
상기 온도 제어부는, 상기 기준 전압에 비하여 위상이 빠른 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 낮추고, 상기 기준 전압에 비하여 위상이 느린 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 높일 수 있다.
배터리 관리 장치는, 기준 온도를 센싱 또는 추정하는 온도 추정부와, 기준 충전 상태를 추정하는 SOC 추정부와, 상기 산출된 위상차, 상기 센싱 또는 추정된 기준 온도, 및 상기 추정된 기준 충전 상태를 기반으로 배터리 유닛별 온도 분포를 추정하는 온도 분포 추정부를 더 포함하고, 상기 기준 온도 및 상기 기준 충전 상태는, 상기 기준 전압이 센싱된 대상의 온도 및 충전 상태일 수 있다.
상기 온도 분포 추정부는, 전류-전압 간의 위상차 및 충전 상태에 따른 온도 그래프를 이용하여 상기 배터리 유닛별 온도 분포를 추정할 수 있다.
다른 양상에 따른, 다수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 방법은, 각 배터리 유닛의 전압을 센싱하는 단계와, 상기 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출하는 단계와, 상기 산출된 위상차를 기반으로 상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배터리는 배터리 팩이고, 상기 배터리 유닛은 배터리 모듈일 수 있다.
상기 배터리는 배터리 모듈이고, 상기 배터리 유닛은 배터리 셀일 수 있다.
배터리 관리 방법은, 배터리 전압, 또는 상기 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압을 기준 전압으로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
배터리 관리 방법은, 상기 설정된 기준 전압을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기준 전압을 변경하는 단계는, 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우, 기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 중간값(median)에 해당되는지 여부를 판단하고, 판단결과 중간값에 해당되지 않는 경우 중간값의 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경할 수 있다.
상기 기준 유닛을 변경하는 단계는, 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우, 기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들의 평균값(mean)에 가장 근접한지 여부를 판단하고, 판단결과 평균값에 가장 근접하지 않는 경우 평균값에 가장 근접한 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경할 수 있다.
상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 단계는, 상기 기준 전압에 비하여 위상이 빠른 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 낮추고, 상기 기준 전압에 비하여 위상이 느린 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 높일 수 있다.
배터리 관리 방법은, 기준 온도를 센싱 또는 추정하는 단계와, 기준 충전 상태를 추정하는 단계와, 상기 산출된 위상차, 상기 센싱 또는 추정된 기준 온도, 및 상기 추정된 기준 충전 상태를 기반으로 배터리 유닛별 온도 분포를 추정하는 단계를 더 포함하고, 상기 기준 온도 및 상기 기준 충전 상태는, 상기 기준 전압이 센싱된 대상의 온도 및 충전 상태일 수 있다.
상기 배터리 유닛별 온도 분포를 추정하는 단계는, 전류-전압 간의 위상차 및 충전 상태에 따른 온도 그래프를 이용하여 상기 배터리 유닛별 온도 분포를 추정할 수 있다.
배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압을 이용하여 배터리 모듈 별 또는 배터리 셀 별 온도 분포를 예측하고 배터리 모듈 별 또는 배터리 셀 별 온도 제어를 수행함으로써, 시스템의 복잡도와 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 배터리 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 2는 배터리 관리 장치의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 배터리의 충전 상태, 전류-전압간의 위상차 및 온도와의 관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4a는 배터리 전압을 기준 전압으로 설정한 경우 배터리 유닛별로 온도 제어를 하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 배터리 유닛 전압을 기준 전압으로 설정한 경우 배터리 유닛별로 온도 제어를 하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 배터리 관리 장치의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 6은 배터리 관리 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 7은 배터리 관리 방법의 다른 실시예를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 배터리 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 시스템(100)은 배터리(110) 및 배터리 관리 장치(120)를 포함할 수 있다.
배터리(110)는 배터리 시스템(100)이 탑재된 장치에 전력을 공급할 수 있다. 여기서, 배터리(110)는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 유닛을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 배터리(110)는 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 또는 다수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩일 수 있다. 배터리 유닛은 배터리(110)를 구성하는 단위로서, 배터리(110)가 배터리 모듈이면 배터리 유닛은 배터리 셀일 수 있으며, 배터리(110)가 배터리 팩이면 배터리 유닛은 배터리 모듈일 수 있다. 각 배터리 유닛은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리 등의 2차 전지일 수 있다. 또한, 각 배터리 유닛의 용량은 서로 동일할 수도 있고 서로 상이할 수도 있다.
배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)의 상태를 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라 배터리를 관리할 수 있다.
배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)로부터 센싱된 데이터(예컨대, 배터리(100)의 온도, 각 배터리 유닛의 전압 및 전류 등)를 기반으로 배터리(110)의 충전 상태(State of Charge, SOC), 수명 상태(State of Health, SOH) 등을 추정할 수 있다. 여기서, 충전 상태는 배터리(110)에 충전된 전하량에 대한 정보를 나타내고, 수명 상태는 배터리(110)의 성능이 제조 시에 비해 어느 정도 열화되었는지에 대한 정보를 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리 장치(120)는 전류 적산법(Coulomb counting), 등가회로 모델 기법, 전기화학 모델 기법, 및 데이터 기반 기법 등을 통해 배터리(110)의 충전 상태를 추정할 수 있다. 그러나, 상술한 방법들은 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 관리 장치(120)는 다양한 방법으로 배터리(110)의 충전 상태를 추정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)의 개방 전압을 센싱하여 수명 상태를 추정하는 OCV(Open Circuit Voltage) 기법 또는 배터리(110)의 내부 저항을 센싱하여 수명 상태를 추정하는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 기법 등을 이용하여 배터리(120)의 수명 상태를 추정할 수 있다. 그러나, 상술한 방법들은 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 관리부(124)는 다양한 방법으로 배터리(110)의 수명 상태를 추정할 수 있다.
배터리 관리 장치(120)는 센싱된 각 배터리 유닛의 전압을 기반으로, 배터리(110)의 내부 온도 분포 즉, 배터리 유닛 별 온도 분포를 예측하고 배터리(110)의 온도 제어를 수행할 수 있다. 또한, 배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)의 과충전 및 과방전을 방지하고, 셀 밸런싱을 수행하여 배터리에 포함된 복수 개의 배터리 모듈간의 충전 상태가 균등하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 배터리의 에너지 효율이 높아지고, 배터리의 수명이 연장될 수 있다.
배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)의 충전 상태 및 수명 상태를 전자 제어 장치(Electronic Control Unit: ECU)(130)에 제공할 수 있다. 이때, 배터리 관리 장치(120)는 CAN(Controller Area Network) 통신을 이용하여 전자 제어 장치(130)와 통신할 수 있다.
도 2는 배터리 관리 장치의 일 실시예를 도시한 블록도이다. 여기서, 배터리는 다수의 배터리 유닛을 포함할 수 있다. 배터리는 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 또는 다수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩일 수 있다. 배터리 유닛은 배터리를 구성하는 단위로서, 배터리가 배터리 모듈이면 배터리 유닛은 배터리 셀일 수 있으며, 배터리가 배터리 팩이면 배터리 유닛은 배터리 모듈일 수 있다.
도 2의 배터리 관리 장치(200)는 도 1의 배터리 관리 장치(120)의 일 실시예일 수 있다.
도 2를 참조하면, 배터리 관리 장치(200)는 기준 전압 설정부(210), 전원부(220), 전압 센싱부(230), 위상차 산출부(240), 온도 제어부(250) 및 기준 전압 변경부(260)를 포함할 수 있다.
기준 전압 설정부(210)는 기준 전압을 설정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 기준 전압 설정부(310)는 배터리 전압, 또는 다수의 배터리 유닛 중 임의의 하나의 배터리 유닛의 전압을 기준 전압으로 설정할 수 있다. 즉, 기준 전압 설정부(310)는 배터리 전압을 기준 전압으로 설정할 수도 있으며, 다수의 배터리 유닛 중 임의의 하나의 배터리 유닛의 전압을 기준 전압으로 설정할 수도 있다.
전원부(220)는 배터리에 소정의 전원을 인가할 수 있다. 이때, 전원은 AC 전원(AC 전압원 또는 AC 전류원) 또는 DC 전원(DC 전압원 또는 DC 전류원)일 수 있다.
전압 센싱부(230)는 기준 전압 및 각 배터리 유닛의 전압을 센싱할 수 있다.
위상차 산출부(240)는 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 위상차 산출부(240)는 푸리에 변환 또는 힐버트 변환 등을 이용하여 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 위상차 산출부(240)는 위상계(phase meter)를 이용하여 배터리 유닛별의 전류-전압간 위상차 및 기준 전압에 대응하는 전류-기준 전압간 위상차를 센싱하고, 두 값의 차를 이용하여 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압간 위상차를 산출할 수 있다.
그러나, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 위상차 산출부(240)는 다양한 방법으로 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출할 수 있다.
온도 제어부(250)는 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압간 위상차를 기반으로 각 배터리 유닛의 온도를 제어할 수 있다.
배터리(또는 배터리 유닛)의 온도는 배터리(또는 배터리 유닛)에 흐르는 전류와 배터리(또는 배터리 유닛)에 걸리는 전압간 위상차, 및 배터리(또는 배터리 유닛)의 충전 상태의 함수로 나타난다. 배터리에 흐르는 전류와 각 배터리 유닛에 흐르는 전류의 위상이 동일한 경우, 각 배터리 유닛의 온도 분포는 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차 분포에 비례한다. 따라서, 기준 전압보다 위상이 빠른 전압이 센싱된 배터리 유닛의 온도는 기준 유닛의 온도보다 높으며, 기준 전압보다 위상이 느린 전압이 센싱된 배터리 유닛의 온도는 기준 유닛의 온도보다 낮게 나타난다.
일 실시예에 따르면, 온도 제어부(250)는 이러한 특성을 고려하여, 기준 전압에 비하여 위상이 빠른 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 낮추고, 기준 전압에 비하여 위상이 느린 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 높이도록 제어할 수 있다.
기준 전압 변경부(260)는 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우, 소정의 기준에 따라 기준 전압을 변경할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우, 기준 전압 변경부(260)는 기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들에서 중간값(median)에 해당되는지 여부를 판단하고, 판단결과 중간값에 해당되지 않는 경우 중간값의 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경할 수 있다. 예컨대, 배터리가 3개의 배터리 유닛을 포함하며, 최초에 제1 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정되었다고 가정한다. 각 배터리 유닛의 전압을 센싱한 결과, 제1 배터리 유닛의 전압 위상은 π/8, 제2 배터리 유닛의 전압 위상은 -π/2, 제3 배터리 유닛의 전압 위상은 0인 경우, 배터리 유닛을 위상이 빠른 순으로 나열하면 제1 배터리 유닛(위상 π/8), 제3 배터리 유닛(위상 0), 제2 배터리 유닛(위상 -π/2) 순으로 나열될 수 있다. 이중 중간값의 전압 위상을 가지는 배터리 유닛은 제3 배터리 유닛이므로, 기준 전압 변경부(260)는 기준 전압을 제1 배터리 유닛의 전압에서 제3 배터리 유닛의 전압으로 변경할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우, 기준 전압 변경부(260)는 기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들의 평균값(mean)에 가장 근접한지 여부를 판단하고, 판단결과 평균값에 가장 근접하지 않는 경우 평균값에 가장 근접한 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경할 수 있다. 상술한 예에서, 3개의 배터리 유닛의 전압 위상의 평균값은 -π/8이므로, 기준 유닛 변경부(260)는 기준 전압을 제1 배터리 유닛의 전압에서 평균값에 가장 근접한 전압 위상이 센싱된 제3 배터리 유닛의 전압으로 변경할 수 있다.
기준 전압이 변경되는 경우, 위상차 산출부(240)는 각 배터리 유닛의 전압과 변경된 기준 전압 간의 위상차를 산출하게 된다.
도 3은 배터리의 충전 상태, 전류-전압간의 위상차 및 온도와의 관계를 설명하기 위한 예시도이다. 도 3의 예는 1kHz의 AC 전원이 인가된 경우로서, 그래프의 세로축은 배터리의 전류-전압간의 위상차를 나타내며, 그래프의 가로축은 배터리의 충전 상태를 나타낸다. 또한, 참조 번호 310은 배터리의 온도가 60 ℃인 경우, 참조 번호 320은 배터리의 온도가 45 ℃인 경우, 참조 번호 330은 배터리의 온도가 25 ℃인 경우, 참조 번호 340은 배터리의 온도가 0 ℃인 경우, 참조 번호 350은 배터리의 온도가 -10 ℃인 경우를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리의 온도는 전류-전압간 위상차와 충전 상태의 함수(이하, 온도 추정식)로 나타날 수 있다. 온도 추정식은 소정 주파수의 AC 전원을 인가하였을 때 배터리에 흐르는 전류와 배터리에 걸리는 전압의 위상차, 배터리의 충전 상태, 및 배터리의 온도와의 관계를 정의한 식으로 실험적으로 미리 도출될 수 있다. 예컨대, 온도 추정식은 배터리의 다양한 온도 및 다양한 충전 상태에서 배터리에 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 배터리의 온도 및 충전 상태에 따라 배터리에 흐르는 전류와 배터리에 걸리는 전압의 위상차를 센싱하여, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시킴으로써 미리 도출될 수 있다.
도 4a는 배터리 전압을 기준 전압으로 설정한 경우 배터리 유닛별로 온도 제어를 하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 참조번호 410은 배터리의 충전 상태가 5%인 경우 전류-전압 간의 위상차에 따른 온도 그래프를 나타낸다. 온도 그래프는 온도 추정식을 기반으로 도출될 수 있다. 또한 배터리는 배터리 팩이고 배터리 유닛은 배터리 모듈이라고 가정한다.
도 2 및 도 4a를 참조하면, 전원부(220)가 배터리 팩에 전원을 인가한다.
전압 센싱부(230)는 배터리 팩의 전압(Vpack)과 각 배터리 모듈의 전압(Vmodule1 내지 VmoduleN)을 센싱한다. 이때, 배터리 팩 및 각 배터리 모듈에 흐르는 전류는 Ipack으로 동일하다.
위상차 산출부(240)는 각 배터리 모듈(Module 1 내지 module N)의 전압(Vmodule1 내지 VmoduleN)과 배터리 팩의 전압(Vpack) 간의 위상차(Δφ1 내지 ΔφN)를 산출한다.
온도 제어부(250)는 위상차 산출부(240)에서 산출된 위상차(Δφ1 내지 ΔφN)를 기반으로 각 배터리 유닛의 온도를 제어한다.
온도 그래프(410)를 참조하면, 배터리 팩의 온도가 Tpack 인 경우 배터리 팩 전압(Vpack)보다 전압 위상이 빠른 제1 배터리 모듈(Module 1) 및 제N 배터리 모듈(Module N)의 온도(Tmodule1 및 TmoduleN)는 배터리 팩의 온도(Tpack)보다 높으며, 배터리 팩 전압(Vpack)보다 전압 위상이 느린 제2 배터리 모듈(Module 2)의 온도(Tmodule2)는 배터리 팩의 온도(Tpack)보다 낮게 된다.
도시된 예의 경우, 온도 제어부(250)는 배터리 팩 전압(Vpack)보다 전압 위상이 빠른 제1 배터리 모듈(Module 1) 및 제N 배터리 모듈(Module N)은 온도를 낮추고, 배터리 팩보다 전압 위상이 느린 제2 배터리 모듈(Module 2)은 온도를 높일 수 있다.
도 4b는 배터리 유닛 전압을 기준 전압으로 설정한 경우 배터리 유닛별로 온도 제어를 하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 참조번호 410은 배터리의 충전 상태가 5%인 경우 전류-전압 간의 위상차에 따른 온도 그래프를 나타낸다. 온도 그래프는 온도 추정식을 기반으로 도출될 수 있다. 또한 배터리는 배터리 팩이고 배터리 유닛은 배터리 모듈이며, 기준 전압은 제1 배터리 모듈(Module 1)의 전압으로 설정되었다고 가정한다.
도 2 및 도 4b를 참조하면, 전원부(220)가 배터리 팩에 전원을 인가한다.
전압 센싱부(230)는 각 배터리 모듈의 전압(Vmodule1 내지 VmoduleN)을 센싱한다. 이때, 배터리 팩 및 각 배터리 모듈에 흐르는 전류는 Ipack으로 동일하다.
위상차 산출부(240)는 제1 배터리 모듈(Module 1)의 전압(Vmodule1)과 각 배터리 모듈(Module 2, module N)의 전압(Vmodule2, VmoduleN) 간의 위상차(Δφ2, ΔφN)를 산출한다.
온도 제어부(250)는 위상차 산출부(240)에서 산출된 위상차(Δφ2, ΔφN)를 기반으로 각 배터리 유닛의 온도를 제어한다.
온도 그래프(410)를 참조하면, 제1 배터리 모듈(Module 1)의 온도가 Tmodule1인 경우 제1 배터리 모듈 전압(Vmodule1)보다 전압 위상이 빠른 제N 배터리 모듈(Module N)의 온도(TmoduleN)는 제1 배터리 모듈(Module 1)의 온도(Tmodule1)보다 높으며, 제1 배터리 모듈 전압(Vmodule1)보다 전압 위상이 느린 제2 배터리 모듈(Module 2)의 온도(Tmodule2)는 제1 배터리 모듈(Module 1)의 온도(Tmodule1)보다 낮게 된다.
도시된 예의 경우, 온도 제어부(250)는 제1 배터리 모듈 전압(Vmodule1)보다 전압 위상이 빠른 제N 배터리 모듈(Module N)은 온도를 낮추고, 제1 배터리 모듈 전압(Vmodule1)보다 전압 위상이 느린 제2 배터리 모듈(Module 2)은 온도를 높일 수 있다.
도 5는 배터리 관리 장치의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 배터리 관리 장치(500)는 기준 전압 설정부(510), 전원부(520), 전압 센싱부(530), 위상차 산출부(540), 온도 제어부(550), 온도 추정부(560), SOC 추정부(570), 및 온도 분포 추정부(580)를 포함할 수 있다.
여기서, 기준 전압 설정부(510), 전원부(520), 전압 센싱부(530), 위상차 산출부(540), 및 온도 제어부(550)는 도 2의 기준 전압 설정부(210), 전원부(220), 전압 센싱부(230), 위상차 산출부(240), 및 온도 제어부(250)와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
온도 추정부(560)는 기준 온도를 센싱 또는 추정할 수 있다. 이때, 기준 온도는 기준 전압이 센싱된 대상(예컨대, 기준 전압이 배터리 전압인 경우는 배터리, 기준 전압이 배터리 유닛인 경우 그 배터리 유닛)(이하, 기준 전압 센싱 대상)의 온도를 의미할 수 있다.
예를 들면, 온도 추정부(560)는 배터리 주변에 흐르는 냉각수의 온도를 기반으로 기준 온도를 추정할 수 있다. 다른 예를 들면, 온도 추정부(560)는 기준 전압 센싱 대상에 설치된 온도 센서를 이용하여 기준 온도를 센싱할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 온도 추정부(560)는 온도 추정식을 통하여 기준 온도를 추정할 수 있다. 여기서, 온도 추정식은 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 배터리의 전류-전압 위상차, 배터리의 충전 상태 및 배터리의 온도와의 관계를 정의한 식으로 실험적으로 미리 도출될 수 있다. 그러나, 상술한 방법들은 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 온도 추정부(660)는 다양한 방법으로 기준 온도를 센싱 또는 추정할 수 있다.
SOC 추정부(570)는 기준 충전 상태를 추정할 수 있다. 여기서, 기준 충전 상태는 기준 전압 센싱 대상의 충전 상태를 의미할 수 있다.
예컨대, SOC 추정부(570)는 전류 적산법(Coulomb counting), 등가회로 모델 기법, 전기화학 모델 기법, 및 데이터 기반 기법 등을 통해 기준 충전 상태를 추정할 수 있다. 그러나, 상술한 방법들은 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, SOC 추정부(570)는 다양한 방법으로 기준 충전 상태를 추정할 수 있다.
온도 분포 추정부(580)는 기준 온도, 기준 충전 상태, 및 기준 전압과 각 배터리 유닛 간의 전압 위상차를 기반으로 배터리 유닛 별 온도 분포를 추정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 온도 분포 추정부(580)는 전류-전압간 위상차 및 충전 상태에 따른 온도 그래프를 이용하여 배터리 유닛 별 온도 분포를 추정할 수 있다. 전류-전압간 위상차 및 충전 상태에 따른 온도 그래프는 도 4를 참조하여 전술하였으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 온도 제어부(550)는 추정된 배터리 유닛 별 온도 분포를 기반으로 배터리 유닛 별로 온도를 제어할 수 있다. 예컨대, 온도 제어부(550)는 배터리 유닛 별 온도 분포를 기반으로 설정된 임계 온도를 초과하는 배터리 유닛은 온도를 낮추고, 설정된 임계 온도 미만의 배터리 유닛은 온도를 높일 수 있다.
도 6은 배터리의 온도 제어 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다. 여기서, 배터리는 다수의 배터리 유닛을 포함할 수 있다. 배터리는 다수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 또는 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈일 수 있다. 배터리 유닛은 배터리를 구성하는 단위로서, 배터리가 배터리 팩이면 배터리 유닛은 배터리 모듈일 수 있으며, 배터리가 배터리 모듈이면 배터리 유닛은 배터리 셀일 수 있다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 배터리 관리 장치(200)는 기준 전압을 설정할 수 있다(610). 일 실시예에 따르면, 배터리 관리 장치(200)는 배터리 전압, 또는 다수의 배터리 유닛 중 임의의 하나의 배터리 유닛의 전압을 기준 전압으로 설정할 수 있다.
배터리 관리 장치(200)는 배터리에 소정의 전원을 인가할 수 있다(620). 이때 전원은 AC 전원(AC 전압원 또는 AC 전류원) 또는 DC 전원(DC 전압원 또는 DC 전류원)일 수 있다.
배터리 관리 장치(200)는 각 배터리 유닛의 전압 및 기준 전압을 센싱할 수 있다(630).
배터리 관리 장치(200)는 단계 710에서 설정된 기준 전압을 변경할 수 있다(640). 예를 들면, 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우, 배터리 관리 장치(200)는 기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들에서 중간값(median)에 해당되는지 여부를 판단하고, 판단결과 중간값에 해당되지 않는 경우 중간값의 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경할 수 있다. 다른 예를 들면, 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우 배터리 관리 장치(200)는 기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들의 평균값(mean)에 가장 근접한지 여부를 판단하고, 판단결과 평균값에 가장 근접하지 않는 경우 평균값에 가장 근접한 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경할 수 있다.
배터리 관리 장치(200)는 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출할 수 있다(650).
예를 들면, 배터리 관리 장치(200)는 푸리에 변환 또는 힐버트 변환 등을 이용하여 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출할 수 있다. 다른 예를 들면, 배터리 관리 장치(200)는 위상계(phase meter)를 이용하여 배터리 유닛별의 전류-전압간 위상차 및 기준 전압에 대응하는 전류-기준 전압간 위상차를 센싱하고, 두 값의 차를 이용하여 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압간 위상차를 산출할 수 있다. 그러나, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 배터리 관리 장치(200)는 다양한 방법으로 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출할 수 있다.
배터리 관리 장치(200)는 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압간 위상차를 기반으로 각 배터리 유닛의 온도를 제어할 수 있다(660).
배터리(또는 배터리 유닛)의 온도는 배터리(또는 배터리 유닛)에 흐르는 전류와 배터리(또는 배터리 유닛)에 걸리는 전압간 위상차, 및 배터리(또는 배터리 유닛)의 충전 상태의 함수로 나타난다. 배터리에 흐르는 전류와 각 배터리 유닛에 흐르는 전류의 위상이 동일한 경우, 각 배터리 유닛의 온도 분포는 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차 분포에 비례한다. 따라서, 기준 전압보다 위상이 빠른 전압이 센싱된 배터리 유닛의 온도는 기준 유닛의 온도보다 높으며, 기준 전압보다 위상이 느린 전압이 센싱된 배터리 유닛의 온도는 기준 유닛의 온도보다 낮게 나타난다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리 장치(200)는 이러한 특성을 고려하여, 기준 전압에 비하여 위상이 빠른 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 낮추고, 기준 전압에 비하여 위상이 느린 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 높이도록 제어할 수 있다.
도 7은 배터리의 온도 제어 방법의 다른 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 배터리 관리 장치(500)는 기준 전압을 설정할 수 있다(710). 일 실시예에 따르면, 배터리 관리 장치(500)는 배터리 전압, 또는 다수의 배터리 유닛 중 임의의 하나의 배터리 유닛의 전압을 기준 전압으로 설정할 수 있다.
배터리 관리 장치(500)는 배터리에 소정의 전원을 인가할 수 있다(720). 이때 전원은 AC 전원(AC 전압원 또는 AC 전류원) 또는 DC 전원(DC 전압원 또는 DC 전류원)일 수 있다.
배터리 관리 장치(500)는 각 배터리 유닛의 전압 및 기준 전압을 센싱할 수 있다(730).
배터리 관리 장치(500)는 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출할 수 있다(740).
배터리 관리 장치(500)는 기준 온도를 센싱 또는 추정할 수 있다(750). 이때, 기준 온도는 기준 전압 센싱 대상의 온도를 의미할 수 있다. 예를 들면, 배터리 관리 장치(500)는 배터리 주변에 흐르는 냉각수의 온도를 기반으로 기준 온도를 추정할 수 있다. 다른 예를 들면, 배터리 관리 장치(500)는 기준 전압 센싱 대상에 설치된 온도 센서를 이용하여 기준 온도를 센싱할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 배터리 관리 장치(500)는 온도 추정식을 통하여 기준 온도를 추정할 수 있다. 여기서, 온도 추정식은 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 배터리의 전류-전압 위상차, 배터리의 충전 상태 및 배터리의 온도와의 관계를 정의한 식으로 실험적으로 미리 도출될 수 있다.
배터리 관리 장치(500)는 기준 충전 상태를 추정할 수 있다(760). 여기서, 기준 충전 상태는 기준 전압 센싱 대상의 충전 상태를 의미할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리 장치(500)는 전류 적산법(Coulomb counting), 등가회로 모델 기법, 전기화학 모델 기법, 및 데이터 기반 기법 등을 통해 기준 충전 상태를 추정할 수 있다.
배터리 관리 장치(500)는 기준 온도, 기준 충전 상태, 및 기준 전압과 각 배터리 유닛 간의 전압 위상차를 기반으로 배터리 유닛 별 온도 분포를 추정할 수 있다(770). 일 실시예에 따르면, 배터리 관리 장치(500)는 전류-전압간 위상차 및 충전 상태에 따른 온도 그래프를 이용하여 배터리 유닛 별 온도 분포를 추정할 수 있다. 전류-전압간 위상차 및 충전 상태에 따른 온도 그래프는 도 4를 참조하여 전술하였으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
배터리 관리 장치(500)는 추정된 배터리 유닛 별 온도 분포를 기반으로 배터리 유닛 별로 온도를 제어할 수 있다(780). 예컨대, 배터리 관리 장치(500)는 배터리 유닛 별 온도 분포를 기반으로 설정된 임계 온도를 초과하는 배터리 유닛은 온도를 낮추고, 설정된 임계 온도 미만의 배터리 유닛은 온도를 높일 수 있다.
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100: 배터리 시스템
110: 배터리
120, 200, 500: 배터리 관리 장치
130: 전자 제어 장치
210, 510: 기준 전압 설정부
220, 520: 전원부
230, 530: 전압 센싱부
240, 540: 위상차 산출부
250, 550: 온도 제어부
260: 기준 전압 변경부
560: 온도 추정부
570: SOC 추정부
580: 온도 분포 추정부

Claims (20)

  1. 다수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 장치에 있어서,
    배터리 전압, 또는 상기 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압을 기준 전압으로 설정하는 기준 전압 설정부;
    각 배터리 유닛의 전압을 센싱하는 전압 센싱부;
    상기 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출하는 위상차 산출부; 및
    상기 산출된 위상차를 기반으로 상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 온도 제어부; 를 포함하는,
    배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 배터리 팩이고,
    상기 배터리 유닛은 배터리 모듈인,
    배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 배터리 모듈이고,
    상기 배터리 유닛은 배터리 셀인,
    배터리 관리 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 설정된 기준 전압을 변경하는 기준 전압 변경부; 를 더 포함하는,
    배터리 관리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기준 전압 변경부는,
    다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우,
    기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 중간값(median)에 해당되는지 여부를 판단하고, 판단결과 중간값에 해당되지 않는 경우 중간값의 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경하는,
    배터리 관리 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기준 전압 변경부는,
    다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우,
    기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들의 평균값(mean)에 가장 근접한지 여부를 판단하고, 판단결과 평균값에 가장 근접하지 않는 경우 평균값에 가장 근접한 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경하는,
    배터리 관리 장치.
  8. 다수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 장치에 있어서,
    각 배터리 유닛의 전압을 센싱하는 전압 센싱부;
    상기 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출하는 위상차 산출부; 및
    상기 산출된 위상차를 기반으로 상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 온도 제어부; 를 포함하고,
    상기 온도 제어부는,
    상기 기준 전압에 비하여 위상이 빠른 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 낮추고, 상기 기준 전압에 비하여 위상이 느린 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 높이는,
    배터리 관리 장치.
  9. 다수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 장치에 있어서,
    각 배터리 유닛의 전압을 센싱하는 전압 센싱부;
    상기 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출하는 위상차 산출부;
    상기 산출된 위상차를 기반으로 상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 온도 제어부;
    기준 온도를 센싱 또는 추정하는 온도 추정부;
    기준 충전 상태를 추정하는 SOC 추정부; 및
    상기 산출된 위상차, 상기 센싱 또는 추정된 기준 온도, 및 상기 추정된 기준 충전 상태를 기반으로 배터리 유닛별 온도 분포를 추정하는 온도 분포 추정부; 를 포함하고,
    상기 기준 온도 및 상기 기준 충전 상태는, 상기 기준 전압이 센싱된 대상의 온도 및 충전 상태인,
    배터리 관리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 온도 분포 추정부는,
    전류-전압 간의 위상차 및 충전 상태에 따른 온도 그래프를 이용하여 상기 배터리 유닛별 온도 분포를 추정하는,
    배터리 관리 장치.
  11. 다수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 방법에 있어서,
    배터리 전압, 또는 상기 다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압을 기준 전압으로 설정하는 단계;
    각 배터리 유닛의 전압을 센싱하는 단계;
    상기 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 위상차를 기반으로 상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 단계; 를 포함하는,
    배터리 관리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리는 배터리 팩이고,
    상기 배터리 유닛은 배터리 모듈인,
    배터리 관리 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 배터리는 배터리 모듈이고,
    상기 배터리 유닛은 배터리 셀인,
    배터리 관리 방법.
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 설정된 기준 전압을 변경하는 단계; 를 더 포함하는,
    배터리 관리 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기준 전압을 변경하는 단계는,
    다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우,
    기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 중간값(median)에 해당되는지 여부를 판단하고, 판단결과 중간값에 해당되지 않는 경우 중간값의 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경하는,
    배터리 관리 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 기준 전압을 변경하는 단계는,
    다수의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛의 전압이 기준 전압으로 설정된 경우,
    기준 전압 위상이 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들 중에서 다수의 배터리 유닛의 전압 위상들의 평균값(mean)에 가장 근접한지 여부를 판단하고, 판단결과 평균값에 가장 근접하지 않는 경우 평균값에 가장 근접한 전압 위상이 센싱된 배터리 유닛의 전압으로 기준 전압을 변경하는,
    배터리 관리 방법.
  18. 다수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 방법에 있어서,
    각 배터리 유닛의 전압을 센싱하는 단계;
    상기 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 위상차를 기반으로 상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 단계; 를 포함하고,
    상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 단계는,
    상기 기준 전압에 비하여 위상이 빠른 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 낮추고, 상기 기준 전압에 비하여 위상이 느린 전압이 센싱된 배터리 유닛은 온도를 높이는,
    배터리 관리 방법.
  19. 다수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 방법에 있어서,
    각 배터리 유닛의 전압을 센싱하는 단계;
    상기 각 배터리 유닛의 전압과 기준 전압 간의 위상차를 산출하는 단계;
    상기 산출된 위상차를 기반으로 상기 각 배터리 유닛의 온도를 제어하는 단계;
    기준 온도를 센싱 또는 추정하는 단계;
    기준 충전 상태를 추정하는 단계; 및
    상기 산출된 위상차, 상기 센싱 또는 추정된 기준 온도, 및 상기 추정된 기준 충전 상태를 기반으로 배터리 유닛별 온도 분포를 추정하는 단계; 를 포함하고,
    상기 기준 온도 및 상기 기준 충전 상태는, 상기 기준 전압이 센싱된 대상의 온도 및 충전 상태인,
    배터리 관리 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 배터리 유닛별 온도 분포를 추정하는 단계는,
    전류-전압 간의 위상차 및 충전 상태에 따른 온도 그래프를 이용하여 상기 배터리 유닛별 온도 분포를 추정하는,
    배터리 관리 방법.
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