KR20130075408A - 배터리 사용 영역 가변 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 사용 영역 가변 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치는, 배터리의 전기적 특성값을 측정하여 출력하는 센서부; 및 상기 전기적 특성값으로부터 배터리의 충전된 또는 방전된 에너지량을 계산하고, 배터리의 퇴화 정도에 따라 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시키는 제어부;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 배터리의 퇴화 정도에 따라 사용 영역을 설정하여 배터리의 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

배터리 사용 영역 가변 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CHANGING USING-BAND OF BATTERY}
본 발명은 배터리의 사용 영역을 가변 시키는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리가 퇴화됨에 따라 사용 영역을 가변 시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 전기 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등의 전력 공급원인 배터리로 응용되고 있다.
상기 배터리는 충전 및 방전이 반복됨에 따라 성능이 점차적으로 퇴화되는 특성이 있다. 이러한 퇴화는 배터리의 충방전 사이클이 증가됨에 따라 점차적으로 용량이 줄어드는 현상으로 확인이 가능하다.
배터리의 퇴화는 주로 전기화학 반응의 비가역성에서 그 원인을 찾을 수 있다. 즉, 배터리의 충방전 사이클이 증가되면 시효 효과(Aging effect)에 의해 전기화학적 반응에 관여하는 물질의 특성이 열화됨으로써 충전과 방전시 수반되는 전기화학적 반응이 가역적으로 이루어지지 않는 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 배터리의 퇴화는 사용 가능한 전기적 에너지의 감소를 초래한다. 따라서 배터리로부터 에너지를 공급 받는 장치나 디바이스의 사용 시간이 줄고 출력 특성이 저하된다. 일 예로, 전기 차량의 경우 배터리가 퇴화되면 동일한 조건에서 운행을 하더라도 한번 충전으로 운행할 수 있는 거리가 그 만큼 줄어든다. 따라서 전기 차량에 사용되는 배터리에 대해서는 퇴화 정도와 무관하게 성능을 일정하게 유지할 수 있는 기술이 접목될 필요가 있다.
한편, 최근 들어 화석 연료의 고갈로 인해 스마트 그리드에 대한 관심이 점점 더 증대되고 있다. 스마트 그리드는 분산 전력 관리 모델을 기반으로 하고 있으며, 전력 계통에서 사용되고 남은 전력을 나중에 활용하기 위해 대용량의 전력 저장 장치에 잉여 전력을 저장한다. 그런데 전력 저장 장치는 한번 설치되면 장기간 사용되어야 하는 특성이 있다. 따라서 전력 저장 장치에 사용되는 배터리는 전기 차량에 사용되는 배터리와 달리 높은 출력 특성보다는 오랜 기간 동안 일정한 출력 특성을 유지하는 것이 무엇보다 중요하다. 그런데 기존과 같이 고정된 전압 범위에서 충전과 방전을 반복하게 되면 배터리의 용량이 감소되어 출력 특성을 일정하게 유지할 수 없는 단점이 있다. 따라서 전력 저장 장치 분야에서도 배터리의 퇴화 정도와 무관하게 배터리의 용량을 일정하게 유지할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 감안하여 창안된 것으로서, 배터리가 퇴화될 수록 사용 영역을 가변 시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치는, 배터리의 전기적 특성값을 측정하여 출력하는 센서부; 및 상기 전기적 특성값으로부터 배터리의 충전된 또는 방전된 에너지량을 계산하고, 배터리의 퇴화 정도에 따라 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시키는 제어부;를 포함한다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 계산된 에너지량과 상기 미리 설정한 에너지 사용량의 차이값이 임계치보다 크면 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시킨다. 이 때, 상기 제어부는 상기 차이값에 따른 사용 영역의 가변정도를 정의한 룩업 테이블을 참고하여 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 가변된 사용 영역에 따라 배터리의 충전 또는 방전을 제어한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 사용 영역은 배터리의 전압 대역에 의해 정해지고, 상기 제어부는 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 전압 대역을 증가시킨다. 이 경우 전압 대역의 증가는 전압 대역 상한의 증가 및/또는 전압 대역 하한의 감소에 의해 가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 사용 영역은 배터리의 SOC 대역에 의해 정해지고, 상기 제어부는 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 SOC 대역을 증가시킨다. 이 경우 SOC 대역의 증가는, SOC 대역 상한의 증가 및/또는 SOC 대역 하한의 감소에 의해 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 센서부는 전류 측정기 및/또는 전압 측정기 및/또는 온도 측정기를 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치는, 상기 전기적 특성값, 퇴화도 및 가변된 사용 영역을 정의하는 파라미터를 저장하는 메모리부;를 더 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 방법은, (a) 배터리의 전기적 특성값에 대한 신호를 수신하는 단계; (b) 상기 전기적 특성값 신호로부터 배터리의 충전된 또는 방전된 에너지량를 계산하는 단계; 및 (c) 배터리의 퇴화 정도에 따라 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 퇴화 정도에 따라 사용 영역을 가변 시켜 배터리의 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리의 사용 년한에 따라 배터리의 사용 영역을 가변시켜 동일한 충방전 용량 및 출력 효율을 유지할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 배터리의 충방전 사이클이 증가함에 따라 배터리의 사용 대역이 전압을 기준으로 가변되는 실시예를 나타낸 그래프이다.
도 3은 배터리의 충방전 사이클이 증가함에 따라 배터리의 사용 대역이 SOC를 기준으로 가변되는 실시예를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 방법의 순서를 도시한 절차 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치(100)는 센서부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
도 1에 도시된 배터리(110)는 하나 이상의 셀을 포함하는 것으로 셀의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 재충전이 가능한 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등의 이차전지로 구성할 수 있다.
상기 배터리(110)의 고전위 단자(V+)와 저전위 단자(V-)에는 충전전력을 공급하는 전력공급수단 또는 배터리(110)로부터 방전된 전력을 공급받는 부하가 연결될 수 있다. 도 1에는 도면의 간소화를 위해 전력공급수단 또는 부하를 별도로 도시하지 않았다. 상기 전력공급수단의 예로는, 상용 전력망, 대용량 전력 저장 장치, 차량의 제너레이터, 외부 충전기, 배터리가 장착된 장치의 내부 충전기 등을 들 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 부하의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 모터, DC to DC 컨버터, 상용 전력망 등으로 구성할 수 있다.
상기 센서부(120)는 상기 배터리(110)의 전기적 특성값을 측정하여 전기적 특성값을 나타내는 신호를 상기 제어부(130)측으로 출력한다. 전기적 특성값이란, 배터리(110)의 전압, 충방전시 도선에 흐르는 전류, 배터리(110)의 온도 등을 의미한다. 본 발명에서 전기적 특성값은 충전 또는 방전 용량의 계산, SOC 추정 등 배터리(110)의 상태를 파악하기 위해 측정한다. 이를 위해 상기 센서부(120)는 상기 제어부(130)의 제어 신호에 의해 상기 배터리(110)의 전기적 특성값을 측정한다. 상기 센서부(120)의 전기적 특성값 측정은 미리 설정된 간격에 의해 주기적으로 수행될 수 있으며, 사용자 또는 상기 제어부(130)를 관리하는 상위 시스템의 요청에 의해서 수행될 수도 있다.
바람직하게, 상기 센서부(120)는 전압 측정기(121) 및/또는 전류 측정기(123) 및/또는 온도 측정기(125)를 포함한다. 상기 전압 측정기(121)는 배터리(110)의 전체 전압 및/또는 배터리(110) 내에 포함된 각 셀의 전압을 측정하고, 이에 대응하는 전압 신호를 상기 제어부(130)측으로 출력한다. 상기 전류 측정기(123)는 배터리(110)의 충방전시 상기 배터리(110)와 전력공급수단 또는 부하 사이에 연결된 저항 소자(R)에 흐르는 전류의 크기를 측정하여 이에 대응하는 전류 신호를 상기 제어부(130)측으로 출력한다. 상기 온도 측정기(125)는 배터리(110)의 충방전시 상기 배터리(110)의 온도를 측정하여 이에 대응하는 온도 신호를 상기 제어부(130)측으로 출력한다. 배터리(110)의 성능은 온도에 따라 변화되므로 배터리의 특성값 중 하나로 배터리(110)의 온도를 측정하면 더욱 정확하게 배터리의 상태를 파악할 수 있다.
상기 센서부(120)는 도 1에 도시한 전압 측정기(121), 전류 측정기(123) 및 온도 측정기(125)에 한정되지 않으며, 상기 배터리(110)의 전기적 특성을 센싱할 수 있는 모든 측정 장치를 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
상기 제어부(130)는 상기 센서부(120)가 출력한 전기적 특성값을 나타내는 신호로부터 배터리(110)의 충전된 또는 방전된 에너지량을 계산한다. 에너지량을 계산하는 일 예로 적산전류값을 이용한 방법이 있다. 적산전류값은 특정 전압 구간 또는 시간 영역에서 상기 센서부(120)가 측정한 전류값을 모두 합산하여 충전 또는 방전된 전하량을 구하는 방법이다. 적산전류값을 구하는 방법은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게 널리 알려진바 자세한 설명은 생략한다.
이때, 적산전류값은 기본적으로 배터리(110)의 전압 및 전류 측정값에 의해 계산이 되지만, 배터리(110)는 온도에 영향을 받으므로, 충방전시 온도를 고려하여 보다 정확하게 적산전류값을 계산할 수 있다.
그리고, 상기 제어부(130)는 배터리(110)의 퇴화 정도에 따라 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 배터리(110)가 충방전되는 사용 영역을 가변시킨다.
배터리는 물리적으로 충전될 수 있는 상한과 물리적으로 방전될 수 있는 하한을 가지고 있다. 그러나, 실제 사용 환경에서 물리적 상한 및 하한까지 충방전을 하지 않는다. 그 대신 배터리의 물리적 상한과 하한 범위 내에서 배터리의 안전성, 수명 및 에너지 효율성의 측면에서 사용 영역을 적절하게 설정하고, 사용 영역 내에서만 충전 및 방전을 실시한다.
즉, 물리적 한계 방전점보다 높게 사용 영역의 하한을 설정하고, 물리적 한계 충전점보다 낮게 사용 영역의 상한을 설정한다. 사용 영역의 설정은 배터리의 특성, 사용 환경, 요구되는 충방전 용량, 에너지 출력 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 이하에서는, 배터리의 방전 과정에서 배터리의 상태가 설정된 사용 영역의 하한점에 도달되었을 때 완전 방전(또는, 만방전)이 되었다고 정의한다. 그리고 배터리의 충전 과정에서 배터리의 상태가 설정된 사용 영역의 상한점에 도달되었을 때 완전 충전(또는, 만충전)이 되었다고 정의한다.
배터리(110)의 사용 기간이 얼마 되지 않은 경우에는 초기에 설정된 사용 영역 내에서 배터리(110)를 충방전하여도 요구되는 충방전 용량 또는 에너지 출력을 충분히 얻을 수 있다. 그렇지만, 배터리(110)가 퇴화될 수록 설정된 사용 영역 내에서 만충전 및 만방전을 하더라도 요구되는 충방전 용량 또는 에너지 출력을 얻지 못한다. 따라서, 상기 제어부(130)는 배터리(110)가 충방전되는 사용 영역을 가변시킴으로써 충방전 용량 또는 에너지 출력을 미리 설정한 에너지 사용량으로 일정하게 유지시킨다.
바람직하게, 상기 제어부(130)는 상기 사용 영역 전체에 걸쳐서 배터리(110)의 충전 또는 방전된 에너지량을 계산한다. 상기 배터리(110)의 일부 사용 영역에서 측정한 전기적 특성값을 이용하여 충전된 또는 방전된 에너지량을 계산하는 것보다, 상기 설정된 사용 영역 전체에 걸쳐 충전된 또는 방전된 에너지량을 계산하는 것이 보다 정확하다.
일 예로, 충전된 에너지량의 계산시에는 만방전점부터 충전하여 만충전에 도달할 때까지 측정한 전류값을 이용하여 적산전류값을 계산한다. 또한, 방전된 에너지량의 계산시에는 만충전점부터 방전하여 만방점점에 도달할 때까지 측정한 전류값을 이용하여 적산전류값을 계산한다. 이때, 충전 또는 방전이 중간에 중단되지 않고 연속적으로 측정된 전류값을 이용하면 더욱 정확하게 충전된 또는 방전된 에너지량의 측정이 가능하다.
바람직하게, 상기 제어부(130)는 상기 계산된 에너지량과 상기 미리 설정한 에너지 사용량의 차이값을 구한다. 그리고, 차이값이 임계치보다 크면 상기 배터리(110)가 충방전되는 사용 영역을 가변시킨다.
상기 센서부(120)가 출력한 전기적 특성값은 상기 배터리(110)의 충전상태, 부하의 종류, 사용 환경 등에 의해서 오차를 포함하고 있다. 따라서 전기적 특성값에 의해 충전된 또는 방전된 에너지량 역시 계산시 오차가 발생할 수 있다.
따라서, 상기 계산된 에너지량과 상기 미리 설정한 에너지 사용량의 차이값을 구하고, 이 차이값이 임계치보다 크면 배터리(110)의 사용 영역을 가변시키는 것이 바람직하다. 상기 임계치는 미리 설정한 에너지 사용량의 일정 비율로 설정하거나, 상기 센서부(120)의 정확도를 고려하여 설정하는 등 다양한 값으로 설정이 가능하다.
본 발명에 있어서 상기 제어부(130)는 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 배터리(110)의 사용 영역을 가변시킨다. 이 때, 상기 제어부(130)는 상기 차이값에 따른 사용 영역의 가변 정도를 정의한 룩업 테이블을 참고하여 배터리(110)가 충방전되는 사용 영역을 가변시킬 수 있다.
동일한 에너지 사용량을 유지하도록 가변시켜야할 사용 영역은 배터리(110)의 특성에 따라, 충방전 사이클의 반복 횟수에 따라 다양할 수 있다. 따라서, 실제 배터리를 이용한 실험을 통해서 얻은 데이터를 이용하여 룩업 테이블을 구성하고, 이를 참고하여 상기 제어부(130)는 배터리의 사용 영역을 가변시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부(130)는 배터리(110)의 사용 영역이 가변되면 가변된 사용 영역에서 상기 배터리(110)의 충전과 방전을 제어 한다. 즉, 상기 배터리(110)에 전력공급수단이 연결되면, 상기 제어부(130)는 스위치부(140)를 제어하여 배터리(110)의 상태가 상기 가변된 사용 영역의 하한점에 대응될 때 충전을 개시하고, 배터리(110)의 상태가 상기 가변된 사용 영역의 상한점에 대응될 때 충전을 종료한다. 또한, 상기 배터리(110)에 부하가 연결되면, 상기 제어부(130)는 스위치부(140)를 제어하여 배터리(110)의 상태가 상기 가변된 사용 영역의 하한점 이상일 때만 방전을 개시하고, 배터리(110)의 상태가 상기 가변된 사용 영역의 하한점에 대응될 때 방전을 종료한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 사용 영역은 배터리(110)의 전압 대역에 의해 정해지고, 상기 제어부(130)는 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 전압 대역을 증가시킨다.
배터리(110)의 특성상, 충전이 진행될수록 배터리(110)의 전압은 상승된다. 따라서 상기 배터리(110)의 양단 전압을 측정하여 배터리(110)의 충전 상태를 측정하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 배터리(110)의 전압 대역을 이용하여 배터리(110)의 충전과 방전의 제어 기준이 되는 사용 영역을 설정할 수 있다.
도 2는 배터리(110)의 충방전 사이클이 증가함에 따라 배터리(110)의 사용 대역이 전압을 기준으로 가변되는 실시예를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 가로 축은 시간의 흐름을 나타내며, 세로 축은 배터리의 사용 영역을 나타내는 전압값을 나타낸다. 본 실시예에서는, 시간이 흐를수록 배터리의 퇴화 정도가 증가하고, 총 40Ah 용량을 가진 배터리에 20Ah를 충전하여 사용하고 만방전 전압을 3.7V로 설정하였다. 처음 충방전 사이클에 있어서는 배터리의 전압이 3.7V일 때부터 충전을 시작하여 충전량이 20Ah에 도달할 때 배터리의 전압은 4.0V이다. 따라서, 초기 사용 전압 대역은 3.7V ~ 4.0V이다.
상기 배터리는 시간이 흐를 수록 점차 퇴화되어 3.7V ~ 4.0V 대역에서 충방전량이 20Ah에 미치지 못한다. 이때, 상기 제어부(130)는 충방전량이 20Ah가 되도록 전압 대역의 상한을 가변시킨다. 따라서, 도 2에서 가변된 각 전압 대역에서의 충방전량(S1 ~ Sn)은 모두 초기 충방전량(S0)인 20Ah로 모두 동일하게 유지된다.
도 2에는, 전압 대역의 상한만을 가변시켜 충방전량을 유지시키는 예시를 도시하였다. 그러나, 상기 제어부(130)는 전압 대역의 하한을 감소시켜 전압 대역을 증가시키는 것도 가능하며, 전압 대역의 상한을 증가 및 하한을 감소시키는 결합에 의해 전압 대역을 증가시키는 것도 가능하다. 물론 전압 대역의 변경은 배터리의 안전성에 문제를 야기하지 않는 범위 내에서 이루어져야 하는 것은 자명하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 사용 영역은 배터리(110)의 SOC 대역에 의해 정해지고, 상기 제어부(130)는 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 SOC 대역을 증가시킨다.
도 3은 배터리(110)의 충방전 사이클이 증가함에 따라 배터리(110)의 사용 대역이 SOC를 기준으로 가변되는 실시예를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 가로 축은 시간의 흐름을 나타내며, 세로 축은 배터리(110)의 충전 용량을 나타낸다. 그리고, 배터리의 사용 SOC 대역은 배터리의 충전 용량을 나타내는 그래프와 함께 표현되었다. SOC는 충전 가능한 전체 용량에서 현재 충전된 전하량을 백분율로 나타내는 파라미터이다.
본 실시예에서도 총 충전 용량이 40Ah인 배터리에 20Ah를 충전하여 사용하는 환경을 가정하였다. 또한, 상기 배터리의 SOC 대역은 완전 방전 상태인 0%를 사용 영역의 하한으로 설정하였다. 따라서, 20Ah를 충전하게 되면, SOC 대역 중 0% ~ 50%에 해당하는 구간이 사용 영역으로 설정된다.
상기 배터리는 시간이 흐를 수록 점차 퇴화되어 SOC 대역 중 0% ~ 50%에 해당하는 구간의 충방전량이 20Ah에 미치지 못한다. 이때, 상기 제어부(130)는 충방전량이 20Ah가 되도록 SOC 대역의 상한을 가변시킨다. 따라서, 도 3에 가변된 각 SOC 대역에서 충방전량은 모두 초기 충방전량인 20Ah로 모두 동일하게 유지된다.
도 3에는, SOC 대역의 상한만을 가변시켜 충방전량을 유지시키는 예시를 도시하였다. 하지만 상기 제어부(130)는, SOC 대역의 상한을 증가하는 것은 물론이며, 하한을 감소시켜 SOC 대역을 증가시키는 것도 가능하다. 물론 이 경우, 상기 예와 달리 사용 영역의 초기 하한에 해당하는 SOC는 0% 보다 커야 함은 자명하다. 나아가 SOC 대역의 상한을 증가 및 하한을 감소시키는 결합에 의해 SOC 대역을 증가시키는 것도 가능하다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치(100)는 상기 전기적 특성값, 에너지 사용량 및 가변된 사용 영역을 정의하는 파라미터를 저장하는 메모리부(150)를 더 포함한다. 상기 메모리부(150)는 RAM, ROM, EEPROM등 데이터를 기록하고 소거할 수 있다고 알려진 공지의 반도체 소자나 하드 디스크와 같은 대용량 저장매체로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 스위치부(140)에 사용되는 스위치 소자로는, 기계식 릴레이 스위치, 전기장 효과 트랜지스터(FET) 등의 반도체 소자가 사용될 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 상기 스위치부(140)는 상기 배터리(110)와 전력공급수단 또는 부하를 연결할 수 있는 모든 스위치 소자 및 구조를 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
상기 제어부(130)는 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치(100)의 제어 로직을 프로그램한 코드를 실행할 수 있는 마이크로프로세서로 구성할 수도 있고, 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 장치(100)의 제어 로직을 논리 회로로 구현한 주문형 반도체 칩으로도 구성할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
또한, 상기 제어부(130)의 충전 및 방전 제어를 위한 방법은 도 1에 도시한 스위치부(140)를 이용한 제어 방법에 한정되지 않으며, 공지 기술을 포함하여 당업자가 공지 기술로부터 용이하게 적용 가능한 모든 배터리(110)의 충전 및 방전 제어 장치 및 방법을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명에 따르면, 상기 센서부(120), 제어부(130) 및 메모리부(150)는 BMS(Battery Management System)의 구성 요소로 통합될 수도 있고 별도의 회로 장치를 구성하는 것도 가능하다. BMS의 구성 요소로 통합될 경우, 상기 제어부(130)는 BMS의 제어 로직을 수행하는 마이크로 프로세서에 해당할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
이하에서는 상술된 배터리 사용 영역 가변 장치(100)를 이용하여 배터리의 사용 영역을 가변하는 방법에 대해서 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 방법을 설명함에 있어서, 상술한 배터리 사용 영역 가변 장치(100)에서 상세히 설명된 부분에 대해서는 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 방법의 순서를 도시한 절차 흐름도이다.
먼저, 단계 S300에서, 상기 제어부(130)는 요구되는 에너지 사용량 및 초기 사용 영역 설정 정보를 메모리부(150)로부터 로딩한다. 상기 에너지 사용량은 배터리(110)의 제조자 또는 사용자에 의해 설정된 값으로 배터리(110)의 성능 또는 용량을 고려하여 다양하게 설정될 수 있으며, 변경될 수도 있다. 또한, 초기 사용 영역은 에너지 사용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 앞서 살펴보았듯이 전압 대역 또는 SOC 대역에 의해 사용 영역이 설정될 수 있으며, 사용 영역의 상한 및 하한 또는 상한과 하한 중 어느 하나만을 설정하는 것도 가능하다.
다음으로, 단계 S310에서, 상기 제어부(130)는 상기 센서부(120)로부터 전기적 특성값에 대한 신호를 수신한다. 상기 전기적 특성값은 배터리(110)의 전압 및/또는 전류 및/또는 온도 측정값을 포함할 수 있다. 본 단계는 상기 메모리부(150)에 미리 저장된 시간 간격에 의해 주기적으로 수행될 수 있으며, 사용자 또는 상기 제어부(130)를 관리하는 상위 시스템의 요청에 의해서 수행될 수도 있다.
그 다음으로, 단계 S320에서, 상기 제어부(130)는 수신된 전기적 특성값 신호를 이용하여 배터리(110)의 충전된 또는 방전된 에너지량을 계산한다. 이 때, 충전된 또는 방전된 에너지량은 미리 설정한 사용 영역 대역 전체에 걸쳐 충전 또는 방전되는 조건에서 계산하는 것이 바람직하다. 충전 또는 방전된 에너지량을 계산하는 방법은 상술하였으므로 중복 설명을 생략한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 방법은 상기 계산된 충방전 에너지량과 미리 설정된 에너지 사용량을 비교하여, 그 차이값이 임계치보다 크거나 같은지 판단한다(단계 S330).
배터리(110)가 퇴화될수록 상기 계산된 에너지량은 초기에 설정된 에너지 사용량보다 줄어들게 될 것이다. 즉, 초기에 설정된 사용 영역내에서는 설정된 에너지 사용량을 유지할 수 없게 된다. 다만, 상기 차이값이 설정된 사용 영역내에서의 실제 충전 용량이 줄어든 것인지, 아니면 충방전 에너지량의 계산시 상기 센서부(120)의 측정 오차 등에 의한 차이인지 구분할 필요가 있다. 따라서, 상기 차이값이 임계치보다 크거나 같은지 판단하는 단계 S330을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 계산된 충방전 에너지량과 미리 설정된 에너지 사용량의 차이가 임계치보다 작으면(단계 S330의 NO), 단계 S310으로 돌아가서 전기적 특성값 신호를 수신하여 충전 또는 방전된 에너지량을 계산하는 과정을 반복한다.
반면, 상기 계산된 충방전 에너지량과 미리 설정된 에너지 사용량의 차이값이 임계치보다 크면(단계 S330의 YES), 상기 제어부(130)는 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 배터리(110)가 충방전되는 사용 영역을 가변시킨다(단계 S340).
사용 영역이 배터리(110)의 전압 대역에 의해 설정된 경우, 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 전압 대역의 상한을 증가 또는 하한을 감소 또는 이들의 결합에 의해 전압 대역을 증가시킬 수 있다.
한편, 사용 영역이 배터리(110)의 SOC 대역에 의해 설정되어 있는 경우, 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 SOC 대역의 상한을 증가 또는 하한을 감소 또는 이들의 결합에 의해 SOC 대역을 증가시킬 수 있다.
사용 영역을 가변시키는 방법으로서, 상기 차이값에 따른 사용 영역의 가변 정도를 정의한 룩업 테이블을 참고할 수 있다. 예를 들어, 초기 설정된 에너지 사용량이 20Ah인 경우, 임계치를 0.5Ah로 설정할 수 있다. 그리고, 충방전량을 0.5Ah 증가 시키기 위해서는 전압 대역에서 0.05V만큼 상승 시켜야 하는 것을 실험을 통해 작성된 룩업 테이블로 상기 메모리부(150)에 저장할 수 있다. 따라서, 상기 계산된 충방전 에너지량이 20Ah에서 19.5Ah로 변경된 경우, 상기 제어부(130)는 사용 영역의 상한을 4.0V에서 4.05V로 가변시킬 수 있다.
상기 룩업 테이블을 참고하여 사용 영역을 가변시키는 예시는 일 예에 불과하며, 상한 증가, 하한 감소, 또는 그 조합에 의한 사용 영역을 어느 정도 변경할 것인가는 실험을 통해 다양한 룩업 테이블로 구축될 수 있음은 자명하다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 방법은, 상기 제어부(130)가 상기 가변된 사용 영역에 대응되도록 배터리(110)의 충방전을 제어하는 단계 S350을 더 포함한다.
상기 배터리(110)가 충전 전력을 공급하는 전력공급수단에 연결되면, 상기 제어부(130)는 상기 가변된 사용 영역내에서만 충전이 이루어질 수 있게 상기 배터리(110)와 전력공급수단을 연결하는 스위치부(140)를 제어한다. 한편, 상기 배터리(110)로부터 전력을 공급받는 부하가 연결되면, 상기 제어부(130)는 상기 가변된 사용 영역내에서만 방전이 이루어질 수 있게, 마찬가지로 상기 배터리(110)와 부하를 연결하는 스위치부(140)를 제어한다. 상기 충전 또는 방전을 제어하는 방법으로서 스위치부(140)의 제어는 일 예시에 불과하며, 상술하였듯이 당업자의 수준에서 충방전을 제어하는 모든 방법을 고려할 수 있다.
또한 바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 사용 영역 가변 방법은, 상기 제어부(130)가 상기 전기적 특성값, 에너지 사용량 및 가변된 사용 영역을 정의하는 파라미터를 상기 메모리부(150)에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다. 각 데이터의 저장은 상기 각 단계에서 과업이 수행 되는 것과 함께 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리의 퇴화 정도에 따라 사용 영역을 가변시켜 배터리의 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 배터리의 사용 년한에 따라 배터리의 사용 영역을 가변시켜 동일한 충방전량 및 출력 효율을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어, 도 1에 도시된 본 발명의 배터리 사용영역 가변 장치(100)에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 배터리 사용 영역 가변 장치 110 : 배터리
120 : 센서부 121 : 전압 측정기
123 : 전류 측정기 125 : 온도 측정기
130 : 제어부 140 : 스위치부
150 : 메모리부 R : 저항 소자
V+ : 고전위 단자 V- : 저전위 단자

Claims (26)

  1. 배터리의 전기적 특성값을 측정하여 출력하는 센서부; 및
    상기 전기적 특성값으로부터 배터리의 충전된 또는 방전된 에너지량을 계산하고, 배터리의 퇴화 정도에 따라 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리에 충전된 또는 방전된 에너지량을 계산시 사용 영역 전체에서 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 계산된 에너지량과 상기 미리 설정한 에너지 사용량의 차이값이 임계치보다 크면 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시키는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 차이값에 따른 사용 영역의 가변정도를 정의한 룩업 테이블을 참고하여 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시키는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가변된 사용 영역에 따라 배터리의 충전을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가변된 사용 영역에 따라 배터리의 방전을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 사용 영역은 배터리의 전압 대역에 의해 정해지고,
    상기 제어부는, 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 전압 대역을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 전압 대역의 상한을 증가 또는 하한을 감소 또는 이들의 결합에 의해 전압 대역을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 사용 영역은 배터리의 SOC 대역에 의해 정해지고,
    상기 제어부는, 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 SOC 대역을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, SOC 대역의 상한을 증가 또는 하한을 감소 또는 이들의 결합에 의해 SOC 대역을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는, 전류 측정기 또는 전압 측정기인 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 센서부는, 충방전시 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전기적 특성값, 에너지 사용량 및 가변된 사용 영역을 정의하는 파라미터를 저장하는 메모리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 장치.
  14. (a) 배터리의 전기적 특성값에 대한 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 전기적 특성값 신호로부터 배터리의 충전된 또는 방전된 에너지량를 계산하는 단계; 및
    (c) 배터리의 퇴화 정도에 따라 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (b)단계는, 상기 배터리에 충전된 또는 방전된 에너지량을 계산시 사용 영역 전체에서 계산하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 계산된 에너지량과 미리 설정한 에너지 사용량과의 차이값을 계산하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 (c)단계는, 상기 계산된 에너지량과 상기 미리 설정한 에너지 사용량의 차이값이 임계치보다 크면 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시키는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (c)단계는, 상기 차이값에 따른 사용 영역의 가변정도를 정의한 룩업 테이블을 참고하여 배터리가 충방전되는 사용 영역을 가변시키는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 가변된 사용 영역에 대응되는 배터리의 충전 용량에 따라 배터리의 충전을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 가변된 사용 영역에 대응되는 배터리의 방전 용량에 따라 배터리의 방전을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 사용 영역은, 배터리의 전압 대역에 의해 정해지고,
    상기 (c)단계는, 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 전압 대역을 증가 시키는 단계임을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 (c)단계는, 전압 대역의 상한을 증가 또는 하한을 감소 또는 이들의 결합에 의해 전압 대역을 증가시키는 단계임을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 사용 영역은, 배터리의 SOC 대역에 의해 정해지고,
    상기 (c)단계는, 미리 설정한 에너지 사용량을 유지하도록 SOC 대역을 증가시키는 단계임을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 (c)단계는, SOC 대역의 상한을 증가 또는 하한을 감소 또는 이들의 결합에 의해 SOC 대역을 증가시키는 단계임을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 상기 전기적 특성값은, 배터리의 전압 또는 전류 측정값인 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 전기적 특성값은, 상기 배터리의 온도 측정값을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
  26. 제14항에 있어서,
    상기 전기적 특성값, 에너지 사용량 및 가변된 사용 영역을 정의하는 파라미터를 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 사용 영역 가변 방법.
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