KR20140125473A

KR20140125473A - 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법

Info

Publication number: KR20140125473A
Application number: KR1020130043023A
Authority: KR
Inventors: 조영신; 이수진; 심영우
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-10-29
Also published as: JP2014211427A; EP2952922A1; EP2793038A2; US20140312910A1; CN104113103B; EP2793038B1; JP6622448B2; KR102082866B1; CN104113103A; EP2952922B1; EP2793038A3

Abstract

본 발명은 배터리의 전류, 전압을 측정하여 전류 데이터 및 전압 데이터를 획득하는 센싱부; 및 상기 전류 데이터 및 상기 전압 데이터를 이용하여 상기 배터리의 용량을 관리하는 MCU를 포함하되, 상기 MCU는 상기 전류 데이터 및 상기 배터리의 내부저항을 이용하여 상기 배터리의 현재의 방전조건에서 사용 불가능한 사용불능용량을 산출하는 사용불능용량 산출부를 포함하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

Description

배터리 관리 시스템 및 그 구동방법{Battery management system and driving method thereof}

본 발명은 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 용량을 관리하는 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있다. 전기 자동차 등과 같이 모터 구동을 위한 대전력을 필요로 하는 기기에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차전지는 복수 개를 직렬로 연결하여 대용량의 이차전지(이하, "배터리"라 함)를 구성하게 된다.

상기와 같은 배터리의 경우 복수개의 이차 전지의 충방전 등을 제어하여 배터리가 적정한 동작 상태로 유지하도록 관리할 필요성이 있다. 이를 위해 각 이차 전지의 전압, 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 이차 전지의 충방전을 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 구비된다.

배터리를 효율적으로 사용하기 위해서는 배터리 관리 시스템에서 배터리의 용량을 정확하게 추정하는 것이 요구된다.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 배터리의 용량을 정확하게 추정할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 배터리의 전류, 전압을 측정하여 전류 데이터 및 전압 데이터를 획득하는 센싱부; 및 상기 전류 데이터 및 상기 전압 데이터를 이용하여 상기 배터리의 용량을 관리하는 MCU를 포함하되, 상기 MCU는 상기 전류 데이터 및 상기 배터리의 내부저항을 이용하여 상기 배터리의 현재의 방전조건에서 사용 불가능한 사용불능용량을 산출하는 사용불능용량 산출부를 포함하는 배터리 관리 시스템이 제공된다.

상기 사용불능용량은 상기 전압 데이터가 방전중지전압에 도달하여 상기 배터리가 만방전 된 경우 상기 배터리에 남아 있는 잔여용량을 의미할 수 있다.

상기 센싱부는 상기 배터리의 온도를 측정하여 온도 데이터를 더 획득하되, 상기 방전조건은 현재의 방전 시점에서 획득되는 상기 전류 데이터의 크기 및 상기 온도 데이터의 크기 중 적어도 하나를 의미할 수 있다.

상기 사용불능용량 산출부는 상기 MCU에 미리 저장된 전류데이터 및 내부저항과 사용불능용량과의 비례계수를 더 이용하여 상기 방전조건에서의 사용불능용량을 산출할 수 있다.

상기 사용불능용량 산출부는 상기 배터리의 내부저항을 상기 방전조건에서의 전류 데이터의 크기에 따라 결정되는 보정변수를 이용하여 보정할 수 있다.

상기 MCU는 상기 배터리의 최대용량, 상기 배터리의 미충전용량, 상기 사용불능용량을 이용하여 상기 배터리의 사용 가능한 전체용량을 산출하는 전체용량 산출부를 포함할 수 있다.

상기 MCU는 상기 배터리가 안정된 시점에 측정된 전압 데이터인 OCV(Opne Circuit Voltage)를 이용하여 상기 배터리의 기 사용용량을 산출하는 기 사용용량 산출부를 더 포함할 수 있다.

상기 MCU는 상기 전류 데이터를 적산하여 전류적산 값을 산출하는 전류적산부를 더 포함하되, 상기 전류적산부는 상기 기 사용용량이 산출되는 시점의 전류적산 값을 0으로 설정할 수 있다.

상기 MCU는 상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 상기 배터리의 만충전 시점까지의 전류 데이터가 적산된 제1 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 미충전용량을 산출하는 미충전용량 산출부를 더 포함할 수 있다.

상기 만충전 시점은 상기 획득되는 전압 데이터의 크기가 미리 설정된 만충전 전압 값 이상이며, 상기 획득되는 전류 데이터의 크기가 미리 설정된 값 미만이 되는 시점을 의미할 수 있다.

상기 MCU는 상기 배터리의 마지막 충전 또는 방전 직전의 제1 안정된 시점에서 획득된 전압 데이터인 제1 OCV를 이용하여 산출된 제1 방전 심도, 상기 배터리의 마지막 충전 또는 방전 후의 제2 안정된 시점에서 획득된 제2 OCV를 이용하여 산출된 제2 방전 심도 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 상기 제2 안정된 시점까지의 상기 전류 데이터가 적산된 제2 전류적산 값을 이용하여 상기 최대용량을 산출하는 최대용량 산출부를 더 포함할 수 있다.

상기 안정된 시점은 미리 설정된 시간 동안 상기 배터리에서 방전되는 전류 데이터의 크기가 미리 설정된 값 미만 이거나 또는 상기 전압 데이터의 크기 변화가 미리 설정된 값 미만인 경우 중 적어도 하나를 만족하는 시점을 의미할 수 있다.

상기 최대 용량 산출부는 상기 제2 전류적산 값이 미리 설정된 값 이상인 경우 상기 최대 용량을 산출할 수 있다.

상기 MCU는 상기 전체용량, 상기 미충전용량, 상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 현 시점까지의 상기 전류 데이터가 적산된 제3 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 실제 사용 가능한 잔여용량을 산출하는 잔여용량 산출부를 더 포함할 수 있다.

상기 내부저항은 기준 내부저항, 상기 방전조건에서의 온도 데이터 및 온도 보정변수를 이용하여 산출되되, 상기 기준 내부저항은 상기 임의의 한 지점에서의 SOC를 이용하여 추정된 OCV, 상기 임의의 한 지점에서 측정된 전류, 전압, 온도 데이터 및 상기 온도 보정변수 중 적어도 하나를 이용하여 산출되는 저항을 의미하며, 상기 온도 보정변수는 상기 내부저항 값을 표준화 하기 위한 온도와 내부저항관계의 관계 데이터를 의미할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리의 전류, 전압 및 온도를 측정하여 전류 데이터를 획득하는 센싱부; 및 상기 전류 데이터 및 상기 전압 데이터를 이용하여 상기 배터리의 용량을 관리하는 MCU를 포함하되, 상기 MCU는 상기 배터리가 안정된 시점에 획득된 전압 데이터인 OCV를 이용하여 상기 기 사용용량을 산출하는 기 사용용량 산출부; 및 상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량 산출 시점부터 상기 배터리의 만충전 시점까지의 전류 데이터가 적산된 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 미충전용량을 산출하는 미충전용량 산출부를 포함하는 배터리 관리 시스템이 제공된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리의 전류 데이터 및 전압 데이터를 수신하는 단계; 상기 배터리의 안정된 시점에 수신된 전압 데이터인 OCV를 이용하여 상기 배터리의 기 사용용량을 산출하는 단계; 및 상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량 산출 시점부터 상기 배터리의 만충전 시점까지의 전류 데이터가 적산된 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 미충전용량을 산출하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법이 제공된다.

상기 전류 데이터 및 상기 배터리의 내부 저항을 이용하여 상기 배터리의 현재의 방전조건에서 사용 불가능한 사용불능용량을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리의 최대용량, 상기 배터리의 미충전용량, 상기 사용불능용량을 이용하여 상기 배터리의 사용 가능한 전체용량을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 전체용량, 상기 미충전용량, 상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량 산출시점부터 현 시점까지의 상기 전류 데이터가 적산된 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 실제 사용 가능한 잔여용량을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 현재의 방전조건을 고려한 배터리의 용량을 효율적으로 산출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 OCV와 SOC의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용불능용량과 전류, 온도, 내부저항과의 관계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 내부저항과 DOD의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 최대용량, 전체용량, 미충전용량, 기 사용용량, 사용불능용량 잔여용량들 간의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동방법을 도시한 순서도이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 배터리(10)는 대용량의 전지 모듈로서 다수개의 이차 전지(11)가 일정 간격을 두고 연속적으로 배열되며, 상기 복수의 이차 전지가 내부에 배치되고 냉각매체가 유통되는 하우징(13), 상기 배터리의 충방전을 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(20)을 포함할 수 있다.

이차 전지(11) 사이 및 최외측의 이차 전지(11)에 전지 격벽(12)이 배치될 수 있으며, 이 전지 격벽(12)은 각 이차 전지(11)의 간격을 일정하게 유지 시키면서 온도 제어용 공기를 유통시키고, 각 이차 전지(11)의 측면을 지지하는 기능을 하게 된다.

도 1에서는 이차 전지(11)들이 사각형의 외형을 가진 것으로 도시되어 있으나, 이차 전지(11)는 원통형 구조일 수 있음은 물론이다.

배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10)에 설치된 전류 센서, 전압 센서 및 온도 센서로부터 데이터를 제공받고, 상기 데이터를 이용하여 배터리의 용량을 관리한다.

종래의 일반적인 배터리(10)의 용량 계산방법은 배터리(10)의 방전 효율을 이용한 전류 적산과 방전 말기의 전압을 이용한 용량 보정을 병행하여 사용하는 것이다. 만충전된 배터리(10)를 예로 들면 방전 초기 및 중기에는 방전 효율 테이블과 전류적산 값을 이용하여 용량을 계산하고, 방전 말기에는 배터리(10)의 전압을 이용하여 용량을 보정한다.

그러나 상기 방법은 3가지 문제점을 가지고 있다. 첫 번째는 용량을 계산하기 위해 사용되는 파라미터(방전효율 테이블, 전압보정 테이블)를 고정된 값으로 사용한다. 그러나 배터리(10)의 특성은 열화가 진행됨에 따라 변하게 되므로 상기 방법은 시간이 지남에 따라 정확도가 감소하게 된다.

두 번째 문제는 자가방전 계산에 있다. 자가방전은 배터리(10)가 미사용 기간동안 자연적으로 방전되는 현상이다. 이렇게 방전되는 용량은 전류 계측으로 측정될 수 없기 때문에 상기 방법은 임의의 고정된 값을 시간에 따라 반영하나 정확도가 떨어지는 문제가 있다.

세 번째는 문제는 배터리(10)의 전체용량을 알기 위해서는 만충전에서부터 만방전까지 방전경험이 필요하다는 점이다. 그러나 실 사용환경에서는 만방전 근처까지 방전되는 경우가 많지 않으므로 배터리(10)의 전체용량을 계산할 수 있는 기회가 적다. 상기의 3가지 문제는 배터리(10)의 용량계산에서 오차를 발생시키는 주요 원인이 된다.

따라서, 본 발명의 배터리 관리 시스템(20)은 배터리의 용량인 기 사용용량, 미충전용량, 최대용량, 배터리의 사용불능용량, 배터리의 실제 사용 가능한 전체용량, 배터리의 남아 있는 잔여용량 등을 현재의 방전조건을 고려하여 산출함으로써, 부분적으로 충방전이 이루어지는 환경에서도 배터리의 용량을 정확하게 계산할 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이 배터리 관리 시스템(20)은 센싱부(200) 및 MCU(Main Controller Unit)(300)를 포함할 수 있다.

센싱부(200)는 전류 센서, 전압 센서 및 온도 센서를 통해 배터리의 출력 전류, 전압 및 온도를 측정하여 전류 데이터, 전압 데이터 및 온도 데이터를 획득하고, 이를 MCU(300)에 전달한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MCU(300)는 기 사용용량 산출부(301), 전류적산부(303), 미충전용량 산출부(305), 최대용량 산출부(307), 사용불능용량 산출부(309), 내부저항 산출부(311), 전체용량 산출부(313) 및 잔여 용량 산출부(315)를 포함할 수 있다.

기 사용용량 산출부(301)는 배터리가 안정된 시점에 획득된 전압 데이터인 OCV(Open Circuit Voltage)를 이용하여 배터리의 기 사용된 용량인 기 사용용량을 산출한다.

여기서, 배터리의 안정된 시점은 미리 설정된 시간 동안 방전되는 전류 데이터의 크기가 미리 설정된 값 미만 이거나 또는 배터리의 전압의 변화가 미리 설정된 값 미만인 경우 중 적어도 하나를 만족하는 시점을 의미할 수 있다.

보다 상세하게, 기 사용용량 산출부(301)는 배터리가 안정된 시점의 전압 데이터인 OCV 및 OCV와 고유 용량(State of Charge, 이하 SOC라 함)과의 관계 데이터로부터 SOC를 추정한다. 구체적으로 MCU(300)는 OCV와 SOC 사이의 관계를 실험적으로 구한 관계 데이터를 미리 저장할 수 있다. 이러한 관계를 그래프로 도시하면 도 3과 같다. 도 3에 도시된 바와 같이 기 사용용량 산출부(301)는 상기 OCV(Vocv1)에 대응되는 SOC(SOC1)를 검출한다. 이어서, 기 사용용량 산출부(301)는 상기 추정된 SOC로부터 기 사용용량을 산출한다.

일 예로, 배터리의 최대용량이 1000mA/h이고, 추정된 배터리의 고유용량인 SOC가 40% 라면, 배터리의 기 사용된 용량인 기 사용용량은 최대용량의 60%인 600mA/h로 계산될 수 있다.

전류적산부(303)는 센싱부(200)에서 획득되는 전류 데이터를 적산한 전류적산 값을 산출한다.

여기서, 전류 데이터는 양(+)의 값을 가지는 충전 전류 및 음(-)의 값을 가지는 방전 전류를 포함할 수 있다. 따라서, 동일한 양의 충전과 방전이 이루어지면 전류적산 값은 0이 되게 된다.

본 발명에서는 기 사용용량이 산출되는 시점이 전류적산의 기준점이 된다. 즉 전류적산부(303)는 상기 기 사용용량이 산출되는 시점의 전류적산 값을 0으로 설정하고, 이후 획득되는 전류 데이터를 적산하여 전류적산 값을 산출한다.

미충전용량 산출부(305)는 기 사용용량 산출부(301)에서 산출된 상기 배터리의 기 사용용량 및 상기 전류적산부(303)에서 산출된 전류적산 값을 이용하여 배터리의 미충전용량을 산출한다.

일반적으로 배터리는 온도와 내부저항에 따라 최대용량까지 충전되지 못한다. 즉, 배터리가 만충전으로 인식됨에도 불구하고 충전되지 못하는 용량이 발생하며, 이러한 용량을 본 발명에서는 미충전용량으로 정의한다.

따라서, 미충전용량을 산출하기 위한 전류적산 값은 배터리의 만충전 시점까지의 전류 데이터가 적산된 제1 전류적산 값일 수 있다.

여기서, 만충전 시점은 센싱부(200)에서 획득되는 전압 데이터의 크기가 미리 설정된 만충전 전압 값 이상이며, 상기 획득되는 전류 데이터의 크기가 미리 설정된 값 미만이 되는 시점을 의미할 수 있다. 여기서, 만충전 전압 값은 배터리의 용량에 따라 달라질 수 있는 값이다. 상기에서 정의된 만충전 시점을 인식하는 방법은 일 예일 뿐이며, 만충전 시점을 인식하는 다양한 실시예가 있을 수 있음은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 미충전용량을 산출하는 수학식 1는 하기와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서,

는 미충전용량,

는 기 사용용량,

는 제1 전류적산 값을 의미한다.

일례로, 기 사용용량이 600mA/h이고, 전압 데이터가 만충전 전압 값 이상이 되는 순간의 제1 전류 적산 값이 500mA/h 인 경우 미충전용량은 100mA/h일 수 있다.

최대용량 산출부(307)는 배터리의 이론적 최대용량을 산출한다. 보다 상세하게, 최대용량 산출부(307)는 배터리의 마지막 충전 또는 방전 직전의 제1 안정된 시점에서 획득된 전압 데이터인 제1 OCV를 이용하여 산출된 제1 방전 심도(Depth of discharge, DOD), 상기 배터리의 마지막 충전 또는 방전 후의 제2 안정된 시점에서 획득된 전압 데이터인 제2 OCV를 이용하여 산출된 제2 방전 심도 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 상기 제2 안정된 시점까지의 전류 데이터가 적산된 제2 전류적산 값을 이용하여 최대용량을 산출할 수 있다.

여기서, 배터리의 안정된 시점은 미리 설정된 시간 동안 배터리의 전류가 방전되지 않거나 또는 배터리의 전압의 변화가 미리 설정된 값 미만인 경우 중 적어도 하나를 만족하는 시점을 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 미충전용량을 산출하는 수학식 2은 하기와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

여기서,

은 최대용량,

는 제2 전류적산 값,

은 제1 방전 심도,

는 제2 방전 심도를 각각 의미한다.

이때, 방전 심도는 하기의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

여기서, DoD는 0~1의 범위를 갖는다. 즉, 배터리의 만충전 시 DoD는 0의 값을 만방전시 DoD는 1의 값을 갖는다.

따라서, 최대용량 산출부(307)는 상기 제1 안정된 시점 및 제2 안정된 시점에 획득된 제1 OCV 및 제2 OCV를 이용하여 SOC를 각각 추정하고 상기 수학식 3을 이용하여 제1 방전 심도 및 제2 방전 심도를 산출한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 최대용량 산출부(307)는 제2 전류적산 값이 미리 설정된 값 이상인 경우에 상기 최대용량을 산출할 수 있다. 바람직하게, 최대용량 산출부(307)는 제2 전류적산 값이 이전에 산출된 최대용량의 20% 이상 일 때 최대용량을 산출할 수 있다. 제2 전류적산 값이 너무 적은 경우 산출되는 최대용량의 오차가 클 수 있기 때문이다.

사용불능용량 산출부(309)는 전류 데이터 및 배터리의 내부저항을 이용하여 배터리의 현재의 방전조건에서의 사용불능용량을 산출한다.

여기서, 사용불능용량은 배터리의 방전에 따라 전압 데이터가 방전 중지 전압에 도달한 경우 배터리에 남아 있는 잔존용량을 의미한다. 즉, 배터리를 사용하는 기기의 구동을 위해서는 최소 필요 전압이 존재하며, 최소 필요 전압 이하로 배터리의 출력 전압이 떨어지는 경우 기기는 동작할 수 없다. 즉, 배터리의 사용불능용량이란, 배터리가 완전 방전된 것은 아니나, 배터리의 전압 데이터가 기기 구동을 위한 최소한의 전압 즉 방전 중지 전압 이하로 떨어지는 경우의 배터리에 남아 있는 잔존용량을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용불능용량 산출부(309)는 MCU에 미리 저장된 방전 전류 및 상기 배터리의 내부저항과 사용불능용량과의 비례계수를 더 이용하여 배터리의 현재의 방전조건에서의 사용불능용량을 산출할 수 있다.

이때, 방전조건은 배터리의 방전 시의 전류 데이터의 크기 및 상기 온도 데이터의 크기 중 적어도 하나를 의미할 수 있으며, 사용불능용량은 하기의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

여기서,

는 상기 사용불능용량,

는 상기 비례계수,

는 방전 시의 전류 데이터,

는 상기 배터리의 내부저항,

는 보정변수를 각각 의미한다.

여기서, 보정변수는 배터리 방전시의 전류 데이터의 크기에 따라 결정되는 값을 의미하며, 사용불능용량의 산출 시 내부저항 값을 보정한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용불능용량과 전류, 온도, 내부저항과의 관계를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, A, B, C 그래프는 배터리의 방전 전류의 크기가 각각 a, b, c일 때의 수학식 4에 따른 그래프. A', B', C' 그래프는 배터리의 방전 전류의 크기가 각각 a, b, c일 때의 실험적으로 구한 사용불능용량과 전류, 온도, 내부저항과의 관계 그래프이다. 여기서, a, b, c는 a <b <c와 같은 관계를 가진다.

도 4의 그래프에서 Y축은 사용불능용량(

)을 의미하며, X축은 방전시의 전류 데이터와 내부저항의 곱을 의미하고, 그래프의 기울기는 비례계수(

)를 y 절편은 보정변수(

)와 전류 데이터간의 관계를 의미한다. 따라서, 비례계수 및 보정변수(

)는 실험적으로 구한 A, B, C 그래프를 1차 식으로 근사화한 A', B', C' 그래프를 통해 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 내부저항은 배터리의 온도에 따라 표준화(normalization)된 저항 값일 수 있으며, 내부저항 산출부(311)는 하기의 수학식 5을 이용하여 배터리의 내부저항을 산출할 수 있다.

[수학식 5]

여기서,

는 내부저항,

는 기준 내부저항,

는 온도 보정 변수,

는 SOC 및 OCV와 SOC와의 관계데이터를 이용하여 추정된 OCV 전압,

는 방전 시의 전류 데이터,

는 방전시의 전압 데이터를 의미한다.

보다 상세하게, 기준 내부저항(

)은 배터리의 방전심도(DOD)가 0 내지 0.7인 영역 중 임의의 한 지점에서의 SOC를 이용하여 추정된 OCV, 전류 데이터, 전압 데이터 및 온도 보정 변수를 이용하여 산출된 값일 수 있다. 바람직하게는 방전심도가 0.4인 상태에서 산출된 저항 값일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 내부저항과 DOD의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 5를 참조하면, DOD 가 0 내지 0.7인 영역의 내부저항 값은 평탄하며, DOD가 0.7을 초과하는 경우의 내부저항 값 대비 작은 값을 가진다. 따라서, DOD 가 0 내지 0.7인 영역, 바람직하게는 DOD가 0.4인 경우의 내부저항 값을 이용하는 경우 산출되는 사용불능용량의 오차 값을 작게 할 수 있는 이점이 있다.

일 예로, DOD 가 0.4인 경우, SOC는 수학식 3에 의해 60%의 값을 가진다. 내부저항 산출부(311)는 SOC(60%) 및 도 3에 도시된 OCV와 SOC와의 관계 데이터를 이용하여

를 산출하며, DOD가 0.4인 경우 측정된 전류 데이터 및 전압 데이터를 이용하여 기준 내부저항(

)을 산출한다. 또한, 배터리의 내부저항은 동일한 DOD조건에서 배터리의 온도에 따라 서로 다른 내부 저항을 가질 수 있으므로, 이를 표준화하기 위해 내부저항 산출부(311)는 DOD가 0.4인 경우의 온도 데이터에 따른 온도 보정 변수(

)를 이용하여 기준 내부저항(

)을 보정한다. 여기서, 온도 보정 변수(

)는 내부저항 값을 표준화 하기 위한 온도와 내부저항과의 관계 데이터를 의미하며, 도 6과 같이 도시될 수 있다.

이어서, 내부저항 산출부(311)는 기준 내부저항(

) 및 방전 시의 온도에 따른 온도 보정 변수를 이용하여 사용불능용량(

) 산출을 위한 내부저항(

)를 산출한다.

전체용량 산출부(313)는 상기에서 산출된 배터리의 미충전용량, 최대용량 및 사용불능용량을 이용하여 배터리의 현재의 방전조건에서 사용 가능한 전체용량을 산출한다. 배터리의 사용 가능한 전체용량은 하기의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 6]

여기서,

는 전체용량,

은 최대용량,

는 미충전용량,

는 사용불능용량을 각각 의미한다.

잔여용량 산출부(315)는 배터리의 전체용량, 미충전용량, 기 사용용량 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 현 시점까지의 전류 데이터가 적산된 제3 전류적산 값을 이용하여 배터리의 현재의 방전조건에서 남아있는 잔여용량을 산출한다. 배터리의 잔여용량은 하기의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 7]

여기서,

은 배터리의 잔여용량,

는 전체용량,

는 미충전용량,

는 기 사용용량,

은 제3 전류적산 값을 의미한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리의 최대용량, 전체용량, 미충전용량, 기 사용용량, 사용불능용량 잔여용량들 간의 관계를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 배터리 관리 시스템(20)은 기 사용용량(Qstart) 및 제1 전류적산 값(Qcc1)의 차를 이용하여 미충전용량(Qeoc)를 산출하고, 현 시점의 사용불능용량(Qres)를 산출하여 배터리의 현 시점의 방전조건에 따른 사용 가능한 전체용량(Qav)를 산출할 수 있다. 즉, 본 발명은 현 시점의 방전 조건을 고려하여 전체용량을 새롭게 산출함으로써 보다 정확한 배터리의 용량 관리가 가능하다. 또한, 배터리 관리 시스템은 현 시점에서의 사용 가능한 전체용량(Qav), 미충전용량(Qeoc), 기 사용용량(Qstart) 및 제3 전류적산 값(Qcc3)을 이용하여 현 시점에서의 배터리의 잔여용량(Qrm)을 정확하게 산출할 수 있다.

다시 말해, 본 발명은 현 시점의 방전 조건에 따른 용량(사용불능용량, 전체용량, 잔여용량 등)을 매번 새롭게 산출함으로써, 방전 효율 테이블과 전류적산을 이용하여 배터리의 용량을 계산하던 종래 방식에 비해 배터리의 사용에 따라 변경되는 열화특성을 더욱 반영할 수 있으며, 부분 충방전의 환경에서도 배터리의 용량들을 정확하게 관리할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동방법을 도시한 순서도이다.

도 7에 도시된 바와 같이 전류 MCU(300)는 센싱부(200)로부터 획득된 배터리의 전류 데이터 및 전압 데이터를 수신한다(S700).

이어서, MCU는 상기 획득된 전류 데이터 및 전압 데이터를 이용하여 배터리가 안정된 상태, 방전 상태 또는 만충전 상태인지 판단한다(S705).

단계(S705)에서 배터리가 안정된 상태인 경우, 기 사용용량 산출부(301)는 안정된 시점에 측정된 전압 데이터인 OCV를 이용하여 기 사용용량을 산출한다(S710).

단계(S705)에서 배터리가 만충전 상태인 경우, 미충전용량 산출부(305)는 상기 산출된 기 사용용량 및 기 사용용량이 산출된 시점부터 만충전 시점까의 전류 데이터를 적산한 전류적산 값을 이용하여 미충전용량을 산출한다(S715).

단계(S705)에서 배터리가 방전 상태인 경우, 사용불능용량 산출부(309)는 방전시의 전류 데이터 및 내부저항을 이용하여 사용불능용량을 산출한다(S720).

이어서, 전체용량 산출부(313)는 배터리의 최대용량, 미충전 용량, 사용불능용량을 이용하여 배터리의 전체용량을 산출한다(S725).

마지막으로, 잔여용량 산출부(315)는 배터리의 전체용량, 미충전용량, 기 사용용량 및 기 사용용량이 산출된 시점부터 현 방전 시점까지의 전류적산 값을 이용하여 배터리의 잔여용량을 산출한다(S730).

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리(10)는 대용량의 전지 모듈로서 다수개의 이차 전지(11)가 일정 간격을 두고 연속적으로 배열되며, 상기 복수의 이차 전지가 내부에 배치되고 냉각매체가 유통되는 하우징(13), 상기 배터리의 충방전을 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(20)을 포함할 수 있다.
이차 전지(11) 사이 및 최외측의 이차 전지(11)에 전지 격벽(12)이 배치될 수 있으며, 이 전지 격벽(12)은 각 이차 전지(11)의 간격을 일정하게 유지 시키면서 온도 제어용 공기를 유통시키고, 각 이차 전지(11)의 측면을 지지하는 기능을 하게 된다.
도 1에서는 이차 전지(11)들이 사각형의 외형을 가진 것으로 도시되어 있으나, 이차 전지(11)는 원통형 구조일 수 있음은 물론이다.
배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10)에 설치된 전류 센서, 전압 센서 및 온도 센서로부터 데이터를 제공받고, 상기 데이터를 이용하여 배터리의 용량을 관리한다.
종래의 일반적인 배터리(10)의 용량 계산방법은 배터리(10)의 방전 효율을 이용한 전류 적산과 방전 말기의 전압을 이용한 용량 보정을 병행하여 사용하는 것이다. 만충전된 배터리(10)를 예로 들면 방전 초기 및 중기에는 방전 효율 테이블과 전류적산 값을 이용하여 용량을 계산하고, 방전 말기에는 배터리(10)의 전압을 이용하여 용량을 보정한다.
그러나 상기 방법은 3가지 문제점을 가지고 있다. 첫 번째는 용량을 계산하기 위해 사용되는 파라미터(방전효율 테이블, 전압보정 테이블)를 고정된 값으로 사용한다. 그러나 배터리(10)의 특성은 열화가 진행됨에 따라 변하게 되므로 상기 방법은 시간이 지남에 따라 정확도가 감소하게 된다.
두 번째 문제는 자가방전 계산에 있다. 자가방전은 배터리(10)가 미사용 기간동안 자연적으로 방전되는 현상이다. 이렇게 방전되는 용량은 전류 계측으로 측정될 수 없기 때문에 상기 방법은 임의의 고정된 값을 시간에 따라 반영하나 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
세 번째는 문제는 배터리(10)의 전체용량을 알기 위해서는 만충전에서부터 만방전까지 방전경험이 필요하다는 점이다. 그러나 실 사용환경에서는 만방전 근처까지 방전되는 경우가 많지 않으므로 배터리(10)의 전체용량을 계산할 수 있는 기회가 적다. 상기의 3가지 문제는 배터리(10)의 용량계산에서 오차를 발생시키는 주요 원인이 된다.
따라서, 본 발명의 배터리 관리 시스템(20)은 배터리의 용량인 기 사용용량, 미충전용량, 최대용량, 배터리의 사용불능용량, 배터리의 실제 사용 가능한 전체용량, 배터리의 남아 있는 잔여용량 등을 현재의 방전조건을 고려하여 산출함으로써, 부분적으로 충방전이 이루어지는 환경에서도 배터리의 용량을 정확하게 계산할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 배터리 관리 시스템(20)은 센싱부(200) 및 MCU(Main Controller Unit)(300)를 포함할 수 있다.
센싱부(200)는 전류 센서, 전압 센서 및 온도 센서를 통해 배터리의 출력 전류, 전압 및 온도를 측정하여 전류 데이터, 전압 데이터 및 온도 데이터를 획득하고, 이를 MCU(300)에 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, MCU(300)는 기 사용용량 산출부(301), 전류적산부(303), 미충전용량 산출부(305), 최대용량 산출부(307), 사용불능용량 산출부(309), 내부저항 산출부(311), 전체용량 산출부(313) 및 잔여 용량 산출부(315)를 포함할 수 있다.
기 사용용량 산출부(301)는 배터리가 안정된 시점에 획득된 전압 데이터인 OCV(Open Circuit Voltage)를 이용하여 배터리의 기 사용된 용량인 기 사용용량을 산출한다.
여기서, 배터리의 안정된 시점은 미리 설정된 시간 동안 방전되는 전류 데이터의 크기가 미리 설정된 값 미만 이거나 또는 배터리의 전압의 변화가 미리 설정된 값 미만인 경우 중 적어도 하나를 만족하는 시점을 의미할 수 있다.
보다 상세하게, 기 사용용량 산출부(301)는 배터리가 안정된 시점의 전압 데이터인 OCV 및 OCV와 고유 용량(State of Charge, 이하 SOC라 함)과의 관계 데이터로부터 SOC를 추정한다. 구체적으로 MCU(300)는 OCV와 SOC 사이의 관계를 실험적으로 구한 관계 데이터를 미리 저장할 수 있다. 이러한 관계를 그래프로 도시하면 도 3과 같다. 도 3에 도시된 바와 같이 기 사용용량 산출부(301)는 상기 OCV(Vocv1)에 대응되는 SOC(SOC1)를 검출한다. 이어서, 기 사용용량 산출부(301)는 상기 추정된 SOC로부터 기 사용용량을 산출한다.
일 예로, 배터리의 최대용량이 1000mA/h이고, 추정된 배터리의 고유용량인 SOC가 40% 라면, 배터리의 기 사용된 용량인 기 사용용량은 최대용량의 60%인 600mA/h로 계산될 수 있다.
전류적산부(303)는 센싱부(200)에서 획득되는 전류 데이터를 적산한 전류적산 값을 산출한다.
여기서, 전류 데이터는 양(+)의 값을 가지는 충전 전류 및 음(-)의 값을 가지는 방전 전류를 포함할 수 있다. 따라서, 동일한 양의 충전과 방전이 이루어지면 전류적산 값은 0이 되게 된다.
본 발명에서는 기 사용용량이 산출되는 시점이 전류적산의 기준점이 된다. 즉 전류적산부(303)는 상기 기 사용용량이 산출되는 시점의 전류적산 값을 0으로 설정하고, 이후 획득되는 전류 데이터를 적산하여 전류적산 값을 산출한다.
미충전용량 산출부(305)는 기 사용용량 산출부(301)에서 산출된 상기 배터리의 기 사용용량 및 상기 전류적산부(303)에서 산출된 전류적산 값을 이용하여 배터리의 미충전용량을 산출한다.
일반적으로 배터리는 온도와 내부저항에 따라 최대용량까지 충전되지 못한다. 즉, 배터리가 만충전으로 인식됨에도 불구하고 충전되지 못하는 용량이 발생하며, 이러한 용량을 본 발명에서는 미충전용량으로 정의한다.
따라서, 미충전용량을 산출하기 위한 전류적산 값은 배터리의 만충전 시점까지의 전류 데이터가 적산된 제1 전류적산 값일 수 있다.
여기서, 만충전 시점은 센싱부(200)에서 획득되는 전압 데이터의 크기가 미리 설정된 만충전 전압 값 이상이며, 상기 획득되는 전류 데이터의 크기가 미리 설정된 값 미만이 되는 시점을 의미할 수 있다. 여기서, 만충전 전압 값은 배터리의 용량에 따라 달라질 수 있는 값이다. 상기에서 정의된 만충전 시점을 인식하는 방법은 일 예일 뿐이며, 만충전 시점을 인식하는 다양한 실시예가 있을 수 있음은 당업자에게 있어 자명할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미충전용량을 산출하는 수학식 1는 하기와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]

여기서,

는 미충전용량,

는 기 사용용량,

는 제1 전류적산 값을 의미한다.
일례로, 기 사용용량이 600mA/h이고, 전압 데이터가 만충전 전압 값 이상이 되는 순간의 제1 전류 적산 값이 500mA/h 인 경우 미충전용량은 100mA/h일 수 있다.
최대용량 산출부(307)는 배터리의 이론적 최대용량을 산출한다. 보다 상세하게, 최대용량 산출부(307)는 배터리의 마지막 충전 또는 방전 직전의 제1 안정된 시점에서 획득된 전압 데이터인 제1 OCV를 이용하여 산출된 제1 방전 심도(Depth of discharge, DOD), 상기 배터리의 마지막 충전 또는 방전 후의 제2 안정된 시점에서 획득된 전압 데이터인 제2 OCV를 이용하여 산출된 제2 방전 심도 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 상기 제2 안정된 시점까지의 전류 데이터가 적산된 제2 전류적산 값을 이용하여 최대용량을 산출할 수 있다.
여기서, 배터리의 안정된 시점은 미리 설정된 시간 동안 배터리의 전류가 방전되지 않거나 또는 배터리의 전압의 변화가 미리 설정된 값 미만인 경우 중 적어도 하나를 만족하는 시점을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미충전용량을 산출하는 수학식 2은 하기와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]

여기서,

은 최대용량,

는 제2 전류적산 값,

은 제1 방전 심도,

는 제2 방전 심도를 각각 의미한다.
이때, 방전 심도는 하기의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]

여기서, DoD는 0~1의 범위를 갖는다. 즉, 배터리의 만충전 시 DoD는 0의 값을 만방전시 DoD는 1의 값을 갖는다.
따라서, 최대용량 산출부(307)는 상기 제1 안정된 시점 및 제2 안정된 시점에 획득된 제1 OCV 및 제2 OCV를 이용하여 SOC를 각각 추정하고 상기 수학식 3을 이용하여 제1 방전 심도 및 제2 방전 심도를 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 최대용량 산출부(307)는 제2 전류적산 값이 미리 설정된 값 이상인 경우에 상기 최대용량을 산출할 수 있다. 바람직하게, 최대용량 산출부(307)는 제2 전류적산 값이 이전에 산출된 최대용량의 20% 이상 일 때 최대용량을 산출할 수 있다. 제2 전류적산 값이 너무 적은 경우 산출되는 최대용량의 오차가 클 수 있기 때문이다.
사용불능용량 산출부(309)는 전류 데이터 및 배터리의 내부저항을 이용하여 배터리의 현재의 방전조건에서의 사용불능용량을 산출한다.
여기서, 사용불능용량은 배터리의 방전에 따라 전압 데이터가 방전 중지 전압에 도달한 경우 배터리에 남아 있는 잔존용량을 의미한다. 즉, 배터리를 사용하는 기기의 구동을 위해서는 최소 필요 전압이 존재하며, 최소 필요 전압 이하로 배터리의 출력 전압이 떨어지는 경우 기기는 동작할 수 없다. 즉, 배터리의 사용불능용량이란, 배터리가 완전 방전된 것은 아니나, 배터리의 전압 데이터가 기기 구동을 위한 최소한의 전압 즉 방전 중지 전압 이하로 떨어지는 경우의 배터리에 남아 있는 잔존용량을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용불능용량 산출부(309)는 MCU에 미리 저장된 방전 전류 및 상기 배터리의 내부저항과 사용불능용량과의 비례계수를 더 이용하여 배터리의 현재의 방전조건에서의 사용불능용량을 산출할 수 있다.
이때, 방전조건은 배터리의 방전 시의 전류 데이터의 크기 및 상기 온도 데이터의 크기 중 적어도 하나를 의미할 수 있으며, 사용불능용량은 하기의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]

여기서,

는 상기 사용불능용량,

는 상기 비례계수,

는 방전 시의 전류 데이터,

는 상기 배터리의 내부저항,

는 보정변수를 각각 의미한다.
여기서, 보정변수는 배터리 방전시의 전류 데이터의 크기에 따라 결정되는 값을 의미하며, 사용불능용량의 산출 시 내부저항 값을 보정한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용불능용량과 전류, 온도, 내부저항과의 관계를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, A, B, C 그래프는 배터리의 방전 전류의 크기가 각각 a, b, c일 때의 수학식 4에 따른 그래프. A', B', C' 그래프는 배터리의 방전 전류의 크기가 각각 a, b, c일 때의 실험적으로 구한 사용불능용량과 전류, 온도, 내부저항과의 관계 그래프이다. 여기서, a, b, c는 a <b <c와 같은 관계를 가진다.
도 4의 그래프에서 Y축은 사용불능용량(

)를 y 절편은 보정변수(

)는 실험적으로 구한 A, B, C 그래프를 1차 식으로 근사화한 A', B', C' 그래프를 통해 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 내부저항은 배터리의 온도에 따라 표준화(normalization)된 저항 값일 수 있으며, 내부저항 산출부(311)는 하기의 수학식 5을 이용하여 배터리의 내부저항을 산출할 수 있다.
[수학식 5]

여기서,

는 내부저항,

는 기준 내부저항,

는 온도 보정 변수,

는 방전 시의 전류 데이터,

는 방전시의 전압 데이터를 의미한다.
보다 상세하게, 기준 내부저항(

)은 배터리의 방전심도(DOD)가 0 내지 0.7인 영역 중 임의의 한 지점에서의 SOC를 이용하여 추정된 OCV, 전류 데이터, 전압 데이터 및 온도 보정 변수를 이용하여 산출된 값일 수 있다. 바람직하게는 방전심도가 0.4인 상태에서 산출된 저항 값일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 내부저항과 DOD의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, DOD 가 0 내지 0.7인 영역의 내부저항 값은 평탄하며, DOD가 0.7을 초과하는 경우의 내부저항 값 대비 작은 값을 가진다. 따라서, DOD 가 0 내지 0.7인 영역, 바람직하게는 DOD가 0.4인 경우의 내부저항 값을 이용하는 경우 산출되는 사용불능용량의 오차 값을 작게 할 수 있는 이점이 있다.
일 예로, DOD 가 0.4인 경우, SOC는 수학식 3에 의해 60%의 값을 가진다. 내부저항 산출부(311)는 SOC(60%) 및 도 3에 도시된 OCV와 SOC와의 관계 데이터를 이용하여

)를 이용하여 기준 내부저항(

)을 보정한다. 여기서, 온도 보정 변수(

)는 내부저항 값을 표준화 하기 위한 온도와 내부저항과의 관계 데이터를 의미하며, 도 6과 같이 도시될 수 있다.
이어서, 내부저항 산출부(311)는 기준 내부저항(

) 산출을 위한 내부저항(

)를 산출한다.
전체용량 산출부(313)는 상기에서 산출된 배터리의 미충전용량, 최대용량 및 사용불능용량을 이용하여 배터리의 현재의 방전조건에서 사용 가능한 전체용량을 산출한다. 배터리의 사용 가능한 전체용량은 하기의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]

여기서,

는 전체용량,

은 최대용량,

는 미충전용량,

는 사용불능용량을 각각 의미한다.
잔여용량 산출부(315)는 배터리의 전체용량, 미충전용량, 기 사용용량 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 현 시점까지의 전류 데이터가 적산된 제3 전류적산 값을 이용하여 배터리의 현재의 방전조건에서 남아있는 잔여용량을 산출한다. 배터리의 잔여용량은 하기의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]

여기서,

은 배터리의 잔여용량,

는 전체용량,

는 미충전용량,

는 기 사용용량,

은 제3 전류적산 값을 의미한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리의 최대용량, 전체용량, 미충전용량, 기 사용용량, 사용불능용량 잔여용량들 간의 관계를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 배터리 관리 시스템(20)은 기 사용용량(Qstart) 및 제1 전류적산 값(Qcc1)의 차를 이용하여 미충전용량(Qeoc)를 산출하고, 현 시점의 사용불능용량(Qres)를 산출하여 배터리의 현 시점의 방전조건에 따른 사용 가능한 전체용량(Qav)를 산출할 수 있다. 즉, 본 발명은 현 시점의 방전 조건을 고려하여 전체용량을 새롭게 산출함으로써 보다 정확한 배터리의 용량 관리가 가능하다. 또한, 배터리 관리 시스템은 현 시점에서의 사용 가능한 전체용량(Qav), 미충전용량(Qeoc), 기 사용용량(Qstart) 및 제3 전류적산 값(Qcc3)을 이용하여 현 시점에서의 배터리의 잔여용량(Qrm)을 정확하게 산출할 수 있다.
다시 말해, 본 발명은 현 시점의 방전 조건에 따른 용량(사용불능용량, 전체용량, 잔여용량 등)을 매번 새롭게 산출함으로써, 방전 효율 테이블과 전류적산을 이용하여 배터리의 용량을 계산하던 종래 방식에 비해 배터리의 사용에 따라 변경되는 열화특성을 더욱 반영할 수 있으며, 부분 충방전의 환경에서도 배터리의 용량들을 정확하게 관리할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동방법을 도시한 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 전류 MCU(300)는 센싱부(200)로부터 획득된 배터리의 전류 데이터 및 전압 데이터를 수신한다(S700).
이어서, MCU는 상기 획득된 전류 데이터 및 전압 데이터를 이용하여 배터리가 안정된 상태, 방전 상태 또는 만충전 상태인지 판단한다(S705).
단계(S705)에서 배터리가 안정된 상태인 경우, 기 사용용량 산출부(301)는 안정된 시점에 측정된 전압 데이터인 OCV를 이용하여 기 사용용량을 산출한다(S710).
단계(S705)에서 배터리가 만충전 상태인 경우, 미충전용량 산출부(305)는 상기 산출된 기 사용용량 및 기 사용용량이 산출된 시점부터 만충전 시점까의 전류 데이터를 적산한 전류적산 값을 이용하여 미충전용량을 산출한다(S715).
단계(S705)에서 배터리가 방전 상태인 경우, 사용불능용량 산출부(309)는 방전시의 전류 데이터 및 내부저항을 이용하여 사용불능용량을 산출한다(S720).
이어서, 전체용량 산출부(313)는 배터리의 최대용량, 미충전 용량, 사용불능용량을 이용하여 배터리의 전체용량을 산출한다(S725).
마지막으로, 잔여용량 산출부(315)는 배터리의 전체용량, 미충전용량, 기 사용용량 및 기 사용용량이 산출된 시점부터 현 방전 시점까지의 전류적산 값을 이용하여 배터리의 잔여용량을 산출한다(S730).
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

배터리의 전류 및 전압을 측정하여 전류 데이터 및 전압 데이터를 획득하는 센싱부; 및
상기 전류 데이터 및 상기 전압 데이터를 이용하여 상기 배터리의 용량을 관리하는 MCU를 포함하되,
상기 MCU는 상기 전류 데이터 및 상기 배터리의 내부저항을 이용하여 상기 배터리의 현재의 방전조건에서 사용 불가능한 사용불능용량을 산출하는 사용불능용량 산출부를 포함하는 배터리 관리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 사용불능용량은 상기 전압 데이터가 방전중지전압에 도달하여 상기 배터리가 만방전 되는 경우 상기 배터리에 남아 있는 잔여용량을 의미하는 배터리 관리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 센싱부는 상기 배터리의 온도를 측정하여 온도 데이터를 더 획득하되, 상기 방전조건은 현재의 방전 시점에서 획득되는 상기 전류 데이터의 크기 및 상기 온도 데이터의 크기 중 적어도 하나를 의미하는 배터리 관리 시스템.
제3항에 있어서,
상기 사용불능용량 산출부는 상기 MCU에 미리 저장된 전류 데이터 및 내부저항과 사용불능용량과의 비례계수를 더 이용하여 상기 방전조건에서의 사용불능용량을 산출하는 배터리 관리 시스템.
제4항에 있어서,
상기 사용불능용량 산출부는 상기 배터리의 내부저항을 상기 방전조건에서의 전류 데이터의 크기에 따라 결정되는 보정변수를 이용하여 보정하는 배터리 관리 시스템.
제1항에 있어서
상기 MCU는 상기 배터리의 최대용량, 상기 배터리의 미충전용량, 상기 사용불능용량을 이용하여 상기 배터리의 사용 가능한 전체용량을 산출하는 전체용량 산출부를 포함하는 배터리 관리 시스템.
제6항에 있어서,
상기 MCU는 상기 배터리가 안정된 시점에 측정된 전압 데이터인 OCV(Opne Circuit Voltage)를 이용하여 상기 배터리의 기 사용용량을 산출하는 기 사용용량 산출부를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
제7항에 있어서,
상기 MCU는 상기 전류 데이터를 적산하여 전류적산 값을 산출하는 전류적산부를 더 포함하되,
상기 기 사용용량이 산출되는 시점의 전류적산 값은 0인 배터리 관리 시스템.
제8항에 있어서,
상기 MCU는 상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 상기 배터리의 만충전 시점까지의 전류 데이터가 적산된 제1 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 미충전용량을 산출하는 미충전용량 산출부를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
제9항에 있어서,
상기 만충전 시점은 상기 획득되는 전압 데이터의 크기가 미리 설정된 만충전 전압 값 이상이며, 상기 획득되는 전류 데이터의 크기가 미리 설정된 값 미만이 되는 시점을 의미하는 배터리 관리 시스템.
제8항에 있어서,
상기 MCU는 상기 배터리의 마지막 충전 또는 방전 직전의 제1 안정된 시점에서의 획득된 전압 데이터인 제1 OCV를 이용하여 산출된 제1 방전 심도, 상기 배터리의 마지막 충전 또는 방전 후의 제2 안정된 시점에서의 획득된 전압 데이터인 제2 OCV를 이용하여 산출된 제2 방전 심도 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 상기 제2 안정된 시점까지의 상기 전류 데이터가 적산된 제2 전류적산 값을 이용하여 상기 최대용량을 산출하는 최대용량 산출부를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
제7항 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 안정된 시점은 미리 설정된 시간 동안 상기 배터리에서 방전되는 전류 데이터의 크기가 미리 설정된 값 미만이거나 또는 상기 전압 데이터의 크기 변화가 미리 설정된 값 미만인 경우 중 적어도 하나를 만족하는 시점을 의미하는 배터리 관리 시스템.
제11항에 있어서,
상기 최대 용량 산출부는 상기 제2 전류적산 값이 미리 설정된 값 이상인 경우 상기 최대 용량을 산출하는 배터리 관리 시스템.
제8항에 있어서,
상기 MCU는 상기 전체용량, 상기 미충전용량, 상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량이 산출된 시점부터 현 시점까지의 상기 전류 데이터가 적산된 제3 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 실제 사용 가능한 잔여용량을 산출하는 잔여용량 산출부를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
제3항에 있어서,
상기 내부저항은 기준 내부저항, 상기 방전조건에서의 온도 데이터 및 온도 보정변수를 이용하여 산출되되,
상기 기준 내부저항은 상기 임의의 한 지점에서의 SOC를 이용하여 추정된 OCV, 상기 임의의 한 지점에서 측정된 전류, 전압, 온도 데이터 및 상기 온도 보정변수 중 적어도 하나를 이용하여 산출되는 저항을 의미하며, 상기 온도 보정변수는 상기 내부저항 값을 표준화 하기 위한 온도와 내부저항관계의 관계 데이터를 의미하는 배터리 관리 시스템.
배터리의 전류, 전압 및 온도를 측정하여 전류 데이터를 획득하는 센싱부; 및
상기 전류 데이터 및 상기 전압 데이터를 이용하여 상기 배터리의 용량을 관리하는 MCU를 포함하되,
상기 MCU는 상기 배터리가 안정된 시점에 획득된 전압 데이터인 OCV를 이용하여 상기 배터리의 기 사용용량을 산출하는 기 사용용량 산출부; 및
상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량 산출 시점부터 상기 배터리의 만충전 시점까지의 전류 데이터가 적산된 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 미충전용량을 산출하는 미충전용량 산출부를 포함하는 배터리 관리 시스템.
배터리의 전류 데이터 및 전압 데이터를 수신하는 단계;
상기 배터리의 안정된 시점에 수신된 전압 데이터인 OCV를 이용하여 상기 배터리의 기 사용용량을 산출하는 단계; 및
상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량 산출 시점부터 상기 배터리의 만충전 시점까지의 전류 데이터가 적산된 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 미충전용량을 산출하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
제17항에 있어서,
상기 전류 데이터 및 상기 배터리의 내부 저항을 이용하여 상기 배터리의 현재의 방전조건에서 사용 불가능한 사용불능용량을 산출하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
제18항에 있어서,
상기 배터리의 최대용량, 상기 배터리의 미충전용량, 상기 사용불능용량을 이용하여 상기 배터리의 사용 가능한 전체용량을 산출하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
제19항에 있어서,
상기 전체용량, 상기 미충전용량, 상기 기 사용용량 및 상기 기 사용용량 산출시점부터 현 시점까지의 상기 전류 데이터가 적산된 전류적산 값을 이용하여 상기 배터리의 실제 사용 가능한 잔여용량을 산출하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.