KR20150009312A - 배터리팩의 온도 관리 시스템 및 방법 - Google Patents

배터리팩의 온도 관리 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

배터리팩의 온도 관리 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도 관리 시스템은 복수개의 배터리가 연결되어 구성되는 배터리팩의 전압과 전류를 실시간으로 측정하는 센싱부; 센싱부에서 측정된 전압 및 전류에 근거하여 배터리팩의 제1 내부저항을 계산하는 계산부; 온도 및 SOC(state of charge) 변화에 따라 기 설정되어 있는 제2 내부저항을 저장하는 저장부; 계산부에서 계산된 제1 내부저항과 저장부에 저장된 제2 내부저항의 크기를 비교하는 비교부; 및 비교부의 비교결과에 근거하여 배터리팩의 온도를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리팩의 온도 관리 시스템 및 방법{TEMPERATURE MANAGEMENT SYSTEM OF BATTERY PACK AND METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리팩의 온도 관리 시스템 및 온도 관리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리팩의 내부 온도를 추정하여 배터리 과충전 또는 내부쇼트 등의 이상 발생을 검출함으로써 배터리팩의 안정성을 향상시키기 위한 배터리팩의 온도 관리 시스템 및 온도 관리 방법에 관한 것이다.
전기차 또는 하이브리드 차량에 사용되는 배터리팩은 복수개의 배터리들이 직렬 연결 또는 병렬 연결되어 구성된다. 상기 배터리는 전해액으로 사용되는 유기용매가 가연성이 높으므로 일정온도 이상에서는(예컨대 110~120℃ 이상) 자체적으로 분해반응을 일으켜 발열한다.
하이브리드 차량에 적용되는 배터리팩과 같이 큰 용량과 크기를 가진 배터리팩의 경우에는 표면적이 넓으므로 특정 부분에서 발열이 발생되면, 상기 발열로 인해 배터리팩의 전체가 연쇄적으로 발열하게 될 가능성이 있다. 배터리팩에서의 발열을 적정온도로 유지하여야 하는 이유다.
배터리팩의 온도를 관리하기 위하여 온도센서가 이용될 수 있다. 그런데 상술한 것처럼 배터리팩의 특정 부분에서의 발열이 전체 배터리팩의 발열로 빠른 속도로 이어질 수 있음에도 불구하고, 온도센서의 측정 범위는 한정적이다. 그렇다고 배터리팩의 모든 부분에 대해 온도센서를 장착하는 것은 매우 비효율적인 일이다.
관련하여 일본공개특허 제2010-135075호(2010.06.17 공개)에서는 칼만필터를 통해 SOC(state of charge)를 추정하고 배터리의 내부 등가회로를 구성한다. 그리고 등가회로 파라미터를 추정하여 아레니우스플롯에 의해 배터리 내부 온도를 산출하고 내용을 기재하고 있다.
그러나 상기 공개특허의 경우에는 배터리 온도를 측정하는데에 여전히 온도센서를 사용하고 있고, 칼만필터, 등가회로 파라미터 추정 등의 많고 복잡한 연산은 프로세서(CPU)에 과부하를 초래할 뿐더러 연산시간이 소요되어 실시간으로 배터리팩의 온도를 관리하기에 적합하지 못하다.
본 발명의 실시예들에서는 연산방법을 간소화하여 실시간으로 배터리팩의 발열온도를 적정수준으로 관리할 수 있는 배터리팩의 온도 관리 시스템과, 온도 관리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수개의 배터리가 연결되어 구성되는 배터리팩의 전압과 전류를 실시간으로 측정하는 센싱부; 상기 센싱부에서 측정된 전압 및 전류에 근거하여 상기 배터리팩의 제1 내부저항을 계산하는 계산부; 온도 및 SOC(state of charge) 변화에 따라 기 설정되어 있는 제2 내부저항을 저장하는 저장부; 상기 계산부에서 계산된 제1 내부저항과 상기 저장부에 저장된 제2 내부저항의 크기를 비교하는 비교부; 및 상기 비교부의 비교결과에 근거하여 상기 배터리팩의 온도를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리팩의 온도 관리 시스템이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 제2 내부저항은 온도 및 SOC 변화에 따라 내부저항이 상응하여 설정되어 있는 룩업테이블(look-up table)형태로 상기 저장부에 저장될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 작은 경우에는 정상 상태로 판단하고, 상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 비정상 상태로 판단할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 상기 배터리팩의 냉각장치를 통해 상기 배터리팩의 온도를 낮추거나, 상기 배터리팩의 메인릴레이를 차단시킴과 동시에 상기 냉각장치를 통해 상기 배터리팩의 온도를 낮출 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리팩의 전압과 전류를 측정하는 단계(S10); 상기 측정된 전압과 전류로부터 제1 내부저항을 산출하는 단계(S20); 온도 및 SOC(state of charge) 변화에 따라 기 설정되어 있는 제2 내부저항과, 상기 제1 내부저항의 크기를 비교하는 단계(S30); 및 상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 상기 배터리팩의 온도를 낮추거나 상기 배터리팩의 메인릴레이를 차단시킴과 동시에 온도를 낮추는 4단계(S40)를 포함하는 배터리팩의 온도 관리 방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 제2 내부저항은 온도 및 SOC 변화에 따라 내부저항이 상응하여 설정되어 있는 룩업테이블(look-up table) 형태일 수 있다.
또한, 상기 S40단계는, 상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 120% 이상 큰 경우에는 상기 배터리팩의 내부 온도를 추정하는 단계(S41); 및 상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 120% 미만 큰 경우에는 배터리팩의 냉각장치를 통해 배터리팩의 내부 온도를 낮추는 단계(S42)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 4-1단계에서 추정된 상기 배터리팩의 내부 온도가 60℃ 이상이면 메인릴레이 차단 및 배터리팩의 냉각장치를 통해 배터리팩의 내부 온도를 낮추는 단계(S43)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 배터리팩의 온도 및 SOC에 따른 내부저항값을 룩업테이블화하여 저장하고, 상기 내부저항값과 배터리팩의 전압/전류로부터 실시간으로 측정한 내부저항값을 비교함으로써 온도센서 없이도 배터리팩의 온도를 실시간으로 추정할 수 있다.
따라서 배터리팩의 과충전, 내부쇼트 등의 이상을 검출하여 배터리팩의 안정성을 향상시킬 수 있으며, 연산방법이 상대적으로 간소하므로 연산속도가 빨라 배터리팩의 실시간 온도 관리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도 관리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 배터리팩의 전압, 전류 측정의 일 예시이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도 관리 방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도 관리 시스템(100, 이하 온도 관리 시스템)을 개략적으로 도시한 도면이다.
배터리팩(10)은 전기차 또는 하이브리드 차량에서 구동원으로 이용될 수 있으며, 양극 기능을 하는 단위 셀(unit cell)과 음극 기능을 하는 단위 셀을 한 쌍으로 하는 단위 모듈 복수개가 병렬 연결 또는 직렬 연결되어 적층됨으로써 이루어질 수 있다.
이러한 배터리팩(10)에는 일반적으로 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management System)이 존재하는데, 상기 BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도에 대한 데이터를 획득하여 이를 바탕으로 배터리의 SOC(state of charge, 배터리 충전상태를 %로 나타냄)를 추정함으로써, 배터리를 관리하기 위한 정보를 제공하는 기능을 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 관리 시스템(100)은 이러한 BMS와 연계되어 구성될 수 있으며, BMS의 한 부분으로 구성되는 것도 가능하다.
도 1을 참조하면, 온도 관리 시스템(100)은 센싱부(110), 계산부(120), 저장부(130), 비교부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.
센싱부(110)는 배터리팩(10)의 전압과 전류를 실시간으로 측정하는 기능을 한다. 이는 배터리팩(10)과 연결되어 배터리팩(10)의 전압과 전류를 측정하는 전압센서 및 전류센서(상기 센서들은 도 1에서 부호 20으로 표기됨)를 통해 이루어질 수 있다. 상기 전압센서 및 전류센서는 센싱부(110)에 실시간으로 측정된 전압 정보 및 전류 정보를 유무선 방식으로 전달한다.
계산부(120)는 센싱부(110)로부터 배터리팩(10)의 전압 정보 및 전류 정보를 유무선 방식으로 전달받아 배터리팩(10)의 내부저항을 계산한다. 상기 내부저항의 계산은 옴의 법칙(Ohm's law)인 V=IR을 통해 이루어질 수 있다. 즉, 전압 정보와 전류 정보를 알면 저항을 산출할 수 있다.
관련하여, 도 2는 배터리팩(10)의 전압 및 전류 측정의 일 예시를 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 위의 그래프는 X축이 시간(sec)이고, Y축이 전류(A)이다. 아래의 그래프는 X축이 시간(sec)이고, Y축이 전압(V)이다. 시간의 경과에 따라 전류 및 전압은 계속 변화한다. 따라서 특정 시간에서의 내부저항을 옴의 법칙을 통해 산출할 수 있으며, 특정 시간 동안의(예컨대 t1 내지 t2 시간) 내부저항을 산출하는 것도 가능하다. 배터리팩(10)의 전압 및 전류 정보는 센서들을 통해 실시간으로 센싱부(110)로 전달되므로, 계산부(120)에서는 상기 정보들을 실시간으로 전달받아 내부저항을 계속적으로 산출한다.
다시 도 1을 참조하면, 저장부(130)는 기준이 되는 내부저항을 저장하는 기능을 한다. 여기에서 기준이 되는 내부저항이란 온도 및 SOC(state of charge) 변화에 따라 미리 설정되어 있는 내부저항을 의미한다. 계산부(120)에서 산출된 내부저항과의 구분을 위하여, 이하에서는 계산부(120)에서 산출된 내부저항을 제1 내부저항이라 칭하고, 저장부(130)에 저장되어 있는 내부저항을 제2 내부저항이라 칭하기로 한다.
제2 내부저항은 사용되는 배터리팩의 내부 온도와 SOC별로 측정된 통계치인 내부저항 수치에 해당되는 것으로, 배터리팩의 용량, 모델 등에 따라 달라질 수도 있다. 저장형태는 예컨대 온도 및 SOC 변화에 따라 제2 내부저항이 상응하여 설정되어 있는 룩업테이블(look-up table) 형태로 저장부(130)에 저장될 수 있다.
비교부(140)는 제1 내부저항과 제2 내부저항의 크기를 비교하는 기능을 한다. 그리고 비교 결과를 제어부(150)로 전달하는 기능을 한다.
제어부(150)에서는 비교부(140)로부터 전달 받은 제1 내부저항과 제2 내부저항의 비교 데이터에 기반하여 배터리팩(10)의 온도를 낮추는 기능을 한다. 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 측정되는 내부저항이 기준치인 내부저항보다 크다는 의미다. 이 경우에는 배터리팩(10)의 과열, 과충전, 내부쇼트 등의 이상 발생이 일어날 가능성이 크다.
따라서 제어부(150)에서는 비교부(140)로부터 전달 받은 데이터에서 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 작은 경우에는 정상 상태로 판단하고, 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 비정상 상태로 판단하여 배터리팩(10)의 온도를 낮추기 위한 조치를 취한다.
예를 들어 제어부(150)는 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 배터리팩(10)의 냉각장치를 통해 배터리팩(10)의 온도를 낮출 수 있다. 배터리팩(10)은 과열방지를 위하여 냉각장치를 구비하고 있는 것이 일반적이며, 이러한 냉각장치는 상시 구동된다. 이 때 제어부(150)에서는 냉각장치의 냉각 성능을 향상시키는 제어 신호를 상기 냉각장치로 전송함으로써 배터리팩(10)의 온도를 낮출 수 있다.
또한 배터리팩(10)의 내부저항이 기준치보다 매우 큰 경우에는 제어부(150)에서 메인릴레이를 차단시킴과 동시에 냉각장치를 통해 배터리팩(10)의 온도를 낮출 수 있다. 상기 메인릴레이는 배터리팩(10)에서 모터제어부 등으로 고전압을 인가하는 기능을 수행하는 것으로, 메인릴레이를 차단하게 되면 배터리의 전원을 차단시킬 수 있다. 즉, 배터리팩(10)의 내부온도가 매우 클 경우에는 배터리팩(10)을 모터제어부 등과 차단시킨 후에 온도를 낮추기 위한 조치를 취할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들은 배터리팩의 온도 및 SOC에 따른 내부저항값을 룩업테이블화하여 저장하고, 상기 내부저항값과 배터리팩의 전압/전류로부터 실시간으로 측정한 내부저항값을 비교함으로써 온도센서 없이도 배터리팩의 온도를 실시간으로 추정할 수 있다.
따라서 배터리팩의 과충전, 내부쇼트 등의 이상을 검출하여 배터리팩의 안정성을 향상시킬 수 있으며, 연산방법이 상대적으로 간소하므로 연산속도가 빨라 배터리팩의 실시간 온도 관리가 가능하다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도 관리 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 온도 관리 방법(이하, 온도 관리 방법)의 순서도이다.
도 3을 참조하면, 온도 관리 방법은 우선 배터리팩의 전압과 전류를 측정한다. 상기 측정은 배터리팩과 연결된 각종 센서들을 통해 이루어질 수 있다. 상기 측정은 실시간으로 이루어질 수 있다. 상기 측정은 배터리가 동작하는 시점부터 이루어질 수 있다. 예컨대 하이브리드카의 경우, 자동차의 시스템 전원이 켜졌을 때 상기 측정이 시작될 수 있다. 또한, 상기 측정시에는 배터리의 초기 표면 온도나 초기 OCV(open circuit voltage)를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 필수적인 것은 아니다(이상 S10 단계).
다음으로 S10단계에서 측정된 전압과 전류로부터 제1 내부저항을 산출한다. 제1 내부저항의 산출은 옴의 법칙을 이용하여 이루어질 수 있다. 제1 내부저항은 실시간으로 산출된다(이상 S20 단계).
다음으로 S20단계에서 산출된 제1 내부저항과 미리 설정되어 있는 제2 내부저항의 크기를 비교한다. 제2 내부저항은 온도 및 SOC 변화에 따라 내부저항이 상응하여 설정되어 있는 룩업테이블 형태일 수 있다. 이 때, 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 작은 경우에는 정상 상태에 해당되므로 다시 S10단계로 돌아가서 상술한 단계들을 반복하게 된다(이상 S30 단계).
제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 비정상 상태이다. 이 때, 제1 내부저항이 어느 정도 큰 경우인지를 가늠하기 위하여 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 120% 이상 큰 지 여부를 판단할 수 있다. 이는 제2 내부저항에 1.2를 곱한 값보다 제1 내부저항이 큰 지를 비교함으로써 이루어질 수 있다. 여기에서 120%는 일 예시로 소정의 오차 범위를 가질 수 있다.
제1 내부저항이 제2 내부저항보다 120% 이상 큰 경우에는 배터리팩(10)의 내부 온도를 추정한다. 내부 온도의 추정은 제1 내부저항을 상기 룩업테이블에 대입하여 역으로 온도를 추적함으로써 이루어질 수 있다(이상 S41 단계).
배터리팩(10)의 내부 온도를 추정한 다음에는 상기 내부 온도가 60℃ 이상인지 미만인지 여부를 판단한다. 상기 60℃라는 기준치는 일반적인 배터리팩의 정상 작동 온도 범위에 해당되는 것으로, 소정의 오차 범위를 가질 수 있다.
추정된 내부 온도가 60℃ 이상이면 배터리팩(10)에 이상 발생 가능성이 매우 높은 경우로 분류된다. 따라서 메인릴레이를 차단하고 배터리팩(10)의 냉각장치를 통해 배터리팩의 내부 온도를 낮추게 된다(이상 S43단계).
한편, 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 크긴 크지만 120%이상 크지는 않은 경우, 그리고 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 120%이상 크지만 추정된 내부 온도가 60℃ 미만인 경우에는 배터리팩(10)에 이상 발생 가능성이 있지만 심각한 상황은 아닌 경우로 분류된다. 따라서 메인릴레이의 차단과 같은 긴급조치를 취하지는 않고, 배터리팩(10)의 냉각장치를 통해 배터리팩의 내부 온도를 낮추게 된다(이상 S42단계).
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 배터리팩
20: 전압센서 및 전류센서
100: 배터리팩의 온도 관리 시스템
110: 센싱부
120: 계산부
130: 저장부
140: 비교부
150: 제어부

Claims (8)

  1. 복수개의 배터리가 연결되어 구성되는 배터리팩의 전압과 전류를 실시간으로 측정하는 센싱부;
    상기 센싱부에서 측정된 전압 및 전류에 근거하여 상기 배터리팩의 제1 내부저항을 계산하는 계산부;
    온도 및 SOC(state of charge) 변화에 따라 기 설정되어 있는 제2 내부저항을 저장하는 저장부;
    상기 계산부에서 계산된 제1 내부저항과 상기 저장부에 저장된 제2 내부저항의 크기를 비교하는 비교부; 및
    상기 비교부의 비교결과에 근거하여 상기 배터리팩의 온도를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리팩의 온도 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 내부저항은 온도 및 SOC 변화에 따라 내부저항이 상응하여 설정되어 있는 룩업테이블(look-up table)형태로 상기 저장부에 저장되는 배터리팩의 온도 관리 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 작은 경우에는 정상 상태로 판단하고, 상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 비정상 상태로 판단하는 배터리팩의 온도 관리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 상기 배터리팩의 냉각장치를 통해 상기 배터리팩의 온도를 낮추거나, 상기 배터리팩의 메인릴레이를 차단시킴과 동시에 상기 냉각장치를 통해 상기 배터리팩의 온도를 낮추는 배터리팩의 온도 관리 시스템.
  5. 배터리팩의 전압과 전류를 측정하는 단계(S10);
    상기 측정된 전압과 전류로부터 제1 내부저항을 산출하는 단계(S20);
    온도 및 SOC(state of charge) 변화에 따라 기 설정되어 있는 제2 내부저항과, 상기 제1 내부저항의 크기를 비교하는 단계(S30); 및
    상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 큰 경우에는 상기 배터리팩의 온도를 낮추거나 상기 배터리팩의 메인릴레이를 차단시킴과 동시에 온도를 낮추는 4단계(S40)를 포함하는 배터리팩의 온도 관리 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 내부저항은 온도 및 SOC 변화에 따라 내부저항이 상응하여 설정되어 있는 룩업테이블(look-up table)형태인 배터리팩의 온도 관리 방법.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 S40단계는,
    상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 120% 이상 큰 경우에는 상기 배터리팩의 내부 온도를 추정하는 단계(S41); 및
    상기 제1 내부저항이 제2 내부저항보다 120% 미만 큰 경우에는 배터리팩의 냉각장치를 통해 배터리팩의 내부 온도를 낮추는 단계(S42)를 더 포함하는 배터리팩의 온도 관리 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 4-1단계에서 추정된 상기 배터리팩의 내부 온도가 60℃ 이상이면 메인릴레이 차단 및 배터리팩의 냉각장치를 통해 배터리팩의 내부 온도를 낮추는 단계(S43)를 더 포함하는 배터리팩의 온도 관리 방법.
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