KR20150015538A - 배터리 충전 과정의 모니터링 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리(20)의 충전 과정을 모니터링 하기 위한 모니터링 방법으로서, - 상기 배터리(20), 이 배터리(20)에 충전 전류를 공급하는 충전 모듈(33), 및 하나 이상의 추가의 전기 부하 장치(34)가 전기 회로의 구성 부품이고, - 상기 배터리(20)는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(21)을 포함하며, - 복수의 배터리 셀(21)의 셀 전압들이 정기적인 시간 간격으로 측정되는(S11), 상기 모니터링 방법에 있어서, 배터리 셀(21)의 측정된 셀 전압이 사전 결정된 셀 전압 임계값을 초과한다면(S14), 상기 추가의 전기 부하 장치의 활성화 과정에 의한 상기 배터리(20)의 부하가 방지되는(S16) 것을 특징으로 하는 모니터링 방법이 제공된다.

Description

배터리 충전 과정의 모니터링 방법{Method for monitoring a charging process of a battery}
본 발명은 배터리의 충전 과정을 모니터링 하기 위한 모니터링 방법과, 배터리 시스템뿐 아니라, 상기 모니터링 방법을 실행하도록 형성된 자동차에 관한 것이다.
하이브리드 및 전기 차량에서는, 직렬로 접속된 다수의 전기 화학 배터리 셀을 포함하는, 리튬 이온 또는 니켈-금속 하이브리드 기술의 배터리들이 이용된다. 배터리 관리 시스템은 배터리를 모니터링 하기 위해 이용되며, 안전 모니터링 외에도 가능한 한 높은 수명을 보증해야 한다. 이를 위해 각각의 개별 배터리 셀의 전압이 배터리 전류 및 배터리 온도와 함께 측정되고 (예컨대 배터리의 충전 상태 또는 노후화 상태의) 상태 추정이 실행된다. 수명을 최대화하기 위해서, 항시 현재 제공되는 배터리의 최대 출력 용량, 다시 말해 최대한 방출 또는 소모 가능한 전기 용량을 아는 것이 도움이 된다. 상기 출력 용량이 초과되면, 배터리의 노후화가 강력하게 가속화될 수 있다.
배터리의 충전 과정 동안에도 배터리 관리 시스템은, 개별 배터리 셀들 또는 배터리 전체의 손상을 방지하기 위해, 배터리의 실질적인 파라미터들을 끊임없이 모니터링 한다. 도 1에는 종래 기술에 따라 공지된 리튬 이온 배터리의 충전 과정 동안 배터리 셀의 충전 전류(I) 및 셀 전압(U)의 전형적인 시간 특성 곡선이 도시되어 있다. 제1 위상(P1), 이른바 CC 위상(CC = 정 전류)에서 배터리는 정 전류로 충전되며, 그럼으로써 배터리 셀의 셀 전압이 증가하게 된다. 사전 결정된 한계 전압에 도달한 이후부터 배터리는 제2 위상(P2), 이른바 CV 위상(CV = 정 전압)에서, 예컨대 4.1V의 셀 전압에 상응하고 임계의 최대 셀 전압(셧다운 한계 Umax) 미만인 값을 갖는 정 전압의 조건으로 계속 충전된다. 상기 위상(P2)에서 충전 전류는 거의 지수형으로 감소한다. 충전 과정은, 사전 결정된 충전 시간에 도달하거나, 또는 충전 전류의 사전 결정된 값이 초과될 때 곧바로 종료된다. 전술한 충전 전략은 자체의 특성 위상들에 따라 CC-CV 충전으로서 지칭된다.
충전 과정 동안 배터리의 배터리 관리 시스템은 배터리를 세분화하는 배터리 모듈들 내에서의 온도뿐 아니라, 모든 셀 전압을 끊임없이 모니터링 한다. 최대 셀 온도 또는 최소 또는 최대 셀 전압(예: 도 1의 Umax)에 대해 사전 결정된 안전 임계값이 하회 또는 상회된다면, 배터리 관리 시스템은 배터리의 고전압 접촉기를 자동 개방하고 그에 따라 상기 배터리를 비활성화 한다(또는 무전류 상태로 만든다). 상기 안전 기능은 극단의 경우 배터리 팩의 불안정성을 초래할 수도 있는 수리 불가능한 손상으로부터 배터리를 보호하기 위해 필요하다. 배터리 온도가 (사전 결정된 작동 온도 이상으로) 상승하는 경우도 작동 중에 실질적으로 방지되어야 하는데, 그 이유는 상기 온도 상승이 배터리 팩의 노후화를 초래하기 때문이다.
전술한 이유에서 배터리 관리 시스템은 충전 과정 중에도 배터리의 충전을 위해 이용되는 충전 장치의 제어 유닛에 셀 전압 및 모듈 온도의 값들을 계속해서 전송한다. 충전 과정 동안에는 배터리는 전력 손실로 인해 가열된다. 충전 과정 동안 배터리가 허용 온도 범위를 벗어나는 점을 방지하기 위해, 배터리를 포함하는 전기 자동차의 메인 제어 유닛에 의해서는, 배터리 온도가 사전 결정된 한계 값을 초과하면, 곧바로 에어 컨디셔닝 컴프레서가 접속된다.
도 2a에는 배터리의 충전 과정 동안 배터리와, 에어 컨디셔닝 컴프레서와, 충전 장치를 포함하는 전체 시스템 내에서, 또는 그 표면에서 발생하는 전류(IG) 및 전압(UG)의 시간 특성 곡선이 도시되어 있다. 도 2b에는, 배터리 내에서, 또는 그 표면에서 발생하는 충전 전류(IB) 및 충전 전압(UB)의 동 시간대 특성 곡선이 도시되어 있다. 두 시점(t1 및 t2)에서는 각각 에어 컨디셔닝 프로세서의 활성화 과정이 이루어진다. 상기 에어 컨디셔닝 프로세서는 단시간에 충전 장치에 의해 제공될 수 있을 뿐 아니라 배터리로부터도 공급되어야만 하는 전류(IG)의 상승을 요구한다. 그 결과로 두 시점에서 충전 전류(IB)는 단시간에 강하(drop)된다. 충전 장치의 제어 유닛은 충전 전류 강하를 측정하고 즉각적으로 충전 전압(UB)을 상승시키는 것을 통해 전력 손실을 보상한다. 에어 컨디셔닝 컴프레서는 이미 활성화 과정 직후에 매우 훨씬 더 낮은 전류를 필요로 하기 때문에, 활성화 과정 직후에 배터리는 초과 상승된 충전 전압(UB)으로 충전된다(도 2b에서 시점 t1 및 t2 직후 UB의 갑작스런 상승 참조). 배터리의 충전 과정이 상대적으로 낮은 셀 전압을 갖는 위상에 위치한 경우(예: 시점 t1)에, 이는 문제가 되지 않는다. 그에 반해, 배터리의 충전 과정이 더욱 높은 셀 전압을 갖는 위상에 위치하는 경우(예: 시점 t2)에는, 최대 셀 전압 한계의 침해로 인해 배터리의 비제어식 분리가 발생할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의해서는 추가의 부하 장치의 스위치 온(switch-on)을 통한 최대 셀 전압 한계의 침해로 인한 배터리의 비제어식 분리가 방지된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 냉각 유닛의 스위치 온은, 셀 전압이 경향에 따라 여하히 계속하여 셀 전압 임계값 미만인, 시간상 배터리의 충전 과정의 더욱 이른 위상으로, 다시 말해 냉각 유닛의 스위치 온이 최대 셀 전압 한계의 침해로 인해 배터리의 비제어식 분리의 위험을 초래하지 않는 위상으로 선행된다.
본 발명에 따라서는 배터리, 바람직하게는 리튬 이온 배터리의 충전 과정을 모니터링 하기 위한 모니터링 방법이 제공된다. 배터리, 이 배터리에 충전 전류를 공급하는 충전 모듈 및 하나 이상의 추가 전기 부하 장치(electric load device)가 전기 회로의 구성 부품들이다. 배터리는 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀을 포함한다. 본원의 모니터링 방법은 다음 단계들을 포함한다. 복수의 배터리 셀의 셀 전압이 정기적인 시간 간격으로 측정되며, 그리고 배터리 셀의 측정된 셀 전압이 사전 결정된 셀 전압 임계값을 초과한다면 추가의 전기 부하 장치의 활성화 과정에 의한 배터리의 부하는 방지된다. 상기 절차 단계들에 의해서는 추가의 부하 장치의 스위치 온(switch-on)을 통한 최대 셀 전압 한계의 침해로 인한 배터리의 비제어식 분리가 방지된다.
배터리 및 추가의 부하 장치는 자동차의 부품일 수 있고, 자동차의 메인 제어 유닛은 추가의 부하 장치를 제어할 수 있다. 그 외에 추가의 부하 장치는 배터리를 냉각하기 위한 전기 냉각 유닛, 특히 에어 컨디셔닝 컴프레서일 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 복수의 배터리 셀의 셀 전압에 추가로, 배터리 충전 전류 및 배터리의 하나 이상의 온도가 정기적인 시간 간격으로 측정되고, 셀 전압, 배터리 충전 전류 및 온도에 따라서 충전 과정이 중단없이 계속될 경우 배터리 내 추정되는 최대 온도에 상응하는 추정 값(estimated value)이 결정되며, 그리고 상기 추정 값이 사전 결정된 온도 임계값을 초과한다면 전기 냉각 유닛이 스위치 온되지만, 배터리 셀의 측정된 셀 전압이 사전 결정된 셀 전압 임계값을 초과한다면 상기 전기 냉각 유닛은 스위치 온되지 않는다. 그럼으로써 냉각 유닛의 스위치 온은, 셀 전압이 경향에 따라 여하히 계속하여 셀 전압 임계값 미만인, 시간상 배터리의 충전 과정의 더욱 이른 위상으로, 다시 말해 냉각 유닛의 스위치 온이 최대 셀 전압 한계의 침해로 인해 배터리의 비제어식 분리의 위험을 초래하지 않는 위상으로 선행된다.
추정 값의 결정 시에 셀 전압들의 히스테리시스가 고려될 수 있다. 추정 값은 배터리 관리 유닛에 의해 결정되어 자동차의 메인 제어 유닛으로 발신될 수 있다. 그 외에 추정 값은 배터리 관리 유닛으로부터 CAN(컨트롤러 영역 네트워크) 버스를 통해 차량의 메인 제어 유닛으로 전송될 수 있다.
본 발명의 추가의 관점은 배터리, 바람직하게는 리튬 이온 배터리와, 이 배터리와 연결된 배터리 관리 유닛을 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이며, 배터리는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 관리 유닛은, 각각의 배터리 셀의 셀 전압을 측정하도록 형성되는 복수의 전압 측정 유닛과, 배터리의 온도를 측정하도록 형성되는 하나 이상의 온도 측정 유닛과, 배터리 충전 전류를 측정하도록 형성되는 하나 이상의 전류 측정 유닛과, 전압 측정 유닛들, 온도 측정 유닛 및 전류 측정 유닛과 연결된 컨트롤러를 포함한다. 컨트롤러는, 배터리의 충전 과정 동안 배터리 충전 전류, 셀 전압들 및 온도에 따라서, 충전 과정이 중단없이 계속될 경우 배터리 내의 최대 온도에 상응하는 추정 값을 결정하도록 형성된다. 그럼으로써, 배터리 시스템을 포함하는 전체 시스템에서, 추정 값을 바탕으로 이미 셀 전압들이 경향에 따라 여하히 계속하여 셀 전압 임계값 미만인 배터리의 충전 과정의 더욱 이른 위상에서, 다시 말하면 냉각 유닛의 스위치 온이 여하히 최대 셀 전압 한계의 침해로 인한 배터리의 비제어식 분리의 위험을 초래하지 않는 위상에서 배터리를 냉각하기 위한 냉각 유닛의 스위치 온이 이루어질 수 있는 점이 달성된다.
배터리 내에는 배터리의 여러 영역들에서 온도를 측정하도록 형성되는 복수의 온도 측정 유닛이 배치될 수 있다. 추정 값의 결정 시에 셀 전압들의 히스테리시스가 고려될 수 있다. 그 외에 추정 값은 배터리 관리 유닛의 인터페이스, 특히 CAN 인터페이스를 통해 출력될 수 있다.
본 발명의 추가의 관점은 배터리, 바람직하게는 리튬 이온 배터리와, 이 배터리와 연결된 배터리 관리 유닛을 구비한 배터리 시스템을 포함하는 자동차에 관한 것이며, 그 외에 상기 자동차는 메인 제어 유닛과, 하나 이상의 추가 전기 부하 장치도 포함하며, 배터리 시스템은 자동차의 구동 시스템과 연결되고 메인 제어 유닛은 추가의 부하 장치를 제어한다. 자동차는 배터리의 충전 과정 동안 본 발명에 따르는 모니터링 방법을 실행하도록 형성된다. 바람직한 실시예에 따라서, 자동차는 본 발명에 따르는 배터리 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 도면과 하기의 설명에 따라서 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의해서는 추가의 부하 장치의 스위치 온(switch-on)을 통한 최대 셀 전압 한계의 침해로 인한 배터리의 비제어식 분리가 방지된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 냉각 유닛의 스위치 온은, 셀 전압이 경향에 따라 여하히 계속하여 셀 전압 임계값 미만인, 시간상 배터리의 충전 과정의 더욱 이른 위상으로, 다시 말해 냉각 유닛의 스위치 온이 최대 셀 전압 한계의 침해로 인해 배터리의 비제어식 분리의 위험을 초래하지 않는 위상으로 선행된다.
도 1은 종래 기술로부터 공지된 리튬 이온 배터리의 충전 과정 동안 배터리 셀의 셀 전압 및 충전 전류의 전형적인 시간 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2는 전체 시스템(a) 내의 전류 및 전압의 시간 특성 곡선뿐 아니라, 종래 기술에 따르는 배터리(b) 내에서 충전 전류 및 충전 전압의 동 시간대의 특성 곡선을 각각 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따르는 모니터링 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 배터리 시스템의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따르는 자동차의 일 실시예에서 이용되는 본 발명에 따르는 배터리 시스템을 도시한 회로 배선도이다.
도 3에는 본 발명에 따르는 모니터링 방법의 실시예가 흐름도로 도시되어 있다. 상기 모니터링 방법은 실시예에 따라 자동차 내에 배치되는 배터리의 충전 과정을 모니터링 하기 위해 이용된다. 그 외에 자동차는 추가의 부하 장치로서 배터리의 냉각을 위해 적합한 에어 컨디셔닝 컴프레서뿐 아니라, 이 에어 컨디셔닝 컴프레서를 제어하는 메인 제어 유닛도 포함한다. 모니터링 방법은 단계 S10에서 시작된다. 단계 S11에서는 배터리의 충전 과정 동안 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 셀 전압들과, 배터리 충전 전류뿐 아니라, 배터리의 여러 영역 내 다수의 온도가 측정된다. 단계 S12에서는 배터리 충전 전류, 셀 전압들 및 온도들에 따라서, 충전 과정이 중단없이 에어 컨디셔닝 컴프레서의 스위치 온 없이 계속될 때 배터리의 한 영역에서 달성될 수 있는 배터리 내 가정(hypothetic)의 최대 온도가 추정된다. 상기 가정의 최대 온도의 값을 계산하기 위해, 배터리의 배터리 관리 시스템의 소프트웨어에는, 지시되는 측정값들로부터, 에어 컨디셔닝 컴프레서가 스위치 온되지 않은 점에 한해서 CC-CV 충전의 종료 시까지 배터리의 내부에서 발생할 수 있는 배터리 셀 내 최대 온도를 예측하는 예측 기능이 설정될 수 있다. 예측 기능은, 셀 전압이 충전 및 방전 과정 동안 휴지 전압(resting voltage)으로부터 편차를 나타내는 것을 특징으로 하는 배터리 셀들 내 히스테리시스를 고려할 수 있다. 이 경우 각각의 충전 또는 방전 전류가 높아질수록 히스테리시스의 레벨도 더욱 높아진다. 전술한 파라미터들에 따라 최대 온도를 예측하기 위한 모델은 제1 견본품 배터리(prototype battery)에서의 사전 측정을 통해 결정된다.
단계 S13에서는 배터리 내 추정된 가정의 최대 온도가 메인 제어 유닛에 의해, 돌이킬 수 없는 손상을 방지하기 위해, 배터리 내에서 초과되어서는 안 되는 온도에 상응하는 사전 결정된 온도 임계값과 비교된다. 배터리 내 추정된 가정의 최대 온도가 사전 결정된 온도 임계값보다 더욱 높지 않다면, 본원의 모니터링 방법의 시작을 위해 단계 S11로 분기 복귀되며, 그렇지 않고 더욱 높다면, 단계 S14에서 메인 제어 유닛에 의해, 측정된 셀 전압들 중 어느 셀 전압도 사전 결정된 셀 전압 임계값보다 높지 않은지의 여부가 검사된다. 만일 셀 전압 임계값보다 높은 셀 전압이 없다면, 단계 S15에서 배터리의 냉각을 위해 적합한 에어 컨디셔닝 컴프레서가 메인 제어 유닛에 의해 스위치 온된다.
그에 반해 측정된 셀 전압들 중 하나 이상의 셀 전압이 사전 결정된 셀 전압 임계값보다 더욱 높다면, 단계 S16에서 메인 제어 유닛에 의해 배터리의 충전 과정이 중단되거나, 배터리가 전기 분리되며, 그런 후에 S15에서 에어 컨디셔닝 컴프레서가 스위치 온된다.
그에 따라, 적어도 배터리의 충전 과정 동안에, 에어 컨디셔닝 컴프레서의 전력 소모가 차단되고, 에어 컨디셔닝 컴프레서의 전력 소모를 위해 필요한 전류가 배터리에 의해서도 공급되는 점이 방지된다.
도 4에는 전체적으로 30으로 표시된 본 발명에 따르는 배터리 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다. 배터리(20)는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(21)을 포함한다. 이 경우 각각 배터리 셀의 셀 전압을 측정하는 복수의 전압 측정 유닛(22)이 제공된다. 그 외에 온도 측정 유닛들(23)이 배터리의 여러 영역에 배치된다. 전류 측정 유닛(24)은 배터리(20)의 충전 과정 동안 배터리 충전 전류를 측정한다. 전압 측정 유닛들(22), 온도 측정 유닛들(23) 및 전류 측정 유닛(24)은 컨트롤러(25)와 연결되며, 이 컨트롤러는 배터리의 충전 과정 동안 전압 측정 유닛들(22), 온도 측정 유닛들(23) 및 전류 측정 유닛(24)으로부터 공급되는 측정값들에 따라서 충전 과정이 중단없이 그리고 에어 컨디셔닝 컴프레서의 스위치 온 없이 계속될 때 배터리의 한 영역에서 달성될 수 있는 배터리 내 가정의 최대 온도를 추정하도록 형성된다. 컨트롤러(25)는 도 3에 대한 설명에서 언급한 방법에서처럼 가정의 최대 온도의 계산을 실행하도록 형성될 수 있다.
도 5에는 본 발명에 따르는 자동차의 일 실시예에서 이용되는 본 발명에 따르는 배터리 시스템(30)이 회로 배선도로 도시되어 있다. 도 4에 도시된 본 발명에 따르는 배터리 시스템(30), 자동차(32)의 메인 제어 유닛, 그리고 배터리 시스템(30)에 충전 전류를 공급하지만 본 발명에 따른 자동차의 필수적인 부품이 아닌 충전 모듈(33)은 공동의 버스 시스템에, 특히 컨트롤러 영역 네트워크(CAN) 버스(31)에 위치한다. 배터리 시스템(30), 충전 모듈(33) 및 에어 컨디셔닝 컴프레서(34)는 전기 회로의 구성 부품으로서 서로 연결되며, 이 3가지 구성 부품 모두는 병렬로 연결된다. 본 발명에 따르는 배터리 시스템(30)의 배터리 관리 유닛은 CAN 버스(31)를 통해 실시간으로 하기의 값들을 자동차(32)의 메인 제어 유닛으로 발신하고 주기적으로 상기 값들을 업데이트 한다.
(1) 배터리(20) 내부의 최대 셀 전압 값,
(2) 배터리(20) 내부의 최소 셀 전압 값, 및
(3) 충전 과정이 중단없이 그리고 에어 컨디셔닝 컴프레서(34)의 스위치 온 없이 계속될 때 배터리(20)의 한 영역에서 달성될 수 있는 배터리(20) 내 가정의 최대 온도.
본 발명에 따르는 배터리 시스템(30)의 배터리 관리 유닛으로부터 자동차(32)의 메인 제어 유닛으로 발신되는 배터리(20) 내 가정의 최대 온도가 사전 결정된 온도 임계값을 초과한다면, 자동차(32)의 메인 제어 유닛은 하기에 언급한 조건에 따라서 에어 컨디셔닝 컴프레서(34)를 스위치 온한다.
에어 컨디셔닝 컴프레서(34)가 배터리(20)의 CC-CV 충전 동안 스위치 온된다면, 상기 에어 컨디셔닝 컴프레서는 단시간에 예컨대 50A의 전류를 필요로 한다. 상기 전류는 충전 모듈(33)로부터 제공될 수 있을 뿐 아니라, 배터리 시스템(30)으로부터도 공급되어야만 하며, 그럼으로써 충전 전류는 강하된다. 이런 강하는 기본적으로 자동차(32)의 메인 제어 유닛에 의해 검출되고 충전 모듈(33)의 제어 장치로 전달되며, 그에 이어서 충전 모듈(33)의 제어 장치는 충전 전압의 상승을 통해 대응 조치를 취하지만, 이는 내부적으로 셀 전압 값이 사전 결정된 셀 전압 임계값을 초과하는 배터리 셀(21)을 손상시킬 수 있거나, 또는 배터리 관리 유닛에 의한 배터리(20)의 비제어식 분리를 초래한다.
그러므로 그 대신에, 본 발명에 따르는 배터리 시스템(30)의 배터리 관리 유닛으로부터 자동차(32)의 메인 제어 유닛으로 발신되는 배터리(20) 내부의 최대 셀 전압 값이 사전 결정된 셀 전압 임계값을 초과한다면, 본 발명에 따르는 자동차(32)의 메인 제어 유닛은 에어 컨디셔닝 컴프레서(34)를 스위치 온하지 않는다.

Claims (4)

  1. 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리,
    상기 배터리와 연결되고, i) 복수의 배터리 셀들의 각 배터리 셀의 셀 전압을 측정하도록 설정된 복수의 전압 측정 유닛들 및 ii) 상기 배터리의 온도를 측정하도록 설정된 하나 이상의 온도 측정 유닛, iii) 배터리 충전 전류를 측정하도록 설정된 하나 이상의 전류 측정 유닛, iv) 상기 전압 측정 유닛들, 상기 온도 측정 유닛, 및 상기 전류 측정 유닛과 연결된 컨트롤러를 포함하는 배터리 관리 유닛,을 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 배터리의 충전 시에 상기 배터리 충전 전류, 상기 전류 전압들, 상기 온도에 따라 추정 값을 결정하도록 설정되고,
    상기 추정 값은 상기 충전 과정이 중단 없이 계속 될 때, 상기 배터리 내부의 상기 온도의 최대 값에 상응하는, 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 온도 측정 유닛들은 상기 배터리 내부에 정렬되고, 상기 배터리의 다양한 영역 안에서 상기 온도를 측정하도록 설정되는, 배터리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 추정 값은 상기 배터리 관리 유닛의 CAN 인터페이스를 통해 출력되는, 배터리 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항의 배터리 시스템을 구비하는 자동차.
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