KR20150024561A - 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 그 구동방법 Download PDF

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KR20150024561A KR20130101588A KR20130101588A KR20150024561A KR 20150024561 A KR20150024561 A KR 20150024561A KR 20130101588 A KR20130101588 A KR 20130101588A KR 20130101588 A KR20130101588 A KR 20130101588A KR 20150024561 A KR20150024561 A KR 20150024561A
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Abstract

본 발명은 배터리의 전압을 센싱하는 센싱부; 기 설정된 크기와 시간을 가지는 전류 펄스를 상기 배터리에 인가하는 펄스 인가부; 및 상기 센싱부에서 측정된 상기 전류 펄스에 의해 발생한 분극 전압을 이용하여 상기 배터리의 SOH(state of health)를 추정하는 MCU(Main Controller Unit)를 포함하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.본 발명에 따르면, 분극 전압을 이용하여 보다 정확한 SOH를 추정할 수 있다.

Description

배터리 관리 시스템 및 그 구동방법{Battery management system and driving method thereof}
본 발명의 실시예들은 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정확한 SOH를 추정할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법에 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.
전력의 충전 및 방전이 반복되는 배터리의 효율을 향상시키기 위해서는 배터리의 충전 상태(State of charge, 이하 SOC) 및 SOC를 이용하여 추정되는 건강 상태(State of health, 이하 SOH)가 정확하게 추정되어야 한다. 배터리의 SOC는 전압 측정에 의해 추정될 수 있으나, 배터리의 충방전 과정에서 발생하는 분극 전압에 의해 배터리의 전압이 정확히 측정되지 않는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 분극 전압을 이용하여 보다 정확한 SOH를 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 전압을 센싱하는 센싱부; 기 설정된 크기와 시간을 가지는 전류 펄스를 상기 배터리에 인가하는 펄스 인가부; 및 상기 센싱부에서 측정된 상기 전류 펄스에 의해 발생한 분극 전압을 이용하여 상기 배터리의 SOH(state of health)를 추정하는 MCU(Main Controller Unit)를 포함하는 배터리 관리 시스템이 제공된다.
상기 펄스 인가부는 상기 배터리가 개방 상태인 경우에 상기 전류 펄스를 상기 배터리에 인가할 수 있다.
상기 분극 전압은 상기 전류 펄스를 인가하기 전에 측정된 상기 배터리의 제1 OCV(open circuit voltage) 및 상기 전류 펄스가 인가된 후 측정된 상기 배터리의 제2 OCV간의 차를 의미할 수 있다.
상기 MCU는 메모리부에 저장된 상기 제1 OCV및 상기 분극 전압에 따른 SOH의 관계 데이터를 이용하여 상기 배터리의 SOH를 추정하는 SOH 추정부를 포함할 수 있다.
상기 관계 데이터는 상기 제1 OCV 별로 상기 분극 전압에 따른 손실 용량, 상기 배터리가 사용되는 외부 장치에서 요구되는 필요용량 및 최소용량의 비례관계에 따라 계산된 SOH의 관계 데이터일 수 있다.
상기 MCU는 상기 제1 OCV를 이용하여 SOC(state of charge)를 추정하는 SOC 추정부를 포함할 수 있다.
상기 전류 펄스는 임펄스 전류일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리의 제1 전압을 센싱하는 단계; 기 설정된 크기와 시간을 가지는 전류 펄스를 배터리에 인가하는 단계; 상기 배터리의 제2 전압을 센싱하여 분극 전압을 산출하는 단계; 및 상기 분극 전압을 이용하여 상기 배터리의 SOH를 추정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 분극 전압을 이용하여 보다 정확한 SOH를 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 도시한 도면이다.
도 2는 분극 전압에 따른 SOH의 관계를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법을 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)를 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)내의 각 이차 전지(11)의 전류 및 전압 값을 검출하고 이를 관리한다.
배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10)에 설치된 전류 센서(미도시), 전압 센서(미도시)로부터 데이터를 제공받는다.
전류 센서는 배터리(10)의 양 단자 및 음 단자 중 어느 하나에 연결되고, 배터리(10)의 충방전 전류를 측정한다. 전압 센서는 배터리(10)의 양 단자 및 음 단자에 연결되고 배터리(10)의 단자 전압을 측정한다.
스위치부(30)는 배터리(10)의 충전 또는 방전이 수행되는 충방전 구동 구간 동안 닫힌 상태가 되어 배터리(10)와 외부 장치를 연결시킨다. 스위치부(30)는 배터리(10)의 충전 또는 방전이 수행되지 않는 비활성화 구간동안 개방 상태가 되어 배터리(10)와 외부 장치간의 연결을 차단한다.
배터리(10)가 개방되어 충전 및 방전이 수행되지 않는 비활성화 구간 동안 전압 센서에서 측정된 전압은 개방전압(open circuit voltage, 이하, OCV라 함)을 의미한다.
배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10)의 OCV에 따른 충전 상태(State of charge, 이하 SOC)의 관계를 테이블맵 화한 데이터를 미리 저장하며, 이를 통해 상기 전압 센서로부터 얻어진 OCV 측정값으로부터 SOC를 추정할 수 있다.
SOH는 배터리(10)를 사용하는 시스템에서 필요로 하는 용량 대비 현재의 용량을 비교하여 결정될 수 있다. 시스템에서 필요로 하는 필요용량 보다 현재의 SOC가 크다면 SOH는 100으로 정의되며, 시스템에서 필요로 하는 최소용량보다 SOC가 작다면 SOH는 0으로 정의된다.
배터리(10)를 충방전 하기 위해 전류를 인가하면 인가한 전류에 비례해서 분극 전압이 발생한다. 본 발명은 이러한 분극 전압과 SOH와의 비계관계를 이용하여 배터리(10)의 SOH를 추정하는 방법에 관한 것이다.
도 2는 분극 전압에 따른 SOH의 관계를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 현재의 OCV 상태에서 A 전압만큼의 용량을 가지고 있지만, 배터리(10)에 인가되는 전류에 의해 발생하는 분극 전압에 의해 B 전압만큼의 충전 용량에 먼저 도달하게 된다.
즉, 충전 시 분극 전압의 크기만큼 충전 상한 전압에 먼저 도달하기 때문에 충전되지 못하는 손실용량이 발생하며, 이에 따라 실제 충전용량은 작아지게 된다. 반대로, 방전 시에는 분극 전압의 크기만큼 방전 하한 전압에 먼저 도달하기 때문에 실제 방전되지 못하는 손실용량이 발생하며, 이에 따라 실제 방전용량 또한 작아진다. 따라서, 본 발명은 이러한 분극 전압에 따른 손실용량과 SOH의 관계를 이용하여 배터리의 SOH를 추정하는 방법을 제공하자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 배터리 관리 시스템(20)은 센싱부(200), 펄스 발생부(300) 및 MCU(Main Controller Unit)(400)을 포함할 수 있다.
센싱부(200)는 전압센서를 이용하여 배터리의 전압을 측정하여 이를 MCU(400)에 전달한다.
펄스 인가부(300)는 배터리(10)에 분극 전압을 발생시키기 위해 기 설정된 크기와 시간을 가지는 전류 펄스를 배터리(10)에 인가한다. 전류 펄스는 펄스폭, 펄스의 크기, 펄스의 주기 등에 따라 다양한 유형으로 생성될 수 있다.
일례로, 상기 전류 펄스는 신속하게 최대값으로 상승하고 급속하게 0으로 떨어지는 주기성 없는 과도 전류인 임펄스 전류일 수 있다. 펄스 인가부(300)는 임펄스 전류를 배터리(10)에 인가함으로써 배터리에 분극 전압을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 펄스 인가부(300)는 배터리(10)가 개방 상태인 경우에 전류 펄스를 배터리에 인가 할 수 있다. 배터리(10)가 개방되어 안정된 시점에 분극 전압을 발생시킴으로써, 이에 따른 정확한 SOH를 추정토록 하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 MCU(400)는 SOH 추정부(401), SOC 추정부(403) 및 메모리부(405)를 포함할 수 있다.
SOH 추정부(401)는 전류 펄스에 의해 발생한 분극 전압을 이용하여 배터리(10)의 SOH를 추정한다.
여기서, 분극 전압은 전류 펄스를 인가하기 전에 센싱부(200)에서 측정된 배터리(10)의 제1 OCV 및 전류 펄스가 인가된 후 센싱부(200)에서 측정된 배터리(10)의 제2 OCV간의 차를 의미한다.
일례로, 전류 펄스를 인가하기 전에 측정된 배터리의 제1 OCV가 3.0V이며, 전류 펄스를 인가 후 측정된 배터리의 제2 OCV가 3.1V인 경우 분극 전압은 0.1V일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, SOH 추정부(401)는 메모리부(405)에 미리 저장된 제1 OCV 및 분극 전압에 따른 SOH의 관계 데이터를 이용하여 배터리의 SOH를 추정할 수 있다.
여기서, 관계 데이터는 제1 OCV 별로 분극 전압에 따른 손실용량, 배터리 사용되는 외부 장치에서 요구되는 필요용량 및 최소용량의 비례관계에 따라 계산된 SOH의 관계 데이터일 수 있다. 관계 데이터는 제1 OCV 별로 측정된 분극 전압에 따라 추정된 SOH가 테이블 맵 형태로 저장된 형태 일 수 있다.
일례로, 필요용량이 3KW, 최소용량이 2KW, 제1 OCV가 3.3V일 때 분극 전압 0.2V에 의한 손실용량이 0.5KW인 경우 비례관계에 의해 SOH는 50%일 수 있으며, 이에 따른 관계 데이터로서 제1 OCV가 3.3V, 분극 전압 이 0.2V일 때 SOH는 50% 인 것으로 메모리부(405)에 저장될 수 있다. 이와 같은 분극 전압과 SOH의 관계 데이터는 배터리의 용량 및 사용환경에 따라 다양한 값을 가질 수 있으며, 사용자의 실험에 의해 미리 저장될 수 있다.
종래의 SOH는 측정이 어렵고 SOH 를 추정하는데 까지 많은 시간이 필요하기 때문에 계속 누적된 값을 저장하고 있어야 하는 문제가 있었다.
이에 비해, 본 발명에 따른 SOH의 추정은 미리 메모리부에 저장된 관계데이터를 이용하여 SOH를 추정하므로, 제1 OCV 및 분극 전압을 측정하는 것만으로도 손쉽게 SOH를 추정할 수 있는 이점이 있다.
SOC 추정부(403)는 제1 OCV를 이용하여 SOC를 추정할 수 있다. 일례로, SOC 추정부(403)는 메모리부(405)에 미리 저장된 제1 OCV와 SOC와의 관계 데이터를 이용하여 SOC를 추정할 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법을 도시한 순서도이다.
센싱부(200)는 배터리의 제1 전압을 센싱한다(S401). 이때 제1 전압은 배터리가 개방되어 안정된 상태에 측정된 제1 OCV일 수 있다.
펄스 인가부(300)는 전류 펄스를 배터리에 인가한다(S403). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 펄스 인가부(300)는 배터리가 개방 상태인 경우에 전류 펄스를 배터리에 인가할 수 있다.
이어서, 센싱부(200)는 배터리에 전류 펄스가 인가된 후 배터리의 제2 전압을 센싱하여 분극 전압을 산출한다(S405). 여기서, 제2 전압은 배터리가 개방된 상태에 측정된 제2 OCV일 수 있으며, 분극 전압은 제1 전압 및 제2 전압간의 차를 의미할 수 있다.
마지막으로, SOH 추정부(403)는 분극 전압을 이용하여 배터리의 SOH를 추정한다(S407). 보다 상세하게, SOH 추정부(403)는 메모리부(405)에 저장된 제1 OCV 및 분극 전압에 따른 SOH의 관계 데이터를 이용하여 배터리의 SOH를 추정할 수 있다.
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.
10: 배터리 20: 배터리 관리 시스템
30: 스위칭부
200: 센싱부 300: 펄스 인가부
400: MCU 401: SOH 추정부
403: SOC 추정부 405: 메모리부

Claims (13)

  1. 배터리의 전압을 센싱하는 센싱부;
    기 설정된 크기와 시간을 가지는 전류 펄스를 상기 배터리에 인가하는 펄스 인가부; 및
    상기 센싱부에서 측정된 상기 전류 펄스에 의해 발생한 분극 전압을 이용하여 상기 배터리의 SOH(state of health)를 추정하는 MCU(Main Controller Unit)를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 인가부는 상기 배터리가 개방 상태인 경우에 상기 전류 펄스를 상기 배터리에 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분극 전압은 상기 전류 펄스를 인가하기 전에 측정된 상기 배터리의 제1 OCV(open circuit voltage) 및 상기 전류 펄스가 인가된 후 측정된 상기 배터리의 제2 OCV간의 차를 의미하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 MCU는 메모리부에 저장된 상기 제1 OCV및 상기 분극 전압에 따른 SOH의 관계 데이터를 이용하여 상기 배터리의 SOH를 추정하는 SOH 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 관계 데이터는 상기 제1 OCV 별로 상기 분극 전압에 따른 손실 용량, 상기 배터리가 사용되는 외부 장치에서 요구되는 필요용량 및 최소용량의 비례관계에 따라 계산된 SOH의 관계 데이터인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 제1 OCV를 이용하여 SOC(state of charge)를 추정하는 SOC 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전류 펄스는 임펄스 전류인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  8. 배터리의 제1 전압을 센싱하는 단계;
    기 설정된 크기와 시간을 가지는 전류 펄스를 배터리에 인가하는 단계;
    상기 배터리의 제2 전압을 센싱하여 분극 전압을 산출하는 단계; 및
    상기 분극 전압을 이용하여 상기 배터리의 SOH를 추정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전류 펄스는 상기 배터리가 개방 상태인 경우에 상기 배터리에 인가되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 분극 전압은 상기 전류 펄스를 인가하기 전에 측정된 OCV인 상기 배터리의 제1 전압 및 상기 전류 펄스가 인가된 후 측정된 OCV인 상기 배터리의 제2 전압간의 차를 의미하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리의 SOH를 추정하는 단계는, 메모리부에 미리 저장된 상기 제1 OCV 및 상기 분극 전압에 따른 SOH의 관계 데이터를 이용하여 상기 배터리의 SOH를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 관계 데이터는 상기 제1 OCV 별로 상기 분극 전압에 따른 손실 용량, 상기 배터리가 사용되는 외부 장치에서 요구되는 필요용량 및 최소용량의 비례관계에 따라 계산된 SOH의 관계 데이터인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 전류 펄스는 임펄스 전류인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
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