KR20150058395A - 전기 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

전기 저장 시스템은: 충전 및 방전을 거치는 전기 저장 유닛(10, 11); 전기 저장 유닛의 전압 값을 검출하는 전압 센서(20, 20a); 및 검출된 전압 값이 충전 종료 전압 값에 도달하는 경우에 전기 저장 유닛의 충전을 종료시키는 제어기(30)를 포함한다. 제어기는 전기 저장 유닛에서 정전류 충전이 수행되는 동안 검출된 전압 값에 기초하여, 정전류 충전의 중단과 연계되는 전압 강하를 계산하고, 전압 강하의 양에 따라 충전 종료 전압 값을 설정한다.

Description

전기 저장 시스템{ELECTRICITY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 전기 저장 유닛을 충전할 수 있는 전기 저장 시스템에 관한 것이다.
일본 특허 출원 공개공보 08-154307호(JP 08-154307 A)는 외부 충전기를 이용하여 완전 충전 상태(SOC)로 배터리를 충전하는 것을 설명한다. 여기서, 외부 충전 동안, 배터리의 충전 전류 및 단자 전압을 모니터링하면서 정전압 충전으로의 시프트가 수행되고, 충전 전류의 감소 후 사전설정된 시간 동안 충전이 수행된 경우 배터리는 완전 SOC에 도달한 것으로 결정된다.
외부 충전이 진행중인 동안에는, 배터리의 전압 값[폐로 전압(CCV)]이 배터리의 내부 저항에 따라 개로 전압(OCV) 위로 증가한다. 외부 충전이 완료될 때, 배터리의 CCV는 OCV에 접근하도록 감소한다. 외부 충전의 마지막에 나타나는 전압 강하의 양은 배터리의 내부 저항에 의존한다. 배터리 경과의 열화(deterioration)로, 배터리의 내부 저항이 증가하므로, 전압 강하에 따라 완전 SOC로 배터리를 충전하기가 어려워질 수 있다.
본 발명의 실시형태는 전기 저장 시스템에 관한 것이며, 이는: 충전 및 방전을 거치는 전기 저장 유닛; 전기 저장 유닛의 전압 값을 검출하는 전압 센서; 및 검출된 전압 값이 충전 종료 전압 값(charging termination voltage value)에 도달하는 경우에 전기 저장 유닛의 충전을 종료시키는 제어기를 포함한다. 제어기는 전기 저장 유닛에서 정전류 충전이 수행되는 동안 검출된 전압 값에 기초하여, 정전류 충전의 중단과 연계되는 전압 강하의 양을 계산하며, 전압 강하의 양에 따라 충전 종료 전압 값을 설정한다.
정전류 충전의 중단에 의해, 전기 저장 유닛의 전압 값은 감소하게 될 수 있고, 결과로서 전압 강하의 양이 계산될 수 있다. 전압 강하의 양은 전기 저장 유닛의 내부 저항 및 전류 값에 의존한다. 정전류 충전 동안 전압 강하의 양을 계산함으로써, 전류 값(충전 전류)의 변동을 수반하는 전압 강하 양의 변동이 배제될 수 있다. 다시 말하면, 전압 강하의 양은 전기 저장 유닛의 내부 저항에 의존하여 구성될 수 있다.
앞서 설명된 방식으로 전압 강하의 양을 계산함으로써, 전기 저장 유닛의 열화(내부 저항)에 대응하는 전압 강하의 양이 습득될 수 있다. 전압 강하의 양을 습득함으로써, 전기 저장 유닛의 충전 완료 후 전압 값이 습득될 수 있다. 결과로서, 충전 완료 후 전기 저장 유닛의 전압 값은 목표 전압 값(target voltage value)에 맞춰 조정될 수 있다. 다시 말하면, 전기 저장 유닛의 SOC가 목표 SOC에 맞춰 조정될 수 있다.
정전류 충전의 중단을 수반하는 전압 강하의 양은 아래에서 설명될 2 개의 평균 값들 간의 차이를 이용하여 계산될 수 있다. 평균 값들 중 하나는, 정전류 충전이 중단되기 전에 복수의 상이한 타이밍들에서 전기 저장 유닛의 전압 값을 검출하고, 검출된 전압 값들을 평균함으로써 계산될 수 있다. 다른 평균 값은, 정전류 충전이 중단된 동안 복수의 상이한 타이밍들에서 전기 저장 유닛의 전압 값을 검출하고, 검출된 전압 값들을 평균함으로써 계산될 수 있다.
정전류 충전이 중단되기 전 전압 값에서 변동이 나타나는 경우, 계산된 전압 강하의 양은 전압 값에 따라 변한다. 이와 유사하게, 정전류 충전이 중단된 동안 전압 값에서 변동이 나타나는 경우, 계산된 전압 강하의 양은 전압 값에 따라 변한다. 따라서, 앞서 설명된 평균 값들을 채택함으로써, 계산된 전압 강하의 양의 변동이 억제될 수 있다.
전기 저장 유닛을 충전하기 위해, 정전류 충전을 수행한 후 정전압 충전이 수행될 수 있다. 여기서, 정전류 충전은 검출된 전압 값이 충전 종료 전압 값보다 높아진 경우에 종료될 수 있다. 또한, 정전압 충전은 검출된 전압 값이 충전 종료 전압 값보다 높게 지속적으로 유지되는 경우에 종료될 수 있다.
검출된 전압 값이 충전 종료 전압 값보다 높게 지속적으로 유지되는 상태는, 예를 들어 검출된 전압 값이 충전 종료 전압 값보다 높게 유지되는 시간(지속 시간)이 사전설정된 임계치(시간)를 초과하는 상태일 수 있다. 또한, 검출된 전압 값이 충전 종료 전압 값보다 높다고 확인될 때마다 카운트 값(count value)이 증가될 수 있고, 카운트 값이 사전설정된 임계치(카운트 값)를 초과하는 경우에 검출된 전압 값이 충전 종료 전압 값보다 높게 지속적으로 유지된 것으로 결정될 수 있다.
충전 종료 전압 값은 다음과 같이 설정될 수 있다. 우선, 제 1 기준 전압 강하량과 정전류 충전의 중단을 수반하는 전압 강하의 양 간의 비가 계산된다. 여기서, 제 1 기준 전압 강하량은 전기 저장 유닛의 전압 값 및 전류 값에 따라 변하며, 이들 간의 대응 관계는 사전에 기준 전기 저장 유닛을 이용하여 결정될 수 있다. 열화가 나타나지 않은 새로 제조된 전기 저장 유닛이 기준 전기 저장 유닛으로서 사용될 수 있다.
전류 센서를 이용하여 전기 저장 유닛의 전류 값을 검출하고, 온도 센서를 이용하여 전기 저장 유닛의 온도를 검출함으로써, 검출된 전류 값 및 온도에 대응하는 제 1 기준 전압 강하량이 지정(specify)될 수 있다. 정전류 충전이 중단되기 전에 검출된 값들이, 제 1 기준 전압 강하량이 지정되는 전류 값 및 온도로서 사용된다.
그 다음, 제 2 기준 전압 강하량과 앞서 언급된 비를 곱함으로써 보정 값이 계산된다. 여기서, 제 2 기준 전압 강하량은 전기 저장 유닛의 전압 값 및 전류 값에 따라 변하며, 이들 간의 대응 관계는 사전에 기준 전기 저장 유닛을 이용하여 결정될 수 있다. 따라서, 전류 센서 및 온도 센서를 각각 이용하여 전기 저장 유닛의 전류 값 및 온도를 검출함으로써, 검출 결과들에 대응하는 제 2 기준 전압 강하량이 지정될 수 있다. 정전류 충전이 종료된 경우에 검출된 값들이, 제 2 기준 전압 강하량이 지정되는 전류 값 및 온도로서 사용된다.
충전 종료 전압 값은 전기 저장 유닛의 충전 종료 시 OCV 값에 앞서 언급된 보정 값을 더함으로써 결정된다. 여기서, OCV 값은 전기 저장 유닛의 충전이 종료된 경우 목표 전압 값의 역할을 한다. 전기 저장 유닛이 그 다음에 충전되는 경우, 충전은 검출된 전압 값이 설정된 충전 종료 전압 값에 도달할 때까지 전기 저장 유닛에서 수행될 수 있다. 이에 따라, 충전의 종료 후 전기 저장 유닛의 전압 값은 목표 전압 값과 정렬될 수 있다.
정전류 충전은 검출된 전류 값이 허용 범위 내에 있는 경우에 중단될 수 있다. 검출된 전류 값에서 변동이 나타나는 경우, 제 1 기준 전압 강하량은 쉽게 지정될 수 없다. 따라서, 검출된 전류 값이 허용 범위 내에 있는 경우에 정전류 충전을 중단함으로써, 제 1 기준 전압 강하량이 지정되는 정밀도가 개선될 수 있다.
제 1 기준 전압 강하량을 지정하기 위해, 우선, 정전류 충전이 중단되기 전에 복수의 상이한 타이밍들에서 전기 저장 유닛의 전류 값이 검출된다. 그 후, 전류 값들의 평균 값이 계산되고, 평균 값(전류 값)에 의해 제 1 기준 전압 강하량이 지정될 수 있다. 전류 값이 허용 범위 내에 포함되는 경우에도, 허용 범위 내의 전류 값에서 변동이 나타날 수 있다. 그러므로, 전류 값의 평균 값을 계산함으로써, 제 1 기준 전압 강하량이 지정되는 정밀도가 개선될 수 있다.
전기 저장 유닛은 차량에 설치될 수 있다. 전기 저장 유닛으로부터 출력된 전기 에너지를 운동 에너지로 변환함으로써, 운동 에너지가 차량을 이동하게 하는 데 사용될 수 있다. 전동 발전기(MG)가 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하는 데 사용될 수 있다. 또한, 전기 저장 유닛을 충전하기 위해, 차량 외부에 배치된 전력 공급기(power supply)로부터 전력이 전기 저장 유닛에 공급될 수 있다.
동일한 숫자들이 동일한 요소들을 나타내는 첨부된 도면들을 참조하여, 아래에서 본 발명의 예시적인 실시예들의 특징, 장점, 및 기술적 및 산업적 중요성이 설명될 것이다:
도 1은 배터리 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 모니터링 유닛의 구성을 주로 나타내는 도면;
도 3은 배터리 팩에서 수행되는 외부 충전 프로세싱을 예시하는 도면;
도 4는 정전류 충전 프로세싱을 예시하는 흐름도;
도 5는 정전류 충전 프로세싱을 예시하는 흐름도;
도 6은 정전류 충전 프로세싱 동안 전류 값 및 전압 값의 거동(behavior)을 나타내는 도면;
도 7은 정전압 충전 프로세싱을 예시하는 흐름도;
도 8은 충전 종료 전압 값을 보정하는 프로세싱을 예시하는 흐름도;
도 9는 정전류 충전 프로세싱 동안 배터리 온도와 전압 강하의 양 간의 관계를 예시하는 도면; 및
도 10은 정전압 충전 프로세싱 동안 배터리 온도와 전압 강하의 양 간의 관계를 예시하는 도면이다.
도 1은 일 실시예에 따른 (본 발명의 전기 저장 시스템으로 간주될 수 있는) 배터리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 나타낸 배터리 시스템은 차량에 설치된다. 차량은, 예를 들어 플러그인 하이브리드 차량(PHV) 또는 전기 차량(EV)일 수 있다.
PHV는 차량을 이동하게 하는 전력원들로서, 아래에서 설명될 배터리 팩, 및 엔진 또는 연료 셀(fuel cell)과 같은 또 다른 전력원을 포함한다. EV는 차량을 이동하게 하는 전력원으로서 아래에서 설명될 배터리 팩만을 포함한다. 아래에서 설명되는 바와 같이, PHV 및 EV 모두에서 배터리 팩은 외부 전력 공급기로부터의 전력을 이용하여 충전될 수 있다.
이 실시예에서, 배터리 팩은 차량에 설치되지만 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 배터리 팩을 충전할 수 있는 여하한의 시스템에 적용될 수 있다는 것을 유의한다.
배터리 팩(10)은 직렬로 연결된 복수의 단일 셀(11)들을 포함한다. 니켈 수소 배터리 또는 리튬 이온 배터리와 같은 이차 배터리가 단일 셀(11)로서 사용될 수 있다. 또한, 전기 이중층 커패시터가 이차 배터리 대신에 사용될 수 있다. 단일 셀(11)들의 수는 배터리 팩(10)의 필요 출력(required output) 등에 기초하여 적절히 설정될 수 있다. 이 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서는, 단일 셀(11)들이 모두 직렬로 연결되지만, 배터리 팩(10)은 병렬로 연결된 복수의 단일 셀(11)들을 포함할 수 있다.
(본 발명의 전압 센서로 간주될 수 있는) 모니터링 유닛(20)이 배터리 팩(10)의 단자들 간의 전압(bv) 및 각각의 단일 셀(11)의 단자들 간의 전압(bv)을 검출하고, 검출 결과들을 전자 제어 유닛(ECU)(30)으로 출력한다. 모니터링 유닛(20)의 구체적 구성이 아래에서 설명될 것이다. 여기서, 배터리 팩(10) 및 단일 셀(11)은 본 발명의 전기 저장 유닛으로 간주될 수 있다. 온도 센서(21)가 배터리 팩(10)[단일 셀(11)]의 온도를 검출하고, 검출 결과를 ECU(30)로 출력한다. 여기서, 하나 또는 복수의 온도 센서(21)들이 배터리 팩(10)에 관하여 배치될 수 있다.
전류 센서(22)가 배터리 팩(10)을 통해 흐르는 전류 값(bib)을 검출하고, 검출 결과를 ECU(30)로 출력한다. 이 실시예에서, 전류 센서(22)에 의해 검출된 전류 값(bib)은 배터리 팩(10)이 방전되고 있는 경우에 양의 값을 취한다. 또한, 전류 센서(22)에 의해 검출된 전류 값(bib)은 배터리 팩(10)이 충전되고 있는 경우에 음의 값을 취한다.
이 실시예에서, 전류 센서(22)는 배터리 팩(10)의 양극 단자에 연결된 양극 라인(PL)에 제공된다. 여기서, 전류 센서(22)가 배터리 팩(10)을 통해 흐르는 전류를 검출할 수 있는 한, 전류 센서(22)가 제공되는 위치는 적절히 설정될 수 있다. 예를 들어, 전류 센서(22)는 배터리 팩(10)의 음극 단자에 연결된 음극 라인(NL)에 제공될 수 있다. 또한, 복수의 전류 센서(22)들이 사용될 수 있다.
(본 발명의 제어기로 간주될 수 있는) ECU(30)는 메모리(31)를 포함하고, 메모리(31)는 사전설정된 프로세싱(특히, 이 실시예에서 설명되는 프로세싱)을 수행하도록 ECU(30)에 의해 사용되는 다양한 정보를 저장한다. 또한, ECU(30)는 타이머(32)를 포함하고, 타이머(32)는 시간을 측정하는 데 사용된다. 이 실시예에서, 메모리(31) 및 타이머(32)는 ECU(30)의 일부로 형성되지만, 메모리(31) 및 타이머(32) 중 적어도 하나가 ECU(30)의 외부에 제공될 수도 있다.
시스템 메인 릴레이(system main relay: SMR)-B가 양극 라인(PL)에 제공된다. SMR-B는 ECU(30)로부터의 제어 신호의 수신 시 ON 및 OFF로 스위칭된다. SMR-G가 음극 라인(NL)에 제공된다. SMR-G는 ECU(30)로부터의 제어 신호의 수신 시 ON 및 OFF로 스위칭된다.
SMR-P 및 전류 제한 저항기(current limiting resistor: R)가 SMR-G에 병렬로 연결된다. 여기서, SMR-P 및 전류 제한 저항기(R)는 직렬로 연결된다. SMR-P는 ECU(30)로부터의 제어 신호의 수신 시 ON 및 OFF로 스위칭된다.
전류 제한 저항기(R)는, 배터리 팩(10)이 부하(load)[아래에서 설명될 인버터(24)]에 연결되는 경우에 돌입 전류(inrush current)가 커패시터(23)로 흐르는 것을 방지하는 데 사용된다. 커패시터(23)는 양극 라인(PL) 및 음극 라인(NL)에 연결되고, 양극 라인(PL)과 음극 라인(NL) 사이의 전압 변동을 평활화하는 데 사용된다.
배터리 팩(10)을 인버터(24)에 연결하기 위해, 우선, ECU(30)는 SMR-B 및 SMR-P를 OFF로부터 ON으로 스위칭한다. 결과로서, 전류가 전류 제한 저항기(R)로 흐르게 될 수 있으며, 이로 인해 돌입 전류가 커패시터(23)로 흐르는 것이 방지될 수 있다. 그 다음, ECU(30)는 SMR-G를 OFF로부터 ON으로 스위칭하고, SMR-P를 ON으로부터 OFF로 스위칭한다.
배터리 팩(10)과 인버터(24)의 연결이 이에 따라 완료되며, 이로 인해 도 1에 나타낸 배터리 시스템이 Ready-On 상태에 들어간다. 차량의 점화 스위치의 ON/OFF 상태에 관한 정보가 ECU(30)로 입력되고, ECU(30)는 점화 스위치가 OFF로부터 ON으로 스위칭되는 경우에 도 1에 나타낸 배터리 시스템을 작동시킨다.
반면에 점화 스위치가 ON으로부터 OFF로 스위칭되는 경우, ECU(30)는 SMR-B 및 SMR-G를 ON으로부터 OFF로 스위칭한다. 결과로서, 배터리 팩(10)과 인버터(24) 간의 연결이 중단되며, 이로 인해 도 1에 나타낸 배터리 시스템은 Ready-OFF 상태에 들어간다.
인버터(24)는 배터리 팩(10)으로부터 출력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 교류 전력을 MG(25)로 출력한다. 예를 들어, 3-상 교류 모터가 MG(25)로서 사용될 수 있다. MG(25)는 인버터(24)로부터 출력된 교류 전력의 수신 시 차량을 이동하게 하는 운동 에너지를 발생시킨다. MG(25)에 의해 발생된 운동 에너지는 차량 바퀴로 전달되고, 결과로서 차량이 이동하게 될 수 있다.
차량이 감속되거나 정지될 경우, MG(25)는 차량 제동 동안 발생되는 운동 에너지를 전기 에너지(교류 전력)로 변환한다. 인버터(24)는 MG(25)에 의해 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 직류 전력을 배터리 팩(10)으로 출력한다. 이에 따라, 회생 전력(regenerative power)이 배터리 팩(10)에 저장될 수 있다.
이 실시예에서는, 배터리 팩(10)이 인버터(24)에 연결되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 더 구체적으로는, 배터리 팩(10)과 인버터(24) 사이의 전류 경로에 부스터 회로가 제공될 수 있다. 부스터 회로는 배터리 팩(10)에 의해 출력된 전압을 부스팅(boost)하여, 부스팅된 전력이 인버터(24)로 출력될 수 있도록 한다. 또한, 부스터 회로는 인버터(24)에 의해 출력된 전압을 부스팅하여, 부스팅된 전력이 배터리 팩(10)으로 출력될 수 있도록 한다.
충전기(26)가 충전 라인들(PCL, NCL)을 통해 양극 라인(PL) 및 음극 라인(NL)에 연결된다. 더 구체적으로, 충전 라인 PCL은 SMR-B와 배터리 팩(10)의 양극 단자를 연결하는 양극 라인(PL)에 연결된다. 또한, 충전 라인 NCL은 SMR-G와 배터리 팩(10)의 음극 단자를 연결하는 음극 라인(NL)에 연결된다.
충전 릴레이들(Rch1, Rch2)이 충전 라인들(PCL, NCL)에 제공된다. 충전 릴레이들(Rch1, Rch2)은 ECU(30)로부터의 제어 신호의 수신 시 ON 및 OFF로 스위칭된다. 인렛(소위 커넥터)(27)이 충전기(26)에 연결된다.
외부 전력 공급기(도시되지 않음)에 연결된 플러그(소위 커넥터)가 인렛(27)에 연결된다. 플러그를 인렛(27)에 연결함으로써, 외부 전력 공급기로부터의 전력이 충전기(26)를 통해 배터리 팩(10)에 공급될 수 있다. 결과로서, 배터리 팩(10)은 외부 전력 공급기를 이용하여 충전될 수 있다. 예를 들어, 상업용 전력 공급기가 외부 전력 공급기로서 사용될 수 있다. 외부 전력 공급기가 교류 전력을 공급하는 경우, 충전기(26)는 외부 전력 공급기로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 직류 전력을 배터리 팩(10)으로 출력한다. ECU(30)는 충전기(26)의 작동을 제어할 수 있다.
외부 전력 공급기로부터의 전력을 배터리 팩(10)에 공급함으로써 배터리 팩(10)을 충전하는 것은 외부 충전이라고 칭해질 것이다. 이 실시예에 따른 배터리 시스템에서, 외부 충전은 충전 릴레이들(Rch1, Rch2)이 ON인 경우에 수행될 수 있다. 외부 충전 동안, 배터리 팩(10)에는 일정한 충전 전류가 공급될 수 있으며, 그러므로 배터리 팩(10)은 정전류 하에 충전될 수 있다.
외부 전력 공급기로부터의 전력을 배터리 팩(10)에 공급하는 시스템은 도 1에 나타낸 시스템에 제한되지 않는다. 이 실시예에서, 충전기(26)는 차량에 설치되지만, (외부 충전기로서 이용가능한) 충전기가 차량의 외부에 배치될 수 있다. 이 경우, 도 1에 나타낸 충전기(26)는 생략된다. 외부 충전기에 연결된 플러그를 인렛(27)에 연결함으로써, 외부 전력 공급기로부터의 전력이 배터리 팩(10)에 공급될 수 있다.
또한, 이 실시예에서 외부 충전은 인렛(27)에 플러그를 연결함으로써 수행되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 더 구체적으로는, 외부 전력 공급기로부터의 전력이 소위 비-접촉 타입 충전 시스템을 이용하여 배터리 팩(10)에 공급될 수 있다. 비-접촉 타입 충전 시스템에서, 전력은 전자기 유도 또는 공명 현상을 이용하여 케이블을 통과하지 않고 공급될 수 있다. 종래의 구성이 비-접촉 타입 충전 시스템으로서 적절히 채택될 수 있다.
그 다음, 모니터링 유닛(20)의 구성이 도 2를 이용하여 설명될 것이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 모니터링 유닛(20)은 배터리 팩(10)을 구성하는 단일 셀(11)들의 수와 동일한 수로 전압 모니터링 집적 회로(IC)(20a)들을 포함한다. 전압 모니터링 IC(20a)들은 각각의 단일 셀(11)들에 병렬로 연결된다. 전압 모니터링 IC(20a)는 대응하는 단일 셀(11)의 전압 값을 검출하고, 검출 결과를 ECU(30)로 출력한다.
이 실시예에서, 전압 모니터링 IC(20a)는 각 단일 셀(11)에 대해 제공되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 배터리 팩(10)을 구성하는 복수의 단일 셀(11)들이 복수의 배터리 블록들로 나누어질 수 있으며, 전압 모니터링 IC(20a)는 각 배터리 블록에 대해 제공될 수 있다. 배터리 블록은 직렬로 연결된 복수의 단일 셀(11)들에 의해 구성되며, 배터리 팩(10)은 복수의 배터리 블록들을 직렬로 연결함으로써 구성된다.
이 경우, 전압 모니터링 IC(20a)는 대응하는 배터리 블록의 전압 값을 검출하고, 검출 결과를 ECU(30)로 출력한다. 각각의 배터리 블록은 병렬로 연결된 복수의 단일 셀(11)들을 포함할 수 있다는 것을 유의한다. 여기서, 배터리 블록은 본 발명의 전기 저장 유닛으로 간주될 수 있다.
이 실시예에 따른 배터리 시스템에서는, 배터리 팩(10)의 SOC(SOC)가 외부 충전을 수행함으로써 증가될 수 있다. 여기서, SOC는 완전 충전 용량에 대한 현재 충전 용량의 비이다. PHV 및 EV에서, EV 이동 거리가 배터리 팩(10)의 SOC를 증가시킴으로써 더 쉽게 확보될 수 있다. EV 이동 거리는, 차량이 배터리 팩(10)의 출력만을 이용하여 이동하게 되는 경우에 이동될 수 있는 거리이다.
외부 충전이 수행되는 경우, 외부 충전이 종료될 SOC를 설정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 완전 SOC에 대응하는 100[%]가 외부 충전이 종료될 SOC로서 설정될 수 있다.
여기서, 배터리 팩(10)의 SOC가 설정 SOC 값에 도달했는지의 여부에 관한 결정이 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값에 기초하여 이루어질 수 있다. 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)이 설정 SOC 값에 도달하는 (충전 종료 전압 값이라고 칭해질) 전압 값을 사전에 측정함으로써, 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값이 충전 종료 전압 값(고정 값)에 도달한 경우에 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)이 설정 SOC 값에 도달했다고 결정하는 것이 가능하다.
단일 셀(11)의 열화가 진행되는 경우, 단일 셀(11)의 내부 저항이 증가한다. 여기서, 아래의 수학식(1)에서 나타낸 바와 같이, 모니터링 유닛(20)[전압 모니터링 IC(20a)]에 의해 검출된 단일 셀(11)의 전압 값(CCV)은 내부 저항에 대응하는 전압 변동량에 대응하는 양만큼 단일 셀(11)의 전압 값(OCV)에 대해 변한다. 다시 말하면, 단일 셀(11)이 충전되는 경우, 단일 셀(11)의 CCV는 단일 셀(11)의 OCV에 대해 "Ib × Rb"(전압 변동량)만큼 증가한다.
Figure pct00001
수학식(1)에서, Ib는 전류 센서(22)에 의해 검출되는 단일 셀(11)을 통해 흐르는 전류 값이다. Rb는 단일 셀(11)의 내부 저항이다. 내부 저항(Rb)은 단일 셀(11)의 열화가 진행함에 따라 증가한다.
단일 셀(11)의 외부 충전이 종료되는 경우, 충전 전류는 단일 셀(11)로 흐르지 않게 되고, 그러므로 단일 셀(11)의 전압 값은 OCV에 접근한다. 다시 말하면, 외부 충전이 종료되는 경우, 단일 셀(11)의 전압 값은 "Ib × Rb"만큼 감소한다. 여기서, 외부 충전의 종료 후 전압 강하의 양은 전압 변동량(Ib × Rb)이 증가함에 따라, 또는 다시 말하면 전류 값(Ib) 및 내부 저항(Rb)이 증가함에 따라 증가한다. 또한, 아래에서 설명되는 바와 같이, 단일 셀(11)이 정전류 충전을 거치는 경우, 전압 강하의 양은 내부 저항(Rb)에 의존한다.
단일 셀(11)의 SOC가 설정 값에 도달했는지의 여부에 관한 결정은 단일 셀(11)의 CCV에 기초하여 이루어지며, 이는 모니터링 유닛(20)[전압 모니터링 IC(20a)]에 의해 검출된다. 앞서 설명된 바와 같이, 단일 셀(11)의 전압 값은 외부 충전의 종료 후 감소한다. 그러므로, 외부 충전의 종료 후, 단일 셀(11)의 전압 값은 단일 셀(11)의 CCV가 충전 종료 전압 값(고정 값)에 도달한 후에도 충전 종료 전압 값(고정 값) 아래로 감소한다.
결과로서, 배터리 팩(10)[단일 셀(11)]은 더 이상 단일 셀(11)의 SOC가 설정 값에 도달할 때까지 충전될 수 없다. 단일 셀(11)의 SOC가 설정 값에 도달하지 않는 경우, 앞서 언급된 EV 이동 거리는 결과적인 SOC 차이에 대응하는 양만큼 감소한다.
그러므로, 이 실시예에서는, 아래에서 설명되는 바와 같이 충전 종료 전압 값이 단일 셀(11)의 내부 저항(열화 상태)을 고려하여 보정된다. 단일 셀(11)의 내부 저항에 따라 보정된 충전 종료 전압 값이 사용되는 경우, 단일 셀(11)의 SOC는 더 쉽게 설정 값에 도달한다. 단일 셀(11)의 SOC가 설정 값에 도달할 때까지 고도의 정밀도로 외부 충전을 수행함으로써, 설정 값에 대응하는 EV 이동 거리가 쉽게 확보될 수 있다.
우선, 배터리 팩(10)[단일 셀(11)]이 외부 충전을 거치는 경우에 수행되는 프로세싱이 도 3을 이용하여 설명될 것이다. 도 3에서, 좌측 세로좌표는 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 SOC를 나타내며, 우측 세로좌표는 충전되는 전력을 나타낸다. 또한, 도 3의 가로좌표는 외부 충전의 지속시간을 나타낸다. 외부 충전은 도 3의 우측을 향해 꾸준히 진행한다.
외부 충전의 시작 후, 단일 셀(11)[배터리 팩(10)]은 정전류 하에 충전된다. 여기서, 충전 동안 사용되는 전류 값은 적절히 설정될 수 있다. 정전류 충전의 지속시간은 충전 전류 값을 증가시킴으로써 단축될 수 있다. 정전류 충전이 수행되는 경우, 충전되는 전력은 도 3에 나타낸 바와 같이 일정하게 유지된다.
단일 셀(11)이 충전되는 경우, 수학식(1)을 이용하여 앞서 설명된 바와 같이, 단일 셀(11)의 CCV는 전압 변동량(Ib × Rb)에 대응하는 양만큼 OCV에 대해 변한다. 정전류 충전이 수행되는 경우, 충전 전류 값(Ib)은 일정하게 유지되며, 그러므로 전압 변동량(Ib × Rb)은 단일 셀(11)의 내부 저항(Rb)에 따라 변한다. 다시 말하면, 수학식(1)에서, 단일 셀(11)의 내부 저항(Rb)은 CCV에 포함되는 전압 변동량(Ib × Rb)으로부터 습득될 수 있다.
정전류 충전이 진행함에 따라, 단일 셀(11)의 SOC(다시 말하면, 전압 값)가 증가한다. 단일 셀(11)의 SOC가 임계치 SOC_th에 도달하는 시간 t11에, 정전류 충전이 종료된다. 여기서, 임계치 SOC_th는 앞서 설명된 설정 SOC 값에 대응한다. 정전류 충전이 종료된 후, 충전은 정전압 충전으로 스위칭된다. 다시 말하면, 시간 t11 이후에는 정전압 충전이 수행된다.
정전압 충전 동안, 충전은 단일 셀(11)의 전압 값이 일정하게 유지되도록 수행된다. 그러므로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 정전압 충전이 진행함에 따라 충전 전류가 감소하여, 충전되는 전력의 감소를 초래한다. 충전되는 전력이 0[kW]으로 변하는 시간 t12에서, 정전압 충전이 종료된다. 앞서 설명된 바와 같이 정전류 충전을 수행한 후 정전압 충전을 수행함으로써, 단일 셀(11)의 SOC가 임계치 SOC_th에 도달하게 될 수 있다.
그 다음, 정전류 충전 동안 수행되는 프로세싱이 도 4 및 도 5에 나타낸 흐름도들을 이용하여 설명될 것이다. 여기서, 도 4 및 도 5에 나타낸 프로세싱은 ECU(30)에 의해 실행된다.
단계 S101에서, ECU(30)는 전류 센서(22)의 출력에 기초하여 배터리 팩(10)의 전류 값 bib를 검출한다. 또한, ECU(30)는 전류 값 bib가 상한 임계치(전류 값) I_th1보다 작고 하한 임계치(전류 값) I_th2보다 큰지의 여부를 결정한다. 임계치들 I_th1, I_th2는 외부 충전 동안 전류 값의 적절한 범위를 정의하는 데 사용되며, 적절히 설정될 수 있다. 예를 들어, 임계치들 I_th1, I_th2는 정전류 충전의 지속시간을 단축시킬 목적으로 적절히 설정될 수 있다. 임계치들 I_th1, I_th2에 관한 정보는 사전에 메모리(31)에 저장될 수 있다.
이 실시예에서는, 전류 값 bib가 상한 임계치 I_th1과 하한 임계치 I_th2 사이에 위치되는지의 여부에 관한 결정이 이루어지지만, 이 프로세싱(단계 S101의 프로세싱)은 생략될 수 있다. 그 후, ECU(30)는 전류 값 bib가 상한 임계치 I_th1과 하한 임계치 I_th2 사이에 위치될 때까지 기다린다. 전류 값 bib가 상한 임계치 I_th1과 하한 임계치 I_th2 사이에 위치되는 경우, ECU(30)는 단계 S102의 프로세싱을 수행한다.
단계 S102에서, ECU(30)는 전류 값 bib에서의 변동량 Δbib_c를 계산한다. 전류 값 bib는 정전류 충전 동안에도 변할 수 있다. 따라서, 전류 값 bib가 변하는 경우, ECU(30)는 전류 값 bib의 변동 이력에 기초하여 최대 값 bib_max 및 최소 값 bib_min을 지정한다. 그 후, ECU(30)는 최대 값 bib_max와 최소 값 bib_min 간의 차이를 계산함으로써 변동량 Δbib_c를 지정할 수 있다.
또한, 단계 S102에서 ECU(30)는 변동량 Δbib_c가 임계치(변동량) Δbib_th1보다 작은지의 여부를 결정한다. 임계치 Δbib_th1은 적절히 설정될 수 있으며, 임계치 Δbib_th1에 관한 정보는 사전에 메모리(31)에 저장될 수 있다.
변동량 Δbib_c가 임계치 Δbib_th1보다 작은 경우, ECU(30)는 전류 값 bib의 변동이 억제된다고 결정하고, 단계 S103의 프로세싱을 수행한다. 반면에 변동량 Δbib_c이 임계치 Δbib_th1보다 큰 경우, ECU(30)는 단계 S101의 프로세싱으로 되돌아간다.
아래에서 설명되는 바와 같이, 전류 값 bib는 전압 변동량을 지정(추산)하는 데 사용된다. 여기서, 전류 값 bib에서 변동이 나타나는 경우, 전압 변동량은 전류 값 bib에 따라 상이하며, 결과로서 전압 변동량이 더 이상 정밀하게 추산될 수 없다. 따라서, 단계 S102의 프로세싱은 변동량 Δbib_c가 허용량의 역할을 하는 임계치 Δbib_th1보다 작다는 것을 확인하기 위해 수행된다. 이렇게 함으로써, 전류 값 bib로부터 전압 변동량을 지정(추산)하는 경우에 전압 변동량이 추산되는 정밀도가 개선될 수 있다.
단계 S103에서, ECU(30)는 타이머(32)를 이용하여 시간 tm을 측정하기 시작한다. 시간 tm의 측정은 변동량 Δbib_c가 임계치 Δbib_th1보다 작게 유지되는 한 계속된다. 단계 S104에서, ECU(30)는 측정된 시간 tm이 임계치(시간) t_th를 초과하는지의 여부를 결정한다. 임계치 t_th는 전류 값 bib의 변동이 억제된 채로 유지되는지의 여부를 결정하는 데 사용되고, 적절히 설정된다. 임계치 t_th에 관한 정보는 사전에 메모리(31)에 저장될 수 있다.
측정된 시간 tm이 임계치 t_th를 초과하는 경우, ECU(30)는 전류 값 bib의 변동이 수렴되었다고 판정하고, 단계 S105의 프로세싱을 수행한다. 반면에 측정된 시간 tm이 임계치 t_th보다 짧은 경우, ECU(30)는 단계 S101의 프로세싱으로 되돌아간다.
단계 S105에서, ECU(30)는 전류 센서(22)의 출력에 기초하여 전류 값 bich를 검출한다. 전류 값 bich는 측정된 시간 tm이 임계치 t_th를 초과하는 경우에 검출되는 전류 값 bib이다. 또한, ECU(30)는 모니터링 유닛(20)[전압 모니터링 IC(20a)]의 출력에 기초하여 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값(CCV) bvch를 검출한다.
전압 값 bvch는 측정된 시간 tm이 임계치 t_th를 초과하는 경우에 검출되는 전압 값 bv이다. 여기서, 전류 값 bich 및 전압 값 bvch는 사전설정된 주기 간격으로 여러 번 동일한 타이밍에 검출된다. 전류 값 bich 및 전압 값 bvch가 검출되는 횟수는 적절히 설정될 수 있다.
복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들 사이에서 변동이 나타나는 경우, 예를 들어 전압 값들의 평균 값이 전압 값 bvch로서 사용될 수 있다. 반면에 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들 사이에서 변동이 나타나지 않는 경우, 임의 단일 셀(11)의 전압 값이 전압 값 bvch로서 사용될 수 있다.
동등화 프로세싱(equalization processing)이 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들 사이에서 변동을 감소시키기 위한 프로세싱으로서 채택될 수 있다. 동등화 프로세싱에서, 높은 전압 값을 갖는 단일 셀(11)은 단일 셀(11)의 전압 값을 다른 단일 셀(11)들의 전압 값들에 맞추어 조정되도록 방전된다. 이 방식으로 동등화 프로세싱을 수행한 후에는, 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들 사이에서 변동이 나타나지 않으며, 그러므로 임의 단일 셀(11)의 전압 값이 전압 값 bvch로서 사용될 수 있다. 반면에 배터리 팩(10)의 전압 값이 모니터링 유닛(20)에 의해 검출되는 경우에는, 배터리 팩(10)의 전압 값이 전압 값 bvch로서 사용될 수 있다.
단계 S105의 프로세싱에서 검출되는 전류 값 bich 및 전압 값 bvch는 메모리(31)에 저장된다. 이 실시예에서, 전류 값 bich 및 전압 값 bvch는 여러 번 검출되지만, 한 번만 검출될 수도 있다는 것을 유의한다.
전류 값 bich 및 전압 값 bvch를 검출하는 프로세싱의 완료 후, ECU(30)는 단계 S106에서 정전류 충전을 중지시킨다. 더 구체적으로, ECU(30)는 충전기(26)의 작동을 제어함으로써 외부 전력 공급기로부터 배터리 팩(10)으로의 전력 공급을 중지시킨다. 배터리 팩(10)의 충전이 중지되는 경우, 배터리 팩(10)[단일 셀(11)]의 전압 값은 수학식(1)을 이용하여 앞서 설명된 바와 같이 감소한다.
단계 S107에서, ECU(30)는 전류 센서(22)의 출력에 기초하여 전류 값 bib를 검출한다. 또한, ECU(30)는 검출된 전류 값 bib가 허용 범위 내에 포함되는지의 여부를 결정한다. 단계 S106의 프로세싱에서 정전류 충전이 중지되는 경우, 충전 전류는 배터리 팩(10)으로 흐르지 않게 되고, 그러므로 전류 값 bib는 0[A]에 도달한다.
여기서, 전류 센서(22)에 의한 검출 오차 등에 따라, 전류 센서(22)에 의해 검출된 전류 값 bib가 0[A]으로부터 벗어날 수 있다. 따라서, 단계 S107의 프로세싱은 전류 값 bib가 허용 범위 내에 있는지의 여부를 결정하기 위해 수행된다.
허용 범위는 기준으로서 0[A]을 이용하여 설정된다. 더 구체적으로, 허용 범위는 허용 값(전류 값) Δbib_th2만큼 0[A]으로부터 충전 측으로 벗어나는 범위 및 허용 값(전류 값) Δbib_th2만큼 0[A]으로부터 방전 측으로 벗어나는 범위에 의해 정의된다. 다시 말하면, 단계 S107의 프로세싱 동안, ECU(30)는 전류 값 bib가 허용 하한값 "-Δbib_th2"보다 크고 허용 상한값 "+Δbib_th2"보다 작은지의 여부를 결정한다.
허용 값 Δbib_th2는 적절히 설정될 수 있으며, 허용 값 Δbib_th2에 관한 정보는 사전에 메모리(31)에 저장될 수 있다. 이 실시예에서, 충전 측 허용 값 Δbib_th2 및 방전 측 허용 값 Δbib_th2는 서로 동일하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 다시 말하면, 상이한 허용 값들이 충전 측 및 방전 측에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 충전 측 및 방전 측 허용 값들은 전류 센서(22)의 검출 특성 등을 고려하여 구별될 수 있다.
전류 값 bib가 앞서 설명된 허용 범위 내에 포함되는 경우, ECU(30)는 단계 S108의 프로세싱을 수행한다. 반면에 전류 값 bib가 허용 범위 외부에 있는 경우, ECU(30)는 전류 값 bib가 허용 범위에 들어올 때까지 기다린다. 단계 S108에서, ECU(30)는 모니터링 유닛(20)[전압 모니터링 IC(20a)]의 출력에 기초하여 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값 bvwait을 검출한다. 여기서, 전압 값 bvwait은 사전설정된 주기 간격으로 여러 번 검출된다. 전압 값 bvwait이 검출되는 횟수(한 번 포함)는 적절히 설정될 수 있다는 것을 유의한다.
단계 S105의 프로세싱에 관하여 앞서 설명된 바와 같이, 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들 사이에서 변동이 나타나는 경우, 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들의 평균 값이 전압 값 bvwait으로서 사용될 수 있다. 또한, 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들 사이에서 변동이 나타나지 않는 경우, 임의 단일 셀(11)의 전압 값이 전압 값 bvwait으로서 사용될 수 있다. 반면에 모니터링 유닛(20)이 배터리 팩(10)의 전압 값을 검출하는 경우에는, 배터리 팩(10)의 전압 값이 전압 값 bvwait으로서 사용될 수 있다. 검출된 전압 값 bvwait에 관한 정보는 메모리(31)에 저장된다.
단계 S109에서, ECU(30)는 온도 센서(21)의 출력에 기초하여 배터리 팩(10)[단일 셀(11)]의 온도 Tb1을 검출한다. 여기서, 복수의 온도 센서(21)들이 사용되고, 복수의 온도 센서(21)들에 의해 검출된 온도들이 서로 상이한 경우, 여하한의 온도가 배터리 온도 Tb1로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 가장 낮은 온도가 배터리 온도 Tb1로서 사용될 수 있다. 배터리 온도 Tb1에 관한 정보는 메모리(31)에 저장된다.
단계 S110에서, ECU(30)는 정전류 충전을 재시작한다. 더 구체적으로, ECU(30)는 충전기(26)의 작동을 제어함으로써 외부 전력 공급기로부터 배터리 팩(10)으로 전력을 공급한다. 단계 S111에서, ECU(30)는 모니터링 유닛(20)의 출력에 기초하여 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값(CCV) bv_c를 검출한다. 그 후, ECU(30)는 검출된 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th보다 높은지의 여부를 결정한다.
여기서, 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들이 모니터링 유닛(20)[전압 모니터링 IC(20a)]에 의해 검출되는 경우, 여하한의 단일 셀(11)의 전압 값이 전압 값 bv_c로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 가장 높은 전압 값을 갖는 단일 셀(11)의 전압 값이 전압 값 bv_c로서 사용될 수 있다.
복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들 사이에서 변동이 나타나는 경우, 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들의 평균 값이 전압 값 bv_c로서 사용될 수 있다. 또한, 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들 사이에서 변동이 나타나지 않는 경우, 임의 단일 셀(11)의 전압 값이 전압 값 bv_c로서 사용될 수 있다. 충전 종료 전압 값 bv_th는 전압 값 bv_c[배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값]의 내용에 따라 적절히 설정된다.
전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th보다 높은 경우, ECU(30)는 단계 S112의 프로세싱을 수행한다. 반면에 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th보다 낮은 경우, ECU(30)는 단계 S101의 프로세싱으로 되돌아간다. 단계 S112에서, ECU(30)는 정전류 충전을 종료하고, 배터리 팩(10)을 충전하는 방법을 정전압 충전으로 스위칭한다. 앞서 설명된 바와 같이, 단계 S101로부터 단계 S111까지의 프로세싱은 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th에 도달할 때까지 반복적으로 수행된다. 다시 말하면, 단계 S101로부터 단계 S111까지의 프로세싱은 정전류 충전이 진행중인 동안 적어도 한 번 수행된다.
도 6은 정전류 충전 동안의 전압 값 bv 및 전류 값 bib의 거동을 나타낸다. 도 6에서, 세로좌표는 전압 값 bv 및 전류 값 bib를 나타내고, 가로좌표는 시간을 나타낸다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 외부 충전(정전류 충전)이 시간 t0으로부터 시작되는 경우, 전압 값 bv는 증가한다. 여기서, 전압 값 bv가 리플 성분(ripple component)을 포함하는 경우, 어닐링 프로세싱(annealing processing)이 전압 값 bv에 적용될 수 있다. 예를 들어, 앞서 어닐링된 전압 값 및 현재 검출된 전압 값 bv의 평균 값에 가중 가산(weighted addition)을 적용함으로써 현재 어닐링된 전압 값이 계산될 수 있다.
전류 센서(22)의 출력에 기초하여 전류 값 bib를 검출함으로써, 전류 값 bib가 상한 임계치 I_th1과 하한 임계치 I_th2 사이에 위치되는지의 여부에 관한 결정이 이루어질 수 있다(도 4의 단계 S101의 프로세싱). 도 6의 예시에서, 전류 값 bib는 상한 임계치 I_th1과 하한 임계치 I_th2 사이에서 변한다.
정전류 충전이 진행중인 동안, 전류 값 bib는 도 6에 나타낸 바와 같이 변할 수 있다. 여기서, 전류 값 bib의 변동량 Δbib_c가 임계치 Δbib_th1보다 작은 경우, 시간 tm의 측정이 시작된다(도 4의 단계 S102 및 단계 S103의 프로세싱). 도 6의 예시에서, 시간 tm의 측정은 시간 t21에 시작된다.
측정된 시간 tm이 임계치 t_th에 도달하는 경우, 전류 값 bich의 검출이 시작된다(도 4의 단계 S104 및 단계 S105의 프로세싱). 도 6의 예시에서, 전류 값 bich의 검출은 시간 t22에 시작된다. 시간 t22 이후, 전류 값 bich는 사전설정된 주기 간격으로 여러 번 검출된다. 여기서, 전압 값 bvch가 전류 값 bich의 검출 타이밍과 동기화되어 검출된다(도 4의 단계 S105의 프로세싱).
전류 값 bich 및 전압 값 bvch의 검출이 완료되는 경우, 시간 t23에서 정전류 충전이 중지된다(도 4의 단계 S106의 프로세싱). 결과로서, 전류 값 bib는 0[A]으로 떨어진다. 여기서, 전류 값 bib가 허용 하한값 "-Δbib_th2" 및 허용 상한값 "+Δbib_th2"에 의해 정의된 허용 범위 내에 있는 경우, 전압 값 bvwait의 검출이 시작된다(도 5의 단계 S107 및 단계 S108의 프로세싱). 더 구체적으로, 전압 값 bvwait은 사전설정된 주기 간격으로 여러 번 검출된다.
전압 값 bvwait의 검출이 완료되는 경우, 정전류 충전이 재시작된다. 도 6의 예시에서, 정전류 충전은 시간 t24에 재시작된다. 따라서, 전류 값 bib는 상한 임계치 I_th1과 하한 임계치 I_th2 사이에서 변한다. 정전류 충전을 재시작한 후, 앞서 설명된 프로세싱은 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th에 도달할 때까지 반복된다.
다음으로, 정전압 충전 동안 수행되는 프로세싱이 도 7에 나타낸 흐름도를 이용하여 설명될 것이다. 도 7에 나타낸 프로세싱은 도 5에 나타낸 프로세싱의 완료 후 수행된다. 도 7에 나타낸 프로세싱은 ECU(30)에 의해 실행된다.
단계 S201에서, ECU(30)는 정전압 하에서 배터리 팩(10)에 외부 충전을 수행한다. 도 5를 이용하여 앞서 설명된 바와 같이, 정전류 충전은 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th에 도달한 후 정전압 충전으로 스위칭된다. 정전압 충전 동안에는, 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th에 유지되는 상태에서 배터리 팩(10)에 외부 충전이 수행된다. 그러므로, 도 3을 이용하여 앞서 설명된 바와 같이, 충전되는 전력은 정전압 충전이 진행함에 따라 감소한다.
단계 S202에서, ECU(30)는 정전압 충전 종료 조건(constant voltage charging termination condition)이 충족되는지의 여부를 결정한다. 여기서, 정전압 충전 종료 조건이 충족되는 경우, ECU(30)는 단계 S203의 프로세싱을 수행한다. 반면에 정전압 충전 종료 조건이 충족되지 않은 경우, ECU(30)는 단계 S201의 프로세싱을 계속한다.
예를 들어, 아래에서 설명되는 상태가 정전압 충전 종료 조건으로서 설정될 수 있다. 우선, 전압 값 bv_c를 여러 번 검출하는 동안, 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th를 초과하는 횟수가 카운팅된다. 카운트 값이 임계치를 초과하는 경우, 정전압 충전 종료 조건이 충족되는 것으로 결정될 수 있다.
카운트 값이 임계치보다 크다는 것을 확인함으로써, 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th보다 높은 것으로 결정될 수 있다. 따라서, 정전압 충전이 종료될 수 있다. 카운트 값에 대응하는 임계치는 적절히 설정될 수 있으며, 임계치에 관한 정보는 사전에 메모리(31)에 저장될 수 있다는 것을 유의한다.
하지만, 정전압 충전 종료 조건이 앞서 설명된 상태에 제한되지는 않는다. 다시 말하면, 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th보다 지속적으로 높다는 것을 확인할 수 있는 여하한의 상태가 채택될 수 있다. 예를 들어, 전압 값 bv_c가 충전 종료 전압 값 bv_th보다 높게 유지되는 시간(지속 시간)이 측정될 수 있고, 측정된 시간이 임계치를 초과하는 경우에 정전압 충전 종료 조건이 충족되는 것으로 결정될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값이 전압 값 bv_c로서 사용될 수 있다. 복수의 단일 셀(11)들의 전압 값들 사이에서 변동이 나타나는 경우, 전압 값들의 평균 값이 전압 값 bv_c로서 사용될 수 있다.
단계 S203에서, ECU(30)는 전류 센서(22)의 출력에 기초하여 정전압 충전의 종료 시 전류 값 biend를 검출한다. 전류 값 biend는 정전압 충전의 마지막에 전류 센서(22)에 의해 검출되는 전류 값 bib이다. 또한, 단계 S203에서, ECU(30)는 온도 센서(21)의 출력에 기초하여 정전압 충전의 종료 시 배터리 온도 Tb2를 검출한다. 여기서, ECU(30)는 전류 값 biend 및 배터리 온도 Tb2에 관한 정보를 메모리(31)에 저장한다. 단계 S204에서, ECU(30)는 정전압 충전(외부 충전)을 종료시킨다.
다음으로, 충전 종료 전압 값 bv_th를 보정하는 프로세싱이 도 8에 나타낸 흐름도를 이용하여 설명될 것이다. 여기서, 도 8에 나타낸 프로세싱은 ECU(30)에 의해 실행된다.
단계 S301에서, ECU(30)는 전압 강하의 양 Δbvir_c를 계산한다. 여기서, 전압 강하의 양 Δbvir_c는 정전류 충전이 수행되는 동안(도 4 및 도 5에 나타낸 프로세싱) 정전류 충전이 일시적으로 중단되는 경우에 나타나는 전압 강하의 양이다(도 6 참조). 정전류 충전은 도 4에 나타낸 단계 S106의 프로세싱에서 일시적으로 중지되고, 충전 중지의 결과로서 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값이 감소한다.
전압 강하의 양 Δbvir_c는 아래에 나타낸 수학식(2)에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure pct00002
수학식(2)에서, 전압 값 bvch_ave는 복수의 전압 값들 bvch의 평균 값이다. 도 4의 단계 S105의 프로세싱에 관하여 설명된 바와 같이, 전압 값 bvch는 여러 번 검출되며, 검출된 복수의 전압 값들 bvch를 평균함으로써 전압 값 bvch_ave가 계산될 수 있다. 전압 값 bvch가 한 번만 검출되는 경우, 검출된 전압 값 bvch가 수학식(2)의 전압 값 bvch_ave로서 사용된다는 것을 유의한다.
수학식(2)에서, 전압 값 bvwait_ave는 복수의 전압 값들 bvwait의 평균 값이다. 도 5의 단계 S108의 프로세싱에 관하여 설명된 바와 같이, 전압 값 bvwait은 여러 번 검출되며, 이에 따라 검출된 복수의 전압 값들 bvwait을 평균함으로써 전압 값 bvwait_ave가 계산될 수 있다. 전압 값 bvwait이 한 번만 검출되는 경우, 검출된 전압 값 bvwait이 수학식(2)의 전압 값 bvwait_ave로서 사용된다는 것을 유의한다.
복수의 전압 값들 bvch 사이에서 변동이 나타나거나, 복수의 전압 값들 bvwait 사이에서 변동이 나타나는 경우, 전압 강하의 양 Δbvir_c는 전압 값들 bvch, bvwait에 따라 변한다. 따라서, 앞서 설명된 평균 값들(전압 값들) bvch_ave, bvwait_ave를 채택함으로써, 전압 강하의 양 Δbvir_c의 변동이 억제될 수 있다.
단계 S302에서, ECU(30)는 전압 강하의 양 Δbvir_ref1을 특정(추산)한다. 전압 강하의 양 Δbvir_ref1은 정전류 충전이 수행되는 동안(도 4 및 도 5에 나타낸 프로세싱) 일시적으로 중지되는 경우에 나타나는 전압 강하의 양이고, 배터리 온도 및 전류 값에 기초하여 추산된 값을 취한다. 또한, 전압 강하의 양 Δbvir_ref1은 본 발명의 제 1 기준 전압 강하량으로 간주될 수 있다.
전압 강하 Δbvir_ref1과 배터리 온도 및 전류 값 간의 대응 관계가 사전에 실험 등을 통해 얻어질 수 있다. 도 9는 전류 값이 사전설정된 값을 취하는 경우, 배터리 온도와 전압 강하의 양 Δbvir_ref1 간의 대응 관계를 나타내는 맵이다. 또한, 도 9의 맵은 열화되지 않은 단일 셀(11)을 이용하여 얻어진 대응 관계를 나타낸다. 예를 들어, 새로 제조된 단일 셀(11)이 열화되지 않은 단일 셀(11)로서 사용될 수 있다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 전압 강하의 양 Δbvir_ref1은 배터리 온도가 증가함에 따라 감소한다. 다시 말하면, 전압 강하의 양 Δbvir_ref1은 배터리 온도가 감소함에 따라 증가한다. 수학식(1)을 이용하여 앞서 설명된 바와 같이, 전압 강하의 양은 "Ib × Rb"에 의해 정의된다. 여기서, 단일 셀(11)의 내부 저항(Rb)은 배터리 온도가 감소함에 따라 증가한다. 다시 말하면, 단일 셀(11)의 내부 저항(Rb)은 배터리 온도가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 배터리 온도 및 전압 강하의 양 Δbvir_ref1은 도 9에 나타낸 관계를 갖는다.
도 9에 나타낸 전압 강하의 양 Δbvir_ref1과 배터리 온도 간의 대응 관계는 전류 값에 따라 변한다. 도 9에 나타낸 맵은 (각각의 전류 값에 대해) 사전에 메모리(31)에 저장될 수 있다. 단계 S302의 프로세싱에서, 우선, ECU(30)는 전류 값 bich_ave를 계산한다. 전류 값 bich_ave는 복수의 전류 값들 bich의 평균 값이다.
전류 값 bich는 도 4에 나타낸 단계 S105의 프로세싱에서 여러 번 검출되고, 이에 따라 얻어진 전류 값들 bich를 평균함으로써 전류 값 bich_ave가 계산될 수 있다. 전류 값 bich가 한 번만 검출되는 경우에는, 검출된 전류 값 bich가 전류 값 bich_ave로서 사용된다는 것을 유의한다.
전류 값 bich_ave를 계산한 후, ECU(30)는 전류 값 bich_ave에 대응하는 도 9에 나타낸 맵을 지정한다. 그 후, ECU(30)는 배터리 온도 Tb1에 대응하는 전압 강하의 양 Δbvir_ref1을 지정하기 위해 지정된 맵을 사용한다. 배터리 온도 Tb1은 도 5에 나타낸 단계 S109의 프로세싱에서 검출된 온도이다.
도 4에 나타낸 프로세싱에 관하여 설명된 바와 같이, 전류 값 bich는 변동량 Δbib_c가 임계치 Δbib_th1 아래로 떨어진 경우에 검출된 값이다. 하지만, 전류 값 bich가 여러 번 검출되는 경우, 전류 값 bich는 임계치 Δbib_th1의 범위 내에서 변할 수 있다. 그러므로, 앞서 설명된 바와 같이, 전류 값 bich_ave를 계산하고 전류 값 bich_ave에 대응하는 맵을 지정함으로써, 도 9에 나타낸 맵이 더 쉽게 지정될 수 있다.
단계 S303에서, ECU(30)는 보정 계수(K)를 계산한다. 보정 계수(K)는 아래에서 나타내는 수학식(3)에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure pct00003
수학식(3)에서, Δbvir_c는 단계 S301의 프로세싱에서 계산된 전압 강하의 양이다. 또한, Δbvir_ref1은 단계 S302의 프로세싱에서 지정(추산)된 전압 강하의 양이다.
단일 셀(11)의 열화가 진행함에 따라, 단일 셀(11)의 내부 저항이 증가하고, 수학식(1)을 이용하여 앞서 설명된 바와 같이 전압 강하의 양이 증가한다. 그러므로, 도 9에 나타낸 바와 같이, 전압 강하의 양 Δbvir_c는 전압 강하의 양 Δbvir_ref1보다 커질 수 있다. 수학식(3)으로부터 분명한 바와 같이, 보정 계수(K)는 전압 강하의 양 Δbvir_ref1에 대한 전압 강하의 양 Δbvir_c의 증가율을 나타낸다.
여기서, 정전류 충전을 중지시키는 프로세싱(도 4의 단계 S106의 프로세싱)이 여러 번 수행되는 경우, 단계 S301의 프로세싱에서는 복수의 전압 강하의 양들 Δbvir_c가 계산된다. 또한, 단계 S302의 프로세싱에서 복수의 전압 강하의 양들 Δbvir_ref1이 특정된다. 따라서, 단계 S303의 프로세싱에서 복수의 보정 계수들(K)이 계산된다.
복수의 보정 계수들(K)이 계산되는 경우, 보정 계수(K)가 계산될 때마다 어닐링 프로세싱이 수행될 수 있다. 더 구체적으로, 앞서 계산된 보정 계수(K) 및 현재 계산된 보정 계수(K)에 가중 가산을 적용함으로써 어닐링된 보정 계수(K)가 계산될 수 있다.
단계 S304에서, ECU(30)는 전압 강하의 양 Δbvir_ref2를 지정(추산)한다. 전압 강하의 양 Δbvir_ref2는 정전압 충전(도 7에 나타낸 프로세싱)을 수행한 후 정전압 충전이 종료되는 경우에 나타나는 전압 강하의 양이고, 배터리 온도 및 전류 값에 기초하여 추산된 값을 취한다. 또한, 전압 강하의 양 Δbvir_ref2는 본 발명의 제 2 기준 전압 강하량으로 간주될 수 있다.
전압 강하의 양 Δbvir_ref2와 배터리 온도 및 전류 값 간의 대응 관계가 사전에 실험 등을 통해 얻어질 수 있다. 도 10은 전류 값이 사전설정된 값을 취하는 경우, 배터리 온도와 전압 강하의 양 Δbvir_ref2 간의 대응 관계를 나타내는 맵이다. 또한, 도 10의 맵은 열화되지 않은 단일 셀(11)을 이용하여 얻어진 대응 관계를 나타낸다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 전압 강하의 양 Δbvir_ref2는 배터리 온도가 증가함에 따라 감소한다. 다시 말하면, 전압 강하의 양 Δbvir_ref2는 배터리 온도가 감소함에 따라 증가한다. 도 9를 이용하여 앞서 설명된 바와 같이, 배터리 온도가 감소함에 따라, 단일 셀(11)의 내부 저항이 증가하여, 전압 강하의 양 Δbvir_ref2의 증가를 초래한다.
도 10에 나타낸 전압 강하의 양 Δbvir_ref2와 배터리 온도 간의 대응 관계는 전류 값에 따라 변한다. 도 10에 나타낸 맵은 (각각의 전류 값에 대해) 사전에 메모리(31)에 저장될 수 있다. 단계 S304의 프로세싱에서, ECU(30)는 전류 값 biend에 대응하는 도 10에 나타낸 맵을 지정한다. 여기서, 전류 값 biend는 도 7에 나타낸 단계 S203의 프로세싱에서 검출된 전류 값이다.
그 후, ECU(30)는 배터리 온도 Tb2에 대응하는 전압 강하의 양 Δbvir_ref2를 지정하기 위해 지정된 맵을 사용한다. 여기서, 배터리 온도 Tb2는 도 7에 나타낸 단계 S203의 프로세싱에서 검출된 온도이다.
복수의 온도 센서(21)들이 사용되는 경우, 온도 센서(21)들에 의해 검출된 배터리 온도들 중 가장 높은 배터리 온도가 배터리 온도 Tb2로서 사용될 수 있다. 여기서, 가장 낮은 배터리 온도가 배터리 온도 Tb2로서 사용되는 경우, 도 10에 나타낸 맵을 이용하여 전압 강하의 양 Δbvir_ref2를 지정하는 경우에 많은 양의 전압 강하 Δbvir_ref2가 추정된다.
이 경우, 아래에서 설명될, 단계 S305 및 단계 S306의 프로세싱에서 계산되는 충전 종료 전압 값 bv_th가 설정 SOC 값에 대응하는 전압 값보다 커질 수 있다. 다시 말하면, 배터리 팩(10)은 과도하게 충전될 수 있다. 이러한 이유로, 가장 높은 배터리 온도가 배터리 온도 Tb2로서 사용될 수 있다. 가장 높은 배터리 온도가 배터리 온도 Tb2로서 사용되는 경우, 배터리 팩(10)의 과도한 충전이 억제될 수 있다.
단계 S305에서, ECU(30)는 전압 보정 값(전압 강하의 양) ΔVcorr을 계산한다. 더 구체적으로, 전압 보정 값 ΔVcorr은 아래에 나타낸 수학식(4)에 기초하여 계산된다.
Figure pct00004
수학식(4)에서, Δbvir_ref2는 단계 S304의 프로세싱에서 지정(추산)된 전압 강하의 양이다. 또한, K는 단계 S303의 프로세싱에서 계산된 보정 계수이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 보정 계수(K)를 채택함으로써, 전압 강하의 양 Δbvir_ref2에 대응하는 현재 전압 강하의 양(전압 보정 값 ΔVcorr)이 계산될 수 있다.
열화되지 않은 단일 셀(11)에서, 단일 셀(11)의 전압 값은 정전압 충전(외부 충전)의 종료 후 전압 강하의 양 Δbvir_ref2에 대응하는 양만큼 감소한다. 반면에 열화가 진행된 단일 셀(11)에서는, 단일 셀(11)의 전압 값이 정전압 충전(외부 충전)의 종료 후 전압 강하의 양(전압 보정 값) ΔVcorr에 대응하는 양만큼 감소한다.
앞서 설명된 바와 같이, 보정 계수(K)는 전압 강하의 양들 Δbvir_ref1 및 Δbvir_c 간의 관계를 나타낸다. 그러므로, 보정 계수(K)와 전압 강하의 양 Δbvir_ref2를 곱함으로써, 기준으로서 전압 강하의 양 Δbvir_ref2를 이용하여 단일 셀(11)의 현재 전압 강하의 양 ΔVcoo가 지정될 수 있다.
단계 S306에서, ECU(30)는 충전 종료 전압 값 bv_th를 계산(보정)한다. 더 구체적으로, 충전 종료 전압 값 bv_th는 아래에 나타낸 수학식(5)에 기초하여 계산된다.
Figure pct00005
수학식(5)에서, OCV_chend는 정전압 충전의 종료 시 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 OCV이다. OCV_chend는 외부 충전의 종료 시 설정 SOC 값에 따라 변한다. 여기서, OCV 및 SOC는 대응 관계를 갖고, 그러므로 사전에 이 대응 관계를 결정함으로써 설정 SOC 값에 대응하는 OCV가 지정될 수 있다. 지정된 OCV가 OCV_chend로서 설정된다.
수학식(5)에서, ΔVcorr은 단계 S305의 프로세싱에서 계산된 전압 보정 값(전압 강하의 양)이다. 정전압 충전의 종료 후 전압 강하의 양(전압 보정 값) ΔVcorr은 단계 S305의 프로세싱을 수행함으로써 지정(추산)될 수 있다. 따라서, 충전 종료 전압 값 bv_th로서 전압 강하의 양(전압 보정 값) ΔVcorr과 OCV_chend를 더함으로써 얻어지는 값을 채택함으로써, 정전압 충전의 종료 후 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값이 OCV_chend로서 설정될 수 있다.
다시 말하면, 외부 충전이 진행중인 동안 모니터링 유닛(20)에 의해 검출된 전압 값(CCV) bv가 충전 종료 전압 값 bv_th에 도달하는 경우에 외부 충전을 종료시킴으로써, 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값은 전압 강하의 양(전압 보정 값) ΔVcorr에 대응하는 양만큼 감소한다. 결과로서, 외부 충전(정전압 충전)의 종료 후 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 전압 값이 OCV_chend에 대응한다.
단계 S306의 프로세싱에서 계산된 충전 종료 전압 값 bv_th는, 다음 외부 충전 작동 동안 도 5에 나타낸 단계 S111의 프로세싱 및 도 7에 나타낸 단계 S202의 프로세싱에서 사용된다. 여기서, 충전 종료 전압 값 bv_th는 메모리(31)에 저장될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, OCV_chend는 외부 충전의 종료 시 설정 SOC 값에 대응하며, 따라서 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 SOC는 외부 충전(정전압 충전)의 종료 시 설정 SOC 값에 맞추어 조정될 수 있다. 다시 말하면, 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 SOC는 설정 SOC 값 아래로 떨어지는 것이 방지될 수 있다. 배터리 팩(10) 또는 단일 셀(11)의 SOC를 설정 SOC 값에 도달하게 함으로써, 예를 들어 EV 이동 거리의 감소가 억제될 수 있다.

Claims (9)

  1. 전기 저장 시스템에 있어서:
    충전 및 방전을 거치는 전기 저장 유닛;
    상기 전기 저장 유닛의 전압 값을 검출하는 전압 센서; 및
    검출된 전압 값이 충전 종료 전압 값에 도달하는 경우에 상기 전기 저장 유닛의 충전을 종료시키는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 전기 저장 유닛에서 정전류 충전이 수행되는 동안 검출된 전압 값에 기초하여, 상기 정전류 충전의 중단과 연계되는 전압 강하의 양을 계산하며,
    상기 전압 강하의 양에 따라 상기 충전 종료 전압 값을 설정하는 전기 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 정전류 충전이 중단되기 전 상이한 타이밍들에서 얻어진 복수의 검출된 전압 값들의 평균 값에서 상기 정전류 충전이 중단된 동안 상이한 타이밍들에서 얻어진 복수의 검출된 전압 값들의 평균 값을 뺌으로써 상기 전압 강하의 양을 계산하는 전기 저장 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 전기 저장 유닛의 충전으로서 상기 정전류 충전을 수행한 후 정전압 충전을 수행하는 전기 저장 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 검출된 전압 값이 상기 충전 종료 전압 값보다 높은 경우에 상기 정전류 충전을 종료시키고, 상기 검출된 전압 값이 상기 충전 종료 전압 값보다 높게 지속적으로 유지되는 경우에 상기 정전압 충전을 종료시키는 전기 저장 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 전기 저장 유닛의 전류 값을 검출하는 전류 센서; 및
    상기 전기 저장 유닛의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 정전류 충전이 중단되기 전 전류 값 및 온도에 대응하는 제 1 기준 전압 강하량과 상기 정전류 충전의 중단과 연계되는 전압 강하의 양 간의 비를 계산하며,
    상기 정전압 충전의 종료 시 검출된 전류 값 및 검출된 온도에 대응하는 제 2 기준 전압 강하량과 상기 비를 곱함으로써 보정 값을 계산하고,
    상기 충전 종료 전압 값으로서 상기 전기 저장 유닛의 충전의 종료 시 개로 전압 값과 상기 보정 값을 더함으로써 얻어지는 값을 설정하는 전기 저장 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는 검출된 전류 값이 허용 범위 내에 있는 경우에 상기 정전류 충전을 중단하는 전기 저장 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 정전류 충전이 중단되기 전 상이한 타이밍들에서 얻어진 복수의 검출된 전류 값들의 평균 값을 이용함으로써 상기 제 1 기준 전압 강하량을 지정하는 전기 저장 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 저장 유닛은 차량에 설치되고, 상기 차량을 이동하게 하는 운동 에너지로 변환되는 전기 에너지를 출력하는 전기 저장 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 저장 유닛은 상기 차량 외부에 배치된 전력 공급기로부터의 전력 공급에 의해 충전되는 전기 저장 시스템.
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