KR20160077882A - 배터리 팩의 충방전 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충방전 제어방법은, (a) 배터리 팩의 전압을 센싱하는 단계; (b) 센싱된 전압(V)이 한계 전압(V_max) 이상인지 여부를 판단하는 단계; (c) 배터리 팩의 온도를 센싱하는 단계; (d) 센싱된 온도(T)가 임계 온도(T_crit) 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및 (e) 상기 (b)단계 및 (d)단계의 판단 결과를 모두 고려하여 정전류 충전, 정전압 충전 및 충방전 중지 중 어느 하나의 프로세스를 실행하는 단계; 를 포함한다.

Description

배터리 팩의 충방전 제어방법{Method for controlling charge/discharge of the battery pack}

본 발명은 배터리 팩의 충방전 제어방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 배터리 팩이 노출된 환경의 온도 및 배터리 팩으로부터 센싱된 전압에 따라 충전 프로세스를 달리하는 배터리 팩의 충방전 제어방법에 관한 것이다.

리튬이온 이차전지는 충전/방전 시 전지의 발열로 인한 온도상승의 정도가 매우 큰 편에 속하고, 고온에 장시간 노출되는 경우에 수명이 크게 감소되는 특성이 있다.

따라서, 특히 고출력 배터리를 요하는 전기자동차 또는 하이브리드 자동차 등에 리튬이온 이차전지를 적용하고자 하는 경우, 리튬이온 이차전지가 사용 과정에서 고온에 노출되는 경우가 많으므로 별도의 냉각 장치(공냉 및/또는 수냉)를 함께 탑재하여 전지로부터 발생되는 열을 외부로 방출시킴으로써 전지의 온도를 일정수준 이하로 유지하는 것이 일반적이다(active cooling).

그러나, 이러한 냉각장치의 부가는 배터리 팩의 가격상승의 요인이 되므로, 이러한 냉각장치의 부가 없이 사용되는 경우도 있다(passive cooling).

다만, 이처럼 별도의 냉각장치의 부가 없이 배터리 팩이 사용되는 경우, 고온의 환경에 배터리 팩이 자주 노출됨으로써 배터리 팩의 수명이 급격히 줄어들 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 팩 또는 배터리 팩이 적용되는 응용물에 별도의 냉각장치를 추가적으로 설치하지 않더라도 과도한 발열에 따른 온도 상승을 방지할 수 있는 배터리 팩의 충방전 제어방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충방전 제어방법은, (a) 배터리 팩의 전압을 센싱하는 단계; (b) 센싱된 전압(V)이 한계 전압(V_max) 이상인지 여부를 판단하는 단계; (c) 배터리 팩의 온도를 센싱하는 단계; (d) 센싱된 온도(T)가 임계 온도(T_crit) 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및 (e) 상기 (b)단계 및 (d)단계의 판단 결과를 모두 고려하여 정전류 충전, 정전압 충전 및 충방전 중지 중 어느 하나의 프로세스를 실행하는 단계; 를 포함한다.

상기 (e)단계는, (b)단계의 판단결과가 V ≥ V_max 인 경우, (d)단계의 판단 결과에 따라 정전압 충전 또는 충방전 중지를 실행하는 단계에 해당할 수 있다.

상기 (e)단계는, 상기 (d)단계의 판단 결과가 T ≥ T_crit 인 경우 충방전 중지를 실행하고, T < T_crit 인 경우 정전압 충전을 실행하는 단계에 해당할 수 있다.

상기 정전압 충전 시의 충전전압은 V_max 일 수 있다.

상기 충방전 중지는 상기 배터리 팩의 온도가 T < T_crit 를 만족할 때까지 지속될 수 있다.

상기 (e)단계는, (b)단계의 판단결과가 V < V_max 인 경우, (d)단계의 판단 결과에 따라 정전류 충전 또는 충방전 중지를 실행하는 단계일 수 있다.

상기 (e)단계는, 상기 (d)단계의 판단 결과가 T ≥ T_crit 인 경우 충방전 중지를 실행하고, T < T_crit 인 경우 정전류 충전을 실행하는 단계일 수 있다.

상기 충방전 중지는 상기 배터리 팩의 온도가 T < T_crit 를 만족할 때까지 지속될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 팩이 과열되는 것을 효율적으로 관리할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 기존의 배터리 팩을 구조적으로 변경할 필요가 없어 생산비용 절감이 가능하다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충방전 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 2 및 도 3은, 전압 및 온도 값에 따라 충방전 제어가 이루어지는 과정을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충방전 제어방법에 대해서 설명하기로 한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충방전 제어방법을 나타내는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충방전 제어방법은 (a) 배터리 팩의 전압을 센싱하는 단계, (b) 센싱된 전압(V)이 한계 전압(V_max) 이상인지 여부를 판단하는 단계, (c) 배터리 팩의 온도를 센싱하는 단계, (d) 센싱된 온도(T)가 임계 온도(Tmax) 이상인지 여부를 판단하는 단계 및 (e) 상기 (b)단계 및 (d)단계의 판단 결과를 모두 고려하여 정전류 충전, 정전압 충전 및 충방전 중지 중 어느 하나의 프로세스를 실행하는 단계를 포함한다.

상기 (a)단계는, 배터리 팩에 구비된 전압 센서를 이용하여 배터리 팩 양 단 사이의 전압을 측정하는 단계이다.

상기 (b)단계는, 배터리 팩에 구비된 제어유닛이 센싱된 전압에 관한 정보를 수신하고 이를 미리 설정된 한계 전압(V_max)와 비교하여 V ≥ V_max 인지, 아니면 V < V_max 인지를 판단하는 단계이다.

상기 한계 전압(V_max)은 배터리 팩에 적용되는 셀의 종류, 셀의 연결 개수 및 연결 방식 등을 고려하여 결정되는 것으로서, 최대 충전 전압과 동일한 값을 갖게 된다.

한편, 상기 한계 전압(V_max)은, 고정된 값으로 설정될 수도 있지만, 배터리 팩에 대한 좀 더 정밀한 충방전 제어을 구현하기 위해서, 전압을 측정할 당시의 당양한 조건들(예를 들어 배터리 팩의 온도, 외기 온도 등)을 고려하여 결정될 수 있다. 구체적인 예를 들면, 배터리 팩에 구비된 제어유닛에는 이러한 다양한 조건들에 따른 한계 전압(V_max) 값에 관한 정보가 룩업 테이블(lookup table)의 형태로 저장되어 있을 수 있다.

이러한 측정 전압과 한계 전압의 비교는, 배터리 팩을 충전하는 프로세스를 실행함에 있어서 정전류 충전을 통해 충전전압을 더 올려야 할 것인지, 아니면 일정한 전압으로 정전압 충전을 실행해야 할 것인지를 결정하기 위해 수행되는 프로세스이다.

상기 (c)단계는, 배터리 팩 또는 배터리 팩이 설치된 자동차 등의 기기에 구비된 온도 센서를 이용하여 온도를 센싱하는 단계이다. 즉, 본 발명에 있어서, 배터리 팩의 온도라는 것은 배터리 팩 자체의 온도 또는 배터리 팩과 인접한 주변부의 온도를 의미하는 것이며, 온도의 측정 위치에 따라 임계 온도(T_crit)가 달리 설정될 수 있는 것이다.

즉, 동일한 배터리 팩을 기준으로 볼 때, 상기 온도 센서가 배터리 팩에 직접 부착된 경우의 임계 온도 값은 온도 센서가 배터리 팩의 주변에 부착되는 경우와 비교하여 더 높게 설정될 수 있는 것이며, 배터리 팩에 직접 부착되는 경우에 있어도 발열량이 더 큰 부위에 부착되는 경우일수록 임계 온도(T_crit)는 더 높게 설정될 수 있는 것이다.

상기 (d)단계는, 제어유닛이 센싱된 온도에 관한 정보를 수신하고 이를 미리 설정된 임계 온도 (T_crit)와 비교하여 T ≥ T_crit 인지, 아니면 T < T_crit 인지를 판단하는 단계이다.

이러한 측정 온도와 임계 온도의 비교는, 배터리 팩이 과열되었는지 여부를 판단하는 것으로서, 충방전을 시작 또는 지속해도 될 것인지, 아니면 과열을 방지하기 위해 충방전을 중단시켜야 할 것인지를 결정하기 위해 수행되는 프로세스이다.

상기 (e)단계는, 센싱된 전압 및 온도를 각각 한계 전압 및 임계 온도와 비교하고 그 결과에 따라 최적화된 프로세스를 수행하는 단계이다. 비교/판단 결과에 따른 프로세스는 아래와 같다:

ⅰ) 비교/판단 결과가 V ≥ V_max 이고 T < T_crit 로 나타난 경우, 제어유닛은, 배터리 팩에 대한 충방전이 계속 진행되어도 무방한 것으로 판단하여 V_max 의 전압으로 정전압 충전을 실행하도록 하는 제어신호를 출력하고, 이에 따라 배터리 팩에 대한 정전압 충전이 실행된다. 한편, 정전압 충전의 실행 중에도 배터리 팩에 대한 전압 및 온도의 측정이 이루어지며, 측정된 전압 및 온도를 각각 한계 전압 및 임계 온도와 비교하여 적절한 프로세스를 선택하는 과정이 다시 반복된다.

ⅱ) 비교/판단 결과가 V ≥ V_max 이고 T ≥ T_crit 로 나타난 경우, 제어유닛은, 배터리 팩이 과열된 것으로 판단하여 충방전을 중지하도록 하는 제어신호를 출력하고, 이에 따라 배터리 팩에 대한 충방전이 중단된다. 한편, 충방전이 중지된 상태, 즉 휴지기 동안에도 지속적으로 온도 측정 및 전압 측정이 이루어지며, 측정된 온도 값이 안전 온도(T_safe) 미만으로 내려가는 경우 앞서 수행되었던 전압 및 온도의 비교를 통한 프로세스 선택 과정이 반복된다(여기서, 안전 온도는 임계 온도보다 낮은 온도에 해당함).

ⅲ) 비교/판단 결과가 V < V_max 이고 T < T_crit 로 나타난 경우, 제어유닛은, 배터리 팩에 대한 충방전이 계속되어도 무방하다고 판단하여 정전류 충전을 수행하도록 하는 제어신호를 출력하고, 이에 따라 전압 값이 V_max에 이를 때까지 전압이 상승되면서 정전류 충전이 수행된다. 한편, 이러한 정전류 충전이 수행되는 동안에도 배터리 팩에 대한 전압 및 온도의 측정이 이루어지며, 측정된 전압 및 온도를 각각 한계 전압 및 임계 온도와 비교하여 적절한 프로세스를 선택하는 과정이 다시 반복된다.

ⅳ) 비교/판단 결과가 V < V_max 이고 T ≥ T_crit 로 나타난 경우, 제어유닛은, 배터리 팩이 과열된 것으로 판단하여 충방전을 중지하도록 하는 제어신호를 출력하고, 이에 따라 배터리 팩에 대한 충방전이 중단된다. 한편, 충방전이 중지된 상태, 즉 휴지기 동안에도 지속적으로 온도 측정 및 전압 측정이 이루어지며, 측정된 온도 값이 안전 온도(T_safe) 미만으로 내려가는 경우 앞서 수행되었던 전압 및 온도의 비교를 통한 프로세스 선택 과정이 반복된다.

다음은, 도 2 및 도 3을 참조하여, 측정된 전압 값이 V_max에 도달하는 시간(t1)과 측정된 온도 값이 T_crit 에 도달하는 시간(t2) 중 어느 것이 더 빠른지에 따른 프로세스 차이를 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3은, 전압 및 온도 값에 따라 충방전 제어가 이루어지는 과정을 나타내는 그래프이다.

먼저, t1 < t2인 경우를 나타내는 도 2를 참조하면, 상기 충방전 제어 프로세스는 다음과 같이 설명될 수 있다:

1. V = V_max 에 도달하면 V_max 에서 정전압 충전 시작

2. T = T_crit (ex: 80℃)에 도달하면 충방전 중단(REST).

3. T = T_safe(ex: 70℃)에 도달하면 충방전 재개

다음으로, t1 ≥ t2인 경우를 나타내는 도 3을 참조하면, 상기 충방전 제어 프로세스는 다음과 같이 설명될 수 있다:

1. T = T_crit (ex: 80℃)에 도달하면 즉시 충방전 중단(REST).

2. T = T_safe(ex: 70℃)에 도달하면 충방전 재개

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충방전 제어방법에 따르는 경우, 배터리 팩의 전압 및 온도를 모두 고려하여 충방전 프로세스를 결정할 수 있도록 구현됨으로써 효율적으로 배터리 팩의 충방전을 제어할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (8)

1. (a) 배터리 팩의 전압을 센싱하는 단계;
   (b) 센싱된 전압(V)이 한계 전압(V_max) 이상인지 여부를 판단하는 단계;
   (c) 배터리 팩의 온도를 센싱하는 단계;
   (d) 센싱된 온도(T)가 임계 온도(T_crit) 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
   (e) 상기 (b)단계 및 (d)단계의 판단 결과를 모두 고려하여 정전류 충전, 정전압 충전 및 충방전 중지 중 어느 하나의 프로세스를 실행하는 단계;
   를 포함하는 배터리 팩의 충방전 제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 (e)단계는,
   (b)단계의 판단결과가 V ≥ V_max 인 경우, (d)단계의 판단 결과에 따라 정전압 충전 또는 충방전 중지를 실행하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 제어방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 (e)단계는,
   상기 (d)단계의 판단 결과가 T ≥ T_crit 인 경우 충방전 중지를 실행하고, T < T_crit 인 경우 정전압 충전을 실행하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 제어방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 정전압 충전 시의 충전전압은 V_max 인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 제어방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 충방전 중지는 상기 배터리 팩의 온도가 T < T_crit 를 만족할 때까지 지속되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 제어방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 (e)단계는,
   (b)단계의 판단결과가 V < V_max 인 경우, (d)단계의 판단 결과에 따라 정전류 충전 또는 충방전 중지를 실행하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 제어방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 (e)단계는,
   상기 (d)단계의 판단 결과가 T ≥ T_crit 인 경우 충방전 중지를 실행하고, T < T_crit 인 경우 정전류 충전을 실행하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 제어방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 충방전 중지는 상기 배터리 팩의 온도가 T < T_crit 를 만족할 때까지 지속되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 제어방법.

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