KR20160142336A - 전기 차량을 위한 실시간 배터리 열 관리 - Google Patents

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Abstract

방법은 복수의 배터리 셀들의 소정 배터리 셀에 대한 내부 저항을 추정하는 단계, 상기 소정 배터리 셀에 대한 개방-회로 전압을 추정하는 단계, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 결정하는 단계, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류를 결정하는 단계, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 개방-회로 전압, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항을 결정하는 단계, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도를 결정하는 단계, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 온도에 기초하여, 쿨런트(coolant)의 흐름을 상기 소정 배터리 셀 근처로 제어하는 단계를 포함한다.

Description

전기 차량을 위한 실시간 배터리 열 관리{REAL-TIME BATTERY THERMAL MANAGEMENT FOR ELECTRIC VEHICLES}
정부 조항
본 발명은 국립과학재단에 의해 수여된 CNS1138200 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대하여 일정한 권리를 갖는다.
관련 출원들에 대한 상호 참조
본원은 2015년 4월 1일에 출원된 미국 출원번호 제14/676,326호에 대한 우선권을 주장하며, 또한 2014년 4월 1일에 출원된 미국 가출원번호 제61/973,641호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 출원들의 전체 내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 전기 차량의 실시간 배터리 열 관리에 관한 것이다.
전기 차량(EV)이 환경친화성 및 낮은 연료 비용으로 대중화되었지만, 이들은 배터리 셀의 폭발 위험, 필요로 하는 많은 배터리 셀의 높은 가격, 및 제한된 충전소의 가용성 때문에 내연 기관 차량을 완전히 대체하지는 못하고 있다. 많은 연구자들이 지적하였듯이, 온도는 전기 차량(EV)을 설계하고 작동함에 있어 가장 중요한 요소들 중의 하나이다. 예를 들어, 매우 높은 온도는 배터리 셀의 폭발 또는 성능저하를 야기할 수 있다. 반대로, 매우 낮은 온도에서 작동하는 배터리 시스템은 동결 전해질(freezing electrolyte)의 낮은 반응율 때문에, 제대로 작동하지 않거나 낮은 용량을 갖게 될 수 있다. 또한, 배터리 셀의 방전율은 온도에 따라 달라지며, 결국, 배터리 셀의 용량을 달라지게 한다.
온도와 관련된 당면과제를 해결하기 위해, 대부분 자동차 제조업체들은 그들 EV에 대한 자체적인 열관리 시스템을 개발하였다. 즉, 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리 셀의 온도를 모니터링하여, 온도가 정상 작동 범위에서 벗어날 경우에는 열적 제어 기능을 트리거한다. 이러한 열적 제어는 냉각 제어 및 가열 제어 모두를 포함한다. 기존의 제어들은 양자택일(all or nothing) 타입의 제어들이다. 즉, 기존의 제어들은 각 개별 셀의 가열 및/또는 냉각 요건과 관계없이, 병렬적으로 연결된 배터리 셀들 모두를 가열하거나 냉각한다. 그러나, 이러한 조잡한 제어들은 큰 안전 여유도(safety margin) 및 이에 따른 비효율성을 초래하게 된다. 더 중요한 것은, 기존의 제어들은 정상 동작 범위 내에서 보다 정교하게 온도 제어를 하더라도 더 나은 배터리 성능을 낼 수 없다는 점에서, 더 효율적인 관리를 위해 온도를 이용하고 있지 않다.
본 발명의 목적은 효율적이고 신뢰할 수 있는 BMS에 대한 열 관리를 개발하는 것이다. 효율성은 BMS에 공급된 에너지에 대한, 동적 시스템이 공급한 유용한 에너지의 비율로 측정되며; 이것은 작동 시간, 또는 BMS가 배터리 셀을 완전히 충전한 후, 필요 전력을 공급하는데 걸리는 누적 시간을 최대화함으로써 효율성을 달성할 수 있다. BMS는 배터리 셀이 충전 및 방전 사이클을 거치는 동안, 폭발이나 오작동 없이 소정 배터리 보증 기간 내내 필요 전력을 제공하는 것에 의하여 신뢰성을 달성한다.
신뢰성의 손상 없이 효율성을 향상시키기 위해서는, 사이버 및 물리적 배터리 부품들 간을 통합 및 조정하는 사이버-물리 관점의 배터리 열관리 시스템이 바람직하다. 물리적 부품들의 경우, 이 물리적 부품들은 배터리 성능에 상당한 영향을 미치기 때문에, 배터리 열관리 시스템은 배터리 셀의 열-물리적(thermo-physical) 특성 및 외부 열응력 상태들을 결정한다. 도 1a에 나타낸 바와 같이, 사이버 공간에서 이러한 비선형 물리적 성질을 면밀히 고려하여 그 특성을 추출함으로써, 안전 여유도를 감소시키고, 이에 따라 EV들의 전체 배터리 시스템의 효율성을 증가시키는 바람직한 열관리가 개발된다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 온도가 제어 노브(knob)로서 사용되며; 배터리 열관리 시스템은 단지 정상 작동 범위를 위한 단순 온도 제어 이외에, 더욱 효율적이고 신뢰할 수 있는 동작들을 위한 능동적 온도 제어를 행한다. 이것은 효율성 및 신뢰성에 영향을 미치는 배터리들의 열 및 일반적 이슈들에 대한 이해를 필요로 한다. 따라서, 배터리의 열-물리적 특성에 기초한 이슈들 및 배터리 셀들의 전기적 상태에 대한 배터리 셀의 영향을 분석하고, 이 분석에 기초하여, 셀-레벨 열적 제어들을 포함하는 배터리 열관리 시스템을 달성하는 방법이 도출된다. 배터리 열 관리 시스템은 높은 전력이 필요할 경우에는 일시적으로 셀 성능을 향상시키고, 반면에 스트레스를 줄이기 위해 낮은 전력이 필요할 경우에는 셀을 그대로 둔다. 본 제안된 BMS를 평가하기 위해, 실제의 운전 패턴에 기초한 사실적인 작업부하를 채택하고, 일반적으로 사용되는 배터리 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이션하였다. 이 시뮬레이션 결과들은 본 제안된 배터리 열관리의 효과가, 기존의 BMS보다, 신뢰성의 손상 없이도, 작동 시간을 최대 58.4%까지 향상시켰음을 증명하였다.
본 섹션은 본 발명과 관련된 배경 정보를 제공한 것이며, 이것이 반드시 선행 기술인 것은 아니다.
전기 차량의 복수의 배터리 셀들을 위한 실시간 열 관리 방법은 소정 배터리 셀의 측정 출력 전압 및 상기 소정 배터리 셀의 측정 방전 전류에 기초하여, 상기 복수의 배터리 셀들의 상기 소정 배터리 셀에 대한 내부 저항을 추정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 개방-회로 전압을 추정하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 또한 상기 전기 차량과 관련된 차량 전력 요구량에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 결정하는 단계와 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 충전 상태, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류, 및 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 추정된 충전 상태의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 개방-회로 전압, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항을 결정하는 단계와, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도를 결정하는 단계와, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 온도에 기초하여, 쿨런트(coolant)의 흐름을 상기 소정 배터리 셀 근처로 제어하는 단계를 더 포함한다.
다른 구현들에서는, 전기 차량의 복수의 배터리 셀들을 위한 실시간 열 관리 시스템이 쿨런트를 상기 복수의 배터리 셀들 각각의 근처로 전달하는 쿨런트 제어기와, 소정 배터리 셀의 측정 출력 전압 및 상기 소정 배터리 셀의 측정 방전 전류에 기초하여, 상기 복수의 배터리 셀들의 상기 소정 배터리 셀에 대한 내부 저항을 추정하는 추정 모듈을 포함한다. 상기 추정 모듈은 또한 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 개방-회로 전압을 추정한다.
상기 시스템은 또한 상기 전기 차량과 관련된 차량 전력 요구량에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 결정하고, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 충전 상태, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류, 및 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 추정된 충전 상태의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류를 결정하고, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 개방-회로 전압, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항을 결정하는 전력 제어 모듈을 포함한다.
상기 시스템은 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항에 기초하여 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도를 결정하고, 또한 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 온도에 기초하여 쿨런트의 흐름을 상기 소정 배터리 셀의 근처로 전달하도록 상기 쿨런트 제어기에게 선택적으로 지시하는 셀 온도 제어 모듈을 더 포함한다.
또 다른 구현들에서는, 전기 차량의 복수의 배터리 셀들을 위한 실시간 열 관리 방법이 복수의 셀 센서들을 통하여, 상기 복수의 배터리 셀들의 소정 배터리 셀에 대한 측정 출력 전압을 수신하는 단계와, 상기 복수의 셀 센서들을 통하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 측정 방전 전류를 수신하는 단계와, 상기 복수의 셀 센서들을 통하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 측정 셀 온도를 수신하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 상기 측정 출력 전압 및 상기 측정 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 충전 상태를 추정하는 단계와, 상기 측정 출력 전압 및 상기 측정 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 내부 저항을 추정하는 단계와, 상기 측정 출력 전압, 상기 측정 방전 전류, 및 상기 추정된 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 개방-회로 전압을 추정하는 단계와, 상기 전기 차량에 대한 차량 전력 요구량을 수신하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 또한 상기 차량 요구량에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 결정하는 단계와, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 충전 상태, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류, 및 상기 복수의 배터리 셀들에 대한 총 충전 상태의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류를 결정하는 단계와, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 개방-회로 전압, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도를 결정하는 단계와, 상기 소정 배터리 셀에 대한, 상기 목표 셀 온도와 상기 측정 셀 온도를 비교하는 단계와, 상기 목표 셀 온도와 상기 측정 셀 온도 간의 비교에 따라, 쿨런트의 흐름을 상기 소정 배터리 셀 근처로 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 명세서에 설명된 도면은 모든 가능 구현들이 아닌 단지 선택된 실시예들에 대한 예시의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다.
도 1a는 배터리 관리 시스템에 대한 사이버-물리 관점 도면이다.
도 1b는 모듈 및 셀을 포함하는 예시적 배터리 팩의 도면이다.
도 2는 본 발명의 원리에 따른 배터리 열 관리 시스템의 기능 블록도이다.
도 3은 회로-기반 배터리 모델의 도면들이다.
도 4a 내지 도 4b는 온도 감소에 따른 내부 저항 증가 및 높은 온도에 노출되는 시간의 증가에 따른 상대적 내부 저항 증가를 보여주는 각각의 그래프들이다.
도 5a는 배터리 열 역학을 나타내는 도면들이다.
도 5b는 배터리 역학의 추상적 개념을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 원리에 따른 배터리 열 관리 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 셀 온도의 증가가 추가적인 온도 증가를 야기하고, 그 결과 잠재적으로 셀 내부의 물질 분해 때문에 배터리 셀이 폭발하는 것을 보여주는 도면이다.
도 8은 낮은 온도가 높은 내부 저항 및 전압 강하를 야기한다는 것을 보여주는 도면이다.
도 9는 낮은 온도가 더 높은 내부 저항 및 전력 소모를 야기한다는 것을 보여주는 도면이다.
도 10은 균일하지 않은 셀들의 열화 및 온도가 배터리 셀들에 대한 서로 다른 내부 저항들을 야기하여, 그 결과 서로 다른 방전 전류 및 SoC들을 초래한다는 것을 보여주는 도면이다.
도 11은 균일하지 않은 셀들의 상태가 서로 다른 비율-용량/회복 효과들을 발생시키며, 그 결과 불균형 전기적 상태들을 초래한다는 것을 보여주는 도면이다.
도 12는 실제 운전 기록을 이용한 차량 시뮬레이터에 의해 생성되는, 운전 패턴 및 전력 요구량들을 보여주는 그래프이다.
도 13은 배터리 팩의 온도 분포 및 주위 온도를 나타내는 도면이다.
도 14는 배터리 팩들에 대한 열 관리를 나타내는 도면이다.
도 15는 예시적 평가 툴을 나타내는 도면이다.
도 16은 속도 및 전력 요구량 프로파일들을 나타내는 그래프이다.
도 17은 알래스카주, 앵커리지(AC)에서의 열 관리의 예들을 보여주는 그래프들이다.
도 18은 미시건주, 앤아버(AA)에서 일년 동안의 작동에 대한 누적 에너지 소모를 나타내는 그래프이다.
도 19a 내지 도 19b는 AA에서의 상대 저항 및 내부 저항을 나타내는 그래프들이다.
대응하는 참조 부호들은 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
이제, 첨부 도면들을 참조하여, 예시적 실시예들에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
배터리 관리 시스템(BMS)은 몇몇 배터리들을 포함하는 배터리 팩을 수용하고 있다. 도 1b에서 도시된 바와 같이, 배터리 팩은 몇몇 인터페이스들(예를 들어, 전극들) 및 몇몇 배터리 모듈들로 구성되며, 이들 각각은 수개의 배터리 셀들을 포함한다. 배터리 모듈에 있어서, 배터리 셀들 모두는 병렬로 연결되어 있으며, 이로 인해 셀-레벨 고장(cell-level failure)으로 인한 배터리 고장 가능성을 감소시킨다. 배터리 팩 내의 배터리 모듈들은 보통 직렬로 연결되며, 이로 인해 배터리 팩이 높은 전압 및 전력을 제공하는 것을 가능하게 한다.
BMS는 수백 또는 수천 개의 배터리 셀들이 손상되는 것을 방지하고 이들이 작동 상태로 유지되도록 하면서 EV들에 전력 공급하는 것을 담당한다. BMS가 이러한 기능들을 수행하기 위해서는, 배터리 셀들이 적절히 제어되어야만 하며, 그 이유는 배터리 셀들의 안전 및 성능은 그들의 주변의 스트레스 상태에 의존하기 때문이다.
비율-용량 효과(Rate-capacity effect) 및 회복 효과(recovery effect)는 효율적인 배터리 관리를 위한 가장 중요한 물리적 성질이다. 비율-용량 효과는 방전율(discharge rate)이 높을수록, 공급 가능 용량(deliverable capacity)이 더 낮아진다는 것을 의미한다. 예를 들어, 1 C-비율(1C-rate)의 방전율에서 배터리 셀의 작동 시간은 60분이지만, 2 C-비율(2 C-rate)에서는 엄격하게 30분 미만이 된다. 회복 효과는 휴지(rest)가, 큰 방전 전류에 의해 일시적으로 떨어진 출력 전압을 회복시킨다는 것을 의미한다. 따라서, BMS는 셀당 방전율을 최소화하고 휴지를 가지는 배터리를 이용함으로써, 배터리들의 용량을 증가시킨다.
충전 상태(State-of-Charge; SoC)는, 충전이 안된 0%에서 완전 충전된 100%까지의 공급 가능 충전 퍼센티지를 나타내며, 이 SoC의 밸런싱이 대형 배터리 시스템들의 성능에 영향을 미치는 가장 중요한 이슈들 중의 하나인데, 그 이유는 대형 배터리 팩의 성능은 그 팩 내의 가장 소모된 배터리의 전기적 상태에 의존하기 때문이다. 예를 들어, 하나의 셀이 다 소모된 후에는, 병렬 연결된 시스템 내의 나머지 셀들의 방전율이 더 높아지게 되며, 이로 인해 나머지 셀들은 비효율적으로 방전이 된다. 따라서, 배터리 셀들의 SoC는 밸런싱되어야만 한다.
더욱 양호한 배터리 성능을 달성하기 위해, 어떤 분야에서는 SoC를 이퀄라이즈(equalize)하고/하거나 방전율을 감소시키는 배터리 스케쥴링에 초점을 맞추어 왔다. 이것은 스위치들을 제어하여, 적절한 방전율로 배터리 셀들에서 에너지를 끌어온다. 예를 들어, 전기 차량이 높은 전력을 필요로 하는 경우, 배터리 매니저는 배터리 효율을 향상시키기 위해 모든 셀들을 그 전기 부하에 연결시킨다. 반대로, 차량이 배터리로부터 낮은 전력을 필요로 하는 경우, 배터리 매니저는 낮은 SoC를 가진 몇몇 셀들을 분리하여, SoC의 출력 전압 및 이퀄라이제이션(equalization) 회복을 달성한다.
방전 동작들 및 SoC 밸런싱 이외에, 배터리 열적 특성들이 또한 배터리의 효율성, 작동성 및 안전성에 중요하다. 다수의 잠재적 배터리 특성들 중, 두 개의 특정한 특성에 초점을 맞추는 것이 더욱 효율적인 배터리 작동을 야기할 수도 있다.
먼저, 배터리 효율성은 증가된 화학 반응율(chemical reaction rate) 및 이온 이동도 때문에, "순간 고온(instant high temperature)"에서 일시적으로 향상된다. 그러나, "고온 누적 노출(cumulative exposure to high temperature)"로 인하여 비가역 부반응(side reaction)의 가속 때문에 영구 수명이 감소하게 된다. 따라서, 대부분 BMS들은 합리적인 성능을 달성하기 위해 각각의 셀을 특정 온도 범위 내로 제한할 필요가 있다. 이에 따라, 모든 EV는 셀 온도를 작동 범위 내로 유지하는 열 관리 시스템을 갖추어야 하며, 따라서 냉각 및 가열 양쪽 모두를 필요로 한다. 배터리 팩의 온도가 작동 온도 범위를 벗어날 때마다, 열 관리가 활성화됨으로써 배터리들의 열적 안정성을 보장하게 된다.
냉각의 경우에는, 라디에이터(radiator)가 내부 유체로부터 외부 공기로 열을 이동시킴으로써, 그 유체를 냉각시키며, 이것은 결국 배터리 셀들을 냉각시키게 된다. 또한, 가열은 매우 낮은 온도에서의 작동을 위해 필요하다. 예를 들면, 제 1 차량(예를 들면, General Motors Chevy Volt)은 144개의 써멀 핀을 사용하여, 냉각된 및/또는 가열된 쿨런트 흐름을 제어하는 쿨런트 플로우 밸브(coolant flow valve)를 가진 288개의 배터리 셀을 능동적으로 냉각 및/또는 가열할 수가 있다. 또한, 제 2 차량(예를 들면, Ford Focus)은 리듐-이온 배터리 팩의 열 관리를 위한 능동 액체 냉각 및 가열 시스템을 구비할 수도 있다.
이러한 간단한 접근방식은 차량 보증 기간 동안의 배터리 셀들의 정상 작동에 효과적이었다. 열 실험 챔버들에서 배터리 셀 성능을 전반적으로 테스트함으로써, 보증 기간 동안 지속되도록 배터리가 제조될 수 있다.
그러나, 이러한 수동적이고, 조잡한 열적 제어는 열 관리 시스템들의 장점을 완전하게 이용하지 못한다. 배터리 열적 특성을 이해하여 온도를 제어함으로써, 배터리 셀들의 수명저하 없이, 배터리 용량을 향상시킬 수 있다. 그 이유는, 셀의 가열은 배터리 셀 성능을 순간적으로는 증가시키며, 낮은 전력이 필요할 경우의 셀 냉각은 셀의 수명 용량 저하를 지연시킬 수 있기 때문이다. 본 발명의 원리들은, 더욱 효율적이고 신뢰성 있는 배터리 제어를 위해 배터리 역학 및 셀-레벨 열 관리를 제어함으로써, 셀 온도를 시스템적으로 조절하는 배터리 열 관리 시스템을 예시한다.
EV들의 배터리 팩은 EV의 전기 모터들을 작동시키는 인버터(inverter)에 직류(DC) 전력을 공급한다. 이 전기 모터들을 작동시키기 위해, 전력 인버터는, 차량이 작동하는 동안에 적용될 수 있는 입력 전압
Figure pct00001
을 필요로 한다. 그리고, 작동 시간
Figure pct00002
은 배터리 팩이 완전 충전된 이후에 적용될 수 있는 출력 전압 범위로 필요 전력을 제공하는 누적 시간으로 정의된다.
따라서, BMS는 배터리 팩이, 긴 작동 시간 동안 적용될 수 있는 입력 전압 이상의 출력 전압을 유지하면서, 필요 전력
Figure pct00003
을 전기 차량에 공급할 수 있게 해야 한다. 한편, 이 작동 시간은 오랜 배터리 보증 기간 동안 유지되어야 하며; 그렇지 않을 경우에는, 차량이 대형 배터리 팩을 필요로 하고/하거나 배터리들이 더 자주 충전되어야만 한다.
본 발명의 배터리 열 관리 시스템은, 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 냉각 및 가열되어야 하는 각각의 시간 인스턴트에서 다수의 써멀 핀들 각각에서의 쿨런트 타입을 선택하는 것에 의해 온도를 제어함으로써, 보증 기간 동안 긴 작동 시간을 생성한다. 즉, 이 쿨런트 타입은 배터리 열 관리 시스템에 대한 제어 노브(control knob)로서 사용된다. 그 후에, 배터리 관리 시스템은 보증 기간 동안 어떠한 오작동 또는 폭발 없이 작동 시간
Figure pct00004
이 최대가 되도록, 각각의 시간 인스턴트
Figure pct00005
에서 쿨런트 타입을 결정하며, 이것은 아래와 같은 형식적으로 표현된다
스트레스 상태들
Figure pct00006
을 고려하여,
Figure pct00007
을 결정하며
이에 따라
Figure pct00008
에서
Figure pct00009
가 최대가 되도록 하고,
Figure pct00010
에서 어떠한 오작동 또는 폭발도 없도록 하며,
여기서,
Figure pct00011
는 배터리 팩 외부의 온도이고, 0 및
Figure pct00012
는 각각 배터리 보증 기간의 시작 및 끝에서의 시간이다. 스트레스 상태들 및
Figure pct00013
의 제어는 오직
Figure pct00014
에서 EV가 작동하는 동안에만 유효하고/하거나 필요하다는 것에 유의한다. 또한,
Figure pct00015
는 시간에 따라 단조적으로 감소한다. 그 이유는 배터리 성능은 시간에 따라 계속 저하되며 회복되지 않기 때문이다. 따라서, 보증 기간 동안 임의의 시간에서의
Figure pct00016
는 적어도
Figure pct00017
에서와 같은 양이 된다.
스트레스 상태들 하에서 몇몇 배터리 역학은 배터리 시스템들의 성능 및 안전성에 영향을 미친다. 예를 들어, 제어되지 않은 높은 온도는 폭발을 야기할 수 있는 한편, 매우 낮은 온도는 배터리의 성능을 저하시키게 되며, 이것은 잠재적으로 전기 차량에 대한 전력 공급 실패로 이어질 수도 있다. 따라서, 제어 노브들의 영향 및 의존성, 그리고 배터리 역학의 외부 상태들을 분석하여, 배터리 시스템의 안전성 및 성능을 향상시켜야 한다.
이를 위하여, 먼저 본 발명은 배터리 물리 역학에 대한 다른 추상적 개념 모델들을 연계시킴으로써, 그 성능에 영향을 미치는 요소들을 확인한다. 그 후에, 통합된 추상적 개념 모델에 기초하여, 본 발명은 온도 변화가 배터리 물리 역학에 어떻게 영향을 미치는지를 다루도록 하며, 이것은 도 2와 관련하여 설명되는 배터리 열 관리 시스템에 대한 기초가 될 것이다. 열적 상태들에 대한 의존성 및 배터리들의 상태들에 대한 영향을 분석함으로써, 본 발명은 제어 가능한 열적 상태들이 전체 배터리 시스템의 출력 전압 및 각각의 셀 온도에 어떻게 영향을 미치는지에 대하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 배터리 열 관리 시스템(BTMS)은 일반적으로 100으로 예시된다. BTMS(100)는 배터리 모듈(10), 배터리 매니저(30), 및 제어기(40)를 포함한다. 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀들(20)을 포함한다. 위에서 설명된 바와 같이, 배터리 셀들(20) 각각은 써멀 핀(20)을 포함한다. 또한, 배터리 셀들(24) 각각은 적어도 하나의 배터리 셀 센서들(28)을 포함한다. 이 센터들(28)은 셀들(20) 및 써멀 핀들(24)의 다양한 특성을 측정하도록 구성된다.
예를 들어, 제 1 셀(20)은 제 1 써멀 핀(24)을 포함한다. 제 1 센서(28)는 제 1 셀(20) 및 제 1 써멀 핀(28)과 통신한다. 제 1 센서(28)는 제 1 셀(20)의 다양한 특성을 측정한다. 예를 들어, 제 1 센서(28)는 제 1 셀(20)의 출력 전압, 방전 전류 및 현재의 셀 온도를 측정할 수 있다.
제 1 센서(28)는 제 1 써멀 핀(24)의 다양한 특성을 측정할 수 있다. 예를 들어, 제 1 센서(28)는 제 1 써멀 핀(24)의 현재 온도를 측정할 수 있다. 몇몇 구현들에서, 제 1 써멀 핀(24)의 현재 온도는 제 1 셀(20)의 현재 온도를 나타낼 수도 있다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, BTMS(100)는 제 1 셀(20)의 온도를 제어하기 위하여, 제 1 써멀 핀(24)의 현재 온도에 기초하여, 가열된 또는 냉각된 쿨런트를 선택적으로 제 1 써멀 핀(24)으로 향하게 할 수 있다. 제한된 예들의 센서 측정들만이 설명되어 있지만, 센서들(28)은 셀들(20) 및 써멀 핀들(24)에 대한 임의의 적절한 특성을 측정할 수도 있음이 이해된다.
센서들(28) 각각은 배터리 매니저(30)와 통신한다. 예를 들어, 센서들(28)은 셀들(20) 및 써멀 핀들(28)과 관련된 측정 특성들을 배터리 매니저(30)에게 전송하도록 구성된다. 배터리 매니저(30)는 추정 모듈(34), 전력 제어 모듈(38), 및 셀 온도 제어 모듈(42)을 포함한다.
추정 모듈(34)은 센서들(28)로부터 측정된 특성들 각각을 수신한다. 추정 모듈(34)은 수신된 측정 특성들에 기초하여, 셀들(20) 및 써멀 핀들(24)과 관련된 다양한 특성값들을 추정할 수 있다. 예를 들어, 추정 모듈(34)은 제 1 셀(20)과 관련된 측정 출력 전압, 측정 방전 전류, 및 현재 온도를 수신한다. 제 1 셀(20)에 대해서만 설명되었지만, 추정 모듈(34)은 다수의 셀들(20) 각각과 관련된 특성값들을 추정한다 것이 이해된다.
아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 추정 모듈(34)은 제 1 셀(20)의 측정 출력 전압, 방전 전류 및 현재 온도에 기초하여, 충전 상태, 내부 저항 및 개방 회로 전압을 추정한다. 추정 모듈(34)은 수신된 측정값들 및 추정값들을 전력 제어 모듈(38) 및 셀 온도 제어 모듈(42)에게 전송할 수 있다.
전력 제어 모듈(38)은 전력 요구량에 기초하여, 다수의 셀들(20) 각각에 대한 목표 출력 전압을 결정하도록 구성된다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전력 제어 모듈(38)은 다수의 배터리 셀들과 관련된 EV의 필요 전력을 나타내는 차량 전력 요구량을 수신한다. 예를 들어, EV는 가속할 시에, 필요 전력을 증가시킬 수 있다. 반대로, EV는 감속할 시에, 필요 전력을 감소시킬 수도 있다.
일 구현에서, 도 6a 내지 도 6b를 참조하여 상세히 설명되는 바와 같이, 전력 제어 모듈(38)은, 수신된 차량 전력 요구량이 상한 전력 임계값보다 큰지 여부를 결정하도록 구성된다.
전력 제어 모듈(38)은 수신 차량 전력 요구량을 상한 전력 임계값과 비교한다. 전력 제어 모듈(38)이 수신 전력 요구량이 상한 전력 임계값보다 크다고 결정한 경우, 전력 제어 모듈(38)은 제 1 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 제 1 출력 전압 값으로 설정한다.
반대로, 전력 제어 모듈(38)이 수신 전력 요구량이 상한 전력 임계값 미만인 것으로 결정한 경우, 전력 제어 모듈(38)은 제 1 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 제 2 출력 전압 값으로 설정한다. 제 1 셀(20)에 대해서만 설명되었지만, 전력 제어 모듈(38)은 다수의 셀들(20) 각각과 관련된 출력 전압을 제어하도록 구성되는 것으로 이해된다.
몇몇 구현들에서, 전력 제어 모듈(38)은 다수의 셀들(20) 각각에 대한 목표 방전 전류
Figure pct00018
및 목표 내부 저항
Figure pct00019
을 결정하도록 구성된다. 예를 들어, 전력 제어 모듈(38)은 전류 방전 제한값에 기초하여, 배터리 모듈(10)에 대한 총 방전 전류를 결정하도록 구성된다. 그 후에, 전력 제어 모듈(38)은 셀들(20) 각각에 대한 목표 방전 전류
Figure pct00020
를 결정한다.
전력 제어 모듈(38)은 비효율적 에너지 소모를 감소시키기 위해, 셀들(20) 각각을
Figure pct00021
이하의 방전율로 설정한다.
Figure pct00022
이 유지되는 것으로 가정한다(여기서
Figure pct00023
는 필요 전력,
Figure pct00024
은 병렬 연결된 셀들의 개수, 그리고
Figure pct00025
는 총 출력 전압). 그러면,
Figure pct00026
에서 각각의 셀이 방전됨으로써, 전력 제어 모듈(38)은 과도한 열 방출 없이, 필요 전력을 공급할 수 있다(여기서,
Figure pct00027
는 총 방전 전류). 전력 제어 모듈(38)은 전력 요구량 레벨
Figure pct00028
이 만족되는 경우, SoC에 기초하여
Figure pct00029
를 설정하며; 더 높은 SoC를 가진 셀들(20)은 더 많이 작동해야 한다. 따라서, 전력 제어 모듈(38)은
Figure pct00030
가 유지되는 경우에는, 방전 전류
Figure pct00031
를
Figure pct00032
로 설정하고, 그렇지 않은 경우에는,
Figure pct00033
로 설정하며, 이것은 다음과 같이 쓰여진다
Figure pct00034
예를 들어, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전력 제어 모듈(38)은 총 방전 전류를 셀들(20)의 총 개수로 나눈 값으로 목표 방전 전류
Figure pct00035
를 설정한다.
그 후에, 전력 제어 모듈(38)은 셀들(20) 각각에 대한 목표
Figure pct00036
를 결정한다. 예를 들어, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전력 제어 모듈(38)은 추정된 개방 회로 전압에서, 목표
Figure pct00037
로 나눈 목표 출력 전압을 뺀 결과값으로
Figure pct00038
를 설정한다. 전력 제어 모듈(38)은 셀들(20) 각각에 대한 목표
Figure pct00039
및 목표
Figure pct00040
를 셀 온도 제어 모듈(42)로 전송한다.
셀 온도 제어 모듈(42)은 셀들(20) 각각의 셀 온도를 제어하도록 구성된다. 일 구현에서, 셀 온도 제어 모듈(42)은 목표
Figure pct00041
을 수신한다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 셀 온도 제어 모듈(42)은 목표
Figure pct00042
에 기초하여, 셀들(20) 각각에 대한 목표 셀 온도를 결정한다. 셀들(20) 각각에 대한 목표 셀 온도는 셀들(20)이 효율적으로 작동하여 필요 전력을 공급하게 되는 온도일 수 있다.
아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 셀 온도 제어 모듈(42)은 그 후에 배터리 모듈(10)에 대한 목표 주위 온도를 결정한다. 배터리 모듈 내의 주위 온도는 셀들(20)의 온도에 영향을 미친다는 것이 이해된다. 그 후에, 셀 온도 제어 모듈(42)은 목표 주위 온도에 기초하여, 다수의 써멀 핀들(24) 각각에 대한 목표 온도를 결정한다.
그 후에, 셀 온도 제어 모듈(42)은 써멀 핀들(24) 각각의 측정 온도와 써멀 핀들(24) 각각의 목표 온도 간의 비교값에 기초하여, 써멀 핀들(24) 각각이 가열되어야 하는지 또는 냉각되어야 하는지 여부를 결정한다. 예를 들어, 셀 온도 제어 모듈(42)은 제 1 써멀 핀(24)의 제 1 목표 온도와 제 1 써멀 핀(24)의 수신된 측정 현재 온도를 비교한다. 셀 온도 제어 모듈(42)이 써멀 핀(24)에 대한 목표 온도가 써멀 핀(24)의 현재 온도보다 높은 것으로 결정하는 경우, 셀 온도 제어 모듈(24)은 제 1 써멀 핀(24)에 대한 목표 온도에 도달하도록 하기 위해 가열되어야 하는 것으로 결정한다.
반대로, 셀 온도 제어 모듈(42)이 제 1 써멀 핀(24)에 대한 목표 온도가 제 1 써멀 핀(24)의 현재 온도 미만인 것으로 결정하는 경우, 셀 온도 제어 모듈(42)은 제 1 써멀 핀(24)에 대한 목표 온도에 도달하도록 하기 위해 제 1 써멀 핀(24)이 냉각되어야 하는 것으로 결정한다.
몇몇 구현들에서, 셀 온도 제어 모듈(42)은 쿨런트 제어기(40)와 통신한다. 쿨런트 제어기(40)는 다수의 쿨런트 플로우 밸브(미도시)를 제어함으로써, EV의 각 장소로 쿨런트 흐름이 향하게 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 쿨런트 제어기(40)는 특정 밸브들을 열거나 닫아서 찬 쿨런트를 온도 임계값 이상인 EV 내의 영역으로 보냄으로써, 그 영역을 냉각시킬 수 있다.
셀 온도 제어 모듈(42)은 쿨런트 제어기(40)에게 선택적으로 지시함으로써, 가열된 및/또는 차가운 쿨런트가 셀들(20) 각각에 전달되도록 한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 셀 온도 제어 모듈(42)은 제 1 써멀 핀(24)의 현재 온도가 제 1 써멀 핀(24)에 대한 목표 온도보다 높은지 또는 낮은지 여부를 결정한다. 셀 온도 제어 모듈(42)이 제 1 써멀 핀(24)의 현재 온도가 제 1 써멀 핀(24)에 대한 목표 온도 미만이라고 결정하는 예에서, 셀 온도 제어 모듈(42)은 쿨런트 제어기에게 지시하여, 가열된 쿨런트가 제 1 써멀 핀(24)으로 전달되도록 한다.
이러한 방식으로, 셀 온도 제어 모듈(42)은 제 1 써멀 핀(24)의 열적 특성들을 제어한다. 전술한 바와 같이, 제 1 써멀 핀(24)의 온도는 제 1 셀(20)의 온도를 나타낼 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 배터리 매니저(30)는 제 1 써멀 핀(24)을 통하여 제 1 셀(20)의 열적 특성들을 제어함으로써, 필요 전력에 대응할 수 있다. 제 1 셀(20)에 대해서만 설명되었지만, 전술한 사항들은 셀들(20) 모두에 적용되는 것으로 이해된다.
n개의 열적 상태들에 대한 의존성 및 배터리들의 상태들 대한 영향을 분석함으로써, 열적 상태들이 전체 배터리 시스템의 출력 전압 및 각각의 셀의 온도에 어떻게 영향을 미치는지를 결정할 수 있다. 출력 전압
Figure pct00043
은 배터리 시스템의 작동 시간을 나타내며, 이 출력 전압은 배터리 셀들의 내부 상태에 의해 많은 영향을 받게 된다. 회로-기반 배터리 모델(예를 들어, 배터리 모듈(10))은 기본 전기 요소(예를 들어, 내부 저항
Figure pct00044
, 방전 전류
Figure pct00045
및 개방 회로 전압
Figure pct00046
)를 사용하여 셀의 내부 상태를 나타내며, 이것은 도 3 및 수학식 (1)에 나타낸 바와 같은 기초 회로 이론에 의해 출력 전압을 설명한다. 셀이 외부 부하와 연결되어 있는 경우에는, 전자 흐름
Figure pct00047
이 그 외부 부하를 통하여 애노드에서 캐소드로 발생한다. 개방 회로 전압
Figure pct00048
은, 임의의 회로에서 분리되어 있는 경우, 그 셀의 두 단자들 사이의 전위차이며, 주로 배터리 셀들의 공급 가능 전하(SoC)에 의존한다. 내부 저항
Figure pct00049
은 전력 소스가 전류를 공급하는 경우, 개방 회로 전압
Figure pct00050
과 출력 전압
Figure pct00051
사이에 전압 강하를 일으키는 모든 요소들을 나타낸다. 또한, 셀들의 공급 가능 전하 상태(SoC)를 나타내도록 큰 커패시터들이 채택된다. 따라서, 이 출력 전압은 다음과 같이 표현된다:
[수학식 1]
(1)
여기서, 내부 저항의 변화는 다음과 같이 출력 전압에 영향을 미친다는 것을 의미한다.
P1. 내부 저항 ⇒ 출력 전압
Figure pct00053
내부 저항이 높을수록, 출력 전압은 감소하게 됨.
전력
Figure pct00054
을 전기 부하에 공급함으로써, 배터리 팩의 전력 소모
Figure pct00055
가 야기된다. 즉, 배터리 팩의 총 전력 소모
Figure pct00056
는 다음 수학식에 나타낸 바와 같이, 두 개의 전력 소모 파라미터들(Preq 및 Pd)로 구성된다:
[수학식 2]
Figure pct00057
. (2)
따라서, 배터리 팩의 배터리들을 효율적으로 사용하며 그 작동 시간을 증가시키기 위해, BMS는 작동 시의 전력 소모
Figure pct00058
를 감소시켜야 하고, 이것은 다음과 같이 쓰여진다.
P2. 내부 저항 ⇒
Figure pct00059
: 내부 저항이 높을수록, 전력 소모가 증가함.
병렬로 연결된 셀들의 출력 전압이 같아야 하며 또한 개방 회로 전압 변화가 작아야 하기 때문에, 방전 전류는 수학식 (1)에 따른 내부 저항에 의존한다. 그러면, 더 큰 내부 저항을 가진 셀의 방전 전류는 그 모듈의 다른 셀들의 방전 전류보다 작으며, 이것은 다음 표현으로 쓰여진다:
P3. 내부 저항 ⇒ 전력 소모
Figure pct00060
: 내부 저항이 높을수록, 모듈의 셀당 방전율은 감소함.
P1 및 P2에서 나타낸 바와 같이, 내부 저항은 배터리 성능에 영향을 미치는 중요한 파라미터이다. 따라서, 내부 저항은 작동 중에 열응력에 따라 달라진다.
동작 사이클은 배터리 셀의 완전 충전에서 완전 방전까지의 사이클(예를 들어, 배터리 셀들(20)의 사이클)을 나타낸다. 캘린더 라이프(calendar life)는 배터리 셀(20)의 생산에서 보증 기간까지의 지속기간이다(예를 들어, 5년). (i) 동작 사이클 및 (ii) 캘린더 라이프 동안 지속되는 온도를 고려할 경우, 이 온도는 내부 저항에 영향을 미치게 된다.
(i)의 경우, 더욱더 높은 온도는 전자 또는 이온의 이동을 지극하여, 일시적으로 셀(20)의 내부 저항을 감소시키고 그것의 용량을 증가시킨다(P2에 의해). 예를 들어, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 320K의 저항은 290K의 저항보다 작다. 따라서, 동작 사이클 동안, 다음의 관계가 유지된다:
P4. 온도 ⇒ 내부 저항
Figure pct00061
: 동작 사이클 동안, 온도가 증가할수록, 내부 저항은 감소함.
여기서, 내부 저항과 셀 온도 간의 관계는 다음의 다항식 모델에 의해 잘 설명되며, 실험 결과들이 이것의 유효성을 입증하였다:
[수학식 3]
Figure pct00062
(3)
이 모델은 셀(20)에 대한, 필요한 내부 저항
Figure pct00063
에 대한 셀 온도
Figure pct00064
를 나타낸다.
한편, 장기적인 온도 노출은, 다음에 설명되는 바와 같이, 다른 방식으로 내부 저항에 영향을 미친다. 배터리 모듈(10)의 성능은, 모듈(10)의 사용 여부와는 관계없이, 시간에 따라 저하되며(이것은 "캘린더 페이드(calendar fade)"로 알려져 있음), 이것은 도 4b에 나타낸 바와 같이, 내부 저항의 상승으로 표현될 수 있다. 캘린더 라이프에 영향을 미치는 2개의 주요한 요소들(즉, 온도(T) 및 시간(t))이 존재하며, 이러한 영향들이 2개의 비교적 간단한 수학적 종속요소
Figure pct00065
에 의해 표현될 수 있다는 것을 경험적 증거가 보여준다. 이 저하의 정도는 상대 저항
Figure pct00066
에 의해 평가될 수 있으며, 이것은 다음과 같이 표현된다:
[수학식 4]
Figure pct00067
, (4)
여기서,
Figure pct00068
및
Figure pct00069
는 모델 파라미터들을 나타낸다. 수학식 (4)에 따르면, 다음 표현이 유지된다:
P5. 시간에 따른 온도⇒저항
Figure pct00070
: 캘린더 라이프 동안, 고온 노출 시간이 증가함에 따라, 내부 저항은 감소함.
내부 저항은 셀 온도에 의존하며(P4 및 P5), 셀 온도는, 결국, 배터리 모듈(10)의 내부 상태들 및 외부 스트레스들에 따라 달라진다.
임의의 배터리 작동은, 셀들(20) 중의 하나가 전기 부하에 전력을 공급하는 경우 전극들의 저항
Figure pct00071
으로 인하여 열을 발생시키며, 이것은 줄열
Figure pct00072
로도 알려져 있다. 발생된 열
Figure pct00073
중의 일부는 셀들(20)의 표면에서 방출되며
Figure pct00074
, 나머지 열은 셀들(20) 재료로 흡수되며
Figure pct00075
, 이것은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00076
Figure pct00077
여기서,
Figure pct00078
는 표면적이고,
Figure pct00079
는 열 전달 계수이고,
Figure pct00080
는 셀(20) 주위 온도이며,
Figure pct00081
는 열 용량이다. 주위 온도
Figure pct00082
는 외부 온도
Figure pct00083
및 써멀 핀(24)의 온도(
Figure pct00084
)에 의해 영향을 받는다.
수학식 (5)는 Bernardi의 에너지 균형(energy balance)을 나타내며, 이것은 도 5에 나타낸 바와 같은, 발열
Figure pct00085
에 의한 셀 온도
Figure pct00086
변화를 설명할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pct00087
(5)
[수학식 6]
Figure pct00088
(6)
여기서,
Figure pct00089
는 전류 시간이고
Figure pct00090
는 시간 인터벌이다. 이 수학식에 기초하여, 다음 표현이 유지된다.
P6. 방전 전류⇒발열
Figure pct00091
: 방전 전류가 감소할수록, 발열이 증가함.
P1 내지 P6에서 논의된 모든 배터리 모듈(10)의 특성들을 연계시킴으로써, 도 5a에 도시된 바와 같은, 써멀 핀(24)의 온도
Figure pct00092
에서 작동 시간까지의 추상 계층을 갖게 된다.
BTMS(100)는 폭발 및 오작동 없이, 보증 기간 동안에 배터리 모듈(10) 작동 시간을 증가시키도록 구성된다. 배터리 모듈(10)과 관련된, 작동 시간 및 안전성에 영향을 미치는 배터리 역학을 이해하기 위해, BTMS(100)는 도 5b에 나타낸 바와 같이, 수개의 물리적 종속요소들을 축적하여 추상적 개념 계층을 구성한다.
열폭주(Thermal runaway)는 배터리 셀(20)의 안전성에 영향을 미치는 가장 심각한 열적 문제점들 중의 하나로서, 매우 높은 온도 및 전류를 야기한다. 배터리 셀(20)의 온도 상승은 내부 저항을 감소시키고(P4에 의해), 전류를 증가시키며(P3에 의해), 결국 그것의 온도를 상승시키게 되며(P6에 의해); 이 과정이 도 7에 도시된 바와 같이, 반복될 수 있다. 극도의 높은 온도(약 80℃ 이상)는 물질 분해로 인한 폭발을 일으킬 수도 있기 때문에, 배터리 셀들(20)의 열적 안정성은 유지되어야 한다.
BTMS(100)는 적용될 수 있는 출력 전력
Figure pct00093
의 상세정보. BTMS(100)는
Figure pct00094
범위 내에서 필요 전력의 공급을 보장한다. 그러나, 온도 감소는 내부 저항을 증가시키며(P4에 의해), 더 높은 전압 강하를 일으킬 수도 있다(P1에 의해). 전력 인버터가 특정 상태에서 작동할 수 없게 되는, 적용 가능 전압
Figure pct00095
미만으로 출력 전압
Figure pct00096
이 떨어짐으로써, 차량의 전기 모터에 필요 전력을 공급하지 못하게 된다. 도 8은 낮은 온도가 어떻게 오작동을 일으키는지를 도시한 것이다.
온도 감소는 셀들에서의 전하 이동성 및 화학 반응을 감소시키며, 이것은 내부 저항 증가에 의해 표현될 수 있다(P4에 의해). 이러한 내부 저항 증가는 작동 중 큰 전력 소모를 의미하며(P2에 의해), 이것은 도 9에 나타낸 바와 같이, 작동 시간을 감소시키게 된다. 예를 들어, 다만 섭씨 20도의 온도 강하로 인하여 배터리 충전의 10% - 20%가 소모될 수 있다.
높은 온도에 계속 노출된 상태 하에서의 작동은 비가역 부반응의 가속으로 인하여 급속한 내부 저항 증가를 유도한다(P5에 의해). 이러한 내부 저항의 증가는 셀들의 에너지 소모를 야기하며, 이에 따라 작동 시간을 단축시키게 된다. 또한, 급속한 성능 저하는 보증 기간 중에도 배터리 모듈(10)이 오작동하게 할 수도 있으며(P1 및 P2에 의해), 도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 이것은 잠재적으로, 중대한 사고 또는 경제적 손실을 초래할 수도 있다.
불균일한 온도 분포는 배터리 모듈(10)(더 큰 배터리 팩의 일 부분일 수 있음)에서 배터리 셀들(20) 간에 다른 저항들을 야기하게 된다(P4 및 P5에 의해). 방전율은 내부 저항에 의존하기 때문에(P3에 의해), 서로 다른 셀들(20)에 이용될 수 있는 방전율은 일정하지 않으며, 이것은 도 10에서 나타낸 바와 같이, 배터리 모듈(10)에서 셀들(20) 간의 불균형 SoC를 야기하게 된다.
높은 방전율은, 열 손실로 인한 더 큰 전압 강하를 일으키는 더 큰 용량 손실의 원인이 되며(P5에 의해), 이것은 전술한 비율-용량 효과라고 불린다. 매우 낮은(또는 0) 방전율을 갖는 경우, 배터리 모듈(10)은 고속 방전 중에 어느 정도 까지는 용량 손실을 회복할 수가 있으며, 이것은 전술한 회복 효과라고 불린다. 불균일한 온도 분포는 보다 많은 예상치 못한 방전 전류를 발생시킬 수 있으며(P3, P4, P5에 의해), 이것은 도 11에서 나타낸 바와 같이, 일부 셀들(20)에서 더 큰 비율 용량 효과를 초래한다. 또한, 불균일한 방전율은 서로 다른 양의 열 손실을 야기하며(P6에 의해), 이것은 배터리 모듈(10)에서 셀들(20)의 불균형 SoC를 초래하게 된다.
지금까지, 본 발명은 배터리들의 물리적 특성들을 조사 및 추출하였으며, 대형 배터리 시스템 성능을 나타내는 열 역학에 대한 이들의 영향을 알아보았다. 이들에 기초하여, 이제 본 발명은 열 역학을 고려하여, 열적 요건들을 설명한 후에, 추상적 개념에 기초하여 이 요건들을 만족시킬 수 있는 배터리 열 관리 정책(battery thermal management policy)에 대해 설명하도록 한다.
배터리 모듈(10)의 작동 시간을 향상시키기 위해서는, 전술한 물리적 역학이 제어되어야 한다. 낮은 온도로서 열 폭주 및 오작동으로부터 배터리 셀들(20)을 보호하기 위해서는, 작동 온도
Figure pct00097
가 다음과 같이 그 상한
Figure pct00098
과 하한
Figure pct00099
사이에 있어야만 한다
Figure pct00100
P3에 따르면, 높은 온도에서 전력을 공급하는 것은 동작 사이클 동안에 내부 저항을 감소시키며 또한 배터리 셀의 용량을 증대시킨다. 불행하게도, 지속적인/빈번한 고온에의 노출은 캘린더 라이프 동안에 배터리 셀들의 열화도 또한 가속시킨다(P4에 나타냄). 이러한 두 가지 특성들에 따르면, 배터리 수명을 증가시키면서, 셀 들의 용량을 증대시키기 위해, BTMS(100)는
R2'.
Figure pct00101
을 최대화하고,
R3'.
Figure pct00102
을 최소화해야 하며,
여기서, OPERATION은 EV가 작동하는 시간 인터벌들의 세트이다.
그러나, 셀 온도를 최대화하는 것은 누적 셀 온도를 증가시킬 것이기 때문에, BTMS(100)는 R2' 및 R3'를 동시에 달성할 수가 없다. 따라서, 배터리 열 관리에 관한 기존의 연구들은 동적 온도 제어(dynamic thermal control)보다는, 정적 작동 온도 범위를 결정하려고 하였으며, 따라서 그들은 이 두 요건들을 전체적으로 다룰 수가 없었다.
R2' 및 R3'를 동시에 달성하기 위해, BTMS(100)는 다음과 같은 일 특성에 초점을 맞춰야 한다: EV들은 지속적으로 전력을 필요한 것이 아니라, 간헐적으로 전력을 필요로 한다. 예를 들어, 급속한 가속을 위해 필요한 높은 전력은 도 12에서 나타낸 바와 같이, 가장 많은 에너지를 소모한다. 이것은, 높은 전력 요구 기간 동안에만 셀들(20)을 가열하는 것으로 에너지 소모를 최대한 줄일 수 있기 때문에, BTMS(100)는 에너지 소모 감소를 위해 항상 셀들(20)을 가열할 필요가 없다는 것을 의미한다. 따라서, 전력 요구량에 기초하여 관리 기간을 분할하는 것은, 잠재적인 성능 향상의 큰 손실 없이, 에너지 소모를 크게 줄일 수 있다. 즉, BTMS(100)는 OPERATION을 다음과 같은 두 가지로 나눈다: WORK 및 REST, 이것은 배터리 셀(20)이 어느 인터벌에서 높은 전력을 제공해야 하고, 어느 인터벌에서 낮은 전력(또는 제로 전력)을 필요로 하는지에 대한, OPERATION에서의 시간 인터벌들의 세트를 각각 나타내며; 정의로서, OPERATION = WORK ∪ REST이다. 이들 가동 및/또는 휴지 상태에 기초하여, 가열 및/또는 냉각을 스케쥴링하는 것에 의해 R2' 및 R3'를 동시에 달성할 수 있도록 R2' 및 R3'를 수정함으로써, 가동 셀(20) 온도
Figure pct00103
를 최대화하고, 또한 누적 휴지 셀들(20)의 온도
Figure pct00104
를 최소화하며, 이것은 다음과 같이 쓰여질 수 있다.
R2.
Figure pct00105
WORK 최대화, 및
R3.
Figure pct00106
최소화.
또한, BTMS(100)는 이전의 분야에서 초점을 맞추고 있었던 문제점들을 고려해야 한다. 먼저, 하나의 거의 방전된 배터리 셀(20)만으로도 전체 배터리 팩 용량을 현저히 감소시킬 수 있기 때문에, 작동 시간 동안 셀들(20)의 SoC를 이퀄라이즈해야 한다(앞에서 설명한 바와 같음). 따라서, BTMS(100)는 다음의 사항을 실시한다
R4. 편차[SoC]를 최소화함.
비율-용량 효과에 의해, 높은 방전율은 배터리 모듈(10)의 비효율성을 야기한다. 과도하게 높은 방전율에 의한 비효율적인 에너지 손실을 줄이기 위해, BTMS(100)는 방전 전류 제한
Figure pct00107
을 설정하며, 여기서는 비율-용량 효과가 셀(20)의 용량에 크게 영향을 미치지 않게 되며, 가능하다면 다음과 같이, 셀들(20)이 허용 방전율 범위
Figure pct00108
내에서 작동하도록 한다.
R5. 가능하다면,
Figure pct00109
.
R1 내지 R5의 충족으로 인해 에너지 소모가 감소하게 되며, 셀들(20)을 불균형 SoC, 폭발 및 오작동으로부터 보호할 수 있게 된다. 셀들(20) 각각의 온도를 제어함으로써, R1 내지 R3을 직접 충족시킬 수 있고, 또한 방전율을 달라지게도 할 수 있으며, 이에 따라 R4 및 R5를 처리할 수 있다. 즉, P3 및 P4에 의해, BTMS(100)는 온도를 낮춤(높임)으로써 방전율을 감소(증가)시킬 수가 있다.
도 6a 및 도 6b는 BTMS(100)에 의해 구현될 수 있는 예시적 실시간 배터리 열 관리 방법(200)을 도시한 것이다. 204에서, 방법(200)은 다수의 배터리 셀들 중 소정 배터리 셀에 대하여 측정된 출력 전압 및 측정된 방전 전류를 수신한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 다수의 셀 센서들은 다수의 배터리 셀들의 배터리 셀들 각각의 배터리 셀 특성들을 측정한다. 추정 모듈(34)은 다수의 셀 센서들을 통해 다수의 배터리 셀들 각각과 관련된 다수의 측정값들을 수신한다. 예를 들어, 추정 모듈(34)은 소정 배터리 셀에 대해 측정된 출력 전압 및 소정 배터리 셀에 대해 측정된 방전 전류를 수신한다
206에서, 추정 모듈(34)은 소정 배터리 셀에 대해 측정된 셀 온도를 수신한다. 208에서, 추정 모듈(34)은 소정 배터리 셀에 대한, 충전 상태, 내부 저항 및 개방 회로 전압을 추정한다. 예를 들어, 추정 모듈(34)은 소정 배터리 셀에 대해 측정된 전압 및 소정 배터리 셀에 대해 측정된 방전 전류에 기초하여, 소정진 배터리 셀에 대한 충전 상태를 추정한다. 그 후에, 추정 모듈(34)은 소정 배터리 셀에 대해 측정된 전압 및 소정 배터리 셀에 대해 측정된 방전 전류에 기초하여, 소정 배터리 셀에 대한 내부 저항을 추정한다.
예를 들어, 추정 모듈(34)은 소정 배터리 셀에 대해 측정된 출력 전압을, 소정 배터리 셀에 대해 측정된 방전 전류로 나눈 값인 것으로, 소정 배터리 셀에 대한 내부 저항을 추정할 수 있다. 그 후에, 추정 모듈(34)은 소정 배터리 셀에 대해 측정된 출력 전압, 소정 배터리 셀에 대해 측정된 방전 전류, 및 소정 배터리 셀에 대해 추정된 내부 저항에 기초하여, 소정 배터리 셀에 대한 개방 회로 전압을 추정한다. 예를 들어, 추정 모듈(34)은 소정 배터리 셀에 대해 측정된 출력 전압에, 소정 배터리 셀에 대해 측정된 방전 전류와 소정 배터리 셀에 대해 추정된 내부 저항을 곱한 값을 더한 값인 것으로, 개방 회로 전압을 추정할 수 있다.
210에서, 방법(200)은 다수의 배터리 셀들과 관련된 전기 차량에 대한 차량 전력 요구량을 수신한다. 예를 들어, 전력 제어 모듈(38)은, 전술한 바와 같이, EV와 관련된 차량 전력 요구량을 수신한다. 212에서, 전력 제어 모듈(38)은 차량 전력 요구량에 기초하여, 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 결정한다. 예를 들어, 전력 제어 모듈(38)은 차량 전력 요구량을 상한 전력 임계값과 비교한다. 이 상한 전력 임계값은 미리 정해진 값일 수 있다. 몇몇 예들에서는, 상한 전력 임계값이 소정 배터리 셀의 충전율에 기초하여 선택된다. 비제한적 예로서, 충전율이 4v - 3Ah(암페어-시간)인 경우, 소정 배터리에 대한 전류 제한은 3A가 된다. 따라서, 전력 제한은 12W(즉, 4A*3A)가 된다. 전력 임계값은 임의의 적절한 방식으로 결정될 수 있으며 또한 임의의 적절한 값으로 될 수 있음이 이해된다.
차량 전력 요구량이 상한 전력 임계값보다 높은 것으로 전력 제어 모듈(38)이 결정한 경우, 전력 제어 모듈(38)은 소정 배터리 셀에 대한 목표 전압을, 측정된 전압 플러스 전압 오프셋(offset)(예를 들면, 0.1 볼트)으로 설정한다.
반대로, 차량 전력 요구량이 상한 전력 임계값 이하인 것으로 전력 제어 모듈(38)이 결정한 경우, 전력 제어 모듈(38)은 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을, 다수의 배터리 셀들에 의해 공급되는 하한 전압(
Figure pct00110
)으로 설정한다. 이 하한 전압은 배터리 팩과 관련된 임의의 적절한 값일 수 있다.
214에서, 방법(200)은 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류를 결정한다. 예를 들어, 전력 제어 모듈(38)은 비효율적인 에너지 소모를 감소시키기 위하여
Figure pct00111
를 초과하지 않도록 한다.
Figure pct00112
이 유지되는 것으로 가정하도록 한다(여기서
Figure pct00113
는 필요 전력이고, N은 병렬 연결된 셀들의 수이며,
Figure pct00114
는 총 출력 전압). 그러면, 각각의 셀이
Figure pct00115
로 방전되게 함으로써, 전력 제어 모듈(38)은 과도한 열 방출 없이 필요 전력을 공급할 수 있으며, 여기서
Figure pct00116
는 총 방전 전류이다. 전력 제어 모듈(38)은 전력 요구량 레벨이 만족될 경우의 충전 상태에 기초하여, 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류를 설정한다. 따라서, 전력 제어 모듈 (38)은
Figure pct00117
이 유지되는 경우에는 목표 방전 전류를
Figure pct00118
로 설정하고, 그렇지 않은 경우에는
Figure pct00119
로 설정하며, 이것은 다음과 같이 쓰여질 수 있다
Figure pct00120
220에서, 방법은 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항을 결정한다. 예를 들어, 전력 제어 모듈(38)은 소정 배터리 셀에 대해 추정된 개방 회로 전압과 목표 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압 사이의 차이값을 결정한다. 그 후에, 전력 제어 모듈(38)은 이 차이값을, 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류로 나눈다. 222에서, 방법(200)은 기초가 되는 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도를 결정한다. 전술한 바와 같이, 셀 온도 제어 모듈(42)은 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항에 기초하여, 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도를 결정한다.
224에서, 방법(200)은 소정 배터리 셀에 대한 목표 주위 온도를 결정한다. 예를 들어, 셀 온도 제어 모듈(42)은 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도, 소정 배터리 셀에 대해 측정된 셀 온도, 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항, 및 소정 배터리 셀에 대한 목표 반전 전류의 함수로서, 소정 배터리 셀에 대한 목표 주위 온도를 결정한다. 예를 들어, 셀 온도 제어 모듈(42)은 다음의 식에 기초하여, 소정 배터리 셀에 대한 주위 온도의 해를 구한다:
목표 Tcell = Tcell + Δt [ c1 ( Tcell - Tamb ) + c2 Rint Id 2]
비제한적인 예로서, 목표 Tcell = 30C, Tcell - 32C, Δt =1, Rint =1Ohm, Id = 1A, c1= -1 및 c2 = 1인 것으로 가정하면, Tamb = 29C가 된다.
226에서, 방법(200)은 소정 배터리 셀과 관련된 써멀 핀에 대한 목표 온도를 결정한다. 예를 들어, 셀 온도 제어 모듈(42)은 소정 배터리 셀에 대한 목표 주위 온도 및 목표 셀 온도에 기초하여, 써멀 핀에 대한 목표 온도를 결정한다. 셀 온도 제어 제어 모듈(42)은 소정 배터리 셀과 관련 써멀 핀 사이의 접촉 영역에 기초하여, 셀 온도에 미치는 써멀 핀들의 영향을 추정한다. 예를 들어, 써멀 핀은 소정 배터리 셀의 배터리 표면의 절반을 포함한다. 즉, 소정 배터리 셀의 셀 온도는 써멀 핀 온도 및 주위 온도에 의해 균등하게 영향을 받게 된다. 다수의 배터리 셀들의 각 배터리 셀은 다수의 써멀 핀 블록들과 다수의 표면적 블록들을 구비하고 있다. 즉, 다수의 배터리 셀들과 관련된 써멀 핀들은 다수의 핀 부분들 및 오목한 부분들을 포함한다. 이 핀 부분들은 배터리 셀 표면의 일부분을 덮으며, 오목한 부분들은 배터리 셀 표면의 일부분을 노출된 상태로 남긴다.
이러한 방법으로, 소정 배터리 셀 주위 온도 및 소정 배터리 셀과 관련된 써멀 핀 온도는, 소정 배터리 셀의 셀 온도에 영향을 미치게 된다. 따라서, 소정 배터리 셀과 관련된 써멀 핀 온도를 제어하는 것은, 소정 배터리 셀의 셀 온도에 영향을 미치게 된다. 셀 온도 제어 모듈(42)은 다음의 관계에 기초하여, 소정 셀과 관련된 써멀 핀에 대한 목표 온도를 결정한다:
Tamb = 1/n(Tfin을 포함하는 셀 주위 온도) = 1/n(비-써멀 핀 블록들의 수 * Tamb + 써멀 핀 블록들의 수 * Tfin)
여기서 Tamb는 위에서 결정된 목표 주위 온도이고, Tfin는 써멀 핀의 목표 온도이고, n은 다수의 배터리 셀들에서의 배터리 셀들의 수이고, 써멀 핀 블록들의 수는 써멀 핀의 핀 부분들의 수와 같으며, 비-써멀 핀 블록들의 수는 써멀 핀의 오목한 부분들의 수와 같음.
일 예에서, 써멀 핀 블록들의 수는 6개일 수 있고, 비-써멀 핀 블록들의 수는 12개일 수 있으며, 다수의 배터리 셀들의 배터리 셀들 총수는 18개일 수 있다. 상기 값들은 단지 예시적 목적을 위한 것이며, 임의의 적절한 값이될 수도 있음이 이해된다. 상기 예에 대해 계속 설명하면, 여기서 Tamb = 29C = 1/18(35 * 12 + Tfin * 6)이다. 이 목표값에 대한 해는 Tfin = 17C이다.
228에서, 방법(200)은 소정 배터리 셀과 관련된 써멀 핀의 측정 온도를 수신한다. 예를 들어, 셀 온도 제어 모듈(42)은 소정 셀과 관련된 다수의 셀 센서들 중 하나로부터 써멀 핀에 대해 측정된 온도를 수신한다. 234에서, 셀 온도 제어 모듈(42)은 써멀 핀에 대한 목표 온도가 써멀 핀의 측정 온도보다 높은지 여부를 결정한다. 써멀 핀에 대한 목표 온도가 써멀 핀의 측정 온도보다 높은 것으로 셀 온도 제어 모듈(42)이 결정한 경우, 셀 온도 제어 모듈(42)은 쿨런트 제어기(40)에게 지시하여 가열된 쿨런트를 소정 배터리 셀과 관련된 써멀 핀으로 보내도록 한다. 이러한 방법으로, 셀 온도 제어 모듈(42)은 소정 배터리 셀의 온도를 증가시킨다.
반대로, 써멀 핀의 목표 온도가 써멀 핀의 측정 온도 미만인 것으로 셀 온도 제어 모듈(42)가 결정한 경우, 셀 온도 제어 모듈(42)은 쿨런트 제어기(40)에게 지시하여, 차가운 쿨런트를 소정 배터리 셀과 관련된 써멀 핀으로 보내도록 한다. 이러한 방법으로, 셀 온도 제어 모듈(42)은 소정 배터리 셀의 온도를 감소시킨다.
240에서, 방법(200)은 소정 배터리 셀의 현재 온도를 측정한다. 예를 들어, 소정 배터리 셀과 관련된 셀 센서는 소정 셀의 현재 온도를 측정한다. 셀 온도 제어 모듈(42)은 소정 셀의 측정 온도를 수신한다. 244에서 셀 온도 제어 모듈(42)은 소정 배터리 셀의 측정 온도가 온도 임계값보다 큰지 여부를 결정한다. 소정 배터리 셀의 측정 온도가 온도 임계값보다 큰 것으로 셀 온도 제어 모듈(42)이 결정한 경우, 셀 온도 제어 모듈(42)은 쿨런트 제어기(40)에게 지시하여, 차가운 쿨런트를 소정 셀과 관련된 써멀 핀으로 보내도록 하며, 이에 따라, 소정 배터리 셀의 온도를 감소시킨다.
방법(200)은 소정 배터리 셀의 측정 온도가 온도 임계값 미만인 것으로 셀 온도 제어 모듈(42)이 결정한 경우에 종료된다. 소정 배터리 셀에 대해서만 설명되었지만, 방법(200), 및 본 발명의 원리들은 다수의 배터리 셀들 각각에 적용되는 것으로 이해된다. 도 6a 내지 도 6b에 대하여 개시된 원리들은 전기 차량과 관련된 모든 배터리 모듈들에 적용되는 것으로 이해된다.
이러한 방식으로, BTMS(100)는 R1 내지 R5를 충족시킨다. BTMS(100)의 기본 원리는 셀들(20)을 가열(냉각)하여 고-방전되는(휴지 또는 저-방전되는) 것이다. 각각의 셀들(20)의 SoC 및 필요 전력에 기초하여, BTMS(100)는 각각의 셀(20))에 대한 쿨런트의 타입을 결정함으로써, 그 원리를 실현하고 이 목적을 달성한다.
BTMS(100)에 의해 구현되는 특정한 예시적 실시예가 아래의 알고리즘에 기재되어 있다.
알고리즘 1 작동 시작 이후의 열 관리를 위한 알고리즘
1: for Each module do
2: measure V o
3: for Each cell X (the n-th cell) in the module do
4: measure I d [n] and T cell [n];
5: estimate SoC[n], V oc [n] and R int [n];
6: end for
7: if High power is required then
8: increase V o ;
9: else
10: decrease V o ;
11: end if
12: for Each cell X (the n-th cell) in the module do
13: choose efficient I d [n];
14: choose R int [n] from Eq. (1);
15. choose T cell [n] from Eq. (3);
16: choose T fin [n] from Eq. (6) and thermal distribution in a pack;
17: if T fin [n] ≥ previous T fin [n] then
18: HeatingSet HeatingSet U {X}
19: else
20: CoolingSet CoolingSet U {X};
21: end if
22: if T cell [n] ≥ T up then
23: CoolingSet CoolingSet U {X};
24. HeatingSet HeatingSet \ {X}
25: end if
26: end for
27: end for
BTMS(100)는 팩 내에 있는 배터리 셀(20)들의 모든 상태들을 업데이트하여 다음 단계들을 지원한다. BTMS(100)는 센서들(28)을 통하여 각각의 셀들(20)의 출력 전압 및 전류를 직접 측정하고, 그 측정된 값들에 기초하여, 셀들(20)의 SoC,
Figure pct00121
및
Figure pct00122
를 추정한다.
BTMS(100)는 목표 출력 전압을 설정한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 전력 제어 모듈(38)은 전력 요구량들에 기초하여, 목표 출력 전압
Figure pct00123
을 조절한다. 다음 단계들에서는 배터리 셀들(20)을 가열하여 내부 저항을 감소시킴으로써 목표 출력 전압을 공급하기 때문에,
Figure pct00124
를 증가시키는 것이 차량 전력 공급에 도움이 된다. 유감스럽게도, 전력 요구량이 갑자기 변할 수도 있어서(예를 들어, 차량의 갑작스런 가속 또는 감속에 의해), 열적 제어에 시간이 걸린다. 따라서, BTMS(100)는 후속 단계들에서의 효과적인 관리를 위해 주행 경로를 분할하기 이전에 운전 패턴을 분석함으로써 전력 요구량을 예측한다.
그 후에, BTM(100)은 목표 방전 전류를 계산한다. 예를 들어, 전력 제어 모듈(38)은 적은 열 방출 및 SoC 밸런싱(balancing)을 위한 셀들(20)의 효율적인 방전 전류
Figure pct00125
를 계산한다. R5에서 논의된 바와 같이, 전력 제어 모듈(38)은 비효율적인 에너지 소모를 감소시키기 위해, 셀들(20) 각각의 방전율을
Figure pct00126
보다 높지 않게 설정한다.
Figure pct00127
이 유지되는 것으로 가정하도록 하며, 여기서
Figure pct00128
는 필요 전력이고, N은 병렬 연결된 셀들의 수이며,
Figure pct00129
는 총 출력 전압이다. 그 후에, 각각의 셀이
Figure pct00130
로 방전되게 함으로써, 전력 제어 모듈(38)은 과도한 열 방출 없이 필요 전력을 공급할 수 있다(여기서
Figure pct00131
는 총 방전 전류). R4를 충족시키기 위해, 전력 제거 모듈(38)은 전력 요구량
Figure pct00132
레벨이 만족될 경우의 SoC에 기초하여,
Figure pct00133
를 설정하며; 더 높은 SoC를 가진 셀들(20)은 더 많이 작동되어야 한다. 따라서, 전력 제어 모듈(38)은
Figure pct00134
이 유지되는 경우에는, 방전 전류
Figure pct00135
를
Figure pct00136
로 설정하고, 그렇지 않은 경우에는
Figure pct00137
로 설정하며, 이것은 다음과 같이 쓰여진다
Figure pct00138
BTMS(100)는 써멀 핀들(24) 각각에 대해 필요한 온도를 계산한다.
Figure pct00139
및
Figure pct00140
를 설정한 이후에, 셀(20) 온도 제어 모듈(42)은 수학식 (1) 및 (3)으로부터 필요한
Figure pct00141
및
Figure pct00142
를 다음과 같이 계산할 수 있다:
Figure pct00143
한편, 수학식 (6)은 바람직한 주위 온도
Figure pct00144
를 계산해 낸다.
셀(20) 온도는 써멀 핀들(24)의 온도를 비롯한 주위 온도에 의존하며, 셀 온도 제어 모듈(38)은, 도 13에서 나타낸 바와 같이, 배터리 모듈(10)의 온도 분포를 업데이트함으로써 주위 온도를 추정할 수 있다. 온도 분포는 기본적인 열 전달 방정식(8) 및 배터리 모듈(10)의 센서들(28)에 의해 측정되는 온도로 계산될 수 있음에 유의한다. 이 온도 분포에 기초하여, 셀 온도 제어 모듈(38)은 목표 주위 온도를 달성하는 써멀 핀들(24) 각각의 온도를 결정할 수 있다.
BTMS(100)는 현재 및 필요로 하는 써멀 핀(24) 온도들에 기초하여, 써멀 핀들(24)에 대한 쿨런트 타입 및 셀들(20)에 대한 쿨런트 타입(가열 또는 냉각)을 결정한다. 셀 온도 제어 모듈(42)은 어떠한 셀들(20)이 상한값보다 높은 현재 온도를 가지고 있는지를 결정하고, 그것들을 히팅세트(HeatingSet)로부터 제거함으로써 열적 안정성을 유지한다.
전술한 바와 같이,
Figure pct00145
의 계산 방식은 R4 및 R5를 처리한다. 그 후에, 셀들(20)은, 높은 전력을 필요로 할 경우(그렇지 않을 경우), 가열(냉각)되기 때문에, 모든 단계들이 R2 및 R3를 충족시키게 된다.
기존의 열적 구조가 시기 적절한 방식으로 배터리 셀들(20)의 온도를 조절할 수 있기 때문에, R1 내지 R3은 기존의 열적 구조에 의해 충족될 수가 있다. R4 및 R5를 만족시키기 위해, 도 14에 나타내는 바와 같이, BTMS(100)는 선택적으로 각각의 셀(20)을 냉각 및/또는 가열시킬 수 있는 쿨런트 구조를 조절한다. 이 쿨런트 구조는 기존의 쿨런트 구조와 크게 다르지 않다. 기존의 BMS들에 이미 가열 능력 및/또는 냉각 능력이 갖춰져 있지만, 본 쿨런트 구조는 도 14에서 나타낸 바와 같이, 가열 채널 및/또는 냉각 채널과 각각의 셀(20)에 대한 써멀 핀들(24) 사이에 더욱 많은 쿨런트 플로우 밸브들을 추가한다. 각각의 쿨런트 제어 밸브들은 셀들에 대한 쿨런트 타입(가열 또는 냉각)을 선택할 수 있어야 한다.
도 15를 참조하면, 배터리 테스트 시뮬레이션의 개요가 일반적으로 나타나 있다. Dualfoil5는 Fortran으로 쓰여진 대중적인 배터리 시뮬레이터이며, 리튬 금속, 리튬 이온 및 나트륨 이온 배터리들을 포함하는 다양한 타입의 배터리들을 시뮬레이션할 수 있다. 이 프로그램은 일련의 일정한 전류 단계들로서 부하 프로파일을 판독하며, 셀 전위가 컷오프 전압 이하로 떨어지는 시간을 판독한 출력으로부터 배터리 수명이 얻어지게 된다. 이 프로그램에서 사용되는 수학식들과 방법들은 Marc Doyle 등에 의해 개발된 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전을 설명하는 전기 모델에 따른다.
실제적인 전력 요구량을 얻기 위해, 미국 운전 패턴들, 일간 운전 패턴 모델 및 CarSim이 이용된다. CarSim은 공지되어 있으며, 일반적으로 사용되는 차량 모델링 툴로서, 특정 운전 상황하에서의 차량들의 동적 움직임을 시뮬레이션하고, 운전 중에 필요한 전력을 계산해 낸다.
먼저, 일련의 미국 실제 운전 패턴들을 포함하는 일간 운전 패턴 모델이 일간 운전 패턴들을 산출해 낸다. 그 후에, 이러한 일간 운전 패턴들이 CarSim에 공급됨으로써 전력 요구량을 생성해 낸다. 도 16은 이러한 과정에 의해 생성되는 속도 및 전력 요구량 프로파일들의 세트를 나타낸다.
다음의 세 가지 열 관리 방식들을 평가한다
1) BASE: 열 관리 없음;
2) EX: 전술한 기존의 접근방식들(열적 안정성만을 위한 팩-레벨 냉각/가열); 및
3) MSC: 전술한 본 발명의 열 관리(효율적인 BMS들을 위한 능동적 셀-레벨 냉각/가열).
이 평가들에 있어서, 본 시뮬레이션은, 상기 세 가지 방식들을 포함하는 배터리 시스템의 움직임을 시뮬레이션하기 이전에, 실제적인 운전 및 외부 온도 프로파일들을 발생시켰다. 그 후에, 전술한 세 가지 메트릭스가 시뮬레이션 결과로부터 추출되었다.
시뮬레이션 및 추출된 작동 시간들이 다양한 스트레스 조건하에서 각각의 방식에 대해 실행되었다. 그 후에, 각 방식의 전반적인 성능을 나타내기 위해 평균 작동 시간들이 계산되었다. 표 1은 BASE의 평균 작동 시간에 대한, MSC(및 EX)의 평균 작동 시간의 비율을 나타낸 것이다. 표 1에 나타낸 바와 같이, MSC는 BASE 및 EX보다 작동 시간을 최대 204% 및 58.4%까지 향상시켰다. 또한, MSC는 도 17에 나타낸 바와 같이, 폭발이나 오작동을 방지하기 위해 모든 배터리들을 허용 가능 온도 범위 내로 유지시킨다. 일부 배터리들은 BASE 하에서 매우 차가운 온도에서 작동하여, 잠재적으로 배터리 팩의 오작동 또는 비효율적 사용으로 이어질 수 있지만, MSC 및 EX 하에서는, 팩의 모든 셀들이 허용 온도 범위 내에서 작동한다.
Figure pct00146
표 1로부터, MSC의 AC에서의 개선이 AA 및 PH에서보다 더 현저한 것이 관측될 수 있으며, 그 이유는 더 추운 지역에서는 성능 개선의 여지가 더 많기 때문이다(이에 대해서는 아래에서 상세히 설명될 것이다). 표 1에서 나타낸 바와 같이, MSC는 이러한 개선의 여지를 효율적으로 이용한다. MSC의 개선에 대한 더욱 상세한 분석을 위해, 에너지 소모 및 성능 열화에 대해 이하와 같이 검토될 수 있다.
BTMS(100)는 에너지 소모를 감소시키는 몇 가지 방법들을 포함한다. BTMS(100)는 실제로 작동 시간의 연장에 기여하게 되는데, 그 이유는 에너지 소모의 감소로 셀들(20)에서의 이용 가능한 에너지가 증가되기 때문이며, 결국 이것은 작동 시간을 연장시키게 된다.
차량이 AC, AA 및 PH에서 작동할 경우의 세 가지 열 관리 방식들의 에너지 소모를 비교하는, 표 2는 운전자들이 1년 동안 매일 똑같은 운전 패턴을 반복하면서 자신의 차량을 작동할 경우의 에너지 소모를 나타낸다. 도 18은 각 관리 방식의 예시적 에너지 소모를 나타낸다. BASE와 비교했을 때, MSC는 AC에서 70.6%, AA에서 63.8%, PH에서 48.4%만큼의 에너지 소모를 감소시킨다. MSC가 EX보다 최대 58.6%만큼 더 에너지 소모를 감소시킬 수 있다는 점에서 MSC는 EX보다 훨씬 더 양호하다. 이러한 에너지 소모 감소로 인하여 MSC 하에서의 작동 시간이 연장된다.
Figure pct00147
MSC(또는 EX)의 에너지 소모와 BASE의 에너지 소모 간의 차이가 AC에서 매우 크다는 것은 유의해서 생각해 볼 점이다. 이것은 다음과 같이 추론될 수 있다. 더운 지역에서는, 높은 온도로 인하여 배터리 내의 화학반응 속도가 증가하기 때문에, 심지어 어떠한 열 관리가 없어도(즉, BASE), 효율성이 높아지게 된다(또는 에너지 소모가 작아지게 됨). 따라서, 겨울에 온도가 매우 낮은 AC에서는, MSC 및 EX가 셀들을 가열함으로써 효율적인 작동 온도를 얻게 되며; 도 17로부터, EX 및 MSC는 배터리 셀들에 대한 허용 온도 범위를 산출한다는 것을 관측할 수 있다. 이것은 에너지 소모를 감소시킨다.
MSC는 EX보다 상당히 많이 에너지 소모를 감소시키며, 그 이유는 MSC는 적절한 시점에서 셀들(20)을 냉각 및/또는 가열하여 에너지 소모를 감소시킬 뿐만 아니라, SoC 이퀄라이제이션(equalization)을 위해 셀들(20)을 선택적으로 냉각 및/또는 가열시키기 때문이다. 따라서, 각각의 셀(20)은 MSC 하에서, 셀들(20) 간의 온도 차이를 감소시킴으로써 더욱 효율적으로 작동한다. 이 에너지 소모의 감소는 작동 시간을 개선시키는 주된 이유 중의 하나이다.
배터리 성능 열화의 정도는 고온에 대한 누적 노출에 의존한다. 성능 열화를 평가하기 위해, 셀들(20) 각각이 열화 레벨(degration level)들과 비교되며, 이것은 1년 동안 AC, AA 및 PH의 각각의 열 관리 방식에 따른 상대 저항 및 내부 저항의 절대값으로 표현된다.
도 19a 및 도 19b는 상대 저항 및 내부 저항의 절대값을 나타내는 도면이다. 도 19a에 나타낸 바와 같이, MSC는 다른 방식들보다 약간 더 빠르게 열화되며, 그 이유는 MSC가 각각의 셀(20)을 능동적으로 냉각 및/또는 가열시키기 때문이다. 그러나, 이러한 능동 제어는 내부 저항의 절대값을 감소시키게 되며; 도 19b에 나타낸 바와 같이, MSC 하에서 1년 사용 후의 내부 저항은 다른 방식들에 따른 내부 저항보다 작다. 이것은, 더 높은 상대 저항에도 불구하고, MSC가 1년까지는 계속하여 더욱 효율적이라는 것을 나타낸다. 이러한 결과들은 앞서 논의한 작동 시간의 증가를 입증하며, 즉, MSC는 배터리 팩의 사용에 있어서 효과적이다.
BTMS(100)는 시장에 나와 있는 현재의 차량들의 엔진들 및 배터리들의 냉각 및 가열을 위한 기존의 열 관리 시스템에 기초하여 구성된다. BTM(100)을 구현하기 위해서는, 몇몇 하드웨어가 각 배터리 모듈(10)에 설치되어야 한다. 다른 BMS들과 마찬가지로, 셀들(20)의 출력 전압 및 방전 전류의 측정은 센서들(28)을 필요로 한다. 또한, 추가적인 제어 플로우 밸브들이 셀-레벨 온도 제어에 필요하며; 이들의 성능은 배터리 관리의 효율성에 직접적인 영향을 주기 때문에 반드시 고려되어야만 한다.
EV들이 더 저렴하고 안전하게 될 수 있도록 하는 요구의 증가를 해결하기 위해, BMS들은 그것의 효율성 및 신뢰성에 영향을 미치는 열적 문제점 및 일반적인 문제점들에 대처해야 한다. 열 관리가 이러한 문제점들을 해결하는데 있어 핵심이 되며, 그 이유는 BMS들의 전기적 상태들에는 온도가 큰 영향을 미치기 때문이다. 본 발명은 열적 제어들을 이용하여 효율적이고 신뢰성 있는 BMS들을 실현하는 방법에 대하여 제시하였다. BTMS(100)는 배터리 셀들(20)의 전기적 상태에 대한 온도 변화와 전력 요구량들의 영향 분석에 기초하여, 배터리 셀들(20)을 적절한 시점에 선택적으로 냉각 및/또는 가열시킨다. 이러한 방식을 지원하기 위해, 본 발명은 또한 배터리 셀들(20)을 선택적으로 냉각 및/또는 가열시킬 수 있는 열 관리 구조를 제안한다.
본 명세서에서 설명된 기술들은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 비-일시적 유형의 컴퓨터 판독가능 매체에 저장되는 프로세서-실행가능 명령들을 포함한다. 또한, 컴퓨터 프로그램은 저장된 데이터를 포함할 수도 있다. 비-일시적 유형의 컴퓨터 판독가능 매체의 비-제한적인 예는 비휘발성 메모리, 자기 스토리지, 및 광학 스토리지이다.
상술한 설명의 일부는 정보 연산의 알고리즘 및 기호 표현의 관점에서 본 명세서에 설명한 기술을 제공한다. 이들 알고리즘 설명 및 표현은 가장 효과적으로 다른 당업자에게 작업의 실체를 전달하기 위해 데이터 처리 분야의 당업자에 의해 사용되는 수단이다. 이들 연산이, 기능적 또는 논리적으로 설명되었지만, 이들은 컴퓨터 프로그램에 의해 구현될 것으로 이해된다. 또한, 일반성의 상실 없이, 이러한 모듈로서 또는 기능적 명칭에 의하여 동작들의 배치를 나타내는 것이 경우에 따라 편리하다는 것은 입증되었다.
상기 설명으로부터 명백한 바와 다르게 구체적으로 언급되지 않는다면, 설명 전반에 걸쳐, "처리" 또는 "컴퓨팅" 또는 "계산" 또는 "결정" 또는 "표시" 등과 같은 용어를 이용한 설명들은, 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 또는 다른 그러한 정보 스트로지, 송신 또는 디스플레이 장치들 내의 물리적(전자적) 양들로서 표현되는 데이터를 조작 및 변환하는, 컴퓨터 시스템, 또는 이와 유사한 전자적 컴퓨팅 장치의 동작 및 프로세스를 지칭하는 것으로 이해된다.
설명된 기술의 특정 양태는 알고리즘 형태로 본 명세서에서 설명된 프로세스 단계들 및 명령들을 포함한다. 전술한 프로세스 단계들 및 명령들은 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 소프트웨어에서 구현되는 경우에는, 다운로드되어 상주할 수도 있고 또한 실시간 네트워크 운영 시스템에 의해 사용되는 다른 플랫폼으로부터 동작될 수도 있음에 유의해야 한다.
또한, 본 발명은 본 명세서에서의 동작들을 수행하는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 필요한 목적을 위해 특별히 구성될 수 있으며, 또는 선택적으로 활성화되거나 또는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 재구성되는 범용 컴퓨터를 포함할 수도 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 유형의 컴퓨터 판독가능 저장 매체, 예를 들어, 플로피 디스크, 광 디스크, CD-ROM, 자기-광 디스크를 포함하는 임의의 타입의 디스크, ROM(read-only memory), RAM(random access memory), EPROM, EEPROM, 자기 또는 광 카드, ASIC(application specific integrated circuit) 또는 그 각각이 컴퓨터 시스템 버스에 커플링되는 전자 명령들을 저장하는데 적합한 임의 타입의 매체에 저장될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 언급되는 컴퓨터는 단일 프로세서를 포함할 수 있으며 또는 컴퓨팅 기능 증대를 위해 다중 프로세서 설계를 채용한 아키텍쳐일 수도 있다.
본 명세서에서 제시된 알고리즘 및 연산은 본질적으로 임의의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치에 관한 것이 아니다. 다양한 전자 제어 유닛이 본 명세서의 교시에 따른 프로그램과 함께 사용될 수 있으며, 또는 요구된 방법 단계들을 수행하기 위해 보다 전문화된 장치를 구성하는 것이 편리하다는 것은 증명될 수 있다. 이러한 다양한 시스템에 필요한 구조는 상응하는 변화와 함께 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 본 발명은 임의의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지 않는다. 다양한 프로그래밍 언어가 본 명세서에서 설명된 본 발명의 교시를 구현하는데 사용될 수도 있다.
실시예들에 대한 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이것은 본 발명을 한정 또는 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 특정 실시예의 개별 요소들 또는 특징들은 일반적으로 특정 실시예로 제한되지 않으며, 구체적으로 도시 또는 설명되지 않은 경우라도, 적용가능한 경우에는, 그것들이 상호교환될 수 있고, 선택된 실시예에서 사용될 수도 있다. 또한, 동일한 것이 다른 방식으로 변경될 수도 있다. 이러한 변형은 본 발명으로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않으며, 이러한 모든 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 전기 차량의 복수의 배터리 셀들을 위한 실시간 열 관리 방법으로서,
    소정 배터리 셀의 측정 출력 전압 및 상기 소정 배터리 셀의 측정 방전 전류에 기초하여, 상기 복수의 배터리 셀들의 상기 소정 배터리 셀에 대한 내부 저항을 추정하는 단계;
    상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 개방-회로 전압을 추정하는 단계;
    상기 전기 차량과 관련된 차량 전력 요구량에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 결정하는 단계;
    상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 충전 상태, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류, 및 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 추정된 충전 상태의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류를 결정하는 단계;
    상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 개방-회로 전압, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항을 결정하는 단계;
    상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도를 결정하는 단계; 및
    상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 온도에 기초하여, 쿨런트(coolant)의 흐름을 상기 소정 배터리 셀 근처로 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정 배터리 셀에 대한 측정 전압 플러스(plus) 상기 소정 배터리 셀에 대한 측정 방전 전류와 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 내부 저항의 곱(product)에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 개방-회로 전압을 추정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들의 총 배터리 셀들의 개수와 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 출력 전압의 곱으로 나누어진 차량 전력 요구량이, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 미리 정해진 방전 전류율 제한값보다 작은지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들의 총 배터리 셀들의 개수와 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 출력 전압의 곱으로 나누어진 차량 전력 요구량이, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 미리 정해진 방전 전류율 제한값보다 작다는 결정에 대한 응답으로, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류는, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류와, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 충전 상태 및 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 추정된 충전 상태의 비율의 곱인 것으로 설정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들의 총 배터리 셀들의 개수와 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 출력 전압의 곱으로 나누어진 차량 전력 요구량이, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 미리 정해진 방전 전류율 제한값보다 작지 않다는 결정에 대한 응답으로, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류는, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류를 상기 총 배터리 셀들의 개수로 나눈 것인 것으로 설정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정 배터리 셀의 측정 셀 온도, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀과 관련된 목표 주위 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 소정 배터리 셀의 측정 셀 온도, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 주위 온도의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀과 관련된 써멀 핀(thermal fin)에 대한 목표 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 써멀 핀에 대한 목표 온도를 상기 써멀 핀의 측정 온도와 비교하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 써멀 핀에 대한 목표 온도가 상기 써멀 핀의 측정 온도보다 낮다는 결정에 대한 응답으로, 차가운 쿨런트의 흐름을 상기 소정 배터리 셀 근처로 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 써멀 핀에 대한 목표 온도가 상기 써멀 핀의 측정 온도보다 높다는 결정에 대한 응답으로, 가열된 쿨런트의 흐름을 상기 소정 배터리 셀 근처로 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 전기 차량의 복수의 배터리 셀들을 위한 실시간 열 관리 시스템으로서,
    쿨런트를 상기 복수의 배터리 셀들 각각의 근처로 전달하는 쿨런트 제어기;
    추정 모듈;
    전력 제어 모듈; 및
    셀 온도 제어 모듈을 포함하고,
    상기 쿨런트 제어기는,
    소정 배터리 셀의 측정 출력 전압 및 상기 소정 배터리 셀의 측정 방전 전류에 기초하여, 상기 복수의 배터리 셀들의 상기 소정 배터리 셀에 대한 내부 저항을 추정하고; 또한
    상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 개방-회로 전압을 추정하며,
    전력 제어 모듈은,
    상기 전기 차량과 관련된 차량 전력 요구량에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 결정하고;
    상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 충전 상태, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류, 및 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 추정된 충전 상태의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류를 결정하고; 또한
    상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 개방-회로 전압, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항을 결정하며,
    상기 셀 온도 제어 모듈은, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항에 기초하여 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도를 결정하고, 또한 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 온도에 기초하여 쿨런트의 흐름을 상기 소정 배터리 셀의 근처로 전달하도록 상기 쿨런트 제어기에게 선택적으로 지시하는 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 추정 모듈은 상기 소정 배터리 셀에 대한 측정 전압 플러스 상기 소정 배터리 셀에 대한 측정 방전 전류와 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 내부 저항의 곱에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 개방-회로 전압을 추정하는 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 전력 제어 모듈은 상기 복수의 배터리 셀들의 총 배터리 셀들의 개수와 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 출력 전압의 곱으로 나누어진 차량 전력 요구량이, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 미리 정해진 방전 전류율 제한값보다 작은지 여부를 결정하는 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전력 제어 모듈은 상기 복수의 배터리 셀들의 총 배터리 셀들의 개수와 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 출력 전압의 곱으로 나누어진 차량 전력 요구량이, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 미리 정해진 방전 전류율 제한값보다 작다는 결정에 대한 응답으로, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류는, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류와, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 충전 상태 및 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 추정된 충전 상태의 비율의 곱인 것으로 설정하는 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 전력 제어 모듈은 상기 복수의 배터리 셀들의 총 배터리 셀들의 개수와 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 출력 전압의 곱으로 나누어진 차량 전력 요구량이, 상기 소정 배터리 셀에 대하여 미리 정해진 방전 전류율 제한값보다 작지 않다는 결정에 대한 응답으로, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류는, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류를 상기 총 배터리 셀들의 개수로 나눈 것인 것으로 설정하는 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 셀 온도 제어 모듈은 상기 소정 배터리 셀의 측정 셀 온도, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀과 관련된 목표 주위 온도를 결정하는 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 셀 온도 제어 모듈은
    상기 소정 배터리 셀의 측정 셀 온도, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 주위 온도의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀과 관련된 써멀 핀에 대한 목표 온도를 결정하는 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 셀 온도 제어 모듈은 상기 써멀 핀에 대한 목표 온도를 상기 써멀 핀의 측정 온도와 비교하는 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 셀 온도 제어 모듈은, 상기 써멀 핀에 대한 목표 온도가 상기 써멀 핀의 측정 온도보다 낮다는 결정에 대한 응답으로, 차가운 쿨런트의 흐름을 상기 소정 배터리 셀 근처로 전달하도록 상기 쿨런트 제어기에게 지시하는 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 셀 온도 제어 모듈은, 상기 써멀 핀에 대한 목표 온도가 상기 써멀 핀의 측정 온도보다 높다는 결정에 대한 응답으로, 가열된 쿨런트의 흐름을 상기 소정 배터리 셀 근처로 전달하도록 상기 쿨런트 제어기에게 지시하는 시스템.
  21. 전기 차량의 복수의 배터리 셀들을 위한 실시간 열 관리 방법으로서,
    복수의 셀 센서들을 통하여, 상기 복수의 배터리 셀들의 소정 배터리 셀에 대한 측정 출력 전압을 수신하는 단계;
    상기 복수의 셀 센서들을 통하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 측정 방전 전류를 수신하는 단계;
    상기 복수의 셀 센서들을 통하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 측정 셀 온도를 수신하는 단계;
    상기 측정 출력 전압 및 상기 측정 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 충전 상태를 추정하는 단계;
    상기 측정 출력 전압 및 상기 측정 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 내부 저항을 추정하는 단계;
    상기 측정 출력 전압, 상기 측정 방전 전류, 및 상기 추정된 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 개방-회로 전압을 추정하는 단계;
    상기 전기 차량에 대한 차량 전력 요구량을 수신하는 단계;
    상기 차량 요구량에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압을 결정하는 단계;
    상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 충전 상태, 상기 복수의 배터리 셀들에 대하여 총 측정된 방전 전류, 및 상기 복수의 배터리 셀들에 대한 총 충전 상태의 함수로서, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류를 결정하는 단계;
    상기 소정 배터리 셀에 대하여 추정된 개방-회로 전압, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 출력 전압, 및 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 방전 전류에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항을 결정하는 단계;
    상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 내부 저항에 기초하여, 상기 소정 배터리 셀에 대한 목표 셀 온도를 결정하는 단계;
    상기 소정 배터리 셀에 대한, 상기 목표 셀 온도와 상기 측정 셀 온도를 비교하는 단계; 및
    상기 목표 셀 온도와 상기 측정 셀 온도 간의 비교에 따라, 쿨런트의 흐름을 상기 소정 배터리 셀 근처로 제어하는 단계를 포함하는 방법.
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