KR20170056301A - 이차 전지의 출력 파라미터를 조정하는 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템과 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 시스템은, 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 결정하고, 상기 전류를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하고, 이차 전지의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이하로 떨어지면 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값과 출력 유지 시간으로부터 산출된 감쇄 목표 전류 값을 결정하고, 상기 감쇄 목표 전류 값 및 이로부터 결정되는 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 이차 전지로부터 전력을 공급 받는 부하 장치의 제어 시스템으로 제공한다.

Description

이차 전지의 출력 파라미터를 조정하는 시스템 및 그 방법 {System of Adjusting Power Parameter of Secondary Battery and Method thereof}
본 발명은 이차 전지의 전압이 빠르게 변화하는 전압 구간에서 안정적으로 이차 전지의 출력 파라미터를 조정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 반복적인 충전과 방전이 가능하므로 다양한 분야에서 전력 소스로 사용된다.
이차 전지는, 휴대 전화, 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 태블릿 컴퓨터, 전동 공구 등과 같이 사람의 손에 휴대할 수 있는 장치에 사용된다.
또한, 이차 전지는, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치에 사용된다.
또한, 이차 전지는, 신재생 에너지를 통해 발전된 전력이나 잉여 발전 전력을 저장하는데 사용되는 전력 저장 장치 또는 서버 컴퓨터와 통신용 기지국을 비롯한 각종 정보 통신 장치에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 무정전 전원 공급 장치(UPS; Uninterruptible Power System) 등에 이르기까지 사용 영역이 점차 확대되고 있다.
이차 전지는 인버터와 같은 전력 변환 디바이스를 통해 부하 장치에 연결된다. 부하 장치는 상기에서 언급된 이차 전지에 저장된 전력을 사용하는 임의의 장치를 의미한다.
부하 장치는 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 통신을 통해 BMS 시스템으로부터 이차 전지에 대한 출력 파라미터를 제공 받는다.
출력 파라미터는 이차 전지의 방전 성능 또는 충전 성능을 나타내는 지표이고, 이차 전지의 충전 상태와 온도에 따라 갱신된다. 출력 파라미터는 이차 전지가 방전 또는 충전될 때 이차 전지를 통해 흐를 수 있는 최대 전류 값 또는 이로부터 계산되는 하용 출력 값(Power)이다.
제어 시스템은 BMS 시스템으로부터 출력 파라미터를 제공받으면, 출력 파라미터의 범위 내에서 이차 전지의 충전과 방전을 제어한다. 즉, 제어 시스템은 전력 변환 디바이스를 제어함으로써 이차 전지의 출력을 허용 출력 값 이하로 통제하거나 충전 또는 방전 전류의 크기를 최대 전류 값 이하로 통제한다.
한편, 이차 전지의 전압은 방전 하한 전압 또는 충전 상한 전압에 가까워지면 빠르게 변화한다.
도 1은 36Ah의 용량을 가진 리튬 이차 전지의 충전 상태가 20%일 때 360A의 정전류로 방전이 이루어질 때의 전압 변화 개형을 보여준다.
도시된 것과 같이, 이차 전지의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 가까워지면(점 A 참조) 전압의 감소 속도가 갑자가 빨라진다. 이는 이차 전지의 충전 상황에서도 마찬가지이다. 즉, 이차 전지가 360A로 정전류 충전될 경우 전압이 충전 상한 전압에 가까워지면 전압의 증가 속도가 갑자기 빨라진다.
따라서, 이차 전지의 전압 변화가 빨라지기 시작하면 BMS 시스템은 제어 시스템으로 제공하는 출력 파라미터를 감쇄시킬 필요가 있다. 그래야만 방전 후반부 또는 충전 후반부에서 이차 전지가 동작 전압 범위를 벗어나는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 이차 전지의 전압이 동작 전압 범위의 한계 값과 근접했을 때 적절한 시점에 출력 파라미터를 조정할 수 있는 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템은, 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하는 전압 측정부, 전류 측정부 및 온도 측정부; 상기 전압 측정부; 전류 측정부 및 온도 측정부와 전기적으로 커플링된 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 이차 전지가 방전되는 동안, 상기 전압 측정부, 전류 측정부 및 온도 측정부로부터 측정 결과를 입력 받아 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 결정하고; 상기 전류를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하고; 이차 전지의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이하로 떨어지면 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값과 출력 유지 시간으로부터 산출된 감쇄 목표 전류 값을 결정하고; 상기 감쇄 목표 전류 값 및 이로부터 결정되는 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 이차 전지로부터 전력을 공급 받는 부하 장치의 제어 시스템으로 제공한다.
바람직하게, 상기 출력 파라미터가 적용될 때까지 걸리는 시간을 지연 시간으로 정의할 때, 상기 임계 전압의 레벨은 이차 전지가 상기 충전 상태 및 상기 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값으로 방전될 때 이차 전지의 전압이 상기 임계 전압으로부터 방전 하한 전압까지 낮아지는데 걸리는 시간이 상기 지연 시간보다 크고 상기 출력 유지 시간보다 작도록 설정될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 하기 수식에 의해 이차 전지의 감쇄 목표 전류 값을 결정하도록 구성될 수 있다.
Figure pat00001
(Iderate는 감쇄 목표 전류 값; Vmin은 방전 하한 전압; Vthreshold는 임계 전압; I0는 이차 전지의 전압이 임계 전압에 도달되었을 때의 방전 전류 값 또는 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값; R0는 이차 전지의 내부 저항; t1-t0는 출력 유지 시간; (dR/dt)max는 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 방전 프로파일이 직선 V=Vthreshold 및 직선 V=Vmin과 만나는 2개의 교점 사이에서 계산한 일차 미분 값 dV/dt의 절대값들 중 최대 값을 방전 전류의 크기인 Imax로 나눈 값; Imax는 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값)
바람직하게, 상기 제어부는 감쇄 목표 전류 값과 방전 하한 전압의 곱셈에 의해 감쇄 목표 출력 값을 결정하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 시스템은, 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값을 저장하고 있는 메모리부를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 시스템은, 상기 제어부와 전기적으로 결합된 통신 인터페이스를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 통신 인터페이스를 통해 상기 출력 파라미터를 상기 제어 시스템으로 주기적으로 전송할 수 있다.
선택적으로, 상기 제어부는, 이차 전지의 전압이 상기 임계 전압보다 높으면 이차 전지의 충전 상태 및 온도 별로 미리 정의된 최대 방전 전류 값의 데이터를 참조하여 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값을 결정하고, 상기 최대 방전 전류 값 및 이로부터 산출된 허용 출력 값 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 상기 부하 장치의 제어 시스템으로 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지의 출력 파라미터 추정 방법은, 이차 전지가 방전되는 동안 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계; 상기 전류를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하는 단계; 이차 전지의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이하로 떨어지면, 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값과 출력 유지 시간으로부터 감쇄 목표 전류 값을 결정하는 단계; 상기 감쇄 목표 전류 값 및 이로부터 결정되는 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 구성하는 단계; 및 상기 출력 파라미터를 이차 전지로부터 전력을 공급 받는 부하 장치의 제어 시스템으로 제공하는 단계;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 이차전지의 출력 파라미터 조정 시스템은, 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하는 전압 측정부, 전류 측정부 및 온도 측정부; 상기 전압 측정부; 전류 측정부 및 온도 측정부와 전기적으로 커플링된 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 이차 전지가 충전되는 동안 상기 전압 측정부; 전류 측정부 및 온도 측정부로부터 측정 결과를 입력 받아 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 결정하고; 상기 전류를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하고; 이차 전지의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이상으로 증가하면 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값과 출력 유지 시간으로부터 산출된 감쇄 목표 전류 값을 결정하고; 상기 감쇄 목표 전류 값 및 이로부터 결정되는 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 이차 전지로부터 전력을 공급 받는 부하 장치의 제어 시스템으로 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법은, 이차 전지가 충전되는 동안 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계; 상기 전류를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하는 단계; 이차 전지의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이상으로 상승하면, 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값과 출력 유지 시간으로부터 감쇄 목표 전류 값을 결정하는 단계; 상기 감쇄 목표 전류 값 및 이로부터 결정되는 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 구성하는 단계; 및 상기 출력 파라미터를 이차 전지로부터 전력을 공급 받는 부하 장치의 제어 시스템으로 제공하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 이차 전지를 통해 흐르는 전류의 크기나 출력이 적절한 시점에 감쇄되므로 출력 파라미터가 적용되는 시점이 지연되더라도 이차 전지의 전압이 동작 전압 범위를 벗어나지 않는다.
또한, 이차 전지의 전압이 임계 전압으로부터 동작 한계 전압까지 변화할 때까지 소요되는 시간이 미리 설정된 출력 유지 시간보다 짧아지는 시점부터 이차 전지의 출력을 적극적으로 감쇄시킴으로써 상기 출력 유지 시간 이상으로 이차 전지의 출력을 유지시킬 수 있다.
본 발명은 이차 전지의 전압이 동작 한계 전압 근처까지 변화하였을 때 이차 전지의 전압이 동작 전압 범위를 벗어나는 것을 방지할 수 있도록 해 준다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 36Ah의 용량을 가진 리튬 이차 전지의 충전 상태가 20%일 때 360A의 정전류로 방전이 이루어질 때의 전압 변화 개형을 보여주는 방전 프로파일이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 3은, 용량은 36Ah로 동일하고 충전 상태가 10%, 15%, 20%, 30%, 40% 및 50%로서 서로 다른 6개의 리튬 이차 전지에 대하여 방전 프로파일을 측정한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 4는 도 3에 도시된 각 방전 프로파일이 가로 점선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차(마크 ▲ 참조)를 계산하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 감쇄 목표 전류 값을 결정할 때 사용하는 수식의 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법에 대한 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 7은 용량은 36Ah이고 충전 상태가 20%인 리튬 이차 전지를 360A로 방전시킬 때 본 발명의 실시예에 따라 출력을 감쇄시킨 경우와 그렇지 않은 경우의 전압 변화 개형을 비교한 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서 설명되는 실시 예에 있어서, 이차 전지는 리튬 이차 전지를 일컫는다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다.
한편, 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차 전지를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 이차 전지는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 이차 전지는 하나의 포장재 내에 양극/분리막/음극의 조립체 및 전해질이 포함된 단위 셀을 비롯하여 단위 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 어셈블리, 다수의 어셈블리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 모듈, 다수의 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 팩, 다수의 팩이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 전지 시스템 등도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 출력 파라미터를 조정하는 시스템(100)의 일 실시예를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시스템(100)은, 전압 측정부(110), 전류 측정부(120), 온도 측정부(130) 및 제어부(120)를 포함하고, 이차 전지(B)가 방전되는 동안 이차 전지(B)의 전압이 미리 설정된 임계 전압까지 낮아 졌을 때 이차 전지(B)의 출력 파라미터를 감쇄시킨다.
상기 이차 전지(B)는 고전위 단자(PACK+) 및 저전위 단자(PACK-)를 통해부하 장치(200)와 전기적으로 연결된다. 부하 장치(200)는, 이차 전지(B)로부터 출력되는 전력으로 동작하는 장치를 일컫는다.
부하 장치(200)는 제어 시스템(210), 전력 변환부(220) 및 부하(230)를 포함한다. 부하 장치(200)는, 선택적으로, 충전기(240)를 더 포함할 수 있다. 충전기(240)는 이차 전지(B)를 충전할 수 있는 충전 전류를 전력 변환부(220)를 통해 이차 전지(B) 측으로 제공할 수 있다. 충전기(240)는 자체적으로 충전 전류를 생성할 수도 있고, 상용 전원으로부터 전력을 인가 받아 충전 전류를 생성할 수도 있다.
바람직한 예에서, 부하(230)는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 포함된 모터일 수 있고, 전력 변환부(220)는 쌍방향 전력 변환이 가능한 인버터일 수 있다.
제어 시스템(210)은 부하 장치(200)의 전반적인 동작을 제어하는 컴퓨팅 시스템이다. 특히, 제어 시스템(210)은 제어부(140)가 제공하는 이차 전지(B)의 출력 파라미터를 이용하여 이차 전지(B)의 방전을 제어한다. 즉, 제어 시스템(210)은 출력 파라미터에 대응되는 방전 조건으로 전력 변환부(220)를 제어함으로써 이차 전지(B)의 방전을 제어한다.
전력 변환부(220)는 이차 전지(B)의 방전 출력을 부하(230) 측으로 전달한다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 이차 전지가 방전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
반대로, 전력 변환부(220)는 충전기(240)로부터 공급되는 충전 출력을 이차 전지(B) 측으로 전달할 수 있다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 이차 전지가 충전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템(100)은, 또한 메모리부(150)을 더 포함할 수 있다. 메모리부(150)는 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 예시로서, 메모리부(150)은 RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다.
메모리부(150)는 또한 제어부(140)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 제어부(140)와 전기적으로 연결될 수 있다.
메모리부(150)는 또한 제어부(140)가 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송한다.
메모리부(150)는 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 제어부(140) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
전압 측정부(110)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 전압 측정부(110)는 제어부(140)의 통제 하에, 시간 간격을 두고 이차 전지(B)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압을 측정하고 측정된 전압의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 전압 측정부(110)로부터 출력되는 신호로부터 이차 전지(B)의 전압을 결정하고 결정된 전압 값을 메모리부(150)에 저장한다. 전압 측정부(110)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 전압 측정 회로로 구성될 수 있다.
전류 측정부(120)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 전류 측정부(120)는 제어부(140)의 통제하에 시간 간격을 두고 이차 전지(B)를 통해 흐르는 전류의 크기를 반복 측정하고 측정된 전류의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 전류 측정부(120)로부터 출력되는 신호로부터 전류의 크기를 결정하고 결정된 전류 값을 메모리부(150)에 저장한다. 전류 측정부(120)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 홀 센서 또는 센스 저항으로 구성될 수 있다.
온도 측정부(130)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 온도 측정부(130)는 시간 간격을 두고 이차 전지(B)의 온도를 반복 측정하고 측정된 온도의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 온도 측정부(130)로부터 출력되는 신호로부터 이차 전지(B)의 온도를 결정하고 결정된 온도 값을 메모리부(150)에 저장한다. 온도 측정부(130)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 열전대(thermocouple)로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템(100)은 통신 인터페이스(160)를 더 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(160)는 제어부(140)가 부하 장치(200)에 포함된 제어 시스템(210)과 통신을 수행하기 위해 필요한 구성요소이다.
통신 인터페이스(160)로는 서로 다른 2개의 시스템이 통신을 할 수 있도록 지원하는 공지된 통신 인터페이스라면 어떠한 것이라도 사용될 수 있다. 통신 인터페이스는 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있다. 바람직하게, 통신 인터페이스는 캔(CANN) 통신이나 데이지 체인(Daisy Chain) 통신을 지원하는 것일 수 있다.
제어부(140)는 메모리부(150)에 저장된 전압 측정 값, 전류 측정 값 및 온도 측정 값을 선택적으로 활용하여 이차 전지(B)의 충전 상태를 결정할 수 있다.
충전 상태는 전류 측정부(120)를 통해서 주기적으로 측정되는 전류 값을 적산하여 결정할 수 있다. 이러한 방식은 암페어 카운팅법이라는 이름으로 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
충전 상태는 이차 전지(B)의 회로 모델링에 기반을 둔 확장 칼만 필터와 같은 적응적 알고리즘을 이용하여 결정할 수 있다. 확장 칼만 필터를 이용한 충전 상태의 추정은, 일 예로서 그레고리 엘 플레트(Gregory L. Plett)씨의 논문 “Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Parts 1, 2 and 3”(Journal of Power Source 134, 2004, 252-261)를 참조 가능하고, 본 명세서의 일부로서 위 논문이 합체될 수 있다.
충전 상태는 전술한 암페어 카운팅법 또는 확장 칼만 필터 이외에도 이차 전지(B)의 전압, 온도 및 전류를 선택적으로 활용하여 충전 상태를 추정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.
제어부(140)은, 이차 전지(B)가 방전되는 동안 전압 측정부(110)에 의해 측정된 이차 전지(B)의 전압 레벨을 모니터한다.
제어부(140)는 이차 전지(B)의 전압 레벨에 따라 이차 전지의 출력 파라미터를 다르게 결정한다. 즉, 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압보다 크면 일반 모드로 출력 파라미터를 결정한다. 반면, 이차 전지(B)의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이하로 낮아지면 감쇄 모드로 출력 파라미터를 결정한다.
임계 전압의 레벨은 2 가지의 시간 팩터를 고려하여 미리 결정한다. 하나의 시간 팩터는 제어부(140)가 결정한 출력 파라미터가 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전달되어 이차 전지(B)의 방전 제어에 실제 반영될 때까지 걸리는 지연 시간이다. 다른 하나의 시간 팩터는 출력 파라미터에 따른 이차 전지(B)의 방전 출력이 최소한 유지되어야 하는 출력 유지 시간이다.
지연 시간 팩터는 제어부(140)와 부하 장치(200)에 포함된 제어 시스템(210)의 동작 속도와 이들 상호 간의 통신 속도 등에 따라 달라진다. 지연 시간 팩터는 수초 이내의 시간 값, 예를 들어 2초일 수 있다.
출력 유지 시간 팩터는 부하 장치(200)에 포함된 부하(230)가 요구하는 출력 특성에 의해 달라진다. 출력 유지 시간 팩터는 수초 이내의 시간 값, 예를 들어 6초일 수 있다.
지연 시간 팩터와 출력 유지 시간 팩터를 고려한 임계 전압의 설정방법은 다음과 같다.
먼저, 이차 전지(B)의 충전 상태 별로 상온(25도)에서 정전류 방전 시험을 시행하여 복수의 방전 프로파일들을 얻는다.
도 3은, 용량은 36Ah로 동일하고 충전 상태가 10%, 15%, 20%, 30%, 40% 및 50%로서 서로 다른 6개의 리튬 이차 전지에 대하여 방전 프로파일을 측정한 결과를 나타낸 그래프들이다. 좌측으로부터 우측으로 갈수록 방전 프로파일을측정한 이차 전지(B)의 충전 상태는 더 크다.
각각의 정전류 방전 시험에서 적용된 방전 전류의 크기는 이차 전지(B)의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값이다. 특정한 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값은 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization)법으로 이차 전지(B)를 펄스 방전시켰을 때 이차 전지(B)의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 도달되도록 하는 방전 전류 값이다.
바람직하게, HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류 값이 이차 전지(B)의 안전(Safety)을 위해 설정한 방전 상한 전류 값보다 크면 최대 방전 전류 값은 방전 상한 전류 값으로 대체될 수 있다.
도 3에 도시된 방전 프로파일들을 얻기 위한 정전류 방전 실험 시 방전 상한 전류 값은 360A로 설정하였다.
도 3에 있어서, 각 방전 프로파일을 얻을 때 적용한 최대 방전 전류 값은 그래프의 오른쪽에 표시하였다. 즉, 충전 상태 20%, 30%, 40% 및 50%에 대응되는 최대 방전 전류 값은 360A로서 동일하다. HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류 값이 방전 상한 전류 값으로 설정된 360A를 초과하였기 때문에 최대 방전 전류 값을 방전 상한 전류 값으로 대체하였기 때문이다. 대신, 이차 전지(B)의 상태가 10% 및 15%일 경우는, HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류 값이 방전 상한 전류 값인 360A보다 작으므로 HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류 값이 그대로 적용되었다.
도 3에 있어서, 가로 점선 A는 지연 시간 팩터와 목표 유지 시간 팩터를 고려하여 설정된 임계 전압(Vthreshold)의 레벨을 나타내고, 가로 점선 B는 방전 하한 전압(Vmin)의 레벨을 나타낸다.
바람직하게, 임계 전압의 레벨은 각 방전 프로파일이 가로 점선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차가 지연 시간보다 크고 출력 유지 시간보다 작도록 설정한다.
위와 같이 임계 전압의 레벨이 설정되면, 감쇄 모드에서 결정된 출력 파라미터가 적용되는 시점이 지연 시간만큼 지연되더라도 이차 전지(B)의 전압이 방전 하한 전압 이하로 갑자기 감소하는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 이차 전지(B)의 전압이 방전 하한 전압까지 낮아질 때까지 소요되는 시간이 출력 유지 시간보다 작을 때 이차 전지(B)의 출력을 감쇄시켜 최소한의 출력 유지 시간을 확보하는 것이 가능해진다.
도 4는 도 3에 도시된 각 방전 프로파일이 가로 점선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차(마크 ▲ 참조)를 계산하여 나타낸 것이다. 시간 시간은 2초이고, 출력 유지 시간은 6초로 설정되었고, 임계 전압의 레벨은 2.87V로 설정되었다. 도 4를 참조하면, 도 3의 가로 점선 A로 나타낸 임계 전압의 레벨은 상기에서 언급된 조건을 잘 충족한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이차 전지(B)의 전압이 2.87V에 도달되었을 때 감쇄 모드로 출력 파라미터를 결정하고, 결정된 출력 파라미터를 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 제공하면, 이차 전지(B)의 출력이 최소한 6초 동안 유지될 수 있다. 또한, 출력 파라미터가 부하 장치(200)에서 반영될 때까지 2초의 지연 시간이 생겨도 이차 전지(B)의 전압이 갑자기 방전 하한 전압까지 감소하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 도 3에 나타낸 방전 프로파일들은 상온 조건에서 얻은 것이다. 하지만, 이차 전지(B)의 동작 온도 범위에 속하는 온도 조건 별로 방전 프로파일들을 추가로 획득하여 온도 별로 획득한 모든 복수의 방전 프로파일들에 대해서도 상술한 조건을 만족하도록 임계 전압의 레벨을 결정하는 것이 바람직하다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.
즉, 임계 전압의 레벨은 충전 상태 별 및 온도 별로 측정된 각각의 방전 프로파일이 가로 점선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차가 지연 시간보다 크고 출력 유지 시간보다 작도록 설정하는 것이 바람직하다.
제어부(140)는 전압 측정부(110)를 통해서 측정한 이차 전지(B)의 현재 전압이 미리 설정된 임계 전압보다 큰 경우는 일반 모드에서 출력 파라미터를 결정한다. 출력 파라미터는, 이차 전지(B)의 최대 방전 전류 값 및 허용 출력 값 중 적어도 하나를 포함한다. 제어부(140)는 메모리부(150)에 저장된 파워 맵을 이용하여 최대 방전 전류 값을 결정할 수 있다. 파워 맵은 이차 전지(B)의 충전 상태 및 온도에 따라 최대 방전 전류 값을 참조할 수 있는 데이터 구조를 가진다.
허용 출력 값은 다음의 수식 1에 의해 결정할 수 있다. 수식 1에서, 최대 방전 전류 값은 전류 팩터인 Imax이다.
<수식 1>
허용 출력 P = Vmin*Imax
수식 1에 있어서, Vmin은 이차 전지(B)의 방전 하한 전압으로서 미리 설정되는 전압 팩터이다. Imax는 이차 전지(B)의 충전 상태와 온도에 따라서 달라지는 전류 팩터로서 특정한 충전 상태와 온도 조건 하에서 이차 전지(B)가 낼 수 있는 최대 방전 전류 값에 해당한다. Imax는 이차 전지(B)의 충전 상태와 온도를 이용하여 메모리부(150)에 저장된 파워 맵으로부터 맵핑 가능한 값이다.
한편, 제어부(140)는 전압 측정부(110)를 통해 측정한 이차 전지(B)의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이하로 떨어지면 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정한다. 감쇄 모드에서 결정되는 출력 파라미터는 이차 전지(B)의 감쇄 목표 전류 값 및 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함한다.
제어부(140)는 다음 수식2에 의해 감쇄 목표 전류 값 Iderate을 결정할 수 있다.
<수식 2>
Figure pat00002
도 5는 수식 2에 포함된 파라미터들을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 그래프 (a)에 도시된 방전 프로파일은 36Ah의 용량을 가진 이차 전지(B)의 충전 상태가 20%일 때 25도 조건에서 360A(Imax)로 정전류 방전 실험을 시행하여 얻은 방전 프로파일이다. Imax는 이차 전지(B)의 충전 상태가 20%일 때 허용되는 최대 방전 전류 값이다.
도 5의 그래프 (b)는 충전 상태가 20%인 이차 전지(B)가 360A로 방전될 때 시간에 따른 저항 변화 (dR/dt)를 나타낸 것이다. 오옴의 법칙에 의하면 V=IR이고 I는 Imax로 일정하다. V=IR의 양변을 시간으로 미분하면 dV/dt=ImaxdR/dt이 되므로, dR/dt는 (dV/dt)/Imax와 실질적으로 동일하다. 즉, dR/dt는 방전 프로파일의 접선 기울기(dV/dt)를 이용하여 결정할 수 있다.
도 5를 참조하면, 수식 2에 있어서, Vmin은 방전 하한 전압이다. Vthreshold는 임계 전압이다. R0은 이차 전지(B)의 내부 저항 값으로 실험을 통해 미리 알 수 있는 값이다. Vmin, Vthreshold 및 R0는 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다. I0는 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압에 도달되었을 때의 방전 전류 값이다. 방전 전류 값은 전류 측정부(120)에 의해 측정될 수 있다. 대안적으로, I0 값으로서 이차 전지(B)의 충전 상태와 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값 Imax가 사용되는 것을 제한하지 않는다. (dR/dt)max는 (dR/dt)의 최대값이다. (dR/dt)max는 방전 프로파일이 직선 V=Vthreshold 및 직선 V=Vmin과 만나는 2개의 교점 사이에서 계산한 일차 미분 값 dV/dt의 절대값들 중 최대 값을 방전 전류의 크기인 Imax로 나눈 값이다. 일차 미분 값 dV/dt의 절대 값이 최대가 되는 시점은 방전 프로파일의 개형에 따라 달라진다. 도 5에 개시된 방전 프로파일에서는 방전 프로파일이 직선 V=Vmin과 만나는 시점에서 dV/dt의 절대 값이 최대가 된다. (dR/dt)max에 관한 데이터는 이차 전지(B)의 충전 상태와 온도 별로 측정한 방전 프로파일들을 이용하여 미리 결정할 수 있고, 충전 상태 및 온도 별로 정의된 (dR/dt)max에 관한 데이터는 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다. (t1-t0)는 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압으로부터 방전 하한 전압까지 감소하는데 소요되는 시간이다. 본 발명은, (t1-t0)의 값으로서 미리 설정된 출력 유지 시간을 할당한다.
수식 2는 다음과 같이 유도할 수 있다. 이차 전지(B)의 전압은 이차 전지(B)의 충전 상태 및 온도에 따라 변하는 개방 전압 성분, 내부 저항(R0) 및 RC 회로(R//C)가 서로 직렬로 연결된 회로에 의해 등가적으로 모델링할 수 있다.
상기 회로 모델링에 의하면, 이차 전지(B)의 전압 V는 하기 수식 3과 같이 3개의 전압 성분, 즉 충전 상태(z)에 따라 고유하게 결정되는 개방 전압 성분 OCV(z)와, 전류 I가 흐를 때 내부 저항 R0(상수)의 양단에 걸리는 전압 성분 IR0와, RC 회로의 저항(R)에 전류 IRC가 흐를 때 RC 회로의 양단에 걸리는 전압 성분 IRCR의 합으로 나타낼 수 있다.
<수식 3>
V = OCV(z) + IR0 + IRCR
상기 수식 3의 양변을 시간 t로 미분하면 다음 수식 4를 얻을 수 있다.
<수식 4>
dV/dt = dOCV/dt + (dI/dt)R0 + (dIRC/dt)R + IRC(dR/dt)
시간 dt 동안 이차 전지(B)의 충전 상태와 RC 회로의 저항에 흐르는 전류 IRC이 일정하다고 가정하면, dOCV/dt와 dIRC/dt는 0이 되므로 수식 4는 하기의 수식 5와 같이 근사할 수 있다.
<수식 5>
dV/dt = (dI/dt)R0 + IRC(dR/dt)
한편, 방전 프로파일이 직선 V=Vthreshold와 만나는 점의 시간 t0에서 이차 전지(B)의 전압과 방전 전류를 각각 V0 및 I0이라 하자. 또한, 방전 프로파일이 직선 V=Vmin과 만나는 점의 시간 t1에서 이차 전지(B)의 전압과 방전 전류를 각각 V1 및 I1이라고 하자. 또한, 시간 t0 및 t1 사이에서, IRC는 I1과 같고 (dR/dt)는 일정하다고 가정하자. 이러한 정의 하에서 수식 5의 양변을 시간 t0와 t1 사이에서 적분하면 하기의 수식 6을 얻을 수 있다.
<수식 6>
V1-V0 = (I1-I0)R0 + I1(dR/dt)(t1-t0)
수식 6을 I1에 대해 정리하면, 수식 7이 얻어진다.
<수식 7>
Figure pat00003
수식 7에 있어서, V0 및 V1은 각각 임계 전압(Vthreshold) 및 방전 하한 전압(Vmin)에 해당하므로 V0 및 V1에 해당하는 값을 각각 대입한다. 또한, 분모의 항(term) 중에서 (dR/dt) 값으로서 (dR/dt)들 중에서 최대 값을 할당한다(도 5 참조). 또한, (t1-t0) 값에는 미리 설정된 출력 유지 시간을 할당한다. 그러면, 수식 7은 수식 2와 같은 형태로 최종 정리된다.
위와 같이, 이차 전지(B)의 충전 상태 및 온도에 대응되는 방전 프로파일을 이용하여 계산된 (dR/dt)값들 중에서 최대 값을 (dR/dt) 값으로 할당하면, I1 값을 감쇄 목표 전류 값 Iderate 값으로 사용할 수 있다.
수식 7의 우변에 있어서, (dR/dt) 값으로 (dR/dt)max 값이 할당되면, 허용되는 범위에서 분모 값이 최대로 증가한다. 그러면, 시점 t1에서의 방전 전류 크기를 파워 맵으로부터 맵핑되는 최대 방전 전류 값보다 충분히 감쇄시킴으로써 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압 이하로 감소되더라도 지연 시간보다 짧은 시간 내에 또는 출력 유지 시간이 경과되기 전에 방전 하한 전압 밑으로 저하되는 것을 방지할 수 있다.
제어부(140)는 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압 이하로 떨어지면, 수식 2에 의해 감쇄 목표 전류 값을 산출하고, 추가적으로 감쇄 목표 전류 값으로부터 감쇄 목표 출력 값 Pderate을 결정할 수 있다. Pderate의 계산 식은 하기 수식 8과 같다.
<수식 8>
Pderate= Vmin*Iderate
제어부(140)는 감쇄 목표 전류 값 및 감쇄 목표 출력 값 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송할 수 있다.
제어 시스템(210)은 지연 시간이 경과된 이후에 제어부(140)로부터 전송된 출력 파라미터를 이용하여 전력 변환부(220)를 제어하여 이차 전지(B)의 방전 전류 또는 출력을 감쇄시킨다. 즉, 제어 시스템(210)은 출력 파라미터에 포함된 감쇄 목표 전류 값 또는 감쇄 목표 출력 값을 이용하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 이차 전지(B)로부터 출력되는 방전 전류의 크기를 감쇄 목표 전류 값보다 작게 통제하거나 이차 전지(B)의 출력을 감쇄 목표 출력 값보다 작게 통제할 수 있다.
제어 시스템(210)은 바람직한 예로서 전력 변환부(220)를 제어하여 이차전지(B)의 방전 전류를 일정한 시간 간격을 두고 단계적으로 감소시킴으로써 감쇄 목표 전류 값과 동일하게 방전 전류의 크기를 감쇄시킬 수 있다. 유사하게, 제어 시스템(210)은 전력 변환부(220를 제어하여 이차 전지(B)의 출력을 일정한 시간 간격을 두고 단계적으로 감소시켜 감쇄 목표 출력 값과 동일하게 이차 전지(B)의 출력을 감쇄시킬 수 있다.
상기 제어부(140)는 상술한 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(140)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 메모리부(150)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
제어부(140)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 제어부가 수행하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법에 대한 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, S10 단계에서, 제어부(140)는 이차 전지의 출력 파라미터를 조정하기 위한 프로세스가 시작되면 시간 인덱스 k를 초기화한다.
이어서, S20 단계에서, 제어부(140)는 전압 측정부(110), 전류 측정부(120) 및 온도 측정부(130)를 이용하여 이차 전지(B)의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 측정된 전압 값, 전류 값 및 온도 값을 메모리부(150)에 저장한다.
이어서, S30 단계에서, 제어부(140)는 메모리부(150)에 저장된 전압 값, 전류 값 및 온도 값을 선택적으로 이용하여 이차 전지(B)의 충전 상태를 결정한다. 충전 상태는, 암페어 카운팅법이나 확장 칼만 필터 등을 이용하여 결정할 수 있다.
이어서, S40 단계에서, 제어부(140)는 이차 전지(B)의 전압이 미리 정의된 임계 전압(Vthreshold)보다 큰지 판단한다. 임계 전압의 레벨을 정의하는 방법에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 상술하였다.
만약, 단계 S40에서 YES로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S50으로 이행하여 일반 모드에서 출력 파라미터를 결정하고, 결정된 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송한다.
구체적으로, 단계 S50에서, 제어부(140)는 메모리부(150)를 참조하여 이차전지(B)의 현재 온도와 현재 충전 상태를 결정한다. 또한, 제어부(140)는 메모리부(150)에 미리 저장된 파워 맵으로부터 현재 충전 상태와 현재 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값을 맵핑하여 최대 방전 전류 값(Imax)을 결정한다.
다음으로, 단계 S60에서, 제어부(140)는 최대 방전 전류 값(Imax)과 미리 정의된 방전 하한 전압(Vmin)을 이용하여 수식 1에 의해 이차 전지(B)의 허용 출력 값을 결정한다.
이어서, 단계 S70에서, 제어부(140)는 최대 방전 전류 값 및 허용 출력 값 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 구성하고, 출력 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송한다. 그러면, 제어 시스템(210)은 전송된 출력 파라미터에 포함된 허용 출력 값 또는 최대 방전 전류 값을 참조하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 출력 허용 값 또는 최대 방전 전류 값의 범위 내에서 이차 전지(B)의 방전을 적응적으로 제어한다. 즉, 이차 전지(B)의 방전 출력을 허용 출력 값 이하로 통제하거나, 이차 전지(B)의 방전 전류를 최대 방전 전류 값 이하로 통제한다.
이어서, 단계 S80에서, 제어부(140)는 미리 설정된 설정 시간이 경과되었는지 판별한다. 여기서, 설정 시간은 이차 전지(B)의 출력 파라미터를 갱신하는 주기에 해당한다.
만약, 단계 S80에서, YES로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S90으로 이행하고, 반대로 단계 S80에서, No로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스의 진행을 홀딩한다.
단계 S90에서, 제어부(140)는 이차 전지(B)의 동작 상태가 키오프(Key-off) 상태인지 판별한다. 여기서, 키오프 상태라는 것은 이차 전지(B)의 충전이나 방전이 멈춘 경우를 말한다. 이러한 키오프 상태는 이차 전지(B)와 부하 장치(200) 사이의 연결을 제어하는 스위치 부품의 연결 상태에 의해 판별할 수 있다.
만약, 단계 S90에서, YES로 판별되면, 제어부(140)는 이차 전지(B)의 출력 파라미터를 조정할 필요가 없으므로 프로세스를 종료한다. 반면, 단계 S90에서, NO로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S100으로 이행하여 시간 인덱스 k를 갱신하고 다시 프로세스를 단계 S20으로 이행하여 앞서 서술한 단계들의 실행을 다시 반복한다.
한편, 단계 S40에서 NO로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S110으로 이행한다. 즉, 제어부(140)는 감쇄 모드에서 이차 전지(B)의 출력 파라미터를 결정하고, 출력 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송한다.
구체적으로, 단계 S110에서, 제어부(140)는 메모리부(150)에 저장된 충전 상태와 온도 데이터를 참조하여 이차 전지(B)의 현재 충전 상태와 현재 온도를 결정한다. 또한, 제어부(140)는 충전 상태 및 온도에 따라 미리 정의되어 메모리부(150)에 저장된 (dR/dt)max 데이터를 참조하여 현재 충전 상태와 현재 온도에 대응되는 (dR/dt)max 값을 결정한다. 또한, 제어부(140)는 상술한 수식 2를 이용하여 감쇄 목표 전류 값(Iderate)을 결정한다. 감쇄 목표 전류 값의 결정 시 I0 값으로는 메모리부(150)에 저장된 현재의 방전 전류 값을 할당하거나, 현재 충전 상태 및 현재 온도에 대응되는 최대 최대 전류 값을 파워 맵으로부터 맵핑하여 할당할 수 있다. 수식 2의 다른 팩터들, 즉 방전 하한 전압(Vmin), 임계 전압(Vthreshold) 및 이차 전지(B)의 내부 저항(R0) 값으로는 메모리부(150)에 미리 저장된 데이터를 할당한다. 또한, (t1-t0)에 대한 값으로는, 미리 설정된 출력 유지 시간을 할당한다.
그 다음, 단계 S120에서, 제어부(140)는 감쇄 목표 전류 값(Iderate)과 미리 정의된 방전 하한 전압(Vmin)을 이용하여 이차 전지(B)의 감쇄 목표 출력 값(Pderate)을 결정한다.
이어서, 단계 S130에서, 제어부(140)는 감쇄 목표 전류 값(Iderate) 및 감쇄 목표 출력 값(Pderate) 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 구성하고, 출력 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송한다. 그러면, 제어 시스템(210)은 전송된 출력 파라미터에 포함된 감쇄 목표 전류 값 또는 감쇄 목표 출력 값을 참조하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 감쇄 목표 전류 값 또는 감쇄 목표 출력 값의 범위 내에서 이차 전지(B)의 방전을 제어한다. 즉, 이차 전지(B)의 방전 출력을 감쇄 목표 출력 값 이하로 통제하거나, 이차 전지(B)의 방전 전류를 감쇄 목표 전류 값 이하로 통제한다. 바람직하게, 제어 시스템(210)은 감쇄 목표 전류 값을 향해 이차 전지(B)의 방전 전류 크기를 단계적으로 하향시키거나 감쇄 목표 출력 값을 향해 이차 전지(B)의 출력을 단계적으로 감소시킬 수 있다.
이어서, 단계 S80에서, 제어부(140)는 미리 설정된 설정 시간이 경과되었는지 판별한다.
만약, 단계 S80에서, YES로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S90이행하고, 반대로 단계 S80에서, No로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스의 진행을 홀딩한다.
단계 S90에서, 제어부(140)는 이차 전지(B)의 동작 상태가 키오프 상태인지 판별한다.
만약, 단계 S90에서, YES로 판별되면, 제어부(140)는 이차 전지(B)의 출력 파라미터를 조정할 필요가 없으므로 프로세스를 종료한다. 반면, 단계 S90에서, NO로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S100으로 이행하여 시간 인덱스 k를 갱신하고 다시 프로세스를 단계 S20으로 이행하여 앞서 서술한 단계들의 실행을 다시 반복한다.
도 6에 도시된 일련의 단계들은 주기적으로 실행된다. 따라서, 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압 이하로 떨어지면 감쇄 목표 전류 값 및 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나가 포함된 출력 파라미터가 부하 장치(200)의 제어 시스템으로 제공됨으로써, 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압을 초과할 때까지 이차 전지(B)의 방전 전류 또는 방전 출력이 감쇄된다. 물론, 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압을 초과하지 못하면 감쇄 목표 전류 값과 감쇄 목표 출력 값이 점점 낮아진다.
본 발명에 있어서, 감쇄 모드가 개시되는 기준이 되는 임계 전압은 지연 시간과 출력 유지 시간이라는 시간 팩터를 함께 고려하여 결정된 것이다. 따라서, 출력 파라미터가 지연 시간 이후에 적용되더라도 이차 전지(B)의 전압이 방전 하한 전압 밑으로 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 감쇄 모드에서 결정되는 출력 파라미터는 (dR/dt)max를 고려하여 충분히 감쇄된 전류 값 또는 출력 값을 포함하고 있으므로 감쇄 시간 동안 출력 파라미터가 적용되더라도 이차 전지(B)의 전압이 방전 하한 전압 밑으로 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
특히, 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)에서 이차 전지(B)의 방전을 제어할 때 출력 파라미터에 포함된 값을 기준 타겟 값으로 설정하여 방전 전류 또는 출력을 단계적으로 하향시키면 방전 말기 상황에서 이차 전지(B)의 출력을 안정적이면서도 신뢰성 있게 감쇄시킬 수 있다.
상술한 실시예는 이차 전지가 방전되는 상황에서 적용될 수 있다. 하지만 본 발명은 이차 전지가 충전되는 상황에서도 유사하게 적용될 수 있다.
이차 전지가 충전되는 경우 임계 전압은 충전 상한 전압과 가깝게 설정되는데, 지연 시간 팩터와 출력 유지 시간을 동시에 고려하여 결정되는 것은 동일하다.
또한, 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압 이상으로 증가하면 충전 전류 또는 충전 출력을 감쇄시키기 위해 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정할 수 있다.
감쇄 목표 전류 값을 결정할 때 사용되는 수식 2에 있어서, Vmin은 Vmax 값으로 대체될 수 있다.
또한, 임계 전압의 레벨을 결정할 때 사용되는 방전 프로파일들은 충전 프로파일들로 대체된다.
충전 프로파일들은 이차 전지(B)의 충전 상태와 온도 별로 정전류 충전 실험을 시행하여 얻을 수 있다.
각 정전류 충전 실험에서 사용되는 충전 전류의 크기는 HPPC 법으로 정한 최대 충전 전류 값을 설정한다. 충전 최대 전류 값은 이차 전지(B)의 충전 상태와 온도에 따라 달라질 수 있다.
한편, HPPC 법으로 정한 최대 충전 전류 값이 이차 전지(B)가 견딜 수 있는 충전 상한 전류 값보다 크면 최대 충전 전류 값은 충전 상한 전류 값으로 대체될 수 있다.
또한, 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정할 때, 이차 전지(B)가 충전될 때의 출력은 감쇄 목표 전류 값으로 결정된 전류 값을 기준으로 결정될 수 있다.
이차 전지(B)가 충전되는 동안 결정된 출력 파라미터는 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 제공될 수 있다.
제어 시스템(210)은 출력 파라미터가 제공되면, 전력 변환부(220)를 제어함으로써 이차 전지(B)의 충전 전류를 출력 파라미터에 포함된 전류 값 범위 내에서 통제하거나 이차 전지(B)의 충전 출력을 출력 파라미터에 포함된 출력 값의 범위 내에서 통제한다. 또한, 바람직하게는, 이차 전지(B)의 충전 전류 또는 충전 출력을 출력 파라미터에 포함된 전류 값 또는 출력 값을 향해 수렴하도록 단계적으로 감쇄시키는 제어를 행할 수 있다.
이차 전지(B)가 충전되는 동안, 이차 전지(B)의 전압이 임계 전압을 초과하지 않으면, 파워 맵을 이용하여 이차 전지(B)의 최대 충전 전류 값을 결정할 수 있고, 결정된 최대 충전 전류 값으로부터 이차 전지(B)의 충전 출력을 결정할 수 있다. 이를 위해, 파워 맵은 이차 전지(B)의 충전 상태 및 온도 별로 미리 정의된 최대 충전 전류 값에 관한 참조 데이터를 더 포함할 수 있다.
<실험예>
이하에서는 본 발명에 따른 실험예를 설명한다. 여기에서 설명되는 실험예는 본 발명의 효과를 서술하기 위해서 제공되는 것으로 본 발명의 기술적 사상이 실험예로서 개시되는 내용에 의해 한정되는 것은 아니다.
먼저, 총 용량이 36Ah이고 충전 상태가 20%인 리튬 이차 전지를 준비하였다. 리튬 이차 전지는 양극재로서 리튬 금속 산화물을, 음극재로서 그라파이트를 포함하고 있다. 이어서, 충방전 전력을 조절할 수 있는 충방전 시뮬레이터에 리튬 이차 전지를 연결하였다. 그런 다음, 25도 조건에서 360A의 크기를 갖는 방전 전류로 방전을 시키면서 방전 프로파일을 측정하였다.
이차 전지(B)의 출력을 감쇄시키는 기준이 되는 임계 전압은 2.87V로 설정하였다. 임계 전압의 결정 시 지연 시간 팩터는 2초이고, 출력 유지 시간은 6초로 설정하였다.
이차 전지(B)가 360A의 크기로 정전류 방전되는 동안 이차 전지(B)의 전압이 2.87V로 낮아졌을 때부터 본 발명의 실시예에 따라 이차 전지(B)의 방전 출력을 감쇄시켰다. 즉, 수식 2를 이용하여 감쇄 목표 전류 값을 결정하고 감쇄 목표 전류 값에 단계적으로 근접하도록 충방전 시뮬레이터를 제어하여 이차 전지(B)의 방전 전류 크기를 30A씩 단계적으로 낮추었다. 이러한 과정에서 이차 전지(B)의 전압 변화를 측정해 보았다.
수식 2의 파라미터 값들로서, Vmin은 2.5V, Vthreshold는 2.87V, (dR/dt)max는 0.4305759mΩ, R0는 0.0010618 mΩ, (t1-t0)는 6초, I0은 360A로 설정하였다.
도 7은 본 실험에서 측정한 전압 측정 결과를 보여준다. 도 7에서, 점선 그래프는, 리튬 이차 전지의 출력을 감쇄시키지 않았을 때의 전압 변화 개형을 보여준다. 반면, 실선은 리튬 이차 전지의 출력을 2.87V부터 감쇄시켰을 때의 전압 변화 개형을 보여준다.
2개의 전압 변화 개형을 비교하면, 본 발명의 실시예에 따라 리튬 이차 전지의 출력이 감쇄되었을 경우 리튬 이차 전지의 전압이 임계 전압에 도달된 이후 급격하게 떨어지지 않고 전압 감소의 정도가 감쇄되는 것을 알 수 있다.
또한, 리튬 이차 전지의 출력이 감쇄되지 않은 경우는 리튬 이차 전지의 전압이 4.5초 만에 방전 하한 전압에 도달하였다. 하지만 리튬 이차 전지의 전압이 임계 전압에 도달했을 때부터 출력 감쇄가 적용된 경우는 리튬 이차 전지의 전압 레벨이 6 초 이상의 충분한 시간 동안 방전 하한 전압보다 높게 유지된 것을 확인할 수 있다. 이러한 실험 결과는, 본 발명이 안정성이 있고 신뢰성이 있는 출력 조정 기술임을 뒷받침해 준다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
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 (15)

  1. 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하는 전압 측정부, 전류 측정부 및 온도 측정부;
    상기 전압 측정부; 전류 측정부 및 온도 측정부와 전기적으로 커플링된 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 이차 전지가 방전되는 동안, 상기 전압 측정부, 전류 측정부 및 온도 측정부로부터 측정 결과를 입력 받아 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 결정하고; 상기 전류를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하고; 이차 전지의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이하로 떨어지면 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값과 출력 유지 시간으로부터 산출된 감쇄 목표 전류 값을 결정하고; 상기 감쇄 목표 전류 값 및 이로부터 결정되는 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 이차 전지로부터 전력을 공급 받는 부하 장치의 제어 시스템으로 제공하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 파라미터가 적용될 때까지 걸리는 시간을 지연 시간으로 정의할 때, 상기 임계 전압의 레벨은 이차 전지가 상기 충전 상태 및 상기 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값으로 방전될 때 이차 전지의 전압이 상기 임계 전압으로부터 방전 하한 전압까지 낮아지는데 걸리는 시간이 상기 지연 시간보다 크고 상기 출력 유지 시간보다 작도록 설정된 것임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 하기 수식에 의해 이차 전지의 감쇄 목표 전류 값을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템.
    Figure pat00004

    (Iderate는 감쇄 목표 전류 값; Vmin은 방전 하한 전압; Vthreshold는 임계 전압; I0는 이차 전지의 전압이 임계 전압에 도달되었을 때의 방전 전류 값 또는 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값; R0는 이차 전지의 내부 저항; t1-t0는 출력 유지 시간; (dR/dt)max는 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 방전 프로파일이 직선 V=Vthreshold 및 직선 V=Vmin과 만나는 2개의 교점 사이에서 계산한 일차 미분 값 dV/dt의 절대값들 중 최대 값을 방전 전류의 크기인 Imax로 나눈 값; Imax는 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 감쇄 목표 전류 값과 방전 하한 전압의 곱셈에 의해 감쇄 목표 출력 값을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값을 저장하고 있는 메모리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부와 전기적으로 결합된 통신 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 통신 인터페이스를 통해 상기 출력 파라미터를 상기 제어 시스템으로 주기적으로 전송하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 이차 전지의 전압이 상기 임계 전압보다 높으면 이차 전지의 충전 상태 및 온도 별로 미리 정의된 최대 방전 전류 값의 데이터를 참조하여 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값을 결정하고,
    상기 최대 방전 전류 값 및 이로부터 산출된 허용 출력 값 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 상기 부하 장치의 제어 시스템으로 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템.
  8. (a) 이차 전지가 방전되는 동안 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계;
    (b) 상기 전류를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하는 단계;
    (c) 이차 전지의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이하로 떨어지면, 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값과 출력 유지 시간으로부터 감쇄 목표 전류 값을 결정하는 단계;
    (d) 상기 감쇄 목표 전류 값 및 이로부터 결정되는 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 구성하는 단계; 및
    (e) 상기 출력 파라미터를 이차 전지로부터 전력을 공급 받는 부하 장치의 제어 시스템으로 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 출력 파라미터가 적용될 때까지 걸리는 시간을 지연 시간이라고 정의할 때, 상기 임계 전압의 레벨은, 이차 전지가 상기 충전 상태 및 상기 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값으로 방전될 때 이차 전지의 전압이 상기 임계 전압으로부터 방전 하한 전압까지 낮아지는데 걸리는 시간이 상기 지연 시간보다 크고 상기 출력 유지 시간보다 작도록 설정된 것임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는, 하기 수식에 의해 이차 전지의 감쇄 목표 전류 값을 결정하는 단계임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법.
    Figure pat00005

    (Iderate는 감쇄 목표 전류 값; Vmin은 방전 하한 전압; Vthreshold는 임계 전압; I0는 이차 전지의 전압이 임계 전압에 도달되었을 때의 방전 전류 값 또는 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값; R0는 이차 전지의 내부 저항; t1-t0는 출력 유지 시간; (dR/dt)max는 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 방전 프로파일이 직선 V=Vthreshold 및 직선 V=Vmin과 만나는 2개의 교점 사이에서 계산한 일차 미분 값 dV/dt의 절대값들 중 최대 값을 방전 전류의 크기인 Imax로 나눈 값; Imax는 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값)
  11. 제8항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 감쇄 목표 전류 값과 방전 하한 전압의 곱셈에 의해 감쇄 목표 출력 값을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 통신 인터페이스를 통해 상기 출력 파라미터를 상기 제어 시스템으로 전송하는 단계임을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    이차 전지의 전압이 상기 임계 전압보다 높으면 이차 전지의 충전 상태 및 온도 별로 미리 정의된 최대 방전 전류 값의 데이터를 참조하여 이차 전지의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류 값을 결정하는 단계;
    상기 최대 방전 전류 값 및 이로부터 산출된 허용 출력 값 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 구성하는 단계; 및
    상기 부하 장치의 제어 시스템으로 상기 출력 파라미터를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법.
  14. 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하는 전압 측정부, 전류 측정부 및 온도 측정부;
    상기 전압 측정부; 전류 측정부 및 온도 측정부와 전기적으로 커플링된 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 이차 전지가 충전되는 동안 상기 전압 측정부; 전류 측정부 및 온도 측정부로부터 측정 결과를 입력 받아 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 결정하고; 상기 전류를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하고; 이차 전지의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이상으로 증가하면 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값과 출력 유지 시간으로부터 산출된 감쇄 목표 전류 값을 결정하고; 상기 감쇄 목표 전류 값 및 이로부터 결정되는 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 이차 전지로부터 전력을 공급 받는 부하 장치의 제어 시스템으로 제공하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 시스템.
  15. (a) 이차 전지가 충전되는 동안 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계;
    (b) 상기 전류를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 결정하는 단계;
    (c) 이차 전지의 전압이 미리 설정된 임계 전압 이상으로 상승하면, 상기 충전 상태와 상기 온도에 대응되는 미리 정의된 저항 변화율의 최대 값과 출력 유지 시간으로부터 감쇄 목표 전류 값을 결정하는 단계;
    (d) 상기 감쇄 목표 전류 값 및 이로부터 결정되는 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 구성하는 단계; 및
    (e) 상기 출력 파라미터를 이차 전지로부터 전력을 공급 받는 부하 장치의 제어 시스템으로 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 출력 파라미터 조정 방법.
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