KR20170087944A - 전력 저장 시스템 및 전력 저장 시스템을 제어하는 방법 - Google Patents

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Abstract

전력 저장 시스템(2)은 전해질 용액을 수용하는 배터리(150) 및 배터리(150)의 내부 온도(Ti)에 기초하여 배터리(150)의 충전/방전의 허용 및 금지를 제어하는 ECU(300)를 포함한다. ECU(300)는 전해질 용액의 동결점(Tf) 이상인 결정 온도(T1) 및 결정 온도(T1)보다 높은 결정 온도(T2)를 설정한다. ECU(300)는, 전해질 용액이 액체 상태에 있으면서 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T1) 미만으로 떨어지는 경우에 배터리(150)의 충전/방전을 금지하고, 전해질 용액이 적어도 부분적으로 응고되어 있는 상태로부터 액체 상태로 전환되고 배터리(150)의 온도가 결정 온도(T2)를 초과하는 경우에 배터리(150)의 충전/방전의 금지를 해제한다.

Description

전력 저장 시스템 및 전력 저장 시스템을 제어하는 방법{POWER STORAGE SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 전력 저장 시스템 및 전력 저장 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는 극저온 환경하의 전력 저장 시스템 및 전력 저장 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이다.
저온 환경(예를 들어, -15℃ 내지 -10℃) 하의 고 전력에서의 배터리의 충전/방전은 배터리의 열화를 가속하여, 배터리 수명을 단축하며 충분한 배터리 성능 발휘를 불가능하게 하는 것이 알려져 있다. 그러므로, 배터리의 온도에 따라 충전/방전을 금지하는 구성이 제안되었다. 예를 들어, 일본특허공개공보 제2010-252427호(특허문헌 1)는 온도 검출 수단에 의해 검출된 2차 배터리의 온도가 미리규정된 온도보다 낮은 경우 2차 배터리가 충전되지 않게 하는 구성을 개시한다.
일본특허공개공보 제2010-252427호 일본특허공개공보 제2013-5663호
극저온 환경(예를 들어, -35℃ 내지 -30℃) 하에서는, 배터리의 전해질 용액이 응고(동결)될 수 있다. 일반적으로, 배터리의 전해질 용액은 환경 온도가 감소함에 따라 국부적으로 응고되기 시작하고, 그 후 전해질 용액의 응고가 점진적으로 진행되며, 마지막에는 전해질 용액은 완전히 응고된다. 이 경우, 배터리를 보호하기 위해서는, 전해질 용액이 국부적으로 응고되는 상태에서도 충전/방전을 금지하는 것이 바람직하다. 배터리의 온도가 증가하여 전해질 용액이 완전히 용융되고 액체로 복귀하게 한 후에, 충전/방전의 금지를 해제하는 것이 바람직하다. 그러므로, 충전/방전의 금지 및 금지의 해제를 결정하는 결정 온도를 설정할 수 있다.
결정 온도가 낮게 설정되는 경우, 배터리의 충전/방전이 쉽게 금지되지 않을 것이고, 이는 배터리가 넓은 온도 범위에서 사용되는 것을 허용한다. 따라서, 사용자 편의가 향상될 수 있다. 한편, 결정 온도가 과도하게 낮게 설정되는 경우, 배터리는 충분히 보호될 수 없을 수 있다. 그러므로, 결정 온도를 설정할 때, 사용자 편의가 향상되며 동시에 배터리가 보호되는 것이 바람직하다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해서 구성되었으며, 본 발명의 목적은 전력 저장 시스템에서 배터리를 보호하면서 배터리를 이용할 수 있는 온도 범위를 확장하는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 전력 저장 시스템은 전해질 용액을 수용하는 배터리, 및 배터리의 온도에 기초하여 배터리의 충전/방전의 허용 및 금지를 제어하는 제어 장치를 포함한다. 제어 장치는 전해질 용액의 동결점 이상인 제1 결정 온도 및 제1 결정 온도보다 높은 제2 결정 온도를 설정한다. 제어 장치는, 전해질 용액이 액체 상태에 있으면서 배터리의 온도가 제1 결정 온도 미만으로 떨어지는 경우 배터리의 충전/방전을 금지하며, 전해질 용액이 적어도 부분적으로 응고되어 있는 상태로부터 액체로 전환되고 배터리의 온도가 제2 결정 온도를 초과하는 경우 배터리의 충전/방전의 금지를 해제한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 전력 저장 시스템을 제어하는 방법은 배터리의 전해질 용액의 동결점 이상인 제1 결정 온도를 설정하는 단계; 제1 결정 온도보다 높은 제2 결정 온도를 설정하는 단계; 전해질 용액이 액체 상태에 있으면서 배터리의 온도가 제1 결정 온도 미만으로 떨어지는 경우 배터리의 충전/방전을 금지하는 단계; 및 전해질 용액이 적어도 부분적으로 응고되어 있는 상태로부터 전해질 용액이 액체로 전환되고 배터리의 온도가 제2 결정 온도를 초과하는 경우 배터리의 충전/방전의 금지를 해제하는 단계를 포함한다.
배터리의 전해질 용액의 성질로 인해, 전해질 용액의 동결점과 용융점 사이에 히스테리시스가 존재하며, 동결점은 용융점보다 낮다. 상술한 구성 및 방법에 따르면, 배터리의 온도가 낮아질 때 배터리의 충전/방전을 금지하는 제1 결정 온도 및 배터리의 온도가 증가할 때 배터리의 충전/방전의 금지를 해제하는 제2 결정 온도는 개별적으로 설정된다. 이는, 충전/방전의 금지 및 금지의 해제가 동일한 결정 온도를 사용하여 실행되는 경우에 비해, 제2 결정 온도보다 낮은 제1 결정 온도를 사용하여, 넓은 온도 범위에 걸친 충전/방전의 금지 없이 배터리가 사용되는 것을 허용한다. 또한, 제1 결정 온도보다 높은 제2 결정 온도를 사용하여 배터리의 충전/방전의 금지가 전해질 용액의 용융에 응답하여 해제되기 때문에 배터리가 적절하게 보호될 수 있다.
바람직하게는, 제1 결정 온도는 전해질 용액의 동결점과 배터리의 열화 정도 사이의 관계에 기초하여 설정된다. 더 바람직하게는, 열화 정도는 배터리의 내부 저항의 증가율 또는 배터리의 용량 보유율을 사용하여 계산된다.
배터리의 열화가 진행됨에 따라 전해질 용액의 동결점이 증가하도록 전해질 용액의 동결점과 배터리의 열화 정도 사이에 관계가 유지된다. 이 경우, 제1 결정 온도는 이 관계에 기초하여 설정되기 때문에, 배터리의 충전/방전은 전해질 용액의 상태에 따라 적절한 온도에서 금지될 수 있다.
바람직하게는, 제2 결정 온도는 미리규정된 온도만큼 전해질 용액의 용융점보다 높게 설정된다. 이 경우, 충전/방전의 금지는 전해질 용액이 완전히 용융된 후에 해제된다. 그러므로, 배터리는 더 확실하게 보호될 수 있다.
바람직하게는, 전력 저장 시스템은 배터리의 환경 온도를 측정하도록 구성되는 환경 온도 센서 및 배터리의 표면 온도를 측정하도록 구성되는 표면 온도 센서를 더 포함한다. 제어 장치는, 환경 온도 및 표면 온도로부터 배터리의 내부 온도를 계산하며, 내부 온도에 기초하여 배터리의 충전/방전의 허용 및 금지를 제어한다.
배터리의 환경 온도 및 표면 온도가 서로 상이한 경우, 배터리와 환경 사이에 열전달이 발생한다. 이는 배터리의 표면 온도의 변화와 내부 온도의 변화 사이에 일시적인 차이를 유발할 수 있다. 예를 들어, 환경 온도가 낮아지는 경우, 표면 온도가 그에 따라 낮아지고 그 후 내부 온도가 낮아질 때까지 소정 길이의 시간이 필요하다. 대안적으로, 예를 들어 배터리 표면이 가열기에 의해 가열되는 경우, 내부 온도가 그에 따라 증가할 때까지 소정 길이의 시간이 필요하다. 상술한 구성에 따르면, 내부 온도는 열전달을 고려하여 환경 온도 및 표면 온도로부터 계산되기 때문에, 배터리의 충전/방전은 전해질 용액의 상태에 따라 적절한 온도에서 금지될 수 있다.
바람직하게는, 전력 저장 시스템은 전기 동력형 차량에 장착된다. 전기 동력형 차량은 전기 동력형 차량의 주행 시스템을 시동 및 중지시키는 동작 유닛을 포함한다. 제어 장치는, 상기 동작 유닛의 조작에 의한 상기 주행 시스템의 시동으로부터 중지까지의 기간인 활성화 기간 동안 배터리의 온도가 제1 결정 온도 미만으로 떨어지는 경우에 배터리의 충전/방전을 금지하도록 구성된다. 제어 장치는, 상기 활성화 기간 동안 배터리의 온도가 제2 결정 온도를 초과하더라도 배터리의 충전/방전의 금지를 해제하지 않고, 상기 활성화 기간 후의 활성화 기간 동안 배터리의 온도가 제2 결정 온도를 초과하는 경우에 배터리의 충전/방전의 금지를 해제하도록 구성된다.
전기 동력형 차량의 주행 시스템은 사용자가 동작 유닛(예를 들어, 점화 스위치)을 ON 전환함으로써 시동 된다. 배터리의 온도가 이 시스템 활성화 기간 동안 제1 결정 온도 미만으로 떨어지는 경우, 배터리의 충전/방전이 금지되므로, 전기 동력형 차량은 OFF 준비 상태(주행불가능 상태)로 들어간다. 또한, 배터리의 온도가 상기 활성화 기간 동안 제2 결정 온도를 초과하는 경우, 전기 동력형 차량이 ON 준비 상태(주행가능 상태)로 전환되게 하도록 충전/방전의 금지를 해제하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 이 경우, 전기 동력형 차량은 사용자가 동작 유닛을 조작하지 않은 경우에도 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환된다. 이는 사용자 불편을 유발할 수 있다. 상기 구성에 따르면, 충전/방전의 금지는 사용자 불편을 방지하기 위해서 사용자 조작에 의해 다른 시스템 활성화 기간이 개시된 후에 해제될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 저장 시스템에서 배터리를 보호하면서 배터리가 사용될 수 있는 온도 범위를 확장할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템이 장착되는 전기 동력형 차량의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리의 구성을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 셀의 구성을 더 상세하게 설명하는 도면이다.
도 4의 (A) 및 (B)는 결정 온도(T1) 및 결정 온도(T2)를 설명하는 개념도이다.
도 5의 (A) 및 (B)는 배터리 셀의 열화 정도를 계산하는 예시적인 방법을 예시하는 도면이다.
도 6의 (A) 및 (B)는 결정 온도(T1)를 계산하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템이 장착되는 전기 동력형 차량에서의 충전/방전 제어를 설명하는 타임 차트이다.
도 8은 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템이 장착되는 전기 동력형 차량에서의 충전/방전 제어를 설명하는 흐름도이다.
도 9는 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템이 장착되는 전기 동력형 차량에서의 충전/방전 제어를 설명하는 타임 차트이다.
도 10은 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템이 장착되는 전기 동력형 차량에서의 충전/방전 제어를 설명하는 흐름도이다.
본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명하며, 도면에서 동일하거나 대응하는 요소는 동일한 참조 부호로 나타내고 그에 대한 설명은 반복하지 않는다.
본 발명의 실시예에서, 본 발명에 따른 전력 저장 시스템이 차량의 외부로부터 충전(외부 충전)될 수 있도록 구성되는 플러그인 하이브리드 자동차에 장착되는 구성에 대한 설명이 제공된다. 그러나, 본 발명에 따른 전력 저장 시스템이 장착될 수 있는 전기 동력형 차량은 이것으로 한정되지 않으며 일반적인 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료 자동차일 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 전력 저장 시스템은 차량뿐만 아니라 다른 목적을 위해서도 사용될 수 있다.
본 발명 및 본 발명의 실시예에서 사용되는 바와 같은 "충전/방전"이라는 용어는 충전 및 방전 중 적어도 하나를 의미한다. 본 발명의 실시예에서, 배터리로서 충전 및 방전이 모두 가능하도록 구성되는 2차 배터리를 포함하는 전력 저장 시스템의 예가 설명된다. 그러나, 배터리는 1차 배터리일 수도 있다.
제1 실시예
<전력 저장 시스템의 구성>
도 1은 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템이 장착되는 전기 동력형 차량의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 도 1을 참조하며, 차량(1)은 전력 저장 시스템(2), 시스템 메인 릴레이(SMR)(160), 전력 제어 유닛(PCU)(200), 엔진(100), 제1 모터 제너레이터(MG)(10), 동력 분배 장치(30), 제2 MG(20), 및 구동륜(350)을 포함한다. 전력 저장 시스템(2)은 배터리(150) 및 전자 제어 유닛(ECU)(300)을 포함한다.
차량(1)은 엔진(100) 및 제2 MG(20) 중 적어도 하나로부터 출력되는 구동력으로 주행할 수 있다. 엔진(100)은 예를 들어 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진 같은 내연기관을 포함하도록 구성된다. 엔진(100)은, 제1 MG(10)에 의해 시동되도록 크랭킹될 때, 동력 분배 장치(30)를 통해 구동륜(350) 및 제1 MG(10) 중 적어도 어느 하나에 원동력을 공급한다.
제1 MG(10) 및 제2 MG(20) 각각은 AC 회전 전기 기계, 예를 들어 3상 AC 영구 자석 타입 동기 모터이다. 제1 MG(10)는 동력 분할 장치(30)를 통해 수신된 엔진(100)의 원동력을 사용하여 전기 전력을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 배터리(150)의 SOC(State Of Charge)가 미리규정된 하한값에 도달한 경우, 엔진(100)은 제1 MG(10)가 전기 전력을 발생시키게 하도록 시동된다. 제1 MG(10)에 의해 발생된 전기 전력은 PCU(200)에 의해 배터리(150)에의 저장 및 제2 MG(20)에의 직접 공급을 위한 전압으로 변환된다.
제2 MG(20)는 배터리(150)에 저장된 전기 전력 및 제1 MG(10)에 의해 발생된 전기 전력 중 적어도 하나를 사용하여 구동력을 발생시킨다. 제2 MG(20)의 구동력은 프로펠러 샤프트를 통해 구동륜(350)에 공급된다.
동력 분할 장치(30)는 예를 들어 유성 기어 기구이며 엔진(100)에 의해 발생된 구동력을 구동륜(350)을 구동하기 위한 원동력 및 제1 MG(10)를 구동하기 위한 원동력으로 분할하도록 구성된다.
PCU(200)는 ECU(300)로부터의 제어 신호에 기초하여 제1 MG(10) 및 제2 MG(20)를 구동하기 위한 구동 장치이다. PCU(200)는 배터리(150)와 제1 MG(10) 사이에서 전압을 변환하기 위한 인버터(210), 배터리(150)와 제2 MG(20) 사이에서 전압을 변환하기 위한 인버터(220), 및 배터리(150)와 인버터(210, 220) 사이에서 DC 전압을 증가 또는 감소시키기 위한 변환기(230)를 포함한다.
SMR(160)은 PCU(200)와 배터리(150) 사이에 전기적으로 연결된다. SMR(160)은 ECU(300)로부터의 제어 신호에 기초하여 PCU(200)와 배터리(150) 사이에서 전기 전력의 공급 및 중단을 전환한다. 엔진(100), 제1 MG(10), 제2 MG(20), PCU(200), SMR(160) 등은 본 발명에 따른 차량(1)의 "주행 시스템"에 대응한다는 것을 유의하라.
배터리(150)는 재충전가능한 DC 전원이며, 예를 들어 리튬 이온 배터리, 니켈 금속 수소 배터리 등과 같은 2차 배터리 또는 전기 이중 층 커패시터 등과 같은 커패시터를 포함하도록 구성된다. 본 실시예에서, 리튬이온 2차 배터리의 배터리 팩인 배터리 팩(152)으로서 사용되는 예에 대해서 설명한다.
배터리(150)는 전압 센서(155), 전류 센서(156), 표면 온도 센서(157), 및 환경 온도 센서(158)를 더 포함한다. 전압 센서(155)는 배터리(150)의 전압(Vb)을 검출한다. 전류 센서(156)는 배터리(150)에 대해 입력 및 출력되는 전류(Ib)를 검출한다. 표면 온도 센서(157)는 배터리(150)의 표면 온도(Tb)를 검출한다. 환경 온도 센서(158)는 배터리(150)의 환경 온도(Tc)를 검출한다. 각각의 센서는 ECU(300)에 검출값을 출력한다. ECU(300)는 각각의 센서의 검출값에 기초하여 배터리(150)의 SOC를 계산하며 배터리(150)의 충전/방전을 제어한다.
차량(1)은, 배터리(150)의 외부 충전을 위한 구성으로서, 충전 릴레이((CHR)(170), 전력 변환기(180), 및 충전 커넥터(190)를 더 포함한다.
외부 충전 동안, CHR(170)이 폐쇄되고, 외부 전원(500)이 충전 플러그(510)를 통해 충전 커넥터(190)에 전기적으로 연결된다. 외부 전원(500)은 일반적으로 상업적인 AC 전원에 의해 형성된다. 전력 변환기(180)는 외부 전원(500)으로부터의 AC 전압을 배터리(150)를 충전하기 위한 DC 전압으로 변환하기 위해서 CHR(170)과 충전 커넥터(190) 사이에 전기적으로 연결된다. 이 DC 전압은 CHR(170) 및 SMR(160)을 통해 배터리(150)에 공급된다. 차량(1)은 배터리(150)의 전기 전력을 차량의 외부에 공급하기 위해 전력을 외부 공급하도록 구성될 수 있다는 것을 유의하라. 이 겨우, 차량(1)의 충전 커넥터(190)는 외부 전원(500) 대신에 도시되지 않은 전기 부하(예를 들어, 전기 장치, 전기 장비, 또는 다른 전기 동력형 차량)과 전기적으로 연결된다.
ECU(300)는 중앙 처리 유닛(CPU)(302), 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리(304), 입력/출력 버퍼(도시되지 않음) 등을 포함하도록 구성된다. ECU(300)는 다양한 센서 각각으로부터의 입력 신호에 기초하여 제어 신호를 출력하며 각각의 장치를 제어한다. 더 구체적으로는, ECU(300)는 배터리(150)의 저압 센서(155), 전류 센서(156) 및 표면 온도 센서(157) 이외에 예를 들어 점화 스위치(310)에 연결된다.
점화 스위치(동작 유닛)(310)는 사용자 동작에 의해 ON/OFF 전환된다. 점화 스위치(310)가 ON 전환되는 경우, IG-ON 신호가 점화 스위치(310)로부터 ECU(300)에 출력된다. ECU(300)는, IG-ON 신호의 수신 시, 도 7에 의해 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이 ON 준비 대기 요청의 ON/OFF를 결정한다. ON 준비 대기 요청이 ON인 경우, 차량(1)은 ECU(300)가 IG-ON 신호를 수신한 경우에도 OFF 준비 상태에서 유지된다. ON 준비 대기 요청이 OFF 전환되는 경우, SMR(160)은 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 전환된다. 이는 차량(1)이 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환되게 한다.
한편, 점화 스위치(310)가 OFF 전환되는 경우, IG-OFF 신호는 점화 스위치(310)로부터 ECU(300)에 출력된다. ECU(300)는, IG-OFF 신호의 수신 시, 엔진(100)을 중지시키고 SMR(160)을 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 전환한다. 이는 차량(1)이 ON 준비 상태로부터 OFF 준비 상태로 전환되게 한다. 그러나, 점화 OFF 상태에서도, 충전 커넥터(190)가 외부 충전을 위해 충전 플러그(510) 안으로 삽입된 경우에도, SMR(160) 및 CHR(170)은 폐쇄된다는 것을 유의하라. 결과적으로, 외부 전원(500)으로부터의 AC 전기 전력은 전력 변환기(180)에 의해 배터리(150)에의 공급을 위한 DC 전기 전력으로 변환될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리(150)의 구성을 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에서, 예를 들어 30개의 배터리 셀(101 내지 130)이 배치되는 배터리 팩(152)의 구성을 설명한다. 약 수십 개 내지 100개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩이 대개 차량 장착형 배터리로서 사용되지만, 배터리의 수는 특별히 한정되지 않는다. 배터리 셀(101 내지 130) 각각의 구성은 동일하기 때문에, 대표적인 배터리 셀(101)의 구성을 아래에서 설명한다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 셀(101)의 구성을 더 상세하게 설명하는 도면이다. 도 3에서, 배터리 셀(101)은 내부가 보이는 상태로 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 배터리 셀(101)은 실질적 직육면체 형상을 갖는 배터리 케이스(161)를 갖는다. 배터리 케이스(161)의 상면(z축 방향의 상면)은 덮개(162)로 밀봉된다. 덮개(162)에는 외부 연결을 위해 양극 단자(163) 및 음극 단자(164)가 제공된다. 양극 단자(163) 및 음극 단자(164) 각각의 일 단부는 덮개(162)로부터 외부로 돌출한다. 양극 단자(163) 및 음극 단자(164)의 다른 단부는 배터리 케이스(161) 내의 내부 양극 단자 및 내부 음극 단자(모두 도시되어 있지 않음)에 전기적으로 연결된다.
전극체(165)가 배터리 케이스(161) 내에 수용된다. 전극체(165)는, 사이에 분리기(168)가 끼워진 상태로 서로 적층된 양극 시트(166) 및 음극 시트(167)가 튜브 형태로 권취되어 있는 권취 형상을 갖는다. 분리기(168)는 양극 시트(166)에 형성된 양극활 물질 층(도시되지 않음)과 음극 시트(167)에 형성된 음극 활물질 층(도시되지 않음)의 양자 모두와 접촉하도록 배치된다. 분리기(168)에는 전해질 용액으로 충전되는 공극이 형성되어 있다.
전해질 용액으로서, 예를 들어 디메틸 카르보네이트(DMC), 에틸 메틸 카르보네이트(EMC), 및 에틸렌 카르보네이트(EC)의 혼합 용매가 사용된다. 이 유기 용매에서, 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6) 등과 같은 리튬 염이 전해질로서 용해되어 있다. 잉여 전해질 용액(169)은 배터리 케이스(161)의 저부(z축 방향의 하부)에 저장된다.
ECU(300)는 표면 온도 센서(157)에 의해 검출되는 배터리 셀(101)의 표면 온도(Tb) 및 환경 온도 센서(158)에 의해 검출되는 배터리 셀(101)의 환경 온도(Tc)에 기초하여 배터리 셀(101)의 내부 온도(Ti)를 계산한다. 이 계산 방법을 이하에서 상세하게 설명한다.
<전해질 용액의 응고 및 용융>
상술한 구성을 갖는 전력 저장 시스템(2)에서, 배터리(150) 내의 각각의 배터리 셀의 전해질 용액은 극저온 환경하에서 응고될 수 있다. 일반적으로, 전해질 용액은 환경 온도가 감소함에 따라 국부적으로 응고되기 시작하고, 그 후 전해질 용액의 응고가 점진적으로 진행되며, 마지막에는 전해질 용액은 완전히 응고된다. 전해질 용액이 국부적으로 응고될 때, 배터리(150)가 충전/방전될 수 있다 하더라도, 충전/방전 전류는 전해질 용액의 미응고 부분에서 농축된다. 따라서, 전해질 용액이 응고되지 않은 부분에서의 전류 밀도가 허용 가능한 값을 초과할 수 있다. 결과적으로, 적절한 배터리(150) 보호가 달성될 수 없다. 따라서, 전해질 용액이 응고되기 전에 충전/방전이 국부적으로라도 금지되고, 전해질 용액이 완전히 용융된 후에 충전/방전이 해제되도록, 배터리의 충전/방전을 금지하고 금지를 해제하는 결정값을 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명자는, 배터리(150)에서 사용된 전해질 용액의 성질로 인해 동결점(응고가 시작되는 온도)와 용융점(용융이 시작되는 온도) 사이에 히스테리시스가 존재하며, 동결점은 용융점보다 낮다는 사실에 집중하였다. 즉, 전해질 용액의 온도가 낮아지는 경우, 전해질 용액의 온도가 용융점보다 낮은 동결점에 도달할 때까지 전해질 용액은 응고되기 어렵다. 반대로, 전해질 용액의 온도가 증가하는 경우, 전해질 용액의 온도가 동결점보다 높은 용융점에 도달할 때까지 전해질 용액은 용융되기 어렵다.
그러므로, 본 실시예에서 배터리(150)의 충전/방전의 금지를 결정하기 위한 결정 온도(T1)(제1 결정 온도) 및 충전/방전의 금지의 해제를 결정하기 위한 결정 온도(T2)(제2 결정 온도)가 개별적으로 제공되는 구성이 사용된다.
도 4의 (A) 및 (B)는 결정 온도(T1) 및 결정 온도(T2)를 설명하는 개념도이다. 도 4의 (A)는 본 실시예에 따른 결정 온도(T1, T2)를 설정하는 방법을 도시하며, 도 4의 (b)는 비교예에 따른 결정 온도를 설정하는 방법을 도시한다. 여기서, 배터리 셀(101)의 내부 온도(Ti)(전해질 용액의 온도와 동일하도록 근사될 수 있음)의 저하로 인해 전해질 용액이 응고되고, 그 후 전해질 용액이 내부 온도(Ti)의 증가로 인해 용융되는 상황을 가정한 설명이 제공될 것이다.
도 4의 (A)를 참고하면, 내부 온도(Ti)가 낮아지는 경우, 내부 온도(Ti)가 동결점(Tf)보다 높으면, 전해질 용액은 액체이다. 내부 온도(Ti)가 동결점(Tf)에 도달한 경우, 전해질 용액은 국부적으로 응고되기 시작한다. 그 후, 전해질 용액의 응고가 점진적으로 진행되고 마지막에는 전해질 용액이 완전히 응고된다. 대안적으로, 온도는 전해질 용액의 완전히 응고되기 전에 증가하기 시작할 수 있다.
본 실시예에서, 결정 온도(T1)는 전해질 용액의 응고가 시작되는 온도(동결점(Tf)) 이상으로 설정된다. 온도가 낮아지는 경우, 전해질 용액이 액체이면서 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T1)보다 높으면, 배터리(150)의 충전/방전이 허용된다. 한편, 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T1) 이하가 되면, 배터리(150)의 충전/방전이 금지된다.
한편, 내부 온도(Ti)가 증가하는 경우, 전해질 용액의 성질로 인해, 용융점(Tm)은 동결점(Tf)보다 높다. 내부 온도(Ti)가 용융점(Tm)에 도달한 경우, 전해질 용액은 용융되기 시작한다. 내부 온도(Ti)가 계속해서 용융점(Tm)과 동일한 상태에서 전해질 용액의 용융이 진행되는 경우, 전해질 용액은 완전히 용융된다.
결정 온도(T2)는 결정 온도(T1)보다 높게 설정된다. 온도가 증가하는 경우, 전해질 용액은 전해질 용액이 부분적으로 또는 완전히 응고된 상태로부터 완전히 액체로 전환되고, 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T2) 이상이 되면, 배터리(150)의 충전/방전의 금지가 계속된다. 한편, 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T2)를 초과한 경우, 배터리(150)의 충전/방전의 금지가 해제된다(충전/방전이 허용된다).
<결정 온도(T1)>
다음으로, 도 4의 (B)를 참조하여, 결정 온도(T1)를 설정하는 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 도 4의 (B)에 도시된 비교예에서와 같이, 내부 온도(Ti)가 낮아지는 시간 및 내부 온도(Ti)가 증가하는 시간에 대해 공통 결정 온도(T0)를 설정하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 결정 온도(T0)가 용융점(Tm)보다 높게 설정되는 경우, 전해질 용액이 응고되기 시작하기 전해 충전/방전이 금지되며, 따라서 배터리가 보호될 수 있다. 그러나, 온도가 낮아지는 한편 내부 온도가 결정 온도(T0)로부터 동결점(Tf)으로 낮아지는 경우, 전해질 용액이 응고되지 않더라도 배터리의 충전/방전이 금지된다. 즉, 배터리의 충전/방전이 금지되는 온도의 범위가 과도하게 넓기 때문에, 사용자 편의가 손상될 수 있다.
반대로, 본 실시예에서, 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이, 결정 온도(T1)는 전해질 용액의 동결점(Tf) 이상 및 전해질 용액의 용융점(Tm) 이하로 설정된다. 이러한 방식에서, 내부 온도(Ti)가 용융점(Tm)으로부터 결정 온도(T1)로 낮아지는 상태에서도 배터리(150)의 충전/방전이 허용되며, 결과적으로 비교예의 범위에 비해 배터리가 충전/방전될 수 있는 온도의 범위가 넓어진다. 따라서, 사용자 편의가 향상될 수 있다.
결정 온도(T1)는 고정값으로서 설정될 수 있지만, 배터리(150)의 열화의 진행(열화 정도)에 따라 변화되는 것이 바람직하다.
도 5의 (A) 및 (B)는 배터리 셀(101)의 열화 정도를 계산하는 예시적인 방법을 예시하는 도면이다. 내부 저항의 증가율(배터리 셀의 초기 상태(예를 들어, 제조된 상태)에서의 내부 저항에 대한 현재 시간에서의 내부 저항의 비율)이 도 5의 (A)에 도시된 바와 같이 배터리 셀(101)의 열화의 정도로서 사용될 수 있다. 배터리 셀(101)의 내부 저항의 증가율이 증가함에 따라, 열화 정도는 크게 계산된다. 대안적으로, 도 5의 (B)에 도시된 바와 같이, 용량 보유율(배터리 셀의 초기 상태에서의 용량에 대한 현재 시간에서의 용량의 비율)이 사용될 수 있다. 배터리 셀(101)의 용량 보유율이 낮아짐에 따라, 열화 정도는 크게 계산된다.
도 6의 (A) 및 (B)는 결정 온도(T1)를 계산하는 방법을 더 상세하게 설명하는 도면이다. 도 6의 (A) 및 (B)의 각각에서, 수평축은 배터리 셀(101)의 리튬 염 농도를 나타낸다(단위: mol/L). 도 6의 (A)의 수직축은 배터리 셀(101)의 열화 정도를 나타낸다. 도 6의 (B)에서 수직축은 배터리 셀(101)의 전해질 용액의 동결점(Tf)을 나타낸다.
도 6의 (A)를 참고하면, 일반적으로 전해질 용액의 리튬 염 농도는 배터리 셀의 열화가 진행됨에 따라 낮아진다. 더 구체적으로는, 배터리 셀의 열화가 진행될 때, 배터리 셀의 내부 저항은 증가하거나 배터리 셀의 용량은 낮아진다. 그리고, 전해질 용액의 리튬 염 농도는 내부 저항이 증가하거나 용량이 저하함에 따라 낮아진다. ECU(300)의 메모리(304)는 예를 들어 맵(M1)(도시되지 않음)의 형태로 도 6의 (A)에 도시된 바와 같은 배터리 셀(101)의 열화 정도와 전해질 용액의 리튬 염 농도 사이의 상관관계를 저장한다.
다음으로, 도 6의 (B)를 참고하면, 리튬 염 농도가 증가함에 따라, 전해질 용액의 동결점(Tf)은 동결점의 저하로 인해 낮아진다. ECU(300)의 메모리(304)는 또한 예를 들어 맵(M2)(도시되지 않음)의 형태로 도 6의 (B)에 도시된 바와 같이 전해질 용액의 동결점(Tf)과 리튬 염 농도 사이의 상관관계를 저장한다.
맵(M1)을 참조하면, ECU(300)는, 배터리 셀(101)의 열화 정도(Za)로부터, 열화 정도(Za)에 대응하는 리튬 염 농도(Ca)를 계산한다. 또한, 맵(M2)을 참조하면, ECU(300)는 리튬 염 농도(Ca)로부터 리튬 염 농도(Ca)에 대응하는 동결점(Tfa)을 계산한다. 이런 방식에서, ECU(300)는 배터리 셀(101)의 열화 정도에 기초하여 전해질 용액의 동결점(Tf)을 계산할 수 있다.
상술한 바와 같이, 결정 온도(T1)는 동결점(Tf) 이상으로 설정된다. 배터리(150)의 열화가 진행되어 열화 정도가 Za로부터 Zb가 되게 하면, 동결점(Tf)은 Tfa로부터 Tfb로 증가한다. 이런 경우에, 동결점(Tf)의 증가와 함께, 결정 온도(T1)는 Tfa 이상의 값으로부터 Tfb 이상의 값으로 변화되는 것이 바람직하다. 이런 방식에서, 배터리(150)의 열화 정도 및 전해질 용액의 동결점(Tf) 사이의 관계에 기초하여 결정 온도(T1)를 설정함으로써, 배터리(150)의 충전/방전은 전해질 용액의 상태에 따라 적절한 온도에서 금지될 수 있다.
ECU(300)는, 맵(M1 및 M2) 대신에, 전해질 용액의 동결점(Tf)과 배터리 셀(101)의 열화 정도 사이의 상관관계를 직접 나타내는 다른 맵을 가질 수 있다는 것을 유의하라. 또한, 동결점(Tf)을 계산하는 방법은 맵의 사용으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 동결점(Tf)은 미리규정된 함수를 사용하여 계산될 수 있다.
<결정 온도(T2)>
다음으로, 도 4를 참조하여, 결정 온도(T2)를 설정하는 방법에 대해서 설명한다. 내부 온도(Ti)가 용융점(Tm)에 도달하도록 증가하더라도, 전해질 용액의 완전히 용융될 때까지 소정 길이의 시간이 필요하다. 이제 이에 대해 더 구체적으로 설명한다. 일단 응고된 후에 용융되는 전해질 용액의 온도는 용융점(Tm)에서 일정해진다. 전해질 용액이 실질적으로 완전히 용해된 후에, 전해질 용액의 온도는 용융점(Tm)으로부터 증가하기 시작한다. 그러므로, 전해질 용액이 완전히 용융되기 위해서는, 결정 온도(T2)는 미리규정된 온도(ΔT)만큼 용융점(Tm)보다 높게 설정되는 것이 바람직하다. ΔT의 정도는, 시뮬레이션 결과 또는 실험 결과에 기초하여, 내부 온도(Ti)의 계산 에러를 고려하여 적절하게 설정될 수 있다. 상술한 바와 같이 결정 온도(T2)를 설정하는 것은 배터리(150)가 전해질 용액이 완전히 용융됨에 따라 충전/방전되는 것을 보증한다. 그러므로, 배터리(150)는 더 확실하게 보호될 수 있다.
<내부 온도의 계산>
전술한 설명에서, 배터리 셀(101)의 내부 온도(Ti)는 전해질 용액의 온도로서 사용될 수 있다. 전해질 용액의 온도를 매우 정확하게 검출하기 위해서 배터리 셀(101)의 내부에 온도 센서를 제공하는 것이 바람직하지만, 이러한 구성은 실현하기가 어렵다. 그러므로, 표면 온도 센서(157)에 의해 검출된 배터리 셀(101)의 표면 온도(Tb) 및 환경 온도 센서(158)에 의해 검출된 배터리 셀(101)의 환경 온도(Tc)에 기초하여, 배터리(150)와 환경 사이의 열전달을 고려하여 내부 온도(Ti)를 계산한다. 이런 계산 방법의 일례를 이하에서 상세하게 설명한다.
도 3을 다시 참고하면, 배터리 케이스(161)의 표면적을 S(단위:m2)로 나타내고, 배터리 케이스(161)로부터 외부 공기로의 대류 열전달 계수를 h(단위:W/(m2×K)로 나타내면, 대류에 의한 배터리 케이스(161)로부터의 열복사량(Qt)(단위:W)은 이하의 식 (1)에 의해 표현된다:
Qt = (Tb - Tc) × S × h ... (1)
또한, 표면 방사율을 p(무차원 수)로 나타내고, 슈테판-볼츠만 상수를 σ(단위:W/(m2×K4))로 나타내면,
복사에 의한 배터리 셀(161)로부터의 열복사량(Qh)(단위:W)은 이하의 식 (2)에 의해 표현된다:
Qh = (Tb4 - Tc4) × S × p × σ ... (2)
여기서, 배터리 케이스(161)의 두께(예를 들어, 배터리 케이스(161)에 사용되는 알루미늄 합금 시트의 두께)를 d(단위:m)로 나타내고, 열전도율을 K(단위:W/(m×K))로 나타내면, 내부 온도(Ti)와 표면 온도(Tb) 사이의 온도차와 열복사량의 합계(Qt+Qh) 사이에 이하의 식 (3)이 유지된다:
(Ti - Tb) × K × S/d = Qt + Qh ... (3)
식 (3)이 식 (1) 및 (2)를 치환함으로써 식 (3)으로 변형되고, 상수가 α, β(α>0, β>0)으로 표현되는 경우, 내부 온도(Ti)에 대한 이하의 식 (4)가 유도된다:
Ti = Tb + α(Tb - Tc) + β(Tb4 - Tc4) ... (4)
식 (4)로부터, 내부 온도(Ti)는 표면 온도(Tb)와 환경 온도(Tc)의 함수로서 표현된다. 그러므로, 내부 온도(Ti), 표면 온도(Tb), 및 환경 온도(Tc) 사이에 유지되는 관계가 ECU(300)의 메모리(304) 내에 맵(M)으로서 미리 저장된다. 이는 내부 온도(Ti)가 표면 온도(Tb) 및 환경 온도(Tc)에 기초하여 계산되는 것을 허용한다. 맵(M)은 표면 온도 센서(157) 및 환경 온도 센서(158) 각각의 에러를 고려하여 생성되는 것이 바람직하다는 것을 유의하라.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서, 내부 온도(Ti)는 배터리(150)와 환경 사이의 열전달을 고려하여 표면 온도(Tb) 및 환경 온도(Tc)로부터 계산되기 때문에, 배터리(150)의 충전/방전은 전해질 용액의 상태에 따라 적절한 온도에서 금지될 수 있다.
여기서는 배터리 셀(101)을 설명하였지만, 배터리 셀(101 내지 130)은 동일한 구성을 갖기 때문에, 그들 모두에는 표면 온도 센서가 제공된다는 것을 유의하라. 이 경우, 내부 온도(Ti)는 모든 표면 온도 센서에 의해 검출된 표면 온도(Tb)의 최저값을 사용하여 계산되는 것이 바람직하다. 이렇게 함에 있어서, 상기 식 (4)에 따르면, 내부 온도(Ti)는 최저로 계산되므로, 내부 온도(Ti)는 결정 온도 (T1) 미만이 되기 쉽다. 결과적으로, 조기 단계에서 충전/방전이 금지되므로, 배터리(150)는 더 확실하게 보호될 수 있다.
대안적으로, 배터리(150)에는 복수의 환경 온도 센서가 제공될 수 있다. 이 경우, 바람직하게는, 환경 온도 센서 모두에 의해 검출된 환경 온도(Tc)의 최고값이 환경 온도(Tc)로서 사용된다. 상기 식 (4)에 따르면, 환경 온도(Tc)가 증가함에 따라, 내부 온도(Ti)는 낮게 계산되므로, 내부 온도(Ti)는 결정 온도(T1) 미만이 되기 쉽다. 그러므로, 배터리(150)는 더 확실하게 보호될 수 있다.
<전기 동력형 차량의 제어>
차량(1)에서의 배터리(150)의 충전/방전이 금지될 필요가 있는지 여부를 주행 중보다는 주행의 개시 전에 결정하는 것이 바람직하다. 이하에서는, 차량(1)이 극저온 환경하에서 주차되어 있는 상황을 상정하여, 점화 스위치(310)가 ON 전환되는 제어에 대해서 설명한다. 일례로서, 이하의 제어는 외부 충전 또는 외부 전력 공급 중에는 실행되지 않고 주행 시스템이 통상 조건하에서 활성화될 때 실행된다는 것을 유의하라.
도 7은 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템(2)이 장착되는 차량(1)에서의 충전/방전 제어를 설명하는 타임 차트이다. 도 7이 수평축은 경과 시간을 나타낸다. 도 7의 수직축은 상부로부터 순서대로 점화의 ON/OFF 상태, ON 준비 대기 요청의 ON/OFF 상태, 내부 온도(Ti), 충전/방전 금지 플래그의 ON/OFF 상태를 나타낸다.
도 1 및 도 7을 참고하면, 시작 시간(0)에서, 점화 스위치(310)는 OFF이고, 극저온에서 냉각된 배터리(150)의 내부 온도(Ti)는 결정 온도(T1) 미만이다. 그러나, 충전/방전 금지 플래그는 OFF라는 것을 유의하라.
시간 t11에서, 점화 스위치(310)가 ON 전환될 때, 제1 시스템 활성화 기간이 시작된다. "시스템 활성화 기간"이라는 용어는 점화 수위치(310)가 ON 전환됨으로써 주행 시스템이 시작되는 시간과 점화 스위치(310)를 OFF 전환함으로써 주행 시스템이 중지되는 시간 사이의 기간을 의미한다.
제1 실시예에서, 충전/방전 금지 플래그가 OFF인 경우에, 내부 온도(Ti)가 낮지만 점화가 ON 전환되고 나사 바로 배터리(150)가 충전/방전되는 것을 방지하기 위해서, 시스템의 시작시에 ON 준비 대기 요청은 충전/방전 금지 플래그의 ON/OFF에 관계없이 ON 전환된다. ON 준비 대기 요청이 ON인 동안, 차량(1)은 OFF 준비 상태에서 유지된다.
내부 온도(Ti)가 결정 온도(T1)보다 낮은 상태에서 미리규정된 기간이 경과한 경우, 시간 t12에서 충전/방전 금지 플래그는 OFF로부터 ON으로 전환된다. 이는 배터리(150)의 충전/방전이 금지되게 하고, 이는 ON 준비 대기 요청이 ON으로 유지되게 한다.
그 후, 내부 온도(Ti)가 점진적으로 증가하며, 시간 t13에서 결정 온도(T2)에 도달한다. 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T2) 이상인 상태에서 미리규정된 기간이 경과한 경우, 시간 t14에서 충전/방전 금지 플래그는 ON으로부터 OFF로 전환된다. 이는 ON 준비 대기 요청이 ON으로부터 OFF로 전환되게 한다. 그러므로, 차량(1)은 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환된다.
시간 t15에서, 점화 스위치(310)가 OFF 전환되는 경우, 제1 시스템 활성화 기간이 종료한다. 이는 차량(1)이 OFF 준비 상태에 들어가게 한다.
시간 t16에서, 점화 스위치(310)가 다시 ON 전환될 때, 제2 시스템 활성화 기간이 시작된다. 상술한 바와 같이, 시스템의 시작 시에, ON 준비 대기 요청은 ON 전환된다. 내부 온도(Ti)는 결정 온도(T2)보다 높기 때문에, 충전/방전 금지 플래그는 OFF로 유지된다. 그러므로, 시간 t17에서, ON 준비 대기 요청은 ON으로부터 OFF로 전환되고, 이는 차량(1)이 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환되게 한다.
도 8은 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템(2)이 장착되는 차량(1)에서의 충전/방전 제어를 설명하는 흐름도이다. 도 8에 도시된 흐름도는 예를 들어 점화 스위치(310)가 ON 전환될 때 메인 루틴으로부터 호출되어 실행된다. 이 흐름도의 각 단계는 기본적으로 ECU(300)에 의한 소프트웨어 처리에 의해 실행되지만, ECU(300)에 제작된 하드웨어(전자 회로)에 의해 실행될 수도 있다는 것을 유의하라.
도 1, 도 7, 및 도 8을 참고하면, S10에서 ECU(300)는 표면 온도(Tb) 및 환경 온도(Tc)에 기초하여 내부 온도(Ti)를 계산한다. 이 계산 방법은 이미 상세하게 설명되었기 때문에, 그에 대한 설명은 여기서 반복하지 않는다.
S20에서, ECU(300)는 결정 온도(T1)를 계산한다. S30에서, ECU(300)는 결정 온도(T2)를 계산한다. 이 계산 방법도 도 4 및 도 5에 의해 상세하게 설명되었기 때문에, 그에 대한 설명은 여기서 반복하지 않는다.
점화 스위치(310)가 막 ON 전환된 경우(S40에서 예), ECU(300)는 ON 준비 대기 요청을 ON 전환한다(S50)(도 7의 시간 t11, t16 참조). 그렇게 되지 않는 경우(S40에서 아니오), ECU(300)는 S50을 생략하고 처리가 S60으로 진행되게 한다.
S60에서, ECU(300)는 내부 온도(Ti)와 결정 온도(T1) 중 어느 것이 높은지 또는 낮은지를 비교한다. 내부 온도(Ti)가 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T1)보다 낮은 경우(S60에서 예), ECU(300)는 충전/방전 금지 플래그를 ON 전환한다(S70)(도 7에서 시간 t12 참조). 이는 ON 준비 대기 요청이 ON으로 유지되게 하여 차량(1)이 OFF 준비 상태에서 유지되게 한다.
충전/방전 플래그가 ON으로부터 OFF 전환되는 경우, 예를 들어 표면 온도 센서(157) 또는 환경 온도 센서(158)로부터의 신호에 중첩된 노이즈 같은 이유로 인해 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T1)보다 낮다는 잘못된 결정이 이루어질 수 있는 것이 가능하다. 이 경우, 차량(1)은 실제로 주행가능한 상태에 있지만, 배터리(150)의 충전/방전이 금지되어 차량(1)이 주행을 할 수 없게 한다. 그러므로, 바람직하게는, 충전/방전 플래그는 더 신중하게, 즉 내부 온도(Ti)가 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T1) 미만에 있은 후에 ON으로부터 OFF 전환된다. ECU(300)는 그 후 처리를 메인 루틴으로 복귀시킨다.
한편, 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T1) 이상인 경우, 또는 내부 온도(Ti)가 S60에서 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T1) 미만에 있지 않은 경우(S60에서 아니오), ECU(300)는 내부 온도(Ti)와 결정 온도(T2) 중 어느 것이 높은지 또는 낮은지를 비교한다(S80). 내부 온도(Ti)가 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T2) 이상에 있는 경우(S80에서 예), ECU(300)는 충전/방전 금지 플래그를 ON으로부터 OFF로 전환한다(S90). ECU(300)는 그 후 ON 준비 대기 요청을 ON으로부터 OFF로 전환한다(S100)(도 7의 시간 t14 참조). 이는 차량(1)이 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환되게 한다.
S80에서 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T2)보다 낮거나 내부 온도(Ti)가 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T2) 이상이 아닌 경우(S80에서 아니오), ECU(300)는 S90 및 S100을 생략하고 처리를 메인 루틴으로 복귀시킨다. 즉, 차량(1)은 OFF 준비 상태에서 유지된다.
상술한 바와 같이, 제1 실시예에 따르면, 배터리(150)의 온도가 낮아질 때 배터리(150)의 충전/방전을 금지하는 결정 온도(T1) 및 배터리(150)의 온도가 증가할 때 배터리(150)의 충전/방전의 금지를 해제하는 결정 온도(T2)는 개별적으로 설정된다. 그러므로, 배터리(150)는, 도 4의 (B)에 도시된 비교예에서와 같이 충전/방전의 금지와 금지의 해제에 동일한 결정 온도가 사용되는 경우에 비해, 결정 온도(T1)를 사용하여 충전/방전의 금지 없이 넓은 온도 범위에 걸쳐 사용될 수 있다. 또한, 결정 온도(T2)를 사용하여 배터리(150)의 충전/방전의 금지가 전해질 용액의 용융에 응답하여 해제되기 때문에 배터리(150)가 적절하게 보호될 수 있다.
제2 실시예
제1 실시예에서는, 하나의 시스템 활성화 기간 동안 배터리의 충전/방전이 금지되어 차량이 OFF 준비 상태에 들어가게 되는 경우, 동일한 시스템 활성화 기간 동안에도 내부 온도가 증가하면 충전/방전의 금지가 해제되어 차량이 ON 준비 상태로 전환되게 되는 예를 설명하였다(도 7의 시간 t14 참조). 그러나, 이 경우, 사용자가 임의의 특정한 조작을 행하지 않았더라도, 차량은 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환된다. 이는 사용자 불편을 유발할 수 있다. 그러므로, 제2 실시예에서는, 동일한 시스템 활성화 기간 동안 내부 온도가 증가해도 충전/방전의 금지가 해제되지 않고, 사용자 조작에 의해 다른 시스템 활성화 기간이 시작된 후에 충전/방전의 금지가 해제되는 구성을 설명할 것이다.
제2 실시예에서, ECU(300)는 과거(이전) 시스템 활성화 기간 동안 충전/방전 금지 플래그의 ON/OFF를 관리하기 위한 금지 이력 플래그를 갖는다. 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템이 장착되는 차량은 그 외에는 도 1 내지 도 3에 도시된 차량(1)에 대한 구성과 동일하고, 따라서 그에 대한 상세한 설명은 반복하지 않는다는 것을 유의하라.
도 9는 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(2)이 장착되는 차량(1)에서의 충전/방전 제어를 설명하는 타임 차트이다. 도 9의 타임 차트의 수직축은 도 7의 타임 차트의 수직축에 의해 나타나는 항목 이외에 금지 이력 플래그의 ON/OFF 상태를 나타낸다. 개시 시의 금지 이력 플래그는 OFF이다.
도 9를 참고하면, 시간 t21에서, 점화 스위치(310)가 ON 전환될 때, 제1 시스템 활성화 기간이 시작된다. 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T1)보다 낮은 상태에서 미리규정된 기간이 경과한 경우, 시간 t22에서 충전/방전 금지 플래그는 ON 전환되며, 금지 이력 플래그는 OFF로부터 ON으로 전환된다. 이는 배터리(150)의 충전/방전이 금지되게 하여, ON 준비 대기 요청이 ON으로 유지되게 한다.
시간 t23에서, 내부 온도(Ti)는 결정 온도(T2)에 도달한다. 제2 실시예에서, 내부 온도(Ti)가 시간 t23로부터 시간 t24까지의 기간에서와 같이 계속해서 결정 온도(T2) 이상으로 되더라도, 충전/방전 금지 플래그는 제1 시스템 활성화 기간 동안 ON으로 유지된다. 이는 ON 준비 대기 요청이 ON으로 유지되게 하여 차량(1)이 OFF 준비 상태에서 유지되게 한다. 그리고, 시간 t24에서, 제1 시스템 활성화 기간이 종료한다.
시간 t25에서, 점화 스위치(310)가 다시 ON 전환될 때, 제2 시스템 활성화 기간이 시작된다. 시스템의 개시 시에, ON 준비 대기 요청이 ON 전환된다.
여기서, 금지 이력 플래그가 ON이기 때문에, 충전/방전 금지 플래그 또한 일단 ON 전환된다. 그러나, 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T2) 이상이기 때문에, 시간 t26에서, 충전/방전 금지 플래그는 ON으로부터 OFF로 전환되며, 금지 이력 플래그는 ON으로부터 OFF로 전환된다. 이는 ON 준비 대기 요청이 ON으로부터 OFF로 전환되게 하고, 이는 차량(1)이 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환되게 한다. 그리고, 시간 t27에서, 제2 시스템 활성화 기간이 종료한다.
시간 t28에서, 점화 스위치(310)가 다시 ON 전환될 때, 제3 시스템 활성화 기간이 시작된다. 시스템의 개시 시에, ON 준비 대기 요청이 ON 전환된다. 금지 이력 플래그가 OFF이기 때문에, 충전/방전 금지 플래그 또한 OFF이다. 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T2)보다 높기 때문에, 시간 t29에서, ON 준비 대기 요청이 ON으로부터 OFF로 전환되고, 이는 차량(1)이 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환되게 한다.
도 10은 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(2)이 장착되는 차량(1)에서의 충전/방전 제어를 설명하는 흐름도이다. 도 10을 참고하면, S60까지의 처리는 도 8에 도시된 흐름도의 것에 대응하는 처리와 동일하기 때문에, 그에 대한 상세한 설명은 반복하지 않는다.
S60에서, 내부 온도(Ti)가 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T1)보다 낮은 경우(S60에서 예), ECU(300)는 충전/방전 금지 플래그를 ON 전환하고(S70), 금지 이력 플래그를 ON 전환한다(S72)(도 9에서 시간 t22 참조). 이는 ON 준비 대기 요청이 ON으로 유지되게 하여 차량(1)이 OFF 준비 상태에서 유지되게 한다. ECU(300)는 그 후 처리를 메인 루틴으로 복귀시킨다.
한편, S60에서 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T1) 이상이거나 내부 온도(Ti)가 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T1)보다 낮지 않은 경우(S60에서 아니오), ECU(300)는 금지 이력 플래그가 ON인지 여부를 결정한다(S62).
금지 이력 플래그가 ON이고(S62에서 예), 내부 온도(Ti)가 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T2) 이상인 경우(S80에서 예), ECU(300)는 충전/방전 금지 이력 플래그를 ON으로부터 OFF로 전환하고(S90), 금지 이력 플래그를 ON으로부터 OFF로 전환한다(S92). ECU(300)는 그 후 ON 준비 대기 요청을 ON으로부터 OFF로 전환한다(S100)(도 9의 시간 t26 참조). 이는 차량(1)이 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환되게 한다.
S62에서 금지 이력 플래그가 OFF이고(S62에서 아니오), 내부 온도(Ti)가 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T2) 이상인 경우(S110에서 예), ECU(300)는 충전/방전 금지 플래그를 OFF로 유지한다(S120). ECU(300)는 그 후 ON 준비 대기 요청을 ON으로부터 OFF로 전환한다(S130)(도 9의 시간 t29 참조). 이는 차량(1)이 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환되게 한다.
S80 또는 S110에서 내부 온도(Ti)가 결정 온도(T2)보다 낮거나 내부 온도(Ti)가 미리규정된 기간 동안 계속해서 결정 온도(T2) 이상이 아닌 경우(S80 또는 S110에서 아니오), ECU(300)는 후속 처리를 생략하고 처리를 메인 루틴으로 복귀시킨다.
상술한 바와 같이, 제2 실시예에 따르면, 내부 온도가 증가해도, 동일한 시스템 활성화 기간 동안 충전/방전의 금지는 해제되지 않는다. 따라서, 충전/방전의 금지를 해제하기 위해서 사용자 조작이 필요하다. 그러므로, 차량(1)이 OFF 준비 상태로부터 ON 준비 상태로 전환될 때 사용자에게 불편을 초래하는 것을 방지할 수 있다.
본원에 개시된 실시예는 모든 점에서 예시이며 비제한적이라는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 범위는 상기 설명이 아니라 청구항의 용어에 의해 규정되고 청구항의 용어와 동등한 범위 및 의미 내에서 임의의 변형을 포함하도록 의도된다.
1: 차량; 2: 전력 저장 시스템; 10: 제1 모터 제너레이터(제1 MG); 20: 제2 모터 제너레이터(제2 MG); 30: 동력 분배 장치; 50: 배터리 케이스; 52: 덮개; 60, 64: 양극 단자; 62, 66: 음극 단자; 70: 전극체; 72: 양극 시트; 74: 음극 시트; 76: 분리기; 100: 엔진; 101, 130: 배터리 셀; 150: 배터리; 152: 2차 배터리; 155: 전압 센서; 156: 전류 센서; 157: 표면 온도 센서; 158: 환경 온도 센서; 160: 시스템 메인 릴레이(SMR); 161: 배터리 케이스; 162: 덮개; 163: 양극 단자; 164: 음극 단자; 165: 전극체; 166: 양극 시트; 167: 음극 시트; 168: 분리기; 169: 잉여 전해질 용액; 170: 충전 릴레이 (CHR); 180: 전력 변환기; 190: 충전 커넥터; 200: 전력 제어 유닛(PCU); 210, 220: 인버터; 230: 변환기; 300: 전자 제어 유닛(ECU); 302: CPU; 304: 메모리; 310: 점화 스위치; 350: 구동륜; 500: 외부 전원; 510: 충전 플러그.

Claims (8)

  1. 전력 저장 시스템이며,
    전해질 용액을 수용하는 배터리; 및
    상기 배터리의 온도에 기초하여, 상기 배터리의 충전/방전의 허용 및 금지를 제어하는 제어 장치를 포함하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 전해질 용액의 동결점 이상인 제1 결정 온도 및 상기 제1 결정 온도보다 높은 제2 결정 온도를 설정하며;
    상기 전해질 용액이 액체 상태에 있으면서 상기 배터리의 온도가 상기 제1 결정 온도 미만으로 떨어지는 경우에 상기 배터리의 충전/방전을 금지하고, 상기 전해질 용액이 적어도 부분적으로 응고되어 있는 상태로부터 액체 상태로 복귀하고 상기 배터리의 온도가 상기 제2 결정 온도를 초과하는 경우에 상기 배터리의 충전/방전의 금지를 해제하도록 구성되는, 전력 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 결정 온도는 상기 전해질 용액의 동결점과 상기 배터리의 열화 정도 사이의 관계에 기초하여 설정되는, 전력 저장 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열화 정도는 상기 배터리의 내부 저항의 증가율 또는 상기 배터리의 용량 보유율을 사용하여 계산되는, 전력 저장 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 결정 온도는 상기 전해질 용액의 동결점 이상 및 상기 전해질 용액의 용융점 미만으로 설정되는, 전력 저장 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 결정 온도는 미리규정된 온도만큼 전해질 용액의 용융점보다 높게 설정되는, 전력 저장 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리의 환경 온도를 측정하도록 구성되는 환경 온도 센서, 및
    상기 배터리의 표면 온도를 측정하도록 구성되는 표면 온도 센서를 더 포함하며,
    상기 제어 장치는 상기 환경 온도 및 상기 표면 온도로부터 상기 배터리의 내부 온도를 계산하고, 상기 내부 온도에 기초하여 상기 배터리의 충전/방전의 허용 및 금지를 제어하는, 전력 저장 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 저장 시스템은 전기 동력형 차량에 장착되고,
    상기 전기 동력형 차량은 상기 전기 동력형 차량의 주행 시스템을 시동 및 중지시키는 동작 유닛을 포함하며,
    상기 제어 장치는,
    상기 동작 유닛의 조작에 의한 상기 주행 시스템의 시동으로부터 중지까지의 기간인 활성화 기간 동안 상기 배터리의 온도가 상기 제1 결정 온도 미만으로 떨어지는 경우에 상기 배터리의 충전/방전을 금지하고,
    상기 활성화 기간 동안 상기 배터리의 온도가 상기 제2 결정 온도를 초과해도 상기 배터리의 충전/방전의 금지를 해제하지 않고, 상기 활성화 기간 후의 활성화 기간 동안 상기 배터리의 온도가 상기 제2 결정 온도를 초과하면 상기 배터리의 충전/방전의 금지를 해제하도록 구성되는, 전력 저장 시스템.
  8. 전력 저장 시스템을 제어하는 방법이며,
    배터리의 전해질 용액의 동결점 이상인 제1 결정 온도를 설정하는 단계;
    상기 제1 결정 온도보다 높은 제2 결정 온도를 설정하는 단계;
    상기 전해질 용액이 액체 상태에 있으면서 상기 배터리의 온도가 상기 제1 결정 온도 미만으로 떨어지는 경우에 상기 배터리의 충전/방전을 금지하는 단계; 및
    상기 전해질 용액이 적어도 부분적으로 응고되어 있는 상태로부터 액체로 전환되고, 상기 배터리의 온도가 상기 제2 결정 온도를 초과하는 경우에 상기 배터리의 충전/방전의 금지를 해제하는 단계를 포함하는, 전력 저장 시스템을 제어하는 방법.
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