KR20170090143A - 배터리 관리 시스템의 배터리 충전상태 산출방법 - Google Patents

Abstract

발명의 상세한 설명의 기재사항 및 도면에 도시된 사항을 포함하는 배터리 관리 시스템의 배터리 충전상태 산출방법.

Description

배터리 관리 시스템의 배터리 충전상태 산출방법{Method for estimating of battery charging state in Battery management system}

본 발명은 배터리 관리 시스템의 배터리 충전상태 산출방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 충전상태를 정밀하게 산출할 수 있는 배터리 관리 시스템의 배터리 상태 산출방법에 관한 것이다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있다. 전기 자동차 등과 같이 모터 구동을 위한 대전력을 필요로 하는 기기에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차전지는 복수 개를 직렬로 연결하여 대용량의 이차전지(이하, "배터리"라 함)를 구성하게 된다.

상기와 같은 배터리의 경우 복수개의 이차 전지의 충방전 등을 제어하여 배터리가 적정한 동작 상태로 유지하도록 관리할 필요성이 있다. 이를 위해 각 이차 전지의 전압, 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 이차 전지의 충방전을 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 구비된다.

배터리 관리 시스템에서 추정되는 배터리의 고유 용량(State of Charge, 이하 SOC라 함)은 현재 남아 있는 잔존용량을 계산 혹은 추정하는 것으로, 배터리가 완전히 충전되었을 경우를 100%SOC로, 완전히 방전되었을 경우를 0%SOC로 정의한다. 배터리의 충전상태 혹은 잔존용량을 나타내는 SOC는 온도에 따라, 충방전 전류 크기에 따라 변화될 수 있기 때문에 병에 담긴 물처럼 쉽게 계산될 수 없고 여러 가지 방식의 추정으로 결정된다.

전기자동차용 배터리 시스템에 있어서, 배터리의 충전상태 그 중 정확한 SOC의 추정은 매우 중요하다, 정확한 SOC의 추정은 배터리의 수명을 증대시키며, 배터리의 성능을 최적화하고, 배터리의 용량을 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 한다.

SOC 산출 방식은 OCV(Open Circuit Voltage) 산출방식, Tino 산출방식, 전류적산 산출방식, EKF(Extended Kalman Filtering) 산출방식이 사용되고 있다.

OCV 산출방식은 가장 원시적인 SOC 산출 방식으로 배터리 전압을 측정하여 룩업 테이블에 있는 OCV-SOC 데이터와 비교하여 SOC를 얻는 방법이다. 배터리의 전압은 충방전 전류와 온도에 따라 크게 변하기 때문에 동적인 차량 주행조건에서의 SOC 추정 정확도는 매우 낮다. 이 방식은 전기자동차 개발 초기인 1990년대 초에 많이 사용되었다.

Tino 산출방식은 OCV 산출방식을 개선한 방법으로 1990년대 중후반에 많이 사용하였다. 전기자동차가 운행되는 동안의 충방전 전류에 의한 전압의 변화를 보상한 후 룩업 테이블에 있는 OCV-SOC 데이터와 비교하여 SOC를 얻는 방법이다. 이 방식으로 계산된 SOC는 OCV 산출방식에 비해 크게 개선이 되었으나 동적인 차량조건에서의 SOC 추정 정확도는 낮다.

전류적산 산출방식은 배터리의 충방전시의 전류를 실시간으로 적산하여 배터리의 용량과 비교하여 SOC를 추정하는 방식으로 배터리의 용량 퇴화와 충방전 효율을 고려하여 계산하기 때문에 차량의 종적인 운행 조건에서도 비교적 정확하다. 그러나, 전류적산 산출방식 실제 환경에서 다음과 같은 문제점들이 발생한다. 첫째, 순수하게 전류적산만 사용할 경우 전류센서의 오프셋, 실수 연산에서 정수연산으로 변경하는 과정에서의 데이터 소실등이 누적되면서 실제 배터리 잔존용량과 계산한 잔존용량이 달라질 수 있다. 둘째, 전류가 무시되는 소전류(이하, 무전류) 구간, 장기 주차 시 발생하는 자가방전량은 전류 적산에서 제외된다. 셋째, 무전류 구간에서 OCV 테이블을 이용하여 SOC를 다시 산출할 경우 동작을 하지 않음에도 불구하고 SOC가 변경될 수 있다(퇴근 후 SOC 50% 상태에서 전기 자동차를 주차 후 다음날 확인 시 SOC 55%가 될 수 있음, 내려가는 것보다 올라가는 것은 문제발생 소지가 있음), 넷째, 배터리 온도에 따라 전체용량 자체가 달라진다. 실제로 25℃를 기준으로 -20℃에서는 상온대비 SOC 20% 감소하고, 50℃에서는 상온대비 SOC가 6% 증가하는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 배터리의 정확한 충전상태를 산출할 수 있는 배터리 관리 시스템의 배터리 충전상태 산출방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 하기의 상세한 설명 및 도면에 의해 설명되는 수단을 제공한다.

본 발명에 따르면 배터리의 정확한 SOC 또는 SOH와 같은 배터리의 충전상태를 산출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOC 추정방법의 일련의 과정을 도시한 순서도이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 배터리(10)는 대용량의 전지 모듈로서 다수개의 이차 전지(11)가 일정 간격을 두고 연속적으로 배열되며, 상기 복수의 이차 전지가 내부에 배치되고 냉각매체가 유통되는 하우징(13), 상기 배터리의 충방전을 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(20)를 포함할 수 있다.

이차 전지(11) 사이 및 최 외측의 이차 전지(11)에 전지 격벽(12)이 배치될 수 있으며, 이 전지 격벽(12)은 각 이차 전지(11)의 간격을 일정하게 유지 시키면서 온도 제어용 공기를 유통시키고, 각 이차 전지(11)의 측면을 지지하는 기능을 하게 된다.

도 1에서는 이차 전지(11)들이 사각형의 외형을 가진 것으로 도시되어 있으나, 이차 전지(11)는 원통형 구조일 수 있음은 물론이다.

배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10)내의 각 이차 전지(11)의 전류 및 전압 값을 검출하고 이를 관리한다.

배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10)에 설치된 전류 센서, 전압 센서로부터 데이터를 제공받는다. 또한 배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10)의 개방전압(open circuit voltage, 이하, OCV라 함)에 따른 SOC의 관계를 테이블맵화한 데이터를 미리 저장하며, 이를 통해 상기 센서로부터 얻어진 측정값으로부터 SOC를 추정한다. 또는, 배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10)의 초기 SOC를 산출하고, 충방전 개시시점으로부터 측정된 충전 전류 및 방전 전류 값을 시간에 대해 적분하여 전류적산 값을 산출하고, 이 전류적산 값을 초기 SOC에 더함으로써 실제 SOC를 추정하였다.

그러나, 배터리(10)의 전류는 전류 센서에 의해 측정되는 값으로서, 전류 센서의 성능에 따라 측정치에 오류가 발생할 수 있다. 따라서, 배터리(10)가 오래 구동 되는 경우, 특히 배터리(10)의 충방전이 완전히 이루어지지 않는 경우 상당한 양의 전류적산 값의 오차가 누적될 수 있으며, 이러한 누적 오차는 SOC 추정의 정확도를 저하시킨다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOC 추정방법의 일련의 과정을 도시한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 우선 POR 시에는 온도별 OCV 테이블을 이용하여 SOC와 잔존용량, 전체용량을 계산한다(S100).

이어서, 전체용량을 SOC 100%로 설정한 가상의 선형 그래프를 그리고, 적산한 현재용량에 따라 기울기를 이용하여 SOC를 계산한다(S110).

무전류 상태가 일정시간 경과하면 SOC는 현재상태를 유지하면서 OCV 테이블과 온도에 따라 잔존용량을 다시 계산한다(S120).

단계(S120)의 상태를 기준용량으로 설정하고, 이를 기준으로 상위와 하위의 기울기를 달리하는 가상의 그래프를 갱신하고, SOC는 변경된 기울기에 대응되게 계산한다(S130).

SOC가 0% 또는 100% 가 되면 상기 가상의 그래프를 선형으로 다시 갱신한다(S140).

전류적산 결과 전체용량을 초과했음에도 불구하고 OVP(Over Voltage Protection)가 발생하지 않을 때까지 충전이 이루어지면 추가 충전된 용량을 전체용량에 추가한다(S150).

또는, 전류적산 결과 0Ah임에도 불구하고 UVP(Under Voltage Protection)이 발생하지 않을 때까지 방전이 이루어지면 방전된 용량만큼의 용량을 전체용량에 추가한다(S160).

단계(S150) 및 단계(S160)에서 더해진 용량을 전체용량에 반영하고 가상의 선형 그래프를 다시 갱신하여 배터리 용량을 최대 사용량까지 끌어 올린다.

상기와 같은 일련의 과정을 통해 기존의 전류적산을 이용한 SOC 추정방법에서의 실제 배터리 잔존용량과 계산한 잔존용량이 달라지는 문제, 무전류 구간에서 SOC 재 계산시 동작을 하지 않음에도 SOC가 변경되는 문제, 배터리 온도에 따라 전체용량이 달라지는 문제 등이 보완될 수 있으며, 이에 따라 보다 정확한 SOC의 추정이 가능하다.

SOH는 배터리를 사용하는 시스템에서 필요로 하는 용량 대비 현재의 용량을 비교하여 결정될 수 있다. 시스템에서 필요로 하는 필요용량 보다 현재의 SOC가 크다면 SOH는 100으로 정의되며, 시스템에서 필요로 하는 최소용량보다 SOC가 작다면 SOH는 0으로 정의된다.

이러한 SOH는 SOC와 동일하게 현재까지 배터리 제조사들은 SOH(State of Health)의 정확한 산출방법이 없는 현실이다. 배터리 제조사에서는 초기용량 대비 사용용량이 80% 감소하면 수명이 다 되었다고 판단하고 있으며, 이는 보통 완전충전/완전방전 1회 기준으로 대략 1500~2000회를 기준으로 판단하고 있다.

그러나, 실제 환경에서 완전충전/완전방전으로 라이프 사이클을 계산하는 것은 무의미하며, 충방전 전류 또한 1C 기준으로 유지할 수도 없는 문제가 있다.

따라서, SOH 추정을 위한 본 발명의 실시예에 따르면, SOC 계산을 위해 누적한 충방전 전류적산값이 200%가 되면 1회로 인식한다. 또한, 최대 사용용량이 80%일 때의 내부저항을 기준으로 무전류 상태에서 내부저항을 계산하여 위에서 계산한 전류적산 카운트와 비교하여 SOH를 산출한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 배터리 20: 배터리 관리 시스템

Claims (1)

1. 발명의 상세한 설명의 기재사항 및 도면에 도시된 사항을 포함하는 배터리 관리 시스템의 배터리 충전상태 산출방법.

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