KR20180064220A - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 배터리 관리 장치와 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 방전 중인 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압과 같거나 더 낮은 경우, 현 시점부터 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하고, 예측된 잔여 시간에 따라 배터리의 출력 파라미터를 유지 또는 조절하도록 구성될 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법{BATTERY MANAGEMENT APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 전압이 전압 급감 구간 또는 전압 급증 구간에 진입 시, 배터리의 전압이 현 시점으로부터 과충전 상태에 대응하는 상한 전압 또는 과방전 상태에 대응하는 하한 전압에 도달할 때까지 소요될 시간을 예측하고, 출력 파라미터를 조정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
배터리는 반복적인 충전과 방전이 가능하므로 다양한 분야에서 전력 소스로 사용된다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리 등은, 휴대 전화, 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 태블릿 컴퓨터, 전동 공구 등과 같이 사람의 손에 휴대할 수 있는 장치에 사용됨은 물론, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치에 사용된다.
배터리는 인버터와 같은 전력 변환 디바이스를 통해 부하 장치에 연결된다. 부하 장치는 상기에서 언급된 배터리에 저장된 전력을 사용하는 임의의 장치를 의미한다.
부하 장치는 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 통신을 통해 BMS(battery management system)으로부터 배터리에 대한 출력 파라미터를 제공 받는다.
출력 파라미터는 배터리의 방전 성능 또는 충전 성능을 나타내는 지표이고, 배터리의 충전 상태와 온도에 따라 갱신된다. 출력 파라미터는 배터리가 방전 또는 충전될 때 배터리를 통해 흐를 수 있는 최대 전류값 또는 이로부터 계산되는 하용 출력 값(Power)에 대한 정보를 포함할 수 있다.
제어 시스템은 BMS 시스템으로부터 출력 파라미터를 제공받으면, 출력 파라미터의 범위 내에서 배터리의 충전과 방전을 제어한다. 즉, 제어 시스템은 전력 변환 디바이스를 제어함으로써 배터리의 출력을 허용 출력 값 이하로 통제하거나 충전 또는 방전 전류의 크기를 최대 전류값 이하로 통제한다.
한편, 배터리의 전압은 실험 등을 통해 미리 정해진 방전 하한 전압 또는 충전 상한 전압에 가까워지면 빠르게 변화한다. 여기서, 방전 하한 전압은 과방전을 방지하기 위한 것이고, 충전 상한 전압은 과충전을 방지하기 위한 것이다.
도 1은 360Ah의 용량을 가진 리튬 배터리의 충전 상태가 20%일 때 360A의 정전류로 방전이 이루어지는 동안에 나타나는 전압 변화를 보여주는 그래프이다.
도 1에 도시된 그래프를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 배터리의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 보다 높은 A로 표시된 전압에 도달하면서부터, 전압의 감소 속도가 갑자기 빨라진다.
전압의 급격한 변화는 배터리의 충전 상황에서도 나타난다. 즉, 배터리의 전압이 충전 상한 전압에 가까워질수록 전압의 증가 속도가 갑자기 빨라진다. 배터리의 전압의 급격한 변화가 발생하는 주요 원인 중 하나는, 배터리의 충전 상태에 따른 내부 저항의 급격한 변화 현상이다.
배터리의 전압의 급격한 변화는 배터리가 곧 과충전 또는 과방전될 위험이 있는 상태임을 나타내는 것이다. 따라서, BMS는 현 시점으로부터 배터리가 방전 하한 전압 또는 충전 상한 전압에 실제로 도달할 때까지의 남은 시간을 예측할 필요가 있다. 선택적으로, BMS은 상기 예측된 시간을 기초로, 제어 시스템으로 제공하는 출력 파라미터를 적절히 감쇄시킴으로써, 배터리의 전압이 방전 하한 전압보다 낮아지거나 충전 상한 전압보다 높이지게 되는 상황을 미리 방지할 수 있어야 한다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 배터리의 전압이 미리 정해진 전압 급변 구간에 도달 시, 배터리의 전압이 방전 하한 전압 또는 충전 상한 전압까지 도달하는 데에 소요될 시간인 잔여 시간을 예측하고, 예측된 잔여 시간에 따라 배터리의 출력 파라미터를 유지 또는 조정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 배터리의 전류를 측정하는 전류 측정부; 및 상기 배터리가 방전되는 동안 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나를 기초로, 충전 상태를 결정하는 제어부;를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압에 도달하였는지 판정하고, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 것으로 판정 시, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 도달 시점을 기록하고, 상기 충전 상태를 기초로 방전 프로파일을 결정하되, 상기 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 기록된 것이며, 상기 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 저항 변화율의 최대값을 결정하고, 상기 방전 임계 전압, 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압, 상기 도달 시점 이후인 현 시점에 측정된 상기 배터리의 전류 및 상기 저항 변화율의 최대값을 기초로, 상기 배터리의 전압이 현 시점으로부터 상기 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하며, 상기 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력한다.
또한, 상기 제어부는, 하기의 수식 1을 이용하여, 상기 잔여 시간을 예측하되,
[수식 1]
Figure pat00001
상기 수식 1에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, tr은 상기 잔여 시간이다.
선택적으로, 상기 제어부는, 상기 도달 시점을 기준으로 과거의 소정 시간동안에 소정 횟수 이상 측정된 상기 배터리의 전류의 절대값에 대한 평균값을 산출하고, 상기 평균값과 상기 정전류를 기초로, 잔여 시간 보정용 가중치를 결정하고, 하기의 수식 2을 이용하여, 상기 잔여 시간을 예측하되,
[수식 2]
Figure pat00002
상기 수식 2에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, K는 상기 가중치이고, tr은 상기 잔여 시간이다. 바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 평균값이 상기 정전류보다 제1 기준값 이상 큰 경우, 상기 가중치에 1보다 작고 0보다 큰 값을 할당하고, 상기 평균값이 상기 정전류보다 제2 기준값 이상 작은 경우, 상기 가중치에 1보다 큰 값을 할당하며, 상기 평균값이 상기 정전류에 제1 기준값을 합한 값보다는 작고 상기 정전류에서 제2 기준값을 뺀 값보다는 큰 경우, 상기 가중치에 1을 할당할 수 있다.
이와 함께 또는 별개로, 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정부;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 배터리가 방전되는 동안, 상기 측정된 온도를 더 기초로 상기 충전 상태를 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 예측된 잔여 시간이 출력 유지 시간 이상인지 판정하고, 상기 예측된 잔여 시간이 상기 출력 유지 시간 미만인 것으로 판정 시, 감쇄 모드에서 감쇄 목표 전류값을 결정할 수 있다. 이때, 상기 출력 유지 시간은, 상기 배터리 관리 장치와 통신 가능하게 연결된 부하 장치로부터 요청되는 것일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 하기의 수식 3을 이용하여, 상기 감쇄 목표 전류값을 결정하되,
[수식 3]
Figure pat00003
상기 수식 3에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, R0는 상기 배터리의 미리 정해진 내부 저항이며, tm은 상기 출력 유지 시간이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, Iderate는 상기 감쇄 목표 전류값이다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 도달 시점부터 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압보다 높아질 때까지, 상기 잔여 시간을 주기적으로 갱신할 수 있다.
경우에 따라, 상기 제어부는, 상기 도달 시점부터 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압보다 높아지기 전에 상기 배터리의 충전이 재개되면, 상기 잔여 시간의 예측을 중단하고, 가장 최근에 예측된 잔여 시간을 메모리에 저장할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른, 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 단계; 상기 배터리가 방전되는 동안 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나를 기초로, 충전 상태를 결정하는 단계; 상기 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압에 도달하였는지 판정하는 단계; 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 것으로 판정 시, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 도달 시점을 기록하고, 상기 충전 상태를 기초로 방전 프로파일을 결정하되, 상기 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 기록된 것인 단계; 상기 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 저항 변화율의 최대값을 결정하는 단계; 상기 방전 임계 전압, 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압, 상기 도달 시점 이후인 현 시점에 측정된 상기 배터리의 전류 및 상기 저항 변화율의 최대값을 기초로, 상기 배터리의 전압이 현 시점으로부터 상기 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하는 단계; 및 상기 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예를 중 적어도 하나에 따르면, 배터리의 전압이 미리 정해진 전압 급변 구간에 도달 시, 배터리의 전압이 방전 하한 전압 또는 충전 상한 전압까지 도달하는 데에 소요될 시간인 잔여 시간을 예측하고, 예측된 잔여 시간에 따라 배터리의 출력 파라미터를 유지 또는 조정할 수 있다.
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 배터리의 충전 상태가 20%일 때 360A의 정전류로 방전이 이루어질 때의 전압 변화 개형을 보여주는 방전 프로파일이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 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 배터리에 대하여 방전 프로파일을 측정한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 4는 도 3에 도시된 각 방전 프로파일이 가로 점선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차를 계산하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 감쇄 목표 전류값을 결정할 때 사용하는 수식의 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 출력 파라미터 조정 방법에 대한 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 8은 용량은 36Ah이고 충전 상태가 20%인 리튬 배터리를 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, 배터리는 리튬 배터리를 일컫는다. 여기서, 리튬 배터리라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 배터리를 총칭한다.
한편, 리튬 배터리에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 배터리를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 배터리의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 배터리의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 배터리라면 모두 상기 리튬 배터리의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 배터리 이외의 다른 배터리에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 배터리라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 배터리는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 배터리는 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 하는 장치(100)를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)는, 전압 측정부(110), 전류 측정부(120) 및 제어부(140)를 포함하고, 선택적으로 온도 측정부(130)를 더 포함할 수 있다. 장치(100)는, 방전 중인 배터리(B)의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압과 같아진 시점 이후부터 배터리(B)의 출력 파라미터를 감쇄시킬 수 있다.
배터리(B)는 고전위 단자(PACK+) 및 저전위 단자(PACK-)를 통해 부하 장치(200)와 전기적으로 연결된다. 부하 장치(200)는, 배터리(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 배터리(B)를 충전할 수 있는 충전 전류를 전력 변환부(220)를 통해 배터리(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 배터리(B)의 출력 파라미터를 이용하여 배터리(B)의 방전을 제어한다. 즉, 제어 시스템(210)은 출력 파라미터에 대응되는 방전 조건으로 전력 변환부(220)를 제어함으로써 배터리(B)의 방전을 제어한다.
전력 변환부(220)는 배터리(B)의 방전 출력을 부하(230) 측으로 전달한다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 배터리(B)가 방전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
반대로, 전력 변환부(220)는 충전기(240)로부터 공급되는 충전 출력을 배터리(B) 측으로 전달할 수 있다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 배터리(B)가 충전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 장치(100)는, 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 배터리(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 배터리(B)의 전압을 결정하고, 결정된 전압의 값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 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 배터리(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 전류값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 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 배터리(B)의 온도를 반복 측정하고 측정된 온도의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 온도 측정부(130)로부터 출력되는 신호로부터 배터리(B)의 온도를 결정하고 결정된 온도의 값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 온도 측정부(130)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 열전대(thermocouple)로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 장치(100)는 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(CAN) 통신이나 데이지 체인(Daisy Chain) 통신을 지원하는 것일 수 있다.
제어부(140)는 전압 측정부(110)에 의해 측정된 배터리(B)의 전압 및 전류 측정부(120)에 의해 측정된 배터리(B)의 전류 중 적어도 하나와 온도 측정부(130)에 의해 측정된 배터리(B)의 온도를 선택적으로 활용하여 배터리(B)의 충전 상태를 결정할 수 있다.
예컨대, 배터리(B)의 충전 상태는 전류 측정부(120)를 통해서 주기적으로 측정되는 전류값을 적산하여 결정될 수 있다. 이러한 방식은 암페어 카운팅법이라는 이름으로 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다른 예로, 배터리(B)의 충전 상태는 전압 측정부(110)를 통해서 주기적으로 측정되는 전압값을 기초로 개방 전압을 결정하고, 메모리에 미리 저장된 OCV-SOC 테이블을 참조하여 결정될 수 있다. 또 다른 예로, 충전 상태는 배터리(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.
물론, 충전 상태는 전술한 암페어 카운팅법 또는 확장 칼만 필터 이외에도 배터리(B)의 전압, 온도 및 전류를 선택적으로 활용하여 충전 상태를 추정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.
제어부(140)은, 배터리(B)가 방전되는 동안 전압 측정부(110)에 의해 측정된 배터리(B)의 전압 레벨을 모니터한다.
제어부(140)는 배터리(B)의 전압 레벨에 따라 배터리의 출력 파라미터를 다르게 결정한다. 구체적으로, 제어부(140)는 방전 중인 배터리(B)의 전압이 전압 평탄 구간에 속하면 일반 모드로 출력 파라미터를 결정할 수 있다. 반면, 배터리(B)의 전압이 전압 평탄 구간을 벗어나 전압 급감 구간 또는 전압 급증 구간에 진입하면 감쇄 모드로 출력 파라미터를 결정할 수 있다. 이때, 전압 평탄 구간과 전압 급감 구간은, 미리 정해진 방전 임계 전압을 기준으로 구분될 수 있다. 또한, 전압 평탄 구간과 전압 급증 구간은, 방전 임계 전압보다 높도록 미리 정해진 충전 임계 전압을 기준으로 구분될 수 있다. 즉, 전압 급감 구간은 방전 임계 전압 이하의 전압 범위에 해당하는 구간이고, 전압 급증 구간은 충전 임계 전압 이상의 전압 범위에 해당하는 구간이며, 전압 평탄 구간은 방전 임계 전압보다 크면서 충전 임계 전압보다는 작은 전압 범위에 해당하는 구간이다.
방전 임계 전압과 충전 임계 전압 각각의 레벨은 2 가지의 시간 팩터를 고려하여 미리 정해지는 값일 수 있다. 하나의 시간 팩터는, 출력 파라미터가 제어부(140)로부터 제어 시스템(210)으로 전달되어 배터리(B)의 제어에 실제 반영될 때까지 걸리는 지연 시간이다. 다른 하나의 시간 팩터는, 출력 파라미터에 따른 배터리(B)의 출력이 최소한 유지되어야 하는 출력 유지 시간이다.
지연 시간은, 제어부(140)와 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 시간은, 장치(100)와 통신 가능하게 연결된 부하 장치(200) 또는 그에 포함된 부하(230)로부터 요청되는 것으로서, 부하(230)의 동작에 필요한 출력 특성에 의해 달라질 수 있다. 이러한 출력 유지 시간은 지연 시간보다 긴 수초 이내의 시간 값, 예를 들어 6초일 수 있다.
지연 시간과 출력 유지 시간을 고려하여 방전 임계 전압을 정하는 방법은 도 3을 참조하여 후술할 바와 같으며, 충전 임계 전압 역시 유사하게 정해질 수 있다.
먼저, 배터리(B)의 충전 상태 별로 상온(25도)에서 정전류 방전 시험을 시행하여 복수의 방전 프로파일들을 얻을 수 있다.
도 3은, 용량은 36Ah로 동일하고 충전 상태가 10%, 15%, 20%, 30%, 40% 및 50%로서 서로 다른 6개의 리튬 배터리에 대하여 방전 프로파일을 측정한 결과를 나타낸 그래프들이다. 좌측으로부터 우측으로 갈수록 방전 프로파일을 측정한 배터리(B)의 충전 상태는 더 크다.
각각의 정전류 방전 시험에서 적용된 방전 전류의 크기는 배터리(B)의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류값이다. 특정한 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류값은 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization)법으로 배터리(B)를 펄스 방전시켰을 때 배터리(B)의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 도달되도록 하는 방전 전류값이다.
바람직하게, HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 배터리(B)의 안전(Safety)을 위해 설정한 방전 상한 전류값보다 크면 최대 방전 전류값은 방전 상한 전류값으로 대체될 수 있다.
도 3에 도시된 방전 프로파일들을 얻기 위한 정전류 방전 실험 시 방전 상한 전류값은 360A로 설정하였다.
도 3에 있어서, 각 방전 프로파일을 얻을 때 적용한 최대 방전 전류값은 그래프의 오른쪽에 표시하였다. 즉, 충전 상태 20%, 30%, 40% 및 50%에 대응되는 최대 방전 전류값은 360A로서 동일하다. HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 방전 상한 전류값으로 설정된 360A를 초과하였기 때문에 최대 방전 전류값을 방전 상한 전류값으로 대체하였기 때문이다. 대신, 배터리(B)의 상태가 10% 및 15%일 경우는, HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 방전 상한 전류값인 360A보다 작으므로 HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 그대로 적용되었다.
도 3에 있어서, 수평선 A는 지연 시간과 출력 유지 시간을 고려하여 미리정해진 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨을 나타내고, 수평선 B는 방전 하한 전압(Vmin)의 레벨을 나타낸다.
바람직하게, 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨은 각 방전 프로파일이 수평선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차가 지연 시간보다 크고 출력 유지 시간보다 작도록 설정될 수 있다.
위와 같이 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨이 설정되면, 감쇄 모드에서 결정된 출력 파라미터가 적용되는 시점이 지연 시간만큼 지연되더라도 배터리(B)의 전압이 방전 하한 전압 이하로 갑자기 감소하는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 배터리(B)의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 도달할 때까지 소요되는 시간이 출력 유지 시간보다 작을 때 배터리(B)의 출력을 감쇄시켜 최소한의 출력 유지 시간을 확보하는 것이 가능해진다.
도 4는 도 3에 도시된 각 방전 프로파일이 수평선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차(마크 ▲ 참조)를 계산하여 나타낸 것이다. 시간 시간은 2초이고, 출력 유지 시간은 6초로 설정되었고, 방전 임계 전압의 레벨은 2.87V로 설정되었다. 도 4를 참조하면, 도 3의 수평선 A로 나타낸 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨은 상기에서 언급된 조건을 잘 충족한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 배터리(B)의 전압이 2.87V에 도달되었을 때 감쇄 모드로 출력 파라미터를 결정하고, 결정된 출력 파라미터를 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 제공하면, 배터리(B)의 출력이 최소한 6초 동안 유지될 수 있다. 또한, 출력 파라미터가 부하 장치(200)에서 반영될 때까지 2초의 지연 시간이 생겨도 배터리(B)의 전압이 갑자기 방전 하한 전압(Vmin)까지 감소하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 도 3에 나타낸 방전 프로파일들은 상온 조건에서 얻은 것이다. 하지만, 배터리(B)의 동작 온도 범위에 속하는 온도 조건 별로 방전 프로파일들을 추가로 획득하여 온도 별로 획득한 모든 복수의 방전 프로파일들에 대해서도 상술한 조건을 만족하도록 방전 임계 전압의 레벨을 결정하는 것이 바람직하다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 또한, 사전 실험을 통해 도출된 각 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 메모리에 기록될 수 있다. 즉, 각 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 도출된 후 메모리에 기록되는 것일 수 있다.
즉, 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨은 충전 상태 별 및 온도 별로 측정된 각각의 방전 프로파일이 수평선 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 배터리(B)의 현재 전압이 미리 설정된 방전 임계 전압(Vthreshold)보다 큰 경우는 일반 모드에서 출력 파라미터를 결정한다. 방전 과정 중에 결정되는 출력 파라미터는, 배터리(B)의 최대 방전 전류값 및 허용 출력 값 중 적어도 하나를 포함한다. 제어부(140)는 메모리부(150)에 저장된 파워 맵을 이용하여 최대 방전 전류값을 결정할 수 있다. 파워 맵은 배터리(B)의 충전 상태 및 온도에 따라 최대 방전 전류값을 참조할 수 있는 데이터 구조를 가진다.
허용 출력 값은 다음의 수식 1에 의해 결정할 수 있다. 수식 1에서, 최대 방전 전류값은 전류 팩터인 Imax이다.
<수식 1>
허용 출력 P = Vmin*Imax
수식 1에 있어서, Vmin은 배터리(B)의 방전 하한 전압으로서 미리 설정되는 전압 팩터이다. Imax는 배터리(B)의 충전 상태와 온도에 따라서 달라지는 전류 팩터로서 특정한 충전 상태와 온도 조건 하에서 배터리(B)가 낼 수 있는 최대 방전 전류값에 해당한다. Imax는 배터리(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 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압(Vthreshold) 이하로 떨어지면(즉, 전압 급감 구간에 속하면) 일반 모드로부터 감쇄 모드로 전환하여, 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정한다. 이때, 제어부(140)는 출력 파라미터를 결정하는 동작을 수행하기에 앞서서 또는 동시에, 배터리(B)의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 도달하는 데에 어느 정도의 시간이 남아있는지 예측하는 동작을 수행할 수 있다. 이하에서는, 방전 중인 배터리(B)의 전압이 현 시점으로부터 방전 하한 전압(Vmin)에 도달하는 시점까지의 남은 시간을 '잔여 시간'이라고 칭하기로 한다.
제어부(140)는, 하기의 수식 2를 이용하여, 상기 잔여 시간를 나타내는 tr을 예측할 수 있다.
<수식 2>
Figure pat00004
수식 2에서, K는 1로 고정될 수 있다. 또는, 수식 2에서, K는 일종의 가중치로서 미리 정해진 규칙에 따라 제어부(140)에 의해 그 값이 변화되는 값일 수 있다. 제어부(140)는 예측된 잔여 시간 tr을 통지하는 잔여 시간 안내 메시지를 출력할 수 있다. 잔여 시간 안내 메시지는, 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200) 또는 외부 장치(예, 차량)에 구비된 정보 안내 장치(미도시)에 전송될 수 있다. 정보 안내 장치는, 전여 시간 안내 메시지를 기초로, 시각적 및/또는 청각적 신호를 사용자에게 출력할 수 있다.
또한, 제어부(140)가 감쇄 모드에서 결정되는 출력 파라미터는 배터리(B)의 감쇄 목표 전류값 및 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함한다. 제어부(140)는 다음 수식 3에 의해 감쇄 목표 전류값 Iderate을 결정할 수 있다.
<수식 3>
Figure pat00005
도 5는 수식 2 및 수식 3에 포함된 파라미터들을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 그래프 (a)에 도시된 방전 프로파일은 36Ah의 용량을 가진 배터리(B)의 충전 상태가 20%일 때 25도 조건에서 360A(Imax)로 정전류 방전 실험을 시행하여 얻은 방전 프로파일이다. Imax는 배터리(B)의 충전 상태가 20%일 때 허용되는 최대 방전 전류값이다.
도 5의 그래프 (b)는 충전 상태가 20%인 배터리(B)가 360A로 방전될 때 시간에 따른 저항 변화율(dR/dt)을 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 전압 변화율(dV/dt)을 이용하여 결정할 수 있다.
도 5를 참조하면, 수식 2 및 수식 3에 있어서, Vmin은 미리 정해진 방전 하한 전압이고, Vthreshold는 미리 정해진 방전 임계 전압이다. R0은 배터리(B)의 내부 저항값으로서, 실험을 통해 미리 정해진 상수값이다. Vmin, Vthreshold 및 R0는 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다.
I0는, 방전 중인 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압(Vthreshold)에 도달한 시점 또는 그 후에 전류 측정부(120)에 의해 측정된 전류값이다.
(dR/dt)max는, 전압 급감 구간에 나타나는 (dR/dt)의 최대값으로서 그래프 (b)에 나타낸 것과 같이, 배터리(B)의 전압이 Vmin에 도달한 시점에서의 일차 미분 값(접선 기울기)의 절대값을 방전 전류의 크기인 Imax로 나눈 값에 해당한다. (dR/dt)max에 관한 데이터는 배터리(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, 방전 프로파일별로 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압에 도달한 시점인 t0부터 방전 하한 전압에 도달한 시점인 t1까지 총 소요되는 시간으로서, 배터리(B)의 방전 프로파일에 대응하는 충전 상태와 온도에 따라 다르게 정해질 수 있다. 제어부(140)는, t1에 실제로 도달하기 전에 수식 3의 Iderate을 결정하기 위해, (t1-t0)에 출력 유지 시간 tm을 할당할 수 있다.
수식 2 및 수식 3은 다음과 같이 유도할 수 있다. 배터리(B)의 전압은 배터리(B)의 충전 상태 및 온도에 따라 변하는 개방 전압 성분, 내부 저항(R0) 및 RC 회로가 서로 직렬로 연결된 회로에 의해 등가적으로 모델링할 수 있다.
상기 회로 모델링에 의하면, 배터리(B)의 전압 V는 하기 수식 4와 같이 3개의 전압 성분의 합으로 나타낼 수 있다. 즉, 3개의 전압 성분은, 충전 상태에 따라 고유하게 결정되는 개방 전압 성분인 OCV, 전류 I가 흐를 때 내부 저항 R0의 양단에 걸리는 전압 성분인 IR0 및 RC 회로의 저항(R)에 전류 IRC가 흐를 때 RC 회로의 양단에 걸리는 전압 성분 IRCR의 합으로 나타낼 수 있다.
<수식 4>
V = OCV + IR0 + IRCR
상기 수식 3의 양변을 시간 t로 미분하면 다음 수식 5를 얻을 수 있다.
<수식 5>
dV/dt = dOCV/dt + (dI/dt)R0 + (dIRC/dt)R + IRC(dR/dt)
배터리(B)의 충전 상태와 RC 회로의 저항에 흐르는 전류 IRC가 매우 짧은 시간동안에 대해 일정하다고 가정하면, dOCV/dt와 dIRC/dt는 0이 되므로 수식 5는 하기의 수식 6과 같이 근사할 수 있다.
<수식 6>
dV/dt = (dI/dt)R0 + IRC(dR/dt)
한편, t0에서 측정된 배터리(B)의 전류를 I0이라 하자. 또한, t1에서 측정될 배터리(B)의 전류를 I1이라고 하자. 또한, 시간 t0부터 t1까지 동안에, IRC는 I1과 같고 (dR/dt)는 일정하다고 가정하자. 이러한 정의 하에서 수식 6의 양변을 t0부터 t1까지의 범위에서 적분하면 하기의 수식 7을 얻을 수 있다.
<수식 7>
Vmin-Vthreshold = (I1-I0)R0 + I1(dR/dt)(t1-t0)
한편, 배터리(B)의 전압이 Vmin에 도달하는 시점 t1에 도달하기 전에는 수식 7의 I1의 값을 실제로 측정하지 못하므로, t0부터 t1까지 배터리(B)의 방전 전류가 I0으로 일정하게 유지된다고 가정하여, 수식 7을 (t1-t0)에 대해 정리하면, 수식 8이 얻어진다.
<수식 8>
Figure pat00006
수식 8에 있어서, (dR/dt)에 (dR/dt)max 을 할당하고, (t1-t0) = tr이라고 하면, 수식 2와 동일한 형태로 정리된다.
한편, 수식 7을 I1에 대해 정리하면, 수식 9가 얻어진다.
<수식 9>
Figure pat00007
수식 9에 있어서, (dR/dt)에 (dR/dt)max 을 할당하고, (t1-t0)에 tm을 할당하면, 수식 7은 수식 3과 같은 형태로 최종 정리된다.
위와 같이, 수식 8 및 수식 9의 (dR/dt)에 (dR/dt)max 을 할당하는 이유는, 과방전 상태에 대비하여 잔여 시간 tr과 감쇄 목표 전류값 Iderate을 보수적으로 산출하기 위함이다.
수식 8에 있어서, (dR/dt) 값으로 (dR/dt)max 값이 할당되면, 허용되는 범위에서 수식 8의 분모 값이 최대가 되므로, 수식 2의 K가 상수일 경우 tr는 최소가 된다. 이때, 수식 2의 K는, t0 또는 그 이후의 적어도 하나의 시점에서의 전류의 레벨을 tr의 계산에 반영하기 위한 팩터이다. 즉, K는, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류의 방향과 크기 중 적어도 하나에 따라 달라지는 값일 수 있다. 도 5의 그래프는 정전류에 대한 방전 프로파일을 도시하였으나, 배터리(B)를 방전하는 과정이 진행되는 동안, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류를 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 보다 정확하게 잔여 시간 tr을 예측 산출하기 위해서는, 적어도 현 시점에서 측정된 전류를 tr을 산출하는 데에 활용하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제어부(140)는 전압 급감 구간에 속하는 특정 시점으로부터 과거의 소정 시간동안에 소정 횟수 이상 측정된 전류의 절대값을 평균한 평균값이 방전 프로파일을 얻기 위해 사용된 정전류보다 제1 기준값 이상 큰 경우, 평균값에 따라 K의 값을 1부터 0을 향하여 단계적 또는 연속적으로 감소시킬 수 있다. 다른 예를 들어, 제어부(140)는 전압 급감 구간에 속하는 특정 시점으로부터 과거의 소정 시간동안에 소정 횟수 이상 측정된 전류의 절대값을 평균한 평균값이 방전 프로파일을 얻기 위해 사용된 정전류보다 제2 기준값 이상 작은 경우, 평균값에 따라 K의 값을 1부터 단계적 또는 연속적으로 증가시킬 수 있다.
제어부(140)는 상기 평균값과 정전류 간의 관계가 위 두 경우에 모두 해당하지 않는 경우, K에 1을 할당할 수 있다. 즉, 제어부(140)는 상기 평균값이 상기 정전류에 제1 기준값을 합한 값보다는 작고 상기 정전류에서 제2 기준값을 뺀 값보다는 큰 경우, K에 1을 할당할 수 있다.
또한, 수식 9에 있어서, (dR/dt) 값으로 (dR/dt)max 값이 할당되면, 허용되는 범위에서 수식 9의 분모 값이 최대가 되므로, 수식 3의 Iderate는 최소가 된다. 이에 따라, t0과 t1 사이에서, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류의 레벨이 파워 맵으로부터 맵핑되는 최대 방전 전류값보다 충분히 작아지게 됨으로써, 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압 이하로 낮아지더라도 지연 시간보다 짧은 시간 내에 또는 출력 유지 시간이 경과되기 전에 방전 하한 전압(Vmin) 아래로 저하되는 것을 방지할 수 있다.
제어부(140)는, 방전 중인 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압 이하로 떨어지면, 수식 2에 의해 산출된 tr에 따라 감쇄 목표 전류값을 산출할지 여부를 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부(140)는, 수식 2에 의해 산출된 tr가 tm보다 작으면, 일반 모드에서 감쇄 모드에 전환하여 수식 3을 이용한 감쇄 목표 전류값의 산출 동작을 개시하고, 그 외의 경우에는 일반 모드를 유지할 수 있다.
만약, tr < tm이면, 제어부(140)는 수식 3에 의해 감쇄 목표 전류값을 산출하고, 산출된 감쇄 목표 전류값으로부터 감쇄 목표 출력 값인 Pderate을 결정할 수 있다. Pderate의 계산 식은 하기 수식 10과 같다.
<수식 10>
Pderate= Vmin*Iderate
제어부(140)는 감쇄 모드에서, 감쇄 목표 전류값 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 배터리(B)의 방전 전류 또는 출력을 감쇄시킨다. 즉, 제어 시스템(210)은 출력 파라미터에 포함된 감쇄 목표 전류값 또는 감쇄 목표 출력 값을 이용하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 배터리(B)로부터 출력되는 방전 전류의 크기를 감쇄 목표 전류값보다 작게 통제하거나 배터리(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 전류값과 동일하게 방전 전류의 크기를 감쇄시킬 수 있다. 유사하게, 제어 시스템(210)은 전력 변환부(220)를 제어하여 배터리(B)의 출력을 일정한 시간 간격을 두고 단계적으로 감소시켜 감쇄 목표 출력 값과 동일하게 배터리(B)의 출력을 감쇄시킬 수 있다.
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 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 제어부(140)가 수행하는 배터리의 출력 파라미터 조정 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 전압이 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하는 방법에 대한 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 단계 S10에서, 제어부(140)는 잔여 시간을 예측하기 위한 프로세스가 시작되면 시간 인덱스 k를 초기화한다.
이어서, 단계 S20에서, 제어부(140)는 전압 측정부(110), 전류 측정부(120) 및 온도 측정부(130)를 이용하여 배터리(B)의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 측정된 전압 값, 전류값 및 온도 값을 메모리부(150)에 저장한다.
이어서, S30 단계에서, 제어부(140)는 메모리부(150)에 저장된 전압 값, 전류값 및 온도 값을 선택적으로 이용하여 배터리(B)의 충전 상태를 결정한다. 충전 상태는, 암페어 카운팅법이나 확장 칼만 필터 등을 이용하여 결정할 수 있다.
이어서, S40 단계에서, 제어부(140)는 배터리(B)의 전압이 미리 정의된 방전 임계 전압(Vthreshold)보다 큰지 판단한다.
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)에 미리 저장된 파워 맵으로부터 현재 충전 상태와 현재 온도에 대응되는 최대 방전 전류값을 맵핑하여 최대 방전 전류값(Imax)을 결정한다.
다음으로, 단계 S60에서, 제어부(140)는 최대 방전 전류값(Imax)과 미리 정의된 방전 하한 전압(Vmin)을 이용하여 수식 1에 의해 배터리(B)의 허용 출력 값을 결정한다.
이어서, 단계 S70에서, 제어부(140)는 최대 방전 전류값 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 전류값을 참조하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 출력 허용 값 또는 최대 방전 전류값의 범위 내에서 배터리(B)의 방전을 적응적으로 제어한다. 즉, 배터리(B)의 방전 출력을 허용 출력 값 이하로 통제하거나, 배터리(B)의 방전 전류를 최대 방전 전류값 이하로 통제한다.
이어서, 단계 S80에서, 제어부(140)는 미리 정해진 설정 시간이 경과되었는지 판별한다. 여기서, 설정 시간은 배터리(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 프로세스를 단계 S100으로 이행하여 시간 인덱스 k를 갱신한다.
단계 S90에서, 제어부(140)는 배터리(B)의 동작 상태가 키오프(Key-off) 상태인지 판별한다. 여기서, 키오프 상태라는 것은 배터리(B)의 충전이나 방전이 멈춘 경우를 말한다. 이러한 키오프 상태는 배터리(B)와 부하 장치(200) 사이의 연결을 제어하는 스위치 부품의 연결 상태에 의해 판별할 수 있다.
만약, 단계 S90에서, YES로 판별되면, 제어부(140)는 배터리(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 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압(Vthreshold)에 도달한 도달 시점과 같거나 그 후인 현 시점을 기록하고, 프로세스를 단계 S110으로 이행한다.
단계 S110에서, 제어부(140)는 현 시점으로부터 방전 하한 전압(Vmin)에 도달할 시점까지의 잔여 시간 tr을 예측한다. 구체적으로, 제어부(140)는 메모리부(150)에 미리 저장되어 있는 방전 프로파일 데이터로부터 현 충전 상태 및 온도에 대응하는 어느 한 방전 프로파일을 결정하고, 결정된 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 (dR/dt)max를 획득한다. 선택적으로, 제어부(140)는 상기 도달 시점과 같거나 후인 현 시점을 기준으로 과거 소정 시간동안에 소정 횟수만큼 측정된 전류의 절대값을 평균하여 평균값을 산출하고, 산출된 평균값에 대응하는 가중치 K를 결정할 수 있다. 평균값별 가중치 K의 값은 룩업테이블 등의 형태로 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다. 제어부(140)는 Vmin, Vthreshold, (dR/dt)max, K 및 I0를 수식 2에 할당함으로써, 잔여 시간 tr을 산출할 수 있다. 이때, I0는 단계 S20을 통해 측정된 전류값일 수 있고, Vmin 및 Vthreshold은 메모리부(150)에 미리 저장된 데이터이다.
이어서, 단계 S120에서, 제어부(140)는 단계 S110을 통해 예측된 tr이 출력 유지 시간 tm 이상인지 판정할 수 있다. 이와 함께 또는 별개로, 제어부(140)는 단계 S110을 통해 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력할 수 있다.
만약, 단계 S120에서, YES로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S50으로 이행하고, 반대로 단계 S120에서, No로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S130으로 이행한다.
단계 S130에서, 제어부(140)는 감쇄 모드에서 감쇄 목표 전류값(Iderate)을 결정한다. 즉, 제어부(140)는 메모리에 저장된 다수의 방전 프로파일에 관한 데이터 중, 현재 충전 상태와 현재 온도에 대응되는 어느 한 방전 프로파일에 대해 미리 정해진 (dR/dt)max 값을 참조하여, 수식 3을 이용해 감쇄 목표 전류값(Iderate)을 결정한다. 단계 S130에서 참조되는 (dR/dt)max의 값은, 단계 S110에서 획득되는 (dR/dt)max의 값과 동일할 수 있다.
그 다음, 단계 S140에서, 제어부(140)는 감쇄 목표 전류값(Iderate)과 방전 하한 전압(Vmin)을 이용하여 배터리(B)의 감쇄 목표 출력 값(Pderate)을 결정한다.
이어서, 단계 S150에서, 제어부(140)는 감쇄 목표 전류값(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 전류값 또는 감쇄 목표 출력 값을 참조하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 감쇄 목표 전류값 또는 감쇄 목표 출력 값의 범위 내에서 배터리(B)의 방전을 제어한다. 즉, 배터리(B)의 방전 출력을 감쇄 목표 출력 값 이하로 통제하거나, 배터리(B)의 방전 전류를 감쇄 목표 전류값 이하로 통제한다. 바람직하게, 제어 시스템(210)은 감쇄 목표 전류값을 향해 배터리(B)의 방전 전류 크기를 단계적으로 하향시키거나 감쇄 목표 출력 값을 향해 배터리(B)의 출력을 단계적으로 감소시킬 수 있다.
이어서, 제어부(140)는 단계 S80으로 이행한다.
도 6 및 도 7에 도시된 일련의 단계들은 주기적으로 실행된다. 이에 따라, 상기 도달 시점부터 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압보다 높아질 때까지, 잔여 시간은 제어부(140)에 의해 주기적으로 갱신될 수 있다. 또한, 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압에 도달한 시점에서 예측되는 잔여 시간 tr이 출력 유지 시간 tm 미만이면, 감쇄 목표 전류값이 반영된 출력 파라미터가 부하 장치(200)의 제어 시스템으로 제공됨으로써, 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압보다 높아질 때까지 또는 배터리(B)의 충전이 재개될 때까지 배터리(B)의 방전 전류 또는 방전 출력이 감쇄된다. 물론, 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압을 초과하지 못하면 감쇄 목표 전류값과 감쇄 목표 출력 값이 점점 낮아진다.
한편, 제어부(140)는, 도달 시점부터 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압보다 높아지기 전에, 충전기(240)에 의한 배터리(B)의 충전이 재개되면, 잔여 시간의 예측을 중단하고, 가장 최근에 예측된 잔여 시간을 메모리에 저장할 수 있다.
전술한 실시예는 배터리가 방전되는 상황에서 적용될 수 있다. 하지만 본 발명은 배터리가 충전되는 상황에서도 유사하게 적용될 수 있다.
배터리가 충전되는 경우 충전 임계 전압은 충전 상한 전압보다 소정 레벨만큼 낮게 설정되는데, 지연 시간 팩터와 출력 유지 시간을 동시에 고려하여 결정되는 것은 방전 임계 전압의 결정 방식과 동일하다.
또한, 배터리(B)의 전압이 충전 임계 전압 이상으로 증가하면 충전 전류 또는 충전 출력을 감쇄시키기 위해 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정할 수 있다. 이 경우, 감쇄 목표 전류값을 결정할 때 사용되는 수식 3에 있어서, Vmin은 충전 상한 전압인 Vmax 값으로 대체될 수 있다.
또한, 충전 임계 전압의 레벨을 결정할 때에는, 방전 프로파일들 대신 충전 프로파일들이 활용된다.
충전 프로파일들은 배터리(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 전류값을 설정한다. 충전 최대 전류값은 배터리(B)의 충전 상태와 온도에 따라 달라질 수 있다.
한편, HPPC 법으로 정한 최대 충전 전류값이 배터리(B)가 견딜 수 있는 충전 상한 전류값보다 크면 최대 충전 전류값은 충전 상한 전류값으로 대체될 수 있다.
또한, 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정할 때, 배터리(B)가 충전될 때의 출력은 감쇄 목표 전류값으로 결정된 전류값을 기준으로 결정될 수 있다.
배터리(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 배터리(B)의 충전 전류를 출력 파라미터에 포함된 전류값 범위 내에서 통제하거나 배터리(B)의 충전 출력을 출력 파라미터에 포함된 출력 값의 범위 내에서 통제한다. 또한, 바람직하게는, 배터리(B)의 충전 전류 또는 충전 출력을 출력 파라미터에 포함된 전류값 또는 출력값을 향해 수렴하도록 단계적으로 감쇄시키는 제어를 행할 수 있다.
배터리(B)가 충전되는 동안, 배터리(B)의 전압이 충전 임계 전압을 초과하지 않으면, 파워 맵을 이용하여 배터리(B)의 최대 충전 전류값을 결정할 수 있고, 결정된 최대 충전 전류값으로부터 배터리(B)의 충전 출력을 결정할 수 있다. 이를 위해, 파워 맵은 배터리(B)의 충전 상태 및 온도 별로 미리 정의된 최대 충전 전류값에 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 배터리를 준비하였다. 리튬 배터리는 양극재로서 리튬 금속 산화물을, 음극재로서 그라파이트를 포함하고 있다. 이어서, 충방전 전력을 조절할 수 있는 충방전 시뮬레이터에 리튬 배터리를 연결하였다. 그런 다음, 25도 조건에서 360A의 크기를 갖는 방전 전류로 방전을 시키면서 방전 프로파일을 측정하였다.
방전 중인 배터리(B)의 출력을 감쇄시키는 기준이 되는 방전 임계 전압은 2.87V로 설정하였다. 방전 임계 전압의 결정 시 지연 시간 팩터는 2초이고, 출력 유지 시간은 6초로 설정하였다.
배터리(B)가 360A의 크기로 정전류 방전되는 동안 배터리(B)의 전압이 2.87V로 낮아졌을 때부터 본 발명의 실시예에 따라 배터리(B)의 방전 출력을 감쇄시켰다. 즉, 수식 3을 이용하여 감쇄 목표 전류값을 결정하고 감쇄 목표 전류값에 단계적으로 근접하도록 충방전 시뮬레이터를 제어하여 배터리(B)의 방전 전류 크기를 30A씩 단계적으로 낮추었다. 이러한 과정에서 배터리(B)의 전압 변화를 측정해 보았다.
수식 3의 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 8은 본 실험에서 측정한 전압 측정 결과를 보여준다. 도 8에서, 점선 그래프는, 리튬 배터리의 출력을 감쇄시키지 않았을 때의 전압 변화 개형을 보여준다. 반면, 실선은 리튬 배터리의 출력을 2.87V부터 감쇄시켰을 때의 전압 변화 개형을 보여준다.
2개의 전압 변화 개형을 비교하면, 본 발명의 실시예에 따라 리튬 배터리의 출력이 감쇄되었을 경우 리튬 배터리의 전압이 방전 임계 전압에 도달된 이후 급격하게 떨어지지 않고 전압 감소의 정도가 감쇄되는 것을 알 수 있다.
또한, 리튬 배터리의 출력이 감쇄되지 않은 경우는 리튬 배터리의 전압이 4.5초 만에 방전 하한 전압에 도달하였다. 하지만 리튬 배터리의 전압이 방전 임계 전압에 도달했을 때부터 출력 감쇄가 적용된 경우는 리튬 배터리의 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 (10)

  1. 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 배터리의 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 배터리가 방전되는 동안 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나를 기초로, 충전 상태를 결정하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압에 도달하였는지 판정하고,
    상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 것으로 판정 시, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 도달 시점을 기록하고, 상기 충전 상태를 기초로 방전 프로파일을 결정하되, 상기 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 기록된 것이며,
    상기 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 저항 변화율의 최대값을 획득하고,
    상기 방전 임계 전압, 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압, 상기 도달 시점 이후인 현 시점에 측정된 상기 배터리의 전류 및 상기 저항 변화율의 최대값을 기초로, 상기 배터리의 전압이 현 시점으로부터 상기 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하며,
    상기 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력하는, 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 1을 이용하여, 상기 잔여 시간을 예측하되,
    [수식 1]
    Figure pat00008

    상기 수식 1에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, tr은 상기 잔여 시간인, 배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 도달 시점을 기준으로 과거의 소정 시간동안에 소정 횟수 이상 측정된 상기 배터리의 전류의 절대값에 대한 평균값을 산출하고,
    상기 평균값과 상기 정전류를 기초로, 잔여 시간 보정용 가중치를 결정하고,
    하기의 수식 2을 이용하여, 상기 잔여 시간을 예측하되,
    [수식 2]
    Figure pat00009

    상기 수식 2에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, K는 상기 가중치이고, tr은 상기 잔여 시간인, 배터리 관리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 평균값이 상기 정전류보다 제1 기준값 이상 큰 경우, 상기 가중치에 1보다 작고 0보다 큰 값을 할당하고,
    상기 평균값이 상기 정전류보다 제2 기준값 이상 작은 경우, 상기 가중치에 1보다 큰 값을 할당하며,
    상기 평균값이 상기 정전류에 제1 기준값을 합한 값보다는 작고 상기 정전류에서 제2 기준값을 뺀 값보다는 큰 경우, 상기 가중치에 1을 할당하는, 배터리 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 방전되는 동안, 상기 측정된 온도를 더 기초로 상기 충전 상태를 결정하는, 배터리 관리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 예측된 잔여 시간이 출력 유지 시간 이상인지 판정하고,
    상기 예측된 잔여 시간이 상기 출력 유지 시간 미만인 것으로 판정 시, 감쇄 모드에서 감쇄 목표 전류값을 결정하되,
    상기 출력 유지 시간은,
    상기 배터리 관리 장치와 통신 가능하게 연결된 부하 장치로부터 요청되는 것인, 배터리 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 3을 이용하여, 상기 감쇄 목표 전류값을 결정하되,
    [수식 3]
    Figure pat00010

    상기 수식 3에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, R0는 상기 배터리의 미리 정해진 내부 저항이며, tm은 상기 출력 유지 시간이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, Iderate는 상기 감쇄 목표 전류값인, 배터리 관리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 도달 시점부터 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압보다 높아질 때까지, 상기 잔여 시간을 주기적으로 갱신하는, 배터리 관리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 도달 시점부터 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압보다 높아지기 전에 상기 배터리의 충전이 재개되면, 상기 잔여 시간의 예측을 중단하고, 가장 최근에 예측된 잔여 시간을 메모리에 저장하는, 배터리 관리 장치.
  10. 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 단계;
    상기 배터리가 방전되는 동안 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나를 기초로, 충전 상태를 결정하는 단계;
    상기 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압에 도달하였는지 판정하는 단계;
    상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 것으로 판정 시, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 도달 시점을 기록하고, 상기 충전 상태를 기초로 방전 프로파일을 결정하되, 상기 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 기록된 것인 단계;
    상기 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 저항 변화율의 최대값을 획득하는 단계;
    상기 방전 임계 전압, 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압, 상기 도달 시점 이후인 현 시점에 측정된 상기 배터리의 전류 및 상기 저항 변화율의 최대값을 기초로, 상기 배터리의 전압이 현 시점으로부터 상기 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하는 단계; 및
    상기 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력하는 단계;를 포함하는, 배터리 관리 방법.
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