KR20180079771A - 배터리 관리 장치 및 이를 이용한 soc 캘리브레이션 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 이를 이용한 soc 캘리브레이션 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, LFP 배터리를 위한 배터리 관리 장치와 이를 이용하여 LFP 배터리의 SOC를 캘리브레이션하는 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 캘리브레이션 모드에 진입 시, 소정 시간동안 전압 측정부로부터 수신된 복수의 전압값에 대한 평균 전압값을 산출하고, 상기 소정 시간동안 전류 측정부로부터 수신된 복수의 전류값에 대한 평균 전류값을 산출하며, 상기 평균 전압값 및 상기 평균 전류값을 기초로, 상기 소정 시간동안의 상기 LFP 배터리의 평균 내부 저항값을 산출하고, 상기 평균 내부 저항값이 미리 정해진 기준 저항값 이상인지 판정하며, 상기 평균 내부 저항값이 상기 기준 저항값 이상인 경우, 현재의 SOC를 미리 정해진 기준 SOC로 캘리브레이션한다.

Description

배터리 관리 장치 및 이를 이용한 SOC 캘리브레이션 방법{BATTERY MANAGEMENT APPARATUS AND SOC CALIBRATING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 배터리 관리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LFP 배터리의 SOC(State Of Charge)를 캘리브레이션할 수 있도록 구성된 배터리 관리 장치 및 이를 이용한 SOC 캘리브레이션 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.
배터리로부터 에너지를 공급받는 각종 장치나 시스템의 안정적인 사용을 위해서는, 배터리의 충전 상태(SOC: State Of Charge)에 대한 정확한 정보가 필수적이다. 특히, SOC는 배터리를 앞으로 어느 정도의 시간동안 안정적으로 사용 가능한지 가늠하는 척도가 된다. 예컨대, 노트북이나 휴대폰, 자동차 등 배터리 장착 장치들은 SOC를 추정하고, 추정된 SOC를 사용 가능 시간 등으로 환산한 정보를 사용자에게 제공한다.
배터리의 SOC는, 일반적으로 출고 당시의 설계 용량에 대한 현재의 잔존 용량을 백분율로 표현되는데, 이 경우 SOC를 결정하는 데에는 적류 적산 방식(ampere counting)이 널리 활용되고 있다.
적류 적산 방식은, 배터리를 통해 흐르는 충방전 전류의 측정값을 시간에 대해 주기적으로 적산함으로써, 배터리에 남아있는 용량을 추정하는 방식을 일컬으며, 배터리의 온도가 선택적으로 고려될 수 있다.
하지만, 이러한 전류 적산 방식은 전류 센서의 측정 오차로 인해 그 정확도가 시간에 따라 점차적으로 낮아진다는 단점이 있다. 다시 말해, 적류 적산 방식은 전류 센서로부터의 전류 측정값을 기반으로 하는데, 전류 센서로부터 출력된 전류 측정값은 배터리를 통해 흐르는 실제 전류와는 차이가 존재할 수 밖에 없다. 이러한 차이가 매우 짧은 시간동안에는 무시할 수 있을 정도로 작다고 하더라도, 이를 시간에 대해 누적하는 과정이 진행됨에 따라 더 이상 무시할 수 없을 정도의 오차가 누적된다.
전술한 바와 같은 전류 적산 방식의 문제점을 해소하기 위한 종래기술로서, 특허문헌 1(한국 등록특허공보 제10-1651829호)이 개시된바 있다. 특허문헌 1은, 배터리의 OCV-SOC 커브를 이용하여, 배터리의 OCV(Open Circuit Voltage)로부터 SOC를 추정하는 기술을 제공한다. 이러한 OCV-SOC 커브를 이용하여 SOC를 추정하기 위해서는, 배터리의 SOC에 따라 OCV의 변화가 뚜렷하게 나타나야만 한다는 전제 조건이 요구된다.
하지만, 도 1에서 확인할 수 있듯이, 리튬인산철 배터리(이하, 'LFP 배터리'라고 함)의 경우, 다른 종류의 배터리에 비하여 적정 사용 구간(예, SOC 30%~95%) 동안의 OCV의 변화가 상대적으로 작은 특성을 가진다. 구체적으로, 도 1은 소정의 온도를 일정하게 유지하면서 진행된 사전 실험에서 나타난 리튬 이온 배터리와 LFP 배터리 각각의 충전 프로파일을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1의 실선은 양극에 LiCoO2를 사용하는 리튬 이온 배터리의 OCV-SOC 커브를 나타내고, 점선은 양극에 LiFePO4를 사용하는 LFP 배터리의 OCV-SOC 커브를 나타낸 것으로서, LFP 배터리는 충전 말기와 방전 말기를 제외한 SOC 구간에서 OCV의 변화가 거의 발생하지 않는다. 따라서, OCV-SOC 커브를 이용한 SOC의 추정이나 캘리브레이션 방식을 LFP 배터리에 적용하기에 부적합하다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, LFP 배터리의 SOC에 따른 OCV와 내부 저항의 변화 특성을 고려하여, LFP 배터리의 SOC를 정확하게 캘리브레이션할 수 있는 배터리 관리 장치 및 이를 이용한 SOC 캘리브레이션 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, LFP 배터리의 SOC를 캘리브레이션하도록 구성된다. 상기 장치는, 상기 LFP 배터리의 전압을 측정하여, 측정된 전압을 나타내는 전압값을 출력하는 전압 측정부; 상기 LFP 배터리의 전류를 측정하여, 측정된 전류를 나타내는 전류값을 출력하는 전류 측정부; 및 상기 전압값과 상기 전류값을 개별적으로 수신하고, 상기 전류값을 시간에 대해 적산한 결과를 기초로 상기 LFP 배터리의 SOC를 결정하는 제어부;를 포함한다. 상기 제어부는 캘리브레이션 모드에 진입 시, 소정 시간동안 상기 전압 측정부로부터 수신된 복수의 전압값에 대한 평균 전압값을 산출하고, 상기 소정 시간동안 상기 전류 측정부로부터 수신된 복수의 전류값에 대한 평균 전류값을 산출하며, 상기 평균 전압값 및 상기 평균 전류값을 기초로, 상기 소정 시간동안의 상기 LFP 배터리의 평균 내부 저항값을 산출하고, 상기 평균 내부 저항값이 미리 정해진 기준 저항값 이상인지 판정하며, 상기 평균 내부 저항값이 상기 기준 저항값 이상인 경우, 상기 결정된 SOC를 미리 정해진 기준 SOC로 캘리브레이션한다.
경우에 따라, 상기 LFP 배터리의 온도를 측정하여, 측정된 온도를 나타내는 온도값을 출력하는 온도 측정부;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 온도 측정부에 의해 출력된 온도값을 더 기초로, 상기 LFP 배터리의 SOC를 결정할 수 있다.
또한, 미리 정해진 복수의 기준 온도값과 복수의 기준 저항값 간의 대응 관계를 정의하는 룩업 테이블을 저장하는 메모리부;를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 룩업 테이블은, 제1 기준 온도값 및 상기 제1 기준 온도값에 연관된 제1 기준 저항값이 기록된 제1 저장 영역; 및 제1 기준 온도값보다 큰 제2 기준 온도값 및 상기 제2 기준 온도값에 연관된 제2 기준 저항값이 기록된 제2 저장 영역;을 포함하되, 상기 제1 기준 저항값은 상기 제2 기준 저항값보다 클 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 소정 시간동안에 상기 온도 측정부로부터 수신된 온도값을 기초로 상기 룩업 테이블에 기록된 어느 한 기준 온도값을 선택하고, 상기 룩업 테이블로부터 상기 선택된 기준 온도값에 대응되는 기준 저항값을 선택하며, 상기 평균 내부 저항값이 상기 선택된 기준 저항값 이상인 경우, 상기 결정된 SOC를 상기 기준 SOC로 캘리브레이션할 수 있다. 이때, 상기 기준 저항값은, 상기 LFP 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC인 때의 내부 저항의 저항값을 나타내는 값일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 하기의 수학식 1을 이용하여 상기 평균 내부 저항값을 산출하되,
<수학식 1>
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 Vave는 상기 평균 전압값이고, Iave는 상기 평균 전류값이며, OCVref는 미리 정해진 기준 개방 전압값이고, Rave는 상기 평균 내부 저항값이다. 이때, 상기 기준 개방 전압값은, 상기 LFP 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC일 때의 상기 LFP 배터리의 개방 전압을 나타내는 값일 수 있다.
선택적으로, 상기 소정 시간은, 1초 이상이면서 2초 이하의 특정값일 수 있고, 상기 기준 SOC는, 상기 LFP 배터리의 잔존 용량이 설계 용량의 99%임을 나타내는 값일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 장치;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 LFP 배터리의 SOC를 캘리브레이션하는 방법은, 상기 배터리 관리 장치에 의해 수행되는 것으로서, 상기 LFP 배터리의 전압을 나타내는 전압값을 수신하는 단계; 상기 LFP 배터리의 전류를 나타내는 전류값을 수신하는 단계; 상기 전류값을 시간에 대해 적산한 결과를 기초로, 상기 LFP 배터리의 SOC를 결정하는 단계; 및 캘리브레이션 모드에 진입하여, 상기 결정된 SOC를 캘리브레이션하는 단계;를 포함한다. 이 경우, 상기 결정된 SOC를 캘리브레이션하는 단계는, 소정 시간동안 수신된 복수의 전압값에 대한 평균 전압값을 산출하는 단계; 상기 소정 시간동안 수신된 복수의 전류값에 대한 평균 전류값을 산출하는 단계; 상기 평균 전압값 및 상기 평균 전류값을 기초로, 상기 소정 시간동안의 상기 LFP 배터리의 평균 내부 저항값을 산출하는 단계; 상기 평균 내부 저항값이 미리 정해진 기준 저항값 이상인지 판정하는 단계; 및 상기 평균 내부 저항값이 상기 기준 저항값 이상인 경우, 상기 결정된 SOC를 미리 정해진 기준 SOC로 캘리브레이션하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예를 중 적어도 하나에 따르면, LFP 배터리의 SOC에 따른 OCV와 내부 저항의 변화 특성을 고려하여, LFP 배터리의 SOC를 정확하게 캘리브레이션할 수 있다.
또한, 종래의 암페어 카운팅 기법에서 전류 센서의 측정 오차가 시간이 경과함에 따라 지속적으로 누적됨으로 인해 잘못된 SOC가 사용자 등에게 통지되는 문제를 저감할 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 LFP 배터리와 일반적인 리튬 이온 배터리 각각의 OCV-SOC 커브를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전원 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에 의해 실행되는 프로세스에 포함된 복수의 단계들의 순차적인 흐름을 보여주는 순서도이다.
도 5는 LFP 배터리의 온도에 따른 내부 저항 커브를 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 LFP 배터리의 내부 저항의 저항값을 산출하는 데에 기준 개방 전압값을 이용한 경우와 그렇지 않은 경우의 차이를 설명하는 데에 참조되는 그래프들을 보여준다.
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 실시예에 있어서, LFP 배터리는 하나의 포장재 내에 양극/분리막/음극의 조립체 및 전해질이 포함된 단일의 단위 셀을 비롯하여, 복수의 단위 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 어셈블리 등을 지칭하는 것일 수 있다. LFP 배터리는 후술할 배터리 관리 장치(100)와 함께 배터리 팩에 포함되는 구성일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템은 배터리 관리 장치(100) 및 부하 장치(200)를 포함한다.
배터리 관리 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, 미리 정해진 조건이 부합될 경우, LFP 배터리(B)의 SOC를 미리 정해진 특정값으로 캘리브레이션할 수 있도록 구성된다. 여기서, LFP 배터리(B)란, 하나의 LFP 셀 또는 직렬 연결된 둘 이상의 LFP 셀을 포함하는 배터리를 의미한다.
LFP 배터리(B)는 고전위 단자(PACK+) 및 저전위 단자(PACK-)를 통해 부하 장치(200)와 전기적으로 연결된다. 부하 장치(200)는, LFP 배터리(B)로부터 출력되는 전력으로 동작하거나 LFP 배터리(B)를 요구되는 전압까지 충전시키도록 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 LFP 배터리(B)를 충전할 수 있는 충전 전류를 전력 변환부(220)를 통해 LFP 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 LFP 배터리(B)의 출력 파라미터를 이용하여 LFP 배터리(B)의 충방전을 제어할 수 있다.
전력 변환부(220)는 LFP 배터리(B)의 방전 출력을 부하(230) 측으로 전달한다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 LFP 배터리(B)가 방전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
반대로, 전력 변환부(220)는 충전기(240)로부터 공급되는 충전 출력을 LFP 배터리(B) 측으로 전달할 수 있다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 LFP 배터리(B)가 충전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 장치(100)는, 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 LFP 배터리(B)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압을 측정하고 측정된 전압을 나타내는 전압값을 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 전압 측정부(110)로부터 출력되는 전압값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 전압 측정부(110)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 전압 센서로 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 LFP 배터리(B)를 통해 흐르는 전류를 측정하고 측정된 전류를 나타내는 전류값을 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 전류 측정부(120)로부터 출력되는 전류값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 전류 측정부(120)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 홀 센서 또는 센스 저항을 포함할 수 있다.
온도 측정부(130)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 온도 측정부(130)는 시간 간격을 두고 LFP 배터리(B)의 온도를 측정하고 측정된 온도를 나타내는 온도값을 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 온도 측정부(130)로부터 출력되는 온도값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 온도 측정부(130)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 열전대(thermocouple)로 구성될 수 있다.
전압 측정부(110), 전류 측정부(120) 및 온도 측정부(130) 중 적어도 하나는 ADC를 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 여기서 ADC는, 공지의 아날로그 디지털 컨버터를 지칭한다.
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 출력된 LFP 배터리(B)의 전압값 및 전류 측정부(120)에 의해 출력된 LFP 배터리(B)의 전류값 중 적어도 하나와 온도 측정부(130)에 의해 출력된 LFP 배터리(B)의 온도값을 선택적으로 활용하여 LFP 배터리(B)의 SOC를 결정할 수 있다.
예컨대, LFP 배터리(B)의 SOC는, 암페어 카운팅 방식을 이용하여 결정되는 값일 수 있다. 다시 말해, 제어부(140)는 전류 측정부(120)를 통해서 주기적으로 측정되는 전류값을 시간에 대해 적산한 결과를 기초로, LFP 배터리(B)의 SOC를 지속적으로 모니터함은 물론 가장 최근에 결정된 SOC를 현 시점에 결정된 SOC로 갱신할 수 있다. 암페어 카운팅 방식을 이용하는 경우, LFP 배터리(B)의 온도값은 전류 적산량을 보정하는 데에 이용될 수 있다.
제어부(140)은, 전압 측정부(110)에 의해 순차적으로 출력되는 전압값과 전류 측정부(120)에 의해 순차적으로 출력되는 전류값을 모니터한다. 이때, 전압 측정부(110)에 의한 전압 측정 시점과 전류 측정부(120)에 의한 전류 측정 시점은 서로 동기화될 수 있다. 선택적으로, 온도 측정부(130)에 의한 온도 측정 시점 역시 전압 측정부(110)에 의한 전압 측정 시점 또는 전류 측정부(120)에 의한 전류 측정 시점에 동기화될 수 있다. 또한, 제어부(140)는 현재로부터 과거 소정 기간 동안에 전압 측정부(110)와 전류 측정부(120) 각각으로부터 출력된 소정 개수의 전압값과 소정 개수의 전류값을 메모리부(150)에 저장할 수 있다.
제어부(140)는 적어도 일반 모드와 캘리브레이션 모드에서 동작할 수 있다. 일반 모드는, 전술할 암페어 카운팅 기법 등을 통해 LFP 배터리(B)의 SOC를 결정하는 동작이 수행되는 모드를 지칭한다. 이와 대조적으로, 캘리브레이션 모드는, 일반 모드에서 결정된 SOC를 캘리브레이션하는 동작이 수행되는 모드를 지칭한다. 즉, 제어부(140)는 일반 모드에서 동작하다가 소정의 조건이 만족되는 경우 캘리브레이션 모드로 전환하거나, 캘리브레이션 모드에서 동작하다가 소정의 조건이 만족되는 경우 일반 모드로 전환하거나 할 수 있다. 이때, 일반 모드에서 캘리브레이션 모드로의 전환에 요구되는 조건과, 캘리브레이션 모드에서 일반 모드로의 전환에 요구되는 조건은 서로 상이할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)에 의해 실행되는 SOC 캘리브레이션 방법의 순차적인 흐름을 보여주는 순서도이고, 도 5는 LFP 배터리의 온도에 따른 내부 저항 커브를 보여주는 그래프이다. 또한, 도 3에 도시된 단계들과 도 4에 도시된 단계들은, 미리 정해진 사이클마다 적어도 1회씩은 수행될 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 3개의 서로 다른 내부 저항 커브는, LFP 배터리(B)의 온도를 각각 0℃, 25℃ 및 45℃로 유지하면서 소정의 레벨을 가지는 정전류로 LFP 배터리(B)를 SOC가 0인 시점부터 1인 시점까지 충전하는 사전 실험을 통해 얻은 것이다.
우선 도 3은 일반 모드에서의 프로세스와 관련된 단계들을 보여준다.
도 3을 참조하면, 단계 S310에서, 제어부(140)는 일반 모드에 진입하여, 카운팅 인덱스 k를 초기화한다. 예컨대, 제어부(140)는 카운팅 인덱스 k에 1을 할당함으로써, 카운팅 인덱스를 초기화할 수 있다. 이때, 카운팅 인덱스는, 제어부(140)가 전압 측정부(110), 전류 측정부(120) 및 온도 측정부(130) 중 적어도 하나로부터의 측정값을 수신한 횟수를 카운트하기 위한 팩터이다.
단계 S320에서, 전압 측정부(110)는 제어부(140)의 요청에 따라, LFP 배터리(B)의 전압을 측정하여, 측정된 전압을 나타내는 전압값을 제어부(140)에게 출력한다. 즉, 제어부(140)는 전압 측정부(110)로부터 전압값을 수신한다.
단계 S330에서, 전류 측정부(120)는 제어부(140)의 요청에 따라, LFP 배터리(B)의 전류를 측정하여, 측정된 전류을 나타내는 전류값을 제어부(140)에게 출력한다. 즉, 제어부(140)는 전류 측정부(120)로부터 전류값을 수신한다.
단계 S340에서, 온도 측정부(130)는 제어부(140)의 요청에 따라, LFP 배터리(B)의 온도를 측정하여, 측정된 온도를 나타내는 온도값을 제어부(140)에게 출력한다. 즉, 제어부(140)는 온도 측정부(130)로부터 온도값을 수신한다.
도 3에는 단계 S320, 단계 S330 및 단계 S340의 순서로 진행하는 것으로 도시되어 있으나, 이들 단계들 간의 순서는 도 3에 도시된 순서로 제한되지는 않으며, 바람직하게는 단계 S320, 단계 S330 및 단계 S340는 동시에 수행될 수 있다. 즉, 전압 측정부(110)에 의한 전압 측정 시점은, 전류 측정부(120)에 의한 전류 측정 시점 및 온도 측정부(130)에 의한 온도 측정 시점은 서로 동기화될 수 있다.
단계 S320, 단계 S330 및 단계 S340을 통해 제어부(140)는 LFP 배터리(B)의 전압값과, 전류값 및 온도값 각각을 동시에 또는 순차적으로 수신한 후, 메모리부(150)에 개별적으로 저장할 수 있다.
단계 S350에서, 제어부(140)는 LFP 배터리(B)의 전압값 및 전류값 중 적어도 하나를 기초로, LFP 배터리(B)의 현재 SOC를 결정할 수 있다. 이때, LFP 배터리(B)의 현재 SOC를 결정하는 데에 LFP 배터리(B)의 온도값이 선택적으로 고려될 수 있다. 바람직하게는, 제어부(140)는 단계 S330을 통해 수신된 LFP 배터리(B)의 전류값을 기초로, 전류 적산법을 이용하여 가장 마지막으로 결정되었던 SOC를 갱신할 수 있다. 제어부(140)는 단계 S350를 통해 결정된 현재 SOC를 통지하는 신호를 인터페이스부(160)를 통해 부하 장치(200)로 전송할 수 있다.
단계 S360에서, 제어부(140)는 카운팅 인덱스 k를 업카운팅한다. 즉, 제어부(140)는 카운팅 인덱스 k를 소정값(예, 1)만큼 증가시킨다. 도 3에는 단계 S350이 단계 S360에 선행하는 것으로 도시되어 있으나, 단계 S360이 단계 S350에 선행거나 동시에 수행되는 것도 좋다.
단계 S370에서, 제어부(140)는 카운팅 인덱스 k가 미리 정해진 횟수 kref(예, 3)와 동일한지 판정한다. 단계 S370의 판정 결과가 "YES"인 경우 프로세스는 단계 S380으로 진행한다. 만약, 단계 S370의 판정 결과가 "NO"인 경우 프로세스는 단계 S320 또는 단계 S330으로 진행할 수 있다.
단계 S380에서, 제어부(140)는 미리 정해진 제1 전환 조건이 만족되는지 판정할 수 있다. 여기서, 제1 전환 조건은 일반 모드로부터 캘리브레이션 모드로 전환하기 위해 미리 정해진 조건일 수 있다. 일 구현예에 따르면, 제1 전환 조건은, 단계 S350을 통해 결정된 SOC가 미리 정해진 임계 SOC에 도달하는 것이다. 즉, 제어부(140)는 단계 S350을 통해 결정된 SOC를 임계 SOC와 비교하여, 일반 모드에서의 동작을 유지할지 아니면 일반 모드에서 캘리브레이션 모드로 전환할지 결정할 수 있다. 이때, 임계 SOC를 지정하는 값은 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다.
단계 S380의 판정 결과가 "NO"인 경우 제어부(140)는 단계 S390으로 진행한다. 만약, 단계 S380의 판정 결과가 "YES"인 경우 제어부(140)는 단계 S410으로 진행한다.
단계 S390에서, 제어부(140)는 LFP 배터리(B)의 동작 상태가 키오프(Key-off) 상태인지 판정한다. 여기서, 키오프 상태란, LFP 배터리(B)의 충전이나 방전이 멈춘 경우를 말한다. 제어부(140)는, LFP 배터리(B)와 부하 장치(200) 사이의 연결을 제어하는 스위치 부품의 연결 상태를 기초로, LFP 배터리(B)가 현재 키오프 상태인지 판정할 수 있다.
단계 S390의 판정 결과가 "NO"인 경우 제어부(140)는 단계 S320으로 회구할 수 있다. 만약, 단계 S390의 판정 결과가 "YES"인 경우 제어부(140)는 프로세스를 종료한다.
도 4를 참조하면, 단계 S410에, 제어부(140)는 평균 전압값을 산출한다. 이때, 평균 전압값은, 소정의 제1 시간(예, 1초 이상 2초 이상의 특정값)동안 전압 측정부(110)로부터 수신된 복수의 전압값의 평균일 수 있다.
단계 S420에서, 제어부(140)는 평균 전류값을 산출한다. 이때, 평균 전류값은, 상기 제1 시간동안 전류 측정부(120)로부터 수신된 복수의 전류값의 평균일 수 있다. 도 4에는 단계 S410이 단계 S420에 선행하는 것으로 도시되어 있으나, 이들 간의 단계 S420이 단계 S410에 선행하더라도 무방하다.
이때, 평균 전압값과 평균 전류값에 고려되는 전압값과 전류값 각각의 개수는, 단계 S370에서의 소정 횟수 kref와 같거나 더 클 수 있다. 또한, 상기 제1 시간은, LFP 배터리(B)의 전압과 전류의 순간적인 변동과 같은 노이즈를 필터링하기 위해 미리 정해진 값이다.
단계 S430에서, 제어부(140)는 단계 S410을 통해 산출된 평균 전압값과 단계 S420을 통해 산출된 평균 전류값을 기초로, LFP 배터리(B)의 평균 내부 저항값을 산출할 수 있다. 이때, 평균 내부 저항값은, 상기 제1 시간 동안에 나타나는 LFP 배터리(B)의 내부 저항의 저항값을 대표하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 제어부(140)는 하기의 수학식 1을 이용하여, LFP 배터리(B)의 평균 내부 저항값을 산출할 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00002
수학식 1에서, Vave는 평균 전압값이고, Iave는 평균 전류값이며, OCVref는 미리 정해진 기준 개방 전압값이고, Rave는 평균 내부 저항값을 의미한다. 이때, 수학식 1의 기준 개방 전압값 OCVref은, LFP 배터리(B)의 SOC가 기준 SOC인 때의 LFP 배터리(B)의 개방 전압을 나타내는 값이다. 또한, 기준 SOC는, LFP 배터리(B)의 설계 용량 대비 소정 비율(예, 99%)의 잔존 용량을 나타내는 값이다. 이때, 기준 SOC는 100%보다는 작게 정해지는 것이 바람직하다. 전술한 임계 SOC는 기준 SOC보다 낮게 미리 정해진 값일 수 있다. 기준 개방 전압값은, 사전 실험을 통해 미리 정해져 메모리부(150)에 저장되는 것일 수 있다.
경우에 따라, 제어부(140)는 수학식 1을 이용하여 산출된 평균 내부 저항값 Rave이 양수인 경우에 한하여, 후술할 단계 S440 이후의 프로세스를 진행하고, 반면 수학식 1을 이용하여 산출된 평균 내부 저항값 Rave이 0 또는 음수인 경우에는 단계 S440 이후의 프로세스의 진행을 보류할 수 있다.
단계 S440에서, 제어부(140)는 LFP 배터리(B)의 현재 온도에 대응하는 기준 저항값을 선택할 수 있다. 이와 관련하여, 메모리부(150)에는 아래의 표 1과 같은 형태의 룩업 테이블이 미리 저장된 상태일 수 있다.
온도값(℃) 기준 저항값(Ω)
-20 0.020
-10 0.0075
0 0.0028
25 0.0014
도 5와 함께 표 1을 참조하면, 룩업 테이블은 각각 하나의 기준 온도값과 기준 저항값이 상호 연관되어 있는 둘 이상의 저장 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 룩업 테이블은 제1 저장 영역 및 제2 저장 영역을 포함할 수 있다. 제1 저장 영역에는 제1 기준 온도값 및 제1 기준 온도값에 연관된 제1 기준 저항값이 기록되고, 제2 저장 영역에는 제2 기준 온도값 및 제2 기준 온도값에 연관된 제2 기준 저항값이 기록될 수 있다. 만약, 제2 기준 온도값이 제1 기준 온도값보다 큰 경우, 제1 기준 저항값은 제2 기준 저항값보다 클 수 있다. 이는, 도 5에 도시된 바와 같이, SOC가 동일하더라도, LFP 배터리(B)의 온도가 높아질수록 내부 저항의 저항값은 점차 줄어드는 실험 결과를 반영하였기 때문이다.
표 1과 같은 룩업 테이블로부터 기준 저항값을 결정하는 일 예를 들면, 단계 S340을 통해 측정된 LFP 배터리(B)의 온도가 1℃인 경우, 제어부(140)는 룩업 테이블에 기록된 복수의 온도값들 중, 온도 측정부(130)에 의해 측정된 온도 1℃와 가장 가까운 0℃를 선택하고, 선택된 0℃에 연관된 기준 저항값 0.0028Ω을 선택할 수 있다.
한편, 표 1의 룩업 테이블에는 4가지의 온도값이 서로 다른 4가지의 기준 저항값에 각각 연관되어 서로 다른 저장 영역에 기록되는 것으로 표현되어 있으나, 룩업 테이블은 더 적거나 많은 수의 저장 영역으로 구획될 수 있다.
또한, 제어부(140)는 LFP 배터리(B)의 현재 온도에 대응하는 온도값이 룩업 테이블에 기록되지 않은 상태인 경우, 다양한 방식을 통해 LFP 배터리(B)의 현재 온도에 대응하는 기준 저항값을 산출할 수도 있다. 예컨대, 제어부(140)는 보간법을 통해, 룩업 테이블에 기록된 서로 다른 두 온도값으로부터 룩업 테이블에 기록되지 않은 온도값을 결정할 수 있다. 이와 유사하게, 제어부(140)는 보간법을 통해, 룩업 테이블에 기록된 서로 다른 두 기준 저항값으로부터 룩업 테이블에 기록되지 않은 기준 저항값을 결정할 수도 있다.
단계 S450에서, 제어부(140)는 단계 S430을 통해 산출된 평균 내부 저항값과 단계 S440를 통해 선택된 기준 저항값을 비교하여, 평균 내부 저항값이 기준 저항값에 도달하였는지 판정한다. 다시 말해, 제어부(140)는 평균 내부 저항값이 기준 저항값 이상인지 판정한다.
단계 S450의 판정 결과가 "YES"인 경우 제어부(140)는 단계 S460으로 진행한다. 만약, 단계 S450의 판정 결과가 "NO"인 경우 제어부(140)는 단계 S470으로 진행할 수 있다.
단계 S460에서, 제어부(140)는 기준 SOC를 이용하여, 현재 SOC를 캘리브레이션한다. 즉, 제어부(140)는 기준 SOC와 동일한 값을 갖도록 현재의 SOC를 갱신한다. 이를 통해, 전류 적산 방식에서 불가피하게 발생하게 되는 전류 측정 오차의 누적분이 제거될 수 있다.
단계 S470에서, 제어부(140)는 미리 정해진 제2 전환 조건이 만족되는지 판정할 수 있다. 여기서, 제2 전환 조건은 캘리브레이션 모드로부터 일반 모드로 전환하기 위해 미리 정해진 조건일 수 있다. 일 구현예에 따르면, 제2 전환 조건은, LFP 배터리(B)에 대한 충전이 종료되는 것 및/또는 단계 S460이 종료된 시점부터 소정의 제2 시간(예, 60초)이 경과할 것 등일 수 있다.
단계 S470의 판정 결과가 "NO"인 경우 제어부(140)는 단계 S410으로 진행한다. 만약, 단계 S470의 판정 결과가 "YES"인 경우 제어부(140)는 캘리브레이션 모드를 해제하고 단계 S390으로 진행할 수 있다.
한편, 제어부(140)는 단계 S350을 통해 결정된 현재 SOC와 기준 SOC 간의 차이가 미리 정해진 기준 차이값보다 큰 경우, 오동작 신호를 출력할 수 있다. 구체적으로, 기준 SOC에서 현재 SOC을 뺀 값이 기준 차이값보다 크다면, 제어부(140)는 전류 측정부(120)에 고장이 발생한 것으로 판정하여, 전류 측정부(120)의 교체가 필요함을 알리는 오동작 신호를 출력할 수 있다. 제어부(140)로부터 출력된 오동작 신호는 인터페이스부(160)를 통해 부하 장치(200)로 전송될 수 있다.
도 6 및 도 7은 LFP 배터리의 내부 저항의 저항값을 산출하는 데에 기준 개방 전압값을 이용한 경우와 그렇지 않은 경우의 차이를 설명하는 데에 참조되는 그래프들을 보여준다. 도 6 및 도 7에 도시된 그래프들은 모두 LFP 배터리(B)의 온도를 25℃로 유지한 상태에서 진행된 사전 실험을 통해 획득한 것이며, 기준 SOC는 99%로 설정하였다. 구체적으로, 도 6의 (a)는 시간에 대한 LFP 배터리(B)의 전압 커브를 보여주는 그래프이고, 도 6의 (b)는 시간에 대한 LFP 배터리(B)의 전류 커브를 보여주는 그래프이다. 또한, 도 7의 (a)는 LFP 배터리(B)의 전압과 전류가 도 6에 도시된 전압 커브와 전류 커브를 따르는 동안에 장치(100)에 의해 산출되는 Rave에 따른 제1 내부 저항 커브를 보여주는 그래프이고, 도 7의 (b)는 LFP 배터리(B)의 전압과 전류가 도 6에 도시된 전압 커브와 전류 커브를 따르는 동안에 장치(100)에 의해 산출되는 Rave에 따른 제2 내부 저항 커브를 보여주는 그래프이다. 여기서, 도 7의 (a)의 제1 내부 저항 커브는 수학식 1의 OCVref에 기준 개방 전압값을 할당한 경우에 나타나는 것이고, 도 7의 (b)의 제2 내부 저항 커브는 수학식 1의 OCVref에 기준 개방 전압값 대신 0을 할당한 경우에 나타나는 것이다.
먼저 도 7의 (a)에 도시된 그래프를 확인하면, 제1 내부 저항 커브는 대부분의 시간 동안 0Ω 이하의 저항값을 가지다가 6200초 근처에서 급격히 상승하여 6217초에서 25℃에 대응하는 기준 저항값인 0.0014Ω에 도달한다. 이에 따라, 제어부(140)는 도 7의 (a)의 그래프의 6217초에 대응하는 시점 Pcali에서 LFP 배터리(B)의 SOC를 99%로 캘리브레이션 할 수 있다.
다음으로, 도 7의 (b)에 도시된 그래프의 제2 내부 저항 커브는 제1 내부 저항 커브와는 달리, 6200초 근처에서 급격한 상승을 보이지 않는다. 이는, 수학식 1의 OCVref가 일종의 노이즈 필터와 같은 역할을 담당하기 때문이다. 즉, Iave가 양수라면, 수학식 1에서 기준 개방 전압값이 할당된 OCVref가 존재함으로 인해, OCVref 이하의 Vave가 수학식 1에 입력되는 경우에는 Rave가 0 또는 음수가 되고, 그 외의 경우에는 Rave는 양수가 된다. 따라서, 제어부(140)는 수학식 1의 Rave가 양수로 산출되는 기간 동안에 LFP 배터리(B)의 SOC를 캘리브레이션하는 것이 가능하다. 반면, Iave가 양수라는 가정하에, 수학식 1의 OCVref에 0이 할당되는 경우에는 Rave의 부호는 오로지 Vave에 의존하게 되므로, LFP 배터리(B)의 SOC에 대한 캘리브레이션을 수행할 포인트를 정확하게 선정할 수 없다.
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. LFP 배터리의 SOC를 캘리브레이션하는 배터리 관리 장치에 있어서,
    상기 LFP 배터리의 전압을 측정하여, 측정된 전압을 나타내는 전압값을 출력하는 전압 측정부;
    상기 LFP 배터리의 전류를 측정하여, 측정된 전류를 나타내는 전류값을 출력하는 전류 측정부; 및
    상기 전압값과 상기 전류값을 개별적으로 수신하고, 상기 전류값을 시간에 대해 적산한 결과를 기초로 상기 LFP 배터리의 SOC를 결정하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는 캘리브레이션 모드에 진입 시,
    소정 시간동안 상기 전압 측정부로부터 수신된 복수의 전압값에 대한 평균 전압값을 산출하고,
    상기 소정 시간동안 상기 전류 측정부로부터 수신된 복수의 전류값에 대한 평균 전류값을 산출하며,
    상기 평균 전압값 및 상기 평균 전류값을 기초로, 상기 소정 시간동안의 상기 LFP 배터리의 평균 내부 저항값을 산출하고,
    상기 평균 내부 저항값이 미리 정해진 기준 저항값 이상인지 판정하며,
    상기 평균 내부 저항값이 상기 기준 저항값 이상인 경우, 상기 결정된 SOC를 미리 정해진 기준 SOC로 캘리브레이션하는, 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LFP 배터리의 온도를 측정하여, 측정된 온도를 나타내는 온도값을 출력하는 온도 측정부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 온도 측정부에 의해 출력된 온도값을 더 기초로, 상기 LFP 배터리의 SOC를 결정하는, 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    미리 정해진 복수의 기준 온도값과 복수의 기준 저항값 간의 대응 관계를 정의하는 룩업 테이블을 저장하는 메모리부;를 더 포함하는, 배터리 관리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 룩업 테이블은,
    제1 기준 온도값 및 상기 제1 기준 온도값에 연관된 제1 기준 저항값이 기록된 제1 저장 영역; 및
    제1 기준 온도값보다 큰 제2 기준 온도값 및 상기 제2 기준 온도값에 연관된 제2 기준 저항값이 기록된 제2 저장 영역;을 포함하되,
    상기 제1 기준 저항값은 상기 제2 기준 저항값보다 큰, 배터리 관리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 소정 시간동안에 상기 온도 측정부로부터 수신된 온도값을 기초로 상기 룩업 테이블에 기록된 어느 한 기준 온도값을 선택하고,
    상기 룩업 테이블로부터 상기 선택된 기준 온도값에 대응되는 기준 저항값을 선택하며,
    상기 평균 내부 저항값이 상기 선택된 기준 저항값 이상인 경우, 상기 결정된 SOC를 상기 기준 SOC로 캘리브레이션하는, 배터리 관리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기준 저항값은,
    상기 LFP 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC인 때의 내부 저항의 저항값을 나타내는 값인, 배터리 관리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수학식 1을 이용하여 상기 평균 내부 저항값을 산출하되,
    <수학식 1>
    Figure pat00003

    상기 수학식 1에서 Vave는 상기 평균 전압값이고, Iave는 상기 평균 전류값이며, OCVref는 미리 정해진 기준 개방 전압값이고, Rave는 상기 평균 내부 저항값이며,
    상기 기준 개방 전압값은,
    상기 LFP 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC일 때의 상기 LFP 배터리의 개방 전압을 나타내는 값인, 배터리 관리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소정 시간은, 1초 이상이면서 2초 이하의 특정값이고,
    상기 기준 SOC는, 상기 LFP 배터리의 잔존 용량이 설계 용량의 99%임을 나타내는 값인, 배터리 관리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 한에 따른 배터리 관리 장치;
    를 포함하는, 배터리 팩.
  10. LFP 배터리의 SOC를 캘리브레이션하는 방법에 있어서,
    상기 LFP 배터리의 전압을 나타내는 전압값을 수신하는 단계;
    상기 LFP 배터리의 전류를 나타내는 전류값을 수신하는 단계;
    상기 전류값을 시간에 대해 적산한 결과를 기초로, 상기 LFP 배터리의 SOC를 결정하는 단계; 및
    캘리브레이션 모드에 진입하여, 상기 결정된 SOC를 캘리브레이션하는 단계;를 포함하되,
    상기 결정된 SOC를 캘리브레이션하는 단계는,
    소정 시간동안 수신된 복수의 전압값에 대한 평균 전압값을 산출하는 단계;
    상기 소정 시간동안 수신된 복수의 전류값에 대한 평균 전류값을 산출하는 단계;
    상기 평균 전압값 및 상기 평균 전류값을 기초로, 상기 소정 시간동안의 상기 LFP 배터리의 평균 내부 저항값을 산출하는 단계;
    상기 평균 내부 저항값이 미리 정해진 기준 저항값 이상인지 판정하는 단계; 및
    상기 평균 내부 저항값이 상기 기준 저항값 이상인 경우, 상기 결정된 SOC를 미리 정해진 기준 SOC로 캘리브레이션하는 단계;를 포함하는, SOC 캘리브레이션 방법.
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