KR20190000445A

KR20190000445A - 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전과 최대방전을 수행하기 위한 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20190000445A
Application number: KR1020170079449A
Authority: KR
Inventors: 이정환
Original assignee: 이정환
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2019-01-03
Also published as: KR101998069B1; WO2018235995A1

Abstract

본 발명은 전기자동차에 사용되는 배터리의 충전상태와 방전상태를 정밀하게 모니터링하여 배터리 상태에 따라 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해가면서 고속충전과 최대방전이 이루어지도록 함으로써, 높은 전압이나 높은 온도로 인하여 성능이 저하되는 것을 방지하면서 배터리를 빠르게 충전하고 최대한 방전을 수행할 수 있도록 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전과 최대방전을 수행하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전과 최대방전을 수행하기 위한 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FAST CHARGING AND MAXIMUM DISCHARGING WITH LESS-DEGRADATION OF BATTERY FOR AN ELECTRIC CAR}

본 발명은 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전과 최대방전을 수행하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차에 사용되는 배터리의 충전상태와 방전상태를 정밀하게 모니터링하여 배터리 상태에 따라 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해가면서 고속충전과 최대방전이 이루어지도록 함으로써, 높은 전압이나 높은 온도로 인하여 성능이 저하되는 것을 방지하면서 배터리를 빠르게 충전하고 최대한 방전을 수행할 수 있도록 하는 전기자동차용 배터리의 고속충전과 최대방전을 수행하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

최근 들어 가솔린 자동차에 의한 환경오염문제가 대두되면서 여러 자동차 메이커에 의해 친환경적인 전기자동차나 하이브리드 전기자동차의 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다.

상기 전기자동차(Electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고 전기 배터리와 전기모터를 사용하는 자동차를 말하며, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜 자동차를 구동시킨다.

또한 상기 하이브리드 전기자동차는 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 조합하여 차량을 구동시키는 것으로서, 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 일컫는다. 이러한 하이브리드 전기자동차는 주행속도에 따라 전기모터와 엔진이 적절히 구동되는 환경친화적인 자동차로서 전기모터를 발전하여 배터리를 충전하고, 저속주행시나 가속시에 모터로 보조 구동함으로써 연비 등을 개선하는 자동차이다.

일반적인 하이브리드 전기자동차는 모터작동을 제어하는 MCU(Motor Control Unit), 배터리 전원의 관리를 수행하는 BMS(Battery Management System), 차량 전반의 제어를 담당하는 HCU(Hybrid Control Unit), 엔진 작동의 전반을 제어하는 ECU(Engine Control Unit), 차량 주행용 구동원인 모터, 변속기를 제어하는 TCU(Transmission Control Unit) 등으로 구성된다.

이러한 제어기들은 상위 제어기인 HCU를 중심으로 고속 CAN(Controller Area Network, 차량 내 ECU들 간의 데이터 공유를 위해 Bosch에 의해 개발된 통신 시스템) 통신라인 등으로 연결되어 제어기들 상호 간의 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어있다. 예를 들면, HCU는 MCU를 통해 전기모터의 구동을 실질적으로 제어하게 되는데, 이때 상기 MCU는 상위 제어기인 HCU에서 인가되는 제어신호에 따라 구동원인 전기모터의 구동 토크와 구동 속도를 제어하여 주행성을 유지시키게 된다.

상기와 같이 구성된 하이브리드 전기자동차의 주요 주행 모드는 다음과 같이, 모터 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(electric vehicle) 모드, 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 모터의 회전력을 보조 동력으로 이용하는 보조 모드인 HEV(hybrid electric vehicle) 모드, 전기자동차의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 차량의 제동 및 관성 에너지를 상기 모터에서 발전을 통하여 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동(RB: Regenerative Braking) 모드 등이 있다.

또한 상기 HEV 모드는 주로 엔진을 사용하다가 전기모터가 보조하는 방식인 병렬형 하이브리드로서 강력한 힘을 내는 장점을 지닌 스트롱(Strong) HEV와, 1개의 엔진과 2개의 모터를 사용하여 직렬 방식처럼 하나의 모터로 전기를 생산하고 다른 하나의 모터를 통해 병렬 방식으로 운행을 보조하는 직병렬형 하이브리드로서 우수한 연비와 주행능력을 지닌 마일드(Mild) HEV로 구분할 수 있다.

또한 상기 하이브리드 전기자동차와 같이 휘발유로 구동되는 내연엔진 기관과 배터리 엔진을 동시에 장착하여 둘 중 하나 혹은 양쪽 모두를 이용해 차량을 구동하지만, 대용량 전기 배터리를 장착해 전기로 충전할 수 있는 차량으로서, 집이나 충전소에서 핸드폰을 충전하거나 휘발유를 주유하듯이 전기를 충전할 수 있으므로 지속적으로 사용이 가능한 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug In Hybrid Electric Vehicle : PHEV)도 개발되어 있다.

한편, 상기 하이브리드 전기자동차에는 2차전지인 대용량의 배터리가 사용되는데, 상기 배터리는 하이브리드 전기자동차의 모터를 구동하는 에너지원으로서, BMS를 통해 배터리의 전압, 전류, 온도를 모니터링하여 배터리의 충전 상태량을 조절한다.

도 1은 이와 같은 일반적인 전기자동차의 BMS(배터리 관리 시스템)에서 수행하는 동작을 개략적으로 설명하기 위한 도면으로서, 상기 BMS는 전기자동차의 구동 시스템에서 필요로 하는 전력을 공급하는 2차 전지의 안전성과 신뢰성을 보증하는 역할을 하기 때문에 전기자동차 및 하이브리드 전기자동차의 핵심 요소이다.

상기 BMS의 기능은 다음과 같이 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 즉 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 항상 균일한 성능을 나타낼 수 있도록 하는 열관리 제어기술과 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 지점에서 작동하도록 하는 배터리 충전상태(SOC: State Of Charge) 제어기술로 구분할 수 있는 것이다.

상기 열관리 제어기술은 시스템의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하여 최적의 상태로 유지 관리하며 시스템의 안전한 운영을 위한 경보 및 사전 안전예방 조치를 취할 수 있다. 또한 배터리의 과충전 및 과방전을 억제하여 셀(cell)간의 전압을 균일하게 제어함으로써 에너지 효율 및 배터리의 수명이 연장된다. 경보 관련 이력 상태의 저장과 외부 진단시스템 혹은 모니터링 PC를 통한 데이터의 보전 및 시스템 진단이 가능하다.

상기 배터리 충전상태 제어기술은 모든 셀을 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런스를 통해 실현하고 있다. 더욱이 배터리 관리 시스템은 각종 변화 요소들을 종합 분석하여 남은 주행 가능거리를 예측하고 그 정보를 상위의 차량 전자제어장치(ECU)에 제공한다. 차량 내 통신은 일반적으로 ISO 표준 네트워크인 CAN을 활용하고 있다.

상기 BMS의 기능을 지원하는 소프트웨어에는 전압, 전류, 온도 등을 계측하는 계측 알고리즘(Measuring algorithm for voltage, current and temperature), 충전량 계산(SOC; State of Charge calculation), 수명 예측(SOH; State of Health estimation), 셀 밸런싱 알고리즘(Cell balancing algorithm), 온도 관리(Thermal Management), 진단 알고리즘(Diagnostic algorithm), 방호 알고리즘(Protection algorithm)과 차량 내 통신(Communication with vehicle) 등이 있다.

한편, 상기 배터리는 충전과 방전을 반복함에 따라 그 성능이 퇴화되어 수명을 다하게 된다. 이때 배터리의 성능이 퇴화되는 정도는 SOH 파라미터를 통해서 정량적으로 평가될 수 있다. 즉 상기 BMS에서 SOH를 평가하여 배터리의 교체 시점을 산출하고, 배터리의 사용기간에 따른 배터리의 충전 및 방전 용량을 조절하여 배터리의 과충전 및 과방전을 방지할 수 있는 것이다.

통상적인 배터리의 노화는 배터리의 내부저항의 변화를 측정함으로써 검출되는데, 배터리가 처음 공장에서 생산되어 출하될 때는 내부저항이 매우 작다가 충전과 방전을 거듭함에 따라 내부저항이 커지다가 급기야 전자디바이스에 전력을 전달할 수 없을 정도로 내부저항이 커지게 된다. 따라서 배터리의 수명을 늘리기 위해서 충전과 방전을 효과적으로 관리할 필요가 있다.

배터리의 내부저항이 변화함에 따라 배터리의 용량이 변화하고, SOH는 배터리의 내부저항과 온도에 의해 추정이 가능하다. 상기 추정하는 과정은 먼저 충전과 방전을 반복할 때마다 배터리의 내부저항을 측정하고 또한 온도별로 배터리의 용량을 측정한 다음, 이를 배터리의 초기용량을 기준으로 상대적으로 수치화하여 SOH와의 매핑관계를 메모리 테이블에 저장하여 관리한다. 그리고 실제 배터리의 사용 환경에서 배터리의 내부저항과 온도를 측정하고, 상기 매핑 테이블로부터 내부저항과 온도에 대응되는 SOH를 맵핑하면 해당 배터리의 SOH를 추정할 수 있다.

그러나 상술한 바와 같은 대용량의 전원을 필요로 하는 전기자동차는 방전 배터리 전력이 배터리 전압 및 부하 전류에 의존하기 때문에 최대 전력을 정의할 수 없으며, 이에 따라 배터리 성능이 저하되는 문제가 있었다.

또한 전형적인 CC(Constant Current, 전압을 변동시켜 전류를 유지하여 설정한 전류를 초과하지 않는 정전류 모드) 충전모드, CV(Constant Voltage, 전류를 변화시켜 전압을 유지함에 따라 파워가 변하더라도 전압은 변하지 않는 정전압 모드) 충전모드는 CC(Constant Charging)에서 충전 전류를 변경할 수 없기 때문에 배터리의 상태에 따른 전류조정을 토대로 과충전 및 과방전을 효율적으로 방지하지 못하였다.

또한 배터리 내부의 높은 전압과 온도로 인해 배터리의 열화현상이 가속되는 문제가 있었다.

따라서 본 발명에서는 전기자동차용 배터리의 충전 및 방전상태를 모니터링하여 전압이나 온도정보를 토대로 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해가면서 충전과 방전을 수행함으로써, 높은 전압이나 높은 온도로 인한 열화의 발생을 최대한 억제하면서 고속충전과 최대방전을 수행할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

다음으로 본 발명의 기술분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.

먼저 한국등록특허 제0949260호(2010.03.16.)는 전기자동차용 전지 충전 시스템에 관한 것으로, 특히 하이브리드 전기자동차에서 배터리 충전상태량(SOC[%](State of Charge))의 설정값을 최적화하여 하이브리드 전기자동차의 에너지 소비효율 및 배터리의 수명을 연장할 수 있는 전기자동차용 전지 충전 시스템에 관한 것이다.

상기 선행기술은 가중 충전율 및 예측충전율을 결정하여 하이브리드 전기자동차의 배터리의 사용에너지 소비효율을 개선하고, 배터리의 과방전 과충전을 줄임으로써 배터리의 수명을 증가시키는 효과를 제공하는 것으로서, 배터리의 과방전 과충전을 줄여 배터리 수명을 증가하는 점에서 본 발명의 전기자동차용 배터리의 충전 및 방전상태를 모니터링하여 충전과 방전을 수행하는 구성과 일부 유사성이 있다.

하지만, 본 발명에서 제시하는 충방전을 거듭함에 따라 배터리 팩저항과 위크 셀(weak cell)의 저항이 변화하는 과정을 학습하여 배터리의 충전상태와 방전상태를 정밀하게 모니터링하고, 전압, 온도 또는 이들의 조합을 포함한 배터리 상태에 따라 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해 가면서 고속충전과 최대방전을 수행할 수 있는 기술적 구성은 상기 선행기술에 전혀 기재되어 있지 않으며, 그 어떠한 암시도 되어 있지 않은 본 발명만의 특징적 구성입니다.

또한 미국등록특허 제8459978호(2013.05.28.)는 충전용 배터리의 상태를 모니터링하는 것으로, 배터리의 방전 동안에 배터리와 관련하여 적어도 하나의 측정된 값을 반복적으로 획득하고, 배터리의 방전동안에 배터리의 상태를 반복적으로 계산하며(상기 배터리의 상태는 이전에 계산된 배터리의 상태, 상기 측정된 값, 그리고 적어도 하나의 배터리 파라미터에 의존함), 배터리의 상태가 임계값을 초과하기 전에 제1 속도로 배터리의 파라미터를 업데이트하고, 배터리의 상태가 임계값을 초과한 후에 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 배터리의 파라미터를 업데이트하며, 파라미터의 각 업데이트에 응답하여 배터리의 상태를 교정하는 것을 특징으로 한다.

그러나 상기 선행기술에서는 배터리의 상태에 대한 파라미터를 업데이트하여 배터리 상태를 모니터링하는 점은 본 발명과 일부 유사한 점이 있으나, 상기 선행기술에서는 본 발명의 전기자동차용 배터리의 전압, 온도 또는 이들의 조합을 포함한 배터리 상태에 따라 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해 가면서 고속충전과 최대방전을 수행할 수 있는 구성에 대한 아무런 시사나 암시 또는 기재가 없기 때문에 기술적 구성의 차이점이 분명하다.

상기 선행기술들을 참고하여 보면, 배터리의 과방전 과충전을 줄여 배터리 수명을 증가하는 구성, 배터리의 상태에 대한 파라미터를 업데이트하여 배터리 상태를 모니터링하는 구성에 대해서는 일부 유사한 구성을 제시하고 있지만, 본 발명에서 제시하는 기술적 특징인 배터리의 충전상태와 방전상태를 모니터링하여 배터리 상태에 따라 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해 가면서 고속충전과 최대방전을 수행하는 구성에 대해서는 아무런 기재가 없기 때문에 기술적 차이점이 분명한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 전기자동차에 사용되는 배터리가 높은 전압과 높은 온도로 인하여 성능이 저하되지 않도록 하면서 고속충전과 최대방전을 수행할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 충방전을 거듭함에 따라 배터리 팩저항과 위크 셀의 저항이 변화하는 과정을 학습하고, 학습 내용을 토대로 배터리의 충전상태와 방전상태를 정밀하게 모니터링하도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 전기자동차에 사용되는 배터리의 충전상태와 방전상태를 정밀하게 모니터링하여 전압, 온도 또는 이들의 조합을 포함한 배터리 상태에 따라 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해 가면서 고속충전과 최대방전을 수행할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 장치는, 열화나 온도에 따른 배터리팩의 충전상태정보를 학습하는 학습부 및 상기 학습한 충전상태정보를 토대로 상기 배터리팩의 위크 셀 상태에 따라 최대충전전류를 조정하여 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 충전 처리부를 포함하며, 상기 충전상태정보는, SOC에 따른 배터리팩의 전체저항, 각각의 배터리 셀에 대한 온도 및 저항, SOC에 따른 OCV 변화량, 현재의 OCV 포인트에서의 최대설정전압 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 최대충전전류는, CCmax = (OCVanode - Vmax)/WR[i][j]의 수학식에 의해 설정되는 것을 특징으로 한다. 여기서, CCmax는 최대충전전류, Vmax는 각 SOC별로 미리 설정되는 최대전압, OCVanode는 개방회로전압과 맵핑된 Anode OCV 전압, WR은 위크 셀의 저항, i는 측정된 저항의 포인트, j는 온도 범위이다.

셀 전체 전압은 Cathode Voltage + Anode Voltage로 이루어지며 Cathode Voltage와 Anode Voltage 또한 내부 그라운드(ground)를 통해 측정이 가능하다. 충전시 Anode Voltage는 드롭(drop)이 발생하게 되고 Anode Potential Voltage 이하로 드롭되는 경우 리튬 플레이팅(lithium plating)이 발생하여 셀 열화가 가속화된다. 그러므로 충전시 Anode 전압이 Potential Voltage 이하로 떨어지지 못하게 관리함으로써 셀 열화를 방지한다. 그러나 셀 개발이 완료되는 경우 통상적으로 셀은 단자가 +/- 두 개로 구성되어 실제 응용에 적용하기 전에 이미 각각의 OCV 프로파일(profile) 데이터를 측정해야하며 SOC 구간에 따라서 OCV를 OCVanode와 맵핑하여 실제 응용에서는 OCV를 측정하여 OCVanode를 구한다. 그러므로 Vmax는 Anode potential voltage + tolerance voltage로 설정한다.

또한 상기 충전 처리부는, 최근에 측정된 OCV와 Passed charge를 이용하여 상기 배터리팩의 현재 OCV 포인트를 검출하고, 상기 검출한 현재 OCV 포인트에서 상기 배터리팩의 위크 셀 온도 및 저항을 참조하여 최대충전전류를 설정하고, 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압인지를 판단하며, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압이면 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 충전 처리부는, 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압인지를 판단한 결과, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압이 아니면 가장 높은 전압을 갖는 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 배터리 셀의 저항을 재측정하고, 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 미리 설정된 최대전압보다 크면 저항을 다시 측정한 다음 해당 위크 셀의 온도 및 저항을 토대로 상기 최대충전전류를 조정하여 충전을 진행하며, 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 미리 설정된 최대전압보다 작으면 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 충전 처리부는, 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 상기 배터리팩의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하며, 판단결과 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 충전이 이루어질 수 있도록 최대충전전류를 조정한 다음 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행함으로써, 기 설정된 범위의 온도를 초과하는 온도에서 충전이 이루어질 때 발생하는 열화를 방지하도록 하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 장치는, 열화나 온도에 따른 배터리팩의 방전상태정보를 학습하는 학습부 및 상기 학습한 방전상태정보를 토대로 상기 배터리팩의 위크 셀 상태에 따라 최대방전전류와 최대파워를 조정하여 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 방전 처리부를 포함하며, 상기 방전상태정보는, SOC에 따른 배터리팩의 전체저항 및 전체전압, 각각의 배터리 셀에 대한 온도 및 저항, SOC에 따른 OCV 변화량, 미리 설정한 방전종지전압인 컷오프 전압, 컷오프 전압 이전의 마진 설정 전압 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 최대방전전류와 상기 최대파워는, MAXdisc = (OCV - (cutoff voltage + delta voltage))/WR[i][j], MAXp = 현재 배터리팩 전압*MAXdisc의 수학식에 의해 설정되는 것을 특징으로 한다. 여기서, MAXdisc는 최대방전전류, OCV는 개방회로전압, cutoff voltage는 방전종지전압, delta voltage는 cutoff voltage 이전의 마진 설정 전압, WR은 위크 셀의 저항, i는 측정된 저항의 포인트, j는 온도 범위, MAXp는 최대파워이다.

또한 상기 방전 처리부는, 최근에 측정된 OCV와 Passed charge를 이용하여 상기 배터리팩의 현재 OCV 포인트를 검출하고, 상기 검출한 현재 OCV 포인트에서 상기 배터리팩의 위크 셀 온도 및 저항, 컷오프 전압, 마진 설정 전압을 참조하여 최대방전전류와 최대파워를 설정하고, 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압인지를 판단하고, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압이면 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작은지를 판단하며, 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 크면 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방전 처리부는, 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압인지를 판단한 결과, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압이 아니면 가장 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 셀의 저항을 재측정하여, 저항 재측정 결과를 토대로 검출된 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작은지를 판단하고, 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작으면 저항을 다시 계산한 다음 최대충전전류와 최대파워를 조정하여 방전을 진행하며, 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 크면 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방전 처리부는, 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 상기 배터리팩의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하며, 판단결과 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 방전이 이루어질 수 있도록 최대방전전류와 최대파워를 조정한 다음 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행함으로써, 기 설정된 범위의 온도를 초과하는 온도에서 방전이 이루어질 때 발생하는 열화를 방지하도록 하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 방법은, 열화나 온도에 따른 배터리팩의 충전상태정보를 학습하는 학습 단계 및 상기 학습한 충전상태정보를 토대로 상기 배터리팩의 위크 셀 상태에 따라 최대충전전류를 조정하여 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 충전 처리 단계를 포함하며, 상기 충전상태정보는, SOC에 따른 배터리팩의 전체저항, 각각의 배터리 셀에 대한 온도 및 저항, SOC에 따른 OCV 변화량, 현재의 OCV 포인트에서의 최대설정전압 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 충전 처리 단계는, 최근에 측정된 OCV와 Passed charge를 이용하여 상기 배터리팩의 현재 OCV 포인트를 검출하는 단계, 상기 검출한 현재 OCV 포인트에서 상기 배터리팩의 위크 셀 온도 및 저항을 참조하여 최대충전전류를 설정하는 단계, 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압인지를 판단하는 단계 및 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압이면 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 충전 처리 단계는, 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압인지를 판단한 결과, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압이 아니면 가장 높은 전압을 갖는 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 배터리 셀의 저항을 재측정하는 단계, 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 미리 설정된 최대전압보다 크면 저항을 다시 측정한 다음 해당 위크 셀의 온도 및 저항을 토대로 상기 최대충전전류를 조정하여 충전을 진행하는 단계 및 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 미리 설정된 최대전압보다 작으면 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 충전 처리 단계는, 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 상기 배터리팩의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하는 단계, 및 판단결과 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 충전이 이루어질 수 있도록 최대충전전류를 조정한 다음 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행함으로써, 기 설정된 범위의 온도를 초과하는 온도에서 충전이 이루어질 때 발생하는 열화를 방지하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 방법은, 열화나 온도에 따른 배터리팩의 방전상태정보를 학습하는 학습 단계 및 상기 학습한 방전상태정보를 토대로 상기 배터리팩의 위크 셀 상태에 따라 최대방전전류와 최대파워를 조정하여 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 방전 처리 단계를 포함하며, 상기 방전상태정보는, SOC에 따른 배터리팩의 전체저항 및 전체전압, 각각의 배터리 셀에 대한 온도 및 저항, SOC에 따른 OCV 변화량, 미리 설정한 방전종지전압인 컷오프 전압, 컷오프 전압 이전의 마진 설정 전압 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방전 처리 단계는, 최근에 측정된 OCV와 Passed charge를 이용하여 상기 배터리팩의 현재 OCV 포인트를 검출하는 단계, 상기 검출한 현재 OCV 포인트에서 상기 배터리팩의 위크 셀 온도 및 저항, 컷오프 전압, 마진 설정 전압을 참조하여 최대방전전류와 최대파워를 설정하는 단계, 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압인지를 판단하는 단계, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압이면 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작은지를 판단하는 단계 및 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 크면 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방전 처리 단계는, 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압인지를 판단한 결과, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압이 아니면 가장 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 셀의 저항을 재측정하여, 저항 재측정 결과를 토대로 검출된 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작은지를 판단하는 단계, 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작으면 저항을 다시 계산한 다음 최대충전전류와 최대파워를 조정하여 방전을 진행하는 단계 및 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 크면 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방전 처리 단계는, 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 상기 배터리팩의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하는 단계 및 판단결과 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 방전이 이루어질 수 있도록 최대방전전류와 최대파워를 조정한 다음 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행함으로써, 기 설정된 범위의 온도를 초과하는 온도에서 방전이 이루어질 때 발생하는 열화를 방지하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명의 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전과 최대방전을 수행하기 위한 방법 및 그 장치에 따르면, 전기자동차용 배터리의 충전 및 방전상태를 모니터링하여 전압이나 온도정보를 토대로 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해가면서 충전과 방전을 수행함으로써, 높은 전압이나 높은 온도로 인한 열화의 발생을 최대한 억제하면서 고속충전과 최대방전을 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한 배터리 팩저항과 위크 셀의 저항이 변화하는 과정을 학습하여 배터리의 충전상태와 방전상태를 정밀하게 모니터링하고 이를 토대로 충전 및 방전을 제어함으로써, 과충전 및 과방전으로 인해 발생할 수 있는 열화의 발생을 최대한 억제할 수 있으며, 이에 따라 배터리의 품질을 높일 수 있음은 물론, 오랫동안 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 전기자동차의 BMS에서 수행하는 동작을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명이 적용된 배터리 관리 시스템의 일 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명이 적용된 배터리 관리 시스템의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명이 적용된 배터리 관리 시스템의 또 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 배터리팩의 충전 및 방전상태 모니터링을 위한 데이터를 학습하기 위한 제1 사이클을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 배터리팩의 충전 및 방전상태 모니터링을 위한 데이터를 학습하기 위한 제2 사이클을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 각 실시예에 적용되는 배터리 관리 장치의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 방법의 동작과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 방법의 동작과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리의 고온에 의한 열화 발생을 방지하는 온도제어 방법의 동작과정을 설명하기 위한 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전과 최대방전을 수행하기 위한 방법 및 그 장치에 대한 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명이 적용된 배터리 관리 시스템의 일 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명이 적용된 배터리 관리 시스템의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명이 적용된 배터리 관리 시스템의 또 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 다른 배터리 관리 시스템(10)은 배터리팩(200)의 상태를 모니터링하여 열화가 덜 발생되도록 하면서 고속충전과 최대방전을 수행하는 배터리 관리 장치(100), 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리팩(200), 외부단자를 통해 상기 배터리팩(200)과 배터리팩(200)을 충전하기 위한 충전기(700) 또는 상기 외부단자를 통해 상기 배터리팩(200)과 연결되어 상기 배터리팩(200)으로부터 파워를 인가받아 구동되는 전기모터 등의 부하(미도시), 충전 FET(300), 방전 FET(400), 배터리팩(200)의 온도를 감지하는 온도 감지부(500), 배터리팩(200)의 전류를 감지하는 전류 감지부(600) 등으로 구성된다.

배터리 관리 장치(100)는 전계효과 트랜지스터(FET, field effect transistor)로 구성된 충전 FET(300)와 방전 FET(400)를 제어하여 상기 외부단자와 연결되는 외부장치(즉, 충전기(700) 또는 부하)에 따라 상기 배터리팩(200)을 충전하거나 방전할 수 있도록 한다. 이때 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 배터리팩(200)의 상태를 모니터링하고, 모니터링 결과를 토대로 상기 배터리팩(200)의 상태에 따라 높은 전압이나 높은 온도에 의한 열화가 덜 발생되도록 하면서 상기 배터리팩(200)의 고속충전과 최대방전을 진행한다.

예를 들어, 상기 외부단자에 충전기(700)가 연결되는 경우, 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 충전 FET(300)를 온하고, 방전 FET(400)를 차단(오프)함으로써 상기 충전기(700)로부터 배터리팩(200) 방향으로 일정한 전압 및 전류를 흐르도록 하여 상기 배터리팩(200)을 충전할 수 있도록 한다. 이와 반대로, 상기 외부단자에 전기모터 등의 부하가 연결되는 경우, 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 충전 FET(300) 및 방전 FET(400)를 각각 오프 및 온 함으로써, 상기 배터리팩(200)으로부터 부하방향으로 일정한 전압 및 전류를 흐르도록 하여 상기 부하로 파워를 인가할 수 있도록 한다.

또한 상기 배터리 관리 장치(100)는 온도에 따른 배터리팩(200)의 전체저항 및 상기 배터리팩(200)을 구성하는 배터리 셀 중 약한 배터리 셀(즉 위크 셀)에 대한 저항을 학습함으로써, 온도 및 열화에 따른 상기 배터리팩(200)에 대한 저항변화를 토대로 충/방전이 거듭되어 사용된 배터리팩(200)의 상태를 즉각적으로 알 수 있도록 한다. 그리고 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 배터리팩(200)의 충전 혹은 방전 시 해당 배터리팩(200)의 온도 및 열화에 따른 잔여용량(remaining capacity)을 정확하게 게이징(gauging)하며, 이를 토대로 상기 배터리팩(200)의 충전 혹은 방전을 관리하여 상기 배터리팩(200)의 과충전 혹은 과방전으로 인한 열화 및 결함발생을 방지하도록 한다.

즉 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 배터리팩(200)의 충전상태를 모니터링하다가 상기 배터리팩(200)이 과충전 상태로 진입하기 전에 이를 감지하여 상기 충전 FET(300)를 오프시킴으로써 과충전으로 인한 배터리팩(200)의 결함 및 열화발생을 방지할 수 있도록 한다. 마찬가지로, 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 배터리팩(200)의 방전상태를 모니터링하다가 상기 배터리팩(200)이 과방전 상태로 진입하기 전에 이를 감지하여 상기 방전 FET(400)를 오프시킴으로써 과방전으로 인한 배터리팩(200)의 결함 및 열화발생을 방지할 수 있도록 한다.

한편 상기 배터리 관리 장치(100)는 전기모터와 시스템에서 사용하는 파워를 알고 있거나 혹은 모니터링을 수행하여야 한다. 예를 들어 현재 배터리팩(200)에서 제공 가능한 최대파워가 50KW라고 하면, 모터 구동 및 시스템에서 사용하는 파워를 50KW 이하로 제어하여야 하기 때문이다. 이를 위해서는 이미 파워 버짓(power budget)이 시스템 동작에 따라 개발단계에서 측정되어 설정되어야 한다.

또한 본 발명의 배터리팩을 적용하는 전기자동차는 배터리 전압으로 최대파워로 최대 스피드를 제한할 수 있고, 자동차 제조사에 의해 설정될 수 있는 최대파워가 너무 낮은 경우 사용자에게 신호를 보내며, 전기모터 성능으로서 저속모드와 런타임을 희생하는 고속모드의 두 가지 모드를 가지고 있다.

또한 본 발명에 적용되는 전기자동차용 배터리팩은 높은 온도 또는 높은 전압에서 열화가 가속화되고 높은 온도에서 폭발이 일어날 수 있는 것을 방지하기 위하여 어떠한 경우에도 셀 온도가 온도 임계값 이상이 되지 않도록 제어하여야 한다. 그러므로 온도를 낮추고 전압을 낮추기 위하여 배터리 에너지를 관리하여야 함은 당연하다.

배터리팩(200)은 복수의 배터리 셀로 구성되며, 상기 배터리 셀은 해당 배터리팩(200)이 이용되는 목적, 용도 또는 해당 배터리팩(200)에 연결되는 부하에 따라 상기 배터리 셀의 개수를 달리하여 상기 배터리팩(200)을 구성할 수 있다.

이때 상기 배터리 셀은 직렬, 병렬 또는 이들의 조합으로 연결될 수 있으며, 외부단자로 연결되는 충전기(700) 또는 부하를 통해 일정한 전압으로 충전되거나, 또는 방전된다.

또한 상기 배터리팩(200)은 리튬 이온 배터리, 리튬 이온 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리 등과 같이 공지된 모든 종류의 2차 배터리로 구성될 수 있다.

충전 FET(300) 및 방전 FET(400)는 상기 배터리팩(200)을 일정한 전압으로 충전하거나 방전하기 위한 스위치를 의미하는 것으로, FET 이외에 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 또는 충/방전을 위한 릴레이(relay) 등과 같은 다양한 스위치로 구성될 수 있다.

온도 감지부(500)는 상기 배터리팩(200)의 충/방전 시에 상기 배터리팩(200) 혹은 배터리 셀에 대한 온도를 감지하여 상기 배터리 관리 장치(100)로 제공한다.

전류 감지부(600)는 전류를 감지하기 위한 센스 레지스터(sense resistor)로 구성되며, 상기 외부단자 및 상기 배터리팩(200)과 직렬로 연결되어 상기 배터리팩(200)의 충/방전 전류를 감지하여 상기 배터리 관리 장치(100)로 제공한다.

한편, 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 배터리팩(200)의 상태에 따라 높은 전압이나 높은 온도에 의한 열화가 덜 발생되도록 하면서 상기 배터리팩(200)의 고속충전과 최대방전을 수행할 수 있도록, 상기 배터리팩(200)의 전체 저항과 각 배터리 셀에 대한 저항, 그리고 상기 배터리팩(200)의 잔여용량 및 전체 가용용량을 정확하게 게이징하기 위해 무부하 상태에서 상기 배터리팩(200)에 대한 OCV(open circuit voltage)의 변화상태 및 온도에 따른 상기 배터리팩(200)의 저항 변화를 학습한다. 이때 상기 학습은 제1 사이클 및 제2 사이클을 포함하여 총 두 번의 학습 사이클을 통해 수행되는데, 이에 대한 상세한 설명은 하기의 도 5와 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

또한 상기 배터리 관리 장치(100)에 의해 온도 변화에 따라 학습한 상기 배터리팩(200)의 전체 저항과 각 배터리 셀의 저항(즉 내부저항)은 온도 및 각 온도에서의 저항을 나타내는 파라미터로 구성된 함수로부터 도출되며, 이는 높은 전압이나 온도에 의해 발생될 수 있는 열화가 덜 발생되도록 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해가면서 상기 배터리팩(200)의 고속충전이나 최대방전을 수행하는데 이용된다.

한편 상기 열화가 덜 발생되도록 하면서 상기 배터리팩(200)의 고속충전이나 최대방전을 수행하는 과정과, 온도제어를 수행하는 과정은 하기의 도 8 내지 도 10을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

이처럼, 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 배터리팩(200)의 전체 저항과 각 배터리 셀에 대한 저항을 측정하여 학습하며, 온도에 따른 상기 배터리팩(200)의 최대충전전류와 최대방전전류를 조정하기 위한 팩터를 도출하고 부하의 특성을 분석한다. 이를 통해 높은 전압이나 온도에 의한 열화가 덜 발생되도록 하면서 상기 배터리팩(200)을 고속충전하거나 최대방전을 수행하도록 할 수 있다.

즉 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 학습 사이클을 통해 SOC에 따른 배터리팩의 전제 저항, 각 배터리 셀에 대한 저항, OCV 변화량, 상기 배터리팩(200)의 총 용량을 포함하는 상기 배터리팩(200)의 상태정보를 학습하여, 해당 배터리팩(200)의 충전 및 방전상태를 정확하게 확인할 수 있는 것이다.

도 3은 본 발명이 적용된 배터리 관리 시스템의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(10)은 상기 도 2의 구성과 복수의 전류/전압 측정부(800)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

즉 도 2의 실시예에서 설명한 배터리 관리 시스템(10)은 각각의 배터리 셀의 전압을 직접 측정하여 상기 각 배터리 셀의 저항 및 약한 배터리 셀에 대한 저항을 산출하는 구성이나, 도 3의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(10)은 별도의 전류/전압 측정부(800)를 구비하여 상기 배터리 셀에 대한 저항을 측정할 수 있도록 구성한 것이다.

이때 상기 전류/전압 측정부(800)는 적어도 하나 이상으로 구비되며, 각각의 전류/전압 측정부(800)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀과 각각 연결된다.

또한 상기 전류/전압 측정부(800)는 자신이 담당하는 각각의 배터리 셀에 대한 전류 및 전압을 측정하여 배터리 관리 장치(1000)로 제공하고, 상기 배터리 관리 장치(1000)는 상기 각 전류/전압 측정부(800)로부터 제공받은 각 배터리 셀에 대한 전류 및 전압을 이용하여 각각의 배터리 셀 저항 및 약한 배터리 셀에 대한 저항을 토대로 학습을 수행한다.

배터리 셀의 저항을 측정할 때, 상기 도 2의 실시예에서의 배터리 관리 장치(100)는 상기 배터리팩(200)에 대한 전체 전류와 각 배터리 셀에 대한 전압을 이용하여 각각의 배터리 셀에 대한 내부저항을 측정하였으나, 상기 도 3의 실시예에서의 배터리 관리 장치(1000)는 각각의 배터리 셀에 대한 전압 및 전류를 측정하고 이를 이용하여 각각의 배터리 셀의 저항을 측정하기 때문에 더욱 정확하게 내부저항을 측정할 수 있다. 이때 상기 저항은 상기 전류/전압 측정부(800)에 계산되어 상기 배터리 관리 장치(1000)로 제공되거나, 상기 배터리 관리 장치(1000)에 의해 계산될 수 있다.

도 4는 본 발명이 적용된 배터리 관리 시스템의 또 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(10)은 상기 도 2의 구성과 복수의 배터리 데이터 처리부(900)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 배터리 데이터 처리부(900)는 상기 도 2에서 설명한 배터리 관리 장치(100)가 복수개로 모듈화되어 구성되는 것으로, 상기 배터리 관리 장치(100)에서 상기 배터리팩(200)의 상태정보 모니터링에 관련된 데이터 처리를 중앙 집중적으로 수행하던 것을 복수의 모듈에서 처리할 수 있도록 함으로써, 중앙으로 집중되는 부하를 분산하여 처리할 수 있도록 한다.

이때 상기 배터리 데이터 처리부(900)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀과 각각 연결되며, 온도변화에 따른 각각의 배터리 셀의 내부저항을 학습하여 이에 대한 결과를 배터리 관리 장치(2000)로 제공한다.

또한 상기 배터리 관리 장치(2000)는 단순히 각각의 배터리 데이터 처리부(900)로부터 제공받은 배터리 모니터링에 관련된 데이터를 통합함으로써, 배터리팩(200)의 최대충전전류 또는 최대방전전류, 전압 및 온도정보, 잔여용량, 가용용량(usable), SOH(state of health) 등을 계산하여 누적 저장하고, 상기 배터리팩(200)의 충전 및 방전상태를 모니터링하며, 모니터링 정보를 토대로 높은 전압이나 온도에 의한 열화가 덜 발생되도록 하면서 상기 배터리팩(200)을 고속충전하거나 최대방전을 수행하도록 한다.

한편 상기 배터리 데이터 처리부(900) 및 배터리 관리 장치(2000)는 I2C(inter-integrated circuit), SMB(server message block), CAN(controller area network) 등의 다양한 통신방식을 이용하여 충전 및 방전상태에 관련된 모니터링 데이터를 송수신할 수 있다.

다음에는, 도 5와 도 6을 참조하여 상기 배터리팩(200)의 고속충전 및 최대방전을 수행하도록, 상기 배터리팩(200)의 충전 및 방전상태 모니터링을 위한 데이터를 학습하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 적용되는 배터리팩의 충전 및 방전상태 모니터링을 위한 데이터를 학습하기 위한 제1 사이클을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명에 적용되는 배터리팩의 충전 및 방전상태 모니터링을 위한 데이터를 학습하기 위한 제2 사이클을 나타낸 도면이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 상기 배터리 관리 장치(100)는 제1 사이클(1st cycle)에서의 상기 배터리팩(200)의 OCV 곡선을 측정하고, 상기 측정한 OCV 곡선을 누적하여 저장함으로써, 상기 배터리팩(200)이 방전될 때마다 OCV 변화량을 학습한다. 즉 상기 배터리 관리 장치(100)는 온도와 열화(에이징)에 따른 상기 배터리팩(200)의 저항변화와 용량을 게이징하기 위해 우선적으로 제1 사이클을 통해 SOC에서 상기 배터리팩(200)의 OCV 변화량(즉 OCV 곡선)을 학습하는 것이다.

상기 첫 번째 사이클은 무부하 상태에서 일정한 C-rate(예: 1/20C)로 상기 배터리팩을(200)을 방전시켜가며, 복수의 SOC 그리드 포인트로 나누어 해당 SOC 그리드 포인트마다 해당 배터리팩(200)의 전압을 감지함으로써, OCV의 변화량을 측정할 수 있다. 한편 상기 SOC 그리드 포인트는 도 6에 도시되어 있다.

한편 OCV 변화량은 상기 배터리팩(200)의 자가 방전을 통해 측정할 수 있으나, 자가 방전의 경우 완전 방전까지 오랜 시간이 소요되므로, 아주 작은 전류를 흐르도록 하여 상기 OCV 변화량을 측정하고, 이를 무부하시 측정되는 OCV의 변화량과 동일한 것으로 간주한다.

또한 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 측정한 SOC상의 OCV 곡선에서 OCV 변화량이 완만하거나 거의 없는 평탄 영역(Flat Region)을 검출한다.

상기 평탄 영역은 도 5에 도시된 바와 같이, a 포인트 및 b 포인트를 찾음으로써 검출되는데 상기 a 포인트 및 b 포인트는 단위시간당 전압변화량이 급격하게 변하는 곳이다.

즉 a 포인트는 단위시간당 전압변화량이 급격하게 감소하는 지점이며, b포인트는 단위시간당 전압변화량이 급격하게 증가하는 곳을 의미한다. 이때 상기 평탄 영역은 상기 a 포인트 및 b 포인트 사이에 위치하며, 전압변화량이 완만하거나 거의 동일한 구간을 의미한다.

한편 a 포인트는 상기 OCV 곡선을 단위시간으로 미분하여 미리 설정한 값보다 큰 지점이 최초로 검출되는 포인트이며, 상기 b 포인트는 상기 OCV 곡선을 단위시간으로 미분하여 미리 설정한 값보다 작은 지점이 최초로 검출되는 포인트를 의미한다.

본 발명의 일 실시예로써, dV/dT > 30uV/S인 지점을 a 포인트로 하여 검출할 수 있으며, dV/dT < 30uV/S인 지점을 b 포인트로 하여 검출할 수 있다. 한편 상기 각 포인트를 검출하기 위해 기준이 되는 30uV/S는 배터리 셀의 특성에 따라 달리 설정될 수 있음은 당연하다.

또한 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 제1 사이클을 통해 해당 배터리팩(200)의 총 용량을 계산한다. 상기 총 용량은 상기 배터리팩(200)을 무부하 상태에서 종지전압(discharge termination voltage)까지 방전하면서 흐르는 총 전하량을 계산함으로써 계산되거나, 상기 OCV 전압 곡선의 면적을 계산하여 측정할 수 있다.

즉 해당 배터리팩(200)의 총 쿨롬(coulomb)을 계산하여 상기 배터리팩(200)의 총 용량을 측정하거나, 또한 도 5에 도시한 것과 같이 OCV 전압곡선과 x축 및 y축으로 형성되는 도형에 대한 면적을 계산하여 해당 배터리팩(200)의 총 용량을 측정할 수 있다.

상기 배터리 관리 장치(100)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 사이클(2nd cycle)을 통해 배터리팩(200)의 SOC 그리드 포인트 별 저항값을 측정한다.

또한 상기 배터리 관리 장치(100)는 각 SOC 그리드 포인트에 대한 저항값을 측정하기 위해 1/5 C-rate로 상기 배터리팩(200)을 방전시켜가면서, 해당 배터리팩(200)의 전체 저항과 제일 약한 전압을 출력하는 약한 배터리 셀(즉 위크 셀)에 대한 저항을 측정한다.

상기 제2 사이클은 각 온도별(예: 저온, 상온, 고온)로 적어도 3번 이상 수행되며, 각 온도별로 해당 배터리팩(200)의 전체 저항과 약한 배터리 셀의 저항을 측정한다. 상기 각 온도는 상온은 25도, 고온은 40도 이상, 저온은 5도 이하로 설정하여, 상기 설정한 온도별로 상기 배터리팩(200)의 전체 저항과 약한 배터리 셀의 저항을 측정한다. 이때 상기 각 온도는 배터리의 사용용도, 사용환경, 사용자의 설정 등에 따라 달리 설정할 수 있으며, 더욱 정확한 정밀성을 위해 많은 온도 구간(예: -5도 이하, 0도, 5도, 10도, 15도, 25도, 40도 이상 등)을 설정할 수 있음은 물론이다.

또한 상기 각 SOC 그리드 포인트별 전체 전압은 상기 도 5에서 설명한 것과 같이, 상기 제1 사이클을 통해 이미 각 구간별 전압곡선을 측정하였기 때문에 다음의 [수학식 1]을 통해 측정할 수 있다.

[수학식 1]

Vm[i] = OCV[i] - IR[i],

-> R[i] = (OCV[i] - Vm[i])/I

여기서 Vm은 배터리팩(200)의 전체 측정전압을 의미하며, 제1 사이클을 통해 측정된 무부하 상태에서의 개방회로전압을 의미한다. 또한 i는 SOC상에서 미리 설정한 가상의 그리드 포인트로 저항값을 계산하는 지점을 의미한다.

또한 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 [수학식 1]을 이용하여 각 배터리 셀의 저항을 SOC 그리드 포인트 별로 측정할 수 있다. 이때 Vm은 배터리 셀별로 측정되는 전압을 의미하며, I는 상기 배터리 셀별로 측정되는 전류를 의미한다.

이러한 과정을 통해 상기 배터리 관리 장치(100)는 각 온도별 배터리팩(200)의 내부저항에 대한 변화를 학습하여 상기 배터리팩(200)이 방전될 때 해당 배터리팩(200)의 내부저항을 정확하게 측정할 수 있다. 그러므로 상기 배터리팩(200)의 반복적인 충방전에 의한 배터리팩 저항과 약한 배터리 셀의 저항이 변화하는 과정을 감지할 수 있고, 이를 토대로 해당 배터리팩(200)의 내부저항이 미리 설정된 값 이상으로 상승하는 경우 충전 혹은 방전을 중단하여 해당 배터리팩(200)의 발열 및 폭발로 인한 위험성을 사전에 차단할 수 있다.

도 7은 본 발명에 적용되는 배터리 관리 장치의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 배터리 관리 장치(100)는, 학습부(110), 측정부(120), 충전 처리부(130), 방전 처리부(140), 온도 제어부(150), 통신부(160), 저장부(170), 제어부(180) 등으로 구성된다.

학습부(110)는 온도에 따른 배터리팩(200)의 저항을 측정하여 학습하는 기능을 수행하는 부분으로서, 학습 사이클을 통해 열화 및 온도에 따른 상기 배터리팩(200)의 OCV 곡선, 총 용량 및 저항의 변화를 학습한다.

이때 상기 학습 사이클은 상기 도 5 및 도 6에 설명한 제1 사이클 및 제2 사이클을 포함하여 구성되는데, 상기 제1 사이클을 통해 배터리팩(200)의 OCV 곡선(즉 OCV 변화량) 및 해당 배터리팩(200)의 총 용량을 학습하며, 상기 제2 사이클을 통해 상기 배터리팩(200)의 온도 및 열화에 따른 저항변화를 학습한다.

상기 제1 사이클은 무부하상태 및 정상온도에서 특정 C-rate(예:1/20C-rate)로 상기 배터리팩(200)을 방전시켜가며, 상기 배터리팩(200)에 대한 OCV 곡선을 학습한다. 이는 미리 설정한 기간 또는 사용자에 따라 주기적 혹은 비주기적으로 수행될 수 있다.

또한 상기 학습부(110)는 해당 제1 사이클에서 상기 OCV 곡선의 평탄 영역을 검출하며, 상기 평탄 영역은 도 5를 참조하여 설명한 것과 같이 상기 OCV 곡선의 변화량이 급격하게 변화는 두 지점을 찾음으로써 검출된다.

또한 상기 학습부(110)는 무부하 상태에서의 총 용량을 계산하여 학습한다. 이때 총 용량을 계산하는 것은 상기 배터리팩(200)에 일정한 C-rate로 상기 배터리팩(200)을 방전종지전압(discharge termination voltage)까지 방전하여 해당 배터리팩(200)의 총 용량을 측정한다는 의미이다. 이때 상기 배터리팩(200)은 부하에 연결되어 사용됨에 따라 열화가 발생되는 것이 당연하므로, 상기 제1 사이클을 통해 학습되는 배터리팩(200)의 총 용량은 변화(즉 줄어듦)될 수밖에 없다.

또한 상기 학습부(110)는 제1 사이클을 통해 상기 측정한 OCV 곡선 및 배터리팩(200)의 총 용량을 저장부(170)에 누적하여 저장함으로써, 상기 OCV 곡선 및 배터리팩(200)의 총 용량에 대한 변화를 학습한다. 이때 상기 C-rate는 1/20C-rate로 한정하지 않으며, 상기 배터리팩(200)의 사용용도, 사용목적, 사용자에 따라 달리 설정될 수 있다.

또한 상기 학습부(110)는 도 6에 설명한 제2 사이클을 통해 상기 배터리팩(200)의 저항을 학습한다. 상기 저항은 상기 배터리팩(200)의 전체 저항, 배터리팩(200)을 구성하는 각각의 배터리 셀에 대한 저항 및 제일 낮은 전압을 출력하는 위크 셀의 저항을 측정하여 학습한다.

상기 제2 사이클은 정상온도, 고온 및 저온에서 상기 배터리팩을 일정한 C-rate로 방전시켜가며, 온도에 다른 배터리팩(200)의 저항, 각 배터리 셀에 대한 저항, 제일 낮은 전압을 출력하는 위크 셀에 대한 저항을 측정하여 학습한다. 그리고 상기 제2 사이클은 미리 설정한 기간 또는 사용자에 따라 주기적 혹은 비주기적으로 수행될 수 있다.

또한 상기 제 2사이클은 배터리팩(200)의 SOC를 복수의 구간(즉 그리드 포인트)으로 나누어 상기 각 그리드 포인트별 저항값을 측정하는 것으로, 상기 제1 사이클을 통해 이미 각 그리드 포인트별 OCV 곡선을 학습하였으므로, 상기 제2 사이클에서 측정되는 전압(measured voltage)은 OCV - IR이 된다. 따라서 그리드 포인트별로 측정되는 전압 Vm[i]는 OCV[i] - IR[i]가 되며, R[i]는 (OCV[i] - Vm[i])/I가 된다. 여기서 i는 각 그리드 포인트를 나타낸다.

한편 상기 평탄 영역에서는 전압의 변화량이 거의 없거나 완만하므로 SOC 그리드 포인트를 적게 나누어 저항을 측정하며, 그 외의 위치에서는 전압의 변화량이 급격하게 변하기 때문에 SOC 그리드 포인트를 상기 평탄 영역보다 더욱 세밀하게 나누어 상기 그리드 포인트별 저항을 측정하여 저장부(170)에 저장한다.

또한 상기 학습부(110)는 제2 사이클을 통해 각 온도가 저항에 미치는 변수(즉 온도 팩터)를 계산하여 상기 계산한 온도팩터를 상기 측정한 저항값에 반영하여 해당 학습 사이클에서의 저항을 최종적으로 측정하여 학습한다.

한편 본 발명에서는 상기 학습부(100)를 통해 각 배터리의 셀저항 대신 팩저항 또는 저항이 가장 큰 몇 개의 위크 셀들의 저항만을 각 온도 별로 학습함으로써, 방전종료전압에 셀전압 또는 팩전압이 가장 먼저 도달하는 셀을 위크 셀로 결정하여 위크 셀을 찾을 수 있다. 팩전압이 팩의 방전종료전압에 도달하기 전에 하나의 배터리 셀이 셀의 방전종료전압에 먼저 도달하면 방전이 종료된다. 저전압에서 셀의 수명이 크게 저하되기 때문에 셀을 보호여야 할 필요가 있다. 위크 셀에 대한 저항값의 변화를 학습하는 방법은 팩저항을 학습하는 것과 동일하다. 다만, 차이점으로 위크 셀을 찾는 것은 셀에서 가장 낮은 전압을 가지는 것을 찾는 것이다. 따라서 위크 셀의 전압 측정치는 위크 셀의 자체 전압 측정치에 전류와 셀간의 와이어 저항을 곱한 값을 더한 것으로 나타낼 수 있다. 이러한 위크 셀의 전압 측정치는 위크 셀 저항을 학습하는데 사용될 수 있다.

측정부(120)는 배터리팩(200)의 전류 및 전압, 온도, 저항을 측정하는 부분으로서, 전압/전류 측정부(121), 온도 측정부(123), 저항 측정부(125) 등으로 구성된다.

전압/전류 측정부(121)는 상기 배터리팩(200)의 충전 또는 방전 시 해당 배터리팩(200)의 전류 및 전압을 측정한다. 즉 상기 배터리팩(200) 전체에 대한 전류 및 전압은 물론, 상기 배터리팩(200)을 구성하는 각각의 배터리 셀에 대한 전류 및 전압을 측정하는 것이다. 이때 상기 배터리팩(200) 또는 각각의 배터리 셀에 대한 전류 및 전압은 전류감지센서 및 전압감지센서를 통해 측정될 수 있다.

한편 상기 전압/전류 측정부(121)는 도 3 및 도 4에서 설명한 것과 같이, 복수의 배터리 셀을 각각 커버링하는 복수의 전류/전압 측정부(800) 및 배터리 데이터 처리부(900)로 모듈화될 수 있다. 이때 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 모듈화된 복수의 전류/전압 측정부(800) 및 배터리 데이터 처리부(900)를 통해 측정된 상기 각 배터리 셀에 대한 전압 및 전류를 제공받을 수 있다.

온도 측정부(123)는 상기 배터리팩(200)의 충전 또는 방전 시에 해당 배터리팩(200) 및 배터리 셀의 온도를 측정함으로써, 충전 처리부(130), 방전 처리부(140), 온도 제어부(150) 등에서 충전 또는 방전 시의 온도 변화량을 확인할 수 있도록 한다.

저항 측정부(125)는 상기 학습부(110)에서의 학습결과에 따라 부하가 연결되어 현재 방전되고 있는 배터리팩(200)의 저항을 각 SOC 그리드 포인트별로 측정한다. 즉 미리 설정한 SOC 그리드 포인트 별로 배터리팩(200)의 전체 저항 및 각각의 배터리 셀에 대한 저항을 측정하는 것이다. 이때 상기 배터리팩(200)의 전체 저항 및 배터리 셀에 대한 저항은 상기 제2 사이클을 통해 저항값을 계산하는 방법과 동일한 방법으로 측정된다.

또한 상기 저항 측정부(125)는 상기 배터리팩(200)의 전체 저항이 미리 설정한 값을 초과하거나, 또는 상기 측정한 각각의 배터리 셀에 대한 저항이 미리 설정한 값을 초과하는 경우, 제어부(180)의 제어를 토대로 충전 처리부(130) 또는 방전 처리부(140)를 통해 해당 배터리팩(200)의 충전 또는 방전을 차단할 수 있도록 한다. 이를 통해 배터리팩(200)의 결함(즉 폭발 등)으로부터 해당 배터리팩(200)을 이용하는 외부 장치 혹은 사용자를 보호할 수 있다.

충전 처리부(130)는 외부단자를 통해 연결된 충전기(700)로부터 전원을 공급받아 상기 배터리팩(200)을 충전하는 기능을 수행하는 부분으로서, 상기 학습부(110)와 측정부(120)를 통해 측정되는 상기 배터리팩(200)의 충전상태정보를 토대로 최대충전전류를 조정해가면서 배터리팩(200)의 충전을 수행한다. 즉 높은 전압이나 온도에 의한 열화가 덜 발생하도록 하면서 상기 배터리팩(200)의 고속충전이 이루어지도록 하는 것이다.

상기 충전 처리부(130)에서 수행되는 전기자동차용 배터리의 고속충전을 수행하기 위한 방법은 하기의 도 8에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.

한편 상기 충전 처리부(130)는 최대충전전류를 설정하여 배터리팩(200)의 충전을 수행하는 과정에서, 배터리팩(200)의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하고, 만일 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면, 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 충전이 이루어질 수 있도록 충전전류를 조정함으로써, 기 설정된 범위의 온도보다 높은 온도 상태에서 충전을 수행하는 경우 가속화될 수 있는 열화를 방지하도록 한다.

방전 처리부(140)는 외부단자를 통해 연결된 부하(예를 들어, 전기모터) 측으로 상기 배터리팩(200)에 충전된 전력을 공급하는 기능을 수행하는 부분으로서, 상기 학습부(110)와 측정부(120)를 통해 측정되는 상기 배터리팩(200)의 방전상태정보를 토대로 최대방전전류를 조정해가면서 최대파워를 부하측에 공급함으로써, 최대방전이 이루어지도록 한다. 즉 상기 충전 처리부(130)에서와 마찬가지로 높은 전압이나 온도에 의한 열화가 덜 발생하도록 하면서 상기 배터리팩(200)의 충전전압을 최대파워로 부하 측으로 방전되도록 하는 것이다.

상기 방전 처리부(140)에서 수행되는 전기자동차용 배터리의 최대방전을 수행하기 위한 방법은 하기의 도 9에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.

한편 상기 방전 처리부(140)는 최대방전전류와 최대파워를 설정하여 배터리팩(200)의 빙전을 수행하는 과정에서, 배터리팩(200)의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하고, 만일 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면, 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 방전이 이루어질 수 있도록 방전전류를 조정함으로써, 기 설정된 범위의 온도보다 높은 온도 상태에서 방전을 수행하는 경우 가속화될 수 있는 열화를 방지하도록 한다.

또한 상기 방전 처리부(140)에서 설정되는 최대파워는 전기모터에서 기본적으로 자동차 속도를 증가시키는데 유용하다.

온도 제어부(150)는 충전 또는 방전을 수행하는 상기 배터리팩(200)의 셀 온도가 기 설정된 온도 임계값(즉 배터리팩의 열화가 가속화되는 기준이 되는 최대 온도 설정값)과 비교하여, 상기 배터리팩(200)의 온도를 정상적인 범위의 온도(예를 들어, 35도 내외)로 동작할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

즉 상기 온도 제어부(150)는 상기 배터리팩(200)을 구성하는 각각의 셀 온도가 기 설정된 온도 임계값보다 높은 경우, 셀 온도를 정상 온도로 만들기 위하여 기 설정되어 있는 온도 모델링(thermal modeling)을 통해 온도 제어를 수행하되, 온도 제어를 위한 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이 되거나, 또는 현재의 MAXp가 MAXp 임계값 미만이 되거나, 또는 위크 셀의 전압이 방전종지전압인 cutoff voltage 미만이 될 때까지 온도제어를 수행한다. 이때 상기 온도 모델링은 최대충전전류 조정, 최대방전전류 조정, 최대파워 조정 또는 이들의 조합을 포함한 다양한 제어방식으로 구성될 수 있다.

한편 상기 온도 제어부(150)는 상기 배터리팩(200)의 현재 온도가 기 설정된 온도 임계값을 초과하면, 사용자 단말로 온도제어 필요정보를 제공함으로써, 사용자가 온도 제어를 위한 조치를 즉시 수행하도록 할 수 있다.

통신부(160)는 상기 배터리 관리 시스템(10)과 전기자동차를 사용하는 사용자가 소지한 사용자 단말 사이의 통신접속을 수행하여, 상호 간에 전기자동차용 배터리의 충전 또는 방전시 필요한 온도 제어 등에 관련된 각종 데이터의 송수신을 처리한다.

저장부(170)는 상기 학습부(110)에서 수행한 학습결과와 상기 측정부(120)에서 처리하는 배터리팩(200) 및 배터리팩(200)을 구성하는 각각의 배터리 셀에서 측정되는 전류/전압, 온도, 저항 등에 대한 정보를 저장 관리한다.

또한 상기 저장부(170)는 충전 또는 방전이 반복됨에 따라 변화하는 배터리팩(200)에 대한 정보를 누적 저장하며, 충전 처리부(130), 방전 처리부(140), 온도 제어부(150) 등에서 수행하는 처리결과를 저장 관리한다.

제어부(180)는 상기 배터리 관리 장치(100)의 제반적인 동작을 총괄적으로 관리하는 기능을 수행한다.

다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 고속충전을 수행하기 위한 방법, 최대방전을 수행하기 위한 방법, 온도제어 방법의 실시예를 도 8 내지 도 10을 참조하여 상세하게 설명한다. 이때 본 발명의 방법에 따른 각 단계는 사용 환경이나 당업자에 의해 순서가 변경될 수 있다.

도 8은 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 방법의 동작과정을 설명하기 위한 순서도이고, 도 9는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 방법의 동작과정을 설명하기 위한 순서도이며, 도 10은 전기자동차용 배터리의 고온에 의한 열화 발생을 방지하는 온도제어 방법의 동작과정을 설명하기 위한 순서도이다.

먼저 도 8을 참조하여 전기자동차용 배터리의 고속충전을 수행하기 위한 방법을 설명하면 다음과 같다.

상기 배터리 관리 장치(100)의 충전 처리부(130)에서 상기 배터리팩(200)의 방전에 따른 최근에 측정된 OCV 포인트와 Passed Charge를 이용하여 현재 OCV 위치를 검출한다(S101).

이때 상기 OCV 포인트는 상기 SOC 그리드 포인트를 의미하는 것으로, 이전에 수행된 학습 사이클에 따라 미리 SOC 그리드 포인트가 설정되어 있고, 상기 배터리팩(200)의 전체 용량이 측정되어 있다. 따라서 이전에 측정된 OCV 포인트는 이미 알고 있으므로 해당 OCV 포인트를 토대로 현재 OCV 위치를 검출할 수 있다.

또한 상기 Passed Charge는 이미 흐른 쿨롬(coulomb)을 의미하는 것으로, 상기 학습결과에 따라 이미 해당 배터리팩(200)의 전체 용량을 알고 있고, OCV 곡선을 알고 있기 때문에 다음부터는 OCV 상태가 아니고 부하에 의한 방전이라 하더라도 이전의 OCV를 구한 전압에서 흐른 전하량을 통하여 현재 SOC를 구할 수 있다.

상기 S101 단계를 통해 현재 OCV 위치를 검출한 후, 상기 충전 처리부(130)는 하기의 [수학식 2]에 따라 최대충전전류 CCmax를 설정한다(S103). 이때 상기 최대충전전류 CCmax는 사용자가 설정한 SOC[%]까지 [수학식 2]에 따라 충전전류로 계속 설정된다. 즉 충전 처리부(130)에서 최대충전전류 CCmax를 배터리팩(200)의 충전전류로 설정하여 상기 배터리팩(200)의 충전을 수행하도록 하는 것이다.

[수학식 2]

CCmax = (OCVanode - Vmax)/WR[i][j]

여기서, CCmax는 최대충전전류, Vmax는 각 SOC별로 미리 설정되는 최대전압, OCVanode는 개방회로전압과 맵핑된 Anode OCV 전압, WR은 위크 셀의 저항, i는 측정된 저항의 포인트, j는 온도 범위이다. 이때 Vmax는 엔지니어가 셀 개발시 개방회로 애노드전압 확인을 통해 SOC로서의 열화에 영향을 미치는 최대전압을 고려하여 미리 설정하는 최대전압, 즉 각 SOC별로 미리 설정되는 최대전압이다.

또한 셀 전체 전압은 Cathode Voltage + Anode Voltage로 이루어지며 Cathode Voltage와 Anode Voltage 또한 내부 그라운드(ground)를 통해 측정이 가능하다. 충전시 Anode Voltage는 드롭(drop)이 발생하게 되고 Anode Potential Voltage 이하로 드롭되는 경우 리튬 플레이팅(lithium plating)이 발생하여 셀 열화가 가속화된다. 그러므로 충전시 Anode 전압이 Potential Voltage 이하로 떨어지지 못하게 관리함으로써 셀 열화를 방지한다. 그러나 셀 개발이 완료되는 경우 통상적으로 셀은 단자가 +/- 두 개로 구성되어 실제 응용에 적용하기 전에 이미 각각의 OCV 프로파일(profile) 데이터를 측정해야하며 SOC 구간에 따라서 OCV를 OCVanode와 맵핑하여 실제 응용에서는 OCV를 측정하여 OCVanode를 구한다. 그러므로 Vmax는 Anode potential voltage + tolerance voltage로 설정한다.

상기 S103 단계를 통해 최대충전전류 CCmax가 설정된 후, 상기 충전 처리부(130)는 배터리팩(200)의 충전이 이루어지는 과정에서 각각의 배터리 셀의 온도가 정상적인 구동을 위한 온도범위에서 제어되도록 온도 제어를 수행하고(S105), 온도 제어 수행 결과에 따라 현재의 셀 온도가 기 설정되어 있는 온도 제한보다 작은지를 판단한다(S107).

상기 S107 단계의 판단결과 현재의 셀 온도가 기 설정되어 있는 온도 제한보다 커지면, 상기 충전 처리부(130)는 온도 제어가 필요한 상황으로 인지하여 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 충전이 이루어질 수 있도록 충전전류를 조정한다(S109). 즉 상기 충전 처리부(130)는 현재 측정된 셀 온도가 기 설정된 범위의 온도보다 높은 온도 상태에서 충전을 수행할 때 발생할 수 있는 열화를 방지하도록 하는 것이다.

그리고 상기 S107 단계의 판단결과 현재의 셀 온도가 기 설정되어 있는 온도 제한보다 작으면, 상기 충전 처리부(130)는 정상적인 구동으로 인식하여 상기 S103 단계에서 설정한 최대충전전류 CCmax를 충전전류로 설정하고, 이 값을 새로운 충전전류로 하여 충전 FET(300)의 구동을 제어하여 배터리팩(200)의 충전을 수행한다(S111).

이와 같이 상기 S103 단계에서 설정한 최대충전전류 CCmax를 충전전류로 하여 상기 배터리팩(200)의 충전을 수행하는 과정에서, 상기 충전 처리부(130)는 현재의 위크 셀에서 측정한 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압인지를 판단한다(S113).

상기 S113 단계의 판단결과 현재 위크 셀에서의 전압이 모든 셀 중에서 가장 높은 전압이 아니면, 상기 충전 처리부(130)는 가장 높은 전압을 갖는 배터리 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 저항을 다시 측정하고(S115), 해당 위크 셀에서 측정한 전압 Vmeasured가 해당 지점에서 미리 설정된 최대전압 Vmax 보다 큰지를 판단한다(S117). 이때 상기 충전 처리부(130)에서 상기 S117 단계를 수행하는 이유는 해당 위크 셀에서 측정한 전압 Vmeasured가 해당 지점에서 미리 설정된 최대전압 Vmax 보다 큰 상태로 충전을 수행하게 되면, 설정된 최대전압보다 높은 전압으로 충전함에 따른 열화가 가속화되기 때문이다.

보다 구체적으로 설명하면, 예를 들어 SOC 0%에서 OCV가 3V, 저항이 1옴, Vmax가 4V로 설정되어 있다면, [수학식 2]에 따라 최대충전전류 CCmax는 1A가 된다. 그러나 실제 셀의 저항이 2옴이었다면 해당 지점에서 측정되는 전압 Vmeasured는 3V + 2옴/1A = 5V가 되고, 이 상태를 그대로 적용하여 충전을 수행하게 되면 측정된 전압 Vmeasured가 해당 지점에서 미리 설정된 최대전압 Vmax 보다 높아지므로 높은 전압에 의한 열화가 가속화된다. 이러한 문제를 해소하기 위하여 상기 충전 처리부(130)에서는 해당 위크 셀에서 측정한 전압 Vmeasured가 해당 지점에서 미리 설정된 최대전압 Vmax 보다 큰지의 여부를 확인하고, Vmeasured가 Vmax를 초과하지 않는 상태에서 충전이 이루어질 수 있도록 한다.

상기 S117 단계의 판단결과 Vmeasured가 Vmax 보다 크면, 상기 충전 처리부(130)는 배터리 셀의 저항을 다시 계산한 다음(S119), 최대충전전류를 설정하는 상기 S103 단계 이후를 반복하여 다시 수행한다.

그러나 상기 S117 단계의 판단결과 Vmeasured가 Vmax 보다 작으면, 상기 충전 처리부(130)는 현재의 SOC가 기 설정된 SOC 임계값(threshold)에 도달하였는지를 판단하여, 현재의 SOC가 기 설정된 SOC 임계값에 도달될 때까지(즉 만충전 상태가 될 때까지) 최대충전전류를 조정해가면서 배터리팩(200)의 충전을 수행한다(S121). 이때 상기 SOC 임계값은 상기 학습부(110)에서의 학습 결과에 따른 현재 배터리 상태에서의 100% 만충전 용량을 의미한다.

또한 상기 충전 처리부(130)는 상기 S113 단계를 통해 현재의 위크 셀이 모든 셀 중에서 가장 높은 전압을 가진 셀 여부를 판단한 결과, 현재 위크 셀에서의 전압이 모든 셀 중에서 가장 높은 전압이면, 현재의 SOC가 기 설정된 SOC 임계값에 도달하였는지를 판단하고, 현재의 SOC가 기 설정된 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 S103 단계에서 설정된 최대충전전류로 상기 배터리팩(200)의 충전을 수행한다.

한편 상기 S105 단계 내지 S109 단계에서 설명한 온도 제어과정은 생략될 수 있으며, 도 10에서와 같이 온도 제어부(150)를 통해 별개로 온도제어를 수행할 수 있다.

다음에는, 도 9를 참조하여 전기자동차용 배터리의 최대방전을 수행하기 위한 방법을 설명한다.

우선 배터리 관리 장치(100)의 방전 처리부(140)는 상기 배터리팩(200)의 방전에 따른 최근에 측정된 OCV 포인트와 Passed Charge를 이용하여 현재 OCV 위치를 검출한다(S201).

상기 S201 단계를 통해 현재 OCV 위치를 검출한 후, 상기 방전 처리부(140)는 하기의 [수학식 3]에 따라 최대방전전류 MAXdisc와 최대파워 MAXp를 설정한다(S203). 즉 상기 방전 처리부(140)에서 최대방전전류 MAXdisc와 최대파워 MAXp를 통해 상기 배터리팩(200)에 충전된 전원을 부하 측(즉 전기모터)에 제공하도록 하는 것이다.

[수학식 3]

(cutoff voltage + delta voltage) = OCV - MAXdisc*WR[i][j]

-> MAXdisc = (OCV - (cutoff voltage + delta voltage))/WR[i][j]

MAXp = 현재 배터리팩 전압*MAXdisc

여기서 cutoff voltage는 방전종지전압(discharging termination voltage)을 의미하며, delta voltage는 cutoff voltage 이전의 마진 설정 전압을 의미한다.

이때 상기 방전 처리부(140)는 현재 배터리팩(200) 전압이 cutoff voltage에 도달하면 방전을 중지시킨다. 이는 배터리 수명과 관련이 있으며, 낮은 전압일 경우 시스템이 꺼지는 경우가 발생할 수 있기 때문이다. 그리고 delta voltage를 설정하는 이유는 순간적으로 큰 부하가 들어오면 현재 배터리팩(200) 전압이 cutoff voltage 아래로 내려가 열화가 발생될 수 있기 때문이다.

상기 S203 단계를 통해 최대방전전류 MAXdisc와 최대파워 MAXp가 설정된 후, 상기 방전 처리부(140)는 배터리팩(200)의 방전이 이루어지는 과정에서 각각의 배터리 셀의 온도가 정상적인 구동을 위한 온도범위에서 제어되도록 온도 제어를 수행하고(S205), 온도 제어 수행 결과에 따라 현재의 셀 온도가 기 설정되어 있는 온도 제한보다 작은지를 판단한다(S207).

상기 S207 단계의 판단결과 현재의 셀 온도가 기 설정되어 있는 온도 제한보다 커지면, 상기 방전 처리부(140)는 온도 제어가 필요한 상황으로 인지하여 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 방전이 이루어질 수 있도록 최대방전전류나 최대파워를 조정한다(S209). 즉 상기 방전 처리부(130)는 현재 측정된 셀 온도가 기 설정된 범위의 온도보다 높은 온도 상태에서 방전을 수행할 때 발생할 수 있는 열화를 방지하도록 하는 것이다.

그리고 상기 S207 단계의 판단결과 현재의 셀 온도가 기 설정되어 있는 온도 제한보다 작으면, 상기 방전 처리부(140)는 정상적인 구동으로 인식하여 상기 S203 단계에서 설정한 최대방전전류 MAXdisc와 최대파워 MAXp를 제어부(180)로 전달하고(S211), 최대방전전류 MAXdisc와 최대파워 MAXp에 따라 배터리팩(200)의 전원이 부하 측(즉 전기모터)으로 방전되도록 한다(S213).

이처럼 상기 S213 단계를 통해 최대방전전류 MAXdisc와 최대파워 MAXp에 따라 상기 배터리팩(200)의 방전을 수행하는 과정에서, 상기 방전 처리부(140)는 현재의 위크 셀에서 측정한 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압인지를 판단한다(S215).

상기 S215 단계의 판단결과 현재 위크 셀에서의 전압이 모든 셀 중에서 가장 낮은 전압이 아니면, 상기 방전 처리부(140)는 가장 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 저항을 다시 측정한다(S217).

그러면 상기 방전 처리부(140)는 상기 S217 단계에서와 같이 현재의 위크 셀을 가장 낮은 전압을 갖는 배터리 셀로 변경한 다음 모든 저항을 다시 측정한 이후, 또는 상기 S215 단계의 판단결과 현재 위크 셀에서의 전압이 모든 셀 중에서 가장 낮은 전압이면, 해당 위크 셀에서 측정한 전압(Measured weak cell voltage)이 방전종지전압인 cutoff voltage와 cutoff voltage 이전의 마진 설정 전압인 delta voltage의 합보다 작은지를 판단한다(S219). 이러한 과정을 수행하는 이유는 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 cutoff voltage와 delta voltage의 합보다 작은 상태에서 방전을 수행하게 되면, 방전종지전압 이하에서 과방전함에 따른 열화가 가속화되기 때문이다.

상기 S219 단계의 판단결과 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 cutoff voltage와 delta voltage의 합보다 작으면, 상기 방전 처리부(140)는 저항을 다시 계산한 다음(S221), 최대충전전류와 최대파워를 설정하는 과정부터 다시 수행한다.

또한 상기 S219 단계의 판단결과 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 cutoff voltage와 delta voltage의 합보다 크면, 상기 방전 처리부(140)는 현재의 SOC가 기 설정한 SOC 임계값 미만인지, 또는 MAXp가 MINp(시스템 엔지니어에 의해 설정되는 최소파워) 임계값 미만인지를 판단한다(S223).

그리고 상기 S223 단계의 판단결과 현재의 SOC가 기 설정한 SOC 임계값보다 작아지거나, 또는 MAXp가 MINp 임계값보다 작아질 때까지 최대방전전류 MAXdisc와 최대파워 MAXp를 조정해가면서 방전을 수행한다. 이때 상기 SOC 임계값 또는 MINp 임계값은 상기 학습부(110)에서의 학습 결과에 따른 현재 배터리 상태에서의 최대방전상태를 의미한다.

한편 상기 S205 단계 내지 S209 단계에서 설명한 방전 처리시의 온도 제어과정은 생략될 수 있으며, 도 10에서와 같이 온도 제어부(150)를 통해 별개로 온도제어를 수행할 수 있다.

다음에는, 도 10을 참조하여 전기자동차용 배터리의 온도제어를 수행하는 방법을 설명한다.

우선 온도 제어부(150)는 충전 또는 방전을 수행하는 상기 배터리팩(200)을 구성하는 각각의 배터리 셀 온도가 기 설정된 온도 임계값(즉 배터리팩의 열화가 가속화되는 기준이 되는 최대 온도 설정값)보다 큰지를 판단한다(S301).

상기 S301 단계의 판단결과 상기 배터리팩(200)을 구성하는 각각의 셀 온도가 기 설정된 온도 임계값보다 높으면, 상기 온도 제어부(150)는 셀 온도를 정상 온도로 만들기 위하여 기 설정되어 있는 온도 모델링(thermal modeling)을 통해 온도 제어를 수행한다(S303). 이때 상기 온도 모델링은 최대충전전류 조정, 최대방전전류 조정, 최대파워 조정 또는 이들의 조합을 포함한 다양한 제어방식으로 구성될 수 있다.

한편 상기 S303 단계를 통해 온도 제어를 수행하는 상기 온도 제어부(150)는 충전 또는 방전중인 배터리팩(200)의 현재 온도가 기 설정된 온도 임계값을 초과하는 경우, 통신부(160)를 통해 사용자가 소지한 스마트폰이나 모바일 디바이스를 포함한 사용자 단말로 온도 제어가 필요하다는 정보를 제공하고, 관련 정보를 확인한 사용자가 온도 제어를 위한 조치를 수행하도록 구성할 수도 있다.

이제, 상기 S303 단계를 통해 임계값을 초과하는 셀 온도를 정상 온도로 만들기 위한 온도제어를 수행한 이후, 상기 온도 제어부(150)는 온도 제어를 위한 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이 되거나, 또는 현재의 MAXp가 MAXp 임계값 미만이 되거나, 또는 위크 셀의 전압이 방전종지전압인 cutoff voltage 미만이 되는지를 판단하여(S305), 온도 제어를 위한 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이 되거나, 또는 현재의 MAXp가 MAXp 임계값 미만이 되거나, 또는 위크 셀의 전압이 방전종지전압인 cutoff voltage 미만이 될 때까지 온도 제어를 지속적으로 수행한다.

이때 상기 SOC 임계값은 배터리를 사용할 수 있는 최소 SOC %를 의미하는 것으로서, 최소 SOC %는 자동차 제조사에 의해 설정된다. 그리고 MAXp 임계값은 배터리를 사용할 수 있는 최소의 최대파워 임계값(minimum max power threshold)으로서, 마찬가지로 자동차 제조사에 의해 설정된다. 그리고 온도 제어를 위한 SOC 임계값은 온도 시스템을 제어할 수 있는 최소 SOC %로서, 자동차 제조사나 소유자가 값을 설정할 수 있다.

이처럼, 본 발명은 전기자동차용 배터리의 충전 및 방전상태를 모니터링하여 전압이나 온도정보를 토대로 최대충전전류나 최대방전전류를 조정해가면서 충전과 방전을 수행하기 때문에 높은 전압이나 높은 온도로 인한 열화의 발생을 최대한 억제하면서 고속충전과 최대방전을 수행할 수 있다.

또한 배터리 팩저항과 위크 셀의 저항이 변화하는 과정을 학습하여 배터리의 충전상태와 방전상태를 모니터링하고 이를 토대로 충전 및 방전을 제어하기 때문에 과충전 및 과방전으로 인한 열화의 발생을 최대한 억제할 수 있으며, 배터리의 품질 향상은 물론, 오랫동안 안정적으로 사용할 수 있다.

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.

10 : 배터리 관리 시스템 100, 1000, 2000 : 배터리 관리 장치
110 : 학습부 120 : 측정부
121 : 전압/전류 측정부 123 : 온도 측정부
125 : 저항 측정부 130 : 충전 처리부
140 : 방전 처리부 150 : 온도 제어부
160 : 통신부 170 : 저장부
180 : 제어부 200 : 배터리팩
300 : 충전 FET 400 : 방전 FET
500 : 온도 감지부 600 : 전류 감지부
700 : 충전기(or 부하) 800 : 전류/전압 측정부
900 : 배터리 데이터 처리부

Claims

열화나 온도에 따른 배터리팩의 충전상태정보를 학습하는 학습부; 및
상기 학습한 충전상태정보를 토대로 상기 배터리팩의 위크 셀 상태에 따라 최대충전전류를 조정하여 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 충전 처리부;를 포함하며,
상기 충전상태정보는, SOC(state of charge)에 따른 배터리팩의 전체저항, 각각의 배터리 셀에 대한 온도 및 저항, SOC에 따른 OCV(open circuit voltage) 변화량, 현재의 OCV 포인트에서의 최대설정전압 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 최대충전전류는 수학식 2에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 장치.
[수학식 2]
CCmax = (OCVanode - Vmax)/WR[i][j]
여기서, CCmax는 최대충전전류, Vmax는 각 SOC별로 미리 설정되는 최대전압, OCVanode는 개방회로전압과 맵핑된 Anode OCV 전압, WR은 위크 셀의 저항, i는 측정된 저항의 포인트, j는 온도 범위이다.
청구항 1에 있어서,
상기 충전 처리부는,
최근에 측정된 OCV와 Passed charge를 이용하여 상기 배터리팩의 현재 OCV 포인트를 검출하고,
상기 검출한 현재 OCV 포인트에서 상기 배터리팩의 위크 셀 온도 및 저항을 참조하여 최대충전전류를 설정하고,
상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압인지를 판단하며,
현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압이면 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 충전 처리부는,
상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압인지를 판단한 결과, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압이 아니면 가장 높은 전압을 갖는 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 배터리 셀의 저항을 재측정하고,
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 미리 설정된 최대전압보다 크면 저항을 다시 측정한 다음 해당 위크 셀의 온도 및 저항을 토대로 상기 최대충전전류를 조정하여 충전을 진행하며,
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 미리 설정된 최대전압보다 작으면 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 충전 처리부는,
상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 상기 배터리팩의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하며,
판단결과 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 충전이 이루어질 수 있도록 최대충전전류를 조정한 다음 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행함으로써, 기 설정된 범위의 온도를 초과하는 온도에서 충전이 이루어질 때 발생하는 열화를 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 장치.
열화나 온도에 따른 배터리팩의 방전상태정보를 학습하는 학습부; 및
상기 학습한 방전상태정보를 토대로 상기 배터리팩의 위크 셀 상태에 따라 최대방전전류와 최대파워를 조정하여 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 방전 처리부;를 포함하며,
상기 방전상태정보는, SOC(state of charge)에 따른 배터리팩의 전체저항 및 전체전압, 각각의 배터리 셀에 대한 온도 및 저항, SOC에 따른 OCV(open circuit voltage) 변화량, 미리 설정한 방전종지전압인 컷오프 전압(cutoff voltage), 컷오프 전압 이전의 마진 설정 전압(delta voltage) 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 최대방전전류와 상기 최대파워는 수학식 3에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 장치.
[수학식 3]
MAXdisc = (OCV - (cutoff voltage + delta voltage))/WR[i][j]
MAXp = 현재 배터리팩 전압*MAXdisc
여기서, MAXdisc는 최대방전전류, OCV는 개방회로전압, cutoff voltage는 방전종지전압, delta voltage는 cutoff voltage 이전의 마진 설정 전압, WR은 위크 셀의 저항, i는 측정된 저항의 포인트, j는 온도 범위, MAXp는 최대파워이다.
청구항 6에 있어서,
상기 방전 처리부는,
최근에 측정된 OCV와 Passed charge를 이용하여 상기 배터리팩의 현재 OCV 포인트를 검출하고,
상기 검출한 현재 OCV 포인트에서 상기 배터리팩의 위크 셀 온도 및 저항, 컷오프 전압, 마진 설정 전압을 참조하여 최대방전전류와 최대파워를 설정하고,
상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압인지를 판단하고,
현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압이면 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작은지를 판단하며,
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 크면 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 방전 처리부는,
상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압인지를 판단한 결과, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압이 아니면 가장 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 셀의 저항을 재측정하여, 저항 재측정 결과를 토대로 검출된 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작은지를 판단하고,
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작으면 저항을 다시 계산한 다음 최대충전전류와 최대파워를 조정하여 방전을 진행하며,
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 크면 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 방전 처리부는,
상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 상기 배터리팩의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하며,
판단결과 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 방전이 이루어질 수 있도록 최대방전전류와 최대파워를 조정한 다음 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행함으로써, 기 설정된 범위의 온도를 초과하는 온도에서 방전이 이루어질 때 발생하는 열화를 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 장치.
열화나 온도에 따른 배터리팩의 충전상태정보를 학습하는 학습 단계; 및
상기 학습한 충전상태정보를 토대로 상기 배터리팩의 위크 셀 상태에 따라 최대충전전류를 조정하여 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 충전 처리 단계;를 포함하며,
상기 충전상태정보는, SOC(state of charge)에 따른 배터리팩의 전체저항, 각각의 배터리 셀에 대한 온도 및 저항, SOC에 따른 OCV(open circuit voltage) 변화량, 현재의 OCV 포인트에서의 최대설정전압 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 최대충전전류는 수학식 2에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 방법.
[수학식 2]
CCmax = (OCVanode - Vmax)/WR[i][j]
여기서, CCmax는 최대충전전류, Vmax는 각 SOC별로 미리 설정되는 최대전압, OCVanode는 개방회로전압과 맵핑된 Anode OCV 전압, WR은 위크 셀의 저항, i는 측정된 저항의 포인트, j는 온도 범위이다.
청구항 11에 있어서,
상기 충전 처리 단계는,
최근에 측정된 OCV와 Passed charge를 이용하여 상기 배터리팩의 현재 OCV 포인트를 검출하는 단계;
상기 검출한 현재 OCV 포인트에서 상기 배터리팩의 위크 셀 온도 및 저항을 참조하여 최대충전전류를 설정하는 단계;
상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압인지를 판단하는 단계; 및
현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압이면 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 충전 처리 단계는,
상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압인지를 판단한 결과, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 높은 전압이 아니면 가장 높은 전압을 갖는 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 배터리 셀의 저항을 재측정하는 단계;
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 미리 설정된 최대전압보다 크면 저항을 다시 측정한 다음 해당 위크 셀의 온도 및 저항을 토대로 상기 최대충전전류를 조정하여 충전을 진행하는 단계; 및
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 미리 설정된 최대전압보다 작으면 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 충전 처리 단계는,
상기 최대충전전류로 상기 배터리팩을 충전하는 과정에서 상기 배터리팩의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하는 단계; 및
판단결과 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 충전이 이루어질 수 있도록 최대충전전류를 조정한 다음 현재의 SOC가 SOC 임계값에 도달될 때까지 상기 최대충전전류로 상기 배터리팩의 충전을 수행함으로써, 기 설정된 범위의 온도를 초과하는 온도에서 충전이 이루어질 때 발생하는 열화를 방지하도록 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전을 수행하기 위한 방법.
열화나 온도에 따른 배터리팩의 방전상태정보를 학습하는 학습 단계; 및
상기 학습한 방전상태정보를 토대로 상기 배터리팩의 위크 셀 상태에 따라 최대방전전류와 최대파워를 조정하여 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 방전 처리 단계;를 포함하며,
상기 방전상태정보는, SOC(state of charge)에 따른 배터리팩의 전체저항 및 전체전압, 각각의 배터리 셀에 대한 온도 및 저항, SOC에 따른 OCV(open circuit voltage) 변화량, 미리 설정한 방전종지전압인 컷오프 전압(cutoff voltage), 컷오프 전압 이전의 마진 설정 전압(delta voltage) 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 최대방전전류와 상기 최대파워는 수학식 3에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 방법.
[수학식 3]
MAXdisc = (OCV - (cutoff voltage + delta voltage))/WR[i][j]
MAXp = 현재 배터리팩 전압*MAXdisc
여기서, MAXdisc는 최대방전전류, OCV는 개방회로전압, cutoff voltage는 방전종지전압, delta voltage는 cutoff voltage 이전의 마진 설정 전압, WR은 위크 셀의 저항, i는 측정된 저항의 포인트, j는 온도 범위, MAXp는 최대파워이다.
청구항 16에 있어서,
상기 방전 처리 단계는,
최근에 측정된 OCV와 Passed charge를 이용하여 상기 배터리팩의 현재 OCV 포인트를 검출하는 단계;
상기 검출한 현재 OCV 포인트에서 상기 배터리팩의 위크 셀 온도 및 저항, 컷오프 전압, 마진 설정 전압을 참조하여 최대방전전류와 최대파워를 설정하는 단계;
상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압인지를 판단하는 단계;
현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압이면 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작은지를 판단하는 단계; 및
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 크면 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 방법.
청구항 18에 있어서,
상기 방전 처리 단계는,
상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압인지를 판단한 결과, 현재의 위크 셀 전압이 모든 배터리 셀 중에서 가장 낮은 전압이 아니면 가장 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 위크 셀로 변경한 다음 모든 셀의 저항을 재측정하여, 저항 재측정 결과를 토대로 검출된 해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작은지를 판단하는 단계;
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 작으면 저항을 다시 계산한 다음 최대충전전류와 최대파워를 조정하여 방전을 진행하는 단계; 및
해당 위크 셀에서 측정한 전압이 상기 컷오프 전압과 마진 설정 전압의 합보다 크면 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 방전 처리 단계는,
상기 배터리팩의 방전을 수행하는 과정에서 상기 배터리팩의 현재 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하는지를 판단하는 단계; 및
판단결과 현재 측정된 셀의 온도가 기 설정된 온도 한계를 초과하면 해당 셀의 온도를 온도 한계 이하로 유지하면서 방전이 이루어질 수 있도록 최대방전전류와 최대파워를 조정한 다음 현재의 SOC가 SOC 임계값 미만이거나 또는 최대파워가 미리 설정된 최소파워 임계값 미만일 때까지 상기 최대방전전류와 최대파워로 상기 배터리팩의 방전을 수행함으로써, 기 설정된 범위의 온도를 초과하는 온도에서 방전이 이루어질 때 발생하는 열화를 방지하도록 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 최대방전을 수행하기 위한 방법.