KR20200071362A - Bms 평가 장치 및 이를 이용한 bms 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 BMS 평가 장치 및 이를 이용한 BMS 평가 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가 장치는, 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리의 동작을 모사하여, 상기 배터리 셀들의 상태정보를 생성하는 배터리 시뮬레이터; 상기 배터리 시뮬레이터로부터 수신한 상태정보를 BMS(Battery Management System)로 전송하고, 상기 BMS로부터 셀 밸런싱(cell balancing)을 위한 밸런싱 입력을 수신하는 인터페이스부; 및 상기 배터리 시뮬레이터의 동작을 제어하고, 상기 상태정보를 이용하여 상기 BMS가 수행하는 셀 밸런싱 동작을 평가하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

BMS 평가 장치 및 이를 이용한 BMS 평가 방법 {Apparatus for evaluating performance of a battery management system and method for the same}
본 출원은 BMS(Battery Management System)의 셀 밸런싱(cell balancing) 기능을 평가할 수 있는 BMS 평가 장치 및 이를 이용한 BMS 평가 방법에 관한 것이다.
BMS(Battery Management System)는 다수개의 배터리 셀들에 연결되어 각 배터리 셀의 전압 값을 읽어 들인 후 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다. 다수개의 배터리 셀(battery cell)들을 연결하여 하나의 배터리 모듈로 사용할 경우, 배터리 모듈을 이루는 배터리 셀들의 지닌 화학적 차이, 물성적 차이, 또는 사용기간의 차이 등으로 인해 각 배터리 셀 간에 전압차가 발생될 수 있다. 배터리 셀 간의 전압차로 인해 배터리 모듈의 수명이 단축될 수 있으므로, 최종적으로는 단셀(단일 배터리 셀) 1개의 전압강하와 같은 성능저하 때문에 패키지화된 배터리 모듈 전체가 새로운 배터리 모듈로 교체되어야 하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기 자동차 등에 사용되는 대용량 배터리의 충전 또는 방전 시, 각 배터리 셀의 전압을 동일하게 유지할 수 있도록 하는 BMS에 의한 셀 밸런싱 과정이 필요할 수 있다.
다만, BMS을 제작하는 업체의 경우, 제품 개발 및 생산 후 신뢰성 평가 단계에서 실제 배터리에 장착 후 테스트를 필요로 하는 경우가 발생하는데, 실제 배터리를 이용하여 BMS를 테스트할 경우 재현성에 한계가 있어 정확히 평가하기 곤란한 문제가 있다.
본 출원은, BMS의 셀 밸런싱 기능을 평가할 수 있는 BMS 평가 장치 및 이를 이용한 BMS 평가 방법을 제공하고자 한다.
본 출원은, 배터리 시뮬레이터를 이용하여, BMS의 셀 밸런싱 기능을 정확하고 편리하게 평가할 수 있는 BMS 평가 장치 및 이를 이용한 BMS 평가 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가 장치는, 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리의 동작을 모사하여, 상기 배터리 셀들의 상태정보를 생성하는 배터리 시뮬레이터; 상기 배터리 시뮬레이터로부터 수신한 상태정보를 BMS(Battery Management System)로 전송하고, 상기 BMS로부터 셀 밸런싱(cell balancing)을 위한 밸런싱 입력을 수신하는 인터페이스부; 및 상기 배터리 시뮬레이터의 동작을 제어하고, 상기 상태정보를 이용하여 상기 BMS가 수행하는 셀 밸런싱 동작을 평가하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 상태정보는, 상기 배터리 셀들의 전류값, 전압값 및 온도값을 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 BMS의 셀 밸런싱 동작 조건에 대응하여, 상기 배터리 시뮬레이터에 포함된 각 배터리 셀의 파라미터들을 초기 설정값으로 설정할 수 있으며, 상기 셀 밸런싱 동작 조건은 상기 배터리 셀들의 전압값이 기준전압 이상이고, 상기 배터리 셀들의 전류값이 기준전류 미만이며, 상기 배터리 셀들의 편차전압이 기준편차 이상인 조건을 동시에 만족하는 것일 수 있다.
여기서 상기 파라미터는, 상기 배터리 셀들의 SOC(State of Charge)정보, 상기 배터리 셀들의 전류, 상기 전류의 시간에 따른 변화량인 전류증분량, 상기 전류증분량이 유지되는 유지시간, 상기 배터리 셀들에 설정되는 편차전압 및 셀 밸런싱이 수행되는 테스트 셀을 지정하는 셀 식별번호 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 배터리 셀의 SOC값을 상기 배터리 셀들의 전압값이 상기 기준전압 이상인 경우에 대응하는 초기 SOC값으로 설정하고, 상기 테스트 셀의 편차전압을 상기 기준편차 이상인 초기 편차전압값으로 설정하여, 상기 초기 설정값을 설정할 수 있다.
여기서 상기 배터리 시뮬레이터는, 상기 초기 SOC값에 대응하는 OCV(Open Circuit Voltage)값을 연산하고, 상기 OCV값에 상기 초기 편차전압값을 더하여 상기 테스트 셀의 전압값을 설정한 후, 상기 전압값에 대응하는 SOC 값을 연산하여 상기 테스트 셀의 SOC값으로 설정할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 배터리 셀들의 전류를 상기 기준전류값 이상의 초기전류값으로 설정하고, 상기 전류가 상기 유지시간 이후에는 상기 기준전류값 미만으로 감소하도록 상기 전류증분량 및 유지시간을 설정하여, 상기 유지시간 이후부터 상기 셀 밸런싱 동작 조건을 만족하도록 상기 초기 설정값을 설정할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 유지시간 경과 이후, 상기 배터리 시뮬레이터가 생성하는 상태정보로부터 상기 배터리 셀의 밸런싱 전류를 검출하고, 상기 밸런싱 전류를 이용하여 상기 BMS의 밸런싱 동작 수행여부를 판별할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 테스트 셀을 순차적으로 변경하여, 전체 배터리 셀에 대한 상기 밸런싱 전류의 발생여부를 판별할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 전체 배터리 셀에 대한 상기 밸런싱 전류의 발생이 확인되면, 상기 전체 배터리 셀에 대해 무작위로 전압 편차를 발생시켜, 상기 BMS가 상기 전체 배터리 셀에 대한 밸런싱 동작을 수행하도록 할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 각각의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱 종료 조건을 만족시킬 때까지 셀 밸런싱이 이루어지는 지를 확인할 수 있으며, 상기 셀 밸런싱 종료 조건은 상기 배터리 셀들의 전류값이 한계전류 이상이거나, 상기 배터리 셀들의 편차전압이 한계편차 미만인 경우 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 BMS(Battery Management System) 평가장치를 이용하는 BMS 평가 방법은, 배터리 시뮬레이터에 의하여 가상화된 배터리들을 초기화하는 초기화 단계; 상기 배터리 셀에 대한 초기 충방전을 수행하여, 상기 배터리 셀들의 파라미터를 셀 밸런싱 동작을 위한 초기 설정값으로 설정하는 초기설정단계; 상기 BMS의 셀 밸런싱 동작에 대응하여, 각각의 배터리 셀들에 대응하는 밸런싱 전류가 생성되는지 확인하는 밸런싱 전류 확인단계; 상기 밸런싱 전류가 생성되면, 전체 배터리 셀에 대하여 무작위로 전압 편차를 생성하고, 설정시간 동안 BMS가 셀 밸런싱을 수행하도록 하는 셀 밸런싱단계; 및 BMS의 셀 밸런싱 동작에 대응하여, 각각의 배터리 셀들에 대한 상태정보를 추출하여, 상기 BMS의 셀 밸런싱 동작을 평가하는 평가단계를 포함할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가 장치 및 이를 이용한 BMS 평가 방법에 의하면, 배터리 시뮬레이터를 이용하여 배터리 상태를 임의로 설정하거나, 동일 조건의 배터리를 용이하게 재현하는 것이 가능하다. 따라서, BMS의 셀 밸런싱 기능을 정확하고 편리하게 평가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가 장치 및 이를 이용한 BMS 평가 방법에 의하면, BMS의 셀 밸런싱 기능에 대한 정량적인 평가를 수행하는 것이 가능하다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가 시스템을 나타내는 블록도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 셀 밸런싱 동작을 나타내는 개략도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가시스템을 나타내는 블록도이다.
도1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가시스템은 BMS(1) 및 BMS 평가 장치(100)를 포함할 수 있다.
이하 도1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가시스템을 설명한다.
BMS(Battery Management System, 1)는 배터리의 동작과 수명, 안전 등을 관리하기 위한 장치로, 충방전시 배터리의 전류, 전압, 온도 등을 측정하여 배터리의 잔존용량(SOC: State of Charge)과 배터리의 수명을 알려주고, 과충전, 과방전, 과전류 등에 따른 화재나 폭발의 위험성을 감지하여 안전을 유지하도록 조치하는 등의 기능을 수행할 수 있다.
또한, 배터리 내에 복수의 배터리 셀들이 여러 개 직렬로 연결되어 있는 경우, 배터리 셀 간 전압 차에 의한 수명 단축 등을 방지하기 위해 셀 밸런싱(cell balancing) 기능을 수행할 수 있다. 즉, BMS(1)는 셀 밸런싱 동작을 수행하여, 각 배터리 셀들의 충전 전압을 일정한 편차 내로 유지하도록 제어할 수 있다.
종래에는 BMS(1)의 셀 밸런싱 기능 등을 평가하기 위하여, 제품 개발단계나 생산 후 신뢰성 평가 단계 등에서 실제 배터리에 장착 후 테스트하는 방식을 활용하였다. 그러나, 실제 배터리를 이용하는 경우에는 재현성에 한계가 있으므로 정확한 평가를 수행하기 어려운 문제점이 존재하였다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가 시스템에서는, 도1에 도시한 바와 같이, 실제 배터리를 대신하여 BMS 평가 장치(100)를 활용할 수 있다. 여기서, BMS 평가 장치(100)는 BMS(1)와 물리적으로 연결될 수 있으며, BMS(1)로 실제 배터리에 대응하는 전압, 전류, 온도 등 상태정보를 제공하고, BMS(1)로부터 셀 밸런싱을 위한 밸런싱 입력을 수신할 수 있다. 즉, BMS 평가 장치(100)는 실제 배터리의 동작을 모사하는 배터리 시뮬레이터를 활용하여 배터리의 상태를 정확하게 설정하여 BMS(1)로 제공할 수 있으며, BMS(1)로부터 수신하는 밸런싱 입력을 이용하여 BMS(1)의 셀 밸런싱 기능을 정확하게 평가할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가장치(100)는, 도1에 도시한 바와 같이, 배터리 시뮬레이터(110), 인터페이스부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
배터리 시뮬레이터(110)는 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리의 동작을 모사할 수 있으며, 각각의 배터리 셀들의 상태정보를 생성할 수 있다. 구체적으로, 배터리 시뮬레이터(110)는 실제 배터리의 동작을 수학적 또는 물리적으로 구현한 배터리 모델을 포함할 수 있으며, 이를 이용하여 가상의 배터리에 대한 다양한 상태정보들을 생성할 수 있다. 예를들어, 배터리 모델은 가상의 배터리에 포함된 각각의 배터리 셀들의 전압이나 전류, 온도 등을 상태정보로 생성할 수 있다. 이후, 생성한 상태정보는 인터페이스부(120)를 통하여 BMS(1)로 제공될 수 있다.
한편, 배터리 시뮬레이터(110)는 배터리 팩의 SOC(State of Charge)값이 설정되면, SOC값으로부터 배터리 팩의 전압값을 연산하여 상태정보로 제공할 수 있다. 즉, 배터리 시뮬레이터(110)는 제어부(130) 등으로부터 배터리 팩의 SOC값을 입력받을 수 있으며, 입력받은 SOC값에 따라 가상의 배터리 팩의 충전량 등을 설정할 수 있다. 이후, 배터리 시뮬레이터(110)는 자체적으로 설정된 SOC값과 OCV(Open Circuit Voltage)값 사이의 상관관계로부터 SOC 값에 대응하는 배터리 팩의 전압값을 연산할 수 있으며, 연산한 전압값을 상태정보로 제공할 수 있다.
일반적으로, 실제 배터리들의 경우 SOC 값이 동일한 경우에도 각각의 배터리 셀들의 환경이나 상태 등에 따라 전압값이 상이할 수 있다. 따라서, 배터리 시뮬레이터(110)는 실제 배터리를 모사하기 위하여, SOC값으로부터 간접적으로 배터리 팩의 전압값들을 설정하도록 할 수 있으며, 이때 SOC값과 OCV값 사이의 상관관계는 각각의 배터리 팩 또는 배터리 모델마다 상이하도록 설정할 수 있다.
인터페이스부(120)는 BMS(1)와 물리적으로 연결될 수 있으며, BMS(1)와 BMS 평가 장치(100) 사이의 통신을 제공할 수 있다. 즉, 인터페이스부(120)는 배터리 시뮬레이터(110)로부터 수신한 상태정보를 BMS(1)로 전송할 수 있으며, BMS(1)로부터 셀 밸런싱을 위한 밸런싱 입력을 수신할 수 있다. 실시예에 따라서는, 인터페이스부(120)는 BMS(1)와 통신을 위하여 CAN(Controller Area Network), Serial, Modbus 등의 통신을 지원할 수 있다.
제어부(130)는 배터리 시뮬레이터(110)의 동작을 제어할 수 있으며, 인터페이스부(120)를 통해 수신하는 상태정보를 이용하여, BMS(1)가 수행하는 셀 밸런싱 동작을 평가할 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 BMS(1)의 셀 밸런싱 동작을 테스트하기 위하여, 먼저 배터리 시뮬레이터(110)가 가상화하는 배터리를 초기화할 수 있다. BMS(1)는 인터페이스부(120)를 통해 수신하는 상태정보를 이용하여 배터리를 모니터링할 수 있으며, 배터리의 상태정보가 정상범위를 벗어나는 경우에는 배터리가 이상상태에 해당하는 것으로 판단할 수 있다.
즉, 배터리의 전류, 전압, 온도 중 어느 하나가 정상범위를 벗어나게 되면, BMS(1)는 알람신호, 고장신호 등을 생성하여 배터리에 이상이 발생하였음을 알릴 수 있다. 이 경우, BMS(1)는 셀 밸런싱 등 다른 동작을 중단할 수 있으므로, 제어부(130)는 셀 밸런싱 동작을 위해 먼저 배터리를 정상상태로 설정할 필요가 있다.
따라서, 제어부(130)는 배터리를 초기화하도록 배터리 시뮬레이터(110)를 제어할 수 있으며, 예를들어, 배터리에 포함된 모든 배터리 셀들에 대해, 전압은 정격전압, 전류는 0, 온도는 상온(20도)으로 설정하여, 배터리의 상태정보를 정상범위 내에 포함시킬 수 있다.
이후, 배터리에 대한 초기화가 완료되면, 제어부(130)는 BMS(1)의 셀 밸런싱 동작 조건에 대응하여, 배터리 시뮬레이터(110)에 포함된 각 배터리 셀의 파라미터들의 초기 설정값을 설정할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 BMS(1)의 셀 밸런싱 동작을 평가하기 위하여, 배터리 시뮬레이터(110)를 BMS(1)가 셀 밸런싱을 수행할 수 있는 상태로 설정할 수 있다.
여기서, 제어부(130)가 초기 설정값을 설정할 수 있는 배터리 셀들의 파라미터에는, 배터리 셀들이 충전된 잔존용량을 나타내는 SOC(State of Charge)값, 배터리 셀들의 전류, 전류의 시간에 따른 변화량인 전류증분량, 전류증분량이 유지되는 유지시간, 셀 밸런싱이 수행되는 테스트 셀을 지정하는 셀 식별번호, 테스트 셀들에 설정되는 편차전압 등이 포함될 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 각각의 배터리 셀의 파라미터들이 BMS(1)의 셀 밸런싱 동작 조건을 만족하도록 초기 설정값을 설정할 수 있다.
구체적으로, 셀 밸런싱 동작 조건은, 배터리 셀들의 전압값이 기준전압 이상이고, 배터리 셀들의 전류값이 기준전류 미만이며, 배터리 셀들의 편차전압이 기준편차 이상인 조건을 동시에 만족하는 것일 수 있다.
여기서, 배터리 셀들의 전압값이 기준전압 미만인 경우는 배터리 셀이 충분히 충전되지 않는 상태이므로, BMS(1)의 밸런싱 동작만으로는 해결되지 않는 상황에 해당한다. 따라서, 기준전압 미만으로 충전된 배터리 셀에 대하여는 셀 밸런싱 동작을 수행하지 않도록 셀 밸런싱 동작 조건을 설정할 수 있다.
또한, 배터리 셀의 전류가 기준전류 이상인 경우는, 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전이 진행 중인 상황에 해당하며, 셀 밸런싱 동작은 일반적으로 배터리 셀이 충전되거나 방전되지 않는 휴지기에 수행할 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 전류가 기준전류 이상인 경우에는 BMS(1)가 셀 밸런싱 동작을 중단하도록 셀 밸런싱 동작 조건을 설정할 수 있다.
나아가, BMS(1)는 배터리 셀들 사이의 편차 전압이 기준편차 미만인 경우에는 배터리에 대한 영향이 크지 않으므로, BMS(1)가 셀 밸런싱 동작을 생략하도록 셀 밸런싱 동작 조건을 설정할 수 있다.
추가적으로, BMS(1)가 셀 밸런싱 동작을 수행하기 위한 셀 밸런싱 동작 조건은 실시예에 따라 다양하게 설정될 수 있으나, 여기서는 기준전압을 3.7V으로 설정하고, 기준전류는 3A로 설정할 수 있다. 또한, 기준편차는 20mV로 각각 설정할 수 있다.
한편, 실시예에 따라서는, 제어부(130)가 배터리 셀의 SOC값과 편차전압값에 대한 초기 설정값을 먼저 설정할 수 있다. 구체적으로, SOC값의 초기 설정값으로, 배터리 셀들의 전압값이 기준전압 이상인 경우에 대응하는 초기 SOC값을 설정할 수 있다. 또한, 편차전압값에 대한 초기 설정값으로, 기준편차 이상인 초기 편차전압값을 설정할 수 있다.
예를들어, 제어부(130)는 초기 SOC값은 50%, 초기 전류는 10A, 전류 증분량은 -2A, 유지시간은 1초, 초기 편차전압은 30mV, 셀 식별번호는 1로 각각 설정할 수 있다. 이 경우, 배터리 시뮬레이터(110)는 전체 배터리 셀에 대하여 초기 SOC값인 50%로 SOC값을 설정할 수 있으며, 테스트셀에 해당하는 1번 배터리 셀에 대하여는 초기 SOC값에 초기 편차 전압 30mV를 더 포함하여 SOC값을 설정할 수 있다. 이때, 배터리 시뮬레이터(110)는 초기 SOC 값이 50%에 대응하는 OCV값을 미리 설정된 SOC와 OCV 사이의 상관관계를 이용하여 도출할 수 있으며, 도출된 OCV값에 30mV를 더하여 테스트 셀의 전압값을 연산할 수 있다. 이후, 배터리 시뮬레이터(110)는 다시 SOC와 OCV 사이의 상관관계를 이용하여, 전압값에 대응하는 SOC값을 연산하여 테스트 셀의 SOC값으로 재설정할 수 있다.
따라서, 제어부(130)는 배터리 셀의 전압, 전류, 편차 전압 등의 파라미터가 셀 밸런싱 동작 조건을 만족하도록 초기 설정값을 설정하여, BMS(1)가 셀 밸런싱 동작을 수행하도록 유도할 수 있다.
한편, 실시예 따라서는, 초기 설정값을 설정한 때로부터, 일정시간이 도과한 이후부터, BMS(1)가 셀 밸런싱 동작을 수행하도록 설정하는 것도 가능하다. 즉, 제어부(130)는 초기설정시 배터리 셀의 전압값과 편차전압을 각각 기준전압과 기준편차 이상으로 설정한 후, 배터리 셀의 전류값을 기준전류 이상으로 설정할 수 있다. 이 경우, 기준전류보다 높은 배터리 셀의 전류값에 의해 셀 밸런싱 동작 조건이 만족되지 않으므로, BMS(1)에서는 셀 밸런싱 동작을 수행하지 않을 수 있다.
다만, 제어부(130)는 초기 설정시 전류증분량과 유지시간을 추가로 설정할 수 있으며, 이를 이용하여 전류값이 유지시간 이후부터는 기준전류값 미만으로 감소하도록 할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 배터리 셀의 전류가 전류증분량에 따라 점차 감소하도록 설정할 수 있으며, 전류증분량과 유지시간을 적절히 조절하여, 적어도 유지시간이 도과한 때부터는 배터리 셀의 전류가 기준전류값 미만으로 내려도록 설정할 수 있다. 예를들어, 기준전류가 2A인 경우, 초기 전류값을 10A로 설정하고, 전류증분량을 1초마다 2A씩 줄어들도록 설정할 수 있다. 이 경우, 전류값이 2A가 되는 5초부터 셀 밸런싱 동작 조건을 만족하게 되므로, 이때부터 BMS(1)가 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 유지시간 이후부터 BMS(1)가 셀 밸런싱 동작을 수행하도록 유도할 수 있다.
제어부(130)는 유지시간 경과 이후, 배터리 시뮬레이터(110)가 생성하는 상태정보로부터 배터리 셀의 밸런싱 전류를 검출할 수 있으며, 밸런싱 전류를 이용하여 BMS(1)의 밸런싱 동작 수행여부를 판별할 수 있다. 여기서, 제어부(130)는 테스트 셀을 순차적으로 변경하여, 전체 배터리 셀에 대한 밸런싱 전류의 발생여부를 판별할 수 있다. 즉, 각각의 테스트 셀에 편차전압을 발생시킨 후 밸런싱 전류가 발생하는지를 확인하여, BMS(1)가 각각의 테스트 셀에 대하여 셀 밸런싱 동작을 실행하는지를 테스트할 수 있다.
예를들어, 192개의 배터리 셀을 포함하는 배터리의 경우, 1번 배터리 셀부터 192번 배터리 셀까지 순차적으로 테스트 셀을 변경하여, 전체 배터리 셀에 대한 밸런싱 전류가 각각 발생하는지 확인할 수 있다. 여기서, 밸런싱 전류는 각 배터리 셀의 전압의 4V일 때 100mA 정도의 크기로 발생할 수 있다.
이후, 전체 배터리 셀에 대한 밸런싱 전류의 발생이 확인되면, 제어부(130)는 배터리 시뮬레이터(110)를 제어하여, 도2(a)에 도시한 바와 같이, 전체 배터리 셀에 대해 무작위(random)로 전압 편차를 발생시키도록 설정할 수 있다. 여기서, 각각의 배터리 셀(c1, c2, c3, c4, c5)들은 기준전압(Va) 이상의 전압을 가질 수 있으며, 배터리 셀 중 최소전압(V-1)을 가지는 배터리 셀 c1의 전압을 기준으로 각각의 전압 편차가 무작위로 발생할 수 있다. 실시예에 따라서는, 제어부(130)가 각각의 배터리 셀에 대응하는 셀 식별번호 이외의 번호(예를들어, 0)를 테스트 셀의 셀 식별번호로 지정하는 방식으로, 해당 동작을 수행하도록 제어할 수 있다.
이 경우, BMS(1)는 전체 배터리 셀에 대한 밸런싱 동작을 수행할 수 있으며, 도2(b)에 도시한 바와 같이, 밸런싱 동작에 의하여 각각의 배터리 셀들(c1-c5) 사이의 전압편차가 작아질 수 있다. 즉, BMS(1)는 배터리 셀들(c1-c5) 사이의 전압편차가 한계편차(Vb) 이내로 들어올 때까지 각각의 배터리 셀들(c1-c5)에 대한 밸런싱 동작을 수행할 수 있다.
이때, 제어부(130)는 상태정보를 이용하여 BMS(1)가 각각의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱 종료 조건을 만족시킬 때까지 셀 밸런싱이 이루어지는지를 확인할 수 있다. 여기서, 셀 밸런싱 종료 조건은 배터리 셀들의 전류값이 한계전류 이상이거나, 배터리 셀들의 편차전압이 한계편차 미만인 경우일 수 있으며, 실시예에 따라서는 한계전류를 5A, 한계편차를 5mV로 각각 설정할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 각각의 배터리 셀에 대하여, 초기 편차 전압과 셀 밸런싱 종료시의 편차 전압, 셀 밸런싱 완료까지 소요시간 등을 측정하여, BMS(1)의 셀 밸런싱 동작의 성능을 평가할 수 있다. 여기서, 제어부(130)는 초기 편차 전압과 셀 밸런싱 종료시 편차 전압의 차이가 크거나, 소요시간이 짧으면 BMS(1)의 성능이 좋은것으로 판단할 수 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가 방법을 나타내는 순서도이다.
도3을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가방법은, 초기화 단계(S10), 초기설정단계(S20), 밸런싱 전류 확인단계(S30), 셀 밸런싱 단계(S40) 및 평가단계(S50)를 포함할 수 있다. 여기서, BMS 평가방법의 각 단계는 상술한 BMS 평가 장치에 의하여 수행될 수 있다.
이하, 도3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 BMS 평가 방법을 설명한다.
초기화단계(S10)에서는, 배터리 시뮬레이터에 의하여 가상화된 배터리 셀들을 초기화할 수 있다. BMS(Battery Management System)는 BMS 평가장치에 의해 가상화된 배터리를 모니터링할 수 있으며, 배터리의 상태정보가 정상범위를 벗어나는 경우에는 배터리가 이상상태에 해당하는 것으로 판단할 수 있다. 이때, BMS 평가장치는 알람신호 등을 생성하여 배터리에 이상이 발생하였음을 알릴 수 있으며, 이 경우 BMS는 셀 밸런싱 등 다른 동작을 중단할 수 있다. 따라서, BMS 평가장치는 BMS의 셀 밸런싱 동작을 평가하기 전에, 먼저 배터리를 정상상태로 설정할 수 있으며, 배터리를 초기화하도록 배터리 시뮬레이터를 제어할 수 있다. 구체적으로, 배터리에 포함된 모든 배터리 셀들에 대해, 전압은 정격전압, 전류는 0, 온도는 상온(20도)으로 설정하여, 배터리의 상태정보를 정상범위 내에 포함시킬 수 있다.
초기설정단계(S20)에서는, 배터리 셀에 대한 초기 충방전을 수행하여, 배터리 셀들의 파라미터를 셀 밸런싱 동작을 위한 초기 설정값으로 설정할 수 있다. 즉, 초기설정단계(S20)는, BMS의 셀 밸런싱 동작을 평가하기 위하여, 배터리 셀들을 BMS가 셀 밸런싱을 수행할 수 있는 상태로 설정할 수 있다. 여기서, 초기 설정값을 설정할 수 있는 배터리 셀들의 파라미터에는, 배터리 셀들이 충전된 잔존용량을 나타내는 SOC(State of Charge)값, 배터리 셀들의 전류, 전류의 시간에 따른 변화량인 전류증분량, 전류증분량이 유지되는 유지시간, 셀 밸런싱이 수행되는 테스트 셀을 지정하는 셀 식별번호, 테스트 셀들에 설정되는 편차전압 등이 포함될 수 있다. 따라서, 초기설정단계(S20)에서는 각각의 배터리 셀의 파라미터들이 BMS의 셀 밸런싱 동작 조건을 만족하도록, 초기 설정값을 설정할 수 있다.
한편, 실시예 따라서는, 초기 설정값을 설정한 때로부터, 일정시간(ttest_pre)이 도과한 이후부터, BMS가 셀 밸런싱 동작을 수행하도록 설정하는 것도 가능하다(S21). 즉, BMS 평가장치는 초기설정시 배터리 셀의 전압값과 편차전압을 각각 기준전압과 기준편차 이상으로 설정한 후, 배터리 셀의 전류값을 기준전류 이상으로 설정할 수 있다. 이 경우, 기준전류보다 높은 배터리 셀의 전류값에 의해 셀 밸런싱 동작 조건이 만족되지 않으므로, BMS에서는 셀 밸런싱 동작을 수행하지 않을 수 있다.
다만, BMS 평가장치는 초기 설정시 전류증분량과 유지시간을 추가로 설정할 수 있으며, 이를 이용하여 전류값이 유지시간(ttest_pre) 이후부터는 기준전류값 미만으로 감소하도록 할 수 있다. 즉, 배터리 셀의 전류가 전류증분량에 따라 점차 감소하도록 설정할 수 있으며, 전류증분량과 유지시간(ttest_pre)을 적절히 조절하여, 적어도 유지시간(ttest_pre) 이후부터는 배터리 셀의 전류가 기준전류값 미만으로 내려도록 설정할 수 있다. 따라서, 초기설정단계(S20)를 통하여, BMS가 유지시간(ttest_pre) 이후부터는 셀 밸런싱 동작을 수행하도록 유도할 수 있다.
밸런싱 전류 확인단계(S30)에서는, BMS의 셀 밸런싱 동작에 대응하여, 각각의 배터리 셀들에 대응하는 밸런싱 전류가 생성되는지 확인할 수 있다. 즉, BMS 평가장치는 배터리 셀의 밸런싱 전류를 검출할 수 있으며, 밸런싱 전류를 이용하여 BMS의 밸런싱 동작 수행여부를 판별할 수 있다. 여기서, BMS 평가장치는 테스트 셀을 순차적으로 변경하는 방식으로, 전체 배터리 셀에 대한 밸런싱 전류의 발생여부를 판별할 수 있다.
셀 밸런싱 단계(S40)에서는, 밸런싱 전류가 생성되면, 전체 배터리 셀에 대하여 무작위(random)로 전압 편차를 생성하고, 설정시간 동안 BMS가 셀 밸런싱을 수행하도록 할 수 있다. 이 경우 BMS는 전체 배터리 셀에 대한 밸런싱 동작을 수행할 수 있으며, 실시예에 따라서는, BMS의 셀 밸런싱 동작에 의해 셀 밸런싱 종료 조건이 만족될 때까지 셀 밸런싱을 수행하도록 하는 것도 가능하다. 여기서, 셀 밸런싱 종료 조건은 배터리 셀들의 전류값이 한계전류 이상이거나, 배터리 셀들의 편차전압이 한계편차 미만인 경우에 해당한다.
평가단계(S50)에서는, BMS의 셀 밸런싱 동작에 대응하여, 각각의 배터리 셀들에 대한 상태정보를 추출하여, BMS의 셀 밸런싱 동작을 평가할 수 있다. 구체적으로, BMS 평가장치는 설정시간 동안 셀 밸런싱이 얼마나 이루어졌는지를 확인하는 방식으로, BMS의 셀 밸런싱 동작을 평가할 수 있다. 이 경우, BMS 평가장치는 초기 편차 전압과 셀 밸런싱 종료시 편차 전압을 각각 기록할 수 있으며, 이들 사이의 차이가 클수록 BMS의 셀 밸런싱 성능이 좋은 것으로 판별할 수 있다.
또한, 실시예에 따라서는, BMS 평가장치가 BMS의 셀 밸런싱 종료 조건을 만족시킬때까지 소요되는 소요시간을 평가하는 등의 방식으로 BMS의 셀 밸런싱 동작을 평가하는 것도 가능하다. 여기서, BMS 평가 장치는 BMS가 셀 밸런싱을 시작한 시점과 종료한 시점을 각각 기록할 수 있으며, 이를 통하여 소요시간을 도출할 수 있다. 이후, BMS 평가 장치는 소요시간이 짧을수록 BMS의 성능이 좋은 것으로 판별할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
1: BMS(Battery Management System) 100: BMS 평가장치
110: 배터리 시뮬레이터 120: 인터페이스부
130: 제어부
S10: 초기화 단계 S20: 초기설정단계
S30: 밸런싱 전류 확인단계 S40: 셀 밸런싱 단계
S50: 평가단계

Claims (14)

  1. 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리의 동작을 모사하여, 상기 배터리 셀들의 상태정보를 생성하는 배터리 시뮬레이터;
    상기 배터리 시뮬레이터로부터 수신한 상태정보를 BMS(Battery Management System)로 전송하고, 상기 BMS로부터 셀 밸런싱(cell balancing)을 위한 밸런싱 입력을 수신하는 인터페이스부; 및
    상기 배터리 시뮬레이터의 동작을 제어하고, 상기 상태정보를 이용하여 상기 BMS가 수행하는 셀 밸런싱 동작을 평가하는 제어부를 포함하는 BMS 평가장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상태정보는
    상기 배터리 셀들의 전류값, 전압값 및 온도값을 포함하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 BMS의 셀 밸런싱 동작 조건에 대응하여, 상기 배터리 시뮬레이터에 포함된 각 배터리 셀의 파라미터들을 초기 설정값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 셀 밸런싱 동작 조건은
    상기 배터리 셀들의 전압값이 기준전압 이상이고, 상기 배터리 셀들의 전류값이 기준전류 미만이며, 상기 배터리 셀들의 편차전압이 기준편차 이상인 조건을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 파라미터는
    상기 배터리 셀들의 SOC(State of Charge)정보, 상기 배터리 셀들의 전류, 상기 전류의 시간에 따른 변화량인 전류증분량, 상기 전류증분량이 유지되는 유지시간, 상기 배터리 셀들에 설정되는 편차전압 및 셀 밸런싱이 수행되는 테스트 셀을 지정하는 셀 식별번호 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 배터리 셀의 SOC값을 상기 배터리 셀들의 전압값이 상기 기준전압 이상인 경우에 대응하는 초기 SOC값으로 설정하고, 상기 테스트 셀의 편차전압을 상기 기준편차 이상인 초기 편차전압값으로 설정하여, 상기 초기 설정값을 설정하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 배터리 시뮬레이터는
    상기 초기 SOC값에 대응하는 OCV(Open Circuit Voltage)값을 연산하고, 상기 OCV값에 상기 초기 편차전압값을 더하여 상기 테스트 셀의 전압값을 설정한 후, 상기 전압값에 대응하는 SOC 값을 연산하여 상기 테스트 셀의 SOC값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 배터리 셀들의 전류를 상기 기준전류값 이상의 초기전류값으로 설정하고, 상기 전류가 상기 유지시간 이후에는 상기 기준전류값 미만으로 감소하도록 상기 전류증분량 및 유지시간을 설정하여, 상기 유지시간 이후부터 상기 셀 밸런싱 동작 조건을 만족하도록 상기 초기 설정값을 설정하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 유지시간 경과 이후, 상기 배터리 시뮬레이터가 생성하는 상태정보로부터 상기 배터리 셀의 밸런싱 전류를 검출하고, 상기 밸런싱 전류를 이용하여 상기 BMS의 밸런싱 동작 수행여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 테스트 셀을 순차적으로 변경하여, 전체 배터리 셀에 대한 상기 밸런싱 전류의 발생여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 전체 배터리 셀에 대한 상기 밸런싱 전류의 발생이 확인되면, 상기 전체 배터리 셀에 대해 무작위로 전압 편차를 발생시켜, 상기 BMS가 상기 전체 배터리 셀에 대한 밸런싱 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는
    각각의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱 종료 조건을 만족시킬 때까지 셀 밸런싱이 이루어지는 지를 확인하는 것을 특징으로 하는 BMS 평가장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 셀 밸런싱 종료 조건은
    상기 배터리 셀들의 전류값이 한계전류 이상이거나, 상기 배터리 셀들의 편차전압이 한계편차 미만인 것을 특징으로 하는 BMS 평가 장치.
  14. BMS(Battery Management System) 평가장치를 이용하는 BMS 평가 방법에 있어서,
    배터리 시뮬레이터에 의하여 가상화된 배터리 셀들을 초기화하는 초기화 단계;
    상기 배터리 셀에 대한 초기 충방전을 수행하여, 상기 배터리 셀들의 파라미터를 셀 밸런싱 동작을 위한 초기 설정값으로 설정하는 초기설정단계;
    상기 BMS의 셀 밸런싱 동작에 대응하여, 각각의 배터리 셀들에 대응하는 밸런싱 전류가 생성되는지 확인하는 밸런싱 전류 확인단계;
    상기 밸런싱 전류가 생성되면, 전체 배터리 셀에 대하여 무작위로 전압 편차를 생성하고, 설정시간 동안 BMS가 셀 밸런싱을 수행하도록 하는 셀 밸런싱단계; 및
    BMS의 셀 밸런싱 동작에 대응하여, 각각의 배터리 셀들에 대한 상태정보를 추출하여, 상기 BMS의 셀 밸런싱 동작을 평가하는 평가단계를 포함하는 BMS 평가 방법.
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