KR20210039267A - Battery system and method for controlling battery system - Google Patents
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Abstract
Description
본 개시는 배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a battery system and a method of controlling the battery system.
충전식 또는 이차전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서, 화학 물질의 전기 에너지로의 비가역적 변환만을 제공하는 일차전지와 상이하다. 저용량의 재충전 가능한 배터리는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원 공급 장치로서 사용되고, 고용량의 재충전 가능한 배터리는 하이브리드 자동차 등의 전원 공급 장치로서 사용된다.Rechargeable or secondary batteries differ from primary batteries that provide only irreversible conversion of chemical substances into electrical energy in that charging and discharging can be repeated. Low-capacity rechargeable batteries are used as power supplies for small electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and camcorders, and high-capacity rechargeable batteries are used as power supplies for hybrid vehicles and the like.
일반적으로, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 그리고 전극 조립체와 전기적으로 연결되어 있는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극, 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 배터리의 충방전을 가능하게 하기 위해, 케이스로 전해액이 주입된다. 원통형 또는 직사각형과 같은 케이스의 형상은 배터리의 용도에 따라 다르다.In general, a secondary battery includes an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a case for accommodating the electrode assembly, and an electrode terminal electrically connected to the electrode assembly. In order to enable charging and discharging of the battery through an electrochemical reaction between the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte solution, an electrolyte solution is injected into the case. The shape of the case, such as a cylinder or a rectangle, depends on the application of the battery.
재충전 가능한 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 결합된 다수의 단위 배터리 셀로 형성된 배터리 모듈로서 사용되어, 예를 들어 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위한, 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 즉, 배터리 모듈은 예를 들어, 전기 자동차용 고전력 재충전 가능한 배터리를 구현하기 위해 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 배터리 셀의 전극 단자들을 상호 연결하여 형성된다. 배터리 시스템을 구성하기 위해 하나 이상의 배터리 모듈이 기계적 및 전기적으로 통합되고, 열 관리 시스템이 장착되며, 하나 이상의 전기 소비자와 통신하도록 설정된다.The rechargeable battery can be used as a battery module formed of a plurality of unit battery cells coupled in series and/or parallel to provide a high energy density, for example for driving a motor of a hybrid vehicle. That is, the battery module is formed by interconnecting electrode terminals of a plurality of unit battery cells according to the amount of power required to implement, for example, a high-power rechargeable battery for an electric vehicle. One or more battery modules are mechanically and electrically integrated to constitute a battery system, a thermal management system is mounted, and set up to communicate with one or more electrical consumers.
배터리 시스템에 연결되어 있는 다양한 전기 소비자의 동적 전력 수요를 충족시키기 위해, 배터리 전력 출력 및 충전에 대한 정적 제어만으로는 충분하지 않다. 따라서, 배터리 시스템과 전기 소비자들의 컨트롤러들 사이에 정보가 꾸준히 또는 간헐적으로 교환되어야 한다. 이 정보는 배터리 시스템의 실제 충전상태(SoC: state of charge), 잠재적인 전기적 성능, 충전 능력, 및 내부 저항은 물론 실제 또는 예측 전력 수요 또는 소비자 잉여분을 포함한다.In order to meet the dynamic power demands of the various electrical consumers connected to the battery system, static control of battery power output and charging alone is not sufficient. Therefore, information must be exchanged steadily or intermittently between the battery system and the controllers of electricity consumers. This information includes the actual state of charge (SoC), potential electrical performance, charging capacity, and internal resistance of the battery system, as well as actual or predicted power demand or consumer surplus.
전술한 파라미터의 모니터링, 제어, 및/또는 설정을 위해, 배터리 관리 유닛(BMU: battery management unit) 및/또는 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)을 포함한다. 이러한 제어 유닛은 배터리 시스템의 필수 부품일 수 있고 공통의 하우징 내에 배치될 수 있거나 또는 적절한 통신 버스를 통해 배터리 시스템과 통신하는 원격 제어 유닛의 일부일 수 있다. BMS/BMU는 일반적으로 배터리 시스템의 각각의 배터리 모듈뿐만 아니라 하나 이상의 전기 소비자의 컨트롤러에도 연결된다. 일반적으로 각 배터리 모듈은 BMS/BMU 및 상이한 배터리 모듈과의 통신을 유지하도록 구성된 셀 감시 회로(CSC: cell supervision circuit)를 포함한다. CSC는 일부 또는 각각의 배터리 모듈의 배터리 셀들의 셀 전압을 모니터링하고 모듈 내의 개개의 배터리 셀의 전압을 능동적으로 또는 수동적으로 밸런싱하도록 더 구성될 수 있다.For monitoring, control, and/or setting of the above-described parameters, a battery management unit (BMU) and/or a battery management system (BMS) are included. This control unit may be an integral part of the battery system and may be disposed within a common housing or may be part of a remote control unit that communicates with the battery system via a suitable communication bus. The BMS/BMU is typically connected not only to each battery module in the battery system, but also to the controllers of one or more electricity consumers. Typically each battery module includes a cell supervision circuit (CSC) configured to maintain communication with a BMS/BMU and a different battery module. The CSC may be further configured to monitor the cell voltage of battery cells of some or each battery module and to actively or passively balance the voltage of individual battery cells within the module.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점 중 적어도 일부를 극복하거나 또는 감소시키고, 무효한 셀 밸런싱을 방지하는 배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a battery system and a battery system control method that overcomes or reduces at least some of the disadvantages of the prior art and prevents invalid cell balancing.
또한 본 발명의 목적은 균등화 목표 영역(균등화 목표 전압 영역 또는 균등화 목표 SoC 영역)에서 밸런싱된(top-balanced, mid-balanced, 또는 bottom-balanced) 배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a battery system and a battery system control method that are balanced (top-balanced, mid-balanced, or bottom-balanced) in an equalization target region (a target equalization voltage region or an equalization target SoC region).
일 실시예에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 복수의 배터리 셀 각각의 파라미터를 모니터링하는 모니터링 유닛, 그리고 파라미터를 사용하여 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하고, 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는 것으로 결정되면, 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 기준 전압을 계산하고 균등화 목표 영역으로의 셀 밸런싱을 수행하도록 제어하는 제어 유닛을 포함한다.The battery system according to an embodiment determines whether there are abnormal battery cells in the battery module using a battery module including a plurality of battery cells, a monitoring unit monitoring parameters of each of the plurality of battery cells, and the parameters, and the battery module When it is determined that there are abnormal battery cells in the battery, a control unit that calculates a reference voltage for balancing the plurality of battery cells and controls to perform cell balancing to the equalization target region is included.
비정상 배터리 셀은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나이다.The abnormal battery cell is at least one of a weak cell, a high-impedance cell, and an internal short-circuit cell.
균등화 목표 영역은 톱-밸런싱(top-balancing) 영역, 미드-밸런싱(mid-balancing) 영역, 바텀-밸런싱(bottom-balancing) 영역 중 어느 하나이다.The equalization target area is one of a top-balancing area, a mid-balancing area, and a bottom-balancing area.
제어 유닛은 임의의 두 시점에서 산출된 충전 상태(SoC: state of charge)를 사용하여, 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정한다.The control unit uses the state of charge (SoC) calculated at any two points in time to determine if there is an SoC shift cell in the battery module.
제어 유닛은 충전 또는 방전 이전의 휴지 기간에서 측정된 전압(OCV: open circuit voltage)와 충전 또는 방전 이후의 휴지 기간에서 측정된 OCV를 비교하여, 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정한다.The control unit compares the voltage (OCV) measured in the dormant period before charging or discharging with the OCV measured in the dormant period after charging or discharging to determine if there is an SoC shift cell in the battery module.
제어 유닛은 파라미터를 사용하여 복수의 배터리 셀 각각의 용량을 산출하고, 용량들을 비교하여 배터리 모듈 내에 위크 셀이 있는지 결정한다.The control unit uses the parameter to calculate the capacity of each of the plurality of battery cells, and compares the capacities to determine whether there is a weak cell in the battery module.
제어 유닛은 파라미터를 사용하여 복수의 배터리 셀 각각의 저항 값을 산출하고, 저항 값들을 비교하여 배터리 모듈 내에 하이-임피던스 셀이 있는지 결정한다.The control unit calculates a resistance value of each of the plurality of battery cells by using the parameter, and determines whether there is a high-impedance cell in the battery module by comparing the resistance values.
제어 유닛은 복수의 배터리 셀 중 비정상 셀 이외의 최소 전압 셀을 예비 셀로 결정하고, 균등화 목표 영역에서의 예비 셀과 비정상 셀 사이의 SoC 차이를 사용하여 기준 전압을 계산한다.The control unit determines a minimum voltage cell other than the abnormal cell among the plurality of battery cells as the spare cell, and calculates a reference voltage by using the SoC difference between the spare cell and the abnormal cell in the equalization target area.
제어 유닛은 수학식, , , 을 사용하여 기준 전압을 계산하고, 은 예비 셀의 SoC이며, 은 균등화 목표 영역에서의 최소 전압 셀의 SoC이고, 은 예비 셀의 전압이며, 는 기준 전압이다.The control unit is a formula, , , Calculate the reference voltage using Is the SoC of the spare cell, Is the SoC of the minimum voltage cell in the equalization target region, Is the voltage of the spare cell, Is the reference voltage.
제어 유닛은 셀 밸런싱이 수행된 시간에 따라 기준 전압을 보상한다.The control unit compensates the reference voltage according to the time when cell balancing is performed.
제어 유닛은 수학식, ,을 사용하여 기준 전압을 보상하고, 는 밸런싱 전류이고 는 셀 밸런싱이 수행된 시간이며, 는 셀 밸런싱의 듀티비이고, 은 배터리 모듈 내에 포함된 예비 셀의 용량이며, K는 상수이다.The control unit is a formula, , To compensate for the reference voltage, Is the balancing current Is the time when cell balancing was performed, Is the duty ratio of cell balancing, Is the capacity of the spare cell included in the battery module, and K is a constant.
일 실시예에 따른 배터리 시스템 제어 방법은, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 파라미터를 모니터링하는 단계, 파라미터를 사용하여 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계, 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는 것으로 결정되면, 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 기준 전압을 계산하는 단계, 그리고 기준 전압을 사용하여 균등화 목표 영역으로의 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함한다.A method for controlling a battery system according to an embodiment includes the steps of monitoring parameters of each of a plurality of battery cells included in the battery module, determining whether there are abnormal battery cells in the battery module using the parameters, and abnormal battery cells in the battery module. If it is determined that is present, calculating a reference voltage for balancing a plurality of battery cells, and performing cell balancing to an equalization target region using the reference voltage.
비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는, 임의의 두 시점에서 산출된 충전 상태(SoC: state of charge)사용하여, 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함한다.Determining whether there is an abnormal battery cell includes determining whether there is an SoC shift cell in the battery module using a state of charge (SoC) calculated at two arbitrary points in time.
비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는, 충전 또는 방전 이전의 휴지 기간에서 측정된 전압(OCV: open circuit voltage)와 충전 또는 방전 이후의 휴지 기간에서 측정된 OCV를 비교하여, 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함한다.The step of determining whether there is an abnormal battery cell is to compare the open circuit voltage (OCV) measured in the idle period before charging or discharging and the OCV measured in the idle period after charging or discharging, and the SoC shift cell in the battery module It includes determining if there is.
비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는, 파라미터를 사용하여 복수의 배터리 셀 각각의 용량을 산출하는 단계, 그리고 용량들을 비교하여 배터리 모듈 내에 위크 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함한다.Determining whether there is an abnormal battery cell includes calculating a capacity of each of the plurality of battery cells by using a parameter, and determining whether there is a weak cell in the battery module by comparing the capacities.
비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는, 파라미터를 사용하여 복수의 배터리 셀 각각의 저항 값을 산출하는 단계, 그리고 저항 값들을 비교하여 배터리 모듈 내에 하이-임피던스 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함한다.Determining whether there is an abnormal battery cell includes calculating a resistance value of each of the plurality of battery cells using a parameter, and determining whether a high-impedance cell exists in the battery module by comparing the resistance values.
기준 전압을 계산하는 단계는, 복수의 배터리 셀 중 비정상 셀 이외의 최소 전압 셀을 예비 셀로 결정하는 단계, 그리고 균등화 목표 영역에서의 예비 셀과 비정상 셀 사이의 SoC 차이를 사용하여 기준 전압을 계산하는 단계를 포함한다.The calculating of the reference voltage includes determining a minimum voltage cell other than the abnormal cell among the plurality of battery cells as a spare cell, and calculating the reference voltage using the SoC difference between the spare cell and the abnormal cell in the equalization target area. Includes steps.
셀 밸런싱이 수행된 시간에 따라 기준 전압을 보상하는 단계를 더 포함한다.It further includes compensating the reference voltage according to the time when the cell balancing is performed.
비정상 배터리 셀은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나이다.The abnormal battery cell is at least one of a weak cell, a high-impedance cell, and an internal short-circuit cell.
균등화 목표 영역은 톱-밸런싱(top-balancing) 영역, 미드-밸런싱(mid-balancing) 영역, 바텀-밸런싱(bottom-balancing) 영역 중 어느 하나이다.The equalization target area is one of a top-balancing area, a mid-balancing area, and a bottom-balancing area.
종래 기술의 하나 이상의 단점은 본 발명에 의해 방지되거나 또는 적어도 감소될 수 있다.One or more disadvantages of the prior art can be avoided or at least reduced by the present invention.
본 발명에 따르면, 밸런싱 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of increasing the balancing efficiency.
본 발명에 따르면, 부하에 전달하는 배터리 용량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of maximizing the capacity of the battery delivered to the load.
특징들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세히 설명함으로써 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 배터리 모듈 내의 셀 뱅크들을 나타낸 예시도이다.
도 2는 배터리 모듈 내의 위크 셀을 나타낸 예시도이다.
도 3은 위크 셀을 포함하는 배터리 모듈이 종래의 밸런싱 방법에 따라 밸런싱되는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 4는 위크 셀을 포함하는 배터리 모듈의 셀 불균형 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리 시스템 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 6의 비정상 셀 진단 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 8은 SoC 시프트 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 9는 위크 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 10은 하이-임피던스 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 11은 도 7의 SoC 시프트 셀 결정 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 12는 배터리 셀의 구간 별 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 SoC 시프트 셀의 SoC를 도시한 그래프이다.
도 14는 도 6의 셀 밸런싱 기준 및 목표 설정 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 15는 충전 종료 시점에 최소 전압 셀이 비정상 셀인 경우를 도시한 그래프이다.
도 16은 도 6의 셀 밸런싱 수행 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 17은 셀 밸런싱이 수행되는 때의 가상 기준 셀의 전압을 보상하는 경우를 도시한 그래프이다.
도 18은 셀 밸런싱이 수행되는 때 계산된 기준 셀 전압의 일례를 도시한 그래프이다.Features will become apparent to those skilled in the art by describing exemplary embodiments in detail with reference to the accompanying drawings.
1 is an exemplary diagram showing cell banks in a battery module.
2 is an exemplary view showing a weak cell in a battery module.
3 is an exemplary view showing a state in which a battery module including a weak cell is balanced according to a conventional balancing method.
4 is a graph showing a cell imbalance state of a battery module including a weak cell.
5 is a block diagram showing a battery system according to an embodiment.
6 is a flowchart illustrating a method of controlling a battery system according to an exemplary embodiment.
FIG. 7 is a flow chart specifically showing an example of an abnormal cell diagnosis step of FIG. 6.
8 are graphs showing cell voltage changes of an SoC shift cell.
9 are graphs showing a change in cell voltage of a weak cell.
10 are graphs showing cell voltage changes of a high-impedance cell.
11 is a flow chart specifically showing an example of the SoC shift cell determination step of FIG. 7.
12 is a graph showing voltage changes for each section of a battery cell.
13 is a graph showing the SoC of the SoC shift cell.
14 is a flow chart specifically showing an example of a cell balancing standard and target setting step of FIG. 6.
15 is a graph illustrating a case in which the minimum voltage cell is an abnormal cell at the end of charging.
16 is a flow chart specifically showing an example of a cell balancing step of FIG. 6.
17 is a graph illustrating a case of compensating a voltage of a virtual reference cell when cell balancing is performed.
18 is a graph showing an example of a reference cell voltage calculated when cell balancing is performed.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 작용 효과 및 그 구현 방법을 설명한다. 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 소자를 나타내며, 중복되는 설명은 생략된다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 구체화될 수 있으며, 여기에 도시된 실시예들에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시예들은 본 개시가 철저하고 완전하게 될 수 있도록 예로서 제공되며, 당업자에게 본 발명의 양태 및 특징을 충분히 전달할 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, operating effects according to embodiments of the present invention and a method of implementing the same will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals denote the same elements, and redundant descriptions are omitted. However, the present invention may be embodied in various forms, and should not be construed as being limited only to the embodiments shown here. Rather, these embodiments are provided by way of example so that the present disclosure may be thorough and complete, and will fully convey aspects and features of the present invention to those skilled in the art.
따라서, 본 발명의 양태들 및 특징들의 완전한 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않다고 여겨지는 프로세스들, 요소들, 및 기술들은 설명되지 않을 수 있다. 도면에서, 소자, 층, 및 영역의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.Accordingly, processes, elements, and techniques that are deemed not necessary to a person skilled in the art for a thorough understanding of aspects and features of the present invention may not be described. In the drawings, the relative sizes of devices, layers, and regions may be exaggerated for clarity.
여기서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 연관되고 열거된 항목의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 기술할 때 "할 수 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다. 본 발명의 실시예들에 대한 이하의 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥이 다른 것을 명백하게 나타내지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다.As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more associated and listed items. Also, the use of "can" when describing embodiments of the present invention means "one or more embodiments of the present invention." In the following description of the embodiments of the present invention, terms in the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates different.
"제1" 및 "제2"라는 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 사용되지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되어서는 안됨을 이해할 것이다. 이 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제1 요소는 제2 요소로 명명될 수 있고, 마찬가지로, 제2 요소는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 제1 요소로 명명될 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련되고 열거된 항목의 임의 및 모든 조합을 포함한다. "적어도 하나"와 같은 표현은, 요소들의 목록에 선행하여, 요소의 전체 목록을 수정하고 목록의 개별 요소를 수정하지 않는다.The terms “first” and “second” are used to describe various elements, but it will be understood that these elements should not be limited by these terms. This term is only used to distinguish one element from another. For example, a first element may be referred to as a second element, and likewise, a second element may be referred to as a first element without departing from the scope of the present invention. As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more related and listed items. An expression such as "at least one" modifies the entire list of elements, prior to the list of elements, and does not modify individual elements of the list.
여기서 사용되는 용어 "실질적으로", "약" 및 유사한 용어는 근사의 용어로 사용되고 정도의 용어로 사용되지 않으며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 수 있는 측정된 값 또는 계산된 값의 고유한 편차를 설명하기 위한 것이다. 또한, 용어 "실질적으로"가 수치를 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합하여 사용되면, "실질적인"이라는 용어는 그 수치를 중심으로 한 값의 +/-5%의 범위를 나타낸다.The terms "substantially", "about" and similar terms used herein are used as terms of approximation and are not used as terms of degree, and measured values or calculations that can be recognized by those of ordinary skill in the art. It is intended to account for the intrinsic deviation of the values. Further, when the term “substantially” is used in combination with a feature that can be expressed using a number, the term “substantial” denotes a range of +/-5% of the value centered on that value.
도 1은 배터리 모듈 내의 셀 뱅크(bank)들을 나타낸 예시도이다. 배터리 모듈(10) 내에서 셀 뱅크(B1, B2, B3)들은 직렬로 연결되어 있다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 하나의 뱅크(B1)는 하나의 배터리 셀(100)을 포함할 수 있거나, 도 1의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 하나의 뱅크(B2/B3)는 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀(100)을 포함할 수 있다. 일반적으로 다수의 배터리 셀을 직렬, 병렬 연결하여 사용할 때, 전압은 직렬 연결된 셀(또는 뱅크)을 기준으로 측정되고 모니터링된다.1 is an exemplary diagram showing cell banks in a battery module. In the
배터리 셀들의 전압(SoC), 저항 등 전기적 특성은 균일한 것이 이상적이나 제조 산포, 배터리를 사용하면서 발생되는 열화 차이, 배터리 셀 이상 등이 있을 수 있으므로 직렬 연결된 배터리 셀(또는 뱅크)들 사이에 전압 또는 충전상태(SoC) 차이가 존재한다. 이와 같이 직렬 연결된 배터리 셀(또는 뱅크)들 사이의 전압 또는 충전상태(SoC)가 균등하지 않은 상태를 셀 불균형(cell imbalance) 상태라고 지칭한다. 셀 불균형이 존재하면 배터리의 사용 가능한 용량이 감소하고, 셀이 과충전될 가능성이 높아지며, 이로 인해 열화가 가속되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 셀 밸런싱(cell balancing)은 이러한 셀 불균형 상태를 셀 전압 또는 충전상태(SoC)가 균등한 상태로 만들기 위한 것으로서, 배터리의 안정 동작에 있어서 중요하다.It is ideal that the electrical characteristics such as voltage (SoC) and resistance of the battery cells are uniform.However, there may be manufacturing distribution, differences in deterioration occurring while using the battery, and battery cell abnormalities.Therefore, the voltage between battery cells (or banks) connected in series Or there is a difference in state of charge (SoC). A state in which the voltage or the state of charge (SoC) between the battery cells (or banks) connected in series as described above is not equal is referred to as a cell imbalance state. If there is a cell imbalance, the usable capacity of the battery decreases, the possibility of the cell being overcharged increases, and this may cause a problem of accelerating deterioration. Therefore, cell balancing is to make the cell voltage or the state of charge (SoC) uniform in such a cell unbalance state, and is important for stable operation of the battery.
셀 밸런싱은 직렬 연결된 배터리 셀(또는 뱅크)의 전압 또는 충전상태(SoC)가 균등하지 않을 때, 즉 셀 불균형이 존재할 때, 이를 균등화(equalization)하기 위해 수행된다. 첫 번째 방법으로서, 패시브 밸런싱(passive balancing)은 전압 또는 충전상태(SoC)가 높은 셀의 에너지를 소모하여 밸런싱하는 방법이다. 에너지를 소모하는 방법으로는 저항을 통해 셀을 방전시키는 것이 일반적이다. 두 번째 방법으로서, 액티브 밸런싱(active balancing)은 전압 또는 충전상태(SoC)가 높은 셀의 에너지를, 전압 또는 충전상태(SoC)가 낮은 셀로 전달하여 두 셀 사이의 전압 또는 충전상태(SoC)를 균등화하는 것이다. 액티브 밸런싱은 에너지를 소모하지 않고 다른 셀(또는 뱅크)에 전달한다는 측면에서 이상적이나, 많은 부품이 필요해 제조비용이 증가하고, 액티브 밸런싱을 제어하기 어려운 단점이 있다. 따라서 일반적으로 패시브 밸런싱이 주로 사용된다.Cell balancing is performed to equalize the voltage or the state of charge (SoC) of the battery cells (or banks) connected in series when the voltage or the state of charge (SoC) is not equal, that is, when a cell imbalance exists. As a first method, passive balancing is a method of balancing by consuming energy of a cell having a high voltage or state of charge (SoC). As a method of consuming energy, it is common to discharge the cell through a resistor. As a second method, active balancing transfers the energy of a cell with a high voltage or state of charge (SoC) to a cell with a low voltage or state of charge (SoC) to determine the voltage or state of charge (SoC) between the two cells. It is to equalize. Active balancing is ideal in terms of transferring energy to other cells (or banks) without consuming energy, but it requires many parts, which increases manufacturing cost, and it is difficult to control active balancing. Therefore, in general, passive balancing is mainly used.
패시브 밸런싱으로써 셀 밸런싱을 수행하기 위해서는 어떤 셀(또는 뱅크)의 에너지를 소모해야 하는지 결정되어야 한다. 예를 들어, 어떤 셀(또는 뱅크)을 방전시켜야 하는지, 어떤 셀(또는 뱅크)의 전압 또는 충전상태(SoC)를 기준으로 균등화를 수행해야 하는지, 언제 셀 밸런싱을 수행할 것인지 등이 결정되어야 한다. 그리고, 셀(또는 뱅크)의 용량 차이가 있는 경우, 셀 밸런싱을 수행하더라도 어느 전압 또는 어느 충전상태(SoC) 영역에서는 불균형이 발생할 수 있으므로, 어느 전압 또는 어느 충전상태(SoC) 영역(균등화 목표 영역 또는 지점)에서 균등화되도록 할 것인지가 결정되어야 한다. 이를 셀 밸런싱 전략이라고 할 수 있다. In order to perform cell balancing by passive balancing, it is necessary to determine which cell (or bank) energy should be consumed. For example, which cells (or banks) should be discharged, which cells (or banks) should be equalized based on voltage or state of charge (SoC), and when to perform cell balancing should be determined. . In addition, if there is a difference in capacity of the cells (or banks), even if cell balancing is performed, imbalance may occur in any voltage or any state of charge (SoC) region, so that any voltage or state of charge (SoC) region (leveling target region Or to be equalized at the point). This can be called a cell balancing strategy.
셀 밸런싱 전략이 너무 단순하거나 또는 셀 밸런싱 전략에서 셀 불균형 원인이 고려되지 않는다면, 의도한 바와 상이한 셀 밸런싱 동작, 즉 무효한 셀 밸런싱이 될 수 있다. 무효한 셀 밸런싱은, 직렬 연결된 셀(또는 뱅크)의 전압 또는 충전상태(SoC)를 균등화하기 위해 수행된 셀 밸런싱이 결과적으로 균등화와 반대되는 방향으로 작용하는 것을 의미한다.If the cell balancing strategy is too simple or if the cause of the cell imbalance is not taken into account in the cell balancing strategy, it may result in a different cell balancing operation than intended, that is, invalid cell balancing. Invalid cell balancing means that the cell balancing performed to equalize the voltage or state of charge (SoC) of the cells (or banks) connected in series acts in a direction opposite to equalization as a result.
예를 들어, 배터리 모듈(10) 내에 위크(weak) 셀(또는 뱅크)이 존재하는 경우, 무효한 셀 밸런싱이 발생할 수 있다. 이와 관련하여 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.For example, when a weak cell (or bank) exists in the
도 2는 배터리 모듈 내의 위크 셀을 나타낸 예시도이고, 도 3은 위크 셀을 포함하는 배터리 모듈이 종래의 밸런싱 방법에 따라 밸런싱되는 상태를 나타낸 예시도이며, 도 4는 위크 셀을 포함하는 배터리 모듈의 셀 불균형 상태를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is an exemplary view showing a weak cell in a battery module, FIG. 3 is an exemplary view showing a state in which a battery module including a weak cell is balanced according to a conventional balancing method, and FIG. 4 is a battery module including a weak cell It is a graph showing the cell imbalance state of.
도 2에 도시된 바와 같이, 위크 셀은 직렬 연결된 셀(또는 뱅크)들 중 용량이 다른 셀(또는 뱅크)들(100a, 100c, 100d)과 비교하여 유의미하게 작은 셀(100b)(또는 뱅크)이다.As shown in FIG. 2, the weak cell is a
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 낮은 전압 영역에서는 위크 셀(100b)의 전압이 최소 전압이므로, 다른 셀들(100a, 100c, 100d)에 대해 셀 밸런싱을 수행하여, 위크 셀(100b)의 전압을 목표 전압으로 균등화해야 한다.As shown in (a) of FIG. 3, since the voltage of the
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 중간 전압 영역에서는 셀 전압이 균등화되어 있으므로 셀 밸런싱을 수행하지 않는다. As shown in (b) of FIG. 3, since the cell voltage is equalized in the intermediate voltage region, cell balancing is not performed.
도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 높은 전압 영역에서는 셀(100d)의 전압이 최소 전압이므로, 셀들(100a, 100c, 100b)에 대해 셀 밸런싱을 수행해야 한다. As shown in (c) of FIG. 3, since the voltage of the
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 전압이 높은 영역에서 균등화되도록 하는 높은 전압 영역에서의 밸런싱(top balancing)을 목표로 한다면, 도 3의 (a)와 같이 낮은 전압 영역에서 위크 셀(100b)의 전압을 기준으로 수행된 셀 밸런싱은 중간 전압 영역과 높은 전압 영역에서의 셀 불균형을 초래할 수 있다. 따라서, 낮은 전압 영역에서 셀 밸런싱을 수행하는 것은, 높은 전압 영역에서 균등화되도록 하려는 의도와는 반대로 셀 불균형을 초래하는 것이므로 무효한 셀 밸런싱이 된다.As shown in (a) of FIG. 4, if aiming for top balancing in a high voltage region such that the voltage is equalized in a high region, a weak cell ( Cell balancing performed based on the voltage of 100b) may lead to cell imbalance in the medium voltage region and the high voltage region. Therefore, performing cell balancing in a low voltage region results in cell imbalance, contrary to the intention to equalize in a high voltage region, resulting in invalid cell balancing.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 낮은 전압 영역에서는 위크 셀(100b)의 전압이 최소 전압이 되고, 이를 기준으로 셀 밸런싱을 수행하면 위크 셀(100b)과 다른 셀들(100a, 100c, 100d) 사이의 용량 차이에 의해, 높은 전압 영역에서 셀 불균형이 확대되는 결과를 초래한다. 이와 같은 무효한 셀 밸런싱을 방지하기 위한 방법으로 셀 밸런싱을 시작하는 전압을 높일 수 있다. 이 경우, 위크 셀의 유무와 관계없이 셀 밸런싱이 동작하는 전압 범위가 감소하여 충전 중에 셀 밸런싱을 수행할 수 있는 시간이 감소하므로, 셀 밸런싱 효율이 떨어진다.As shown in (b) of FIG. 4, in the low voltage region, the voltage of the
이러한 무효한 셀 밸런싱을 방지하고, 셀 밸런싱 효율을 증가시키며, 균등화 목표 전압 영역에서 밸런싱된(예를 들어, top-balanced) 상태를 제공하기 위해, 본 개시의 배터리 시스템 및 배터리 시스템 제어 방법은 비정상 셀을 진단하고, 가상의 기준 셀 전압(또는 SoC)에 기초하여 셀 밸런싱을 수행한다. In order to prevent such invalid cell balancing, increase cell balancing efficiency, and provide a balanced (eg, top-balanced) state in the equalization target voltage region, the battery system and the battery system control method of the present disclosure are abnormal. Cell is diagnosed and cell balancing is performed based on a virtual reference cell voltage (or SoC).
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 블록도이다. 도시된 바와 같이, 배터리 시스템은 배터리 모듈(10), 밸런싱 유닛(20), 모니터링 유닛(30), 제어 유닛(40), 및 메모리 유닛(50)을 포함한다. 5 is a block diagram showing a battery system according to an embodiment. As shown, the battery system includes a
배터리 모듈(10)은 직렬 및/또는 병렬로 결합된 다수의 단위 배터리 셀(100)을 포함한다. 배터리 모듈(10)은 직렬로 연결되어 있는 다수의 셀 뱅크(110a, 110b, 110c, 내지 100n)를 포함한다. The
밸런싱 유닛은 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각에 병렬로 연결되어 있는 다수의 밸런싱 회로(120)를 포함한다. 밸런싱 회로(120) 각각은 밸런싱 저항(미도시) 및 밸런싱 스위칭 소자(미도시) 등을 포함할 수 있다. 밸런싱 회로(120)는 밸런싱 유닛(20)의 외부에서 전달된 신호에 의해 작동하여, 병렬로 연결되어 있는 셀 또는 뱅크의 전압을 낮춘다.The balancing unit includes a plurality of balancing
모니터링 유닛(30)은 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n)에 연결되어 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 전압을 검출할 수 있다. 한편, 도 5에서는 모니터링 유닛(30)에 연결되는 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각이 서로 병렬 연결되는 복수의 셀을 포함하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니어서, 도 1에서 설명한 바와 같이, 하나의 셀 뱅크는 하나의 셀만을 포함할 수도 있다. The
또한, 모니터링 유닛(30)은 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n)에 흐르는 전류, 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 온도 등을 검출할 수도 있다. In addition, the
제어 유닛(40)은 모니터링 유닛(30)으로부터 검출된 전압, 전류, 및 온도와 같은 파라미터에 대한 정보를 수신하고, 이를 기초로 뱅크 각각의 충전 상태(SoC), 뱅크 각각의 SoH(state of health), 뱅크 각각의 SoP(state of power)와 같은 배터리의 상태 정보를 산출할 수 있다.The
또한, 제어 유닛(40)은 적어도 OCV(open circuit voltage), SoH, 및 SoC를 사용하여 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 현재 용량(remaining capacity)을 산출할 수 있다. 추가적으로, 제어 유닛(40)은 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 온도도 함께 고려하여 셀 뱅크들(110a, 110b, 110c, 내지 100n) 각각의 현재 용량을 예측할 수도 있다.In addition, the
제어 유닛(40)은 모니터링 유닛(30)으로부터 검출된 전압, 전류, 및 온도와 같은 파라미터와 SoC, 용량과 같은 배터리 상태 정보를 사용하여, 비정상 셀을 진단할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 비정상 셀 뱅크(또는 셀)을 판정하고, 비정상 셀 뱅크(또는 셀)의 불균형의 유형도 판정할 수 있다.The
제어 유닛(40)은 비정상 셀의 유무, 비정상 셀의 비정상 유형 등에 따라, 셀 밸런싱 기준 및 목표를 설정할 수 있다. 제어 유닛(40)은 설정된 기준 및 목표에 따라 셀 밸런싱이 수행되도록, 제어 신호를 밸런싱 유닛(20)에 전달할 수 있다.The
이러한 제어 유닛(40)은 배터리 관리 유닛(BMU: battery management unit) 및/또는 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)일 수 있으며, 밸런싱 유닛(20)과 모니터링 유닛(30)은 셀 감시 회로(CSC: cell supervision circuit)일 수 있다. The
메모리 유닛(50)은 모니터링 유닛(30)에서 획득된 전압, 전류, 및 온도와 같은 파라미터에 대한 정보, 제어 유닛(40)에서 산출된 뱅크 각각의 충전 상태(SoC), 뱅크 각각의 SoH(state of health), 뱅크 각각의 SoP(state of power)와 같은 배터리의 상태 정보, 그리고 제어 유닛(40)에서 결정된 뱅크 각각의 진단 정보를 저장할 수 있다. 진단 정보는 파라미터 및 상태 정보 중 적어도 하나에 기초하여 제어 유닛(40)에 의해 판단된 정보일 수 있다. 예를 들어, 휴지 구간에서 전압 값과 같은 파라미터가 획득되면, 제어 유닛(40)은 전압 값에 기초하여 각 뱅크들의 충전 상태(SoC)를 산출하여 비교하고, 충전 상태(SoC)가 다른 뱅크들에 비해 더 낮은 뱅크에 대한 정보를 메모리 유닛(50)에 저장할 수 있다. 이후, 충전이 수행되고, 다시 휴지 구간에서 전압 값이 획득되면, 제어 유닛(40)은 전압 값에 기초하여 각 뱅크들의 충전 상태(SoC)를 산출하여 다시 비교하고, 충전 후의 충전 상태(SoC)가 다른 뱅크들에 비해 더 낮은 뱅크와 메모리 유닛(50)에 저장된, 충전 전의 충전 상태(SoC)가 다른 뱅크들에 비해 더 낮은 뱅크가 일치하는지를 판단하여, 해당 뱅크를 Soc 시프트 뱅크(셀)로 결정할 수 있다.The
상기의 배터리 시스템의 제어 방법에 대해 도 6을 참조하여 설명한다. A method of controlling the battery system will be described with reference to FIG. 6.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리 시스템 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 도시된 바와 같이, 제어 유닛(40)은 비정상 셀(또는 뱅크)을 진단(S10)한다. 비정상 셀의 종류는 SoC 시프트 셀, 위크(weak) 셀, 및 하이-임피던스(high-impedance) 셀 등을 포함한다. 제어 유닛(40)은 모니터링 유닛(30)으로부터 검출된 전압, 전류, 및 온도와 같은 파라미터와 SoC, 용량과 같은 배터리 상태 정보를 사용하여, 비정상 셀 뱅크(또는 셀)을 판정하고, 비정상 셀 뱅크(또는 셀)의 비정상의 유형도 판정할 수 있다.6 is a flowchart illustrating a method of controlling a battery system according to an exemplary embodiment. As shown, the
제어 유닛(40)은 각 셀의 SoC, 용량, 용량 증가에 따른 전압 증가율, 배터리 저항에 대해 통계적 방법 또는 기계학습을 사용하여 비정상 셀을 검출할 수도 있다.The
제어 유닛(40)은 비정상 셀(또는 뱅크)을 진단하는 단계와 관련하여 도 7 내지 도 10을 함께 참조하여 설명한다.The
도 7은 도 6의 비정상 셀 진단 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이고, 도 8은 SoC 시프트 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이며, 도 9는 위크 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이고, 도 10은 하이-임피던스 셀의 셀 전압 변화를 나타낸 그래프들이다.7 is a flow chart specifically showing an example of the abnormal cell diagnosis step of FIG. 6, FIG. 8 is a graph showing a change in cell voltage of an SoC shift cell, and FIG. 9 is a graph showing a change in cell voltage of a weak cell, and FIG. 10 Are graphs showing cell voltage change of a high-impedance cell.
도 7에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(40)은 SoC 시프트 셀을 결정(S100)하고, 위크 셀을 결정(S110)하며, 하이-임피던스 셀(S120)을 결정한다.As shown in FIG. 7, the
먼저 SoC 시프트 셀은, 셀(또는 뱅크)들 간 자가방전(self discharge) 차이, 용량 산포, 용량 변동, 셀 이상 등으로 인해 셀(또는 뱅크)의 용량은 비슷한 값을 갖지만, 다른 셀(또는 뱅크)들에 비해 SoC가 더욱 높거나, 또는 더욱 낮은 셀(또는 뱅크)일 수 있다. First, in the SoC shift cell, the capacity of the cell (or bank) has a similar value due to the difference in self-discharge between cells (or banks), capacity distribution, capacity fluctuation, cell abnormality, etc., but different cells (or banks) ), the SoC may be higher or lower than that of the cells (or banks).
도 8을 참조하면, 도 8의 (a)는 배터리 모듈(10)이 높은 전압 영역에서의 밸런싱되어 있는 때의 전압 값의 그래프를 도시한다. 높은 전압 영역과 낮은 전압 영역 모두에서 배터리 모듈(10)에 포함된 셀(또는 뱅크)의 전압 값이 유사한 값을 갖는다.Referring to FIG. 8, (a) of FIG. 8 shows a graph of voltage values when the
도 8의 (b)와 (c)는 SoC 시프트가 존재하는 셀이 있는 때의 전압 값의 그래프를 각각 도시한다. SoC 시프트가 존재하면, 종래의 셀 밸런싱과 같이 최소 전압 셀을 기준으로 밸런싱 동작을 수행할 수 있으며, 셀 밸런싱이 동작하는 전압의 범위도 낮은 전압에서 높은 전압까지 넓게 설정될 수 있다.8B and 8C show graphs of voltage values when there is a cell in which SoC shift exists. If there is an SoC shift, a balancing operation can be performed based on a minimum voltage cell like a conventional cell balancing, and a range of a voltage at which the cell balancing operates can be set widely from a low voltage to a high voltage.
다음으로 위크 셀은 셀(또는 뱅크)들 간 열화(aging) 차이, 셀 이상 등으로 인해 다른 셀(또는 뱅크)들에 비해 용량이 더욱 낮은 셀(또는 뱅크)일 수 있다.Next, the weak cell may be a cell (or bank) having a lower capacity than other cells (or banks) due to an aging difference between cells (or banks), cell abnormalities, and the like.
도 9를 참조하면, 도 9의 (a)는 위크 셀이 포함된 배터리 모듈이 높은 전압 영역에서 균등화된 밸런싱 상태를 나타낸다. 도 9의 (a)에서는 낮은 전압 영역과 중간 전압 영역에서는 셀 불균형 상태가 나타나지만, 높은 전압 영역에서의 균등화가 밸런싱의 목표인 경우, 높은 전압 영역에서 균등화되어 밸런싱의 목표가 달성되었으므로 추가적인 셀 밸런싱을 수행할 필요가 없다. Referring to FIG. 9, (a) of FIG. 9 shows a balancing state in which a battery module including a weak cell is equalized in a high voltage region. In (a) of FIG. 9, a cell imbalance state appears in the low voltage region and the medium voltage region, but when equalization in the high voltage region is the goal of balancing, it is equalized in the high voltage region to achieve the goal of balancing, so additional cell balancing is performed. There is no need to do it.
도 9의 (b)와 (c)는 각각 낮은 전압 영역에서 낮은 전압 영역에서 균등화된(bottom balanced) 낮은 전압 영역에서의 밸런싱 상태와 중간 전압 영역에서 균등화된(middle balanced) 중간 전압 영역에서의 밸런싱 상태를 나타낸다. 높은 전압 영역에서의 균등화가 밸런싱의 목표인 경우, 추가적인 셀 밸런싱을 수행하여 도 9의 (a)와 같은 상태에 도달해야 한다. 9B and 9C show a balancing state in a low voltage region that is equalized in a low voltage region in a low voltage region (bottom balanced) and a balancing in a middle voltage region that is equalized in a medium voltage region. Indicates the state. When equalization in the high voltage region is the goal of balancing, it is necessary to perform additional cell balancing to reach a state as shown in (a) of FIG. 9.
다음으로 하이-임피던스 셀은 셀(또는 뱅크)들 간의 접속 문제, 열화 차이, 셀 이상 등으로 인해, 다른 셀(또는 뱅크)들에 비해 셀 내부 저항(impedance) 또는 등가 저항이 더욱 높은 셀(또는 뱅크)일 수 있다.Next, the high-impedance cell is a cell with a higher internal impedance or equivalent resistance compared to other cells (or banks) due to connection problems between cells (or banks), deterioration differences, cell abnormalities, etc. Bank).
도 10을 참조하면, 도 10의 (a)는 하이-임피던스 셀이 포함된 배터리 모듈이 높은 전압 영역에서 균등화된 높은 전압 영역에서의 밸런싱 상태를 나타낸다. 도 10의 (a)에서는 낮은 전압 영역과 중간 전압 영역에서는 셀 불균형 상태가 나타나지만, 높은 전압 영역에서의 균등화가 밸런싱의 목표인 경우, 높은 전압 영역에서 균등화되어 밸런싱 목표가 달성되었으므로 추가적인 셀 밸런싱을 수행할 필요가 없다. Referring to FIG. 10, (a) of FIG. 10 shows a balancing state in a high voltage region equalized in a high voltage region in a battery module including a high-impedance cell. In (a) of FIG. 10, a cell imbalance state appears in the low voltage region and the medium voltage region, but when equalization in the high voltage region is the goal of balancing, it is equalized in the high voltage region to achieve the balancing goal, so additional cell balancing is performed. no need.
도 10의 (b)와 (c)는 각각 하이-임피던스 셀의 SoC가 위쪽으로 이동된 경우와, 하이-임피던스 셀의 SoC가 아래쪽으로 이동된 경우를 나타낸다. 높은 전압 영역에서의 균등화가 밸런싱의 목표인 경우, 추가적인 셀 밸런싱을 수행하여 도 10의 (a)와 같은 상태에 도달해야 한다. 10B and 10C illustrate a case where the SoC of the high-impedance cell is moved upward and the SoC of the high-impedance cell is moved downward, respectively. When equalization in the high voltage region is the goal of balancing, it is necessary to perform additional cell balancing to reach a state as shown in FIG. 10A.
다음으로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱의 기준 전압 및 셀 밸런싱의 목표를 설정(S20)한다. 제어 유닛(40)은 비정상 셀의 유무와 비정상 셀의 비정상 유형을 고려하여, 셀 밸런싱의 기준 전압 및 셀 밸런싱의 대상을 설정할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(10) 내에 위크 셀 및 하이-임피던스 셀이 존재하면, 제어 유닛(40)은 위크 셀 및 하이-임피던스 셀이 최소 전압을 갖는 셀이라 하더라도, 위크 셀 및 하이-임피던스 셀을 셀 밸런싱의 기준 셀로 설정하지 않을 수 있다. 이 경우, 제어 유닛(40)은 가상의 기준 셀을 설정하여, 다른 셀들과 가상의 기준 셀 사이의 전압을 비교하여 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.Next, the
다음으로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 수행(S30)한다. 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱의 대상이 되는 셀의 전압이 밸런싱 회로(120)에 의해 낮아지도록 제어 신호를 생성하여 밸런싱 유닛(20)에 공급할 수 있다.Next, the
이러한 배터리 시스템 제어 방법에 대해, 이하의 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.A method for controlling such a battery system will be described in detail with reference to the following drawings.
먼저, 도 11 내지 13을 참조하여, 제어 유닛(40)이 SoC 시프트 셀을 결정하는 방법에 대해 설명한다. First, a method of determining the SoC shift cell by the
도 11은 도 7의 SoC 시프트 셀 결정 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이고, 도 12는 배터리 셀의 구간 별 전압 변화를 나타낸 그래프이며, 도 13은 SoC 시프트 셀의 SoC를 도시한 그래프이다.11 is a flow chart specifically showing an example of the SoC shift cell determination step of FIG. 7, FIG. 12 is a graph showing voltage changes for each section of a battery cell, and FIG. 13 is a graph showing the SoC of the SoC shift cell.
도 11을 참조하면, 제어 유닛(40)은 제1 휴지 구간에서 획득된 전압 값에 기초하여 각 셀들의 SoC를 산출(S101)한다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 도 12의 A구간에서의 각 셀들의 SoC를 산출할 수 있다. Referring to FIG. 11, the
다음으로, 제어 유닛(40)은 충전 또는 방전이 수행되는지 판정(S103)한다.Next, the
충전 또는 방전이 수행된 것으로 판정되면, 제어 유닛(40)은 제2 휴지 구간에서 획득된 전압 값에 기초하여 각 셀들의 SoC를 산출(S105)한다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 도 12의 C구간에서의 각 셀들의 SoC를 산출할 수 있다.If it is determined that charging or discharging has been performed, the
또는 제어 유닛(40)은 각 셀의 SOC를 실시간으로 예측할 수 있는 경우에는, 단계들(S101, S103, S105)을 수행하지 않고도 각 셀(또는 뱅크)에 대해 일정량 이상의 충전 또는 방전으로 분리된 두 개의 SOC 값을 취득할 수도 있다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 BMU 또는 BMS에서 예측하는 각 셀(또는 뱅크)의 SoC를 사용할 수 있다. Alternatively, if the
다음으로, 제어 유닛(40)은 단계(S101)에서 산출된 SoC와 단계(S105)에서 산출된 SoC를 사용하여 각 셀의 SoC 편차를 계산(S107)한다. 예를 들어, 도 13을 참조하면, 뱅크들 각각의 SoC 분포가 도시되어 있다. Next, the
제어 유닛(40)은 예외적인 SoC를 갖는 뱅크(또는 셀)를 SoC 시프트 셀로 결정(S109)한다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 다른 셀들에 비해 소정 값 더 높은 SoC를 갖는 뱅크(또는 셀)를 SoC가 위로 이동된 SoC 시프트 셀로서 결정하고, 다른 셀들에 비해 소정 값 더 낮은 SoC를 갖는 뱅크(또는 셀)를 SoC가 위로 또는 아래로 이동된 SoC 시프트 셀로서 결정할 수 있다. 즉, 평균적인 셀에 비해 SOC가 두드러지게 높은 셀은 위로 이동(shifted high), SOC가 두드러지게 낮은 셀은 아래도 이동(shifted low)이라고 할 수 있다. The
임의의 두 시점에서 측정된 각 셀의 SoC를 사용하여, 어떤 셀의 SoC가 모든 셀의 SoC의 평균값 또는 중간값 등에 비해 소정 값 이상 높으면, 제어 유닛(40)은 해당 셀을 SoC 시프트가 발생한 셀이라고 판정할 수 있다. 예를 들어, 일정량 이상의 충전 또는 방전으로 분리된 두 개의 SoC 데이터(단계(S101)에서 산출된 SoC 및 단계(S105)에서 산출된 SoC)에서, 제어 유닛(40)은 어떤 셀의 SoC가 다른 셀의 SoC보다 소정 값 더 높거나, 또는 소정 값 더 낮으면, 해당 셀을 SoC 시프트가 발생한 셀이라고 판정할 수 있다.Using the SoC of each cell measured at two arbitrary points in time, if the SoC of a certain cell is higher than the average or median value of the SoC of all the cells by a predetermined value or more, the
이외에도 제어 유닛(40)은 각 셀의 SoC를 산출할 수 없는 경우, 휴지 구간에서 취득한 OCV를 활용하여 SoC 시프트 셀을 결정할 수 있다. 예를 들어 제어 유닛(40)은 상기의 단계들(S101 내지 S109)에서 SoC를 OCV 값으로 치환하여 ΔOCV 값이 비정상적인 뱅크(또는 셀)를 SoC 시프트 셀이라고 결정할 수 있다.In addition, when the SoC of each cell cannot be calculated, the
그리고 제어 유닛(40)은 각 셀의 용량을 산출하고, 이를 사용하여 위크 셀을 결정할 수 있다. 제어 유닛(40)은 적어도 OCV, SoH, 및 SoC 등을 사용하여 셀 뱅크들 각각의 현재 용량을 산출할 수 있으며, 다른 셀들에 비해 소정 용량 값 이상 더 작은 셀을 위크 셀로 결정할 수 있다.In addition, the
또는, 제어 유닛(40)은 용량을 사용하지 않고 충방전 특성을 사용하여 위크 셀을 결정할 수 있다. 위크 셀은 용량이 작으므로 평균적인 셀(또는 뱅크)에 비해 용량 증감에 대한 전압 변화율이 크다. 충전하는 경우를 예로 들면 위크 셀은 동일한 충전 용량에 대해 전압 증가량이 더 크다. 제어 유닛(40)은 이와 같은 dV/dQ 특성을 사용하여 위크 셀을 판정할 수 있다.Alternatively, the
일례로, 위크 셀의 경우 일반적으로 다른 셀에 비해 전압의 변화량(ΔV)이 크므로, 제어 유닛(40)은 ΔQ만큼의 용량 변화에 대해 각 셀 전압의 변화량(ΔV)을 산출하여 위크 셀을 판정할 수 있다. For example, in the case of a weak cell, since the voltage change amount (ΔV) is generally larger than that of other cells, the
다른 예로, 위크 셀의 경우 일반적으로 고정된 전압 구간에서 다른 셀에 비해 용량 변화량(ΔQ)이 작으므로, 고정된 전압 구간 [VA, VB](ΔV) 동안, 각 셀 별로 용량 변화량(ΔQ)를 산출하여 위크 셀을 판정할 수 있다. As another example, in the case of a weak cell, since the capacity change amount (ΔQ) is generally smaller than that of other cells in a fixed voltage period, the capacity change amount (ΔQ) for each cell is determined during the fixed voltage period [VA, VB] (ΔV). It is possible to calculate and determine the weak cell.
그리고 제어 유닛(40)은 각 셀의 내부 저항 값을 산출하고, 이를 사용하여 하이-임피던스 셀 및 내부 단락 셀을 결정할 수 있다.In addition, the
제어 유닛(40)은 휴지 기간과 충/방전 기간 각각에서 각 셀의 전압, 전류, 시간 변화를 측정하고, 용량 변화 등을 산출하여 비정상 셀을 진단할 수 있다. 또한, 모니터링 유닛(30)에 의해 측정된 파라미터와 제어 유닛(40)에 의해 산출된 정보는 통계적 방법(outlier detection) 또는 기계학습(machine learning) 알고리즘에 의해 인식(recognition) 또는 분류(classification)되어, 제어 유닛(40)은 다른 셀에 비해 유의미하게 상이한 파라미터를 갖는 비정상 셀을 검출할 수 있다.The
다음으로 도 14 및 15를 참조하여, 셀 밸런싱을 수행하기 위한 기준 전압과 셀 밸런싱의 목표를 설정하는 방법에 대해 설명한다.Next, a method of setting a reference voltage for performing cell balancing and a target for cell balancing will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
도 14는 도 6의 셀 밸런싱 기준 및 목표 설정 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이고, 도 15는 충전 종료 시점에 최소 전압 셀이 비정상 셀인 경우를 도시한 그래프이다.14 is a flowchart illustrating an example of a cell balancing reference and target setting step of FIG. 6 in detail, and FIG. 15 is a graph illustrating a case in which the minimum voltage cell is an abnormal cell at the end of charging.
도시된 바와 같이, 비정상 셀의 진단이 완료되면, 제어 유닛(40)은 배터리 모듈(10)이 균등화 목표 영역에서 균등화되어 있는지 판단(S200)한다. 여기서 제어 유닛(40)이 높은 전압 영역에서의 밸런싱 여부에 대해 판단하는 것으로 설명하나, 제어 유닛(40)은 어플리케이션 또는 사용 목적에 따라 낮은 전압 영역/중간 전압 영역에서의 밸런싱 여부를 결정할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.As shown, when the diagnosis of the abnormal cell is completed, the
배터리 모듈(10)이 높은 전압 영역에서의 균등화 상태로 판단되면, 셀 밸런싱을 수행할 필요가 없으므로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 종료한다. If the
제어 유닛(40)은 배터리 모듈(10) 내에 비정상 셀이 있는지를 판단(S210)한다.The
제어 유닛(40)은 배터리 모듈(10) 내에 비정상 셀이 있는 것으로 판단된 경우, 기준 셀이 있는지 판단(S220)한다. 기준 셀은 셀 밸런싱의 기준이 되는 셀로서, 다른 셀의 전압 또는 SoC가 기준 셀의 전압 또는 SoC와 동일/유사해지도록 밸런싱이 수행될 수 있다.When it is determined that there is an abnormal cell in the
제어 유닛(40)은 배터리 모듈(10) 내에 비정상 셀이 없는 것으로 판단된 경우와, 배터리 모듈(10) 내에 비정상 셀이 있으나, 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 최소 전압을 가지는 셀이 비정상 셀, 즉 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나가 아닌 경우, 최소 전압 셀을 기준 셀로 결정(S230)한다. The
제어 유닛(40)은 기준 셀이 없는 것으로 판단된 경우, 가상의 셀을 기준 셀로 결정(S240)한다. 높은 전압 영역에서의 균등화를 목표로 한다면, 가상의 셀은 다음과 같이 산출될 수 있다. When it is determined that there is no reference cell, the
먼저, 제어 유닛(40)은 충전 종료(cut-off) 시점에 기준 셀을 위한 예비 예비 셀 인덱스(reserved cell index)(r)를 설정한다. 제어 유닛(40)은 셀 인덱스를 설정할 때 단계(S10)에서 획득 비정상 셀의 비정상 유형 정보를 사용한다.First, the
예를 들어, 배터리 모듈(10) 내에 SoC 시프트 셀만 존재하는 경우, 제어 유닛(40)은 충전 종료 시점에 최소 전압을 가지는 셀의 인덱스를 예비 셀 인덱스(r)로 설정한다. 이 경우 이 되고, 여기서, 은 상기 예비 셀(예를 들어, 최소 전압 셀)의 SoC이며, 는 균등화 목표 셀(이 예에서는 최소 전압 셀)의 SoC이고, 은 최소 전압 셀의 SoC이다. 또한, 이 되며, 여기서, 는 가상 기준 셀의 ΔV이다. 정리하면, 이다. For example, when only SoC shift cells exist in the
즉, 배터리 모듈(10) 내에 SoC 시프트 셀만 존재하는 경우, 제어 유닛(40)은 충전 종료 시점에 최소 전압을 가지는 셀의 전압을 기준으로 셀 밸런싱을 수행한다.That is, when only the SoC shift cell exists in the
다른 예로, 도 15와 같이, 배터리 모듈(10) 내에 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나가 존재하는 경우, 가상 기준 셀을 결정하는 방법에 대해 설명한다. As another example, as shown in FIG. 15, when at least one of a weak cell, a high-impedance cell, and an internal short cell exists in the
제어 유닛(40)은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀을 제외한 셀들 중 최소 전압인 셀의 인덱스로 예비 셀 인덱스를 설정할 수 있다. 그리고, 높은 전압 영역에서의 균등화 상태가 될 수 있도록, 가상 기준 셀 전압()은 다음의 수학식 1 내지 3을 사용하여 계산될 수 있다.The
또한, 배터리 모듈(10) 내에 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나가 존재하더라도 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 최소 전압을 가지는 셀이 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나에 해당하지 않는 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 최소 전압 셀이 기준 셀이 된다. 이 경우, 가상 기준 셀 전압()은 하기의 수학식 4 내지 6와 같이 r번째 셀(즉, 균등화 목표 영역에서 최소 전압을 가지는 셀)의 셀 전압으로 설정될 수 있다.In addition, even if at least one of a weak cell, a high-impedance cell, and an internal short-circuit cell is present in the
그러나 도 15와 같이 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 최소 전압을 가지는 셀이 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나인 경우, 최소 전압을 가지는 셀을 기준 셀로 결정하면 무효한 셀 밸런싱이 발생할 수 있으므로, 이를 제외한 셀들 중 최소 전압인 셀의 인덱스로 예비 셀 인덱스(r)를 설정할 수 있다. 이때 는 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 예비 셀과 최소 전압 셀의 SoC 차이를 의미한다. 셀 밸런싱을 위한 가상의 기준 셀의 SOC는 예비 셀(r)의 SOC를 만큼 아래로 시프트시킨 것이며 가상의 기준 셀의 전압()은 예비 셀(r)의 전압을 에 해당하는 전압()만큼 아래로 시프트시킨 것이다. 이러한 가상 기준 셀 전압은 도 15의 (a) 및 (b)에서 점선으로 도시되어 있다.However, as shown in FIG. 15, when the cell having the minimum voltage in the equalization target region (eg, at the end of charging) is at least one of a weak cell, a high-impedance cell, and an internal short-circuit cell, the cell having the minimum voltage is used as the reference cell. If determined, invalid cell balancing may occur. Therefore, the preliminary cell index r may be set as the index of a cell that is the minimum voltage among cells other than this. At this time Denotes the SoC difference between the spare cell and the minimum voltage cell in the equalization target area (eg, at the end of charging). The SOC of the virtual reference cell for cell balancing is the SOC of the spare cell (r). Is shifted down by, and the voltage of the virtual reference cell ( ) Is the voltage of the spare cell (r) The voltage corresponding to ( ) Shifted down. This virtual reference cell voltage is shown by dotted lines in FIGS. 15A and 15B.
상기의 수학식 1에서, 는 충전 종료 시의 예비 셀과 최소 전압 셀의 SoC 차이를 의미한다.In Equation 1 above, Denotes the difference in SoC between the spare cell and the minimum voltage cell at the end of charging.
다음으로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱 대상 셀을 결정(S250)한다. 셀 밸런싱 대상 셀은 셀 밸런싱을 수행해야 하는 셀을 의미한다. 제어 유닛(40)은 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 기준 셀 전압 기준으로 균등화되어 있지 않은 셀을 셀 밸런싱 대상으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 균등화 목표 영역(예를 들어, 충전 종료 시점)에서 어느 셀의 전압이 기준 셀 전압보다 소정 전압 이상의 전압을 가지면, 해당 셀을 밸런싱되어 있지 않은 셀이라고 결정하며, 셀 밸런싱 대상으로 결정할 수 있다.Next, the
다음으로 도 16 내지 도 18을 참조하여, 셀 밸런싱 동작에 대해 구체적으로 설명한다. Next, a cell balancing operation will be described in detail with reference to FIGS. 16 to 18.
도 16은 도 6의 셀 밸런싱 수행 단계의 일례를 구체적으로 나타낸 순서도이고, 도 17은 셀 밸런싱이 수행되는 때의 가상 기준 셀의 전압을 보상하는 경우를 도시한 그래프이며, 도 18은 셀 밸런싱이 수행되는 때 계산된 기준 셀 전압의 일례를 도시한 그래프이다.16 is a flow chart specifically showing an example of a cell balancing step of FIG. 6, FIG. 17 is a graph illustrating a case of compensating the voltage of a virtual reference cell when cell balancing is performed, and FIG. 18 is a It is a graph showing an example of the reference cell voltage calculated when performed.
도 16을 참조하면, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 시작할 수 있는 조건을 만족하는지 결정(S300)한다. 예를 들어, 셀 밸런싱을 시작할 수 있는 전압(또는 SoC)/전류/온도 조건을 만족하고, 균등화 목표 영역에서의 밸런싱 상태가 아니고, 고장 상태가 아닐 때 셀 밸런싱이 시작될 수 있다.Referring to FIG. 16, the
그러면, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱 시작을 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 밸런싱 유닛(20)은 제어 신호에 의해 셀 밸런싱을 수행(S310)한다. 셀 밸런싱은 충전 또는 휴지 기간에서 수행될 수 있다. Then, the
제어 유닛(40)은 가상의 기준 셀 전압을 구할 때 사용되는 예비 셀의 전압이 셀 밸런싱에 의해 감소하면, 이를 고려하여 가상 기준 셀 전압을 보상(S320)한다.When the voltage of the spare cell used to obtain the virtual reference cell voltage decreases due to cell balancing, the
예비 셀도 가상의 기준 셀의 전압(또는 SOC) 차이()에 의해 셀 밸런싱의 대상이 될 수 있다. 그리고 예비 셀에 대해 셀 밸런싱이 수행되면, 가상의 기준 셀 전압을 구하는 식()에서 이 셀 밸런싱이 수행된 만큼() 전압이 감소하므로 이를 보상할 필요가 있다. 따라서 균등화 목표 지점에서 예비 셀과 최소 전압 셀의 SOC 차이에 해당하는 에서 셀 밸런싱에 의한 예비 셀의 SOC 변화량을 차감할 필요가 있다.The spare cell also has a voltage (or SOC) difference ( ) Can be the target of cell balancing. And when the cell balancing is performed for the spare cell, the equation for obtaining the virtual reference cell voltage ( )in As long as this cell balancing was performed ( ) As the voltage decreases, it needs to be compensated. Therefore, at the target point of equalization, the SOC difference between the spare cell and the minimum voltage cell It is necessary to subtract the SOC change amount of the spare cell due to cell balancing.
예비 셀에 대해 셀 밸런싱을 수행하는 경우, 에 대한 보상은 다음의 수학식 7 내지 9로 표현할 수 있다.When performing cell balancing for spare cells, Compensation for can be expressed by the following equations 7 to 9.
여기서 는 밸런싱 전류이고 는 셀 밸런싱이 동작한 시간, 는 셀 밸런싱 듀티비, 은 예비 셀(r)의 용량이다. 상기의 수학식 2에 의해 와 가 일정 시간마다(예를 들어, 1분 간격마다) 갱신될 수 있다.here Is the balancing current Is the time when cell balancing was activated, Is the cell balancing duty ratio, Is the capacity of the spare cell r. By Equation 2 above Wow May be updated every predetermined time (eg, every 1 minute interval).
관련하여, 도 17에 도시된 바와 같이, 예비 셀이 셀 밸런싱의 대상이 되는 경우 보상되지 않은 가상 기준 셀의 전압은 균등화 목표 영역(도 17에서는 충전 종료 시점)에서 최소 전압을 갖는 셀의 전압보다 낮아질 수 있으므로 과도하게 셀 밸런싱되는 오류가 발생할 수 있다. 따라서 예비 셀이 셀 밸런싱의 대상이 되는 경우 가상 기준 셀의 전압을 보상해야 한다.In relation to this, as shown in FIG. 17, when the spare cell is the target of cell balancing, the voltage of the uncompensated virtual reference cell is higher than the voltage of the cell having the minimum voltage in the equalization target area (in FIG. 17 at the end of charging). Since it may be lowered, an error of excessive cell balancing may occur. Therefore, when the spare cell becomes the target of cell balancing, the voltage of the virtual reference cell must be compensated.
가상의 기준 셀 전압()을 구하기 위해서는 에 해당하는 전압()을 에서 차감해야 한다.Hypothetical reference cell voltage ( In order to obtain) The voltage corresponding to ( )of Should be deducted from.
균등화 목표 지점에서 가상의 기준 셀과 예비 셀의 SOC 차이를 의미하는 는 다음과 같이 근사 될 수 있다.It means the difference in SOC between the virtual reference cell and the spare cell at the equalization target point. Can be approximated as
예를 들어 충전 cut-off 시점에서 균등화를 목표로 한다면 휴지 구간에서 가상 기준 셀 전압은 수학식 10 및 11과 같이 근사될 수 있다.For example, if equalization is aimed at the charging cut-off point, the virtual reference cell voltage in the idle period may be approximated as shown in
와 같이 근사될 수 있다. (휴지 구간에서 예비 셀의 전압을 SoC로 변환하고 이 값에서 균등화 목표지점에서 구한 또는 근사한 가상의 기준 셀과 예비 셀의 차이를 뺀 값, 즉 가상의 기준 셀의 SoC를 구하고 이를 다시 OCV로 변환한 값으로 가상의 기준 셀의 전압을 근사 할 수 있다)Can be approximated as (In the idle period, convert the voltage of the spare cell to SoC, and from this value minus the difference between the virtual reference cell and the spare cell, which is obtained or approximated at the equalization target point, that is, the SoC of the virtual reference cell is obtained, and it is converted back to OCV. One value can approximate the voltage of a virtual reference cell)
휴지 구간에서 예비 셀이 셀 밸런싱의 대상이 되는 경우 가상 기준 셀 전압을 보상하기 위한 는 앞에서 설명한 것과 같이 주기적으로 계산되어 보상에 반영할 수 있다. 이를 고려하면 휴지 구간에서의 가상의 기준 셀 전압은 과 같이 근사된다. 전 구간에서는 , 에서 를 전압으로 변환해야 하는데, 휴지 구간과 달리 SoC-OCV 관계를 이용하여 근사할 수 없기 때문에 충전 시 예비 셀의 SOC가 소정 비율만큼 증가할 때의 전압 증가량으로부터 1% ΔSOC 증가에 대한 ΔV를 구하고, 이를 에 곱하여 를 근사할 수 있다. 즉 로 근사한 값을 이용하여 가상 기준 셀의 전압을 근사한다 충전 구간에서의 가상 기준 셀의 전압()은 이전의 SoC의 소정 비율 증가분에 대응하는 전압을 계산하여 현재의 가상 기준 셀의 전압() 계산에 사용하므로, 도 18에서 도시된 바와 같이, 불연속적일 수 있다. To compensate for the virtual reference cell voltage when the spare cell becomes the target of cell balancing in the idle period Is calculated periodically as described above and can be reflected in the compensation. Considering this, the virtual reference cell voltage in the idle period is It is approximated as In all sections , in Is converted to a voltage, but unlike the idle period, since it cannot be approximated using the SoC-OCV relationship, ΔV for 1% ΔSOC increase is obtained from the voltage increase when the SOC of the spare cell increases by a predetermined ratio during charging. This By multiplying Can be approximated. In other words The voltage of the virtual reference cell is approximated by using the approximate value with the voltage of the virtual reference cell in the charging period ( ) Is the voltage of the current virtual reference cell ( ) Since it is used for calculation, as shown in FIG. 18, it may be discontinuous.
다음으로, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 종료할 수 있는 조건을 만족하는지 결정(S330)한다. 예를 들어, 제어 유닛(40)은 셀 밸런싱을 종료할 수 있는 전압(또는 SoC)/전류/온도 조건을 만족하거나, 높은 전압 영역에서의 밸런싱 상태를 만족하거나, 고장 상태가 되었을 때 셀 밸런싱을 종료할 수 있다. Next, the
실시예들에 따르면, 무효한 셀 밸런싱을 방지하고, 균등화 목표 영역에서 밸런싱된(예를 들어, top-balanced) 배터리 시스템을 제공하여, 부하에 전달하는 배터리 용량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.According to embodiments, there is an effect of maximizing battery capacity delivered to a load by preventing invalid cell balancing and providing a battery system balanced (eg, top-balanced) in an equalization target region.
여기에 설명된 본 발명의 실시예들에 따른 전자 또는 전기 장치 및/또는 임의의 다른 관련 장치 또는 구성 요소는 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 통합 회로(ASIC: application-specific integrated circuit)), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어, 및 하드웨어의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 통합 회로(IC) 칩 상에 또는 개별 IC 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름(flexible printed circuit film), 테이프 캐리어 패키지(TCP: tape carrier package), 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 여기서 기재된 전기적 연결 또는 상호 연결은, 예를 들어 PCB 상에서 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상에서, 배선들 또는 전도성 소자들에 의해 구현된다. 전도성 소자들은 예를 들어 표면 금속화(surface metallizations)와 같은 금속화, 및/또는 핀(pin) 및/또는 전도성 중합체 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 또한, 전기 에너지는 무선 접속을 통해, 예를 들어 전자기 방사 및/또는 빛을 사용하여 전송될 수 있다.The electronic or electrical device and/or any other related device or component according to the embodiments of the present invention described herein may be any suitable hardware, firmware (e.g., application-specific integrated circuit (ASIC)). )), software, or a combination of software, firmware, and hardware. For example, the various components of these devices may be formed on one integrated circuit (IC) chip or on individual IC chips. In addition, various components of these devices may be implemented on a flexible printed circuit film, a tape carrier package (TCP), a printed circuit board (PCB), or a single substrate. I can. The electrical connections or interconnections described herein are implemented by means of wires or conductive elements, for example on a PCB or other kind of circuit carrier. Conductive elements may include metallization, such as for example surface metallizations, and/or pins and/or conductive polymers or ceramics. In addition, electrical energy may be transmitted via a wireless connection, for example using electromagnetic radiation and/or light.
또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 여기에 설명된 다양한 기능을 수행하기 위해 하나 이상의 프로세서 상에서 실행되고, 하나 이상의 컴퓨팅 장치 내에서 실행되며, 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하고 다른 시스템 구성 요소와 상호 작용하는 프로세스 또는 스레드일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory)와 같은, 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어 CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다.In addition, the various components of these devices are processes that run on one or more processors to perform the various functions described herein, run within one or more computing devices, execute computer program instructions, and interact with other system components. Or it could be a thread. Computer program instructions are stored in memory that can be implemented in a computing device using standard memory devices, such as random access memory (RAM). Computer program instructions may also be stored on other non-transitory computer readable media such as, for example, a CD-ROM, a flash drive, or the like.
또한, 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 단일 컴퓨팅 장치에 결합되거나 또는 통합될 수 있거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이 본 발명의 예시적인 실시예들의 범위를 벗어나지 않으면서 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치에 걸쳐 분산될 수 있음을 인식해야 한다.In addition, those skilled in the art would appreciate that the functionality of various computing devices may be combined or integrated into a single computing device, or that the functionality of a particular computing device is distributed across one or more other computing devices without departing from the scope of the exemplary embodiments of the present invention. Be aware that it can be.
Claims (20)
상기 복수의 배터리 셀 각각의 파라미터를 모니터링하는 모니터링 유닛, 그리고
상기 파라미터를 사용하여 상기 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하고, 상기 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는 것으로 결정되면, 상기 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 기준 전압을 계산하고 균등화 목표 영역으로의 셀 밸런싱을 수행하도록 제어하는 제어 유닛
을 포함하는 배터리 시스템.A battery module including a plurality of battery cells,
A monitoring unit for monitoring parameters of each of the plurality of battery cells, and
Using the parameter, it is determined whether there are abnormal battery cells in the battery module, and when it is determined that there are abnormal battery cells in the battery module, a reference voltage for balancing the plurality of battery cells is calculated, and a cell to an equalization target area Control unit that controls to perform balancing
Battery system comprising a.
상기 비정상 배터리 셀은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나인,
배터리 시스템.The method of claim 1,
The abnormal battery cell is at least one of a weak cell, a high-impedance cell, and an internal short-circuit cell,
Battery system.
상기 균등화 목표 영역은 톱-밸런싱(top-balancing) 영역, 미드-밸런싱(mid-balancing) 영역, 바텀-밸런싱(bottom-balancing) 영역 중 어느 하나인,
배터리 시스템.The method of claim 1,
The equalization target area is any one of a top-balancing area, a mid-balancing area, and a bottom-balancing area,
Battery system.
상기 제어 유닛은 임의의 두 시점에서 산출된 충전 상태(SoC: state of charge)를 사용하여, 상기 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는,
배터리 시스템.The method of claim 1,
The control unit determines whether there is an SoC shift cell in the battery module using a state of charge (SoC) calculated at any two time points,
Battery system.
상기 제어 유닛은 충전 또는 방전 이전의 휴지 기간에서 측정된 전압(OCV: open circuit voltage)와 상기 충전 또는 상기 방전 이후의 휴지 기간에서 측정된 OCV를 비교하여, 상기 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는,
배터리 시스템.The method of claim 1,
The control unit determines whether there is an SoC shift cell in the battery module by comparing the voltage (OCV) measured in the idle period before charging or discharging with the OCV measured in the idle period after the charging or discharging. doing,
Battery system.
상기 제어 유닛은 상기 파라미터를 사용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 용량을 산출하고, 상기 용량들을 비교하여 상기 배터리 모듈 내에 위크 셀이 있는지 결정하는,
배터리 시스템.The method of claim 1,
The control unit calculates the capacity of each of the plurality of battery cells using the parameter, and determines whether there is a weak cell in the battery module by comparing the capacities,
Battery system.
상기 제어 유닛은 상기 파라미터를 사용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 저항 값을 산출하고, 상기 저항 값들을 비교하여 상기 배터리 모듈 내에 하이-임피던스 셀이 있는지 결정하는,
배터리 시스템.The method of claim 1,
The control unit calculates a resistance value of each of the plurality of battery cells using the parameter, and determines whether there is a high-impedance cell in the battery module by comparing the resistance values,
Battery system.
상기 제어 유닛은 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 비정상 셀 이외의 최소 전압 셀을 예비 셀로 결정하고, 상기 균등화 목표 영역에서의 상기 예비 셀과 상기 비정상 셀 사이의 SoC 차이를 사용하여 상기 기준 전압을 계산하는,
배터리 시스템. The method of claim 1,
The control unit determines a minimum voltage cell other than the abnormal cell among the plurality of battery cells as a spare cell, and calculates the reference voltage using the SoC difference between the spare cell and the abnormal cell in the equalization target region. ,
Battery system.
상기 제어 유닛은 수학식,
,
,
을 사용하여 상기 기준 전압을 계산하고, 은 상기 예비 셀의 SoC이며, 은 균등화 목표 영역에서의 최소 전압 셀의 SoC이고, 은 예비 셀의 전압이며, 는 상기 기준 전압인,
배터리 시스템.The method of claim 8,
The control unit is a formula,
,
,
Calculate the reference voltage using Is the SoC of the spare cell, Is the SoC of the minimum voltage cell in the equalization target region, Is the voltage of the spare cell, Is the reference voltage,
Battery system.
상기 제어 유닛은 상기 셀 밸런싱이 수행된 시간에 따라 상기 기준 전압을 보상하는,
배터리 시스템.The method of claim 9,
The control unit compensates the reference voltage according to the time at which the cell balancing is performed,
Battery system.
상기 제어 유닛은 수학식,
,
,
을 사용하여 상기 기준 전압을 보상하고, 는 밸런싱 전류이고 는 상기 셀 밸런싱이 수행된 시간이며, 는 상기 셀 밸런싱의 듀티비이고, 은 상기 배터리 모듈 내에 포함된 예비 셀의 용량이며, K는 상수인,
배터리 시스템.The method of claim 10,
The control unit is a formula,
,
,
Compensate the reference voltage using Is the balancing current Is the time when the cell balancing was performed, Is the duty ratio of the cell balancing, Is the capacity of the spare cell included in the battery module, and K is a constant,
Battery system.
상기 파라미터를 사용하여 상기 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계,
상기 배터리 모듈 내에 비정상 배터리 셀이 있는 것으로 결정되면, 상기 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 기준 전압을 계산하는 단계, 그리고
상기 기준 전압을 사용하여 균등화 목표 영역으로의 셀 밸런싱을 수행하는 단계
를 포함하는 배터리 시스템 제어 방법.Monitoring parameters of each of the plurality of battery cells included in the battery module,
Determining whether there are abnormal battery cells in the battery module using the parameter,
If it is determined that there are abnormal battery cells in the battery module, calculating a reference voltage for balancing the plurality of battery cells, and
Performing cell balancing to an equalization target region using the reference voltage
Battery system control method comprising a.
상기 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는,
임의의 두 시점에서 산출된 충전 상태(SoC: state of charge)사용하여, 상기 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함하는,
배터리 시스템 제어 방법.The method of claim 12,
The step of determining whether there is an abnormal battery cell,
Using the state of charge (SoC) calculated at any two time points, determining whether there is an SoC shift cell in the battery module,
Battery system control method.
상기 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는,
충전 또는 방전 이전의 휴지 기간에서 측정된 전압(OCV: open circuit voltage)와 상기 충전 또는 상기 방전 이후의 휴지 기간에서 측정된 OCV를 비교하여, 상기 배터리 모듈 내에 SoC 시프트 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함하는,
배터리 시스템 제어 방법.The method of claim 12,
The step of determining whether there is an abnormal battery cell,
Comprising the step of comparing an open circuit voltage (OCV) measured in a dormant period before charging or discharging with an OCV measured in a dormant period after the charging or discharging, and determining whether there is an SoC shift cell in the battery module. doing,
Battery system control method.
상기 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는,
상기 파라미터를 사용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 용량을 산출하는 단계, 그리고
상기 용량들을 비교하여 상기 배터리 모듈 내에 위크 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함하는,
배터리 시스템 제어 방법.The method of claim 12,
The step of determining whether there is an abnormal battery cell,
Calculating the capacity of each of the plurality of battery cells using the parameter, and
Comprising the step of comparing the capacities to determine whether there is a weak cell in the battery module,
Battery system control method.
상기 비정상 배터리 셀이 있는지 결정하는 단계는,
상기 파라미터를 사용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 저항 값을 산출하는 단계, 그리고
상기 저항 값들을 비교하여 상기 배터리 모듈 내에 하이-임피던스 셀이 있는지 결정하는 단계를 포함하는,
배터리 시스템 제어 방법.The method of claim 12,
The step of determining whether there is an abnormal battery cell,
Calculating a resistance value of each of the plurality of battery cells using the parameter, and
Comprising the step of comparing the resistance values to determine whether there is a high-impedance cell in the battery module,
Battery system control method.
상기 기준 전압을 계산하는 단계는,
상기 복수의 배터리 셀 중 상기 비정상 셀 이외의 최소 전압 셀을 예비 셀로 결정하는 단계, 그리고
상기 균등화 목표 영역에서의 상기 예비 셀과 상기 비정상 셀 사이의 SoC 차이를 사용하여 상기 기준 전압을 계산하는 단계를 포함하는,
배터리 시스템 제어 방법.The method of claim 12,
The step of calculating the reference voltage,
Determining a minimum voltage cell other than the abnormal cell among the plurality of battery cells as a spare cell, and
Comprising the step of calculating the reference voltage using the SoC difference between the spare cell and the abnormal cell in the equalization target region,
Battery system control method.
상기 셀 밸런싱이 수행된 시간에 따라 상기 기준 전압을 보상하는 단계를 더 포함하는 배터리 시스템 제어 방법.The method of claim 12,
Compensating the reference voltage according to the time at which the cell balancing has been performed.
상기 비정상 배터리 셀은 위크 셀, 하이-임피던스 셀, 및 내부 단락 셀 중 적어도 하나인,
배터리 시스템 제어 방법.The method of claim 12,
The abnormal battery cell is at least one of a weak cell, a high-impedance cell, and an internal short-circuit cell,
Battery system control method.
상기 균등화 목표 영역은 톱-밸런싱(top-balancing) 영역, 미드-밸런싱(mid-balancing) 영역, 바텀-밸런싱(bottom-balancing) 영역 중 어느 하나인,
배터리 시스템 제어 방법.
The method of claim 12,
The equalization target area is any one of a top-balancing area, a mid-balancing area, and a bottom-balancing area,
Battery system control method.
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