KR20210040704A - 충전 제어 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템 - Google Patents

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이상진
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Abstract

충전 제어 방법은, 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 기초하여 충전 전력을 결정하는 단계, 상기 결정된 충전 전력이 제1 기준 전력 보다 작을 때, 제1 SOC 및 제1 최저 셀 온도를 저장하고, 충전 완료 상태로 전환하는 단계, 상기 충전 완료 상태 이후, 제1 시점의 최저 셀 온도와 상기 제1 최저 셀 온도 간의 제1 온도 차가 기준 온도 이상인지 판단하는 단계, 상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 이상일 때, 상기 제1 시점의 최저 셀 온도와 상기 제1 시점의 최고 셀 전압에 기초한 제1 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상인지 비교하는 단계, 및 상기 제1 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상일 때, 상기 충전 완료 상태를 해제하고, 충전 가능 상태로 전환하여 충전을 진행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

충전 제어 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템{CHARGING CONTROL METHOD AND BATTERY SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 충전 제어 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 배터리의 충전 완료 후에는, 전류 적산량이 소정 비율만큼 소모되어야 충전 가능 상태가 된다. 그런데, 배터리는 온도에 따라 충전 용량이 달라져 저온에서 충전이 완료되더라도, 온도가 상승할 경우 만충 상태가 아닐 수 있다.
충전 완료 후에 온도가 변할 경우 충전 가능 상태로의 전환이 필요하지만, 종래 기술에서는 온도 변화만으로 충전 가능 상태로의 전환이 이뤄지지 않고, 전류 적산량이 소모되어야만 한다. 그러나 배터리가 방전되지 않는 조건에서는 전류 적산량이 소정 비율만큼 소모되지 않으므로, 온도 변화에 의한 충전 가능 상태로의 전환이 불가능하다.
충전 가능 상태로의 전환이 전류 적산 소모량에만 의존하지 않고, 온도 변화에 의해 충전 가능 상태로의 전환이 가능한 충전 제어 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
발명의 한 특징에 따른 충전 제어 방법은, 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 기초하여 충전 전력을 결정하는 단계, 상기 결정된 충전 전력이 제1 기준 전력 보다 작을 때, 제1 SOC 및 제1 최저 셀 온도를 저장하고, 충전 완료 상태로 전환하는 단계, 상기 충전 완료 상태 이후, 제1 시점의 최저 셀 온도와 상기 제1 최저 셀 온도 간의 제1 온도 차가 기준 온도 이상인지 판단하는 단계, 상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 이상일 때, 상기 제1 시점의 최저 셀 온도와 상기 제1 시점의 최고 셀 전압에 기초한 제1 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상인지 비교하는 단계, 및 상기 제1 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상일 때, 상기 충전 완료 상태를 해제하고, 충전 가능 상태로 전환하여 충전을 진행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 충전 제어 방법은, 상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 제1 시점의 SOC와 상기 제1 SOC 간의 제1 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단하는 단계, 및 상기 제1 변화율이 상기 기준 변화율 이상일 때, 상기 제1 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상인지 비교하는 단계를 더 포함한다.
상기 충전 제어 방법은, 상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 제1 시점의 SOC와 상기 제1 SOC 간의 제1 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단하는 단계, 및 상기 제1 변화율이 상기 기준 변화율 보다 작을 때, 상기 충전 완료 상태를 유지하는 단계를 더 포함한다.
상기 충전 제어 방법은, 상기 결정된 충전 전력이 제1 기준 전력 이상일 때, 상기 최고 셀 전압이 충전 한계 전압 이상인지 판단하는 단계, 상기 최고 셀 전압이 상기 충전 한계 전압 이상이면, 정전압 충전을 진행하는 단계, 상기 정전압 충전 중의 제2 시점의 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 기초한 제2 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 보다 높은 제2 기준 전력에 도달하였는지 판단하는 단계, 및 상기 판단 결과 상기 제2 충전 전력이 상기 제2 기준 전력 이상일 때, 제2 SOC 및 제2 최저 셀 온도를 저장하고 충전 완료 상태로 전환하는 단계를 더 포함한다.
상기 충전 제어 방법은, 상기 제2 충전 전력이 상기 제2 기준 전력 이상인 시점 이후에, 제3 시점의 최저 셀 온도와 상기 제2 최저 셀 온도 간의 제2 온도 차가 상기 기준 온도 이상인지 판단하는 단계, 상기 제2 온도 차가 상기 기준 온도 이상일 때, 상기 제3 시점의 최저 셀 온도와 상기 제3 시점의 최고 셀 전압에 기초한 제3 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상인지 판단하는 단계, 및 상기 제3 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 상기 충전 완료 상태를 해제하고, 충전 가능 상태로 전환하여 충전을 진행하는 단계를 더 포함한다.
상기 충전 제어 방법은, 상기 제2 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 제3 시점의 SOC와 상기 제2 SOC 간의 제2 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단하는 단계, 및 상기 제2 변화율이 상기 기준 변화율 이상일 때, 상기 제3 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상인지 비교하는 단계를 더 포함한다.
상기 충전 제어 방법은, 상기 제3 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 제3 시점의 SOC와 상기 제2 SOC 간의 제2 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단하는 단계, 및 상기 제1 변화율이 상기 기준 변화율 보다 작을 때, 상기 충전 완료 상태를 유지하는 단계를 더 포함한다.
발명의 다른 특징에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 및 외부로부터 공급되는 충전 전력을 제어하는 배터리 관리 시스템을 포함한다. 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 복수의 배터리 셀 중 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 기초하여 결정된 충전 전력이 제1 기준 전력 보다 작을 때 충전 완료 상태로 전환한 후, 상기 복수의 배터리 셀 중 최저 셀 온도와 상기 충전 완료 상태로 전환될 때의 최저 셀 온도 간의 제1 온도 차가 기준 온도차 이상일 때, 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 충전 가능 상태로 전환한다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 충전 완료 상태로 전환될 때의 배터리 모듈의 SOC에 대한 현재 SOC의 변화율이 기준 변화율 이상이고, 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 상기 충전 가능 상태로 전환한다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 충전 완료 상태로 전환될 때의 배터리 모듈의 SOC에 대한 현재 SOC의 변화율이 기준 변화율 이상이고, 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 보다 작으면, 상기 충전 완료 상태를 유지한다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 결정된 충전 전력이 제1 기준 전력 이상일 때, 상기 최고 셀 전압이 충전 한계 전압 이상이면, 정전압 충전을 진행하고, 상기 정전압 충전 중의 제2 시점의 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 기초한 제2 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 보다 높은 제2 기준 전력 이상일 때, SOC 및 최저 셀 온도를 저장하고 충전 완료 상태로 전환한다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 제2 충전 전력이 상기 제2 기준 전력 이상인 시점 이후에, 제3 시점의 최저 셀 온도와 상기 저장된 최저 셀 온도 간의 제2 온도 차가 상기 기준 온도 이상일 때, 상기 제3 시점의 최저 셀 온도와 상기 제3 시점의 최고 셀 전압에 기초한 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 상기 충전 완료 상태를 해제하고, 충전 가능 상태로 전환한다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 제2 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 저장된 SOC에 대한 상기 제3 시점의 SOC의 변화율이 기준 변화율 이상일 때, 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 상기 충전 완료 상태를 해제하고, 충전 가능 상태로 전환한다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 제2 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 저장된 SOC에 대한 상기 제3 시점의 SOC의 변화율이 기준 변화율 보다 작으면, 상기 충전 완료 상태를 유지한다.
충전 가능 상태로의 전환이 전류 적산 소모량에만 의존하지 않고, 온도 변화에 의해 충전 가능 상태로의 전환이 가능한 충전 제어 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 제공한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 충전 전력 제어를 나타낸 순서도이다.
도 4는 충전 전력 맵을 나타낸 도면이다.
배터리를 포함하는 전기 차량의 주차 시에, 배터리의 충전이 수행된다. 이 때, 배터리 온도는 외기 온도에 수렴하게 된다. 즉, 운행 동안의 발열된 배터리가 차가운 외기 온도에 따라 식거나, 매우 추운 외부에서 운행되다가 실내에 주차되는 경우 배터리가 발열될 수 있다.
본 발명은 온도 변화에 따라 충전 가능 여부를 판단하고, 충전 완료 후에 충전 가능 상태로 변경될 경우, 배터리를 충전한다. 그러면, 외기 온도 변화에 의해 충전 가능 상태임에도 불구하고 충전이 이뤄지지 않던 종래 기술과 비교해, 본 발명은 배터리를 최적의 만충 상태로 유지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템(1)은 충방전 스위치(10), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(20), 배터리 모듈(30), 및 전류 센서(40)를 포함한다.
도 1에서 배터리 모듈(30)은 n 개의 배터리 셀(C1-Cn)이 직렬 연결되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 배터리 모듈(30)을 구성하는 배터리 셀의 개수는 부하에 전력을 공급하기에 적절한 개수를 설정될 수 있다. 또한, 배터리 모듈(30)은 복수의 배터리 셀이 직렬 연결된 배터리 팩들이 직렬 연결되어 구성되거나, 배터리 팩들이 병렬 연결되어 구성될 수 있다. 즉, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 팩 및 배터리 셀 각각의 개수 및 연결 관계는 필요한 전원을 공급할 수 있도록 적절히 설계될 수 있다.
도 1에서는, 배터리 모듈(30)이 직렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(C1-Cn)을 포함하며, 배터리 시스템(1)의 두 출력단(OUT1, OUT2) 사이에 연결되어 있으며, 배터리 시스템(1)의 양극과 출력단(OUT1) 사이에 충방전 스위치(10) 및 전류 센서(40)가 연결되어 있다. 이와 다르게, 배터리 시스템(1)의 음극과 출력단(OUT2) 사이에 충방전 스위치(10) 및 전류 센서(40) 중 적어도 하나가 연결되어 있을 수 있다. 도 1에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
충방전 스위치(10)는 배터리 시스템(1)과 외부 장치 간의 전기적 연결을 제어한다. 충방전 스위치(10)가 온 되면, 배터리 시스템(1)과 외부 장치가 전기적으로 연결되어 충전 또는 방전이 수행되고, 충방전 스위치(10)가 오프 되면, 배터리 시스템(1)와 외부 장치가 전기적으로 분리된다. 외부 장치는 부하 또는 충전기일 수 있다.
전류 센서(40)는 배터리 모듈(30)과 외부 장치간 전류 경로에 직렬 연결되어 있다. 전류 센서(40)는 배터리 모듈(30)에 흐르는 전류 즉, 충전 전류 및 방전 전류를 측정하고, 측정 결과를 지시하는 전류 감지 신호(IS)를 BMS(20)에 전달할 수 있다.
차량의 운전을 제어하는 장치 예를 들어, ECU(Electronic Control UNIT, 2)는 BMS(20)로부터 전송되는 배터리 상태 신호(BSS)를 수신하고, 차량의 운전 상태에 대한 정보를 BMS(20)에 전송할 수 있다. 이 때, ECU(2)와 BMS(20)는 CAN 통신을 통해 필요한 정보를 송수신할 수 있다. 차량의 운전 상태는, 운행(driving), 주차(parking), 키-온(key-on) 등일 수 있다. ECU(2)는 차량 운전 상태에 기초하여 충전을 지시하는 신호(이하, 충전 제어 신호) 또는 방전을 지시하는 신호(이하, 방전 제어 신호)를 생성하고, 차량 운전 상태, 충전 제어 신호, 및 방전 제어 신호를 BMS(20)에 전송할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, BMS(20)는 셀 모니터링 IC(21) 및 메인 제어 회로(22)를 포함한다.
셀 모니터링 IC(21)는 복수의 배터리 셀(C1-Cn)에 전기적으로 연결되어 복수의 배터리 셀(C1-Cn) 각각에 대한 배터리 셀 정보를 감지하고, 감지된 배터리 셀 정보를 메인 제어 회로(22)에 전달할 수 있다. 배터리 셀 정보는 배터리 셀의 전압, 온도 등을 포함할 수 있다. 셀 모니터링 IC(20)는 배터리 모듈(30)의 전압(이하, 배터리 전압)을 측정하고, 측정된 배터리 전압을 메인 제어 회로(22)에 전달할 수 있다.
메인 제어 회로(22)는 복수의 배터리 셀 각각의 배터리 셀 정보, 배터리 전압, 전류 감지 신호(IS), 차량 운전 상태에 대한 정보, 충전 제어 신호, 및 방전 제어 신호를 수신하고, 수신된 신호 및 정보에 기초하여 배터리 모듈(30)을 관리하고 충방전 스위치(10)의 스위칭을 제어하며, 배터리 상태 신호(BSS)를 생성하여 ECU(2)에 전송할 수 있다.
배터리 모듈(30)의 관리는 배터리 모듈(30)에 대한 과전압 및 과전류 보호 동작, 복수의 배터리 셀(C1-Cn)에 대한 셀 밸런싱 동작, 배터리 모듈(30)의 충전 및 방전 등을 포함한다.
메인 제어 회로(22)는 복수의 배터리 셀 각각의 배터리 셀 정보, 충전 상태(State of Charge, SOC), 건강 상태 등에 대한 정보를 생성하여, 생성된 정보들을 배터리 상태 신호로 구성하여 ECU(2)에 CAN 통신을 통해 전송할 수 있다. 메인 제어 회로(22)는 전류 감지 신호(IS)에 기초하여 충방전 전류를 적산하여 SOC를 추정하고, 각 셀의 OCV(Open Circuit Voltage)에 기초한 SOC를 추정하며, 이렇게 추정된 SOC 각각에 대한 가중치를 적용하여 SOC를 추정할 수 있다. 이 뿐만 아니라, 실시예에 적용될 수 있는 SOC를 추정하는 방법은 다양하고, 종래 공지된 기술 중 하나를 사용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
메인 제어 회로(22)는 배터리 모듈(20)에 흐르는 전류(이하, 배터리 전류) 및 배터리 전압, 충방전 스위치(10)의 온/오프 상태, 충전 제어 신호(CHS), 방전 제어 신호(DCHS), 및 차량 운전 상태에 대한 정보에 기초하여, 충방전 스위치(10)의 스위칭을 제어할 수 있다. 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)의 스위칭 제어를 위해 게이트 전압을 생성할 수 있다.
충방전 스위치(10)는 트랜지스터(11) 및 트랜지스터(12)를 포함한다. 도 2에서는 충방전 스위치(10)가 두 개의 n 채널 타입의 MOSFET 소자(11, 12)로 구현되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 충방전 스위치(10)는 병렬 연결된 복수의 MOSFET 소자로 구현될 수 있고, 채널 타입은 n 채널 타입 또는 p 채널 타입일 수 있다. 충방전 스위치(10)를 구현한 트랜지스터가 복수 개일 경우에도, 모든 트랜지스터의 게이트는 동일한 게이트 전압(VG)에 의해 제어된다. n 채널 타입인 경우, 게이트 전압(VG)은 트랜지스터(11, 12)를 턴 온 시킬 수 있는 충분히 높은 레벨 또는 트랜지스터(11, 12)를 턴 오프 시킬 수 있는 충분히 낮은 레벨일 수 있다. p 채널 타입인 경우, 게이트 전압(VG)은 트랜지스터(11, 12)를 턴 온 시킬 수 있는 충분히 낮은 레벨 도는 트랜지스터(11, 12)를 턴 오프 시킬 수 있는 충분히 높은 레벨일 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 메인 제어 회로(22)의 온도 변화에 따른 충전 제어를 설명한다. 메인 제어 회로(22)는 배터리 모듈(30)의 충전에 있어서, 외기 온도 변화에 따라 충전 전력을 조절할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 충전 전력 제어를 나타낸 순서도이다.
ECU(2)로부터 수시된 차량 상태 정보가 주차 상태를 지시하면, BMS(20)는 충전을 시작할 수 있다. 또는, BMS(20)는 ECU(2)로부터 충전 제어 신호(CHS)를 수신하면, 충전을 시작할 수 있다. 차량이 주차한 경우 충전이 시작되며, 충전이 시작되는 구체적인 방법은 다양할 수 있다.
충전이 진행되는 동안, 외부 장치는 충전기이고, BMS(20)에 의해 외부 장치의 충전 전력이 제어되는 것으로 설명한다. 예를 들어, BMS(20)에 의해 결정된 충전 전력에 기초한 제어 신호가 생성되고, 제어 신호에 따라 외부 장치가 충전 전력을 공급할 수 있다. 또는 BMS(20)가 결정한 충전 전력이 ECU(2)에 전송되고, ECU(2)가 수신한 충전 전력에 기초하여 외부 장치의 충전 전력 공급을 제어할 수 있다.
BMS(20)는 충전 전력 맵에 기초하여 충전 전력을 결정한다(S1). 도 3에 도시된 순서도에서의 각 단계는 BMS(20) 또는 메인 제어 회로(22)에서 수행될 수 있다.
도 4는 충전 전력 맵을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 셀(C1-Cn)의 온도들 중 최저 셀 온도 및 복수의 배터리 셀(C1-Cn)의 셀 전압들 중 최고 셀 전압에 따라 충전 전력이 대응될 수 있다. 즉, BMS(20)는 최전 셀 온도 및 최고 셀 전압에 따라 배터리 모듈(30)을 충전하는 충전 전력을 결정한다. 구체적으로, 메인 제어 회로(22)는 셀 모니터링 IC(21)로부터 수신되는 배터리 셀 정보에서 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압을 결정하고, 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 따라 충전 전력을 결정할 수 있다. 이를 위해, BMS(20)에 도 4에 도시된 테이블이 저장되어 있을 수 있다.
메인 제어 회로(22)는 S1 단계에서 결정된 충전 전력이 소정의 제1 기준 전력(WR1) 이상인지 판단한다(S2). 제1 기준 전력(WR1)은 600와트(Watt, W)로 설정될 수 있다. 제1 기준 전력(WR1)은 충전 전력 맵을 기초로 설정되는 임의의 기준 값으로 설계에 따라 변경될 수 있다.
메인 제어 회로(22)는 S2 판단 결과 충전 전력이 제1 기준 전력(WR1) 이상이 아니면, 판단 시점의 SOC 및 온도를 저장하고, 충전 상태 플래그를 0으로 저장한다(S3). 일 실시예에 따른 충전 상태 플래그는 최고 셀 전압이 충전 한계 전압까지 도달한 조건에서 정전압(Constant Voltage) 충전이 완료되었는지를 나타낸다.
일 실시예에 따른 BMS(20)는 SOC가 낮은 영역에서는 정전류 또는 일정한 충전 전력(Constant Current or Charge Power)로 충전을 제어한다. 충전 중 최고 셀 전압이 충전 한계 전압에 도달하면, 충전 전류가 감소하면서 정전압 충전을 진행한다.
즉, 정전압 충전이 진행된다는 의미는 최고 셀 전압이 충전 한계 전압까지 도달했다는 것을 의미한다. 이 조건에서 정전압 충전으로 충전이 완료되면, 최고 셀 전압이 충전 한계 전압까지 도달하였기 때문에, 더 이상 충전이 불가능한 상태가 된 것을 의미한다. 이와 같이, 충전 가능 여부를 나타내기 위해서, 메인 제어 회로(22)가 충전 상태 플래그를 정전압 충전 진행 여부에 따라 설정한다.
충전 상태 플래그가 0일 경우, 정전압 충전이 진행되지 않은 것을 나타내고, 충전 상태 플래그가 1일 경우, 정전압 충전이 진행된 것을 나타낸다. 충전 상태 플래그가 1인 경우, 이미 충전 한계 전압까지 충전이 완료되었기에 최저 셀 온도가 변하더라도 충전이 가능한 상태로 전환되지 않는다. 참고로, 최저 셀 온도는 외기 온도의 변화, 배터리 자체 내의 발열에 의한 변화 등에 의해 변동될 수 있다. 다만, 충전 상태 플래그가 1이 된 후에도, 방전에 의해 배터리 충전 용량이 감소하면 충전이 가능한 상태로 전환되어, 충전이 진행될 수 있다.
저온에서는 최고 셀 전압이 충전 한계 전압에 도달하지 않았음에도 불구하고, 충전 전력이 부족하여 충전 한계 전압까지 충전이 진행되지 않고, 충전이 완료된다. 일 실시예에 따른 메인 제어 회로(22)는, 충전 전력의 부족으로 충전이 완료된 후에도 정전압 충전이 진행되지 않았으므로, 배터리 발열이나 외기 온도의 변화에 의해 충전이 가능한 상태로 전환되면 다시 최고 셀 전압이 충전 한계 전압에 도달할 수 있도록 정전압 충전을 진행할 수 있다.
단계 S3에 이어서, 충전 완료 상태로 전환된다(S4)
충전 완료 상태 이후 외기 온도 변화 또는 배터리 모듈(30)의 방전에 의한 발열 등의 이유로 최저 셀 온도 변화가 발생하는지 판단한다(S5). 예를 들어, 현재 온도(T2)가 단계 S3에서 저장된 온도(T1) 간의 온도 차(예를 들어, 온도 차의 절대값)가 기준 온도(TR)보다 큰지 판단한다.
단계 S5 판단 결과, 두 온도차가 기준 온도(TR)보다 크면 충전 완료 플래그가 1인지 판단한다(S6).
충전 상태 플래그는, 정전압 충전 전력으로 충전을 진행하여 충전 전력이 소정의 제2 기준 전력 보다 작아지면, 정전압 충전 전력으로 충전이 완료되었다고 판단하고, 이 때 이를 지시하는 정보로 충전 상태 플래그를 사용한다. 완료되었다면 충전 상태 플래그는 1이고, 그렇지 않다면 0이다.
단계 S6 판단 결과 충전 상태 플래그가 1이 아니면 충전 전력이 제1 기준 전력(WR1) 이상인지 판단한다(S7).
단계 S7 판단 결과 충전 전력이 제1 기준 전력(WR1) 이상이면 충전 완료 상태를 해제한다(S8). 그러면, 충전 가능 상태로 전환되어 다시 단계 S1부터 시작한다.
단계 S6 판단 결과 충전 상태 플래그가 1이거나, 단계 S5 판단 결과 두 온도차가 기준 온도(TR) 이하이면, 현재 SOC(SOC2)가 S3 단계에서 저장된 SOC(SOC1)에서 기준 비율(RR, 0<RR<1) 이상으로 감소하였는지 판단한다(S9).
단계 S9 판단 결과 현재 SOC(SOC2)가 기준 비율(RR) 이상으로 감소하였다면 S7 단계로 이동한다.
단계 S9 판단 결과 현재 SOC(SOC2)가 기준 비율(RR) 이상으로 감소하지 않았거나, 단계 S7 판단 결과 충전 전력이 제1 기준 전력(WR1) 보다 작으면, S4 단계로 이동한다. 즉, 방전에 의해 SOC 변화율이 기준 비율(RR) 보다 작거나, 현재 충전 전력이 제1 기준 전력(WR1)보다 작으면, 메인 제어 회로(22)는 다시 충전이 가능한 상태로 판단하지 않고, 충전 완료 상태를 유지한다.
단계 S2 판단 결과 이상이면, 최고 셀 전압(VCM)이 충전 한계 전압(VTH) 이상인지 판단한다(S10).
단계 S10 판단 결과, 최고 셀 전압(VCM)이 충전 한계 전압(VTH) 이상이면, 정전압으로 충전을 진행한다(S11).
정전압 충전 진행 중, 충전 전력이 변경될 때마다 또는 소정의 모니터링 주기마다 충전 전력이 제2 기준 전력(WR2) 이상인지 판단할 수 있다(S12). 제2 기준 전력(WR2)은 1200W로 설정될 수 있다.
단계 S12의 판단 결과, 충전 전력이 제2 기준 전력(WR2) 이상인 경우 단계 S11에 따라 정전압 충전이 계속 진행된다.
단계 S12 판결 결과, 충전 전력이 제2 기준 전력(WR2) 보다 작은 경우, 해당 시점의 SOC 및 온도를 저장하고 충전 상태 플래그를 1로 저장한다(S13).
단계 S13에 이어서 충전 완료 상태인 S4 단계로 이동한다.
단계 S10 판단 결과, 최소 셀 전압(VCM)이 충전 한계 전압(VTH) 보다 작으면 단계 S1에 따라 충전 전력이 결정되거나, 조건 변화가 없다면 결정된 충전 전력으로 충전이 수행된다.
예를 들어, 도 4의 충전 전력 맵을 참조하여 외기 온도 변화에 따른 충전 방법을 설명한다. 이하, 제1 기준 전력은 600W이고, 제2 기준 전력은 1200W이며, 기준 온도는 3도(℃)인 것으로 설명한다.
먼저, -30도(℃)에서 충전이 시작되는 것으로 설명한다. 그러면 충전 전력 맵에서 충전 전력 619W로 충전을 시작하고, 충전이 진행됨에 따라 최고 셀 전압이 증가한다(경로 1). 최소 셀 전압의 변화에 따라 충전 전력이 변하고, -30도(℃)에서 최고 셀 전압이 4.047V(Volt)에 도달하면, 충전 전력이 388W가 되어 임계 전력 600W보다 작아진다.
단계 S2 판단 결과 600W 보다 작아지면, 해당 시점의 SOC 및 최저 셀 온도를 저장하고, 충전 상태 플래그를 0으로 저장하며, 충전 완료 상태(S4)가 된다.
이후, 외기 온도 변화 또는 배터리 모듈(30)의 발열 등의 이유로 최저 셀 온도가 상승하여(2번 경로), 단계 S5 판단 결과 최저 셀 온도 -20도(℃)와 저장된 최저 셀 온도 -30도(℃) 간의 차가 기준 온도 3도(℃) 보다 크게 된다. 그러면, 단계 S6에 따라, 충전 상태 플래그가 1인지 판단한다. 충전 상태 플래그는 0이므로 메인 제어 회로(22)는 단계 S7에 따라 충전 전력 맵에서 현재 조건에 따른 충전 전력이 제1 기준 전력 600W이상인지 판단한다. 외기 온도 상승에 의해 최저 셀 온도가 -20도(℃)가 되고, 주차 중에는 최고 셀 전압의 변화가 거의 없다고 가정할 때, 충전 전력이 777W가 되므로, 현재 조건에서의 충전 전력은 제1 기준 전력 600W이상이 된다. 그러면 충전 완료 상태가 해제(S8)되고, 다신 충전 가능 상태로 전환되어, 단계 S1부터 시작한다.
현재 조건에 따라 충전 전력 777W로 충전이 수행되고, 충전 전력이 제1 기준 전력 600W이상이므로, S2 단계에서 S10 단계로 이동하여, 최고 셀 전압이 충전 한계 전압 4.217V 이상인지 판단한다(S10). 3번 경로를 따라 충전에 의해 최고 셀 전압이 상승한다.
단계 S10 판단 결과 최고 셀 전압이 4.217V에 도달하면, 정전압 충전이 진행된다(S11). 충전 한계 전압까지 충전된 이후에, 메인 제어 회로(22)는 온도 변화에 대한 고려 없이, 전류 적산량 변화에 따라 충전 가능 상태로의 전환 여부를 제어하다.
예를 들어, 최저 셀 온도 -20도(℃) 및 최고 셀 전압이 4.217V일 때, 충전 전력은 기준 전력인 1200W 보다 작으므로, 해당 SOC 및 최저 셀 온도를 저장하고 충전 상태 플래그를 1로 저장한다(S13). 그리고 충전 완료 상태로 전환된다(S4).
4번 경로와 같이 외기 온도의 변화에 의해 최저 셀 온도가 -15도(℃)로 변경되어, 저장된 최저 셀 온도 -20(℃)와 현재 최저 셀 온도 -15(℃)가 기준 온도 3도(℃) 보다 커질 경우(S5 판단 결과 "예"인 경우), 플래그가 1이므로(S6 판단 결과 "예"인 경우), SOC 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단한다(S9). 온도 변화가 기준 온도 이하일 경우(S5 판단 결과 "아니오"인 경우)에도 SOC 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단한다(S9).
최고 셀 전압이 충전 한계 전압에 도달한 후에는, 4번 경로와 같이 조건이 변경되거나 최저 셀 온도 변화가 없는 경우 모두에서, SOC 변화율이 기준 변화율(RR) 이상이 아니라면, 충전 완료 상태(S4)가 유지된다. 즉, 단계 S5의 판단 결과, 최저 셀 온도와 저장된 최저 셀 온도 간의 차가 기준 온도 보다 크지 않을 경우에도, 메인 제어 회로(22)는 SOC 변화율이 기준 변화율(RR) 이상인지 판단할 수 있다. 이와 같이, 메인 제어 회로(22)는 충전 완료 상태(S4) 이후에는 최저 셀 온도 변화에 관계없이 SOC 변화율이 기준 변화율 이상인지 모니터링할 수 있다. 주차 상태에서는 전류 적산량의 변화가 실질적으로 없으므로, SOC 변화율은 기준 변화율 이하이므로, 충전 완료 상태(S4)가 유지될 수 있다.
다만, 5번 경로와 같이, 배터리 모듈(30)이 방전되고, 배터리 모듈(30)의 발열에 의해 최저 셀 온도가 변하고, 최고 셀 전압이 감소할 수 있다.
이 경우, SOC 변화율이 기준 변화율(RR) 이상이 되면(S9 판단 결과 "예"), 단계 S7에 따라 충전 전력이 임계 전력 600W 이상인지 판단한다. 맵에 기초할 때 충전 전력이 3170W로 제1 기준 전력 600W 이상이므로, 충전 완료 상태가 해제(S8)되고, 충전 가능 상태로 전환되어 다시 단계 S1부터 시작한다.
충전 전력이 제1 기준 전력 600W 이상이므로, 최고 셀 전압이 충전 한계 전압에 도달하였는지를 판단(S10)하면서, 충전을 진행한다. 6번 경로와 같이 충전에 의해 최고 셀 전압이 4.217V에 도달하면, 단계 S11에 따라 정전압 충전이 진행되고, 단계 S12에 따라 충전 전력이 제2 기준 전력 1200W 이상인지 판단한다. 단계 S12 판단결과, 충전 전력 1943W이 제2 기준 전력 1200W 이상이면, 해당 시점의 SOC 및 최저 셀 온도를 저장하고, 충전 상태 플래그는 1로 저장한다(S13). 이어서 충전 완료 상태(S4)로 전환된다.
지금까지 설명한 동작은 일 예로서, 다양한 조건에 따라 메인 제어 회로(22)는 충전 가능 상태와 충전 완료 상태 간의 전환을 통해 충전 전력을 제어할 수 있다.
종래에는 도 4에서 2번 경로와 같이 최저 셀 온도가 변하여도, 충전 완료 상태가 충전 가능 상태로 전환되어 충전이 진행되지 않는다. 종래에는, 7번 경로와 같이 방전에 의해 최고 셀 전압이 감소할 경우에만 충전 완료 상태가 충전 가능 상태로 전환되어 충전이 진행된다. 이와 같이, 종래에 비해 본 발명은 온도 변화에 따라 변화된 충전 용량까지 배터리 모듈을 만충전할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
1: 배터리 시스템
2: ECU(Electronic Control UNIT)
10: 충방전 스위치
20: 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)
30: 배터리 모듈
40: 전류 센서

Claims (14)

  1. 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 기초하여 충전 전력을 결정하는 단계;
    상기 결정된 충전 전력이 제1 기준 전력 보다 작을 때, 제1 SOC 및 제1 최저 셀 온도를 저장하고, 충전 완료 상태로 전환하는 단계;
    상기 충전 완료 상태 이후, 제1 시점의 최저 셀 온도와 상기 제1 최저 셀 온도 간의 제1 온도 차가 기준 온도 이상인지 판단하는 단계;
    상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 이상일 때, 상기 제1 시점의 최저 셀 온도와 상기 제1 시점의 최고 셀 전압에 기초한 제1 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상인지 비교하는 단계; 및
    상기 제1 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상일 때, 상기 충전 완료 상태를 해제하고, 충전 가능 상태로 전환하여 충전을 진행하는 단계를 포함하는,
    충전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 제1 시점의 SOC와 상기 제1 SOC 간의 제1 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 제1 변화율이 상기 기준 변화율 이상일 때, 상기 제1 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상인지 비교하는 단계를 더 포함하는,
    충전 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 제1 시점의 SOC와 상기 제1 SOC 간의 제1 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 제1 변화율이 상기 기준 변화율 보다 작을 때, 상기 충전 완료 상태를 유지하는 단계를 더 포함하는,
    충전 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결정된 충전 전력이 제1 기준 전력 이상일 때, 상기 최고 셀 전압이 충전 한계 전압 이상인지 판단하는 단계;
    상기 최고 셀 전압이 상기 충전 한계 전압 이상이면, 정전압 충전을 진행하는 단계;
    상기 정전압 충전 중의 제2 시점의 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 기초한 제2 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 보다 높은 제2 기준 전력에 도달하였는지 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과 상기 제2 충전 전력이 상기 제2 기준 전력 이상일 때, 제2 SOC 및 제2 최저 셀 온도를 저장하고 충전 완료 상태로 전환하는 단계를 더 포함하는,
    충전 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 충전 전력이 상기 제2 기준 전력 이상인 시점 이후에,
    제3 시점의 최저 셀 온도와 상기 제2 최저 셀 온도 간의 제2 온도 차가 상기 기준 온도 이상인지 판단하는 단계;
    상기 제2 온도 차가 상기 기준 온도 이상일 때, 상기 제3 시점의 최저 셀 온도와 상기 제3 시점의 최고 셀 전압에 기초한 제3 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 제3 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 상기 충전 완료 상태를 해제하고, 충전 가능 상태로 전환하여 충전을 진행하는 단계를 더 포함하는,
    충전 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 제3 시점의 SOC와 상기 제2 SOC 간의 제2 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 제2 변화율이 상기 기준 변화율 이상일 때, 상기 제3 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상인지 비교하는 단계를 더 포함하는,
    충전 제어 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제3 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 제3 시점의 SOC와 상기 제2 SOC 간의 제2 변화율이 기준 변화율 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 제1 변화율이 상기 기준 변화율 보다 작을 때, 상기 충전 완료 상태를 유지하는 단계를 더 포함하는,
    충전 제어 방법.
  8. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 및
    외부로부터 공급되는 충전 전력을 제어하는 배터리 관리 시스템을 포함하고,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 복수의 배터리 셀 중 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 기초하여 결정된 충전 전력이 제1 기준 전력 보다 작을 때 충전 완료 상태로 전환한 후, 상기 복수의 배터리 셀 중 최저 셀 온도와 상기 충전 완료 상태로 전환될 때의 최저 셀 온도 간의 제1 온도 차가 기준 온도차 이상일 때, 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 충전 가능 상태로 전환하는, 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 충전 완료 상태로 전환될 때의 배터리 모듈의 SOC에 대한 현재 SOC의 변화율이 기준 변화율 이상이고, 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 상기 충전 가능 상태로 전환하는, 배터리 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 제1 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 충전 완료 상태로 전환될 때의 배터리 모듈의 SOC에 대한 현재 SOC의 변화율이 기준 변화율 이상이고, 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 보다 작으면, 상기 충전 완료 상태를 유지하는, 배터리 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 결정된 충전 전력이 제1 기준 전력 이상일 때, 상기 최고 셀 전압이 충전 한계 전압 이상이면, 정전압 충전을 진행하고,
    상기 정전압 충전 중의 제2 시점의 최저 셀 온도 및 최고 셀 전압에 기초한 제2 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 보다 높은 제2 기준 전력 이상일 때, SOC 및 최저 셀 온도를 저장하고 충전 완료 상태로 전환하는, 배터리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 제2 충전 전력이 상기 제2 기준 전력 이상인 시점 이후에,
    제3 시점의 최저 셀 온도와 상기 저장된 최저 셀 온도 간의 제2 온도 차가 상기 기준 온도 이상일 때, 상기 제3 시점의 최저 셀 온도와 상기 제3 시점의 최고 셀 전압에 기초한 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 상기 충전 완료 상태를 해제하고, 충전 가능 상태로 전환하는, 배터리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 제2 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 저장된 SOC에 대한 상기 제3 시점의 SOC의 변화율이 기준 변화율 이상일 때, 충전 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이면, 상기 충전 완료 상태를 해제하고, 충전 가능 상태로 전환하는, 배터리 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 제2 온도 차가 상기 기준 온도 미만일 때, 상기 저장된 SOC에 대한 상기 제3 시점의 SOC의 변화율이 기준 변화율 보다 작으면, 상기 충전 완료 상태를 유지하는, 배터리 시스템.
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WO2023239017A1 (ko) * 2022-06-08 2023-12-14 박인석 주차장 내 전기차 충전 시스템
WO2024041445A1 (zh) * 2022-08-26 2024-02-29 欣旺达动力科技股份有限公司 电池功率限制保护方法、系统及存储介质

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