KR20210054930A - 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법 - Google Patents

배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부 충방전원과 연결되어 배터리의 충전과 방전을 관리하는 배터리 관리 시스템에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리셀들이 직렬로 연결되되, 부하전류를 검출하는 전류센서와 각각의 배터리셀의 단자전압을 검출하는 전압센서를 포함하는 배터리팩; 배터리 내부단락검출 알고리즘이 임베딩되어 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 배터리 관리 제어부; 상기 배터리팩과 외부 충방전원사이에 설치된 충방전 양방향 스위치;를 포함하되, 상기 배터리 관리 제어부는 상기 전류센서가 검출한 부하전류와 상기 전압센서가 검출한 각 배터리셀 단자전압에 대한 데이터를 입력받되, 각각의 배터리셀에 대한 배터리셀 추정유기전압, 배터리셀 추정 내부유효저항 및 배터리셀 추정 SOC값을 연산하는 알고리즘이 내재된 추정 연산부; 상기 추정 연산부가 연산한 데이터를 저장하는 데이터 저장부; 및 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터를 기반으로 하여 특정 배터리셀의 내부단락 여부를 판별하는 판단연산부;로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법에 관한 것이다.

Description

배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법{Battery Management System with Battery Short Circuit Detection Algorithm And Battery Management System Fire Prevention Methods Using Same}
본 발명은 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템(BMS)과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부 충방전원과 연결되어 배터리의 충전과 방전을 관리하는 배터리 관리 시스템에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리셀들이 직렬로 연결되되, 부하전류를 검출하는 전류센서와 각각의 배터리셀의 단자전압을 검출하는 전압센서를 포함하는 배터리팩; 배터리 내부단락검출 알고리즘이 임베딩되어 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 배터리 관리 제어부; 상기 배터리팩과 외부 충방전원사이에 설치된 충방전 양방향 스위치;를 포함하되, 상기 배터리 관리 제어부는 상기 전류센서가 검출한 부하전류와 상기 전압센서가 검출한 각 배터리셀 단자전압에 대한 데이터를 입력받되, 각각의 배터리셀에 대한 배터리셀 추정유기전압, 배터리셀 추정 내부유효저항 및 배터리셀 추정 SOC값을 연산하는 알고리즘이 내재된 추정 연산부; 상기 추정 연산부가 연산한 데이터를 저장하는 데이터 저장부; 및 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터를 기반으로 하여 특정 배터리셀의 내부단락 여부를 판별하는 판단연산부;로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법에 관한 것이다.
일반적인 배터리의 경우 제작과정 중 내부 결함이 발생하거나 배터리 사용시 발생되는 과방전, 과충전, 과열 또는 기계적 충격 등으로 인해 내부 단락이 발생할 수 있다.
내부 단락이 발생하면 배터리는 자가 방전으로 인한 성능 저하를 일으키게 되고 내부 단락이 심해질수록 배터리 내부에서 발생되는 열에 의해 폭발과 화재를 동반하는 열폭주와 같은 위험한 상황이 발생될 수 있다.
도 1을 참조하면 배터리셀에 있어서 양극과 음극을 분리하는 세퍼레이터가 정상인 경우(a)와 세퍼레이터가 손실되어 양극과 음극 사이에 단락이 일어나는 경우(b)를 나타낸 것인데, 특히 (b)에서 세퍼레이터가 어떠한 이유에서건 손실되어 양극과 음극 사이에 이른바 쇼트(단락) 현상이 일어나면 과전류가 흘러 순식간에 열폭주현상이 발생하게 되고, 이대로 방치한다면 본 단락 현상이 일어나는 배터리셀 뿐만이 아니라 주위의 배터리셀까지 동반하여 열폭주하게 되어 전체 배터리 시스템에 대한 대형화재로 연결되기 마련인 것이다.
도 2는 배터리 내부 단락이 진행되면서 단락저항이 점점 저감되는 상태를 나타낸 도면인데, 각각 단락 초기 상태(Preliminary Phase), 단락 중간 상태(Meta-Phase), 완전단락상태(Telo-Phase:열폭주 진행 상태)로 나누어 단락저항의 감소값을 나타내었다.
이러한 중요성으로 인해 배터리 내부 단락을 진단하기 위한 많은 기술들이 제안된 바 있다.
기존 배터리 내부 단락을 검출하는 방법에 대해 배터리 내부 단락이 발생하였을 때 단자 전압이 감소하고 내부 열이 증가하는 현상을 이용하여 문턱 값을 설정하고 이를 이용하여 내부 단락을 진단하는 방법을 제안된바 있으나, 문턱 값을 구하기 위해서는 배터리에 임의로 내부 단락을 발생시키는 사전 실험이 요구된다는 단점을 가지고 있으며, 이에 따라 상기 배터리셀 내부단락 검출 방법의 단점을 보완하기 위해 배터리 등가 회로 모델을 이용한 파라미터 추정 기반의 내부 단락 기법들이 제안되고 있다.
한국 등록특허 제10-1930647호(발명의 명칭 : 배터리 내부단락 진단장치 및 방법 공고일자 2019.03.11)에 의하면 배터리의 내부단락 발생시 자가 방전 현상으로 인한 배터리의 충전상태(SOC) 변화를 이용하여 배터리의 내부단락 저항을 추정할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 내부 단락 진단 장치는, 테스트 배터리를 개방회로전압(OCV: Open Circuit Voltage)을 갖는 전압원 및 상기 전압원에 직렬로 연결된 내부저항으로 구성된 등가회로모델로 모델링하는 모델링부; 상기 테스트 배터리에 인가되는 부하전류를 상기 등가회로모델의 회귀자(Regressor)로 설정하고, 상기 회귀자를 상기 등가회로모델에 적용하여 획득되는 추정단자전압 및 상기 테스트 배터리에서 측정되는 측정단자전압을 이용하여 상기 개방회로전압을 추정하는 개방회로전압 추정부; 상기 추정된 개방회로전압에 대응되는 상기 테스트 배터리의 충전상태(State of Charge: SOC)를 결정하는 충전상태 결정부; 및 내부단락저항 산출시점이 되면 상기 결정된 충전상태를 이용하여 상기 내부단락저항을 산출하는 내부단락저항 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하지만, 충방전에 따른 부하전류를 파라메터로 한 것이 아니라 사용자가 임의의 주기로 인가하는 부하전류를 회귀자로 하여 각종 데이터를 추정 연산한다는 점, 더 나아가 내부단락이 일어날 경우 추정되는 내부 유기전압으로부터 추정되어 얻어지는 SOC값으로부터 추정되는 내부단락저항을 산출한다는 3중의 추정기법을 사용한다는 점을 고려하면 계산이 지나치게 복잡하여 연산부에 지나친 부하로 작용하거나, 연산의 오류가 발생될 개연성이 높은 방법이라 할 것이다.
따라서 이러한 배터리 내부 단락을 정확하게 검출하여 배터리에 의한 화재를 예방할 수 있는 강인한 배터리 관리 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1930647호(2019.03.11)
본 발명인 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 다음과 같은 목적을 가진다.
(1) 본 발명의 목적은 배터리의 내부단락 발생시 센싱되는 부하전류와 배터리셀 단자전압값을 입력받아 최종적으로 배터리셀 유기전압과 내부유효저항을 추정하고 이에 따른 변화량을 사용자가 설정한 시간동안의 평균변화량과 비교하여 특정 값을 초과시 배터리셀의 내부단락 발생을 판단할 수 있는 알고리즘와 이러한 알고리즘이 임베딩되어 구동되는 배터리 관리 제어부가 포함된 배터리 관리 시스템을 제공함에 있다.
(2) 본 발명의 또다른 목적은 기존의 방법에 비해 비교적 단순한 연산과정을 거치므로 매우 빠른 배터리셀 내부단락을 판단하게 하여 전체 배터리 관리 시스템의 열폭주를 사전에 방지할 수 있어 배터리 보호와 안정성을 비약적으로 높일 수 있음에 있다.
(3) 본 발명의 또다른 목적은 상기 알고리즘에 의해 추정된 배터리셀 유기전압으로 간편하게 배터리셀의 SOC값을 추정하게 하고, 그 변화량으로 배터리 내부단락검출할 수 있는 시스템을 제공함에 있다.
(4) 본 발명의 또다른 목적은 상기 배터리 내부단락검출 알고리즘을 이용하여 조기에 배터리 내부단락검출을 판정하고, 이에 따라 배터리 내부에서 열폭주 발생 이전에 리튬이온 배터리를 안전하게 전기적으로 차단 내지 격리시킴으로써 배터리 화재 폭발을 사전에 예방함에 있다.
본 발명인 배터리 관리 시스템(BMS)은 복수의 배터리셀들이 직렬로 연결되되, 부하전류를 검출하는 전류센서(110)와 각각의 배터리셀의 단자전압을 검출하는 전압센서(120)를 포함하는 배터리팩(100); 배터리 내부단락검출 알고리즘이 임베딩되어 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 배터리 관리 제어부(200); 상기 배터리팩(100)과 외부 충방전원사이에 설치된 충방전 양방향 스위치(300);를 포함한다.
상기 배터리 관리 제어부(200)는 상기 전류센서(110)가 검출한 부하전류와 상기 전압센서(120)가 검출한 각 배터리셀 단자전압에 대한 데이터를 입력받되, 각각의 배터리셀에 대한 배터리셀 추정유기전압, 배터리셀 추정 내부유효저항 및 배터리셀 추정 SOC값을 연산하는 알고리즘이 내재된 추정 연산부(210); 상기 추정 연산부가 연산한 데이터를 저장하는 데이터 저장부(220); 및 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터를 기반으로 하여 특정 배터리셀의 내부단락 여부를 판별하는 판단연산부(230);로 구성된다.
상기 배터리 관리 제어부(200)는 부하전류 검출과 각각 배터리셀 단자전압 검출과 배터리셀 추정 유기전압, 배터리셀 추정 내부유효저항 및 배터리셀 추정 SOC값의 연산과 데이터 저장과 배터리셀의 내부단락을 판별함은 사용자가 설정한 샘플링시간 t 마다 실시한다.
상기 추정 연산부(210)와 상기 판단 연산부(230)는 프로그래밍으로 MCU에 임베딩되어 포함된다.
상기 데이터 저장부(220)는 상기 MCU의 내부 메모리 또는 외부 메모리를 이용하여 저장됨이 바람직하다.
상기 배터리셀 추정 SOC값의 연산은 상기 배터리팩(100)에 사용되는 특정의 배터리에 대한 유기전압과 SOC 특성곡선을 이용하여 결정한다.
상기 추정 연산부(210)에서 배터리셀 추정 유기전압과 추정 내부유효저항은 수학식
Figure pat00001
을 목적함수로 하는 순환최소자승법을 이용하여 추정한다.
상기 수학식에서
Figure pat00002
는 샘플링시간 t 마다 상기 전압센서에 의해 검출되는 배터리셀 단자전압을 나타내는 것으로서 수학식
Figure pat00003
로 정의되고,
Figure pat00004
는 샘플링시간 t 마다 연산되는 배터리셀 추정 단자전압(
Figure pat00005
)을 나타내는 것으로서, 수학식
Figure pat00006
로 정의된다.
Figure pat00007
는 배터리셀 추정 유기전압을 나타내며,
Figure pat00008
는 추정 내부유효저항을 나타내며,
Figure pat00009
은 상기 전류센서에 의해 입력되는 부하전류를 나타내되,
Figure pat00010
와
Figure pat00011
는 각각 행렬식으로서 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항에 대한 추정 매개변수와 추정연산자이되, 각각 수학식
Figure pat00012
및
Figure pat00013
로 정의된다.
Figure pat00014
는 샘플링 시간에 따른 순환최소자승법의 추정 데이터사이의 신뢰도를 설정하되 과거값들에 비해 현재시점에 가까운 추정시점의 데이터가 상대적으로 높은 비중을 가지도록 설정되는 가중치를 의미하는 것으로서 0에서 1까지 설정될 수 있음을 특징으로 한다.
상기 전류센서(110)에 의해 입력되는 부하전류에 의해
Figure pat00015
값을 도출하여
(1) 수학식
Figure pat00016
(2) 수학식
Figure pat00017
(3) 수학식
Figure pat00018
각각에 제공하여 연산한다.
상기 (1) 수학식에서
Figure pat00019
는 출력편차게인값을 의미하되 구해진
Figure pat00020
는 (2) 수학식에 입력되며, 상기 (2) 수학식에서
Figure pat00021
는 공분산을 의미하는 것으로서, 상기 (2) 수학식으로부터 구하여 상기 수학식 (1)에 입력되며, 상기 (3) 수학식은
Figure pat00022
는 출력편차를 의미하되, 상기 전압센서(120)에 의해 센싱된 배터리셀 단자전압이 입력되어 구해진다.
상기 (1) 수학식에서 구해진
Figure pat00023
와 (3) 수학식에서 구해진
Figure pat00024
를
(4) 수학식
Figure pat00025
에 입력하여 연산하되, 초기값으로 설정되거나 전 샘플링때 추정된
Figure pat00026
를 상기 (3) 수학식에 입력하여 연산된다.
상기 (4) 수학식
Figure pat00027
로부터 샘플링시간 t마다 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항을 도출한다.
도출된 배터리셀 추정 유기전압으로부터 상기 배터리팩(100)에 사용되는 특정의 배터리에 대한 유기전압과 SOC 특성곡선을 이용하여 SOC값을 추정한다.
상기 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법은
상기 전류센서로부터 부하전류와 전압센서로부터 각각의 배터리셀 단자전압을 검출하는 배터리셀 단자전압 및 부하전류 검출단계(S100);
상기 부하전류와 배터리셀 단자전압을 입력받아 배터리셀 추정 유기전압 및 배터리셀 추정 내부 유효 저항값을 연산하는 배터리셀 추정 유기전압 및 추정 내부 유효 저항값 연산 및 저장 단계(S200);
상기 연산된 배터리셀 추정 유기전압으로부터 사용된 특정의 배터리에 대한 유기전압과 SOC 특성곡선을 이용하여 배터리셀 추정 SOC값을 추정하는 SOC 연산 및 저장 단계(S300);
샘플링 시간 t 동안 각각의 배터리셀 추정 유기전압, 배터리셀 추정 내부 유효저항값, 배터리셀 추정 SOC 값의 변화량을 계산하는 변화량 계산 단계(S400);
하기의 (1) 내지 (3) 조건 중 어느 하나를 만족하는지 여부를 판별하는 특정 배터리셀 내부 단락 판별 단계(S500);
(1) 특정 배터리셀에 대해 추정 유기전압변화량이 1분동안 배터리셀 추정 유기전압 평균 변화량보다 10% 초과하는가?
(2) 특정 배터리셀에 대해 추정 내부 유효저항값 변화량이 1분동안 배터리셀 추정 내부 유효저항값 평균 변화량보다 60% 초과하는가?
(3) 특정 배터리셀에 대해 추정 SOC값 변화량이 1분동안 배터리셀 추정 SOC값 평균 변화량 보다 10% 초과하는가?
상기 특정 배터리셀 내부 단락 판별 단계에서 어느 하나의 조건이 만족되는 경우 특정 배터리셀에 대해 내부 단락된 것으로 진단하는 특정 배터리셀 내부 단락 판정 단계(S600); 및
배터리셀 내부 단락된 것으로 판정되는 경우 충방전 양방향 스위치를 오프(off)시키는 충방전 양방향 스위치 오프 단계(S700);로 구성된다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명은 배터리의 내부단락 발생시 센싱되는 부하전류와 배터리셀 단자전압값을 입력받아 최종적으로 배터리셀 유기전압과 내부유효저항을 추정하고 이에 따른 변화량을 사용자가 설정한 시간동안의 평균변화량과 비교하여 특정 값을 초과시 배터리셀의 내부단락 발생을 판단할 수 있는 알고리즘을 활용하여 기존의 방법에 비해 빠른 연산과 정확도로 배터리 내부단락을 검출하여 전체 배터리 시스템의 대형 화재를 예방할 수 있도록 한다.
(2) 본 발명은 기존의 방법에 비해 비교적 단순한 연산과정을 거치므로 매우 빠른 배터리셀 내부단락을 판단하게 하여 전체 배터리팩 시스템의 열폭주를 사전에 예방할 수 있어 화재나 폭발로 인한 위해로부터 배터리 관리 시스템의 안정성을 비약적으로 높일 수 있다.
(3) 본 발명은 상기 알고리즘에 의해 추정된 배터리셀 유기전압으로 간편하게 배터리셀의 SOC값을 추정하게 하고, 그 변화량으로 배터리 내부단락검출할 수 있다.
도 1은 배터리셀에 있어서 양극과 음극을 분리하는 세퍼레이터가 정상인 경우(a)와 세퍼레이터가 손실되어 양극과 음극 사이에 단락이 일어나는 경우(b)를 나타낸 도면이다.
도 2는 특정 배터리셀에 있어서 내부단락이 발생한 경우 시간에 대하여 단락저항값의 저감상태를 나타낸 단락저항 저감상태도이다.
도 3은 본 발명인 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리관리시스템(BMS)을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명인 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 BMC의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 BMC의 세부 구성중 추정연산부에 이식된 배터리 내부단락검출 알고리즘으로서, 샘플링시간마다 연산되어 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항과 배터리셀 추정 SOC를 구하는 알고리즘을 나타낸 블럭선도이다.
도 6은 배터리셀이 직렬로 서로 연결된 배터리팩중에서 특정 배터리셀이 내부단락된 것과 나머지 배터리셀이 정상인 것을 등가회로로 나타낸 도면이다.
도 7은 배터리셀 추정 유기전압으로부터 배터리셀 추정 SOC 값을 알 수 있도록 특정 배터리셀의 유기전압과 SOC사이의 특성곡선을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명인 배터리 내부단락검출 시스템을 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법을 시계열적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "배터리 내부단락검출 시스템과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법"을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 배터리셀에 있어서 양극과 음극을 분리하는 세퍼레이터가 정상인 경우(a)와 세퍼레이터가 손실되어 양극과 음극 사이에 단락이 일어나는 경우(b)를 나타낸 도면이며, 도 2는 특정 배터리셀에 있어서 내부단락이 발생한 경우 시간에 대하여 단락저항값의 저감상태를 나타낸 단락저항 저감상태도이고, 도 3은 본 발명인 배터리 내부단락검출 알고리즘이 이식된 BMC를 포함한 배터리 관리 시스템을 간략하게 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명인 배터리 내부단락검출 알고리즘이 이식된 BMC의 세부 구성을 나타낸 도면이며, 도 5는 BMC의 세부 구성중 추정연산부에 이식된 배터리 내부단락검출 알고리즘으로서, 샘플링시간마다 연산되어 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항과 배터리셀 추정 SOC를 구하는 알고리즘을 나타낸 블럭선도이고, 도 6은 배터리셀이 직렬로 서로 연결된 배터리팩중에서 특정 배터리셀이 내부단락된 것과 나머지 배터리셀이 정상인 것을 등가회로로 나타낸 도면이며, 도 7은 배터리셀 추정 유기전압으로부터 배터리셀 추정 SOC 값을 알 수 있도록 특정 배터리셀의 유기전압과 SOC사이의 특성곡선을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명인 배터리 내부단락검출 시스템을 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법을 시계열적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 4를 참조하면 본 발명인 배터리 관리 시스템(BMS)은 복수의 배터리셀들이 직렬로 연결되되, 부하전류를 검출하는 전류센서(110)와 각각의 배터리셀의 단자전압을 검출하는 전압센서(120)를 포함하는 배터리팩(100); 배터리 내부단락검출 알고리즘이 임베딩되어 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 배터리 관리 제어부(200); 상기 배터리팩(100)과 외부 충방전원사이에 설치된 충방전 양방향 스위치(300);를 포함한다.
상기 배터리 관리 제어부(200)는 상기 전류센서(110)가 검출한 부하전류와 상기 전압센서(120)가 검출한 각 배터리셀 단자전압에 대한 데이터를 입력받되, 각각의 배터리셀에 대한 배터리셀 추정유기전압, 배터리셀 추정 내부유효저항 및 배터리셀 추정 SOC값을 연산하는 알고리즘이 내재된 추정 연산부(210); 상기 추정 연산부가 연산한 데이터를 저장하는 데이터 저장부(220); 및 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터를 기반으로 하여 특정 배터리셀의 내부단락 여부를 판별하는 판단연산부(230);로 구성된다.
상기 배터리 관리 제어부(200)는 부하전류 검출과 각각 배터리셀 단자전압 검출과 배터리셀 추정 유기전압, 배터리셀 추정 내부유효저항 및 배터리셀 추정 SOC값의 연산과 데이터 저장과 배터리셀의 내부단락을 판별함은 사용자가 설정한 샘플링시간 t 마다 실시한다.
상기 추정 연산부(210)와 상기 판단 연산부(230)는 프로그래밍으로 MCU에 임베딩되어 포함된다.
상기 데이터 저장부(220)는 상기 MCU의 내부 메모리 또는 외부 메모리를 이용하여 저장됨이 바람직하다.
상기 배터리셀 추정 SOC값의 연산은 상기 배터리팩(100)에 사용되는 특정의 배터리에 대한 유기전압과 SOC 특성곡선을 이용하여 결정한다.
도 6을 참조하면 다수의 배터리셀로 구성된 리튬 배터리 팩에서의 내부 단락사고가 난 배터리셀 및 정상적인 배터리셀의 등가회로를 나타낸 것인데, 이러한 등가회로에 대한 수식전개는 다음과 같다.
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
먼저 수학식 1에서
Figure pat00031
은 내부단락이 발생한 셀을 제외한 나머지 배터리셀의 유기전압 합을 나타낸 것이고, 수학식 2에서의
Figure pat00032
은 내부단락이 발생한 배터리셀을 제외한 나머지 배터리셀의 내부저항의 합을 나타낸 것이며, 수학식 3의
Figure pat00033
는 내부단락이 발생한 배터리셀을 제외한 나머지 배터리셀의 단자전합의 합을 나타낸 것이다.
Figure pat00034
Figure pat00035
Figure pat00036
상기 수학식 4는 내부단락이 발생한 배터리셀에서의 내부저항에 흐르는 전류와 단락전류의 등가식을 나타낸 것인데, 배터리펙의 셀이 모두 직렬로 연결된 것이므로
Figure pat00037
는 부하전류를 의미하며, 수학식 5에서
Figure pat00038
는 내부단락이 발생한 배터리셀의 단자전압을 나타낸 것이고,
Figure pat00039
는 내부단락이 발생한 배터리셀의 유기전압을 나타낸 것이고,
Figure pat00040
는 내부단락이 발생한 셀의 (단락저항이 아닌) 내부저항값을 나타내는데, 내부저항과 단락저항의 일종의 합성저항을 의미한다.
수학식 6은 수학식 4와 수학식 5를 기초로 전개하여 도출된 식으로서, 내부단락이 발생한 배터리셀 단자전압의 변형된 식이다.
Figure pat00041
Figure pat00042
수학식 7에서
Figure pat00043
는 배터리팩 전체의 단자전압으로서 수학식3과 수학식 6으로부터 도출된 식이며, 수학식 8은 이를 간단하게
Figure pat00044
이라는 (내부단락이 발생한 셀을 포함하여)배터리팩의 유기전압의 합과
Figure pat00045
라는 배터리팩의 전체 내부저항값으로 변환하여 간략하게 나타난 수식이다.
상기 추정 연산부(210)에서 배터리셀 추정유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항은 아래 수학식 9에 의해 추정한다.
Figure pat00046
즉 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항은 수학식 9를 목적함수로 하는 순환최소자승법을 이용하여 추정하는데, J(n)은 n개의 샘플에 대해 적용된 목적함수를 말한다.
즉 n개의 샘플에 대한 출력편차값의 제곱의 합이 최소가 되는 매개변수를 추정한다.
이때, 순환최소자승법의 적용을 위해 초기 측정 단자전압과 임의로 미리 정해진 내부유효저항값을 각각 배터리셀 추정 유기전압 및 배터리셀 추정 내부유효저항의 초기값으로 설정할 수 있다.
상기 수학식에서
Figure pat00047
는 샘플링시간 t 마다 상기 전압센서에 의해 검출되는 배터리셀 단자전압을 나타내는 것으로서 수학식
Figure pat00048
로 정의되고,
Figure pat00049
는 샘플링시간 t 마다 연산되는 배터리셀 추정 단자전압(
Figure pat00050
)을 나타낸다.
Figure pat00051
는 샘플링 시간에 따른 순환최소자승법의 추정 데이터사이의 신뢰도를 설정하되 과거값들에 비해 현재시점에 가까운 추정시점의 데이터가 상대적으로 높은 비중을 가지도록 설정되는 가중치를 의미하는 것으로서 0에서 1까지 설정될 수 있다.
일 예로, β는 0과 1 사이의 값을 가지면서 1에 가까운 값으로 설정될 수 있는바, 예컨대, 샘플링 타임 t = 0.1초 일때 β는 0.995로 설정될 수 있는 것이다.
하기는 도 6을 참조하여 수식을 전개한 것으로서, 전체적으로는 전류센서로부터 검출된 부하전류와 전압센서에 의해 검출된 배터리셀 단자전압이 입력되어 하기의 수식으로 이루어진 알고리즘이 적용되어 최종적으로 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항과 배터리셀 추정 SOC값을 도출하는 것에 본 발명의 기술적 특징이 있다.
Figure pat00052
이때
Figure pat00053
는 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 10에서
Figure pat00054
는 배터리셀 추정 유기전압을 나타내며,
Figure pat00055
는 배터리셀 추정 내부유효저항을 나타내며,
Figure pat00056
은 상기 전류센서(110)에 의해 입력되는 부하전류를 나타내되, 순환최소자승법의 적용을 위해
Figure pat00057
와
Figure pat00058
는 각각 행렬식으로서 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항에 대한 추정 매개변수와 추정연산자이되, 하기의 수학식 11과 12로 정의된다.
Figure pat00059
Figure pat00060
도 5를 참조하면 상기 전류센서(110)에 의해 입력되는 부하전류에 의해
Figure pat00061
값을 도출하여 하기의 수학식 13 내지 15에 제공 내지 입력하여 각각 연산한다.
Figure pat00062
Figure pat00063
Figure pat00064
상기 수학식 13에서
Figure pat00065
는 출력편차 게인값을 의미하되 구해진
Figure pat00066
는 수학식 14에 입력되며, 상기 수학식 14에서
Figure pat00067
는 공분산을 의미하는 것으로서, 상기 수학식 14로부터 구하여 상기 수학식 13에 입력되며, 상기 수학식 15에서
Figure pat00068
는 실제 측정된 배터리셀 단자전압과 배터리셀 추정 단자전압간의 출력편차를 의미하되, 상기 전압센서(120)에 의해 센싱된 배터리셀 단자전압이 입력되어 구해진다.
상기 수학식 13에서 구해진
Figure pat00069
와 수학식 15에서 구해진
Figure pat00070
를 하기의 수학식 16에 입력되어 연산하되, 초기값으로 설정되거나 전 샘플링때 추정된
Figure pat00071
를 상기 수학식 15에 갱신 입력하여 연산되는 것을 특징으로 한다.
이때 수학식 10은 다음의 수학식 16으로 변환하여 나타낼 수 있다.
Figure pat00072
이때
Figure pat00073
는 부하전류 및 검출되는 배터리셀 단자전압을 포함하는 샘플링 데이터가 얻어질 때마다 하기의 수학식 17에 의해 갱신되는 것이다.
Figure pat00074
상기 수학식 17으로부터 샘플링시간 t마다 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항을 도출하되, 도출된 배터리셀 추정 유기전압으로부터 상기 배터리팩에 사용되는 특정의 배터리에 대한 유기전압과 SOC 특성곡선(도 7 참조)을 이용하여 배터리셀 추정 SOC값을 연산하는 것을 특징으로 한다.
도 8을 참조하면 상기 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법은
상기 전류센서로부터 부하전류와 전압센서로부터 각각의 배터리셀 단자전압을 검출하는 배터리셀 단자전압 및 부하전류 검출단계(S100);
상기 부하전류와 배터리셀 단자전압을 입력받아 배터리셀 추정 유기전압 및 배터리셀 추정 내부 유효 저항값을 연산하는 배터리셀 추정 유기전압 및 추정 내부 유효 저항값 연산단계(S200);
상기 연산된 배터리셀 추정 유기전압으로부터 사용된 특정의 배터리에 대한 유기전압과 SOC 특성곡선을 이용하여 배터리셀 추정 SOC값을 추정하는 SOC 연산단계(S300);
샘플링 시간 t 동안 각각의 배터리셀 추정 유기전압, 배터리셀 추정 내부 유효저항값, 배터리셀 추정 SOC 값의 변화량을 계산하는 변화량 계산 단계(S400);
하기의 (1) 내지 (3) 조건 중 어느 하나를 만족하는지 여부를 판별하는 특정 배터리셀 내부 단락 판별 단계(S500);
(1) 특정 배터리셀에 대해 추정 유기전압변화량이 1분동안 배터리셀 추정 유기전압 평균 변화량보다 10% 초과하는가?
(2) 특정 배터리셀에 대해 추정 내부 유효저항값 변화량이 1분동안 배터리셀 추정 내부 유효저항값 평균 변화량보다 60% 초과하는가?
(3) 특정 배터리셀에 대해 추정 SOC값 변화량이 1분동안 배터리셀 추정 SOC값 평균 변화량 보다 10% 초과하는가?
상기 특정 배터리셀 내부 단락 판별 단계에서 어느 하나의 조건이 만족되는 경우 특정 배터리셀에 대해 내부 단락된 것으로 진단하는 특정 배터리셀 내부 단락 판정 단계(S600); 및
배터리셀 내부 단락된 것으로 판정되는 경우 충방전 양방향 스위치를 오프(off)시키는 충방전 양방향 스위치 오프 단계(S700);로 구성된다.
상기 조건에서 1분은 사용자가 임의로 설정한 시간중에서 선택된 시간을 의미하는 것으로서, 이로 인해 권리범위가 좁아지는 것이 아니다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명은 배터리의 내부단락 발생시 센싱되는 부하전류와 배터리셀 단자전압값을 입력받아 최종적으로 배터리셀 유기전압과 내부유효저항을 추정하고 이에 따른 변화량을 사용자가 설정한 시간동안의 평균변화량과 비교하여 특정 값을 초과시 배터리셀의 내부단락 발생을 판단할 수 있는 알고리즘을 활용하여 기존의 방법에 비해 빠른 연산과 정확도로 배터리 내부단락을 검출하여 전체 배터리 시스템의 대형 화재를 예방할 수 있도록 한다.
(2) 본 발명은 기존의 방법에 비해 비교적 단순한 연산과정을 거치므로 매우 빠른 배터리셀 내부단락을 판단하게 하여 전체 배터리팩 시스템의 열폭주를 사전에 예방할 수 있어 화재나 폭발로 인한 위해로부터 배터리 관리 시스템의 안정성을 비약적으로 높일 수 있다.
(3) 본 발명은 상기 알고리즘에 의해 추정된 배터리셀 유기전압으로 간편하게 배터리셀의 SOC값을 추정하게 하고, 그 변화량으로 배터리 내부단락검출할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
BMS : 배터리 관리 시스템 100 : 배터리팩
110 : 전류센서 120 : 전압센서
200 : 배터리관리제어부 210 : 추정연산부
220 : 데이터 저장부 230 : 판단연산부
300 : 충방전 양방향 스위치

Claims (7)

  1. 외부 충방전원과 연결되어 배터리의 충전과 방전을 관리하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리셀들이 직렬로 연결되되, 부하전류를 검출하는 전류센서와 각각의 배터리셀의 단자전압을 검출하는 전압센서를 포함하는 배터리팩; 배터리 내부단락검출 알고리즘이 임베딩되어 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 배터리 관리 제어부; 상기 배터리팩과 외부 충방전원사이에 설치된 충방전 양방향 스위치;를 포함하되,
    상기 배터리 관리 제어부는 상기 전류센서가 검출한 부하전류와 상기 전압센서가 검출한 각 배터리셀 단자전압에 대한 데이터를 입력받되, 각각의 배터리셀에 대한 배터리셀 추정유기전압, 배터리셀 추정 내부유효저항 및 배터리셀 추정 SOC값을 연산하는 알고리즘이 내재된 추정 연산부; 상기 추정 연산부가 연산한 데이터를 저장하는 데이터 저장부; 및 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터를 기반으로 하여 특정 배터리셀의 내부단락 여부를 판별하는 판단연산부;로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리 제어부는 부하전류 검출과 각각 배터리셀 단자전압 검출과 배터리셀 추정 유기전압, 배터리셀 추정 내부유효저항 및 배터리셀 추정 SOC값의 연산과 데이터 저장과 배터리셀의 내부단락을 판별함은 사용자가 설정한 샘플링시간 t 마다 실시하며,
    상기 추정 연산부와 상기 판단 연산부는 프로그래밍으로 MCU에 임베딩되어 포함되되,
    상기 데이터 저장부는 상기 MCU의 내부 메모리 또는 외부 메모리를 이용하여 저장되는 것을 특징으로 하는 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리셀 추정 SOC값의 연산은 상기 배터리팩에 사용되는 특정의 배터리에 대한 유기전압과 SOC 특성곡선을 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 추정 연산부에서 배터리셀 추정 유기전압과 추정 내부유효저항은 수학식
    Figure pat00075
    을 목적함수로 하는 순환최소자승법을 이용하여 추정하되,
    상기 수학식에서
    Figure pat00076
    는 샘플링시간 t 마다 상기 전압센서에 의해 검출되는 배터리셀 단자전압을 나타내는 것으로서 수학식
    Figure pat00077
    로 정의되고,
    Figure pat00078
    는 샘플링시간 t 마다 연산되는 배터리셀 추정 단자전압(
    Figure pat00079
    )을 나타내는 것으로서, 수학식
    Figure pat00080
    로 정의되되,
    Figure pat00081
    는 배터리셀 추정 유기전압을 나타내며,
    Figure pat00082
    는 추정 내부유효저항을 나타내며,
    Figure pat00083
    은 상기 전류센서에 의해 입력되는 부하전류를 나타내되,
    Figure pat00084
    와
    Figure pat00085
    는 각각 행렬식으로서 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항에 대한 추정 매개변수와 추정연산자이되, 각각 수학식
    Figure pat00086
    및
    Figure pat00087
    로 정의되며,
    Figure pat00088
    는 샘플링 시간에 따른 순환최소자승법의 추정 데이터사이의 신뢰도를 설정하되 과거값들에 비해 현재시점에 가까운 추정시점의 데이터가 상대적으로 높은 비중을 가지도록 설정되는 가중치를 의미하는 것으로서 0에서 1까지 설정될 수 있음을 특징으로 하는 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전류센서에 의해 입력되는 부하전류에 의해
    Figure pat00089
    값을 도출하여
    (1) 수학식
    Figure pat00090

    (2) 수학식
    Figure pat00091

    (3) 수학식
    Figure pat00092
    각각에 제공하여 연산하되,
    상기 (1) 수학식에서
    Figure pat00093
    는 출력편차게인값을 의미하되 구해진
    Figure pat00094
    는 (2) 수학식에 입력되며, 상기 (2) 수학식에서
    Figure pat00095
    는 공분산을 의미하는 것으로서, 상기 (2) 수학식으로부터 구하여 상기 수학식 (1)에 입력되며, 상기 (3) 수학식은
    Figure pat00096
    는 출력편차를 의미하되, 상기 전압센서에 의해 센싱된 배터리셀 단자전압이 입력되어 구해지되,
    상기 (1) 수학식에서 구해진
    Figure pat00097
    와 (3) 수학식에서 구해진
    Figure pat00098
    를
    (4) 수학식
    Figure pat00099
    에 입력하여 연산하되, 초기값으로 설정되거나 전 샘플링때 추정된
    Figure pat00100
    를 상기 (3) 수학식에 입력하여 연산되는 것을 특징으로 하는 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 (4) 수학식
    Figure pat00101
    로부터 샘플링시간 t마다 배터리셀 추정 유기전압과 배터리셀 추정 내부유효저항을 도출하되,
    도출된 배터리셀 추정 유기전압으로부터 상기 배터리팩에 사용되는 특정의 배터리에 대한 유기전압과 SOC 특성곡선을 이용하여 SOC값을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템.
  7. 청구항 1 내지 6중 어느 하나의 항에 따른 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법은
    상기 전류센서로부터 부하전류와 전압센서로부터 각각의 배터리셀 단자전압을 검출하는 배터리셀 단자전압 및 부하전류 검출단계;
    상기 부하전류와 배터리셀 단자전압을 입력받아 배터리셀 추정 유기전압 및 배터리셀 추정 내부 유효 저항값을 연산하는 배터리셀 추정 유기전압 및 추정 내부 유효 저항값 연산 및 저장 단계;
    상기 연산된 배터리셀 추정 유기전압으로부터 사용된 특정의 배터리에 대한 유기전압과 SOC 특성곡선을 이용하여 배터리셀 추정 SOC값을 추정하는 SOC 연산 및 저장 단계;
    샘플링 시간 t 동안 각각의 배터리셀 추정 유기전압, 배터리셀 추정 내부 유효저항값, 배터리셀 추정 SOC 값의 변화량을 계산하는 변화량 계산 단계;
    하기의 (1) 내지 (3) 조건 중 어느 하나를 만족하는지 여부를 판별하는 특정 배터리셀 내부 단락 판별 단계;
    (1) 특정 배터리셀에 대해 추정 유기전압변화량이 1분동안 배터리셀 추정 유기전압 평균 변화량보다 10% 초과하는가?
    (2) 특정 배터리셀에 대해 추정 내부 유효저항값 변화량이 1분동안 배터리셀 추정 내부 유효저항값 평균 변화량보다 60% 초과하는가?
    (3) 특정 배터리셀에 대해 추정 SOC값 변화량이 1분동안 배터리셀 추정 SOC값 평균 변화량 보다 10% 초과하는가?
    상기 특정 배터리셀 내부 단락 판별 단계에서 어느 하나의 조건이 만족되는 경우 특정 배터리셀에 대해 내부 단락된 것으로 진단하는 특정 배터리셀 내부 단락 판정 단계; 및
    배터리셀 내부 단락된 것으로 판정되는 경우 충방전 양방향 스위치를 오프(off)시키는 충방전 양방향 스위치 오프 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템 화재예방방법.
KR1020190141233A 2019-11-06 2019-11-06 배터리 내부단락검출 알고리즘이 포함된 배터리 관리 시스템과 이를 이용한 배터리 관리 시스템 화재예방방법 KR102283957B1 (ko)

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