KR20210074005A - 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량 - Google Patents

배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량 Download PDF

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KR20210074005A
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 제1 개로 전압 커브, 제2 개로 전압 커브 및 제3 개로 전압 커브를 저장하도록 구성되는 메모리; 배터리의 양단에 걸친 전압인 배터리 전압을 측정하도록 구성되는 전압 센서; 및 상기 메모리 및 상기 전압 센서에 동작 가능하게 결합되는 제어 회로를 포함한다. 상기 제1 개로 전압 커브는, 상기 배터리의 방전 시의 상기 배터리의 개로 전압과 충전 상태 간의 제1 관계를 규정한다. 상기 제2 개로 전압 커브는, 상기 배터리의 충전 시의 상기 배터리의 개로 전압과 충전 상태 간의 제2 관계를 규정한다. 상기 제3 개로 전압 커브는, 상기 제1 관계와 상기 제2 관계의 평균을 나타내는 제3 관계를 규정한다. 상기 제어 회로는, 키-오프 신호를 수신 시, 상기 배터리가 휴지 상태로 되도록, 상기 배터리를 통한 전류의 흐름을 차단하도록 구성된다. 상기 제어 회로는, 상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 제1 시점부터 제2 시점까지, 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제1 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성된다. 상기 제1 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제1 대기 시간이 경과된 시점이다. 상기 제2 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제1 전환 시간이 경과된 시점이다.

Description

배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM, BATTERY MANAGEMENT METHOD, BATTERY PACK, AND ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은, 배터리의 휴지 중, 배터리의 충전 상태를 결정하는 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리는 사용 상태와 휴지 상태를 반복적으로 겪는다. 사용 상태는, 배터리의 충방전이 진행되는 상태를 칭한다. 휴지 상태는, 배터리의 충방전이 차단(중단)된 상태, 즉 배터리를 통해 충전 전류와 방전 전류가 흐르지 않는 상태를 칭한다.
배터리가 휴지 상태로 유지되는 동안이라도, 사용 상태에서의 충방전 이력, 배터리의 자가 방전, 배터리 관리 시스템에 의해 소모되는 전력 등으로 인하여, 배터리의 충전 상태(State Of Chage, 이하 'SOC'라고 칭할 수 있음)는 일정하게 유지되지 않을 수 있다. 따라서, 배터리가 휴지 상태로 유지되는 중에도 배터리의 SOC를 모니터링할 필요가 있다.
한편, 종래에, 배터리의 SOC 를 추정하는 데에 널리 활용되고 있는 개로 전압 커브는, 배터리의 충방전이 중단된 상태로 충분히 긴 시간이 흘러 히스테리시스가 완전히 해소되었을 때의 배터리의 개로 전압(Open Circuit Voltage, 이하 'OCV'라고 칭할 수 있음)과 SOC 간의 관계를 규정하는 데이터이다.
그런데, 배터리가 휴지 상태로 유지된 시간이 충분히 길지 않다면, 사용 상태에서의 충방전 이력에 의해 발생한 히스테리시스가 충분히 해소될 수 없다.
따라서, 배터리가 휴지 상태로 유지된 시간을 고려하지 않고, 휴지 상태의 시작 시점(즉, 사용 상태의 종료 시점)부터 기준 개로 전압 커브만을 기초로, 배터리의 SOC를 추정할 경우, 정확도가 떨어질 밖에 없다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리가 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환된 때부터 배터리가 휴지 상태로 유지된 시간에 따라, OCV와 SOC 간의 관계를 규정하는 개로 전압 커브를 변경함으로써, 배터리의 휴지 중의 SOC를 정확하게 결정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 시스템은, 제1 개로 전압 커브, 제2 개로 전압 커브 및 제3 개로 전압 커브를 저장하도록 구성되는 메모리; 배터리의 양단에 걸친 전압인 배터리 전압을 측정하도록 구성되는 전압 센서; 및 상기 메모리 및 상기 전압 센서에 동작 가능하게 결합되는 제어 회로를 포함한다. 상기 제1 개로 전압 커브는, 상기 배터리의 방전 시의 상기 배터리의 개로 전압과 충전 상태 간의 제1 관계를 규정한다. 상기 제2 개로 전압 커브는, 상기 배터리의 충전 시의 상기 배터리의 개로 전압과 충전 상태 간의 제2 관계를 규정한다. 상기 제3 개로 전압 커브는, 상기 제1 관계와 상기 제2 관계의 평균을 나타내는 제3 관계를 규정한다. 상기 제어 회로는, 키-오프 신호를 수신 시, 상기 배터리가 휴지 상태로 되도록, 상기 배터리를 통한 전류의 흐름을 차단하도록 구성된다. 상기 제어 회로는, 상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 제1 시점부터 제2 시점까지, 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제1 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성된다. 상기 제1 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제1 대기 시간이 경과된 시점이다. 상기 제2 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제1 전환 시간이 경과된 시점이다.
상기 제어 회로는, 상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 기준 충전 상태 및 기준 온도를 기초로, 상기 제1 대기 시간 및 상기 제1 전환 시간을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 기준 충전 상태는, 상기 키-오프 신호가 수신된 때의 상기 배터리의 충전 상태를 나타낸다. 상기 기준 온도는, 상기 키-오프 신호가 수신된 때의 상기 배터리의 온도를 나타낸다.
상기 제어 회로는, 상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 상기 제2 시점부터, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제3 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 회로는, 상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 충전 중이었다면, 제3 시점부터 제4 시점까지, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제2 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성될 수 있다. 상기 제3 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제2 대기 시간이 경과된 시점이다. 상기 제4 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제2 전환 시간이 경과된 시점이다.
상기 제어 회로는, 상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 기준 충전 상태 및 기준 온도를 기초로, 상기 제2 대기 시간 및 상기 제2 전환 시간을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 기준 충전 상태는, 상기 키-오프 신호가 수신된 때의 상기 배터리의 충전 상태를 나타낸다. 상기 기준 온도는, 상기 키-오프 신호가 수신된 때의 상기 배터리의 온도를 나타낸다.
상기 제어 회로는, 상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 충전 중이었다면, 상기 제4 시점부터, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제3 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은, 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 상기 배터리 관리 시스템에 의해 실행 가능하다. 상기 배터리 관리 방법은, 상기 키-오프 신호를 수신 시, 상기 배터리가 휴지 상태로 되도록, 상기 배터리를 통한 전류의 흐름을 차단하는 단계; 및 상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 상기 제1 시점부터 상기 제2 시점까지, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제1 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 관리 방법은, 상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 충전 중이었다면, 상기 제3 시점부터 상기 제4 시점까지, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제2 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리가 사용 상태로부터 휴지 상태로 전환된 때부터 배터리가 휴지 상태로 유지된 시간에 따라, OCV와 SOC 간의 관계를 규정하는 개로 전압 커브를 변경함으로써, 배터리의 휴지 중의 SOC를 정확하게 결정할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 배터리의 사용 상태에서의 충방전 이력에 의한 히스테리시스를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 배터리의 방전에 의해 발생된 히스테리시스가 휴지 상태에서 해소되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 배터리의 충전에 의해 발생된 히스테리시스가 휴지 상태에서 해소되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 도 5의 방법을 위한 데이터 테이블들을 예시한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 나타낸 순서도이다.
도 8은 도 7의 방법을 위한 데이터 테이블들을 예시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 차량(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기 차량(1)은, 차량 컨트롤러(2), 배터리 팩(20), 스위치(30), 인버터(40) 및 전기 모터(50)를 포함한다.
차량 컨트롤러(2)는, 전기 차량(1)에 마련된 시동 버튼(미도시)이 사용자에 의해 ON-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-온 신호를 생성하도록 구성된다. 차량 컨트롤러(2)는, 시동 버튼이 사용자에 의해 OFF-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-오프 신호를 생성하도록 구성된다.
스위치(30)는, 배터리 팩(20)을 위한 전력 라인(3)에 설치된다. 스위치(30)가 온되어 있는 동안, 배터리 팩(20)과 인버터(40) 중 어느 하나로부터 다른 하나로의 전력 전달이 가능하다. 스위치(30)는, 릴레이, 전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor) 등과 같은 공지의 스위칭 기기들 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합함으로써 구현될 수 있다.
인버터(40)는, 배터리(B)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전기 모터(50)에게 공급한다. 전기 모터(50)는, 인버터(40)로부터의 교류 전력을 전기 차량(1)을 위한 운동 에너지로 변환한다.
배터리 팩(20)은, 배터리(B) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
배터리(B)는, 예컨대 리튬 이온 셀과 같이, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다.
배터리 관리 시스템(100)은, 전압 센서(110), 온도 센서(120), 전류 센서(130), 메모리(140) 및 제어 회로(150)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은, 통신 회로(160)를 더 포함할 수 있다.
전압 센서(110)는, 배터리(B)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 전압 센서(110)는, 소정 시간마다, 배터리(B)의 양단에 걸친 전압(이하, '배터리 전압'이라고 칭할 수 있음)을 측정하고, 측정된 배터리 전압을 나타내는 신호를 제어 회로(150)에게 출력하도록 구성된다.
온도 센서(120)는, 배터리(B)로부터 소정 거리 내의 영역에 배치된다. 예컨대, 열전대 등이 온도 센서(120)로서 이용될 수 있다. 온도 센서(120)는, 소정 시간마다, 배터리(B)의 온도(이하, '배터리 온도'이라고 칭할 수 있음)를 측정하고, 측정된 배터리 온도를 나타내는 신호를 제어 회로(150)에게 출력하도록 구성된다.
전류 센서(130)는, 전력 라인(3)에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 예컨대, 션트 저항이나 홀 효과 소자 등이 전류 센서(130)로서 이용될 수 있다. 전류 센서(130)는, 소정 시간마다, 전력 라인(3)을 통해 흐르는 전류(이하, '배터리 전류'이라고 칭할 수 있음)를 측정하고, 측정된 배터리 전류를 나타내는 신호를 제어 회로(150)에게 출력하도록 구성된다. 배터리(B)가 방전 중에 측정되는 배터리 전류를 방전 전류로, 배터리(B)가 충전 중에 측정되는 배터리 전류를 충전 전류로 칭할 수 있다.
메모리(140)는, 후술할 실시예들에 따른 배터리 관리 방법들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터를 저장하도록 구성된다. 메모리(140)는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
제어 회로(150)는, 차량 컨트롤러(2), 스위치(30), 전압 센서(110), 온도 센서(120), 전류 센서(130), 메모리(140) 및 통신 회로(160)에 동작 가능하게 결합된다. 제어 회로(150)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
통신 회로(160)는, 전기 차량(1)의 차량 컨트롤러(2)와 통신 가능하게 결합될 수 있다. 통신 회로(160)는, 차량 컨트롤러(2)로부터의 메시지를 제어 회로(150)로 전송하고, 제어 회로(150)로부터의 메시지를 차량 컨트롤러(2)로 전송할 수 있다. 통신 회로(160)와 차량 컨트롤러(2) 간의 통신에는, 예를 들어, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 근거리 무선 네트워크가 활용될 수 있다.
제어 회로(150)는, 배터리 전압, 배터리 전류 및/또는 배터리 온도를 기초로, 배터리(B)의 SOC를 결정할 수 있다. 배터리(B)의 충방전 중의 SOC의 결정은, 전류 적산법, 칼만 필터 등과 같은 공지의 방식이 활용될 수 있다. 배터리(B)가 휴지 상태로 있는 동안의 SOC의 결정에 관하여는, 지금부터 구체적으로 설명된다.
도 2는 배터리(B)의 사용 상태에서의 충방전 이력에 의한 히스테리시스를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 커브(201)는, 배터리(B)의 방전 시의 배터리(B)의 OCV과 SOC 간의 제1 관계를 규정하는 것으로서, '제1 OCV 커브' 또는 '방전 OCV 커브'라고 칭할 수 있다. 커브(201)는, 소정의 기준 온도(예, 25℃)로 유지되는 환경에서, 배터리(B)와 동일 사양인 다른 배터리(들)이 완전 충전된 때로부터 완전 방전될 때까지, 소정의 전류 레이트(예, 0.1 C)로 방전과 휴지를 반복하는 방전 테스트 과정으로부터 미리 얻어진 데이터일 수 있다. 예컨대, 방전 테스트 과정 중, 제1 테스트 시간(예, 60분)에 걸친 방전과 제2 테스트 시간(예, 5분)에 걸친 휴지가 반복될 수 있다. 이 경우, 커브(201)의 OCV은, 방전 테스트 과정 중, 배터리(B)가 제2 테스트 시간 동안 휴지될 때마다의 배터리 전압을 나타낼 수 있다.
커브(202)는, 배터리(B)의 충전 시의 배터리(B)의 OCV과 SOC 간의 제2 관계를 규정하는 것으로서, '제2 OCV 커브' 또는 '충전 OCV 커브'라고 칭할 수 있다. 커브(202)는, 소정의 기준 온도(예, 25℃)로 유지되는 환경에서, 배터리(B)와 동일 사양인 다른 배터리(들)이 완전 방전된 때로부터 완전 충전될 때까지, 소정의 전류 레이트(예, 0.1 C)로 충전과 휴지를 반복하는 충전 테스트 과정으로부터 미리 얻어진 데이터일 수 있다. 예컨대, 충전 테스트 과정 중, 제3 테스트 정 시간(예, 60분)에 걸친 충전과 제4 테스트 시간(예, 5분)에 걸친 휴지가 반복될 수 있다. 이 경우, 커브(202)의 OCV은, 충전 테스트 과정 중, 배터리(B)가 제4 테스트 시간 동안 휴지될 때마다의 배터리 전압을 나타낼 수 있다.
커브(203)는, 제1 관계와 제2 관계의 평균을 나타내는 제3 관계를 규정하는 것으로서, '제3 OCV 커브' 또는 '평균 OCV 커브'라고 칭할 수 있다. 제1 관계와 제2 관계를 평균함에 의해, 방전에 의한 히스테리시스와 충전에 의한 히스테리시스가 서로에 의해 상쇄된다. 따라서, 제3 관계는, 배터리(B)의 히스테리시스가 완전히 해소된 때의 배터리(B)의 OCV과 SOC를 나타내는 것이라고 할 수 있다.
동일 SOC에 있어서, 커브(201)의 OCV은 방전에 의해 발생된 히스테리시스로 인하여 커브(202)의 OCV보다 낮은 반면, 커브(203)의 OCV은 충전에 의해 발생된 히스테리시스로 인하여 커브(202)의 OCV보다 높다. 예컨대, SOC = A [%]인 경우, 커브(201)의 OCV V1은 커브(202)의 OCV V2보다 낮고, 커브(203)의 OCV V3은 커브(202)의 OCV V2보다 높다. 참고로, 커브(203)는 커브(201)와 커브(202)의 평균이기 때문에, V3 = (V1 +V2)/2이다.
같은 이유로, 동일 OCV에 있어서, 커브(201)의 SOC은 커브(202)의 SOC보다 큰 반면, 커브(203)의 SOC은 커브(202)의 SOC보다 작다. 예컨대, OCV = V1 [V]인 경우, 커브(201)의 SOC A [%]은 커브(202)의 SOC B [%]보다 크고, 커브(203)의 SOC C [%]은 커브(202)의 SOC B [%]보다 작다.
도 3은 배터리(B)의 방전에 의해 발생된 히스테리시스가 휴지 상태에서 해소되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 배터리(B)의 방전 중에 키-오프 신호가 수신됨에 따라, 시점 T0부터 배터리(B)가 휴지 상태로 된다. 설명의 편의를 위해, 시점 T0에서의 배터리(B)의 실제 SOC가 A [%]라고 가정해보자.
도 2 및 도 3을 참조하면, 방전에 의한 히스테리시스가 시점 T0부터 해소되어 가면서 배터리 전압이 점차 상승한다. 시점 T1에서, 배터리 전압은 커브(201)의 OCV V1에 도달한다. 시점 T1은 시점 T0부터 어느 정도의 시간이 경과된 시점일 수 있다. 시점 T0부터 충분한 시간이 흐른다면, 배터리 전압은 커브(203)의 OCV V2에 도달하게 된다.
시점 T1 후의 시점 T2에서, 배터리 전압 Vx은 V1과 V2의 사이에 위치한다. 만약, 커브(201)를 참조할 경우, 시점 T2에서의 SOC는 D [%]로 결정된다. 반면, 커브(202)를 참조할 경우, 시점 T2에서의 SOC는 E [%]로 결정된다.
배터리(B)의 휴지 중, Vx은 V2을 향하여 점차 상승하기 때문에, Vx과 V1 간의 차이는 증가하는 반면 Vx과 V2 간의 차이는 감소함을 도 2 ?? 도 3으로부터 알 수 있다. 또한, 배터리(B)의 휴지 중, A와 D 간의 차이(ΔE1)는 증가하는 반면, A와 E 간의 차이(ΔE2)는 감소한다.
ΔE1가 ΔE2보다 작을 때에는, 커브(201)를 기초로 결정된 SOC가 커브(203)를 기초로 결정된 SOC보다 실제 SOC에 가깝다. 반면, ΔE1가 ΔE2보다 클 때에는, 커브(203)를 기초로 결정된 SOC가 커브(201)를 기초로 결정된 SOC보다 실제 SOC에 가깝다.
따라서, 제어 회로(150)는, ΔE1와 ΔE2가 서로 동일하게 될 때까지 필요한 시간의 예측치로서의 제1 전환 시간(ΔtC1)을 결정할 수 있다. 제어 회로(150)는, 시점 T0부터 제1 대기 시간(ΔtR1)이 경과된 때부터 커브(201)를 기초로 소정 시간마다 SOC를 결정하고, 시점 T0부터 제1 전환 시간(ΔtC1)이 경과된 때부터는 커브(203)를 기초로 소정 시간마다 SOC를 결정할 수 있다.
도 4는 배터리(B)의 충전에 의해 발생된 히스테리시스가 휴지 상태에서 해소되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 배터리(B)의 충전 중에 키-오프 신호가 수신됨에 따라, 시점 T10부터 배터리(B)가 휴지 상태로 된다. 설명의 편의를 위해, 시점 T10에서의 배터리(B)의 실제 SOC가 A [%]라고 가정해보자.
도 2 및 도 4를 참조하면, 충전에 의한 히스테리시스가 시점 T10부터 해소되어 가면서 배터리 전압이 점차 하강한다. 시점 T11에서, 배터리 전압은 커브(201)의 OCV V3에 도달한다. 시점 T11은 시점 T10부터 어느 정도의 시간이 경과된 시점일 수 있다. 시점 T10부터 충분한 시간이 흐른다면, 배터리 전압은 커브(201)의 OCV V2에 도달하게 된다.
시점 T11 후의 시점 T12에서, 배터리 전압 Vy은 V3과 V2의 사이에 위치한다. 만약, 커브(202)를 참조할 경우, 시점 T12에서의 SOC는 F [%]로 결정된다. 반면, 커브(203)를 참조할 경우, 시점 T12에서의 SOC는 G [%]로 결정된다.
배터리(B)의 휴지 중, Vy은 V2을 향하여 점차 하강하기 때문에, Vy과 V3 간의 차이는 증가하는 반면 Vy과 V2 간의 차이는 감소함을 도 2 ?? 도 4부터 알 수 있다. 또한, 배터리(B)의 휴지 중, A와 F 간의 차이(ΔE3)는 증가하는 반면, A와 G 간의 차이(ΔE4)는 감소한다.
ΔE3가 ΔE4보다 작을 때에는, 커브(202)를 기초로 결정된 SOC가 커브(203)를 기초로 결정된 SOC보다 실제 SOC에 가깝다. 반면, ΔE3가 ΔE4보다 클 때에는, 커브(203)를 기초로 결정된 SOC가 커브(202)를 기초로 결정된 SOC보다 실제 SOC에 가깝다.
따라서, 제어 회로(150)는, ΔE3와 ΔE4가 서로 동일하게 될 때까지 필요한 시간의 예측치로서의 제2 전환 시간(ΔtC2)을 결정할 수 있다. 제어 회로(150)는, 시점 T10부터 제2 대기 시간(ΔtR2)이 경과된 때부터 커브(202)를 기초로 소정 시간마다 SOC를 결정하고, 시점 T10부터 제2 전환 시간(ΔtC2)이 경과된 때부터는 커브(203)를 기초로 SOC를 소정 시간마다 결정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 나타낸 순서도이고, 도 6은 도 5의 방법을 위한 데이터 테이블들을 예시한다. 도 5의 방법은, 배터리(B)의 방전 중에 차량 컨트롤러(2)로부터의 키-오프 신호를 수신 시에 개시된다.
도 1 내지 도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 단계 S510에서, 제어 회로(150)는, 기준 SOC 및 기준 온도를 메모리(140)에 기록한다. 기준 SOC는, 키-오프 신호가 수신된 때의 배터리(B)의 SOC를 나타낸다. 기준 온도는, 키-오프 신호가 수신된 때의 배터리 온도를 나타낸다.
단계 S520에서, 제어 회로(150)는, 배터리(B)를 통한 전류의 흐름을 차단한다. 즉, 제어 회로(150)는, 스위치(30)를 오프시킨다. 이로써, 배터리(B)가 사용 상태로부터 휴지 상태로 된다.
단계 S530에서, 제어 회로(150)는, 기준 SOC 및 기준 온도를 기초로, 제1 대기 시간(ΔtR1) 및 제1 전환 시간(ΔtC1)을 결정한다.
제1 대기 시간(ΔtR1)은, 커브(201)를 이용하여 배터리(B)의 SOC를 결정하기 위해, 키-오프 신호가 수신된 때로부터 경과되어야 할 시간이다. 휴지 상태의 초기에는, 배터리 전압이 빠르게 상승하므로, 휴지 상태가 시작된 때부터 커브(201)를 이용하여 배터리(B)의 SOC를 결정하는 것은 적절치 않기 때문이다. 예컨대, 제1 대기 시간(ΔtR1)은, 휴지 상태의 시작 시점부터 배터리 전압의 상승 속도가 소정의 임계 속도(예, 0.01 V/분)와 동일해질 때까지 소요될 시간의 예측치이다.
제1 전환 시간(ΔtC1)은, 제1 대기 시간(ΔtR1)보다 길다. 제1 전환 시간(ΔtC1)은, 커브(201) 대신 커브(203)를 이용하여 배터리(B)의 SOC를 결정하기 위해, 키-오프 신호가 수신된 때로부터 경과되어야 할 시간이다.
도 6을 참조하면, 데이터 테이블(610)과 데이터 테이블(620)은, 메모리(140)에 저장되어 있다. 데이터 테이블(610)은, 기준 SOC, 기준 온도 및 제1 대기 시간(ΔtR1) 간의 관계를 규정하고 있다. 데이터 테이블(610)은, 기준 SOC가 동일한 경우, 상대적으로 낮은 기준 온도가 상대적으로 긴 제1 대기 시간(ΔtR1)에 연관되도록 규정하고 있다. 예컨대, 기준 SOC가 90 [%], 기준 온도가 25[℃]이면, 1 분이 제1 대기 시간(ΔtR1)으로 결정되고, 기준 SOC가 90 [%], 기준 온도가 0[℃]이면, 5 분이 제1 대기 시간(ΔtR1)으로 결정된다. 또한, 데이터 테이블(610)은, 기준 온도가 동일한 경우, 상대적으로 낮은 기준 SOC가 상대적으로 길거나 동일한 제1 대기 시간(ΔtR1)에 연관되도록 규정하고 있다. 예컨대, 기준 SOC가 80 [%], 기준 온도가 25[℃]이면, 2 분이 제1 대기 시간(ΔtR1)으로 결정되고, 기준 SOC가 70 [%], 기준 온도가 25[℃]이면, 3 분이 제1 대기 시간(ΔtR1)으로 결정된다.
데이터 테이블(620)은, 기준 SOC, 기준 온도 및 제1 전환 시간(ΔtC1) 간의 관계를 규정하고 있다. 데이터 테이블(620)은, 기준 SOC가 동일한 경우, 상대적으로 낮은 기준 온도가 상대적으로 긴 제1 전환 시간(ΔtC1)에 연관되도록 규정하고 있다. 또한, 데이터 테이블(620)은, 기준 온도가 동일한 경우, 상대적으로 낮은 기준 SOC가 상대적으로 길거나 동일한 제1 전환 시간(ΔtC1)에 연관되도록 규정하고 있다.
물론, 데이터 테이블(610)과 데이터 테이블(620)의 수치들은 이해를 돕기위한 예시적인 것이다.
대안적으로, 제1 대기 시간(ΔtR1) 및 제1 전환 시간(ΔtC1)은, 각각 미리 정해져 있을 수 있다. 이 경우, 단계 S510 및 단계 S530은 도 5의 방법으로부터 생략될 수 있다.
단계 S540에서, 제어 회로(150)는, 배터리 전압을 측정한다.
단계 S550에서, 제어 회로(150)는, 키-오프 신호가 수신된 때로부터 제1 대기 시간(ΔtR1)이 경과하였는지 여부를 판정한다. 단계 S550의 값이 "예"인 경우, 단계 S560으로 진행한다.
단계 S560에서, 제어 회로(150)는, 키-오프 신호가 수신된 때로부터 제1 전환 시간(ΔtC1)이 경과하였는지 여부를 판정한다. 단계 S560의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S570으로 진행한다. 단계 S560의 값이 "예"인 경우, 단계 S580으로 진행한다.
단계 S570에서, 제어 회로(150)는, 배터리 전압 및 제1 OCV 커브(201)를 기초로, 배터리(B)의 SOC를 결정한다.
단계 S580에서, 제어 회로(150)는, 배터리 전압 및 제3 OCV 커브(203)를 기초로, 배터리(B)의 SOC를 결정한다.
제어 회로(150)는, 차량 컨트롤러(2)로부터의 키-온 신호가 수신될 때까지, 단계 S540 ~ 단계 S580을 반복함으로써, 소정 시간마다 배터리(B)의 SOC를 결정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 나타낸 순서도이고, 도 8은 도 6의 방법을 위한 데이터 테이블들을 예시한다. 도 7의 방법은, 배터리(B)의 충전 중에 차량 컨트롤러(2)로부터의 키-오프 신호를 수신 시에 개시된다.
도 1, 도 2, 도 4, 도 7 및 도 8을 참조하면, 단계 S710에서, 제어 회로(150)는, 기준 SOC 및 기준 온도를 메모리(140)에 기록한다. 기준 SOC는, 키-오프 신호가 수신된 때의 배터리(B)의 SOC를 나타낸다. 기준 온도는, 키-오프 신호가 수신된 때의 배터리 온도를 나타낸다.
단계 S720에서, 제어 회로(150)는, 배터리(B)를 통한 전류의 흐름을 차단한다. 즉, 제어 회로(150)는, 스위치(30)를 오프시킨다. 이로써, 배터리(B)가 사용 상태로부터 휴지 상태로 된다.
단계 S730에서, 제어 회로(150)는, 기준 SOC 및 기준 온도를 기초로, 제2 대기 시간(ΔtR1) 및 제2 전환 시간(ΔtC1)을 결정한다.
제2 대기 시간(ΔtR2)은, 커브(202)를 이용하여 배터리(B)의 SOC를 결정하기 위해, 키-오프 신호가 수신된 때로부터 경과되어야 할 시간이다. 휴지 상태의 초기에는, 배터리 전압이 빠르게 하강하므로, 휴지 상태가 시작된 때부터 커브(202)를 이용하여 배터리(B)의 SOC를 결정하는 것은 적절치 않기 때문이다. 예컨대, 제2 대기 시간(ΔtR2)은, 휴지 상태의 시작 시점부터 배터리 전압의 하강 속도가 소정의 임계 속도(예, 0.01 V/분)와 동일해질 때까지 소요될 시간의 예측치이다.
제2 전환 시간(ΔtC2)은, 커브(202) 대신 커브(203)를 이용하여 배터리(B)의 SOC를 결정하기 위해, 키-오프 신호가 수신된 때로부터 경과되어야 할 시간이다.
도 8을 참조하면, 데이터 테이블(810)과 데이터 테이블(820)은, 메모리(140)에 저장되어 있다. 데이터 테이블(810)은, 기준 SOC, 기준 온도 및 제2 대기 시간(ΔtR2) 간의 관계를 규정하고 있다. 데이터 테이블(810)은, 기준 SOC가 동일한 경우, 상대적으로 낮은 기준 온도가 상대적으로 긴 제2 대기 시간(ΔtR2)에 연관되도록 규정하고 있다. 예컨대, 기준 SOC가 80 [%], 기준 온도가 25[℃]이면, 15 분이 제2 대기 시간(ΔtR2)으로 결정되고, 기준 SOC가 80 [%], 기준 온도가 0[℃]이면, 41 분이 제2 대기 시간(ΔtR2)으로 결정된다. 또한, 데이터 테이블(810)은, 기준 온도가 동일한 경우, 상대적으로 높은 기준 SOC가 상대적으로 길거나 동일한 제2 대기 시간에 연관되도록 규정하고 있다. 예컨대, 기준 SOC가 20 [%], 기준 온도가 25[℃]이면, 3 분이 제2 대기 시간으로 결정되고, 기준 SOC가 30 [%], 기준 온도가 25[℃]이면, 7 분이 제2 대기 시간으로 결정된다.
데이터 테이블(820)은, 기준 SOC, 기준 온도 및 제2 전환 시간(ΔtC2) 간의 관계를 규정하고 있다. 데이터 테이블(820)은, 기준 SOC가 동일한 경우, 상대적으로 낮은 기준 온도가 상대적으로 긴 제2 전환 시간(ΔtC2)에 연관되도록 규정하고 있다. 또한, 데이터 테이블(820)은, 기준 온도가 동일한 경우, 상대적으로 높은 기준 SOC가 상대적으로 길거나 동일한 제2 전환 시간(ΔtC2)에 연관되도록 규정하고 있다.
물론, 데이터 테이블(810)과 데이터 테이블(820)의 수치들은 이해를 돕기위한 예시적인 것이다.
대안적으로, 제2 대기 시간(ΔtR2) 및 제2 전환 시간(ΔtC2)은, 각각 미리 정해져 있을 수 있다. 이 경우, 단계 S710 및 단계 S730은 도 5의 방법으로부터 생략될 수 있다.
단계 S740에서, 제어 회로(150)는, 배터리 전압을 측정한다.
단계 S750에서, 제어 회로(150)는, 키-오프 신호가 수신된 때로부터 제2 대기 시간(ΔtR2)이 경과하였는지 여부를 판정한다. 단계 S750의 값이 "예"인 경우, 단계 S760으로 진행한다.
단계 S760에서, 제어 회로(150)는, 키-오프 신호가 수신된 때로부터 제2 전환 시간(ΔtC2)이 경과하였는지 여부를 판정한다. 단계 S760의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S770으로 진행한다. 단계 S760의 값이 "예"인 경우, 단계 S780으로 진행한다.
단계 S770에서, 제어 회로(150)는, 배터리 전압 및 제2 OCV 커브(202)를 기초로, 배터리(B)의 SOC를 결정한다.
단계 S780에서, 제어 회로(150)는, 배터리 전압 및 제3 OCV 커브(203)를 기초로, 배터리(B)의 SOC를 결정한다.
제어 회로(150)는, 차량 컨트롤러(2)로부터의 키-온 신호가 수신될 때까지, 단계 S740 ~ 단계 S780을 반복함으로써, 소정 시간마다 배터리(B)의 SOC를 결정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 전기 차량 2: 차량 컨트롤러
20: 배터리 팩 30: 스위치
40: 인버터 50: 전기 모터
100: 배터리 관리 시스템
110: 전압 센서 120: 온도 센서 130: 전류 센서
140: 메모리 150: 제어 회로 160: 통신 회로

Claims (10)

  1. 제1 개로 전압 커브, 제2 개로 전압 커브 및 제3 개로 전압 커브를 저장하도록 구성되는 메모리;
    배터리의 양단에 걸친 전압인 배터리 전압을 측정하도록 구성되는 전압 센서; 및
    상기 메모리 및 상기 전압 센서에 동작 가능하게 결합되는 컨트롤러를 포함하되,
    상기 제1 개로 전압 커브는, 상기 배터리의 방전 시의 상기 배터리의 개로 전압과 충전 상태 간의 제1 관계를 규정하고,
    상기 제2 개로 전압 커브는, 상기 배터리의 충전 시의 상기 배터리의 개로 전압과 충전 상태 간의 제2 관계를 규정하고,
    상기 제3 개로 전압 커브는, 상기 제1 관계와 상기 제2 관계의 평균을 나타내는 제3 관계를 규정하고,
    상기 제어 회로는,
    키-오프 신호를 수신 시, 상기 배터리가 휴지 상태로 되도록, 상기 배터리를 통한 전류의 흐름을 차단하고,
    상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 제1 시점부터 제2 시점까지, 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제1 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성되되,
    상기 제1 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제1 대기 시간이 경과된 시점이고,
    상기 제2 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제1 전환 시간이 경과된 시점인 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 기준 충전 상태 및 기준 온도를 기초로, 상기 제1 대기 시간 및 상기 제1 전환 시간을 결정하도록 구성되되,
    상기 기준 충전 상태는, 상기 키-오프 신호가 수신된 때의 상기 배터리의 충전 상태를 나타내고,
    상기 기준 온도는, 상기 키-오프 신호가 수신된 때의 상기 배터리의 온도를 나타내는 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 상기 제2 시점부터, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제3 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 충전 중이었다면, 제3 시점부터 제4 시점까지, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제2 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성되되,
    상기 제3 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제2 대기 시간이 경과된 시점이고,
    상기 제4 시점은, 상기 키-오프 신호가 수신 때로부터 제2 전환 시간이 경과된 시점인 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 기준 충전 상태 및 기준 온도를 기초로, 상기 제2 대기 시간 및 상기 제2 전환 시간을 결정하도록 구성되되,
    상기 기준 충전 상태는, 상기 키-오프 신호가 수신된 때의 상기 배터리의 충전 상태를 나타내고,
    상기 기준 온도는, 상기 키-오프 신호가 수신된 때의 상기 배터리의 온도를 나타내는 배터리 관리 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 충전 중이었다면, 상기 제4 시점부터, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제3 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법에 있어서,
    상기 키-오프 신호를 수신 시, 상기 배터리가 휴지 상태로 되도록, 상기 배터리를 통한 전류의 흐름을 차단하는 단계; 및
    상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 방전 중이었다면, 상기 제1 시점부터 상기 제2 시점까지, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제1 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 키-오프 신호가 수신 때에 상기 배터리가 충전 중이었다면, 상기 제3 시점부터 상기 제4 시점까지, 상기 소정 시간마다 측정되는 상기 배터리 전압 및 상기 제2 개로 전압 커브를 기초로, 상기 소정 시간마다 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
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