KR20210115277A - 배터리 관리 장치 및 배터리 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

배터리 관리 장치 및 이를 이용한 배터리 관리 방법이 개시된다. 본 발명에 따르면, 각각의 배터리 셀별 SoC에 각각의 배터리 셀별 SoH에 따른 변화량을 적용하여 동작 전압 범위를 벗어날 위험이 큰 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있고, 선별된 고위험군 배터리 셀을 기준으로 배터리 팩의 대표 SoH를 산출한 후 이를 이용하여 배터리 팩의 실제 사용 가능한 용량을 산출할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 배터리 관리 방법{Battery management system and battery management method}
본 발명은 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 동작 전압 범위를 벗어날 위험이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하고, 이를 통해 배터리 팩의 실제 사용가능 용량을 산출할 수 있는 배터리 관리 장치 및 이를 이용한 배터리 관리 방법에 관한 것이다.
전기 자동차의 배터리 관리 장치(Battery Management System; BMS)에 사용되는 배터리의 상태(SoC : State Of Charge, SoH : State Of Health, 내부 저항 등)를 추정하는 일반적인 방법으로서, 다수개의 배터리 셀들을 대표하는 배터리 팩 대표 전압을 선정하여 배터리의 상태를 판단하는 방법이 있다.
배터리 관리 장치는 이렇게 판단한 배터리 상태를 이용하여 충전시 상한 전압과 방전시 하한 전압 사이에서 배터리가 충방전 될 수 있는 전류 제한값을 산출한다. 이는 충방전시 배터리 셀의 전압이 상,하한 전압의 경계 즉, 동작 전압 범위를 벗어나는 것이 반복되면 배터리 셀의 열화가 진행되어 배터리 수명에 부정적인 영향을 끼치게 되기 때문이다. 하지만 실제 배터리 팩은 생산 초기에서부터 각 배터리 셀간의 상태에 편차가 존재하며, 이러한 편차는 전기 자동차가 구동됨에 따라 더 증가할 수 있다. 이렇게 배터리 셀간 편차가 증가할 경우, 다수개의 배터리 셀들의 대표 전압을 이용한 배터리 상태 추정 또한 오차가 증가하게 된다.
도 1a는 이상적인 배터리 팩의 경우의 시간에 따른 단자 전압의 변화를 나타낸다. 도 1a를 참고하면 이상적인 배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀은 내부 저항, 전류 용량 등이 동일하여 시간에 따른 단자 전압의 감소율이 일정하여 서로 동일한 단자 전압을 가지므로 어느 하나의 배터리 셀 또는 배터리 셀들의 평균 전압을 대표 전압으로 하여 배터리 상태를 판단하는 것에 문제가 없다.
이에 반해 도 1b는 실제 배터리 팩의 경우의 시간에 따른 단자 전압의 변화를 나타낸다. 도 1b를 참고하면 실제 배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀은 내부 저항, 전류 용량 등이 서로 상이하여 시간에 따른 단자 전압의 감소율이 서로 상이하므로 단순히 어느 하나의 배터리 셀 또는 배터리 셀들의 평균 전압을 대표 전압으로 하여 배터리의 상태를 추정하게 되면 오차가 발생하게 된다.
배터리 상태 추정시 오차가 발생하게 되면 상태 추정에 기반한 전류 제한값 산출시에도 오차가 발생하게 되는데, 이렇게 되면 충방전시 동작 전압 범위를 벗어나 지속적으로 열화가 진행되는 배터리 셀이 생기게 되고 결국은 배터리팩 전체의 효율이 감소할 수 있음은 물론 배터리 팩의 안정성이 감소하여 전기 자동차가 구동중 멈추는 위험이 초래될 수 있다.
따라서 이를 방지하기 위해서는, 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태를 파악할 필요가 있고, 배터리 셀들 중 동작 전압의 상한값 또는 하한값에 먼저 도달하여 열화가 진행될 가능성이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하여 특별히 관리할 필요가 있다.
공개특허공보 제10-2013-0110355호
본 발명은 복수개의 배터리 셀들 중 동작 전압의 상한값 또는 하한값에 먼저 도달하여 열화가 진행될 가능성이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하는 장치 및 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 충전시 단자 전압 또는 방전시 단자 전압이 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하는 배터리 관리 장치로서, 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 상태 정보 산출부; 및 상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 셀 선별부;를 포함하고, 상기 상태 정보 산출부가 산출하는 상기 상태 정보는 SoC(State of Charge) 및 SoH(State of Health) 중 하나 이상을 포함하며, 상기 셀 선별부는 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC 및 상기 배터리 셀들 각각의 SoH 중 하나 이상의 상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 셀 선별부는 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC에, 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있다.
또한, 상기 셀 선별부는 상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하고, 상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
또한, 상기 셀 선별부는 상기 배터리 셀들 중 가장 낮은 SoH를 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
또한, 상기 셀 선별부는 상기 배터리 셀들의 초기 사용 가능 용량을 기준으로 상기 선별된 고위험군 배터리 셀에 1C-rate로 전류가 흐르다고 가정했을 때, 상기 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 방전되기까지의 시간과, 상기 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 충전되기까지의 시간을 합산한 값인 K에, 하기 수학식을 적용하여 상기 배터리 팩의 대표 SoH를 산출할 수 있다.
Figure pat00001
(여기서, SoHpack은 상기 배터리 팩의 대표 SoH이고, K의 단위는 시간(hr)임)
한편, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출하는 용량 산출부를 더 포함할 수 있고, 상기 용량 산출부가 산출하는 상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량은, 하기 수학식을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00002
(여기서, CPpack은 상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량이고, SoHpack은 상기 배터리 팩의 대표 SoH이며, CPBOL은 배터리 셀의 초기 사용 가능 용량임)
본 발명에 따른 배터리 관리 방법은, 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 충전시 단자 전압 또는 방전시 단자 전압이 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하는 배터리 관리 장치를 이용한 배터리 관리 방법으로서, 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 단계; 및 상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계;를 포함하며, 상기 상태 정보는 SoC 및 SoH 중 하나 이상을 포함하며, 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계는, 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC 및 상기 배터리 셀들 각각의 SoH 중 하나 이상의 상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계에서는, 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC에, 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있다.
또한, 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계에서는, 상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하고, 상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
또한, 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계에서는, 상기 배터리 셀들 중 가장 낮은 SoH를 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 관리 방법은 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계 이후에, 상기 배터리 셀들의 초기 사용 가능 용량을 기준으로 상기 선별된 고위험군 배터리 셀에 1C-rate로 전류가 흐르다고 가정했을 때, 상기 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 방전되기까지의 시간과, 상기 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 충전되기까지의 시간을 합산한 값인 K에, 하기 수학식을 적용하여 상기 배터리 팩의 대표 SoH를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
Figure pat00003
(여기서, SoHpack은 상기 배터리 팩의 대표 SoH이고, K의 단위는 시간(hr)임)
또한, 상기 배터리 팩의 대표 SoH를 산출하는 단계 이후에 하기 수학식을 통해 상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
Figure pat00004
(여기서, CPpack은 상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량이고, SoHpack은 상기 배터리 팩의 대표 SoH이며, 상기 CPBOL은 배터리 셀의 초기 사용 가능 용량임)
본 발명에 따르면, 각각의 배터리 셀별 SoC에 각각의 배터리 셀별 SoH에 따른 변화량을 적용하여 동작 전압 범위를 벗어날 위험이 큰 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 선별된 고위험군 배터리 셀을 기준으로 배터리 팩의 대표 SoH를 산출한 후 이를 이용하여 배터리 팩의 실제 사용 가능한 용량을 산출할 수 있다.
도 1a는 이상적인 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 시간에 따른 단자 전압의 변화를 나타낸 도면이다.
도 1b는 실제 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 시간에 따른 단자 전압의 변화를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 배터리 관리 장치(Battery Management System; BMS)를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 관리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 SoC의 변화량을 나타낸 도면이다.
도 5는 고위험군 배터리 셀을 이용하여 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 배터리 관리 방법의 흐름을 나타내는 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2는 종래의 배터리 관리 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 배터리 관리 장치(10)는 배터리 팩(20)으로부터 팩 대표 전압, 전류 및 온도를 전달받아 상태 정보 산출부(11)에서 배터리 팩(20)의 대표 SoC(State of Charge)와 배터리 팩(20)의 대표 SoH(State of Health) 및 배터리 팩(20)의 대표 내부 저항(Rs)을 산출한다. 이렇게 산출된 상기 대표 SoC, 대표 SoH 및 대표 내부 저항(Rs)를 이용하여 전류 산출부(12)에서 배터리 팩(20)이 동작 전압 범위 내에서 충방전될 수 있도록 하는 전류 제한값이 산출되고, 상기 전류 제한값이 VCU(vehicle Control Unit)(30)에 전달되어 상기 전류 제한값 이내의 전류가 배터리 팩(20)에 흐르도록 부하가 조절될 수 있는 것이다.
이때, 부하는 모터를 제어하는 인버터, 배터리 팩(20)을 충전하기 위한 충전장치 등이 될 수 있다.
다만 상술한 바와 같이, 이상적인 배터리 팩과는 달리 실제 배터리 팩의 경우에는 배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀의 내부 저항, 전류 용량 등이 서로 상이하여 시간에 따른 단자 전압의 감소율이 서로 상이하고 시간이 지날수록 단자 전압의 값에 편차가 심해지게 된다.
따라서, 배터리 팩의 안정성 및 효율을 위해서는 배터리 셀들 중 동작 전압의 상한값 또는 하한값에 먼저 도달하여 열화가 진행될 가능성이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하여 특별히 관리할 필요성이 있다.
또한, 배터리 팩에 허용되는 전류의 제한값을 정확히 계산하기 위해서도 상기 고위험군 배터리 셀을 선별할 필요가 있다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 관리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(1000)는 상태 정보 산출부(100) 및 셀 선별부(200)를 포함한다.
여기서, 상태 정보 산출부(100)는 배터리 팩(20)으로부터 측정된 배터리 팩(20) 또는 배터리 셀들 각각의 온도, 배터리 셀들 각각의 전압 및 배터리 팩(20)의 전류 중 적어도 하나 이상을 전달받아, 상태 정보로서 상기 배터리 셀들 각각의 SoC(State of Charge) 및 SoH(State of Health) 중 하나 이상을 산출할 수 있다. 이렇게 산출된 배터리 셀들 각각의 상태 정보는 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위해 셀 선별부(200)에 전달된다.
이때, 상기 전압, 전류 및 온도 등은 소정의 시간 간격을 가지고 측정된다.
한편, 상기 전압, 전류 및 온도 등을 이용하여 SoC 또는 SoH를 산출하는 방법은 공지된 기술이므로 본 발명에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
셀 선별부(200)는 상태 정보 산출부(100)로부터 전달받은 배터리 셀 각각의 상태 정보를 이용하여 고위험군 배터리 셀을 선별하는 구성이다.
보다 구체적으로, 셀 선별부(200)는 현재 측정시점의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC 및 상기 배터리 셀들 각각의 SoH 중 하나 이상의 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있다.
도 4는 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 SoC의 변화량을 나타낸 도면이다.
도 4를 더 참고하여 설명하면, 셀 선별부(200)는 현재 측정시점(tk)에서의 배터리 셀들 각각의 SoC를 상태 정보 산출부(100)로부터 전달받아 상기 배터리 셀들 각각의 SoC에 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용하여 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있다.
예를 들어, 셀 선별부(200)는 현재 측정시점(tk)에서의 배터리 셀들 각각의 SoC에 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 SoC 변화량을 적용한 결과, 가장 먼저 SoC 100%에 도달하는 배터리 셀, 즉, 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
여기서, 상술한 SoH에 따른 SoC 변화량을 적용한다는 것의 의미는, 각 배터리 셀들의 SoH값을 기울기로 환산하여 해당 배터리 셀의 SoC 변화량으로 적용한다는 의미이다.
보다 구체적으로 설명하기 위해 하기 수학식 1 내지 수학식 3을 들어 설명한다.
배터리 셀의 방전용량은 하기 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00005
이때, 배터리 셀들은 직렬로 연결되므로 모든 배터리 셀에는 전류가 동일하게 인가되고, 따라서 각 배터리 셀의 방전용량은 동일하다.
한편, SoC는 하기 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00006
따라서, 전류 I가 일정한 값을 가지는 경우 SoC의 시간에 따른 함수는 SoH와의 관계에서 하기 수학식 3을 만족하게 된다.
[수학식 3]
Figure pat00007
결과적으로, SoH가 작은 배터리 셀일수록 시간에 따른 SoC를 나타내는 직선 그래프는 가파른 기울기를 가지고, SoC 100% 또는 SoC 0%에 먼저 도달하게 된다.
도 4의 예시에서는, 셀 A가 가장 먼저 SoC 100%에 도달하여 완전 충전될 배터리 셀인 것을 알 수 있다. 이때, 셀 선별부(200)는 셀 A를 고위험군 배터리 셀로 선별한다.
이와 달리, 서로 상태 편차를 가지는 여러 배터리 셀들 중 셀 A가 아닌 다른 배터리 셀을 기준으로 대표 SoC를 선정하거나, 모든 배터리 셀들의 SoC 평균값을 대표 SoC로 선정하는 경우, 다른 배터리 셀들(셀 B,C,D)은 아직 충전이 완료되지 않은 상태에서 셀 A가 가장 먼저 충전이 완료되면서 동작 전압의 상한값을 초과하여 과충전될 수 있고, 이것이 반복되어 셀 A가 열화 되어 배터리 팩 전체의 수명에 악영향을 끼칠 위험이 있다.
또는, 셀 선별부(200)는 현재 측정시점(tk)에서의 배터리 셀들 각각의 SoC에 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 SoC 변화량을 적용한 결과, 가장 먼저 SoC 0%에 도달하는 배터리 셀 즉, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
도 4의 예시에서는, 셀 C가 가장 먼저 SoC 0%에 도달하여 완전 방전될 배터리 셀인 것을 알 수 있다. 이때, 셀 선별부(200)는 셀 C를 고위험군 배터리 셀로 선별한다.
이와 달리, 서로 편차를 가지는 여러 배터리 셀들 중 셀 C가 아닌 다른 배터리 셀을 기준으로 대표 SoC를 선정하거나, SoC의 평균값을 대표 SoC로 선정하는 경우, 다른 배터리 셀들(셀 A,B,D)은 아직 방전이 완료되지 않은 상태에서 셀 C가 가장 먼저 방전이 완료되어 동작 전압의 하한값 미만까지 과방전될 수 있고, 이것이 반복되면 셀 C가 열화 되어 배터리 팩 전체의 수명에 악영향을 끼칠 위험이 있다.
또는, 셀 선별부(200)는 배터리 셀들 중 가장 낮은 SoH를 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
SoH가 낮은 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하는 이유는, SoH가 낮은 상태인 배터리 셀은 구동에 의한 열화가 진행된 상태이거나 제작 당시의 공차 또는 결함에 의해 내부 저항이 높은 상태일 수 있고 동일한 전류로 충전 또는 방전될 때 배터리 셀의 단자 전압이 동작 전압을 벗어날 위험이 크기 때문이다.
도 4의 예시에서는, 기울기가 가장 크게 나타나는 셀 C가 가장 낮은 SoH를 갖는 배터리 셀이므로 셀 C가 고위험군 배터리 셀로 선별된다.
한편, 상술한 동작 전압이란 배터리 셀이 열화되지 않고 안정적으로 충방전될 수 있는 전압 범위로서, 예를 들어 동작 전압의 상한값은 4.2V(SoC 100%), 하한값은 2.7V(SoC 0%)로 기정해진 값일 수 있다.
셀 선별부(200)는 상술한 바와 같이 고위험군 배터리 셀을 선별한 후, 선별된 고위험군 배터리 셀의 정보를 전류 산출부(400)에 제공할 수 있다.
한편, 전류 산출부(400)에서는 다음 측정시점에 상기 선별된 고위험군 배터리 셀의 단자 전압이 동작 전압의 상한값 또는 하한값에 도달한다고 가정했을 때의 단자 전압 변화량을 상기 고위험군 배터리 셀의 내부 저항으로 나누어 상기 전류 제한값을 산출할 수 있다.
또한, 전류 산출부(400)는, 산출된 고위험군 배터리 셀이 둘 이상인 경우에는 각각의 고위험군 배터리 셀을 대표로 하여 산출된 전류 제한값 중 가장 작은 값을 최종 전류 제한값으로 산출할 수 있다.
이때, 전류 제한값은 전체 배터리 셀들 중 고위험군 배터리 셀의 정보를 이용하여 산출되므로, 종래와 같은 대표값 선정을 통해 산출될 때보다 정확한 값으로 산출된다. 뿐만 아니라, 상기 전류 제한값은 모든 배터리 셀들의 정보가 아닌 고위험군 배터리 셀의 정보만을 이용하여 산출되므로 계산 부하가 종래와 비교하여 크게 증가하지 않는다.
한편, 본 발명의 배터리 관리 장치(1000)는, 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출하는 용량 산출부(300)를 더 포함할 수 있다.
도 5는 용량 산출부(300)가 고위험군 배터리 셀을 이용하여 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 어떻게 계산하는지 설명하기 위한 도면으로서, 이하부터는, 도 5를 더 참고하여 설명한다.
용량 산출부(300)가 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출하기에 앞서, 셀 선별부(200)는 배터리 셀들의 초기 사용 가능 용량을 기준으로 상기 선별된 고위험군 배터리 셀에 1C-rate로 전류가 흐르다고 가정했을 때, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점(tk)으로부터 완전 방전되기까지의 시간과 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점(tk)으로부터 완전 충전되기까지의 시간을 계산하여 합산한 값(K)을 산출할 수 있다.
여기서, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀이 완전 방전되기까지의 시간 및 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀이 완전 충전되기까지의 시간은 각각 해당 배터리 셀들의 현재 측정시점(tk)에서의 SoC를 이용하여 계산된다.
이때, C-rate란 Current rate를 의미하는 방전율로서, 배터리 셀의 충방전 전류(A)/배터리 셀의 용량(Ah)으로 나타낼 수 있다.
즉, 초기 사용 가능 용량이 200Ah인 배터리 셀을 1C-rate로 방전하는 경우 1시간을 사용할 수 있고, 2C-rate로 방전하는 경우 0.5시간을 사용할 수 있다는 의미가 된다.
예를 들어 도 5를 참고하면, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀인 셀 C는 현재 측정시점(tk)에서 SoC가 50%이므로, 셀 선별부(200)는 1C-rate로 전류가 흐를 때 셀 C의 완전 방전까지 0.5*60(hr)=0.5hr이 걸리는 것으로 계산할 수 있다.
또한, 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀인 셀 A는 현재 측정시점에서 SoC가 70%이므로, 셀 선별부(200)는 1C-rate로 전류가 흐를 때 셀 A의 완전 충전까지 0.3*60(hr)=0.3hr이 걸리는 것으로 계산할 수 있다.
셀 선별부(200)는 이렇게 계산된 시간을 합하여 K를 산출한 후, 하기 수학식 4를 적용하여 배터리 팩의 대표 SoH를 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00008
이때, SoHpack은 상기 배터리 팩의 대표 SoH이고, K의 단위는 시간(hr)이다.
여기서, 상기 K는 배터리 셀들 중 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀과 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀을 이용하여 산출된 값이므로 상기 K를 이용하면 신뢰도 높은 배터리 팩의 대표 SoH를 구할 수 있다.
도 5의 예시에서는, K가 0.5+0.3=0.8로 산출되며, 상기 수학식 4를 통해 배터리 팩의 대표 SoH는 80%로 산출된다.
이렇게 산출된 배터리 팩의 대표 SoH를 이용하여 용량 산출부(300)는 하기 수학식 5를 통해 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00009
여기서, CPpack은 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량이고, SoHpack은 셀 선별부(200)에서 산출한 배터리 팩의 대표 SoH이며, CPBOL은 배터리 셀의 초기 사용 가능 용량이다.
도 5의 예시에서는, 배터리 팩의 대표 SoH가 80%로 산출되었으므로 배터리 셀의 초기 사용 가능용량(CPBOL)을 200Ah라고 할 때, 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량은 160Ah로 산출된다.
이와 같이 본 발명의 배터리 관리 장치는, 각각의 배터리 셀별 SoC에 각각의 배터리 셀별 SoH에 따른 변화량을 적용하여 동작 전압 범위를 벗어날 위험이 큰 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있고, 이렇게 선별된 고위험군 배터리 셀은 최적화된 배터리 팩 전류 제한값을 산출하기 위한 기준 배터리 셀로 사용될 수 있으므로 전류 제한값이 정확하게 산출될 수 있고, 배터리 팩의 안정성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 관리 장치는, 선별된 고위험군 배터리 셀을 기준으로 배터리 팩의 대표 SoH를 산출한 후 이를 이용하여 배터리 팩의 실제 사용 가능한 용량을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 관리 장치에 있어서, 선별된 고위험군 배터리 셀들은 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 열화가 빨리 진행될 가능성이 있는 배터리 셀이므로, 배터리 팩에 포함되는 전체 배터리 셀들 중 상기 고위험군 배터리 셀들은 우선적으로 교체 여부를 판단받을 대상으로서 지속적으로 관리될 수 있다. 즉, 배터리 팩 전체가 교체될 필요는 없으므로 배터리 팩의 효율적인 유지, 관리가 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 배터리 관리 방법의 흐름을 나타내는 순서도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 앞서 설명한 배터리 관리 장치(1000)에 의해 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 먼저, 상태 정보 산출부(100)가 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출한다(S100).
보다 구체적으로, 본 단계(S100)에서는, 상태 정보 산출부(100)가 배터리 팩(20)으로부터 측정된 배터리 팩(20) 또는 배터리 셀들 각각의 온도, 배터리 셀들 각각의 전압 및 배터리 팩(20)의 전류 중 적어도 하나 이상을 전달받아, 상태 정보로서 상기 배터리 셀들 각각의 SoC 및 SoH 중 하나 이상을 산출할 수 있다. 이렇게 산출된 배터리 셀들 각각의 상태 정보는 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위해 셀 선별부(200)에 전달된다.
다음으로, 셀 선별부(200)가 상기 상태 정보를 이용하여 고위험군 배터리 셀을 선별한다(S200).
이때, 본 단계(S200)에서는, 셀 선별부(200)가 현재 측정시점에서의 배터리 셀들 각각의 SoC 및 배터리 셀들 각각의 SoH 중 하나 이상의 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 단계(S200)에서는 셀 선별부(200)가 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC에, 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용하여 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있다.
여기서, 셀 선별부(200)는 상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하고, 상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 관리 방법은 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계(S200) 이후에, 배터리 셀들의 초기 사용 가능 용량을 기준으로 상기 선별된 고위험군 배터리 셀에 1C-rate로 전류가 흐르다고 가정했을 때, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 방전되기까지의 시간과, 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 충전되기까지의 시간을 합산한 값인 K에, 상기 수학식 4를 적용하여 배터리 팩의 대표 SoH를 산출하는 단계(S300)를 더 포함할 수 있다.
이때, 본 단계(S300)는 배터리 관리 장치(1000)의 셀 선별부(200)에서 수행될 수 있다.
또한, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀이 완전 방전되기까지의 시간 및 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀이 완전 충전되기까지의 시간은, 각각 해당 배터리 셀들의 현재 측정시점에서의 SoC를 이용하여, 셀 선별부(200)에서 계산될 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 관리 방법은 상기 배터리 팩의 대표 SoH를 산출하는 단계(S300) 이후에, 상기 수학식 5를 통해 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출하는 단계(S400)를 더 포함할 수 있다.
이때, 본 단계(S400)는 배터리 관리 장치(1000)의 용량 산출부(300)에서 수행될 수 있다.
이외의 본 발명의 배터리 관리 방법에 대한 더욱 자세한 설명은, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(1000)에 대한 상술한 설명으로 갈음할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 배터리 관리 방법은, 각각의 배터리 셀별 SoC에 각각의 배터리 셀별 SoH에 따른 변화량을 적용하여 동작 전압 범위를 벗어날 위험이 큰 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있고, 이렇게 선별된 고위험군 배터리 셀은 최적화된 배터리 팩 전류 제한값을 산출하기 위한 기준 배터리 셀로 사용될 수 있으므로 전류 제한값이 정확하게 산출될 수 있고, 배터리 팩의 안정성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 관리 방법은, 선별된 고위험군 배터리 셀을 기준으로 배터리 팩의 대표 SoH를 산출한 후 이를 이용하여 배터리 팩의 실제 사용 가능한 용량을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 관리 방법에 있어서, 선별된 고위험군 배터리 셀들은 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 열화가 빨리 진행될 가능성이 있는 배터리 셀이므로, 배터리 팩에 포함되는 전체 배터리 셀들 중 상기 고위험군 배터리 셀들은 우선적으로 교체 여부를 판단받을 대상으로서 지속적으로 관리될 수 있다. 즉, 배터리 팩 전체가 교체될 필요는 없으므로 배터리 팩의 효율적인 유지, 관리가 가능하다.
본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1, 1000: 배터리 관리 장치
10, 100: 종래의 상태 정보 산출부
20, 400: 종래의 전류 산출부
200: 셀 선별부
300: 용량 산출부

Claims (12)

  1. 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 충전시 단자 전압 또는 방전시 단자 전압이 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하는 배터리 관리 장치로서,
    상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 상태 정보 산출부; 및
    상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 셀 선별부;를 포함하고,
    상기 상태 정보 산출부가 산출하는 상기 상태 정보는 SoC(State of Charge) 및 SoH(State of Health) 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 셀 선별부는 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC 및 상기 배터리 셀들 각각의 SoH 중 하나 이상의 상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 선별부는,
    현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC에, 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 선별부는,
    상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하고, 상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀 선별부는,
    상기 배터리 셀들 중 가장 낮은 SoH를 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 셀 선별부는,
    상기 배터리 셀들의 초기 사용 가능 용량을 기준으로 상기 선별된 고위험군 배터리 셀에 1C-rate로 전류가 흐르다고 가정했을 때, 상기 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 방전되기까지의 시간과, 상기 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 충전되기까지의 시간을 합산한 값인 K에, 하기 수학식 1을 적용하여 상기 배터리 팩의 대표 SoH를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00010

    (여기서, SoHpack은 상기 배터리 팩의 대표 SoH이고, K의 단위는 시간(hr)임)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출하는 용량 산출부를 더 포함하고,
    상기 용량 산출부가 산출하는 상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량은, 하기 수학식 2를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
    [수학식 2]
    Figure pat00011

    (여기서, CPpack은 상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량이고, SoHpack은 상기 배터리 팩의 대표 SoH이며, CPBOL은 배터리 셀의 초기 사용 가능 용량임)
  7. 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 충전시 단자 전압 또는 방전시 단자 전압이 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하는 배터리 관리 장치를 이용한 배터리 관리 방법으로서,
    상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 단계; 및
    상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계;를 포함하며,
    상기 상태 정보는 SoC 및 SoH 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계는, 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC 및 상기 배터리 셀들 각각의 SoH 중 하나 이상의 상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계에서는,
    현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC에, 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계에서는,
    상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하고, 상기 현재 측정시점에서의 상기 배터리 셀들 각각의 SoC를 기준으로 상기 배터리 셀들 각각의 SoH에 따른 상기 SoC의 변화량을 적용했을 때, 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계에서는,
    상기 배터리 셀들 중 가장 낮은 SoH를 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계 이후에,
    상기 배터리 셀들의 초기 사용 가능 용량을 기준으로 상기 선별된 고위험군 배터리 셀에 1C-rate로 전류가 흐르다고 가정했을 때, 상기 가장 먼저 완전 방전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 방전되기까지의 시간과, 상기 가장 먼저 완전 충전될 배터리 셀이 상기 현재 측정시점으로부터 완전 충전되기까지의 시간을 합산한 값인 K에, 하기 수학식 3을 적용하여 상기 배터리 팩의 대표 SoH를 산출하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00012

    (여기서, SoHpack은 상기 배터리 팩의 대표 SoH이고, K의 단위는 시간(hr)임)
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 대표 SoH를 산출하는 단계 이후에,
    하기 수학식 4를 통해 상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
    [수학식 4]
    Figure pat00013

    (여기서, CPpack은 상기 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량이고, SoHpack은 상기 배터리 팩의 대표 SoH이며, 상기 CPBOL은 배터리 셀의 초기 사용 가능 용량임)
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