KR20220047472A - 배터리 퇴화도 산출 방법 및 배터리 퇴화도 산출 장치 - Google Patents

배터리 퇴화도 산출 방법 및 배터리 퇴화도 산출 장치 Download PDF

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KR20220047472A
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Abstract

본 개시는 배터리 퇴화도 산출 방법 및 배터리 퇴화도 산출 장치에 관한 것으로, 배터리의 사용 상태가 제1 상태에서 제2 상태로 변경되는 경우, 배터리의 제1 상태에서의 지속 시간을 획득하는 단계, 획득된 지속 시간이 제1 기준 시간 이상인지를 검출하는 단계, 지속 시간이 제1 기준 시간 미만인 경우 제1 알고리즘에 기초하여 배터리의 평균 온도를 산출하고, 지속 시간이 기준 시간 이상인 경우 제2 알고리즘에 기초하여 배터리의 평균 온도를 산출하는 단계, 및 산출한 평균 온도에 기초하여 배터리의 퇴화도를 산출하는 단계를 포함하는 배터리 퇴화도 산출 방법을 제공한다.

Description

배터리 퇴화도 산출 방법 및 배터리 퇴화도 산출 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CALCULATING STATE OF HEALTH RESISTANCE OF BATTERY}
본 개시는 배터리 퇴화도 산출 방법 및 배터리 퇴화도 산출 장치에 관한 것이다.
최근 스마트폰 등 전자 기기의 보급과 전기 자동차 개발에 수반하여 전력 공급원으로서의 이차 전지에 대한 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 이차 전지는 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 동작을 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)을 포함하는 배터리 팩 형태로 제공된다.
배터리 팩은 정상적인 성능 제공을 보장하기 위하여 퇴화도(퇴화 상태)가 지속적으로 모니터링되고 있다. 배터리 팩의 퇴화도는 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 내부 저항에 기초하여 추정되는데, 배터리 셀의 내부 저항은 온도 의존성이 매우 높다. 따라서 배터리 팩의 퇴화도를 정확하게 추정하기 위해서는 배터리 셀의 정확한 온도 측정이 요구된다.
본 개시는 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 배터리 팩의 퇴화도를 정확하게 추정하는데 적합한 배터리 셀의 온도를 산출함으로써 정확한 배터리 셀의 내부 저항을 추정하고, 이에 기초하여 정확한 배터리의 퇴화도를 산출하는 것이 가능한 배터리 퇴화도 산출 방법 및 배터리 퇴화도 산출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 개시에 따른 실시예들의 일 측면에 의하면, 배터리의 사용 상태가 제1 상태에서 제2 상태로 변경되는 경우, 배터리의 제1 상태에서의 지속 시간을 획득하는 단계와, 획득된 지속 시간이 제1 기준 시간 이상인지를 결정하는 단계와, 지속 시간이 제1 기준 시간 미만인 경우 제1 알고리즘에 기초하여 배터리의 평균 온도를 산출하고, 지속 시간이 기준 시간 이상인 경우 제2 알고리즘에 기초하여 배터리의 평균 온도를 산출하는 단계와, 산출한 평균 온도에 기초하여 배터리의 퇴화도를 산출하는 단계를 포함하는 배터리 퇴화도 산출 방법을 제공한다.
이러한 본 개시에 따른 실시예의 다른 특징에 의하면, 제1 알고리즘은, 배터리가 제1 상태를 개시하기 전에 산출된 배터리의 최저 온도값과 배터리에 장착된 온도 센서의 온도 측정값을 이용하여 배터리의 평균 온도를 산출할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 제2 알고리즘은, 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 온도 측정값 및 배터리의 냉각 수단에 장착된 제2 온도 센서의 온도 측정값에 기초하여 배터리의 최저 온도값을 산출하고, 제1 온도 센서의 온도 측정값과 산출한 최저 온도값을 이용하여 배터리의 평균 온도를 산출할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 제2 알고리즘은, 배터리가 제1 상태를 개시하기 전에 산출되어 저장된 배터리의 최고 온도값과 최저 온도값의 관계를 나타내는 값을 이용하여 최저 온도값을 산출할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 온도 센서는 배터리에서 가장 고온인 영역에 배치되는 센서일 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리의 최저 온도값은 배터리가 냉각 수단과 인접하는 영역의 온도값일 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 알고리즘 및 제2 알고리즘은 배터리의 상태가 제2 상태로 변경된 시점의 초기값 설정을 위하여 사용되는 것일 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리의 상태가 제2 상태인 동안, 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 제1 위치, 배터리의 냉각 수단에 장착된 제2 온도 센서의 제2 위치, 배터리와 냉각 수단이 접하는 배터리에서의 제3 위치 사이의 열전달 모델에 기초하여 배터리의 최저 온도값을 산출할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 열전달 모델은 제1 위치와 제3 위치 사이 및 제3 위치와 제2 위치 사이 중 적어도 하나를 RC 모델로 모델링할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 지속 시간이 제1 기준 시간보다 긴 제2 기준 시간 이상인 경우, 제2 알고리즘 대신 제3 알고리즘에 의하여 평균 온도를 산출하고, 제3 알고리즘은 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 온도 측정값을 평균 온도로서 사용할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 상태는 전기차의 주차 상태이고, 제2 상태는 전기차의 주행 상태일 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 상태는 배터리를 기준 출력 미만의 출력으로 사용하는 상태이고, 제2 상태는 배터리를 기준 출력 이상의 출력으로 사용하는 상태일 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 개시에 따른 실시예들의 다른 측면에 의하면, 배터리의 사용 상태가 제1 상태에서 제2 상태로 변경되는 경우, 제1 상태의 지속 시간이 제1 기준 시간 이상인지를 결정하는 시간 비교부와, 지속 시간이 제1 기준 시간 미만인 경우 제1 알고리즘에 기초하여 배터리의 평균 온도를 산출하고, 지속 시간이 기준 시간 이상인 경우 제2 알고리즘에 기초하여 배터리의 평균 온도를 산출하는 평균 온도 산출부와, 산출한 평균 온도에 기초하여 배터리의 퇴화도를 산출하는 퇴화도 산출부를 포함하는 배터리 퇴화도 산출 장치를 제공한다.
이러한 본 개시에 따른 실시예의 다른 특징에 의하면, 제1 알고리즘은, 배터리가 제1 상태를 개시하기 전에 산출된 배터리의 최저 온도값과 배터리에 장착된 온도 센서의 온도 측정값을 이용하여 배터리의 평균 온도를 산출할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 제2 알고리즘은, 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 온도 측정값 및 배터리의 냉각 수단에 장착된 제2 온도 센서의 온도 측정값에 기초하여 배터리의 최저 온도값을 산출하고, 제1 온도 센서의 온도 측정값과 산출한 최저 온도값을 이용하여 배터리의 평균 온도를 산출할 수 있다.
이상의 구성으로 인하여, 배터리 팩의 퇴화도를 정확하게 추정하는데 적합한 배터리 셀의 온도를 산출함으로써 정확한 배터리 셀의 내부 저항을 추정하고, 이에 기초하여 정확한 배터리의 퇴화도를 산출하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 기능 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 퇴화도 산출 방법을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 4는 배터리 모듈 내부에서의 열전달 모습을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 열전달 모델링을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 6은 열전달 모델에 의하여 산출되는 온도 변화를 설명하는 그래프이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 RC 열전달 모델을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 퇴화도 산출 방법에 의하여 사용되는 파라미터들을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따라서 산출된 퇴화도를 나타내는 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 개시의 다른 실시예에 따른 RC 열전달 모델을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 퇴화도 산출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 본 개시의 다른 실시예에 따른 퇴화도 산출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 본 개시의 실시예들에 따른 배터리 관리 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(1)은 하나의 이상의 배터리 셀(11)로 이루어지고, 충방전 가능한 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 +단자 측 또는 -단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(30)와, 배터리 셀(11) 및/또는 배터리 모듈(10)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)(이하 'BMS'라고 함)을 포함한다. 또한 배터리 팩(1)은 배터리 보호유닛(BPU, Battery Protection Unit)을 더 포함할 수 있다.
배터리 모듈(10)은 충방전 가능한 하나 이상의 배터리 셀(11)을 포함한다. 배터리 모듈(10)은 요구되는 배터리 팩(1)의 사양에 따라서 복수의 배터리 셀(11)이 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 배터리 셀(11)의 개수 및 연결 형태는 요구되는 배터리 팩(1)의 출력(전압, 전류 등)에 따라서 결정될 수 있다. 배터리 모듈(10)의 출력 전압은 출력 단자인 PACK(+) 단자 및 PACK(-) 단자를 통해 팩 전압으로서 외부에 공급된다. 배터리 셀(11)은 리튬 이온(Li-ion) 전지, 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 전지, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-MH) 전지 등일 수 있으며, 충전 가능한 전지라면 이에 한정되지 않는다.
BMS(20)는 배터리 팩(1)의 전반적인 동작을 제어 및 관리한다. BMS(20)는 배터리 모듈(10)의 충방전 동작을 제어하기 위하여 스위칭부(30)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, BMS(20)는 배터리 모듈(10) 및/또는 배터리 모듈(10)에 포함된 각 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 할 수 있다. 그리고 BMS(20)에 의한 모니터링을 위해 도시하지 않은 센서나 각종 측정 모듈이 배터리 모듈(10)이나 충방전 경로, 또는 배터리 팩(1) 등의 임의의 위치에 추가로 설치될 수 있다. BMS(20)는 모니터링 한 전압, 전류, 온도 등의 측정값에 기초하여 배터리 모듈(10)의 상태를 나타내는 파라미터, 예를 들어 SOC나 SOH 등을 산출할 수 있다. 즉, BMS(20)는 후술하는 전압 측정부(21), 전류 측정부(22), 온도 측정부(23), 저장부(24) 및 제어부(25)로서의 기능을 수행할 수 있다.
BMS(20)는 배터리 팩(1)의 전반적인 동작의 제어 및 관리를 위한 명령인 컴퓨터 프로그램을 저장하는 메모리, 프로그램을 실행시키고 BMS(20)의 전체 동작을 제어하는 컨트롤러로서의 마이컴과, 센서나 측정 수단등의 입출력 장치, 기타 주변 회로 등 다양한 구성을 포함할 수 있다. 추가적으로 BMS(20)는 앞서 설명한 바와 같이, 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하기 위한 회로 구성을 포함할 수 있다.
스위칭부(30)는 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 구성이다. 스위칭부(30)는 릴레이나 MOSTET 등의 반도체 스위칭 소자가 이용될 수 있다. 스위칭부(30)는 BMS(20)에 의하여 온오프 동작이 제어될 수 있을 것이다.
배터리 팩(1)은 외부의 상위 제어기(2)와 통신 가능하게 연결될 수 있다. BMS(20)는 상위 제어기(2)로 배터리 팩(1)에 대한 각종 데이터를 전송할 수 있다. BMS(20)는 상위 제어기(2)로부터 배터리 팩(1)의 동작에 관한 제어신호를 수신할 수 있다. 또한 BMS(20)는 상위 제어기(2)로부터 배터리 팩(1)이 장착된 장치인 부하의 상태를 나타내는 신호를 수신할 수 있다. 상위 제어기(2)는 부하에 마련된 제어 시스템일 수 있다. 부하는 전기 자동차, 전기 자전거 등 배터리 팩(1)이 장착되어 배터리 팩(1)이 공급하는 전력을 사용하여 동작하는 임의의 장치일 수 있다. 배터리 팩(1)이 전기 자동차에 탑재된 경우, 상위 제어기(2)는 차량의 운행을 제어하기 위한 차량 제어기일 수 있다.
배터리 보호유닛(40)은 배터리 팩(1)의 안정적인 동작을 위한 구성들을 포함할 수 있다. 배터리 보호유닛(40)은 배터리 팩(1) 내의 온도를 제어하기 위한 냉각 수단을 포함할 수 있다. 냉각 수단은 냉각수를 이용한 수냉식, 또는 냉각 팬을 이용한 공냉식 등 임의의 방식이 사용될 수 있다. 또한 배터리 보호유닛(40)은 단락 발생 등의 이유로 과전류가 발생할 때 전류 경로를 차단하기 위한 퓨즈를 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 BMS(20)는 배터리 팩(1)의 정확한 퇴화도를 산출하기 위하여 특정 배터리 셀(11)의 온도로부터 적절한 배터리 팩(1)의 평균 온도를 산출한다. BMS(20)는 배터리 팩(1)의 최고 온도와 최저 온도를 사용하여 평균 온도를 산출한다. 평균 온도는 배터리 팩(1)의 상태에 따라서 결정되는 알고리즘에 의하여 산출될 수 있다. 이하에서는, 본 개시에 따른 배터리 팩(1)에서 배터리의 퇴화도를 산출하는 구체적인 방법에 대해서 설명한다. 여기서, 배터리의 퇴화도를 산출하는 것은 배터리 셀(11)의 퇴화도를 산출하는 것과 같은 의미로 사용될 수 있다. 또는, 배터리의 퇴화도를 산출하는 것은 배터리 모듈(10) 또는 배터리 팩(1)의 퇴화도를 산출하는 것과 같은 의미로 사용될 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 BMS(20)의 기능 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, BMS(20)는 전압 측정부(21), 전류 측정부(22), 온도 측정부(23), 저장부(24) 및 제어부(25)를 포함할 수 있다.
전압 측정부(21)는 배터리 모듈(10) 및/또는 배터리 셀(11)의 전압을 측정하도록 구성된다. 또한, 전압 측정부(21)는 배터리 셀(11)의 개방회로 전압(OCV)을 측정할 수 있다. 전압 측정부(21)는 측정한 배터리 셀(11)의 전압 및 배터리 셀(11)의 개방회로 전압 등을 제어부(25)에 제공한다. 배터리 셀(11)의 전압은 배터리 셀(11)에 전류가 흐르는 경우의 전압인 방전 전압 또는 충전 전압일 수 있다. 배터리 셀(11)의 개방회로 전압은 배터리 셀(11)에 전류가 흐르지 않는 경우에 나타나는 전압일 수 있다. 또한 전압 측정부(21)는 측정한 배터리 셀(11)의 전압 및 배터리 셀(11)의 개방회로 전압 등을 저장부(24)에 저장할 수 있다. 전압 측정부는 복수의 배터리 셀(11) 각각의 전압을 측정하도록 구성될 수 있을 것이다.
전류 측정부(22)는 배터리 셀(11)로부터 출력되는 전류를 측정하도록 구성된다. 전류 측정부(22)는 배터리 모듈(10)로부터 부하 출력되는 주 전류 경로 상에 마련된 전류 센서를 추가로 포함하는 구성일 수 있다. 전류 측정부(22)는 측정한 배터리 셀(11)의 전류를 제어부(25)에 제공한다. 또한 전류 측정부(22)는 측정한 배터리 셀(11)의 전류를 저장부(24)에 저장할 수 있다. 전류 측정부(22)가 배터리 셀(11)의 전류를 측정하는 것으로 설명하였으나, 배터리 모듈(10)의 전류를 측정하는 것으로 구현될 수도 있을 것이다. 또한 전류 측정부(22)는 복수의 배터리 셀(11) 각각에 대하여 전류를 측정하도록 구성될 수도 있을 것이다.
온도 측정부(21)는 배터리 모듈(10) 및/또는 배터리 셀(11)의 온도를 측정하도록 구성된다. 온도 측정부(23)는 배터리 모듈(10) 내의 복수의 위치 중 적어도 가장 고온일 것으로 예상되는 위치의 온도를 측정할 수 있다. 대안적으로, 온도 측정부(23)는 배터리 모듈(10) 내의 복수의 위치 각각의 온도를 측정할 수 있다. 온도 측정부(23)는 온도를 측정하고자 하는 위치에 마련된 온도 센서를 추가로 포함하는 구성일 수 있다.
온도 측정부(21)는 추가로 배터리 보호유닛(40)으로서 동작하는 냉각 수단의 소정의 위치의 온도를 측정하도록 구성된다. 온도 측정부(21)는 냉각 수단에서 가장 저온일 것으로 예상되는 위치의 온도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 가장 저온일 것으로 예상되는 위치는 냉각수가 유입되는 위치일 수 있다. 또는 가장 저온일 것으로 예상되는 위치는 냉각팬이 장착되어 냉각풍이 유입되는 위치일 수 있다.
저장부(24)는 제어부(25)의 동작에 필요한 각종 컴퓨터 프로그램을 저장할 수 있다. 저장부(24)는 후술하는 저항 산출부(250), 시간 비교부(251), 평균 온도 산출부(252) 및 퇴화도 산출부(253)가 동작하는데 필요한 수학식, 알고리즘 등이 저장될 수 있다. 즉, 저장부(24)는 배터리의 퇴화도를 산출하는데 필요한 각종 컴퓨터 프로그램이 저장될 수 있다.
저장부(24)는 제어부(25)의 동작에 따라서 발생하는 각종 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어 전압 측정부(21)가 측정한 전압 값에 대한 데이터, 전류 측정부(22)가 측정한 전류 값에 대한 데이터, 온도 측정부(23)가 측정한 온도 값에 대한 데이터, 제어부(25)가 연산에 의하여 산출한 각종 데이터 등이 저장부(24)에 저장될 수 있다.
또한 저장부(24)는 기준 저항 테이블을 저장할 수 있다. 기준 저항 테이블은 배터리의 온도와 배터리의 초기(BOL, Beginning of Life) 내부 저항을 대응시킨 테이블일 수 있다. 즉, 온도가 특정될 때, 해당 온도에서의 배터리의 초기 내부 저항을 취득할 수 있도록 하는 테이블이다.
제어부(25)는 전압 측정부(21), 전류 측정부(22), 온도 측정부(23) 및 저장부(24)의 동작을 제어한다. 제어부(25)는 전압 측정부(21), 전류 측정부(22) 및 온도 측정부(23)의 측정 결과와, 저장부(24)로부터 취득한 데이터에 기초하여 배터리의 퇴화도를 산출한다. 즉, 제어부(25)는 배터리 퇴화도 산출 장치로서의 기능을 수행한다. 제어부(25)는 저항 산출부(250), 시간 비교부(251), 평균 온도 산출부(252), 퇴화도 산출부(253)를 포함할 수 있다.
저항 산출부(250)는 배터리의 현재 내부 저항을 산출하도록 구성된다. 즉, 저항 산출부(250)는 배터리의 현재 퇴화 상태를 나타내는 파라미터를 산출할 수 있다. 저항 산출부(250)는 내부 저항을 산출하기 위하여 전압 측정부(21)가 측정한 배터리 셀(11)의 전압값, 배터리 셀(11)의 개방회로 전압의 값, 전류 측정부(22)가 측정한 전류값을 입력으로서 수신할 수 있다. 저항 산출부(250)는 특정 시점에 있어서의 배터리 셀(11)의 전압 및 배터리 셀(11)의 개방회로 전압, 그리고 전류의 값을 사용할 수 있다. 대안적으로, 저항 산출부(250)는 소정 기간 동안에 측정된 배터리 셀(11)의 전압 및 배터리 셀(11)의 개방회로 전압, 그리고 전류의 값의 평균값을 사용할 수도 있다. 이때, 저항 산출부(250)가 수신된 값들에 기초하여 평균값을 산출하도록 구성될 수도 있으며, 이미 산출된 평균값을 수신하도록 구성될 수도 있을 것이다.
저항 산출부(250)는 추가로 온도 측정부(23)가 측정한 온도값을 추가로 고려하여 현재 내부 저항을 산출할 수도 있을 것이다.
시간 비교부(251)는 배터리의 사용 상태가 제1 상태를 유지한 지속 시간(이하, 간단히 '지속 시간'이라고도 함)과 제1 기준 시간을 비교한다. 이를 위하여, 도시하지 않은 타이머에 의하여 배터리의 상태들 각각의 지속 시간을 카운트한다. 시간 비교부(251)는 배터리의 사용 상태가 제1 상태에서 제2 상태로 변경되는 경우 배터리의 제1 상태에서의 지속 시간을 획득하여 제1 기준 시간과 비교한다. 시간 비교부(251)는 상기 비교에 의하여 지속 시간이 제1 기준 시간 이상인지를 결정한다. 여기서, 제1 상태는 전기차의 주차 상태이고, 제2 상태는 전기차의 주행 상태일 수 있다. 또는 제1 상태는 배터리를 기준 출력 미만의 출력으로 사용하는 상태이고, 제2 상태는 배터리를 기준 출력 이상의 출력으로 사용하는 상태일 수 있다.
한편, 제어부(25)는 상위 제어기(2)로부터 부하의 상태에 관한 데이터를 수신할 수 있다. 또는 배터리 팩(1)의 출력을 모니터링하여 배터리 팩(1)의 상태를 판단할 수 있다. 시간 비교부(251)는 상술한 바와 같은 방법으로 배터리의 상태를 파악한 것에 기초하여 배터리의 상태들에 대한 지속 시간을 획득할 수 있을 것이다.
평균 온도 산출부(252)는 시간 비교부(251)의 비교 결과에 기초하여 평균 온도를 산출하는 알고리즘을 결정한다. 시간 비교부(251)가 지속 시간이 제1 기준 시간 이상인지를 결정하는 것으로 설명하였으나, 평균 온도 산출부(252)가 이 동작을 수행할 수도 있을 것이다.
평균 온도 산출부(252)는 지속 시간이 제1 기준 시간 미만인 경우 제1 알고리즘에 기초하여 배터리의 평균 온도를 산출한다. 제1 알고리즘은 배터리가 제1 상태를 개시하기 전에 산출된 배터리의 최저 온도값과 배터리에 장착된 온도 센서의 온도 측정값을 이용하여 배터리의 평균 온도를 산출하는 방식이다. 여기서 배터리에 장착된 온도 센서는 배터리에서 가장 고온인 영역에 배치되는 센서이다. 또는 배터리에 장착되 온도 센서는 배터리에서 가장 고온이 영역으로 추정되는 영역에 배치되는 센서이다.
평균 온도 산출부(252)는 지속 시간이 기준 시간 이상인 경우 제2 알고리즘에 기초하여 배터리의 평균 온도를 산출한다. 제2 알고리즘은 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 온도 측정값 및 배터리의 냉각 수단에 장착된 제2 온도 센서의 온도 측정값에 기초하여 배터리의 최저 온도값을 산출한다(여기서 배터리의 최저 온도값은 배터리가 냉각 수단과 인접하는 영역의 온도값일 수 있다.). 이때, 제1 상태를 개시하기 전에 산출되어 저장된 배터리의 최고 온도값과 최저 온도값 사이의 관계를 나타내는 값(비례 계수)을 이용하여 최저 온도값을 산출한다. 그후, 제1 온도 센서의 온도 측정값과 산출한 최저 온도값을 이용하여 배터리의 평균 온도를 산출한다.
평균 온도 산출부(252)가 제1 알고리즘 또는 제2 알고리즘으로 배터리의 평균 온도를 산출하여, 배터리가 제1 상태에서 제2 상태로 변경되는 경우에 사용되는 초기 평균 온도를 설정할 수 있다. 즉, 제1 알고리즘 및 제2 알고리즘은 배터리의 상태가 제2 상태로 변경된 시점의 초기값 설정을 위하여 사용되는 알고리즘일 수 있다.
퇴화도 산출부(253)는 평균 온도 산출부(252)에 의하여 산출한 평균 온도에 기초하여 배터리의 퇴화도를 산출한다. 퇴화도 산출부(253)는 초기 내부 저항값과 현재 내부 저항값에 기초하여 퇴화도를 산출한다. 예시로서, 퇴화도 산출부(235)는 초기 내부 저항값 대비 현재 내부 저항값의 변화량에 기초하여 퇴화도를 산출한다. 구체적으로는 아래와 같은 [수학식 1]에 의하여 퇴화도를 산출할 수 있다.
Figure pat00001
SOHR(State of Health Resistance), Resistance_current 및 Resistance_BOL은 각각 퇴화도, 현재 내부 저항값, 초기 내부 저항값을 나타낸다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 퇴화도 산출 방법을 개략적으로 설명하는 도면이다.
저항 산출부(250)는 전압 측정부(21)가 측정한 배터리 셀(11)의 전압값, 배터리 셀(11)의 개방회로 전압의 값, 전류 측정부(22)가 측정한 전류값이 입력된다. 저항 산출부(250)에 입력되는 전압값은 배터리 셀(11)의 평균 전압값인 Average Cell Voltage 일 수 있다. 저항 산출부(250)에 입력되는 개방회로 전압값도 배터리 셀(11)의 개방회로 전압값의 평균값인 Average OCV 일 수 있다. 저항 산출부(250)는 입력된 전압값, 개방회로 전압값 및 전류값에 기초하여 현재 내부 저항 Rcal 을 산출한다. 저항 산출부(250)는 추가로 배터리 셀(11)의 온도를 고려하여 현재 내부 저항을 산출할 수 있다. 내부 저항을 산출하는 방법은 공지된 여러 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 재귀 최소자승법(Recursive Least Square method)을 통해 등가회로 모델(ECM, Equivalent Circuit Model)의 저항값을 추정하는 방식으로 내부 저항을 산출할 수 있다. 그러나 이러한 내부 저항 산출 방법은 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다.
평균 온도 산출부(252)는 배터리 셀(11)의 최대 온도값 Tcell_max, 최소 온도값 Tcell_min, 냉각 수단에서의 온도값 Tcoolant 가 입력된다. 평균 온도 산출부(252)는 시간 비교부(251)에 의한 비교 결과에 기초하여 상술한 입력값들을 이용하여 제1 알고리즘 또는 제2 알고리즘을 통해 평균 온도 Tcell_avg 를 산출한다. 산출한 평균 온도는 제1 상태에서 제2 상태로 변경되었을 때, 제2 상태에서의 초기 평균 온도값으로서 설정한다.
퇴화도 산출부(253)는 저항 산출부(250)에서 산출된 현재 내부 저항값인 Rcal 이 입력된다. 퇴화도 산출부(253)는 평균 온도 산출부(252)에서 산출된 평균 온도값인 Tcell_avg 이 입력된다. 퇴화도 산출부(253)는 평균 온도값인 Tcell_avg를 이용하여 기준 저항 테이블(240)에서 해당 온도에서의 배터리의 초기 내부 저항 Rref 를 검색하여 취득한다. 최종적으로 퇴화도 산출부(253)는 현재 내부 저항값 Rcal 과 기준 내부 저항값 Rref 에 기초하여 퇴화도를 산출한다.
본 개시에 있어서, 제어부(25)가 배터리 퇴화도 산출 장치에 대응하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전압 측정부(21), 전류 측정부(22), 온도 측정부(23) 및 저장부(24) 중 적어도 일부를 더 포함하는 구성이 배터리 퇴화도 산출 장치에 해당하는 것으로 이해할 수도 있을 것이다.
퇴화도 산출 방법에 있어서, 종래에는 배터리 내에 특정 온도 센서의 측정값을 어떠한 변환 없이 그대로 이용하여 기준 내부 저항을 산출하였다. 그 결과 부정확한 퇴화도가 산출되어 배터리의 정확한 수명을 파악할 수 없다는 문제가 존재하였다. 또한 종래에는 배터리의 상태와 무관하게 배터리의 퇴화도를 산출한다는 점에 있어서도 정확한 퇴화도를 산출할 수 없다는 문제가 존재하였다.
그러나, 본 개시에 따른 배터리 퇴화도 산출 장치는 상술한 바와 같이 배터리의 평균 온도를 산출함에 있어서, 배터리의 상태가 제1 상태에서 제2 상태로 변경될 때, 제1 상태에서의 지속 시간에 따라서 배터리의 평균 온도를 산출하는 알고리즘을 다르게 하였다. 이에 더하여, 본 개시에 따른 배터리 퇴화도 산출 장치는 배터리의 평균 온도를 산출함에 있어서, RC 열전달 모델을 이용하여 배터리의 최저 온도를 산출함으로써, 퇴화도 산출에 적합한 배터리의 평균 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
이하에서는 먼저 배터리의 최저 온도를 산출하는 방법에 대해서 자세히 설명한다.
도 4는 배터리 모듈(10) 내부에서의 열전달 모습을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 배터리 모듈(10)의 상단의 제1 위치에 제1 온도 센서(230)가 마련된다. 제1 위치는 배터리 모듈(10) 내에서 온도가 가장 높을 것으로 예상되는 위치이다. 제1 온도 센서(230)는 배터리 모듈(10) 내에서 가장 고온인 영역에 배치될 수 있다. 배터리 모듈(10)의 일측에는 배터리 모듈(10)을 냉각하기 위한 냉각 수단(400)이 마련된다. 냉각 수단(400)은 수냉식의 냉각 장치이며, 유로에 냉각수가 흐름으로써 배터리 모듈(10)의 과열을 방지한다. 냉각 수단(400)에서 냉각수가 유입되는 위치인 제2 위치에 제2 온도 센서(231)가 마련된다. 제2 위치는 배터리 팩(1) 내에서 온도가 가장 낮을 것으로 예상되는 위치이다. 제2 온도 센서(231)는 배터리 팩(1) 내에서 가장 저온인 영역에 배치될 수 있다.
이러한 배터리 팩(1)의 내부를 가정하면, 배터리 모듈(10)의 제1 위치에서 배터리 모듈(10)과 냉각 수단(400)이 서로 인접한 영역인 제3 위치로 열전달이 발생하고, 그 후 제3 위치에서 냉각 수단(400)의 제2 위치로 열전달이 발생한다. 제3 위치는 배터리 모듈(10) 내에서 온도가 가장 낮을 것으로 예상되는 위치이다. 여기서 제1 위치를 제1 노드(n1), 제2 위치를 제2 노드(n2), 제3 위치를 제3 노드(n3)로 나타내기로 한다.
제1 노드(n1)에서 제2 노드(n2)로의 열전달 및 제2 노드(n2)에서 제3 노드(n3)로의 열전달은 서로 접촉한 두 고체 사이의 열전달로 해석할 수 있다. 이러한 고체 사이의 열전달을 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 열전달 모델링을 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 도 5를 참조하면, 고체 B는 온도가 일정(
Figure pat00002
)하다고 가정하고, 고체 A와의 접촉면(A)에서 열전달이 발생한다. 고체 A의 내부 에너지의 변화율
Figure pat00003
와 표면 열전달률
Figure pat00004
사이의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
또는
Figure pat00006
여기서, k는 열전도도(W/m·k), L은 두 고체(중심)간 거리(m), ρ, V, c는 각각 고체A의 밀도(kg/m3), 부피(m3), 비열(J/kg·K)를 나타낸다.
[수학식 3]에 나타낸 온도차를 아래 [수학식 4]와 같이 정의한다.
Figure pat00007
Figure pat00008
이고, 만약
Figure pat00009
가 일정하다면 [수학식 4]는 [수학식 5]와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00010
위 [수학식 5]에서 변수를 분리하고 시간 t=0에 대한 초기 조건 T(0)=T_i에 대하여 적분을 하면 [수학식 6]을 얻을 수 있다.
Figure pat00011
여기서
Figure pat00012
이고, 적분을 수행하여 값을 구하면 [수학식 7] 또는 [수학식 8]이 된다.
Figure pat00013
Figure pat00014
[수학식 7]을 이용하면 고체가 어떤 온도 T에 도달하는데 필요한 시간을 구할 수 있다. 역으로, [수학식 8]을 이용하면 어떤 시간 t에서 고체가 도달하는 온도를 계산할 수 있다. [수학식 8]을 통해 시간 t가 무한대에 접근함에 따라 고체 A와 일정한 온도를 유지하는 고체 B의 온도차(
Figure pat00015
)는 지수적으로 감소하여 0이 되는 것을 이해할 수 있다. 다시 말해, t가 무한대에 접근함에 따라 고체 A의 온도가 고체 B의 온도(
Figure pat00016
)에 접근함을 의미한다. 이러한 거동이 도 6에 도시된다.
도 6은 열전달 모델에 의하여 산출되는 온도 변화를 설명하는 그래프이다. 도 6은 열적 시간상수(thermal time constant)에 대한 고체 A의 과도적 온도 응답을 나타낸다.
[수학식 8]로부터
Figure pat00017
는 열적 시간상수라는 의미로 해석할 수 있으며, 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00018
Rth는 열전도 저항이며, Cth는 고체 A의 집중 열용량(lumped thermal capacitance)이다. Rth 또는 Cth의 증가는 열적 환경의 변화에 대하여 고체가 보다 더 천천히 반응하게 하는 것을 의미한다. 이러한 현상은 전기 RC 회로에서 저항을 통해 커패시터가 방전할 때 나타나는 전압의 감소와 매우 유사하다고 볼 수 있다.
위와 같은 열전달 원리에 기반한 고체의 열전달 모델을 배터리 모듈(또는 배터리 팩)에 적용하여 배터리 셀의 온도를 계산할 수 있다.
다시 도 4로 돌아와서 설명을 계속하도록 한다.
배터리 모듈(10) 내에서 가장 온도가 낮을 것으로 예상되는 영역이 배터리 모듈(10) 내 최외곽 배터리 셀(11)의 하단부(점선으로 표시된 영역)(제3 노드(n3))이다. 그리고 화살표로 나타낸 것과 같이 제1 노드(n1)에서 제3 노드(n3)로, 그리고 제3 노드(n3)에서 제2 노드(n2)로 열전달 경로를 단순화할 수 있다. 그렇다면 제1 노드(n1)와 제3 노드(n3) 사이의 열전달을 두 고체 사이의 열전달로 해석할 수 있다. 즉, 두 고체는 배터리 모듈(10)의 온도값을 대표하는 가상의 고체와 최외곽 배터리 셀(11)의 하단부이다. 또한 제3 노드(n3)와 제2 노드(n2) 사이의 열전달은 또 다른 두 고체 사이의 열전달로 해석할 수 있다. 즉, 두 고체는 최외곽 배터리 셀(11)의 하단부와 냉각수의 온도를 대표하는 가상의 고체이다. 제1 노드(n1), 제2 노드(n2) 및 제3 노드(n3)를 전기 RC 회로 형태로 표현하면 다음과 같다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 RC 열전달 모델을 나타내는 도면이다.
앞서 설명한 Cth 는 최외곽 배터리 셀(11) 하단부의 집중 열용량에 해당하므로 두 개의 커패시터에서 Cth는 동일하다. 반면, 열전도 저항은 가상의 두 고체간의 특성에 의하여 결정되므로 R1과 R2는 상이하다.
Figure pat00019
,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
이다.
BMS(20)에서 실시간 온도 계산을 위해서는 [수학식 8]의 시간에 대한 미분형을 사용하여야 하며, 결과적으로 [수학식 10]과 같다.
Figure pat00022
열전달 경로를 단순화하였기 때문에,
Figure pat00023
의 이론값과 실제값 사이에 차이가 발생할 수 있다. 따라서 배터리의 발열/냉각 조건 시험 결과 등을 활용하여 추가 보정이 필요할 수 있다. 이러한 보정 요소를 최소화하려면 단순화하면서도 온도 변화에 지배적인 열전달 핵심 경로를 놓치지 않고 모델링하는 것이 필요할 것이다.
최종적으로 보정된 식은 다음 [수학식 11]과 같다.
Figure pat00024
수학식 11을 이용하여 배터리 모듈(10)을 도 7과 같이 단순화한 2 RC 모델에 적용하면 [수학식 12]로 나타낼 수 있다. 한편, 가상 고체의 열전달 모델에서는 고체 온도가 일정하다고 가정하였는데, 실제로는 제1 위치의 온도와 제2 위치의 온도는 시간에 따라서 변한다. 하지만 Δt를 작게 함으로써, 미세 시간 차이 동안 두 온도가 일정하다고 간주할 수 있다.
Figure pat00025
Tn1, Tn2는 각각 제1 위치 및 제2 위치에서의 온도를 나타낸다.
구하고자 하는 배터리 셀(11)의 최외곽 셀의 온도는 다음과 같다.
Figure pat00026
결론적으로, 제1 온도 센서 및 제2 온도 센서로 측정된 2 개의 온도값인 Tn1, Tn2, 그리고 Tn-1(이전 스텝에서 계산된 최외곽 셀 온도)에 대한 함수임을 수 있다.
Figure pat00027
이상과 같은 RC 모델에 기초하여 배터리 모듈(10)에 있어서 최저 온도를 산출할 수 있다. 또한 산출한 최저 온도에 기초하여 평균 온도를 산출할 수 있다. 평균 온도 산출부(252)는 다음과 같이 평균 온도를 산출할 수 있다.
Figure pat00028
Tcell_max는 제1 위치에 마련된 제1 온도 센서가 측정한 온도값일 수 있다. 또한 앞서 유도한 RC 모델의 수식에서는 Tn1에 대응한다. Tcell_min은 제3 위치의 온도일 수 있다. 또한 앞서 유도한 RC 모델의 수식에서는 Tn에 대응한다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 퇴화도 산출 방법에 의하여 사용되는 파라미터들을 나타내는 도면이다.
①은 최고 온도인 제1 온도 센서의 온도값, ②는 냉각 수단의 온도인 제2 온도 센서의 온도값, ③은 RC 모델에 의하여 추정된 배터리 모듈(10)의 최저 온도값, ④는 실제 배터리 모듈(10)의 최저 온도값(최저 온도값의 참값), ⑤는 평균 온도값이다.
종래에는 ①로 도시한 제1 온도 센서의 온도값을 그대로 이용하여 배터리의 퇴화도를 산출하였다. 그러나 본 개시에 따른 실시예들에서는 ③ 값을 RC 모델에 의하여 추정하고, ③값을 이용하여 ⑤로 나타내는 평균 온도값을 산출한 후, 산출한 평균 온도값에 기초하여 배터리의 퇴화도를 산출하였다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따라서 산출된 퇴화도를 나타내는 도면이다.
본 개시에 따른 실시예들에 의하여 산출된 배터리의 퇴화도를 삼각형으로 나타낸다. 종래기술에 의하여 산출된 배터리의 퇴화도를 사각형으로 나타낸다. 종래기술에 의하는 경우에 비하여 본 개시에 따른 실시예들에 의하여 산출된 배터리의 퇴화도가 오차율이 낮은 것으로 나타났다.
도 10a 내지 도 10c는 본 개시에 따른 RC 모델의 다양한 변형례를 나타낸다.
도 7, 도 10a 내지 도 10c에서 도시한 바와 같이, 배터리의 상태가 제2 상태인 동안, 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 제1 위치, 배터리의 냉각 수단에 장착된 제2 온도 센서의 제2 위치, 배터리와 냉각 수단이 접하는 배터리에서의 제3 위치 사이의 열전달 모델에 기초하여 배터리의 최저 온도값을 산출할 수 있다. 이때, 열전달 모델은 제1 위치와 제3 위치 사이 및 제3 위치와 제2 위치 사이 중 적어도 하나를 RC 모델로 모델링할 수 있다.
또한 도시하지는 않았으나, 도 10a 내지 도 10c에 도시한 모델을 적용하기 위하여 적절한 수의 온도 센서가 적절한 위치에 추가될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 배터리 모듈(10) 내의 복수의 위치에 마련된 복수의 온도 센서가 추가적으로 이용될 수 있으며, 추가적으로/대안적으로 냉각 수단(400)의 복수의 위치에 마련된 복수의 온도 센서가 이용될 수도 있을 것이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 퇴화도 산출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 전기차인 차량을 운행하는 경우(S100), 배터리에서 차량으로 구동을 위한 전력이 공급된다. 차량의 운행 동안 배터리의 제1 위치의 온도를 측정한다(S101). 제1 위치는 배터리에서 가장 온도가 높을 것으로 예상되는 위치이다. 그리고 배터리의 제2 위치의 온도를 측정한다(S102). 제2 위치는 배터리에서 가장 온도가 낮을 것으로 예상되는 위치이다. 예를 들어, 제2 위치는 냉각 수단의 일 부분일 수 있다. 그리고 제1 위치의 온도와 제2 위치의 온도, 그리고 RC 모델링에 기초하여 배터리의 제3 위치의 온도를 산출한다. 제3 위치는 배터리 모듈(10) 내의 배터리 셀(11)들 중에서 가장 온도가 낮을 것으로 예상되는 위치이다. 제3 위치는 배터리 모듈(10)이 냉각 수단(400)과 인접하는 영역일 수 있다.
제3 위치의 온도가 산출되면 제1 위치의 온도와 제3 위치의 온도를 사용하여 평균 온도를 산출하고(S104), 산출한 평균 온도에 기초하여 기준 내부 저항을 취득한다(S105).
한편으로, 평균 온도의 산출 동작과 동시에, 또는 그 전후에 현재 내부 저항을 산출하는 동작을 수행한다. 이를 위해, 배터리의 전압 및 전류를 측정한다(S106). 그리고 측정한 전압값 및 전류값을 이용하여 배터리의 현재 내부 저항을 추정한다(S107).
S105 단계에서 취득한 기준 내부 저항과, S107 단계에서 추정한 현재 내부 저항에 기초하여 배터리의 퇴화도를 산출한다(S108).
이상과 같이, 본 개시에 따른 배터리 퇴화도 산출 방법은, 배터리의 평균 온도를 산출함에 있어서, RC 열전달 모델을 이용하여 배터리의 최저 온도를 산출함으로써, 퇴화도 산출에 적합한 배터리의 평균 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 결과적으로 정확한 배터리의 기준 내부 저항을 취득할 수 있어 정확한 배터리 퇴화도 산출이 가능하다.
앞서 설명한 상황, 즉 배터리의 상태가 제1 상태인 동안 또는 제2 상태인 동안, 즉 상태의 변동이 없는 동안에는 상술한 RC 모델에 기초한 열전달 해석을 통하여 배터리 셀의 평균 온도를 산출할 수 있다. 반면, 배터리의 상태가 제1 상태에서 제2 상태로 변경되는 것과 같이 상태 변동이 발생하는 경우에는 평균 온도의 산출을 위한 초기 온도 설정을 달리할 필요가 있다. 이에 본 개시에 따른 실시예들에서는 다음과 같은 적어도 2개의 서로 다른 알고리즘으로 초기 평균 온도를 산출한다.
도 12는 본 개시의 다른 실시예에 따른 퇴화도 산출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12를 설명하기에 앞서, 제어부(25)는 차량 등의 부하가 제1 상태로 진입하는 경우 다음과 같은 종료 프로세스를 수행한다. 종료 프로세스는 차량이 주차 상태로 진입하는 경우에 수행되는 프로세스일 수 있다. 또는 종료 프로세스는 배터리의 출력이 기준 출력 미만이 되는 경우에 수행되는 프로세스일 수 있다.
종료 프로세스는 차량이 제1 상태에서 제2 상태로 변경되는 경우 사용할 초기 최저 온도값에 관한 데이터를 저장하는 프로세스이다. 종료 프로세스에서는 다음과 같은 비례 계수를 산출하여 저장부(24)에 저장한다.
Figure pat00029
Tn 은 제3 위치에서의 온도, 즉 최저 온도값을 나타낸다. Tn 은 도 3에서의 Tcell_min에 대응할 수 있다. Tn1 은 제1 위치에서의 온도, 즉 최대 온도값을 나타낸다. Tn1 은 도 3에서의 Tcell_max에 대응할 수 있다. Tn2 는 제2 위치에서의 온도값을 나타낸다. Tn2 는 도 3에서의 Tcoolant에 대응할 수 있다.
제어부(25)는 상기와 같이 산출된 비례 계수와 최저 온도값 Tn을 저장부(24)에 저장해 둔다.
상기와 같이 비례 계수 및 최저 온도값이 저장되고, 제어부(25)는 차량의 상태를 계속해서 모니터링 한다(S200). 차량의 상태를 모니터링하는 것은 배터리의 상태를 모니터링하는 것일 수 있다. 또는 차량의 상태를 모니터링하는 것은 상위 제어기(2)로부터 차량의 상태에 관한 신호를 수신하는 것일 수 있다. 그리고 제어부(25)는 제1 상태로 유지되는 지속 시간을 카운트한다(S201). 제어부(25)는 제1 상태에서 다른 상태로 변경되는지를 모니터링하고, 제1 상태에서 다른 상태로 변경되었다고 판단하는 경우(S201의 No), 차량이 제2 상태로 변경되었는지를 판단한다(S202). 제어부(25)가 차량이 제2 상태로 변경되었다고 판단하는 경우(S202의 Yes), 배터리가 제1 상태에서 유지된 지속 시간을 획득한다(S203).
제어부(25)는 획득한 지속 시간이 제1 기준 시간 이상인지를 판단한다(S204). 기준 시간은 예를 들어 30분일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로, 기준 시간은 1분, 5분, 10분, 30분, 1시간 등 임의의 적절한 시간일 수 있다.
지속 시간이 제1 기준 시간 미만인 경우, 제어부(25)는 제1 알고리즘을 이용하여 평균 온도를 산출한다. 제1 알고리즘은 배터리가 제1 상태를 개시하기 전에 산출된 배터리의 최저 온도값과 배터리에 장착된 온도 센서의 온도 측정값을 이용하여 배터리의 평균 온도를 산출한다. 즉, 제1 알고리즘에서는 제1 상태를 개시하기 전에 산출되어 저장되어 있는 배터리의 최저 온도값을 그대로 사용한다.
한편, 지속 시간이 제1 기준 시간 이상인 경우, 제어부(25)는 제2 알고리즘을 이용하여 평균 온도를 산출한다(S207). 제2 알고리즘은 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 온도 측정값 및 배터리의 냉각 수단에 장착된 제2 온도 센서의 온도 측정값에 기초하여 배터리의 최저 온도값을 산출한다. 이때, 배터리가 제1 상태를 개시하기 전에 산출되어 저장된 비례 계수를 이용하여 최저 온도값을 산출한다. 예를 들어, Tn = Tn2 + k(Tn1 - Tn2)과 같은 계산에 의하여 최저 온도값을 산출할 수 있다. 이후 제2 알고리즘에서는 제1 온도 센서의 온도 측정값과 산출한 최저 온도값을 이용하여 배터리의 평균 온도를 산출한다.
또한 추가적인 실시예로서, 도 12의 S206 단계에 도시한 바와 같이, 지속 시간이 제1 기준 시간 이상이라고 판단된 경우에는 지속 시간이 제2 기준 시간 이상인지를 추가로 판단할 수 있다. 제2 기준 시간은 제1 기준 시간보다 긴 시간이다. S206 단계에서 지속 시간이 제2 기준 시간 이상이라고 판단된 경우, 제2 알고리즘 대신 제3 알고리즘에 의하여 평균 온도를 산출할 수 있다(S208). 제3 알고리즘은 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 온도 측정값을 평균 온도로서 그대로 사용하는 방식이다. 예를 들어, 차량이 주차 상태로 긴 시간 유지된 경우, 배터리의 최고 온도값, 최저 온도값 및 냉각 수단의 온도값이 사실상 동일할 수 있다. 따라서 제1 상태로 유지된 시간이 제2 기준 시간 이상인 경우에는 최고 온도값 자체를 평균 온도로서 사용할 수 있다.
제1 내지 제3 알고리즘 중 어느 하나의 방식으로 평균 온도가 산출되면, 산출된 평균 온도에 기초하여 앞서 설명한 것과 마찬가지 방식으로 기준 내부 저항을 산출한다(S209). 그리고 산출한 기준 내부 저항과 현재 내부 저항을 사용하여 배터리의 퇴화도를 산출한다(S210).
이상과 같이, 본 개시에 따른 배터리 퇴화도 산출 장치 및 방법은, 배터리의 평균 온도를 산출함에 있어서, 배터리의 상태가 제1 상태에서 제2 상태로 변경될 때, 제1 상태에서의 지속 시간에 따라서 배터리의 평균 온도를 산출하는 알고리즘을 다르게 함으로써 정확한 배터리의 평균 온도를 산출할 수 있게 된다. 결과적으로 정확한 배터리의 퇴화도를 산출할 수 있게 된다.
도 13은 본 개시의 실시예들에 따른 BMS(20)의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, BMS(20)는 컨트롤러(MCU)(200), 메모리(201), 통신 인터페이스(202) 및 입출력 인터페이스(203)를 포함할 수 있다.
MCU(200)는 BMS(20) 내의 각종 동작 및 연산의 처리와 각 구성의 제어를 수행한다.
메모리(201)에는 운영체제 프로그램 및 MCU(200)의 기능을 수행하기 위한 프로그램이 기록된다. 메모리(201)는 휘발성 메모리 및 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(201)는 RAM, ROM, 플래시 메모리 등의 반도체 메모리, 자기 디스크, 광 디스크 등 각종 저장매체 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다. 메모리(201)는 MCU(200)에 내장된 메모리일 수도 있으며, MCU(200)와는 별도로 설치된 추가적인 메모리일 수도 있다.
통신 인터페이스(202)는 외부와 유선 및/또는 무선으로 통신 가능한 구성이다.
입출력 인터페이스(203)는 각종 입력신호 및 출력신호의 입출력을 수행한다.
MCU(200)가 메모리(201)에 저장된 프로그램을 실행함으로써 BMS(20)의 제어부(25)에 포함된 각 구성의 기능을 수행할 수 있다. 또한 MCU(200)가 메모리(201)에 저장된 프로그램과 입출력 인터페이스(203)를 통하여 수신되는 각종 측정 신호에 기초하여 전압 측정부(21), 전류 측정부(22) 및 온도 측정부(23)로서의 기능을 수행할 수 있다.
메모리(201)는 저장부(24)로서의 기능을 수행할 수 있을 것이다. 또한 MCU(200)가 통신 인터페이스(202)와 함께 동작하여 상위 제어기(2)와 통신하는 통신 수단으로서의 기능을 수행할 수 있을 것이다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 배터리 팩 10 배터리 모듈
11 배터리 셀 20 배터리 관리 시스템(BMS)
21 전압 측정부 22 전류 측정부
23 온도 측정부 24 저장부
25 제어부 250 저항 산출부
251 시간 비교부 252 평균 온도 산출부
253 퇴화도 산출부 30 스위칭부
40 배터리 보호 유닛(BPU)

Claims (15)

  1. 배터리의 사용 상태가 제1 상태에서 제2 상태로 변경되는 경우, 상기 배터리의 상기 제1 상태에서의 지속 시간을 획득하는 단계;
    상기 획득된 지속 시간이 제1 기준 시간 이상인지를 결정하는 단계;
    상기 지속 시간이 제1 기준 시간 미만인 경우 제1 알고리즘에 기초하여 상기 배터리의 평균 온도를 산출하고, 상기 지속 시간이 기준 시간 이상인 경우 제2 알고리즘에 기초하여 상기 배터리의 평균 온도를 산출하는 단계; 및
    상기 산출한 평균 온도에 기초하여 상기 배터리의 퇴화도를 산출하는 단계;를 포함하는 배터리 퇴화도 산출 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 알고리즘은,
    상기 배터리가 상기 제1 상태를 개시하기 전에 산출된 상기 배터리의 최저 온도값과 상기 배터리에 장착된 온도 센서의 온도 측정값을 이용하여 상기 배터리의 평균 온도를 산출하는 배터리 퇴화도 산출 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 알고리즘은,
    상기 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 온도 측정값 및 상기 배터리의 냉각 수단에 장착된 제2 온도 센서의 온도 측정값에 기초하여 상기 배터리의 최저 온도값을 산출하고,
    상기 제1 온도 센서의 온도 측정값과 상기 산출한 최저 온도값을 이용하여 상기 배터리의 평균 온도를 산출하는 배터리 퇴화도 산출 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 알고리즘은,
    상기 배터리가 제1 상태를 개시하기 전에 산출되어 저장된 상기 배터리의 최고 온도값과 최저 온도값의 관계를 나타내는 값을 이용하여 상기 최저 온도값을 산출하는 배터리 퇴화도 산출 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 온도 센서는 상기 배터리에서 가장 고온인 영역에 배치되는 센서인 배터리 퇴화도 산출 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 배터리의 최저 온도값은 상기 배터리가 상기 냉각 수단과 인접하는 영역의 온도값인 배터리 퇴화도 산출 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 알고리즘 및 제2 알고리즘은 상기 배터리의 상태가 상기 제2 상태로 변경된 시점의 초기값 설정을 위하여 사용되는 배터리 퇴화도 산출 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리의 상태가 상기 제2 상태인 동안,
    상기 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 제1 위치, 상기 배터리의 냉각 수단에 장착된 제2 온도 센서의 제2 위치, 상기 배터리와 상기 냉각 수단이 접하는 상기 배터리에서의 제3 위치 사이의 열전달 모델에 기초하여 상기 배터리의 최저 온도값을 산출하는 배터리 퇴화도 산출 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 열전달 모델은 상기 제1 위치와 제3 위치 사이 및 상기 제3 위치와 상기 제2 위치 사이 중 적어도 하나를 RC 모델로 모델링한 배터리 퇴화도 산출 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 지속 시간이 제1 기준 시간보다 긴 제2 기준 시간 이상인 경우,
    상기 제2 알고리즘 대신 제3 알고리즘에 의하여 평균 온도를 산출하고,
    상기 제3 알고리즘은 상기 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 온도 측정값을 상기 평균 온도로서 사용하는 배터리 퇴화도 산출 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 상태는 전기차의 주차 상태이고,
    상기 제2 상태는 전기차의 주행 상태인 배터리 퇴화도 산출 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 상태는 상기 배터리를 기준 출력 미만의 출력으로 사용하는 상태이고,
    상기 제2 상태는 상기 배터리를 기준 출력 이상의 출력으로 사용하는 상태인 배터리 퇴화도 산출 방법.
  13. 배터리의 사용 상태가 제1 상태에서 제2 상태로 변경되는 경우, 상기 제1 상태의 지속 시간이 제1 기준 시간 이상인지를 결정하는 시간 비교부;
    상기 지속 시간이 제1 기준 시간 미만인 경우 제1 알고리즘에 기초하여 상기 배터리의 평균 온도를 산출하고, 상기 지속 시간이 기준 시간 이상인 경우 제2 알고리즘에 기초하여 상기 배터리의 평균 온도를 산출하는 평균 온도 산출부; 및
    상기 산출한 평균 온도에 기초하여 상기 배터리의 퇴화도를 산출하는 퇴화도 산출부;를 포함하는 배터리 퇴화도 산출 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 알고리즘은,
    상기 배터리가 상기 제1 상태를 개시하기 전에 산출된 상기 배터리의 최저 온도값과 상기 배터리에 장착된 온도 센서의 온도 측정값을 이용하여 상기 배터리의 평균 온도를 산출하는 배터리 퇴화도 산출 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2 알고리즘은,
    상기 배터리에 장착된 제1 온도 센서의 온도 측정값 및 상기 배터리의 냉각 수단에 장착된 제2 온도 센서의 온도 측정값에 기초하여 상기 배터리의 최저 온도값을 산출하고,
    상기 제1 온도 센서의 온도 측정값과 상기 산출한 최저 온도값을 이용하여 상기 배터리의 평균 온도를 산출하는 배터리 퇴화도 산출 장치.
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