KR20220060997A

KR20220060997A - 배터리 관리 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20220060997A
Application number: KR1020210130842A
Authority: KR
Inventors: 이현철; 권동근; 김승현; 김안수; 신채빈
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2022-05-12
Also published as: JP7427320B2; EP4102239A1; US20230148088A1; EP4102239A4; JP2023517201A; CN115349093A; WO2022097931A1

Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 셀 각각의 SOH를 산출하는 SOH 산출부 및 상기 복수의 배터리 셀 중 SOC가 가장 낮은 제1 배터리 셀과의 SOC의 차이값이 기준치 이상인 배터리 셀을 제2 배터리 셀로 선정하고, 상기 제1 배터리 셀의 SOH와 상기 제2 배터리 셀의 SOH를 비교하여 밸런싱 대상을 판정하는 밸런싱 대상 판정부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANAGING BATTERY}

본 개시는 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 셀의 퇴화도를 고려하여 배터리 셀의 밸런싱 수행 여부를 판단할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.

또한, 이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩으로 이용된다. 그리고 배터리 팩은 배터리 관리 시스템에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다.

이러한 배터리 셀들을 포함하는 대용량 배터리를 사용하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)과 전기 자동차의 경우, 다수의 배터리 셀들이 탑재되므로 배터리 셀에 대한 밸런싱이 매우 중요하다. 특히나, 대용량의 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템의 경우에는 보증 서비스(warranty service)를 통해 일부 배터리를 교체하여 사용하는 경우도 생길 수 있다.

그러나, 이러한 경우에는 배터리의 퇴화도와 관계없이 무분별한 밸런싱이 발생되어 원하는 밸런싱 효과를 얻지도 못할 뿐 아니라, 밸런싱을 통해 배터리가 지속적으로 방전됨에 따라 배터리의 수명까지 악화시킬 수 있다.

본 개시는 배터리 셀의 밸런싱 대상을 선정하는 경우에 배터리 셀 각각의 퇴화도를 고려하여 밸런싱 수행 여부를 판단함으로써 밸런싱을 보다 효율적으로 수행할 수 있고, 안전하게 배터리를 관리할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 개시의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 상기 밸런싱 대상 판정부는 상기 제1 배터리 셀의 SOH가 상기 제2 배터리 셀의 SOH보다 크거나 같은 경우에 상기 제2 배터리 셀을 상기 밸런싱 대상으로 판정할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는 상기 밸런싱 대상으로 판정된 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행하는 밸런싱 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 상기 밸런싱 제어부는 상기 제2 배터리 셀의 SOC가 미리 설정된 구간에 포함되는 경우 밸런싱을 수행할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 상기 밸런싱 제어부는 상기 제2 배터리 셀의 SOC가 제1 기준치 이상인 제1 구간 또는 상기 배터리 셀의 SOC가 상기 제1 기준치보다 작은 제2 기준치 미만인 제2 구간 중 하나의 구간을 기준으로 밸런싱을 수행할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는 상기 제1 구간 또는 상기 제2 구간 중 상기 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행된 구간을 제외한 나머지 구간의 경우, 상기 복수의 배터리 셀들 간의 SOC의 편차에 기초하여 교체 대상 배터리 셀을 판정하는 교체 대상 판정부를 더 포함할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 상기 교체 대상 판정부는 상기 복수의 배터리 셀들 중 임의의 셀과의 SOC의 편차가 기준치 이상인 배터리 셀을 교체 대상 배터리 셀로 판정할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 상기 밸런싱 제어부는 상기 제1 구간과 상기 제2 구간 모두에 대해 밸런싱을 수행할 수 있는 경우, 상기 제1 구간에 대해 우선적으로 밸런싱을 수행할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 상기 기준치는 상기 배터리 셀과 상기 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 시스템의 사양에 기초하여 설정될 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법은 복수의 배터리 셀 각각의 SOH를 산출하는 단계, 상기 복수의 배터리 셀 중 SOC가 가장 낮은 제1 배터리 셀과의 SOC의 차이값이 기준치 이상인 배터리 셀을 제2 배터리 셀로 선정하는 단계 및 상기 제1 배터리 셀의 SOH와 상기 제2 배터리 셀의 SOH를 비교하여 밸런싱 대상을 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법의 상기 밸런싱 대상을 판정하는 단계는 상기 제1 배터리 셀의 SOH가 상기 제2 배터리 셀의 SOH보다 크거나 같은 경우에 상기 제2 배터리 셀을 상기 밸런싱 대상으로 판정할 수 있다.

본 개시의 배터리 관리 장치 및 방법에 따르면, 배터리 셀의 밸런싱 대상을 선정하는 경우에 배터리 셀 각각의 퇴화도를 고려하여 밸런싱 여부를 판단함으로써 밸런싱을 보다 효율적으로 수행할 수 있고, 안전하게 배터리를 관리할 수 있다.

도 1은 일반적인 배터리 랙의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 종래의 배터리 셀의 충방전시 SOC 거동을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 4 내지 7는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치를 통해 밸런싱을 수행하는 것을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 실행하는 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 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 개시의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 개시의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 개시의 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 개시의 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.

기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

도 1은 일반적인 배터리 랙의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 랙(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 랙(1)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고 충방전 가능한 복수의 배터리 모듈(10)과, 복수의 배터리 모듈(10)의 (+) 단자 측 또는 (-) 단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리 랙(1)의 보호를 위해 전류 차단, 충방전 모드 전환 등을 수행하는 배터리 보호 유닛(16)과, 배터리 랙(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(100)(예를 들면, RBMS)을 포함한다. 이 때, 배터리 랙(1)에는 배터리 모듈(10), 센서(12), 스위칭부(14) 및 배터리 관리 시스템(100)이 구비될 수 있다.

여기서, 스위칭부(14)는 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 소자로서, 예를 들면, 배터리 랙(1)의 사양에 따라서 적어도 하나의 릴레이, 마그네틱 접촉기 등이 이용될 수 있다.

배터리 보호 유닛(미도시)은 릴레이와 퓨즈 등을 포함하고, 배터리 관리 시스템(100)의 제어 신호에 따라 릴레이를 온/오프 제어하여 전류를 차단함으로써 배터리 랙(10)의 보호를 수행할 수 있다. 또한, 배터리 보호 유닛은 이상 전류 또는 이상 전압 발생시 퓨즈를 융단시켜 배터리 랙(1)에 인가되는 전류를 차단시킬 수 있다.

배터리 관리 시스템(100)은 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(100)은, 스위칭부(14) 예를 들어, 릴레이 또는 접촉기 등의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(10)에 연결되어 배터리 모듈(10) 각각의 상태를 감시할 수 있다.

상위 제어기(2)는 배터리 관리 시스템(100)으로 배터리 모듈(10)에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템(100)은 상위 제어기(2)로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다. 한편, 본 개시의 배터리 셀은 ESS(Energy Storage System)에 이용되는 배터리 모듈(10)에 포함된 구성일 수 있다. 그리고 이러한 경우, 상위 제어기(2)는 복수의 랙을 포함하는 배터리 뱅크의 제어기(BBMS) 또는 복수의 뱅크를 포함하는 ESS 전체를 제어하는 ESS 제어기일 수 있을 것이다. 다만, 배터리 랙(1)은 이러한 용도에 한정되는 것은 아니다.

특히, 배터리 관리 시스템(100)은 이하에서 후술하는 배터리 관리 장치를 포함하는 것으로서, 배터리 셀 각각의 퇴화도를 고려하여 배터리 셀 밸런싱의 대상을 선정할 수 있다. 즉, 도 1의 배터리 관리 시스템(100)은 도 2의 SOH 산출부(110), 밸런싱 대상 판정부(120), 밸런싱 제어부(130) 및 교체 대상 판정부(140)의 기능을 수행할 수 있다.

이와 같은 배터리 랙(1)의 구성 및 배터리 관리 시스템(100)의 구성은 공지된 구성이므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 SOH(state of health) 산출부(110), 밸런싱 대상 판정부(120), 밸런싱 제어부(130) 및 교체 대상 판정부(140)를 포함할 수 있다.

SOH 산출부(110)는 복수의 배터리 셀 각각의 SOH를 산출할 수 있다. 예를 들면, SOH 산출부(110)는 복수의 배터리 셀 각각의 SOC(state of charge)에 기초하여 SOH를 산출할 수 있다. 또한, SOH 산출부(110)는 배터리의 전압, 내부 저항, 충방전 횟수 등 각종 상태값에 기초하여 SOH를 산출할 수 있다.

밸런싱 대상 판정부(120)는 복수의 배터리 셀 중 SOC가 가장 낮은 배터리 셀(제1 배터리 셀)과의 SOC의 차이값이 기준치 이상인 배터리 셀(제2 배터리 셀)을 선정하고, 제1 배터리 셀의 SOH와 제2 배터리 셀의 SOH를 비교하여 밸런싱 대상인 배터리 셀을 판정할 수 있다. 예를 들면, 기준치는 배터리 셀과 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 시스템의 사양에 기초하여 설정될 수 있다.

구체적으로, 밸런싱 대상 판정부(120)는 제1 배터리 셀의 SOH가 제2 배터리 셀의 SOH보다 크거나 같은 경우에 제2 배터리 셀을 밸런싱 대상으로 판정할 수 있다. 즉, 밸런싱 대상 판정부(120)는 복수의 배터리 셀 중 SOC가 가장 낮은 제1 배터리 셀과의 SOC의 차이값이 기준치 이상인 제2 배터리 셀을 1차적인 밸런싱 대상으로 판단하고, 다시 제1 배터리 셀의 SOH가 제2 배터리 셀의 SOH보다 크거나 같은 경우에 제2 배터리 셀을 최종적으로 밸런싱 대상으로 선정할 수 있다.

이처럼, 밸런싱 대상 판정부(120)는 이하의 수학식 1을 만족하는 경우에 밸런싱 대상으로 판정할 수 있다.

[수학식 1]

SOH _{Min Cell} - SOH _{Each Cell[n]} ≥ 0 (n = 1, 2, 3, ??, N의 배터리 셀)

여기서, SOH _{Min Cell}은 SOC가 가장 낮은 배터리 셀(제1 배터리 셀)의 SOH 값이고, SOH _{Each Cell[n]}은 제1 배터리 셀과의 SOC의 차이값이 기준치 이상인 배터리 셀(제2 배터리 셀)의 SOH 값임.

밸런싱 제어부(130)는 밸런싱 대상 판정부(120)에 의해 밸런싱 대상으로 판정된 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행할 수 있다. 예를 들면, 밸런싱 제어부(130)는 제2 배터리 셀의 SOC가 미리 설정된 구간에 포함되는 경우에 대해 밸런싱을 수행할 수 있다. 이 경우, 밸런싱 제어부(130)는 제2 배터리 셀의 SOC가 제1 기준치 이상인 제1 구간(예: SOC 상단 구간, 충전 종료 상태) 또는 배터리 셀의 SOC가 제1 기준치보다 작은 제2 기준치 미만인 제2 구간(예: SOC 하단 구간, 방전 종료 상태) 중 하나의 구간을 기준으로 밸런싱을 수행할 수 있다.

이 때, 제1 구간과 제2 구간 모두에 대해 밸런싱을 수행할 수 있는 경우, 밸런싱 제어부(130)는 제1 구간, 즉 SOC가 상단인 구간에 대해 우선적으로 밸런싱을 수행할 수 있다. 이는 배터리 셀의 SOC가 상단인 구간을 기준으로 밸런싱을 수행하는 것이 배터리의 퇴화를 최소화할 수 있고, 배터리의 과충전을 방지할 수 있기 때문이다.

교체 대상 판정부(140)는 제1 구간 또는 제2 구간 중 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행된 구간을 제외한 나머지 구간의 경우, 복수의 배터리 셀들 간의 SOC의 편차에 기초하여 교체 대상 배터리 셀을 판정할 수 있다. 이 경우, 교체 대상 판정부(140)는 복수의 배터리 셀들 중 임의의 셀과의 SOC의 편차가 기준치(예를 들면, 15%) 이상인 배터리 셀을 교체 대상 배터리 셀로 판정할 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀들 중 임의의 셀은 복수의 배터리 셀들 중 어느 하나의 셀일 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 이러한 구성을 통해, 종래와 같이 무분별한 밸런싱을 방지할 수 있다. 즉, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치(100)에서는 SOC의 상단 또는 하단의 어느 한 지점으로 모든 배터리 셀들을 수렴하도록 하는 대신 반대 지점에서는 최대로 편차를 발생시킴으로써, 편차 진단을 통해 상대적으로 빠르게 퇴화된 배터리 셀을 검출할 수 있다.

이와 같이, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치에 따르면, 배터리 셀의 밸런싱 대상을 선정하는 경우에 배터리 셀 각각의 퇴화도를 고려하여 밸런싱 여부를 판단함으로써 밸런싱을 보다 효율적으로 수행할 수 있고, 안전하게 배터리를 관리할 수 있다.

도 3은 종래의 배터리 셀의 충방전시 SOC 거동을 예시적으로 나타내는 도면이다.

도 3의 그래프에서 가로축은 배터리 셀의 상태(State)를 나타내고, 세로축은 SOC(State of Charge)를 나타낸다. 예를 들어, 배터리 셀은 충전되는 경우 충전 종료 상태(제1 구간)가 될 수 있고, 방전되는 경우 방전 종료 상태(제2 구간)가 될 수 있다. 다른 예를 들어, SOH가 다른 직렬 연결된 배터리 셀들은 하나의 배터리 셀이 충전이 완료된 경우 충전이 종료되고, 하나의 배터리 셀의 방전이 완료된 경우 방전이 종료되기 때문에, 충전 또는 방전 종료시 서로 다른 SOC를 가질 수 있다.

배터리는 용량이 줄어드는 비율만큼 SOH가 줄어들기 때문에, 배터리의 SOH가 높은 경우가 낮은 경우에 비해 충전 또는 방전에 따른 SOC 변화가 완만하게 나타난다. 예를 들면, 100Ah의 배터리 셀의 SOH가 50%가 되었다면 결국 배터리 셀은 50Ah의 용량을 가지게 된 것이며, 이는 SOH가 100인 경우와 동일한 전류로 충방전시 SOC가 기존 대비 0% 내지 100%로 변하는 기울기가 2배가 된 것을 의미한다.

즉, 도 3에 나타낸 것과 같이, SOH가 100인 경우가 SOH가 80인 경우에 비해 기울기가 완만하게 나타남을 알 수 있다. 이러한 종래의 배터리 셀의 경우, SOC 상단 구간(예: 제1 구간)에서는 SOH 100인 배터리 셀을 기준으로 SOH 80인 배터리 셀이 밸런싱되는 반면, SOC 하단 구간(예: 제2 구간)에서는 SOH 80을 기준으로 SOH 100인 배터리 셀이 밸런싱된다.

이처럼, 종래에는 배터리 셀 각각의 SOH를 고려하지 않고 밸런싱을 수행함에 따라, SOC의 상단(제1 구간) 또는 하단(제2 구간)에서 밸런싱을 수행하는 배터리 셀이 서로 반대가 될 수 있으므로, 실질적인 밸런싱 효과를 얻지도 못할 뿐 아니라, 밸런싱에 따라 배터리 셀이 방전이 되어 배터리 모듈 또는 팩 전체적으로는 퇴화를 가속화하는 결과를 가져올 수 있다.

도 4 내지 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치를 통해 밸런싱을 수행하는 것을 나타내는 도면이다.

도 4 내지 7의 그래프도 도 3과 마찬가지로, 도 4 내지 7의 그래프에서 가로축은 배터리 셀의 상태(State)를 나타내고, 세로축은 SOC를 나타낸다. 또한, 도 3과 같이 도 4 내지 7은 SOH가 80, 90 및 100으로 높아질수록 기울기가 완만해지는 것을 알 수 있다.

먼저, 도 4를 참조하면, SOC가 상단인 구간(예: 제1 구간, 충전 종료 상태)에서는 SOH 80, 90 및 100 순으로 SOC가 낮아지고, SOC가 하단인 구간(예: 제2 구간, 방전 종료 상태)에서는 반대로 SOH 100, 90 및 80 순으로 SOC가 낮아짐을 알 수 있다.

도 4에 나타낸 것과 같이, 이러한 경우 본 개시에 따른 배터리 관리 장치에 의하면, SOC가 가장 낮은 배터리 셀(즉, SOH가 100인 배터리 셀)이 다른 배터리 셀보다 SOH가 높은 SOC 상단 구간(제1 구간)에서는 SOH 100인 배터리 셀을 기준으로 밸런싱이 수행됨을 알 수 있다.

한편, 도 4를 참조하면, SOC 하단 구간(제2 구간)에서는 SOC 상단 구간(제1 구간)에서의 밸런싱에 의해 배터리 셀 간의 SOC 편차가 이전보다 증가하였음을 알 수 있다. 이 경우에는 편차 진단을 통해 배터리 셀들 간의 SOC 차이가 많이 나는 배터리, 즉 상대적으로 퇴화가 심하게 일어난 배터리는 교체가 이루어지도록 함으로써 안전하게 배터리를 관리하도록 할 수 있다.

또한, 도 5를 참조하면, SOC 상단 구간(제1 구간)에서는 SOH 100, 80 및 90 순으로 SOC가 낮아지고, SOC 하단 구간(제2 구간)에서는 SOH 100, 90 및 80 순으로 SOC가 낮아짐을 알 수 있다.

이 경우에도 도 4와 마찬가지 방식으로, SOC 상단 구간(제1 구간)에서는 SOC가 가장 낮은 SOH 90 배터리 셀을 기준으로 SOH 80 배터리 셀에 대해 밸런싱이 수행될 수 있다. 한편, SOH 100의 배터리 셀의 경우, SOH 80, 90 배터리 셀보다 SOH가 높으므로 밸런싱이 이루어지지는 않는다.

반면, 도 5를 참조하면, SOC 하단 구간(제2 구간)에서는 SOC 상단 구간(제1 구간)에서의 밸런싱에 의해 배터리 셀 간의 SOC 편차가 이전보다 증가하였음을 알 수 있다. 이 경우에는 도 4와 마찬가지로, 편차 진단을 통해 배터리 셀들 간의 SOC 차이가 많이 나는 배터리, 즉 상대적으로 퇴화가 심하게 일어난 배터리는 교체가 이루어지도록 함으로써 안전하게 배터리를 관리하도록 할 수 있다.

그리고, 도 6을 참조하면, SOC 상단 구간(제1 구간)과 SOC 하단 구간(제2 구간)에서 모두 SOH 80, 90 및 100 순으로 SOC가 낮아짐을 알 수 있다. 이 경우에는 본 개시의 배터리 관리 장치의 동작 방식에 따르면, SOC 상단 구간(제1 구간)과 SOC 하단 구간(제2 구간) 모두 SOH 100인 배터리 셀을 기준으로 밸런싱을 수행할 수 있다.

이 때, 도 6에 나타낸 것과 같이, SOH 80, 90 및 100 배터리 셀들 간의 SOC 편차가 상대적으로 작은 SOC 하단 구간(제2 구간)을 기준으로 밸런싱이 수행될 수 있다. 이는 SOC 상단 구간(제1 구간)에서는 이미 배터리 셀들 간의 SOC 편차가 크게 나타나고 있으므로, SOC 상단 구간(제1 구간)을 기준으로 편차 진단을 수행하도록 하기 위함이다. 이처럼 SOC 상단 구간(제1 구간)에 대해서 편차 진단을 수행함으로써 퇴화가 심하게 일어나 SOC 차이가 많이 나는 배터리 셀을 교체하도록 할 수 있다.

또한, 도 7을 참조하면, SOC 상단 구간(제1 구간)에서는 SOH 80, 90 및 100 순으로 SOC가 낮아지고, SOC 하단 구간(제2 구간)에서는 SOH 80, 100 및 90 순으로 SOC가 낮아짐을 알 수 있다.

이 경우에도 앞선 경우와 마찬가지 방식으로, SOC 상단 구간(제1 구간)에서는 SOC가 가장 낮은 SOH 100 배터리 셀을 기준으로 SOH 80 및 SOH 90 배터리 셀에 대해 밸런싱이 수행될 수 있다. 한편, SOC 하단 구간(제2 구간)에서는 SOC 100 배터리 셀을 기준으로 SOH 80 배터리 셀에 대해 밸런싱이 수행될 수 있다.

이 때에는 도 7에 나타낸 것과 같이, SOC 상단 구간(제1 구간)을 기준으로 밸런싱이 수행됨을 알 수 있다. 이는 배터리 셀의 SOC가 상단인 구간(제1 구간)을 기준으로 밸런싱을 수행하는 것이 배터리의 퇴화를 최소화할 수 있고, 배터리의 과충전을 방지할 수 있기 때문이다. 또한, SOC 하단 구간(제2 구간)에 대해서는 편차 진단을 통해 배터리 셀들 간의 SOC 차이가 많이 나는 배터리는 교체가 이루어지도록 할 수 있다.

본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 각각의 배터리 셀들의 SOH의 차이 및 셀 밸런싱 후 각각의 배터리 셀들의 SOC를 기초로 편차 진단한 결과에 기반하여 교체 대상 배터리를 판정할 수 있다.

도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법은 먼저 복수의 배터리 셀 각각의 SOH를 산출할 수 있다(S110). 예를 들면, 단계 S110에서는 복수의 배터리 셀 각각의 SOC, 전압, 내부 저항, 충방전 횟수 등 각종 상태값에 기초하여 SOH를 산출할 수 있다.

또한, 복수의 배터리 셀 중 SOC가 가장 낮은 제1 배터리 셀과의 SOC의 차이값이 기준치 이상인 배터리 셀을 제2 배터리 셀로 선정한다(S120). 이 때, 기준치는 배터리 셀과 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 시스템의 사양에 기초하여 설정될 수 있다.

그리고, 제1 배터리 셀의 SOH가 제2 배터리 셀의 SOH보다 크거나 같은지 여부를 판단한다(S130). 만약, 제1 배터리 셀의 SOH가 제2 배터리 셀의 SOH보다 작은 경우(NO)에는 해당 제2 배터리 셀을 밸런싱 대상에서 제외한다.

반면, 제1 배터리 셀의 SOH가 제2 배터리 셀의 SOH보다 크거나 같은 경우(YES), 해당 제2 배터리 셀을 밸런싱 대상인 배터리 셀로 판정한다(S140). 이처럼, 단계 S120 내지 S140에서는 복수의 배터리 셀 중 SOC가 가장 낮은 제1 배터리 셀과의 SOC의 차이값이 기준치 이상인 제2 배터리 셀을 1차적인 밸런싱 대상으로 판단하고, 다시 제1 배터리 셀의 SOH가 제2 배터리 셀의 SOH보다 크거나 같은 경우에 제2 배터리 셀을 최종적으로 밸런싱 대상으로 판정할 수 있다.

다음으로, 밸런싱 대상으로 판정된 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행한다(S150). 예를 들면, 단계 S150에서는 제2 배터리 셀의 SOC가 미리 설정된 구간에 포함되는 경우에 대해 밸런싱을 수행할 수 있다. 이 경우, 제2 배터리 셀의 SOC가 제1 기준치 이상인 제1 구간(예: SOC 상단 구간, 충전 종료 상태) 또는 배터리 셀의 SOC가 제1 기준치보다 작은 제2 기준치 미만인 제2 구간(예: SOC 하단 구간, 방전 종료 상태) 중 하나의 구간을 기준으로 밸런싱을 수행할 수 있다.

만약, 제1 구간과 제2 구간 모두에 대해 밸런싱을 수행할 수 있는 경우, 단계 S150에서는 제1 구간, 즉 SOC가 상단인 구간에 대해 우선적으로 밸런싱을 수행할 수 있다. 이는 배터리 셀의 SOC가 상단인 구간을 기준으로 밸런싱을 수행하는 것이 배터리의 퇴화를 최소화할 수 있고, 배터리의 과충전을 방지할 수 있기 때문이다.

한편, 도 8에서는 나타내지 않았으나, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법은 상술한 제1 구간 또는 제2 구간 중 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행된 구간을 제외한 나머지 구간에 대하여, 복수의 배터리 셀들 간의 SOC의 편차에 기초하여 교체 대상 배터리 셀을 판정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 배터리 셀들 중 임의의 셀과의 SOC의 편차가 기준치(예를 들면, 15%) 이상인 배터리 셀을 교체 대상 배터리 셀로 판정할 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀들 중 임의의 셀은 복수의 배터리 셀들 중 어느 하나의 셀일 수 있다.

이와 같이, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법에 따르면, 배터리 셀의 밸런싱 대상을 선정하는 경우에 배터리 셀 각각의 퇴화도를 고려하여 밸런싱 여부를 판단함으로써 밸런싱을 보다 효율적으로 수행할 수 있고, 안전하게 배터리를 관리할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 실행하는 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템(30)은 MCU(32), 메모리(34), 입출력 I/F(36) 및 통신 I/F(38)를 포함할 수 있다.

MCU(32)는 메모리(34)에 저장되어 있는 각종 프로그램(예를 들면, SOH 산출 프로그램, 밸런싱 대상 판정 프로그램 등)을 실행시키고, 이러한 프로그램들을 통해 배터리 셀의 SOC, SOH 등을 포함한 각종 데이터를 처리하며, 전술한 도 2에 나타낸 배터리 관리 장치의 기능들을 수행하도록 하는 프로세서일 수 있다.

메모리(34)는 배터리 셀의 SOH 산출과 밸런싱 대상 판정에 관한 각종 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(720)는 배터리 셀 각각의 SOC, SOH 데이터 등 각종 데이터를 저장할 수 있다.

이러한 메모리(34)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수도 있을 것이다. 메모리(34)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(34)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(34)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(34)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.

입출력 I/F(36)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 MCU(32) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.

통신 I/F(340)는 서버와 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다. 예를 들면, 통신 I/F(38)를 통해 별도로 마련된 외부 서버로부터 배터리 셀의 SOH 산출이나 밸런싱 대상의 판정을 위한 프로그램이나 각종 데이터 등을 송수신할 수 있다.

이와 같이, 본 개시의 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(34)에 기록되고, MCU(32)에 의해 처리됨으로써, 예를 들면 도 2에서 도시한 각 기능들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.

이상에서, 본 개시의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 개시가 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

또한, 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 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 개시에 개시된 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 배터리 랙 2: 상위 제어기
10: 복수의 배터리 모듈 12: 센서
14: 스위칭부 30: 컴퓨팅 시스템
32: MCU 34: 메모리
36: 입출력 I/F 38: 통신 I/F
100: 배터리 관리 장치(BMS) 110: SOH 산출부
120: 밸런싱 대상 판정부 130: 밸런싱 제어부
140: 교체 대상 판정부

Claims

복수의 배터리 셀 각각의 SOH(state of health)를 산출하는 SOH 산출부; 및
상기 복수의 배터리 셀 중 SOC(state of charge)가 가장 낮은 제1 배터리 셀과의 SOC의 차이값이 기준치 이상인 배터리 셀을 제2 배터리 셀로 선정하고, 상기 제1 배터리 셀의 SOH와 상기 제2 배터리 셀의 SOH를 비교하여 밸런싱 대상을 판정하는 밸런싱 대상 판정부를 포함하는 배터리 관리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 밸런싱 대상 판정부는 상기 제1 배터리 셀의 SOH가 상기 제2 배터리 셀의 SOH보다 크거나 같은 경우에 상기 제2 배터리 셀을 상기 밸런싱 대상으로 판정하는 배터리 관리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 밸런싱 대상으로 판정된 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행하는 밸런싱 제어부를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 밸런싱 제어부는 상기 제2 배터리 셀의 SOC가 미리 설정된 구간에 포함되는 경우 밸런싱을 수행하는 배터리 관리 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 밸런싱 제어부는 상기 제2 배터리 셀의 SOC가 제1 기준치 이상인 제1 구간 또는 상기 배터리 셀의 SOC가 상기 제1 기준치보다 작은 제2 기준치 미만인 제2 구간 중 하나의 구간을 기준으로 밸런싱을 수행하는 배터리 관리 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제1 구간 또는 상기 제2 구간 중 상기 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행된 구간을 제외한 나머지 구간의 경우, 상기 복수의 배터리 셀들 간의 SOC의 편차에 기초하여 교체 대상 배터리 셀을 판정하는 교체 대상 판정부를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 교체 대상 판정부는 상기 복수의 배터리 셀들 중 임의의 셀과의 SOC의 편차가 기준치 이상인 배터리 셀을 교체 대상 배터리 셀로 판정하는 배터리 관리 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 밸런싱 제어부는 상기 제1 구간과 상기 제2 구간 모두에 대해 밸런싱을 수행할 수 있는 경우, 상기 제1 구간에 대해 우선적으로 밸런싱을 수행하는 배터리 관리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 기준치는 상기 배터리 셀과 상기 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 시스템의 사양에 기초하여 설정되는 배터리 관리 장치.
복수의 배터리 셀 각각의 SOH를 산출하는 단계;
상기 복수의 배터리 셀 중 SOC가 가장 낮은 제1 배터리 셀과의 SOC의 차이값이 기준치 이상인 배터리 셀을 제2 배터리 셀로 선정하는 단계; 및
상기 제1 배터리 셀의 SOH와 상기 제2 배터리 셀의 SOH를 비교하여 밸런싱 대상을 판정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 밸런싱 대상을 판정하는 단계는 상기 제1 배터리 셀의 SOH가 상기 제2 배터리 셀의 SOH보다 크거나 같은 경우에 상기 제2 배터리 셀을 상기 밸런싱 대상으로 판정하는 배터리 관리 방법.