KR20220062224A - 차량 배터리 관리 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20220062224A
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황도성
백기승
김동일
이윤준
양보람
홍기철
김익규
이성일
이재신
이영우
진수양
김석형
박현수
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Abstract

차량 구동 모터를 구동하기 위한 에너지를 저장하는 충방전 가능한 차량 배터리를 관리하는 시스템이 개시된다. 개시되는 차량 배터리 관리 시스템은, 상기 차량 배터리의 충전이 종료된 이후, 상기 차량 배터리 내 복수의 배터리 셀 각각의 분극 전압을 측정하고, 측정된 상기 분극 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

차량 배터리 관리 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MANAGING BATTERY OF VEHICLE}
본 발명은 차량 배터리 관리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 배터리 충전 이후 차량의 주차 상태에서 배터리의 상태를 효과적으로 모니터링 함으로써 차량 주차 상태에서 배터리에 발생하는 여러 문제를 사전에 예방할 수 있는 차량 배터리 관리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기 에너지를 이용하여 구동하는 친환경 차량은, 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 전동 회전 기구인 모터를 구동함으로써 동력을 생성하는 차량이다. 이러한 친환경 차량의 동적 성능은 배터리의 성능과 매우 밀접하게 관련되어 있어, 배터리를 효율적인 감시 및 관리가 필수적이다.
통상 친환경 차량의 배터리는, 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)이라 통칭되는 제어기에 의해 관리되고 있다. 배터리 관리 시스템은 배터리의 관리를 위한 다양한 정보(배터리 전압, 배터리 전류, 배터리 온도 등)를 배터리로부터 수집하고 사전 저장된 다양한 알고리즘에 수집된 정보를 적용하여 배터리 관리를 위한 다양한 파라미터들을 연산한다.
종래의 차량의 배터리 관리 기법은 주로 배터리 관리 시스템에 전원이 공급되는 상태, 즉, 전원 온(IG ON) 상태에서 이루어진다. 즉, 배터리에 연결된 메인 릴레이가 차량의 다른 부품(예를 들어, 배터리의 전력을 변환하여 모터로 제공하는 파워 모듈 또는 배터리 충전을 위한 전력을 생성하는 충전기 등)과 배터리 사이의 전기적 연결이 형성되는 상태에서 배터리의 상태를 모니터링 한다.
이와 같이, 종래의 차량 배터리 관리 기법은, 배터리와 다른 부품들의 전기적 연결이 이루어진 상태에서 배터리 관리를 위한 정보가 수집되므로, 수집된 정보에 다른 부품에 의한 영향이 개입되어 정확한 배터리 상태 모니터링이 이루어지지 못하는 문제가 있다.
특히, 최근 차량의 주차 상태에서 배터리에 화재가 발생하는 등 치명적인 사고가 빈번히 발생하고 있어, 차량의 주차 상태에서 배터리의 이상 여부를 미리 판단하고 사고 발생 이전에 이를 경고할 수 있는 기법이 당 기술 분야에 요구되고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2013-0061964 A KR 10-2016-0153874 A
이에 본 발명은, 차량 내 배터리의 충전 이후 배터리가 무부하 상태인 경우에도 배터리의 이상 여부를 사전에 판단하고 이를 경고할 수 있는 차량 배터리 관리 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
차량 구동 모터를 구동하기 위한 에너지를 저장하는 충방전 가능한 차량 배터리를 관리하는 시스템에 있어서,
상기 차량 배터리의 충전이 종료된 이후, 상기 차량 배터리 내 복수의 배터리 셀 각각의 분극 전압을 측정하고, 측정된 상기 분극 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단하는 컨트롤러;
를 포함하는 차량 배터리 관리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 차량 배터리에 제공되는 충전 전류가 차단되고 상기 차량 배터리가 무부하 상태가 되는 경우 상기 분극 전압을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 분극 전압과 사전 설정된 기준값을 각각 비교하고, 상기 분극 전압이 상기 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 차량 배터리의 충전이 종료된 시점부터 사전 설정된 시간 간격 동안의 상기 차량 배터리의 전압 감소분에 대응되는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 분극 전압을 측정하고, 상기 제1 분극 전압을 측정한 이후 사전 설정된 시간 간격 동안 적어도 1회 이상 상기 차량 배터리의 전압 감소분에 해당하는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 분극 전압을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 분극 전압과 사전 설정된 제1 기준값을 각각 비교하거나, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 분극 전압과 사전 설정된 제2 기준값을 각각 비교하고, 상기 제1 분극 전압이 상기 제1 기준값 보다 크거나 상기 제2 분극 전압이 상기 제2 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기준값은 상기 차량 배터리의 충전 전류 별로 사전 설정되며, 상기 컨트롤러는, 상기 차량 배터리의 충전이 종료되면 상기 차량 배터리로 인가된 충전 전류의 평균값을 연산하고, 연산된 충전 전류 평균값에 대응되는 기준값을 상기 복수의 배터리 셀 각각의 분극 전압과 비교할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 차량 배터리의 충전이 종료된 직후 사전 설정된 시간 간격 동안 상기 차량 배터리 내 복수의 배터리 셀 각각의 전압의 감소분에 해당하는 상기 분극 전압을 측정하고, 상기 분극 전압과 상기 차량 배터리의 충전이 종료되기 직전 상기 차량 배터리로 인가된 충전 전류의 크기를 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 내부 저항을 추정하고, 추정된 상기 내부 저항을 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀 각각의 추정된 내부 저항과 사전 설정된 배터리 셀의 초기 내부 저항의 차이 또는 비율이 사전 설정된 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 초기 내부 저항은 배터리 셀의 온도 및 충전 상태 별로 사전 설정되며, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 온도를 입력 받고 상기 복수의 배터리 셀 각각의 충전 상태를 연산하며, 입력 받은 온도 및 연산된 충전 상태에 대응되는 초기 내부 저항을 적용하여 상기 배터리 셀의 이상 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 컨트롤러가 이상이 발생한 것으로 판단한 배터리 셀에 대한 정보를 표시하는 클러스터 또는 AVN(Audio Video Navigation)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 정보는, 이상이 발생한 것으로 판단된 배터리 셀의 식별자 및 이상이 발생한 것으로 판단된 배터리 셀의 분극 전압 크기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 클러스터 또는 상기 AVN은, 이상이 발생한 것으로 판단한 배터리 셀에 대한 정보를 무선으로 차량 관리 서버 또는 상기 차량의 운전자의 무선 단말로 전송하는 통신 모듈을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
차량 구동 모터를 구동하기 위한 에너지를 저장하는 충방전 가능한 차량 배터리를 관리하는 방법에 있어서,
상기 차량 배터리의 충전이 종료된 이후, 상기 차량 배터리 내 복수의 배터리 셀 각각의 분극 전압을 측정하는 단계;
측정된 상기 분극 전압과 사전 설정된 기준값을 비교하는 단계; 및
측정된 상기 분극 전압이 상기 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단하는 단계;
를 포함하는 차량 배터리 관리 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 분극 전압을 측정하는 단계는, 상기 차량 배터리에 제공되는 충전 전류가 차단되고 상기 차량 배터리가 무부하 상태가 되는 경우 상기 분극 전압을 측정하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 분극 전압을 측정하는 단계는, 상기 차량 배터리의 충전이 종료된 시점부터 사전 설정된 시간 간격 동안의 상기 차량 배터리의 전압 감소분에 대응되는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 분극 전압을 측정하는 단계와, 상기 제1 분극 전압을 측정한 이후 사전 설정된 시간 간격 동안 적어도 1회 이상 상기 차량 배터리의 전압 감소분에 해당하는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 분극 전압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 비교하는 단계는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 분극 전압과 사전 설정된 제1 기준값을 각각 비교하는 단계 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 분극 전압과 사전 설정된 제2 기준값을 각각 비교하는 단계를 포함하고, 상기 판단하는 단계는, 상기 제1 분극 전압이 상기 제1 기준값 보다 크거나 상기 제2 분극 전압이 상기 제2 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 측정하는 단계는, 상기 차량 배터리의 충전이 종료된 직후 사전 설정된 시간 간격 동안 상기 차량 배터리 내 복수의 배터리 셀 각각의 전압의 감소분에 해당하는 상기 분극 전압을 측정하는 단계일 수 있다. 이 실시형태는, 상기 분극 전압과 상기 차량 배터리의 충전이 종료되기 직전 상기 차량 배터리로 인가된 충전 전류의 크기를 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 내부 저항을 추정하는 단계와, 추정된 상기 내부 저항을 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추정된 상기 내부 저항을 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 배터리 셀 각각의 추정된 내부 저항과 사전 설정된 배터리 셀의 초기 내부 저항의 차이 또는 비율이 사전 설정된 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 초기 내부 저항은 배터리 셀의 온도 및 충전 상태 별로 사전 설정되며, 상기 추정된 상기 내부 저항을 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 온도를 입력 받고 상기 복수의 배터리 셀 각각의 충전 상태를 연산하며, 입력 받은 온도 및 연산된 충전 상태에 대응되는 초기 내부 저항을 적용하여 상기 배터리 셀의 이상 여부를 판단하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 판단하는 단계에서 이상이 발생한 것으로 판단한 배터리 셀에 식별자 및 이상이 발생한 것으로 판단된 배터리 셀의 분극 전압 크기를 포함하는 정보를 차량의 클러스터 또는 AVN(Audio Video Navigation)에 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 표시하는 단계는, 이상이 발생한 것으로 판단한 배터리 셀에 대한 정보를 무선으로 차량 관리 서버 또는 상기 차량의 운전자의 무선 단말로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 차량 배터리 관리 시스템 및 방법에 따르면, 차량의 배터리 충전 이후 차량 시스템으로부터 배터리가 전기적 연결이 차단된 무부하 상태에서 배터리의 전압 거동 특성을 분석하여 사고 발생 이전 배터리의 이상 여부를 판단할 수 있어, 배터리의 발화 등과 같이 배터리에서 발생할 수 있는 문제들을 사전에 예방할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 일반적인 배터리의 등가 회로 모델을 도시한 회로도이다.
도 3은 일반적인 배터리의 분극 전압 특성을 도시한 그래프이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 시스템 및 방법에서 사용되는 분극 전압의 예를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 시스템의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 시스템은, 복수의 배터리 셀(11)을 구비하며 차량의 구동 모터(70)에 제공하기 위한 에너지를 저장하는 배터리(10)와, 배터리(10)의 전압, 전류 및 온도 등을 배터리 관련 파라미터를 모니터링 하고 모니터링한 파라미터를 기반으로 배터리의 이상 여부를 판단하는 컨트롤러에 해당하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System: BMS)(20)를 포함할 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 시스템은, 배터리 관리 시스템(20)에서 배터리 이상이 발생한 것으로 판단된 경우 이를 표시하기 하고, 외부의 차량 관리 서버나 운전자 단말로 이상 발생을 통지하기 위한 클러스터(30) 또는 AVN(Audio Video Navigation)(40)을 포함할 수 있다.
도 1에서 참조 부호 '50'은 배터리(10)와 차량 내 다른 요소들 사이의 전기적 연결을 형성하거나 차단하는 메인 릴레이이고, 참조 부호 '60'은 배터리(10)에 저장된 직류 전력을 구동 모터(70)에 사용되는 삼상 교류 전류로 변환하는 인버터이며, 참조 부호 '80'은 배터리(10)를 충전하기 위한 충전 전력을 배터리로 공급하는 충전기이다.
본 발명에 대한 설명에서, 차량의 주차 상태라고 함은 차량의 주행이나 충전이 종료되어 차량의 전원이 오프 되는 상태, 즉 메인 릴레이(50)가 개방된 상태를 의미한다. 메인 릴레이(50)의 개방에 의해 배터리(10)는 무부하 상태가 될 수 있다. 이하에서는, 차량 전원 오프 상태, 주차 상태 및 배터리(10)의 무부하 상태가 실질적으로 동일한 의미로 중복되어 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10)의 전압 거동을 기반으로 배터리(10)의 이상 여부를 판단할 수 있다. 더욱 상세하게, 배터리 관리 시스템(20)은 배터리(10) 내의 각 배터리 셀(11)의 분극 전압에 기반하여 배터리(10)의 이상 여부를 판단할 수 있다.
도 2 및 도 3은 분극 전압을 설명하기 위한 도면으로, 도 2는 일반적인 배터리의 등가 회로 모델을 도시한 회로도이고, 도 3은 일반적인 배터리의 분극 전압 특성을 도시한 그래프이다.
충전을 위해 배터리에 에너지(전류)를 입력하면, 배터리의 전압은 도 3에 도시된 것과 같은 거동을 나타내게 된다. 충전 전류가 배터리에 입력되는 경우에는 배터리의 전압이 상승하게 되고, 배터리에 방전 전류가 입력되는 경우(배터리에서 전류가 출력되는 경우)에는 배터리의 전압은 하락하는 특성을 나타낸다.
도 2에 도시된 것과 같이 배터리 내부의 커패시터 성분과 저항 성분이 존재하며 배터리에 전류가 입력되는 경우에는 이 커패시터 성분과 저항 성분에 의해 전압 강하가 발생하게 되는데 입력되는 충전 전류가 차단된 이후에는 이 커패시터 성분과 저항 성분에 의한 전압 강하가 감소함에 따라 배터리의 전압은 점점 안정화되어 일정한 값으로 수렴하는 특성을 나타낸다.
당 기술분야에서는, 배터리로 전류 인가/차단 이후 전술한 것과 같이 나타나는 배터리의 전압 변화량을 분극 전압이라 칭한다.
본 발명의 여러 실시형태는 이러한 분극 전압의 크기, 즉 배터리 충전 전류의 인가 중단 이후 일정 시간 동안 측정한 분극 전압에 기반하여 배터리의 이상 여부를 판단한다.
특히, 본 발명의 여러 실시형태는, 배터리(10)로 제공되는 충전 전류가 차단된 시점으로부터 사전 설정된 측정 시간 동안 측정된 배터리 셀(11)의 단기 분극 전압과, 단기 분극 전압이 측정된 측정 시간이 종료된 이후 순차적으로 사전 설정된 복수의 시간 간격 동안 각각 배터리 셀(11)의 장기 분극 전압을 측정하고, 측정된 여러 분극 전압 별로 사전 설정된 기준값과의 비교를 통해 배터리 셀(11)의 이상 여부를 판단할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 시스템 및 방법에서 사용되는 분극 전압의 예를 설명하기 위한 그래프이다.
우선, 도 4를 참조하면, 배터리 관리 시스템(20)은 배터리의 충전이 종료된 시점(T0)부터 사전 설정된 설정 시각(T1)까지의 시간 간격에 해당하는 사전 설정된 단기 분극 측정 시간 동안 배터리(10) 내 복수의 배터리 셀(11)의 분극 전압을 측정할 수 있다.
도 4에 도시한 것과 같이, 정상 상태인 배터리 셀의 분극 전압은 비정상 상태인 배터리 셀의 분극 전압 보다 작은 값을 갖는다. 따라서, 실험적인 방법을 이용하여 사전에 배터리 셀이 정상 상태인 것으로 판단할 수 있는 기준값을 사전에 설정해 두고, 측정된 배터리 셀의 분극 전압이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 배터리 셀에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 것과 같이, 배터리 관리 시스템(20)은, 배터리(10)의 충전 전류 공급이 중단되고 배터리 셀의 단기 분극 전압을 측정한 시점 이후의 시각(T2)부터 사전 설정된 시간 간격이 경과한 시각(T3)에 다시 배터리 셀의 분극 전압을 측정하고, 그 이후 다시 사전 설정된 시간 간격이 경과한 시각(T4)에 다시 배터리 셀의 분극 전압을 측정할 수 있다.
즉, 배터리 관리 시스템(20)은 도 4에 도시된 것과 같이 배터리의 충전 전류가 차단된 직후 단기 분극 전압을 측정할 뿐만 아니라 단기 분극 전압을 측정한 이후 일정 시간이 경과한 다음 다시 순차적으로 복수회 배터리 셀의 분극 전압(장기 분극 전압)을 측정할 수 있다. 도 5에서는 2회 장기 분극 전압을 측정하는 것으로 도시되고 있으나 이는 일례에 불과하며 장기 분극 전압의 측정 회수는 필요에 따라 적절히 조정 가능하다.
배터리 관리 시스템(20)은 실험적인 방법을 통해 장기 분극 전압을 이용하여 배터리 셀의 이상을 판단하기 위한 기준값을 사전에 설정하여 저장해 둘 수 있으며, 측정된 장기 분극 전압이 기준값 보다 큰 경우 배터리 셀에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 분극 전압은 배터리(10)로 제공되는 전류의 크기에 따라 차이가 날 수 있다. 즉, 배터리(10)로 제공되는 충전 전류의 크기가 큰 경우 도 2에 도시된 것과 같은 배터리 내부 저항 및 내부 커패시터에 의한 전압 강하도 커지므로 분극 전압을 이용하여 배터리 이상 여부를 판단하는 데는 배터리(10)로 제공되고 있던 전류의 크기도 감안하여야 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에서, 측정된 분극 전압과 비교되는 기준값은 사전에 배터리(10)의 충전 전류 별로 사전에 설정될 수 있으며, 배터리 관리 시스템(20)은, 배터리의 이상 여부를 판단하기 위한 기준값 결정 시 충전 전류가 차단되기 이전 배터리로 제공되는 평균 충전 전류값을 연산하고 연산된 평균 충전 전류값에 기반하여 기준값을 선택하여 분극 전압과 비교할 수 있다. 기준값을 저장한 데이터 맵의 일례는 아래 표 1과 같을 수 있다.
[표 1]
Figure pat00001
상기 표에 나타난 것과 같이, 배터리 관리 시스템(20)은 측정된 배터리(10)의 평균 충전 전류가 P 암페어 일 때, 측정된 단기 분극 전압과 비교되는 기준값을 A 밀리 볼트로 결정할 수 있고, 제1 장기 분극 전압과 비교되는 기준값을 B 밀리 볼트로 결정할 수 있으며, 제2 장기 분극 전압과 비교되는 기준값은 C 밀리 볼트로 결정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 배터리 관리 시스템(20)은 분극 전압을 이용하여 배터리 셀(11)의 내부 저항을 추정하고 추정된 내부 저항과 사전 설정된 배터리 셀(11)의 초기 내부 저항의 크기 차 또는 크기 비율에 기반하여 배터리 셀(11)의 이상 여부를 결정할 수 있다.
도 4에 도시된 예에서, 배터리 관리 시스템(20)은, 분극 전압 측정 시각(T1)을 배터리 충전 전류가 차단된 시점(T0)로부터 1초 이내로 설정하고, 충전 전류 차단 직전 인가된 충전 전류와 T1 시점에서 측정된 분극 전압을 이용하면 옴(Ohm)의 법칙에 의해 배터리 셀(11)의 내부 저항의 크기(Rn)를 측정할 수 있다. 즉, 측정된 분극 전압을 충전 전류로 나누면 배터리 셀(11)의 내부 저항의 크기(Rn)가 추정될 수 있다.
배터리 관리 시스템(20)은 추정된 내부 저항의 크기와 배터리 셀(11)의 초기 상태(예를 들어, 공장에서 출하된 직후의 배터리 셀 상태)에서 사전에 측정된 배터리 셀(11)의 초기 내부 저항의 크기(R0)의 차이 또는 그 비율에 기반하여 배터리 셀(11)의 열화 정도를 판단할 수 있다. 추정된 배터리 셀(11)의 내부 저항(Rn)과 초기 내부 저항의 크기(R0)의 차이 또는 그 비율(Rn/R0)이 배터리 열화를 판단하기 위해 사전에 실험적 방법으로 결정된 기준값 보다 큰 경우 배터리 셀의 열화가 과도하게 발생한 것으로 판단할 수 있다.
배터리 셀(11)의 내부 저항은 배터리 셀(11)의 온도와 충전 상태(State Of Charge: SOC)에 따라 변경될 수 있으므로, 배터리 관리 시스템(20)은 배터리 셀(11)의 온도와 충전 상태(SOC)를 검출하거나 연산할 수 있으며, 사전 설정된 초기 내부 저항의 크기(R0) 또한 아래의 표 2와 같이 배터리 셀의 온도와 충전 상태 별로 각각 사전에 미리 결정되어 저장될 수 있다.
[표 2]
Figure pat00002
여기서, 배터리 셀의 온도는 배터리 내부에 설치된 온도 센서에서 검출되어 배터리 관리 시스템(20)으로 전달될 수 있으며, 배터리 셀의 충전 상태는 배터리의 온도, 전압 등과 같은 배터리 셀 관련 여러 파라미터들을 이용하여 당 기술분야의 다양한 공지의 기법을 활용하여 배터리 관리 시스템(20)에서 연산될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 방법은, 배터리(10)에 대한 충전이 종료되어 배터리(10)로 공급되는 충전 전류가 차단되고 배터리(10)에 연결된 메인 릴레이(50)가 오프 되어 배터리(10)가 무부하 상태가 되면(S11), 컨트롤러인 배터리 관리 시스템(20)이 배터리(20)로 제공되는 충전 전류의 평균값을 연산하여 저장하고 사전 설정된 시간 간격 동안 배터리(10) 내 복수의 배터리 셀(11) 각각의 전압 감소분에 해당하는 분극 전압을 측정하는 단계(S13)로부터 시작될 수 있다.
단계(S13)에서 측정된 분극 전압은 배터리(10)의 충전이 종료된 직후 시점(T0)부터 사전 설정된 시간 간격이 경과한 시점(T1)까지 배터리 셀(11) 각각의 전압 감소분에 해당하는 것이다.
이어, 배터리 관리 시스템(20)은 단계(S13)에서 측정된 분극 전압과 사전 설정된 기준값을 비교하고(S14), 분극 전압의 크기가 사전 설정된 기준값 보다 큰 것으로 나타나는 배터리 셀에 대해 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다(S15).
단계(S16)에서, 배터리 관리 시스템(20)은 이상이 발생한 셀의 식별자(식별 번호), 이상이 발생한 셀의 분극 전압 크기 등을 저장하고 추후 통지 과정에 이러한 이상이 발생한 셀에 대한 정보를 표출하게 하거나 송신하게 할 수 있다.
여기서, 배터리 셀의 이상이라 함은 다양한 원인으로 인해 배터리 셀에 요구되는 바람직한 전기적 특성을 발현하지 못하는 상태 또는 못할 것으로 예측되는 상태를 의미한다.
이어, 배터리 관리 시스템(20)은 배터리 셀의 이상이 발생하였음을 차량의 클러스터(30)나 AVN(40)으로 전달하여 이들에서 배터리 셀 이상 발생을 표출하게 할 수 있다(S16). 클러스터(30)나 AVN(40)에 무선 통신 모듈이 구비된 경우, 클러스터(30)나 AVN(40)은 무선 통신 모듈을 통해 배터리 셀에 이상이 발생하였음을 원거리의 차량 관리 서버나 사전 등록된 운전자의 무선 단말에 통지할 수 있다.
한편, 단계(S13)에서 측정된 분극 전압과 사전 설정된 기준값을 비교한 결과 분극 전압의 크기가 사전 설정된 기준값 보다 작거나 같은 경우, 배터리 관리 시스템(20)은 일정 시간이 경과한 이후(S17), 사전 설정된 시간 간격 동안의 분극 전압(장기 분극 전압)을 측정할 수 있다(S18).
단계(S17)에서 적용되는 일정 시간은 1시간 이상일 수 있으나 필요에 따라 적절하게 조정될 수 있다.
이어, 배터리 관리 시스템(20)은 단계(S18)에서 측정된 분극 전압과 사전 설정된 기준값을 비교하고(S19), 분극 전압의 크기가 사전 설정된 기준값 보다 큰 것으로 나타나는 배터리 셀에 대해 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다(S15).
단계(S14)의 비교 결과 분극 전압의 크기가 기준값 보다 큰 경우 후속하는 단계들과 마찬가지로, 배터리 관리 시스템(20)은 배터리 셀의 이상이 발생하였음을 차량의 클러스터(30)나 AVN(40)으로 전달하여 이들에서 배터리 셀 이상 발생을 표출하게 할 수 있다(S16). 클러스터(30)나 AVN(40)에 무선 통신 모듈이 구비된 경우, 클러스터(30)나 AVN(40)은 무선 통신 모듈을 통해 배터리 셀에 이상이 발생하였음을 원거리의 차량 관리 서버나 사전 등록된 운전자의 무선 단말에 통지할 수 있다. 여기서, 통지되는 정보는 이상이 발생한 셀의 식별자(식별 번호), 이상이 발생한 셀의 분극 전압 크기와 함께 이상 발생이 판단된 분극 전압 측정 순서가 포함될 수 있다.
도 6은 단기 분극 전압과 기준값의 비교 결과 이상이 발생하지 않는 경우 장기 분극 전압을 측정하는 예를 도시한 것이나, 다른 예에서는 단기 분극 전압과 기준값의 비교 결과 이상이 발생하더라도 추가적으로 장기 분극 전압을 측정할 수도 있다. 또한, 장기 분극 전압 측정의 회수 또한 필요에 따라 2회 이상 다수회 실행될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태는, 선택적으로 배터리 셀의 내부 저항을 추정하여 배터리 셀의 이상(과도 열화)을 판단할 수 있다.
배터리 관리 시스템(20)은 단기 분극 전압을 측정한 이후(S13), 배터리 내부 저항을 추정하는 단계(S20)를 수행할 수 있다. 여기서 단기 분극 전압은 배터리 충전 전류의 차단 직후 1초 이내에 측정되는 배터리 셀(11)의 전압 감소분에 해당할 수 있다. 또한, 단계(S20)에서, 배터리 관리 시스템(20)은 충전 전류 차단 직전의 충전 전류의 크기를 저장할 수 있으며 배터리 셀(11)의 온도와 배터리 셀(11)의 충전 상태를 취득하거나 연산할 수 있다.
단계(S20)에서, 배터리 관리 시스템(20)은 측정된 분극 전압을 충전 전류 차단 직전의 충전 전류의 크기로 나누어 배터리 셀(11)의 내부 저항의 크기(Rn)를 추정할 수 있다.
이어, 배터리 관리 시스템(20)은, 추정된 내부 저항의 크기(Rn)와 배터리 셀(11)의 초기 상태에서 사전에 측정된 배터리 셀(11)의 초기 내부 저항의 크기(R0)의 비율에 기반하여 배터리 셀(11)의 열화 정도를 판단할 수 있다(S21). 추정된 배터리 셀(11)의 내부 저항(Rn)과 초기 내부 저항의 크기(R0)의 비율(Rn/R0)이 배터리 열화를 판단하기 위해 사전에 실험적 방법으로 결정된 기준값 보다 큰 경우 배터리 셀의 열화가 과도하게 발생한 것으로 판단할 수 있다.
배터리 셀의 열화가 과도하게 발생한 것으로 판단된 경우, 전술한 것과 같은 단계(S15) 및 단계(S16)을 실시하여 과도한 열화가 발생한 배터리 셀의 식별자와 열화 정도(추정된 배터리 셀(11)의 내부 저항(Rn)과 초기 내부 저항의 크기(R0)의 비율(Rn/R0)의 크기) 등을 표출하고 전송할 수 있다.
단계(S21)에서 사용되는 초기 내부 저항의 크기(R0)는 배터리 셀의 온도와 충전 상태에 기반하여 사전 설정된 데이터 맵(표 2에 해당함)을 이용하여 도출될 수 있다.
또한, 단계(S21)에서는 배터리 셀(11)의 내부 저항(Rn)과 초기 내부 저항의 크기(R0)의 비율(Rn/R0)을 기준값과 비교하였으나 내부 저항(Rn)과 초기 내부 저항의 크기(R0)의 차이와 사전 설정된 기준값을 비교하는 방식으로 배터리의 과도한 열화를 판단할 수도 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 시스템 및 방법은, 차량의 배터리 충전 이후 차량 시스템으로부터 배터리가 전기적 연결이 차단된 무부하 상태에서 배터리의 전압 거동 특성, 즉 배터리의 분극 전압을 분석하여 배터리의 이상 여부를 판단할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량 배터리 관리 시스템 및 방법은, 배터리의 여러 이상으로 인한 사고 발생 이전에 배터리에 이상이 발생하였음을 판단할 수 있어, 주차 상태의 차량에서 갑작스레 발생하는 배터리의 발화 등과 같은 심각한 사과 발생을 사전에 예방할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 배터리 11: 배터리 셀
20: 배터리 관리 시스템(BMS) 30: 클러스터
40: AVN 50: 메인 릴레이
60: 인버터 70: 구동 모터
80: 충전기

Claims (20)

  1. 차량 구동 모터를 구동하기 위한 에너지를 저장하는 충방전 가능한 차량 배터리를 관리하는 시스템에 있어서,
    상기 차량 배터리의 충전이 종료된 이후, 상기 차량 배터리 내 복수의 배터리 셀 각각의 분극 전압을 측정하고, 측정된 상기 분극 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단하는 컨트롤러;
    를 포함하는 차량 배터리 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 차량 배터리에 제공되는 충전 전류가 차단되고 상기 차량 배터리가 무부하 상태가 되는 경우 상기 분극 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 분극 전압과 사전 설정된 기준값을 각각 비교하고, 상기 분극 전압이 상기 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 차량 배터리의 충전이 종료된 시점부터 사전 설정된 시간 간격 동안의 상기 차량 배터리의 전압 감소분에 대응되는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 분극 전압을 측정하고, 상기 제1 분극 전압을 측정한 이후 사전 설정된 시간 간격 동안 적어도 1회 이상 상기 차량 배터리의 전압 감소분에 해당하는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 분극 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 분극 전압과 사전 설정된 제1 기준값을 각각 비교하거나, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 분극 전압과 사전 설정된 제2 기준값을 각각 비교하고,
    상기 제1 분극 전압이 상기 제1 기준값 보다 크거나 상기 제2 분극 전압이 상기 제2 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 기준값은 상기 차량 배터리의 충전 전류 별로 사전 설정되며,
    상기 컨트롤러는, 상기 차량 배터리의 충전이 종료되면 상기 차량 배터리로 인가된 충전 전류의 평균값을 연산하고, 연산된 충전 전류 평균값에 대응되는 기준값을 상기 복수의 배터리 셀 각각의 분극 전압과 비교하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 차량 배터리의 충전이 종료된 직후 사전 설정된 시간 간격 동안 상기 차량 배터리 내 복수의 배터리 셀 각각의 전압의 감소분에 해당하는 상기 분극 전압을 측정하고, 상기 분극 전압과 상기 차량 배터리의 충전이 종료되기 직전 상기 차량 배터리로 인가된 충전 전류의 크기를 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 내부 저항을 추정하고, 추정된 상기 내부 저항을 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀 각각의 추정된 내부 저항과 사전 설정된 배터리 셀의 초기 내부 저항의 차이 또는 비율이 사전 설정된 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러가 이상이 발생한 것으로 판단한 배터리 셀에 대한 정보를 표시하는 클러스터 또는 AVN(Audio Video Navigation)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 정보는, 이상이 발생한 것으로 판단된 배터리 셀의 식별자 및 이상이 발생한 것으로 판단된 배터리 셀의 분극 전압 크기를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 클러스터 또는 상기 AVN은,
    이상이 발생한 것으로 판단한 배터리 셀에 대한 정보를 무선으로 차량 관리 서버 또는 상기 차량의 운전자의 무선 단말로 전송하는 통신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 시스템.
  12. 차량 구동 모터를 구동하기 위한 에너지를 저장하는 충방전 가능한 차량 배터리를 관리하는 방법에 있어서,
    상기 차량 배터리의 충전이 종료된 이후, 상기 차량 배터리 내 복수의 배터리 셀 각각의 분극 전압을 측정하는 단계;
    측정된 상기 분극 전압과 사전 설정된 기준값을 비교하는 단계; 및
    측정된 상기 분극 전압이 상기 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단하는 단계;
    를 포함하는 차량 배터리 관리 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 분극 전압을 측정하는 단계는, 상기 차량 배터리에 제공되는 충전 전류가 차단되고 상기 차량 배터리가 무부하 상태가 되는 경우 상기 분극 전압을 측정하는 단계인 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 방법.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 분극 전압을 측정하는 단계는,
    상기 차량 배터리의 충전이 종료된 시점부터 사전 설정된 시간 간격 동안의 상기 차량 배터리의 전압 감소분에 대응되는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 분극 전압을 측정하는 단계와, 상기 제1 분극 전압을 측정한 이후 사전 설정된 시간 간격 동안 적어도 1회 이상 상기 차량 배터리의 전압 감소분에 해당하는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 분극 전압을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 비교하는 단계는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 분극 전압과 사전 설정된 제1 기준값을 각각 비교하는 단계 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 분극 전압과 사전 설정된 제2 기준값을 각각 비교하는 단계를 포함하고,
    상기 판단하는 단계는, 상기 제1 분극 전압이 상기 제1 기준값 보다 크거나 상기 제2 분극 전압이 상기 제2 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 방법.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 측정하는 단계는, 상기 차량 배터리의 충전이 종료된 직후 사전 설정된 시간 간격 동안 상기 차량 배터리 내 복수의 배터리 셀 각각의 전압의 감소분에 해당하는 상기 분극 전압을 측정하는 단계이고,
    상기 분극 전압과 상기 차량 배터리의 충전이 종료되기 직전 상기 차량 배터리로 인가된 충전 전류의 크기를 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 내부 저항을 추정하는 단계와, 추정된 상기 내부 저항을 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 추정된 상기 내부 저항을 기반으로 상기 배터리 셀 각각의 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 배터리 셀 각각의 추정된 내부 저항과 사전 설정된 배터리 셀의 초기 내부 저항의 차이 또는 비율이 사전 설정된 기준값 보다 큰 배터리 셀을 이상이 발생한 배터리 셀로 판단하는 단계인 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 방법.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 판단하는 단계에서 이상이 발생한 것으로 판단한 배터리 셀에 대한 정보를 차량의 클러스터 또는 AVN(Audio Video Navigation)에 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 정보는, 이상이 발생한 것으로 판단된 배터리 셀의 식별자 및 이상이 발생한 것으로 판단된 배터리 셀의 분극 전압 크기를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 방법.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 표시하는 단계는,
    이상이 발생한 것으로 판단한 배터리 셀에 대한 정보를 무선으로 차량 관리 서버 또는 상기 차량의 운전자의 무선 단말로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 관리 방법.
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