KR20230016530A - 배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법 - Google Patents

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KR20230016530A
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 직렬 연결된 복수의 배터리 각각의 전압을 측정하는 배터리 모니터; 각 배터리에 대한 밸런싱 처리를 실행하는 밸런서; 및 상기 밸런서를 제어하는 제어 회로를 포함한다. 상기 제어 회로는, 각 배터리의 무부하 전압을 나타내는 제1 전압값을 결정한다. 상기 제어 회로는, 최근의 기준 시간 동안에 실행된 상기 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 밸런싱 용량을 이용하여, 각 배터리의 상기 제1 전압값을 보상한다. 상기 제어 회로는, 각 배터리의 상기 보상된 제1 전압값과 기준 전압값 간의 차이인 전압 편차를 결정한다. 상기 제어 회로는, 상기 기준 시간 동안의 각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량을 임계값과 비교하여, 각 배터리의 내부 단락 고장을 검출한다.

Description

배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM, BATTERY PACK, ELECTRIC VEHICLE, AND BATTERY MANAGEMENT METHOD}
본 발명은 배터리의 내부 단락 고장을 검출하기 위한 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 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.
전기 차량 등과 같은 어플레케이션들의 고전압 및 대용량이 요구를 충족하기 위해서, 적어도 하나 이상의 배터리 그룹(즉, 복수의 배터리의 직렬 접속체)를 포함하는 배터리 시스템(예, 배터리 팩)이 널리 보급되고 있다.
이러한 배터리 시스템에 있어서, 몇몇 배터리의 고장이 배터리 시스템의 전체적인 성능과 안전성에 악영향을 줄 가능성이 높다. 따라서, 배터리 시스템을 운용함에 있어서, 개별 배터리의 고장을 적절히 검출해내는 것이 중요하다.
복수의 배터리는 제조 공정 및/또는 사용 과정에서의 내외부적 요인들로 인해 상호 간의 특성 편차가 발생한다. 복수의 배터리 간의 특성 편차는 전압 불균일 상태를 유발한다. 밸런서는 복수의 배터리 각각에 대한 밸런싱 처리(예, 방전)를 실행하여, 복수의 배터리 간의 전압 불균일 상태를 해소하기 위한 용도로 널리 활용되고 있다.
한편, 배터리의 다양한 고장 유형 중에서 내부 단락 고장은 화재에 직간접적으로 영향을 끼치는 주요 고장이다. 내부 단락 고장은, 배터리 내에서의 부반응 및/또는 배터리 내로의 이물질 침투 등으로 인해 누설전류의 경로가 생성된 상태를 지칭한다. 종래에는 복수의 배터리의 전압 불균형 상태를 이용하여, 복수의 배터리 중에서 내부 단락 고장인 배터리를 검출하고 있다.
그런데, 밸런싱 처리가 실행되는 경우, 내부 단락 고장을 검출하기 위해 중요한 정보인 복수의 배터리의 전압 불균일 상태가 해소된다. 즉, 복수의 배터리 중에서 내부 단락 고장인 배터리를 검출함에 있어서, 과거에 실시된 밸런싱 처리는 방해 요소로 작용한다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 밸런싱 처리에 의해 복수의 배터리 간의 전압 불균일 상태가 해소된 상태에서도, 복수의 배터리 중에서 내부 단락 고장인 배터리를 정확하게 검출하는 배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법을 제공하는 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, 직렬 연결된 복수의 배터리 각각의 전압을 검출하도록 구성되는 배터리 모니터; 각 배터리에 대한 밸런싱 처리를 실행하도록 구성되는 밸런서; 및 상기 배터리 모니터에 의해 검출된 각 배터리의 전압을 기초로 상기 밸런서를 제어하도록 구성되는 제어 회로를 포함한다. 상기 제어 회로는, 각 배터리의 무부하 전압을 나타내는 제1 전압값을 결정하도록 구성된다. 상기 제어 회로는, 최근의 기준 시간 동안에 실행된 상기 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 밸런싱 용량을 이용하여, 각 배터리의 상기 제1 전압값을 보상하도록 구성된다. 상기 제어 회로는, 각 배터리의 상기 보상된 제1 전압값과 기준 전압값 간의 차이인 전압 편차를 결정하도록 구성된다. 상기 제어 회로는, 상기 기준 시간 동안의 각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량을 임계값과 비교하여, 각 배터리의 내부 단락 고장을 검출하도록 구성된다.
상기 제어 회로는, 각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량이 상기 임계값 이상인 경우, 각 배터리의 고장 카운트를 1만큼 증가시키도록 구성될 수 있다. 상기 제어 회로는, 각 배터리의 고장 카운트가 소정값 이상인 경우, 각 배터리가 내부 단락 고장인 것으로 검출하도록 구성된다.
상기 제어 회로는, 상기 복수의 배터리 중 적어도 둘 이상의 배터리의 상기 보상된 제1 전압값의 평균값 또는 중앙값과 동일하게 상기 기준 전압값을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 밸런서는, 상기 복수의 배터리에 일대일로 병렬 접속되는 복수의 밸런싱 회로를 포함할 수 있다. 각 밸런싱 회로는, 직렬 연결되는 방전 저항 및 방전 스위치를 포함한다.
상기 제어 회로는, 상기 기준 시간 동안의 기간 내에 실행된 각 밸런싱 처리에 의한 각 배터리 셀의 방전 용량을 누산하여, 각 배터리 셀의 상기 밸런싱 용량을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 회로는, 각 밸런싱 처리에 연관된 제1 밸런싱 데이터에 용량 추정 함수를 적용하여, 각 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 상기 방전 용량을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 밸런싱 데이터는, 상기 밸런싱 처리의 시작 시의 각 배터리의 무부하 전압을 나타내는 제2 전압값 및 상기 밸런싱 처리의 계속 시간을 포함한다.
상기 제어 회로는, 각 밸런싱 처리의 제2 밸런싱 데이터에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 각 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 상기 방전 용량을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 밸런싱 데이터는, 상기 밸런싱 처리의 시작 시의 각 배터리의 무부하 전압을 나타내는 제2 전압값 및 상기 밸런싱 처리의 종료 시의 각 배터리의 무부하 전압을 나타내는 제3 전압값을 포함한다.
상기 제어 회로는, 각 배터리의 상기 제1 전압값에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 각 배터리의 SOC의 추정치를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 회로는, 각 배터리의 상기 SOC의 추정치에 상기 밸런싱 용량에 대응하는 SOC 변화량을 합하여, 각 배터리의 상기 SOC의 추정치를 보상하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 회로는, 각 배터리의 상기 보상된 SOC의 추정치에 상기 SOC-OCV 맵을 적용하여, 상기 보상된 제1 전압값을 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함하한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은, 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 직렬 연결된 복수의 배터리 각각의 무부하 전압을 나타내는 제1 전압값을 결정하는 단계; 최근의 기준 시간 동안에 실행된 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 밸런싱 용량을 이용하여, 각 배터리의 상기 제1 전압값을 보상하는 단계; 각 배터리의 상기 보상된 제1 전압값과 기준 전압값 간의 차이인 전압 편차를 결정하는 단계; 및 상기 기준 시간 동안의 각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량을 임계값과 비교하여, 각 배터리의 내부 단락 고장을 검출하는 단계를 포함한다.
각 배터리의 내부 단락 고장을 검출하는 단계는, 각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량이 상기 임계값 이상인 경우, 각 배터리의 고장 카운트를 1만큼 증가시키는 단계; 및 각 배터리의 상기 고장 카운트가 소정값 이상인 경우, 각 배터리가 내부 단락 고장인 것으로 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 방법은, 상기 복수의 배터리 중 적어도 둘 이상의 배터리의 상기 보상된 제1 전압값의 평균값 또는 중앙값과 동일하게 상기 기준 전압값을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
각 배터리의 상기 제1 전압값을 보상하는 단계는, 각 배터리의 상기 제1 전압값에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 각 배터리의 SOC의 추정치를 결정하는 단계; 각 배터리의 상기 SOC의 추정치에 상기 밸런싱 용량에 대응하는 SOC 변화량을 합하여, 각 배터리의 상기 SOC의 추정치를 보상하는 단계; 및 각 배터리의 상기 보상된 SOC의 추정치에 상기 SOC-OCV 맵을 적용하여, 상기 보상된 제1 전압값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 밸런싱 처리에 의해 복수의 배터리 간의 전압 불균일 상태가 해소된 상태에서도, 복수의 배터리 중에서 내부 단락 고장인 배터리를 정확하게 검출할 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 예시적인 등가 회로를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 3 내지 도 6은 배터리의 내부 단락 고장의 검출 원리를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
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 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기 차량(1)은, 차량 컨트롤러(2), 배터리 팩(10), 전기 부하(30)를 포함한다. 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)는, 충전 케이블 등을 통해 충전기(40)에 전기적으로 결합될 수 있다. 충전기(40)는, 전기 차량(1)에 포함된 것이거나, 전기 차량(1) 외부의 충전 스테이션에 마련된 것일 수 있다.
차량 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit)는, 전기 차량(1)에 마련된 시동 버튼(미도시)이 사용자에 의해 ON-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-온 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 차량 컨트롤러(2)는, 시동 버튼이 사용자에 의해 OFF-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-오프 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 충전기(40)는, 차량 컨트롤러(2)와 통신하여, 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)를 통해 충전 전력(예, 정전류, 정전압, 정전력)을 공급할 수 있다.
배터리 팩(10)은, 배터리 그룹(11), 릴레이(20) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
배터리 그룹(11)은, 복수의 배터리(B1~BN, N은 2 이상의 자연수)의 직렬 접속체를 포함한다. 즉, 배터리 그룹(11) 내에서, 복수의 배터리B1~BN)는 서로 직렬로 연결된다. 복수의 배터리(B1~BN)는, 서로 동일한 전기화학적 사양을 가지도록 제조된 하나의 단위 셀 또는 둘 이상의 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 단위 셀을 포함할 수 있다. 단위 셀은, 독립적으로 충방전이 가능한 축전 요소의 최소 단위이다. 예컨대 리튬 이온 셀과 같이 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 단위 셀의 종류는 특별히 한정되지 않는다.
이하에서는, 복수의 배터리(B1~BN)에 공통된 내용을 설명함에서 있어서, 배터리에 대해 부호 'B'를 부여하겠다.
릴레이(20)는, 배터리 그룹(11) 및 전기 부하(30)를 연결하는 전력 경로를 통해, 배터리 그룹(11)에 전기적으로 직렬 연결된다. 도 1에서는, 릴레이(20)가 배터리 그룹(11)의 양극 단자와 충방전 단자(P+) 사이에 연결된 것으로 예시되어 있다. 릴레이(20)는, 배터리 관리 시스템(100) 및/또는 차량 컨트롤러(2)으로부터의 스위칭 신호에 응답하여, 온오프 제어된다. 릴레이(20)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 컨택터이거나, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다.
전기 부하(30)는, 인버터(31) 및 전기 모터(32)를 포함한다. 인버터(31)는, 배터리 관리 시스템(100) 또는 차량 컨트롤러(2)로부터의 명령에 응답하여, 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 그룹(11)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하도록 제공된다. 전기 모터(32)는, 인버터(31)로부터의 교류 전력을 이용하여 구동한다. 전기 모터(32)로는, 예컨대 3상 교류 모터를 이용할 수 있다.
릴레이(20)가 온되어 배터리(B)가 충방전 중인 상태를 부하 상태(사이클 상태)라고 칭할 수 있다.
릴레이(20)가 온에서 오프로 전환되는 경우, 배터리(B)는 무부하 상태(휴지 상태, 캘린더 상태)가 되며, 무부하 상태에 있는 배터리(B)의 배터리 전압을 무부하 전압(no-load voltage)이라고 칭할 수 있다. 무부하 전압은, 완화 전압(relaxation voltage)과 개방 전압(OCV: open circuit voltage)을 통칭하는 용어이다. 구체적으로, 배터리(B)가 부하 상태로부터 무부하 상태로 전환된 경우, 배터리(B)에 발생된 분극이 자연 해소되면서 배터리(B)의 무부하 전압이 변화한다. OCV는, 배터리(B)가 무부하 상태로 소정 시간(예, 2시간) 이상 유지되어, 배터리(B)의 전압 변화율이 일정값 미만이 된 때의 무부하 전압을 나타낸다. 즉, OCV는, 배터리(B)의 분극이 무시할 수 있을 정도로 작아진 상태에서의 무부하 전압이다. 완화 전압은, 분극이 자연 해소되어 가는 중의 무부하 전압을 나타낸다..
배터리 관리 시스템(100)은, 배터리 모니터(110), 밸런서(130) 및 제어 회로(140)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은, 통신 회로(150)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는, 배터리 관리 시스템(100)가 배터리 모니터(110), 제어 회로(140) 및 통신 회로(150)를 포함하는 것으로 가정하겠다.
배터리 모니터(110)는, 전압 검출 회로(112)를 포함한다. 배터리 모니터(110)는, 전류 검출기(114)를 더 포함할 수 있다.
전압 검출 회로(112)는, 배터리 그룹(11)에 포함된 복수의 배터리(B1~BN) 각각의 양극 단자 및 음극 단자에 연결되어, 배터리(B)의 양단에 걸친 전압(배터리 전압이라고 칭할 수 있음)을 검출하고, 검출된 배터리 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다.
전류 검출기(114)는, 배터리 그룹(11)과 인버터(30) 간의 전류 경로를 통해 배터리 그룹(11)에 직렬로 연결된다. 전류 검출기(114)는, 션트 저항, 홀 효과 소자 등과 같은 공지의 전류 검출 소자들 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구현될 수 있다. 복수의 배터리(B1~BN)는 직렬 연결되어 있으므로, 복수의 배터리(B1~BN)에는 공통된 충방전 전류가 흐른다.
도 1에서는, 션트 저항이 전류 검출기(114)로서 이용된 것을 예시하고 있다. 이 경우, 전압 검출 회로(112)는, 션트 저항의 양단에 걸친 전압을 기초로, 충방전 전류의 방향 및 크기를 나타내는 전류 신호를 제어 회로(140)에게 출력할 수 있다. 물론, 전류 검출기(114)는, 배터리 그룹(11)을 통해 흐르는 충방전 전류를 나타내는 전류 신호를 직접 생성하여 제어 회로(140)에게 출력할 수도 있다.
밸런서(130)는, 제어 회로(140)로부터의 밸런싱 실시 명령에 응답하여, 복수의 배터리(B1~BN) 중 밸런싱이 필요한 배터리(B)에 대한 밸런싱 처리를 실시하도록 구성된다. 이하에서는, 밸런싱이 필요한 것으로 판정된 배터리(B)를 '타겟 배터리'라고 칭하기로 한다. 밸런싱 실시 명령은, 복수의 배터리(B1~BN) 중 타겟 배터리(B)에 대한 목표 시간을 포함할 수 있다. 목표 시간은, 타겟 배터리(B)에 대해 요구되는 밸런싱 처리의 계속 시간을 의미한다.
도 1에서는, 밸런서(130)의 일 예로서, 밸런서(130)가 복수의 밸런싱 회로(D1~DN)를 포함하는 것으로 예시하고 있다. 복수의 밸런싱 회로(D1~DN)는 복수의 배터리(B1~BN)에 일대일로 병렬 연결될 수 있다. 이하에서는, 복수의 밸런싱 회로(D1~DN)에 공통된 내용을 설명함에서 있어서, 배터리에 대해 부호 'D'를 부여하겠다.
밸런싱 회로(D)는, 방전 저항(131)과 방전 스위치(132)의 직렬 회로이다. 방전 스위치(132)는, 밸런싱 실시 명령에 응답하여, 턴 온된다. 방전 스위치(132)가 턴 온되어 있는 동안, 배터리(B)는 방전 저항(131)에 의해 방전된다. 방전 스위치(132)는, MOSFET과 같은 반도체 스위치일 수 있다.
제어 회로(140)는, 릴레이(20), 배터리 모니터(110), 밸런서(130) 및 통신 회로(150)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 두 구성이 동작 가능하게 결합된다는 것은, 단방향 또는 양방향으로 신호를 송수신 가능하도록 두 구성이 직간접적으로 연결되어 있음을 의미한다.
제어 회로(140)는, '배터리 컨트롤러'라고 칭할 수 있으며, 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.
제어 회로(140)는, 배터리 모니터(110)로부터의 전압 신호 및/또는 전류 신호를 수집할 수 있다. 일 예로, 제어 회로(140)는, 내부에 마련된 ADC(Analog to Digital Converter)를 이용하여, 배터리 모니터(110)로부터 수집된 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환 및 기록할 수 있다. 대안적으로, 배터리 모니터(110)는 자체적으로 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환한 결과를 제어 회로(140)에 전달할 수도 있다.
메모리(141)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. 메모리(141)는, 제어 회로(140)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(141)는, 제어 회로(140)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(141)는, 배터리(B)의 내부 단락 고장을 검출하는 데에 이용되도록 미리 주어진 함수, 로직, 알고리즘을 저장할 수 있다. 메모리(141)는, 제어부(140) 내에 집적화될 수 있다.
제어 회로(140)는, 차량 컨트롤러(2)로부터의 키-온 신호에 응답하여, 릴레이(20)를 턴 온시킬 수 있다. 제어 회로(140)는, 차량 컨트롤러(2)로부터의 키-오프 신호에 응답하여, 릴레이(20)를 턴 오프시킬 수 있다. 키-온 신호는, 무부하 상태로부터 부하 상태로의 전환을 요청하는 신호이다. 키-오프 신호는, 부하 상태로부터 무부하 상태로의 전환을 요청하는 신호이다. 대안적으로, 릴레이(20)의 온오프 제어는, 제어 회로(140) 대신 차량 컨트롤러(2)가 담당할 수 있다.
제어 회로(140)는, 배터리 모니터(110)에 의해 검출된 배터리(B)의 전압을 기초로, 밸런서(130)를 제어하도록 구성된다.
제어 회로(140)는, 복수의 배터리(B1~BN) 각각의 전압을 모니터링하여, 복수의 배터리(B1~BN)의 최대 전압 및 최소 전압을 식별할 수 있다. 최대 전압은, 복수의 배터리(B1~BN)의 전압 중에서 최대인 것이다. 최소 전압은, 복수의 배터리(B1~BN)의 전압 중에서 최소인 것이다.
통신 회로(150)는, 제어 회로(140)와 차량 컨트롤러(2) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성된다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론, 제어 회로(140)와 차량 컨트롤러(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 통신 회로(150)는, 제어 회로(140) 및/또는 차량 컨트롤러(2)로부터 수신된 정보를 사용자(운전자)가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다.
지금부터, 제어 회로(140)가 내부 단락 고장인 배터리를 검출하기 위해 실행하는 동작들에 대해 구체적으로 설명한다.
제어 회로(140)는, 배터리(B)의 무부하 전압의 전압값을 결정한다.
제어 회로(140)는, 배터리(B)가 무부하 상태인 경우, 배터리 모니터(110)에 의해 검출된 배터리(B)의 전압의 전압값과 동일하게 배터리(B)의 무부하 전압의 전압값을 결정할 수 있다.
제어 회로(140)는, 배터리(B)가 부하 상태인 경우, 배터리 상태 추정 알고리즘을 이용하여, 배터리 모니터(110)에 의해 검출된 배터리(B)의 배터리 전압 및 전류 검출기(114)에 의해 검출된 배터리(B)의 충방전 전류를 기초로, 배터리(B)의 무부하 전압의 전압값을 결정(추정)할 수 있다. 일 예로, 옴의 법칙에 따라, 배터리(B)의 충방전 전류와 배터리(B)의 내부저항의 곱에 대응하는 전압을 배터리 모니터(110)에 의해 검출된 배터리(B)의 배터리 전압으로부터 차감함으로써, 배터리(B)의 무부하 전압을 추정할 수 있다.
대안적으로, 제어 회로(140)는, 배터리(B)가 무부하 상태와 부하 상태 중 어느 상태인지 무관하게, 소정의 배터리 상태 추정 알고리즘을 이용하여, 배터리(B)의 충전상태(SOC: State Of Charge)의 추정치를 결정한 다음, 배터리(B)의 SOC의 추정치에 연관된 OCV의 값을 미리 주어진 SOC-OCV 맵(도 5 참조)으로부터 취득할 수 있다. 배터리 상태 추정 알고리즘으로는 공지의 알고리즘(예, 칼만 필터 등)을 채용할 수 있다.
제어 회로(140)는, 복수의 배터리(B1~BN) 중 타겟 배터리(B)를 결정한다. 제어 회로(140)는, 배터리 그룹(11)이 부하 상태로부터 무부하 상태로 전환되는 경우, 복수의 배터리(B1~BN) 중 적어도 하나의 배터리(B)에 대한 밸런싱 처리가 필요한지 여부를 판정할 수 있다. 타겟 배터리(B)의 존재 여부에 대한 판정은, 배터리 그룹(11)가 부하 상태로부터 무부하 상태로 전환된 시점, 즉 무부하 상태의 시작시부터 무부하 상태의 계속 중에 주기적으로 실시될 수 있다.
일 예로, 제어 회로(140)는, 무부하 전압이 복수의 배터리(B1~BN)의 최소 무부하 전압보다 기준치 이상 높은 배터리(B)를 타겟 배터리로 설정할 수 있다. 다른 예로, 제어 회로(140)는, SOC의 추정치가 복수의 배터리(B1~BN)의 최소 SOC보다 기준치 이상 높은 배터리(B)를 타겟 배터리로 설정할 수 있다.
제어 회로(140)는, 타겟 배터리(예, Bi)와 기준 배터리(예, Bj) 간의 전압차(또는 SOC의 차이)에 대응하는 용량과 동일하게 타겟 배터리(B)의 목표 용량을 결정할 수 있다. 기준 배터리는, 복수의 배터리(B1~BN) 중 최소 무부하 전압(또는 최소 SOC)에 대응하는 배터리를 지칭한다. 제어 회로(140)는, 목표 용량과 목표 시간 간의 상관관계로서 미리 주어진 맵을 이용하여, 타겟 배터리(B)에 대한 목표 시간을 결정할 수 있다. 목표 용량과 목표 시간 간의 상관관계는, 배터리(B)와 동일한 전기화학적 성능을 가지도록 제조된 배터리들에 대한 실험을 통해 결정될 수 있다.
대안적으로, 밸런서(130)는 밸런싱 실시 명령이 수신될 때마다, 타겟 배터리(B)에 대한 밸런싱 처리를 제1 시간 동안 실시한 다음, 제2 시간 동안 밸런싱 처리를 정지할 수 있다. 제어 회로(140)는, 밸런서(130)의 밸런싱 처리가 정지되어 있는 기간마다, 복수의 배터리(B1~BN) 중 타겟 배터리(B)를 다시 식별하고, 타겟 배터리(B)에 대한 밸런싱 실시 명령을 밸런서(130)에게 전달할 수 있다.
밸런싱 실시 명령은, 방전 스위치(132)에 직접 인가되어, 방전 스위치(132)를 오프 상태로부터 온 상태로 유도하는 하이 레벨 전압일 수 있다. 방전 스위치(132)는, 밸런싱 실시 명령이 수신되는 않는 동안에는 오프 상태로 유지될 수 있다.
한편, 제어 회로(140)는, 타겟 배터리(B)에 대한 밸런싱 처리가 실시되는 중에 무부하 상태로부터 부하 상태로의 전환이 요청되는 경우, 밸런서(130)에서 밸런싱 정지 명령을 출력할 수 있다. 밸런서(130)는, 밸런싱 정지 명령에 응답하여, 복수의 배터리(B1~BN) 전체에 대한 밸런싱 처리를 종료할 수 있다.
도 2는 배터리의 예시적인 등가 회로를 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 본 명세서에 있어서, 정상 배터리는 복수의 배터리(B1~BN) 중에서 내부 단락 고장이 없는 배터리를 칭하고, 고장 배터리는 복수의 배터리(B1~BN) 중에서 내부 단락 고장인 배터리를 칭한다.
도 2를 참조하면, 정상 배터리는, 직류 전압원(VDC), 내부 저항(R0) 및 RC 페어(R1, C)의 직렬 회로로서 등가화될 수 있다. 이와 비교할 때, 고장 배터리는, 정상 배터리에 대응하는 직렬 회로의 양단 사이에 추가적 저항(RISC)이 연결된 것으로 등가화될 수 있다. 추가적 저항(RISC)은 누설 전류(IISC)의 경로로서 작용한다. 참고로, 직류 전압원(VDC)의 전압은 배터리(B)의 OCV이고, 배터리 전압은 직류 전압원(VDC), 내부 저항 성분(R0) 및 RC 페어(R1, C)의 직렬 회로의 총 전압이다. RC 페어(R1, C)의 전압이 제로(0 V)인 경우, 완화 전압과 OCV는 동일하다.
고장 배터리의 충전 시, 충전 전력의 일부는 고장 배터리에 저장되지 못한 채로 누설 전류(IISC)로서 소모되어 버린다. 또한, 고장 배터리의 방전 시, 방전 전력 중 일부는 전기 부하(30)에 공급되지 못한 채로 누설 전류(IISC)로서 소모되어 버린다. 저항(RISC)의 저항값 감소는 내부 단락 고장의 심화를 의미하며, 내부 단락 고장이 심화될수록 누설 전류(IISC)로 소모되는 전력량이 증가할 수 있다.
결과적으로, 충전에 있어서, 고장 배터리의 전압 변화(즉, SOC의 상승량)는 정상 배터리보다 작다. 반면, 방전에 있어서, 고장 배터리의 전압 변화(즉, SOC의 저하량)는 정상 배터리보다 크다. 더욱이, 무부하 상태에서도, 고장 배터리에 저장된 에너지가 누설 전류(IISC)로서 소모되어 버린다.
도 3 내지 도 6은 배터리의 내부 단락 고장의 검출 원리를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 3은 배터리 그룹(11)에 대한 부하 상태(충전), 무부하 상태, 부하 상태(방전) 및 무부하 상태가 순차적으로 진행되는 기간에 걸친, 배터리(Bi)와 배터리(Bj) 각각의 무부하 전압의 경시적 변화를 예시하고 있다. 도 3에서는, 배터리(Bi)가 정상 배터리이고, 배터리(Bj)가 고장 배터리인 것으로 가정하고 있다.
도 3을 참조하면, 커브(310)는 배터리(Bi)의 무부하 전압을, 커브(320)는 배터리(Bj)의 무부하 전압을 나타낸다. 시점 tB는, 검출 타이밍 즉, 제어 회로(140)가 복수의 배터리(B1~BN) 중에서 고장 배터리를 검출하는 시점이다. 시점 tA는, 시점 tB로부터 기준 시간(ΔtREF)만큼 앞선 과거의 시점이다. 기준 시간(ΔtREF)의 길이는 미리 정해져 있을 수 있다. 이해를 돕기 위해, 시점 tA에서는, 배터리(Bi)와 배터리(Bj)의 무부하 전압이 동일한 것으로 가정하였다.
시점 tA부터 시점 t1까지는 충전 기간으로서, 배터리(Bi)와 배터리(Bj)의 무부하 전압은 지속 상승한다. 다만, 배터리(Bj)는 배터리(Bi)보다 무부하 전압의 상승이 더디며, 충전 기간(tA~t1)에 걸쳐 배터리(Bi)와 배터리(Bj)의 전압차는 점차 커진다. 즉, 충전 기간(tA~t1) 동안, 복수의 배터리(B1~BN)의 전압 불균형 상태가 점차 심화된다.
시점 t1부터 시점 t4까지는 무부하 기간으로서, 배터리(Bi)와 배터리(Bj)의 충방전이 중단된다. 배터리(Bj)의 무부하 전압은, 누설 전류(도 2 참조)로 인해 무부하 기간(t1~t4)에서도 서서히 하강한다. 한편, 시점 t2부터 시점 t3까지는, 배터리(Bi)에 대한 밸런싱 처리가 실시되는 기간, 즉 배터리(Bi)의 밸런싱 기간이다. 제어 회로(140)는, 시점 t1과 시점 t2 사이에서, 복수의 배터리(B1~BN) 중에서 배터리(Bi)를 타겟 배터리로 설정한다. 일 예로, 시점 t1에서 배터리(Bj)의 무부하 전압이 복수의 배터리(B1~BN)의 최소 무부하 전압인 경우, 배터리(Bi)의 무부하 전압은 배터리(Bj)의 무부하 전압보다 높으므로, 배터리(Bi)는 타겟 배터리로 설정된다. 물론, 나머지 배터리들 중에서, 최소 무부하 전압보다 낮은 무부하 전압이 검출된 적어도 하나의 배터리가 추가적으로 타겟 배터리로 설정될 수 있다. 배터리(Bi)에 대한 밸런싱 처리가 실시됨에 따라, 배터리(Bi)의 무부하 전압은 밸런싱 기간(t2~t3)에 걸쳐 지속 하강한다. 즉, 밸런싱 기간(t2~t3) 동안, 복수의 배터리(B1~BN)의 전압 불균형 상태가 점차 해소된다.
시점 t4부터 시점 t5까지는 방전 기간으로서, 배터리(Bi)와 배터리(Bj)의 무부하 전압은 지속 하강한다. 배터리(Bj)는 배터리(Bi)보다 무부하 전압의 하강이 빠르며, 방전 기간(t4~t5)에 걸쳐 배터리(Bi)와 배터리(Bj)의 전압차는 다시 점차 증가한다. 즉, 방전 기간(t4~t5) 동안, 복수의 배터리(B1~BN)의 전압 불균형 상태가 점차 심화된다.
시점 t5부터 시점 tB까지는 무부하 기간이다. 배터리(Bj)의 무부하 전압은, 무부하 기간(t5~tB)에 걸쳐 서서히 하강한다. 한편, 시점 t6부터 시점 t7까지는 배터리(Bi)의 밸런싱 기간이다. 제어 회로(140)는, 시점 t5과 시점 t6 사이에서, 복수의 배터리(B1~BN) 중에서 타겟 배터리를 설정한다. 일 예로, 시점 t6에서는, 시점 t2에서와 마찬가지로, 배터리(Bi)는 타겟 배터리로 설정된다. 배터리(Bi)에 대한 밸런싱 처리가 실시됨에 따라, 배터리(Bi)의 무부하 전압은 밸런싱 기간(t6~t7)에 걸쳐 지속 하강한다. 즉, 밸런싱 기간(t6~t7) 동안, 복수의 배터리(B1~BN)의 전압 불균형 상태가 다시 해소되어 간다.
도 3을 참조하여 전술된 설명에 따르면, 배터리(Bi)에 대한 밸런싱 처리가 실시될 때마다, 배터리(Bi)와 배터리(Bj) 간의 무부하 전압의 차이가 줄어든다. 따라서, 시점 tB(내부 단락 고장의 검출 타이밍)에서 복수의 배터리(B1~BN)의 무부하 전압을 어떠한 임계치와 비교하는 것만으로는, 배터리(Bj)가 고장 배터리인지 여부를 식별하는 것이 불가하다는 과제가 있다.
본 발명은, 내부 단락 고장의 검출 타이밍(시점 tB)을 기준으로, 최근의 기준 시간(ΔtREF) 동안의 기간(즉, tA~tB)에서의 복수의 배터리(B1~BN) 각각의 밸런싱 용량을 이용하여, 검출 타이밍(시점 tB)에서의 복수의 배터리(B1~BN) 각각의 무부하 전압의 전압값을 보상한다. 배터리(B)의 보상된 전압값은, 기간(tA~tB)에 걸쳐 배터리(B)에 대한 밸런싱 처리가 미실행되었을 경우의 검출 타이밍(시점 tB)에서의 배터리(B)의 무부하 전압의 추정치를 나타낸다. 이에 따라, 검출 타이밍(시점 tB)에서의 복수의 배터리(B1~BN) 간의 전압 불균형 상태가 매우 약하더라도, 배터리(Bj)가 고장 배터리인 것으로 검출될 수 있다.
제어 회로(140)는, 소정의 시간 간격의 검출 타이밍마다, 복수의 배터리(B1~BN) 중 고장 배터리를 검출할 수 있다. 일 예로, 기준 시간(ΔtREF)은 인접한 두 검출 타이밍의 시간 간격의 100배일 수 있고, 최근의 기준 시간(ΔtREF) 동안의 기간은 무빙 윈도우를 이용하여 특정될 수 있다. 제어 회로(140)는, 검출 실시 조건이 만족되는 경우에 내부 단락 고장의 검출을 실시할 수 있다. 검출 실시 조건은, 예컨대 복수의 배터리(B1~BN) 전부에 대한 밸런싱 처리가 정지되어 있는 무부하 상태일 수 있다.
기간(tA~tB)에서의 배터리(B)의 밸런싱 용량이란, 기간(tA~tB)에서 실시된 밸런싱 처리에 의한 배터리(B)의 방전 용량의 누산값, 즉 기간(tA~tB)에 걸친 총 방전 용량이다. 기간(tA~tB)에서 밸런싱 처리가 단 한번도 실시되지 않은 배터리(예, Bj)의 밸런싱 용량은 0Ah으로 결정된다.
지금부터, 밸런싱 처리가 1회 실시될 때마다의 방전 용량을 결정하는 원리에 대해 설명하기로 한다.
도 4는, 도 3에서의 무부하 기간(t1~t4) 내에서 배터리(Bi)에 대해 실시된 밸런싱 처리에 관한 설명을 위한 것이다. 커브(410)와 커브(411)는 각각 배터리(Bi)의 무부하 전압 및 방전 용량의 경시적인 변화를 보여준다. 배터리(Bi)의 무부하 전압의 전압값은 시점 t1부터 시점 t2까지 V2로 일정하다가, 시점 t2부터 시점 t3까지 지속 하강하고, 시점 t3에서는 V3에 도달하고 있다. 시점 t3는 배터리(Bi)에 대한 밸런싱 처리가 종료된 시점이다.
제어 회로(150)는, 밸런싱 처리의 제1 밸런싱 데이터에 용량 추정 함수를 적용하여, 밸런싱 처리에 의한 배터리(Bi)의 방전 용량을 결정할 수 있다. 제1 밸런싱 데이터는, 밸런싱 처리의 시작 전압값 및 계속 시간을 포함한다. 시작 전압값은, 밸런싱 처리의 시작 시점(t2)에서의 배터리(Bi)의 무부하 전압을 나타내며, 도 4에서는 V2이다. 계속 시간은, 밸런싱 처리의 시작 시점(t2)부터 종료 시점(t3)까지의 시간 간격을 나타내며, 도 4에서는 ΔtBC = t3 - t2이다.
용량 추정 함수는, 시작 전압값, 계속 시간 및 방전 용량 간의 상관관계를 규정하는 것으로, 배터리(B)와 동일한 전기화학적 성능을 가지도록 제조된 배터리들에 대한 실험을 통해 결정될 수 있다. 하기의 수식 1은 용량 추정 함수의 일 예이다.
<수식 1>
Figure pat00001
수식 1에 있어서, Vstart는 시작 전압값, ΔtBC는 계속 시간, R은 방전 저항(131)의 미리 정해진 저항값(resistance), Qdis는 밸런싱 처리 당 방전 용량이다. Vstart/R는 밸런싱 처리의 시작 시에 방전 저항(131)을 통해 흐르는 밸런싱 전류를 나타낸다.
하기의 수식 2는 용량 추정 함수의 다른 예이다.
<수식 2>
Figure pat00002
수식 2에 있어서, Vend는 종료 전압값이고, 나머지 팩터들은 수식 1과 동일하다.
대안적으로, 제어 회로(150)는, 밸런싱 처리의 제2 밸런싱 데이터에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 밸런싱 처리에 의한 배터리(Bi)의 방전 용량을 결정할 수 있다. 제2 밸런싱 데이터는, 밸런싱 처리의 시작 전압값 및 종료 전압값을 포함한다. 종료 전압값은, 밸런싱 처리의 종료 시점(t3)에서의 무부하 전압을 나타내며, 도 4에서는 V3이다. 도 5는 SOC-OCV 맵의 일 예이다. 도 5를 참조하면, Z2는 시작 전압값(V2)에 대응하는 SOC이고, Z3는 종료 전압값(V3)에 대응하는 SOC이다. 제어 회로(140)는, 두 SOC의 차이 즉, Z2-Z3에 배터리(Bi)의 만충전 용량(FCC: Full Charge Capacity)을 곱하여, 밸런싱 기간(t2~t3)에서 실시된 밸런싱 처리에 의한 배터리(Bi)의 방전 용량을 결정할 수 있다. 만충전 용량의 추정법은 널리 공지된 것인바 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
대안적으로, 밸런싱 처리의 시작시부터 종료시까지, 방전 저항(131)의 전압과 저항값에 옴의 법칙을 적용하여 주기적으로 계산되는 밸런싱 전류를 적산함으로써, 배터리(B)의 밸런싱 용량을 직접적으로 계산할 수도 있다.
전술된 밸런싱 용량의 결정은, 밸런싱 처리가 1회 실시될 때마다 실행될 수 있다.
기간(tA~tB)에서, 배터리(Bi)에 대한 밸런싱 처리는 2회 실시되었다. 따라서, 제어 회로(140)는, 밸런싱 기간(t2~t3)에서의 방전 용량과 밸런싱 기간(t6~t7)에서의 방전 용량을 합하여, 기간(tA~tB) 동안 배터리(Bi)로부터 소모된 총 용량인 배터리(Bi)의 밸런싱 용량을 결정할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어 회로(140)는, 검출 타이밍(시점 tB)에서, 복수의 배터리(B1~BN) 각각의 SOC의 추정치를 결정할 수 있다. 일 예로, 시점 tB에서 검출된 배터리(Bi)의 무부하 전압의 전압값이 Vi인 경우, 제어 회로(140)는 전압값 Vi에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 전압값(Vi)에 대응하는 Zi를 배터리(Bi)의 SOC의 추정치로서 결정할 수 있다.
제어 회로(140)는, 검출 타이밍(시점 tB)을 기준으로 최근의 기준 시간(ΔtREF) 동안의, 복수의 배터리(B1~BN) 각각의 밸런싱 용량에 후술된 소정의 전압 보상 로직을 적용하여, 복수의 배터리(B1~BN) 각각의 무부하 전압의 전압값을 보상할 수 있다. 구체적으로, 제어 회로(140)는, 배터리(Bi)의 밸런싱 용량을 배터리(Bi)의 만충전 용량으로 나누어, 배터리(Bi)의 SOC 변화량(ΔZi)을 결정할 수 있다. 제어 회로(140)는, SOC의 추정치(Zi)에 SOC 변화량(ΔZi)을 합하여, 배터리(Bi)의 SOC의 추정치를 Zi로부터 Zi+로 보상한다. 제어 회로(140)는, 보상된 SOC의 추정치(Zi+)에 SOC-OCV 맵을 적용하여, Zi+에 대응하는 전압값(Vi+)을 결정한다. 전압값(Vi+)은, 배터리(Bi)의 밸런싱 용량을 이용하여 전압값(Vi)을 보상한 결과이다. 반면, 배터리(Bj)에 대해서는 기간(tA~tB)에 걸쳐 밸런싱 처리가 1회도 실시되지 않았으므로, 배터리(Bj)의 보상된 전압값(Vj+)은 시점 tB에서 검출된 전압값(Vj)과 동일하다.
도 3을 다시 참조하면, 커브(311)는, 커브(310)에 배터리(Bi)의 밸런싱 용량의 경시적 변화를 적용하여, 커브(310)를 보상한 결과이다. 즉, 커브(311)는, 기간(tA~tB) 동안 배터리(Bi)에 대한 밸런싱 처리가 전혀 실시되지 않았을 때의 배터리(Bi)의 무부하 전압의 경시적 변화를 나타낸다. 충전 기간(tA~t1)에서는 밸런싱 처리가 실시되지 않으므로, 커브(310)와 커브(320)는 충전 기간(tA~t1)에서 완전히 겹쳐져 있다. 또한, 방전 기간(t4~t5)에서도 밸런싱 처리가 실시되지 않으므로, 커브(310)와 커브(320)의 차이는 방전 기간(t4~t5)에 걸쳐 동일하게 유지된다. 도 5에서 설명한대로, 검출 타이밍(tB)에서의 배터리(Bi)의 전압값이 Vi로부터 Vi+로 보상됨에 따라, 배터리(Bj)의 전압값(Vj)과의 차이가 확대되었음을 확인할 수 있다.
전술된 일련의 과정들(전압 보상 로직)은, 검출 타이밍마다 복수의 배터리(B1~BN) 모두에 대해 공통적으로 적용된다. 제어 회로(140)는, 검출 타이밍마다, 복수의 배터리(B1~BN) 중 둘 이상의 배터리의 보상된 전압값의 평균값 또는 중앙값과 동일하게 기준 전압값을 결정할 수 있다. 즉, 기준 전압값은 검출 타이밍마다 새롭게 갱신될 수 있다. 일 예로, 기준 전압값은, 복수의 배터리(B1~BN)에 대해 결정된, (i)복수의 보상된 전압값 모두 또는 (ii)복수의 보상된 전압값 중 큰 순서로 소정 개수의 보상된 전압값의 평균값 또는 중앙값일 수 있다. 도 3을 참조하면, VR는 시점 tB에서의 기준 전압값이다. 대안적으로, 기준 전압값은, 복수의 배터리(B1~BN)의 전압 변화와는 무관하게, 미리 주어진 값일 수 있다.
제어 회로(140)는, 검출 타이밍마다, 기준 전압값과 배터리(B)의 보상된 전압값 간의 차이인 전압 편차를 결정할 수 있다. 또한, 제어 회로(140)는, 최근의 기준 시간(ΔtREF) 동안의 기간(tA~tB)에 걸친, 순차적으로 복수회 결정된 배터리(B)의 전압 편차의 경시적 변화를 나타내는 시계열을 메모리(141)에 기록해둘 수 있다. 기간(tA~tB) 내의 몇몇 검출 타이밍에서의 배터리(B)의 전압 편차가 누락되는 경우, 시계열 내의 나머지 전압 편차의 값들에 인터폴레이션을 적용하여, 누락된 전압 편차의 값이 시계열에 추가될 수 있다. 도 6에 있어서, 커브(610) 및 커브(620)는 각각 배터리(Bi)의 전압 편차와 배터리(Bj)의 전압 편차의 경시적 변화를 예시하고 있다.
제어 회로(140)는, 최근의 기준 시간(ΔtREF) 동안의 배터리(B)의 전압 편차의 변화량을 결정할 수 있다. 도 6에 있어서, ΔViA 및 ΔViB는 각각 시점 tA 및 tB에서의 배터리(Bi)의 전압 편차이며, 배터리(Bi)의 전압 편차의 변화량은 ΔViA - ΔViB이다. 또한, ΔVjA 및 ΔVjB는 각각 시점 tA 및 tB에서의 배터리(Bj)의 전압 편차이며, 배터리(Bj)의 전압 편차의 변화량은 ΔVjA - ΔVjB이다. 참고로, 도 3을 참조하면, ΔViB = Vi+ - VR이고, ΔVjB = Vj+ - VR이다.
제어 회로(140)는, 검출 타이밍마다, 배터리(B)의 전압 편차의 변화량을 임계값과 비교하여, 배터리(B)가 내부 단락 고장인지 여부를 판정한다. 일 예로, 시점 tB에서, (ΔViA - ΔViB) < 임계값 ≤ (ΔVjA - ΔVjB)인 경우, 배터리(Bi)는 정상 배터리로 판정되고, 배터리(Bj)는 고장 배터리로 판정된다.
제어 회로(140)는, 검출 타이밍마다, 배터리(B)의 전압 편차의 변화량을 임계값과 비교하여, 배터리(B)의 전압 편차의 변화량이 임계값 이상인 것으로 연속된 횟수를 카운팅하고, 카운팅된 횟수가 소정 횟수에 도달하면 배터리(B)가 내부 단락 고장인 것으로 판정할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 7의 방법은, 소정의 시간 간격을 두고 반복 실행될 수 있다. 이해를 돕기 위해, 도 7의 방법이 시점 tB에서 실행된 것으로 가정하여 설명하겠다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 단계 S700에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 무부하 전압을 나타내는 제1 전압값을 결정한다. 예컨대, 도 3의 Vi 및 Vj는 각각 배터리(Bi)와 배터리(Bj)의 제1 전압값을 나타낸다.
단계 S710에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 밸런싱 용량을 이용하여, 배터리(B)의 제1 전압값을 보상한다. 단계 S710은, 서브 루틴으로서 도 8에 도시된 단계 S810, S820, S830 및 S840을 포함할 수 있다.
단계 S810에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 제1 전압값에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 배터리(B)의 SOC의 추정치를 결정한다. 도 5를 참조하면, Zi는 배터리(Bi)의 제1 전압값(Vi)에 대응하는 배터리(Bi)의 SOC의 추정치이다.
단계 S820에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 밸런싱 용량을 결정한다. , 배터리(B)의 밸런싱 용량은, 최근의 기준 시간(ΔtREF) 동안에 배터리(B)에 대해 실시된 밸런싱 처리에 의한 방전 용량의 누산값일 수 있다.
단계 S830에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 SOC의 추정치에 밸런싱 용량에 대응하는 SOC 변화량을 합하여, 배터리(B)의 SOC의 추정치를 보상한다. 도 5를 참조하면, Zi에 ΔZi가 더해져, 배터리(Bi)의 보상된 SOC의 추정치(Zi+)가 취득된다.
단계 S840에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 보상된 SOC의 추정치에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 배터리(B)의 보상된 제1 전압값을 결정한다. 도 5를 참조하면, 배터리(B)의 보상된 제1 전압값은, Zi+에 대응하는 Vi+와 동일하게 결정된다.
단계 S720에서, 제어 회로(140)는, 기준 전압값을 결정한다. 도 3의 VR는 시점 tB에서의 기준 전압값이다.
단계 S730에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 보상된 제1 전압값과 기준 전압값 간의 차이와 동일하게 배터리(B)의 전압 편차를 결정한다. 도 6을 참조하면, ΔViB 및 ΔVjB는 각각 배터리(Bi)의 전압 편차와 배터리(Bj)의 전압 편차이다.
단계 S740에서, 제어 회로(140)는, 최근의 기준 시간(ΔtREF) 동안의 배터리(B)의 전압 편차의 변화량을 결정한다. 도 6을 참조하면, (ΔViA - ΔViB)은 배터리(Bi)의 전압 편차의 변화량이고, (ΔVjA - ΔVjB)은 배터리(Bj)의 전압 편차의 변화량이다.
단계 S750에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 전압 편차의 변화량이 임계값 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S750의 값이 "예"인 경우, 단계 S760으로 진행한다.
단계 S760에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)가 내부 단락 고장인 것으로 검출한다. 추가적으로, 제어 회로(140)는, 소정의 보호 동작을 실행할 수 있다. 보호 동작은, 배터리(B)가 내부 단락 고장임을 알리는 진단 메시지를 출력을 포함할 수 있다. 진단 메시지는, 통신 회로(150)를 통해 차량 컨트롤러(2)에게 전송될 수 있다. 통신 회로(150)는, 진단 메시지를 수신 시, 사용자에게 경고 신호를 출력할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 9의 방법은, 소정의 시간 간격을 두고 반복 실행될 수 있다. 이해를 돕기 위해, 도 9의 방법이 시점 tB에서 실행된 것으로 가정하여 설명하겠다.
도 9를 참조하면, 단계 S700부터 단계 S740까지의 과정은 제1 실시예와 공통된다. 단계 S740이 실시된 후, 단계 S910으로 이행한다. 단계 S910에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 전압 편차의 변화량이 임계값 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S910의 값이 "예"인 경우, 단계 S920으로 진행한다. 단계 S910의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S922로 진행한다.
단계 S920에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 고장 카운트를 1만큼 증가시킨다. 단계 S922에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 고장 카운트를 초기값(예, 0)과 동일하게 리셋한다.
단계 S930에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)의 고장 카운트가 소정값 이상인지 여부를 판정한다. 즉, 배터리(B)의 전압 편차의 변화량이 임계값 이상인 것으로 소정 횟수 연속하여 카운팅되었는지 여부가 판정된다. 단계 S930의 값이 "예"인 경우, 단계 S940으로 진행한다.
단계 S940에서, 제어 회로(140)는, 배터리(B)가 내부 단락 고장인 것으로 검출한다. 제1 실시예에서와 마찬가지로, 제어 회로(140)는, 소정의 보호 동작을 실행할 수 있다.
제2 실시예는 제1 실시예의 변형예로서, 고장 배터리의 오검출을 방지할 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
10: 배터리 팩 B: 배터리
100: 배터리 관리 시스템
110: 배터리 모니터 130: 밸런서
140: 제어 회로

Claims (14)

  1. 직렬 연결된 복수의 배터리 각각의 전압을 검출하도록 구성되는 배터리 모니터;
    각 배터리에 대한 밸런싱 처리를 실행하도록 구성되는 밸런서; 및
    상기 배터리 모니터에 의해 검출된 각 배터리의 전압을 기초로 상기 밸런서를 제어하도록 구성되는 제어 회로를 포함하고,
    상기 제어 회로는,
    각 배터리의 무부하 전압을 나타내는 제1 전압값을 결정하고,
    최근의 기준 시간 동안에 실행된 상기 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 밸런싱 용량을 이용하여, 각 배터리의 상기 제1 전압값을 보상하고,
    각 배터리의 상기 보상된 제1 전압값과 기준 전압값 간의 차이인 전압 편차를 결정하고,
    상기 기준 시간 동안의 각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량을 임계값과 비교하여, 각 배터리의 내부 단락 고장을 검출하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량이 상기 임계값 이상인 경우, 각 배터리의 고장 카운트를 1만큼 증가시키고,
    각 배터리의 고장 카운트가 소정값 이상인 경우, 각 배터리가 내부 단락 고장인 것으로 검출하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 복수의 배터리 중 적어도 둘 이상의 배터리의 상기 보상된 제1 전압값의 평균값 또는 중앙값과 동일하게 상기 기준 전압값을 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸런서는, 상기 복수의 배터리에 일대일로 병렬 접속되는 복수의 밸런싱 회로를 포함하고,
    각 밸런싱 회로는, 직렬 연결되는 방전 저항 및 방전 스위치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 기준 시간 동안의 기간 내에 실행된 각 밸런싱 처리에 의한 각 배터리 셀의 방전 용량을 누산하여, 각 배터리 셀의 상기 밸런싱 용량을 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    각 밸런싱 처리에 연관된 제1 밸런싱 데이터에 용량 추정 함수를 적용하여, 각 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 상기 방전 용량을 결정하도록 구성되되,
    상기 제1 밸런싱 데이터는, 상기 밸런싱 처리의 시작 시의 각 배터리의 무부하 전압을 나타내는 제2 전압값 및 상기 밸런싱 처리의 계속 시간을 포함하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    각 밸런싱 처리의 제2 밸런싱 데이터에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 각 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 상기 방전 용량을 결정하도록 구성되되,
    상기 제2 밸런싱 데이터는, 상기 밸런싱 처리의 시작 시의 각 배터리의 무부하 전압을 나타내는 제2 전압값 및 상기 밸런싱 처리의 종료 시의 각 배터리의 무부하 전압을 나타내는 제3 전압값을 포함하는 배터리 관리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    각 배터리의 상기 제1 전압값에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 각 배터리의 SOC의 추정치를 결정하고,
    각 배터리의 상기 SOC의 추정치에 상기 밸런싱 용량에 대응하는 SOC 변화량을 합하여, 각 배터리의 상기 SOC의 추정치를 보상하고,
    각 배터리의 상기 보상된 SOC의 추정치에 상기 SOC-OCV 맵을 적용하여, 상기 보상된 제1 전압값을 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  11. 직렬 연결된 복수의 배터리 각각의 무부하 전압을 나타내는 제1 전압값을 결정하는 단계;
    최근의 기준 시간 동안에 실행된 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 밸런싱 용량을 이용하여, 각 배터리의 상기 제1 전압값을 보상하는 단계;
    각 배터리의 상기 보상된 제1 전압값과 기준 전압값 간의 차이인 전압 편차를 결정하는 단계; 및
    상기 기준 시간 동안의 각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량을 임계값과 비교하여, 각 배터리의 내부 단락 고장을 검출하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    각 배터리의 내부 단락 고장을 검출하는 단계는,
    각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량이 상기 임계값 이상인 경우, 각 배터리의 고장 카운트를 1만큼 증가시키는 단계; 및
    각 배터리의 상기 고장 카운트가 소정값 이상인 경우, 각 배터리가 내부 단락 고장인 것으로 검출하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 중 적어도 둘 이상의 배터리의 상기 보상된 제1 전압값의 평균값 또는 중앙값과 동일하게 상기 기준 전압값을 결정하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    각 배터리의 상기 제1 전압값을 보상하는 단계는,
    각 배터리의 상기 제1 전압값에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 각 배터리의 SOC의 추정치를 결정하는 단계;
    각 배터리의 상기 SOC의 추정치에 상기 밸런싱 용량에 대응하는 SOC 변화량을 합하여, 각 배터리의 상기 SOC의 추정치를 보상하는 단계; 및
    각 배터리의 상기 보상된 SOC의 추정치에 상기 SOC-OCV 맵을 적용하여, 상기 보상된 제1 전압값을 결정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
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