KR20230050028A - 배터리 관리 시스템 및 이의 배터리 모니터링 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 이의 배터리 모니터링 방법 Download PDF

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KR20230050028A
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Abstract

배터리 관리 시스템 및 이의 배터리 모니터링 방법이 개시된다. 배터리 모니터링 방법은, 배터리 팩이 무충방전될 때, 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압을 측정하는 단계, 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 복수의 배터리 셀 각각의 전류를 측정하는 단계, 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압을 측정하는 단계, 측정된 제1 전압, 제2 전압 및 전류를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항을 계산하는 단계, 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계 및 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인 배터리 셀을 차단하는 단계를 포함한다.

Description

배터리 관리 시스템 및 이의 배터리 모니터링 방법{Battery management system and method for battery monitoring thereof}
본 발명은 배터리 관리 시스템 및 이의 배터리 모니터링 방법에 관한 것이다.
가솔린이나 경유를 연료로 사용하는 자동차는 대기를 오염시키는 공해를 발생하여 환경에 심각한 영향을 주고 있다. 그래서, 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력이 기울여지고 있다. 이에 따라, 최근에는 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있다. 전기 자동차 등과 같이 모터 구동을 위한 대전력을 필요로 하는 기기에 사용될 수 있도록, 복수개의 고출력 이차 전지가 직렬로 연결되어 대용량의 이차 전지가 구성된다.
도 1은 대용량의 이차 전지의 예를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 복수 개 연결되어 하나의 배터리 팩이 구성될 수 있다.
이와 같이, 하나의 대용량 이차 전지(이하, 배터리 팩이라 함)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지로 이루어진다. 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 경우, 수 개에서 많게는 수십 개의 이차 전지가 충전과 방전을 번갈아 가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충방전을 제어하여 배터리 팩이 적정한 동작 상태로 유지되도록 관리할 필요성이 있다.
이를 위하여, 배터리 팩에 대한 전반적인 상태를 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)이 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에 구비된다. 배터리 관리 시스템은 배터리 팩의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 연산을 통해 충전 상태(SOC)를 추정하고, 차량의 전기 소비 효율이 가장 좋아지도록 충전 상태를 제어한다.
도 2는 배터리 관리 시스템의 동작 원리를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리 관리 시스템은 배터리 팩의 과충전 및 과방전을 제어하기 위하여, 배터리 셀의 과충전 시 또는 과방전 시 스위치(S)를 온(ON)시킴으로써, 저항(R)을 통해 전력을 소모하는 방식으로 각 배터리 셀을 보호할 수 있다.
이러한 배터리 관리 시스템은 관리 대상이 되는 배터리 팩의 각 배터리 셀이 과충전되거나 과방전되는 상황을 상시적으로 정확하게 감지하는 것이 필요하다.
대한민국등록특허공보 제10-2213260호(2021.02.01)
본 발명은 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 별로 내부저항을 측정하고, 측정된 내부저항을 모니터링하여 노후화된 배터리 셀을 찾아 차단하는 배터리 관리 시스템 및 이의 배터리 모니터링 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀에 대하여 배터리 관리 시스템이 수행하는 배터리 모니터링 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모니터링 방법은, 상기 배터리 팩이 무충방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압을 측정하는 단계, 상기 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전류를 측정하는 단계, 상기 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압을 측정하는 단계, 상기 측정된 제1 전압, 제2 전압 및 전류를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항을 계산하는 단계, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계 및 상기 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인 배터리 셀을 차단하는 단계를 포함한다.
상기 내부저항을 계산하는 단계는, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압을 차이를 상기 전류로 나누어 상기 내부저항을 계산한다.
상기 복수의 배터리 셀은 노후화되어 수명이 감소될수록 상기 내부저항이 증가한다.
상기 복수의 배터리 셀의 등가회로는 커패시터(capacitor), 상기 커패시터와 병렬로 연결된 제1 저항 및 상기 커패시터와 직렬로 연결된 제2 저항을 포함하여 구성되고, 상기 커패시터, 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항이 상기 내부저항을 형성한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀을 모니터링하는 배터리 관리 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 명령어를 저장하는 메모리 및 상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는, 상기 배터리 팩이 무충방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압을 측정하는 단계, 상기 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전류를 측정하는 단계, 상기 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압을 측정하는 단계, 상기 측정된 제1 전압, 제2 전압 및 전류를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항을 계산하는 단계, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계 및 상기 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인 배터리 셀을 차단하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 이의 배터리 모니터링 방법은, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 별로 내부저항을 측정하고, 측정된 내부저항을 모니터링하여 노후화된 배터리 셀을 찾아 차단할 수 있다.
도 1은 대용량의 이차 전지의 예를 나타낸 도면.
도 2는 배터리 관리 시스템의 동작 원리를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템이 구비된 배터리 팩의 등가회로를 예시하여 나타낸 도면.
도 4는 배터리 노화에 따른 내부저항의 변화를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템이 수행하는 배터리 모니터링 방법을 나타낸 흐름도.
도 6은 도 5의 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모니터링 방법을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템이 구비된 배터리 팩의 등가회로를 예시하여 나타낸 도면이고, 도 4는 배터리 노화에 따른 내부저항의 변화를 나타낸 도면이다. 이하, 도 3을 중심으로, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에 대하여 설명하되, 도 4를 참조하기로 한다.
우선, 도 3을 참조하면, 배터리 팩은 복수의 배터리 셀(10, 20, 30)을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 등가회로는 도 3에 도시된 바와 같이, 커패시터(capacitor), 커패시터와 병렬로 연결된 제1 저항 및 커패시터와 직렬로 연결된 제2 저항을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같은 커패시터 및 2개의 저항이 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 내부저항을 형성할 수 있다.
도 4는 배터리 팩의 사용에 따른 내부저항(Internal Resistance), 용량(Capacity) 및 자기 방전(Self-discharge)의 변화를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 사이클(Cycle) 수가 증가할수록 내부저항이 증가하는 것을 알 수 있다. 복수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 이루어진 배터리 팩은 사용됨에 따라 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 수명과 특성, 내부저항의 차이가 점진적으로 벌어지게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)은, 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 내부저항을 측정하여 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 수명을 예측하고 관리할 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 배터리 팩에는 부하(40) 또는 충전부(50)가 연결되어, 각 배터리 셀(10, 20, 30)은 방전 또는 충전될 수 있다. 배터리 셀(10, 20, 30)의 내부저항이 증가하면, 충전 및 방전 시에 배터리 셀(10, 20, 30)의 내부 열이 높아지며, 이에 따라 수명단축이 가속되고, 화재로 이어질 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)은 노후화되어 수명이 다 된 배터리 셀(10, 20, 30)을 찾아 차단할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)의 동작 방법에 대하여 이후, 도 5 및 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템이 수행하는 배터리 모니터링 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 6은 도 5의 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모니터링 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 5를 중심으로 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모니터링 방법을 설명하되, 도 6을 참조하기로 한다.
S510 단계에서, 배터리 관리 시스템(100)은, 배터리 팩이 무충방전될 때, 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 제1 전압을 측정한다.
S520 단계에서, 배터리 관리 시스템(100)은, 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 전류를 측정한다.
S530 단계에서, 배터리 관리 시스템(100)은, 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 제2 전압을 측정한다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 팩의 무충방전 시, 충전 시 및 방전 시에 전압 및 전류를 측정하는 전압 센서, 전류 센서 등과 같은 측정 수단을 구비할 수 있다.
S540 단계에서, 배터리 관리 시스템(100)은, 측정된 제1 전압, 제2 전압 및 전류를 이용하여 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 내부저항을 계산한다.
배터리 관리 시스템(100)은 무충방전 시의 제1 전압과 충전 또는 방전 시의 제2 전압의 차이 및 충전 또는 방전 시의 전류로부터 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 내부저항을 계산할 수 있다. 즉, 배터리 관리 시스템(100)은 제1 전압과 제2 전압의 차이를 전류로 나누어 내부저항을 계산할 수 있다.
예를 들어, 도 6을 참조하면, 충방전이 없는 상태에서 배터리 셀(10, 20, 30)의 제1 전압이 3.5V이고, 배터리 셀(10, 20, 30)이 1A로 충전될 때 제2 전압이 3.7V로 측정되면, Δv1=IⅹR=0.2V이므로, 내부저항(R)은 200mΩ이 된다. 만약, 배터리 셀(10, 20, 30)의 노후화로, 내부저항이 250mΩ으로 상승하게 되는 경우, 동일한 조건에서 충전될 때 제2 전압은 3.75V로 측정된다.
S550 단계에서, 배터리 관리 시스템(100)은, 계산된 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인지 여부를 판단한다.
S560 단계에서, 배터리 관리 시스템(100)은, 계산된 내부저항이 임계치 이상인 배터리 셀을 배터리 팩의 전체 배터리 셀로부터 차단한다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템(100)은 내부저항이 임계치 이상인 배터리 셀을 전력 소모용 저항에 연결하여 전체 배터리 셀로부터 분리하여 차단할 수 있다.
그리고, 배터리 관리 시스템(100)은, 내부저항이 임계치 이상인 배터리 셀이 없는 경우, S510 단계로 진입하여 계속하여 각 배터리 셀(10, 20, 30)에 대한 실시간 모니터링을 수행한다.
배터리 셀(10, 20, 30)은 노후화되어 수명이 감소될수록 내부저항이 점점 증가하는 특징을 가진다. 내부저항값은 수십mΩ ~ 수백mΩ이 되는 것이 일반적이다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 셀(10, 20, 30)이 충전 또는 방전될 때, 무충방전 시의 전압을 기준으로, 내부저항에 의한 배터리 셀(10, 20, 30)의 전압 변화량을 측정하여 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 내부저항값을 예측할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)은, 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 충전 또는 방전 시의 전류 및 전압을 모니터링하여 각 배터리 셀(10, 20, 30)의 내부저항을 계산할 수 있고, 이로부터 배터리 셀(10, 20, 30)의 노화를 예측하여 관리할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)은 프로세서(110), 메모리(120), 통신부(130) 및 인터페이스부(140)를 포함한다.
프로세서(110)는 메모리(120)에 저장된 처리 명령어를 실행시키는 CPU 또는 반도체 소자일 수 있다.
메모리(120)는 다양한 유형의 휘발성 또는 비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 ROM, RAM 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 메모리(120)는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모니터링 방법을 수행하는 명령어들을 저장할 수 있다.
통신부(130)는 통신망을 통해 다른 장치들과 데이터를 송수신하기 위한 수단이다.
인터페이스부(140)는 네트워크에 접속하기 위한 네트워크 인터페이스 및 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
110: 프로세서
120: 메모리
130: 통신부
140: 인터페이스부

Claims (5)

  1. 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀에 대하여 배터리 관리 시스템이 수행하는 배터리 모니터링 방법에 있어서,
    상기 배터리 팩이 무충방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압을 측정하는 단계;
    상기 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전류를 측정하는 단계;
    상기 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 제1 전압, 제2 전압 및 전류를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항을 계산하는 단계;
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인 배터리 셀을 차단하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부저항을 계산하는 단계는,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압을 차이를 상기 전류로 나누어 상기 내부저항을 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀은 노후화되어 수명이 감소될수록 상기 내부저항이 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀의 등가회로는 커패시터(capacitor), 상기 커패시터와 병렬로 연결된 제1 저항 및 상기 커패시터와 직렬로 연결된 제2 저항을 포함하여 구성되고,
    상기 커패시터, 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항이 상기 내부저항을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 방법.
  5. 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀을 모니터링하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    명령어를 저장하는 메모리; 및
    상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 명령어는,
    상기 배터리 팩이 무충방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 전압을 측정하는 단계;
    상기 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전류를 측정하는 단계;
    상기 배터리 팩이 충전 또는 방전될 때, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 제1 전압, 제2 전압 및 전류를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항을 계산하는 단계;
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 내부저항이 미리 설정된 임계치 이상인 배터리 셀을 차단하는 단계를 포함하는 배터리 모니터링 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
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