KR20230065659A - 배터리의 성능 제어 방법 및 이를 실행하는 제어 장치 - Google Patents

배터리의 성능 제어 방법 및 이를 실행하는 제어 장치 Download PDF

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한해찬
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 성능 제어 방법은, 배터리의 잔존 사용량(Remaining Useful Life)에 대한 기준값을 계산하는 단계, 상기 배터리의 방전 전류를 적산한 누적 방전 전류를 이용하여, 상기 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산하는 단계, 상기 기준값과 상기 추정값을 비교하는 단계, 및 상기 기준값이 상기 추정값보다 크면 상기 배터리의 성능을 저하시키고, 상기 기준값이 상기 추정값보다 작으면 상기 배터리의 성능을 향상시키는 단계를 포함한다.

Description

배터리의 성능 제어 방법 및 이를 실행하는 제어 장치{METHOD FOR CONTOLLING PERFORMANCE OF BATTERY, AND A CONTROL DEVICE OPERATING THE SAME}
본 발명은 배터리의 성능 제어 방법 및 이를 실행하는 제어 장치에 관한 것이다.
배터리의 수명은 배터리의 SOH(State-Of-Health)가 소정의 하한값까지 감소할 때 종료되는 것으로 판단할 수 있으며, 배터리의 사용 가능한 기간에 해당하는 잔존 사용량은 SOH의 감소 추세로부터 추정될 수 있다. 또한 배터리의 SOH에 따라 배터리의 성능을 조절하여 배터리의 잔존 사용량을 목표 기간에 맞출 수 있다. 다만, 배터리의 SOH는 배터리가 장착된 시스템의 사용 환경, 충전 습관 등에 따라 달라질 수 있는 반면, 일반적으로는 SOH에 따른 배터리의 성능을 미리 정해진 값에 따라 조절하므로, 성능을 과하게 제한하거나 또는 과도한 성능으로 배터리를 이용하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 배터리가 탑재된 시스템의 사용 환경이나 소유자 변동 등의 다양한 원인에 의해 가변되는 배터리의 잔존 사용량을 정확하게 예측하고, 그로부터 배터리의 성능을 높이거나 또는 제한함으로써, 배터리들 간의 편차를 능동적으로 제어하고 배터리의 사용 기간을 늘릴 수 있는, 배터리의 성능 제어 방법 및 이를 실행하는 제어 장치를 제공하고자 하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 성능 제어 방법은, 배터리의 잔존 사용량(Remaining Useful Life)에 대한 기준값을 계산하는 단계, 상기 배터리의 방전 전류를 적산한 누적 방전 전류를 이용하여, 상기 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산하는 단계, 상기 기준값과 상기 추정값을 비교하는 단계, 및 상기 기준값이 상기 추정값보다 크면 상기 배터리의 성능을 저하시키고, 상기 기준값이 상기 추정값보다 작으면 상기 배터리의 성능을 향상시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치는, 배터리의 방전 전류를 적산하여 누적 방전 전류를 출력하는 전류 적산부, 상기 배터리의 SOH와 상기 누적 방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 잔존 사용량의 추정값을 계산하는 잔존 사용량 판단부, 및 상기 배터리의 잔존 사용량에 대한 기준값을 상기 추정값과 비교하고, 상기 배터리의 성능을 제어하는 성능 제어부를 포함하며, 상기 성능 제어부는, 상기 기준값이 상기 추정값보다 크면 상기 배터리의 성능을 저하시키고, 상기 기준값이 상기 추정값보다 작으면 상기 배터리의 성능을 향상시킨다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 배터리의 성능 제어 방법에서는, 배터리의 방전 전류를 적산한 누적 방전 전류를 이용하여 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산하고, 이를 기준값과 비교하여 배터리의 성능을 저하시키거나 또는 향상시킬 수 있다. 따라서, 배터리가 탑재된 시스템의 소유자가 변하거나 주변 환경이 바뀌는 등의 조건에서도 배터리의 잔존 사용량을 정확하게 예측하여 배터리의 잔존 사용량과 그에 따른 성능을 효과적으로 관리할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리가 장착된 전기차를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 제어 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 성능 제어 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
도 4는 비교예에 따른 배터리의 성능 제어 방법을 설명하기 위해 제공되는 그래프이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 성능 제어 방법을 설명하기 위해 제공되는 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 성능 제어 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리가 장착된 전기차를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기차(100)는 배터리(110)와 제어 장치(120)를 포함할 수 있다. 제어 장치(120)는 BMS(Battery Management System) 등을 포함하며, 배터리(110)의 충방전을 제어할 수 있다. 또한 제어 장치(120)는 배터리(110)의 충전 상태와 잔존 수명 등을 모니터링하여 전기차(100)의 운전자에게 디스플레이 등으로 출력할 수 있다.
배터리(110)는 복수의 배터리 모듈들을 갖는 배터리 팩으로 구현될 수 있으며, 복수의 배터리 모듈들 각각은 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 일례로, 복수의 배터리 셀들 각각은 케이스와 양극, 음극을 포함하며, 케이스 내부에서 양극과 음극 사이에는 전해액 및 분리막이 배치될 수 있다. 배터리(110)가 리튬 이온 배터리인 경우, 충전 동작에서는 양극에서 방출된 리튬 이온들이 분리막을 통해 음극에 집중될 수 있으며, 방전 동작에서는 음극에서 방출된 리튬 이온들이 분리막을 통과하여 양극에 집중될 수 있다.
전기차(100)에 탑재되는 배터리(110)는 수명을 가지며, 배터리(110)의 종료 수명은 배터리(110)의 SOH가 미리 정해진 하한값으로 감소하는 때로 정의될 수 있다. 일례로, 배터리(110)의 SOH는 전기차(100)가 출고되는 시점에서 100%일 수 있으며, 배터리(110)의 하한값은 80% 또는 그 이하의 값으로 미리 정의될 수 있다. 이 경우, 배터리(110)의 종료 수명은, 배터리(110)의 SOH가 하한값에 도달한 시점으로 결정될 수 있으며, 배터리(110)의 잔존 사용량(Remaining Useful Life)은 배터리(110)의 SOH가 하한값에 도달할 때까지 남은 시간으로 정의될 수 있다. 따라서, 배터리(110)의 잔존 사용량을 정확하게 예측하기 위해서는, 먼저 배터리(110)의 SOH의 감소 추세를 정확하게 예측해야 할 필요가 있다.
한편, 제어 장치(120)는 배터리(110)의 잔존 사용량을 참조하여 배터리(110)의 성능을 제한하거나 또는 배터리(110)의 성능을 향상시킬 수 있다. 일례로 제어 장치(120)는, 배터리(110)의 잔존 사용량에 대한 기준값을, 잔존 사용량에 대한 추정값과 비교하고, 비교 결과에 따라 배터리(110)의 성능을 향상시키거나 또는 제한할 수 있다. 일 실시예에서, 배터리(110)의 성능을 제어하여 배터리(110)의 잔존 사용량에 대한 기준값을 달성할 수 있도록, 제어 장치는 배터리(110)의 방전 전류를 적산한 누적 방전 전류를 이용하여 배터리(110)의 잔존 사용량을 정확하게 추정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 성능 제어 방법은, 전기차용 배터리로 그 적용 분야가 한정되지 않는다. 예를 들어, 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)에 탑재되는 배터리에도 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 성능 제어 방법을 적용함으로써, 에너지 저장 장치의 성능을 개선할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 제어 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차(200)는 배터리 팩(210)과 제어 장치(220)를 포함할 수 있다. 제어 장치(220)는 전류 적산부(221), SOH 판단부(222), 잔존 사용량 판단부(223), 및 성능 제어부(224) 등을 포함할 수 있다. 다만, 배터리 팩(210)과 제어 장치(220)는 전기차(200)가 아닌 에너지 저장 장치 등의 다른 시스템에 포함될 수도 있다.
전류 적산부(221)는 배터리 팩(210)의 방전 전류를 적산하여 누적 방전 전류를 산출할 수 있다. 한편, SOH 판단부(222)는 배터리 팩(210)의 SOH를 판단할 수 있다. 전류 적산부(221)가 산출한 누적 방전 전류와 SOH 판단부(222)가 판단한 배터리 팩(210)의 SOH는 잔존 사용량 판단부(223)가 배터리 팩(210)의 잔존 사용량을 판단하는 데에 이용될 수 있다. 일례로, SOH 판단부(222)는 아래의 수학식 1을 이용하여 배터리 팩(210)의 SOH를 판단할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서 100은 배터리 팩(210)의 SOH의 초기값, 다시 말해 100%를 나타낼 수 있으며, 지수에서 TC는 시정수, ID는 방전 전류일 수 있다. 수학식 1을 이용하여 배터리 팩(210)의 SOH를 산출하기 위해서는, 시정수(TC)를 먼저 결정해야 할 수 있다. 일 실시예에서, 시정수(TC)는 배터리 팩(210)의 수명 종료 시점을 결정하는 SOH의 하한값, 배터리 팩(210)의 용량, 배터리 팩(210) 완충 시 주행 가능한 거리 등에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, SOH의 하한값이 80%이고, 배터리 팩(210)의 용량이 100Ah이며, 배터리 팩(210)가 완충되었을 때 주행 가능한 거리가 200km이고, 배터리 팩(210)가 장착된 전기차(200)에 대해 5년 동안 100,000km의 주행 거리를 보증하는 경우를 가정하면, 시정수(TC)는 다음과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00002
시정수(TC)가 결정되고, 전기차(200)가 주행을 시작하면, SOH 판단부(222)는 수학식 1로 표현되는 SOH의 감소 추세를 획득할 수 있다. 일례로, SOH는 지수함수적으로 감소할 수 있으며, 잔존 사용량 판단부(223)는 SOH의 감소 추세를 참조하여 SOH가 하한값, 예를 들어 80%까지 감소하는 데에 남은 시간을, 잔존 사용량으로 판단할 수 있다. 잔존 사용량 판단부(223)는 SOH 판단부(222)가 수학식 1과 같이 SOH의 감소 추세를 판단하여 출력하면, 그로부터 배터리 팩(210)의 잔존 사용량에 대한 기준값을 계산할 수 있다. 일례로, 잔존 사용량에 대한 기준값은, 배터리 팩(210)의 SOH가 수명 종료 시점에 대응하는 하한값으로 감소하기까지 남은 시간일 수 있다.
다만 상기와 같은 방법은, 전기차(200)에 장착된 배터리 팩(210)의 사용 패턴이 일정한 경우를 가정한 것으로, 배터리 팩(210)의 사용 패턴이 바뀌는 경우에는 SOH의 감소 추세 역시 달라질 수 있다. 일례로, 전기차(200), 에너지 저장 장치 등과 같이 배터리 팩(210)이 탑재된 시스템의 소유자가 변하거나, 시스템의 주변 환경이 달라지는 등의 일이 발생하면, SOH의 감소 추세 역시 바뀔 수 있으며, 그에 따라 배터리 팩(210)의 SOH가 수명 종료 시점에 대응하는 하한값까지 감소하는 데에 남은 시간인, 잔존 사용량 역시 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 제어 장치(220)가 배터리 팩(210)의 방전 전류를 적산하여 배터리 팩(210)의 잔존 사용량을 추정할 수 있다. 일례로, 전류 적산부(221)는 배터리 팩(210)의 방전 전류를 적산하여 누적 방전 전류를 산출하며, 잔존 사용량 판단부(223)는 누적 방전 전류를 이용하여 배터리 팩(210)의 SOH가 수명 종료 시점에 대응하는 하한값까지 감소하는 데에 남은 시간인, 잔존 사용량의 추정값을 계산할 수 있다.
일례로, 전류 적산부(221)로부터 누적 방전 전류를 수신하면, 잔존 사용량 판단부(223)는 SOH의 초기값과 누적 방전 전류를 수신한 시점에서의 SOH 값을 이용하여 제1 감소율을 갖는 제1 추세선을 생성할 수 있다. 또한, 누적 방전 전류를 수신한 시점보다 이른 시점에서 제1 추세선이 가리키는 SOH 기준값을 획득하고, 이후에 수신한 누적 방전 전류로부터 계산한 새로운 SOH 값과 SOH 기준값을 이용하여 제1 감소율을 제2 감소율로 갱신할 수 있다. 또한 잔존 사용량 판단부(223)는, 제2 감소율 갖는 제2 추세선을 이용하여, SOH가 하한값으로 감소하기까지 남은 시간을 판단할 수 있다. 다시 말해, 단기적 관점에서 SOH의 감소 추세를 복수의 추세선들을 반복적으로 생성하는 방식으로 추정함으로써, 소유자 변동, 운행 환경 변화 등의 다양한 외부 요인을 고려하여 SOH의 감소 추세를 정확히 판단하고, 그로부터 배터리 팩(210)의 잔존 사용량을 정확하게 추정할 수 있다.
추정값이 앞서 판단한 기준값과 유사하면, 배터리 팩(210)에 대한 별도의 성능 제어가 필요하지 않을 수 있다. 반면, 추정값이 기준값보다 작으면, 현재와 같은 습관으로 전기차, 에너지 저장 장치 등을 사용하는 경우, 배터리 팩(210)의 수명이 예상보다 더 빨리 종료되는 것으로 제어 장치(220)가 판단할 수 있다. 반대로, 추정값이 기준값보다 크면, 현재와 같은 습관으로 전기차, 에너지 저장 장치 등을 사용함에 따라 배터리 팩(210)의 수명이 예상보다 더 늦게 종료되는 것으로 제어 장치(220)는 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 이와 같이 잔존 사용량에 대해 계산한 추정값과 기준값을 비교하고, 그 결과에 따라 제어 장치(220)가 배터리 팩(210)의 성능을 조절할 수 있다. 일례로, 잔존 사용량에 대해 계산한 추정값과 기준값은 제어 장치(220)의 성능 제어부(224)에서 비교될 수 있다. 성능 제어부(224)는, 추정값이 기준값보다 작으면 배터리 팩(210)의 수명이 빨리 종료되는 것을 막기 위해 배터리 팩(210)의 성능을 제한할 수 있다. 반면 성능 제어부(224)는, 추정값이 기준값보다 크면 배터리 팩(210)의 성능을 향상시키며, 사용자가 향상된 퍼포먼스로 전기차, 에너지 저장 장치를 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 잔존 사용량 예측 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 잔존 사용량 예측 방법은, 전기차가 주행을 시작하고(S10), 배터리의 잔존 사용량에 대한 기준값을 계산할 수 있다(S20). 배터리의 잔존 사용량에 대한 기준값은 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 계산될 수 있으며, 일례로 배터리의 수명 종료 시점을 결정하는 SOH의 하한값까지 SOH가 감소하는 데에 남은 시간을 잔존 사용량의 기준값으로 결정할 수 있다. 이때 적용되는 SOH의 감소 추세에는 앞서 설명한 바와 같이, 배터리가 탑재된 전기차의 주행 환경이나 운전자의 운전 습관 등이 반영되지 않을 수 있다. 에너지 저장 장치에 탑재된 배터리에 대해 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 잔존 사용량 예측 방법을 적용하는 경우, S10 단계 및 S20 단계는 에너지 저장 장치의 사용이 시작된 후 배터리의 잔존 사용량에 대한 기준값을 계산하는 것으로 대체될 수 있을 것이다.
잔존 사용량에 대한 기준값이 계산되면, 배터리의 제어 장치에 포함된 전류 적산부가 배터리로부터 방전 전류를 검출하여 적산하고, 누적 방전 전류를 산출할 수 있다(S30). 한편, 배터리의 제어 장치에 포함되는 잔존 사용량 판단부는 누적 방전 전류를 이용하여 누적 방전 전류를 산출한 시점에서 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산할 수 있다(S40). 일 실시예에서 잔존 사용량 판단부는, 배터리의 누적 방전 전류와 SOH를 이용하여 배터리의 잔존 사용량을 판단하기 위한 SOH의 제1 감소율을 결정하고, 제1 감소율을 이용하여 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산할 수 있다.
또한, 잔존 사용량 판단부는, SOH의 초기값이 아닌, 소정의 과거 시점인 제1 기준 시점에서 배터리가 가졌을 것으로 추정되는 SOH를 이용하여 SOH의 감소 추세를 정의하는 제1 감소율을 제2 감소율로 갱신할 수 있다. 잔존 사용량 판단부는 제2 감소율을 이용하여 단기적 관점에서 SOH의 감소 추세를 획득하고 그로부터 잔존 사용량에 대한 추정값을 판단할 수 있다. 따라서, 전기차, 에너지 저장 장치 등의 주변 환경이나 사용자의 사용 습관 등이 반영된, 잔존 사용량의 추정값을 더욱 정확하게 판단할 수 있다.
배터리의 제어 장치는 잔존 사용량에 대한 기준값과 추정값을 비교하고(S50), 그 결과에 따라 배터리의 성능을 제어할 수 있다(S60). 앞서 설명한 바와 같이, 기준값과 추정값을 비교하고, 그 결과에 따라 배터리의 성능을 제어하는 동작은 배터리의 제어 장치에 포함되는 성능 제어부에서 실행될 수 있다. 성능 제어부는, 기준값이 추정값보다 크면 배터리가 예상보다 더 빠르게 소모되는 것으로 판단하여 배터리의 성능을 저하시킴으로써 배터리의 잔존 사용량을 늘릴 수 있다. 반면 성능 제어부는, 기준값이 추정값보다 작으면 배터리가 예상보다 천천히 소모되는 것으로 판단하여 배터리의 성능을 향상시킴으로써, 사용자에게 더 나은 퍼포먼스를 제공할 수 있다.
일례로, 배터리의 제어 장치는 배터리의 잔존 사용량에 대한 기준값과 추정값의 비교 결과에 따라, 배터리의 SOC의 상한값과 하한값, 및 최대 허용 출력 중 적어도 하나를 조절함으로써 배터리의 성능을 제한하거나 향상시킬 수 있다. 이하, 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 비교예에 따른 배터리의 성능 제어 방법을 설명하기 위해 제공되는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 비교예에서는 배터리의 SOH가 80% 내지 100%인 동안에는 배터리의 제어 장치가 배터리의 SOC의 상한값을 95%로 설정할 수 있다. 한편, 배터리의 SOH가 80% 이하로 감소하면, 배터리의 제어 장치는 배터리의 SOH에 따라 배터리의 SOC의 상한값을 95%보다 낮은 값으로 설정할 수 있다. 이는 배터리의 열화율에 따라 배터리의 성능을 제한하여 배터리의 잔존 사용량을 최대한 확보하기 위함일 수 있다.
일례로, 배터리의 SOH가 80%에서 70%까지 감소하는 기간 동안, 배터리의 제어 장치는 배터리의 SOC의 상한값을 95%에서 90%까지 선형적으로 감소시킬 수 있다. 유사하게, 배터리의 SOH가 70%에서 60%까지 감소하는 기간 동안에는, 배터리의 제어 장치가 SOC의 상한값을 90%에서 60%까지 감소시킬 수 있다.
정리하면, 비교예에서는 배터리의 제어 장치가 배터리의 SOH가 80% 이상인 기간 동안에는 배터리의 SOC의 상한값을 최대로 설정할 수 있다. 또한, 배터리의 SOH가 80% 이하로 진입하면, 도 4에 도시한 바와 같이 시험적으로 결정한 열화율을 적용할 수 있다. 상기 열화율에 따라 SOH가 80%에서 70%까지 감소하는 기간 동안 배터리의 제어 장치가 SOC의 상한값을 감소시키는 정도, 및 SOH가 70%에서 60%까지 감소하는 기간 동안 배터리의 제어 장치가 SOC의 상한값을 감소시키는 정도가 결정될 수 있다.
다만 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 비교예의 방식은, 배터리의 사용 환경을 고려하지 않고 시험적으로 결정하여 출하 시점에 결정된 방식이므로, 전기차에 탑재된 배터리에 적용하기에는 적합하지 않을 수 있다. 특히 전기차에 탑재된 배터리는 전기차의 주행 환경과 운전자의 운전 및 충전 습관 등에 따라 SOH의 감소 추세가 달라질 수 있으며, 결국 배터리의 열화 속도 역시 달라질 수 있다. 또한 에너지 저장 장치에 탑재된 배터리는 주변 환경이나 사용자의 사용 습관 및 충전 습관 등에 따라 SOH 감소 추세 및 배터리의 열화 속도가 달라질 수 있다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이 고정된 열화율을 적용하여 배터리의 성능인 SOC의 상한값을 제한하는 경우, 배터리의 성능이 과하게 제한되거나 또는 배터리의 성능 제한이 부족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 배터리의 잔존 사용량에 대해 미리 설정된 기준값을 단순히 따르지 않으며, 배터리의 방전 전류를 적산하여 산출한 누적 방전 전류를 이용하여 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산할 수 있다. 또한 추정값과 기준값을 비교하여 배터리의 열화 속도를 판단하고, 그에 따라 배터리의 성능을 제한할지 여부, 및 배터리의 성능을 제한하는 정도 등을 판단함으로써, 배터리의 잔존 사용량에 따라 배터리의 성능을 최적으로 제어할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 성능 제어 방법을 설명하기 위해 제공되는 그래프이다.
도 5 내지 도 7에 도시한 그래프에서, 기준 그래프(300)는 앞서 설명한 수학식 1에 대응하는 그래프일 수 있다. 일례로, 배터리의 SOH는 도 5에 도시한 그래프와 같이 지수함수적으로 감소할 수 있으며, 그래프의 감소 추세는 앞서 수학식 1 및 수학식 2를 참조하여 설명한 바와 같이 결정되는 시정수에 따라 달라질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 배터리의 수명 종료 시점(TEOL)은 배터리의 SOH가 미리 정해진 하한값(SOH2)에 도달하는 시점일 수 있으며, 배터리의 잔존 사용량은 현재로부터 수명 종료 시점(TEOL)까지 남은 시간일 수 있다. 일례로 배터리가 탑재된 전기차를 사용자가 인수받은 직후 배터리의 잔존 사용량은, 배터리의 SOH가 초기값(SOH1)을 갖는 시작 시점(TS)으로부터 수명 종료 시점(TEOL)까지의 시간일 수 있다.
기준 그래프(300)의 감소 추세는 배터리의 특성에 따라 결정되므로, 전기차의 출하 및 인수 시점에서 배터리의 잔존 사용량에 대한 기준값이 결정될 수 있다. 일례로 잔존 사용량의 기준값은, 시작 시점(TS)으로부터 수명 종료 시점(TEOL)까지의 시간일 수 있다. .
다만, 배터리의 SOH가 실제 감소하는 추세는 기준 그래프(300)와 다를 수 있다. 도 5에 도시한 일 실시예에서 배터리의 SOH의 실제 감소 추세를 나타내는 제1 그래프(400)를 참조하면, 배터리의 SOH는 기준 그래프(300)보다 더 빠르게 감소할 수 있다. 따라서, 실제 수명 종료 시점(TRE)이 기준 그래프(300)로 예측한 수명 종료 시점(TEOL)보다 빨리 도래할 수 있으며, 결과적으로 배터리의 잔존 사용량 역시 기준 그래프(300)로부터 예측한 기준값보다 짧아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 배터리의 제어 장치가 배터리의 방전 전류를 적산한 누적 방전 전류를 이용하여 배터리의 SOH 감소 추세를 제1 그래프(400)와 같이 예측할 수 있다. 배터리의 제어 장치는 실제 수명 종료 시점(TRE)을 판단하여 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산할 수 있으며, 추정값을 기준값과 비교할 수 있다. 일 실시예로, 제1 시점(T1)에서, 배터리의 제어 장치는 잔존 사용량의 추정값(RULEST)을 기준값(RULREF)과 비교하여, 추정값(RULEST)이 기준값(RULREF)보다 작다고 판단할 수 있다.
추정값(RULEST)이 기준값(RULREF)보다 작다고 판단되면, 배터리의 제어 장치는 배터리의 열화 속도가 예상보다 빠르다고 판단할 수 있으며, 배터리의 성능을 제한할 수 있다. 일례로 배터리의 제어 장치는 SOC의 상한값과 하한값, 및 배터리의 최대 허용 출력 중 적어도 하나를 조절할 수 있다. 또한 추정값(RULEST)과 기준값(RULREF)의 차이에 따라, 배터리의 성능을 제한하는 정도를 다르게 결정할 수 있다. 일례로, 도 5에 도시한 일 실시예에서 추정값(RULEST)과 기준값(RULREF)의 차이가 크면, 배터리의 제어 장치는 SOC의 상한값을 크게 감소시키거나, 최대 허용 출력을 크게 제한할 수 있다.
다음으로 도 6을 참조하면, 기준 그래프(300)에 따른 SOH의 감소 추세는 앞서 도 5를 참조하여 설명한 바와 같을 수 있다. 다만 도 6에 도시한 일 실시예에서 배터리의 SOH의 실제 감소 추세를 나타내는 제2 그래프(500)를 참조하면, 배터리의 SOH가 기준 그래프(300)로 예측한 추세보다 더 천천히 감소할 수 있다. 따라서, 실제 수명 종료 시점은, 기준 그래프(300)로 예측한 수명 종료 시점(TEOL)보다 더 늦게 도래할 수 있으며, 결과적으로 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값이 기준 그래프(300)로부터 예측한 기준값보다 클 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 배터리의 제어 장치는 배터리의 방전 전류를 적산한 누적 방전 전류를 이용하여 배터리의 SOH 감소 추세를 제2 그래프(500)와 같이 예측할 수 있다. 배터리의 제어 장치는 실제 수명 종료 시점을 판단하여 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산할 수 있다. 실제 수명 종료 시점이 기준 그래프(300)로 예측한 수명 종료 시점(TEOL)보다 더 늦게 도래하므로, 잔존 사용량에 대한 추정값은 기준값보다 클 수 있다.
추정값이 기준값보다 크다고 판단되면, 배터리의 제어 장치는 배터리의 열화 속도가 예상보다 더 느리다고 판단할 수 있으며, 배터리의 성능을 그대로 유지하거나 또는 사용자에게 더 나은 퍼포먼스를 제공할 수 있도록 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다. 앞서 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 배터리의 제어 장치는 SOC의 상한값과 하한값, 및 배터리의 최대 허용 출력 중 적어도 하나를 조절할 수 있으며, 추정값과 기준값의 차이에 따라, 배터리의 성능을 향상시키는 정도를 다르게 결정할 수 있다. 일례로, 추정값과 기준값의 차이가 클수록, 배터리의 제어 장치는 배터리의 최대 허용 출력을 크게 높일 수 있다.
다음으로 도 7을 참조하면, 기준 그래프(300)에 따른 SOH의 감소 추세는 앞서 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 바와 같을 수 있다. 다만 도 7에 도시한 일 실시예에서 배터리의 SOH의 실제 감소 추세를 나타내는 제3 그래프(600)를 참조하면, 시작 시점(TS)부터 중간 시점(TM)까지는 배터리의 SOH가 기준 그래프(300)에 따른 감소 추세보다 빠르게 감소하고, 중간 시점(TM) 이후부터는 배터리의 SOH가 기준 그래프(300)에 따른 감소 추세보다 더 느리게 감소할 수 있다. 이는, 중간 시점(TM)을 기준으로 전기차의 주 운전자가 바뀌거나, 또는 전기차의 주행 지역, 환경 등이 바뀌기 때문일 수 있다.
도 7에 도시한 일 실시예에서 배터리의 제어 장치는, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산한 시점에 따라, 배터리의 성능을 다르게 제어할 수 있다. 일례로, 중간 시점(TM)보다 앞선 제2 시점(T2)에서 배터리의 제어 장치는, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값이 기준값보다 작다고 판단할 수 있으며, 따라서 배터리의 성능을 제한할 수 있다. 반대로, 중간 시점(TM) 이후인 제3 시점(T3)에서 배터리의 제어 장치는, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값이 기준값보다 크다고 판단할 수 있으며, 따라서 배터리의 성능을 그대로 유지하거나 또는 향상시킬 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 배터리의 제어 장치는 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값과 기준값을 비교하고, 비교 결과에 따라 배터리의 성능을 제한, 유지 또는 향상시킬 수 있다. 또한, 배터리의 누적 방전 전류를 이용하여 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산하고, 추정값을 계산한 시점에서 추정값과 기준값을 비교한 결과에 따라 배터리의 성능을 조절할 수 있으므로, 전기차의 주행 환경과 운전자의 운전 습관 등에 따라 적응적으로 배터리의 성능을 조절하여 배터리의 잔존 사용량과 성능을 최적화할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차용 배터리의 성능 제어 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 8은 배터리의 SOC의 상한값과 하한값에 따른 배터리의 열화 속도를 나타낸 표일 수 있다. 일례로, 배터리의 SOC의 상한값이 95%이고 하한값이 3%인 경우, 배터리의 열화 속도는 최대이며 이를 기준값인 1로 결정할 수 있다. 배터리의 제어 장치가 배터리의 SOC의 상한값을 95%로 유지하고 하한값만을 90%로 변경하면, 배터리의 열화 속도는 0.49로 감소할 수 있다. 또한, 배터리의 제어 장치가 배터리의 SOC의 상한값을 85%로 설정하고 하한값을 50%로 설정하면, 배터리의 열화 속도는 0.64로 감소할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 제어 장치는, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값과 기준값을 비교하고, 비교 결과에 따라 배터리의 성능을 제한, 유지, 또는 향상시킬 수 있다. 일 실시예에서 배터리의 제어 장치는, 배터리의 SOC의 상한값과 하한값을 변경함으로써 배터리의 성능을 조절할 수 있다.
일례로, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값이 기준값보다 작은 경우, 배터리의 제어 장치는 배터리의 열화 속도가 예상보다 빠르다고 판단할 수 있다. 배터리의 제어 장치는, 도 8에 도시한 바와 같은 SOC의 상한값과 하한값을 조절하여 배터리의 열화 속도를 감소시킬 수 있으며, 결과적으로 배터리의 잔존 사용량을 기준값에 맞출 수 있다.
일례로, 현재 시점에서 배터리의 SOC의 상한값이 95%이고 하한값은 3%이며, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값이 기준값보다 작은 경우, 배터리의 제어 장치는 배터리의 SOC의 상한값을 낮추거나 또는 하한값을 증가시켜 배터리의 열화 속도를 늦출 수 있다. 또는, 배터리의 SOC의 상한값을 감소시킴과 동시에 하한값을 증가시켜 배터리의 열화 속도를 늦출 수도 있다.
일례로, 추정값과 기준값의 차이가 클수록, 배터리의 제어 장치는 배터리의 열화 속도를 크게 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 추정값과 기준값의 차이가 제1 차이일 때 배터리의 제어 장치가 배터리의 SOC의 상한값을 95%에서 85%로 감소시킨 것을 가정하면, 추정값과 기준값의 차이가 제1 차이보다 큰 제2 차이인 경우, 배터리의 제어 장치는 배터리의 SOC의 상한값을 85%보다 더 작게 낮추거나 또는 SOC의 상한값은 85%로 감소시키고 SOC의 하한값을 3%보다 크게 증가시킬 수 있다.
반대로, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값이 기준값보다 큰 경우, 배터리의 제어 장치는 배터리의 열화 속도가 예상보다 느리다고 판단하여 배터리의 성능을 유지하거나 또는 향상시킬 수 있다. 배터리의 성능을 향상시키는 경우, 배터리의 제어 장치는, SOC의 상한값을 증가시키거나, SOC의 하한값을 감소시켜 배터리의 성능을 높일 수 있다. 또는, 배터리의 제어 장치가 SOC의 상한값을 증가시킴과 동시에 SOC의 하한값을 감소시킬 수도 있다.
일례로, 현재 시점에서 배터리의 SOC의 상한값이 80%이고 하한값은 10%인 것을 가정하면, 배터리의 열화 계수는 0.86일 수 있다. 현재 시점에서 산출한 배터리의 누적 방전 전류를 이용하여 계산한 배터리의 잔존 사용량의 추정값이 기준값보다 크면, 배터리의 제어 장치는 배터리의 열화 속도가 예상보다 늦은 것으로 판단하고, 배터리의 성능을 향상시키기 위해 SOC의 상한값을 높이거나, SOC의 하한값을 낮출 수 있다. 일례로, 배터리의 제어 장치는 SOC의 상한값을 85% 이상으로 증가시키거나, SOC의 하한값을 10%보다 낮게 감소시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 추정값과 기준값의 차이가 클수록, 배터리의 제어 장치는 배터리의 열화 속도를 크게 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 추정값과 기준값의 차이가 제1 차이일 때 배터리의 제어 장치가 배터리의 SOC의 상한값을 80%에서 90%로 증가시킨다고 가정하면, 추정값과 기준값의 차이가 제1 차이보다 큰 제2 차이인 경우, 배터리의 제어 장치는 배터리의 SOC의 상한값을 95%까지 증가시키거나, 또는 SOC의 상한값을 90%로 높이고 SOC의 하한값을 3%로 감소시킬 수 있다.
도 9는 전기차에 탑재된 배터리의 온도와 SOC에 따른 최대 허용 출력을 예시적으로 나타낸 표일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 배터리의 제어 장치가, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값과 기준값을 비교한 결과에 따라 배터리의 최대 허용 출력을 조절할 수 있다.
일례로, 배터리의 제어 장치는 각 온도 조건과 SOC의 값에 따른 최대 허용 출력에, 소정의 변동 계수를 곱하여 배터리의 최대 허용 출력을 조절할 수 있다. 예를 들어, 현재 시점에 배터리로부터 산출한 누적 방전 전류를 이용하여 계산한 배터리의 잔존 사용량의 추정값이 기준값보다 작으면, 배터리의 열화 속도가 예상보다 빠른 경우에 해당할 수 있다. 이때 배터리의 제어 장치는, 1보다 작은 변동 계수를 도 9의 표에 도시한 최대 허용 출력에 곱하여 배터리의 최대 허용 출력을 감소시킴으로써, 배터리의 성능을 제한할 수 있다.
변동 계수는, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값과 기준값의 차이에 반비례할 수 있다. 일례로, 추정값과 기준값의 차이가 클수록 변동 계수는 작은 값으로 설정될 수 있다. 배터리가 탑재된 시스템이 전기차이고, 전기차의 주행 중에 배터리의 온도가 40도이고, SOC가 85%인 경우를 가정하자. 예를 들어, 추정값과 기준값의 차이가 제1 차이일 때 배터리의 제어 장치는, 변동 계수를 0.8로 결정할 수 있으며 따라서 배터리의 최대 허용 출력은 3941W 에서 3153W로 감소할 수 있다. 한편, 추정값과 기준값의 차이가 제1 차이보다 큰 제2 차이이면, 배터리의 제어 장치는 변동 계수를 0.8 미만의 값으로 결정할 수 있으며, 배터리의 최대 허용 출력은 3153W 보다 작은 값까지 감소할 수 있다.
현재 시점에 배터리로부터 산출한 누적 방전 전류를 이용하여 계산한 배터리의 잔존 사용량의 추정값이 기준값보다 크면, 배터리의 열화 속도가 예상보다 느린 경우에 해당할 수 있다. 이 경우 배터리의 제어 장치는, 현재 배터리의 최대 허용 출력을 제한하기 위해 적용 중인 변동 계수를 판단하고, 변동 계수가 1보다 작으면 변동 계수를 증가시켜 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다. 또는, 변동 계수를 현재 값 그대로 유지할 수도 있다.
변동 계수는, 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값과 기준값의 차이에 비례할 수 있다. 일례로, 추정값과 기준값의 차이가 클수록 변동 계수는 증가할 수 있다. 전기차의 주행 중에 배터리의 온도가 25도이고, SOC가 50%인 경우이며, 최대 허용 출력에 적용된 변동 계수가 0.8인 경우를 가정하면, 배터리의 실제 최대 허용 출력은 2082W일 수 있다. 예를 들어, 추정값이 기준값보다 크고 추정값과 기준값의 차이가 제1 차이일 때 배터리의 제어 장치는, 변동 계수를 0.8에서 0.85로 증가시킬 수 있으며 따라서 배터리의 최대 허용 출력이 2213W로 증가할 수 있다. 한편, 추정값과 기준값의 차이가 제1 차이보다 큰 제2 차이이면, 배터리의 제어 장치는 변동 계수를 0.85보다 큰 값, 예를 들어 0.95로 설정할 수 있으며, 이 경우 배터리의 최대 허용 출력은 2473W까지 증가할 수 있다. 따라서, 배터리의 성능이 향상될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200: 전기차
110, 210: 배터리
120, 220: 배터리 제어 장치
221: 전류 적산부
222: SOH 판단부
223: 잔존 사용량 판단부
224: 성능 제어부

Claims (12)

  1. 배터리의 잔존 사용량(Remaining Useful Life)에 대한 기준값을 계산하는 단계;
    상기 배터리의 방전 전류를 적산한 누적 방전 전류를 이용하여, 상기 배터리의 잔존 사용량에 대한 추정값을 계산하는 단계;
    상기 기준값과 상기 추정값을 비교하는 단계; 및
    상기 기준값이 상기 추정값보다 크면 상기 배터리의 성능을 저하시키고, 상기 기준값이 상기 추정값보다 작으면 상기 배터리의 성능을 향상시키는 단계; 를 포함하는, 배터리의 성능 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준값과 상기 추정값의 차이에 따라 상기 배터리의 성능을 조절하는, 배터리의 성능 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준값과 상기 추정값의 차이가 크면 상기 배터리의 성능을 크게 저하시키거나 크게 향상시키고, 상기 기준값과 상기 추정값의 차이가 작으면 상기 배터리의 성능을 작게 저하시키거나 작게 향상시키는, 배터리의 성능 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC(State Of Charge)의 상한값과 하한값 및 상기 배터리의 최대 허용 출력 중 적어도 하나를 조절하여 상기 배터리의 성능을 조절하는, 배터리의 성능 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC의 상한값과 하한값에 따라 상기 배터리의 열화 속도를 나타내는 열화 계수를 결정하고, 상기 기준값과 상기 추정값의 차이에 따라 상기 열화 계수를 이용하여 상기 배터리의 성능을 조절하는, 배터리의 성능 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기준값이 상기 추정값보다 크면 상기 배터리의 SOC의 상한값을 감소시키거나, 상기 배터리의 SOC의 하한값을 증가시키거나, 또는 상기 배터리의 SOC의 상한값을 감소시키고 SOC의 하한값을 증가시키는, 배터리의 성능 제어 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 기준값이 상기 추정값보다 작으면, 상기 배터리의 SOC의 상한값을 증가시키거나, 상기 SOC의 하한값을 감소시키거나, 또는 상기 배터리의 SOC의 상한값을 증가시키고 SOC의 하한값을 감소시키는, 배터리의 성능 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOH와 상기 누적 방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 잔존 사용량에 대한 제1 감소율을 결정하고, 상기 제1 감소율을 이용하여 상기 배터리의 잔존 사용량의 추정값을 계산하는, 배터리의 성능 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 감소율을 이용하여 추정한 과거의 제1 기준 시점에서 상기 배터리의 SOH를 이용하여 상기 제1 감소율을 제2 감소율로 갱신하는, 배터리의 성능 제어 방법.
  10. 배터리의 방전 전류를 적산하여 누적 방전 전류를 출력하는 전류 적산부;
    상기 배터리의 SOH와 상기 누적 방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 잔존 사용량의 추정값을 계산하는 잔존 사용량 판단부; 및
    상기 배터리의 잔존 사용량에 대한 기준값을 상기 추정값과 비교하고, 상기 배터리의 성능을 제어하는 성능 제어부; 를 포함하며,
    상기 성능 제어부는, 상기 기준값이 상기 추정값보다 크면 상기 배터리의 성능을 저하시키고, 상기 기준값이 상기 추정값보다 작으면 상기 배터리의 성능을 향상시키는, 배터리의 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 성능 제어부는, 상기 배터리의 방전 깊이에 따라 상기 배터리의 열화 속도를 나타내는 열화 계수가 저장되는 메모리를 포함하며, 상기 기준값과 상기 추정값의 차이에 따라 상기 메모리에 저장된 상기 열화 계수 중 하나를 선택하여 상기 배터리의 성능을 조절하는, 배터리의 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 성능 제어부는, 상기 열화 계수를 이용하여 상기 배터리의 최대 허용 출력을 조절하는, 배터리의 제어 장치.
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