KR20240061504A - 사용후 배터리를 위한 배터리 관리 방법 - Google Patents

사용후 배터리를 위한 배터리 관리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 제안된 사용후 배터리용 배터리 관리 시스템을 통해서, 직렬 연결된 배터리 셀 간의 SOH 균형을 유지한다. 각 직렬 셀의 출력에는 벅 부스트 컨버터가 있어 SOH의 현재 상태와 부하 요구 사항에 따라 전력 흐름을 제어한다. 전압 감지 및 시스템 확장을 용이하게 하는 벅 부스트 컨버터의 PWM 제어를 위한 각 직렬 셀 스트링이 있는 소형 MCU가 있다. 시스템을 대규모로 확장하면 모든 벅 부스트가 단일 MCU에서 파생되는 경우 MCU에 계산 부담이 추가될 수 있다. 모든 MCU는 부하 정보 및 에너지 공유 정보를 위해 CAN 버스를 통해 메인 MCU에 연결된다. 각 셀 스트링의 출력에서 정확한 전압 감지를 위해 각 MCU에는 특수 ADC 회로 설계가 있다. 직렬로 같은 전류가 흐르므로 전압을 제어하여 각 셀의 전력 흐름을 제어할 수 있다

Description

사용후 배터리를 위한 배터리 관리 방법{METHOD OF MANAGING BATTERY FOR SECOND LIFE BATTERIES}
본 발명은 사용후 배터리용 배터리 관리 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, SOH 밸런싱 기술을 사용하여 배터리 팩의 EOL(End of Life)을 연장할 수 있으며, 하나의 MCU로 전체 시스템을 제어하는 대신, 각 병렬 셀 스트링에 MCU를 할당하여 메인 MCU의 연산 부담을 크게 증가시키지 않으면서 시스템을 대규모로 확장할 수 있는, 사용후 배터리용 배터리 관리 방법에 관한 것이다.
배터리 관리 시스템(BMS)의 주요 기능은 배터리의 충전 상태(SOC) 밸런싱, 충/방전 제어 및 장애 처리를 수행하는 것이다. 사용후 배터리(second life battery) 셀을 사용하는 배터리 팩 설계의 경우, 적절한 에너지 관리 기술과 함께 몇 가지 특수 기능이 필요하다. 사용후 배터리에 대한 설명은 후술하기로 한다.
종래 배터리 관리 시스템은 새롭게 제조된 배터리 셀으로 설계된 배터리를 대상으로 하여서, SOC 밸런싱 기능을 포함하고 있었으나, 새롭게 제조된 셀은 SOH 밸런싱이 필요가 없어서 SOH 밸런싱 기능은 배터리 관리 시스템이 포함하지 않는 상황이었다.
이와 관련한 종래의 기술로서 대한민국 특허 제10-2437477호(2022.08.24. 등록, 발명의 명칭 : 배터리의 만충전 용량을 산출하기 위한 배터리 관리 시스템 및 방법(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND METHOD FOR CALCULATING A FULL CHARGE CAPACITY OF A BATTERY)) 등을 들 수 있다. 해당 종래 등록특허에서는, 배터리를 만충전 또는 만방전시키지 않고도, 배터리의 만충전 용량을 업데이트하기 위한 배터리 관리 시스템 및 방법에 대한 기술이 개시되어 있다. 하지만, 상술한 종래 특허문헌에서도 앞서 언급했던 바와 같이, 사용후 배터리까지 고려한 배터리 관리에 대해서는 전혀 고려하지 않고 있으며 관련한 문제의식은 전혀 없는 것으로 보인다.
대한민국 특허 제10-2437477호(2022.08.24. 등록, 발명의 명칭 : 배터리의 만충전 용량을 산출하기 위한 배터리 관리 시스템 및 방법(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND METHOD FOR CALCULATING A FULL CHARGE CAPACITY OF A BATTERY))
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은, SOH 밸런싱 기술을 사용하여 배터리 팩의 EOL(End of Life)을 연장할 수 있으며, 하나의 메인 MCU로 전체 배터리 관리 시스템을 제어하는 대신, 각 병렬 셀 스트링에 슬레이브 MCU를 할당하여 메인 MCU의 연산 부담을 크게 증가시키지 않으면서 시스템을 대규모로 확장할 수 있는, 사용후 배터리용 배터리 관리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사용후 배터리를 위한 배터리 관리 방법은, 사용후 배터리(second life batteries)를 포함하여 이루어진 배터리 팩을 관리하는 방법으로서, 상기 배터리 팩을 이루는 복수 개의 배터리 셀에 대해서 SOH 레벨을 측정하는 단계; 상기 SOH 레벨을 기초로 하여, 상기 배터리 팩 내의 상기 복수 개의 배터리 셀에 대해서, 상기 SOH 레벨이 유사한 배터리 셀을 묶어서 병렬 셀 스트링(parallel cell string)을 설정하는 단계; SOH를 관리할 수 있도록, 각 병렬 셀 스트링은 자신의 슬레이브 MCU(slave MCU)에 각각 할당되어, 상기 슬레이브 MCU가 자신이 담당하는 상기 병렬 셀 스트링을 전력 흐름(power flow)을 관리하는 단계; 및 메인 MCU(main MCU)는 각 병렬 셀 스트링으로부터의 전력 흐름을 위하여 각 슬레이브 MCU에 명령을 제공하는 단계;를 포함한다.
또한, 모든 셀의 SOH 균형을 맞춰서 모든 셀이 동시에 수명 종료(EOL)에 도달하도록, 상기 메인 MCU의 명령에 기초하여, 특정 슬레이브 MCU가 자신이 담당하는 병렬 셀 스트링으로부터의 전력 흐름을 조절할 수 있도록, 각 병렬 셀 스트링의 출력에 벅부스트 컨버터(buck-boost converter)가 추가되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사용후 배터리를 위한 배터리 관리 방법은, SOH 밸런싱 기술을 사용하여 배터리 팩의 EOL을 연장할 수 있으며, 사용후 배터리를 갖는 배터리 팩이 활용되는 BMS 응용 프로그램에 사용할 수 있으며, SOH가 좋은 셀에서 더 많은 전력을 사용하여 적절한 에너지 분배 기술을 사용하여 배터리 팩의 수명을 늘린다. 또한, 서로 다른 병렬 셀 스트링의 SOH 균형을 맞추는 방식으로 BMS를 설계한 고유한 기술로서, 하나의 메인 MCU로 전체 시스템을 제어하는 대신, 각 병렬 셀 스트링에 슬레이브 MCU를 할당하여 메인 MCU의 연산 부담을 크게 증가시키지 않으면서 시스템을 대규모로 확장할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 사용후 배터리를 위한 배터리 관리 방법에 대해서 개략적으로 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 사용후 배터리용 배터리 관리 방법에서 사용되는 벅부스트 컨버터의 회로 예시이다.
도 4는 도 3의 벅부스트 컨버터에 대한 듀티비를 설명한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 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 해석되어야만 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.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 사용후 배터리를 위한 배터리 관리 방법에 대해서 개략적으로 설명한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 사용후 배터리용 배터리 관리 방법에서 사용되는 벅부스트 컨버터의 회로 예시이고, 도 4는 도 3의 벅부스트 컨버터에 대한 듀티비를 설명한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 사용후 배터리에 대한 배터리 관리 시스템에서는, 사용후 배터리(second life batteries)를 포함하는 배터리 팩을 관리한다.
사용후 배터리에 대해서 구체적으로 보면, 기존에 전기차에서 한 차례 사용된 후 분리 배출된 배터리를 지칭하는 용어를 통상 "폐 배터리"로 지칭하였으나, "폐(廢) 배터리"는 배터리를 못 쓰게 되거나 필요가 없어졌다는 의미로 비춰질 수 있어서 적절한 용어로 보이지 않으며, 전기차에서 한 번 쓰이고 난 이후, 배출, (반납) 수거된 배터리는 잔존수명이나 배터리 건강상태(SOH) 등에 따라 원래 목적이었던 전기차용 배터리로 재사용되거나, 심지어 다른 목적으로 재차 사용, 즉 이차 사용(second use)이 가능하다는 의미에서, second life battery를 "사용후 배터리"라는 용어가 더 적합하다.
사용후 배터리(second life battery)를 관리하는 방법은, 먼저, 상기 배터리 팩을 이루는 복수 개의 배터리 셀에 대해서 SOH 레벨을 측정한다(S100 단계). SOH는 State of Health로서 배터리의 건강상태를 말하며, 배터리의 잔존 수명이자 현재 성능 상태를 알려주는 지표이다. 즉, 배터리의 최초 성능 대비 현재 배터리가 가진 성능 수준을 한눈에 보여주는 지표이다. 구체적으로, 충전 및 방전 데이터를 분석하여 배터리 성능을 진단하는 것이 가능하다. 예를 들어, "SOH = SOH 측정 대상 배터리의 충방전시 변화량 / 신품 배터리의 충방전시 변화량"로 정의하여 측정할 수 있다. 신품 배터리로부터 비정기적으로 수집 후 학습하는 데이터, 완전방전부터 완전충전 범위의 데이터를 다수 보유하고 있어야 하며, SOH 측정을 하는 배터리에는 단편적인 데이터를 통해서, SOH를 측정 또는 추정한다.
다음으로, S100 단계에서 측정한 SOH 레벨을 기초로 하여, 배터리 팩 내의 복수 개의 배터리 셀에 대해서, SOH 레벨이 동일하거나 유사한 배터리 셀을 묶어서 병렬 셀 스트링(parallel cell string)을 설정한다(S200 단계). SOH 레벨이 동일하거나 유사한 배터리 셀끼리 묶어서, 병렬 셀 스트링을 설정하는데, 배터리 팩 내에 미리 설정된 연결을 스위칭 제어하여, 병렬 셀 스트링을 만들 수 있다.
다음으로, SOH를 관리할 수 있도록, 각 병렬 셀 스트링은 자신의 슬레이브 MCU(slave MCU)에 각각 할당되어, 상기 슬레이브 MCU가 자신이 담당하는 상기 병렬 셀 스트링을 전력 흐름(power flow)을 관리한다(S300 단계).
다음으로, 메인 MCU(main MCU)는 각 병렬 셀 스트링으로부터의 전력 흐름을 위하여 각 슬레이브 MCU에 명령을 제공하여 관리한다(S400 단계). 현재 MCU는 휘발성 메모리로 일정 용량 이상이 데이터 저장시 데이터가 자동으로 삭제된다. 배터리의 정확한 상태 추정을 위해 대량의 데이터 확보가 필수여서, MCU의 데이터는 클라우드 BMS나 엣지 컴퓨팅이 가능한 엣지장치에 데이터를 저장하고 축적하는 것이 가능하다.
여기서, 모든 셀의 SOH 균형을 맞춰서 모든 셀이 동시에 수명 종료(EOL, End of Life)에 도달하도록, 메인 MCU의 명령에 기초하여, 특정 슬레이브 MCU가 자신이 담당하는 병렬 셀 스트링으로부터의 전력 흐름을 조절할 수 있도록, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 병렬 셀 스트링의 출력에 벅부스트 컨버터가 추가되어 있는 것이 바람직하다.
참고로, 도 3은 본 발명에 따른 사용후 배터리용 배터리 관리 방법에서 사용되는 벅부스트 컨버터의 회로 예시이다. 앞서 설명한 것처럼, 사용후 배터리용 배터리 관리 시스템은 모든 셀이 동시에 수명 종료(EOL)에 도달하도록 셀의 SOH 균형을 유지하는데, 일반적으로 배터리 셀의 2번째 수명은 최종 사용이다. 따라서 SOH 밸런싱으로 달성할 수 있는 사용후 배터리 셀의 전력을 모두 사용해야 하는데, SOH 밸런싱 기술은 다른 수의 충전/방전 주기를 필요로 한다. 따라서 SOH가 적은 배터리에 비해 SOH가 양호한 배터리에서 더 많은 전력을 끌어와서 사용할 수 있도록 전력 흐름을 제어하는데, 도 3과 같은 벅부스트 컨버터를 이용한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 벅부스트 회로는 스위치(S)의 온오프 동작에 따라서, 스위치(S)가 온(on)되는 동안에는 다이오드에 역방향 바이어스 상태라서 다이오드(D)에 전류가 흐리지 않고, 스위치(S)가 오프(off)되는 동안에는 다이오드에 순방향 바이어스 상태가 되어서 다이오드(D)에 전류가 흐르게 된다.
도 4는 도 3의 벅부스트 컨버터에 대한 듀티비를 설명한 도면이다. 도 3에 도시된 것처럼, 한 주기 동안 인덕터의 전압 평균은 0V라는 것에서, Vo = [ D / (1-D)] Vi 가 된다. 여기서 Vi는 입력 전압이고, Vo 는 출력 전압이고, D 는 듀티비로서 0과 1사이의 수이다. D가 0.5가 되면 입력 전압과 출력 전압이 같아지게 된다. D가 0.5보다 작으면 입력 전압보다 출력 전압이 작아지고, D가 0.5보다 크면 입력 전압보다 출력 전압이 커지게 된다.
상술한 바와 같이, SOH가 적은 배터리에 비해 SOH가 양호한 배터리에서 더 많은 전력을 끌어와서 사용할 수 있도록 전력 흐름을 제어할 때, 전압을 센싱하여, 벅부스트 컨버터의 듀티(D)를 조절하도록, 즉 벅부스트 컨버터의 스위치의 펄스폭을 제어한다. 즉 PWM 제어한다. 나아가, 슬레이브 MCU는 벅 부스트 컨버터의 PWM 제어를 위하여, 각 셀 스트링에 대해 완전한 PID 컨트롤러 구현이 필요하게 된다. PID제어는, 기존의 ON, OFF 제어 방식과 달리 비례(P: Proportional), 적분(I: (Proportional) Integral), 미분(D: (Proportional) Derivative)을 조합하여 제어하는 방식으로, 피드백 제어의 고전적인 방법이다.
이상과 같이, 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 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (2)

  1. 사용후 배터리(second life batteries)를 포함하여 이루어진 배터리 팩을 관리하는 방법으로서,
    상기 배터리 팩을 이루는 복수 개의 배터리 셀에 대해서 SOH 레벨을 측정하는 단계;
    상기 SOH 레벨을 기초로 하여, 상기 배터리 팩 내의 상기 복수 개의 배터리 셀에 대해서, 상기 SOH 레벨이 유사한 배터리 셀을 묶어서 병렬 셀 스트링(parallel cell string)을 설정하는 단계;
    SOH를 관리할 수 있도록, 각 병렬 셀 스트링은 자신의 슬레이브 MCU(slave MCU)에 각각 할당되어, 상기 슬레이브 MCU가 자신이 담당하는 상기 병렬 셀 스트링을 전력 흐름(power flow)을 관리하는 단계; 및
    메인 MCU(main MCU)는 각 병렬 셀 스트링으로부터의 전력 흐름을 위하여 각 슬레이브 MCU에 명령을 제공하는 단계;를 포함하는,
    사용후 배터리용 배터리 관리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    모든 셀의 SOH 균형을 맞춰서 모든 셀이 동시에 수명 종료(EOL)에 도달하도록, 상기 메인 MCU의 명령에 기초하여, 특정 슬레이브 MCU가 자신이 담당하는 병렬 셀 스트링으로부터의 전력 흐름을 조절할 수 있도록, 각 병렬 셀 스트링의 출력에 벅부스트 컨버터가 추가되어 있는 것을 특징으로 하는,
    사용후 배터리용 배터리 관리 방법.
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대한민국 특허 제10-2437477호(2022.08.24. 등록, 발명의 명칭 : 배터리의 만충전 용량을 산출하기 위한 배터리 관리 시스템 및 방법(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND METHOD FOR CALCULATING A FULL CHARGE CAPACITY OF A BATTERY))

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