WO2010016661A2 - 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

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강정수
김도연
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for balancing a state of charge (hereinafter referred to as SOC) among a plurality of cells included in a battery pack, and more particularly, charging between cells using a voltage change behavior of a battery cell.
  • SOC state of charge
  • a battery mounted in a high-power product such as an electric vehicle includes a plurality of cells connected in series or in parallel because a high voltage must be supplied to a load.
  • a charging circuit or a boost circuit is added to each cell to discharge a cell having a relatively high state of charge or to charge a cell having a relatively low state of charge. The method of solving the state of charge imbalance between cells is used.
  • the state of charge of the cell is prepared in advance in the form of a lookup table for each open voltage of the battery cell, and then the open voltage of the cell is calculated according to the output voltage of the cell, and then the open voltage is applied from the lookup table. It is a method of mapping the state of charge of the cells.
  • the IR drop phenomenon refers to a phenomenon in which the measured voltage of the cell changes drastically unlike the actual cell voltage when the cell is connected to the load to start discharging or charging of the cell. That is, the cell voltage drops sharply when discharge starts, and the cell voltage rises sharply when charging starts.
  • the method of estimating the state of charge of a cell by integrating the charge and discharge currents is a method of estimating the state of charge of the cell based on the accumulated current amount by integrating the charge and discharge current of the cell.
  • This method has the advantage that it is relatively simple to estimate the state of charge of the cell, but the error generated during the current measurement continues to accumulate over time, resulting in the accuracy of estimation of the state of charge falling over time. There is.
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art, an apparatus for balancing the state of charge between battery cells by accurately estimating the open voltage and state of charge of the battery using the battery output voltage does not accumulate the measurement error And to provide a method.
  • a cell balancing apparatus using a voltage change behavior of a battery cell, the apparatus for balancing a plurality of cells included in a battery.
  • Open-voltage estimating means for estimating the open-circuit voltage of each cell by a voltage change behavior including a cell voltage and a past cell voltage;
  • a cell balancing means for comparing the estimated open voltage of each cell to select a cell that requires balancing, and controlling a balancing circuit corresponding to the selected cell to balance the state of charge of the cell.
  • a cell balancing apparatus using a voltage change behavior of a battery cell, the apparatus for balancing a plurality of cells included in a battery pack.
  • Open-voltage estimating means for estimating the open-circuit voltage of each cell by a voltage change behavior including a cell voltage and a past cell voltage;
  • Charge state estimation means for estimating the state of charge of each cell from the open voltage;
  • a cell balancing means for comparing the estimated state of charge of each cell to select a cell requiring balancing, and controlling a balancing circuit corresponding to the selected cell to balance the state of charge of the cell.
  • the open circuit voltage estimating means comprises: a voltage sensing unit measuring each cell voltage; A temperature sensing unit measuring a temperature of each cell; A data storage unit periodically receiving the cell voltage and temperature data from the voltage sensing unit and the temperature sensing unit and storing the data in the memory unit; Calculate the change in the open voltage of each cell from the change behavior of the voltages of each cell measured in the memory section, by applying a mathematical model that defines the correlation between the change behavior of the cell voltage and the change in the open voltage, An open voltage change estimator for estimating an open voltage change amount for each cell in the current step by applying a correction factor corresponding to the temperature of each cell to the calculated open voltage change amount of each cell; And an open-voltage estimator for estimating the open-circuit voltage of the current stage for each cell by reflecting the estimated change in open-circuit voltage of each cell in the estimated open-circuit voltage of each cell.
  • the state of charge estimator estimates the state of charge corresponding to the open voltage and temperature of each cell with reference to a look-up table that defines the state of charge for each open voltage and temperature.
  • the balancing circuit is a discharge circuit
  • the cell balancing means selects a cell having an open voltage or a state of charge higher than a predetermined standard as a target cell to be balanced, and operates a discharge circuit corresponding to the selected cell. Reduce the state of charge of the cell.
  • the balancing circuit is a charging circuit
  • the cell balancing means selects a cell having an open voltage or a state of charge lower than a predetermined reference as a target cell to be balanced, and operates a charging circuit corresponding to the selected cell. Increase the state of charge of the cell.
  • the balancing circuit includes a charging circuit and a discharging circuit
  • the cell balancing means selects a cell having an open voltage or a charging state that deviates from a certain range as a target cell to be balanced, and opens one of the selected cells.
  • a cell whose voltage or state of charge is higher than the upper limit of the range reduces the state of charge of the cell by switching the corresponding balancing circuit to the discharge circuit, and a cell whose open voltage or state of charge is lower than the lower limit of the range corresponding to Switching the balancing circuit to the charging circuit increases the state of charge of the cell.
  • a cell balancing method using a voltage change behavior of a battery cell includes sensing a voltage of each cell, and Estimating the open voltage of each cell by a voltage change behavior comprising the cell voltage and the past cell voltage; And balancing the state of charge of each cell by comparing the estimated open voltage of each cell.
  • a cell balancing method using a voltage change behavior of a battery cell which is a method of balancing a plurality of cells included in a battery. Estimating the open voltage of each cell by a voltage change behavior comprising the cell voltage and the past cell voltage; Estimating the state of charge of each cell from the open voltage; And comparing the estimated state of charge of each cell to balance the state of charge of each cell.
  • FIG. 1 is a block diagram of a cell balancing device using a voltage change behavior of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a functional block of a cell balancing module according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a cell balancing method using a voltage change behavior of a battery cell according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows that when the charge and discharge cycle according to Experimental Example 1 is applied, when the state of charge of the battery is estimated by the present invention and when the state of charge of the battery is estimated by a conventional current integration method, the respective state of charge value is It is a graph comparing.
  • FIG. 5 is a graph comparing the battery opening voltage estimated by the present invention and the actually measured battery output voltage in the charge / discharge cycle under the conditions proposed in Experimental Example 1.
  • FIG. 5 is a graph comparing the battery opening voltage estimated by the present invention and the actually measured battery output voltage in the charge / discharge cycle under the conditions proposed in Experimental Example 1.
  • FIG. 6 is a graph comparing the OCV estimated by the present invention and the actual measured battery output voltage when a 250 second charge and discharge cycle and a 10 minute rest period are set.
  • FIG. 7 is a graph comparing the OCV estimated by the present invention and the actual measured battery output voltage when a charge / discharge cycle of 500 seconds and a 10 minute rest period are set.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a cell balancing device using a voltage change behavior of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the cell balancing apparatus 10 using the voltage change behavior of the battery cell according to the present invention includes a voltage sensing unit 11, a temperature sensing unit 12, a memory unit 13, and a controller 14. It is provided.
  • the battery is illustrated as including n cells C1 to Cn connected in series, and the n cells C1 to Cn may be connected in parallel.
  • the battery is connected to the load 15 to supply power as usual.
  • the voltage sensing unit 11 periodically measures the output voltage of each of the cells C1 to Cn included in the battery and outputs the output voltage to the controller 14.
  • the temperature sensing unit 12 periodically measures the temperature of each of the cells C1 to Cn included in the battery and outputs the temperature to the control unit 14.
  • the memory unit 13 includes cell charge state information for each temperature and an open voltage obtained through experiments, output voltage and temperature data periodically obtained from each cell C1 to Cn, and an open voltage and a charge calculated for each cell.
  • a recording medium storing state information, a cell balancing program for balancing each cell by estimating an open voltage and a charge state of each cell C1 to Cn.
  • the cell charge state information and the cell balancing program according to the temperature and the open voltage are stored in the nonvolatile region of the memory unit 13. Therefore, the data regarding the state of charge of the cell by temperature and the open voltage and the cell balancing program are not lost even when power is not supplied to the memory unit 13.
  • the output voltage, temperature data, estimated open voltage, and charge state information of each cell C1 to Cn measured by the voltage sensing unit 11 and the temperature sensing unit 12 are stored in the volatile region of the memory unit 13. Stored. Therefore, the storage of each data is stored and maintained only when power is supplied to the memory unit 13.
  • the controller 14 loads a cell balancing program from the memory unit 13 when the device is initialized, and periodically outputs the output voltages of the cells C1 to Cn from the voltage sensing unit 11 and the temperature sensing unit 12.
  • the temperature data is received and stored in the memory unit 13, and cell balancing is performed to remove the difference between the cells in the charged state or the open voltage by estimating the open voltage and the charged state for each cell based on the stored data.
  • the type of the battery cells (C1 ⁇ Cn) is not particularly limited, and may be composed of a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydride battery, a nickel zinc battery, and the like capable of repeatedly charging and discharging. .
  • the type of the load 15 is not particularly limited, and may be configured as a portable electronic device such as a video camera, a portable telephone, a portable PC, a PMP, an MP3 player, a motor of an electric vehicle or a hybrid vehicle, a DC to DC converter, or the like. have.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a functional block of a cell balancing module 20 corresponding to a cell balancing program according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the cell balancing module 20 may include a data storage 21, an open voltage variation estimating unit 22, an open voltage estimating unit 23, an SOC estimating unit 24, and a cell balancing unit ( 25).
  • the data storage unit 21 receives the output voltage and temperature data of each cell C1 to Cn periodically from the voltage sensing unit 11 and the temperature sensing unit 12 shown in FIG. ).
  • the period for sensing the output voltage and temperature data of each cell C1 to Cn corresponds to the cell balancing period, but the present invention is not limited thereto.
  • the open voltage change estimating unit Reference numeral 22 estimates an open voltage change amount for each cell.
  • the open voltage change estimator 22 uses the change pattern of the cell output voltage shown by each cell C1 to Cn to estimate the open voltage for each cell, based on the previous step open voltage of the cell. Estimate the change in open voltage. That is, the open voltage change estimator 242 estimates how much the open voltage of the current step has changed based on the open voltage of the previous step of the cell.
  • the open circuit voltage variation estimating unit 22 stores the output voltage and the temperature data of each cell C1 to Cn in the memory unit 13 in the nth measurement period. Read the cell output voltage of the current stage, the cell output voltage of the previous stage, and the cell temperature of the current stage. Then, the open voltage change amount? OCV n (k) is estimated by the following equation (1).
  • Equation 1 n is an order index of the open voltage change amount estimation, and k is an order index of the cell. Therefore, ⁇ OCV n (k) represents the n-th estimated change in open voltage for the k-th cell.
  • G (V) is an open voltage change calculation function that maps the cell output voltage change 'V n -V n-1 ' of the current step and the previous step to the open voltage change amount ⁇ OCV n (k).
  • F (T) is an open-voltage correction function for correcting the open-circuit change ⁇ OCV n (k) according to the cell temperature by reflecting the effect of the open-circuit voltage fluctuation with temperature.
  • V n and V n -1 are output voltages of the battery cell Ck to be estimated for the change in the open voltage.
  • the G (V) is a function of correcting and converting an error (difference between the measured voltage and the actual voltage) of the cell output voltage due to the IR drop phenomenon without converting the change amount of the cell output voltage into the change amount of the open voltage as it is. That is, if the cell output voltage change tends to be larger than the cell output voltage change based on the previous measurement step, G (V) attenuates the change in the cell output voltage and outputs it as the cell open voltage change. If there is a tendency to remain the same, the change amount of the cell output voltage is output as the change amount of the cell open voltage as it is. .
  • G (V) can be obtained through mathematical modeling through the numerical analysis of the correlation between the change pattern of the cell output voltage and the corresponding open voltage change amount under a specific temperature condition.
  • G (V) discharges a cell while changing a discharge current irregularly after filling a standard cell having the same conditions as a cell included in a battery in a laboratory condition where a cell output voltage and a cell open voltage can be measured.
  • the functional correlation between the change pattern of the cell output voltages V n , V n-1 and V n-2 and the corresponding open voltage changes is measured.
  • the number of cell output voltages constituting the change pattern of the cell output voltage can be expanded to four or more.
  • the G (V) can be defined by generalizing as shown in Equation 2.
  • G (V) [V n -V n -One ] ⁇ g (V n , V n -One , V n -2 ,... )
  • g (V n , V n-1 , V n-2, ...) is a pattern function defining a change pattern of the standard cell output voltage. remind '... Symbol means that the pattern function can be defined by three or more cell output voltages including the cell output voltage measured at the present time.
  • the pattern function g is defined by analyzing a correlation between a plurality of cell output voltage variations and a cell open voltage variation obtained experimentally.
  • the function g may be defined as a relative ratio of the output voltage change amount of the previous step based on the output voltage change amount of the current step.
  • the present invention is not limited by the specific formula of the pattern function.
  • F (T) corrects the amount of change in the open voltage calculated by G (V) according to the temperature condition of the cell.
  • F (T) is a function of correcting the amount of change in open voltage estimated by G (V) when the temperature of the cell is different from the temperature set as the calculation condition of G (V).
  • the F (T) may be calculated by analyzing the correlation between the change pattern of the cell output voltage and the change amount of the cell open voltage while changing the temperature at regular intervals.
  • F (T) quantitatively measures the change in the change of the open voltage of the cell under the condition that the experimental conditions are set so that the cell output voltage pattern is the same at each measurement temperature set at regular intervals, for example, at 1 ° C interval. It can be found by mathematical modeling that the open voltage variation of and cell are input and output variables, respectively. F (T) thus obtained becomes a function of outputting a correction factor of the amount of change in the cell open-circuit voltage using the temperature T of the cell as an input variable.
  • the correction factor according to each T value may be configured in the lookup table and included in the memory unit 13, and the correction factor for each temperature included in the lookup table may be referred to when calculating the change amount of the cell open voltage.
  • n ⁇ which is an open voltage estimated from the memory unit 13 for each cell.
  • the n-th open voltage is estimated by adding the open voltage change estimated by the open voltage change estimator 22 to the n-first open voltage.
  • the open voltage estimator 23 calculates a weighted average V n (meanvalue) between the cell output voltage V n of the current step and the cell output voltage measured in the previous step in estimating the open voltage for each cell. Calculate through 3.
  • V n (meanvalue) (A 1 * V 1 + A 2 * V 2 +... + A n-1 * V n-1 + A n * V n ) / A total
  • a total A 1 + A 2 + A 3 +... + A n
  • the open voltage estimator 23 performs additional correction by adding the difference between the weighted average V n (meanvalue) calculated for each cell and the open voltage OCV n ⁇ 1 of each cell to the estimated n- th order open voltage to perform additional correction.
  • the estimated value of the n-th order open voltage of (C1 ⁇ Cn) can be corrected once again.
  • the weighted average is calculated and further corrected to the n-th order open voltage of each cell C1 to Cn, even if the output voltage outputted from the battery cell changes drastically, the estimated n-th order open voltage of each cell C1 to Cn is estimated. Can reduce the error.
  • the open voltage estimator 23 stores the open voltage values in the memory unit 13.
  • the SOC estimator 24 is based on the n-th order open voltage of each cell C1 to Cn estimated by the open-voltage estimator 23 and the temperature of each cell C1 to Cn measured when the n-th order open voltage is estimated.
  • the charging state of the corresponding battery is mapped and output from the battery charge state information for each temperature and open voltage stored in the memory unit 13.
  • Charge state information for each temperature and for an open voltage may be constructed in the form of a lookup table as shown in Table 1 below.
  • the SOC estimator 24 maps the n-th order open voltage and temperature of each cell C1 to Cn in a lookup table that includes charging state information for each temperature and an open voltage as shown in Table 1, and displays each cell C1 to Cn.
  • the SOC estimator 24 stores each state of charge in the memory unit 13 when the estimation of the nth order state of charge of each cell C1 to Cn is completed.
  • the cell balancing unit 25 calculates the state of charge difference between the cells after the n-th open voltage or the n-th charge state of each cell C1 to Cn is stored in the memory unit 13 in the n-th measurement period.
  • the state of charge variation may be defined as the state of charge of all the cells C1 to Cn, and the difference between the state of charge of each cell C1 to Cn and the average state of charge may be defined as the state of charge of the cell.
  • the present invention is not limited by the specific method of defining the state of charge variation of the cell.
  • the cell balancing unit 25 designates a cell requiring cell balancing when the calculation of the state of charge variation of each cell C1 to Cn is completed.
  • Cells that require cell balancing can be specified in several ways:
  • a cell having a state of charge variation greater than a predetermined level is designated as a cell requiring cell balancing.
  • a cell having a state of charge variation smaller than a predetermined level (eg, -10%) is designated as a cell requiring cell balancing.
  • Third method Designate a cell in which the state of charge deviation is out of a predetermined range (for example, -10% to 10%) as a cell requiring cell balancing.
  • the cell balancing unit 25 When the cell balancing unit 25 completes the designation of a cell requiring cell balancing, the cell balancing unit 25 applies a balancing control signal to the balancing circuit Bk connected to the designated cell to operate the balancing circuit Bk for a predetermined time to charge the cell. Eliminate the deviation.
  • the balancing circuit Bk is a discharge circuit.
  • the cell balancing unit 25 may calculate the discharge time for each cell requiring cell balancing in advance, and perform cell balancing by operating each balancing circuit for the calculated time.
  • the discharge time of each cell is calculated in consideration of the calculated discharge capacity of the cell and the discharge efficiency of the balancing circuit Bk after calculating the discharge capacity of the cell to remove the variation in the state of charge of the cell.
  • the balancing circuit Bk is preferably a charging circuit.
  • the cell balancing unit 25 may calculate the charging time for each cell that needs cell balancing in advance, and perform cell balancing by operating each balancing circuit for the calculated time.
  • the charging time of each cell is calculated in consideration of the calculated charging capacity of the cell and the charging efficiency of the balancing circuit Bk after calculating the charging capacity of the cell to remove the variation of the charging state of the cell.
  • the balancing circuit Bk is configured as a charging circuit, the balancing circuit Bk receives a charging current from an external power source (not shown) or a charging current from another battery cell having a high charging state.
  • the external power source may be a DC to DC converter, but the present invention is not limited thereto.
  • the balancing circuit Bk includes a charging circuit and a discharge circuit.
  • the cell balancing unit 25 calculates in advance the charging time or the discharge time for each cell requiring cell balancing, and operates each balancing circuit Bk in the charging mode or the discharge mode for the calculated time to perform cell balancing. Do this.
  • the cell balancing unit 25 operates by switching a balancing circuit Bk connected to the corresponding cell to a discharge circuit for a cell whose charging state exceeds a predetermined value.
  • the cell balancing unit 25 operates by switching the balancing circuit Bk connected with the corresponding cell to the charging circuit, for the cell whose charging state is smaller than a predetermined value.
  • the cell charging time is calculated in consideration of the charging capacity of the cell and the charging efficiency of the charging circuit included in the balancing circuit to remove the cell state variation.
  • the cell discharge time is calculated in consideration of the discharge capacity of the cell and the discharge efficiency of the discharge circuit included in the balancing circuit to remove the cell state variation when the specific cell is discharged.
  • the balancing circuit Bk may receive a charging current from an external power supply or a non-balancing cell having a high charging state, as in the second method.
  • the cell balancing unit 25 may perform a cell balancing operation based on the variation in the state of charge of each cell. Alternatively, the cell balancing unit 25 may perform the cell balancing operation based on the open voltage of each cell. In this case, the cell balancing unit 25 reads the n-th order open voltage of each cell C1 to Cn from the memory unit 13, calculates the open voltage deviation of each cell C1 to Cn, and then calculates the open voltage. Select the cell that the deviation meets the balancing criteria as the cell to be balanced, calculate the charge or discharge time required for balancing the selected cell, and operate the balancing circuit Bk connected to the selected cell for the calculated time. Eliminate cell open voltage deviation.
  • the balancing target cell is selected in a manner similar to the first to third methods described above. That is, a cell having an open voltage deviation greater than a constant level (for example, 0.5 V) is designated as a cell that requires cell balancing, or a cell having an open voltage deviation less than a constant level (for example, -0.5 V) is designated as a cell requiring cell balancing. In this case, a cell whose open voltage deviation is out of a range (eg, -0.5 V to 0.5 V) is designated as a cell requiring cell balancing.
  • a constant level for example, 0.5 V
  • a cell having an open voltage deviation less than a constant level for example, -0.5 V
  • a cell whose open voltage deviation is out of a range eg, -0.5 V to 0.5 V
  • the charging time of the cell requiring balancing is calculated in consideration of the charging capacity of the cell and the charging efficiency of the balancing circuit (Bk) necessary to remove the open voltage deviation, and the discharge time of the cell requiring balancing is used to remove the open voltage deviation.
  • the calculation is made in consideration of the discharge capacity of the required cell and the discharge efficiency of the balancing circuit Bk.
  • the operation form of the balancing circuit Bk is substantially the same as described above, and thus a repetitive description thereof will be omitted.
  • the open voltage and the state of charge estimation based on the output voltage and temperature data of each cell (C1 ⁇ Cn), and the cell balancing based on the state of charge or open voltage deviation can be repeated with a certain period of the invention It is obvious to those of ordinary skill in the art.
  • the cell balancing module 20 has been described as being implemented as a program.
  • the cell balancing module 20 may be implemented as a logic circuit module using an on-demand semiconductor technology such as an ASIC.
  • the controller 14 will include a logic circuit module that implements the functions of the cell balancing module 20.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure of a cell balancing method using a voltage change behavior of a battery cell according to the present invention.
  • the performing agent of each step is the control unit 14 of the cell balancing apparatus shown in FIG. 1.
  • step S10 the primary output voltage and temperature are measured for each cell immediately before the load is connected to the battery.
  • the primary output voltage is an output voltage in a no-load state, it corresponds to the primary open voltage.
  • step S20 the primary output voltage measured in step S10 for each cell is assigned to the primary open voltage OCV 1 and the secondary open voltage OCV 2 of each cell, and thus the primary open voltage of each cell ( Initialize OCV 1 ) and Secondary Open Voltage (OCV 2 ).
  • the first output voltage to the first output voltage (V 1) and the second output voltage (V 2) by assigning a value of 1 for each cell car output voltage (V 1) and a second cell by cell Initialize the output voltage (V 2 ).
  • step S40 it is determined whether the cell balancing cycle of the battery has arrived.
  • the cell balancing period can be arbitrarily set.
  • Step S50 is a step that proceeds when the cell balancing cycle arrives, and senses the n-th output voltage and temperature of each cell through the voltage sensing unit 11 and the temperature sensing unit 12 to the memory unit 13. Save it. For reference, 3 is assigned to n in step S50.
  • step S60 the n-th order open voltage change amount of each cell is estimated based on the output voltage change pattern and the temperature of each cell. Equations used to estimate the n-th order open circuit voltage variation have already been described. Since n is currently 3, the output voltage change pattern of each cell is the change pattern of the 3rd, 2nd and 1st output voltages. However, when n is 4 or more, the output voltage change pattern of each cell may be a change pattern for four or more output voltages.
  • step S70 the n-th open voltage is estimated by adding the n-th open voltage to the n-th open voltage for each cell. Since n is currently 3, step S70 is a step of estimating the third open voltage by adding the third open voltage change amount to the second open voltage for each cell.
  • Step S80 is an optional step to calculate a weighted average between the n-th output voltage and the n-th previous output voltage for each cell and open the n-th order difference between the calculated weighted average and the n-th open voltage. In addition to the voltage, the n-th order open voltage is further corrected. The equation used to calculate the weighted average has already been described.
  • step S90 the n-th order charge state information of the cell is mapped by mapping the state of charge of the cell corresponding to the estimated n-th order open voltage and the measured temperature from a look-up table that includes charge state information for each temperature and open voltage.
  • step S100 the balancing target cell is designated by calculating a deviation between cells of the nth order state of charge or the nth order open voltage of each cell. At this time, if the balancing target cell does not exist, the remaining processes are terminated. The method of calculating the state of charge or open-voltage deviation of each cell has already been described.
  • step S110 a charging state discharge or an open voltage deviation is eliminated by controlling a balancing circuit connected to a cell designated as a balancing target cell to charge or discharge the corresponding cell.
  • the balancing method of the designated cell and the specific control method of the balancing circuit according to each method have already been described.
  • step S120 it is determined whether the load is still connected.
  • step S130 when it is determined that the load is connected to the battery, the process proceeds, and it is determined whether the cell balancing cycle of the battery has arrived.
  • Step S140 is a step proceeding when it is determined that the cell balancing cycle of the battery has arrived, and the process proceeds to step S50 in a state where the value of n is increased by one. Then, n + 1st open voltage change estimation for each cell, n + 1st open voltage estimation by sum of n + 1st open voltage change and n + 1st open voltage change, weighted average of output voltage and nth open Correction of estimated n + 1st open voltage by difference of voltage, estimation of n + 1st state of charge using lookup table, estimated n + 1st state of charge or deviation between cells of n + 1st order open voltage The cell balancing process is repeated.
  • the charging state of the battery cell estimated by the present invention through the experimental example will be specifically described that the approximate convergence of the charging state of the actual battery cell.
  • the experimental examples are only examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
  • the charge state and the open voltage of the battery cell are estimated and measured when the charge state and the open voltage are estimated and measured.
  • FIG. 5 is a graph comparing the open voltage of the battery and the output voltage of the battery actually measured according to the present invention in the charge and discharge cycle under the conditions proposed in Experimental Example 1.
  • FIG. 5 is a graph comparing the open voltage of the battery and the output voltage of the battery actually measured according to the present invention in the charge and discharge cycle under the conditions proposed in Experimental Example 1.
  • the estimated open voltage of the battery according to the present invention does not generate a sudden voltage change pattern. Can be. That is, according to the present invention, it is possible to obtain a stabilized open voltage profile in which the IR drop effect is excluded, and as a result, it is possible to reduce the error in estimating the state of charge of the battery.
  • FIG. 6 illustrates a case in which a charge and discharge cycle of 250 seconds and a 10 minute rest period are set
  • FIG. 7 illustrates a battery open voltage estimated and an actual measured battery according to the present invention, when a charge and discharge cycle of 50 seconds and 10 minute rest period are set.
  • the present invention can estimate the state of charge of the battery more accurately than before.
  • Cases 1 to 25 are cases where a charge and discharge cycle of 250 seconds and a 10 minute rest period are set, and Cases 26 to 38 are cases where a 50 second charge and discharge cycle and a 10 minute rest period are set.
  • the root mean square error (RMS) is 1.4% and the mean absolute error (MAE) is 1.14%, which is significantly lower than a tolerance defined in the art. You can see that the value appears.
  • the present invention it is possible to more accurately estimate the state of charge of the battery by correcting the error of the cell output voltage caused by the IR drop phenomenon and the temperature change to estimate the open voltage of the cell.
  • the present invention estimates the state of charge of the cell without using the cell current, it is possible to estimate the state of charge of the battery more accurately than the conventional current integration method.
  • This accurate estimation of the state of charge of the cell contributes to practically eliminating the state of charge variation of the battery cell.
  • the present invention estimates the state of charge of a cell using the output voltage of the cell, even when the battery is being charged / discharged, active cell balancing is performed to minimize the variation of the state of charge between cells.

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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법을개시한다. 본 발명에 따르면, 배터리에 포함된 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압 또는 충전상태를 추정한다. 그리고 상기 추정된 각 셀의 개방전압 또는 충전상태를 상호 비교하여 셀 간의 개방전압 또는 충전상태 편차를 제거한다. 본 발명에 따르면, IR 드롭 모델에 의한 셀 출력전압의 오차를 보정하여 셀의 개방전압을 추정함으로써 보다 정확한 배터리의 충전상태 추정이 가능하다. 이러한 셀 충전상태의 정확한 추정은 셀 밸런싱을 통해 배터리 셀의 충전상태 편차를 실제적으로 해소하는데 기여한다. 또한 본 발명은 셀의 출력전압을 이용하여셀의 충전상태를 추정하므로 배터리의 충/방전이 일어나고 있는 상황에서도 능동적인 셀 밸런싱을 수행하여 셀 간 충전상태의 편차를 최소화할 수 있다.

Description

배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법
본 발명은 배터리 팩 내에 포함된 다수 셀 간의 충전상태(State Of Charge; 이하, SOC라 함)를 밸런싱하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용하여 셀 간의 충전상태를 밸런싱하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차와 같이 고출력 제품에 탑재되는 배터리는 부하에 고전압을 공급하여야 하므로 직렬 또는 병렬 연결된 다수의 셀을 포함한다.
다수의 셀이 포함된 배터리를 방전시키면 각 셀의 자기 방전률 차이로 인해 시간이 지남에 따라 각 셀의 충전상태가 서로 달라진다. 이러한 충전상태의 불균형이 있는 상태에서 배터리의 방전이 계속되면 충전상태가 낮은 특정 셀이 과방전되어 배터리의 안정적 동작이 어려워진다. 따라서 종래에는 셀 간의 충전상태 불균형을 해소하기 위해 각 셀마다 충전회로(Boost) 또는 방전(Buck) 회로를 추가하여 충전상태가 상대적으로 높은 셀을 방전시키거나 충전상태가 상대적으로 낮은 셀을 충전시켜 셀 간의 충전상태 불균형을 해소하는 방법을 사용하고 있다.
배터리 셀 간의 충전상태 불균형을 제거하기 위해서는 각 셀의 충전상태를 정확하게 파악할 필요가 있다. 하지만 배터리 셀의 비선형성으로 인해 배터리 셀의 충전상태는 직접적인 측정이 불가능하다. 따라서 셀의 개방전압이나 방전전류 등 측정이 가능한 다른 전기적 파라미터를 측정하여 배터리 셀의 충전상태를 간접적으로 추정하고 있다.
개방전압을 이용한 충전상태 추정 방법은, 배터리 셀의 개방전압 별로 셀의 충전상태를 룩업 테이블의 형태로 미리 마련한 후 셀의 출력전압에 의해 셀의 개방전압을 계산한 후 룩업 테이블로부터 개방전압에 대응되는 셀의 충전상태를 맵핑하는 방법이다.
하지만, 배터리 셀의 충전 또는 방전이 일어나면 IR 드롭 현상에 의해 셀의실제 출력전압과 측정 출력전압 사이에 오차가 발생하게 되므로 단순히 셀의 출력전압을 이용하여 셀의 충전상태를 추정하면 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
참고로, IR 드롭 현상은 셀이 부하에 연결되어 방전이 시작되거나 셀의 충전이 시작될 때 실제 셀 전압과 달리 셀의 측정 전압이 급격하게 변하는 현상을 말한다. 즉, 방전이 시작될 때에는 셀 전압이 급격하게 떨어지고, 충전이 시작될 때에는 셀 전압이 급격하게 올라간다.
충방전전류를 적산하여 셀의 충전상태를 추정하는 방법은, 셀의 충방전전류를 적산하여 적산된 전류량을 통해 셀의 충전상태를 추정하는 방법이다. 이 방법은 비교적 간단하게 셀의 충전상태를 추정할 수 있다는 장점이 있지만, 전류를 측정하는 과정에서 발생되는 오차가 시간이 지남에 따라 계속 누적되어 충전상태 추정의 정확도가 시간이 지남에 따라 떨어지는 문제가 있다.
최근에는 셀의 전압, 전류, 온도 등 측정 가능한 다양한 전기적 파라미터로부터 셀의 충전상태를 계산하는 수학적 모델을 수립한 후 수학적 모델을 이용하여 셀의 충전상태를 추정하는 다양한 방법들이 제시되고 있다. 하지만, 수학적 모델의 복잡성으로 인해 배터리 충전상태의 추정시간이 오래 걸릴 뿐 아니라, 복잡한 연산을 수행하기 위해 높은 하드웨어 사양이 필요하다는 점이 한계로 지적되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 측정 오차가 누적되지 않는 배터리 출력전압을 이용하여 배터리의 개방전압과 충전상태를 정확하게 추정하여 배터리 셀 간의 충전상태를 밸런싱하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치는, 배터리에 포함된 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 장치로서, 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정 수단; 및 상기 추정된 각 셀의 개방전압을 비교하여 밸런싱이 필요한 셀을 선택하고, 선택된 셀에 대응되는 밸런싱 회로를 제어하여 셀의 충전상태를 밸런싱하는 셀 밸런싱 수단을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치는, 배터리 팩에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 장치로서, 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정 수단; 상기 개방전압으로부터 각 셀의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정 수단; 및 상기 추정된 각 셀의 충전상태를 비교하여 밸런싱이 필요한 셀을 선택하고, 선택된 셀에 대응되는 밸런싱 회로를 제어하여 셀의 충전상태를 밸런싱하는 셀 밸런싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 개방전압 추정 수단은, 각 셀 전압을 측정하는 전압 센싱부; 각 셀의 온도를 측정하는 온도 센싱부; 상기 전압 센싱부 및 온도 센싱부로부터 주기적으로 각 셀 전압과 온도 데이터를 입력 받아 메모리부에 저장하는 데이터 저장부; 셀 전압에 대한 변화 거동과 개방전압 변화량 사이의 상관 관계를 정의한 수학적 모델을 적용하여 상기 메모리부에 저장된 현재 및 과거에 측정된 각 셀의 전압들의 변화 거동으로부터 각 셀의 개방전압 변화량을 계산하고, 각 셀의 온도에 대응하는 보정 팩터를 상기 계산된 각 셀의 개방전압 변화량에 반영하여 현재 단계의 각 셀에 대한 개방전압 변화량을 추정하는 개방전압 변화량 추정부; 및 직전 단계에서 추정된 각 셀의 개방전압에 상기 추정된 각 셀의 개방전압 변화량을 반영하여 각 셀에 대한 현재 단계의 개방전압을추정하는 개방전압 추정부를 포함한다.
본 발명에서, 상기 충전상태 추정부는 개방전압 및 온도별로 충전상태를 정의한 룩업 테이블을 참조하여 각 셀의 개방전압과 온도에 대응되는 충전상태를 추정한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 밸런싱 회로는 방전회로이고, 상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압 또는 충전상태가 일정한 기준보다 높은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 방전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 감소시킨다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 밸런싱 회로는 충전회로이고, 상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압 또는 충전상태가 일정한 기준보다 낮은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 충전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 밸런싱 회로는 충전회로와 방전회로를 포함하고, 상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압 또는 충전상태가 일정한 범위를 벗어나는셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀 중 개방전압 또는 충전상태가 상기 범위의 상한 보다 높은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 방전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 감소시키고, 선택된 셀 중 개방전압 또는 충전상태가 상기 범위의 하한 보다 낮은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 충전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 증가시킨다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법은, 배터리에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 방법으로서, 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 단계; 및 상기 추정된 각 셀의 개방전압을 비교하여 각 셀의 충전상태를 밸런싱하는 단계;를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법은, 배터리에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 방법으로서, 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 단계; 상기 개방전압으로부터 각 셀의 충전상태를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 각 셀의 충전상태를 비교하여 각 셀의 충전상태를 밸런싱하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 밸런싱 모듈의 기능적 블록을도시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법의 절차 흐름도이다.
도 4는 실험예1에 따른 충방전 사이클이 적용되었을 때, 본 발명에 의해 배터리의 충전상태가 추정된 경우와 종래의 전류 적산 방법에 의해 배터리의 충전상태가 추정되었을 때 각 충전상태 값을 서로 비교한 그래프이다.
도 5는 실험예1에서 제안된 조건의 충방전 사이클에서 본 발명에 의해 추정된 배터리 개방전압과 실제 측정한 배터리 출력전압을 비교한 그래프이다.
도 6은 250초의 충방전 주기와 10분간의 휴지기를설정한 경우, 본 발명에 의해 추정된 OCV와 실제 측정한 배터리 출력전압을 비교한 그래프이다.
도 7은 500초의 충방전 주기와 10분간의 휴지기를설정한 경우, 본 발명에 의해 추정된 OCV와 실제 측정한 배터리 출력전압을 비교한 그래프이다.
도 8은 실험예2의 조건에서 38번에 걸쳐 배터리의 온도, 측정된 개방전압, 추정된 개방전압, 측정된 개방전압과 추정된 개방전압의 차이값(에러값), 측정된 충전상태, 추정된 충전상태, 및 측정된 충전상태와 추정된 충전상태의 차이값(에러값)에 대한 수치를 비교 분석한 표이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 1은 본 발명의실시예에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치(10)는, 전압 센싱부(11), 온도 센싱부(12), 메모리부(13) 및 제어부(14)를 구비한다. 도면에서, 배터리는 직렬로 연결된 n개의 셀(C1 ~ Cn)을 포함하는 것으로 도시하였는데, n개의 셀(C1 ~ Cn)은 병렬로 연결되어도 무방하다. 배터리는 통상적인 경우와 마찬가지로 부하(15)에 연결되어 전원을 공급한다.
상기 전압 센싱부(11)는 배터리에 포함된 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압을 주기적으로 측정하여 제어부(14) 측으로 출력한다.
상기 온도 센싱부(12)는 배터리에 포함된 각 셀(C1 ~ Cn)의 온도를 주기적으로 측정하여 제어부(14)로 출력한다.
상기 메모리부(13)는 사전에 실험을 통해 얻어진 온도별 및 개방전압별 셀 충전상태 정보, 각 셀(C1 ~ Cn)로부터 주기적으로 얻어지는 출력전압과 온도 데이터, 각 셀 별로 산출되는 개방전압과 충전상태 정보, 그리고 각 셀(C1~Cn)의 개방전압과 충전상태를 추정하여 각 셀을 밸런싱하는 셀 밸런싱 프로그램을 저장하는 기록매체이다.
여기서, 상기 온도별 및 개방전압별 셀 충전상태 정보와 상기 셀 밸런싱 프로그램은 메모리부(13)의 비 휘발성 영역에 저장된다. 따라서, 온도별 및 개방전압별 셀 충전상태에 관한 데이터와 상기 셀 밸런싱 프로그램은 메모리부(13)에 전원이 공급되지 않더라도 소실되지 않는다.
상기 전압 센싱부(11)와 온도 센싱부(12)에 의해 측정된 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압, 온도 데이터, 추정된 개방전압 및 충전상태 정보는 메모리부(13)의 휘발성 영역에 저장된다. 따라서 상기 각 데이터의 저장은 메모리부(13)에 전원이 공급되고 있을 때에만 저장되고 유지된다.
상기 제어부(14)는 장치 초기화 시 메모리부(13)로부터 셀 밸런싱 프로그램을 로딩하고, 상기 전압 센싱부(11) 및 온도 센싱부(12)로부터 주기적으로 각 셀(C1~ Cn)의 출력전압과 온도 데이터를 입력 받아 상기 메모리부(13)에 저장하고, 저장된 데이터를 기초로 셀 별로 개방전압과 충전상태를 추정하여 충전상태 또는 개방전압의 셀 간 편차를 제거하기 위해 셀 밸런싱을 수행한다.
본 발명에서, 배터리 셀(C1 ~ Cn)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 반복적인 충방전이 가능한 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
또한, 부하(15)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 비디오 카메라, 휴대용 전화기, 휴대용 PC, PMP, MP3 플레이어 등과 같은 휴대용 전자기기, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 모터, DC to DC 컨버터 등으로 구성할 수 있다.
도 2는 본 발명의바람직한 실시예에 따른 셀 밸런싱 프로그램에 해당하는 셀 밸런싱 모듈(20)의 기능적 블록을 보인 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 상기 셀 밸런싱 모듈(20)은, 데이터 저장부(21), 개방전압 변화량 추정부(22), 개방전압 추정부(23), SOC 추정부(24) 및 셀 밸런싱부(25)를 포함한다.
상기 데이터 저장부(21)는 도 1에 도시된 전압 센싱부(11) 및 온도 센싱부(12)로부터 주기적으로 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압 및 온도 데이터를 입력 받아 상기메모리부(13)에 저장한다. 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압 및 온도 데이터를 센싱하는 주기는 셀 밸런싱 주기에 대응하는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 데이터 저장부(21)가 n(n≥3, n은 정수)번째 측정 주기에서 메모리부(13)에 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압 및 온도 데이터를 저장하면, 개방전압 변화량 추정부(22)는 셀 별로 개방전압 변화량을 추정한다.
구체적으로, 상기 개방전압 변화량 추정부(22)는 셀 별로 개방전압을 추정하기 위해 각 셀(C1 ~ Cn)이 보인 셀 출력전압의 변화 패턴을 이용하여 셀의 이전 단계 개방전압을 기준으로 셀의 개방전압 변화량을 추정한다. 즉 상기 개방전압 변화량 추정부(242)는 셀의 이전 단계 개방전압을 기준으로 현재 단계의 개방전압이 어느 정도 변화되었을 것인지를 추정한다.
구체적으로, 상기 개방전압 변화량 추정부(22)는 n번째 측정 주기에서 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압과 온도 데이터가 메모리부(13)에 모두 저장되면, 셀 별로 메모리부(13)로부터 현재 단계의 셀 출력전압, 이전 단계의 셀 출력전압 그리고 현재 단계의 셀 온도를 리드한다. 그런 다음, 하기 수학식1에 의해 개방전압변화량 △OCVn(k) 을 추정한다.
[수학식1]
△OCVn(k) = = OCVn(k) - OCVn -1(k) = G(V)×F(T)
상기 수학식1에서, n은 개방전압 변화량 추정의 순서 인덱스이고, k는 셀의 순서 인덱스이다. 따라서 △OCVn(k)는 k번째 셀에 대하여 n번째로 추정된 개방전압 변화량을 나타낸다.
상기 수학식1에서, G(V)는 현재 단계와 이전 단계의 셀 출력전압 변화량 'Vn-Vn-1'을 개방전압 변화량 △OCVn(k)로 맵핑하는 개방전압 변화량 연산 함수이고, F(T)는 온도에 따른 개방전압 변동 효과를 반영하여 셀의 온도에 따라 개방전압 변화량 △OCVn(k)을 보정하는 개방전압 보정 함수이다. 여기서, 상기 Vn과 Vn-1은 개방전압 변화량의 추정 대상이 되는 배터리 셀(Ck)의 출력전압이다.
상기 G(V)는 셀 출력전압의 변화량을 개방전압 변화량으로 그대로 환산하지 않고 IR 드롭 현상에 의한 셀 출력전압의 오차(측정 전압과 실제 전압의 차이)를 보정하여 환산하는 함수이다. 즉 G(V)는 셀 출력전압 변화량이 이전 측정 단계를 기준으로 한 셀 출력전압 변화량보다 커지는 경향이 있으면 셀 출력전압의 변화량을 감쇄시켜 셀 개방전압 변화량으로 출력하고, 셀 출력전압 변화량이 이전과 동일하게 유지되는 경향이 있으면 셀 출력전압의 변화량을 그대로 셀 개방전압 변화량으로 출력하고, 셀 출력전압의 변화량이 이전보다 감소하는 경향이 있으면 셀 출력전압 변화량을 조금 증폭시켜 셀 개방전압 변화량으로 출력한다.
G(V)는 특정한 온도 조건에서 셀 출력전압의 변화 패턴과 이에 대응되는 개방전압 변화량 사이의 상관관계를 수치분석을 통한 수학적 모델링을 통해 얻을 수 있다.
예를 들어, 상기 G(V)는 셀 출력전압과 셀 개방전압이 측정 가능한 실험실 조건에서 배터리에 포함된 셀과 동일한 조건을 갖는 표준 셀을 만충시킨 후 방전전류를 불규칙하게 변화시키면서 셀 방전을 하는 동안 일정한 주기로 셀의 출력전압과 무부하 상태의 개방전압을 측정하여 셀 출력전압 Vn, Vn-1 및 Vn-2의 변화 패턴과 이에 대응하는 개방전압 변화량 사이에 존재하는 함수적 상관 관계를 수학적으로 분석하여 산출할 수 있다. 여기서, 셀 출력전압의 변화패턴을 구성하는 셀 출력전압의 수는 4개 이상으로 확장 가능하다.
상기 G(V)는 다음 수학식 2와 같이 일반화하여 정의할 수 있다.
[수학식 2]
G(V) = [Vn -Vn -1] × g(Vn, Vn -1, Vn -2, …)
여기서, g(Vn, Vn-1, Vn-2, …)는 표준 셀 출력전압의 변화 패턴을 정의하는 패턴 함수이다. 상기 '…' 기호는 현재 시점에서 측정된 셀 출력전압을 포함하여 3개 이상의 셀 출력전압에 의해 패턴 함수가 정의될 수 있다는 것을 의미한다. 상기 패턴 함수 g는 실험적으로 얻은 다수의 셀 출력전압 변화량과 셀 개방전압 변화량 사이의 상관 관계를 분석하여 정의한다. 일 예로, 함수 g는 현재 단계의 출력전압 변화량을 기준으로 전 단계의 출력전압 변화량의 상대적 비율로 정의할 수 있다. 물론, 본 발명은 패턴 함수의 구체적인 수식에 의해 한정되지 않음은 물론이다.
한편 셀의 내부저항은 온도에 따라 변화한다. 셀의 내부저항이 변하면 충전 또는 방전조건이 동일하여도 셀 출력전압 패턴과 셀 개방전압 변화량이 달라진다. 이러한 점을 감안하여, 상기 F(T)는 G(V)에 의해 계산된 개방전압 변화량을 셀의 온도 조건에 따라 보정한다. 다시 말해, F(T)는 셀의 온도가 G(V)의 산출 조건으로 설정한 온도와 차이가 있는 경우 G(V)에 의해 추정된 개방전압 변화량을 보정하는 함수이다. 상기 F(T)는 온도를 일정한 간격으로 변화시키면서 셀 출력전압의 변화 패턴과 셀 개방전압 변화량의 상관 관계를 분석하여 산출할 수 있다. 즉 F(T)는 일정한 간격, 예컨대 1℃ 간격으로 설정한 각각의 측정 온도에서 셀 출력전압 패턴이 동일하게 되도록 실험 조건을 설정한 상태에서 셀의 개방전압 변화량의 변화폭을 정량적으로 측정하고 온도 T와 셀의 개방전압 변화량을 각각 입력 변수와 출력 변수로 하는 수학적 모델링을 통해 구할 수 있다. 이렇게 얻어진 F(T)는 셀의 온도 T를 입력 변수로 하여 셀 개방전압 변화량의 보정 팩터를 출력하는 함수가 된다. 계산의 단순화를 위해 각 T 값에 따른 보정 팩터는 룩업 테이블로 구성하여 메모리부(13)에 수록하고 셀 개방전압 변화량을 계산할 때 상기 룩업 테이블에 수록된 온도 별 보정 팩터를 참조할 수 있다.
상기 개방전압 추정부(23)는 n번째 측정 주기에서 각 셀(C1 ~ Cn)에 대한 개방전압 변화량의 계산이 완료되면, 셀 별로 상기 메모리부(13)로부터과거에 추정된 개방전압인 n-1차 개방전압을 리드한 후, n-1차 개방전압에 상기 개방전압 변화량 추정부(22)에서 추정된 개방전압 변화량을 가산하여 n차 개방전압을 추정한다.
바람직하게, 상기 개방전압 추정부(23)는 셀 별로 개방전압을 추정함에 있어서 현 단계의 셀 출력전압 Vn과 이전 단계에서 측정된 셀 출력전압 사이의 가중평균 Vn(meanvalue)을 하기 수학식 3을 통해서 산출한다.
[수학식 3]
Vn(meanvalue) = (A1*V1+A2*V2+…+An-1*Vn-1+ An*Vn)/Atotal
Atotal = A1 + A2 + A3+ … + An
하기 수학식 3에서, Ap(1≤p≤n)는 p 값이 증가할수록 감소한다. 예를 들어 n=10인 경우, Ap 값은 10으로부터 시작하여 1씩 감소하는 값을 가질 수 있다. 대안적인 예에서, 상기 수학식 3에서 A1*V1+A2*V2+…+An-2*Vn-2는 생략하여도 무방하다. 이런 경우도 Ap 값의 경향성은 상기한 바와 동일하게 유지된다. A1*V1+A2*V2+…+An-2*Vn-2은 0으로 간주하고 An보다 An-1에 상대적으로 큰 값을 부여할 수 있다. 예를 들어 An-1과 An에 각각 90 및 10의 값을 부여할 수 있다.
상기 개방전압 추정부(23)는 셀 별로 산출된 가중평균 Vn(meanvalue)과 각 셀의 개방전압 OCVn-1의 차분을 상기 추정된 n차 개방전압에 가산하여 추가적인 보정을 수행함으로써 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압의 추정 값을 다시 한번 보정할 수 있다. 가중평균을 산출하여 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압에 추가적인 보정을 행하면, 배터리 셀로부터 출력되는 출력전압이 급격하게 변화되더라도 추정된 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압에 대한 오차를 줄일 수 있다.
상기 개방전압 추정부(23)는 각 셀(C1 ~ Cn)에 대한 n차 개방전압의 추정이 완료되면, 각 개방전압 값을 메모리부(13)에 저장한다.
상기 SOC 추정부(24)는 개방전압 추정부(23)가 추정한 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압과, n차 개방전압 추정 시 측정한 각 셀(C1 ~ Cn)의 온도에 해당하는 배터리의 충전상태를 상기 메모리부(13)에 저장된 온도별 및 개방전압별 배터리 충전상태 정보로부터 맵핑하여 출력한다.
상기 온도별 및 개방전압별 충전상태 정보는 하기 표 1과 같은 룩업테이블 형태로 구축될 수 있다.
[규칙 제26조에 의한 보정 24.07.2009]　
　
Figure WO-DOC-TABLE-1
상기 SOC 추정부(24)는 표 1과 같은 온도별 및 개방전압별 충전상태 정보를 수록한 룩업 테이블에서 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압 및 온도를 맵핑하여 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 충전상태를 추정한다. 예컨대, 특정 셀의 n차 개방전압이 2.97V이고, n차 개방전압의 추정시 측정한 셀의 온도가 -30도라면 해당 셀의 n차 충전상태는 2%가 된다.
상기 SOC 추정부(24)는 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 충전상태에 대한 추정이 완료되면, 각 충전상태 값을 메모리부(13)에 저장한다.
상기 셀 밸런싱부(25)는 n차 측정주기에서 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압 또는 n차 충전상태가 메모리부(13)에 저장되고 나면, 각 셀간의 충전상태 편차를 계산한다. 충전상태 편차는 전체 셀(C1 ~ Cn)의 충전상태에 대한 평균을 구한 후 각 셀(C1 ~ Cn)의 충전상태와 충전상태 평균과의 차이 값을 셀의 충전상태 편차로 정의할 수 있다. 하지만 본 발명은 셀의 충전상태 편차를 정의하는 구체적인 방법에 의해 한정되지 않는다.
상기 셀 밸런싱부(25)는 각 셀(C1 ~ Cn)의 충전상태 편차에 대한 계산이 완료되면, 셀 밸런싱이 필요한 셀을 지정한다. 셀 밸런싱이 필요한 셀은 다음과 같은 여러 가지 방식으로 지정할 수 있다.
제1방식: 충전상태 편차가 일정한 레벨(예컨대, 10%)보다 큰 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정한다.
제2방식: 충전상태 편차가 일정한 레벨(예컨대, -10%)보다 작은 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정한다.
제3방식: 충전상태 편차가 일정 범위를(예컨대, -10% ~ 10%) 벗어나는 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정한다.
상기 셀 밸런싱부(25)는 셀 밸런싱이 필요한 셀의 지정이 완료되면, 지정된 셀과 연결된 밸런싱 회로(Bk)에 밸런싱 제어 신호를 인가하여 일정한 시간 동안 밸런싱 회로(Bk)를 동작시킴으로써 셀의 충전상태 편차를 제거한다.
상기 제1방식에 따르면, 상기 밸런싱 회로(Bk)는 방전회로인 것이 바람직하다. 이런 경우, 상기 셀 밸런싱부(25)는 셀 밸런싱이 필요한 각 셀에 대한 방전시간을 미리 계산하고, 각 밸런싱 회로를 계산된 시간 동안 동작시켜 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 각 셀의 방전시간은 셀의 충전상태 편차를 제거하기 위한 셀의 방전용량을 계산한 후 계산된 셀의 방전용량과 밸런싱 회로(Bk)의 방전효율을 고려하여 계산한다.
상기 제2방식에 따르면, 상기 밸런싱 회로(Bk)는 충전회로인 것이 바람직하다. 이런 경우, 상기 셀 밸런싱부(25)는 셀 밸런싱이 필요한 각 셀에 대한 충전시간을 미리 계산하고, 각 밸런싱 회로를 계산된 시간 동안 동작시켜 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 각 셀의 충전시간은 셀의 충전상태 편차를 제거하기 위한 셀의 충전용량을 계산한 후 계산된 셀의 충전용량과 밸런싱 회로(Bk)의 충전효율을 고려하여 계산한다. 상기 밸런싱 회로(Bk)가 충전회로로 구성되는 경우, 밸런싱 회로(Bk)는 외부 전원(미도시)으로부터 충전전류를 입력 받거나 충전상태가 높은 다른 배터리 셀로부터 충전전류를 입력 받는다. 상기 외부 전원은 DC to DC 컨버터일 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상기 제3방식에 따르면, 상기 밸런싱 회로(Bk)는 충전회로 및 방전회로를 포함한다. 이런 경우, 상기 셀 밸런싱부(25)는 셀 밸런싱이 필요한 각 셀에 대한 충전시간 또는 방전시간을 미리 계산하고, 각 밸런싱 회로(Bk)를 계산된 시간 동안 충전모드 또는 방전모드로 동작시켜 셀 밸런싱을 수행한다. 상기 셀 밸런싱부(25)는 충전상태가 일정 값을 넘어서는 셀에 대해서는 해당 셀과 연결된 밸런싱 회로(Bk)를 방전회로로 스위칭하여 동작시킨다. 반대로, 상기 셀 밸런싱부(25)는 충전상태가 일정 값보다 작은 셀에 대해서는 해당 셀과 연결된 밸런싱 회로(Bk)를 충전회로로 스위칭하여 동작시킨다. 특정 셀이 충전될 때 셀충전시간은 셀의 충전상태 편차를 제거하기 위한 셀의 충전용량과 밸런싱 회로에 포함된 충전회로의 충전효율을 고려하여 계산한다. 또한, 특정 셀이 방전될 때 셀 방전시간은 셀의 충전상태 편차를 제거하기 위한 셀의 방전용량과 밸런싱 회로에 포함된 방전회로의 방전효율을 고려하여 계산한다. 상기 밸런싱 회로(Bk)가 충전회로로 동작하는 경우, 밸런싱 회로(Bk)는 상기 제2방식과 마찬가지로 외부 전원 또는 충전상태가 높은 비 밸런싱 셀로부터 충전전류를 입력 받을 수 있다.
한편, 상기 셀 밸런싱부(25)는 각 셀의 충전상태 편차에 기초하여 셀 밸런싱 동작을 수행할 수도 있지만, 대안적으로는 각 셀의 개방전압에 기초하여 셀 밸런싱 동작을 수행할 수도 있다. 이런 경우, 상기 셀 밸런싱부(25)는 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압을 메모리부(13)로부터 리드한 후 각 셀(C1 ~ Cn)의 개방전압 편차를 계산하고, 개방전압 편차가 밸런싱 기준에 부합되는 셀을 밸런싱 대상 셀로 선정하고, 선정된 셀의 밸런싱을 위해 필요한 충전시간 또는 방전시간을 계산하고, 계산된 시간 동안 선정된 셀에 연결된 밸런싱 회로(Bk)를 동작시켜 각 셀의 개방전압 편차를 제거한다.
여기에서, 밸런싱 대상 셀의 선정은 상술한 제1 ~ 3방식과 유사한 방식으로 한다. 즉, 개방전압 편차가 일정한 레벨(예컨대, 0.5V)보다 큰 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정하거나, 개방전압 편차가 일정한 레벨(예컨대, -0.5V)보다 작은 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정하거나, 개방전압 편차가 일정 범위(예컨대, -0.5V ~ 0.5V)를벗어나는 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정한다.
밸런싱이 필요한 셀의 충전시간은 개방전압 편차를 제거하기 위해 필요한 셀의 충전용량과 밸런싱 회로(Bk)의 충전효율을 감안하여 계산하고, 밸런싱이 필요한 셀의 방전시간은 개방전압 편차를 제거하기 위해 필요한 셀의 방전용량과 밸런싱 회로(Bk)의 방전효율을 감안하여 계산한다.
상기 셀 밸런싱부(25)가 각 셀(C1 ~ Cn)의 개방전압 편차에 의해 셀 밸런싱을 수행할 경우 밸런싱 회로(Bk)의 동작 형태는 상술한 바와 실질적으로 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.
본 발명에서, 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압과 온도 데이터에 기초한 개방전압과 충전상태 추정, 그리고 충전상태 또는 개방전압 편차에 기초한 셀 밸런싱은 일정한 주기를 가지고 반복될 수 있을 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
상술한 실시예에서, 셀 밸런싱 모듈(20)은 프로그램으로 구현되는 것으로 설명되었다. 하지만 셀 밸런싱 모듈(20)은 ASIC과 같은 주문형 반도체 기술을 이용하여 논리 회로 모듈로 구현하는 것도 가능하다. 이런 경우 상기 제어부(14)는 상기 셀 밸런싱 모듈(20)의 기능을 구현하는 논리 회로 모듈을 포함할 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법의 순서를 도시한 절차 흐름도이다. 이하의 설명에서, 각 단계의 수행 주체는 도 1에 도시된 셀 밸런싱 장치의 제어부(14)임을 미리 밝혀둔다.
먼저, 단계(S10)에서, 배터리에 부하가 연결되기 직전에 셀 별로 1차 출력전압과 온도를 측정한다. 여기서, 상기 1차 출력전압은 무부하 상태의 출력전압이므로 1차 개방전압에 해당한다.
단계(S20)에서는, 셀 별로 S10 단계에서 측정된 1차 출력전압을 각 셀의 1차 개방전압(OCV1) 및 2차 개방전압(OCV2) 값으로 할당하여 각 셀의 1차 개방전압(OCV1) 및 2차 개방전압(OCV2)을 초기화 시킨다.
마찬가지로, 단계(S30)에서는, 셀 별로 1차 출력전압을 1차 출력전압(V1) 및 2차 출력전압(V2) 값으로 할당하여 각 셀의 1차 출력전압(V1) 및 2차 출력전압(V2)도 초기화 시킨다.
단계(S40)에서는, 배터리의 셀 밸런싱 주기가 도래되었는지 판단한다. 여기서셀 밸런싱 주기는 임의로 설정이 가능하다.
단계(S50)은 셀 밸런싱 주기가 도래되었을 때 진행되는 단계로서, 전압 센싱부(11)와 온도 센싱부(12)를 통해 각 셀의 n차 출력전압과 온도를 센싱하여 메모리부(13)에 저장한다. 참고로, 단계(S50)에서 n에는 3이 할당되어 있다.
단계(S60)에서는, 각 셀의 출력전압 변화패턴과 온도에 의해 각 셀의 n차 개방전압 변화량을 추정한다. n차 개방전압 변화량 추정 시 사용하는 수학식은 이미 설명하였다. n 값은 현재 3이므로 각 셀의 출력전압 변화패턴은 3차, 2차 및 1차 출력전압의 변화패턴이다. 하지만 n이 4이상이 되면 각 셀의 출력전압 변화패턴은 4개 이상의 출력전압에 대한 변화패턴일 수도 있다.
단계(S70)에서는, 셀 별로 n-1차 개방전압에 n차 개방전압 변화량을 가산하여 n차 개방전압을 추정한다. 현재 n은 3이므로, 단계 S70은 셀 별로 2차 개방전압에 3차 개방전압 변화량을 가산하여 3차 개방전압을 추정하는 단계이다.
단계(S80)은 선택적으로 진행할 수 있는 단계로서, 셀 별로 n차 출력전압과 n차 이전 출력전압 사이의 가중평균을 산출하고, 산출된 가중평균과 n-1차 개방전압의 차분을 n차 개방전압에 가산하여 n차 개방전압을 추가적으로 보정한다. 가중평균의 계산에 사용하는 수학식은 이미 설명하였다.
단계(S90)에서는, 셀 별로 추정된 n차 개방전압과 측정된 온도에 해당하는 셀의 충전상태를 온도별 및 개방전압별 충전상태 정보를 수록한 룩업 테이블로부터 맵핑하여 셀의 n차 충전상태 정보를 추정한다.
단계(S100)에서는, 각 셀의 n차 충전상태 또는 n차 개방전압의 셀 간 편차를 산출하여 밸런싱 대상 셀을 지정한다. 이 때, 밸런싱 대상 셀이 존재하지 않으면 나머지 프로세스는 종료된다. 각 셀의 충전상태 또는 개방전압 편차의 계산 방법은 이미 설명하였다.
단계(S110)에서는, 밸런싱 대상 셀로 지정된 셀과 연결된 밸런싱 회로를 제어하여 해당 셀을 충전 또는 방전시킴으로써 충전상태 편차 또는 개방전압 편차를 제거한다. 지정된 셀의 밸런싱 방식과 각 방식에 따른 밸런싱 회로의 구체적인 제어 방법은 이미 설명하였다.
단계(S120)에서는, 부하가 아직 연결되어 있는지 여부를 판단한다.
단계(S130)에서는, 배터리에 부하가 연결되어 있다고 판단된 경우 진행되는 단계로서, 배터리의 셀 밸런싱 주기가 도래되었는지 판단한다.
단계(S140)은 배터리의 셀 밸런싱 주기가 도래되었다고 판단된 경우 진행되는 단계로서, n의 값을 1 증가시킨 상태에서 프로세스를 단계(S50)으로 이행한다. 그러면, 각 셀에 대한 n+1차 개방전압 변화량 추정, n차 개방전압과 추정된 n+1차 개방전압 변화량의 합산에 의한 n+1차 개방전압 추정, 출력전압의 가중평균과 n차 개방전압의 차분에 의한 추정된 n+1차 개방전압의 보정, 룩업 테이블을 이용한 n+1차 충전상태의 추정, 추정된 n+1차 충전상태 또는 n+1차 개방전압의 셀 간 편차에 의한 셀 밸런싱 과정이 반복적으로 이루어진다.
<실험예>
이하에서는 실험예를 통해 본 발명에 의해 추정된 배터리 셀의 충전상태가 실제 배터리 셀의 충전상태에 근사적으로 수렴한다는 것을 구체적으로 설명한다. 그러나, 실험예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 충전상태와 개방전압을 추정하고 측정할 때 배터리 셀 전체의 충전상태와 개방전압을 추정하고 측정하였음을 미리 밝혀둔다.
실험예1
본 실험예1에서는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 업계에서 차량 테스트의 표준으로 제시되는 미국 환경 보호청(EPA; Environmental Protection Agency)에서 규정한UDDS(Urban Dynamometer Driving Cycle), HWFET(Highway Fuel Economy Driving Schedule), NYCC(New York City Cycle Driving Schedule) 및 US60(Aggressive Driving Cycle)에 따른 차량 운행 모델을 연속적으로 적용하여 자동차에 탑재된 배터리에 충방전을 실시하였다. 여기서, 상기 UDDS와 NYCC는 도심에서 차량을 운행하였을 때, HWFET는 고속도로에서 차량을 운행하였을 때, US60은 차량을 고속으로 운행하였을 때 차량이 받게 되는 차량의 상태변화를 가정한 표준화된 차량 운행 모델이다.
도 4는 실험예1에 따른 충방전 사이클이 적용되었을 때, 본 발명에 따라 추정된 배터리의 충전상태와 종래기술의 전류 적산방법에 의해 추정된 배터리의 충전상태 값을 서로 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 종래의 전류 적산 방법에 의해 배터리의 충전상태를 추정하면 전류의 측정 오차가 누적되어 충전상태의 프로파일이 미세하게 흔들리면서 진행되는데 반해, 본 발명에 따라 추정된 배터리의 충전상태는 전류 적산 방법을 적용했을 때에 비해 충전상태의 프로파일이 안정적인 것을 알 수 있다. 이로부터, 본 발명에 따라 배터리의 충전상태를 추정하면 종래기술의 전류 적산 방법에 비해 안정적으로 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 실험예1에서 제안된 조건의 충방전 사이클에서 본 발명에 따라 배터리의 개방전압과 실제 측정한 배터리의 출력전압을 비교한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실제 측정한 배터리의 출력전압은 IR 드롭 현상에 의해 급격한 전압 변화 패턴이 발생되었음에도 불구하고, 본 발명에 따라 추정된 배터리의 개방전압은 급격한 전압 변화 패턴이 발생되지 않음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, IR 드롭 효과가 배제된 안정화된 개방전압 프로파일을 얻을 수 있고, 그 결과 배터리의 충전상태 추정 시 오차를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
실험예2
본 실험예2에서는 상기 실시예1과 같은 조건에서 배터리의 충방전 주기를 각각 250초 및 50초 간격으로 설정하고 충방전 주기가 종료될 때마다 10분간의 휴지기를 두어 배터리의 출력전압을 안정 상태에 이르도록 대기하였다가 다시 충방전 주기를 실시하는 과정을 반복하였다.
도 6은 250초의 충방전 주기와 10분간의 휴지기를 설정한 경우, 도 7은 50초의 충방전 주기와 10분간의 휴지기를 설정한 경우, 본 발명에 따라 추정된 배터리 개방전압과 실제 측정한 배터리 출력전압을 비교한 그래프들이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 충방전 주기 사이에 휴지기를 두어 배터리의 전압상태를 안정화시킨 경우라 하더라도 본 발명에 따라 개방전압을 추정하면 IR 드롭 효과를 배제할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은종래보다 정확하게 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다는 것을 다시 한번 확인할 수 있다.
도 8은 실험예2의 조건에서 38번에 걸쳐 배터리의 온도, 측정된 개방전압, 추정된 개방전압, 측정된 개방전압과 추정된 개방전압의 차이값(에러값), 측정된 충전상태, 추정된 충전상태, 및 측정된 충전상태와 추정된 충전상태의 차이값(에러값)에 대한 수치를 비교 분석한 표이다.
도 8에서, Case1~25는 250초의 충방전 주기와 10분의 휴지기를 설정한 경우이고, Case26~38은 50초의 충방전 주기와 10분의 휴지기를 설정한 경우이다.
도 8에 나타난 개방전압의 오차와 충전상태의 오차를 분석하면, RMSE(Root Mean Square Error)가 1.4%, MAE(Mean Absolute Error)가 1.14%로서, 당업계에서 규정하고 있는 허용오차보다 크게 하회하는 값이 나타나는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, IR 드롭 현상과 온도 변화에 의해 발생되는 셀 출력전압의 오차를 보정하여 셀의개방전압을 추정함으로써 보다 정확한 배터리의 충전상태 추정이가능하다. 특히, 본 발명은 셀 전류를 이용하지 않고 셀의 충전상태를 추정하므로 기존의 전류 적산 방법에 비해 정확하게 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다. 이러한 셀 충전상태의 정확한 추정은 배터리 셀의 충전상태 편차를 실제적으로 해소하는데 기여한다. 또한 본 발명은 셀의 출력전압을 이용하여 셀의 충전상태를 추정하므로 배터리의 충/방전이 일어나고 있는 상황에서도 능동적인셀 밸런싱을 수행하여 셀 간 충전상태의 편차를 최소화할 수 있다.
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.

Claims (16)

  1. 배터리에 포함된 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 장치에 있어서,
    각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정 수단; 및
    상기 추정된 각 셀의 개방전압을 비교하여 밸런싱이 필요한 셀을 선택하고,선택된 셀에 대응되는 밸런싱 회로를 제어하여 셀의 충전상태를 밸런싱하는 셀 밸런싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
  2. 배터리 팩에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는장치에 있어서,
    각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정 수단;
    상기 개방전압으로부터 각 셀의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정 수단; 및
    상기 추정된 각 셀의 충전상태를 비교하여 밸런싱이 필요한 셀을 선택하고, 선택된 셀에 대응되는 밸런싱 회로를 제어하여 셀의 충전상태를 밸런싱하는 셀 밸런싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 개방전압 추정 수단은,
    각 셀 전압을 측정하는 전압 센싱부;
    각 셀의 온도를 측정하는 온도 센싱부;
    상기 전압 센싱부 및 온도 센싱부로부터 주기적으로 각 셀 전압과 온도 데이터를 입력 받아 메모리부에 저장하는 데이터 저장부;
    셀 전압에 대한 변화 거동과 개방전압 변화량 사이의 상관 관계를 정의한 수학적 모델을 적용하여 상기 메모리부에 저장된 현재 및 과거에 측정된 각 셀의 전압들의 변화 거동으로부터 각 셀의 개방전압 변화량을 계산하고, 각 셀의 온도에 대응하는 보정 팩터를 상기 계산된 각 셀의 개방전압 변화량에 반영하여 현재 단계의 각 셀에 대한 개방전압 변화량을 추정하는 개방전압 변화량 추정부; 및
    직전 단계에서 추정된 각 셀의 개방전압에 상기 추정된 각 셀의 개방전압 변화량을 반영하여 각 셀에 대한 현재 단계의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치..
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충전상태 추정부는 개방전압 및 온도별로 충전상태를 정의한 룩업 테이블을 참조하여 각 셀의 개방전압과 온도에 대응되는 충전상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 방전회로이고,
    상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압이 일정한 기준보다 높은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 방전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 충전회로이고,
    상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압이 일정한 기준보다 낮은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 충전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 충전회로와 방전회로를 포함하고,
    상기 셀 밸런싱 수단은,
    개방전압이 일정한 범위를 벗어나는 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀 중 개방전압이 상기 범위의 상한 보다 높은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 방전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 감소시키고, 선택된 셀 중 개방전압이 상기 범위의 하한 보다 낮은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 충전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 방전회로이고,
    상기 셀 밸런싱 수단은, 충전상태가 일정 기준보다 높은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 방전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 충전회로이고,
    상기 셀 밸런싱 수단은, 충전상태가 일정 기준보다 낮은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 충전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 충전회로와 방전회로를 포함하고,
    상기 셀 밸런싱 수단은,
    충전상태가 일정한 범위를 벗어나는 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀 중 충전상태가 상기 범위의 상한 보다 높은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 방전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 감소시키고, 선택된 셀 중 충전상태가 상기 범위의 하한 보다 낮은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 충전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
  11. 배터리에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 방법에있어서,
    각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 각 셀의 개방전압을 비교하여 각 셀의 충전상태를 밸런싱하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
  12. 배터리에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 방법에있어서,
    각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 단계;
    상기 개방전압으로부터 각 셀의 충전상태를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 각 셀의 충전상태를 비교하여 각 셀의 충전상태를 밸런싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 개방전압 추정 단계는,
    각 셀 전압과 온도를 측정하는단계;
    셀 전압에 대한 변화 거동과 개방전압 변화량 사이의 상관 관계를 정의한 수학적 모델을 적용하여 측정된 각 셀 전압의 변화 거동으로부터 각 셀의 개방전압 변화량을 계산하는 단계;
    각 셀의 온도에 대응하는 보정 팩터를 상기 계산된 각 셀의 개방전압 변화량에 반영하여 현재 단계의 각 셀에 대한 개방전압 변화량을 추정하는 단계; 및
    직전에 추정된 각 셀의 배터리 개방전압에 상기 추정된 각 셀의 개방전압 변화량을 반영하여 각 셀에 대한 현재 단계의 배터리 개방전압을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 충전상태 추정 단계는, 개방전압 및 온도 별로 충전상태를 정의한 룩업 테이블을 참조하여 각 셀의 개방전압과 온도에대응되는 충전상태를 추정하는단계인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 단계는, 개방전압이 일정 기준보다 높은 셀을 방전시키거나, 개방전압이 일정 기준보다 낮은 셀을 충전시키거나, 개방전압이 일정 범위를 벗어나는 셀 중 개방전압이 상기 범위의 상한보다 높은 셀은 방전시키고 개방전압이 상기 범위의 하한보다 낮은 셀은 충전시키는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 단계는, 충전상태가 일정 기준보다 높은 셀을 방전시키거나, 충전상태가 일정 기준보다 낮은 셀을 충전시키거나, 충전상태가 일정 범위를 벗어나는 셀 중 충전상태가 상기 범위의 상한보다 높은 셀은 방전시키고 충전상태가 상기 범위의 하한보다 낮은 셀은 충전시키는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
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