WO2018105881A1 - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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차선영
조원태
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery management apparatus and method, and more particularly, when the voltage of the battery enters the voltage drop period or the voltage increase period, the voltage of the battery to the upper limit voltage or over-discharge state corresponding to the overcharge state from the present time
  • Batteries can be repeatedly charged and discharged and used as power sources in a variety of applications.
  • lithium-ion batteries are used in devices that can be carried in human hands, such as mobile phones, laptop computers, digital cameras, video cameras, tablet computers, power tools, etc., as well as electric bicycles, electric motorcycles, and electric vehicles. It is used in various electric drive power devices such as automobiles, hybrid cars, electric boats, electric airplanes, and the like.
  • the battery is connected to the load device through a power conversion device such as an inverter.
  • load device is meant any device that uses the power stored in the above-mentioned battery.
  • the load device includes a control system.
  • the control system receives the output parameters for the battery from the battery management system (BMS) through communication.
  • BMS battery management system
  • the output parameter is an index indicating the discharge performance or the charging performance of the battery and is updated according to the state of charge and the temperature of the battery.
  • the output parameter may include information about the maximum current value that can flow through the battery when the battery is discharged or charged, or the calculated output value Power calculated therefrom.
  • the control system controls the charging and discharging of the battery within the range of the output parameters upon receiving the output parameters from the BMS system. That is, the control system controls the power conversion device to control the output of the battery below the permissible output value or to control the magnitude of the charge or discharge current below the maximum current value.
  • the voltage of the battery changes rapidly as it approaches the predetermined discharge lower limit voltage or charge upper limit voltage through experiments or the like.
  • the discharge lower limit voltage is for preventing overdischarge
  • the charge upper limit voltage is for preventing overcharge.
  • 1 is a graph showing a voltage change that occurs during discharge with a constant current of 360A when a state of charge of a lithium battery having a capacity of 360Ah is 20%.
  • the BMS needs to predict the remaining time from the present time until the battery actually reaches the discharge lower limit voltage or the charge upper limit voltage.
  • the BMS should be able to prevent the situation where the voltage of the battery is lower than the lower discharge limit voltage or higher than the upper charge limit voltage by appropriately attenuating the output parameter provided to the control system based on the predicted time. .
  • the present invention has been made under the background of the prior art as described above, and when the voltage of the battery reaches a predetermined voltage sudden change period, it predicts the remaining time that is the time it takes for the voltage of the battery to reach the discharge lower limit voltage or the charge upper limit voltage It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for maintaining or adjusting an output parameter of a battery according to an estimated remaining time.
  • the voltage measuring unit for measuring the voltage of the battery; A current measuring unit measuring current of the battery; And a controller configured to determine a state of charge based on at least one of a voltage and a current measured while the battery is discharged.
  • the control unit determines whether the voltage of the battery has reached a predetermined discharge threshold voltage, and when it is determined that the voltage of the battery has reached the discharge threshold voltage, the timing at which the voltage of the battery reaches the discharge threshold voltage is reached. Record and determine a discharge profile based on the state of charge, wherein the data defining the discharge profile is recorded through a preliminary experiment using a constant current of a predetermined level, the maximum value of a predetermined resistance change rate for the discharge profile.
  • the controller may estimate the remaining time using Equation 1 below.
  • I 0 is the current of the battery measured at the time of arrival
  • V min is the discharge lower limit voltage
  • V threshold is the discharge threshold voltage
  • (dR / dt) max is the maximum of the resistance change rate Value
  • t r is the remaining time.
  • the controller calculates an average value of an absolute value of the current of the battery measured more than a predetermined number of times during a predetermined time in the past based on the arrival time point, and based on the average value and the constant current, remaining time correction weights. To determine, using the following equation 2, to predict the remaining time,
  • Equation 2 I 0 is the current of the battery measured at the time of arrival, V min is the discharge lower limit voltage, V threshold is the discharge threshold voltage, (dR / dt) max is the maximum of the resistance change rate Value, K is the weight and t r is the remaining time.
  • the control unit when the average value is greater than or equal to the first reference value greater than the first reference value, assigns a value smaller than 1 and greater than 0 to the weight, and when the average value is less than or equal to the second reference value than the constant current value If the average value is less than the sum of the first reference value and the constant current and greater than the value obtained by subtracting the second reference value from the constant current, 1 may be assigned to the weight.
  • a temperature measuring unit measuring the temperature of the battery may further include.
  • the controller may determine the state of charge based on the measured temperature while the battery is discharged.
  • the controller may determine whether the estimated remaining time is greater than or equal to the output holding time, and when determining that the predicted remaining time is less than the output holding time, the controller may determine the attenuation target current value in the attenuation mode.
  • the output holding time may be requested from a load device communicatively connected to the battery management device.
  • the control unit may determine the attenuation target current value using Equation 3 below.
  • I 0 is the current of the battery measured at the time of arrival
  • V min is the discharge lower limit voltage
  • V threshold is the discharge threshold voltage
  • R 0 is a predetermined internal resistance of the battery
  • t m is the output holding time
  • (dR / dt) max is the maximum value of the resistance change rate
  • I derate is the attenuation target current value.
  • the controller may periodically update the remaining time from the time of arrival until the voltage of the battery is higher than the discharge threshold voltage.
  • the controller stops the prediction of the remaining time and stores the most recently estimated remaining time. Can be stored in
  • Battery management method the step of measuring the voltage and current of the battery; Determining a state of charge based on at least one of a voltage and a current measured while the battery is discharged; Determining whether the voltage of the battery has reached a predetermined discharge threshold voltage; When it is determined that the voltage of the battery reaches the discharge threshold voltage, the time point at which the voltage of the battery reaches the discharge threshold voltage is recorded, and a discharge profile is determined based on the state of charge, wherein the discharge profile is determined.
  • Defining data is recorded through a preliminary experiment using a predetermined level of constant current; Determining a maximum value of a predetermined resistance change rate for the discharge profile; Based on the discharge threshold voltage, a predetermined discharge lower limit voltage lower than the discharge threshold voltage, the current of the battery measured at the present time after the arrival time and the maximum value of the resistance change rate, the voltage of the battery is from the present time. Estimating the remaining time until the discharge lower limit voltage is reached; And outputting a message for notifying the estimated remaining time.
  • the output parameters of the battery can be maintained or adjusted according to the estimated remaining time.
  • FIG. 1 is a discharge profile showing a voltage change reforming when discharge is performed at a constant current of 360A when a state of charge of a lithium battery having a capacity of 36Ah is 20%.
  • FIG. 2 is a block diagram of an output parameter adjustment system of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a graph showing the results of measuring discharge profiles for six lithium batteries having the same capacity of 36 Ah and charge states of 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, and 50%.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a time difference between two points where each discharge profile illustrated in FIG. 3 meets horizontal dotted lines A and B.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a time difference between two points where each discharge profile illustrated in FIG. 3 meets horizontal dotted lines A and B.
  • FIG. 5 is a view for explaining a parameter of the equation used when determining the attenuation target current value in an embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are flowcharts sequentially illustrating a flow of a method for adjusting an output parameter of a battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph comparing voltage change reforming with and without output attenuation according to an embodiment of the present invention when a lithium battery having a capacity of 36 Ah and a state of charge of 20% at 360 A is discharged.
  • the battery refers to a lithium battery.
  • the lithium battery is a generic term for a battery in which lithium ions act as operating ions during charging and discharging to induce an electrochemical reaction in the positive electrode and the negative electrode.
  • the present invention can be applied to other batteries other than lithium batteries. Therefore, even if the operating ions are not lithium ions, any battery to which the technical idea of the present invention can be applied should be construed as being included in the scope of the present invention regardless of its type.
  • a battery is not limited by the number of elements which comprise it.
  • a battery may include an assembly of anodes / membranes / cathodes and a unit cell containing an electrolyte, an assembly in which unit cells are connected in series and / or in parallel, a module in which multiple assemblies are connected in series and / or in parallel, a plurality of It is to be understood that the modules also include packs connected in series and / or in parallel, battery systems in which multiple packs are connected in series and / or in parallel.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an apparatus 100 in accordance with one embodiment of the present invention.
  • the apparatus 100 includes a voltage measuring unit 110, a current measuring unit 120, and a controller 140, and optionally includes a temperature measuring unit 130. It may further include.
  • the device 100 may attenuate the output parameter of the battery B after a point in time at which the voltage of the battery B being discharged equals a predetermined discharge threshold voltage.
  • the battery B is electrically connected to the load device 200 through the high potential terminal PACK + and the low potential terminal PACK ⁇ .
  • the load device 200 refers to a device that operates with power output from the battery B. FIG.
  • the load device 200 includes a control system 210, a power converter 220, and a load 230.
  • the load device 200 may optionally further include a charger 240.
  • the charger 240 may provide a charging current capable of charging the battery B to the battery B through the power converter 220.
  • the charger 240 may generate a charging current by itself, or may generate a charging current by receiving power from a commercial power source.
  • the load 230 may be a motor included in an electric vehicle or a hybrid vehicle, and the power converter 220 may be an inverter capable of bidirectional power conversion.
  • the control system 210 is a computing system that controls the overall operation of the load device 200.
  • the control system 210 controls the discharge of the battery B by using an output parameter of the battery B provided by the controller 140. That is, the control system 210 controls the discharge of the battery B by controlling the power converter 220 under a discharge condition corresponding to the output parameter.
  • the power converter 220 transfers the discharge output of the battery B to the load 230 side. At this time, the power conversion unit 220 may adjust the degree of power conversion so that the battery (B) can be discharged within the range of the output parameter under the control of the control system 210.
  • the power converter 220 may transfer the charging output supplied from the charger 240 to the battery B side. At this time, the power conversion unit 220 may adjust the power conversion degree so that the battery (B) can be charged within the range of the output parameter under the control of the control system 210.
  • the device 100 according to the present invention may further include a memory unit 150.
  • the memory unit 150 is not particularly limited as long as it is a storage medium capable of recording and erasing information.
  • the memory unit 150 may be a RAM, a ROM, a register, a hard disk, an optical recording medium, or a magnetic recording medium.
  • the memory unit 150 may also be electrically connected to the controller 140 via, for example, a data bus so as to be accessible by the controller 140.
  • the memory unit 150 also stores and / or updates and / or erases and / or transmits a program including various control logics performed by the controller 140 and / or data generated when the control logic is executed.
  • the memory unit 150 may be logically divided into two or more and is not limited to being included in the controller 140.
  • the voltage measuring unit 110 is electrically coupled with the control unit 140 to transmit and receive electrical signals.
  • the voltage measuring unit 110 measures the voltage applied between the positive electrode and the negative electrode of the battery B at a time interval under the control of the controller 140, and outputs a signal indicating the magnitude of the measured voltage to the controller 140. do.
  • the controller 140 determines the voltage of the battery B from the signal output from the voltage measuring unit 110, and stores the determined value of the voltage in the memory unit 150.
  • the voltage measuring unit 110 may be configured as a voltage measuring circuit generally used in the art.
  • the current measuring unit 120 is electrically coupled with the control unit 140 to transmit and receive electrical signals.
  • the current measuring unit 120 repeatedly measures the magnitude of the current flowing through the battery B at a time interval under the control of the controller 140 and outputs a signal indicating the magnitude of the measured current to the controller 140.
  • the controller 140 determines the magnitude of the current from the signal output from the current measuring unit 120 and stores the determined current value in the memory unit 150.
  • the current measuring unit 120 may be configured of a hall sensor or a sense resistor generally used in the art.
  • the temperature measuring unit 130 is electrically coupled with the control unit 140 to transmit and receive an electrical signal.
  • the temperature measuring unit 130 repeatedly measures the temperature of the battery B at time intervals, and outputs a signal indicating the magnitude of the measured temperature to the controller 140.
  • the controller 140 determines the temperature of the battery B from the signal output from the temperature measuring unit 130 and stores the determined temperature value in the memory unit 150.
  • the temperature measuring unit 130 may be formed of a thermocouple commonly used in the art.
  • the apparatus 100 may further include a communication interface 160.
  • the communication interface 160 is a component necessary for the controller 140 to communicate with the control system 210 included in the load device 200.
  • Any communication interface 160 may be used as long as it is a known communication interface that supports two different systems to communicate with each other.
  • the communication interface may support wired or wireless communication.
  • the communication interface may support CAN communication or daisy chain communication.
  • the controller 140 may include at least one of the voltage of the battery B measured by the voltage measuring unit 110 and the current of the battery B measured by the current measuring unit 120 and the temperature measuring unit 130.
  • the state of charge of the battery B may be determined by selectively utilizing the measured temperature of the battery B.
  • the state of charge of the battery B may be determined by integrating a current value periodically measured through the current measuring unit 120. This method is known under the name of ampere counting method, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the charging state of the battery B may be determined based on a voltage value periodically measured by the voltage measuring unit 110, and may be determined by referring to an OCV-SOC table previously stored in a memory.
  • the state of charge may be determined using an adaptive algorithm such as an extended Kalman filter based on circuit modeling of the battery B. Estimation of state of charge using an extended Kalman filter is described, for example, by Gregory L. Plett in his article “Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Parts 1, 2 and 3” ( Journal of Power Source 134, 2004, 252-261, which may be incorporated as part of this specification.
  • the state of charge can be determined by other known methods that can estimate the state of charge by selectively utilizing the voltage, temperature and current of the battery B, in addition to the above-described amp counting method or the extended Kalman filter.
  • the controller 140 monitors the voltage level of the battery B measured by the voltage measuring unit 110 while the battery B is discharged.
  • the controller 140 determines an output parameter of the battery differently according to the voltage level of the battery B.
  • the controller 140 may determine the output parameter in the normal mode when the voltage of the battery B being discharged belongs to the voltage flat period.
  • the output parameter may be determined in the attenuation mode.
  • the voltage flat period and the voltage drop period may be divided based on a predetermined discharge threshold voltage.
  • the voltage flat period and the voltage surge period may be divided based on a predetermined charging threshold voltage to be higher than the discharge threshold voltage.
  • the voltage drop period corresponds to a voltage range below the discharge threshold voltage
  • the voltage increase period corresponds to a voltage range above the charge threshold voltage
  • the voltage flat period is larger than the discharge threshold voltage but smaller than the charge threshold voltage.
  • the levels of each of the discharge threshold voltage and the charge threshold voltage may be predetermined values in consideration of two time factors.
  • One time factor is the delay time until the output parameter is transferred from the controller 140 to the control system 210 and actually reflected in the control of the battery B.
  • Another time factor is the output holding time at which the output of the battery B in accordance with the output parameter should be kept at least.
  • the delay time varies depending on the operating speeds of the control unit 140 and the control system 210 and the communication speeds between them.
  • the delay factor may be a time value within a few seconds, for example two seconds.
  • the output holding time which is requested from the load device 200 or the load 230 included therein, which is communicatively connected to the device 100, may vary according to the output characteristics required for the operation of the load 230.
  • This output hold time may be a time value within a few seconds longer than the delay time, for example 6 seconds.
  • the method of determining the discharge threshold voltage in consideration of the delay time and the output holding time will be described later with reference to FIG. 3, and the charge threshold voltage may be similarly determined.
  • a plurality of discharge profiles may be obtained by performing a constant current discharge test at room temperature (25 degrees) for each state of charge of the battery B.
  • 3 is a graph showing the results of measuring discharge profiles for six lithium batteries having the same capacity of 36 Ah and charge states of 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, and 50%. From left to right, the state of charge of the battery B, which measured the discharge profile, is larger.
  • the magnitude of the discharge current applied in each constant current discharge test is the maximum discharge current value corresponding to the state of charge and temperature of the battery B.
  • the maximum discharge current value corresponding to a specific state of charge and temperature is a discharge which causes the voltage of the battery B to reach the discharge lower limit voltage V min when the battery B is pulsed by the HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) method.
  • HPPC Hybrid Pulse Power Characterization
  • the maximum discharge current value determined by the HPPC method is larger than the discharge upper limit current value set for the safety of the battery B, the maximum discharge current value may be replaced by the discharge upper limit current value.
  • the discharge upper limit current value was set to 360A.
  • the maximum discharge current value applied when obtaining each discharge profile is shown on the right side of the graph. That is, the maximum discharge current values corresponding to 20%, 30%, 40%, and 50% of the charged states are the same as 360A. This is because the maximum discharge current value was replaced with the discharge upper limit current value because the maximum discharge current value determined by the HPPC method exceeded 360A set as the discharge upper limit current value. Instead, when the state of the battery B is 10% and 15%, since the maximum discharge current value determined by the HPPC method is smaller than 360A, the upper discharge upper limit current value, the maximum discharge current value determined by the HPPC method is applied as it is.
  • the horizontal line A represents the level of the discharge threshold voltage V threshold predetermined in consideration of the delay time and the output holding time
  • the horizontal line B represents the level of the discharge lower limit voltage V min .
  • the level of the discharge threshold voltage V threshold may be set such that the time difference between two points where each discharge profile meets the horizontal lines A and B is greater than the delay time and less than the output holding time.
  • V threshold the level of the discharge threshold voltage
  • FIG. 4 shows the time difference between two points where each discharge profile shown in FIG. 3 meets horizontal lines A and B (see mark ⁇ ).
  • the time time was 2 seconds
  • the output holding time was set to 6 seconds
  • the level of the discharge threshold voltage was set to 2.87V.
  • the level of the discharge threshold voltage V threshold indicated by the horizontal line A in FIG. 3 satisfies the above-mentioned condition well. Therefore, when the output parameter of the battery B reaches 2.87 V and the output parameter is determined in the attenuation mode and the determined output parameter is provided to the control system 210 of the load device 200, the output of the battery B is It can be held for at least six seconds. In addition, even if a delay time of 2 seconds occurs until the output parameter is reflected in the load device 200, it is possible to prevent the voltage of the battery B from suddenly decreasing to the discharge lower limit voltage V min .
  • the discharge profiles shown in Figure 3 are obtained at room temperature conditions. However, it is preferable to further obtain the discharge profiles for each temperature condition belonging to the operating temperature range of the battery B, and to determine the level of the discharge threshold voltage so as to satisfy the above-described conditions for all the plurality of discharge profiles obtained for each temperature. It will be apparent to those skilled in the art.
  • data defining each discharge profile derived through a preliminary experiment can be recorded in a memory. That is, the data defining each discharge profile may be derived through a preliminary experiment using a constant current of a predetermined level and then recorded in a memory.
  • the level of the discharge threshold voltage (V threshold ) is preferably set such that the time difference between two points where each discharge profile measured for each state of charge and temperature meets the horizontal lines A and B is larger than the delay time and smaller than the output holding time.
  • the controller 140 determines the output parameter in the normal mode when the current voltage of the battery B measured by the voltage measurer 110 is greater than the preset discharge threshold voltage V threshold .
  • the output parameter determined during the discharging process includes at least one of the maximum discharge current value and the allowable output value of the battery B.
  • the controller 140 may determine the maximum discharge current value using the power map stored in the memory unit 150.
  • the power map has a data structure that can refer to the maximum discharge current value according to the state of charge and temperature of the battery B.
  • the allowable output value can be determined by Equation 1 below.
  • the maximum discharge current value is I max , which is a current factor.
  • V min is a voltage factor that is set in advance as the discharge lower limit voltage of the battery B.
  • I max is a current factor that depends on the state of charge and temperature of the battery B and corresponds to the maximum discharge current value that the battery B can produce under a specific state of charge and temperature.
  • I max is a value that can be mapped from the power map stored in the memory unit 150 using the state of charge and the temperature of the battery B.
  • the controller 140 moves from the normal mode to the attenuation mode. Switch to determine the output parameters in attenuation mode. At this time, before the operation of determining the output parameter or at the same time, the controller 140 predicts how much time is left for the voltage of the battery B to reach the discharge lower limit voltage V min . Can be performed. In the following description, the remaining time from the current time point when the voltage of the battery B being discharged reaches the discharge lower limit voltage V min is referred to as 'remaining time'.
  • the controller 140 may predict t r representing the remaining time using Equation 2 below.
  • K may be fixed to 1.
  • K is a kind of weight and may be a value whose value is changed by the controller 140 according to a predetermined rule.
  • the controller 140 may output a remaining time guide message for notifying the estimated remaining time t r .
  • the remaining time guide message may be transmitted to the information guide device (not shown) provided in the load device 200 or an external device (eg, a vehicle) through the communication interface 160.
  • the information guide apparatus may output a visual and / or audio signal to the user based on the transfer time guide message.
  • the output parameter determined by the controller 140 in the decay mode includes at least one of a decay target current value and a decay target output value of the battery B.
  • the controller 140 may determine the attenuation target current value I derate by Equation 3 below.
  • Equation 5 is a diagram for describing parameters included in Equations 2 and 3;
  • the discharge profile shown in the graph (a) of FIG. 5 is a discharge profile obtained by performing a constant current discharge experiment with 360 A (I max ) at 25 degrees when the state of charge of the battery B having a capacity of 36 Ah is 20%. .
  • I max is the maximum discharge current value allowed when the state of charge of the battery B is 20%.
  • the graph (b) of FIG. 5 shows the resistance change rate (dR / dt) with time when the battery B having a state of charge of 20% is discharged to 360A.
  • V IR
  • I constant as I max .
  • dV / dt I max dR / dt, so dR / dt is substantially equal to (dV / dt) / I max . That is, dR / dt may be determined using the voltage change rate (dV / dt) of the discharge profile.
  • V min is a predetermined discharge lower limit voltage
  • V threshold is a predetermined discharge threshold voltage
  • R 0 is an internal resistance value of the battery B, which is a predetermined constant value through experiment.
  • V min , V threshold and R 0 may be stored in advance in the memory unit 150.
  • I 0 is a current value measured by the current measuring unit 120 at or after the voltage of the battery B being discharged reaches the discharge threshold voltage V threshold .
  • (dR / dt) max is the maximum value of (dR / dt) that appears in the voltage drop period, as shown in the graph (b).
  • the first derivative value at the time when the voltage of the battery B reaches V min The absolute value of the tangent slope) is divided by I max , the magnitude of the discharge current.
  • the data regarding (dR / dt) max may be determined in advance by using the discharge profiles measured for each state of charge and temperature of the battery B, and the data about (dR / dt) max defined for each state of charge and temperature may be stored in memory.
  • the unit 150 may be stored in advance.
  • (t 1 -t 0 ) is the total time required from t 0 , when the voltage of the battery B reaches the discharge threshold voltage, to t 1 , when the discharge lower limit voltage is reached for each discharge profile. It may be determined differently depending on the state of charge and the temperature corresponding to the discharge profile of. Controller 140, to determine the I derate of formula 3 prior to actually reach the t 1, it is possible to assign the output holding time t for m (t 1 -t 0).
  • Equations 2 and 3 can be derived as follows.
  • the voltage of the battery B may be equivalently modeled by a circuit in which the open voltage component, the internal resistance R 0 , and the RC circuit, which are changed in accordance with the state of charge and temperature of the battery B, are connected in series with each other.
  • the voltage V of the battery B may be represented by the sum of three voltage components as shown in Equation 4 below. That is, the three voltage component, a current in the resistance (R) of the IR 0 and the RC circuit, the voltage component applied to the opposite ends of the internal resistance R 0 when the open-circuit voltage component of OCV, the current I that is uniquely determined by the charge to flow It can be expressed as the sum of the voltage components I RC R across the RC circuit when I RC flows.
  • V OCV + IR 0 + I RC R
  • Equation 5 By differentiating both sides of Equation 3 by the time t, Equation 5 can be obtained.
  • dV / dt dOCV / dt + (dI / dt) R 0 + (dI RC / dt) R + I RC (dR / dt)
  • Equation 5 Assuming that the current I RC flowing through the state of charge of the battery B and the resistance of the RC circuit is constant for a very short time, dOCV / dt and dI RC / dt become zero, so Equation 5 is approximated as Equation 6 below. can do.
  • V min -V threshold (I 1 -I 0 ) R 0 + I 1 (dR / dt) (t 1 -t 0 )
  • Equation 9 is obtained.
  • Equation 7 when (dR / dt) is assigned (dR / dt) max and (t 1 -t 0 ) is assigned t m , Equation 7 is finally summarized in the same manner as in Equation 3.
  • Equation 8 the reason for assigning (dR / dt) max to (dR / dt) in Equations 8 and 9 is to conservatively calculate the remaining time t r and the decay target current value I derate in preparation for the over-discharge state. to be.
  • K in Equation 2 is a factor for reflecting the level of current at at least one time point after t 0 in the calculation of t r . That is, K may be a value that varies depending on at least one of a direction and a magnitude of a current flowing through the battery B.
  • the graph of FIG. 5 illustrates the discharge profile for the constant current, the current flowing through the battery B may not be constant while the process of discharging the battery B is in progress. Therefore, in order to predict and calculate the remaining time t r more accurately, it is preferable to utilize at least the current measured at this point in time to calculate t r .
  • the controller 140 may determine that an average value obtained by averaging the absolute value of the current measured more than a predetermined number of times during a predetermined time period from a specific time point in the voltage drop period is greater than or equal to the first reference value than the constant current used to obtain the discharge profile.
  • the value of K may be decreased stepwise or continuously from 1 to 0 according to the average value.
  • the controller 140 may determine that the average value of the average value of the currents measured a predetermined number of times or more during a predetermined time period from a specific time point belonging to the voltage drop period is greater than or equal to the second reference value than the constant current used to obtain the discharge profile. In the small case, the value of K can be increased stepwise or continuously from 1 according to the average value.
  • the controller 140 may allocate 1 to K when the relationship between the average value and the constant current does not correspond to the above two cases. That is, the controller 140 may assign 1 to K when the average value is smaller than the sum of the first reference value and the constant current and is greater than the value obtained by subtracting the second reference value from the constant current.
  • Equation 9 when the value of (dR / dt) max is assigned to the value of (dR / dt), the denominator value of Equation 9 becomes maximum within the allowable range, so that the I derate of Equation 3 becomes minimum. Accordingly, between t 0 and t 1 , the level of the current flowing through the battery B becomes sufficiently smaller than the maximum discharge current value mapped from the power map, whereby the voltage of the battery B is lowered below the discharge threshold voltage. It is possible to prevent the discharge from falling below the discharge lower limit voltage V min within a time shorter than the delay time or before the output holding time elapses.
  • the controller 140 may determine whether to calculate the attenuation target current value according to t r calculated by Equation 2. For example, when t r calculated by Equation 2 is smaller than t m , the control unit 140 switches to the attenuation mode in the normal mode and starts the calculation operation of the attenuation target current value using Equation 3, and otherwise, Normal mode can be maintained.
  • the controller 140 may calculate the attenuation target current value by Equation 3, and determine the derate target output value P derate from the calculated attenuation target current value.
  • the calculation formula of P derate is shown in Equation 10 below.
  • the controller 140 may transmit an output parameter including at least one of a decay target current value and a decay target output value to the control system 210 of the load device 200 through the communication interface 160.
  • the control system 210 controls the power converter 220 by using the output parameter transmitted from the controller 140 after the delay time has elapsed to attenuate the discharge current or the output of the battery B. That is, the control system 210 controls the power converter 220 using the attenuation target current value or the attenuation target output value included in the output parameter to reduce the magnitude of the discharge current output from the battery B by the attenuation target current value.
  • the control may be made smaller or the output of the battery B may be controlled to be smaller than the attenuation target output value.
  • control system 210 controls the power converter 220 to decrease the discharge current of the secondary battery B step by step at regular intervals, thereby reducing the magnitude of the discharge current equal to the attenuation target current value. Can be. Similarly, the control system 210 controls the power converter 220 to gradually reduce the output of the battery B at regular intervals so as to attenuate the output of the battery B to be equal to the attenuation target output value. Can be.
  • the controller 140 may optionally include a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, a register, a communication modem, a data processing device, or the like, which are known in the art, to execute the above-described various control logics. have.
  • the control logic when the control logic is implemented in software, the controller 140 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in a memory and executed by a processor.
  • the memory may be internal or external to the processor and may be coupled to the processor through various well known computer components.
  • the memory may be included in the memory unit 150 of the present invention.
  • the memory refers to a device that stores information regardless of the type of device, and does not refer to a specific memory device.
  • At least one of various control logics of the controller 140 may be combined, and the combined control logics may be written in a computer readable code system and recorded on a computer readable recording medium.
  • the recording medium is not particularly limited as long as it is accessible by a processor included in the computer.
  • the recording medium includes at least one selected from the group consisting of a ROM, a RAM, a register, a CD-ROM, a magnetic tape, a hard disk, a floppy disk, and an optical data recording device.
  • the code system may be distributed and stored and executed in a networked computer.
  • functional programs, code and code segments for implementing the combined control logics can be easily inferred by programmers in the art to which the present invention pertains.
  • 6 and 7 are flowcharts sequentially illustrating a method for estimating the remaining time until the voltage of the battery reaches the discharge lower limit voltage according to an embodiment of the present invention.
  • step S10 the controller 140 initializes the time index k when the process for predicting the remaining time starts.
  • step S20 the controller 140 measures the voltage, current, and temperature of the battery B by using the voltage measuring unit 110, the current measuring unit 120, and the temperature measuring unit 130.
  • the voltage value, the current value, and the temperature value are stored in the memory unit 150.
  • the controller 140 may determine the state of charge of the battery B by selectively using the voltage value, the current value, and the temperature value stored in the memory unit 150.
  • the state of charge can be determined using an amp counting method, an extended Kalman filter, or the like.
  • the controller 140 determines whether the voltage of the battery B is greater than a predefined discharge threshold voltage V threshold .
  • step S40 If it is determined in step S40 that YES, the controller 140 shifts the process to step S50 to determine an output parameter in the normal mode, and transmits the determined parameter to the control system of the load device 200 through the communication interface 160. 210).
  • the controller 140 determines a maximum discharge current value I max by mapping a maximum discharge current value corresponding to a current charge state and a current temperature from a power map previously stored in the memory unit 150. .
  • step S60 the controller 140 determines the allowable output value of the battery B by Equation 1 using the maximum discharge current value I max and the predefined discharge lower limit voltage V min .
  • step S70 the controller 140 configures an output parameter including at least one of a maximum discharge current value and an allowable output value, and outputs the output parameter to the control system of the load device 200 through the communication interface 160 ( 210).
  • the control system 210 controls the power conversion unit 220 with reference to the allowable output value or the maximum discharge current value included in the transmitted output parameter, so that the battery B is within the range of the output allowable value or the maximum discharge current value.
  • Adaptively control the discharge That is, the discharge output of the battery B is controlled to below the allowable output value, or the discharge current of the battery B is controlled to below the maximum discharge current value.
  • step S80 the controller 140 determines whether a predetermined set time has elapsed.
  • the setting time corresponds to a period for updating the output parameter of the battery (B).
  • step S80 If it is determined in step S80 that YES, the control unit 140 shifts the process to step S90, and conversely, in step S80, if it is determined to be No, the control unit 140 shifts the process to step S100 to determine the time index k. Update
  • step S90 the controller 140 determines whether the operation state of the battery B is a key-off state.
  • the key off state means a case where charging or discharging of the battery B is stopped.
  • the key off state may be determined by the connection state of the switch component that controls the connection between the battery B and the load device 200.
  • step S90 If it is determined in step S90 that YES, the control unit 140 does not need to adjust the output parameter of the battery B and thus terminates the process. On the other hand, if it is determined in step S90 that NO, the control unit 140 shifts the process to step S100 to update the time index k, and then shifts the process to step S20 to repeat execution of the above-described steps.
  • step S40 the controller 140 records the current time point equal to or after the arrival time when the voltage of the battery B reaches the discharge threshold voltage (V threshold ), and the process returns to step S110. To fulfill.
  • step S110 the controller 140 predicts the remaining time t r from the present time to the time when the discharge lower limit voltage V min is reached.
  • the controller 140 determines one discharge profile corresponding to the current state of charge and temperature from the discharge profile data previously stored in the memory unit 150, and determines a predetermined (dR / dt) for the determined discharge profile. Get max .
  • the controller 140 calculates an average value by averaging the absolute values of currents measured a predetermined number of times in the past for a predetermined time on the basis of the current time point that is equal to or later than the arrival time point, and calculates a weight value K corresponding to the calculated average value. You can decide.
  • the value of the weight K for each average value may be stored in advance in the memory unit 150 in the form of a lookup table.
  • the controller 140 may calculate the remaining time t r by allocating V min , V threshold , (dR / dt) max , K, and I 0 to Equation 2.
  • I 0 may be a current value measured through step S20, and V min and V threshold are data stored in advance in the memory unit 150.
  • step S120 the controller 140 may determine whether t r predicted through step S110 is greater than or equal to the output holding time t m .
  • the control unit 140 may output a message for notifying the remaining time estimated through step S110.
  • step S120 If it is determined in step S120 that YES, the controller 140 shifts the process to step S50, and conversely, if it is determined to be No in step S120, the controller 140 shifts the process to step S130.
  • the controller 140 determines the decay target current value I derate in the decay mode. That is, the controller 140 refers to Equation 3 with reference to a predetermined (dR / dt) max value for one of the discharge profiles corresponding to the current state of charge and the current temperature among the plurality of discharge profiles stored in the memory. Determine the decay target current value (I derate ).
  • the value of (dR / dt) max referenced in step S130 may be the same as the value of (dR / dt) max obtained in step S110.
  • step S140 the controller 140 determines the attenuation target output value P derate of the battery B using the attenuation target current value I derate and the discharge lower limit voltage V min .
  • step S150 the controller 140 configures an output parameter including at least one of the decay target current value I derate and the decay target output value P derate , and outputs the output parameter through the communication interface 160. And transmits to the control system 210 of the load device 200. Then, the control system 210 controls the power converter 220 by referring to the attenuation target current value or the attenuation target output value included in the transmitted output parameter, thereby reducing the battery within the range of the attenuation target current value or the attenuation target output value. The discharge of (B) is controlled.
  • the discharge output of the battery B is controlled to be equal to or less than the attenuation target output value, or the discharge current of the battery B is controlled to be equal to or less than the attenuation target current value.
  • the control system 210 can step down the discharge current magnitude of the battery B toward the attenuation target current value or step down the output of the battery B toward the attenuation target output value.
  • control unit 140 proceeds to step S80.
  • the remaining time may be periodically updated by the controller 140 until the voltage of the battery B becomes higher than the discharge threshold voltage.
  • the output parameter reflecting the attenuation target current value is transferred to the control system of the load device 200.
  • the discharge current or discharge output of the battery B is attenuated until the voltage of the battery B becomes higher than the discharge threshold voltage or until charging of the battery B is resumed.
  • the attenuation target current value and the attenuation target output value are gradually lowered.
  • the controller 140 stops the prediction of the remaining time if the charging of the battery B by the charger 240 is resumed before the voltage of the battery B becomes higher than the discharge threshold voltage from the time of arrival. Recently estimated remaining time can be stored in memory.
  • the above embodiment can be applied in a situation where the battery is discharged.
  • the present invention can be similarly applied in a situation where the battery is charged.
  • the charging threshold voltage is set to be lower than the charging upper limit voltage by a predetermined level, and the determination is made in consideration of the delay time factor and the output holding time simultaneously.
  • the output parameter may be determined in the attenuation mode to attenuate the charging current or the charging output.
  • V min may be replaced with a V max value, which is an upper charging limit voltage.
  • charge profiles are utilized instead of discharge profiles.
  • the charging profiles may be obtained by conducting a constant current charging experiment for each state of charge and temperature of the battery B.
  • the magnitude of the charging current used in each constant current charging experiment sets the maximum charging current value determined by the HPPC method.
  • the maximum charging current value may vary depending on the state of charge and the temperature of the battery B.
  • the maximum charging current value determined by the HPPC method is larger than the charging upper limit current value that the battery B can withstand, the maximum charging current value may be replaced by the upper charging current value.
  • the output when the battery B is charged may be determined based on the current value determined as the decay target current value.
  • the output parameter determined while the battery B is being charged may be provided to the control system 210 of the load device 200 via the communication interface 160.
  • the control system 210 controls the power converter 220 to control the charging current of the battery B within the current value range included in the output parameter or to output the charging output of the battery B. Control within the range of output values contained in the parameter. Further, preferably, the control may be performed to gradually reduce the charging current or the charging output of the battery B to converge toward the current value or the output value included in the output parameter.
  • the power map can be used to determine the maximum charging current value of the battery B, and from the determined maximum charging current value The charge output of (B) can be determined.
  • the power map may further include reference data regarding a maximum charging current value predefined for each state of charge and temperature of the battery B.
  • a lithium battery having a total capacity of 36 Ah and a state of charge of 20% was prepared.
  • the lithium battery contains lithium metal oxide as the positive electrode material and graphite as the negative electrode material.
  • a lithium battery was connected to a charge / discharge simulator that can control charge / discharge power. Then, the discharge profile was measured while discharging with a discharge current having a size of 360 A at 25 degrees.
  • the discharge threshold voltage serving as a reference for reducing the output of the battery B during discharge was set to 2.87V.
  • the delay time factor was 2 seconds, and the output holding time was set to 6 seconds.
  • the discharge output of the battery B was attenuated from the time when the voltage of the battery B was lowered to 2.87V while the battery B was constant current discharged to the size of 360A. That is, the attenuation target current value is determined using Equation 3, and the charge / discharge simulator is controlled to approach the attenuation target current value step by step to lower the discharge current size of the battery B in steps of 30A. In this process, the voltage change of the battery B was measured.
  • V min is 2.5V
  • V threshold is 2.87V
  • max is 0.4305759m ⁇
  • R 0 is 0.0010618 m ⁇
  • (t 1 -t 0 ) is 6 seconds
  • I 0 is 360A Set to.
  • FIG. 8 shows the voltage measurement results measured in this experiment.
  • the dotted line graph shows the voltage change modification when the output of the lithium battery is not attenuated.
  • the solid line shows the change in voltage when the output of the lithium battery is attenuated from 2.87V.
  • each component may be selectively integrated with other components or each component may be divided into subcomponents for efficient execution of control logic (s).
  • control logic control logic
  • the integrated or divided components should also be interpreted as being within the scope of the present invention, provided that the functional identity can be recognized even if the components are integrated or divided.

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Abstract

배터리 관리 장치와 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 방전 중인 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압과 같거나 더 낮은 경우, 현 시점부터 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하고, 예측된 잔여 시간에 따라 배터리의 출력 파라미터를 유지 또는 조절하도록 구성될 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법
본 출원은 2016년 12월 05일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2016-0164606호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 전압이 전압 급감 구간 또는 전압 급증 구간에 진입 시, 배터리의 전압이 현 시점으로부터 과충전 상태에 대응하는 상한 전압 또는 과방전 상태에 대응하는 하한 전압에 도달할 때까지 소요될 시간을 예측하고, 출력 파라미터를 조정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
배터리는 반복적인 충전과 방전이 가능하므로 다양한 분야에서 전력 소스로 사용된다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리 등은, 휴대 전화, 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 태블릿 컴퓨터, 전동 공구 등과 같이 사람의 손에 휴대할 수 있는 장치에 사용됨은 물론, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치에 사용된다.
배터리는 인버터와 같은 전력 변환 디바이스를 통해 부하 장치에 연결된다. 부하 장치는 상기에서 언급된 배터리에 저장된 전력을 사용하는 임의의 장치를 의미한다. 부하 장치는 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 통신을 통해 BMS(battery management system)으로부터 배터리에 대한 출력 파라미터를 제공 받는다.
출력 파라미터는 배터리의 방전 성능 또는 충전 성능을 나타내는 지표이고, 배터리의 충전 상태와 온도에 따라 갱신된다. 출력 파라미터는 배터리가 방전 또는 충전될 때 배터리를 통해 흐를 수 있는 최대 전류값 또는 이로부터 계산되는 하용 출력 값(Power)에 대한 정보를 포함할 수 있다.
제어 시스템은 BMS 시스템으로부터 출력 파라미터를 제공받으면, 출력 파라미터의 범위 내에서 배터리의 충전과 방전을 제어한다. 즉, 제어 시스템은 전력 변환 디바이스를 제어함으로써 배터리의 출력을 허용 출력 값 이하로 통제하거나 충전 또는 방전 전류의 크기를 최대 전류값 이하로 통제한다.
한편, 배터리의 전압은 실험 등을 통해 미리 정해진 방전 하한 전압 또는 충전 상한 전압에 가까워지면 빠르게 변화한다. 여기서, 방전 하한 전압은 과방전을 방지하기 위한 것이고, 충전 상한 전압은 과충전을 방지하기 위한 것이다.
도 1은 360Ah의 용량을 가진 리튬 배터리의 충전 상태가 20%일 때 360A의 정전류로 방전이 이루어지는 동안에 나타나는 전압 변화를 보여주는 그래프이다.
도 1에 도시된 그래프를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 배터리의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 보다 높은 A로 표시된 전압에 도달하면서부터, 전압의 감소 속도가 갑자기 빨라진다.
전압의 급격한 변화는 배터리의 충전 상황에서도 나타난다. 즉, 배터리의 전압이 충전 상한 전압에 가까워질수록 전압의 증가 속도가 갑자기 빨라진다. 배터리의 전압의 급격한 변화가 발생하는 주요 원인 중 하나는, 배터리의 충전 상태에 따른 내부 저항의 급격한 변화 현상이다.
배터리의 전압의 급격한 변화는 배터리가 곧 과충전 또는 과방전될 위험이 있는 상태임을 나타내는 것이다. 따라서, BMS는 현 시점으로부터 배터리가 방전 하한 전압 또는 충전 상한 전압에 실제로 도달할 때까지의 남은 시간을 예측할 필요가 있다. 선택적으로, BMS은 상기 예측된 시간을 기초로, 제어 시스템으로 제공하는 출력 파라미터를 적절히 감쇄시킴으로써, 배터리의 전압이 방전 하한 전압보다 낮아지거나 충전 상한 전압보다 높이지게 되는 상황을 미리 방지할 수 있어야 한다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 배터리의 전압이 미리 정해진 전압 급변 구간에 도달 시, 배터리의 전압이 방전 하한 전압 또는 충전 상한 전압까지 도달하는 데에 소요될 시간인 잔여 시간을 예측하고, 예측된 잔여 시간에 따라 배터리의 출력 파라미터를 유지 또는 조정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 배터리의 전류를 측정하는 전류 측정부; 및 상기 배터리가 방전되는 동안 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나를 기초로, 충전 상태를 결정하는 제어부;를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압에 도달하였는지 판정하고, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 것으로 판정 시, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 도달 시점을 기록하고, 상기 충전 상태를 기초로 방전 프로파일을 결정하되, 상기 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 기록된 것이며, 상기 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 저항 변화율의 최대값을 결정하고, 상기 방전 임계 전압, 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압, 상기 도달 시점 이후인 현 시점에 측정된 상기 배터리의 전류 및 상기 저항 변화율의 최대값을 기초로, 상기 배터리의 전압이 현 시점으로부터 상기 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하며, 상기 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력한다.
또한, 상기 제어부는, 하기의 수식 1을 이용하여, 상기 잔여 시간을 예측하되,
[수식 1]
Figure PCTKR2017011551-appb-I000001
상기 수식 1에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, tr은 상기 잔여 시간이다.
선택적으로, 상기 제어부는, 상기 도달 시점을 기준으로 과거의 소정 시간동안에 소정 횟수 이상 측정된 상기 배터리의 전류의 절대값에 대한 평균값을 산출하고, 상기 평균값과 상기 정전류를 기초로, 잔여 시간 보정용 가중치를 결정하고, 하기의 수식 2을 이용하여, 상기 잔여 시간을 예측하되,
[수식 2]
Figure PCTKR2017011551-appb-I000002
상기 수식 2에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, K는 상기 가중치이고, tr은 상기 잔여 시간이다. 바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 평균값이 상기 정전류보다 제1 기준값 이상 큰 경우, 상기 가중치에 1보다 작고 0보다 큰 값을 할당하고, 상기 평균값이 상기 정전류보다 제2 기준값 이상 작은 경우, 상기 가중치에 1보다 큰 값을 할당하며, 상기 평균값이 상기 정전류에 제1 기준값을 합한 값보다는 작고 상기 정전류에서 제2 기준값을 뺀 값보다는 큰 경우, 상기 가중치에 1을 할당할 수 있다.
이와 함께 또는 별개로, 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정부;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 배터리가 방전되는 동안, 상기 측정된 온도를 더 기초로 상기 충전 상태를 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 예측된 잔여 시간이 출력 유지 시간 이상인지 판정하고, 상기 예측된 잔여 시간이 상기 출력 유지 시간 미만인 것으로 판정 시, 감쇄 모드에서 감쇄 목표 전류값을 결정할 수 있다. 이때, 상기 출력 유지 시간은, 상기 배터리 관리 장치와 통신 가능하게 연결된 부하 장치로부터 요청되는 것일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 하기의 수식 3을 이용하여, 상기 감쇄 목표 전류값을 결정하되,
[수식 3]
Figure PCTKR2017011551-appb-I000003
상기 수식 3에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, R0는 상기 배터리의 미리 정해진 내부 저항이며, tm은 상기 출력 유지 시간이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, Iderate는 상기 감쇄 목표 전류값이다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 도달 시점부터 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압보다 높아질 때까지, 상기 잔여 시간을 주기적으로 갱신할 수 있다.
경우에 따라, 상기 제어부는, 상기 도달 시점부터 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압보다 높아지기 전에 상기 배터리의 충전이 재개되면, 상기 잔여 시간의 예측을 중단하고, 가장 최근에 예측된 잔여 시간을 메모리에 저장할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 단계; 상기 배터리가 방전되는 동안 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나를 기초로, 충전 상태를 결정하는 단계; 상기 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압에 도달하였는지 판정하는 단계; 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 것으로 판정 시, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 도달 시점을 기록하고, 상기 충전 상태를 기초로 방전 프로파일을 결정하되, 상기 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 기록된 것인 단계; 상기 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 저항 변화율의 최대값을 결정하는 단계; 상기 방전 임계 전압, 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압, 상기 도달 시점 이후인 현 시점에 측정된 상기 배터리의 전류 및 상기 저항 변화율의 최대값을 기초로, 상기 배터리의 전압이 현 시점으로부터 상기 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하는 단계; 및 상기 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예를 중 적어도 하나에 따르면, 배터리의 전압이 미리 정해진 전압 급변 구간에 도달 시, 배터리의 전압이 방전 하한 전압 또는 충전 상한 전압까지 도달하는 데에 소요될 시간인 잔여 시간을 예측하고, 예측된 잔여 시간에 따라 배터리의 출력 파라미터를 유지 또는 조정할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 36Ah의 용량을 가진 리튬 배터리의 충전 상태가 20%일 때 360A의 정전류로 방전이 이루어질 때의 전압 변화 개형을 보여주는 방전 프로파일이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 출력 파라미터 조정 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 3은, 용량은 36Ah로 동일하고 충전 상태가 10%, 15%, 20%, 30%, 40% 및 50%로서 서로 다른 6개의 리튬 배터리에 대하여 방전 프로파일을 측정한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 4는 도 3에 도시된 각 방전 프로파일이 가로 점선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차를 계산하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 감쇄 목표 전류값을 결정할 때 사용하는 수식의 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 출력 파라미터 조정 방법에 대한 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 8은 용량은 36Ah이고 충전 상태가 20%인 리튬 배터리를 360A로 방전시킬 때 본 발명의 실시예에 따라 출력을 감쇄시킨 경우와 그렇지 않은 경우의 전압 변화 개형을 비교한 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서 설명되는 실시 예에 있어서, 배터리는 리튬 배터리를 일컫는다. 여기서, 리튬 배터리라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 배터리를 총칭한다.
한편, 리튬 배터리에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 배터리를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 배터리의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 배터리의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 배터리라면 모두 상기 리튬 배터리의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 배터리 이외의 다른 배터리에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 배터리라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 배터리는 그것을 구성하는 요소의 수에 의해 한정되지 않는다. 따라서 배터리는 하나의 포장재 내에 양극/분리막/음극의 조립체 및 전해질이 포함된 단위 셀을 비롯하여 단위 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 어셈블리, 다수의 어셈블리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 모듈, 다수의 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 팩, 다수의 팩이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 전지 시스템 등도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하는 장치(100)를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)는, 전압 측정부(110), 전류 측정부(120) 및 제어부(140)를 포함하고, 선택적으로 온도 측정부(130)를 더 포함할 수 있다. 장치(100)는, 방전 중인 배터리(B)의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압과 같아진 시점 이후부터 배터리(B)의 출력 파라미터를 감쇄시킬 수 있다.
배터리(B)는 고전위 단자(PACK+) 및 저전위 단자(PACK-)를 통해 부하 장치(200)와 전기적으로 연결된다. 부하 장치(200)는, 배터리(B)로부터 출력되는 전력으로 동작하는 장치를 일컫는다.
부하 장치(200)는 제어 시스템(210), 전력 변환부(220) 및 부하(230)를 포함한다. 부하 장치(200)는, 선택적으로, 충전기(240)를 더 포함할 수 있다. 충전기(240)는 배터리(B)를 충전할 수 있는 충전 전류를 전력 변환부(220)를 통해 배터리(B) 측으로 제공할 수 있다. 충전기(240)는 자체적으로 충전 전류를 생성할 수도 있고, 상용 전원으로부터 전력을 인가 받아 충전 전류를 생성할 수도 있다.
바람직한 예에서, 부하(230)는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 포함된 모터일 수 있고, 전력 변환부(220)는 쌍방향 전력 변환이 가능한 인버터일 수 있다.
제어 시스템(210)은 부하 장치(200)의 전반적인 동작을 제어하는 컴퓨팅 시스템이다. 특히, 제어 시스템(210)은 제어부(140)가 제공하는 배터리(B)의 출력 파라미터를 이용하여 배터리(B)의 방전을 제어한다. 즉, 제어 시스템(210)은 출력 파라미터에 대응되는 방전 조건으로 전력 변환부(220)를 제어함으로써 배터리(B)의 방전을 제어한다.
전력 변환부(220)는 배터리(B)의 방전 출력을 부하(230) 측으로 전달한다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 배터리(B)가 방전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
반대로, 전력 변환부(220)는 충전기(240)로부터 공급되는 충전 출력을 배터리(B) 측으로 전달할 수 있다. 이 때, 전력 변환부(220)는 제어 시스템(210)의 통제하에 출력 파라미터의 범위 내에서 배터리(B)가 충전될 수 있도록 전력 변환 정도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 장치(100)는, 또한 메모리부(150)을 더 포함할 수 있다. 메모리부(150)는 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 예시로서, 메모리부(150)은 RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다.
메모리부(150)는 또한 제어부(140)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 제어부(140)와 전기적으로 연결될 수 있다.
메모리부(150)는 또한 제어부(140)가 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송한다.
메모리부(150)는 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 제어부(140) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
전압 측정부(110)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 전압 측정부(110)는 제어부(140)의 통제 하에, 시간 간격을 두고 배터리(B)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압을 측정하고 측정된 전압의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 전압 측정부(110)로부터 출력되는 신호로부터 배터리(B)의 전압을 결정하고, 결정된 전압의 값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 전압 측정부(110)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 전압 측정 회로로 구성될 수 있다.
전류 측정부(120)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 전류 측정부(120)는 제어부(140)의 통제하에 시간 간격을 두고 배터리(B)를 통해 흐르는 전류의 크기를 반복 측정하고 측정된 전류의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 전류 측정부(120)로부터 출력되는 신호로부터 전류의 크기를 결정하고 결정된 전류값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 전류 측정부(120)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 홀 센서 또는 센스 저항으로 구성될 수 있다.
온도 측정부(130)는 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(140)와 전기적으로 결합된다. 온도 측정부(130)는 시간 간격을 두고 배터리(B)의 온도를 반복 측정하고 측정된 온도의 크기를 나타내는 신호를 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 온도 측정부(130)로부터 출력되는 신호로부터 배터리(B)의 온도를 결정하고 결정된 온도의 값을 메모리부(150)에 저장한다. 예컨대, 온도 측정부(130)는 당업계에서 일반적으로 사용되는 열전대(thermocouple)로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 장치(100)는 통신 인터페이스(160)를 더 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(160)는 제어부(140)가 부하 장치(200)에 포함된 제어 시스템(210)과 통신을 수행하기 위해 필요한 구성요소이다.
통신 인터페이스(160)로는 서로 다른 2개의 시스템이 통신을 할 수 있도록 지원하는 공지된 통신 인터페이스라면 어떠한 것이라도 사용될 수 있다. 통신 인터페이스는 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있다. 바람직하게, 통신 인터페이스는 캔(CAN) 통신이나 데이지 체인(Daisy Chain) 통신을 지원하는 것일 수 있다.
제어부(140)는 전압 측정부(110)에 의해 측정된 배터리(B)의 전압 및 전류 측정부(120)에 의해 측정된 배터리(B)의 전류 중 적어도 하나와 온도 측정부(130)에 의해 측정된 배터리(B)의 온도를 선택적으로 활용하여 배터리(B)의 충전 상태를 결정할 수 있다.
예컨대, 배터리(B)의 충전 상태는 전류 측정부(120)를 통해서 주기적으로 측정되는 전류값을 적산하여 결정될 수 있다. 이러한 방식은 암페어 카운팅법이라는 이름으로 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다른 예로, 배터리(B)의 충전 상태는 전압 측정부(110)를 통해서 주기적으로 측정되는 전압값을 기초로 개방 전압을 결정하고, 메모리에 미리 저장된 OCV-SOC 테이블을 참조하여 결정될 수 있다. 또 다른 예로, 충전 상태는 배터리(B)의 회로 모델링에 기반을 둔 확장 칼만 필터와 같은 적응적 알고리즘을 이용하여 결정할 수 있다. 확장 칼만 필터를 이용한 충전 상태의 추정은, 일 예로서 그레고리 엘 플레트(Gregory L. Plett)씨의 논문 “Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Parts 1, 2 and 3”(Journal of Power Source 134, 2004, 252-261)를 참조 가능하고, 본 명세서의 일부로서 위 논문이 합체될 수 있다.
물론, 충전 상태는 전술한 암페어 카운팅법 또는 확장 칼만 필터 이외에도 배터리(B)의 전압, 온도 및 전류를 선택적으로 활용하여 충전 상태를 추정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.
제어부(140)은, 배터리(B)가 방전되는 동안 전압 측정부(110)에 의해 측정된 배터리(B)의 전압 레벨을 모니터한다.
제어부(140)는 배터리(B)의 전압 레벨에 따라 배터리의 출력 파라미터를 다르게 결정한다. 구체적으로, 제어부(140)는 방전 중인 배터리(B)의 전압이 전압 평탄 구간에 속하면 일반 모드로 출력 파라미터를 결정할 수 있다. 반면, 배터리(B)의 전압이 전압 평탄 구간을 벗어나 전압 급감 구간 또는 전압 급증 구간에 진입하면 감쇄 모드로 출력 파라미터를 결정할 수 있다. 이때, 전압 평탄 구간과 전압 급감 구간은, 미리 정해진 방전 임계 전압을 기준으로 구분될 수 있다. 또한, 전압 평탄 구간과 전압 급증 구간은, 방전 임계 전압보다 높도록 미리 정해진 충전 임계 전압을 기준으로 구분될 수 있다. 즉, 전압 급감 구간은 방전 임계 전압 이하의 전압 범위에 해당하는 구간이고, 전압 급증 구간은 충전 임계 전압 이상의 전압 범위에 해당하는 구간이며, 전압 평탄 구간은 방전 임계 전압보다 크면서 충전 임계 전압보다는 작은 전압 범위에 해당하는 구간이다.
방전 임계 전압과 충전 임계 전압 각각의 레벨은 2 가지의 시간 팩터를 고려하여 미리 정해지는 값일 수 있다. 하나의 시간 팩터는, 출력 파라미터가 제어부(140)로부터 제어 시스템(210)으로 전달되어 배터리(B)의 제어에 실제 반영될 때까지 걸리는 지연 시간이다. 다른 하나의 시간 팩터는, 출력 파라미터에 따른 배터리(B)의 출력이 최소한 유지되어야 하는 출력 유지 시간이다.
지연 시간은, 제어부(140)와 제어 시스템(210)의 동작 속도와 이들 상호 간의 통신 속도 등에 따라 달라진다. 지연 시간 팩터는 수초 이내의 시간 값, 예를 들어 2초일 수 있다.
출력 유지 시간은, 장치(100)와 통신 가능하게 연결된 부하 장치(200) 또는 그에 포함된 부하(230)로부터 요청되는 것으로서, 부하(230)의 동작에 필요한 출력 특성에 의해 달라질 수 있다. 이러한 출력 유지 시간은 지연 시간보다 긴 수초 이내의 시간 값, 예를 들어 6초일 수 있다.
지연 시간과 출력 유지 시간을 고려하여 방전 임계 전압을 정하는 방법은 도 3을 참조하여 후술할 바와 같으며, 충전 임계 전압 역시 유사하게 정해질 수 있다.
먼저, 배터리(B)의 충전 상태 별로 상온(25도)에서 정전류 방전 시험을 시행하여 복수의 방전 프로파일들을 얻을 수 있다.
도 3은, 용량은 36Ah로 동일하고 충전 상태가 10%, 15%, 20%, 30%, 40% 및 50%로서 서로 다른 6개의 리튬 배터리에 대하여 방전 프로파일을 측정한 결과를 나타낸 그래프들이다. 좌측으로부터 우측으로 갈수록 방전 프로파일을 측정한 배터리(B)의 충전 상태는 더 크다.
각각의 정전류 방전 시험에서 적용된 방전 전류의 크기는 배터리(B)의 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류값이다. 특정한 충전 상태 및 온도에 대응되는 최대 방전 전류값은 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization)법으로 배터리(B)를 펄스 방전시켰을 때 배터리(B)의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 도달되도록 하는 방전 전류값이다.
바람직하게, HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 배터리(B)의 안전(Safety)을 위해 설정한 방전 상한 전류값보다 크면 최대 방전 전류값은 방전 상한 전류값으로 대체될 수 있다.
도 3에 도시된 방전 프로파일들을 얻기 위한 정전류 방전 실험 시 방전 상한 전류값은 360A로 설정하였다.
도 3에 있어서, 각 방전 프로파일을 얻을 때 적용한 최대 방전 전류값은 그래프의 오른쪽에 표시하였다. 즉, 충전 상태 20%, 30%, 40% 및 50%에 대응되는 최대 방전 전류값은 360A로서 동일하다. HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 방전 상한 전류값으로 설정된 360A를 초과하였기 때문에 최대 방전 전류값을 방전 상한 전류값으로 대체하였기 때문이다. 대신, 배터리(B)의 상태가 10% 및 15%일 경우는, HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 방전 상한 전류값인 360A보다 작으므로 HPPC법으로 결정한 최대 방전 전류값이 그대로 적용되었다.
도 3에 있어서, 수평선 A는 지연 시간과 출력 유지 시간을 고려하여 미리정해진 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨을 나타내고, 수평선 B는 방전 하한 전압(Vmin)의 레벨을 나타낸다.
바람직하게, 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨은 각 방전 프로파일이 수평선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차가 지연 시간보다 크고 출력 유지 시간보다 작도록 설정될 수 있다.
위와 같이 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨이 설정되면, 감쇄 모드에서 결정된 출력 파라미터가 적용되는 시점이 지연 시간만큼 지연되더라도 배터리(B)의 전압이 방전 하한 전압 이하로 갑자기 감소하는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 배터리(B)의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 도달할 때까지 소요되는 시간이 출력 유지 시간보다 작을 때 배터리(B)의 출력을 감쇄시켜 최소한의 출력 유지 시간을 확보하는 것이 가능해진다.
도 4는 도 3에 도시된 각 방전 프로파일이 수평선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차(마크 ▲ 참조)를 계산하여 나타낸 것이다. 시간 시간은 2초이고, 출력 유지 시간은 6초로 설정되었고, 방전 임계 전압의 레벨은 2.87V로 설정되었다. 도 4를 참조하면, 도 3의 수평선 A로 나타낸 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨은 상기에서 언급된 조건을 잘 충족한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 배터리(B)의 전압이 2.87V에 도달되었을 때 감쇄 모드로 출력 파라미터를 결정하고, 결정된 출력 파라미터를 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 제공하면, 배터리(B)의 출력이 최소한 6초 동안 유지될 수 있다. 또한, 출력 파라미터가 부하 장치(200)에서 반영될 때까지 2초의 지연 시간이 생겨도 배터리(B)의 전압이 갑자기 방전 하한 전압(Vmin)까지 감소하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 도 3에 나타낸 방전 프로파일들은 상온 조건에서 얻은 것이다. 하지만, 배터리(B)의 동작 온도 범위에 속하는 온도 조건 별로 방전 프로파일들을 추가로 획득하여 온도 별로 획득한 모든 복수의 방전 프로파일들에 대해서도 상술한 조건을 만족하도록 방전 임계 전압의 레벨을 결정하는 것이 바람직하다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 또한, 사전 실험을 통해 도출된 각 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 메모리에 기록될 수 있다. 즉, 각 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 도출된 후 메모리에 기록되는 것일 수 있다.
즉, 방전 임계 전압(Vthreshold)의 레벨은 충전 상태 별 및 온도 별로 측정된 각각의 방전 프로파일이 수평선 A 및 B와 만나는 두 점의 시간 차가 지연 시간보다 크고 출력 유지 시간보다 작도록 설정하는 것이 바람직하다.
제어부(140)는 전압 측정부(110)를 통해서 측정한 배터리(B)의 현재 전압이 미리 설정된 방전 임계 전압(Vthreshold)보다 큰 경우는 일반 모드에서 출력 파라미터를 결정한다. 방전 과정 중에 결정되는 출력 파라미터는, 배터리(B)의 최대 방전 전류값 및 허용 출력 값 중 적어도 하나를 포함한다. 제어부(140)는 메모리부(150)에 저장된 파워 맵을 이용하여 최대 방전 전류값을 결정할 수 있다. 파워 맵은 배터리(B)의 충전 상태 및 온도에 따라 최대 방전 전류값을 참조할 수 있는 데이터 구조를 가진다.
허용 출력 값은 다음의 수식 1에 의해 결정할 수 있다. 수식 1에서, 최대 방전 전류값은 전류 팩터인 Imax이다.
<수식 1>
허용 출력 P = VminImax
수식 1에 있어서, Vmin은 배터리(B)의 방전 하한 전압으로서 미리 설정되는 전압 팩터이다. Imax는 배터리(B)의 충전 상태와 온도에 따라서 달라지는 전류 팩터로서 특정한 충전 상태와 온도 조건 하에서 배터리(B)가 낼 수 있는 최대 방전 전류값에 해당한다. Imax는 배터리(B)의 충전 상태와 온도를 이용하여 메모리부(150)에 저장된 파워 맵으로부터 맵핑 가능한 값이다.
한편, 제어부(140)는 전압 측정부(110)를 통해 측정한 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압(Vthreshold) 이하로 떨어지면(즉, 전압 급감 구간에 속하면) 일반 모드로부터 감쇄 모드로 전환하여, 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정한다. 이때, 제어부(140)는 출력 파라미터를 결정하는 동작을 수행하기에 앞서서 또는 동시에, 배터리(B)의 전압이 방전 하한 전압(Vmin)에 도달하는 데에 어느 정도의 시간이 남아있는지 예측하는 동작을 수행할 수 있다. 이하에서는, 방전 중인 배터리(B)의 전압이 현 시점으로부터 방전 하한 전압(Vmin)에 도달하는 시점까지의 남은 시간을 '잔여 시간'이라고 칭하기로 한다.
제어부(140)는, 하기의 수식 2를 이용하여, 상기 잔여 시간를 나타내는 tr을 예측할 수 있다.
<수식 2>
Figure PCTKR2017011551-appb-I000004
수식 2에서, K는 1로 고정될 수 있다. 또는, 수식 2에서, K는 일종의 가중치로서 미리 정해진 규칙에 따라 제어부(140)에 의해 그 값이 변화되는 값일 수 있다. 제어부(140)는 예측된 잔여 시간 tr을 통지하는 잔여 시간 안내 메시지를 출력할 수 있다. 잔여 시간 안내 메시지는, 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200) 또는 외부 장치(예, 차량)에 구비된 정보 안내 장치(미도시)에 전송될 수 있다. 정보 안내 장치는, 전여 시간 안내 메시지를 기초로, 시각적 및/또는 청각적 신호를 사용자에게 출력할 수 있다.
또한, 제어부(140)가 감쇄 모드에서 결정되는 출력 파라미터는 배터리(B)의 감쇄 목표 전류값 및 감쇄 목표 출력 값 중 적어도 하나를 포함한다. 제어부(140)는 다음 수식 3에 의해 감쇄 목표 전류값 Iderate을 결정할 수 있다.
<수식 3>
Figure PCTKR2017011551-appb-I000005
도 5는 수식 2 및 수식 3에 포함된 파라미터들을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 그래프 (a)에 도시된 방전 프로파일은 36Ah의 용량을 가진 배터리(B)의 충전 상태가 20%일 때 25도 조건에서 360A(Imax)로 정전류 방전 실험을 시행하여 얻은 방전 프로파일이다. Imax는 배터리(B)의 충전 상태가 20%일 때 허용되는 최대 방전 전류값이다.
도 5의 그래프 (b)는 충전 상태가 20%인 배터리(B)가 360A로 방전될 때 시간에 따른 저항 변화율(dR/dt)을 나타낸 것이다. 오옴의 법칙에 의하면 V=IR이고 I는 Imax로 일정하다. V=IR의 양변을 시간으로 미분하면 dV/dt=ImaxdR/dt이 되므로, dR/dt는 (dV/dt)/Imax와 실질적으로 동일하다. 즉, dR/dt는 방전 프로파일의 전압 변화율(dV/dt)을 이용하여 결정할 수 있다.
도 5를 참조하면, 수식 2 및 수식 3에 있어서, Vmin은 미리 정해진 방전 하한 전압이고, Vthreshold는 미리 정해진 방전 임계 전압이다. R0은 배터리(B)의 내부 저항값으로서, 실험을 통해 미리 정해진 상수값이다. Vmin, Vthreshold 및 R0는 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다.
I0는, 방전 중인 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압(Vthreshold)에 도달한 시점 또는 그 후에 전류 측정부(120)에 의해 측정된 전류값이다.
(dR/dt)max는, 전압 급감 구간에 나타나는 (dR/dt)의 최대값으로서 그래프 (b)에 나타낸 것과 같이, 배터리(B)의 전압이 Vmin에 도달한 시점에서의 일차 미분 값(접선 기울기)의 절대값을 방전 전류의 크기인 Imax로 나눈 값에 해당한다. (dR/dt)max에 관한 데이터는 배터리(B)의 충전 상태와 온도 별로 측정한 방전 프로파일들을 이용하여 미리 결정할 수 있고, 충전 상태 및 온도 별로 정의된 (dR/dt)max에 관한 데이터는 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다.
(t1-t0)는, 방전 프로파일별로 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압에 도달한 시점인 t0부터 방전 하한 전압에 도달한 시점인 t1까지 총 소요되는 시간으로서, 배터리(B)의 방전 프로파일에 대응하는 충전 상태와 온도에 따라 다르게 정해질 수 있다. 제어부(140)는, t1에 실제로 도달하기 전에 수식 3의 Iderate을 결정하기 위해, (t1-t0)에 출력 유지 시간 tm을 할당할 수 있다.
수식 2 및 수식 3은 다음과 같이 유도할 수 있다. 배터리(B)의 전압은 배터리(B)의 충전 상태 및 온도에 따라 변하는 개방 전압 성분, 내부 저항(R0) 및 RC 회로가 서로 직렬로 연결된 회로에 의해 등가적으로 모델링할 수 있다.
상기 회로 모델링에 의하면, 배터리(B)의 전압 V는 하기 수식 4와 같이 3개의 전압 성분의 합으로 나타낼 수 있다. 즉, 3개의 전압 성분은, 충전 상태에 따라 고유하게 결정되는 개방 전압 성분인 OCV, 전류 I가 흐를 때 내부 저항 R0의 양단에 걸리는 전압 성분인 IR0 및 RC 회로의 저항(R)에 전류 IRC가 흐를 때 RC 회로의 양단에 걸리는 전압 성분 IRCR의 합으로 나타낼 수 있다.
<수식 4>
V = OCV + IR0 + IRCR
상기 수식 3의 양변을 시간 t로 미분하면 다음 수식 5를 얻을 수 있다.
<수식 5>
dV/dt = dOCV/dt + (dI/dt)R0 + (dIRC/dt)R + IRC(dR/dt)
배터리(B)의 충전 상태와 RC 회로의 저항에 흐르는 전류 IRC가 매우 짧은 시간동안에 대해 일정하다고 가정하면, dOCV/dt와 dIRC/dt는 0이 되므로 수식 5는 하기의 수식 6과 같이 근사할 수 있다.
<수식 6>
dV/dt = (dI/dt)R0 + IRC(dR/dt)
한편, t0에서 측정된 배터리(B)의 전류를 I0이라 하자. 또한, t1에서 측정될 배터리(B)의 전류를 I1이라고 하자. 또한, 시간 t0부터 t1까지 동안에, IRC는 I1과 같고 (dR/dt)는 일정하다고 가정하자. 이러한 정의 하에서 수식 6의 양변을 t0부터 t1까지의 범위에서 적분하면 하기의 수식 7을 얻을 수 있다.
<수식 7>
Vmin-Vthreshold = (I1-I0)R0 + I1(dR/dt)(t1-t0)
한편, 배터리(B)의 전압이 Vmin에 도달하는 시점 t1에 도달하기 전에는 수식 7의 I1의 값을 실제로 측정하지 못하므로, t0부터 t1까지 배터리(B)의 방전 전류가 I0으로 일정하게 유지된다고 가정하여, 수식 7을 (t1-t0)에 대해 정리하면, 수식 8이 얻어진다.
<수식 8>
Figure PCTKR2017011551-appb-I000006
수식 8에 있어서, (dR/dt)에 (dR/dt)max 을 할당하고, (t1-t0) = tr이라고 하면, 수식 2와 동일한 형태로 정리된다.
한편, 수식 7을 I1에 대해 정리하면, 수식 9가 얻어진다.
<수식 9>
Figure PCTKR2017011551-appb-I000007
수식 9에 있어서, (dR/dt)에 (dR/dt)max 을 할당하고, (t1-t0)에 tm을 할당하면, 수식 7은 수식 3과 같은 형태로 최종 정리된다.
위와 같이, 수식 8 및 수식 9의 (dR/dt)에 (dR/dt)max 을 할당하는 이유는, 과방전 상태에 대비하여 잔여 시간 tr과 감쇄 목표 전류값 Iderate을 보수적으로 산출하기 위함이다.
수식 8에 있어서, (dR/dt) 값으로 (dR/dt)max 값이 할당되면, 허용되는 범위에서 수식 8의 분모 값이 최대가 되므로, 수식 2의 K가 상수일 경우 tr는 최소가 된다. 이때, 수식 2의 K는, t0 또는 그 이후의 적어도 하나의 시점에서의 전류의 레벨을 tr의 계산에 반영하기 위한 팩터이다. 즉, K는, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류의 방향과 크기 중 적어도 하나에 따라 달라지는 값일 수 있다. 도 5의 그래프는 정전류에 대한 방전 프로파일을 도시하였으나, 배터리(B)를 방전하는 과정이 진행되는 동안, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류를 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 보다 정확하게 잔여 시간 tr을 예측 산출하기 위해서는, 적어도 현 시점에서 측정된 전류를 tr을 산출하는 데에 활용하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제어부(140)는 전압 급감 구간에 속하는 특정 시점으로부터 과거의 소정 시간동안에 소정 횟수 이상 측정된 전류의 절대값을 평균한 평균값이 방전 프로파일을 얻기 위해 사용된 정전류보다 제1 기준값 이상 큰 경우, 평균값에 따라 K의 값을 1부터 0을 향하여 단계적 또는 연속적으로 감소시킬 수 있다. 다른 예를 들어, 제어부(140)는 전압 급감 구간에 속하는 특정 시점으로부터 과거의 소정 시간동안에 소정 횟수 이상 측정된 전류의 절대값을 평균한 평균값이 방전 프로파일을 얻기 위해 사용된 정전류보다 제2 기준값 이상 작은 경우, 평균값에 따라 K의 값을 1부터 단계적 또는 연속적으로 증가시킬 수 있다.
제어부(140)는 상기 평균값과 정전류 간의 관계가 위 두 경우에 모두 해당하지 않는 경우, K에 1을 할당할 수 있다. 즉, 제어부(140)는 상기 평균값이 상기 정전류에 제1 기준값을 합한 값보다는 작고 상기 정전류에서 제2 기준값을 뺀 값보다는 큰 경우, K에 1을 할당할 수 있다.
또한, 수식 9에 있어서, (dR/dt) 값으로 (dR/dt)max 값이 할당되면, 허용되는 범위에서 수식 9의 분모 값이 최대가 되므로, 수식 3의 Iderate는 최소가 된다. 이에 따라, t0과 t1 사이에서, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류의 레벨이 파워 맵으로부터 맵핑되는 최대 방전 전류값보다 충분히 작아지게 됨으로써, 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압 이하로 낮아지더라도 지연 시간보다 짧은 시간 내에 또는 출력 유지 시간이 경과되기 전에 방전 하한 전압(Vmin) 아래로 저하되는 것을 방지할 수 있다.
제어부(140)는, 방전 중인 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압 이하로 떨어지면, 수식 2에 의해 산출된 tr에 따라 감쇄 목표 전류값을 산출할지 여부를 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부(140)는, 수식 2에 의해 산출된 tr가 tm보다 작으면, 일반 모드에서 감쇄 모드에 전환하여 수식 3을 이용한 감쇄 목표 전류값의 산출 동작을 개시하고, 그 외의 경우에는 일반 모드를 유지할 수 있다.
만약, tr < tm이면, 제어부(140)는 수식 3에 의해 감쇄 목표 전류값을 산출하고, 산출된 감쇄 목표 전류값으로부터 감쇄 목표 출력 값인 Pderate을 결정할 수 있다. Pderate의 계산 식은 하기 수식 10과 같다.
<수식 10>
Pderate= VminIderate
제어부(140)는 감쇄 모드에서, 감쇄 목표 전류값 및 감쇄 목표 출력 값 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송할 수 있다.
제어 시스템(210)은 지연 시간이 경과된 이후에 제어부(140)로부터 전송된 출력 파라미터를 이용하여 전력 변환부(220)를 제어하여 배터리(B)의 방전 전류 또는 출력을 감쇄시킨다. 즉, 제어 시스템(210)은 출력 파라미터에 포함된 감쇄 목표 전류값 또는 감쇄 목표 출력 값을 이용하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 배터리(B)로부터 출력되는 방전 전류의 크기를 감쇄 목표 전류값보다 작게 통제하거나 배터리(B)의 출력을 감쇄 목표 출력 값보다 작게 통제할 수 있다.
제어 시스템(210)은 바람직한 예로서 전력 변환부(220)를 제어하여 이차전지(B)의 방전 전류를 일정한 시간 간격을 두고 단계적으로 감소시킴으로써 감쇄 목표 전류값과 동일하게 방전 전류의 크기를 감쇄시킬 수 있다. 유사하게, 제어 시스템(210)은 전력 변환부(220)를 제어하여 배터리(B)의 출력을 일정한 시간 간격을 두고 단계적으로 감소시켜 감쇄 목표 출력 값과 동일하게 배터리(B)의 출력을 감쇄시킬 수 있다.
제어부(140)는 상술한 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(140)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 메모리부(150)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
제어부(140)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 제어부(140)가 수행하는 배터리의 출력 파라미터 조정 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 전압이 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하는 방법에 대한 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 단계 S10에서, 제어부(140)는 잔여 시간을 예측하기 위한 프로세스가 시작되면 시간 인덱스 k를 초기화한다.
이어서, 단계 S20에서, 제어부(140)는 전압 측정부(110), 전류 측정부(120) 및 온도 측정부(130)를 이용하여 배터리(B)의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 측정된 전압 값, 전류값 및 온도 값을 메모리부(150)에 저장한다.
이어서, S30 단계에서, 제어부(140)는 메모리부(150)에 저장된 전압 값, 전류값 및 온도 값을 선택적으로 이용하여 배터리(B)의 충전 상태를 결정한다. 충전 상태는, 암페어 카운팅법이나 확장 칼만 필터 등을 이용하여 결정할 수 있다.
이어서, S40 단계에서, 제어부(140)는 배터리(B)의 전압이 미리 정의된 방전 임계 전압(Vthreshold)보다 큰지 판단한다.
만약, 단계 S40에서 YES로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S50으로 이행하여 일반 모드에서 출력 파라미터를 결정하고, 결정된 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송한다.
구체적으로, 단계 S50에서, 제어부(140)는 메모리부(150)에 미리 저장된 파워 맵으로부터 현재 충전 상태와 현재 온도에 대응되는 최대 방전 전류값을 맵핑하여 최대 방전 전류값(Imax)을 결정한다.
다음으로, 단계 S60에서, 제어부(140)는 최대 방전 전류값(Imax)과 미리 정의된 방전 하한 전압(Vmin)을 이용하여 수식 1에 의해 배터리(B)의 허용 출력 값을 결정한다.
이어서, 단계 S70에서, 제어부(140)는 최대 방전 전류값 및 허용 출력 값 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 구성하고, 출력 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송한다. 그러면, 제어 시스템(210)은 전송된 출력 파라미터에 포함된 허용 출력 값 또는 최대 방전 전류값을 참조하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 출력 허용 값 또는 최대 방전 전류값의 범위 내에서 배터리(B)의 방전을 적응적으로 제어한다. 즉, 배터리(B)의 방전 출력을 허용 출력 값 이하로 통제하거나, 배터리(B)의 방전 전류를 최대 방전 전류값 이하로 통제한다.
이어서, 단계 S80에서, 제어부(140)는 미리 정해진 설정 시간이 경과되었는지 판별한다. 여기서, 설정 시간은 배터리(B)의 출력 파라미터를 갱신하는 주기에 해당한다.
만약, 단계 S80에서, YES로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S90으로 이행하고, 반대로 단계 S80에서, No로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S100으로 이행하여 시간 인덱스 k를 갱신한다.
단계 S90에서, 제어부(140)는 배터리(B)의 동작 상태가 키오프(Key-off) 상태인지 판별한다. 여기서, 키오프 상태라는 것은 배터리(B)의 충전이나 방전이 멈춘 경우를 말한다. 이러한 키오프 상태는 배터리(B)와 부하 장치(200) 사이의 연결을 제어하는 스위치 부품의 연결 상태에 의해 판별할 수 있다.
만약, 단계 S90에서, YES로 판별되면, 제어부(140)는 배터리(B)의 출력 파라미터를 조정할 필요가 없으므로 프로세스를 종료한다. 반면, 단계 S90에서, NO로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S100으로 이행하여 시간 인덱스 k를 갱신하고 다시 프로세스를 단계 S20으로 이행하여 앞서 서술한 단계들의 실행을 다시 반복한다.
한편, 단계 S40에서 NO로 판별되면, 제어부(140)는 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압(Vthreshold)에 도달한 도달 시점과 같거나 그 후인 현 시점을 기록하고, 프로세스를 단계 S110으로 이행한다.
단계 S110에서, 제어부(140)는 현 시점으로부터 방전 하한 전압(Vmin)에 도달할 시점까지의 잔여 시간 tr을 예측한다. 구체적으로, 제어부(140)는 메모리부(150)에 미리 저장되어 있는 방전 프로파일 데이터로부터 현 충전 상태 및 온도에 대응하는 어느 한 방전 프로파일을 결정하고, 결정된 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 (dR/dt)max를 획득한다. 선택적으로, 제어부(140)는 상기 도달 시점과 같거나 후인 현 시점을 기준으로 과거 소정 시간동안에 소정 횟수만큼 측정된 전류의 절대값을 평균하여 평균값을 산출하고, 산출된 평균값에 대응하는 가중치 K를 결정할 수 있다. 평균값별 가중치 K의 값은 룩업테이블 등의 형태로 메모리부(150)에 미리 저장될 수 있다. 제어부(140)는 Vmin, Vthreshold, (dR/dt)max, K 및 I0를 수식 2에 할당함으로써, 잔여 시간 tr을 산출할 수 있다. 이때, I0는 단계 S20을 통해 측정된 전류값일 수 있고, Vmin 및 Vthreshold은 메모리부(150)에 미리 저장된 데이터이다.
이어서, 단계 S120에서, 제어부(140)는 단계 S110을 통해 예측된 tr이 출력 유지 시간 tm 이상인지 판정할 수 있다. 이와 함께 또는 별개로, 제어부(140)는 단계 S110을 통해 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력할 수 있다.
만약, 단계 S120에서, YES로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S50으로 이행하고, 반대로 단계 S120에서, No로 판별되면, 제어부(140)는 프로세스를 단계 S130으로 이행한다.
단계 S130에서, 제어부(140)는 감쇄 모드에서 감쇄 목표 전류값(Iderate)을 결정한다. 즉, 제어부(140)는 메모리에 저장된 다수의 방전 프로파일에 관한 데이터 중, 현재 충전 상태와 현재 온도에 대응되는 어느 한 방전 프로파일에 대해 미리 정해진 (dR/dt)max 값을 참조하여, 수식 3을 이용해 감쇄 목표 전류값(Iderate)을 결정한다. 단계 S130에서 참조되는 (dR/dt)max의 값은, 단계 S110에서 획득되는 (dR/dt)max의 값과 동일할 수 있다.
그 다음, 단계 S140에서, 제어부(140)는 감쇄 목표 전류값(Iderate)과 방전 하한 전압(Vmin)을 이용하여 배터리(B)의 감쇄 목표 출력 값(Pderate)을 결정한다.
이어서, 단계 S150에서, 제어부(140)는 감쇄 목표 전류값(Iderate) 및 감쇄 목표 출력 값(Pderate) 중에서 적어도 하나를 포함하는 출력 파라미터를 구성하고, 출력 파라미터를 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 전송한다. 그러면, 제어 시스템(210)은 전송된 출력 파라미터에 포함된 감쇄 목표 전류값 또는 감쇄 목표 출력 값을 참조하여 전력 변환부(220)를 제어함으로써 감쇄 목표 전류값 또는 감쇄 목표 출력 값의 범위 내에서 배터리(B)의 방전을 제어한다. 즉, 배터리(B)의 방전 출력을 감쇄 목표 출력 값 이하로 통제하거나, 배터리(B)의 방전 전류를 감쇄 목표 전류값 이하로 통제한다. 바람직하게, 제어 시스템(210)은 감쇄 목표 전류값을 향해 배터리(B)의 방전 전류 크기를 단계적으로 하향시키거나 감쇄 목표 출력 값을 향해 배터리(B)의 출력을 단계적으로 감소시킬 수 있다.
이어서, 제어부(140)는 단계 S80으로 이행한다.
도 6 및 도 7에 도시된 일련의 단계들은 주기적으로 실행된다. 이에 따라, 상기 도달 시점부터 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압보다 높아질 때까지, 잔여 시간은 제어부(140)에 의해 주기적으로 갱신될 수 있다. 또한, 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압에 도달한 시점에서 예측되는 잔여 시간 tr이 출력 유지 시간 tm 미만이면, 감쇄 목표 전류값이 반영된 출력 파라미터가 부하 장치(200)의 제어 시스템으로 제공됨으로써, 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압보다 높아질 때까지 또는 배터리(B)의 충전이 재개될 때까지 배터리(B)의 방전 전류 또는 방전 출력이 감쇄된다. 물론, 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압을 초과하지 못하면 감쇄 목표 전류값과 감쇄 목표 출력 값이 점점 낮아진다.
한편, 제어부(140)는, 도달 시점부터 배터리(B)의 전압이 방전 임계 전압보다 높아지기 전에, 충전기(240)에 의한 배터리(B)의 충전이 재개되면, 잔여 시간의 예측을 중단하고, 가장 최근에 예측된 잔여 시간을 메모리에 저장할 수 있다.
전술한 실시예는 배터리가 방전되는 상황에서 적용될 수 있다. 하지만 본 발명은 배터리가 충전되는 상황에서도 유사하게 적용될 수 있다.
배터리가 충전되는 경우 충전 임계 전압은 충전 상한 전압보다 소정 레벨만큼 낮게 설정되는데, 지연 시간 팩터와 출력 유지 시간을 동시에 고려하여 결정되는 것은 방전 임계 전압의 결정 방식과 동일하다.
또한, 배터리(B)의 전압이 충전 임계 전압 이상으로 증가하면 충전 전류 또는 충전 출력을 감쇄시키기 위해 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정할 수 있다. 이 경우, 감쇄 목표 전류값을 결정할 때 사용되는 수식 3에 있어서, Vmin은 충전 상한 전압인 Vmax 값으로 대체될 수 있다.
또한, 충전 임계 전압의 레벨을 결정할 때에는, 방전 프로파일들 대신 충전 프로파일들이 활용된다.
충전 프로파일들은 배터리(B)의 충전 상태와 온도 별로 정전류 충전 실험을 시행하여 얻을 수 있다.
각 정전류 충전 실험에서 사용되는 충전 전류의 크기는 HPPC 법으로 정한 최대 충전 전류값을 설정한다. 충전 최대 전류값은 배터리(B)의 충전 상태와 온도에 따라 달라질 수 있다.
한편, HPPC 법으로 정한 최대 충전 전류값이 배터리(B)가 견딜 수 있는 충전 상한 전류값보다 크면 최대 충전 전류값은 충전 상한 전류값으로 대체될 수 있다.
또한, 감쇄 모드에서 출력 파라미터를 결정할 때, 배터리(B)가 충전될 때의 출력은 감쇄 목표 전류값으로 결정된 전류값을 기준으로 결정될 수 있다.
배터리(B)가 충전되는 동안 결정된 출력 파라미터는 통신 인터페이스(160)를 통해 부하 장치(200)의 제어 시스템(210)으로 제공될 수 있다.
제어 시스템(210)은 출력 파라미터가 제공되면, 전력 변환부(220)를 제어함으로써 배터리(B)의 충전 전류를 출력 파라미터에 포함된 전류값 범위 내에서 통제하거나 배터리(B)의 충전 출력을 출력 파라미터에 포함된 출력 값의 범위 내에서 통제한다. 또한, 바람직하게는, 배터리(B)의 충전 전류 또는 충전 출력을 출력 파라미터에 포함된 전류값 또는 출력값을 향해 수렴하도록 단계적으로 감쇄시키는 제어를 행할 수 있다.
배터리(B)가 충전되는 동안, 배터리(B)의 전압이 충전 임계 전압을 초과하지 않으면, 파워 맵을 이용하여 배터리(B)의 최대 충전 전류값을 결정할 수 있고, 결정된 최대 충전 전류값으로부터 배터리(B)의 충전 출력을 결정할 수 있다. 이를 위해, 파워 맵은 배터리(B)의 충전 상태 및 온도 별로 미리 정의된 최대 충전 전류값에 관한 참조 데이터를 더 포함할 수 있다.
<실험예>
이하에서는 본 발명에 따른 실험예를 설명한다. 여기에서 설명되는 실험예는 본 발명의 효과를 서술하기 위해서 제공되는 것으로 본 발명의 기술적 사상이 실험예로서 개시되는 내용에 의해 한정되는 것은 아니다.
먼저, 총 용량이 36Ah이고 충전 상태가 20%인 리튬 배터리를 준비하였다. 리튬 배터리는 양극재로서 리튬 금속 산화물을, 음극재로서 그라파이트를 포함하고 있다. 이어서, 충방전 전력을 조절할 수 있는 충방전 시뮬레이터에 리튬 배터리를 연결하였다. 그런 다음, 25도 조건에서 360A의 크기를 갖는 방전 전류로 방전을 시키면서 방전 프로파일을 측정하였다.
방전 중인 배터리(B)의 출력을 감쇄시키는 기준이 되는 방전 임계 전압은 2.87V로 설정하였다. 방전 임계 전압의 결정 시 지연 시간 팩터는 2초이고, 출력 유지 시간은 6초로 설정하였다.
배터리(B)가 360A의 크기로 정전류 방전되는 동안 배터리(B)의 전압이 2.87V로 낮아졌을 때부터 본 발명의 실시예에 따라 배터리(B)의 방전 출력을 감쇄시켰다. 즉, 수식 3을 이용하여 감쇄 목표 전류값을 결정하고 감쇄 목표 전류값에 단계적으로 근접하도록 충방전 시뮬레이터를 제어하여 배터리(B)의 방전 전류 크기를 30A씩 단계적으로 낮추었다. 이러한 과정에서 배터리(B)의 전압 변화를 측정해 보았다.
수식 3의 파라미터 값들로서, Vmin은 2.5V, Vthreshold는 2.87V, (dR/dt)max는 0.4305759mΩ, R0는 0.0010618 mΩ, (t1-t0)는 6초, I0은 360A로 설정하였다.
도 8은 본 실험에서 측정한 전압 측정 결과를 보여준다. 도 8에서, 점선 그래프는, 리튬 배터리의 출력을 감쇄시키지 않았을 때의 전압 변화 개형을 보여준다. 반면, 실선은 리튬 배터리의 출력을 2.87V부터 감쇄시켰을 때의 전압 변화 개형을 보여준다.
2개의 전압 변화 개형을 비교하면, 본 발명의 실시예에 따라 리튬 배터리의 출력이 감쇄되었을 경우 리튬 배터리의 전압이 방전 임계 전압에 도달된 이후 급격하게 떨어지지 않고 전압 감소의 정도가 감쇄되는 것을 알 수 있다.
또한, 리튬 배터리의 출력이 감쇄되지 않은 경우는 리튬 배터리의 전압이 4.5초 만에 방전 하한 전압에 도달하였다. 하지만 리튬 배터리의 전압이 방전 임계 전압에 도달했을 때부터 출력 감쇄가 적용된 경우는 리튬 배터리의 전압 레벨이 6 초 이상의 충분한 시간 동안 방전 하한 전압보다 높게 유지된 것을 확인할 수 있다. 이러한 실험 결과는, 본 발명이 안정성이 있고 신뢰성이 있는 출력 조정 기술임을 뒷받침해 준다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
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 (10)

  1. 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 배터리의 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 배터리가 방전되는 동안 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나를 기초로, 충전 상태를 결정하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압에 도달하였는지 판정하고,
    상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 것으로 판정 시, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 도달 시점을 기록하고, 상기 충전 상태를 기초로 방전 프로파일을 결정하되, 상기 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 기록된 것이며,
    상기 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 저항 변화율의 최대값을 획득하고,
    상기 방전 임계 전압, 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압, 상기 도달 시점 이후인 현 시점에 측정된 상기 배터리의 전류 및 상기 저항 변화율의 최대값을 기초로, 상기 배터리의 전압이 현 시점으로부터 상기 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하며,
    상기 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력하는, 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 1을 이용하여, 상기 잔여 시간을 예측하되,
    [수식 1]
    Figure PCTKR2017011551-appb-I000008
    상기 수식 1에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, tr은 상기 잔여 시간인, 배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 도달 시점을 기준으로 과거의 소정 시간동안에 소정 횟수 이상 측정된 상기 배터리의 전류의 절대값에 대한 평균값을 산출하고,
    상기 평균값과 상기 정전류를 기초로, 잔여 시간 보정용 가중치를 결정하고,
    하기의 수식 2을 이용하여, 상기 잔여 시간을 예측하되,
    [수식 2]
    Figure PCTKR2017011551-appb-I000009
    상기 수식 2에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, K는 상기 가중치이고, tr은 상기 잔여 시간인, 배터리 관리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 평균값이 상기 정전류보다 제1 기준값 이상 큰 경우, 상기 가중치에 1보다 작고 0보다 큰 값을 할당하고,
    상기 평균값이 상기 정전류보다 제2 기준값 이상 작은 경우, 상기 가중치에 1보다 큰 값을 할당하며,
    상기 평균값이 상기 정전류에 제1 기준값을 합한 값보다는 작고 상기 정전류에서 제2 기준값을 뺀 값보다는 큰 경우, 상기 가중치에 1을 할당하는, 배터리 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 방전되는 동안, 상기 측정된 온도를 더 기초로 상기 충전 상태를 결정하는, 배터리 관리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 예측된 잔여 시간이 출력 유지 시간 이상인지 판정하고,
    상기 예측된 잔여 시간이 상기 출력 유지 시간 미만인 것으로 판정 시, 감쇄 모드에서 감쇄 목표 전류값을 결정하되,
    상기 출력 유지 시간은,
    상기 배터리 관리 장치와 통신 가능하게 연결된 부하 장치로부터 요청되는 것인, 배터리 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 3을 이용하여, 상기 감쇄 목표 전류값을 결정하되,
    [수식 3]
    Figure PCTKR2017011551-appb-I000010
    상기 수식 3에서, I0는 상기 도달 시점에 측정된 상기 배터리의 전류이고, Vmin은 상기 방전 하한 전압이며, Vthreshold는 상기 방전 임계 전압이고, R0는 상기 배터리의 미리 정해진 내부 저항이며, tm은 상기 출력 유지 시간이고, (dR/dt)max는 상기 저항 변화율의 최대값이며, Iderate는 상기 감쇄 목표 전류값인, 배터리 관리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 도달 시점부터 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압보다 높아질 때까지, 상기 잔여 시간을 주기적으로 갱신하는, 배터리 관리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 도달 시점부터 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압보다 높아지기 전에 상기 배터리의 충전이 재개되면, 상기 잔여 시간의 예측을 중단하고, 가장 최근에 예측된 잔여 시간을 메모리에 저장하는, 배터리 관리 장치.
  10. 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 단계;
    상기 배터리가 방전되는 동안 측정된 전압 및 전류 중 적어도 하나를 기초로, 충전 상태를 결정하는 단계;
    상기 배터리의 전압이 미리 정해진 방전 임계 전압에 도달하였는지 판정하는 단계;
    상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 것으로 판정 시, 상기 배터리의 전압이 상기 방전 임계 전압에 도달한 도달 시점을 기록하고, 상기 충전 상태를 기초로 방전 프로파일을 결정하되, 상기 방전 프로파일을 정의하는 데이터는 소정 레벨의 정전류를 이용한 사전 실험을 통해 기록된 것인 단계;
    상기 방전 프로파일에 대하여 미리 정해진 저항 변화율의 최대값을 획득하는 단계;
    상기 방전 임계 전압, 상기 방전 임계 전압보다 낮게 미리 정해진 방전 하한 전압, 상기 도달 시점 이후인 현 시점에 측정된 상기 배터리의 전류 및 상기 저항 변화율의 최대값을 기초로, 상기 배터리의 전압이 현 시점으로부터 상기 방전 하한 전압에 도달할 때까지의 잔여 시간을 예측하는 단계; 및
    상기 예측된 잔여 시간을 통지하는 메시지를 출력하는 단계;를 포함하는, 배터리 관리 방법.
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