WO2021215824A1 - 저전압 셀 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템 - Google Patents

저전압 셀 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템 Download PDF

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WO2021215824A1
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a low-voltage cell detection method for detecting a low-voltage cell that inhibits battery stability among a plurality of battery cells, and a battery management system providing the same.
  • An electric vehicle is a vehicle using a battery engine operated by electric energy output from a battery.
  • Such an electric vehicle uses a battery in which a plurality of battery cells capable of charging and discharging are formed as a battery module or a battery pack as a main power source. Accordingly, the electric vehicle does not generate exhaust gas and has an advantage in reducing low noise.
  • a hybrid vehicle is a vehicle in an intermediate stage between a vehicle using an internal combustion engine and an electric vehicle, and is a vehicle using two or more power sources, for example, an internal combustion engine and a battery motor.
  • hybrid vehicles of a hybrid type such as using an internal combustion engine and a fuel cell that directly obtains electrical energy by causing a chemical reaction while continuously supplying hydrogen and oxygen, or using a battery and a fuel cell, are being developed.
  • a low voltage cell having a voltage lower than a specific value for various reasons.
  • the overall voltage of the battery drops, causing frequent cell balancing and UV (Under Voltage) diagnosis, thereby threatening the stability of the entire battery.
  • the present invention provides a low-voltage cell detection method for detecting a low-voltage cell based on a change amount of a state of charge (SOC) before the operation of each of a plurality of battery cells is stopped and after the operation of the vehicle is resumed, and providing the same We want to provide a battery management system.
  • SOC state of charge
  • a method for detecting a low voltage cell is a method for detecting a low voltage cell of a battery system including a plurality of battery cells and a battery management system for managing the plurality of battery cells, extracting the first SOC of each of the plurality of battery cells calculated before, extracting the second SOC of each of the plurality of battery cells calculated in synchronization with the time when the vehicle is restarted, the plurality of batteries Comparing the difference value between the first SOC and the second SOC of each cell with a predetermined discharge threshold, and detecting the low voltage cell by determining whether the voltage is low for each of the plurality of battery cells according to the comparison result step, wherein the discharge threshold is based on an amount of change in SOC of a normal cell during a period in which the vehicle is stopped.
  • the discharge threshold is based on a stop period, which is a period in which the vehicle is stopped, a first SOC reduction rate due to discharging of the battery cell itself during the stop period, and a second SOC reduction rate according to energy consumption of the battery management system can be calculated by
  • the discharge threshold may be calculated by multiplying the sum of the first SOC reduction rate and the second SOC reduction rate by the stop period and an error correction value.
  • the method may further include comparing the stop period with a threshold period, and if it is determined that the stop period is greater than or equal to the threshold period as a result of the comparison, reviewing the comparison with the predetermined discharge threshold can do.
  • the first SOC is an SOC last calculated before the operation of the vehicle is terminated
  • the second SOC is an SOC calculated first after the operation of the vehicle is resumed
  • the critical period is the first It may be a minimum period for calculating a difference value between the SOC and the second SOC.
  • the detecting of the low voltage cell may include detecting a corresponding battery cell as the low voltage cell by determining the low voltage when a difference value between the first SOC and the second SOC is equal to or greater than the discharge threshold.
  • a battery management system is a system for managing a battery by detecting a low voltage cell, it is connected to both ends of each of a plurality of battery cells to measure the cell voltage and the battery current of each of the plurality of battery cells a cell monitoring IC; and a main control circuit configured to calculate the SOC of each of the plurality of battery cells based on at least one of the measured cell voltage and the battery current of each of the plurality of battery cells, the main control circuit comprising: The difference between the first SOC of each of the plurality of battery cells calculated before the operation of the vehicle is terminated and the second SOC of each of the plurality of battery cells calculated in synchronization with the time when the operation of the vehicle is resumed is discharged by a predetermined amount
  • the low voltage cell is detected by comparing it with a threshold value and determining whether the voltage is low for each of the plurality of battery cells according to the comparison result, and the discharge threshold is based on the SOC variation of the normal cell during the period when the vehicle is stopped.
  • the discharge threshold is based on a stop period, which is a period in which the vehicle is stopped, a first SOC reduction rate due to discharging of the battery cell itself during the stop period, and a second SOC reduction rate according to energy consumption of the battery management system can be calculated by
  • the discharge threshold may be calculated by multiplying the sum of the first SOC reduction rate and the second SOC reduction rate by the stop period and the error correction value.
  • the main control circuit may detect the low voltage cell by comparing the stop period with the threshold period and determining whether the voltage is low for each of the plurality of battery cells when the stop period is equal to or greater than the threshold period.
  • the first SOC is an SOC last calculated before the operation of the vehicle is terminated
  • the second SOC is an SOC first calculated after the operation of the vehicle is resumed
  • the critical period is the first SOC It may be a minimum period for calculating a difference value between and the second SOC.
  • the main control circuit may determine the low voltage and detect a corresponding battery cell as the low voltage cell.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for detecting a low voltage cell according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery system according to an embodiment.
  • the battery system 1 includes a battery pack 2 , a Battery Management System (BMS) 3 , a relay 11 , and a current sensor 12 .
  • BMS Battery Management System
  • the battery pack 2 includes a plurality of battery cells Cell1-Celln that are electrically connected.
  • the battery cell may be a rechargeable secondary cell.
  • a predetermined number of battery cells may be connected in series to form a battery module, and a predetermined number of battery modules may be connected in series and parallel to form the battery pack 2 to supply desired power.
  • Each of the plurality of battery cells Cell1-Celln is electrically connected to the BMS 3 through wiring.
  • the BMS 3 collects and analyzes various information on battery cells including information on a plurality of battery cells (Cell1-Celln) to control charging and discharging of battery cells, cell balancing, protection operations, etc., and relay 11 ) can be controlled.
  • the BMS 3 may detect a low voltage cell by collecting and analyzing various information about the plurality of battery cells Cell1-Celln.
  • the battery pack 2 includes a plurality of battery cells Cell1-Celln connected in series, and is connected between two output terminals OUT1 and OUT2 of the battery system 1 , and the battery system 1 ), the relay 11 is connected between the positive electrode and the output terminal OUT1, and the current sensor 12 is connected between the negative electrode of the battery system 1 and the output terminal OUT2.
  • the components shown in FIG. 1 and the connection relationship between the components are an example, and the invention is not limited thereto.
  • the relay 11 controls the electrical connection between the battery system 1 and an external device. When the relay 11 is turned on, the battery system 1 and the external device are electrically connected to charge or discharge, and when the relay 11 is turned off, the battery system 1 and the external device are electrically separated.
  • the external device may be a load or a charger.
  • the current sensor 12 is connected in series to a current path between the battery pack 2 and an external device.
  • the current sensor 12 may measure a current flowing through the battery pack 2 , that is, a charging current and a discharging current, and transmit the measurement result to the BMS 3 .
  • the BMS 3 includes a cell balancing circuit 10 , a cell monitoring IC 20 , and a main control circuit 30 .
  • the cell balancing circuit 10 includes a plurality of switches SW1-SWn and a plurality of resistors R1-Rn. Each of the plurality of switches SW1-SWn performs a switching operation according to a corresponding switching signal among the plurality of switching signals SC[1]-SC[n] supplied from the cell monitoring IC 20 .
  • a corresponding switch SWi and a resistor Ri are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the corresponding cell Celli.
  • i is one of the natural numbers from 1 to n.
  • the cell monitoring IC 20 is electrically connected to a positive electrode and a negative electrode of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln, and measures a cell voltage.
  • a current (hereinafter, referred to as a battery current) value measured by the current sensor 12 may be transmitted to the cell monitoring IC 20 .
  • the cell monitoring IC 20 transmits information about the measured cell voltage and battery current to the main control circuit 30 . Specifically, the cell monitoring IC 20 measures the cell voltage of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln every predetermined period during a rest period in which charging and discharging do not occur, and based on the measured cell voltage, the battery current can be calculated.
  • the cell monitoring IC 20 transmits a cell voltage and a battery current of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln to the main control circuit 30 .
  • the cell monitoring IC 20 may discharge a cell balancing target cell among the plurality of battery cells Cell1-Celln through the cell balancing circuit 10 according to a cell balancing control signal transmitted from the main control circuit 30 .
  • the cell monitoring IC 20 may generate a plurality of switching signals SC[1] to SC[n] according to the cell balancing control signal of the main control circuit 30 .
  • Each of the switching signals SC[1] to SC[n] may control a switching operation of a corresponding switch SWi.
  • the switch SWi is turned on to discharge the corresponding cell Celli.
  • the cell monitoring IC 20 frequently performs cell balancing under the control of the main control circuit 30 . do. If a low voltage cell exists and frequent cell balancing is performed, the safety of the battery pack 2 is impaired.
  • the main control circuit 30 may calculate a state of charge (SOC) based on at least one of a cell voltage and a battery current of each of the plurality of battery cells Cell1 -Celln.
  • the main control circuit 30 stores the last calculated SOC, that is, the first SOC, among the SOCs of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln when the BMS 3 enters the sleep mode after the operation of the vehicle is terminated. Thereafter, when the operation of the electric vehicle is resumed and the BMS 3 wakes up, the main control circuit 30 is synchronized with the time when the operation of the electric vehicle is resumed and calculates the SOC of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln do.
  • the first SOC calculated after the operation of the electric vehicle is resumed is the second SOC.
  • the main control circuit 30 obtains a difference between the first SOC and the second SOC of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln.
  • the main control circuit 30 determines that the battery cell is a low voltage and detects a corresponding battery cell as a low voltage cell.
  • the discharge threshold K is based on the SOC variation of the normal cell during the period in which the operation of the electric vehicle is stopped.
  • the low-voltage cell is a battery cell having a voltage lower than a predetermined reference voltage, and the amount of change in SOC during the period when the operation of the electric vehicle is stopped is greater than the amount of change in SOC of the normal cell.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for detecting a low voltage cell according to an exemplary embodiment.
  • the main control circuit 30 stores the first SOC of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln ( S10 and S20 ).
  • the first SOC is the last calculated SOC before the operation of the electric vehicle is terminated.
  • the SOC of a battery cell cannot be directly measured.
  • the SOC is calculated by measuring the specific gravity and PH of the electrolyte in the battery, the SOC is calculated by measuring the voltage of the battery cell, or the SOC is measured by measuring the battery current and integrating it with respect to time Alternatively, the SOC can be calculated using the property that the pressure inside the battery rapidly increases when charging a NiMH battery.
  • the main control circuit 30 may calculate the SOC of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln in various conventionally known methods at predetermined intervals during a rest period in which charging/discharging does not occur, or may calculate in real time.
  • the main control circuit 30 calculates and stores the second SOC of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln ( S30 and S40 ).
  • the second SOC is an SOC first calculated immediately after the operation of the electric vehicle is resumed.
  • the BMS 3 When the operation of the electric vehicle is finished, the BMS 3 enters the sleep mode and does not measure the voltage of the battery cell or calculate the SOC of the battery cell. When the operation of the electric vehicle is resumed, the BMS 3 wakes up and operates normally. In this case, the main control circuit 30 calculates and stores the SOC of each of the plurality of battery cells Cell1-Celln in synchronization with the time when the operation of the electric vehicle is resumed.
  • the main control circuit 30 extracts the first SOC and the second SOC of each of the plurality of pre-stored battery cells Cell1-Celln, and detects the low-voltage cell based thereon. can do.
  • the main control circuit 30 compares a period in which the operation of the electric vehicle is stopped, that is, a stop period Tp and a critical period Tt ( S50 ). If the period during which the electric vehicle is stopped is too short, the SOC variation rate is small, making it difficult to detect low-voltage cells.
  • the threshold period Tt is a minimum period during which a difference value between the first SOC and the second SOC can be calculated. For example, when the stop period Tp is increased, a difference value between the first SOC and the second SOC also increases.
  • the main control circuit 30 may determine that the Diagnostic Trouble Code (DTC) is impossible (S60). ).
  • the failure diagnosis impossible (NO DTC) may include a case in which a low-voltage cell cannot be detected among the plurality of battery cells Cell1-Celln or a case in which no low-voltage cell exists.
  • the main control circuit 30 performs the first SOC and the second SOC of each of the plurality of pre-stored battery cells Cell1-Celln.
  • the difference between the two SOCs is compared with a predetermined discharge threshold K ( S70 ).
  • the discharge threshold K may be based on the amount of SOC variation of the normal cell during the period in which the operation of the electric vehicle is stopped, that is, the stop period Tp.
  • the discharge threshold K is the sum of the first SOC reduction rate due to discharging of the battery cell itself and the second SOC reduction rate due to the energy consumption of the BMS 3 during the stop period Tp, the error correction value and the stop period It can be calculated by multiplying
  • the first SOC reduction rate and the second SOC reduction rate may be calculated as an average value or the like based on experimental data of a plurality of normal cells.
  • the first SOC reduction rate is the amount of SOC change reduced during one day because the battery cells themselves consume energy even when the battery pack 2 does not supply power to an external device.
  • the second SOC reduction rate is the amount of SOC change reduced in the battery cell during one day with energy consumed by the BMS 3 even when the battery pack 2 does not supply power to an external device.
  • the error correction value is a value for reflecting dispersion and error in order to prevent erroneous diagnosis, and may be calculated as, for example, 150% (1.5).
  • the first SOC reduction rate is 0.15 (SOC loss/day)
  • the second SOC reduction rate is 0.3 (SOC loss/day)
  • the stop period Tp is 10 days.
  • the main control circuit 30 determines the comparison result as a low voltage and converts the corresponding battery cell to a low voltage cell. is detected (S80).
  • the main control circuit 30 determines that the difference value of 0.7% is the discharge threshold K of 0.675 %, it is determined as a low voltage, and a corresponding first battery cell is detected as a low voltage cell.
  • the main control circuit 30 determines the comparison result as a low voltage, and the corresponding second battery It can be determined that the cell is a normal cell, that is, a failure diagnosis is impossible (NO DTC) (S60).
  • the main control circuit 30 determines that the difference value of 0.5% is the discharge threshold K of 0.675 %, it is not determined as a low voltage, and the corresponding second battery cell may be determined as a normal cell.

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Abstract

본 발명은 저전압 셀 검출 방법 및 이를 제공하는 배터리 관리 시스템{METHOD FOR LOW VOLTAGE CELL DETECTION AND BATTERY MANAGEMENT SYSTEM PROVIDING THE SAME}에 관한 것으로, 본 발명의 배터리 관리 시스템은, 저전압 셀을 검출하여 배터리를 관리하는 시스템에 있어서, 복수의 배터리 셀 각각의 양단에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압 및 배터리 전류를 측정하는 셀 모니터링 IC, 그리고 상기 측정된 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압 및 상기 배터리 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 계산하는 메인 제어 회로를 포함하고, 상기 메인 제어 회로는, 자동차의 운행이 종료되기 전 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 SOC와 상기 자동차의 운행이 재개된 시점에 동기되어 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 SOC 간의 차이값을 소정의 방전 임계치와 비교하고 상기 비교결과에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 저전압 여부를 판단하여 상기 저전압 셀을 검출하고,상기 방전 임계치는, 상기 자동차의 운행이 중단된 기간 동안의 정상 셀의 SOC 변화량에 기초한다.

Description

저전압 셀 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 04월 22일자 한국 특허 출원 제10-2020-0048646호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 복수의 배터리 셀 중 배터리의 안정성을 저해하는 저전압 셀을 검출하는 저전압 셀 검출 방법 및 이를 제공하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주 연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해 발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서, 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차(Electric vehicle) 또는 하이브리드 자동차(Hybrid vehicle)가 개발되고 있다.
전기 자동차는 배터리(Battery)에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 복수의 배터리 셀(battery cell)이 배터리 모듈 또는 배터리 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용한다. 이에 따라, 전기 자동차는 배기 가스를 발생시키지 않으며, 낮은 소음을 낮추는데 있어 장점이 있다.
하이브리드 자동차는 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 모터를 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 동력원인 배터리의 관리가 매우 중요하다. 배터리에 이상 현상이 발생해서 배터리가 발화에 이를 수 있는 상황이 일어나기 전에 배터리의 충전/방전을 제어하거나 배터리와의 연결을 제어해야 한다.
한편, 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀 중 다양한 이유로 전압이 특정 값보다 낮은 저전압 셀(low voltage cell)이 있을 수 있다. 저전압 셀이 포함되면, 배터리 전체 전압은 떨어지고, 잦은 셀 밸런싱(Cell Balancing) 및 UV(Under Voltage) 진단을 유발하여 배터리 전체의 안정성을 위협하게 된다.
본 발명은 복수의 배터리 셀 각각의 자동차의 운행이 중단되기 전과 자동차의 운행이 재개된 이후의 충전상태(SOC; state of charge) 변화량에 기초하여 저전압 셀을 검출하는 저전압 셀 검출 방법 및 이를 제공하는 배터리 관리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 특징에 따른 저전압 셀 검출 방법은, 복수의 배터리 셀 및 상기 복수의 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템의 저전압 셀을 검출하는 방법에 있어서, 자동차의 운행이 종료되기 전에 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 SOC를 추출하는 단계, 상기 자동차의 운행이 재개된 시점에 동기되어 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 SOC를 추출하는 단계, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값을 소정의 방전 임계치와 비교하는 단계, 그리고 상기 비교결과에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 저전압 여부를 판단하여 상기 저전압 셀을 검출하는 단계를 포함하고, 상기 방전 임계치는, 상기 자동차의 운행이 중단된 기간 동안의 정상 셀의 SOC 변화량에 기초한다.
상기 방전 임계치는, 상기 자동차의 운행이 중단된 기간인 정차기간, 상기 정차기간 동안 상기 배터리 셀 자체의 방전에 의한 제1 SOC 감소율, 및 상기 배터리 관리 시스템의 에너지 소비에 따른 제2 SOC 감소율에 기초하여 산출될 수 있다.
상기 방전 임계치는, 상기 제1 SOC 감소율과 상기 제2 SOC 감소율의 합산 값에 상기 정차기간과 오차 보정치를 곱하여 산출될 수 있다.
상기 소정의 방전 임계치와 비교하는 단계 이전에, 상기 정차기간과 임계기간을 비교하는 단계를 더 포함하고, 상기 비교결과 상기 정차기간이 상기 임계기간 이상이면 상기 소정의 방전 임계치와 비교하는 단계를 검토할 수 있다.
상기 제1 SOC는, 상기 자동차의 운행이 종료되기 전 최후에 계산된 SOC이고, 상기 제2 SOC는, 상기 자동차의 운행이 재개된 후 최초에 계산된 SOC이고, 상기 임계기간은, 상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값을 산출할 수 있는 최소한의 기간일 수 있다.
상기 저전압 셀을 검출하는 단계는, 상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값이 상기 방전 임계치 이상이면 상기 저전압으로 판단하여 대응하는 배터리 셀을 상기 저전압 셀로 검출할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 배터리 관리 시스템은, 저전압 셀을 검출하여 배터리를 관리하는 시스템에 있어서, 복수의 배터리 셀 각각의 양단에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압 및 배터리 전류를 측정하는 셀 모니터링 IC, 그리고 상기 측정된 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압 및 상기 배터리 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 계산하는 메인 제어 회로를 포함하고, 상기 메인 제어 회로는, 자동차의 운행이 종료되기 전 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 SOC와 상기 자동차의 운행이 재개된 시점에 동기되어 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 SOC 간의 차이값을 소정의 방전 임계치와 비교하고 상기 비교결과에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 저전압 여부를 판단하여 상기 저전압 셀을 검출하고, 상기 방전 임계치는, 상기 자동차의 운행이 중단된 기간 동안의 정상 셀의 SOC 변화량에 기초한다.
상기 방전 임계치는, 상기 자동차의 운행이 중단된 기간인 정차기간, 상기 정차기간 동안 상기 배터리 셀 자체의 방전에 의한 제1 SOC 감소율, 및 상기 배터리 관리 시스템의 에너지 소비에 따른 제2 SOC 감소율에 기초하여 산출될 수 있다.
상기 방전 임계치는, 상기 제1 SOC 감소율과 상기 제2 SOC 감소율의 합산 값에 상기 정차기간과 오차 보정치를 곱하여 산출될 수 있다.
상기 메인 제어 회로는, 상기 정차기간과 임계기간을 비교하여 상기 정차기간이 상기 임계기간 이상일 때 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 상기 저전압 여부를 판단하여 상기 저전압 셀을 검출할 수 있다.
상기 제1 SOC는, 자동차의 운행이 종료되기 전 최후에 계산된 SOC이고, 상기 제2 SOC는, 상기 자동차의 운행이 재개된 이후 최초에 계산된 SOC이고, 상기 임계기간은, 상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값을 산출할 수 있는 최소한의 기간일 수 있다.
상기 메인 제어 회로는, 상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값이 상기 방전 임계치 이상이면 상기 저전압으로 판단하여 대응하는 배터리 셀을 상기 저전압 셀로 검출할 수 있다.
본 발명은, 신속하고 정밀도 높게 저전압 셀을 검출하여 배터리의 전체의 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 저전압 셀 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 검출되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템(1)는 배터리 팩(2), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(3), 릴레이(11), 및 전류 센서(12)를 포함한다.
배터리 팩(2)은 전기적으로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln)을 포함한다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 소정 개수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 배터리 모듈을 구성하고, 소정 개수의 배터리 모듈이 직렬 및 병렬 연결되어 배터리 팩(2)을 구성하여 원하는 전력을 공급할 수 있다.
복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각은 배선을 통해 BMS(3)에 전기적으로 연결되어 있다. BMS(3)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln)에 대한 정보를 포함한 배터리 셀에 관한 다양한 정보를 취합 및 분석하여 배터리 셀의 충전 및 방전, 셀 밸런싱, 보호 동작 등을 제어하고, 릴레이(11)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, BMS(3)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln)에 대한 다양한 정보를 취합 및 분석하여 저전압 셀(low voltage cell)을 검출할 수 있다.
도 1에서는, 배터리 팩(2)은 직렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln)을 포함하고, 배터리 시스템(1)의 두 출력단(OUT1, OUT2) 사이에 연결되어 있으며, 배터리 시스템(1)의 양극과 출력단(OUT1) 사이에 릴레이(11)가 연결되어 있고, 배터리 시스템(1)의 음극과 출력단(OUT2) 사이에 전류 센서(12)가 연결되어 있다. 도 1에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
릴레이(11)는 배터리 시스템(1)과 외부 장치 간의 전기적 연결을 제어한다. 릴레이(11)가 온 되면, 배터리 시스템(1)과 외부 장치가 전기적으로 연결되어 충전 또는 방전이 수행되고, 릴레이(11)가 오프 되면, 배터리 시스템(1)과 외부 장치가 전기적으로 분리된다. 외부 장치는 부하 또는 충전기일 수 있다.
전류 센서(12)는 배터리 팩(2)과 외부 장치간 전류 경로에 직렬 연결되어 있다. 전류 센서(12)는 배터리 팩(2)에 흐르는 전류 즉, 충전 전류 및 방전 전류를 측정하고, 측정 결과를 BMS(3)에 전달할 수 있다.
BMS(3)는 셀 밸런싱 회로(10), 셀 모니터링 IC(20), 및 메인 제어 회로(30)를 포함한다.
셀 밸런싱 회로(10)는 복수의 스위치(SW1-SWn) 및 복수의 저항(R1-Rn)을 포함한다. 복수의 스위치(SW1-SWn) 각각은 셀 모니터링 IC(20)로부터 공급되는 복수의 스위칭 신호(SC[1]-SC[n]) 중 대응하는 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작한다. 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각에 대해서, 대응하는 스위치(SWi) 및 저항(Ri)은 해당 셀(Celli)의 양극과 음극 사이에 직렬 연결되어 있다. 스위치(SWi)가 턴 온 되면, 해당 셀(Celli), 스위치(SWi), 및 저항(Ri) 사이에 방전 경로가 형성되고, 해당 셀(Celli)이 방전한다. 이 때, i는 1부터 n까지의 자연수 중 하나이다.
셀 모니터링 IC(20)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 양극 및 음극에 전기적으로 연결되어, 셀 전압을 측정한다. 전류 센서(12)에 의해 측정된 전류(이하, 배터리 전류라 함) 값은 셀 모니터링 IC(20)로 전달될 수 있다. 셀 모니터링 IC(20)는 측정된 셀 전압 및 배터리 전류에 대한 정보를 메인 제어 회로(30)에 전달한다. 구체적으로, 셀 모니터링 IC(20)는 충방전이 발생하지 않는 휴식(rest) 기간에 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 셀 전압을 소정 주기 마다 측정하고, 측정된 셀 전압에 기초하여 배터리 전류를 계산할 수 있다. 셀 모니터링 IC(20)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 셀 전압 및 배터리 전류를 메인 제어 회로(30)에 전달한다.
셀 모니터링 IC(20)는 메인 제어 회로(30)로부터 전송되는 셀 밸런싱 제어 신호에 따라 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 중 셀 밸런싱 대상 셀을 셀 밸런싱 회로(10)를 통해 방전시킬 수 있다. 예를 들어, 셀 모니터링 IC(20)는 메인 제어 회로(30)의 셀 밸런싱 제어 신호에 따라 복수의 스위칭 신호(SC[1]~SC[n])를 생성할 수 있다. 스위칭 신호(SC[1]~SC[n]) 각각은 대응하는 스위치(SWi)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 온 레벨의 스위칭 신호(SC[i])가 대응하는 스위치(SWi)에 공급되면, 스위치(SWi)가 턴 온 되어 해당 셀(Celli)이 방전한다.
예를 들어, 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 중 소정의 기준전압보다 전압이 낮은 저전압 셀이 존재하면, 셀 모니터링 IC(20)는 메인 제어 회로(30)의 제어로 잦은 셀 밸런싱을 수행하게 된다. 저전압 셀이 존재하여 잦은 셀 밸런싱이 수행되면, 배터리 팩(2)의 안전성을 해치게 된다.
메인 제어 회로(30)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 셀 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나에 기초하여 SOC(state of charge)를 계산할 수 있다. 메인 제어 회로(30)는 자동차의 운행이 종료되어 BMS(3)가 슬립모드에 진입하면 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 SOC 중 최후에 계산된 SOC, 즉 제1 SOC를 저장한다. 이후, 전기 자동차의 운행이 재개되어 BMS(3)가 웨이크업하면, 메인 제어 회로(30)는 전기 자동차의 운행이 재개된 시점에 동기되어 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 SOC를 계산한다. 전기 자동차의 운행이 재개된 이후 최초에 계산된 SOC는 제2 SOC이다.
메인 제어 회로(30)는 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 제1 SOC와 제2 SOC와의 차이를 구한다. 메인 제어 회로(30)는 제1 SOC와 제2 SOC와의 차이값이 소정의 방전 임계치(K) 이상이면 저전압으로 판단하고 대응하는 배터리 셀을 저전압 셀로 검출한다. 이때, 방전 임계치(K)는 전기 자동차의 운행이 중단된 기간 동안의 정상 셀의 SOC 변화량에 기초한다. 저전압 셀은 소정의 기준전압보다 전압이 낮은 배터리 셀이며, 전기 자동차의 운행이 중단된 기간 동안의 SOC 변화량이 정상 셀의 SOC 변화량보다 크다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 메인 제어 회로(30)의 저전압 셀 검출 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템(1)을 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 저전압 셀 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 메인 제어 회로(30)는 전기 자동차의 운행이 종료되면, 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 제1 SOC를 저장한다(S10, S20). 이때, 제1 SOC는 전기 자동차의 운행이 종료되기 전 최후에 계산된 SOC이다.
배터리 셀의 SOC는 직접 측정이 불가능하다. 배터리 셀의 SOC를 간접 측정하는 방법으로, 배터리의 전해질의 비중과 PH를 측정하여 SOC를 계산하거나, 배터리 셀의 전압을 측정하여 SOC를 계산하거나, 배터리 전류를 측정하고 이를 시간에 대해 적분하여 SOC를 계산하거나, NiMH 배터리는 충전할 때 배터리 내부 압력이 급속히 증가하는 성질을 이용하여 SOC를 계산할 수 있다. 메인 제어 회로(30)는 종래 알려진 다양한 방법으로 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 SOC를 충방전이 발생하지 않는 휴식(rest) 기간에 소정 주기마다 계산하거나, 실시간 계산할 수 있다.
다음으로, 메인 제어 회로(30)는 전기 자동차의 운행이 재개되면, 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 제2 SOC를 계산하여 저장한다(S30, S40). 이때, 제2 SOC는, 전기 자동차의 운행이 재개된 직후 최초에 계산된 SOC이다.
전기 자동차의 운행이 종료되면, BMS(3)는 슬립모드에 진입하여 배터리 셀의 전압 측정, 배터리 셀의 SOC 계산 등을 수행하지 않는다. 전기 자동차의 운행이 재개되면, BMS(3)는 웨이크업 하여 정상 동작한다. 이때, 메인 제어 회로(30)는 전기 자동차의 운행이 재개된 시점에 동기되어 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 SOC를 계산하여 저장한다.
예를 들어, 메인 제어 회로(30)는 전기 자동차의 운행이 재개된 이후, 기 저장된 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 제1 SOC 및 제2 SOC를 추출하고 이에 기초하여 저전압 셀을 검출할 수 있다.
다음으로, 메인 제어 회로(30)는 전기 자동차의 운행이 중단된 기간, 즉, 정차기간(Tp)과 임계기간(critical period)(Tt)을 비교한다(S50). 전기 자동차의 운행이 중단된 기간이 너무 짧으면 SOC 변동율이 작아서 저전압 셀의 검출이 어렵다. 이때, 임계기간(Tt)은, 제1 SOC와 제2 SOC 간의 차이값을 산출할 수 있는 최소한의 기간이다. 예를 들어, 정차기간(Tp) 길어지면 제1 SOC와 제2 SOC 간의 차이값도 증가한다.
다음으로, 전기 자동차의 정차기간(Tp)이 임계기간(Tt) 미만이면(S50, No), 메인 제어 회로(30)는 고장 진단(Diagnostic Trouble Code; DTC)이 불가능 하다고 판단할 수 있다(S60). 이때, 고장진단 불가(NO DTC)는, 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 중 저전압 셀을 검출할 수 없는 경우, 또는 저전압 셀이 하나도 존재하지 않는 경우를 포함할 수 있다.
다음으로, 전기 자동차의 정차기간(Tp)이 임계기간(Tt) 이상이면(S50, Yes), 메인 제어 회로(30)는 기 저장된 복수의 배터리 셀(Cell1-Celln) 각각의 제1 SOC와 제2 SOC 간의 차이값과 소정의 방전 임계치(K)를 비교한다(S70).
방전 임계치(K)는 전기 자동차의 운행이 중단된 기간, 즉, 정차기간(Tp) 동안의 정상 셀의 SOC 변화량에 기초할 수 있다. 예를 들어, 방전 임계치(K)는 정차기간(Tp) 동안 배터리 셀 자체의 방전에 의한 제1 SOC 감소율과 BMS(3)의 에너지 소비에 따른 제2 SOC 감소율의 합에, 오차 보정치와 정차기간을 곱하여 계산될 수 있다. 이때, 제1 SOC 감소율 및 제2 SOC 감소율은 복수의 정상 셀의 실험 데이터에 기초하여 평균값 등으로 산출될 수 있다.
제1 SOC 감소율은, 배터리 팩(2)이 외부 장치로 전력을 공급하지 않아도 배터리 셀 스스로 에너지를 소비하여 하루 동안 감소한 SOC 변화량이다. 제2 SOC 감소율은, 배터리 팩(2)이 외부 장치로 전력을 공급하지 않아도 BMS(3)에 의해 소비되는 에너지로 배터리 셀에서 하루 동안 감소한 SOC 변화량이다. 오차 보정치는, 오진단 방지를 위해 산포 및 에러(error)를 반영하기 위한 값으로, 예를 들어, 150%(1.5)로 산정될 수 있다.
예를 들어, 제1 SOC 감소율이 0.15(SOC loss/Day)이고, 제2 SOC 감소율이 0.3(SOC loss/Day)이고, 정차기간(Tp)이 10일이라고 가정하자. 방전 임계치(K) = (0.15 + 0.3)(SOC loss/Day)×1.5×10(Day)= 0.675%로 계산될 수 있다.
다음으로, 비교결과 제1 SOC와 제2 SOC 간의 차이값이 방전 임계치(K) 이상이면(S70, Yes), 메인 제어 회로(30)는 비교결과를 저전압으로 판단하고 대응하는 배터리 셀을 저전압 셀로 검출한다(S80).
예를 들어, 정차기간(Tp) 10일 동안 제1 배터리 셀의 제1 SOC와 제2 SOC 간의 차이값이 0.7%이면, 메인 제어 회로(30)는 차이값 0.7%가 방전 임계치(K) 0.675%보다 크므로 저전압으로 판단하고, 대응하는 제1 배터리 셀을 저전압 셀로 검출한다.
다음으로, 비교결과 제1 SOC와 제2 SOC 간의 차이값이 방전 임계치(K) 미만이면(S70, No), 메인 제어 회로(30)는 비교결과를 저전압으로 판단하지 않고, 대응하는 제2 배터리 셀을 정상 셀, 즉, 고장진단 불가(NO DTC)로 판단할 수 있다(S60).
예를 들어, 정차기간(Tp) 10일 동안 제2 배터리 셀의 제1 SOC와 제2 SOC 간의 차이값이 0.5%이면, 메인 제어 회로(30)는 차이값 0.5%가 방전 임계치(K) 0.675%보다 작으므로 저전압으로 판단하지 않고, 대응하는 제2 배터리 셀을 정상 셀로 판단할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 저전압 셀을 검출하여 배터리를 관리하는 시스템에 있어서,
    복수의 배터리 셀 각각의 양단에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압 및 배터리 전류를 측정하는 셀 모니터링 IC, 그리고
    상기 측정된 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압 및 상기 배터리 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 계산하는 메인 제어 회로를 포함하고,
    상기 메인 제어 회로는, 자동차의 운행이 종료되기 전 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 SOC와 상기 자동차의 운행이 재개된 시점에 동기되어 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 SOC 간의 차이값을 소정의 방전 임계치와 비교하고 상기 비교결과에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 저전압 여부를 판단하여 상기 저전압 셀을 검출하고,
    상기 방전 임계치는, 상기 자동차의 운행이 중단된 기간 동안의 정상 셀의 SOC 변화량에 기초하는, 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전 임계치는,
    상기 자동차의 운행이 중단된 기간인 정차기간, 상기 정차기간 동안 상기 배터리 셀 자체의 방전에 의한 제1 SOC 감소율, 및 상기 배터리 관리 시스템의 에너지 소비에 따른 제2 SOC 감소율에 기초하여 산출되는, 배터리 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방전 임계치는,
    상기 제1 SOC 감소율과 상기 제2 SOC 감소율의 합산 값에 상기 정차기간과 오차 보정치를 곱하여 산출되는, 배터리 관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메인 제어 회로는,
    상기 정차기간과 임계기간을 비교하여 상기 정차기간이 상기 임계기간 이상일 때 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 상기 저전압 여부를 판단하여 상기 저전압 셀을 검출하는, 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 SOC는, 자동차의 운행이 종료되기 전 최후에 계산된 SOC이고,
    상기 제2 SOC는, 상기 자동차의 운행이 재개된 이후 최초에 계산된 SOC이고,
    상기 임계기간은, 상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값을 산출할 수 있는 최소한의 기간인, 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메인 제어 회로는,
    상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값이 상기 방전 임계치 이상이면 상기 저전압으로 판단하여 대응하는 배터리 셀을 상기 저전압 셀로 검출하는, 배터리 관리 시스템.
  7. 복수의 배터리 셀 및 상기 복수의 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템의 저전압 셀을 검출하는 방법에 있어서,
    자동차의 운행이 종료되기 전에 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 SOC를 추출하는 단계,
    상기 자동차의 운행이 재개된 시점에 동기되어 계산된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제2 SOC를 추출하는 단계,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값을 소정의 방전 임계치와 비교하는 단계, 그리고
    상기 비교결과에 따라 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 저전압 여부를 판단하여 상기 저전압 셀을 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 방전 임계치는, 상기 자동차의 운행이 중단된 기간 동안의 정상 셀의 SOC 변화량에 기초하는, 저전압 셀 검출 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방전 임계치는,
    상기 자동차의 운행이 중단된 기간인 정차기간, 상기 정차기간 동안 상기 배터리 셀 자체의 방전에 의한 제1 SOC 감소율, 및 상기 배터리 관리 시스템의 에너지 소비에 따른 제2 SOC 감소율에 기초하여 산출되는, 저전압 셀 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방전 임계치는,
    상기 제1 SOC 감소율과 상기 제2 SOC 감소율의 합산 값에 상기 정차기간과 오차 보정치를 곱하여 산출되는, 저전압 셀 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 소정의 방전 임계치와 비교하는 단계 이전에,
    상기 정차기간과 임계기간을 비교하는 단계를 더 포함하고,
    상기 비교결과 상기 정차기간이 상기 임계기간 이상이면 상기 소정의 방전 임계치와 비교하는 단계를 검토하는, 저전압 셀 검출 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 SOC는, 상기 자동차의 운행이 종료되기 전 최후에 계산된 SOC이고,
    상기 제2 SOC는, 상기 자동차의 운행이 재개된 후 최초에 계산된 SOC이고,
    상기 임계기간은, 상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값을 산출할 수 있는 최소한의 기간인, 저전압 셀 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 저전압 셀을 검출하는 단계는,
    상기 제1 SOC와 상기 제2 SOC 간의 차이값이 상기 방전 임계치 이상이면 상기 저전압으로 판단하여 대응하는 배터리 셀을 상기 저전압 셀로 검출하는, 저전압 셀 검출 방법.
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