WO2022250332A1 - 배터리 팩 온도 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

배터리 팩 온도 제어 방법 및 시스템 Download PDF

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WO2022250332A1
WO2022250332A1 PCT/KR2022/006626 KR2022006626W WO2022250332A1 WO 2022250332 A1 WO2022250332 A1 WO 2022250332A1 KR 2022006626 W KR2022006626 W KR 2022006626W WO 2022250332 A1 WO2022250332 A1 WO 2022250332A1
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batteries
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김태호
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케이지씨 주식회사
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method and system for controlling the temperature of a battery pack using a heater or cooler.
  • Lithium ion batteries are widely used in various fields due to their light weight. Specifically, lithium ion batteries have been used in portable electronic devices such as mobile phones and laptops, and recently, their use in electric vehicles has been expanded. In order to secure a battery capacity for use in an electric vehicle or the like, a battery pack in which a plurality of lithium ion batteries are densely packed has been used.
  • an electric vehicle 10 may be equipped with a battery pack 12 for driving an engine 11 and devices included in the vehicle.
  • the battery pack 12 may include a plurality of batteries 13 .
  • Batteries may be exposed to various temperatures depending on their use environment.
  • the battery 13 built into a vehicle may be frequently exposed to a low or high temperature environment. Battery performance may deteriorate at low or high temperatures, which may have a fatal effect on vehicle operation.
  • a heating sheet or a temperature control device capable of adjusting the temperature of the entire battery pack. Since the above-described temperature control means operates using power from a battery pack, when the temperature control means is excessively driven, energy efficiency of the battery is degraded.
  • One object of the present invention is to provide a data learning method capable of accurately estimating the current state of a battery pack in various environments.
  • Another object of the present invention is to provide a method and system capable of controlling the temperature of a battery pack with optimum efficiency according to the state of the battery pack.
  • the present invention provides a temperature control method of a battery pack equipped with a temperature controller that operates when power is supplied.
  • the present invention includes the steps of setting a target value for the available output of a battery pack, estimating the available output value of the battery pack based on the ambient temperature of the battery pack and state information of each of a plurality of batteries included in the battery pack, and the estimated available output.
  • the estimating the available output value of the battery pack and the re-estimating the available output value of the battery pack may include location information of each of the plurality of batteries, surface temperature of each of the plurality of batteries, and An available output value of the battery may be estimated based on at least one of the amount of charge of each of the plurality of batteries, the ambient temperature of the battery pack, the thermal energy consumed by the temperature controller, and the predetermined time.
  • the present invention includes the steps of sensing the surface temperature of each of the plurality of batteries and the ambient temperature of the battery pack, and sensing the amount of change in current flowing through each of the plurality of batteries after dropping the voltage of each of the plurality of batteries.
  • the learning data may further include a heat loss calculated based on a surface temperature of each of the plurality of batteries and a temperature around the battery pack.
  • the ambient temperature of the battery pack utilized in the step of estimating the available output value of the battery pack based on the ambient temperature of the battery pack and state information of each of the plurality of batteries included in the battery pack and the plurality of The method may further include calculating the predetermined time by using the surface temperature of each battery and the learning data.
  • the calculating of the predetermined time may include the battery pack used in the step of estimating an available output value of the battery pack based on the ambient temperature of the battery pack and state information of each of a plurality of batteries in the learning data. Retrieving first data corresponding to the ambient temperature and the surface temperature of each of the plurality of batteries, retrieving second data corresponding to the target value from the learning data, utilizing the first and second data The method may further include calculating an estimated amount of thermal energy consumption and calculating the predetermined time based on the estimated amount of thermal energy consumption.
  • the present invention provides a temperature control system for a battery pack.
  • the present invention relates to a battery pack including a plurality of batteries, a temperature control unit mounted on the battery pack and operated when power is supplied, when receiving a target value for the available output of the battery pack, the ambient temperature of the battery pack and the plurality of and a battery pack control unit estimating an available output value of the battery pack based on state information of each battery of the battery pack and supplying power to the temperature controller based on the estimated available output value, wherein the battery pack control unit: The available output value of the battery pack is re-estimated after a predetermined time elapses from the time when power is supplied to the temperature controller, and when the re-estimated available output value reaches the target value, the power supplied to the temperature controller is switched off. and the state information of each of the plurality of batteries includes location information of each of the plurality of batteries included in the battery pack.
  • the battery pack is heated or cooled so that the battery pack can reach the optimal output calculated through machine learning, power consumption for heating or cooling is minimized and the battery pack is used in any environment. to keep it in optimum condition.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an electric vehicle equipped with a battery pack.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a temperature distribution of a battery pack in a natural convection state.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a battery pack temperature control system according to the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a temperature control method of a battery pack according to the present invention.
  • 5 and 6 are conceptual diagrams illustrating a machine learning method for available output of a battery pack according to the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an embodiment of calculating the internal voltage of a battery according to the present invention.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating an embodiment of calculating a battery available output according to the present invention.
  • the present invention is not limited to the components described later, and may include more or less components than the components described later.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a temperature control system of a battery pack according to the present invention.
  • the battery pack temperature control system includes a central controller 100, a battery pack controller 310, a battery pack 320, a temperature controller 330, and a battery temperature sensor 340. ) may include at least one of
  • the central control unit 100 is a means for controlling the operation of a device (eg, an electric vehicle) equipped with a battery pack.
  • the central control unit 100 may include at least one of a communication unit 110, a storage unit 120, a display unit 130, an input unit 140, a sensor unit 150, and a control unit 160.
  • the central control unit 100 is described as a control means for controlling the overall operation of an electric vehicle, but is not limited thereto, and the central control unit 100 is a control unit of a device equipped with a battery pack. It can be a control tool.
  • the communication unit 110 may be configured to communicate with various devices disposed in space by wire or wirelessly. Specifically, the communication unit 110 may be configured to communicate with at least one external server (or external storage, 200).
  • the external server 200 may be configured to include at least one of a cloud server 210 and a database 220. Machine learning data to be described later may be stored in the cloud server 210 or the database 220 .
  • the storage unit 120 may be configured to store various information related to the present invention.
  • the storage unit 120 may be included in the battery pack temperature control system itself.
  • at least a portion of the storage unit 120 may mean at least one of the cloud server 210 and the database 220 . That is, it can be understood that the storage unit 120 suffices as long as it is a space for storing necessary information for controlling the battery pack according to the present invention, and there is no physical space limitation. Accordingly, hereinafter, the storage unit 120, the cloud server 210, and the database 220 are not separately distinguished, and are all expressed as the storage unit 120.
  • the display unit 130 may be configured to output at least one of screen information related to the device in which the battery pack is mounted and screen information related to the state of the battery pack.
  • the display unit 130 is not an essential component in the present invention, and the type of display unit is not limited.
  • the input unit 140 is for inputting information input from the user, and the input unit 140 may serve as a medium between the user and the battery pack temperature control system. More specifically, the input unit 140 may refer to an input means for receiving a control command for controlling a device in which a battery pack is mounted from a user.
  • the input unit 140 may include at least one of an accelerator pedal and a deceleration pedal.
  • the sensor unit 150 may include a sensor that senses information related to the device in which the battery pack is mounted. Taking the sensor unit 150 included in an electric vehicle as an example, the sensor unit 150 may include a temperature sensor configured to sense at least one of a vehicle internal temperature and a vehicle external temperature.
  • the sensor unit 150 is used as a means for sensing the ambient temperature of the battery pack.
  • the ambient temperature of the battery pack means a temperature sensed while being separated from the battery by a predetermined distance.
  • the ambient temperature of the battery pack may be defined as the air temperature at a location spaced a predetermined distance from the battery pack.
  • the ambient temperature of the battery pack may be defined as a temperature sensed by a temperature sensor disposed at a predetermined distance from the battery pack.
  • controller 160 may be configured to control the overall operation of the device in which the battery pack is mounted.
  • the control unit 160 may process signals, data, information, etc. input or output through the components described above, or provide or process appropriate information or functions to the user.
  • control unit 160 included in the electric vehicle monitors the state of the battery pack while the vehicle is driving, and sets an available output value of the battery pack.
  • the available output value means the maximum available power that a battery pack can produce in a current state. More specifically, the available output of the battery pack may be determined by the available output of each of a plurality of batteries constituting the battery pack.
  • the available output value of a battery is an output value derived considering the size of a current that reaches a cut-off voltage assuming a situation in which the battery is instantaneously discharged. A detailed description of the formula for calculating the available output value will be described later.
  • the available output value of the battery is a value that varies depending on the amount of charge of the battery and the temperature of the battery, and is a value that is considered important when driving a device equipped with a battery.
  • the controller 160 may calculate available output of the battery pack by calculating available output of each of a plurality of batteries constituting the battery pack.
  • the aforementioned central control unit 100 may include more or fewer components than the aforementioned components according to the type of device in which the battery pack is mounted.
  • the battery pack controller 310 is configured to perform control related to driving of the battery. Specifically, the battery pack controller 310 controls at least one of whether the battery pack is driven, an output voltage, and an output current of the battery pack, and controls the temperature of the battery pack.
  • control unit 160 and the battery pack control unit 310 are separately described, but the above-described control unit 160 and the battery pack control unit 310 may be formed of the same control means. That is, it is apparent to those skilled in the art that the control of the battery pack controller 310 described below may also be performed by the controller 160 .
  • the battery pack 320 may include a plurality of secondary batteries capable of charging and discharging, and each of the plurality of secondary batteries may include an electrochemical cell.
  • the battery pack 320 supplies power to a device in which the battery pack 320 is mounted, and the output voltage and output current of the battery pack 320 are controlled by the battery pack controller 310 .
  • a temperature controller 330 may be mounted on the battery pack 320 .
  • the temperature control unit 330 is made to operate when power is supplied.
  • the temperature controller 330 may be a heater or cooler.
  • the case where the temperature controller 330 is either a heater or a cooler is described as an example, but the temperature controller 330 may include another one not described in the specification, Both a heater and a cooler may be included.
  • the temperature controller 330 may be disposed on or inside the battery pack 320 , or disposed on each surface of a plurality of batteries constituting the battery pack 320 .
  • the temperature controller 330 may be disposed on or inside the battery pack 320 and may also be disposed on the surface of each of the plurality of batteries. That is, the temperature controller 330 may be configured to adjust at least one of the temperature of the entire battery pack 320 and the temperature of each of a plurality of batteries constituting the battery pack 320 .
  • the temperature controller 330 may be disposed on one side of the battery pack 320 to discharge air inside the battery pack 320 to the outside by forming convection inside the battery pack 320. have.
  • the shape of the temperature controller 330 is not limited thereto.
  • the temperature controller 330 may be at least one of a heating sheet, a cooling sheet, a heating fan, and a cooling fan.
  • the battery pack controller 310 controls the battery pack so that power of the battery pack 320 is supplied to the temperature controller 330 .
  • the battery pack controller 310 controls at least one of a voltage value and a current value applied to the temperature controller 330 and a time during which power is applied to the temperature controller 330 .
  • the battery temperature sensor 340 is configured to sense the surface temperature of each of a plurality of batteries constituting the battery pack.
  • the battery pack controller 310 controls the temperature controller 330 based on the temperature value sensed by the battery temperature sensor 340 .
  • FIGS. 5 and 6 are conceptual diagrams illustrating a machine learning method for available output of a battery pack according to the present invention.
  • a step of setting a target value for available output of the battery pack ( S110 ) is performed.
  • the controller 160 included in the central controller 100 may set a target value for the available output of the battery pack as needed while controlling the device.
  • the controller 160 may set a target value for available output of the battery pack according to a user's request for acceleration while driving the vehicle.
  • the situation in which the controller 160 sets a target value for the available output of the battery pack is not particularly limited.
  • the controller 160 transmits the set target value to the battery pack controller 310 .
  • the battery pack controller 310 estimates the currently available power of the battery pack based on the ambient temperature of the battery pack and state information of each of the plurality of batteries.
  • the ambient temperature of the battery pack means the temperature sensed by the sensor unit 150 described in FIG. 2 .
  • the state information of each of the plurality of batteries includes at least one of the surface temperature of each battery sensed by the battery temperature sensor 340 described in FIG. 3 and the current charge amount of each battery.
  • the present invention may utilize other information for estimating the available power of the battery pack. This will be described later.
  • MCT0, per battery cell a current battery surface temperature
  • MCT per battery cell
  • AT battery pack ambient temperature
  • HA At least one of (HA), the amount of charge (SOC) of each of the plurality of batteries, the position information of each of the plurality of batteries, and the amount of time change ( ⁇ t) may be used as the learning data 410 .
  • the amount of heat loss emitted from the battery pack to the outside may be used as learning data. This will be described later.
  • the initial battery surface temperature MCT0 means the surface temperature of each of a plurality of batteries at the point in time when machine learning data is started to be collected.
  • the current battery surface temperature means the surface temperature of each of a plurality of batteries at the time of measuring the available battery output.
  • the battery pack ambient temperature AT refers to the temperature sensed by the sensor unit 150 described in FIG. 3 .
  • Energy consumption (HA) in the temperature control unit means the energy consumed in the temperature control unit from the time machine learning data is started to the time when the available output of the battery pack is measured. This may be calculated through the voltage and current values applied to the temperature controller.
  • the battery charge amount is a value monitored by the battery pack controller 310, and the charge amount of each of a plurality of batteries is monitored.
  • the amount of change in time ( ⁇ t) means a time interval from when machine learning data is started to be collected to when the available output of the battery pack is measured.
  • the amount of time change ( ⁇ t) may be utilized to calculate the amount of heat loss.
  • the present invention increases the energy consumption (HA) in the temperature controller for each battery pack temperature and for each charge amount of a plurality of batteries constituting the battery pack, and the internal resistance of each of the plurality of batteries and each of the plurality of batteries Calculate the available output of and turn it into a table as shown in FIG.
  • the table is used as machine learning 420 data for estimating available power of the battery pack.
  • the internal resistance and available output values included in the table are matched and stored along with battery location information corresponding to the values.
  • the present invention can estimate the available output of the battery pack in consideration of the location of the battery disposed in the battery pack.
  • the learning data may include an amount of heat loss emitted to the outside from each of the plurality of batteries.
  • the amount of heat loss may be calculated through a difference between the surface temperature of the battery and the ambient temperature of the battery pack.
  • the amount of heat loss for each battery may be calculated as in Equation 1 below.
  • Equation 1 ⁇ and ⁇ are constants and can be determined through machine learning.
  • t denotes the time interval from the start of machine learning data collection to the measurement of the available output of the battery pack.
  • MCT means the surface temperature of the battery
  • AT means the temperature around the battery pack.
  • the amount of heat loss in each of the plurality of batteries is calculated through Equation 1, and the amount of heat loss in the entire battery pack may be calculated by summing the amount of heat loss in each of the plurality of batteries.
  • the present invention utilizes thermal energy emitted from the battery to machine learning for estimating the available power of the battery, so that the influence of the external environment can be reflected when estimating the available power of the battery pack.
  • the internal resistance of each battery and the available output of each battery may be calculated through a current change due to a voltage drop of the battery.
  • the battery internal resistance (DICR) can be calculated.
  • the battery output voltage is dropped so that the battery voltage drop becomes the voltage drop ⁇ Vi.
  • the battery internal voltage DCIR is calculated using the sensed current variation ⁇ It.
  • the battery available output is calculated using a battery output current value when the battery output voltage drops to a cut-off voltage.
  • the output current value at the cut-off voltage is calculated in a proportional manner after sensing the output current amount by dropping the battery output voltage to a specific voltage.
  • the battery available output can be calculated as in Equation 3 below.
  • SOP(T) means the available power of the battery at the battery temperature T
  • Vlow bound is the cut-off voltage of the battery
  • OCVstate(T) is the battery open circuit voltage at the battery surface temperature T
  • Rstate(T) means the internal resistance of the battery at the battery temperature T.
  • the output current value 5A is sensed by dropping the battery output voltage to 3.1V for 1 second. Then, the current value (Imax, 6.36) at the cut-off voltage (Vmin, 2.8V) is calculated through a proportional formula. Since the battery available output (SOPsoc) is the output when the voltage drops to the cut-off voltage, it is calculated (17.8W) through the cut-off voltage and Imax.
  • the available power and internal resistance calculated in the above-described manner are values dependent on the temperature of the battery.
  • the surface temperature and core temperature of a battery are often different, it is difficult to accurately calculate the battery's usable output using only the surface temperature of the battery that can be sensed.
  • the present invention provides not only the battery surface temperature, but also other sensible information (eg, battery pack ambient temperature (AT), energy consumption (HA) in the temperature controller, charge amount (SOC) of each of a plurality of batteries ) and at least one time variation ( ⁇ t) are used for machine learning, so that the available output of the battery pack can be accurately estimated even if the core temperature of each of a plurality of batteries constituting the battery pack cannot be sensed.
  • other sensible information eg, battery pack ambient temperature (AT), energy consumption (HA) in the temperature controller, charge amount (SOC) of each of a plurality of batteries
  • SOC charge amount
  • ⁇ t time variation
  • the above-described learning data and the battery usable output calculation model generated through machine learning may be stored in the above-described storage unit 120 or the external storage 200 .
  • the available output of each battery constituting the battery pack may be calculated through the battery available output calculation model generated through machine learning, and the available output of the battery pack may be calculated based on the available output.
  • Calculation of the available power of the battery pack using the available power of each battery may vary depending on the electrical connection method between the plurality of batteries.
  • a method of calculating the output value of the entire plurality of batteries using the output values of the plurality of batteries uses a previously known method, so a detailed description thereof will be omitted.
  • the present invention relates to the surface temperature of each of the plurality of batteries, the amount of charge of each of the plurality of batteries, the ambient temperature of the battery pack, the energy consumed in the temperature controller, the time when power is supplied to the temperature controller, and the plurality of batteries.
  • the temperature controller when the temperature deviation inside the battery pack is greater than or equal to a reference value, the temperature controller may be operated for a predetermined time to lower the temperature deviation inside the battery pack to within a reference value.
  • the battery pack controller 310 calculates the current available power of the battery pack by using the battery pack output calculation model generated through machine learning.
  • the battery pack controller 310 calculates the current available power of the battery pack based on at least one of the surface temperature of each of the plurality of batteries, the amount of charge of each of the plurality of batteries, and the ambient temperature of the battery pack.
  • the battery pack controller 310 supplies power to the temperature controller 330 based on the available output of the battery pack.
  • the battery pack controller 310 After supplying power to the temperature controller 330 for a predetermined time, the battery pack controller 310 re-estimates the available power of the battery pack and determines whether the re-estimated available power reaches a target value (S140). At this time, the battery pack control unit 310 re-estimates the available power of the battery pack using the same model as the model for estimating the available power of the battery pack used in step S120.
  • the battery pack controller 310 may set the predetermined time by using learning data used for machine learning.
  • the battery pack control unit 310 includes the amount of charge of each of the plurality of batteries sensed during step S120, the ambient temperature of the battery pack, the surface temperature of each of the plurality of batteries, and a value within a predetermined range, learning that ⁇ t is 0 Retrieve data. That is, the battery pack controller 310 searches for learning data in a situation similar to the situation of performing step S120. The retrieved data is referred to as first data.
  • the battery pack controller 310 searches for a target available output value of the battery pack and a value within a predetermined range from the same table as the first data.
  • the retrieved data is referred to as second data.
  • the second data includes a value of heat energy consumed by the temperature controller.
  • the battery pack controller 310 calculates an estimated thermal energy consumption by using the first and second data, and calculates a temperature control time using the estimated thermal energy consumption and an output value of the temperature controller 330. .
  • the estimated heat energy consumption may be the energy consumption (HA) in the temperature controller included in the learning data or may be calculated based thereon.
  • the battery pack controller 310 re-estimates the available power of the battery pack when the calculated temperature control time has elapsed since step S120 was performed.
  • the time to re-estimate the available power of the battery pack after performing step S120 may vary depending on the amount of charge of each of the plurality of batteries sensed during step S120, the ambient temperature of the battery pack, and the surface temperature of each of the plurality of batteries. Through this, it is possible to minimize the amount of energy consumed for temperature control of the battery pack, and it is possible to allow the battery to reach a target available power value by estimating the minimum available power.
  • the battery pack control unit 310 controls the surface temperature of each of the plurality of batteries, the amount of charge of each of the plurality of batteries, the ambient temperature of the battery pack, the location information of each of the plurality of batteries, the heat energy consumed in the temperature controller, and the temperature control. Based on at least one of the times, the current battery pack available power is estimated.
  • the battery pack controller 310 cuts off the power applied to the temperature controller 330 (S150).
  • the battery pack controller 310 maintains the power applied to the temperature controller 330 and, after a predetermined time has elapsed, adjusts the available output of the battery pack. re-estimate The battery pack controller 310 repeatedly performs steps S120 and S130 until the re-estimated battery reaches within a predetermined range of the target available power.
  • the battery pack is heated or cooled so that the battery pack can reach the optimal output calculated through machine learning, power consumption for heating or cooling is minimized and the battery pack is used in any environment. to keep it in optimum condition.

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Abstract

본 발명은 히터 또는 쿨러를 이용하여 배터리 팩의 온도를 제어하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 전원이 공급되면 작동되는 온도 조절부가 장착된 배터리 팩의 온도 제어 방법을 제공한다. 본 발명은 배터리 팩 가용 출력에 대한 목표 값을 설정하는 단계, 배터리 팩 주변 온도 및 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 단계, 추정된 가용 출력 값을 기반으로 상기 온도 조절부에 전원을 공급하는 단계, 상기 온도 조절부에 전원을 공급한 시점부터 소정 시간이 지난 후 배터리 팩의 가용 출력 값을 재 추정하는 단계 및 재 추정된 가용 출력 값이 상기 목표 값에 도달하는 경우, 상기 온도 조절부에 공급되는 전원을 차단하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 배터리 각각의 상태 정보는 상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 방법을 제공할 수 있다.

Description

배터리 팩 온도 제어 방법 및 시스템
본 발명은 히터 또는 쿨러를 이용하여 배터리 팩의 온도를 제어하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
리튬 이온 전지는 가볍다는 장점으로 인하여 다양한 분야에 널리 활용되고 있다. 구체적으로, 리튬 이온 전지는 휴대전화 및 노트북 등의 휴대용 전자 기기 등에 활용되어 왔으며, 최근에는 전기 자동차에서의 활용이 확대되고 있다. 전기 자동차 등에 사용할 배터리 용량을 확보하기 위해, 다수의 리튬 이온 전지가 밀집된 배터리 팩이 활용되고 있다.
도 1을 참조하면, 전기 자동차(10)에는 엔진(11)의 구동 및 차량에 포함된 장치들의 구동을 위한 배터리 팩(12)이 장착될 수 있다. 배터리 팩(12)은 복수의 배터리(13)로 이루어질 수 있다.
한편, 배터리는 온도에 따라 방전 또는 충전 시 내부적인 화학적 변화가 상이하게 나타난다. 배터리는 그 사용 환경에 따라 다양한 온도에 노출될 수 있다. 특히, 자동차에 내장되는 배터리(13)는 저온 또는 고온 환경에 빈번하게 노출될 수 있다. 저온 또는 고온에서는 배터리의 성능이 저하될 수 있으며, 이는 차량 운행에 치명적인 영향을 줄 수 있다.
또한, 다수의 배터리(13)가 밀집된 배터리 팩의 크기가 커질수록 배터리 팩 내부 셀들 간의 온도 불균형이 발생되며, 이로 인하여 배터리 셀들 간 전압 불균형이 발생될 수 있다. 상술한 배터리 팩 내부 온도 불균형은 안전 문제로 이어질 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참조하면, 자연 대류 상태에서 배터리 팩을 구동할 경우, 배터리 팩의 심부에 배치된 배터리(13a)의 온도가 배터리 팩의 표면부에 배치된 배터리(13b)의 온도보다 높아진다.
종래에는 온도가 배터리에 미치는 영향을 줄이기 위하여 열선 시트를 사용하거나, 배터리 팩 전체의 온도를 조절할 수 있는 온도 조절 장치를 사용하였다. 상술한 온도 조절 수단은 배터리 팩의 전원을 사용하여 작동하므로, 온도 조절 수단을 과도하게 구동할 경우, 배터리의 에너지 효율이 저하되는 문제가 있다.
이에 최근에는 센싱 가능한 정보들을 이용하여 배터리 팩의 상태를 정확하게 추정하고, 최적의 효율로 배터리 팩을 히팅 또는 쿨링하기 위한 방법 및 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 일 목적은 다양한 환경에서 배터리 팩의 현재 상태를 정확하게 추정할 수 있는 데이터 학습 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 배터리 팩의 상태에 따라 최적의 효율로 배터리 팩의 온도를 제어할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전원이 공급되면 작동되는 온도 조절부가 장착된 배터리 팩의 온도 제어 방법을 제공한다. 본 발명은 배터리 팩 가용 출력에 대한 목표 값을 설정하는 단계, 배터리 팩 주변 온도 및 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 단계, 추정된 가용 출력 값을 기반으로 상기 온도 조절부에 전원을 공급하는 단계, 상기 온도 조절부에 전원을 공급한 시점부터 소정 시간이 지난 후 배터리 팩의 가용 출력 값을 재 추정하는 단계 및 재 추정된 가용 출력 값이 상기 목표 값에 도달하는 경우, 상기 온도 조절부에 공급되는 전원을 차단하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 배터리 각각의 상태 정보는 상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 방법을 제공할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 단계 및 상기 배터리 팩의 가용 출력 값을 재 추정하는 단계는, 상기 복수의 배터리 각각의 위치 정보, 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도 및 상기 복수의 배터리 각각의 충전량, 배터리 팩 주변 온도, 상기 온도 조절부에서 소모된 열 에너지 및 상기 소정 시간 중 적어도 하나에 기반하여 배터리의 가용 출력 값을 추정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 본 발명은 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도 및 배터리 팩의 주변 온도를 센싱하는 단계, 상기 복수의 배터리 각각의 전압을 강하시킨 후 상기 복수의 배터리 각각에 흐르는 전류 변화량을 센싱하는 단계, 상기 전류 변화량 및 상기 전압 강하량을 이용하여, 상기 복수의 배터리 각각의 가용 출력 값 및 상기 복수의 배터리 각각의 내부 저항 값을 산출하는 단계 및 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도, 상기 복수의 배터리 각각의 충전량, 배터리 팩의 주변 온도, 상기 온도 조절부에서 소모된 에너지, 상기 온도 조절부에 전원을 공급한 시간, 상기 복수의 배터리 각각의 위치 정보, 상기 산출된 복수의 배터리 각각의 가용 출력 값 및 내부 저항 값 중 적어도 하나를 학습 데이터로 하여 배터리 팩의 가용 출력 추정을 위한 기계 학습을 수행하는 단계를 더 포함하고, 배터리의 가용 출력 값을 추정하는 단계는 상기 기계 학습 결과에 기반하여 수행될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 학습 데이터는 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도 및 상기 배터리 팩 주변 온도를 기반으로 산출된 열 손실량을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 배터리 팩 주변 온도 및 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 상기 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 단계에서 활용된 상기 배터리 팩 주변 온도 및 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도와 상기 학습 데이터를 활용하여 상기 소정 시간을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 소정 시간을 산출하는 단계는 상기 학습 데이터에서 상기 배터리 팩 주변 온도 및 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 단계에서 활용된 상기 배터리 팩 주변 온도 및 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도에 대응하는 제1데이터를 검색하는 단계, 상기 학습 데이터에서 상기 목표 값에 대응하는 제2데이터를 검색하는 단계, 상기 제1 및 제2데이터를 활용하여 추정 열 에너지 소모량을 산출하는 단계 및 상기 추정 열 에너지 소모량에 기반하여 상기 소정 시간을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 팩의 온도 제어 시스템을 제공한다. 본 발명은 복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩, 상기 배터리 팩에 장착되며, 전원이 공급되면 작동되는 온도 조절부, 배터리 팩의 가용 출력에 대한 목표 값을 수신하는 경우, 배터리 팩 주변 온도 및 상기 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하고, 추정된 가용 출력 값을 기반으로 상기 온도 조절부에 전원을 공급하는 배터리 팩 제어부를 포함하고, 상기 배터리 팩 제어부는, 상기 온도 조절부에 전원을 공급한 시점부터 소정 시간이 지난 후 배터리 팩의 가용 출력 값을 재 추정하고, 재 추정된 가용 출력 값이 상기 목표 값에 도달하는 경우, 상기 온도 조절부에 공급되는 전원을 차단하고, 상기 복수의 배터리 각각의 상태 정보는 상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템을 제공할 수 있다.
위에서 살펴본 것과 같이, 본 발명에 따르면, 다양한 주변 환경 및 다양한 배터리 팩 상태에서 배터리 팩 출력에 대한 기계 학습을 수행하기 때문에, 현재 배터리 팩의 주변 온도 및 현재 배터리 팩의 상태에 따른 최적의 배터리 팩 출력을 산출할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 배터리 팩이 기계학습을 통해 산출된 최적의 출력에 도달할 수 있도록, 배터리 팩을 히팅 또는 쿨링하기 때문에 히팅 또는 쿨링에 소모되는 전력소모를 최소화함과 동시에 어떠한 환경에서도 배터리 팩을 최적의 상태로 유지할 수 있도록 한다.
도 1은 배터리 팩이 장착된 전기 자동차를 나타내는 개념도이다.
도 2는 자연 대류 상태의 배터리 팩의 온도 분포를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩 온도 제어 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 팩의 온도 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5 및 6은 본 발명에 따른 배터리 팩 가용 출력에 대한 기계 학습 방법을 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 내부 전압을 산출하는 일 실시 예를 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 가용 출력을 산출하는 일 실시 예를 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
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.
이하, 본 발명에 따른 배터리 팩 온도 제어 시스템에 대하여 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명은 후술하는 구성요소들에 한정하지 않고, 후술할 구성요소보다 많거나 적은 구성요소들을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩의 온도 제어 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩 온도 제어 시스템은, 중앙 제어부(100), 배터리 팩 제어부(310), 배터리 팩(320), 온도 조절부(330) 및 배터리 온도 센서(340) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 중앙 제어부(100)는 배터리 팩이 장착된 장치(예를 들어, 전기 자동차)의 동작을 제어하기 위한 수단이다. 구체적으로, 중앙 제어부(100)는 통신부(110), 저장부(120), 디스플레이부(130), 입력부(140), 센서부(150) 및 제어부(160) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여, 중앙 제어부(100)를 전기 자동차의 전반적인 동작을 제어하기 위한 제어 수단인 것으로 설명하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 중앙 제어부(100)는 배터리 팩이 장착된 장치의 제어 수단일 수 있다.
중앙 제어부(100)를 구성하는 구성요소들에 대하여 설명한다.
통신부(110)는, 공간에 배치된 다양한 디바이스와 유선 또는 무선으로 통신하도록 이루어질 수 있다. 구체적으로, 통신부(110)는 적어도 하나의 외부 서버(또는 외부 저장소, 200)와 통신하도록 이루어질 수 있다. 여기에서, 외부 서버(200)는, 도시된 것과 같이, 클라우드 서버(210) 또는 데이터베이스(220) 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 클라우드 서버(210) 또는 데이터베이스(220)에는 후술할 기계 학습 데이터가 저장될 수 있다.
다음으로 저장부(120)는, 본 발명과 관련된 다양한 정보를 저장하도록 이루어질 수 있다. 본 발명에서 저장부(120)는 배터리 팩 온도 제어 시스템 자체에 구비될 수 있다. 이와 다르게, 저장부(120)의 적어도 일부는, 클라우드 서버(210) 및 데이터베이스(220) 중 적어도 하나를 의미할 수 있다. 즉, 저장부(120)는 본 발명에 따른 배터리 팩 제어를 위하여 필요한 정보가 저장되는 공간이면 충분하며, 물리적인 공간에 대한 제약은 없는 것으로 이해될 수 있다. 이에, 이하에서는, 저장부(120), 클라우드 서버(210) 및 데이터베이스(220)를 별도로 구분하지 않고, 모두 저장부(120)라고 표현하도록 한다.
다음으로 디스플레이부(130)는 배터리 팩이 장착된 장치와 관련된 화면 정보, 배터리 팩의 상태와 관련된 화면 정보 중 적어도 하나를 출력하도록 이루어질 수 있다. 디스플레이부(130)는 본 발명에 있어 필수적인 구성 요소는 아니며, 디스플레이부의 종류에 대해서는 제한을 두지 않는다.
다음으로, 입력부(140)는 사용자로부터 입력되는 정보의 입력을 위한 것으로서, 입력부(140)는 사용자와 배터리 팩 온도 제어 시스템 사이의 매개체가 될 수 있다. 보다 구체적으로, 입력부(140)는 사용자로부터 배터리 팩이 장착된 장치를 제어하기 위한 제어 명령을 수신하는 입력 수단을 의미할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차의 경우, 입력부(140)는 가속 페달 및 감속 페달 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 센서부(150)는 배터리 팩이 장착된 장치와 관련된 정보를 센싱하는 센서를 포함할 수 있다. 전기 자동차에 포함된 센서부(150)를 예로 들면, 센서부(150)는 차량 내부 온도 및 차량 외부 온도 중 적어도 하나를 센싱하도록 이루어지는 온도 센서를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 센서부(150)는 배터리 팩의 주변 온도를 센싱하기 위한 수단으로 활용된다. 본 명세서에서 배터리 팩 주변 온도는 배터리와 소정 거리 이격된 상태에서 센싱되는 온도를 의미한다. 일 예로, 배터리 팩 주변 온도는 배터리 팩으로부터 소정 거리 이격된 위치의 대기 온도로 정의될 수 있다. 다른 일 예로, 배터리 팩의 주변 온도는 배터리 팩으로부터 소정 거리 이격되어 배치된 온도 센서에서 센싱된 온도로 정의될 수 있다.
다음으로 제어부(160)는 배터리 팩이 장착된 장치의 전반적인 동작을 제어하도록 이루어질 수 있다. 제어부(160)는 위에서 살펴본 구성요소들을 통해 입력 또는 출력되는 신호, 데이터, 정보 등을 처리하거나 사용자에게 적절한 정보 또는 기능을 제공 또는 처리할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 전기 자동차에 포함된 제어부(160)는 차량의 주행 중 배터리 팩의 상태를 모니터링하고, 배터리 팩의 가용 출력 값을 설정하도록 이루어진다.
본 명세서에서 가용 출력 값이란, 현재 상태에서 배터리 팩이 낼 수 있는 최대 가용 파워를 의미한다. 보다 구체적으로, 배터리 팩의 가용 출력은 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 각각의 가용 출력에 의해 결정될 수 있다.
본 명세서에서 배터리의 가용 출력 값이란 배터리를 순간적으로 방전시키는 상황을 가정하였을 때 컷 오프(Cut-off) 전압에 다다르게 하는 전류의 크기를 고려하여 도출된 출력 값이다. 가용 출력 값의 산출 식에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
배터리의 가용 출력 값은 배터리의 충전량, 배터리의 온도에 따라 가변되는 값으로, 배터리가 장착된 장치의 구동 시 중요하게 고려되는 값이다. 제어부(160)는 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 각각의 가용 출력을 산출하여, 배터리 팩의 가용 출력을 산출할 수 있다.
상술한 중앙 제어부(100)는 배터리 팩이 장착된 장치의 종류에 따라, 상술한 구성요소들보다 많거나 적은 구성요소를 포함할 수 있다.
다음으로, 배터리 팩 제어부(310)는 배터리의 구동과 관련된 제어를 수행하도록 이루어진다. 구체적으로, 배터리 팩 제어부(310)는 배터리 팩의 구동 여부, 배터리 팩의 출력 전압, 출력 전류 중 적어도 하나를 제어하고, 배터리 팩의 온도를 제어하도록 이루어진다.
본 명세서에서는 편의상 상술한 제어부(160)와 배터리 팩 제어부(310)를 구분하여 설명하지만, 상술한 제어부(160)와 배터리 팩 제어부(310)는 동일한 제어수단으로 이루어질 수 있다. 즉, 후술하는 배터리 팩 제어부(310)의 제어는 제어부(160)에 의해서도 수행될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
배터리 팩(320)은 충전 및 방전이 가능한 복수의 2차 전지로 이루어질 수 있으며, 복수의 2차 전지 각각은 전기화학 셀로 구성될 수 있다. 배터리 팩(320)은 배터리 팩(320)이 장착된 장치에 전원을 공급하도록 이루어지며, 배터리 팩(320)의 출력 전압 및 출력 전류는 배터리 팩 제어부(310)에 의해 제어된다.
한편, 배터리 팩(320)에는 온도 조절부(330)가 장착될 수 있다. 온도 조절부(330)는 전원 공급 시 작동되도록 이루어진다. 예를 들어, 온도 조절부(330)는 히터 또는 쿨러일 수 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 온도 조절부(330)가 히터 또는 쿨러 중 어느 하나인 경우를 예를 들어 설명하지만, 온도 조절부(330)는 명세서에서 설명되지 않은 다른 하나를 포함할 수 있으며, 히터 및 쿨러를 모두 포함할 수 있다.
한편, 온도 조절부(330)는 배터리 팩(320)의 표면 또는 내부에 배치되거나, 배터리 팩(320)을 구성하는 복수의 배터리 각각의 표면에 배치될 수 있다. 또한, 온도 조절부(330)는 배터리 팩(320)의 표면 또는 내부에 배치되고, 상기 복수의 배터리 각각의 표면에도 배치될 수 있다. 즉, 온도 조절부(330)는 배터리 팩(320) 전체의 온도 및 배터리 팩(320)을 구성하는 복수의 배터리 각각의 온도 중 적어도 하나를 조절하도록 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 온도 조절부(330)는 배터리 팩(320)의 내부에 대류를 형성하여 배터리 팩(320) 내부 공기가 외부로 배출되도록, 배터리 팩(320)의 일측에 배치될 수 있다. 다만, 온도 조절부(330)의 형태는 이에 한정되지 않는다.
온도 조절부(330)에 전원이 공급됨에 따라, 온도 조절부(330)의 온도가 변하거나, 주변 대기의 흐름을 변화시키도록 이루어진다. 예를 들어, 온도 조절부(330)는 히팅 시트, 쿨링 시트, 히팅 팬 및 쿨링 팬 중 적어도 하나일 수 있다.
한편, 배터리 팩 제어부(310)는 배터리 팩(320)의 전력이 온도 조절부(330)로 공급되도록 배터리 팩을 제어한다. 배터리 팩 제어부(310)는 온도 조절부(330)에 인가되는 전압 값, 전류 값 및 온도 조절부(330)에 전원이 인가되는 시간 중 적어도 하나를 제어한다.
한편, 배터리 온도 센서(340)는 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 각각의 표면 온도를 센싱하도록 이루어진다. 배터리 팩 제어부(310)는 배터리 온도 센서(340)에서 센싱되는 온도 값에 기반하여, 온도 조절부(330)를 제어한다.
이하, 상술한 시스템을 이용한 배터리 팩의 온도 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 팩의 온도 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 5 및 6은 본 발명에 따른 배터리 팩 가용 출력에 대한 기계 학습 방법을 나타내는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 팩 가용 출력에 대한 목표 값을 설정하는 단계(S110)가 수행된다.
중앙 제어부(100)에 포함된 제어부(160)는 장치 제어 중 필요에 따라 배터리 팩 가용 출력에 대한 목표 값을 설정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 제어부(160)는 차량 구동 중 사용자의 가속 요청에 의해 배터리 팩 가용 출력에 대한 목표 값을 설정할 수 있다. 다만, 제어부(160)가 배터리 팩 가용 출력에 대한 목표 값을 설정하는 상황은 별도로 한정하지 않는다.
이후, 제어부(160)는 설정된 목표 값을 배터리 팩 제어부(310)로 전송한다. 배터리 팩 제어부(310)는 상기 목표 값을 수신할 경우, 배터리 팩 주변 온도 및 상기 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 현재 배터리 팩의 가용 출력을 추정한다.
여기서, 배터리 팩 주변 온도는 도 2에서 설명한 센서부(150)에 의해 센싱된 온도를 의미한다.
복수의 배터리 각각의 상태 정보는 도 3에서 설명한 배터리 온도 센서(340)에 의해 센싱된 배터리 각각의 표면 온도 및 배터리 각각의 현재 충전량 중 적어도 하나를 포함한다.
상술한 정보 외에도, 본 발명은 배터리 팩의 가용 출력 추정에 다른 정보를 활용할 수 있다. 이에 대하여는 후술한다.
한편, 배터리 팩 가용 출력의 추정은 기계 학습을 통해 생성된 가용 출력 추정 모델에 의해 이루어진다. 이하, 본 발명에 따른 기계 학습 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 기계 학습에서는 초기 배터리 표면 온도(MCT0, 배터리 셀별), 현재 배터리 표면 온도(MCT, 배터리 셀별), 배터리 팩 주변 온도(AT), 온도 조절부에서의 에너지 소모량(HA), 복수의 배터리 각각의 충전량(SOC), 복수의 배터리 각각의 위치 정보, 시간 변화량(Δt) 적어도 하나가 학습 데이터(410)로 활용될 수 있다.
한편, 추가적으로, 본 발명은 배터리 팩에서 외부로 방출되는 열 손실량을 학습 데이터로 활용할 수 있다. 이에 대하여는 후술한다.
여기서, 초기 배터리 표면 온도(MCT0)는 기계 학습 데이터를 수집하기 시작한 시점에서의 복수의 배터리 각각의 표면 온도를 의미한다.
현재 배터리 표면 온도(MCT)는 배터리 가용 출력을 측정하는 시점에서의 복수의 배터리 각각의 표면 온도를 의미한다.
배터리 팩 주변 온도(AT)는 도 3에서 설명한 센서부(150)에서 센싱된 온도를 의미한다.
온도 조절부에서의 에너지 소모량(HA)은 기계 학습 데이터를 수집하기 시작한 시점부터 배터리 팩 가용 출력을 측정하는 시점까지 온도 조절부에서 소모된 에너지를 의미한다. 이는, 온도 조절부에 인가된 전압 및 전류값을 통해 산출될 수 있다.
배터리 충전량은 배터리 팩 제어부(310)에 의해 모니터링되는 값이며, 복수의 배터리 각각의 충전량이 모니터링 된다.
시간 변화량(Δt)은 기계 학습 데이터를 수집하기 시작한 시점부터 배터리 팩 가용 출력을 측정하는 시점까지의 시간 간격을 의미한다.
시간 변화량(Δt)은 상기 열 손실량을 산출하는데 활용될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 본 발명은 배터리팩 온도 별, 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 충전량 별로 온도 조절부에서의 에너지 소모량(HA)을 증가시켜가며 복수의 배터리 각각의 내부 저항과 복수의 배터리 각각의 가용 출력을 산출하여, 도 6과 같이 테이블화 한다. 상기 테이블은 배터리 팩 가용 출력 추정을 위한 기계 학습(420) 데이터로 활용된다.
한편, 상기 테이블에 포함된 내부 저항, 가용 출력 값은 해당 값에 대응되는 배터리의 위치 정보와 함께 매칭되어 저장된다. 이를 통해, 본 발명은 배터리 팩에 배치된 배터리의 위치를 고려하여 배터리 팩의 가용 출력을 추정할 수 있게 된다.
이때, 상기 학습 데이터는 복수의 배터리 각각에서 외부로 방출되는 열 손실량을 포함할 수 있다. 열 손실량은 배터리 표면 온도와 배터리 팩 주변 온도 간의 차이 값을 통해 산출될 수 있다.
구체적으로, 배터리별 열 손실량은 하기 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2022006626-appb-I000001
상기 수학식 1에서 α, β는 상수이며, 기계 학습을 통해 정해질 수 있다. t는 기계 학습 데이터를 수집하기 시작한 시점부터 배터리 팩 가용 출력을 측정하는 시점까지의 시간 간격을 의미한다. 한편, MCT는 배터리 표면 온도, AT는 배터리 팩 주변 온도를 의미한다. 상기 수학식 1을 통해 복수의 배터리 각각에서의 열 손실량이 산출되며, 복수의 배터리 각각에서의 열 손실량을 합산하여 배터리 팩 전체 열 손실량이 산출될 수 있다.
상기 수학식 1에 따르면, 본 발명은 배터리에서 외부로 방출되는 열 에너지를 배터리 가용 출력 추정을 위한 기계 학습에 활용함으로써, 배터리 팩 가용 출력 추정 시 외부 환경에 의한 영향이 반영되도록 할 수 있다.
한편, 배터리 각각의 내부 저항 및 배터리 각각의 가용 출력은 배터리 전압 강하에 의한 전류 변화량을 통해 산출될 수 있다.
구체적으로, 기설정된 시간 동안 전압을 강하시켰을 때, 배터리에서 출력되는 전류 변화량을 모니터링 한다. 전압 강하량(ΔVi)과 전류 변화량(ΔIt)를 하기 수학식 2에 대입하면 배터리 내부저항(DICR)을 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2022006626-appb-I000002
일 실시 예에 있어서, 도 7을 참조하면, 배터리 전압 강하량이 전압 강하량(ΔVi)이 되도록 배터리 출력 전압을 강하 시킨다. 이때, 센싱된 전류 변화량(ΔIt)을 이용하여 배터리 내부 전압(DCIR)을 산출한다.
한편, 배터리 가용 출력은 배터리 출력 전압을 컷 오프(Cut-Off) 전압까지 강하 시켰을 때, 배터리 출력 전류값을 활용하여 산출한다. 다만, 배터리를 컷 오프 전압까지 강하시키는 데는 많은 시간이 소모되기 때문에, 배터리 출력 전압을 특정 전압까지 강하시켜 출력 전류량을 센싱한 후, 비율적인 방법으로 컷 오프 전압에서의 출력 전류값을 산출한다.
배터리 가용 출력은 하기 수학식 3과 같이 산출될 수 있다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2022006626-appb-I000003
상기 수학식 3에서, SOP(T)는 배터리 온도 T에서의 배터리 가용 출력을 의미하고, Vlow bound는 배터리의 컷 오프 전압이고, OCVstate(T)는 배터리 표면 온도 T에서의 배터리 Open Circuit Voltage이고, Rstate(T)는 배터리 온도 T에서의 배터리 내부 저항을 의미한다.
예를 들어, 도 8을 참조하면, 배터리 출력 전압을 3.1V까지 1초간 강하시켜 출력 전류값(5A)을 센싱한다. 이후, 비례식을 통해 컷 오프 전압(Vmin, 2.8V)에서의 전류값(Imax, 6.36)을 산출한다. 배터리 가용 출력(SOPsoc)은 컷 오프 전압까지 전압 강하 시 출력이므로, 컷 오프 전압과 Imax를 통해 산출(17.8W)된다.
상술한 방식으로 산출된 가용 출력 및 내부 저항은 배터리의 온도에 의존하는 값이다. 현실에서는 배터리의 표면 온도와 심부 온도가 상이한 경우 가 많기 때문에, 센싱 가능한 배터리 표면 온도만으로는 배터리 가용 출력을 정확하게 산출하기 어렵다.
이를 보완하기 위해, 본 발명은 배터리 표면 온도뿐만 아니라, 다른 센싱 가능한 정보(예를 들어, 배터리 팩 주변 온도(AT), 온도 조절부에서의 에너지 소모량(HA), 복수의 배터리 각각의 충전량(SOC), 시간 변화량(Δt) 적어도 하나)를 기계 학습에 활용하여, 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 각각의 심부 온도를 센싱 할 수 없더라도 배터리 팩의 가용 출력을 정확하게 추정할 수 있도록 한다.
상술한 학습 데이터 및 기계 학습을 통해 생성된 배터리 가용 출력 산출 모델은 상술한 저장부(120) 또는 외부 저장소(200)에 저장될 수 있다. 상기 기계 학습을 통해 생성된 배터리 가용 출력 산출 모델을 통해 배터리 팩을 구성하는 배터리 각각의 가용 출력을 산출하고, 이를 기반으로 배터리 팩의 가용출력을 산출할 수 있다.
배터리 각각의 가용 출력을 이용한 배터리 팩의 가용출력 산출은 복수의 배터리 간의 전기적인 연결 방식에 따라 달라질 수 있다. 복수의 배터리의 출력값을 이용하여 복수의 배터리 전체의 출력값을 산출하는 방법은 기 공지된 방법을 활용하므로 구체적일 설명은 생략한다.
한편, 본 발명은 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도, 상기 복수의 배터리 각각의 충전량, 배터리 팩의 주변 온도, 상기 온도 조절부에서 소모된 에너지, 상기 온도 조절부에 전원을 공급한 시간, 상기 복수의 배터리 각각의 위치 정보, 상기 산출된 복수의 배터리 각각의 가용 출력 값 및 내부 저항 값 중 적어도 하나를 학습 데이터로 하여, 온도 조절부 구동 시간에 따른 배터리팩 내부 최대 온도 편차(440)를 추정하도록 기계학습 될 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 배터리 팩 내부의 온도 편차가 기준치 이상인 경우, 일정 시간 동안 온도 조절부를 구동하여 배터리 팩 내부 온도 편차가 기준치 이내로 낮아지도록 할 수 있다.
기계 학습을 통해 생성된 배터리 팩 가용 출력 산출 모델을 이용하여, 배터리 팩 제어부(310)는 현재 배터리 팩 가용 출력을 산출한다.
구체적으로, 배터리 팩 제어부(310)는 복수의 배터리 각각의 표면 온도 및 복수의 배터리 각각의 충전량, 배터리 팩 주변 온도 중 적어도 하나에 기반하여 현재 배터리 팩 가용 출력을 산출한다.
이후, 배터리 팩 제어부(310)는 상기 배터리 팩 가용 출력에 기반하여, 온도 조절부(330)에 전원을 공급한다.
배터리 팩 제어부(310)는 소정 시간 동안 온도 조절부(330)에 전원을 공급한 후, 배터리 팩의 가용 출력을 재 추정하여, 재 추정된 가용 출력이 목표 값에 도달하였는지 판단(S140)한다. 이때, 배터리 팩 제어부(310)는 S120 단계에서 사용된 배터리 팩 가용 출력 추정 모델과 동일한 모델을 사용하여 배터리 팩 가용 출력을 재 추정한다.
한편, 배터리 팩 제어부(310)는 기계 학습에 활용된 학습 데이터를 활용하여 상기 소정 시간을 설정할 수 있다. 구체적으로, 배터리 팩 제어부(310)는 S120 단계 수행 시 센싱된 복수의 배터리 각각의 충전량, 배터리 팩 주변 온도, 복수의 배터리 각각의 표면 온도와 소정 범위 이내의 값을 포함하며, Δt가 0인 학습 데이터를 검색한다. 즉, 배터리 팩 제어부(310)는 S120 단계 수행 상황과 유사한 상황에서의 학습 데이터를 검색한다. 상기 검색된 데이터는 제1데이터라 한다.
또한, 배터리 팩 제어부(310)는 상기 제1데이터와 동일한 테이블에서 목표 배터리 팩 가용 출력 값과 소정 범위 이내의 값을 검색한다. 상기 검색된 데이터는 제2데이터라 한다. 상기 제2데이터는 온도 조절부에서 소모된 열 에너지 값이 포함된다.
배터리 팩 제어부(310)는 상기 제1 및 제2데이터를 활용하여 추정 열 에너지 소모량을 산출하고, 상기 추정 열 에너지 소모량 및 온도 조절부(330)의 출력 값을 이용하여, 온도 조절 시간을 산출한다.
여기서, 추정 열 에너지 소모량은 학습 데이터에 포함된 온도 조절부에서의 에너지 소모량(HA)이거나 이를 기반으로 산출될 수 있다.
배터리 팩 제어부(310)는 S120 단계를 수행한 시점부터 상기 산출된 온도 조절 시간이 지난 시점에 배터리 팩의 가용 출력을 재 추정한다.
상술한 바와 같이, S120 단계 수행 후 배터리 팩 가용 출력을 재 추정하는 시간은 S120 단계 수행 시 센싱된 복수의 배터리 각각의 충전량, 배터리 팩 주변 온도, 복수의 배터리 각각의 표면 온도에 따라 달라질 수 있다. 이를 통해, 배터리 팩 온도 조절에 소모되는 에너지 소모량을 최소화할 수 있으며, 최소한의 가용 출력 추정으로 배터리가 목표 가용 출력 값에 도달하도록 할 수 있다.
한편, 배터리 팩 제어부(310)는 복수의 배터리 각각의 표면 온도, 복수의 배터리 각각의 충전량, 배터리 팩 주변 온도, 복수의 배터리 각각의 위치 정보, 상기 온도 조절부에서 소모된 열 에너지 및 상기 온도 조절 시간 중 적어도 하나에 기반하여 현재 배터리 팩 가용 출력을 추정한다.
마지막으로, 배터리 팩이 목표 가용 출력의 소정 범위 이내에 도달하는 경우, 배터리 팩 제어부(310)는 온도 조절부(330)에 인가되는 전원을 차단(S150)한다.
한편, 배터리 팩이 목표 가용 출력의 소정 범위 이내에 도달하지 않는 경우, 배터리 팩 제어부(310)는 온도 조절부(330)에 인가되는 전원을 유지하고, 소정 시간이 지난 후, 배터리 팩의 가용 출력을 재 추정한다. 배터리 팩 제어부(310)는 재 추정된 배터리가 목표 가용 출력의 소정 범위 이내에 도달할 때까지 S120 및 S130 단계를 반복하여 수행한다.
위에서 살펴본 것과 같이, 본 발명에 따르면, 다양한 주변 환경 및 다양한 배터리 팩 상태에서 배터리 팩 출력에 대한 기계 학습을 수행하기 때문에, 현재 배터리 팩 주변 온도 및 현재 배터리 팩 상태에 따른 최적의 배터리 팩 출력을 산출할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 배터리 팩이 기계학습을 통해 산출된 최적의 출력에 도달할 수 있도록, 배터리 팩을 히팅 또는 쿨링하기 때문에 히팅 또는 쿨링에 소모되는 전력소모를 최소화함과 동시에 어떠한 환경에서도 배터리 팩을 최적의 상태로 유지할 수 있도록 한다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 전원이 공급되면 작동되는 온도 조절부가 장착된 배터리 팩의 온도 제어 방법에 있어서,
    배터리 팩 가용 출력에 대한 목표 값을 설정하는 단계;
    배터리 팩 주변 온도 및 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 단계;
    추정된 가용 출력 값을 기반으로 상기 온도 조절부에 전원을 공급하는 단계;
    상기 온도 조절부에 전원을 공급한 시점부터 소정 시간이 지난 후 배터리 팩의 가용 출력 값을 재 추정하는 단계; 및
    재 추정된 가용 출력 값이 상기 목표 값에 도달하는 경우, 상기 온도 조절부에 공급되는 전원을 차단하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 배터리 각각의 상태 정보는 상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 단계 및 상기 배터리 팩의 가용 출력 값을 재 추정하는 단계는,
    상기 복수의 배터리 각각의 위치 정보, 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도 및 상기 복수의 배터리 각각의 충전량, 배터리 팩 주변 온도, 상기 온도 조절부에서 소모된 열 에너지 및 상기 소정 시간 중 적어도 하나에 기반하여 배터리의 가용 출력 값을 추정하는 것임을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도 및 배터리 팩의 주변 온도를 센싱하는 단계;
    상기 복수의 배터리 각각의 전압을 강하시킨 후 상기 복수의 배터리 각각에 흐르는 전류 변화량을 센싱하는 단계;
    상기 전류 변화량 및 상기 전압 강하량을 이용하여, 상기 복수의 배터리 각각의 가용 출력 값 및 상기 복수의 배터리 각각의 내부 저항 값을 산출하는 단계; 및
    상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도, 상기 복수의 배터리 각각의 충전량, 배터리 팩의 주변 온도, 상기 온도 조절부에서 소모된 에너지, 상기 온도 조절부에 전원을 공급한 시간, 상기 복수의 배터리 각각의 위치 정보, 상기 산출된 복수의 배터리 각각의 가용 출력 값 및 내부 저항 값 중 적어도 하나를 학습 데이터로 하여 배터리 팩의 가용 출력 추정을 위한 기계 학습을 수행하는 단계를 더 포함하고,
    배터리의 가용 출력 값을 추정하는 단계는 상기 기계 학습 결과에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 학습 데이터는,
    상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도 및 상기 배터리 팩 주변 온도를 기반으로 산출된 열 손실량을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 팩 주변 온도 및 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 상기 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 단계에서 활용된 상기 배터리 팩 주변 온도 및 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도와 상기 학습 데이터를 활용하여 상기 소정 시간을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 온도 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 소정 시간을 산출하는 단계는,
    상기 학습 데이터에서 상기 배터리 팩 주변 온도 및 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 단계에서 활용된 상기 배터리 팩 주변 온도 및 상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도에 대응하는 제1데이터를 검색하는 단계;
    상기 학습 데이터에서 상기 목표 값에 대응하는 제2데이터를 검색하는 단계;
    상기 제1 및 제2데이터를 활용하여 추정 열 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및
    상기 추정 열 에너지 소모량에 기반하여 상기 소정 시간을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 온도 제어 방법.
  7. 배터리 팩의 온도 제어 시스템에 있어서,
    복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩;
    상기 배터리 팩에 장착되며, 전원이 공급되면 작동되는 온도 조절부;
    배터리 팩의 가용 출력에 대한 목표 값을 수신하는 경우, 배터리 팩 주변 온도 및 상기 복수의 배터리 각각의 상태 정보를 기반으로 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하고,
    추정된 가용 출력 값을 기반으로 상기 온도 조절부에 전원을 공급하는 배터리 팩 제어부를 포함하고,
    상기 배터리 팩 제어부는,
    상기 온도 조절부에 전원을 공급한 시점부터 소정 시간이 지난 후 배터리 팩의 가용 출력 값을 재 추정하고,
    재 추정된 가용 출력 값이 상기 목표 값에 도달하는 경우, 상기 온도 조절부에 공급되는 전원을 차단하고,
    상기 복수의 배터리 각각의 상태 정보는 상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 각각의 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리팩 제어부는,
    상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도, 상기 복수의 배터리 각각의 충전량 및 상기 배터리 팩 주변 온도 중 적어도 하나에 기반하여 배터리 팩의 가용 출력 값을 추정하는 것임을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 팩 제어부는,
    상기 복수의 배터리 각각의 표면 온도, 상기 복수의 배터리 각각의 충전량, 상기 배터리 팩의 주변 온도, 상기 온도 조절부에서 소모된 에너지, 상기 온도 조절부에 전원을 공급한 시간, 상기 복수의 배터리 각각의 가용 출력 값 및 내부 저항 값 중 적어도 하나를 학습 데이터로 하여 수행된 기계 학습 결과에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 학습 데이터는,
    상기 복수이 배터리 각각의 표면 온도 및 상기 배터리 팩의 주변 온도를 기반으로 산출된 열 손실량을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 온도 제어 시스템.
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