WO2024053871A1 - 배터리 관리 장치, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법 Download PDF

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WO2024053871A1
WO2024053871A1 PCT/KR2023/011365 KR2023011365W WO2024053871A1 WO 2024053871 A1 WO2024053871 A1 WO 2024053871A1 KR 2023011365 W KR2023011365 W KR 2023011365W WO 2024053871 A1 WO2024053871 A1 WO 2024053871A1
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WO
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cell
battery
soc
balancing
cells
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PCT/KR2023/011365
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English (en)
French (fr)
Inventor
이범희
노태헌
조준원
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/22—Balancing the charge of battery modules
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery management device that differentially applies a balancing process to each of a plurality of battery cells according to the electrical state of each of the plurality of battery cells.
  • 'battery cells' or 'cells' Commercially available rechargeable secondary batteries (hereinafter referred to as 'battery cells' or 'cells') include nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, nickel zinc batteries, and lithium secondary batteries.
  • lithium secondary batteries are nickel secondary batteries. Compared to other types of secondary batteries, the memory effect rarely occurs, allowing free charging and discharging, and has the advantage of a very low self-discharge rate. In addition, it has high energy density and high operating voltage, so it can be used more intensively than other types of secondary batteries. Not only is it being studied, but it is also being applied more extensively to actual products.
  • battery cells have been widely used not only in small devices such as portable electronic devices, but also in medium-to-large devices such as electric vehicles and energy storage systems (ESS).
  • ESS energy storage systems
  • a battery module in which a plurality of electrically connected battery cells are stored together inside the module case is mainly applied. Furthermore, when high power or large capacity is required, a plurality of battery modules electrically connected in series and/or parallel are included. A battery pack may also be used.
  • balancing is used to control the electrical characteristics (voltage, SOC, etc.) between multiple battery cells included in the battery to be uniform (including an appropriate error range) by appropriately using charging or discharging circuits to optimize battery performance. A balancing process is being applied.
  • Multiple battery cells have uneven electrical characteristics (e.g., voltage or SOC, etc.) due to differences in individual dynamic states resulting from material characteristics such as internal resistance, artificial deviations due to the usage environment, and cooling efficiency and capacity. A phenomenon occurs.
  • the balancing process is a method to solve this problem, and can provide effects such as maintaining stable performance of the battery, increasing service life, and increasing output efficiency by continuously controlling a plurality of battery cells to maintain a uniform electrical state.
  • the balancing process is applied by charging battery cells with relatively low electrical characteristics through a separate power source, transferring energy from battery cells with relatively high electrical characteristics to battery cells with relatively low electrical characteristics, etc.
  • a method of discharging battery cells with relatively high electrical characteristics through a resistance circuit (load circuit), etc. is mainly applied.
  • this balancing is performed based only on formal values measured or calculated externally, such as the voltage of the battery cell, without considering the actual characteristics of the battery cell.
  • the electrical characteristics become relatively lower than other battery cells during discharge.
  • the conventional balancing process discharges normal battery cells with high electrical characteristics. Since it is done in a way that is ordered, it can cause problems such as unnecessary consumption of available resources.
  • An object of the present invention is to provide a battery management device and method that can further optimize the driving performance of a battery module by selectively or differentially performing a balancing process for at least one of the battery cells.
  • a battery management device for a battery module including a plurality of battery cells.
  • the battery management device includes a state monitoring unit configured to obtain a plurality of cell state parameters indicating the electrical state of each of the plurality of battery cells, to suppress the deviation of the electrical state between the plurality of battery cells,
  • a balancing processor configured to perform a balancing process, which is a procedure for selectively discharging or charging each of the battery cells, and to perform a balancing process on at least one battery cell among the plurality of battery cells based on the plurality of cell state parameters.
  • a control unit configured to control the balancing processing unit.
  • the battery management device may further include a cell classification unit that classifies each of the plurality of battery cells as a depleted cell or a normal cell based on the plurality of cell state parameters.
  • the control unit may be configured to control the balancing processing unit so that the balancing process is differentially performed based on the cell state parameters of the degenerated cell and the cell state parameters of the normal cell.
  • the control unit may be configured to control the balancing processor to perform the balancing process on the degenerated cell when the cell state parameter of the degenerated cell is greater than the cell state parameter of the normal cell.
  • the cell state parameter may represent at least one of voltage and state of charge (SOC).
  • the cell classification unit includes an input unit configured to obtain the plurality of cell state parameters from the state monitoring unit, and a plurality of cells indicating behavior characteristics of the electrical state of each of the plurality of battery cells based on the plurality of cell state parameters. It may include a calculation processing unit configured to calculate a behavior parameter, and a selection unit configured to classify each of the plurality of battery cells as the deteriorated cell or the normal cell based on a relative difference between the behavior parameters of the plurality of cells.
  • the cell behavior parameter may include a change rate of the cell state parameter.
  • the cell classification unit may be configured to classify each battery cell mapped to n (n is a natural number equal to or greater than 1) cell behavior parameters that are ranked highest among the plurality of cell behavior parameters in order of size as the deteriorated cell.
  • the cell behavior parameter may include a change rate of the cell state parameter.
  • the cell classification unit satisfies both that the cell behavior parameter during the charging process of the battery module is greater than or equal to a first reference value and that the cell behavior parameter during the discharging process of the battery module is greater than or equal to a second reference value. It may be configured to select as the degenerated cell.
  • the state monitoring unit is a module state parameter indicating the electrical state of the battery module and may be configured to obtain the SOC of the battery module.
  • the control unit may be configured to control the balancing processing unit to perform the balancing process on the depleted cell under the condition that the module state parameter is greater than or equal to a reference SOC during charging of the battery module.
  • the battery management device includes a SOC information storage unit configured to store first SOC time series data and second SOC time series data, and configured to calculate SOC statistical values based on the first SOC time series data and second SOC time series data. It may further include a statistics processing unit, and a reference setting unit configured to set the reference SOC to be the same as the SOC statistical value.
  • the first SOC time series data represents the SOC of the battery module at the start of each of the first to (k-1) charging processes performed in the past for the battery module. May include SOC.
  • the second SOC time series data may include first to (k-1)th end SOCs indicating the SOC of the battery module at the end of each of the first to (k-1)th charging processes. k is a natural number greater than or equal to 2.
  • the statistical processing unit may be configured to calculate the SOC statistical value further based on the SOH of the battery module.
  • the statistical processing unit may be configured to determine a reference number based on the SOH of the battery module.
  • the statistical processing unit may be configured to extract the (k-j)th to (k-1)th starting SOC from the first SOC time series data.
  • the statistical processing unit may be configured to extract the (k-j)th to (k-1)th end SOCs from the second SOC time series data.
  • the statistical processing unit may be configured to calculate the SOC statistical value equal to the average value of the (k-j)th to (k-1)th starting SOC and the (k-j)th to (k-1)th ending SOC. there is.
  • j is the above reference number.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention includes the battery management device.
  • An electric vehicle includes the battery pack.
  • a battery management method can be executed by the battery management device.
  • the battery management method includes the steps of the state monitoring unit acquiring the plurality of cell state parameters indicating the electrical state of each of the plurality of battery cells, and the control unit determining the difference in the electrical state between the plurality of battery cells. and controlling the balancing processor to perform the balancing process on at least one battery cell among the plurality of battery cells, based on the plurality of cell state parameters.
  • the controlling of the balancing processor includes classifying each of the plurality of battery cells into a depleted cell or a normal cell based on the plurality of cell state parameters, and the cell state parameter of the degenerated cell and the cell state of the normal cell. It may include controlling the balancing processing unit to differentially perform the balancing process based on parameters.
  • the step of controlling the balancing processor includes obtaining the SOC of the battery module as a module state parameter indicating the electrical state of the battery module, and under the condition that the module state parameter is greater than or equal to the reference SOC during charging of the battery module. , It may include controlling the balancing processing unit to perform the balancing process for the degenerated cell.
  • operating conditions that do not cause weakening of the driving performance of the battery module are identified using time-series changes in the electrical state and/or behavior characteristics of each of the plurality of battery cells, and the identified A balancing process may be selectively performed on at least one of the plurality of battery cells while the operating conditions are satisfied.
  • each of a plurality of battery cells of a battery module be accurately classified as a normal cell or a deteriorated cell, but also the classification result can be organically applied to the control operation for the balancing process. By incorporating it, the performance of the battery module can be improved.
  • the usable capacity of the normal cells in consideration of differences in behavior characteristics between normal cells and degenerated cells, not only can the problem of output being unnecessarily limited, but problems such as persistent performance degradation or shortened lifespan can also be effectively solved.
  • the swing range of SOC (State of Charge), which is the main use range of the battery module, is based on the charging history and/or discharging history that the battery module has passed through.
  • SOC State of Charge
  • the efficiency of the balancing process can be improved by calculating statistical values for and using these statistical values as a kind of standard for differential implementation of the balancing process.
  • the balancing process may be performed only on battery cells classified as one type of degraded cells and normal cells. If the balancing process is performed targeting only degraded cells instead of normal cells, there is an advantage that the state difference between normal cells and degenerated cells is quickly resolved. When the balancing process is performed on only normal cells instead of degenerated cells, the charging and discharging of the degenerated cells is reduced by the balancing process, which helps equalize the lifespan deviation between normal cells and degenerated cells.
  • the present invention may have various other effects, and these will be described in each implementation configuration, or the description of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the cell classification unit shown in FIG. 1.
  • Figure 3 is a block diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram schematically showing the configuration of the reference processing unit shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of a battery management method executable by the battery management device shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a flow chart illustrating another example of a battery management method executable by the battery management device shown in FIG. 1.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating another example of a battery management method executable by the battery management device shown in FIG. 1.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a process for classifying each of a plurality of battery cells as a normal cell or a deteriorated cell.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a process executable by the battery management device shown in FIG. 3.
  • FIG. 10 is a flowchart referenced to explain the determination process of the standard SOC.
  • FIG. 11 is a diagram referenced to exemplarily explain changes in SOC of a battery cell over time.
  • FIG. 12 is a diagram used to explain the behavior characteristics of normal cells and degenerated cells, respectively.
  • FIG. 13 is an enlarged view of the dotted line area shown in FIG. 12.
  • FIG. 14 is a diagram referenced to explain a process of differentially performing a balancing process for degraded cells and normal cells according to a reference SOC.
  • Figure 15 is a diagram referenced to explain the differential balancing process performed when the reference SOC is 80%.
  • FIG. 16 is a diagram referenced for schematically explaining an example of the balancing processor shown in FIGS. 1 and 3.
  • FIG. 17 is a diagram referenced for schematically explaining another example of the balancing processor shown in FIGS. 1 and 3.
  • control unit> refers to a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a flow chart illustrating an example of a battery management method executable by the battery management device shown in FIG. 1. .
  • the battery pack 10 includes a battery module 50 and a battery management device 100.
  • the battery module 50 includes a plurality of battery cells (#1 to #N).
  • N is a natural number of 2 or more and may represent the total number of battery cells included in the battery module 50.
  • a plurality of battery cells (#1 to #N) may be electrically connected to each other in series.
  • symbol 51 may be used to refer to the battery cell.
  • the battery cell 51 is shown as a single object in FIG. 1, this is only one example, and according to the embodiment, the battery cell 51 is a cell assembly in which a plurality of cell units connected in parallel are grouped together. Of course it is possible.
  • the battery management device 100 may monitor the electrical status of each of the plurality of battery cells (#1 to #N) and the electrical status of the battery module 50.
  • the battery management device 100 performs and controls a balancing process of a plurality of battery cells (#1 to #N).
  • the battery management device 100 may include a measurement unit 110, a state monitoring unit 120, a balancing unit 130, a control unit 140, a cell classification unit 150, and an interface unit 160.
  • the battery management device 100 can be implemented through various combinations of electronic devices and components such as storage means, operation processing means, and input/output means. It should be understood that each component of the battery management device 100 shown in FIG. 1 may be physically separated, or alternatively, may be functionally or logically separated.
  • each configuration corresponds to a logical component for realizing the technical idea of the present invention, so even if each component is integrated or separated, if the function performed by the logical configuration of the present invention can be realized, the present invention It should be interpreted as being within the scope, and any component that performs the same or similar function should be interpreted as being within the scope of the present invention, regardless of whether the name matches or whether the composition is divided or integrated.
  • the configuration of the present invention shown in FIGS. 2 to 4 is also similar to this.
  • the state monitoring unit 120 calculates a plurality of cell state parameters indicating the electrical state of each of the plurality of battery cells (#1 to #N) and/or a module state parameter indicating the electrical state of the battery module 50 ( S520, see Figure 5).
  • the module state parameter is an electrical characteristic based on the entire battery module 50 and may depend on a plurality of cell state parameters.
  • the module state parameter may be a value representing a plurality of cell state parameters. For example, the SOC of the battery module 50 as a module state parameter may be determined to be equal to the average SOC of a plurality of battery cells (#1 to #N) according to a plurality of cell state parameters.
  • the state monitoring unit 120 may be linked with the measuring unit 110, which may be implemented with various voltage sensors, current sensors, temperature sensors, measuring devices, etc. known at the time of filing.
  • the measuring unit 110 measures the electrical characteristics (voltage, current, and/or temperature) of a plurality of battery cells (#1 to #N) or the battery module 50 (S510)
  • the status monitoring unit 120 Measurements of the electrical characteristics of the cell 51 may be collected (acquired) at a fixed sampling rate or at a variable sampling rate. At this time, the measured value of the electrical characteristics of the battery cell 51 itself may be a cell state parameter.
  • the state monitoring unit 120 applies a functional calculation process to the measured values of the electrical characteristics of the battery cell 51 to determine the cell state parameters of the battery cell 51 and the module of the battery module 50.
  • the cell state parameter represents the electrical state of the battery cell 51 and may include at least one of voltage, current, temperature, state of charge (SOC), and state of health (SOH).
  • SOC state of charge
  • SOH state of health
  • cell state parameters can be periodically generated per unit time, which can be variably set according to the design of hardware or software.
  • the acquisition period of the cell state parameter may be set shorter, and as the rate of discharging or charging decreases, the acquisition period of the cell state parameter may be set longer.
  • the correspondence relationship between the rate of discharging or charging and the acquisition period of cell state parameters may be recorded in advance as a lookup table.
  • the cell state parameter and/or module state parameter refers to the charging process in which power is supplied (stored) to the battery module 50 from an external power supply device so that the electrical state or behavior characteristics of the battery cell 51 can be more precisely identified.
  • the balancing processing unit 130 is a component that performs a balancing process on a plurality of battery cells (#1 to #N) constituting the battery module 50, and as is well known, it includes relays (switches), load resistors, and timers. It may include hardware configurations such as the like. Of course, the balancing processor 130 may be electrically connected to the battery cell 51 and configured to perform functions such as discharging and/or charging the corresponding battery cell 51 according to a control signal, etc. The hardware implementation of the balancing processor 130 will be described separately later with reference to FIGS. 16 and 17.
  • the control unit 140 When the module state parameter of the battery module 50 is generated, the control unit 140 performs a procedure (S530) to determine whether the module state parameter satisfies a predetermined specific condition that triggers execution of the balancing process.
  • the specific condition may be a combination of (i) the module state parameter being higher than the reference SOC and (ii) the voltage of the degenerated cell being higher than the voltage of the normal cell.
  • the specific condition may be a combination of (i) the module state parameter being below the reference SOC and (ii) the voltage of the normal cell being higher than the voltage of the degenerated cell. If the value of step S530 is “Yes,” the control unit 140 controls the balancing processor 130 to perform a balancing process on at least one battery cell among the plurality of battery cells (#1 to #N) (S540) ).
  • the process of the present invention described above can be designed to be applied cyclically so that continuous battery management can be maintained if there are no events such as power OFF, firmware replacement, or satisfaction of preset termination conditions.
  • the step (S550) of checking whether the termination condition is satisfied may be omitted.
  • the termination condition may be, for example, that the voltage deviation (e.g., difference between the maximum voltage and minimum voltage) of the plurality of battery cells (#1 to #N) is within a predetermined allowable range.
  • the battery management device 100 when a balancing event occurs in which the voltage deviation of any battery cell (e.g., #1) among the plurality of battery cells (#1 to #N) becomes more than the standard deviation, the battery cell ( For example, instead of immediately performing the balancing process for #1), the balancing process precedes a negative situation in which performance degradation of the battery module 50, etc., or deterioration of the battery cell (e.g., #1) may occur. It can be judged negatively.
  • any battery cell e.g., #1
  • the balancing process precedes a negative situation in which performance degradation of the battery module 50, etc., or deterioration of the battery cell (e.g., #1) may occur. It can be judged negatively.
  • the battery management device 100 performs the balancing process on the battery cell (e.g., #1). It is structured as possible.
  • the voltage deviation of any battery cell may mean the difference between the average voltage value of a plurality of battery cells (#1 to #N) and the voltage value of the battery cell (e.g., #1). there is.
  • FIG. 6 is a flow chart illustrating another example of a battery management method executable by the battery management device shown in FIG. 1.
  • the state monitoring unit 120 acquires a plurality of cell state parameters indicating the electrical state of each of the plurality of battery cells (#1 to #N) (S610).
  • the state monitoring unit 120 may generate and store cell state parameters of each of the plurality of battery cells (#1 to #N) through collaboration with the measuring unit 110.
  • the state monitoring unit 120 may utilize the cell state parameters measured by the measuring unit 110 as is, but may also affect the signal output from the measuring unit 110 due to signal interference, distortion, disturbance, etc. If noise components such as impulses or fluctuation waves are included, a hardware configuration that appropriately adjusts or filters them is included in the status monitoring unit 120, or an algorithm that processes them in software is used to determine the status. It may be mounted on the monitoring unit 120.
  • the battery management device 100 through a comparison procedure for the electrical state and/or behavior characteristics of a plurality of battery cells (#1 to #N), matches the battery cells (hereinafter referred to as 'normal cells') corresponding to the normal category. ) and battery cells with relatively deteriorated behavior characteristics (hereinafter referred to as 'deteriorated cells') are classified in a time series manner over time, and the results are used to perform a balancing process on a plurality of battery cells (#1). This corresponds to an embodiment in which ⁇ #N) is differentially applied.
  • the voltage value has the advantage of being able to be measured or generated with a relatively simple circuit configuration (such as a configuration that measures the voltage difference between both ends of the battery cell 51), as well as the intrinsic characteristics of the battery cell 51 externally. Since it has clear representation characteristics, when using this as raw data, it is possible to clearly estimate and select whether or not the cell is degenerated.
  • the cell state parameter is not particularly limited as long as it can represent the electrical state of the battery cell 51 as described above, and typically includes the voltage value of the battery cell 51.
  • the cell classification unit 150 determines the plurality of battery cells (# Using each voltage value (#1 ⁇ #N), each of the plurality of battery cells (#1 ⁇ #N) of the battery module 50 can be classified as a degenerated cell or a normal cell (S620). Details of an embodiment of the present invention for classifying normal cells and degenerated cells will be described later.
  • control unit 140 controls the balancing processor 130 to perform the balancing process differentially according to the cell state parameters of the degenerated cell and the normal cell (S640).
  • step S630 the control unit 140 may determine whether the module state parameter meets a predetermined specific condition that triggers execution of the balancing process. Step S630 may be performed under the condition that the module state parameter is greater than or equal to the reference SOC or the module state parameter is less than or equal to the reference SOC.
  • FIG. 14 is a diagram referenced to explain a process of differentially performing a balancing process for degraded cells and normal cells according to a reference SOC.
  • the control unit 140 may control the balancing process for degenerated cells to be performed (S640). For example, when the module state parameter is higher than the reference SOC, the control unit 140 performs a balancing process for the degenerated cell in a time section (see symbol 'DA' in FIG. 14) where the voltage of the degenerated cell is higher than the voltage of the normal cell. The balancing processing unit 130 (see FIG. 16) can be controlled to perform this. As another example, when the module state parameter is below the reference SOC, the control unit 140 performs a balancing process for the degenerated cell in a time section (see symbol 'DI' in FIG. 14) where the voltage of the normal cell is higher than the voltage of the degenerated cell. The balancing processing unit 130 (see FIG. 17) can be controlled to perform this.
  • the balancing process for a depleted cell may mean a balancing process for each battery cell classified as a degenerated cell among a plurality of battery cells (#1 to #N).
  • step S630 if the value of step S630 is “No”, the balancing processor 130 may be controlled to deactivate the balancing process for both degenerated cells and normal cells.
  • the above-described process can also be configured to be applied recursively depending on whether the termination condition is met or not, as described above.
  • the step (S650) of checking whether the termination condition is satisfied may be omitted.
  • the cell classification unit 150 may include an input unit 151, an operation processing unit 153, and a selection unit 155.
  • the behavior characteristics of the battery cell 51 will be examined, and then the specific function of the selection unit 150 that organically reflects these behavior characteristics to select a degenerated cell and a normal cell will be described later. Let me explain it in detail.
  • FIG. 11 is a diagram referenced to exemplarily explain changes in the SOC of the battery cell 51 over time.
  • the SOC of the battery cell 51 may be included as a cell state parameter of the battery cell 51.
  • the battery cell 51 has a behavior characteristic in which the voltage value rises (increases) during the charging period (t0 to t1). Therefore, the battery cell 51 has a behavior characteristic in which the SOC estimated by applying a functional operation to the voltage value also increases (increases).
  • the SOC in (51) remains constant.
  • the voltage value and SOC of the battery cell 51 have a falling (decreasing) behavior characteristic.
  • the charging period (t4 to t5) may proceed again through an external power supply means, etc., and the voltage value and SOC of the battery cell 51 rises again during the charging period (t4 ⁇ t5).
  • the behavior characteristics of the battery cell 51 repeat in time series during charging, resting, and/or discharging.
  • Figure 11 is a graph shown based on an embodiment in which full charge (SOC 100%) and complete discharge (SOC 0%) are performed.
  • SOC 100% full charge
  • SOC 0% complete discharge
  • the behavior characteristics in which the SOC of the battery cell 51 increases (slope S1) during charging and the SOC of the battery cell 51 decreases (slope S2) when discharging occurs are based on the essential characteristics of the battery cell 51. It applies.
  • the behavior characteristics of the battery cell 51 are shown to change linearly with time for convenience of explanation.
  • the actual behavior characteristics of the battery cell 51 may include a mixture of linearity and nonlinearity.
  • the measurement and generation of electrical characteristics is performed intermittently at specific periods, unlike the drawing, if post-processing such as interpolation is not considered, it may be done discontinuously.
  • FIG. 12 is a diagram referenced to explain the behavior characteristics of each normal cell (N-Cell) and degenerated cell (D-Cell), and FIG. 13 is an enlarged view of the dotted line area (B) shown in FIG. 12.
  • the voltage value of both a normal cell (N-Cell) and a degenerated cell (D-Cell) increases during charging and decreases during discharging.
  • the battery cell 51 with a relatively increased internal resistance is different from other battery cells 51 due to the increased internal resistance even when the same amount of current is introduced, according to the general law (Ohm's law) based on the correlation between voltage and current. In contrast, a relatively high voltage rise occurs. In other words, even if a relatively small current flows in, the voltage rises to the same level as that of other battery cells 51.
  • SOC can be calculated functionally based on the voltage of the battery cell 51, so SOC also has characteristic changes corresponding to changes in voltage.
  • discharge is when the amount of charge (charge, current component) stored in the battery cell 51 is discharged to the outside. Therefore, when the same amount of current is discharged to the outside, the difference in internal resistance causes the discharge of other battery cells.
  • the voltage drop is relatively larger than in (51).
  • the voltage of the degenerated cell (D-Cell) increases significantly from Va2 to Va1, while the voltage of the normal cell (N-Cell) increases from Vb2 to Vb2. It rises slightly to Vb1. That is, in the case of a degenerated cell (D-Cell), the amount of voltage change over the same charging period is relatively larger than that of a normal cell (N-Cell).
  • the behavior characteristics of the charging and discharging process are shown to correspond (symmetrically) to each other, but the charging and discharging are influenced by external factors such as external power supply means, power characteristics of load means (electric motors, etc.), and specifications.
  • external factors such as external power supply means, power characteristics of load means (electric motors, etc.), and specifications.
  • the behavior characteristics of the charging and discharging process may not correspond (symmetry) due to the electrochemical properties each has inherently.
  • ⁇ t is a predetermined small time.
  • SD is the rate of change of the voltage value as a cell characteristic parameter of the degenerated cell (D-Cell).
  • SN is the rate of change of voltage value as a cell characteristic parameter of a normal cell (N-Cell). Therefore, during the charging process, SD has a larger value than SN, and during the discharging process, SD has a larger value than SN (based on absolute value).
  • the level of performance degradation of the battery cell 51 can be effectively identified based on the voltage value at a specific timing of the battery cell 51 and/or the change trend (cell behavior parameter) of the voltage value over time. do.
  • the degree of deterioration of each of the plurality of battery cells (#1 to #N) is determined through relative comparison of the magnitude (absolute value magnitude) of the change rate per hour of the cell state parameters of each of the plurality of battery cells (#1 to #N).
  • the size can be quantified mathematically. That is, the plurality of battery cells (#1 to #N) may be ranked in descending or ascending order based on each cell behavior parameter (corresponding to the degree of degradation).
  • the cell classification unit 150 classifies each of the plurality of battery cells (#1 to #N) based on a plurality of cell behavior parameters indicating the behavior characteristics of the electrical state of each of the plurality of battery cells (#1 to #N). It is configured to classify as degenerated cells (D-Cell) or normal cells (N-Cell).
  • D-Cell degenerated cells
  • N-Cell normal cells
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating another example of a battery management method executable by the battery management device shown in FIG. 1.
  • the operation processing unit 153 calculates a cell behavior parameter indicating the behavior characteristics of the cell state parameter of the battery cell 51 (S720).
  • cell state parameters e.g., voltage, SOC, etc.
  • the cell behavior parameters of any battery cell 51 may include the rate of change per time of the cell state parameter of the battery cell 51.
  • the hourly change rate of SOC or the size difference of SOC generated through functional processing of the difference value and voltage value of electrical characteristics at a plurality of points in time or a plurality of time sections may be used as the behavior characteristic. You can.
  • the selection unit 155 determines the plurality of battery cells (#1 to #N) based on the relative differences between the cell behavior parameters corresponding one-to-one (#1 ⁇ #N) Each is classified as a degenerated cell (D-Cell) or a normal cell (N-Cell).
  • step S730 If the number of target cells identified in step S730 is less than or equal to a set number (n, a natural number greater than or equal to 1 but less than N), all identified target cells may be classified as degenerated cells. If the number of target cells identified in step S730 exceeds the set number (n), step S740 may be executed.
  • n a natural number greater than or equal to 1 but less than N
  • step S740 the selection unit 155 sorts the plurality of cell behavior parameters one-to-one mapped to the plurality of target cells identified in step S730 in order of size, and sets the cell behavior parameters of the set number (n) corresponding to the higher rank.
  • Each battery cell mapped to can be selected as a depleted cell (D-Cell) (S740).
  • D-Cells depleted cells
  • step S740 Each of the remaining battery cells that are not selected as depleted cells (D-Cells) in step S740 are classified as normal cells.
  • the setting number (n) may be a predetermined constant.
  • the selection unit 155 may include battery efficiency, current output characteristics, specifications of the load means (electric motor, etc.), durability of the battery cell, use period of the battery cell, charge/discharge cycle, environmental information such as SOH, etc. Based on this, the setting number (n) can be determined.
  • the above-described process can also be configured to be applied recursively depending on whether the termination condition is met or not, as described above.
  • the step (S750) of checking whether the termination condition is satisfied may be omitted.
  • the selection unit 155 selects a battery cell (hereinafter referred to as a 'target cell') whose cell behavior parameters (such as the rate of change per hour of the cell state parameter or its absolute value) of the battery cell 51 are equal to or greater than the reference value. It may be configured to determine whether it exists (S730) and then select at least one of the target cell(s) as a degenerated cell (D-Cell) (S740).
  • a 'target cell' whose cell behavior parameters (such as the rate of change per hour of the cell state parameter or its absolute value) of the battery cell 51 are equal to or greater than the reference value. It may be configured to determine whether it exists (S730) and then select at least one of the target cell(s) as a degenerated cell (D-Cell) (S740).
  • the reference value (may also be referred to as 'reference rate of change') is a change rate that has a range of the calculated average value, weighted average value, and standard deviation of the cell behavior parameters of all battery cells (#1 to #N) constituting the battery module 50. , the average value excluding the maximum and minimum, etc.
  • the reference value may be individually predetermined for each of charging and discharging.
  • the number by which the number of normal cells (N-Cells) can be greater than the number of degenerated cells (D-Cells) may be set as a reference value. For example, if the total number N of battery cells (#1 to #N) included in the battery module 50 is 30, the number of battery cells 51 classified as normal cells (N-Cell) is at least 16. A value that can be more than one value can be set as the standard rate of change.
  • the time section during which the balancing process is inactivated be optimized, but also the energy consumption of the discharge cell (D-Cell) due to the balancing process is appropriately limited, so that the output performance of the entire battery module 50 is normal. It can be maintained so as not to deviate significantly from the range.
  • D-Cell discharge cell
  • the control unit 140 operates at least for a time, as shown in FIG. 12.
  • the time section DA may belong to the charging period of the battery module 50, and in the time section DA, the voltage value of the degenerated cell (D-Cell) is greater than or equal to the voltage value of the normal cell (N-Cell).
  • the control unit 140 operates in a section DI where the voltage value of the degenerated cell (D-Cell) is smaller than the voltage value of the normal cell (N-Cell), that is, the voltage value of the normal cell (N-Cell) is lower than the voltage value of the normal cell (N-Cell). D-Cell), the balancing process is controlled so that even if a voltage deviation occurs, the balancing process is not performed.
  • the time interval DI may belong to the discharge period of the battery module 50.
  • the battery management device 100 differentially performs the balancing process using the selection of normal cells (N-Cell) and degenerated cells (D-Cell) and the behavior characteristics of their electrical characteristics (voltage value, etc.). You can. Table 1 below is an example of operating conditions referenced for carrying out the balancing process.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a process for classifying each of a plurality of battery cells (#1 to #N) into a normal cell (N-Cell) or a deteriorated cell (D-Cell).
  • the operation processing unit 153 operates on the battery cell 51.
  • the selection unit 155 may be configured to select a degenerated cell (D-Cell), etc. based on each charging procedure and discharging procedure.
  • D-Cell degenerated cell
  • the selection unit 155 sorts the plurality of cell behavior parameters mapped one-to-one to the plurality of battery cells (#1 to #N) in order of size, Battery cells (#1 ⁇ #N) can be ranked.
  • the selection unit 155 selects the cells obtained during the charging process based on a plurality of cell behavior parameters representing the behavior characteristics of each of the plurality of battery cells (#1 to #N) input in time series from the calculation processing unit 153.
  • the cell behavior parameters obtained during the charging process may be referred to as first cell behavior parameters, and the cell behavior parameters obtained during the discharging process may be referred to as second cell behavior parameters.
  • the first reference value may be an average value of first cell behavior parameters of a plurality of battery cells (#1 to #N).
  • the second reference value may be an average value of the second cell behavior parameters of the plurality of battery cells (#1 to #N).
  • the time length of the charging process for determining the first cell behavior parameter and the time length of the discharging process for determining the second cell behavior parameter may each be set to a predetermined reference time or more.
  • the process of checking whether the cell behavior parameters of each of the plurality of battery cells (#1 to #N) are greater than or equal to the first reference value based on the time of charging and the plurality of battery cells (#1 to #N) based on the time of discharging A process of checking whether each cell behavior parameter is greater than or equal to the second reference value may be performed in advance.
  • the selection unit 155 selects the battery cell 51 identified as having a cell behavior parameter equal to or higher than a reference value in both the charging process and the discharging process as a degenerated cell (D-Cell) among the plurality of battery cells (#1 to #N). It can be configured to select (S850).
  • step S850 the selection unit 155 determines that the number of battery cells corresponding to both the first and second target cells among the plurality of battery cells (#1 to #N) is a threshold number (m, where m is 1 or more and less than N). (a natural number of) or less, each of the battery cells corresponding to both the first and second target cells can be selected as a depleted cell (D-Cell).
  • the selection unit 155 selects the first and second target cells.
  • a critical number (m) of battery cells can be selected as depleted cells (D-Cells) (S850).
  • each of the critical number (m) of battery cells may be selected as a depleted cell (D-Cell) in descending order of the average values of the cell behavior parameters related to the charging process and the cell behavior parameters related to the discharging process.
  • the critical number (m) may be a predetermined constant. Alternatively, the critical number ( It is desirable that m) is configured to be set variably.
  • the control unit 140 may intentionally not perform the balancing process for the normal cell (N-Cell) in a time section in which the voltage of the normal cell (N-Cell) is maintained higher than the voltage of the degenerated cell (D-Cell). . On the other hand, it is possible to control the balancing process for the degenerated cell (D-Cell) to be performed only in a time period when the voltage of the degenerated cell (D-Cell) is maintained higher than the voltage of the normal cell (N-Cell).
  • N-Cell normal cell
  • D degenerated cell
  • the control unit 140 may be configured to transmit various information and data generated by the above-described process to an external control device 200 installed in an electric vehicle, etc. through the interface unit 160.
  • the control unit 140 may be configured to perform various processes according to the present invention based on a control signal or setting value received from the external control device 200 through the interface unit 160.
  • the cell classification unit 150 or the control unit 140 confirms that a battery cell (e.g., #1) that is continuously selected as a deteriorated cell (D-Cell) for more than a certain period of time or repeatedly more than a certain number of times is identified, the battery cell It may be configured to transmit alarm information about the need for replacement of a cell (eg, #1) to the external control device 200 through the interface unit 160.
  • a battery cell e.g., #1
  • D-Cell deteriorated cell
  • the identification information of the battery cell 51 constituting the battery module 50 is databased in advance, information physically specifying the battery cell 51 classified as a depleted cell (D-Cell), as well as the alarm information It can be transmitted to the external control device 200 together with.
  • D-Cell depleted cell
  • FIG. 3 is a block diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a flowchart explaining a process executable by the battery management device shown in FIG. 3.
  • the battery pack 10 shown in FIG. 3 includes a battery module 50 and a battery management device 100.
  • the battery management device 100 differentially performs the balancing process for each of the plurality of battery cells (#1 to #N) by reflecting statistical values calculated based on the standard SOC or the user's charging and discharging pattern. It is provided to be controlled as much as possible.
  • FIG. 3 shows the reference processing unit 170 replaced with the cell classification unit 150.
  • the battery management device 100 may also be implemented as an embodiment including both a reference processing unit 170 and a cell classification unit 150.
  • the reference processing unit 170 stores the reference SOC, which is used for differential control of the balancing process performed by the balancing processing unit 130.
  • step S910 the state monitoring unit 120 obtains a plurality of cell state parameters (e.g., voltage values, etc.) that are mapped one-to-one to the plurality of battery cells (#1 to #N) from the measuring unit 110.
  • cell state parameters e.g., voltage values, etc.
  • the state monitoring unit 120 calculates a module state parameter indicating the electrical state of the battery module 50 based on a plurality of cell state parameters.
  • Module status parameters include the SOC of the battery module 50.
  • the SOC of the battery module 50 may be the average, minimum, or maximum value of the SOC of a plurality of battery cells (#1 to #N) based on a plurality of cell state parameters.
  • step S930 the control unit 140 may determine whether the current module status parameters (eg, SOC, etc.) are greater than or equal to the reference SOC stored in the reference processing unit 170. If the value of step S930 is “Yes,” the process may proceed to step S932. The value of step S930 being “No” means that the module status parameter is below the reference SOC. If the value of step S930 is “No”, the process may proceed to step S934.
  • the current module status parameters eg, SOC, etc.
  • step S932 the control unit 140 may determine whether the voltage of the degenerated cell is higher than the voltage of the normal cell. If the value of step S932 is “Yes,” the process may proceed to step S940.
  • step S934 the control unit 140 may determine whether the voltage of the normal cell is higher than the voltage of the degenerated cell. If the value of step S934 is “Yes,” the process may proceed to step S940.
  • step S940 the control unit 140 controls the balancing processor 130 to perform a balancing process on at least one battery cell classified as a depleted cell (D-Cell) among the plurality of battery cells (#1 to #N). can do.
  • D-Cell depleted cell
  • control unit 140 may control the balancing processor 130 shown in FIG. 16 to perform a balancing process on the degenerated cell (D-Cell).
  • control unit 140 may control the balancing processor 130 shown in FIG. 17 to perform a balancing process for the degenerated cell (D-Cell).
  • the above-described process can also be configured to be applied recursively depending on whether the termination condition is met or not, as described above.
  • the step (S950) of checking whether the termination condition is satisfied may be omitted.
  • each of the plurality of battery cells (#1 to #N) in order to classify each of the plurality of battery cells (#1 to #N) as a degenerated cell (D-Cell) or a normal cell (N-Cell), at least one of the charging process and the discharging process must proceed prior to this. You can. Therefore, the charging process and discharging process that occur prior to the cell classification procedure can be referred to as a preliminary charging process and a preliminary discharging process, respectively.
  • step S510 of FIG. 5, step S610 of FIG. 6, step S710 of FIG. 7, step S810 of FIG. 8, and step S910 of FIG. 9 are each performed while at least one of the preliminary charging process and the preliminary discharging process is in progress. It can be.
  • step S540 of FIG. 5, step S640 of FIG. 6, and step S940 of FIG. 9 may each be executed in a charging process and/or a discharging process subsequent to the preliminary charging process and/or the preliminary discharging process.
  • the cell behavior parameters of the degenerated cell may be relatively larger than the cell behavior parameters of the normal cell (N-Cell).
  • the degenerated cell has behavior characteristics whose charging and discharging rates are higher than those of the normal cell (N-Cell).
  • the SOC of the battery module 50 may be determined depending on the battery cell 51 having a relatively high voltage among the plurality of battery cells (#1 to #N).
  • the reference processing unit 170 can set the reference SOC to a value that matches the overall behavior characteristics of the battery module 50.
  • the controller 140 may control the balancing process to be performed on the depleted cell (D-Cell).
  • control unit 140 may deactivate the balancing process for both the depleted cell (D-Cell) and the normal cell (N-Cell).
  • the first SOC section (Section1) corresponds to an area where the SOC of the battery module 50 is more than the reference SOC (Z R )
  • the second SOC section (Section2) corresponds to an area where the SOC of the battery module 50 is It corresponds to the area below the standard SOC (Z R ).
  • the first SOC section (Section1) can be estimated as an area where the influence of the degenerated cell (D-Cell) is relatively large. Accordingly, the control unit 140 operates the balancing processor 130 to activate the balancing process for the degenerated cell (D-Cell) in the time period (DA) from time Ta to Tb corresponding to the first SOC section (Section1). You can control it.
  • the second SOC section may correspond to an area where the influence of the normal cell (N-Cell) is relatively large. Therefore, the control unit 140 performs balancing so that the balancing process is not performed on all of the plurality of battery cells (#1 to #N) in the time section (DI) from time Tb to Tc corresponding to the second SOC section (Section2).
  • the processing unit 130 can be controlled.
  • FIG. 4 is a block diagram schematically showing the configuration of the reference processing unit 170 shown in FIG. 3, and FIG. 10 is a flow chart referenced to explain the determination process of the reference SOC.
  • the reference processing unit 170 may include a SOC information storage unit 171, a statistics processing unit 173, a reference setting unit 175, and an SOH calculating unit 177.
  • the SOC information storage unit 171 works in conjunction with the status monitoring unit 120 to provide the SOC information that is the SOC of the battery module 50 at the start of the charging process.
  • 1 SOC and the second SOC which is the SOC of the battery module 50 at the end point, can be mapped to the turn number of the corresponding charging process and stored. Accordingly, the first SOC time series data and the second SOC time series data may be stored in the SOC information storage unit 171.
  • the first SOC time series data represents the SOC of the battery module 50 at the start of each of the first to (k-1) charging processes performed in the past for the battery module 50. 1) Include the starting SOC.
  • k is an index indicating the latest charging process cycle and is a natural number greater than or equal to 2. That is, each time the previous charging process for the battery module 50 is completed and a new charging process proceeds, k increases by 1.
  • the second SOC time series data includes first to (k-1)th finished SOCs indicating the SOC of the battery module 50 at the end of each of the first to (k-1)th charging processes.
  • step S1010 the statistical processing unit 173 obtains the first SOC time series data and the second SOC time series data from the SOC information storage unit 171.
  • the statistical processing unit 173 may extract the (k-j)th to (k-1)th starting SOCs from the first SOC time series data. Additionally, the statistical processing unit 173 may extract the (k-j)th to (k-1)th ending SOCs from the second SOC time series data.
  • j is the reference number.
  • the reference number (j) may be a predetermined natural number greater than or equal to 1.
  • the statistics processor 173 may determine the reference number j based on the SOH of the battery module.
  • the statistics processing unit 173 calculates the SOC statistical value equal to the average value of the (k-j)th to (k-1)th starting SOC and the (k-j)th to (k-1)th ending SOC. You can.
  • the SOC statistical value can be used to calculate a reference SOC to be applied in the period from the end of the (k-1)th charging process to the start of the (k+1)th charging process.
  • step S1040 the reference setting unit 175 determines the reference SOC based on the SOC statistical value calculated by the statistics processing unit 173.
  • the method according to FIG. 10 may be configured to be applied recursively depending on whether the termination condition is met or not.
  • the step (S1060) of checking whether the termination condition is satisfied may be omitted.
  • the statistics processor 173 may update the first SOC time series data, second SOC time series data, and SOC statistical values used in the previous round of charging process each time a new round of charging process is completed.
  • 30 first SOCs and 30 second SOCs are stored in the SOC information storage unit (171) from the first charging process to the 30th charging process. ) may already be stored in .
  • the statistics processor 173 may calculate a SOC statistical value for the current charging process based on at least one of the 30 first SOCs and at least one of the 30 second SOCs.
  • the SOC statistical value is calculated using the latest results, so the past charging and discharging pattern of the battery module 50 can be more effectively reflected in the differential execution of the balancing process.
  • the SOC statistical value may be an average value of S first SOCs and S second SOCs.
  • the reference setting unit 175 may determine the reference SOC to be equal to the SOC statistical value or to be equal to the SOC statistical value multiplied by the correction coefficient.
  • the correction coefficient may be a predetermined constant or a value that can be adjusted based on the SOH of the battery module 50.
  • Figure 15 is a diagram referenced to explain the differential balancing process performed when the reference SOC is 80%.
  • the SOC swing range is 60% to 100%, and the reference SOC is 80%, which is the exact center of the SOC swing range.
  • the embodiment shown in FIG. 15 is exactly the same as the previous embodiment in which the balancing process is differentially performed through calculation and comparison of the voltage values (electrical characteristics) of the degenerated cell (D-Cell) and the normal cell (N-Cell). Although they may not match, as described above, the methodology of using the SOC value of the battery module 50 inherently substantially reflects the behavior characteristics of the degenerated cell (D-Cell) and the normal cell (N-Cell). Both can provide corresponding results.
  • the SOH calculation unit 177 calculates the electrical characteristics of the battery cell 51 or the battery module 50 input from the state monitoring unit 120, the durability or lifespan of the previously stored battery cell 51, etc. It may be configured to calculate the SOH of the battery cell 51 and/or the battery module 50 using information, etc.
  • the SOH is information representing a kind of degree of degeneration. As the degree of degeneration increases, the rate of change in electrical characteristics accelerates due to an increase in internal resistance.
  • the reference setting unit 175 may determine the reference SOC further based on the SOH of the battery module 50.
  • the reference setting unit 175 determines a correction coefficient corresponding to the current SOH of the battery module 50 based on a predetermined negative correspondence between the SOH and the correction coefficient, and then converts the determined correction coefficient into the SOC statistical value.
  • the standard SOC can be determined by multiplying by . According to this, as the SOH of the battery module 50 decreases, the correction coefficient increases. As a result, even if the SOC statistical value is the same, as the SOH of the battery module 50 decreases, the reference SOC increases.
  • the section in which the cell state parameter of the degenerated cell (D-Cell) is higher than the cell state parameter of the normal cell (N-Cell) can be determined more precisely. Since they can be clearly distinguished, the efficiency of the differential balancing process can also be increased.
  • the battery pack 10 includes various other components in addition to the battery module 50 and the battery management device 100, such as batteries known at the time of filing the present invention, such as BMS, busbar, pack case, relay, current sensor, etc. It may further include pack components, etc.
  • the battery management device 100 may be included in an electric vehicle. That is, the electric vehicle according to the present invention may include the above-described battery management device 100 or a battery pack including the same. Additionally, the electric vehicle according to the present invention may further include various other components, such as a vehicle body, a motor, and an electronic control unit (ECU), in addition to the battery management device 100 or the battery pack.
  • ECU electronice control unit
  • FIG. 16 is a diagram referenced for schematically explaining an example of the balancing processor shown in FIGS. 1 and 3. To aid understanding, FIG. 16 shows the configuration of the balancing processor 130 as well as the coupling relationship between the battery module 50 and the balancing processor 130.
  • the balancing processor 130 may include a plurality of buck balancing circuits (D#1 to D#N).
  • the control unit 140 is operably coupled to a plurality of buck balancing circuits (D#1 to D#N) so as to output a control signal to each of the plurality of buck balancing circuits (D#1 to D#N).
  • the control signal output from the control unit 140 to each of the plurality of buck balancing circuits (D#1 to D#N) may be a pulse width modulation (PWM) signal in which high level voltage and low level voltage are alternately repeated.
  • PWM pulse width modulation
  • Multiple buck balancing circuits (D#1 to D#N) are provided on a one-to-one basis to multiple battery cells (#1 to #N). That is, when i is a natural number less than or equal to N, the buck balancing circuit (D#i) is provided to selectively perform a balancing process for the battery cell (#i).
  • the buck balancing circuit (D#i) may include a balancing switch (SW) and a resistor (R). That is, the buck balancing circuit (D#i) includes a series circuit of a balancing switch (SW) and a resistor (R). The buck balancing circuit (D#i) is connected in parallel to the battery cell (#i).
  • the balancing switch SW may be turned on in response to the control signal from the control unit 140 being a high level voltage.
  • the balancing switch SW may be turned off in response to the control signal from the control unit 140 being a low level voltage.
  • a closed circuit including the buck balancing circuit (D#i) and the battery cell (#i) is formed, and current flows through the closed circuit.
  • the balancing switch (SW) of the buck balancing circuit (D#i) When the balancing switch (SW) of the buck balancing circuit (D#i) is turned on during the idle period (e.g., time t1 to t2 in FIG. 14) when both charging and discharging of the battery module 50 are stopped, the battery cell As the energy stored in (#i) is consumed by the buck balancing circuit (D#i), the cell state parameters of the battery cell (#i) gradually decrease.
  • the balancing switch (SW) of the buck balancing circuit (D#i) When the balancing switch (SW) of the buck balancing circuit (D#i) is turned on during the charging period of the battery module 50 (e.g., time Ta to t1 in FIG. 14), the charging current of the battery module 50 is (#i) and buck balancing circuit (D#i). Accordingly, the charging speed of the battery cell (#i) slows down.
  • the balancing switch (SW) of the buck balancing circuit (D#i) When the balancing switch (SW) of the buck balancing circuit (D#i) is turned on during the discharge period of the battery module 50 (e.g., time t2 to Tb in FIG. 14), the battery cell (#i) is connected to the battery module (50). In addition to the discharge current of ), it can be additionally discharged by the buck balancing circuit (D#i). Accordingly, the discharge speed of the battery cell (#i) increases.
  • the battery cell (#1) is a degenerated cell (D-Cell) and the battery cell (#2) is a normal cell (N-Cell). Then, during a period corresponding to the SOC range above the reference SOC (Z R ) (e.g., from time Ta to time Tb in FIG. 14), the balancing switch of the buck balancing circuit (D#1) provided to the battery cell (#1) (SW) will remain turned on, while the balancing switch (SW) of the buck balancing circuit (D#2) provided in the battery cell (#2) will remain turned off. In other words, the balancing process for the battery cell (#1) and battery cell (#2) is differentially performed.
  • the charging speed of only the battery cell #1 among the battery cells #1 and #2 decreases.
  • the discharge rate of the battery cell #1 is faster than the discharge rate of the battery cell #2.
  • a differential balancing process is implemented during the period from time Ta to time Tb, thereby changing the cell state parameters of the battery cell (#1) as a deteriorated cell (D-Cell) and the battery as a normal cell (N-Cell).
  • the cell state parameters of cell (#2) can be effectively equalized.
  • the battery cell (#1) is a degenerated cell (D-Cell) and the battery cell (#2) is a normal cell (N-Cell). Then, during the period corresponding to the SOC range below the reference SOC (Z R ) (e.g., from time Tb to time Tc in FIG. 14), the balancing of the buck balancing circuit (D#1) provided to the battery cell (#1) The switch SW will remain turned off, while the balancing switch SW of the buck balancing circuit D#2 provided in the battery cell #2 will remain turned on. In other words, the balancing process for the battery cell (#1) and battery cell (#2) is differentially performed.
  • the discharge rate of the battery cell #2 is accelerated by the buck balancing circuit D#2.
  • the charging speed of only the battery cell #2 among the battery cells #1 and #2 is reduced by the buck balancing circuit D#2. do.
  • a differential balancing process is implemented during the period from time Tb to time Tc, so that the cell state parameters of the battery cell (#1) as a deteriorated cell (D-Cell) and the battery as a normal cell (N-Cell)
  • the cell state parameters of cell (#2) can be effectively equalized.
  • FIG. 17 is a diagram referenced for schematically explaining another example of the balancing processor shown in FIGS. 1 and 3. To aid understanding, FIG. 17 shows the configuration of the balancing processor 130 as well as the coupling relationship between the battery module 50 and the balancing processor 130.
  • the balancing processing unit 130 shown in FIG. 17 may include a plurality of boost balancing circuits (U#1 to U#N).
  • the control unit 140 is operably coupled to a plurality of boost balancing circuits (U#1 to U#N) so as to output a control signal to each of the plurality of boost balancing circuits (U#1 to U#N).
  • a plurality of boost balancing circuits (U#1 to U#N) are provided on a one-to-one basis to a plurality of battery cells (#1 to #N). That is, when i is a natural number less than or equal to N, the boost balancing circuit (U#i) is provided to selectively perform a balancing process for the battery cell (#i).
  • the boost balancing circuit (U#i) may be a direct current voltage source, for example, a DC-DC converter.
  • the boost balancing circuit U#i supplies charging power to the battery cell #i during operation in response to a control signal from the control unit 140.
  • the boost balancing circuit U#i When the boost balancing circuit U#i operates during the discharge period of the battery module 50 (e.g., times Tb to t3 in FIG. 14), the discharge power of the battery cell #i is transferred to the boost balancing circuit U#i. By being compensated by the charging power supplied from , the discharge rate of the battery cell (#i) slows down.
  • the boost balancing circuit U#i When the boost balancing circuit U#i operates during the idle period of the battery module 50 (e.g., times t3 to t4 in FIG. 14), the cell state parameter of the battery cell #i gradually increases.
  • the battery cell #i When the boost balancing circuit U#i operates during the discharge period of the battery module 50 (e.g., from time t4 to Tc in FIG. 14), the battery cell #i receives the boost as well as the charging current of the battery module 50. It can be additionally charged by the balancing circuit (U#i). Accordingly, the charging speed of the battery cell (#i) becomes faster.
  • the battery cell (#1) is a degenerated cell (D-Cell) and the battery cell (#2) is a normal cell (N-Cell). Then, during the period corresponding to the SOC range below the reference SOC (Z R ) (e.g., from time Tb to time Tc in FIG. 14), the boost balancing circuit U#1 provided in the battery cell #1 operates. Meanwhile, the boost balancing circuit (U#2) provided to the battery cell (#2) will be turned off.
  • the charging speed of the battery cell #1 is faster than the charging speed of the battery cell #2.
  • a differential balancing process is implemented during the period from time Tb to time Tc, so that the cell state parameters of the battery cell (#1) as a deteriorated cell (D-Cell) and the battery as a normal cell (N-Cell)
  • the cell state parameters of cell (#2) can be effectively equalized.
  • the battery cell (#1) is a degenerated cell (D-Cell) and the battery cell (#2) is a normal cell (N-Cell). Then, during the period corresponding to the SOC range above the reference SOC (Z R ) (e.g., from time Ta to time Tb in FIG. 14), the boost balancing circuit (U#1) provided in the battery cell (#1) will not operate. On the other hand, the boost balancing circuit (U#2) provided in the battery cell (#2) will operate.
  • the charging speed of the battery cell #2 may be accelerated by the boost balancing circuit U#2.
  • the discharge rate of only the battery cell #2 among the battery cells #1 and #2 is reduced by the boost balancing circuit U#2. do.
  • a differential balancing process is implemented during the period from time Ta to time Tb, thereby changing the cell state parameters of the battery cell (#1) as a deteriorated cell (D-Cell) and the battery as a normal cell (N-Cell).
  • the cell state parameters of cell (#2) can be effectively equalized.
  • the balancing processing unit 130 may include both the buck balancing circuit (D#1 to D#N) according to FIG. 16 and the boost balancing circuit (U#1 to U#N) according to FIG. 17.
  • the battery cell (#1) is a degenerated cell (D-Cell) and the battery cell (#2) is a normal cell (N-Cell).
  • the balancing switch (SW) of the buck balancing circuit (D#1) provided to the battery cell (#1) is It is controlled to be in a turn-on state, and the boost balancing circuit (U#2) provided to the battery cell (#2) can be controlled to be in an operating state.
  • the boost balancing circuit (U#2) provided in the battery cell (#1) is controlled in an operating state, and the battery
  • the balancing switch (SW) provided in the cell (#2) can be controlled to be turned on.
  • the balancing process using the buck balancing circuit may be referred to as a buck balancing process, a passive balancing process, or a first balancing process.
  • the balancing process using the boost balancing circuit may be referred to as a boost balancing process, an active balancing process, or a second balancing process.
  • the embodiments of the present invention described above are not only implemented through devices and methods, but may also be implemented through a program that realizes the function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded.
  • the implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs based on the description of the embodiments described above.

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Abstract

배터리 관리 장치, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 상기 배터리 관리 장치는, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 위해 제공된 것으로서, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태를 나타내는 복수의 셀 상태 파라미터를 획득하도록 구성되는 상태 감시부, 상기 복수의 배터리 셀 간의 상기 전기적 상태의 편차를 억제하기 위해, 상기 복수의 배터리 셀 각각을 선택적으로 방전 또는 충전시키는 절차인 밸런싱 프로세스를 수행하도록 구성되는 밸런싱 처리부, 및 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 한 배터리 셀에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하도록 구성되는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 관리 장치, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법
본 발명은 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태에 따라 복수의 배터리 셀 각각에 대한 밸런싱 프로세스를 차등적으로 적용하는 배터리 관리 장치에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 09월 07일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2022-0113716호 및 2023년 07월 27일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2023-0098407호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
전기를 구동원으로 사용하는 노트북, 비디오 카메라, 모바일 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증가하고, 이동형 로봇, 전기 자전거, 전동 카트, 전기 차량 등이 보편적으로 상용화됨에 따라 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상용화된 재충전 가능한 이차전지로(이하, '배터리 셀' 또는 '셀'이라고 칭할 수 있음)는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮은 장점을 가짐은 물론, 에너지 밀도가 높고 작동 전압이 높은 특성을 가지고 있어 다른 종류의 이차전지에 비해 더욱 집중적으로 연구됨은 물론, 실제 제품에도 더욱 확장적으로 적용되고 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 차량이나 전력저장장치(ESS, Energy Storage System)와 같은 중대형 장치에도 배터리 셀이 널리 이용되고 있다.
이 경우, 전기적으로 연결된 복수의 배터리 셀이 모듈 케이스 내부에 함께 수납되는 배터리 모듈이 주로 적용되고 있으며, 나아가 고전력이나 대용량이 요구되는 경우, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 연결된 이러한 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 적용되기도 한다.
이러한 배터리 모듈 내지 배터리 팩(이하 '배터리'로 통칭한다)은 전력을 제공하는 장치에 해당하므로 에너지 효율성이 중요한 이슈가 된다. 그러므로 전극 조립체를 다수의 단위 적층체로 구현하는 방법, 배터리 셀의 물성재료를 개선하는 방법, 전기화학적 효율성을 증가시키는 방법 등 에너지 밀도를 증가시키기 위한 다양한 노력이 경주되고 있다.
이와 관련하여, 배터리의 성능 최적화 등을 위하여 충전 또는 방전 회로 등을 적절히 이용하여 배터리에 포함되는 복수의 배터리 셀 사이의 전기적 특성(전압, SOC 등)이 균일(적정한 오차 범위 포함)하도록 제어하는 밸런싱 프로세스(balancing process)가 적용되고 있다.
복수의 배터리 셀은 내부 저항 등의 재질적 특성, 사용 환경에 의한 인위적 편차, 쿨링 효율 및 용량 등에서 기인하는 개별적인 동적(dynamic) 상태의 차이에 의해 전기적 특성(예, 전압 또는 SOC 등)이 불균일하게 되는 현상이 발생된다.
이와 같이 전기적 특성의 편차가 발생하면 실제 가용될 수 있는 자원이 최적화된 방식으로 사용되지 못하므로 실제 가용 용량이나 가용 출력에 비하여 배터리 모듈의 성능이 낮아지는 문제가 발생한다. 또한, 적어도 하나 이상의 배터리 셀이 다른 배터리 셀들보다 선행적으로 최고치 전기적 특성에 도달하게 되면, 내부 용량에 여유가 있는 다른 배터리 셀의 충전이 완료되지 못한 채로 충전 과정이 종료되므로 배터리 모듈 전체의 충전량을 크게 제한하는 문제 또한 발생하게 된다.
극단적인 예이기는 하나, 하나의 배터리 셀이 최저치의 전압(충전전압)을 가지고, 다른 어느 하나의 배터리 셀이 최고치의 전압을 가지고 있다면 나머지 다른 배터리 셀들이 적절한 전압을 가지고 있다고 하더라도 해당 배터리는 충전(에너지 저장)뿐만 아니라 방전(전력 공급)이 불가능한 상태가 될 수 있다.
또한, 전압 편차가 적절하게 해소되지 않는 채 배터리의 사용이 지속되면 전압 편차는 더욱 심화되므로 배터리의 성능 저하가 더욱 심각해짐은 물론, 과충전 등에 의한 발화 등 안전상의 문제도 초래될 수 있다.
밸런싱 프로세스는 이와 같은 문제를 해소하기 위한 방법으로서, 복수의 배터리 셀이 균일한 전기적 상태를 갖도록 지속적으로 제어함으로써 배터리의 안정적 성능 유지, 사용 수명 증가, 출력 효율성 증가 등의 효과를 제공할 수 있다.
밸런싱 프로세스는 전기적 특성이 상대적으로 낮은 배터리 셀을 별도의 전원 등을 통하여 충전시키는 방법, 전기적 특성이 상대적으로 높은 배터리 셀의 에너지를 전기적 특성이 상대적으로 낮은 배터리 셀로 이전시키는 방법 등이 적용되고 있으며, 회로 구성의 용이성, 안정성, 오동작 방지, 작동의 명확성 등을 위하여 전기적 특성이 상대적으로 높은 배터리 셀을 저항회로(부하회로) 등을 통하여 방전시키는 방법이 주로 적용되고 있다.
그러나, 이러한 밸런싱은 배터리 셀의 실질적인 특성 등을 고려하지 않고 배터리 셀의 전압 등과 같이 외적으로 측정되거나 연산되는 형식적 수치만을 기준으로 이루어진다.
예를 들어, 내부저항 증가 등에 의하여 퇴화도가 높은 배터리 셀의 경우, 방전 중에는 다른 배터리 셀보다 전기적 특성이 상대적으로 낮아지게 되는데, 이 경우에도 종래 밸런싱 프로세스는 높은 전기적 특성을 가지는 정상적인 배터리 셀을 방전시키는 방식으로 진행되므로, 가용 자원을 불필요하게 소비시키게 되는 문제점을 야기시킬 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 밸런싱은 현재 시점의 배터리 상태에 따라 지속적으로 이루어지므로 이와 같은 문제는 배터리 사용이 지속될수록 반복적으로 발생되며, 퇴화도는 시간의 경과에 따라 가속화되는 거동 특성을 가지므로 밸런싱 프로세스가 이루어지는 주기가 더욱 짧아지게 되어 불필요한 에너지 낭비와 구동 성능 저하를 더욱 심화시킴은 물론, 배터리 수명 자체에도 심각한 악영향을 미치게 된다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 상술된 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태뿐만 아니라 복수의 배터리 셀 각각의 거동 특성을 추가적으로로 고려하여, 복수의 배터리 셀 중 적어도 한 배터리 셀에 대한 밸런싱 프로세스를 선별적 내지 차등적으로 실시함으로써, 배터리 모듈의 구동 성능 등을 더욱 최적화시킬 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 위해 제공된다. 상기 배터리 관리 장치는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태를 나타내는 복수의 셀 상태 파라미터를 획득하도록 구성되는 상태 감시부, 상기 복수의 배터리 셀 간의 상기 전기적 상태의 편차를 억제하기 위해, 상기 복수의 배터리 셀 각각을 선택적으로 방전 또는 충전시키는 절차인 밸런싱 프로세스를 수행하도록 구성되는 밸런싱 처리부, 및 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 한 배터리 셀에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하도록 구성되는 제어부를 포함한다.
상기 배터리 관리 장치는, 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각을 퇴화 셀 또는 정상 셀로 분류하는 셀 분류부를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 퇴화 셀의 셀 상태 파라미터 및 상기 정상 셀의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 밸런싱 프로세스가 차등적으로 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 퇴화 셀의 셀 상태 파라미터가 상기 정상 셀의 셀 상태 파라미터보다 큰 경우, 상기 퇴화 셀에 대한 상기 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 셀 상태 파라미터는, 전압 및 SOC(State Of Charge) 중 적어도 하나를 나타낼 수 있다.
상기 셀 분류부는, 상기 상태 감시부로부터 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 획득하도록 구성되는 입력부, 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태의 거동 특성을 나타내는 복수의 셀 거동 파라미터를 연산하도록 구성되는 연산 처리부, 및 상기 복수의 셀 거동 파라미터 간의 상대적 차이를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각을 상기 퇴화 셀 또는 상기 정상 셀로 분류하도록 구성되는 선정부를 포함할 수 있다.
상기 셀 거동 파라미터는, 상기 셀 상태 파라미터의 변화율을 포함할 수 있다. 상기 셀 분류부는, 상기 복수의 셀 거동 파라미터 중에서 크기 순으로 상위 순위에 해당하는 n(n은 1 이상의 자연수)개의 셀 거동 파라미터에 매핑된 각 배터리 셀을 상기 퇴화 셀로 분류하도록 구성될 수 있다.
상기 셀 거동 파라미터는, 상기 셀 상태 파라미터의 변화율을 포함할 수 있다. 상기 셀 분류부는, 상기 배터리 모듈의 충전 과정에서의 상기 셀 거동 파라미터가 제1 기준값 이상인 것 및 상기 배터리 모듈의 방전 과정에서의 상기 셀 거동 파라미터가 제2 기준값 이상인 것을 둘 다 만족하는, 각 배터리 셀을 상기 퇴화 셀로 선정하도록 구성될 수 있다.
상기 상태 감시부는, 상기 배터리 모듈의 전기적 상태를 나타내는 모듈 상태 파라미터로서, 상기 배터리 모듈의 SOC를 획득하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 모듈의 충전 중에 상기 모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이상인 것을 조건으로, 상기 퇴화 셀에 대한 상기 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 관리 장치는, 제1 SOC 시계열 데이터 및 제2 SOC 시계열 데이터를 저장하도록 구성되는 SOC 정보 저장부, 상기 제1 SOC 시계열 데이터 및 제2 SOC 시계열 데이터를 기초로, SOC 통계값을 산출하도록 구성되는 통계 처리부, 및 상기 SOC 통계값과 동일하게 상기 기준 SOC를 설정하도록 구성되는 레퍼런스 설정부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 SOC 시계열 데이터는, 상기 배터리 모듈에 대해 과거에 진행된 제1 내지 제(k-1) 충전 과정 각각의 시작 시점에서의 상기 배터리 모듈의 SOC를 나타내는 제1 내지 제(k-1) 시작 SOC를 포함할 수 있다. 상기 제2 SOC 시계열 데이터는, 상기 제1 내지 제(k-1) 충전 과정 각각의 종료 시점에서의 상기 배터리 모듈의 SOC를 나타내는 제1 내지 제(k-1) 종료 SOC를 포함할 수 있다. k는 2 이상의 자연수이다.
상기 통계 처리부는, 상기 배터리 모듈의 SOH를 더 기초로, 상기 SOC 통계값을 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 통계 처리부는, 상기 배터리 모듈의 SOH를 기초로, 기준 넘버를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 통계 처리부는, 상기 제1 SOC 시계열 데이터로부터, 제(k-j) 내지 제(k-1) 시작 SOC를 추출하도록 구성될 수 있다. 상기 통계 처리부는, 상기 제2 SOC 시계열 데이터로부터, 제(k-j) 내지 제(k-1) 종료 SOC를 추출하도록 구성될 수 있다. 상기 통계 처리부는, 상기 제(k-j) 내지 제(k-1) 시작 SOC와 상기 제(k-j) 내지 제(k-1) 종료 SOC의 평균값과 동일하게, 상기 SOC 통계값을 산출하도록 구성될 수 있다. j는 상기 기준 넘버이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은, 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 상기 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능하다. 상기 배터리 관리 방법은, 상기 상태 감시부가, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태를 나타내는 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 획득하는 단계, 및 상기 제어부가, 상기 복수의 배터리 셀 간의 상기 전기적 상태의 편차를 억제하기 위해, 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 한 배터리 셀에 대한 상기 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계는, 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각을 퇴화 셀 또는 정상 셀로 분류하는 단계, 및 상기 퇴화 셀의 셀 상태 파라미터 및 상기 정상 셀의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 밸런싱 프로세스가 차등적으로 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계는, 상기 배터리 모듈의 전기적 상태를 나타내는 모듈 상태 파라미터로서, 상기 배터리 모듈의 SOC를 획득하는 단계, 및 상기 배터리 모듈의 충전 중에 상기 모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이상인 것을 조건으로, 상기 퇴화 셀에 대한 상기 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태 및/또는 거동 특성의 시계열적 변화를 이용하여 배터리 모듈의 구동 성능의 약화를 유발하지 않는 동작 조건를 식별하고, 식별된 동작 조건이 만족되는 동안에 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나에 대한 밸런싱 프로세스를 선택적으로 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 모듈의 복수의 배터리 셀 각각을 정상 셀 또는 퇴화 셀로 정밀하게 분류할 수 있음은 물론, 그 분류 결과를 밸런싱 프로세스에 대한 제어 동작에 유기적으로 접목시킴으로써 배터리 모듈의 성능 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 정상 셀과 퇴화 셀 간의 거동 특성의 차이점을 고려하여, 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 밸런싱 프로세스의 실시를 선택적으로 허용함으로써 정상 셀의 가용 용량이나 출력이 불필요하게 제한되는 문제는 물론, 성능 저하가 고착화되거나 수명이 단축되는 등의 문제 또한, 효과적으로 해소할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 모듈이 거쳐온 충전 이력 및/또는 방전 이력을 기반으로 배터리 모듈의 주된 사용 범위인 SOC(State of Charge)의 스윙 범위(swing range)에 대한 통계값을 산출하고 이 통계값을 밸런싱 프로세스의 차등적 실시를 위한 일종의 기준으로 활용함으로써, 밸런싱 프로세스의 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 퇴화 셀 및 정상 셀 중 어느 한 유형으로 분류된 배터리 셀만을 대상으로 밸런싱 프로세스를 실시할 수 있다. 정상 셀 대신 퇴화 셀만을 대상으로 밸런싱 프로세스를 실시할 경우, 정상 셀과 퇴화 셀 간의 상태 편차가 신속히 해소되는 장점이 있다. 퇴화 셀 대신 정상 셀만을 대상으로 밸런싱 프로세스를 실시할 경우, 밸런싱 프로세스에 의한 퇴화 셀의 충방전이 그 만큼 덜 이루어지기 때문에, 정상 셀과 퇴화 셀 간의 수명 편차를 균일화하는 데에 도움이 된다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 효과적으로 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 이러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 셀 분류부의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 레퍼런스 처리부의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 도 1에 도시된 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법의 일 예를 설명하는 순서도이다.
도 6은 도 1에 도시된 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법의 다른 예를 설명하는 순서도이다.
도 7은 도 1에 도시된 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법의 또 다른 예를 설명하는 순서도이다.
도 8은 복수의 배터리 셀 각각을 정상 셀 또는 퇴화 셀로 분류하는 프로세스를 설명하는 순서도이다.
도 9는 도 3에 도시된 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능한 프로세스를 설명하는 흐름도이다.
도 10은 기준 SOC의 결정 과정을 설명하는 데에 참조되는 순서도이다.
도 11은 배터리 셀의 SOC의 경시적인 변화를 예시적으로 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 12는 정상 셀과 퇴화 셀 각각의 거동 특성을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 13은 도 12에 표시된 점선 영역의 확대도이다.
도 14는 기준 SOC에 따라 퇴화 셀 및 정상 셀에 대한 밸런싱 프로세스를 차등적으로 실시하는 프로세스를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 15는 기준 SOC가 80%인 경우에 실시되는 차등적 밸런싱 프로세스를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 16은 도 1 및 도 3에 도시된 밸런싱 처리부의 일 예를 개략적으로 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 17은 도 1 및 도 3에 도시된 밸런싱 처리부의 다른 예를 개략적으로 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이며, 도 5는 도 1에 도시된 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법의 일 예를 설명하는 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(10)은, 배터리 모듈(50) 및 배터리 관리 장치(100)를 포함한다.
배터리 모듈(50)은, 복수의 배터리 셀(#1~#N)을 포함한다. N은, 2 이상의 자연수로서, 배터리 모듈(50)에 포함된 배터리 셀의 총 개수를 나타낼 수 있다. 복수의 배터리 셀(#1~#N)은 서로 전기적으로 직렬 연결되어 있을 수 있다. 복수의 배터리 셀(#1~#N)에 공통된 내용을 설명함에 있어서, 배터리 셀을 지칭하는 데에 부호 51이 이용될 수 있다. 도 1에는 배터리 셀(51)이 단일 객체로 도시되어 있기는 하나, 이는 하나의 일 예시일 뿐이며, 실시 형태에 따라서 배터리 셀(51)은 상호 병렬로 연결된 복수의 셀 유닛이 그룹핑된 셀 어셈블리일 수 있음은 물론이다.
배터리 관리 장치(100)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 전기적 상태 및 배터리 모듈(50)의 전기적 상태를 모니터링할 수 있다.
후술되는 바와 같이, 배터리 관리 장치(100)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N)의 밸런싱 프로세스(balancing process) 등을 수행 및 제어한다.
충방전 효율성은 물론, 전기적 특성이 안정적으로 유지 및 관리될 수 있도록, 복수의 배터리 셀(#1~#N)은 동등 수준의 성능이나 스펙(Specification)을 가지도록 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는, 측정부(110), 상태 감시부(120), 밸런싱 처리부(130), 제어부(140), 셀 분류부(150) 및 인터페이스부(160)를 포함할 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는, 저장수단, 연산처리수단, 입출력수단 등과 같은 전자소자, 부품 등의 다양한 조합적 적용을 통하여 구현될 수 있음은 자명하다. 도 1에 도시된 배터리 관리 장치(100)의 각 구성요소는 물리적으로 구분될 수 있고, 대안적으로 기능적 또는 논리적으로 구분되는 것일 수도 있다고 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위한 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 구성되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭상의 일치성 여부 및 구성의 분할과 통합 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다. 도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명의 구성 또한, 이와 같다.
상태 감시부(120)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 전기적 상태를 나타내는 복수의 셀 상태 파라미터 및/또는 배터리 모듈(50)의 전기적 상태를 나타내는 모듈 상태 파라미터를 연산한다(S520, 도 5 참조). 모듈 상태 파라미터는, 배터리 모듈(50) 전체를 기준으로 하는 전기적 특성으로서, 복수의 셀 상태 파라미터에 의존할 수 있다. 모듈 상태 파라미터는, 복수의 셀 상태 파라미터를 대표하는 값일 수 있다. 일 예로, 모듈 상태 파라미터로서의 배터리 모듈(50)의 SOC는, 복수의 셀 상태 파라미터에 따른 복수의 배터리 셀(#1~#N)의 평균 SOC과 동일하게 결정될 수 있다.
실시 형태에 따라서, 상태 감시부(120)는 출원 시점에 공지된 다양한 전압 센서, 전류 센서, 온도 센서, 계측 장치 등으로 구현될 수 있는 측정부(110)와 연동할 수 있다. 측정부(110)가 복수의 배터리 셀(#1~#N) 또는 배터리 모듈(50)의 전기적 특성(전압, 전류 및/또는 온도)을 측정하면(S510), 상태 감시부(120)는 배터리 셀(51)의 전기적 특성의 측정값을 나타내는 고정적 샘플링 레이트로 또는 가변적인 샘플링 레이트로 수집(획득)할 수 있다. 이때, 배터리 셀(51)의 전기적 특성의 측정값 그 자체가 셀 상태 파라미터일 수 있다. 대안적으로, 상태 감시부(120)는, 배터리 셀(51)의 전기적 특성의 측정값에 함수적 연산 과정 등을 적용하여, 배터리 셀(51)의 셀 상태 파라미터 및 배터리 모듈(50)의 모듈 상태 파라미터(예, SOC, SOH 등)을 결정하도록 구성될 수 있다.
셀 상태 파라미터는, 배터리 셀(51)의 전기적 상태를 나타내는 것으로서, 전압, 전류, 온도, SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 셀 상태 파라미터는, 하드웨어 또는 소프트웨어 등의 설계에 따라 가변적으로 설정될 수 있는 단위 시간마다 주기적으로 생성될 수 있음은 물론이다.
실시 형태에 따라, 방전 또는 충전의 속도가 증가할수록 셀 상태 파라미터의 획득 주기는 짧게 설정되고, 방전 또는 충전의 속도가 감소할수록 셀 상태 파라미터의 획득 주기는 길게 설정될 수 있다. 방전 또는 충전의 속도와 셀 상태 파라미터의 획득 주기 간의 대응 관계를 룩업 테이블로 미리 기록되어 있을 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 전력 사용 등이 급격하게 이루어질수록 더욱 정밀한 정보를 사용자 등에게 인터페이싱할 수 있음은 물론, 정밀한 정보 제공의 필요성이 상대적으로 낮은 구간에서는 연산처리속도, 연산량 등을 낮춤으로써 데이터 처리의 효율성을 높일 수 있다.
셀 상태 파라미터 및/또는 모듈 상태 파라미터는, 배터리 셀(51)의 전기적 상태 또는 거동 특성 등이 더욱 정밀하게 파악되도록, 외부 전원 공급 장치로부터 배터리 모듈(50)로 전력이 공급(저장)되는 충전 과정은 물론, 전력 등을 전기모터 등의 부하로 공급하는 방전 과정 각각에서 생성되도록 구성되는 것이 바람직하다.
밸런싱 처리부(130)는, 배터리 모듈(50)을 구성하는 복수의 배터리 셀(#1~#N)을 대상으로 밸런싱 프로세스를 수행하는 구성으로서, 잘 알려진 바와 같이 릴레이(스위치), 부하저항, 타이머 등과 같은 하드웨어 구성을 포함할 수 있다. 밸런싱 처리부(130)는, 배터리 셀(51)과 전기적으로 연결되어 제어신호 등에 따라 해당하는 배터리 셀(51)을 방전 및/또는 충전시키는 등의 기능을 수행하도록 구성될 수 있음은 물론이다. 밸런싱 처리부(130)의 하드웨어적 구현에 대해서는 도 16 및 도 17을 참조하여 별도로 후술하기로 한다.
제어부(140)는, 배터리 모듈(50)의 모듈 상태 파라미터가 생성되면, 모듈 상태 파라미터가 밸런싱 프로세스의 실행을 트러거하는 소정의 특정 조건에 부합하는지 여부를 판정하는 절차(S530)를 실시한다. 일 예로, 상기 특정 조건은, 예컨대 (i)모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이상인 것 및 (ii)퇴화 셀의 전압이 정상 셀의 전압보다 높은 것의 조합일 수 있다. 다른 예로, 상기 특정 조건은, (i)모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이하인 것 및 (ii)정상 셀의 전압이 퇴화 셀의 전압보다 높은 것의 조합일 수 있다. 단계 S530의 값이 "예"인 경우, 제어부(140)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중 적어도 한 배터리 셀에 대한 밸런싱 프로세스가 실시되도록 밸런싱 처리부(130)를 제어한다(S540).
전원 OFF, 펌웨어 교체, 기설정된 종료조건 충족 등의 이벤트가 없다면, 지속적인 배터리 관리가 유지될 수 있도록 상술된 본 발명의 프로세스는 순환적으로 적용되도록 설계될 수 있음은 물론이다. 실시예에 따라서, 도 5의 방법에 있어서, 종료 조건의 만족 여부를 확인하는 단계(S550)는 생략될 수 있다. 종료 조건은, 예컨데 복수의 배터리 셀(#1~#N)의 전압 편차(예, 최대 전압과 최소 전압 간의 차이)가 소정의 허용 범위 이내가 되는 것일 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중 임의의 배터리 셀(예, #1)의 전압 편차가 기준 편차 이상이 되는 밸런싱 필요 이벤트가 발생하는 경우, 배터리 셀(예, #1)에 대한 밸런싱 프로세스를 즉시 수행하는 대신, 밸런싱 프로세스에 의하여 도리어 배터리 모듈(50) 등의 성능 저하나 배터리 셀(예, #1)의 열화 등이 발생될 수 있는 부정적 상황을 선행적으로 판단할 수 있다.
배터리 셀(예, #1)에 대한 밸런싱 프로세스의 수행으로 인한 부정적 결과가 초래되지 않을 것으로 판정되는 경우에 한해, 배터리 관리 장치(100)는 배터리 셀(예, #1)에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되도록 구성된다. 여기서, 임의의 배터리 셀(예, #1)의 전압 편차란, 복수의 배터리 셀(#1~#N)의 평균 전압값과 배터리 셀(예, #1)의 전압값 간의 차이를 의미할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법의 다른 예를 설명하는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 상태 감시부(120)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 전기적 상태를 나타내는 복수의 셀 상태 파라미터를 획득한다(S610). 상태 감시부(120)는, 측정부(110)와의 협업을 통하여, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 셀 상태 파라미터를 생성 및 저장할 수 있다.
실시 형태에 따라서, 상태 감시부(120)는 측정부(110)에서 측정된 셀 상태 파라미터를 그대로 활용할 수 있음은 물론이나, 신호 간섭, 왜곡, 교란 등에 의하여 측정부(110)에서 출력되는 신호에 임펄스(impulse) 또는 요동파(fluctuation wave) 등의 노이즈 성분이 포함되는 경우, 이를 적절히 조정하거나 필터링하는 하드웨어 구성 등이 상태 감시부(120)에 포함되거나, 이를 소프트웨어적으로 처리하는 알고리즘 등이 상태 감시부(120)에 탑재될 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N)의 전기적 상태 및/또는 거동 특성에 대한 비교 절차를 통해, 정상적인 범주에 해당하는 배터리 셀(이하 '정상 셀'로 지칭한다)과 상대적으로 열화된 거동 특성을 가지는 배터리 셀(이하 '퇴화 셀'로 지칭한다)을, 시간의 경과에 따라 시계열적으로 구분하고, 그 결과를 이용하여 밸런싱 프로세스를 복수의 배터리 셀(#1~#N)에 대해 차등적으로 적용하는 실시예에 해당한다.
전압값은 상대적으로 간단한 회로 구성(배터리 셀(51) 양단 사이의 전압차를 측정하는 구성 등) 등으로 측정 내지 생성할 수 있는 이점을 가짐은 물론, 배터리 셀(51)의 내재적 특성을 외적으로 뚜렷하게 표상하는 특성을 가지므로, 이를 로우 데이터(raw data)로 활용하는 경우 퇴화 셀 여부를 명확하게 추정 및 선정할 수 있다.
이러한 점에서, 셀 상태 파라미터는, 상술된 바와 같이 배터리 셀(51)의 전기적 상태를 나타낼 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 배터리 셀(51)의 전압값을 포함한다.
복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 셀 상태 파라미터(예, 전압값)이 상태 감시부(120)에 의해 획득되면(S610), 셀 분류부(150)는 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 전압값을 이용하여, 배터리 모듈(50)의 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각을 퇴화 셀 또는 정상 셀로 분류할 수 있다(S620). 정상 셀과 퇴화 셀을 분류하는 본 발명의 실시예에 대한 상세한 내용은 후술하도록 한다.
이 경우, 제어부(140)는, 퇴화 셀과 정상 셀의 셀 상태 파라미터에 따라, 상기 밸런싱 프로세스가 차등적으로 수행되도록 밸런싱 처리부(130)를 제어한다(S640).
구체적으로, 단계 S630에서, 제어부(140)는, 모듈 상태 파라미터가 밸런싱 프로세스의 실행을 트러거하는 소정의 특정 조건에 부합하는지 여부를 판정할 수 있다. 단계 S630은, 모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이상인 것 또는 모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이하인 것을 조건으로 실시될 수 있다.
도 14는 기준 SOC에 따라 퇴화 셀 및 정상 셀에 대한 밸런싱 프로세스를 차등적으로 실시하는 프로세스를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
제어부(140)는, 퇴화 셀에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되도록 제어할 수 있다(S640). 일 예로, 모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이상인 경우, 제어부(140)는, 퇴화 셀의 전압이 정상 셀의 전압보다 높은 시간 구간(도 14의 부호 'DA' 참조)에서, 퇴화 셀에 대한 밸런싱 프로세스를 실시하도록 밸런싱 처리부(130, 도 16 참조)를 제어할 수 있다. 다른 예로, 모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이하인 경우, 제어부(140)는, 정상 셀의 전압이 퇴화 셀의 전압보다 높은 시간 구간(도 14의 부호 'DI' 참조)에서, 퇴화 셀에 대한 밸런싱 프로세스를 실시하도록 밸런싱 처리부(130, 도 17 참조)를 제어할 수 있다.
여기서, 퇴화 셀에 대한 밸런싱 프로세스는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중 퇴화 셀인 것으로 분류된 각 배터리 셀에 대한 밸런싱 프로세스를 의미할 수 있다.
반면, 단계 S630의 값이 "아니오"인 경우, 퇴화 셀 및 정상 셀 모두에 대한 밸런싱 프로세스가 비활성화되도록 밸런싱 처리부(130)를 제어할 수 있다. 상술된 프로세스 또한, 앞서 설명된 바와 같이, 종료조건의 충족 여부 등에 따라 순환적으로(recursively) 적용되도록 구성될 수 있음은 물론이다. 실시예에 따라서, 종료 조건의 만족 여부를 확인하는 단계(S650)는 생략될 수 있다.
이하에서는 도 2, 도 7 및 도 8 등을 참조하여, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각을 퇴화 셀 또는 정상 셀로 분류하는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 셀 분류부(150)는, 입력부(151), 연산 처리부(153) 및 선정부(155)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 11 및 도 12 등을 참조하여, 배터리 셀(51)의 거동 특성 등을 살펴본 다음, 이러한 거동 특성을 유기적으로 반영하여, 퇴화 셀과 정상 셀을 선정하는 선정부(150)의 구체적인 기능을 후술하여 상세히 설명하도록 한다.
도 11은 배터리 셀(51)의 SOC의 경시적인 변화를 예시적으로 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 배터리 셀(51)의 SOC는 배터리 셀(51)의 셀 상태 파라미터로서 포함될 수 있다.
도 11을 참조하면, 배터리 셀(51)은 충전 기간(t0~t1) 동안 전압값이 상승(증가)하는 거동 특성을 가진다. 그러므로, 배터리 셀(51)은 전압값에 함수적 연산을 적용함으로써 추정되는 SOC 또한 상승(증가)하는 거동 특성을 가지게 된다.
충전이 완료된 후(예를 들어, SOC 100%에 도달하는 만충전 상태), 대기 전류 소모 등과 같은 다른 외적 요인을 고려하지 않는다면, 충전 및 방전 둘 다 정지된 휴지 기간(t1~t2) 동안 배터리 셀(51)의 SOC는 일정하게 유지된다. 이어서, 부하수단(전기모터 등)의 구동을 위한 방전 기간(t2~t3) 동안, 배터리 셀(51)의 전압값 및 SOC는 하강(감소)하는 거동 특성을 가지게 된다.
방전 기간(t2~t3)에 후속하는 휴지 기간(t3~t4)가 지나면, 외부 전력 공급 수단 등을 통하여 다시 충전 기간(t4~t5)이 진행될 수 있고, 배터리 셀(51)의 전압값 및 SOC는 충전 기간(t4~t5) 동안 다시 상승하게 된다. 이러한 배터리 셀(51)의 거동특성은 충전, 휴지 및/또는 방전이 이루어지는 동안 시계열적으로 반복된다.
도 11은 만충전(SOC 100%)과 완전 방전(SOC 0%)이 이루어지는 실시예를 기준으로 도시된 그래프이다. 충전이 이루어지는 동안 배터리 셀(51)의 SOC가 상승하고(기울기 S1), 방전이 이루어지는 경우 배터리 셀(51)의 SOC이 하강하는(기울기 S2) 거동 특성은, 배터리 셀(51)의 본질적 특성에 해당한다.
참고로, 도 11 등에는, 설명의 편의를 위해 배터리 셀(51)의 거동 특성이 시간에 대해 선형적으로 변화하는 것으로 도시하였다. 물론, 배터리 셀(51)의 실제적인 거동 특성은 선형성과 비선형성이 혼재될 수 있음은 물론이다. 전기적 특성 측정 및 생성이 특정 주기별로 단속적으로 이루어지는 경우, 보간법 등의 후처리를 고려하지 않는다면 도면과는 달리 비연속적으로 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 12는 정상 셀(N-Cell)과 퇴화 셀(D-Cell) 각각의 거동 특성을 설명하는 데에 참조되는 도면이고, 도 13은 도 12에 표시된 점선 영역(B)의 확대도이다.
정상 셀(N-Cell) 및 퇴화 셀(D-Cell) 둘 다 충전 동안에는 전압값이 상승하고 방전 동안에는 전압값이 하강한다는 점은 앞서 도 11을 참조하여 살펴본 바와 같다.
사용 기간에 따른 노화는 물론, 재질적 특성, 인위적 사용 환경 등에 따라 배터리 셀(51)에 성능 열화가 발생하면, 이러한 성능 열화를 발생시키는 요인이나 인자는 상당 부분 내재적 저항 성분으로 발현되므로 성능 열화 내지 저하가 발생된 셀의 내부 저항 및 이에 준하는 저항 성분(통칭하여 '내부 저항'이라 지칭한다)이 커지게 된다.
내부 저항이 상대적으로 커진 배터리 셀(51)은 전압과 전류 사이의 상관관계에 의한 일반 법칙(Ohm's law) 등에 따라, 동일한 크기의 전류가 유입되어도 증가된 내부 저항에 의하여 다른 배터리 셀(51)과 대비하여 상대적으로 높은 전압 상승이 발생된다. 환언하면, 상대적으로 적은 전류가 유입되어도 다른 배터리 셀(51)과 동등 수준의 전압 상승이 이루어지게 된다.
앞서 설명된 바와 같이 SOC는, 배터리 셀(51)의 전압에 의하여 함수적으로 연산될 수 있으므로 SOC 또한, 전압의 변화에 상응하는 특성 변화를 가지게 된다.
방전의 관점에서 살펴볼 때, 방전은 배터리 셀(51)에 저장된 충전량(전하, 전류 성분)이 외부로 방출되는 것이므로, 동일한 크기의 전류가 외부로 방출되는 경우, 내부 저항의 편차에 의하여 다른 배터리 셀(51)보다 전압 하강이 상대적으로 크게 이루어진다.
도 12를 참조할 때, 동일 충전 기간(t0~t1)에서, 퇴화 셀(D-Cell)의 전압은 Va2에서 Va1까지 큰 폭으로 상승함에 반해, 정상 셀(N-Cell)의 전압은 Vb2에서 Vb1까지 작은 폭으로 상승한다. 즉, 퇴화 셀(D-Cell)의 경우, 동일 충전 기간에 걸친 전압 변화량이 정상 셀(N-Cell) 대비 상대적으로 크게 된다.
동일 방전 기간(t2~t3)에서, 퇴화 셀(D-Cell)의 전압은 Va1에서 Va2로 하강하며, 정상 셀(N-Cell)의 전압은 Vb1에서 Vb2로 하강하므로, 방전 기간(t2~t3) 동안에는 정상 셀(N-Cell)보다 퇴화 셀(D-Cell)의 전압 변화율이 크게 된다. 즉, 충전 및 방전 과정 모두에서 퇴화 셀(D-Cell)은 정상 셀(N-Cell)과 대비하여 전기적 특성(전압 등)의 변화율이 상대적으로 큰 특성을 가지게 된다.
도면에는 충전 및 방전 과정의 거동 특성이 상호 대응(대칭)되도록 도시되어 있으나, 외부전력공급수단, 부하수단(전기모터 등)의 전력 특성, 스펙 등과 같은 외부 요인에 의한 영향은 물론, 충전 및 방전 각각이 본질적으로 가지는 전기화학적 특성 등에 의하여 충전 및 방전 과정의 거동 특성은 대응(대칭)되지 않을 수도 있음은 물론이다.
이러한 거동 특성에 의하여, 도 13에 도시된 바와 같이 정상 셀(N-Cell)과 퇴화 셀(D-Cell) 각각의 셀 거동 파라미터는 아래 수식과 같다.
[수식]
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위 수식에서, Δt는 소정의 미소 시간이다. SD는 퇴화 셀(D-Cell)의 셀 특성 파라미터로서의, 전압값의 변화율이다. SN은 정상 셀(N-Cell)의 셀 특성 파라미터로서의, 전압값의 변화율이다. 그러므로, 충전 과정에서 SD는 SN보다 큰 값을 가지며, 방전 과정에서도 SD는 SN보다 큰 값(절대값 기준)을 가지게 된다.
이와 같이, 배터리 셀(51)의 특정 타이밍에서의 전압값 및/또는 전압값의 경시적 변화 추이(셀 거동 파라미터)를 기초로, 배터리 셀(51)의 성능 열화의 수준을 효과적으로 식별할 수 있게 된다.
나아가, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 셀 상태 파라미터의 시간당 변화율의 크기(절대값 크기)의 상대적 비교를 통하여, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 열화의 정도 내지 크기는 수학적으로 정량화될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀(#1~#N)은, 각각의 셀 거동 파라미터(열화도에 대응함)를 기준으로 내림차순 또는 오름차순으로 순위화될 수 있다.
셀 분류부(150)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 전기적 상태의 거동 특성을 나타내는 복수의 셀 거동 파라미터를 기초로, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각을 퇴화 셀(D-Cell) 또는 정상 셀(N-Cell)로 분류하도록 구성된다.
도 7은 도 1에 도시된 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법의 또 다른 예를 설명하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 입력부(151)가 상태 감시부(120)로부터 배터리 셀(51)의 셀 상태 파라미터(예, 전압, SOC 등)를 시계열적으로 입력받으면(S710), 연산 처리부(153)는 배터리 셀(51)의 셀 상태 파라미터의 거동 특성을 나타내는 셀 거동 파라미터를 연산한다(S720).
앞서 살펴본 바와 같이, 임의의 배터리 셀(51)의 셀 거동 파라미터는, 해당 배터리 셀(51)의 셀 상태 파라미터의 시간당 변화율을 포함할 수 있다. 실시 형태에 따라서, 복수의 시점이나 복수의 시간 구간 각각의 전기적 특성의 차이값, 전압값 등의 함수적 처리를 통하여 생성된 SOC의 시간당 변화율 또는 SOC의 크기 차이값 등이 상기 거동 특성으로서 이용될 수 있다.
배터리 셀(51)의 셀 거동 파라미터가 연산되면, 선정부(155)는 복수의 배터리 셀(#1~#N)에 일대일 대응하는 복수의 셀 거동 파라미터 간의 상대적 차이를 기초로, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각을 퇴화 셀(D-Cell) 또는 정상 셀(N-Cell)로 분류한다.
단계 S730에서 식별된 타겟 셀의 개수가 설정 개수(n, 1 이상 N 미만의 자연수) 이하인 경우, 식별된 모든 타겟 셀이 퇴화 셀로 분류될 수 있다. 단계 S730에서 식별된 타겟 셀의 개수가 설정 개수(n) 초과인 경우, 단계 S740이 실행될 수 있다.
단계 S740에서, 선정부(155)는, 단계 S730에서 식별된 복수의 타겟 셀에 일대일 매핑된 복수의 셀 거동 파라미터를 크기 순으로 정렬하여, 상위 순위에 해당하는 설정 개수(n)의 셀 거동 파라미터에 매핑된 각 배터리 셀을 퇴화 셀(D-Cell)로 선정할 수 있다(S740). 단계 S740에서 퇴화 셀(D-Cell)로 선정되지 않은 나머지 배터리 셀 각각은, 정상 셀로 분류된다.
설정 개수(n)는, 미리 정해진 상수일 수 있다. 대안적으로, 선정부(155)는, 배터리 효율, 현재 출력 특성, 부하수단(전기모터 등)의 스펙, 배터리 셀의 내구 연한, 배터리 셀의 사용 기간, 충방전 주기, SOH 등의 환경정보 등을 기초로, 설정 개수(n)를 결정할 수 있다. 상술된 프로세스 또한, 앞서 설명된 바와 같이 종료조건의 충족 여부 등에 따라 순환적으로(recursively) 적용되도록 구성될 수 있음은 물론이다. 실시예에 따라서, 종료 조건의 만족 여부를 확인하는 단계(S750)는 생략될 수 있다.
또한, 선정부(155)는, 배터리 셀(51)의 셀 거동 파라미터(셀 상태 파라미터의 시간당 변화율 또는 그 절대값 등)가 기준값 이상인 배터리 셀(이하, '타겟 셀'이라 지칭할 수 있음)이 존재하는지 여부를 판단하고(S730), 그 후 타겟 셀(들) 중 적어도 하나를 퇴화 셀(D-Cell)로 선정하도록 구성될 수 있다(S740).
이와 같이, 퇴화 셀(D-Cell)의 선정에 앞서 타겟 셀을 선행적으로 판단하는 실시 구성에 의하면, 노이즈 신호 등에 의한 오류, 편차의 일시성, 배터리의 정상 구동에 악영향을 미치지 않는 전압 편차 등을 좀 더 정밀하게 필터링할 수 있어 밸런싱 프로세스의 차등적 적용에 대한 효율성을 더욱 최적화시킬 수 있다.
상기 기준값('기준 변화율'이라고 칭할 수도 있음)은, 배터리 모듈(50)을 구성하는 전체 배터리 셀(#1~#N)의 셀 거동 파라미터들의 산출 평균값, 가중 평균값, 표준편차의 범위를 가지는 변화율, 최대 및 최소 제외의 평균값 등으로 설정될 수 있다. 상기 기준값은, 충전 및 방전 각각에 대해 개별적으로 미리 정해져 있을 수 있다.
또한, 선정되는 개수를 기준으로 정상 셀(N-Cell)의 개수가 퇴화 셀(D-Cell)의 개수보다 많아질 수 있는 수치가 기준값으로 설정되도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(50)에 포함된 전체 배터리 셀(#1~#N)의 개수 N이 30개라면, 정상 셀(N-Cell)로 구분되는 배터리 셀(51)의 개수가 최소한 16개 이상이 될 수 있는 값이 기준 변화율로 설정될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 밸런싱 프로세스가 비활성화되는 시간 구간을 최적화할 수 있음은 물론, 밸런싱 프로세스에 의한 퇴회 셀(D-Cell)의 에너지 소모량을 적절히 제한하여 배터리 모듈(50) 전체의 출력 성능이 정상적 범위에서 크게 벗어나지 않도록 유지할 수 있다.
이와 같이, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각이 정상 셀(N-Cell) 또는 퇴화 셀(D-Cell)로 분류되면, 제어부(140)는 도 12에 도시된 바와 같이, 적어도 시간 구간(DA)에서는 퇴화 셀(D-Cell)에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되도록 제어할 수 있다. 시간 구간(DA)은 배터리 모듈(50)의 충전 기간에 속할 수 있고, 시간 구간(DA)에서는 퇴화 셀(D-Cell)의 전압값이 정상 셀(N-Cell)의 전압값 이상이다.
제어부(140)는, 퇴화 셀(D-Cell)의 전압값이 정상 셀(N-Cell)의 전압값보다 작은 구간(DI), 즉, 정상 셀(N-Cell)의 전압값이 퇴화 셀(D-Cell)의 전압값보다 높은 경우에는, 전압 편차가 발생하더라도 밸런싱 프로세스가 수행되지 않도록 제어한다. 시간 구간(DI)은 배터리 모듈(50)의 방전 기간에 속할 수 있다.
한편, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 모두의 전압 편차가 기준 편차 미만인 경우에는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중 어느 것에 대해서도 밸런싱 프로세스가 수행되지 않음은 당연하다.
배터리 관리 장치(100)는, 정상 셀(N-Cell) 및 퇴화 셀(D-Cell)의 선정 및 이들의 전기적 특성(전압값 등)의 거동 특성을 이용하여, 밸런싱 프로세스를 차등적으로 실시할 수 있다. 하기의 표 1은 밸런싱 프로세스를 실시하는 데에 참조하는 동작 조건의 일 예이다.
[표 1]
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도 8은 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각을 정상 셀(N-Cell) 또는 퇴화 셀(D-Cell)로 분류하는 프로세스를 설명하는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 배터리 셀(51)의 셀 상태 파라미터(예, 전압 등)가 상태 감시부(120)로부터 입력부(151)에 입력되면(S810), 연산 처리부(153)는 배터리 셀(51)의 셀 상태 파라미터로부터 셀 거동 파라미터를 연산한다(S820). 셀 거동 파라미터의 연산 등에 대한 내용은 앞서 도 7을 참조하여 설명된 내용과 상응하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이어서, 선정부(155)는 충전 절차 및 방전 절차 각각을 기준으로 퇴화 셀(D-Cell) 등을 선정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 선정부(155)는, 방전 과정 및 충전 과정 중 적어도 한 과정에서, 복수의 배터리 셀(#1~#N)에 일대일 매핑된 복수의 셀 거동 파라미터를 크기 순으로 정렬하여, 복수의 배터리 셀(#1~#N)을 순위화할 수 있다.
선정부(155)는, 연산 처리부(153)로부터 시계열적으로 입력되는 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 거동 특성을 나타내는 복수의 셀 거동 파라미터를 기초로, 충전 과정에서 획득된 셀 거동 파라미터가 제1 기준값 이상인 배터리 셀인 제1 타겟 셀의 존재 여부를 확인하는 과정(S830) 및 방전 과정에서 획득된 셀 거동 파라미터(절대값임)가 제2 기준값 이상인 배터리 셀인 제2 타겟 셀의 존재 여부를 확인하는 과정(S840)을 수행하도록 구성될 수 있다. 충전 과정에서 획득된 셀 거동 파라미터를 제1 셀 거동 파라미터라고 칭하고, 방전 과정에서 획득된 셀 거동 파라미터를 제2 셀 거동 파라미터라고 칭할 수 있다. 제1 기준값은, 복수의 배터리 셀(#1~#N)의 제1 셀 거동 파라미터들의 평균값일 수 있다. 제2 기준값은, 복수의 배터리 셀(#1~#N)의 제2 셀 거동 파라미터들의 평균값일 수 있다.
각 기준값의 적정화를 위해, 제1 셀 거동 파라미터의 결정을 위한 충전 과정의 시간 길이 및 제2 셀 거동 파라미터의 결정을 위한 방전 과정의 시간 길이는 각각 소정의 기준 시간 이상으로 설정될 수 있다.
이와 같이, 충전 시를 기준으로 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 셀 거동 파라미터가 제1 기준값 이상인지 확인하는 과정 및 방전 시를 기준으로 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 셀 거동 파라미터가 제2 기준값 이상인지 확인하는 과정 이 선행적으로 실시될 수 있다.
선정부(155)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중에서, 충전 과정과 방전 과정 둘 다에서 셀 거동 파라미터가 기준값 이상인 것으로 식별된 배터리 셀(51)을 퇴화 셀(D-Cell)로 선정하도록 구성될 수 있다(S850).
단계 S850에서, 선정부(155)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중 제1 및 제2 타겟 셀 모두에 해당하는 배터리 셀의 개수가 임계 개수(m, m은 1이상 N 미만의 자연수) 이하인 경우, 제1 및 제2 타겟 셀 모두에 해당하는 배터리 셀 각각을 퇴화 셀(D-Cell)로 선정할 수 있다.
반면, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중 제1 및 제2 타겟 셀 모두에 해당하는 배터리 셀의 개수가 임계 개수(m) 초과인 경우, 선정부(155)는, 제1 및 제2 타겟 셀 모두에 해당하는 배터리 셀들 중 임계 개수(m)의 배터리 셀만을 퇴화 셀(D-Cell)로 선정할 수 있다(S850). 이 경우, 충전 과정에 연관된 셀 거동 파라미터와 방전 과정에 연관된 셀 거동 파라미터의 평균값이 높은 순으로 임계 개수(m)의 배터리 셀들 각각이 퇴화 셀(D-Cell)로 선정될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 앞서 기술된 바와 같이, 노이즈 신호 등에 의한 오류, 편차의 일시성 등을 선행적으로 배제시킬 수 있어, 밸런싱 프로세스의 전체적 효율성과 정확성을 높일 수 있다.
임계 개수(m)는 미리 정해진 상수일 수 있다. 대안적으로, 배터리 효율, 현재 출력 특성, 부하수단(전기모터 등)의 스펙, 배터리 셀의 내구 연한, 배터리 셀의 사용 기간, 충방전 주기, SOH 등의 환경정보 등을 기초로, 임계 개수(m)가 가변적으로 설정되도록 구성되는 것이 바람직하다.
입출력되거나 측정된 데이터 또는 정보, 연산된 데이터 또는 정보 등은 따로 도면에 도시하지는 않았으나, 해당 기능이 구현된 하드웨어 수단 등에 저장, 갱신 또는 독출되어 활용될 수 있음은 물론이다. 도 8에 도시된 프로세스 역시 순환적으로 적용되도록 설계될 수 있음은 자명하다. 실시예에 따라서, 종료 조건의 만족 여부를 확인하는 단계(S860)는 생략될 수 있다.
제어부(140)는, 정상 셀(N-Cell)의 전압이 퇴화 셀(D-Cell)의 전압보다 높게 유지되는 시간 구간에서는, 정상 셀(N-Cell)에 대한 밸런싱 프로세스를 고의로 미실행할 수 있다. 반면, 퇴화 셀(D-Cell)의 전압이 정상 셀(N-Cell)의 전압보다 높게 유지되는 시간 구간에서만 제한적으로 퇴화 셀(D-Cell)에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 가용 용량이 충분하고 거동 특성이 우수한 정상 셀(N-Cell)에 충전된 에너지가 밸런싱 프로세스에 의하여 불필요하게 소진되는 것을 방지할 수 있으며, 배터리 모듈(50)의 SOC가 퇴화 셀(D-Cell)의 거동 특성으로 인해 조기에 제한됨으로 인해 배터리 모듈(50)의 가용 용량이 충분히 활용되지 못하는 문제점을 효과적으로 해소할 수 있다.
제어부(140)는, 상술된 프로세스에 의하여 생성되는 다양한 정보와 데이터를, 인터페이스부(160)를 통하여 전기 차량 등에 설치되는 외부 제어 장치(200) 등으로 전송하도록 구성될 수 있다. 제어부(140)는, 인터페이스부(160)를 통하여 외부 제어 장치(200)로부터 수신된 제어신호 또는 설정값 등을 기초로, 본 발명에 따른 다양한 프로세스들을 실시하도록 구성될 수 있다.
또한, 셀 분류부(150) 또는 제어부(140)는, 특정 기간 이상 지속적으로 또는 특정 회차 이상 반복적으로 퇴화 셀(D-Cell)로 선정되는 배터리 셀(예, #1)이 확인되는 경우, 배터리 셀(예, #1)의 교체 필요성에 대한 알람정보를 인터페이스부(160)를 통해 외부 제어 장치(200)로 전송하도록 구성될 수 있다.
이와 관련하여 배터리 모듈(50)을 구성하는 배터리 셀(51)의 식별정보 등이 미리 DB화되면 퇴화 셀(D-Cell)로 분류되는 배터리 셀(51)을 물리적으로 특정하는 정보 또한, 상기 알람정보와 함께 외부 제어 장치(200)로 전송될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이며, 도 9는 도 3에 도시된 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능한 프로세스를 설명하는 흐름도이다.
도 3에 도시된 배터리 팩(10)은, 배터리 모듈(50) 및 배터리 관리 장치(100)를 포함한다.
배터리 관리 장치(100)는, 기준 SOC 또는 사용자가 충방전을 수행하는 패턴 등에 의해 산출되는 통계적 수치 등을 반영하여, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각의 밸런싱 프로세스가 차등적으로 수행되도록 제어하도록 제공되는 것이다.
도 1에 도시된 상세 구성과 대비하여, 도 3에는 레퍼런스 처리부(170)가 셀 분류부(150)와 교체된 형태로 도시되어 있다. 다만, 이는 하나의 실시예일뿐, 배터리 관리 장치(100)는 레퍼런스 처리부(170)와 셀 분류부(150)를 둘 다 포함하는 형태의 실시예로도 구현될 수 있다.
레퍼런스 처리부(170)는, 밸런싱 처리부(130)에 의하여 수행되는 밸런싱 프로세스의 차등적 제어에 이용되는, 기준 SOC를 저장한다.
단계 S910에서, 상태 감시부(120)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N)에 일대일로 매핑되는 복수의 셀 상태 파라미터(예, 전압값 등)를 측정부(110)로부터 획득한다.
단계 S920에서, 상태 감시부(120)는 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 배터리 모듈(50)의 전기적 상태를 나타내는 모듈 상태 파라미터를 연산한다. 모듈 상태 파라미터는, 배터리 모듈(50)의 SOC를 포함한다. 배터리 모듈(50)의 SOC는, 복수의 셀 상태 파라미터에 기초한 복수의 배터리 셀(#1~#N)의 SOC의 평균치, 최소치 또는 최대치일 수 있다.
단계 S930에서, 제어부(140)는, 현 시점의 모듈 상태 파라미터(예, SOC 등)가 레퍼런스 처리부(170)에 저장된 기준 SOC 이상인지 여부를 판정할 수 있다. 단계 S930의 값이 "예"인 경우, 단계 S932로 진행할 수 있다. 단계 S930의 값이 "아니오"인 것은, 모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 미만임을 의미한다. 단계 S930의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S934로 진행할 수 있다.
단계 S932에서, 제어부(140)는, 퇴화 셀의 전압이 정상 셀의 전압보다 높은지 여부를 판정할 수 있다. 단계 S932의 값이 "예"인 경우, 단계 S940으로 진행할 수 있다.
단계 S934에서, 제어부(140)는, 정상 셀의 전압이 퇴화 셀의 전압보다 높은지 여부를 판정할 수 있다. 단계 S934의 값이 "예"인 경우, 단계 S940으로 진행할 수 있다.
단계 S940에서, 제어부(140)는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중 퇴화 셀(D-Cell)로 분류된 적어도 한 배터리 셀에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되도록 밸런싱 처리부(130)를 제어할 수 있다.
단계 S932로부터 단계 S940로 진행된 경우, 제어부(140)는, 도 16에 도시된 밸린싱 처리부(130)를 제어하여, 퇴화 셀(D-Cell)에 대한 밸런싱 프로세스를 실시할 수 있다. 반면, 단계 S934로부터 단계 S940로 진행된 경우, 제어부(140)는, 도 17에 도시된 밸린싱 처리부(130)를 제어하여, 퇴화 셀(D-Cell)에 대한 밸런싱 프로세스를 실시할 수 있다.
상술된 프로세스 또한, 앞서 설명된 바와 같이 종료조건의 충족 여부 등에 따라 순환적으로(recursively) 적용되도록 구성될 수 있음은 물론이다. 실시예에 따라서, 종료 조건의 만족 여부를 확인하는 단계(S950)는 생략될 수 있다.
관련하여, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 각각을 퇴화 셀(D-Cell) 또는 정상 셀(N-Cell)로 분류하기 위해서는, 그에 앞서 충전 과정과 방전 과정 중 적어도 하나가 진행되어야 할 수 있다. 따라서, 셀 분류 절차에 앞서 진행되는 충전 과정과 방전 과정을 각각 예비 충전 과정과 예비 방전 과정이라고 칭할 수 있다.
일 예로, 도 5의 단계 S510, 도 6의 단계 S610, 도 7의 단계 S710, 도 8의 단계 S810 및 도 9의 단계 S910 각각은, 예비 충전 과정 및 예비 방전 과정 중 적어도 하나가 진행되는 중에 실시될 수 있다.
또한, 도 5의 단계 S540, 도 6의 단계 S640 및 도 9의 단계 S940 각각은, 예비 충전 과정 및/또는 예비 방전 과정에 후속하는 충전 과정 및/또는 방전 과정에서 실행되는 것일 수 있다.
도 11 등을 참조하여 앞서 설명된 바와 같이, 정상 셀(N-Cell)의 셀 거동 파라미터보다 퇴화 셀(D-Cell)의 셀 거동 파라미터가 상대적으로 클 수 있다. 환언하면, 동일한 전류가 흐르는 상황에서, 퇴화 셀(D-Cell)은 그의 충전 속도 및 방전 속도가 정상 셀(N-Cell)의 충전 속도 및 방전 속도보다 더 높은 거동 특성을 가진다.
배터리 모듈(50)의 SOC는, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중 상대적으로 높은 전압을 가지는 배터리 셀(51)에 종속되어 결정될 수 있다.
배터리 모듈(50)의 SOC가 적정 수준 이상이라고 가정할 때, 복수의 배터리 셀(#1~#N) 중에서 전압이 높은 배터리 셀일수록 다른 배터리 셀 대비 퇴화 셀(D-Cell)일 가능성이 상대적으로 높다고 할 수 있다.
대응되는 관점에서, 배터리 모듈(50)의 SOC가 적정 수준보다 낮은 경우, 상대적으로 높은 전압을 가지는 배터리 셀(51)일수록, 다른 배터리 셀 대비 정상 셀(N-Cell)일 가능성이 상대적으로 높다고 할 수 있다.
이러한 점을 종합적으로 고려하여, 레퍼런스 처리부(170)는, 배터리 모듈(50)의 전체적인 거동 특성에 부합되는 수치로 기준 SOC를 설정할 수 있다.
제어부(140)는, 배터리 모듈(50)의 현재 SOC가 기준 SOC 이상인 경우, 퇴화 셀(D-Cell)에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되도록 제어할 수 있다.
반면, 제어부(140)는, 배터리 모듈(50)의 현재 SOC가 기준 SOC 미만인 경우 퇴화 셀(D-Cell) 및 정상 셀(N-Cell) 모두에 대한 밸런링 프로세스를 비활성화할 수 있다.
이와 같이 밸런싱 프로세스가 차등적으로 수행되도록 제어되면, 정상 셀(N-Cell)에 저장된 에너지가 불필요하게 반복적으로 소진되어 배터리 모듈(50)의 가용 용량이 충분히 구동원으로 사용되지 못하는 문제점은 물론, 이로 인하여 파생되는 성능 저하, 수명 단축, 과충전 등과 같은 다양한 문제점 또한, 해소할 수 있다.
도 14를 참조하면, 제1 SOC 구간(Section1)은 배터리 모듈(50)의 SOC가 기준 SOC(ZR) 이상인 영역에 해당하며, 제2 SOC 구간(Section2)은 배터리 모듈(50)의 SOC가 기준 SOC(ZR) 미만인 영역에 해당한다.
제1 SOC 구간(Section1)은 퇴화 셀(D-Cell)에 의한 영향이 상대적으로 큰 영역으로 추정될 수 있다. 따라서, 제어부(140)는, 제1 SOC 구간(Section1)에 대응되는 시각 Ta부터 Tb까지의 시간 구간(DA)에서는 퇴화 셀(D-Cell)에 대한 밸런싱 프로세스가 활성화되도록 밸런싱 처리부(130)를 제어할 수 있다.
제2 SOC 구간(Section2)는 정상 셀(N-Cell)에 의한 영향이 상대적으로 크게 작용하는 영역에 해당할 수 있다. 따라서, 제어부(140)는 제2 SOC 구간(Section2)에 대응되는 시각 Tb부터 Tc까지의 시간 구간(DI)에서는 복수의 배터리 셀(#1~#N) 모두에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되지 않도록 밸런싱 처리부(130)를 제어할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 레퍼런스 처리부(170)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이며, 도 10은 기준 SOC의 결정 과정을 설명하는 데에 참조되는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 레퍼런스 처리부(170)는, SOC 정보 저장부(171), 통계 처리부(173), 레퍼런스 설정부(175) 및 SOH 산출부(177)를 포함할 수 있다.
SOC 정보 저장부(171)는, 배터리 모듈(50)의 충전 과정이 실시될 때마다, 상태 감시부(120)과 연동하여, 해당 충전 과정의 시작 시점에서의 배터리 모듈(50)의 SOC인 제1 SOC 및 종료 시점에서의 배터리 모듈(50)의 SOC인 제2 SOC를, 해당 충전 과정의 회차 넘버에 매핑하여 저장할 수 있다. 이에 따라, 제1 SOC 시계열 데이터 및 제2 SOC 시계열 데이터가 SOC 정보 저장부(171)에 저장될 수 있다.
제1 SOC 시계열 데이터는, 배터리 모듈(50)에 대해 과거에 진행된 제1 내지 제(k-1) 충전 과정 각각의 시작 시점에서의 배터리 모듈(50)의 SOC를 나타내는 제1 내지 제(k-1) 시작 SOC를 포함한다. k는 최신 충전 과정의 회차를 지칭하는 인덱스로서, 2 이상의 자연수이다. 즉, 배터리 모듈(50)에 대한 전회의 충전 과정이 완료되고 새로운 충전 과정이 진행될 때마다, k는 1씩 증가한다.
제2 SOC 시계열 데이터는, 제1 내지 제(k-1) 충전 과정 각각의 종료 시점에서의 배터리 모듈(50)의 SOC를 나타내는 제1 내지 제(k-1) 종료 SOC를 포함한다.
단계 S1010에서, 통계 처리부(173)는, SOC 정보 저장부(171)로부터 제1 SOC 시계열 데이터 및 제2 SOC 시계열 데이터를 획득한다.
단계 S1020에서, 통계 처리부(173)는, 제1 SOC 시계열 데이터로부터, 제(k-j) 내지 제(k-1) 시작 SOC를 추출할 수 있다. 또한, 통계 처리부(173)는, 제2 SOC 시계열 데이터로부터, 제(k-j) 내지 제(k-1) 종료 SOC를 추출할 수 있다. 여기서, j는 기준 넘버이다.
기준 넘버(j)는 1 이상으로 미리 정해진 자연수일 수 있다. 대안적으로, 통계 처리부(173)는, 배터리 모듈의 SOH를 기초로, 기준 넘버(j)를 결정할 수 있다.
단계 S1030에서, 통계 처리부(173)는, 제(k-j) 내지 제(k-1) 시작 SOC와 제(k-j) 내지 제(k-1) 종료 SOC의 평균값과 동일하게, SOC 통계값을 산출할 수 있다. SOC 통계값은, (k-1)번째 충전 과정의 종료된 때부터 (k+1)번째 충전 과정이 개시될 때까지의 기간에 적용될 기준 SOC를 연산하는 데에 이용될 수 있다.
단계 S1040에서, 레퍼런스 설정부(175)는, 통계 처리부(173)에 의하여 산출된 SOC 통계값을 기초로, 기준 SOC을 결정한다.
도 10에 따른 방법은, 종료 조건의 충족 여부 등에 따라 순환적으로(recursively) 적용되도록 구성될 수 있다. 실시예에 따라서, 종료 조건의 만족 여부를 확인하는 단계(S1060)는 생략될 수 있다.
통계 처리부(173)는, 새로운 회차의 충전 과정의 완료 시마다, 이전 회차의 충전 과정에서 활용된 제1 SOC 시계열 데이터, 제2 SOC 시계열 데이터 및 SOC 통계값을 갱신할 수 있다.
예를 들어, 현 충전 과정이 31번째 충전 과정(즉, k=31)이라면, 첫 번째 충전 과정부터 30번째 충전 과정을 통해 30개의 제1 SOC 및 30개의 제2 SOC가 SOC 정보 저장부(171)에 이미 저장되어 있을 수 있다. 통계 처리부(173)는, 30개의 제1 SOC 중 적어도 하나 및 30개의 제2 SOC 중 적어도 하나를 기초로, 현 충전 과정을 위한 SOC 통계값을 산출할 수 있다.
실시 형태에 따라서, 통계 처리부(173)는, 현재 차수를 기준으로 역순으로 S(1 이상 k 미만)개의 제1 및 제2 SOC만을 선별적으로 이용하여, SOC 통계값을 산출할 수 있다. 일 예로, k = 31, S = 5라고 할 때, 26번째 충전 과정부터 30번째 충전 과정에서 획득된, 5개의 제1 SOC 및 5개의 제2 SOC를 기초로, 현 충전 과정을 위한 SOC 통계값이 산출될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면 최근 결과를 이용하여 상기 SOC 통계값이 산출되므로, 배터리 모듈(50)의 과거 충방전 패턴을 밸런싱 프로세스의 차등적 실행에 보다 효과적으로 반영할 수 있다.
일 예로, SOC 통계값은, S개의 제1 SOC 및 S개의 제2 SOC의 평균값일 수 있다. 레퍼런스 설정부(175)는, SOC 통계값과 동일하게 또는 SOC 통계값에 보정 계수를 곱한 값과 동일하게 기준 SOC를 결정할 수 있다. 보정 계수는, 미리 정해진 상수이거나, 배터리 모듈(50)의 SOH에 기초하여 조절 가능한 값일 수 있다.
도 15는 기준 SOC가 80%인 경우에 실시되는 차등적 밸런싱 프로세스를 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 도 15에서는, SOC 스윙 범위가 60%~100%이고, 기준 SOC는 SOC 스윙 범위의 정중앙인 80%인 것으로 예시되어 있다.
도 15에 도시된 실시예가, 앞서 퇴화 셀(D-Cell) 및 정상 셀(N-Cell)의 전압값(전기적 특성)의 연산 및 대비 등을 통하여 밸런싱 프로세스를 차등적으로 수행하는 실시예와 정확히 일치되지 않을 수는 있으나, 앞서 상술된 바와 같이 배터리 모듈(50)의 SOC값을 이용하는 방법론은 내재적으로 퇴화 셀(D-Cell)과 정상 셀(N-Cell)의 거동 특성을 실질적으로 반영하는 것이므로 양자는 서로 상응하는 결과를 제공할 수 있다.
한편, SOH 산출부(177)는, 상태 감시부(120)로부터 입력된 배터리 셀(51) 또는 배터리 모듈(50)에 대한 전기적 특성, 기 저장된 배터리 셀(51) 등의 내구 연한 또는 수명 등에 대한 정보 등을 이용하여, 배터리 셀(51) 및/또는 배터리 모듈(50)의 SOH를 연산하도록 구성될 수 있다.
상기 SOH는 일종의 퇴화도를 표상하는 정보로서, 퇴화도가 높을수록 내부저항 등의 증가로 인하여 전기적 특성의 변화율이 가속화되는 특성을 가질 수 있다.
그러므로, 레퍼런스 설정부(175)는, 배터리 모듈(50)의 SOH를 더 기초로, 기준 SOC를 결정할 수 있다. 일 예로, 레퍼런스 설정부(175)는, SOH와 보정 계수 간의 소정의 음의 대응 관계를 기초로, 배터리 모듈(50)의 현 SOH에 대응하는 보정 계수를 결정한 다음, 결정된 보정 계수를 SOC 통계값에 곱하여 기준 SOC를 결정할 수 있다. 이에 따르면, 배터리 모듈(50)의 SOH가 감소할수록, 보정 계수는 증가한다. 결과적으로, SOC 통계값이 동일하더라도, 배터리 모듈(50)의 SOH가 감소할수록 기준 SOC는 증가하게 된다.
전술한 바와 같이, 배터리 모듈(50)의 SOH를 반영하여 기준 SOC를 결정하면, 퇴화 셀(D-Cell)의 셀 상태 파라미터가 정상 셀(N-Cell)의 셀 상태 파라미터보다 높은 구간을 더욱 정밀하게 구분할 수 있어 차등적 밸런싱 프로세스의 효율성 또한 높일 수 있다.
배터리 팩(10)은, 배터리 모듈(50) 및 배터리 관리 장치(100) 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS, 버스바, 팩 케이스, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는, 전기 차량에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전기 차량은, 전술된 배터리 관리 장치(100) 또는 이를 포함하는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전기 차량은, 배터리 관리 장치(100)나 배터리 팩 이외에, 차체나 모터, ECU(electronic control unit) 등의 다른 다양한 구성요소를 더 포함할 수 있다.
도 16은 도 1 및 도 3에 도시된 밸런싱 처리부의 일 예를 개략적으로 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 이해를 돕기 위해, 도 16에는 밸런싱 처리부(130)의 구성과 함께, 배터리 모듈(50) 및 밸런싱 처리부(130) 간의 결합 관계도 함께 도시하였다.
도 16을 참조하면, 밸런싱 처리부(130)는, 복수의 벅 밸런싱 회로(D#1~D#N)를 포함할 수 있다.
제어부(140)는, 복수의 벅 밸런싱 회로(D#1~D#N) 각각에 제어 신호를 출력 가능하도록, 복수의 벅 밸런싱 회로(D#1~D#N)에 동작 가능하게 결합된다.
제어부(140)로부터 복수의 벅 밸런싱 회로(D#1~D#N) 각각에 출력되는 제어 신호는, 하이 레벨 전압과 로우 레벨 전압이 교대로 반복되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호일 수 있다.
복수의 벅 밸런싱 회로(D#1~D#N)는 복수의 배터리 셀(#1~#N)에 일대일로 제공된다. 즉, i는 N 이하의 자연수라고 할 때, 벅 밸런싱 회로(D#i)는 배터리 셀(#i)에 대한 밸런싱 프로세스의 선택적 실시를 위해 제공되는 것이다.
벅 밸런싱 회로(D#i)는, 밸런싱 스위치(SW) 및 저항기(R)를 포함할 수 있다. 즉, 벅 밸런싱 회로(D#i)는, 밸런싱 스위치(SW) 및 저항기(R)의 직렬 회로를 포함한다. 벅 밸런싱 회로(D#i)는 배터리 셀(#i)에 병렬 접속된다.
밸런싱 스위치(SW)는, 제어부(140)로부터의 제어 신호가 하이 레벨 전압인 것에 응답하여, 턴 온될 수 있다. 밸런싱 스위치(SW)는, 제어부(140)로부터의 제어 신호가 로우 레벨 전압인 것에 응답하여, 턴 오프될 수 있다.
밸런싱 스위치(SW)가 턴 온되어 있는 동안, 벅 밸런싱 회로(D#i)와 배터리 셀(#i)를 포함하는 폐회로가 형성되며, 폐회로를 통해 전류가 흐르게 된다.
배터리 모듈(50)의 충전 및 방전이 둘 다 중지되어 있는 휴지 기간(예, 도 14의 시각 t1~t2)에 벅 밸런싱 회로(D#i)의 밸런싱 스위치(SW)가 턴 온되면, 배터리 셀(#i)에 저장된 에너지는 벅 밸런싱 회로(D#i)에 의해 소모되면서 배터리 셀(#i)의 셀 상태 파라미터는 점차 저하한다.
배터리 모듈(50)의 충전 기간(예, 도 14의 시각 Ta~t1)에 벅 밸런싱 회로(D#i)의 밸런싱 스위치(SW)가 턴 온되면, 배터리 모듈(50)의 충전 전류가 배터리 셀(#i)과 벅 밸런싱 회로(D#i)로 분산된다. 따라서, 배터리 셀(#i)의 충전 속도는 느려진다.
배터리 모듈(50)의 방전 기간(예, 도 14의 시각 t2~Tb)에 벅 밸런싱 회로(D#i)의 밸런싱 스위치(SW)가 턴 온되면, 배터리 셀(#i)은 배터리 모듈(50)의 방전 전류뿐만 아니라 벅 밸런싱 회로(D#i)에 의해 추가적으로 방전될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(#i)의 방전 속도는 빨라진다.
<정상 셀과 퇴화 셀 중 퇴화 셀만에 대한 밸런싱 프로세스>
배터리 셀(#1)이 퇴화 셀(D-Cell)이고, 배터리 셀(#2)이 정상 셀(N-Cell)이라고 상정해보자. 그러면, 기준 SOC(ZR) 이상의 SOC 범위에 대응하는 기간 기간(예, 도 14의 시각 Ta부터 시각 Tb까지) 동안, 배터리 셀(#1)에 제공된 벅 밸런싱 회로(D#1)의 밸런싱 스위치(SW)는 턴 온 상태로 유지될 것인 반면, 배터리 셀(#2)에 제공된 벅 밸런싱 회로(D#2)의 밸런싱 스위치(SW)는 턴 오프 상태로 유지될 것이다. 즉, 배터리 셀(#1)과 배터리 셀(#2)에 대한 밸런싱 프로세스가 차등적으로 실시되는 것이다.
충전 기간(예, 도 14의 시각 Ta~t1)에서는, 배터리 셀(#1) 및 배터리 셀(#2) 중 배터리 셀(#1)의 충전 속도만이 저하된다.
휴지 기간(예, 도 14의 시각 t1~t2)에서는, 배터리 셀(#1) 및 배터리 셀(#2) 중 배터리 셀(#1)만이 방전된다.
방전 기간(예, 도 14의 시각 t2~Tb)에서는, 배터리 셀(#1)의 방전 속도가 배터리 셀(#2)의 방전 속도보다 빠르다.
결과적으로, 시각 Ta부터 시각 Tb까지의 기간 동안의 차등적 밸런싱 프로세스가 실시됨에 의해, 퇴화 셀(D-Cell)로서의 배터리 셀(#1)의 셀 상태 파라미터와 정상 셀(N-Cell)로서의 배터리 셀(#2)의 셀 상태 파라미터가 효과적으로 균등화될 수 있는 것이다.
< 정상 셀과 퇴화 셀 중 정상 셀만에 대한 밸런싱 프로세스 >
배터리 셀(#1)이 퇴화 셀(D-Cell)이고, 배터리 셀(#2)이 정상 셀(N-Cell)이라고 상정해보자. 그러면, 기준 SOC(ZR) 이하의 SOC 범위에 대응하는 기간 기간(예, 도 14의 시각 Tb부터 시각 Tc까지) 동안, 배터리 셀(#1)에 제공된 벅 밸런싱 회로(D#1)의 밸런싱 스위치(SW)는 턴 오프 상태로 유지될 것인 반면, 배터리 셀(#2)에 제공된 벅 밸런싱 회로(D#2)의 밸런싱 스위치(SW)는 턴 온 상태로 유지될 것이다. 즉, 배터리 셀(#1)과 배터리 셀(#2)에 대한 밸런싱 프로세스가 차등적으로 실시되는 것이다.
방전 기간(예, 도 14의 시각 Tb~t3)에서는, 배터리 셀(#2)의 방전 속도가 벅 밸런싱 회로(D#2)에 의해 가속화된다.
휴지 기간(예, 도 14의 시각 t3~t4)에서는, 배터리 셀(#1) 및 배터리 셀(#2) 중 배터리 셀(#2)만이 방전된다.
충전 기간(예, 도 14의 시각 t4~Tc)에서는, 배터리 셀(#1) 및 배터리 셀(#2) 중 배터리 셀(#2)만의 충전 속도가 벅 밸런싱 회로(D#2)에 의해 저하된다.
결과적으로, 시각 Tb부터 시각 Tc까지의 기간 동안의 차등적 밸런싱 프로세스가 실시됨에 의해, 퇴화 셀(D-Cell)로서의 배터리 셀(#1)의 셀 상태 파라미터와 정상 셀(N-Cell)로서의 배터리 셀(#2)의 셀 상태 파라미터가 효과적으로 균등화될 수 있는 것이다.
도 17은 도 1 및 도 3에 도시된 밸런싱 처리부의 다른 예를 개략적으로 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 이해를 돕기 위해, 도 17에는 밸런싱 처리부(130)의 구성과 함께, 배터리 모듈(50) 및 밸런싱 처리부(130) 간의 결합 관계도 함께 도시하였다.
도 16에 도시된 밸런싱 처리부(130)와는 대조적으로, 도 17에 도시된 밸런싱 처리부(130)는 복수의 부스트 밸런싱 회로(U#1~U#N)를 포함할 수 있다.
제어부(140)는, 복수의 부스트 밸런싱 회로(U#1~U#N) 각각에 제어 신호를 출력 가능하도록, 복수의 부스트 밸런싱 회로(U#1~U#N)에 동작 가능하게 결합된다.
복수의 부스트 밸런싱 회로(U#1~U#N)는 복수의 배터리 셀(#1~#N)에 일대일로 제공된다. 즉, i는 N 이하의 자연수라고 할 때, 부스트 밸런싱 회로(U#i)는 배터리 셀(#i)에 대한 밸런싱 프로세스의 선택적 실시를 위해 제공되는 것이다.
부스트 밸런싱 회로(U#i)는, 예컨대 DC-DC 컨버터와 같은 직류 전압원일 수 있다.
부스트 밸런싱 회로(U#i)는, 제어부(140)로부터의 제어 신호에 응답하여 동작 중에, 배터리 셀(#i)에 충전 전력을 공급한다.
배터리 모듈(50)의 방전 기간(예, 도 14의 시각 Tb~t3)에 부스트 밸런싱 회로(U#i)가 동작하면, 배터리 셀(#i)의 방전 전력이 부스트 밸런싱 회로(U#i)로부터 공급되는 충전 전력에 의해 보상됨으로써, 배터리 셀(#i)의 방전 속도는 느려진다.
배터리 모듈(50)의 휴지 기간(예, 도 14의 시각 t3~t4)에 부스트 밸런싱 회로(U#i)가 동작하면, 배터리 셀(#i)의 셀 상태 파라미터는 점차 상승한다.
배터리 모듈(50)의 방전 기간(예, 도 14의 시각 t4~Tc)에 부스트 밸런싱 회로(U#i)가 동작하면, 배터리 셀(#i)은 배터리 모듈(50)의 충전 전류뿐만 아니라 부스트 밸런싱 회로(U#i)에 의해 추가적으로 충전될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(#i)의 충전 속도는 빨라진다.
<정상 셀과 퇴화 셀 중 퇴화 셀만에 대한 밸런싱 프로세스>
배터리 셀(#1)이 퇴화 셀(D-Cell)이고, 배터리 셀(#2)이 정상 셀(N-Cell)이라고 상정해보자. 그러면, 기준 SOC(ZR) 이하의 SOC 범위에 대응하는 기간 기간(예, 도 14의 시각 Tb부터 시각 Tc까지) 동안, 배터리 셀(#1)에 제공된 부스트 밸런싱 회로(U#1)는 동작할 것인 반면, 배터리 셀(#2)에 제공된 부스트 밸런싱 회로(U#2)는 동작 중지될 것이다.
방전 기간(예, 도 14의 시각 Tb~t3)에서는, 배터리 셀(#1) 및 배터리 셀(#2) 중 배터리 셀(#1)의 방전 속도만이 저하된다.
휴지 기간(예, 도 14의 시각 t3~t4)에서는, 배터리 셀(#1) 및 배터리 셀(#2) 중 배터리 셀(#1)만이 독립적으로 충전된다.
충전 기간(예, 도 14의 시각 t4~Tc)에서는, 배터리 셀(#1)의 충전 속도가 배터리 셀(#2)의 충전 속도보다 빠르다.
결과적으로, 시각 Tb부터 시각 Tc까지의 기간 동안의 차등적 밸런싱 프로세스가 실시됨에 의해, 퇴화 셀(D-Cell)로서의 배터리 셀(#1)의 셀 상태 파라미터와 정상 셀(N-Cell)로서의 배터리 셀(#2)의 셀 상태 파라미터가 효과적으로 균등화될 수 있는 것이다.
< 정상 셀과 퇴화 셀 중 정상 셀만에 대한 밸런싱 프로세스 >
배터리 셀(#1)이 퇴화 셀(D-Cell)이고, 배터리 셀(#2)이 정상 셀(N-Cell)이라고 상정해보자. 그러면, 기준 SOC(ZR) 이상의 SOC 범위에 대응하는 기간(예, 도 14의 시각 Ta부터 시각 Tb까지) 동안, 배터리 셀(#1)에 제공된 부스트 밸런싱 회로(U#1)는 미동작할 것인 반면, 배터리 셀(#2)에 제공된 부스트 밸런싱 회로(U#2)는 동작하게 것이다.
충전 기간(예, 도 14의 시각 Ta~t1)에서는, 배터리 셀(#2)의 충전 속도가 부스트 밸런싱 회로(U#2)에 의해 가속화될 수 있다.
휴지 기간(예, 도 14의 시각 t1~t2)에서는, 배터리 셀(#1) 및 배터리 셀(#2) 중 배터리 셀(#2)만이 독립적으로 충전된다.
방전 기간(예, 도 14의 시각 t2~Tb)에서는, 배터리 셀(#1) 및 배터리 셀(#2) 중 배터리 셀(#2)만의 방전 속도가 부스트 밸런싱 회로(U#2)에 의해 저하된다.
결과적으로, 시각 Ta부터 시각 Tb까지의 기간 동안의 차등적 밸런싱 프로세스가 실시됨에 의해, 퇴화 셀(D-Cell)로서의 배터리 셀(#1)의 셀 상태 파라미터와 정상 셀(N-Cell)로서의 배터리 셀(#2)의 셀 상태 파라미터가 효과적으로 균등화될 수 있는 것이다.
한편, 밸런싱 처리부(130)는, 도 16에 따른 벅 밸런싱 회로(D#1~D#N) 및 도 17에 따른 부스트 밸런싱 회로(U#1~U#N)를 둘 다 포함할 수 있다.
배터리 셀(#1)이 퇴화 셀(D-Cell)이고, 배터리 셀(#2)이 정상 셀(N-Cell)이라고 상정해보자.
그러면, 기준 SOC(ZR) 이상의 SOC 범위에 대응하는 시각 Ta부터 시각 Tb까지의 기간 내 적어도 일시적으로, 배터리 셀(#1)에 제공된 벅 밸런싱 회로(D#1)의 밸런싱 스위치(SW)는 턴 온 상태로 제어되고, 배터리 셀(#2)에 제공된 부스트 밸런싱 회로(U#2)는 동작 상태로 제어될 수 있다.
기준 SOC(ZR) 이하의 SOC 범위에 대응하는 시각 Tb부터 시각 Tc까지의 기간 내 적어도 일시적으로, 배터리 셀(#1)에 제공된 부스트 밸런싱 회로(U#2)는 동작 상태로 제어되고, 배터리 셀(#2)에 제공된 밸런싱 스위치(SW)는 턴 온 상태로 제어될 수 있다.
벅 밸런싱 회로(D#1~D#N)를 이용한 밸런싱 프로세스는, 벅 밸런싱 프로세스, 패시브 밸런싱 프로세스 또는 제1 밸런싱 프로세스라고 칭할 수 있다.
부스트 밸런싱 회로(U#1~U#N)를 이용한 밸런싱 프로세스는, 부스트 밸런싱 프로세스, 액티브 밸런싱 프로세스 또는 제2 밸런싱 프로세스라고 칭할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
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.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 위한 배터리 관리 장치에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태를 나타내는 복수의 셀 상태 파라미터를 획득하도록 구성되는 상태 감시부;
    상기 복수의 배터리 셀 간의 상기 전기적 상태의 편차를 억제하기 위해, 상기 복수의 배터리 셀 각각을 선택적으로 방전 또는 충전시키는 절차인 밸런싱 프로세스를 수행하도록 구성되는 밸런싱 처리부; 및
    상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 한 배터리 셀에 대한 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하도록 구성되는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각을 퇴화 셀 또는 정상 셀로 분류하는 셀 분류부;
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 퇴화 셀의 셀 상태 파라미터 및 상기 정상 셀의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 밸런싱 프로세스가 차등적으로 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 퇴화 셀의 셀 상태 파라미터가 상기 정상 셀의 셀 상태 파라미터보다 큰 경우, 상기 퇴화 셀에 대한 상기 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하도록 구성되되,
    상기 셀 상태 파라미터는, 전압 및 SOC(State Of Charge) 중 적어도 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 셀 분류부는,
    상기 상태 감시부로부터 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 획득하도록 구성되는 입력부;
    상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태의 거동 특성을 나타내는 복수의 셀 거동 파라미터를 연산하도록 구성되는 연산 처리부; 및
    상기 복수의 셀 거동 파라미터 간의 상대적 차이를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각을 상기 퇴화 셀 또는 상기 정상 셀로 분류하도록 구성되는 선정부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 셀 거동 파라미터는, 상기 셀 상태 파라미터의 변화율을 포함하고,
    상기 셀 분류부는,
    상기 복수의 셀 거동 파라미터 중에서 크기 순으로 상위 순위에 해당하는 n(n은 1 이상의 자연수)개의 셀 거동 파라미터에 매핑된 각 배터리 셀을 상기 퇴화 셀로 분류하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 셀 거동 파라미터는, 상기 셀 상태 파라미터의 변화율을 포함하고,
    상기 셀 분류부는,
    상기 배터리 모듈의 충전 과정에서의 상기 셀 거동 파라미터가 제1 기준값 이상인 것 및 상기 배터리 모듈의 방전 과정에서의 상기 셀 거동 파라미터가 제2 기준값 이상인 것을 둘 다 만족하는, 각 배터리 셀을 상기 퇴화 셀로 선정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 상태 감시부는,
    상기 배터리 모듈의 전기적 상태를 나타내는 모듈 상태 파라미터로서, 상기 배터리 모듈의 SOC를 획득하도록 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 모듈의 충전 중에 상기 모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이상인 것을 조건으로, 상기 퇴화 셀에 대한 상기 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    제1 SOC 시계열 데이터 및 제2 SOC 시계열 데이터를 저장하도록 구성되는 SOC 정보 저장부;
    상기 제1 SOC 시계열 데이터 및 제2 SOC 시계열 데이터를 기초로, SOC 통계값을 산출하도록 구성되는 통계 처리부; 및
    상기 SOC 통계값과 동일하게 상기 기준 SOC를 설정하도록 구성되는 레퍼런스 설정부;
    를 더 포함하되,
    상기 제1 SOC 시계열 데이터는, 상기 배터리 모듈에 대해 과거에 진행된 제1 내지 제(k-1) 충전 과정 각각의 시작 시점에서의 상기 배터리 모듈의 SOC를 나타내는 제1 내지 제(k-1) 시작 SOC를 포함하고,
    상기 제2 SOC 시계열 데이터는, 상기 제1 내지 제(k-1) 충전 과정 각각의 종료 시점에서의 상기 배터리 모듈의 SOC를 나타내는 제1 내지 제(k-1) 종료 SOC를 포함하고,
    k는 2 이상의 자연수인, 배터리 관리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 통계 처리부는,
    상기 배터리 모듈의 SOH를 더 기초로, 상기 SOC 통계값을 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 통계 처리부는,
    상기 배터리 모듈의 SOH를 기초로, 기준 넘버를 결정하고,
    상기 제1 SOC 시계열 데이터로부터, 제(k-j) 내지 제(k-1) 시작 SOC를 추출하고,
    상기 제2 SOC 시계열 데이터로부터, 제(k-j) 내지 제(k-1) 종료 SOC를 추출하고,
    상기 제(k-j) 내지 제(k-1) 시작 SOC와 상기 제(k-j) 내지 제(k-1) 종료 SOC의 평균값과 동일하게, 상기 SOC 통계값을 산출하도록 구성되되,
    j는 상기 기준 넘버인 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제11항에 따른 배터리 팩을 포함하는, 전기 차량.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법에 있어서,
    상기 상태 감시부가, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전기적 상태를 나타내는 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 획득하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 복수의 배터리 셀 간의 상기 전기적 상태의 편차를 억제하기 위해, 상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 한 배터리 셀에 대한 상기 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계는,
    상기 복수의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 각각을 퇴화 셀 또는 정상 셀로 분류하는 단계; 및
    상기 퇴화 셀의 셀 상태 파라미터 및 상기 정상 셀의 셀 상태 파라미터를 기초로, 상기 밸런싱 프로세스가 차등적으로 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계는,
    상기 배터리 모듈의 전기적 상태를 나타내는 모듈 상태 파라미터로서, 상기 배터리 모듈의 SOC를 획득하는 단계; 및
    상기 배터리 모듈의 충전 중에 상기 모듈 상태 파라미터가 기준 SOC 이상인 것을 조건으로, 상기 퇴화 셀에 대한 상기 밸런싱 프로세스가 수행되도록 상기 밸런싱 처리부를 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 방법.
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