WO2024063337A1 - 배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법 - Google Patents

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

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WO2024063337A1
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soc estimate
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PCT/KR2023/011878
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홍경식
김현진
박기수
안지훈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
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    • 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
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators

Definitions

  • the present invention relates to a technology for estimating the state of charge (SOC) of a battery cell.
  • lithium batteries have almost no memory effect compared to nickel-based batteries, so they can be freely charged and discharged, and have a very high self-discharge rate. It is attracting attention due to its low and high energy density.
  • Battery packs for applications that require large capacity and high voltage include tens to hundreds of battery cells connected in series.
  • the battery management system is provided to acquire the battery parameters (e.g., voltage, current, SOC, etc.) of each battery cell and execute various functions (e.g., balancing, cooling) to ensure the reliability and safety of each battery. .
  • the SOC-OCV curve (sometimes referred to as an 'OCV map') is useful for estimating SOC outside of the flat SOC range, but it does not provide much of an estimate of the OCV within that SOC range. Because even a small measurement error can cause a large difference between the estimated SOC and the actual value, it is difficult to accurately determine the SOC of a battery cell during charging and discharging by using the SOC-OCV curve. Therefore, when the SOC of the battery cell is within a flat section (SOC range with flat characteristics), it is preferable to determine the SOC of the battery cell based on the accumulated current of the battery cell instead of the SOC-OCV curve.
  • One solution to this problem is to intentionally charge or discharge the battery cell so that the SOC of the battery cell deviates from a flat range, and then estimate the SOC based on the OCV of the battery cell using the SOC-OCV curve.
  • the above-described method has a problem in that power is unnecessarily wasted due to intentional charging or discharging of battery cells, and the time required to estimate SOC is correspondingly prolonged.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and even if a situation occurs where the SOC of a battery cell enters a flat section during the process of charging or discharging a battery cell, the estimation accuracy of the SOC of the battery cell is not degraded.
  • the purpose is to provide a battery management system, battery pack, electric vehicle, and battery management method that prevents
  • a battery management system is for a battery cell having a plateau section, which is a state of charge (SOC) range in which the rate of change of open circuit voltage is maintained below a reference value.
  • the battery management system includes a sensing unit that detects the voltage, current, and pressure of the battery cell, first relationship data representing the relationship between the open circuit voltage of the battery cell and SOC, and a relationship between the pressure of the battery cell and SOC.
  • a memory for storing second relationship data, and determining a voltage value representing the detected voltage, a current value representing the detected current, and a pressure value representing the detected pressure, and calculating an SOC estimate of the battery cell at a set time. It includes a control unit configured to make a decision.
  • the control unit compares the previous SOC estimate with the flat section and, according to the result of the comparison, (i) obtains through a first SOC estimation logic based on the voltage value, the current value, and the first relationship data. Determine the current SOC estimate as the same as the weighted average of one or both of the first SOC estimate and (ii) the second SOC estimate obtained through the second SOC estimate logic based on the pressure value and the second relationship data. It is configured to do so.
  • the control unit may be configured to determine the current SOC estimate in the same manner as the first SOC estimate when the previous SOC estimate is outside the flat section.
  • the control unit may be configured to determine the current SOC estimate in the same manner as the second SOC estimate when the previous SOC estimate is within the flat section.
  • the control unit determines the first weight and the second SOC associated with the first SOC estimation logic according to the difference between the lower or upper limit of the flat section and the previous SOC estimate. and may be configured to determine a second weight associated with the estimation logic.
  • the control unit may be configured to determine the current SOC estimate to be the same as a first weighted average of the first SOC estimate and the second SOC estimate based on the first weight and the second weight.
  • the first weight may have a negative correlation with the difference between the lower or upper limit of the flat section and the previous SOC estimate.
  • the second weight may have a positive correlation with the difference between the lower or upper limit of the flat section and the previous SOC estimate.
  • the control unit calculates the first SOC estimate and the first SOC estimate based on a third weight associated with the first SOC estimation logic and a fourth weight associated with the second SOC estimation logic. 2 Equal to the second weighted average of the SOC estimates, may be configured to determine the current SOC estimate. The third weight may be less than the first weight. The fourth weight may be greater than the second weight.
  • the control unit may be configured to determine a residence time of the SOC estimate within the flat section based on the time series of the SOC estimate when the previous SOC estimate is within the flat section.
  • the control unit may be configured to correct a third weight associated with the first SOC estimation logic and a fourth weight associated with the second SOC estimation logic according to the residence time.
  • the control unit may be configured to determine the current SOC estimate to be equal to a second weighted average of the first SOC estimate and the second SOC estimate based on the corrected third weight and the corrected fourth weight. there is.
  • the third weight may be less than the first weight.
  • the fourth weight may be greater than the second weight.
  • the corrected third weight may be less than or equal to the third weight.
  • the corrected fourth weight may be greater than or equal to the fourth weight.
  • the difference between the corrected third weight and the third weight and the difference between the corrected fourth weight and the fourth weight may each have a positive correlation with the residence time.
  • the control unit determines the first weight and the second SOC associated with the first SOC estimation logic according to the difference between the lower or upper limit of the flat section and the previous SOC estimate. and may be configured to determine a second weight associated with the estimation logic.
  • the control unit may be configured to determine a residence time of the SOC estimate outside the flat section based on the time series of the SOC estimate.
  • the control unit may be configured to correct the first weight and the second weight according to the residence time.
  • the control unit may be configured to determine the current SOC estimate to be equal to a first weighted average of the first SOC estimate and the second SOC estimate based on the corrected first weight and the corrected second weight. .
  • the third weight may be less than the first weight.
  • the fourth weight may be greater than the second weight.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include the battery management system.
  • An electric vehicle according to another aspect of the present invention may include the battery pack.
  • a battery management method is provided so that it can be executed at a set time by the battery management system.
  • the battery management method includes determining a voltage value representing the voltage of the battery cell, a current value representing the current of the battery cell, and a pressure value representing the pressure of the battery cell, and determining the previous SOC estimate of the battery cell.
  • the current SOC estimate of the battery cell if the previous SOC estimate is outside the flat section, the current SOC estimate may be determined in the same way as the first SOC estimate. In the step of determining the current SOC estimate of the battery cell, if the previous SOC estimate is within the flat section, the current SOC estimate may be determined in the same way as the second SOC estimate.
  • the step of determining the current SOC estimate of the battery cell includes, when the previous SOC estimate is outside the flat section, the first SOC estimation logic according to the difference between the lower or upper limit of the plateau section and the previous SOC estimate. determining a first weight associated with and a second weight associated with the second SOC estimate logic, and a first weighted average of the first SOC estimate and the second SOC estimate based on the first weight and the second weight. In the same manner as, it may include the step of determining the current SOC estimate.
  • the step of determining the current SOC estimate of the battery cell includes, when the previous SOC estimate is within the flat section, a third weight associated with the first SOC estimation logic and a fourth weight associated with the second SOC estimation logic. Obtaining, and determining the current SOC estimate to be the same as a second weighted average of the first SOC estimate and the second SOC estimate based on the third weight and the fourth weight. .
  • the third weight may be less than the first weight.
  • the fourth weight may be greater than the second weight.
  • the estimation accuracy of the SOC of the battery cell can be prevented from being deteriorated.
  • the SOC-OCV curve (corresponding to the 'first relationship data' in the claims) to estimate the SOC of the battery
  • the relationship between the SOC of the battery and the pressure By additionally utilizing the SOC-P curve representing the relationship (corresponding to the 'second relationship data' in the claims), the SOC estimation accuracy in the entire SOC range including the flat section can be improved.
  • a first SOC estimate based on the first relationship data and a second SOC estimate based on the second relationship data By calculating the SOC estimate for each set time by combining the estimates so that each influence is different, the SOC estimation accuracy in the entire SOC range can be improved.
  • a first SOC estimate based on the first relationship data and a second SOC estimate based on the second relationship data are provided, depending on the residence time during which the SOC estimate of the battery remains within or outside the plateau region.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of an electric vehicle according to the present invention.
  • Figure 2 is a graph showing an exemplary SOC-OCV curve of a battery cell.
  • Figure 3 is a graph illustrating the SOC-P curve of a battery cell.
  • Figure 4 is a graph illustrating the SOH-P curve of a battery cell.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a battery management method performed by the battery management system shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a flowchart exemplarily showing the subroutine of step S530 of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a flowchart exemplarily showing another subroutine of step S530 of FIG. 5.
  • Figure 8 is an example of a weight map that can be used in the subroutine of Figure 7.
  • FIG. 9 is a flowchart exemplarily showing another subroutine of step S530 of FIG. 5.
  • Figure 10 is an example of a weight map that can be used in the subroutine of Figure 9.
  • FIG. 11 is a flowchart exemplarily showing another subroutine of step S530 of FIG. 5.
  • Figure 12 is an example of a weight map that can be used in the subroutine of Figure 11.
  • 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.
  • SOC State Of Charge
  • SOC State Of Charge
  • Figure 1 is a diagram illustrating the configuration of an electric vehicle according to the present invention
  • Figure 2 is a graph showing an exemplary SOC-OCV curve of a battery cell
  • Figure 3 is an exemplary graph showing the SOC-P curve of a battery cell
  • Figure 4 is a graph referenced to explain the relationship between the SOH and SOC-P curves of battery cells.
  • reference numeral 'C' will be assigned.
  • the electric vehicle 1 includes a vehicle controller 2, a battery pack 10, and an electric load 30.
  • the charge/discharge terminals (P+, P-) of the battery pack 10 may be electrically coupled to the charger 40 through a charging cable or the like.
  • the charger 40 may be included in the electric vehicle 1 or may be provided at a charging station outside the electric vehicle 1.
  • the vehicle controller 2 (e.g., ECU: Electronic Control Unit) responds to the start button (not shown) provided in the electric vehicle 1 being switched to the ON position by the user, and sends a key-on signal to the battery management. It is configured to transmit to the system 100.
  • the vehicle controller 2 is configured to transmit a key-off signal to the battery management system 100 in response to the ignition button being switched to the OFF position by the user.
  • the charger 40 may communicate with the vehicle controller 2 and supply charging power (eg, constant current, constant voltage, constant power) through the charge/discharge terminals (P+, P-) of the battery pack 10.
  • the battery pack 10 includes a cell group 11, a relay 20, and a battery management system 100.
  • the cell group 11 includes at least one battery cell (C).
  • FIG. 1 illustrates that a plurality of battery cells (C 1 to C m , where m is a natural number equal to or greater than 2) connected in series are included in the cell group 11 .
  • symbol C will be used.
  • each of the plurality of battery cells has a positive lead and a negative lead, and one of two adjacent battery cells (e.g., C 1 , C 2 ) (e.g., C 1 )
  • the positive lead of one and the negative lead of the other e.g., C 2
  • a series connection from the negative lead of the battery cell C 1 to the positive lead of the battery cell C m is disposed in the cell group 11 .
  • the positive and negative leads of the battery cell C may be referred to as 'anode' and 'negative electrode', respectively.
  • a plurality of battery cells may be manufactured to have the same electrochemical specifications and charge/discharge characteristics.
  • the type of the battery cell C is not particularly limited as long as it can be repeatedly charged and discharged like an LFP battery and has flat characteristics.
  • the series circuit of cell group 11 and current detection element 114 is electrically connected to electrical load 30 and/or charger 40 via relay 20.
  • the relay 20 is installed on the power line PL that serves as a current path for charging and discharging the battery pack 10. While the relay 20 is turned on, power can be transferred from one of the battery pack 10 and the electric load 30 to the other.
  • the relay 20 may be implemented by using any one or a combination of two or more of known switching devices such as a mechanical contactor, a field effect transistor (FET), etc.
  • the control unit 130 can control the relay 20 from one of the on state and the off state to the other.
  • the electrical load 30 includes an inverter 31 and an electric motor 32.
  • the inverter 31 is provided to convert direct current from the battery group 11 included in the battery pack 10 into alternating current in response to commands from the battery management system 100 or the vehicle controller 2.
  • the electric motor 32 is driven using alternating current power from the inverter 31.
  • As the electric motor 32 for example, a three-phase alternating current motor can be used.
  • the state in which the relay 20 is turned on and the cell group 11 is charging and discharging may be referred to as a load state (cycle state).
  • the voltage of the battery cell (C) detected in a load state may be referred to as load voltage or closed circuit voltage (CCV).
  • No-load voltage is a general term for relaxation voltage and open circuit voltage (OCV). Specifically, when the battery cell (C) is converted from a loaded state to an unloaded state, the polarization generated in the battery cell (C) begins to naturally resolve and the no-load voltage of the battery cell (C) converges toward OCV.
  • OCV represents a no-load voltage in which the battery cell C is maintained in an unloaded state for a predetermined period of time (eg, 2 hours) or more, and the voltage change rate of the battery cell C is less than a certain value.
  • OCV is the no-load voltage in a state where the polarization of the battery cell C is negligibly small.
  • the relaxation voltage represents the no-load voltage before polarization becomes sufficiently small.
  • the battery management system 100 is provided to monitor the state of each of the plurality of battery cells (C 1 to C m ).
  • the battery management system 100 includes a sensing unit 110, a memory 120, and a control unit 130.
  • the battery management system 100 may further include a communication unit 140.
  • the sensing unit 110 includes a voltage detection circuit 112, a current detection circuit 114, and a plurality of pressure sensors (PS).
  • the sensing unit 110 may further include a plurality of temperature sensors (TS).
  • the voltage detection circuit 112 is provided to be electrically connectable to the anode and cathode of each of the plurality of battery cells (C 1 to C m ).
  • the voltage detection circuit 112 uses the potential difference between a pair of sensing lines connected to the positive and negative electrodes of the battery cell C, respectively, to determine the voltage across both ends of the battery cell C (hereinafter simply referred to as 'the voltage of the battery cell'). ' or 'cell voltage') is detected.
  • the voltage detection circuit 112 may transmit a voltage signal representing the cell voltage of the detected battery cell C to the control unit 130 through analog-to-digital conversion.
  • the current detection circuit 114 is connected in series to the cell group 11 through a current path between the cell group 11 and the electrical load 30.
  • the current detection circuit 114 may be implemented with one or a combination of two or more of known current detection elements such as a shunt resistor and a Hall effect element. Since the plurality of battery cells (C 1 to C m ) are connected in series, charge and discharge currents of the same magnitude and in the same direction flow through the plurality of battery cells (C 1 to C m ).
  • Figure 1 illustrates that a shunt resistor is used as the current detection circuit 114.
  • the voltage detection circuit 112 may output a current signal indicating the direction and magnitude of the charge/discharge current to the control unit 130 based on the voltage across both ends of the shunt resistor.
  • the current detection circuit 114 may be provided to directly generate a current signal representing the charge/discharge current flowing through the cell group 11 and output it to the control unit 130.
  • a plurality of pressure sensors PS may be provided to a plurality of battery cells C 1 to C m on a one-to-one basis.
  • the pressure sensor PS for example, a piezoelectric element may be used.
  • a plurality of support plates (not shown) may be provided in the cell group 11, and a space in which each of the plurality of battery cells C 1 to C m can be independently seated is formed by the plurality of support plates.
  • the pressure sensor PS may be located between the exterior material of the battery cell C and the support plate of the cell group 11.
  • the battery cell (C) may expand and contract due to expansion of the electrode plate contained therein or gas.
  • the pressure sensor PS may be configured to output to the control unit 130 a pressure signal indicating the pressure applied to the battery cell C according to a change in volume due to expansion (swelling) of the battery cell C.
  • the plurality of temperature sensors TS may be installed to correspond one-to-one to the plurality of battery cells C 1 to C m .
  • the temperature sensor TS may be attached directly to the exterior material of the battery cell C or may be spaced apart by a certain distance. It may be configured to output a temperature signal representing the temperature of the battery cell C to the control unit 130.
  • a temperature sensor TS for example, a thermocouple can be used.
  • Memory for example, flash memory type, hard disk type, SSD type (Solid State Disk type), SDD type (Silicon Disk Drive type), and multimedia card micro type.
  • RAM random access memory
  • SRAM static random access memory
  • ROM read-only memory
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • PROM programmable read-only memory It may include a type of computer-readable storage medium.
  • the control unit 130 is operably coupled to the relay 20, the sensing unit 110, the memory 120, and/or the communication unit 140. That two components are operably combined means that the two components are directly or indirectly connected to enable transmission and reception of signals in one direction or two directions.
  • control unit 130 uses digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), microprocessors, and other functions. It can be implemented using at least one of the electrical units for.
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • microprocessors and other functions. It can be implemented using at least one of the electrical units for.
  • the control unit 130 controls the voltage value, current value, temperature value, and pressure value based on the voltage signal, current signal, temperature signal, and pressure signal received from the sensing unit 110 at every set time (e.g., 0.01 second). It is possible to determine and record these values in memory 120. Since the current signal includes information on the direction of the current, the control unit 130 can determine whether the battery pack 10 is charging, discharging, or at rest based on the current signal. Dormant (or dormant state) means that both charging and discharging of the battery pack 10 are stopped.
  • the control unit 130 may use ampere counting (current integration method) to determine the current integration amount based on the current signal.
  • ampere counting current integration method
  • the accumulated current amount at a certain point in time represents the total amount of current accumulated over the period from the time when the current accumulated amount was last initialized before that point in time to that point in time.
  • the communication unit 140 may be communicatively coupled to the vehicle controller 2 of the electric vehicle 1.
  • the communication unit 140 may transmit a message from the vehicle controller 2 to the control unit 130 and transmit a message from the control unit 130 to the vehicle controller 2.
  • the message from the control unit 130 may include information for notifying the status (e.g., voltage, SOC, overdischarge, low voltage, overcharge, overvoltage) of the battery cell C.
  • Communication between the communication unit 140 and the vehicle controller 2 includes, for example, a wired network such as LAN (local area network), CAN (controller area network), daisy chain, and/or short-range wireless such as Bluetooth, ZigBee, and Wi-Fi. Networks can be utilized.
  • the battery management system 100 further includes an output device (e.g., display, speaker) that provides information received by the communication unit 140 from the control unit 130 and/or the vehicle controller 2 in a form recognizable to the user. can do.
  • the vehicle controller 2 may control the electric load 30 based on information collected through communication with the battery management system 100 .
  • first relationship data including the SOC-OCV curve 200 is stored in the memory 120.
  • a flat section (Z A to Z B ) is recorded in the SOC-OCV curve 200.
  • first relationship data individually written for each temperature section may be recorded in the memory 120.
  • the control unit 130 may obtain first relationship data associated with a single temperature section to which the temperature value of the battery cell C belongs from among the plurality of temperature sections from the memory 120 and utilize it for SOC estimation.
  • first relationship data individually written for each SOH section may be recorded in the memory 120.
  • the control unit 130 may acquire first relationship data associated with a single SOH section to which the SOH of the battery cell C belongs among the plurality of SOH sections from the memory 120 and use it for SOC estimation. For example, if there are 10 temperature sections and 20 SOH sections, a total of 200 first relationship data may be previously stored in the memory 120.
  • the OCV of the battery cell (C) remains almost constant throughout the flat section (Z A ⁇ Z B ). That is, in the flat section (Z A ⁇ Z B ), the rate of change (eg, differential value) of OCV with respect to SOC is maintained below a predetermined reference value. On the other hand, in the remaining range (0 to Z A % , Z B to 100 %) outside the flat section (Z A to Z B ), the rate of change of OCV to SOC is greater than the predetermined reference value. Accordingly, when the OCV is specified, the SOC corresponding to the specified OCV can be determined with high accuracy from the SOC-OCV curve 200.
  • the safety voltage range (V 1 to V 2 ) is predetermined in consideration of the relationship between the SOC and the deterioration rate of the battery cell (C).
  • SOC(Z 1 ) corresponding to the lower limit (V 1 ) of the safety voltage range (V 1 to V 2 ) is smaller than OCV corresponding to the lower limit (Z A ) of the flat section.
  • SOC(Z 2 ) corresponding to the upper limit (V 2 ) of the safety voltage range (V 1 to V 2 ) is greater than the upper limit (Z B ) of the flat section.
  • the range of Z 1 to Z 2 corresponding to the safety voltage range (V 1 to V 2 ) may be referred to as a safety section.
  • the control unit 130 periodically calculates the SOC estimate of the battery cell (C) at a set time, and the previous SOC estimate is smaller than the lower limit (Z A ) of the flat section (Z A to Z B ) by a set value or more. If the upper limit (Z B ) of (Z A ⁇ Z B ) is greater than the set value (e.g., outside the safety range), the pressure sensor (PS) can be deactivated. That is, in calculating the SOC estimate, when there is no need for the SOC-P curve 300, which will be described later, or when it is very low, the pressure sensor (PS) is deactivated, thereby saving the power required to drive the pressure sensor (PS) and reducing pressure. The computational load required to process signals can also be reduced.
  • a battery cell (C) manufactured to include a specific material (e.g., lithium metal) in the electrode undergoes a reaction in which working ions (e.g., lithium ions) are inserted or desorbed from the lattice of the electrode during charging and discharging. occurs and causes a change in volume.
  • working ions e.g., lithium ions
  • second relationship data including a SOC-P (Pressure) curve 300 representing the relationship between the SOC and pressure of the battery cell C is stored in the memory 120.
  • SOC-P Pressure
  • second relationship data individually written for each temperature section may be recorded in the memory 120.
  • the control unit 130 may obtain second relationship data related to a single temperature section to which the temperature value of the battery cell C belongs from among the plurality of temperature sections from the memory 120 and use it for SOC estimation.
  • second relationship data individually written for each SOH section may be recorded in the memory 120.
  • the control unit 130 may acquire second relationship data associated with a single SOH section to which the SOH of the battery cell C belongs among the plurality of SOH sections from the memory 120 and use it for SOC estimation. For example, if there are 10 temperature sections and 20 SOH sections, a total of 200 second relationship data may be previously stored in the memory 120.
  • the SOC-P curve 300 it can be seen that as the SOC of the battery cell (C) increases from 0% to 100%, the pressure of the battery cell (C) also gradually increases. That is, unlike the SOC-OCV curve 200, which has a flat section described above with reference to FIG. 2, the pressure of the battery cell C has an approximately linear relationship with SOC. Therefore, while the SOC of the battery cell (C) is estimated to be located within the flat section (Z A ⁇ Z B ), the SOC-P curve 300 is used alone instead of the SOC-OCV curve 200 or the SOC- By using a combination of the OCV curve 200 and the SOC-P curve 300, the SOC of the battery cell C can be estimated with high accuracy.
  • third relationship data including a SOH-P curve 400 representing the relationship between the SOH and pressure of the battery cell C is stored in the memory 120.
  • third relationship data individually written for each temperature section may be recorded in the memory 120.
  • the control unit 130 may acquire third relationship data related to a single temperature section to which the temperature value of the battery cell C belongs from among the plurality of temperature sections from the memory 120 and utilize it for SOH estimation.
  • Each SOH-P curve 400 shown in FIG. 4 may be prepared in advance for different SOCs. Even if the SOC of the battery cell (C) is the same as a specific value, as the battery cell (C) degenerates (i.e., as the SOH decreases), the pressure of the battery cell (C) gradually increases approximately linearly from FIG. 3. You can check it. In addition, even if the SOH of the battery cell (C) is the same as a specific value, as described above, the pressure of the battery cell (C) gradually increases approximately linearly as the SOC of the battery cell (C) increases, Figure 3 You can also check it here.
  • the control unit 130 calculates the accumulated current amount over the period from when the SOC of the battery cell C is at the first value until it reaches the second value.
  • the current maximum capacity of the battery cell C can be calculated by dividing by the difference of the second value.
  • the control unit 130 may determine the SOH estimate by dividing the maximum capacity of the battery cell C by the design capacity of the battery cell C (maximum capacity of the new product) and converting it into a percentage.
  • the control unit 130 controls the battery cell (C) based on the voltage and current (temperature may be added) of the battery cell C detected by the sensing unit 110.
  • the OCV of C) can be determined (estimated). For example, according to Ohm's law, the voltage value corresponding to the product of the current value of the battery cell (C) and the internal resistance of the battery cell (C) is subtracted from the voltage value of the battery cell (C) , the OCV estimate of the battery cell (C) can be calculated.
  • the control unit 130 may determine the internal resistance of the battery cell C based on the ratio between the voltage change amount and the current change amount of the battery cell C for each set time according to Op's law. Alternatively, it is also possible to determine the internal resistance of the battery cell (C) from a resistance map in which the relationship between the SOC, temperature and internal resistance of the battery cell (C) is defined.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a battery management method performed by the battery management system shown in FIG. 1.
  • the battery management system 100 when the battery cell (C) is charging or discharging or the idle time during which the battery cell (C) is maintained in an idle state is less than a predetermined stabilization time, the battery management system 100 periodically performs a set time period. It can be executed repeatedly. For reference, if the rest time is not long enough, even during rest, the no-load voltage of the battery cell (C) detected by the voltage detection circuit 112 has a non-negligible difference from the OCV corresponding to the actual SOC of the battery cell (C). You can have it.
  • step S510 the control unit 130 determines the voltage value and current value of the battery cell C based on the voltage signal, current signal, and pressure signal collected from the sensing unit 110. and determine the pressure value. At this time, the control unit 130 may further collect temperature signals from the sensing unit 110 and additionally determine the temperature value.
  • step S520 the control unit 130 compares the previous SOC estimate with the flat section (Z A to Z B ).
  • step S530 the control unit 130, according to the result of the comparison performed in step S520, determines (i) a first SOC estimation logic based on the voltage value, current value, and first relationship data, and (ii) a pressure value and a first SOC estimation logic. 2 At least one of the second SOC estimation logics based on the relationship data is executed to determine the current SOC estimate.
  • the first SOC estimation logic determines the OCV estimate of the battery cell C based on the voltage value and current value (temperature value may be added), and then determines the OCV estimate among the SOC values recorded in the first relationship data. It may be written to output the associated SOC value as a first SOC estimate.
  • the first SOC estimation logic subtracts the voltage value due to the internal resistance from the voltage value representing the CCV of the battery cell (C) while the SOC estimate of the battery cell (C) is outside the flat section (Z A ⁇ Z B ) to obtain the OCV. It may be written to determine an estimate.
  • the first SOC estimation logic is such that the SOC estimate of the battery cell (C) stays in the flat section (Z A to Z B ) while the SOC estimate of the battery cell (C) is within the flat section (Z A to Z B ).
  • the SOC change amount corresponding to the accumulated current calculated during the process is prepared to determine the first SOC estimate by making it the same as the value added to the past SOC estimate obtained just before the SOC estimate enters the flat section (Z A ⁇ Z B ). It may be.
  • the second SOC estimation logic may be written to output the SOC value associated with the pressure value determined in step S510 among the pressure values recorded in the second relationship data as the second SOC estimate.
  • the current SOC estimate determined in step S530 is equal to any one of the first SOC estimate, the second SOC estimate, and the weighted average of the two.
  • the 'current SOC estimate' determined in step S530 becomes the 'previous SOC estimate' compared to the flat section (Z A to Z B ) in step S520 when the method of FIG. 5 is executed again. Additionally, the control unit 130 sequentially records the SOC estimate in the memory 120 each time step S530 is executed, and thus a change history (time series) of the SOC estimate is generated in the memory 120.
  • FIG. 6 is a flowchart exemplarily showing the subroutine of step S530 of FIG. 5.
  • step S610 the control unit 130 determines whether the previous SOC estimate is outside the flat section (Z A to Z B ), that is, the lower limit (Z) of the flat section (Z A to Z B ). Determine whether it is less than A ) or more than the upper limit (Z B ) of the flat section (Z A ⁇ Z B ). If the value of step S610 is “Yes,” the process proceeds to step S620. The value of step S610 being “No” means that the previous SOC estimate is within the flat section (Z A ⁇ Z B ). If the value in step S610 is “No”, the process proceeds to step S630.
  • step S620 the control unit 130 executes only the first SOC estimation logic among the first SOC estimation logic and the second SOC estimation logic. Accordingly, a first SOC estimate is obtained.
  • step S630 the control unit 130 executes only the second SOC estimation logic among the first SOC estimation logic and the second SOC estimation logic. Accordingly, a second SOC estimate is obtained.
  • step S640 the control unit 130 determines the current SOC estimate to be the same as the first SOC estimate obtained in step S620 or the second SOC estimate obtained in step S630.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating another subroutine of step S530 of FIG. 5
  • FIG. 8 is an example of a weight map that can be used in the subroutine of FIG. 7 .
  • step S710 the control unit 130 determines whether the previous SOC estimate is outside the flat section (Z A to Z B ). If the value of step S710 is “Yes,” the process proceeds to step S720. If the value in step S710 is “No”, the process proceeds to step S730.
  • step S720 the control unit 130 determines the first SOC estimation logic associated with the first SOC estimation logic according to the difference between the lower limit (Z A ) or upper limit (Z B ) of the flat section (Z A ⁇ Z B ) and the previous SOC estimate.
  • the first weight may have a negative correlation with the difference between the lower limit (Z A ) or upper limit (Z B ) of the flat section (Z A ⁇ Z B ) and the previous SOC estimate.
  • the second weight may have a positive correlation with the difference between the lower limit (Z A ) or upper limit (Z B ) of the plateau section (Z A ⁇ Z B ) and the previous SOC estimate.
  • the sum of the first weight and the second weight may be a predetermined value (e.g., 1), and when one of the first weight and the second weight is determined, the other weight can also be determined.
  • Figure 8 illustrates a weight map 800 in which the relationship between the first weight and the difference is recorded.
  • the weight map 800 may be previously stored in the memory 120.
  • the difference is close to 0 means that the previous SOC estimate is close to the plateau section (Z A ⁇ Z B ), and the difference is close to the lower limit (Z A ) or the upper limit (Z B ) This means that the previous SOC estimate deviated far from the flat section (Z A ⁇ Z B ). If the previous SOC estimate is less than the lower limit (Z A ), the lower limit (Z A ) can be set to the maximum value on the horizontal axis of FIG. 8, while if the previous SOC estimate is more than the upper limit (Z B ), the upper limit (Z B ) can be set to the maximum value of the horizontal axis of FIG. 8.
  • step S724 the control unit 130 executes both the first SOC estimation logic and the second SOC estimation logic. Accordingly, a first SOC estimate and a second SOC estimate are obtained.
  • step S730 which is performed when the previous SOC estimate is within the flat section (Z A ⁇ Z B )
  • the control unit 130 determines the third weight associated with the first SOC estimation logic and the fourth weight associated with the second SOC estimation logic.
  • Weights are obtained from memory 120.
  • the third weight and the fourth weight are the first and second weights that are variable depending on the difference between the lower limit (Z A ) or upper limit (Z B ) of the flat section (Z A ⁇ Z B ) and the previous SOC estimate. Unlike, it may be a predetermined value.
  • the third weight may be less than or equal to the minimum value that can be set as the first weight.
  • the fourth weight may be greater than or equal to the maximum value that can be set as the second weight.
  • the sum of the third weight and the fourth weight may be a predetermined value (eg, 1).
  • step S734 the control unit 130 executes both the first SOC estimation logic and the second SOC estimation logic.
  • step S740 the control unit 130 determines the current SOC estimate to be the same as the first weighted average obtained in step S728 or the second weighted average obtained in step S738.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating another subroutine of step S530 of FIG. 5
  • FIG. 10 is an example of a weight map that can be used in the subroutine of FIG. 9 .
  • step S910 the control unit 130 determines whether the previous SOC estimate is outside the flat section Z A to Z B. If the value of step S910 is “Yes,” the process proceeds to step S920. If the value in step S910 is “No”, the process proceeds to step S930.
  • step S920 the control unit 130 determines the first SOC estimation logic associated with the first SOC estimation logic according to the difference between the lower limit (Z A ) or upper limit (Z B ) of the flat section (Z A ⁇ Z B ) and the previous SOC estimate. Determine a second weight associated with the weight and the second SOC estimation logic. Since the operation in step S920 is the same as in step S720, repeated descriptions are omitted.
  • step S922 the control unit 130 determines the residence time of the SOC estimate outside the plateau section (Z A to Z B ) based on the time series of the SOC estimate. In other words, it is determined how long the SOC estimate remains outside the plateau zone (Z A ⁇ Z B ) from the most recent point in time when it left the plateau zone (Z A ⁇ Z B ).
  • step S923 the control unit 130 corrects the first weight and the second weight according to the residence time determined in step S924.
  • FIG. 10 illustrates a first correction coefficient map 1000 in which the relationship between the correction coefficient used to correct the first weight and the residence time is recorded.
  • the first correction coefficient map 1000 may be previously stored in the memory 120 .
  • the correction coefficient for the first weight may have a positive correlation with the residence time.
  • the correction coefficient for the first weight may have a negative correlation with the residence time.
  • the minimum value of the correction coefficient for the first weight may be 1.
  • the threshold L may be greater than 1 and may be a preset value to prevent the corrected first weight from being excessive.
  • the residence time outside the flat section (Z A to Z B ) becomes longer, the current integration error also accumulates, so the accuracy of the first SOC estimate value determined by the first SOC estimation logic may gradually decrease. Therefore, if the reference time (t R1 ) is appropriately selected through prior experiment or simulation, the SOC of the battery cell (C) can be prevented from deteriorating the SOC estimation accuracy due to staying outside the plateau section (Z A ⁇ Z B ) for too long. can do.
  • the correction coefficient for the first weight is shown to change linearly before and after the reference time (t R1 ), but this should be understood as a simple example.
  • the difference between the corrected first weight and the first weight and the difference between the corrected second weight and the second weight may each have a positive correlation with the residence time.
  • the corrected first weight may be equal to the product of the correction coefficient determined in the first correction coefficient map 1000 and the first weight.
  • the control unit 130 may calculate the corrected second weight so that the sum of the corrected first weight is equal to a predetermined value (eg, 1).
  • step S924 the control unit 130 executes both the first SOC estimation logic and the second SOC estimation logic.
  • the first weight corrected according to the time length of the residence time is higher than the original first weight. It can be seen that the increased and corrected second weight is less than the original second weight, so that the first weighted average is also shifted to 25.19%, which is closer to the first SOC estimate than the 25.2% illustrated with reference to FIG. 7.
  • step S930 the control unit 130 obtains the third weight associated with the first SOC estimation logic and the fourth weight associated with the second SOC estimation logic from the memory 120. Since the description of the third weight and the fourth weight may be common to that described above with reference to FIG. 7, repeated description will be omitted.
  • step S934 the control unit 130 executes both the first SOC estimation logic and the second SOC estimation logic.
  • step S938 the control unit 130 calculates a second weighted average of the first SOC estimate by the first SOC estimation logic and the second SOC estimate by the second SOC estimation logic based on the third weight and the fourth weight. decide
  • step S940 the control unit 130 determines the current SOC estimate to be the same as the first weighted average obtained in step S928 or the second weighted average obtained in step S938.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating another subroutine of step S530 of FIG. 5
  • FIG. 12 is an example of a weight map that can be used in the subroutine of FIG. 11 .
  • step S1110 the control unit 130 determines whether the previous SOC estimate is outside the flat section (Z A to Z B ). If the value of step S1110 is “Yes,” the process proceeds to step S1120. If the value of step S1110 is "No”, the process proceeds to step S1130.
  • step S1120 the control unit 130 determines the first SOC estimation logic associated with the first SOC estimation logic according to the difference between the lower limit (Z A ) or upper limit (Z B ) of the flat section (Z A ⁇ Z B ) and the previous SOC estimate. Determine a second weight associated with the weight and the second SOC estimation logic. Since the operation in step S1120 is the same as in step S720, repeated description is omitted.
  • step S1124 the control unit 130 executes both the first SOC estimation logic and the second SOC estimation logic. Accordingly, a first SOC estimate and a second SOC estimate are obtained.
  • step S1128 the control unit 130 calculates a first weighted average of the first SOC estimate by the first SOC estimation logic and the second SOC estimate by the second SOC estimation logic based on the first weight and the second weight.
  • step S1130 the control unit 130 obtains the third weight associated with the first SOC estimation logic and the fourth weight associated with the second SOC estimation logic from the memory 120.
  • step S1132 the control unit 130 determines the residence time of the SOC estimate within the plateau section (Z A to Z B ) based on the time series of the SOC estimate. In other words, it is determined how long the SOC estimate remains within the flat section (Z A ⁇ Z B ) from the most recent point in time when it entered the flat section (Z A ⁇ Z B ).
  • step S1133 the control unit 130 corrects the third weight and the fourth weight according to the residence time determined in step S1134.
  • FIG. 12 illustrates a second correction coefficient map 1200 in which the relationship between the correction coefficient used to correct the fourth weight and the residence time is recorded.
  • the second correction coefficient map 1200 may be previously stored in the memory 120 . Referring to FIG. 12, until the residence time reaches a predetermined reference time (t R2 ), the correction coefficient may have a positive correlation with the residence time, and while the residence time is greater than or equal to the reference time (t R2 ), the correction coefficient may have a positive correlation with the residence time.
  • the correction coefficient may be maintained at a threshold (U).
  • the threshold U may be greater than 1 and may be a preset value to prevent the corrected fourth weight from being excessive.
  • the correction coefficient for the fourth weight is shown to change linearly in a time range below the reference time (t R2 ), but this should be understood as a simple example.
  • the difference between the corrected third weight and the third weight and the difference between the corrected fourth weight and the fourth weight may each have a positive correlation with the residence time.
  • the corrected fourth weight may be equal to the product of the correction coefficient determined in the second correction coefficient map 1200 and the fourth weight.
  • the control unit 130 may calculate the corrected third weight so that the sum of the corrected fourth weight is equal to a predetermined value (eg, 1).
  • step S1134 the control unit 130 executes both the first SOC estimation logic and the second SOC estimation logic. Accordingly, a first SOC estimate and a second SOC estimate are obtained.
  • the third weight corrected according to the time length of the residence time is reduced from the original third weight and corrected. It can be seen that the second weighted average is shifted to 60.75%, which is closer to the second SOC estimate than 60.7% according to FIG. 7 by increasing the original fourth weight.
  • step S1140 the control unit 130 determines the current SOC estimate to be the same as the first weighted average obtained in step S1128 or the second weighted average obtained in step S1138.
  • the correction operation for the first and second weights described above with reference to FIGS. 9 and 10 and the correction operation for the third and fourth weights described above with reference to FIGS. 11 and 12 are implemented only alternatively. This does not mean that the battery management system 100 may be configured to correct any of the first to fourth weights in step S530.
  • 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 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리 셀의 전압, 전류 및 압력을 검출하는 센싱부, 개방 회로 전압과 SOC 간의 관계를 나타내는 제1 관계 데이터 및 압력과 SOC 간의 관계를 나타내는 제2 관계 데이터를 저장하는 메모리 및 상기 검출된 전압을 나타내는 전압값, 상기 검출된 전류를 나타내는 전류값 및 상기 검출된 압력을 나타내는 압력값을 결정하고, 설정 시간마다 상기 배터리 셀의 SOC 추정치를 결정하는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 전회의 SOC 추정치를 평탄 구간과 비교하고, (i)상기 전압값, 상기 전류값 및 상기 제1 관계 데이터에 기초한 제1 SOC 추정 로직 및 (ii)상기 압력값 및 상기 제2 관계 데이터에 기초한 제2 SOC 추정 로직 중 적어도 하나를 실행하여, 현회의 SOC 추정치를 결정한다.

Description

배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법
본 발명은, 배터리 셀의 충전 상태(SOC: State Of Charge)를 추정하는 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 09월 23일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2022-0120521호 및 2023년 05월 15일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2023-0062661호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 차량이나 에너지 저장 시스템과 같이 대용량이면서 고전압이 요구되는 어플리케이션을 위한 배터리 팩은, 서로 직렬로 접속된 수십에서 수백 개의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 관리 시스템은, 각 배터리 셀의 배터리 파라미터(예, 전압, 전류, SOC 등)을 취득하여, 각 배터리의 신뢰성 및 안전성을 확보하기 위한 다양한 기능들(예, 밸런싱, 냉각)을 실행하도록 제공된다.
현재, 다양한 종류의 재충전 가능한 배터리 셀이 널리 활용되고 있으며, LFP 셀과 LiS 셀 등과 같은 몇몇 종류의 배터리 셀은 전체 SOC(State Of Charge) 범위 중 일부(예, SOC 20~80%)에서 평탄 특성을 가지고 있다. 평탄 특성은, SOC의 변화량에 대한 OCV의 변화량이 극히 작은 것이며, SOC와 OCV(Open Circuit Voltage) 간의 관계를 나타내는 데이터 세트(예, SOC-OCV 커브)로 기록될 수 있다.
배터리 셀이 평탄 특성을 띄는 SOC 범위를 가지는 경우, SOC-OCV 커브('OCV 맵'이라고 칭할 수도 있음)는 평탄 특성을 띄는 SOC 범위 밖에서의 SOC 추정에 유용할지라도, 해당 SOC 범위 내에서는 OCV의 미소 측정 오차만으로도 SOC의 추정치와 실제값 간의 큰 차이가 유발하기 때문에, SOC-OCV 커브를 이용하는 것으로는, 충방전 중의 배터리 셀의 SOC를 정확히 결정해내는 것이 어렵다. 따라서, 배터리 셀의 SOC가 평탄 구간(평탄 특성을 가지는 SOC 범위) 내인 경우에는, SOC-OCV 커브 대신 배터리 셀의 전류 적산량을 기초로 배터리 셀의 SOC를 결정하는 것이 선호된다.
그러나, 충전과 방전이 교번적으로 진행되면서 배터리 셀의 SOC가 평탄 구간 내에서 장시간 유지될 경우, 배터리 셀의 전류의 실제값과 검출값 간의 오차가 전류 적산량에 지속적으로 누적되어 가므로, SOC의 추정 정확도는 점차 저하되어 간다.
이러한 문제에 대한 해결 대책 중 하나는, 배터리 셀의 SOC가 평탄 구간을 벗어나도록 배터리 셀을 고의로 충전 또는 방전시킨 다음, SOC-OCV 커브를 이용하여 배터리 셀의 OCV를 기초로 SOC를 추정하는 것이다.
그러나, 전술된 방식은 배터리 셀에 대한 고의적인 충전 또는 방전으로 인해 전력이 불필요하게 낭비되고, 그 만큼 SOC의 추정에 드는 시간도 장기화되는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 셀을 충전하거나 방전하는 과정에서 배터리 셀의 SOC가 평탄 구간 안으로 진입하는 상황이 발생하더라도, 배터리 셀의 SOC의 추정 정확도가 저하되지 않도록 하는 배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 시스템은, 개방 회로 전압의 변화율이 기준값 이하로 유지되는 SOC(State Of Charge) 범위인 평탄 구간을 갖는 배터리 셀을 위한 것이다. 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 배터리 셀의 전압, 전류 및 압력을 검출하는 센싱부, 상기 배터리 셀의 개방 회로 전압과 SOC 간의 관계를 나타내는 제1 관계 데이터 및 상기 배터리 셀의 압력과 SOC 간의 관계를 나타내는 제2 관계 데이터를 저장하는 메모리, 및 상기 검출된 전압을 나타내는 전압값, 상기 검출된 전류를 나타내는 전류값 및 상기 검출된 압력을 나타내는 압력값을 결정하고, 설정 시간마다 상기 배터리 셀의 SOC 추정치를 결정하도록 구성되는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 전회의 SOC 추정치를 상기 평탄 구간과 비교하고, 상기 비교의 결과에 따라, (i)상기 전압값, 상기 전류값 및 상기 제1 관계 데이터에 기초한 제1 SOC 추정 로직을 통해 획득되는 제1 SOC 추정치 및 (ii)상기 압력값 및 상기 제2 관계 데이터에 기초한 제2 SOC 추정 로직을 통해 획득되는 제2 SOC 추정치 중 어느 하나 또는 둘의 가중 평균과 동일하게, 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성된다.
상기 제어부는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우, 상기 제1 SOC 추정치와 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우, 상기 제2 SOC 추정치와 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우, 상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제1 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제2 가중치를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제1 가중치 및 상기 제2 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제1 가중 평균과 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 가중치는, 상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 음의 상관관계를 가질 수 있다. 상기 제2 가중치는, 상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 양의 상관관계를 가질 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제3 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제4 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제2 가중 평균과 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제3 가중치는 상기 제1 가중치 미만일 수 있다. 상기 제4 가중치는 상기 제2 가중치 초과일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우, 상기 SOC 추정치의 시계열을 기초로, 상기 평탄 구간 이내에서의 상기 SOC의 추정치의 체류 시간을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 체류 시간에 따라, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제3 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제4 가중치를 보정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 보정된 제3 가중치 및 상기 보정된 제4 가중치에 기초한 상기 제 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제2 가중 평균과 동일하게 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제3 가중치는 상기 제1 가중치 미만일 수 있다. 상기 제4 가중치는 상기 제2 가중치 초과일 수 있다.
상기 보정된 제3 가중치는 상기 제3 가중치 이하일 수 있다. 상기 보정된 제4 가중치는 상기 제4 가중치 이상일 수 있다. 상기 보정된 제3 가중치와 상기 제3 가중치 간의 차이 및 상기 보정된 제4 가중치와 상기 제4 가중치 간의 차이는 각각 상기 체류 시간에 양의 상관 관계를 가질 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우, 상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제1 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제2 가중치를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 SOC 추정치의 시계열을 기초로, 상기 평탄 구간 밖에서의 상기 SOC의 추정치의 체류 시간을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 체류 시간에 따라, 상기 제1 가중치 및 상기 제2 가중치를 보정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 보정된 제1 가중치 및 상기 보정된 제2 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제1 가중 평균과 동일하게 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제3 가중치는 상기 제1 가중치 미만일 수 있다. 상기 제4 가중치는 상기 제2 가중치 초과일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은 상기 배터리 팩을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은 상기 배터리 관리 시스템에 의해 설정 시간마다 실행 가능하도록 제공된다. 상기 배터리 관리 방법은, 상기 배터리 셀의 전압을 나타내는 전압값, 상기 배터리 셀의 전류를 나타내는 전류값 및 상기 배터리 셀의 압력을 나타내는 압력값을 결정하는 단계, 상기 배터리 셀의 전회의 SOC 추정치를 상기 평탄 구간과 비교하는 단계, 및 상기 비교의 결과에 따라, (i)상기 전압값, 상기 전류값 및 상기 제1 관계 데이터에 기초한 제1 SOC 추정 로직을 통해 획득되는 제1 SOC 추정치 및 (ii)상기 압력값 및 상기 제2 관계 데이터에 기초한 제2 SOC 추정 로직을 통해 획득되는 제2 SOC 추정치 중 어느 하나 또는 둘의 가중 평균과 동일하게, 상기 배터리 셀의 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 셀의 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우, 상기 제1 SOC 추정치와 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정할 수 있다. 상기 배터리 셀의 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우, 상기 제2 SOC 추정치와 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정할 수 있다.
상기 배터리 셀의 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우, 상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제1 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제2 가중치를 결정하는 단계, 및 상기 제1 가중치 및 상기 제2 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제1 가중 평균과 동일하게 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀의 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계는, 상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제3 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제4 가중치를 획득하는 단계, 및 상기 제3 가중치 및 상기 제4 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제2 가중 평균과 동일하게 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제3 가중치는 상기 제1 가중치 미만일 수 있다. 상기 제4 가중치는 상기 제2 가중치 초과일 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 셀을 충전하거나 방전하는 과정에서 배터리 셀의 SOC가 평탄 구간 안으로 진입하는 상황이 발생하더라도, 배터리 셀의 SOC의 추정 정확도가 저하되지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, SOC-OCV 커브(청구범위의 '제1 관계 데이터'에 대응함)를 단독으로 활용하여 배터리의 SOC를 추정하는 대신, 배터리의 SOC와 압력 간의 관계를 나타내는 SOC-P 커브(청구범위의 '제2 관계 데이터'에 대응함)를 추가적으로 활용함으로써, 평탄 구간을 포함하는 전체 SOC 범위에서의 SOC 추정 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리의 SOC 추정치와 평탄 구간의 하한 또는 상한 간의 차이에 따라, 제1 관계 데이터에 기초한 제1 SOC 추정치와 제2 관계 데이터에 기초한 제2 SOC 추정치를 각각의 영향력이 상이하도록 조합하여 설정 시간마다의 SOC 추정치를 연산함으로써, 전체 SOC 범위에서의 SOC 추정 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리의 SOC 추정치가 평탄 구간 안이나 밖에서 머무르고 있는 체류 시간에 따라, 제1 관계 데이터에 기초한 제1 SOC 추정치와 제2 관계 데이터에 기초한 제2 SOC 추정치를 각각의 영향력이 상이하도록 조합하여 설정 시간마다의 SOC 추정치를 연산함으로써, 전체 SOC 범위에서의 SOC 추정 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 배터리 셀의 SOC-OCV 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 배터리 셀의 SOC-P 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 배터리 셀의 SOH-P 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템에 의해 실행되는 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 도 5의 단계 S530의 하위 루틴을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 7은 도 5의 단계 S530의 다른 하위 루틴을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 8은 도 7의 하위 루틴에서 이용될 수 있는 가중치 맵의 일 예이다.
도 9는 도 5의 단계 S530의 또 다른 하위 루틴을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 10은 도 9의 하위 루틴에서 이용될 수 있는 가중치 맵의 일 예이다.
도 11은 도 5의 단계 S530의 또 다른 하위 루틴을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 12는 도 11의 하위 루틴에서 이용될 수 있는 가중치 맵의 일 예이다.
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.
본 명세서에 있어서, SOC(State Of Charge)란, 축전 가능 단위(예, 배터리 셀, 셀 그룹)의 완전 충전 용량에 대한 잔존 용량의 비율을 0~100%로 표현한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 배터리 셀의 SOC-OCV 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이며, 도 3은 배터리 셀의 SOC-P 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 4는 배터리 셀의 SOH와 SOC-P 커브 간의 관계를 설명하는 데에 참조되는 그래프이다. 이하에서는, 배터리 셀에 공통된 내용을 설명함에 있어서, 참조부호 'C'를 부여하겠다.
도 1을 참조하면, 전기 차량(1)은, 차량 컨트롤러(2), 배터리 팩(10), 전기 부하(30)를 포함한다. 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)는, 충전 케이블 등을 통해 충전기(40)에 전기적으로 결합될 수 있다. 충전기(40)는, 전기 차량(1)에 포함된 것이거나, 전기 차량(1) 외부의 충전 스테이션에 마련된 것일 수 있다.
차량 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit)는, 전기 차량(1)에 마련된 시동 버튼(미도시)이 사용자에 의해 ON-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-온 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 차량 컨트롤러(2)는, 시동 버튼이 사용자에 의해 OFF-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-오프 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 충전기(40)는, 차량 컨트롤러(2)와 통신하여, 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)를 통해 충전 전력(예, 정전류, 정전압, 정전력)을 공급할 수 있다.
배터리 팩(10)은, 셀 그룹(11), 릴레이(20) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
셀 그룹(11)은, 적어도 하나의 배터리 셀(C)을 포함한다. 도 1에서는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(C1~Cm, m은 2 이상의 자연수)이 셀 그룹(11)에 포함된 것을 예시하였다. 복수의 배터리 셀(C1~Cm)에 공통된 내용을 설명함에 있어서, 부호 C를 사용하기로 한다.
셀 그룹(11)에 있어서, 복수의 배터리 셀(C1~Cm) 각각은 양극 리드와 음극 리드를 가지며, 인접한 두 배터리 셀(예, C1, C2) 중 하나(예, C1)의 양극 리드와 다른 하나(예, C2)의 음극 리드가 용접 등으로 통해 접합되어 있다. 이에 따라, 배터리 셀(C1)의 음극 리드로부터 배터리 셀(Cm)의 양극 리드까지의 직렬 접속체가 셀 그룹(11) 내에 배치된다. 이하에서는, 배터리 셀(C)의 양극 리드와 음극 리드를 각각 '양극' 및 '음극'이라고 칭할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
복수의 배터리 셀(C1~Cm)은 서로 동일한 전기화학적 사양 및 충방전 특성을 가지도록 제조된 것일 수 있다. 배터리 셀(C)은, LFP 배터리와 같이, 반복적인 충방전이 가능함과 아울러, 평탄 특성을 가지는 것이라면, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다.
셀 그룹(11) 및 전류 검출 소자(114)의 직렬 회로는 릴레이(20)를 통해 전기 부하(30) 및/또는 충전기(40)에 전기적으로 연결된다.
릴레이(20)는, 배터리 팩(10)의 충방전을 위한 전류 경로로서 제공되는 전력 라인(PL)에 설치된다. 릴레이(20)가 온되어 있는 동안, 배터리 팩(10)과 전기 부하(30) 중 어느 하나로부터 다른 하나로의 전력 전달이 가능하다. 릴레이(20)는, 기계식 컨택터, 전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor) 등과 같은 공지의 스위칭 디바이스 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합함으로써 구현될 수 있다. 제어부(130)는, 릴레이(20)를 온 상태와 오프 상태 중 하나로부터 다른 하나로 제어할 수 있다.
전기 부하(30)는, 인버터(31) 및 전기 모터(32)를 포함한다. 인버터(31)는, 배터리 관리 시스템(100) 또는 차량 컨트롤러(2)로부터의 명령에 응답하여, 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 그룹(11)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하도록 제공된다. 전기 모터(32)는, 인버터(31)로부터의 교류 전력을 이용하여 구동한다. 전기 모터(32)로는, 예컨대 3상 교류 모터를 이용할 수 있다.
릴레이(20)가 온되어 셀 그룹(11)가 충방전 중인 상태를 부하 상태(사이클 상태)라고 칭할 수 있다. 부하 상태에서 검출되는 배터리 셀(C)의 전압을 부하 전압 또는 폐쇄 회로 전압(CCV: Closed Circuit Voltage)이라고 칭할 수 있다.
릴레이(20)가 온에서 오프로 전환되는 경우, 셀 그룹(11)는 무부하 상태(휴지 상태, 캘린더 상태)가 된다. 무부하 상태에 있는 배터리 셀(C)의 양단에 걸친 전압을 무부하 전압(no-load voltage)이라고 칭할 수 있다. 무부하 전압은, 완화 전압(relaxation voltage)과 개방 회로 전압(OCV: open circuit voltage)을 통칭하는 용어이다. 구체적으로, 배터리 셀(C)가 부하 상태로부터 무부하 상태로 전환된 경우, 배터리 셀(C)에 발생된 분극이 자연 해소되기 시작하면서 배터리 셀(C)의 무부하 전압이 OCV을 향해 수렴해간다. OCV는, 배터리 셀(C)가 무부하 상태로 소정 시간(예, 2시간) 이상 유지되어, 배터리 셀(C)의 전압 변화율이 일정값 미만인 무부하 전압을 나타낸다. 즉, OCV는, 배터리 셀(C)의 분극이 무시할 수 있을 정도로 작아진 상태에서의 무부하 전압이다. 완화 전압은, 분극이 충분히 작아지기 전의 무부하 전압을 나타낸다.
배터리 관리 시스템(100)은, 복수의 배터리 셀(C1~Cm) 각각의 상태를 감시하도록 제공된다.
배터리 관리 시스템(100)은, 센싱부(110), 메모리(120) 및 제어부(130)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은 통신부(140)를 더 포함할 수 있다.
센싱부(110)는, 전압 검출 회로(112), 전류 검출 회로(114) 및 복수의 압력 센서(PS)을 포함한다. 센싱부(110)는, 복수의 온도 센서(TS)를 더 포함할 수 있다.
전압 검출 회로(112)는, 복수의 배터리 셀(C1~Cm) 각각의 양극와 음극에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 전압 검출 회로(112)는, 배터리 셀(C)의 양극과 음극에 각각 연결된 한 쌍의 센싱 라인 간의 전위차를 이용하여, 배터리 셀(C)의 양단에 걸친 전압(이하, 단순히 '배터리 셀의 전압' 또는 '셀 전압'이라고 칭할 수 있음)을 검출한다. 전압 검출 회로(112)는, 아날로그-디지털 변환을 통해, 검출된 배터리 셀(C)의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 제어부(130)에 전송할 수 있다.
전류 검출 회로(114)는, 셀 그룹(11)과 전기 부하(30) 간의 전류 경로를 통해 셀 그룹(11)에 직렬로 연결된다. 전류 검출 회로(114)는, 션트 저항, 홀 효과 소자 등과 같은 공지의 전류 검출 소자들 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구현될 수 있다. 복수의 배터리 셀(C1~Cm)은 직렬 연결되어 있으므로, 복수의 배터리 셀(C1~Cm)에는 동일 크기와 동일 방향의 충방전 전류가 흐른다.
도 1에서는, 션트 저항(shunt resistor)이 전류 검출 회로(114)로서 이용된 것을 예시하고 있다. 이 경우, 전압 검출 회로(112)는, 션트 저항의 양단에 걸친 전압을 기초로, 충방전 전류의 방향 및 크기를 나타내는 전류 신호를 제어부(130)에게 출력할 수 있다. 물론, 전류 검출 회로(114)는, 셀 그룹(11)을 통해 흐르는 충방전 전류를 나타내는 전류 신호를 직접 생성하여 제어부(130)에게 출력하도록 마련될 수도 있다.
복수의 압력 센서(PS)는, 복수의 배터리 셀(C1~Cm)에 일대일로 제공될 수 있다. 압력 센서(PS)로는, 예컨대 압전 소자가 이용될 수 있다. 셀 그룹(11)에는 복수의 지지판(미도시)이 마련되어 있을 수 있고, 복수의 지지판에 의해 복수의 배터리 셀(C1~Cm) 각각이 독립적으로 안착 가능한 공간이 형성된다. 압력 센서(PS)는, 배터리 셀(C)의 외장재와 셀 그룹(11)의 상기 지지판 사이에 위치할 수 있다. 배터리 셀(C)은 그 내부에 수용된 전극판의 팽창이나 가스 등에 의해 팽창과 수축이 일어날 수 있다. 일 예로, 배터리 셀(C)의 팽창량이 증가할수록, 배터리 셀(C)의 외장재가 지지판을 향해 가까워지므로, 압력 센서(PS)에 작용하는 압력은 커진다. 압력 센서(PS)는, 배터리 셀(C)의 팽창(스웰링)에 의한 부피 변화에 따라 그에 가해지는 압력을 나타내는 압력 신호를 제어부(130)에게 출력하도록 구성될 수 있다.
복수의 온도 센서(TS)는, 복수의 배터리 셀(C1~Cm)에 일대일 대응하도록 설치될 수 있다. 온도 센서(TS)는, 배터리 셀(C)의 외장재에 직접 부착되거나 일정 거리만큼 이격되도록 마련될 수 있다. 배터리 셀(C)의 온도를 나타내는 온도 신호를 제어부(130)에게 출력하도록 구성될 수 있다. 온도 센서(TS)로는, 예컨대 열전대가 이용될 수 있다.
메모리(120)에는, 후술할 실시예들에 따른 배터리 관리 방법들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 미리 저장될 수 있다. 메모리는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의, 컴퓨터 판독 가능한 저장매체를 포함할 수 있다.
제어부(130)는, 릴레이(20), 센싱부(110), 메모리(120) 및/또는 통신부(140)에 동작 가능하게 결합된다. 두 구성이 동작 가능하게 결합된다는 것은, 단방향 또는 양방향으로 신호를 송수신 가능하도록 두 구성이 직간접적으로 연결되어 있음을 의미한다.
제어부(130)는, 하드웨어적으로, DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(130)는, 설정 시간(예, 0.01초)마다, 센싱부(110)로부터의 수신되는 전압 신호, 전류 신호, 온도 신호 및 압력 신호를 기초로 전압값, 전류값, 온도값 및 압력값을 결정하고 이 값들을 메모리(120)에 기록할 수 있다. 전류 신호는 전류의 방향 정보를 포함하고 있으므로, 제어부(130)는, 전류 신호를 기초로, 배터리 팩(10)이 충전 중인지, 방전 중인지 또는 휴지 중인지 판정할 수 있다. 휴지(또는 휴지 상태)란, 배터리 팩(10)의 충전 및 방전 둘다 중단되어 있는 것이다.
제어부(130)는, 암페어 카운팅(전류 적산법)을 이용하여, 전류 신호를 기초로, 전류 적산량을 결정할 수 있다. 임의의 시점에서의 전류 적산량은, 해당 시점 전에 마지막으로 전류 적산량이 초기화된 시점으로부터 해당 시점까지의 기간에 걸쳐 누적된 총 전류량을 나타낸다.
통신부(140)는, 전기 차량(1)의 차량 컨트롤러(2)와 통신 가능하게 결합될 수 있다. 통신부(140)는, 차량 컨트롤러(2)로부터의 메시지를 제어부(130)로 전송하고, 제어부(130)로부터의 메시지를 차량 컨트롤러(2)로 전송할 수 있다. 제어부(130)로부터의 메시지는, 배터리 셀(C)의 상태(예, 전압, SOC, 과방전, 저전압, 과충전, 과전압)를 통지하기 위한 정보를 포함할 수 있다. 통신부(140)와 차량 컨트롤러(2) 간의 통신에는, 예를 들어, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 근거리 무선 네트워크가 활용될 수 있다. 배터리 관리 시스템(100)은, 통신부(140)가 제어부(130) 및/또는 차량 컨트롤러(2)로부터 수신한 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 더 포함할 수 있다. 차량 컨트롤러(2)는, 배터리 관리 시스템(100)과의 통신을 통해 수집되는 정보를 기초로, 전기 부하(30)를 제어할 수 있다.
도 2를 참조하면, 메모리(120)에는, SOC-OCV 커브(200)를 포함하는 제1 관계 데이터가 저장되어 있다. SOC-OCV 커브(200)에는 평탄 구간(ZA ~ ZB)이 기록되어 있다.
복수의 온도 구간이 미리 정의되어 있는 경우, 메모리(120)에는 각 온도 구간에 대해 개별적으로 작성된 제1 관계 데이터가 기록되어 있을 수 있다. 제어부(130)는, 복수의 온도 구간 중에서 배터리 셀(C)의 온도값이 속하는 단일의 온도 구간에 연관된 제1 관계 데이터를 메모리(120)로부터 취득하여, SOC 추정에 활용할 수 있다. 유사하게, 복수의 SOH(State Of Health) 구간이 미리 정의되어 있는 경우, 메모리(120)에는 각 SOH 구간에 대해 개별적으로 작성된 제1 관계 데이터가 기록되어 있을 수 있다. 제어부(130)는, 복수의 SOH 구간 중에서 배터리 셀(C)의 SOH가 속하는 단일의 SOH 구간에 연관된 제1 관계 데이터를 메모리(120)로부터 취득하여, SOC 추정에 활용할 수 있다. 예컨대, 온도 구간이 10개이고 SOH 구간이 20개인 경우, 총 200개의 제1 관계 데이터가 메모리(120)에 기 저장되어 있을 수 있다.
배터리 셀(C)은, 평탄 구간(ZA ~ ZB)에 걸쳐 OCV가 거의 일정하게 유지된다. 즉, 평탄 구간(ZA ~ ZB)에서, SOC에 대한 OCV의 변화율(예, 미분값)이 소정의 기준값 이하로 유지된다. 반면, 평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖의 나머지 범위(0~ZA %, ZB~100 %)에서, SOC에 대한 OCV의 변화율이 소정의 기준값보다 크다. 이에 따라, OCV가 특정되면, 특정된 OCV에 대응하는 SOC를 SOC-OCV 커브(200)로부터 높은 정확도로 결정 가능하다.
배터리 셀(C)을 비롯한 대부분의 재충전 가능한 배터리는, 적정 범위를 벗어나 SOC 0% 근처에서 또는 SOC 100% 근처에서 지속 사용(충방전)될 경우, 상대적으로 빨리 열화되는 특성을 가진다는 사실이 알려져 있다. 안전 전압 범위(V1 ~ V2)는, 배터리 셀(C)의 SOC와 열화 속도 간의 관계를 고려하여 미리 정해진다. 안전 전압 범위(V1 ~ V2)의 하한(V1)에 대응하는 SOC(Z1)는, 평탄 구간의 하한(ZA)에 대응하는 OCV보다 작다. 안전 전압 범위(V1 ~ V2)의 상한(V2)에 대응하는 SOC(Z2)는, 평탄 구간의 상한(ZB)보다 크다. 안전 전압 범위(V1 ~ V2)에 대응하는 Z1 ~ Z2의 범위를 안전 구간이라고 칭할 수 있다.
제어부(130)는 설정 시간마다 주기적으로 배터리 셀(C)의 SOC 추정치를 산출하면서, 전회의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 하한(ZA)보다 설정값 이상 작거나 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 상한(ZB)보다 설정값 이상 큰 경우(예컨대, 안전 구간을 벗어난 경우), 압력 센서(PS)를 비활성화시킬 수 있다. 즉, SOC 추정치를 구함에 있어서, 후술될 SOC-P 커브(300)의 필요성이 없거나 매우 낮은 경우에는 압력 센서(PS)가 비활성화됨으로써, 압력 센서(PS)의 구동에 요구되는 전력을 절약하면서도 압력 신호를 처리하는 데에 요구되는 연산 부하량도 저감할 수 있다.
한편, 전극에 특정 소재(예, 리튬 금속)를 포함하도록 제조된 배터리 셀(C)은, 충방전이 진행되는 중에 전극의 격자에 대해 작동 이온(예, 리튬 이온)이 삽입 또는 탈리되는 반응이 일어나 부피 변화를 야기한다. 따라서, 압력 센서(PS)에 의해 검출되는 배터리 셀(C)의 압력의 경시적인 변화는 배터리 셀(C)의 SOC의 경시적인 변화에 대해 충분한 연관성을 지닌다는 사실은 본 발명의 발명자는 인식하게 되었다.
도 3을 참조하면, 메모리(120)에는, 배터리 셀(C)의 SOC와 압력 간의 관계를 나타내는 SOC-P(Pressure) 커브(300)를 포함하는 제2 관계 데이터가 저장되어 있다. 복수의 온도 구간이 미리 정의되어 있는 경우, 메모리(120)에는 각 온도 구간에 대해 개별적으로 작성된 제2 관계 데이터가 기록되어 있을 수 있다. 제어부(130)는, 복수의 온도 구간 중에서 배터리 셀(C)의 온도값이 속하는 단일의 온도 구간에 연관된 제2 관계 데이터를 메모리(120)로부터 취득하여, SOC 추정에 활용할 수 있다. 유사하게, 복수의 SOH 구간이 미리 정의되어 있는 경우, 메모리(120)에는 각 SOH 구간에 대해 개별적으로 작성된 제2 관계 데이터가 기록되어 있을 수 있다. 제어부(130)는, 복수의 SOH 구간 중에서 배터리 셀(C)의 SOH가 속하는 단일의 SOH 구간에 연관된 제2 관계 데이터를 메모리(120)로부터 취득하여, SOC 추정에 활용할 수 있다. 예컨대, 온도 구간이 10개이고 SOH 구간이 20개인 경우, 총 200개의 제2 관계 데이터가 메모리(120)에 기 저장되어 있을 수 있다.
SOC-P 커브(300)에 따르면, 배터리 셀(C)의 SOC가 0 %로부터 100 %까지 증가함에 동반하여, 배터리 셀(C)의 압력도 점차 상승해나가는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 2를 참조하여 전술된 평탄 구간을 갖는 SOC-OCV 커브(200)와는 달리, 배터리 셀(C)의 압력은 SOC에 대해 대략 선형적인 관계를 가진다. 따라서, 배터리 셀(C)의 SOC가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 내에 위치하는 것으로 추정되는 동안에는, SOC-OCV 커브(200) 대신 SOC-P 커브(300)를 단독으로 이용하여 또는 SOC-OCV 커브(200)와 SOC-P 커브(300)의 조합을 이용함으로써, 배터리 셀(C)의 SOC가 높은 정확도로 추정될 수 있다.
도 4를 참조하면, 메모리(120)에는, 배터리 셀(C)의 SOH와 압력 간의 관계를 나타내는 SOH-P 커브(400)를 포함하는 제3 관계 데이터가 저장되어 있다. 복수의 온도 구간이 미리 정의되어 있는 경우, 메모리(120)에는 각 온도 구간에 대해 개별적으로 작성된 제3 관계 데이터가 기록되어 있을 수 있다. 제어부(130)는, 복수의 온도 구간 중에서 배터리 셀(C)의 온도값이 속하는 단일의 온도 구간에 연관된 제3 관계 데이터를 메모리(120)로부터 취득하여, SOH 추정에 활용할 수 있다.
도 4에 도시된 각각의 SOH-P 커브(400)는 서로 다른 SOC에 대해 미리 작성되어 있을 수 있다. 배터리 셀(C)의 SOC가 특정값으로 동일하더라도, 배터리 셀(C)이 퇴화될수록(즉, SOH가 작아질수록) 배터리 셀(C)의 압력이 대략 선형적으로 점차 증가하는 것을 도 3으로부터 확인할 수 있다. 또한, 배터리 셀(C)의 SOH가 특정값으로 동일하더라도, 배터리 셀(C)이 SOC가 증가할수록 배터리 셀(C)의 압력이 대략 선형적으로 점차 증가하는 것은 전술된 바와 같으며, 도 3에서도 확인 가능하다.
SOH는 공지된 다양한 방법 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 통해 추정 가능하다. 일 예로, 제어부(130)는, 배터리 셀(C)의 SOC가 제1 값에 있을 때부터 제2 값에 도달할 때까지의 기간에 걸친 전류 적산량을 SOC의 변화량(즉, 제1 값과 제2 값의 차이)으로 나누어 배터리 셀(C)의 현재의 최대 용량을 산출할 수 있다. 그 다음, 제어부(130)는, 배터리 셀(C)의 최대 용량을 배터리 셀(C)의 설계 용량(신품의 최대 용량)으로 나눈 값을 백분율로 환산함으로써, SOH 추정치를 결정할 수 있다.
제어부(130)는, 배터리 셀(C)이 부하 상태인 경우, 센싱부(110)에 의해 검출된 배터리 셀(C)의 전압 및 전류(온도가 추가될 수 있음)를 기초로, 배터리 셀(C)의 OCV을 결정(추정)할 수 있다. 일 예로, 옴의 법칙에 따라, 배터리 셀(C)의 전류값과 배터리 셀(C)의 내부저항(internal resistance)의 곱에 대응하는 전압값을, 배터리 셀(C)의 전압값으로부터 차감함으로써, 배터리 셀(C)의 OCV 추정치를 산출할 수 있다. 제어부(130)는, 옵의 법칙에 따라, 설정 시간마다의 배터리 셀(C)의 전압 변화량 및 전류 변화량 간의 비율을 기초로, 배터리 셀(C)의 내부 저항을 결정할 수도 있다. 대안적으로, 배터리 셀(C)의 SOC, 온도 및 내부저항 간의 관계가 정의된 저항 맵으로부터 배터리 셀(C)의 내부 저항을 결정하는 것도 가능하다.
도 5는 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템에 의해 실행되는 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 5의 방법은, 배터리 셀(C)이 충방전 중이거나 배터리 셀(C)이 휴지 상태로 유지된 휴지 시간이 소정의 안정화 시간 미만인 경우에, 배터리 관리 시스템(100)에 의해 설정 시간마다 주기적으로 반복 실행될 수 있다. 참고로, 휴지 시간이 충분히 길지 않다면, 휴지 중이라고 하더라도 전압 검출 회로(112)에 의해 검출되는 배터리 셀(C)의 무부하 전압은 배터리 셀(C)의 실제 SOC에 대응하는 OCV와는 무시할 수 없는 차이를 가질 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 단계 S510에서, 제어부(130)는, 센싱부(110)로부터 수집된 전압 신호, 전류 신호 및 압력 신호를 기초로, 배터리 셀(C)의 전압값, 전류값 및 압력값을 결정한다. 이때, 제어부(130)는 센싱부(110)로부터 온도 신호를 더 수집하여 온도값을 추가적으로 결정할 수도 있다.
단계 S520에서, 제어부(130)는, 전회의 SOC 추정치를 평탄 구간(ZA ~ ZB)과 비교한다.
단계 S530에서, 제어부(130)는, 단계 S520에서의 실행된 비교의 결과에 따라, (i)전압값, 전류값 및 제1 관계 데이터에 기초한 제1 SOC 추정 로직 및 (ii)압력값 및 제2 관계 데이터에 기초한 제2 SOC 추정 로직 중 적어도 하나를 실행하여, 현회의 SOC 추정치를 결정한다.
제1 SOC 추정 로직은, 전압값 및 전류값(온도값이 추가될 수 있음)을 기초로 배터리 셀(C)의 OCV 추정치를 결정한 다음, 제1 관계 데이터에 기록된 SOC 값들 중에서 상기 OCV 추정치에 연관된 SOC 값을 제1 SOC 추정치로서 출력하도록 작성된 것일 수 있다. 제1 SOC 추정 로직은, 배터리 셀(C)의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖인 동안에는, 배터리 셀(C)의 CCV를 나타내는 전압값으로부터 내부 저항에 의한 전압값을 차감하여 OCV 추정치를 결정하도록 작성되어 있을 수 있다. 제1 SOC 추정 로직은, 배터리 셀(C)의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 이내인 동안에는, 배터리 셀(C)의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB)에서 체류하는 중에 산출되는 전류 적산량에 대응하는 SOC 변화량을, SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB)에 진입하기 직전에 구한 과거의 SOC 추정치에 합산한 값과 동일하게 제1 SOC 추정치를 결정하도록 작성되어 있을 수 있다.
제2 SOC 추정 로직은, 제2 관계 데이터에 기록된 압력값들 중에서 단계 S510에서 결정된 압력값에 연관된 SOC 값을 제2 SOC 추정치로서 출력하도록 작성된 것일 수 있다.
따라서, 단계 S530에서 결정되는 현회의 SOC 추정치는, 제1 SOC 추정치, 제2 SOC 추정치 및 이 둘의 가중 평균 중 어느 하나와 동일하다.
단계 S530에서 결정되는 '현회의 SOC 추정치'는, 도 5의 방법이 다시 실행될 때에는 단계 S520에서 평탄 구간(ZA ~ ZB)과 비교되는 '전회의 SOC 추정치'가 된다. 또한, 제어부(130)는 단계 S530가 실행될 때마다의 SOC 추정치를 메모리(120)에 순차적으로 기록하며, 이에 따라 메모리(120)에는 SOC 추정치의 변화 이력(시계열)이 생성된다.
도 6은 도 5의 단계 S530의 하위 루틴을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 단계 S610에서, 제어부(130)는, 전회의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖인지 즉, 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 하한(ZA) 미만이거나 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 상한(ZB) 초과인지 여부를 판정한다. 단계 S610의 값이 "예"인 경우, 단계 S620으로 진행된다. 단계 S610의 값이 "아니오"인 것은 전회의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 이내임을 의미한다. 단계 S610의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S630으로 진행한다.
단계 S620에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직 및 제2 SOC 추정 로직 중, 제1 SOC 추정 로직만을 실행한다. 이에 따라, 제1 SOC 추정치가 획득된다.
단계 S630에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직 및 제2 SOC 추정 로직 중, 제2 SOC 추정 로직만을 실행한다. 이에 따라, 제2 SOC 추정치가 획득된다.
단계 S640에서, 제어부(130)는, 단계 S620에서 획득되는 제1 SOC 추정치 또는 단계 S630에서 획득되는 제2 SOC 추정치와 동일하게 현회의 SOC 추정치를 결정한다.
도 7은 도 5의 단계 S530의 다른 하위 루틴을 예시적으로 보여주는 순서도이고, 도 8은 도 7의 하위 루틴에서 이용될 수 있는 가중치 맵의 일 예이다.
도 1 내지 도 5, 도 7 및 도 8을 참조하면, 단계 S710에서, 제어부(130)는, 전회의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖인지 여부를 판정한다. 단계 S710의 값이 "예"인 경우, 단계 S720으로 진행된다. 단계 S710의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S730으로 진행한다.
단계 S720에서, 제어부(130)는, 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 하한(ZA) 또는 상한(ZB)과 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라, 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제1 가중치 및 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제2 가중치를 결정한다. 제1 가중치는, 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 하한(ZA) 또는 상한(ZB)과 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 음의 상관관계를 가질 수 있다. 제2 가중치는, 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 하한(ZA) 또는 상한(ZB)과 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 양의 상관관계를 가질 수 있다. 제1 가중치와 제2 가중치의 합은 소정값(예, 1)일 수 있으며, 제1 가중치와 제2 가중치 중 어느 하나가 결정되면 나머지 하나 역시 결정 가능하다.
도 8은 제1 가중치와 상기 차이 간의 관계가 기록된 가중치 맵(800)을 예시한다. 가중치 맵(800)은 메모리(120)에 기 저장되어 있을 수 있다. 도 8에 있어서, 상기 차이가 0에 가깝다는 것은 전회의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB)에 가깝다는 것을 의미하고, 상기 차이가 하한(ZA) 또는 상한(ZB)에 가깝다는 것은 전회의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB)으로부터 멀리 벗어난 것을 의미한다. 전회의 SOC 추정치가 하한(ZA) 미만인 경우에는 하한(ZA)이 도 8의 횡축의 최대값으로 설정될 수 있는 반면, 전회의 SOC 추정치가 상한(ZB) 초과인 경우에는 상한(ZB)이 도 8의 횡축의 최대값으로 설정될 수 있다.
단계 S724에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직 및 제2 SOC 추정 로직을 둘 다 실행한다. 이에 따라, 제1 SOC 추정치 및 제2 SOC 추정치가 획득된다.
단계 S728에서, 제어부(130)는, 제1 가중치 및 제2 가중치를 기초로, 제1 SOC 추정 로직에 의한 제1 SOC 추정치 및 제2 SOC 추정 로직에 의한 제2 SOC 추정치의 제1 가중 평균을 결정한다. 예를 들어, 제1 가중치 = 0.8, 제2 가중치 = 0.2, 제1 SOC 추정치 = 25%, 제2 SOC 추정치 = 26%인 경우, 제1 가중 평균 = (제1 SOC 추정치 × 제1 가중치) + (제2 SOC 추정치 × 제2 가중치)= (25% × 0.8) + (26% × 0.2) = 20% + 5.2% = 25.2%.
전회의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 이내인 경우에 진행되는 단계 S730에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제3 가중치 및 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제4 가중치를 메모리(120)로부터 획득한다. 여기서, 제3 가중치 및 제4 가중치는, 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 하한(ZA) 또는 상한(ZB)과 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라 가변적인 제1 가중치 및 제2 가중치와는 달리, 미리 정해진 값일 수 있다. 제3 가중치는 제1 가중치로 설정될 수 있는 최소값 이하일 수 있다. 제4 가중치는 제2 가중치로 설정될 수 있는 최대값 이상일 수 있다. 제3 가중치와 제4 가중치의 합은 소정값(예, 1)일 수 있다.
단계 S734에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직 및 제2 SOC 추정 로직을 둘 다 실행한다.
단계 S738에서, 제어부(130)는, 제3 가중치 및 제4 가중치를 기초로, 제1 SOC 추정 로직에 의한 제1 SOC 추정치 및 제2 SOC 추정 로직에 의한 제2 SOC 추정치의 제2 가중 평균을 결정한다. 예를 들어, 제3 가중치 = 0.3, 제4 가중치 = 0.7, 제1 SOC 추정치 = 60%, 제2 SOC 추정치 = 61%인 경우, 제2 가중 평균 = (제1 SOC 추정치 × 제3 가중치) + (제2 SOC 추정치 × 제4 가중치)= (60% × 0.3) + (61% × 0.7) = 18% + 42.7% = 60.7%.
단계 S740에서, 제어부(130)는, 단계 S728에서 획득되는 제1 가중 평균 또는 단계 S738에서 획득되는 제2 가중 평균과 동일하게 현회의 SOC 추정치를 결정한다.
도 9는 도 5의 단계 S530의 또 다른 하위 루틴을 예시적으로 보여주는 순서도이고, 도 10은 도 9의 하위 루틴에서 이용될 수 있는 가중치 맵의 일 예이다.
도 1 내지 도 5, 도 9 및 도 10을 참조하면, 단계 S910에서, 제어부(130)는, 전회의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖인지 여부를 판정한다. 단계 S910의 값이 "예"인 경우, 단계 S920으로 진행된다. 단계 S910의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S930으로 진행한다.
단계 S920에서, 제어부(130)는, 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 하한(ZA) 또는 상한(ZB)과 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라, 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제1 가중치 및 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제2 가중치를 결정한다. 단계 S920에서의 동작은 단계 S720에서와 동일한 바, 반복 설명은 생략한다.
단계 S922에서, 제어부(130)는, SOC 추정치의 시계열을 기초로, 평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖에서의 SOC 추정치의 체류 시간을 결정한다. 즉, SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB)을 벗어난 가장 최근의 시점으로부터 얼마나 오랫동안 평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖에서 머무르고 있는지가 결정된다.
단계 S923에서, 제어부(130)는, 단계 S924에서 결정된 체류 시간에 따라 제1 가중치 및 제2 가중치를 보정한다.
도 10은 제1 가중치를 보정하는 데에 이용되는 보정 계수와 체류 시간의 관계가 기록된 제1 보정 계수 맵(1000)을 예시한다. 제1 보정 계수 맵(1000)은 메모리(120)에 기 저장되어 있을 수 있다.
도 10을 참조하면, 체류 시간이 소정의 기준 시간(tR1)에 도달하기 전까지는, 제1 가중치에 대한 보정 계수는 체류 시간에 양의 상관 관계를 가질 수 있다. 체류 시간이 기준 시간(tR1)에 도달한 이후부터는, 제1 가중치에 대한 보정 계수는 체류 시간에 음의 상관 관계를 가질 수 있다. 제1 가중치에 대한 보정 계수의 최소치는 1일 수 있다. 임계치(L)는 1보다 클 수 있고, 보정된 제1 가중치의 과대를 방지하기 위한 용도로 미리 설정된 값일 수 있다.
평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖에서의 체류 시간이 장기화될수록, 전류 적산 오차 역시 누적되어 가므로, 제1 SOC 추정 로직에 의해 결정되는 제1 SOC 추정값의 정확도는 점차 저하될 수 있다. 따라서, 사전 실험이나 시뮬레이션을 통해 기준 시간(tR1)을 적절히 선정해두면, 배터리 셀(C)의 SOC가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖에서 지나치게 오래 머무름으로 인한 SOC 추정 정확도의 저하를 방지할 수 있다.
관련하여, 도 10에서는 기준 시간(tR1) 전과 후에서 제1 가중치에 대한 보정 계수가 선형적으로 변화하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단순한 예시로 이해되어야 한다.
보정된 제1 가중치와 제1 가중치 간의 차이 및 보정된 제2 가중치와 제2 가중치 간의 차이는 각각 체류 시간에 양의 상관 관계를 가질 수 있다. 보정된 제1 가중치는, 제1 보정 계수 맵(1000)에서 결정된 보정 계수와 제1 가중치의 곱과 동일할 수 있다. 보정된 제1 가중치가 결정되면, 제어부(130)는 보정된 제1 가중치와의 합이 소정값(예, 1)과 동일하도록, 보정된 제2 가중치를 산출할 수 있다.
단계 S924에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직 및 제2 SOC 추정 로직을 둘 다 실행한다.
단계 S928에서, 제어부(130)는, 보정된 제1 가중치 및 보정된 제2 가중치를 기초로, 제1 SOC 추정 로직에 의한 제1 SOC 추정치 및 제2 SOC 추정 로직에 의한 제2 SOC 추정치의 제1 가중 평균을 결정한다. 예를 들어, 보정된 제1 가중치 = 0.81, 보정된 제2 가중치 = 0.19, 제1 SOC 추정치 = 25%, 제2 SOC 추정치 = 26%인 경우, 제1 가중 평균 = (제1 SOC 추정치 × 보정된 제1 가중치) + (제2 SOC 추정치 × 보정된 제2 가중치)= (25% × 0.81) + (26% × 0.19) = 20.25% + 4.94% = 25.19%.
즉, 제1 SOC 추정치와 제2 SOC 추정치가 각각 25%와 26%로 도 7을 참조하여 전술된 예시와 동일하더라도, 체류 시간의 시간 길이에 맞춰 보정된 제1 가중치는 원래의 제1 가중치보다 증가되고 보정된 제2 가중치는 원래의 제2 가중치보다 감소함으로써, 제1 가중 평균 역시 도 7을 참조하여 예시된 25.2%보다 제1 SOC 추정치에 더 가까운 25.19%로 쉬프트된다는 것을 확인할 수 있다.
단계 S930에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제3 가중치 및 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제4 가중치를 메모리(120)로부터 획득한다. 제3 가중치 및 제4 가중치에 대한 설명은 도 7을 참조하여 전술된 바와 공통될 수 있으므로, 반복 설명은 생략하겠다.
단계 S934에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직 및 제2 SOC 추정 로직을 둘 다 실행한다.
단계 S938에서, 제어부(130)는, 제3 가중치 및 제4 가중치를 기초로, 제1 SOC 추정 로직에 의한 제1 SOC 추정치 및 제2 SOC 추정 로직에 의한 제2 SOC 추정치의 제2 가중 평균을 결정한다.
단계 S940에서, 제어부(130)는, 단계 S928에서 획득되는 제1 가중 평균 또는 단계 S938에서 획득되는 제2 가중 평균과 동일하게 현회의 SOC 추정치를 결정한다.
도 11은 도 5의 단계 S530의 또 다른 하위 루틴을 예시적으로 보여주는 순서도이고, 도 12는 도 11의 하위 루틴에서 이용될 수 있는 가중치 맵의 일 예이다.
도 1 내지 도 5, 도 11 및 도 12를 참조하면, 단계 S1110에서, 제어부(130)는, 전회의 SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB) 밖인지 여부를 판정한다. 단계 S1110의 값이 "예"인 경우, 단계 S1120으로 진행된다. 단계 S1110의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S1130으로 진행한다.
단계 S1120에서, 제어부(130)는, 평탄 구간(ZA ~ ZB)의 하한(ZA) 또는 상한(ZB)과 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라, 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제1 가중치 및 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제2 가중치를 결정한다. 단계 S1120에서의 동작은 단계 S720에서와 동일한 바, 반복 설명은 생략한다.
단계 S1124에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직 및 제2 SOC 추정 로직을 둘 다 실행한다. 이에 따라, 제1 SOC 추정치 및 제2 SOC 추정치가 획득된다.
단계 S1128에서, 제어부(130)는, 제1 가중치 및 제2 가중치를 기초로, 제1 SOC 추정 로직에 의한 제1 SOC 추정치 및 제2 SOC 추정 로직에 의한 제2 SOC 추정치의 제1 가중 평균을 결정한다.
단계 S1130에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제3 가중치 및 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제4 가중치를 메모리(120)로부터 획득한다.
단계 S1132에서, 제어부(130)는, SOC 추정치의 시계열을 기초로, 평탄 구간(ZA ~ ZB) 이내에서의 SOC 추정치의 체류 시간을 결정한다. 즉, SOC 추정치가 평탄 구간(ZA ~ ZB)에 진입한 가장 최근의 시점으로부터 얼마나 오랫동안 평탄 구간(ZA ~ ZB) 내에서 머무르고 있는지가 결정된다.
단계 S1133에서, 제어부(130)는, 단계 S1134에서 결정된 체류 시간에 따라 제3 가중치 및 제4 가중치를 보정한다.
도 12는 제4 가중치를 보정하는 데에 이용되는 보정 계수와 체류 시간의 관계가 기록된 제2 보정 계수 맵(1200)을 예시한다. 제2 보정 계수 맵(1200)은 메모리(120)에 기 저장되어 있을 수 있다. 도 12을 참조하면, 체류 시간이 소정의 기준 시간(tR2)에 도달하기 전까지는, 보정 계수는 체류 시간에 양의 상관 관계를 가질 수 있고, 체류 시간이 기준 시간(tR2)이 이상인 동안에는 보정 계수는 임계치(U)로 유지될 수 있다. 임계치(U)는 1보다 클 수 있고, 보정된 제4 가중치의 과대를 방지하기 위한 용도로 미리 설정된 값일 수 있다.
관련하여, 도 12에서는 기준 시간(tR2) 이하의 시간 범위에서 제4 가중치에 대한 보정 계수가 선형적으로 변화하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단순한 예시로 이해되어야 한다.
보정된 제3 가중치와 제3 가중치 간의 차이 및 보정된 제4 가중치와 제4 가중치 간의 차이는 각각 체류 시간에 양의 상관 관계를 가질 수 있다. 보정된 제4 가중치는, 제2 보정 계수 맵(1200)에서 결정된 보정 계수와 제4 가중치의 곱과 동일할 수 있다. 보정된 제4 가중치가 결정되면, 제어부(130)는 보정된 제4 가중치와의 합이 소정값(예, 1)과 동일하도록, 보정된 제3 가중치를 산출할 수 있다.
단계 S1134에서, 제어부(130)는, 제1 SOC 추정 로직 및 제2 SOC 추정 로직을 둘 다 실행한다. 이에 따라, 제1 SOC 추정치 및 제2 SOC 추정치가 획득된다.
보정된 제3 가중치 및 보정된 제4 가중치가 결정된 경우, 단계 S1138에서 제어부(130)는 보정된 제3 가중치 및 보정된 제4 가중치를 기초로, 제1 SOC 추정 로직에 의한 제1 SOC 추정치 및 제2 SOC 추정 로직에 의한 제2 SOC 추정치의 제2 가중 평균을 결정한다. 예를 들어, 보정된 제3 가중치 = 0.25, 보정된 제4 가중치 = 0.75, 제1 SOC 추정치 = 60%, 제2 SOC 추정치 = 61%인 경우, 제2 가중 평균 = (제1 SOC 추정치 × 보정된 제3 가중치) + (제2 SOC 추정치 × 보정된 제4 가중치)= (60% × 0.25) + (61% × 0.75) = 15% + 45.75% = 60.75%.
즉, 제1 SOC 추정치와 제2 SOC 추정치가 각각 60%와 61%로 도 7에서의 예시와 동일하더라도, 체류 시간의 시간 길이에 맞춰 보정된 제3 가중치는 원래의 제3 가중치보다 감소되고 보정된 제4 가중치는 원래의 제4 가중치보다 증가함으로써, 제2 가중 평균은 도 7에 따른 60.7%보다 제2 SOC 추정치에 더 가까운 60.75%로 쉬프트된다는 것을 확인할 수 있다.
단계 S1140에서, 제어부(130)는, 단계 S1128에서 획득되는 제1 가중 평균 또는 단계 S1138에서 획득되는 제2 가중 평균과 동일하게 현회의 SOC 추정치를 결정한다.
한편, 도 9 및 도 10을 참조하여 전술된 제1 및 제2 가중치에 대한 보정 동작과 도 11 및 도 12를 참조하여 전술된 제3 및 제4 가중치에 대한 보정 동작은 택일적으로만 구현되는 것은 아니며, 배터리 관리 시스템(100)은 제1 내지 제4 가중치 중 어느 것이든 단계 S530에서 보정 가능하도록 구성될 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. 개방 회로 전압의 변화율이 기준값 이하로 유지되는 SOC(State Of Charge) 범위인 평탄 구간을 갖는 배터리 셀을 위한 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 배터리 셀의 전압, 전류 및 압력을 검출하는 센싱부;
    상기 배터리 셀의 개방 회로 전압과 SOC 간의 관계를 나타내는 제1 관계 데이터 및 상기 배터리 셀의 압력과 SOC 간의 관계를 나타내는 제2 관계 데이터를 저장하는 메모리; 및
    상기 검출된 전압을 나타내는 전압값, 상기 검출된 전류를 나타내는 전류값 및 상기 검출된 압력을 나타내는 압력값을 결정하고, 설정 시간마다 상기 배터리 셀의 SOC 추정치를 결정하도록 구성되는 제어부;
    를 포함하되,
    상기 제어부는,
    전회의 SOC 추정치를 상기 평탄 구간과 비교하고,
    상기 비교의 결과에 따라, (i)상기 전압값, 상기 전류값 및 상기 제1 관계 데이터에 기초한 제1 SOC 추정 로직을 통해 획득되는 제1 SOC 추정치 및 (ii)상기 압력값 및 상기 제2 관계 데이터에 기초한 제2 SOC 추정 로직을 통해 획득되는 제2 SOC 추정치 중 어느 하나 또는 둘의 가중 평균과 동일하게, 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우,
    상기 제1 SOC 추정치와 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우,
    상기 제2 SOC 추정치와 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우,
    상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제1 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제2 가중치를 결정하고,
    상기 제1 가중치 및 상기 제2 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제1 가중 평균과 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 가중치는, 상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 음의 상관관계를 갖고,
    상기 제2 가중치는, 상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 양의 상관관계를 갖는, 배터리 관리 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우,
    상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제3 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제4 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제2 가중 평균과 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성되되,
    상기 제3 가중치는 상기 제1 가중치 미만이고,
    상기 제4 가중치는 상기 제2 가중치 초과인, 배터리 관리 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우,
    상기 SOC 추정치의 시계열을 기초로, 상기 평탄 구간 이내에서의 상기 SOC의 추정치의 체류 시간을 결정하고,
    상기 체류 시간에 따라, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제3 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제4 가중치를 보정하고,
    상기 보정된 제3 가중치 및 상기 보정된 제4 가중치에 기초한 상기 제 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제2 가중 평균과 동일하게 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성되되,
    상기 제3 가중치는 상기 제1 가중치 미만이고,
    상기 제4 가중치는 상기 제2 가중치 초과인, 배터리 관리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보정된 제3 가중치는 상기 제3 가중치 이하이고,
    상기 보정된 제4 가중치는 상기 제4 가중치 이상이며,
    상기 보정된 제3 가중치와 상기 제3 가중치 간의 차이 및 상기 보정된 제4 가중치와 상기 제4 가중치 간의 차이는 각각 상기 체류 시간에 양의 상관 관계를 갖는, 배터리 관리 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우,
    상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제1 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제2 가중치를 결정하고,
    상기 SOC 추정치의 시계열을 기초로, 상기 평탄 구간 밖에서의 상기 SOC의 추정치의 체류 시간을 결정하고,
    상기 체류 시간에 따라, 상기 제1 가중치 및 상기 제2 가중치를 보정하고,
    상기 보정된 제1 가중치 및 상기 보정된 제2 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제1 가중 평균과 동일하게 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하도록 구성되되,
    상기 제3 가중치는 상기 제1 가중치 미만이고,
    상기 제4 가중치는 상기 제2 가중치 초과인, 배터리 관리 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 시스템에 의해 설정 시간마다 실행되는 배터리 관리 방법에 있어서,
    상기 배터리 셀의 전압을 나타내는 전압값, 상기 배터리 셀의 전류를 나타내는 전류값 및 상기 배터리 셀의 압력을 나타내는 압력값을 결정하는 단계;
    상기 배터리 셀의 전회의 SOC 추정치를 상기 평탄 구간과 비교하는 단계; 및
    상기 비교의 결과에 따라, (i)상기 전압값, 상기 전류값 및 상기 제1 관계 데이터에 기초한 제1 SOC 추정 로직을 통해 획득되는 제1 SOC 추정치 및 (ii)상기 압력값 및 상기 제2 관계 데이터에 기초한 제2 SOC 추정 로직을 통해 획득되는 제2 SOC 추정치 중 어느 하나 또는 둘의 가중 평균과 동일하게, 상기 배터리 셀의 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계;
    를 포함하는, 배터리 관리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계는,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우, 상기 제1 SOC 추정치와 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하고,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우, 상기 제2 SOC 추정치와 동일하게, 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하는, 배터리 관리 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계는,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 밖인 경우, 상기 평탄 구간의 하한 또는 상한과 상기 전회의 SOC 추정치 간의 차이에 따라, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제1 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제2 가중치를 결정하는 단계; 및
    상기 제1 가중치 및 상기 제2 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제1 가중 평균과 동일하게 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계;
    를 포함하는, 배터리 관리 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계는,
    상기 전회의 SOC 추정치가 상기 평탄 구간 이내인 경우, 상기 제1 SOC 추정 로직에 연관된 제3 가중치 및 상기 제2 SOC 추정 로직에 연관된 제4 가중치를 획득하는 단계; 및
    상기 제3 가중치 및 상기 제4 가중치에 기초한 상기 제1 SOC 추정치 및 상기 제2 SOC 추정치의 제2 가중 평균과 동일하게 상기 현회의 SOC 추정치를 결정하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 제3 가중치는 상기 제1 가중치 미만이고,
    상기 제4 가중치는 상기 제2 가중치 초과인, 배터리 관리 방법.
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