KR102059381B1

KR102059381B1 - Bms 시뮬레이터 및 bms 시뮬레이션 시스템

Info

Publication number: KR102059381B1
Application number: KR1020180090744A
Authority: KR
Inventors: 이형수; 이희관; 정우석
Original assignee: (사)캠틱종합기술원
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2019-12-26

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이터는, 콘트롤러의 제어값을 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부가 인식할 수 있는 신호 형태로 변환하여 출력하는 제어부; 상기 제어부의 제어하에 BMS(Battery Management System) 성능 테스트를 위한 전압을 제공하는 전압 시뮬레이션부; 상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 전류를 제공하는 전류 시뮬레이션부; 상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 온도를 제공하는 온도 시뮬레이션부; 상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 배터리의 내부저항을 제공하는 내부저항 시뮬레이션부; 상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 상기 배터리의 ph를 제공하는 ph 시뮬레이션부; 및 상기 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부에 의해 시뮬레이션한 전압, 전류, 온도, 내부저항 및 ph 중 적어도 하나를 기초로 배터리의 상태를 평가하는 평가부를 포함할 수 있다.

Description

BMS 시뮬레이터 및 BMS 시뮬레이션 시스템 {BATTERY MANAGEMENT SYSTEM SIMULATOR AND SIMULATION SYSTEM OF BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}

본 출원은 BMS 시뮬레이터 및 BMS 시뮬레이션 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 다양한 유형의 배터리에 대한 BMS의 성능 평가를 가능하게 하는 BMS 시뮬레이터 및 BMS 시뮬레이션 시스템에 관한 것이다.

하이브리드 전기차에서 배터리 시스템은 직접적인 에너지 입출력을 담당하는 배터리와, 관리 및 제어를 위한 알고리즘 수행을 담당하는 배터리 관리장치 및 각 구성 부품을 전기적으로 연결 해주는 전선과 안전장치(BMS) 등 주변 시스템으로 구성된다.

BMS(Battery Management System)은 전기자동차의 최적 배터리 제어를 통한 주행거리 향상 및 안전성을 확보해주는 필수 요소이며, 배터리 관리 기술(BMS)은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

첫 번째로 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 동일한 성능 구현이 가능토록 하여 주는 열관리 제어와, 두 번째로 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동토록 하는 SOC(State of Charge) 제어로 나눌 수 있다.

한편, BMS를 제작하는 업체의 경우, 제품 개발 및 생산 후 신뢰성 평가 단계에서 실제 배터리에 장착 후 테스트를 필요로 하는 경우가 발생하는데, 이를 위한 배터리 시뮬레이터 제작 기술이 필요하다. 이때 사용하는 BMS 시뮬레이터는 BMS의 ECU 개발을 위한 SW 개발 환경 제공 및 BMS 성능 시험을 위한 가상 소스(전압, 전류, 온도) 등을 제공하는 역할을 한다.

따라서 BMS 시뮬레이터의 설계와 동작은 주어진 규격과 기준에 따라야 하며, 수행에 주어진 모든 기능적, 비기능적 요건을 만족하여야 하기 때문에 HIL(Hardware In the loop) 시스템으로 구현되어야 한다.

그러나 기존의 BMS 시뮬레이터는 하이브리드 전기 자동차의 배터리를 시뮬레이션 하기 위하여 고가의 전원공급 모듈(Power supply)을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 모사하고, 컴퓨터와의 표준 통신 방식인 GPIB(General Purpose Input output Bus)를 이용하여 시뮬레이터를 개발 하였으나, 이는 속도가 느린 통신 방식의 한계점과 막대한 비용을 필요로 하기 때문에 많은 문제가 발생하였다.

또한, 기존의 BMS 시뮬레이터는 예를 들어 리튬이온 배터리 등과 같이 특정 유형의 배터리에 대한 BMS의 성능 평가를 위한 것으로 개발되어, 다양한 유형의 배터리에 대한 BMS의 성능 평가를 지원하지 못한다는 한계가 있다.

따라서, 당해 기술분야에서는 다양한 유형의 배터리에 대한 BMS의 성능 평가를 가능하게 하는 BMS 시뮬레이터 및 BMS 시뮬레이션 시스템이 요구되고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 BMS 시뮬레이터를 제공한다.

상기 BMS 시뮬레이터는, 콘트롤러의 제어값을 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부가 인식할 수 있는 신호 형태로 변환하여 출력하는 제어부; 상기 제어부의 제어하에 BMS(Battery Management System) 성능 테스트를 위한 전압을 제공하는 전압 시뮬레이션부; 상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 전류를 제공하는 전류 시뮬레이션부; 상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 온도를 제공하는 온도 시뮬레이션부; 상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 배터리의 내부저항을 제공하는 내부저항 시뮬레이션부; 상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 상기 배터리의 hp를 제공하는 ph 시뮬레이션부; 및 상기 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부에 의해 시뮬레이션한 전압, 전류, 온도, 내부저항 및 ph 중 적어도 하나를 기초로 배터리의 상태를 평가하는 평가부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 BMS 시뮬레이션 시스템을 제공한다.

상기 BMS 시뮬레이션 시스템은, 제1 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후, 증폭기를 통해 증폭하여 출력하는 전압 시뮬레이션부, 제2 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후 V-I 컨버터를 통하여 센싱 저항에 전류를 흐르도록 하는 전류 시뮬레이션부, 제3 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후, 제1 V-R 컨버터의 가변 저항과 기준 저항을 통해 전압 분배하여 출력하는 온도 시뮬레이션부, 제4 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후, 제2 V-R 컨버터의 가변 저항과 기준 저항을 통해 전압 분배하여 출력하는 내부저항 시뮬레이션부, 제5 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후, 제3 V-R 컨버터의 가변 저항과 기준 저항을 통해 전압 분배하여 출력하는 ph 시뮬레이션부, 및 콘트롤러 제어값을 상기 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부가 인식할 수 있는 신호 형태로 변환하여 출력하는 FPGA를 구비하고, 상기 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부를 통해 BMS(Battery Management System) 성능 시험을 위한 전압, 전류, 온도, 내부저항 또는 ph를 제공하고, 시뮬레이션한 전압, 전류, 온도, 내부저항 및 ph 중 적어도 하나를 기초로 배터리의 상태를 평가하는 BMS 시뮬레이터; 및 상기 BMS 시뮬레이터의 출력 전압, 전류, 온도, 내부저항 및 ph 중 적어도 하나를 제어하기 위한 상기 콘트롤러 제어값을 생성 및 제공한 후, 이에 응답하여 변화되는 BMS의 출력을 모니터링하는 콘트롤러를 포함하며, 상기 콘트롤러와 상기 FPGA는 어드레스, 데이터, 컨트롤 버스로 구성된 어드레스 확장기법을 통해 통신할 수 있다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 컨버터, 증폭기를 이용하여 가상 소스를 구현함으로써, 시스템 구현 비용이 기존 시스템 대비 약 1/10 정도 감소될 수 있도록 한다.

또한, 기존의 시스템 제어방식인 GPIB나 직렬 인터페이스 방식이 아닌 어드레스 확장 기법을 이용함으로써, 인터페이스 속도를 1/1000 정도 감축시켜 채널당 10 μsec이내, 전체 채널에 대하여 1msec속도를 구현할 수 있도록 한다. 이와 같이 빠른 제어속도는 본 발명의 BMS 시뮬레이션 시스템을 CAN 시스템을 이용하여 시스템의 속도를 모니터링하기 위한 최소 이벤트시간을 10msec이내로 하는 고속의 시스템에 적용될 수 있도록 한다.

또한, 전류제어를 위해 실제 시스템과 같이 션트 저항에 필요한 전류를 실제로 공급하고 측정하는 방식을 적용함으로써, 실질적인 시뮬레이션을 할 수 있도록 하였다.

또한, 배터리의 전압, 전류 및 온도에 더하여 배터리의 내부 저항 및 ph를 시뮬레이션하여 BMS 성능 테스트를 수행함으로써, 다양한 유형의 배터리에 대한 BMS의 성능 평가를 가능하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이션 시스템을 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이션 시스템에 적용되는 어드레스 확장기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이터의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

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. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이션 시스템을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이션 시스템은 BMS(100), BMS 시뮬레이터(200), 및 콘트롤러(300)를 포함하여 구성될 수 있다.

BMS(100)는 전기자동차와 대용량 에너지 저장장치의 핵심부품 중 하나로 여러 셀로 연결된 배터리 팩의 전압과 전류를 조절하고 과전압 및 과전류 방지 등의 기능을 수행한다.

BMS 시뮬레이터(200)는 BMS 성능 시험을 위한 가상 소스 등을 제공하는 역할을 하며, 실제 전기 자동차에 주어진 모든 환경 하에서 원하는 기능을 수행할 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이터(200)는 가상의 전압, 전류, 온도 소스에 더하여, 내부저항 및 ph 소스를 제공하는 5가지의 기능을 수행할 수 있도록 설계되었다. 여기서, 전압 제어를 위한 셀 전압 소스 기능은 콘트롤러(300)에서 입력된 16비트 데이터 신호를 DC-AC 컨버터(Digital Analog Converter)를 통하여 아날로그 전압 신호로 변경된 뒤, 전압 증폭기를 통하여 증폭되어 BMS(100)에 출력함으로써 구현된다. 또한, 셀 전류 소스 기능, 셀 온도 소스 기능, 셀 내부저항 소스 기능 및 셀 ph 소스는 정밀저항 회로를 통하여 물리량을 전압 값으로 변환하여 출력함으로써 구현되도록 한다.

BMS 시뮬레이터(200)는 고전압의 직렬 전압을 출력하여야 하는 데 이를 보다 빠르고 효율적으로 구현하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 디지털 절연회로(ISO, Isolator)의 적용과 FPGA를 이용한 컨트롤 로직(FPGA)을 구현하였으며 DC-DC 컨버터를 이용하여 정밀도를 향상시켰다. 그리고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 어드레스(ADD), 데이터(DATA), 컨트롤(CTRL) 버스로 구성된 어드레스 확장기법을 적용하였다.

또한, BMS 시뮬레이터(200)는 시뮬레이션한 전압, 전류, 온도, 내부저항 및 ph 소스 정보를 기초로 배터리의 상태를 평가하여 제공할 수 있으며, 이를 위해 배터리의 상태 평가를 위한 레퍼런스 정보를 보유하도록 구성된다.

콘트롤러(300)는 BMS 시뮬레이터(200)와 BMS(100) 간의 전압, 전류, 온도, 내부저항, ph 등이 제대로 전달 되도록 제어(Control) 및 감시(Monitoring) 역할을 한다. BMS 시뮬레이터(200)와의 통신은 어드레스 확장을 통하여 이루어지며, 셀은 필요에 따라서 수량을 늘리거나 줄일 수 있다. 이를 유연하게 대응하기 위해서 각각의 BMS 시뮬레이터(200)는 다수개의(예를 들어, 5개의) 전압 소스, 전류 소스, 온도 소스, 내부저항 소스, ph 소스를 내장하고 있다. 그리고 백 플레인(Back plane)과 시스템 버스(system bus)를 구성하여, 본 발명의 시스템을 효과적으로 추가할 수 있도록 하고 있다.

이러한 콘트롤러(300)는 FPGA 프로그램, 실시간 타겟(RT, Real-Time Target) 프로그램, 원도우 호스트(Windows Host) 프로그램을 구비할 수 있다.

FPGA 프로그램은 성능 테스트될 셀에 대한 정보를 가지는 어드레스 셋 비트(Address Set bit), 성능 테스트될 셀에 인가될 가상 소스 제어값에 대한 정보를 가지는 데이터 셋 비트(Data Set bit), 리드, 라이트, 또는 초기화 동작을 명령하기 위한 제어 비트(Control bit) 등을 제어 할 수 있도록 개발하였으며 모든 알고리즘은 함수로서 사용할 수 있도록 구조화 하였다.

원도우 호스트(Windows Host) 프로그램은 사전에 정의 및 등록된 시뮬레이션 시나리오를 파일로부터 읽어올 수 있는 함수를 구비하고, 구비된 함수는 읽어온 시뮬레이션 시나리오에 맞춰 시뮬레이션을 진행할 수 있는 자동 모드와 사용자가 직접 원하는 셀의 전압을 컨트롤할 수 있는 수동 모드를 구비하여 양산 모드뿐만 아니라 정밀 시뮬레이션 시에도 사용할 수 있도록 기능을 다양화한다.

또한, 데이터 입출력 동작을 지원하는 GUI(Graphic User Interface)를 제공하여, 이를 통해 사용자가 시뮬레이션 동작 요청하거나 다양한 제어 파라미터를 선택 및 조정하고, 시뮬레이션 동작 결과를 사용자에게 시청각적으로 표시하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이터의 상세 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이터(200)는 PCB 보드 형태로 구현되며, 제어부(210), 전압 시뮬레이션부(220), 전류 시뮬레이션부(230), 온도 시뮬레이션부(240), 내부저항 시뮬레이션부(250), ph 시뮬레이션부(260), 및 평가부(270)를 포함하여 구성될 수 있다.

제어부(210)는 PCB 보드에 장착된 FPGA 칩 형태로 구현되며, 콘트롤러(300)로부터 제공되는 제어 신호(특히, 데이터)에 따라 전압 시뮬레이션부(220), 전류 시뮬레이션부(230), 온도 시뮬레이션부(240), 내부저항 시뮬레이션부(250), 및 ph 시뮬레이션부(260)를 제어한다. 즉, 제어부(210)는 콘트롤러(300)의 제어값을 상기 전압 시뮬레이션부(220), 전류 시뮬레이션부(230), 온도 시뮬레이션부(240), 내부저항 시뮬레이션부(250), 및 ph 시뮬레이션부(260)가 인식할 수 있는 신호 형태로 변환하여 출력한다.

전압 시뮬레이션부(220)는 DC-AC 컨버터(Digital to Analog Converter, 221)를 통해 제어부(210)로부터 출력되는 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후, 증폭기(222)를 통해 증폭하여 BMS(100)로 출력한다. 이러한 전압 시뮬레이션부(220)는 중첩되어 최대 400V까지 전압 출력이 가능하도록 설계되었으며, 표 1과 같은 스펙(specification)을 가질 수 있다.

전압 범위	0~5V Programmable
전류 범위	0~200mA
셀 개수	40개
전압 범위 총합	0~200V

더하여, 전압 시뮬레이션부(220)는 앞서 설명한 바와 같이 ISO(251)를 사용하여 보드 레벨에서 전압간섭으로부터 차단하였으며, DC-DC 컨버터(261)를 이용하여 제어 정밀도를 높혀준다.

전류 시뮬레이션부(230)에서 셀에 흐르는 전류는 내부에 장착된 션트(Shunt) 저항을 통하여 흐르게 되고 션트 저항에 흐르는 전류는 전압을 발생하게 된다. 이에 전류 시뮬레이션부(230)는 DC-AC 컨버터(231)에서 발생된 전압을 V-I 컨버터(232)를 통하여 센싱(Sensing) 저항에 전류를 흐르게 함으로서 BMS(100)에서 전류를 흐르게 한다. 전류 시뮬레이션부(230) 또한 ISO(252)를 통해 보드를 보호하고 간섭을 최소화하고, DC-DC 컨버터(262)를 통해 제어 정밀도를 높혀준다.

표 2는 본 발명의 전류 시뮬레이션부의 스펙 예를 나타낸다.

션트 저항	50mV/200mA ( 0.25ohm)
전류 증폭율	x 100 (OPTIONAL)
전류 범위	0 - 5V (200mA)

온도 시뮬레이션부(240)에서 셀에 발생되는 온도는 서미스터가 내장되어 서미스터의 저항변화에 의해서 BMS(100)의 온도변화를 모니터링 한다. 이에 온도 시뮬레이션부(240)는 온도 감지를 위한 가변 저항을 구비하고, 가변 저항(예를 들어, 0-100KΩ 저항)을 가상으로 변환함으로써, BMS(100)의 온도를 가상으로 시뮬레이션 할 수 있도록 한다. 이때, 서미스터는 저항에 분압저항으로 온도를 나타낸다.

온도 시뮬레이션부(240)의 출력 전압은 레퍼런스(Reference) 저항과 가변저항(즉, 서미스터 시뮬레이션 저항)의 비율로서 결정되고, 측정된 전압을 기준으로 온도로 환산하여 반응하도록 한다. 이는 제어부(210)로부터 출력되는 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환하는 DC-AC 컨버터(241), 및 DC-AC 컨버터(241)의 출력 전압을 가변 저항과 기준 저항을 통해 전압 분배하여 출력하는(즉, 온도 변화에 대응되는 전압 변화를 발생하는) V-R 컨버터(242)를 포함하여 구성된다. 물론, 온도 시뮬레이션부(240)의 앞단에도 ISO(253)와 DC-DC 컨버터(263)가 구비되어, 보드 레벨에서 전압간섭으로부터 차단하고 제어 정밀도가 높아질 수 있도록 한다.

표 3은 본 발명의 온도 시뮬레이션부의 스펙 예를 나타낸다.

가변 저항	0 - 100K
해상도	10 bit

내부저항 시뮬레이션부(250)는 배터리 등가회로의 저항변화에 의해서 BMS(100)의 내부저항을 모니터링 한다. 이에 내부저항 시뮬레이션부(250)는 내부저항 감지를 위한 가변 저항을 구비하고, 가변 저항을 가상으로 변환함으로써, BMS(100)의 내부저항을 가상으로 시뮬레이션 할 수 있도록 한다.

내부저항 시뮬레이션부(250)의 출력 전압은 레퍼런스(Reference) 저항과 가변저항(즉, 시뮬레이션 내부저항)의 비율로서 결정되고, 측정된 전압을 기준으로 내부저항을 시뮬레이션할 수 있다. 이는 제어부(210)로부터 출력되는 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환하는 DC-AC 컨버터(251), 및 DC-AC 컨버터(251)의 출력 전압을 가변 저항과 기준 저항을 통해 전압 분배하여 출력하는(즉, 내부저항에 대응되는 전압 변화를 발생하는) V-R 컨버터(252)를 포함하여 구성된다. 물론, 내부저항 시뮬레이션부(250)의 앞단에도 ISO(254)와 DC-DC 컨버터(264)가 구비되어, 보드 레벨에서 전압간섭으로부터 차단하고 제어 정밀도가 높아질 수 있도록 한다.

ph 시뮬레이션부(260)는 셀의 ph는 내부 저항의 저항변화에 의해서 BMS(100)의 ph를 모니터링 한다. 이에 ph 시뮬레이션부(260)는 ph 감지를 위한 가변 저항을 구비하고, 가변 저항을 가상으로 변환함으로써, BMS(100)의 ph를 가상으로 시뮬레이션 할 수 있도록 한다. 또한, ph 시뮬레이션부(260)는 온도에 따른 전위 변화를 보상할 수 있도록 온도 보상을 수행하도록 구성된다.

ph 시뮬레이션부(260)의 출력 전압은 레퍼런스(Reference) 저항과 가변저항(즉, 시뮬레이션 ph)의 비율로서 결정되고, 측정된 전압을 기준으로 온도 보상을 통해 ph로 환산하여 반응하도록 한다. 이는 제어부(210)로부터 출력되는 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환하는 DC-AC 컨버터(261), 및 DC-AC 컨버터(261)의 출력 전압을 가변 저항과 기준 저항을 통해 전압 분배하여 출력하는(즉, ph 변화에 대응되는 전압 변화를 발생하는) V-R 컨버터(262)를 포함하여 구성된다. 물론, ph 시뮬레이션부(260)의 앞단에도 ISO(255)와 DC-DC 컨버터(265)가 구비되어, 보드 레벨에서 전압간섭으로부터 차단하고 제어 정밀도가 높아질 수 있도록 한다.

평가부(270)는 전압 시뮬레이션부(220), 전류 시뮬레이션부(230) 및 온도 시뮬레이션부(240), 내부저항 시뮬레이션부(250), 및 ph 시뮬레이션부(260)에 의해 시뮬레이션한 셀 전압, 전류, 온도, 내부저항 및 ph 중 적어도 하나를 기초로 배터리의 상태를 평가한다. 이를 위해 평가부(270)는 배터리의 상태 평가를 위한 레퍼런스 정보를 보유하도록 구성된다.

일 예로, 평가부(270)는 ph 시뮬레이션부(260)에 의해 시뮬레이션한 ph를 기초로 전해액 비중 값을 산출하고, 산출된 전해액의 비중 값으로부터 배터리의 상태, 즉 배터리의 충전상태(state of charge; SOC)를 평가하도록 구현될 수 있다. 여기서, 전해액의 비중 값은 셀의 내부 온도에 따라 변화하는 특성을 가지므로 평가부(270)는 셀의 온도 특성을 고려하여 오차를 보정하도록 구성된다.

연축전지의 기전력은 수학식 1과 같이 전해액의 비중 값에 따라 선형적으로 변화한다. 여기서, S: 전해액 비중, E=기전력이다.

[수학식 1]

S = E-0.85

일반적으로 연축전지의 비중은 전해액의 온도가 20℃에서 완전충전 상태에서 100% 방전의 상태까지 0.2정도가 변동하므로, 수학식 2와 같이 20℃의 온도를 기준으로 보정한 전해액 비중 식을 사용한다. 여기서, S₂₀: 20℃에서의 비중, S_t: t℃에서의 비중, t: 전해액의 온도, 0.0007: 1℃ 온도의 변화에 따른 온도계수이다.

[수학식 2]

이와 같은 온도 보정식을 이용하여 SOC 평가식을 나타내면 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

다른 예로, 평가부(270)는 내부저항 시뮬레이션부(250)에 의해 시뮬레이션한 내부저항으로부터 레퍼런스 정보를 기초로 배터리의 상태를 평가하도록 구현될 수 있다.

이와 같이 구성되는 BMS 시뮬레이터(200)는 하나의 PCB로 집적화되고, 다수개의 (예를 들어, 5개)의 셀을 시뮬레이션 할 수 있도록 구현될 수 있다. 또한 다수개의 보드가 직렬로 연결되도록 한다. 이때, 직렬 연결 가능한 보드의 수는 최대 시뮬레이션 전압에 따라 조절될 수 있을 것이다.

또한, 본 발명에서는 전압 시뮬레이션부(220), 전류 시뮬레이션부(230) 및 온도 시뮬레이션부(240), 내부저항 시뮬레이션부(250), 및 ph 시뮬레이션부(260) 각각의 최종 출력단에 전류 제한 회로(미도시)를 추가함으로써, 외부로드(즉, 외란)로부터 해당 회로를 보호할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 도면으로, 이하에서는 설명의 편의를 위해 BMS 시뮬레이션의 출력 전압을 제어하는 경우에 한해 설명하기로 한다.

만약, 사용자가 콘트롤러(300)의 GUI를 통해 BMS 시뮬레이션 동작을 요청하면(S410), 콘트롤러(300)는 먼저 BMS 시뮬레이션의 동작 모드를 확인한다(S420).

S420의 확인 결과, BMS 시뮬레이션의 동작 모드가 자동 모드이면, 사전에 등록된 BMS 시뮬레이션 시나리오를 불러와(S430), 이에 따라 BMS 시뮬레이터(200)의 출력 전압을 제어한다(S440). 예를 들어, 각 셀의 출력 정밀도를 확인하기 위해, BMS 시뮬레이션에 연결된 다수개 셀을 순차적으로 선택하고, 선택된 셀에 5V, 4.5V, 4V, 3.5V, 3V, 2.5V, 2V, 1.5V, 1V, 0.5V 순으로 전압을 인가하는 방식으로 BMS 시뮬레이터(200)의 출력 전압을 제어할 수 있다.

그리고 BMS 시뮬레이터(200)의 출력 전압 각각에 응답하여 BMS(100)가 출력하는 전압을 측정한 후(S450), 콘트롤러(300)의 GUI를 통해 시청각적으로 표시해 준다(S490). 다만, 본 발명의 콘트롤러(300)는 BMS(100)의 출력 전압을 단순 표시하거나, 입력 전압과 출력 전압을 비교하여 오차 정도를 산출하여 표시하는 등의 다양한 통보 방법을 가질 수 있을 것이다. 또한, 오차 정도를 보정하기 위한 제어값을 산출하고, 이를 기준으로 BMS 시뮬레이터(200)를 다시 제어하는 등의 후속 작업을 추가적으로 수행할 수도 있을 것이다.

한편, S420의 확인 결과, BMS 시뮬레이션의 동작 모드가 수동 모드이면, 콘트롤러(300)는 사용자가 GUI를 통해 BMS 시뮬레이터 제어값을 입력할 수 있도록 한다. 이에 사용자가 BMS 시뮬레이터 제어값을 수동 입력하면(S460), 이에 응답하여 BMS 시뮬레이터(200)의 출력 전압을 제어한 후(S470), BMS(100)가 출력하는 전압을 실시간 측정하여(S480), 콘트롤러(300)의 GUI를 통해 시청각적으로 표시해준다(S490). 이때, 콘트롤러(300)와 BMS(100)는 기존의 자동차 통신 방식인 CAN (Controller Area Network)으로 연결 및 통신할 수 있도록 한다.

더하여, BMS 시뮬레이션 시스템은 이와 동일한 방식으로 BMS 시뮬레이터(200)를 통해 각각의 셀에 입력되는 출력 전류, 온도, 내부저항 및 ph를 가변하면서, BMS(100)의 성능을 테스트할 수 있을 것이다.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

100: BMS
200: BMS 시뮬레이터
210: 제어부
220: 전압 시뮬레이션부
230: 전류 시뮬레이션부
240: 온도 시뮬레이션부
250: 내부저항 시뮬레이션부
260: ph 시뮬레이션부
270: 평가부
300: 콘트롤러

Claims

콘트롤러의 제어값을 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부가 인식할 수 있는 신호 형태로 변환하여 출력하는 제어부;
상기 제어부의 제어하에 BMS(Battery Management System) 성능 테스트를 위한 전압을 제공하는 전압 시뮬레이션부;
상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 전류를 제공하는 전류 시뮬레이션부;
상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 온도를 제공하는 온도 시뮬레이션부;
상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 배터리의 내부저항을 제공하는 내부저항 시뮬레이션부;
상기 제어부의 제어하에 BMS 성능 테스트를 위한 상기 배터리의 ph를 제공하는 ph 시뮬레이션부; 및
상기 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부에 의해 시뮬레이션한 전압, 전류, 온도, 내부저항 및 ph 중 적어도 하나를 기초로 배터리의 상태를 평가하는 평가부를 포함하며,
상기 전압 시뮬레이션부는 상기 제어부의 출력 전압을 디지털-아날로그 변환하는 제1 DC-AC 컨버터; 및 상기 제1 DC-AC 컨버터의 출력 전압을 증폭하여 상기 BMS에 제공하는 증폭기를 포함하고,
상기 전류 시뮬레이션부는 상기 제어부의 출력 전압을 디지털-아날로그 변환하는 제2 DC-AC 컨버터; 및 상기 제2 DC-AC 컨버터의 출력 전압을 전압-전류 변환하여, 센싱 저항에 전류를 흐르게 함으로서 상기 BMS에서 전류를 흐르게 하는 V-I 컨버터를 포함하고,
상기 온도 시뮬레이션부는 상기 제어부의 출력 전압을 디지털-아날로그 변환하는 제3 DC-AC 컨버터; 및 상기 BMS의 온도에 따라 저항 값이 가변되는 가변 저항과, 기 설정된 저항값을 유지하는 기준 저항 구비하고, 상기 가변 저항과 기준 저항을 통해 상기 제어부의 출력 전압을 분압하여 출력하는 제1 V-R 컨버터를 포함하고,
상기 내부저항 시뮬레이션부는 상기 제어부의 출력 전압을 디지털-아날로그 변환하는 제4 DC-AC 컨버터; 및 상기 BMS의 내부저항에 따라 저항 값이 가변되는 가변 저항과, 기 설정된 저항값을 유지하는 기준 저항 구비하고, 상기 가변 저항과 기준 저항을 통해 상기 제어부의 출력 전압을 분압하여 출력하는 제2 V-R 컨버터를 포함하고,
상기 ph 시뮬레이션부는 상기 제어부의 출력 전압을 디지털-아날로그 변환하는 제5 DC-AC 컨버터; 및 상기 BMS의 ph에 따라 저항 값이 가변되는 가변 저항과, 기 설정된 저항값을 유지하는 기준 저항 구비하고, 상기 가변 저항과 기준 저항을 통해 상기 제어부의 출력 전압을 분압하여 출력하는 제3 V-R 컨버터를 포함하며,
상기 제어부는 어드레스, 데이터, 컨트롤 버스로 구성된 어드레스 확장기법을 통해 상기 콘트롤러와 통신하며,
상기 평가부는 상기 ph 시뮬레이션부에 의해 시뮬레이션한 ph를 기초로 전해액 비중 값을 산출하고, 산출된 전해액의 비중 값으로부터 배터리의 충전상태를 평가하며, 상기 전해액의 비중 값은 셀의 온도 특성을 고려하여 보정되는 것을 특징으로 하는 BMS 시뮬레이터.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부 각각은,
전압 간섭을 보드 레벨에서 차단하기 위한 절연 회로와, 제어 정밀도를 향상하기 위한 DC-DC 컨버터 중 적어도 하나를 더 포함하는 BMS 시뮬레이터.
제 1 항에 있어서, 상기 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부 각각은,
회로 보호 동작을 수행하는 전류 제한 회로를 더 포함하는 BMS 시뮬레이터.
제1 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후, 증폭기를 통해 증폭하여 출력하는 전압 시뮬레이션부, 제2 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후 V-I 컨버터를 통하여 센싱 저항에 전류를 흐르도록 하는 전류 시뮬레이션부, 제3 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후, 제1 V-R 컨버터의 가변 저항과 기준 저항을 통해 전압 분배하여 출력하는 온도 시뮬레이션부, 제4 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후, 제2 V-R 컨버터의 가변 저항과 기준 저항을 통해 전압 분배하여 출력하는 내부저항 시뮬레이션부, 제5 DC-AC 컨버터를 통해 디지털 전압을 아날로그 전압으로 변환한 후, 제3 V-R 컨버터의 가변 저항과 기준 저항을 통해 전압 분배하여 출력하는 ph 시뮬레이션부, 및 콘트롤러 제어값을 상기 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부가 인식할 수 있는 신호 형태로 변환하여 출력하는 FPGA를 구비하고, 상기 전압 시뮬레이션부, 전류 시뮬레이션부, 온도 시뮬레이션부, 내부저항 시뮬레이션부, 및 ph 시뮬레이션부를 통해 BMS(Battery Management System) 성능 시험을 위한 전압, 전류, 온도, 내부저항 또는 ph를 제공하고, 시뮬레이션한 전압, 전류, 온도, 내부저항 및 ph 중 적어도 하나를 기초로 배터리의 상태를 평가하는 BMS 시뮬레이터; 및
상기 BMS 시뮬레이터의 출력 전압, 전류, 온도, 내부저항 및 ph 중 적어도 하나를 제어하기 위한 상기 콘트롤러 제어값을 생성 및 제공한 후, 이에 응답하여 변화되는 BMS의 출력을 모니터링하는 콘트롤러를 포함하며,
상기 콘트롤러와 상기 FPGA는 어드레스, 데이터, 컨트롤 버스로 구성된 어드레스 확장기법을 통해 통신하며,
상기 BMS 시뮬레이터는 상기 ph 시뮬레이션부에 의해 시뮬레이션한 ph를 기초로 전해액 비중 값을 산출하고, 산출된 전해액의 비중 값으로부터 배터리의 충전상태를 평가하며, 상기 전해액의 비중 값은 셀의 온도 특성을 고려하여 보정되는 것을 특징으로 하는 BMS 시뮬레이션 시스템.