KR20170057314A - 배터리의 동작 범위를 관리하기 위한 방법 - Google Patents

배터리의 동작 범위를 관리하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 허가된 동작 범위를 관리하는 방법에 관한 것으로, 상기 허가된 동작 범위는 상기 배터리의 충전 상태의 최소 레벨 (BSOCmin) 및 최대 레벨 (BSOCmax) 사이에서 경계가 정해지며, 상기 방법은 상기 배터리의 전력 면에서의 건강 상태 (SOHP)를 추정하는 단계를 포함하며, 전력 면에서의 상기 건강 상태는 상기 동작 범위 전체에 걸쳐 필요한 최소 전력 레벨을 공급하기 위한 상기 배터리의 용량의 특성을 기술하며, 상기 방법은 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최소 레벨 (BSOCmin)을 상기 추정된, 전력 면에서의 건강 상태 (SOHP)에 따라서 결정하는 단계를 또한 포함하며, 전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최소 레벨은 증가하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리의 동작 범위를 관리하기 위한 방법 {METHOD FOR MANAGING THE OPERATING RANGE OF A BATTERY}
본 발명은 전기 축전 배터리의 동작 범위를 관리하기 위한 방법에 관련된 것이다.
구상된 한 분야는 특히 전기 차량, 하이브리드 차량 또는 재충전가능 하이브드리 차량에서 사용되는 리튬-이온 배터리들을 관리하는 것이지만, 단지 그것만인지는 않다. 이 유형의 배터리는 복수의 전기 축전지 또는 셀들을 포함하며, 이는 공칭 전압을 공급하도록 설계된 재충전가능 전기화학적 시스템을 포함한다.
배터리의 동작 범위는 충전 및 방전 둘 모두의 면에서 그 배터리의 충전 상태의 허용가능 범위에 대응한다. 이 동작 범위는 한 편으로는 충전의 최대 상태로, 그것보다 위로는 배터리가 올라가도록 허용되지 않는 충전 최대 상태 그리고 다른 한 편으로는 충전의 최소 상태로, 배터리가 그것보다 아래로 떨어지는 것이 허용되지 않는 충전 최소 상태라는 특징을 가진다.
충전의 최대 허용가능 상태는 충전 전압의 마지막 또는 차단 전압 (cutoff voltage)에 의해 정의되며, 이것은, 예를 들면, 상기 배터리 단자들의 양단에서 측정될 수 있다. 이 전압은 배터리를 형성하는 셀들의 충전 한계를 유효하게 나타낸다. 다른 말로 하면, 그것은 충전하는 것이 실제로 종료되었는가를 판단하기 위해서 각 셀의 단자들 양단의 최대 전압이 충전의 끝에서 도달해야만 하는 값이다. 충전 끝에서의 높은 전압은 배터리 수명의 시작 부분에서 이용 가능한 에너지를 증가시키지만, 대조적으로, 배터리의 더 빠른 노화 (aging)를 초래한다. 그래서, 충전 끝에서의 전압을 관리하기 위해서, 단기간에 배터리에 의해 제공된 에너지 레벨과 배터리의 내구성 사이에서 타협점을 찾는 것이 필요하다.
배터리 충전의 최소 상태를 관리하는 것의 문제는 좀 민감하는 것을 알 수 있을 것이다. 실제로, 충전의 최소 상태가 너무 높다면, 사용자를 위해 이용 가능한 에너지는 필요한 최소 에너지 레벨의 면에서 바람직한 레벨에 있지 않을 것이며, 반면에, 그것이 너무 낮으면, 특정 사용의 경우에는, 특히, 추운 온도들과 결부된 상태들에서는, 배터리가 필요한 최소 전력 레벨을 공급할 수 없을 충전 상태의 레벨에 있다는 위험에 처하게 된다. 그래서, 배터리를 위한 최소의 허용가능 충전 상태를 관리하기 위해서, 추울 때를 포함하여, 사용자를 위해 보장하기를 원하는 바람직한 에너지 레벨과 배터리의 전체 동작 범위에 걸쳐서 배터리의 이용가능한 방전 전력 사이에서의 타협점을 찾는 것이 또한 필요하다.
성능의 면에서, 복수의 셀들 및 전용 BMS (Battery Management System) 컴퓨터로 주로 구성된 배터리 시스템은 그러므로 수명의 시작 때만이 아니라 몇 년 이후에도 필요한 최소 에너지 레벨, 그리고 수명의 시작 때만이 아니라 몇 년 후에도 전체 동작 범위에 걸쳐서 필요한 최소 에너지 레벨을 보장해야만 한다.
특허 문서 WO2012074406은 전기 차량의 배터리를 충전하는 것을 관리하기 위한 방법을 개시하며, 여기에서 BMS는 충전을 온도, 전기망 및 충전기의 유형과 같은 상이한 컨디션들의 함수로서 적응시키는 그런 방식으로 배터리를 충전하는 것을 보장하기 위해서 충전기로 제공될 예정인 수정가능한 충전 알고리즘을 제공할 수 있다. 이 방법은 공칭 컨디션들에서 원하는 에너지 레벨로 배터리를 충전하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 상기 방법은 이용가능한 에너지 레벨에 영향을 미칠 수 있는 "디스퍼전 (dispersion)"의 모든 원인들을 관리하는 것을 가능하게 하지 않는다. 실제로, 미리 정해진 충전 끝에서의 전압에 대한 실제에서의 어려움들 중의 하나는, 사용자를 위해 이용가능한 에너지는 주로 다음의 세 가지 팩터들로 인해서 동일하지 않다:
- 배터리의 온도: 그래서, 셀들의 내부 저항들이 크기 때문에 배터리의 온도가 더 낮아질수록, 충전 끝에서의 이 전압으로부터 방전될 수 있는 에너지의 양은 더 작아진다;
- 배터리의 노화: 배터리 내에서 이용가능한 용량 (A.h 단위)이 제한되므로, 배터리의 건강 상태가 저하될수록, 충전 끝에서의 이 전압으로부터 방전될 수 있는 에너지의 양은 더 작아진다;
- 셀의 불균형으로, 가장 높은 충전 상태인 셀의 충전 상태 그리고 가장 낮은 충전 상태인 셀의 충전 상태 사이의 차이로 정의된다: 그래서, 가장 낮은 셀이 다른 셀들보다 더 빨리 자신의 방전의 끝에서의 한계 전압에 도달할 것이기 때문에 셀의 불균형이 더 클수록, 충전 끝에서의 이 전압으로부터 방전될 수 있는 에너지의 양은 더 작아진다.
그러므로, 한 가지 문제점이 발생하며 그리고 본 발명은 그 문제점을 해결하는 것을 목적으로 하여, 배터리의 동작 범위를 관리하는 방법을 제공하여, 상기 배터리의 노화에 따라, 엄격하게 필수적으로 필요한 최소 에너지 레벨 및 필요한 최소 전력 레벨을 보장하는 것을 가능하게 한다.
이 목적을 위해, 본 발명은 배터리의 허용가능 동작 범위를 관리하는 방법을 제공하며, 상기 허용가능 동작 범위는 상기 배터리의 충전 상태의 최소 레벨 및 최대 레벨 사이에서 경계가 정해지며, 상기 방법은 상기 배터리의 전력 면에서의 건강 상태를 추정하는 단계를 포함하며, 전력 면에서의 상기 건강 상태는 상기 동작 범위 전체에 걸쳐 필요한 최소 전력 레벨을 공급하기 위한 상기 배터리의 용량의 특성을 기술하며, 상기 방법은 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최소 레벨을 상기 추정된, 전력 면에서의 건강 상태의 함수로서 결정하는 단계를 더 포함하며, 전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최소 레벨은 증가하는 것을 특징으로 한다.
그래서, 충전 상태의 최소 허용가능 레벨을 상기 배터리 전력 면에서의 건강 상태의 함수로서 이렇게 변조하는 것에 의해, 배터리의 노화에 따른 허용가능 방전 전력의 점차적인 감소에 대해 보상하는 것이 가능하다.
유리하게도, 상기 방법은 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨을 상기 배터리의 상기 추정된, 전력 면에서의 건강 상태의 함수로서 결정하는 단계를 포함하며, 전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최대 레벨은 증가된다. 이것은 노화에 따라 상기 허용가능 방전 전력의 점차적인 감소에 대해 보상하는 것을 가능하게 한다.
유리하게도, 배터리 용량의 손실에 대해 보상하가 위해서, 상기 방법은:
- 상기 배터리의 에너지 면에서의 건강 상태를 추정하는 단계로, 에너지 면에서의 상기 건강 상태는 상기 동작 범위 전체에 걸쳐 필요한 최소 에너지 레벨을 공급하기 위한 상기 배터리의 용량의 특성을 기술하는, 추정 단계;
- 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨을 상기 배터리의 상기 추정된, 에너지 면에서의 건강 상태의 함수로서 결정하는 단계로, 에너지 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최대 레벨은 증가되는, 결정 단계를 또한 포함한다.
다른 유리한 특징에 따라, 상기 방법은 상기 배터리의 수명의 시작 부분에서 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최소 레벨을 감소시키는 단계를 또한 포함할 수 있으며, 이는 배터리의 전체 수명에 걸쳐서 엄격하게 필수적인 필요한 최소 전력 레벨을 보장하는 것을 가능하게 하기 위한 것이다.
다른 유리한 특징에 따라, 상기 방법은 상기 배터리의 수명의 시작 부분에서 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨을 감소시키는 단계를 또한 포함할 수 있으며, 이는 배터리의 동작 범위를 제한함으로써 수명의 시작 부분에서 그 배터리의 저하를 제한시키는 것을 가능하게 하기 위한 것이다.
유리하게도, 상기 배터리의 전력 면에서의 상기 건강 상태의 추정은, 주어진 온도에서 배터리의 내부 저항 및 충전 컨디션들의 상태를 그 배터리가 새 것일 때에의 상기 컨디션들에서의 상기 내부 저항의 값과 비교하는 단계를 포함한다.
다른 모습에 따라서, 본 발명은 본 발명의 상기 방법의 단계들을 수행하기 위한 명령어들이 프로세서에 의해 실행될 때에 그 명령어들을 포함하는 컴퓨터 프로그램에 관련된다.
위에서 설명된 배터리의 동작 범위를 관리하기 위한 상기 방법은 디지털 프로세싱 수단, 예를 들면, 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 또는 다른 수단에 의해 구현될 수 있다. 그것은 전용의 배터리 시스템 컴퓨터 (battery system computer (BMS))에 의해 유리하게 구현될 수 있다.
배터리의 허용가능 동작 범위를 관리하는 디바이스가 또한 제공되며, 상기 허용가능 동작 범위는 상기 배터리의 충전 상태의 최소 레벨 및 최대 레벨 사이에서 경계가 정해지며, 상기 디바이스는 상기 배터리의 전력 면에서의 건강 상태를 추정하는 수단으로, 전력 면에서의 상기 건강 상태는 상기 동작 범위 전체에 걸쳐 필요한 최소 전력 레벨을 공급하기 위한 상기 배터리의 용량의 특성을 기술하는, 추정 수단, 그리고 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최소 레벨을 상기 추정된, 전력 면에서의 건강 상태의 함수로서 결정하여, 상기 배터리의 전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최소 레벨은 증가하도록 하는, 프로세싱 수단을 포함한다.
유리하게도, 상기 프로세싱 수단은, 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨을 상기 배터리의 전력 면에서의 상기 추정된 건강 상태의 함수로서 결정할 수 있으며, 그래서 상기 배터리의 전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최대 레벨은 증가하도록 한다.
바람직하게는, 상기 디바이스는 상기 배터리의 에너지 면에서의 건강 상태를 추정하기 위한 수단을 포함하며, 에너지 면에서의 상기 건강 상태는 상기 동작 범위 전체에 걸쳐 필요한 최소 에너지 레벨을 공급하기 위한 상기 배터리의 용량의 특성을 기술하며, 상기 프로세싱 수단은 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨을 상기 배터리의 에너지 면에서의 상기 추정된 건강 상태의 함수로서 결정할 수 있으며, 그래서 상기 배터리의 에너지 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최대 레벨이 증가하도록 한다.
이 디바이스는 예를 들면 하나 또는 복수의 프로세서들을 포함하거나 그것들에 통합될 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 것과 같이, 배터리 그리고 상기 배터리의 허용가능 동작 범위를 관리하는 디바이스를 포함하는 자동차에 또한 관련된다.
본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 유리함들은, 첨부된 도면들을 참조하여 전적으로 비한정적인 표시에 의해 주어진 본 발명의 특별한 일 실시예의 아래에서 주어지는 본 발명에 대한 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1은 소위 말하는 레퍼런스 배터리의 허용가능 동작 범위를 그 배터리의 노화의 함수로서 도시한 그래프 그리고 추울 때에 충전 상태의 최소 허용가능 레벨에서 이용가능한 전력은 물론이며 주위 온도 (예를 들면, 25˚C)에서 사용자를 위해 이용가능한 에너지를 이 수명의 함수로서 나란히 도시한 그래프들의 예를 보여준다.
도 2는 도 1의 그래프들을 반복하여, 본 발명의 첫 번째 접근 방식에 따라 엄격하게 필요한 소망되는 성능 레벨 (이용가능 에너지 및 이용가능 전력)을 공급하는 것을 가능하게 하는 배터리의 허용가능 동작 범위를 관리하는 예를 도시한다.
도 3은 도 1의 그래프를 반복하여, 본 발명의 두 번째 접근 방식에 따라 배터리의 허용가능 동작범위를 관리하는 예를 도시하며, 이는 첫 번째 접근 방식과 조합될 수 있다.
도 4는 배터리의 전력의 면에서 건강 상태를 추정하기 위한 실시예를 도시한 그래프를 보여준다.
도 5는 배터리의 이용가능한 방전 전력을 결정하기 위한 실시예를 도시한 그래프를 보여준다.
도 6은 충전 상태의 최소 허용가능 레벨을 배터리의 수명의 함수로서 매핑하는 예를 도시한 그래프를 보여준다.
도 7은 충전 상태의 최대 허용가능 레벨을 배터리의 수명의 함수로서 매핑하는 예를 도시한 그래프를 보여준다.
도 8은 충전 끝에서의 전압을 배터리의 에너지 면에서 건강 상태의 함수로서 결정하는 예를 도시한 그래프를 보여준다.
본 설명의 나머지 부분에서 사용될 변수들은 다음과 같이 열거된다:
N: 배터리 내 셀들의 개수
Figure pct00001
: i번째 셀의 전압 - 단위 [V],
Figure pct00002
= max(
Figure pct00003
,i ∈ 1..N): 최대 셀 전압 - 단위 [V],
Figure pct00004
= min(
Figure pct00005
,i ∈ 1..N): 최소 셀 전압 - 단위 [V],
BSOC: 배터리의 충전 상태 (SOC는 State Of Charge를 나타냄) - 단위 [%],
OCV: 셀의 무-부하 전압 - 단위 [V]. OCV 레벨에 대응하는 곳에서 BSOC 및 온도의 값들에게 주어짐.
BSOCmin: 충전의 최소 레벨로, 배터리는 이 레벨 밑으로 저하되는 것이 허용되지 않는다 - 단위 [%],
BSOCmax: 최대 충전 상태의 최대 레벨로, 배터리는 이 레벨 위로 증가하는 것이 허용되지 않는다 - 단위 [%],
Qmax: 배터리의 전체 용량 - 단위 [A.h.],
SOHE: 배터리의 에너지 면에서의 건강 상태 - 단위 [%]. 에너지 면에서의 건강 상태는 필요한 최소 에너지 레벨을 공급하기 위한 배터리의 용량을 표시하며 그리고 아래에서는, 레퍼런스 온도 (예를 들면, 25˚C)에서, 일정한 레퍼런스 전류 레벨(예를 들면, 1 C)에서, 배터리 수명의 주어진 시각에서 차단 (cutoff) 전압 (예를 들면, 2.5 V)에 도달할 때까지, 완전하게 충전된 배터리로 방전될 수 있는 에너지 그리고 배터리가 새것일 때에 동일한 컨디션들에서 그 배터리로 방전될 수 있는 에너지 사이의 비율인 것으로 정의된다. 그래서, 수명의 시작에서, 이 비율은 100%이며, 그리고 점차적으로 줄어든다. 실제로, 배터리의 수명 동안에, 배터리의 건강 (배터리의 성능)은 사용 및 수명 동안에 발생하는 비가역적인 물리적 변화 및 화학적 변화의 결과로서 결국에는 배터리가 더 이상 사용될 수 없을때까지 점차적으로 저하되는 경향이 있다. 그래서 SOHE는 새로운 배터리에 관한 이용가능 에너지의 면에서 규정된 성능을 공급하기 위한 그 배터리의 용량 및 배터리의 건강 상태를 반영한다.
Figure pct00006
: 셀의 내부 저항 - 단위 [ohm].
SOHP: 배터리의 전력 면에서의 건강 상태 (state of health in terms of power) - 단위 [%]. 전력 면에서의 건강 상태는 필요한 최소 전력 레벨을 공급하기 위한 배터리의 용량을 표시하며 그리고 아래에서는, 레퍼런스 온도 (예를 들면 -20˚C)에서, 충전의 레퍼런스 상태에서 (예를 들면 BSOC = 20%), 배터리 수명의 주어진 시각에서, 배터리의 10초동안의 내부 저항 그리고 배터리가 새것일 때에 동일한 컨디션들에서 내부 저항 사이의 비율인 것으로 정의된다. 그래서, 수명의 시작에서, 이 비율은 100%이며, 그리고 (배터리 수명의 특정 레벨을 적어도 넘어서) 점차적으로 줄어든다. 그래서 SOHP는 새로운 배터리에 관하여 배터리를 위해 허용가능한 이용가능 방전 전류의 이 시간의 면에서 규정된 성능을 공급하기 위한 배터리의 용량 그리고 배터리 건강의 상태를 반영한다.
상기 MBS 시스템은 배터리를 위한 허용가능 동작 범위를 항상 정의하며, 그 허용가능 동작 범위는 어쩌면 온도에 종속될 수 있다. 디폴트로, 도 1에서의 그래프에서 도시된 것처럼, 충전 상태의 최소 BSOCmin 레벨 및 최대 BSOCmax 레벨 사이에서 정해진 이 허용가능 동작 범위는 배터리의 수명의 함수로서 변하지는 않는다고 처음에 간주될 수 있다. 다른 말로 하면, 충전 상태의 최소 BSOCmin 레벨 및 최대 BSOCmax 레벨은 배터리의 함수로서 고정되어 유지된다.
이 경우에, 최소 기간 (보통 2년)에 대해 주위 온도에서 필요한 최소 에너지 레벨 그리고 추울 때에 (보통 -20˚C) BSOCmin 에서 필요한 최소 전력 레벨을 동시에 보증하기 위해서 배터리의 용량이 크기 조절된다면, 배터리의 수명 시작 부분에서, 도 1에서의 그래프들에 도시된 것처럼, 사용자는 추울 때에 (보통 -20˚C) BSOCmin 에서 이용가능한 전력의 나머지 그리고 주위 온도에서 이용가능한 에너지의 나머지 두 가지 모두를 가진다는 것을 알 수 있다.
그래서, 도 2의 그래프들에서 도시된 것처럼, 배터리의 동작 범위의 관리를 최적화하는 첫 번째 방법은 배터리의 전체 수명에 걸쳐 엄격하게 필수적으로 필요한 최소 전력 레벨을 보증하기 위해서 배터리의 수명의 시작에서 BSOCmin 의 하단 레벨을 정의하는 것으로 이루어진다. 이 접근 방법에 추가로, 도 1에 도시된 배터리의 동작 범위의 구성에 관하여 사용자를 위해 이용가능한 동일한 에너지 레벨을 유지하면서 BSOCmax 를 감소시키는 것이 또한 가능하다. 충전 상태의 최대 허용가능 레벨의 이 감소는 배터리의 내구성을 향상시키는 것을 가능하게 하며, 이는 적어도 배터리의 수명의 시작 부분에서, 배터리가 충전의 높은 상태 (이것은 실제로 배터리를 저하시킨다)에서 덜 시간을 보낼 것이기 때문이다. 대조적으로, 배터리의 시작 부분에서, 주변 온도에서 사용자를 위해 이용가능한 에너지를 노화 (ageing)의 함수로서 보여주는 도 2의 그래프에 도시된 것처럼, 사용자는 필요한 최소 에너지 레벨에 관해 이용가능한 에너지의 불필요한 잉여분을 여전히 잠재적으로 가질 것이다. 그래서, 비록 이 최적화의 이 첫 번째 방식이 배터리의 전체 수명에 걸쳐서 필요한 최소 전력 레벨에 관하여 이용가능한 전력의 면에서 엄격하게 필요한 소망되는 성능을 보증하는 것을 가능하게 하지만, 그러나, 그것은 필요한 최소 에너지 레벨에 관하여 엄격하게 필요한 이용가능 에너지의 면에서 소망되는 성능 레벨을 공급하는 것을 가능하게 한다.
그래서, 도 3의 그래프에서 도시되듯이, 배터리의 동작 범위의 관리를 최적화하는 두 번째 방식은 배터리의 전체 수명에 걸쳐서 필요한 최소 에너지 레벨에 관하여 사용자를 위해 엄격하게 필요한 이용가능한 에너지를 보증하기 위해서 배터리 수명의 시작 부분에서 추가적으로 BSOCmax를 줄이는 것이다. 충전 상태의 최대 허용가능 레벨 BSOCmax 을 이렇게 추가적으로 감소시키는 것은 배터리의 내구성을 개선하는 것을 가능하게 하며, 이는 적어도 배터리의 시작 부분에서, 그 배터리는 높은 상태의 충전 (이는, 실제로, 배터리를 저하시킨다)에서 아주 더 작은 시간을 지낼 것이기 때문이다. 배터리의 내구성에서의 추가의 이득을 위해서 최적화의 이 두 번째 방식은 위에서 제시된 첫 번째 최적화 방식과 결합될 수 있다.
전술한 내용에 관련하여, 바람직한 일 실시예에 따라, 상기 BMS 시스템은 그러므로 배터리의 충전 상태의 최소의 허용가능 레벨 BSOCmin를 배터리의 전력의 면에서의 건강 상태 SOHP의 함수로서 변조하기 위한 로직을 구현하기 위해 바람직하게 설계되며, 이는 노화가 진행되는 배터리를 위한 허용가능 방전 전력의 점차적인 감소를 보상하기 위한 것이다. 더욱 정밀하게는, 충전 상태의 상기 최소 허용가능 레벨은 상기 배터리의 노화의 증가의 함수로서, 배터리의 전체 수명에 걸쳐 필요한 최소 전력 레벨을 보장하기 위한 한계 값까지 증가된다. 도 2 및 도 3에서 표시된 것처럼, 배터리가 더 노화될수록, 이용가능한 방전 전력의 손실에 대해 보상하기 위해서 충전 상태의 최소 레벨 BSOCmin을 증가시키는 것이 더 필요하다. 다른 말로 하면, 배터리의 전력의 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최소 레벨은 증가한다.
더욱이, 상기 BMS 시스템은 배터리의 충전 상태의 최대의 허용가능 레벨 BSOCmax를 배터리의 에너지 면에서의 건강 상태 SOHE의 함수로서 변조하기 위한 로직을 구현하기 위해 바람직하게 설계되며, 이는 배터리의 전체 용량의 손실에 대해 보상하고, 그래서 내구성을 보존하면서도 충분하게 긴 기간에 걸쳐서 필요한 최소 에너지 레벨을 유지하기 위한 것이다.
그래서, 충전 상태의 최소 레벨은 - 배터리는 그 최소 레벨 아래로 떨어지는 것이 허용되지 않는다 - 배터리 전력의 면에서의 건강 상태 - 이것은 노화에 종속한다 - 계산에 기초하여 본 발명에 따라 관리된다. 배터리 전력의 면에서의 건강 상태 계산의 일반적인 원칙은 도 4를 참조하여 설명된다. 그래서, 시각 t1 및 시각 t2 사이의 범위인 시간 구간, 예를 들면, 10초와 동일한 시간 구간 동안에 전류의 변이 ΔIbat 는 셀 전압 ΔVcell 의 변이와 비교된다. 그래서 이 두 변이들 사이의 비율은 셀의 피상 저항
Figure pct00007
에 대응한다. 이 저항이 특정 주파수 범위에 걸쳐서 결정된다면, 셀 임피던스 대신에 참조될 것이라는 것에 유의한다. 이런 정보에 기초하여, 상기 BMS 시스템이 제공되어, 이 피상 저항을 동일한 컨디션들에서 상기 셀이 새것일 때에 그 셀이 가질 내부 저항
Figure pct00008
의 값과 비교한다. 실제로, 상기 BMS 시스템은 그래서 배터리의 전력 면에서의 건강 상태 SOHP를 다음의 방식으로 계산한다:
Figure pct00009
, 그래서 이것은 셀의 내부 저항에서의 증가라는 특징을 가진 비율을 정의한다.
전체 온도 및 충전 범위 상태에 걸쳐서 유효한 SOHP의 단일 값을 결정하기 위해 선택하는 것이 가능할 것이며, 또는 그렇지 않고 SOHP의 값들을 배터리 온도의 함수로서 결정하기 위해 선택하는 것이 가능할 것이다.
그래서 상기 BMS 시스템이 제공되어, 배터리의 충전 상태의 최소 허용가능 레벨을 배터리의 전력 면에서의 건강 상태의 함수로서 결정하도록 하고 그래서 추정되도록 한다.
상기 이용가능한 방전 전력은, 한 편으로는 차단 전압 레벨 Vmin 아래로 떨어지지 않으면서, 그리고, 다른 한 편으로는 최대 방전 전류 Ibat_MAX 를 초과하지 않으면서 공급하기 위해 배터리가 알고 있는 전력의 최대값에 대응한다
그래서, 수학적으로, 충전 상태의 레벨로부터의 상기 이용가능 방전 전력은 다음의 방식으로 계산될 수 있다.
Figure pct00010
그래서, 도 5를 참조하여 도시된 것처럼, 상기 이용가능 방전 전력은 배터리의 내부 저항에 직접적으로 종속된다. 수명의 시작 부분에서의 배터리의 내부 저항의 레벨 DCRBOL은 물론이며, 배터리의 전력 면에서의 건강 상태 SOHP가 고려된다면, 다음의 식이 얻어진다:
Figure pct00011
배터리의 노화에 따라, 배터리 전력의 면에서의 건강 상태 SOHP에서의 감소는 주어진 충전 상태에 대해 이용 가능한 전력의 감소의 결과를 가져오는 것으로 보인다. 그래서, 노화된 배터리, 즉, 100%보다 작은 SOHP를 가진 배터리에 대해, 필요한 최소의 전력 레벨을 보장하기 위해서, 무-부하 전압 OCV를 증가시키고 그리고 결과적으로는 충전 상태의 최소 레벨 BSOCmin 를 증가시키는 것이 필요하다.
그래서, 각 온도에서 (더군다나 추울 때에), 그리고 SOHP의 각 레벨에 대해, 충전 상태의 최소 레벨 BSOCmin을 결정하는 것이 가능하며, 필요한 최소 전력을 보장하는 것을 가능하게 한다. 도 6에 도시되듯이, 그러므로, 그것으로부터, 충전 상태의 최소 허용가능 레벨 BSOCmin 의 맵 (map)을 노화의 함수로서, 더 상세하게는, 배터리 전력의 면에서의 건강 상태 SOHP의 진행의 함수로서 추론하는 것이 가능하며, 그것으로부터, 배터리 전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 최소 허용가능 레벨은 증가하는 것으로 보인다.
배터리 에너지 면에서의 건강 상태 SOHE를 추정하기 위해 상기 BMS 시스템은 또한 제공된다. 배터리 에너지 면에서의 건강 상태를 추정하기 위한 여러 방법들이 존재한다. 이 추정을 위해서, 특허 "METHOD AND APPARATUS OF ESTIMATING STATE OF HEALTH OF BATTERY" (US2007/0001679 A1)에서 또는 논문 "R. Spotnitz, "Simulation of capacity fade in lithium ion batteries", Journal of Power Sources 113 (2003) 72-80"에서 제시된 방법들 중 하나를 예로서 사용할 수 있을 것이다.
배터리의 전체 수명에 걸쳐서 엄격하게 필수적으로 필요한 최소 전력 레벨을 보증하기 위해서 충전 상태의 최소 허용가능 레벨 BSOCmin를 전력 면에서의 건강 상태 SOHP의 함수로서 변조하는 것으로 구성된 첫 번째 방식의 최적화에 추가로, 도 1에서 도시된 레퍼런스 동작 범위의 구성에 관하여 동일한 양의 에너지를 유지하기 위해서, 충전 상태의 최대 허용가능 레벨 BSOCmax 을 전력 면에서의 건강 상태 SOHP의 함수로서 변조하는 것이 또한 가능하는 것을 위에서 알 수 있다. 그러므로, 첫 번째 근사화로서, 도 7에서 도시된 것처럼, 배터리의 전체 수명에 걸쳐서 BSOCmax 및 BSOCmin 사이에 일정한 충전 상태 간극을 유지하는 것이 그래서 고려될 수 있다.
배터리 전력의 면에서의 건강 상태 SOHP를 기초로 하여 충전 상태의 최대 허용가능 레벨 BSOCmax을 배타적으로 결정하는 것을 계속하는 원칙을 유지하면서도, 낮은 상태의 충전에서 1 암페어 시 (ampere hour)가 높은 상태의 충전에서의 1 암페어 시보다 더 많은 에너지를 포함하는 한, BSOCmax 및 BSOCmin 사이에서의 이 간극을 약간 수정하는 것이 가능할 것이다.
위에서 제시된 배터리의 동작 범위를 과니하는 두 번째 방식의 맥락에서, 배터리 충전 상태의 최대 허용가능 레벨 BSOCmax 은 상기 엄격하게 필수적으로 필요한 에너지 레벨을 보장하기 위해 결정된다. 즉, 그것은 배터리 전력 면에서의 건강 상태 SOHP의 함수로서 더 이상 결정되지는 않지만, 배터리 에너지 면에서의 건강 상태 SOHE의 함수로서 결정된다. 이것을 하기 위해, 상기 BMS에서 구현된 맵 VcutOff = f(SOHE)는 위에서 제시된 방식으로 추정된 SOHE를 기초로 하여 충전의 마지막 전압 (end-of-charge voltage) VCutOff를 결정하는 것을 가능하게 하며 그리고, 도 8에 도시되듯이, 상기 충전의 마지막 전압 VCutOff를 증가시켜서 배터리 용량의 손실 (배터리 에너지 면에서의 건강 상태 SOHE의 감소)에 대해 보상하는 것을 가능하게 한다. 그래서 상기 충전의 마지막 전압 그래서 충전 상태의 최대 허용가능 레벨은 배터리 노화의 증가 상태 (에너지 면에서의 건강 상태의 감소 상태)의 함수로서, 배터리의 전체 수명에 걸쳐서 필요한, 일정한, 최소의 에너지 레벨을 보장하기 위한 한계 값까지 증가된다.
배터리의 충전 상태의 최대 허용가능 레벨 BSOCmax 은 그래서 막 설명된 것처럼 배터리 에너지 면에서의 건강 상태 SOHE의 함수로서만이 아니라, 위에서 설명되었던 것처럼, 배터리 전력 면에서의 건강 상태 SOHP의 함수로서 또한 결정될 수 있으며, 이것은, 위에서 설명된 것처럼, 충전 상태의 최소 레벨 BSOCmin 이 배터리 전력 면에서의 건강 상태에서의 감소에 따라 증가하며 그래서 레퍼런스 동작 범위에 대해 사용자를 위해서 동일한 에너지 레벨을 유지시킨다는 사실을 고려하기 위해서 행해진다. 이것을 하기 위해서, SOHP의 진행 그리고 SOHE의 진행 사이에 상호 관계 (correlation)가 존재하며, 이 상호 관계는 셀들 상에 수행된 (오프라인) 테스트들을 기초로 하여 경험적으로 결정될 수 있다는 사실을 고려하는 것이 유용할 것이다. 다른 말로 하면, 충전 상태의 최대 레벨 - 배터리는 이 최대 레벨을 넘어서 증가하도록 허용되지 않는다 -을 관리하기 위해서, 상기 BMS 시스템은 충전 상태의 최대 허용가능 레벨 BSOCmax 를 SOHP 계산만의 함수, 또는 SOEH 계산만의 함수, 또는 그렇지 않고 둘 (SOHP 및 SOHE)의 조합의 함수 중 어느 하나로서 변조하기 위한 로직을 구현하도록 설계된다.
본 발명에 따라 배터리의 동작 범위를 관리하기 위한 최적의 전략은 그래서 수명 시작 부분에서, 배터리를 (말하자면 배터리의 동작 온도를) 충전 상태의 상기 최소 허용가능 레벨 및 충전 상태의 상기 최대 허용가능 레벨 둘 모두를 위해 엄격하게 필수적인 것으로 강제함으로써, 상기 엄격하게 필수적인 필요한 최소 에너지 레벨 그리고 필요한 최소 전력 레벨을 보장하는 것을 가능하게 만드는 것이다. 차량이 사용되는 초기 연도들 동안에, 이 전략은, 그 밑으로는 배터리가 떨어지는 것이 허용되지 않는 충전 상태의 최소 레벨을 점차적으로 증가시킴으로써 이용가능 방전 전력의 손실에 대한 보상을 하는 것을 가능하게 한다. 또한, 수명 시작 부분에서 배터리의 동작 범위를 제한함으로써 그리고 충전의 마지막 전압 (그러므로 충전 상태의 최대 허용가능 레벨)을 노화의 함수로서 점차적으로 증가시킴으로써, 차량이 사용되는 초기 연도들 동안에, 배터리 용량의 손실에 대해 보상하는 것을 또한 가능하게 한다. 이 전략은 최소한 초기 연도들 동안에 (이용가능한 전력의 면에서 그리고 이용가능한 에너지의 면에서) 상기 배터리가 저하되고 있다는 사실을 감추는 것을 유리하게도 가능하게 하며, 그리고 배터리가 (감소된 충전의 마지막 전압으로) 제한된 동작 범위에 걸쳐서 사용되기 때문에 수명의 시작 부분에서 배터리의 저하를 제한시키는 것을 또한 가능하게 한다.

Claims (10)

  1. 배터리의 허용가능 동작 범위를 관리하는 방법으로,
    상기 허용가능 동작 범위는 상기 배터리의 충전 상태의 최소 레벨 (BSOCmin) 및 최대 레벨 (BSOCmax) 사이에서 경계가 정해지며,
    상기 방법은 상기 배터리의 전력 면에서의 건강 상태 (state of health in terms of power (SOHP))를 추정하는 단계를 포함하며,
    전력 면에서의 상기 건강 상태는 상기 동작 범위 전체에 걸쳐 필요한 최소 전력 레벨을 공급하기 위한 상기 배터리의 용량의 특성을 기술하며,
    상기 방법은 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최소 레벨 (BSOCmin)을 상기 추정된, 전력 면에서의 건강 상태 (SOHP)의 함수로서 결정하는 단계를 더 포함하며,
    전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최소 레벨은 증가하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨 (BSOCmax)을 상기 배터리의 상기 추정된, 전력 면에서의 건강 상태 (SOHP)의 함수로서 결정하는 단계를 포함하며,
    전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최대 레벨은 증가하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서:
    - 상기 배터리의 에너지 면에서의 건강 상태 (state of health in terms of energy (SOHE))를 추정하는 단계로, 에너지 면에서의 상기 건강 상태는 상기 동작 범위 전체에 걸쳐 필요한 최소 에너지 레벨을 공급하기 위한 상기 배터리의 용량의 특성을 기술하는, 추정 단계;
    - 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨 (BSOCmax)을 상기 배터리의 상기 추정된, 에너지 면에서의 건강 상태의 함수로서 결정하는 단계로, 에너지 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최대 레벨은 증가하는, 결정 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리의 수명의 시작 부분에서 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최소 레벨 (BSOCmin)을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리의 수명의 시작 부분에서 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨 (BSOCmax)을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리의 전력 면에서의 상기 건강 상태 (SOHP)의 추정은, 주어진 온도에서 배터리의 내부 저항 및 충전 컨디션들의 상태를 그 배터리가 새 것일 때에의 상기 컨디션들에서의 상기 내부 저항의 값과 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 배터리의 허용가능 동작 범위를 관리하는 디바이스로,
    상기 허용가능 동작 범위는 상기 배터리의 충전 상태의 최소 레벨 (BSOCmin) 및 최대 레벨 (BSOCmax) 사이에서 경계가 정해지며,
    상기 디바이스는 상기 배터리의 전력 면에서의 건강 상태 (state of health in terms of power (SOHP))를 추정하는 수단으로, 전력 면에서의 상기 건강 상태는 상기 동작 범위 전체에 걸쳐 필요한 최소 전력 레벨을 공급하기 위한 상기 배터리의 용량의 특성을 기술하는, 추정 수단, 그리고
    상기 배터리의 충전 상태의 상기 최소 레벨을 상기 추정된, 전력 면에서의 건강 상태의 함수로서 결정하여, 상기 배터리의 전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최소 레벨은 증가하도록 하는, 프로세싱 수단을 포함하는, 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세싱 수단은, 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨 (BSOCmax)을 상기 배터리의 전력 면에서의 상기 추정된 건강 상태의 함수로서 결정할 수 있으며, 그래서 상기 배터리의 전력 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최대 레벨은 증가하도록 하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 디바이스는:
    상기 배터리의 에너지 면에서의 건강 상태 (SOHE)를 추정하기 위한 수단을 포함하며, 에너지 면에서의 상기 건강 상태는 상기 동작 범위 전체에 걸쳐 필요한 최소 에너지 레벨을 공급하기 위한 상기 배터리의 용량의 특성을 기술하며,
    상기 프로세싱 수단은 상기 배터리의 충전 상태의 상기 최대 레벨 (BSOCmax)을 상기 배터리의 에너지 면에서의 상기 추정된 건강 상태의 함수로서 결정할 수 있으며, 그래서 상기 배터리의 에너지 면에서의 건강 상태가 감소할 때에 충전 상태의 상기 최대 레벨이 증가하도록 하는, 디바이스.
  10. 배터리 그리고 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 상기 배터리의 허용가능 동작 범위를 관리하는 디바이스를 포함하는 자동차.
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