KR20210100845A - 배터리 관리 장치 및 배터리 관리 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 배터리 관리 방법 Download PDF

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고경철
서정민
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Abstract

고위험군 배터리 셀을 선별하고, 이를 이용하여 배터리 팩을 안정적으로 사용할 수 있는 최대 전류 제한값을 산출하는 배터리 관리 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따르면 복수개의 배터리 셀들의 최대 전압 변화량을 산출하여 고위험군 배터리 셀을 선별하여 관리할 수 있고, 배터리 셀이 동작 전압 범위를 벗어나지 않도록 하는 최대 전류 제한값을 최대 마진을 갖도록 산출함으로써 배터리 팩을 안정적으로 사용할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 배터리 관리 방법{Battery management system and battery management method}
본 발명은 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 동작 전압 범위를 벗어날 위험이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하고, 이를 이용하여 배터리 팩에 허용되는 전류 제한값을 산출하는 배터리 관리 장치 및 배터리 관리 방법에 관한 것이다.
전기 자동차에 사용되는 배터리의 상태(SoC : State Of Charge, SoH : State Of Health 등)를 추정하는 일반적인 방법으로서, 다수개의 배터리 셀들을 대표하는 값(대표 전압, 대표 내부 저항, 대표 용량 등)을 선정하여 배터리의 상태를 판단하는 방법이 있다.
배터리 관리 장치(Battery Management System; BMS)는 이렇게 판단한 배터리 상태를 이용하여 충전시 상한 전압과 방전시 하한 전압 사이에서 배터리가 충방전 되도록 배터리 팩에 흐르는 전류를 조절한다. 이는 충방전시 배터리 셀의 전압이 상,하한 전압의 경계 즉, 동작 전압 범위를 벗어나는 것이 반복되면 배터리 셀의 열화가 진행되어 배터리 수명에 부정적인 영향을 끼치게 되기 때문이다. 하지만 실제 배터리 팩은 생산 초기에서부터 각 배터리 셀간의 상태에 편차가 존재하며, 이러한 편차는 전기 자동차가 구동됨에 따라 더 증가할 수 있다. 이렇게 배터리 셀간 편차가 증가할 경우, 다수개의 배터리 셀들을 대표하는 값을 이용한 배터리 상태 추정 또한 오차가 증가하게 된다.
도 1a는 이상적인 배터리 팩의 경우의 시간에 따른 단자 전압의 변화를 나타낸다. 도 1a를 참고하면 이상적인 배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀은 내부 저항, 전류 용량 등이 동일하여 시간에 따른 단자 전압의 감소율이 일정하며 서로 동일한 단자 전압을 가지므로 대표값을 통해 배터리 상태를 판단하는 것에 문제가 없다.
이에 반해 도 1b는 실제 배터리 팩의 경우의 시간에 따른 단자 전압의 변화를 나타낸다. 도 1b를 참고하면 실제 배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀은 내부 저항, 전류 용량 등이 서로 상이하여 시간에 따른 단자 전압의 감소율이 서로 상이하므로 시간이 지날수록 각 배터리 셀의 단자 전압의 값에 편차가 심해지게 되며, 따라서 어느 하나의 셀을 대표로 하여 배터리 상태를 판단하거나 배터리 셀들의 평균값을 통해 배터리 상태를 판단하는 경우 충전시 충전 상한 전압에 먼저 도달하는 배터리 또는 방전시 방전 하한 전압에 먼저 도달하는 배터리가 생기게 된다. 이렇게 동작 전압 범위를 벗어나는 배터리는 지속적으로 열화가 진행되고 결국은 배터리팩 전체의 효율이 감소할 수 있음은 물론 배터리팩의 안정성이 감소하여 전기 자동차가 구동중 멈추는 위험이 초래될 수 있다.
따라서 이를 방지하기 위해서는, 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태를 파악할 필요가 있고, 배터리 셀들 중 동작 전압의 상한값 또는 하한값에 먼저 도달하여 열화가 진행될 가능성이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하여 상기 고위험군 배터리 셀에 흐르는 전류를 제한해 줄 필요가 있다.
공개특허공보 제10-2013-0110355호
본 발명은 배터리 팩의 실제 사용 가능 용량을 산출할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 복수개의 배터리 셀들 중 동작 전압의 상한값 또는 하한값에 먼저 도달하여 열화가 진행될 가능성이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하여 관리할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배터리 셀이 동작 전압 범위를 벗어나지 않도록 하는 전류 제한값을 정확하게 산출하는 장치 및 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 충전시 단자 전압 또는 방전시 단자 전압이 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 하나 이상의 고위험군 배터리 셀을 선별하는 배터리 관리 장치로서, 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 상태 정보 산출부; 및 상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 셀 선별부;를 포함하고, 상기 셀 선별부는, 상기 복수개의 배터리 셀들의 최대 전압 변화량을 산출하고 상기 최대 전압 변화량을 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위한 기준이 되는 전압 경계값을 산출하며 상기 전압 경계값을 기준으로 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 상태 정보 산출부는, 상기 배터리 팩으로부터 상기 배터리 셀들 각각의 전압, 상기 배터리 팩의 전류 및 상기 배터리 팩의 온도 중 적어도 하나 이상을 전달받아, 상기 상태 정보로서 상기 배터리 셀들 각각의 SoC(State of Charge), SoH(State of Health) 및 내부 저항 중 적어도 하나 이상을 산출할 수 있다.
상기 셀 선별부는, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값 및 충전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여 충전 최대 전압 변화량을 산출하고, 상기 동작 전압의 상한값에서 상기 충전 최대 전압 변화량을 더한 값을 충전 전압 경계값으로 산출하며, 상기 상한값보다 작고 상기 충전 전압 경계값보다 큰 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는, 충전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 상기 동작 전압의 상한값을 초과하여 충전되지 않도록 하기 위한 충전 최대 전류 제한값을 산출하는 전류 산출부를 더 포함할 수 있고, 상기 전류 산출부는, 상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 큰 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압, 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값, 및 단자 전압이 가장 큰 배터리 셀의 분극 전압을 이용하여 상기 충전 최대 전류 제한값을 산출할 수 있다.
한편 상기 셀 선별부는, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀을 선별하고, 상기 선별된 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값 및 방전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여 방전 최대 전압 변화량을 산출하고, 상기 동작 전압의 하한값에서 상기 방전 최대 전압 변화량을 더한 값을 방전 전압 경계값으로 산출하며, 상기 하한값보다 크고 상기 방전 전압 경계값보다 작은 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는, 방전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 상기 동작 전압의 하한값 미만이 되지 않도록 하기 위한 방전 최대 전류 제한값을 산출하는 전류 산출부를 더 포함할 수 있고, 상기 전류 산출부는, 상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 작은 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압, 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값, 및 단자 전압이 가장 작은 배터리 셀의 분극 전압을 이용하여 상기 방전 최대 전류 제한값을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 방법은, 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 충전시 단자 전압 또는 방전시 단자 전압이 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 하나 이상의 고위험군 배터리 셀을 선별하는 배터리 관리 방법으로서, 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 단계; 상기 상태 정보를 이용하여 상기 복수개의 배터리 셀들의 최대 전압 변화량을 산출하는 단계; 상기 최대 전압 변화량을 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위한 기준이 되는 전압 경계값을 산출하는 단계; 및 상기 전압 경계값을 기준으로 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 단계는, 상기 배터리 팩으로부터 상기 배터리 셀들 각각의 전압, 상기 배터리 팩의 전류 및 상기 배터리 팩의 온도 중 적어도 하나 이상을 전달받아, 상기 상태 정보로서 상기 배터리 셀들 각각의 SoC, SoH 및 내부 저항 중 적어도 하나 이상을 산출할 수 있다.
또한, 상기 최대 전압 변화량을 산출하는 단계는, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값, 및 충전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여, 충전 최대 전압 변화량을 산출할 수 있다.
또한, 상기 전압 경계값을 산출하는 단계는, 상기 동작 전압의 상한값에서 상기 충전 최대 전압 변화량을 더한 값을 충전 전압 경계값으로 산출할 수 있다.
또한, 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계는, 상기 상한값보다 작고 상기 충전 전압 경계값보다 큰 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 배터리 관리 방법은, 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계 이후에, 충전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 상기 동작 전압의 상한값을 초과하여 충전되지 않도록 하기 위한 충전 최대 전류 제한값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 최대 전류 제한값을 산출하는 단계는, 상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 큰 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압, 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값, 및 단자 전압이 가장 큰 배터리 셀의 분극 전압을 이용하여 상기 충전 최대 전류 제한값을 산출할 수 있다.
한편, 상기 최대 전압 변화량을 산출하는 단계는, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀을 선별하고, 상기 선별된 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값, 및 방전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여 방전 최대 전압 변화량을 산출할 수 있다.
여기서, 상기 전압 경계값을 산출하는 단계는, 상기 동작 전압의 하한값에서 상기 방전 최대 전압 변화량을 더한 값을 방전 전압 경계값으로 산출할 수 있다.
또한, 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계는, 상기 하한값보다 크고 상기 방전 전압 경계값보다 작은 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 관리 방법에 있어서 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계 이후에, 방전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 상기 동작 전압의 하한값 미만이 되지 않도록 하기 위한 방전 최대 전류 제한값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 최대 전류 제한값을 산출하는 단계는, 상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 작은 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압, 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값, 및 단자 전압이 가장 작은 배터리 셀의 분극 전압을 이용하여 상기 방전 최대 전류 제한값을 산출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상태 정보 산출부에서 복수개의 배터리 셀들 각각의 전압 등을 전달받고, 이를 이용하여 배터리 셀별로 상태 정보를 산출함으로써 배터리 셀별 편차가 존재하는 경우에도 배터리 팩 전체의 실제 사용 가능 용량을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 배터리 셀별로 산출된 상태 정보를 이용하여 셀 선별부에서 복수개의 배터리 셀들의 최대 전압 변화량을 산출할 수 있고, 이를 통해 동작 전압의 상한값 또는 하한값을 벗어날 가능성이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하여 관리할 수 있다.
또한, 본 발명은 전류 산출부가 최대 전류 제한값을 산출함에 있어서,각각의 파라미터마다 가장 열악한 조건을 가지는 배터리 셀의 값을 선택, 대입하여 산출함으로써 최대 마진을 가지는 정확도 높은 최대 전류 제한값이 산출할 수 있다.
도 1a는 이상적인 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 시간에 따른 단자 전압의 변화를 나타낸 도면이다.
도 1b는 실제 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 시간에 따른 단자 전압의 변화를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 배터리 관리 장치(Battery Management System; BMS)를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 관리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 배터리 팩에 최대 전류가 흐를때 배터리 셀의 단자 전압 변화량을 나타내는 도면이다.
도 5는 충전시 고위험군 배터리 셀을 선별하는 예시 도면이다.
도 6은 방전시 고위험군 배터리 셀을 선별하는 예시 도면이다.
도 7은 배터리 셀의 등가 회로도이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 관리 방법에 있어서 배터리 팩을 충전하는 경우인 제1 실시예를 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 관리 방법에 있어서 배터리 팩이 방전되는 경우인 제2 실시예를 나타낸 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2는 종래의 배터리 관리 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 배터리 관리 장치(10)는 배터리 팩(20)으로부터 팩 대표 전압, 전류 및 온도를 전달받아 상태 정보 산출부(11)에서 배터리 팩의 대표 SoC(State of Charge)와 배터리 팩(20)의 대표 SoH(State of Health) 및 배터리 팩(20)의 대표 내부 저항(Rs)을 산출한다. 이렇게 산출된 상기 대표 SoC, 대표 SoH 및 대표 내부 저항(Rs)을 이용하여 전류 산출부(12)에서 배터리 팩(20)이 동작 전압 범위 내에서 충방전될 수 있도록 하는 최대 전류 제한값이 산출되고, 상기 최대 전류 제한값이 VCU(vehicle Control Unit)(30)에 전달되어 상기 최대 전류 제한값 이내의 전류가 배터리 팩(20)에 흐를 수 있도록 부하가 조절되는 것이다.
이때, 부하는 모터를 제어하는 인버터, 배터리 팩(20)을 충전하기 위한 충전장치 등이 될 수 있다.
다만 상술한 바와 같이, 이상적인 배터리 팩과는 달리 실제 배터리 팩의 경우에는 배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀의 내부 저항(Rs), 전류 용량 등이 서로 상이하여 시간에 따른 단자 전압의 감소율이 서로 상이하고 시간이 지날수록 단자 전압의 편차가 심해지게 된다.
따라서, 배터리 팩의 안정성 및 효율을 위해서는 배터리 셀들 중 동작 전압의 상한값 또는 하한값에 먼저 도달하여 열화가 진행될 가능성이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하여 특별히 관리할 필요성이 있다.
또한, 배터리 팩에 허용되는 전류의 제한값에 최대 마진을 주어 어느 배터리 셀도 동작 전압 범위를 벗어나지 않는 정확한 최대 전류 제한값을 산출하기 위해서도 상기 고위험군 배터리 셀을 선별할 필요가 있다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(1000)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(1000)는 상태 정보 산출부(100), 셀 선별부(200) 및 전류 산출부(300)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 종래의 배터리 관리 장치(10)와 같이 배터리 팩(20)을 대표하는 상태 정보를 산출하여 최대 전류값을 산출하는 것이 아니라, 복수개의 배터리 셀별로 상태 정보를 산출하고 이를 이용하여 고위험군 배터리 셀을 선별함으로써, 이러한 고위험군 배터리 셀을 기준으로 충방전시 동작 전압 범위를 벗어나는 배터리가 생기지 않게 하는 최적화된 최대 전류 제한값이 산출될 수 있다.
이때, 동작 전압 범위란 배터리 셀이 열화되지 않고 안정적으로 충방전될 수 있는 전압 범위로서, 예를 들어 동작 전압의 상한값은 4.2V, 하한값은 2.7V로 기정해진 값일 수 있다.
이하부터는 보다 구체적으로 본 발명의 배터리 관리 장치(1000)의 각 구성에 대해 설명한다.
상태 정보 산출부(100)는 배터리 팩(20)에 포함된 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 구성이다.
여기서, 상태 정보 산출부(100)는 배터리 팩(20)으로부터 배터리 팩(20)에 포함된 배터리 셀들 각각의 전압, 배터리 팩(20)의 전류 및 배터리 팩(20)의 온도 중 적어도 하나 이상을 전달받아, 상태 정보로서 상기 배터리 셀들 각각의 SoC(State of Charge), SoH(State of Health) 및 내부 저항(Rs) 중 적어도 하나 이상을 산출할 수 있다. 이렇게 산출된 배터리 셀들 각각의 상태 정보는 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위해 셀 선별부(200)에 전달된다.
한편, 본 발명에서 내부 저항이란 배터리 셀 각각이 갖는 고유 저항을 의미하며, 각각의 배터리 셀에 동일한 전류가 흐를 경우, 내부 저항이 높은 배터리 셀일수록 충전되는 전압 또는 가용 전압이 낮아지므로 배터리 셀의 이용 효율은 감소된다. 내부 저항은 배터리 셀의 생산 초기의 공차 또는 구동에 따른 열화 정도에 따라 각 배터리 셀별로 다른 값을 가질 수 있다. 이러한 내부 저항은 다양한 공지된 기술에 의해 산출될 수 있는데, 예를 들어 충방전 전류를 각각의 배터리 셀에 일정 시간 동안 펄스형태로 인가하고, 이때 각각의 배터리 셀에 나타나는 전압 변화량 및 전류 변화량을 측정하여, 상기 전압 변화량 및 전류 변화량을 저항값으로 환산하는 DCIR(Direct Current Internal Resistance) 측정 기법을 통해 내부 저항이 산출될 수 있다.
더불어, 전압, 전류 및 온도 등을 이용하여 SoC 및 SoH 등을 산출하는 방법 또한 공지된 기술이므로 본 발명에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이렇게 상태 정보 산출부(100)에서 배터리 셀별로 상태 정보를 산출하므로, 배터리 셀별 상태에 편차가 존재하는 경우에도 배터리 팩 전체의 실제 사용 가능 용량을 알 수 있다.
셀 선별부(200)는 상태 정보 산출부(100)로부터 전달받은 배터리 셀 각각의 상태 정보를 이용하여 고위험군 배터리 셀을 선별하는 구성이다.
보다 구체적으로, 셀 선별부(200)는, 복수개의 배터리 셀들의 최대 전압 변화량을 산출하고 상기 최대 전압 변화량을 이용하여 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위한 기준이 되는 전압 경계값을 산출하며, 상기 전압 경계값을 기준으로 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 관리 장치(1000)는 배터리 셀이 동작 전압 범위를 벗어나지 않도록 하는 최대 전류 제한값을 산출하는 전류 산출부(300)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 7을 더 참고하여 셀 선별부(200) 및 전류 산출부(300)에 대해, 배터리 팩이 충전되는 경우와 방전되는 경우로 나누어 설명한다.
도 4는 배터리 팩에 최대 전류가 흐를때 배터리 셀의 단자 전압 변화량을 나타내는 도면이고, 도 5는 충전시 고위험군 배터리 셀을 선별하는 예시 도면이며, 도 6은 방전시 고위험군 배터리 셀을 선별하는 예시 도면이다. 도 7은 배터리 셀의 등가 회로도이다.
1. 배터리 팩이 충전되는 경우
셀 선별부(200)는 복수개의 배터리 셀들 중 SoH(State of Health)가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값 및 충전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여, 충전 최대 전압 변화량을 산출한다.
이때, 충전시 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류란, 배터리 사양에 따라 달라지는 값으로서 예를 들어 충전시 최대 전류는 -200A로 셀 선별부(200)에 기저장되어 있을 수 있다.
여기서, 도 4를 참고하면 충전중 t0 시점에서 어떤 이유로 충전시에 배터리 팩(또는 배터리 셀)에 흐를 수 있는 최대 전류(ICHA)가 흐르게 되면, 배터리 셀의 단자 전압 변화량이 최대가 되고 이때의 전압 변화량을 충전 최대 전압 변화량(ΔVCHA)이라고 한다. 이는 하기의 수학식 1을 통해 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, OCV(Open Circuit Voltage)란 배터리 셀의 개방 단자 전압을 의미하는 것이고, ΔOCV는 배터리 셀의 개방 단자 전압의 변화량이다. OCV는 SoC에 매칭되는 값으로서 셀 선별부(200)에 기저장되어 있을 수 있다.
이때, ΔOCVCHA는 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 OCV와 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값으로 하는 것이 바람직하다. SoH가 낮은 배터리 셀일수록 구동에 의한 열화가 가장 많이 진행된 상태이거나 제작 당시의 공차 또는 결함에 의해 내부 저항이 높은 상태이므로 동일한 전류로 충전될 때 배터리 셀의 단자 전압 변화량이 가장 크게 변할 수 있기 때문이다.
즉, 셀 선별부(200)는 상태 정보 산출부(100)에서 산출된 SoC, SoH를 전달받아 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 OCV를 산출할 수 있고, 만충전시 OCV는 SoC 100%에 매칭되는 값이므로, 셀 선별부(200)는 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 SoC에 매칭되는 OCV에서 SoC 100%에 매칭되는 OCV를 빼면 ΔOCVCHA를 구할 수 있다.
ICHA는 충전시 배터리 셀에 흐를 수 있는 최대 전류로서 상술한 바와 같이 -200A인 경우 이 값을 대입한다.
RS는 상태 정보 산출부(100)에서 산출된 배터리 셀의 내부 저항값으로서, 내부 저항이 가장 큰 배터리 셀의 내부 저항값을 대입하는 것이 바람직하다. 내부 저항이 큰 배터리 셀일수록 동일한 전류로 충전될 때 배터리 셀의 단자 전압 변화량이 가장 크게 변할 수 있기 때문이다.
다시 말해, 상기 수학식 1의 각 파라미터에는 충전 최대 전압 변화량이 최대값을 가지게 하는 값들을 대입하여, 가정할 수 있는 가장 큰 전압 변화량이 산출될 수 있도록 한다. 이를 통해 후술할 고위험군 배터리 셀 선별시 동작 전압 범위를 벗어날 위험이 있는 모든 배터리 셀을 선별할 수 있다.
또한, 셀 선별부(200)는 동작 전압의 상한값(예를 들어 4.2V)에서 상기 산출된 충전 최대 전압 변화량(ΔVCHA)을 더하여 충전 전압 경계값을 산출할 수 있고, 상기 동작 전압의 상한값보다 작고 상기 충전 전압 경계값보다 큰 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이, 동작 전압 상한값과 충전 최대 전압 변화량(ΔVCHA)을 더하면 충전 전압 경계값이 되고, 상기 동작 전압 상한값과 상기 충전 전압 경계값 사이의 단자 전압을 갖는 배터리 셀 A, B, C 및 D를 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
배터리 셀 D를 예로 들어 더 구체적으로 설명하자면, 충전시에 배터리 셀에 어떠한 사유로 최대 전류가 흘러 충전 최대 전압 변화량(ΔVCHA)만큼 전압이 상승하게 되면 단자 전압이 동작 전압의 상한값을 초과하게 되는데, 이는 배터리 셀의 열화를 야기할 수 있다. 마찬가지로 배터리 셀 A 내지 C도 같은 위험이 존재하므로 셀 A 내지 셀 D를 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따르면 상태 정보 산출부(100)가 배터리 셀별로 상태 정보를 산출하고, 이를 토대로 셀 선별부(200)가 배터리 셀의 최대 전압 변화량을 산출함으로써 배터리 셀별로 각각 단자 전압이 동작 전압의 상한값을 벗어날 위험이 있는지 예측할 수 있고, 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하여 어느 배터리 셀도 동작 전압을 초과하여 충전되지 않게 관리할 수 있다.
또한, 전류 산출부(300)에서 최대 전류 제한값을 산출할 때 각 파라미터에 대입되는 값을 선별된 고위험군 배터리 셀에서 선택하므로, 최대 전류 제한값을 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 전류 산출부(300)에서 최대 전류 제한값을 산출할 때 선별된 고위험군 배터리 셀만을 고려하므로 최대 전류 제한값 산출시 과도한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
또한, 선별된 고위험군 배터리 셀들은 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 열화가 빨리 진행될 가능성이 있는 배터리 셀들이므로, 배터리 팩에 포함되는 전체 배터리 셀들 중 상기 고위험군 배터리 셀들은 우선적으로 교체 여부를 판단받을 대상으로서 지속적으로 관리될 수 있다. 즉, 효율적으로 배터리 팩이 유지, 관리될 수 있다.
한편, 전류 산출부(300)는 충전시 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 동작 전압의 상한값을 초과하여 충전되지 않도록 하기 위한 충전 최대 전류 제한값을 산출하는 구성이다.
도 7을 참고하면, Rs는 배터리 셀의 내부 저항을 나타내고, R1은 분극(polarization) 저항을 나타내며 R1과 병렬 연결된 C1은 분극 커패시터를 나타낸다. 또한, V1은 분극 전압으로서 배터리가 충방전될 때 양극과 음극에 분극이 누적되어 생기는 전압이다. R1과 C1은 실험을 통해 미리 설정된 값으로서 전류 산출부(300)에 기저장되어 있을 수 있다.
전류 산출부(300)는, 셀 선별부(200)에서 선별된 고위험군 배터리 셀을 이용하여 하기 수학식 2를 통해 충전 최대 전류 제한값을 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
상기 수학식 2에서, OCVCHA는 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 큰 SoC(State of Charge)를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압을 대입한다.
ΔOCVCHA는 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압에서 만충전시 개방 단자 전압을 뺀 값을 대입한다.
V1 CHA init은 현재 단자 전압이 가장 큰 배터리 셀의 분극 전압을 대입한다.
VCHA max에는 배터리 셀의 동작 전압의 상한값을 대입한다.
ICHA max는 상기 수학식 2로부터 산출되는 충전시 최대 전류 제한값이다.
t는 시간(sec)으로서 예를 들어 10초 단위로 최대 전류 제한값을 산출하는 경우 10을 대입한다.
Rs는 최대 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값을 대입하고, R1 및 C1은 배터리 셀들의 평균값을 대입한다.
상기 수학식 2는, 현재시점에서 t초 만큼 전류가 흘렀을 때 동작 전압의 상한값(VCHA max)에 도달한다고 가정하고 최대 전류 제한값(ICHA max)을 구하는 것으로서, 상술한 바와 같이 각각의 파라미터마다 가장 열악한 조건을 가지는 배터리 셀의 값을 선택하여 대입함으로써 최대 마진을 가지는 최대 전류 제한값이 산출될 수 있다. 최대 전류 제한값이 최대 마진을 갖도록 산출되면 어느 배터리 셀도 동작 전압 범위를 벗어나지 않게 된다. 즉, 산출된 최대 전류 제한값의 정확도가 보장된다.
2. 배터리 팩이 방전되는 경우
셀 선별부(200)는 복수개의 배터리 셀들 중 SoH(State of Health)가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값 및 방전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여, 방전 최대 전압 변화량을 산출한다.
이때, 방전시 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류란, 배터리 사양에 따라 달라지는 값으로서, 예를 들어 방전시 최대 전류는 400A로 셀 선별부(200)에 기저장되어 있을 수 있다.
여기서, 도 4를 참고하면 방전중 t0 시점에서 어떤 이유로 방전시에 배터리 팩(또는 배터리 셀)에 흐를 수 있는 최대 전류(IDCH)가 흐르게 되면, 배터리 셀의 단자 전압 변화량이 최대가 되고 이때의 전압 변화량을 방전 최대 전압 변화량(ΔVDCH)이라고 한다. 이는 하기의 수학식 3을 통해 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
이때, ΔOCVDCH는 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 OCV와 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값으로 하는 것이 바람직하다. SoH가 낮은 배터리 셀일수록 구동에 의한 열화가 가장 많이 진행된 상태이거나 제작 당시의 공차 또는 결함에 의해 내부 저항이 높은 상태이므로 동일한 전류로 방전될 때 배터리 셀의 단자 전압 변화량이 가장 크게 변할 수 있기 때문이다.
즉, 셀 선별부(200)는 상태 정보 산출부(100)에서 산출된 SoC, SoH를 전달받아 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 OCV를 산출할 수 있고, 완전 방전시 OCV는 SoC 0%에 매칭되는 값이므로, 셀 선별부(200)는 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 SoC에 매칭되는 OCV에서 SoC 0%에 매칭되는 OCV를 빼면 ΔOCVDCH를 구할 수 있다.
IDCH는 방전시 배터리 셀에 흐를 수 있는 최대 전류로서 상술한 바와 같이 400A인 경우 이 값을 대입한다.
RS는 상태 정보 산출부(100)에서 산출된 배터리 셀의 내부 저항값으로서, 내부 저항이 가장 큰 배터리 셀의 내부 저항값을 대입하는 것이 바람직하다. 내부 저항이 큰 배터리 셀일수록 동일한 전류로 방전될 때 배터리 셀의 단자 전압 변화량이 가장 크게 변할 수 있기 때문이다.
다시 말해, 상기 수학식 3의 각 파라미터에는 방전 최대 전압 변화량이 최대값을 가지게 하는 값들을 대입하여, 가정할 수 있는 가장 큰 전압 변화량이 산출될 수 있도록 한다. 이를 통해 후술할 고위험군 배터리 셀 선별시 동작 전압 범위를 벗어날 위험이 있는 모든 배터리 셀을 선별할 수 있다.
또한, 셀 선별부(200)는 동작 전압의 하한값(예를 들어 2.7V)에서 상기 산출된 방전 최대 전압 변화량(ΔVDCH)을 더하여 방전 전압 경계값을 산출할 수 있고, 상기 동작 전압의 하한값보다 크고 상기 방전 전압 경계값보다 작은 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, 동작 전압 하한값과 방전 최대 전압 변화량(ΔV)을 더하면 방전 전압 경계값이 되고, 상기 동작 전압 하한값과 상기 방전 전압 경계값 사이의 단자 전압을 갖는 배터리 셀 A, B, C 및 D를 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
배터리 셀 A를 예로 들어 더 구체적으로 설명하자면, 방전시에 배터리 셀에 어떠한 사유로 최대 전류가 흘러 방전 최대 전압 변화량(ΔVDCH)만큼 전압이 하강하게 되면 단자 전압이 동작 전압의 하한값 미만까지 방전되게 되는데, 이는 배터리 셀의 열화를 야기할 수 있다. 마찬가지로 배터리 셀 B 내지 D도 같은 위험이 존재하므로 셀 A 내지 셀 D를 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따르면 상태 정보 산출부(100)가 배터리 셀별로 상태 정보를 산출하고, 이를 토대로 셀 선별부(200)가 배터리 셀의 최대 전압 변화량을 산출함으로써 배터리 셀별로 각각 단자 전압이 동작 전압의 하한값을 벗어날 위험이 있는지 예측할 수 있고, 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별하여 어느 배터리 셀도 동작 전압 미만까지 방전되지 않게 관리할 수 있다.
또한, 전류 산출부(300)에서 최대 전류 제한값을 산출할 때 각 파라미터에 대입되는 값을 선별된 고위험군 배터리 셀에서 선택하므로, 최대 전류 제한값을 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 전류 산출부(300)에서 최대 전류 제한값을 산출할 때 선별된 고위험군 배터리 셀만을 고려하므로 최대 전류 제한값 산출시 과도한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
한편, 전류 산출부(300)는 방전시 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 동작 전압의 하한값 미만까지 방전되지 않도록 하기 위한 방전 최대 전류 제한값을 산출할 수 있다.
전류 산출부(300)는, 하기 수학식 4를 통해 방전 최대 전류 제한값을 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
상기 수학식 4에서, OCVDCH는 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 작은 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압을 대입한다.
ΔOCVDCH는 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압에서 완전 방전시 개방 단자 전압을 뺀 값을 대입한다.
V1 DCH init은 현재 단자 전압이 가장 작은 배터리 셀의 분극 전압을 대입한다.
VDCH min에는 배터리 셀의 동작 전압의 하한값을 대입한다.
IDCH max는 상기 수학식 4로부터 산출되는 방전시의 최대 전류 제한값이다.
t는 시간(sec)으로서 예를 들어 10초 단위로 최대 전류 제한값을 산출하는 경우 10을 대입한다.
Rs는 최대 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값을 대입하고, R1 및 C1은 배터리 셀들의 평균값을 대입한다.
상기 수학식 4는, 현재시점에서 t초 만큼 전류가 흘렀을 때 동작 전압의 하한값(VDCH min)에 도달한다고 가정하고 최대 전류 제한값(IDCH max)을 구하는 것으로서, 상술한 바와 같이 각각의 파라미터마다 가장 열악한 조건을 가지는 배터리 셀의 값을 선택하여 대입함으로써 최대 마진을 가지는 최대 전류 제한값이 산출될 수 있다. 최대 전류 제한값이 최대 마진을 갖도록 산출되면 어느 배터리 셀도 동작 전압 범위를 벗어나지 않게 된다. 즉, 산출된 최대 전류 제한값의 정확도가 보장된다.
하기 표 1은, 최대 전류 제한값을 산출하기 위해 전류 산출부(300)에 의해 선택되는 배터리 셀을, 충전시와 방전시로 나누어 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure pat00005
한편, 도 8은 본 발명의 배터리 관리 방법에 있어서 배터리 팩(20)이 충전되는 경우인 제1 실시예를 나타낸 순서도로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 앞서 설명한 배터리 관리 장치(1000)에 의해 수행될 수 있다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 먼저, 배터리 팩(20)을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출한다(S110).
이때, 본 단계(S110)는 상태 정보 산출부(100)에 의해 수행될 수 있으며, 상태 정보 산출부(100)는 배터리 팩(20)으로부터 배터리 팩(20)에 포함된 배터리 셀들 각각의 전압, 배터리 팩(20)의 전류 및 배터리 팩(20)의 온도 중 적어도 하나 이상을 전달받아, 상태 정보로서 상기 배터리 셀들 각각의 SoC, SoH 및 내부 저항 중 적어도 하나 이상을 산출할 수 있다.
다음으로, 상기 상태 정보를 이용하여 상기 복수개의 배터리 셀들의 충전 최대 전압 변화량을 산출한다(S120).
이때, 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값(ΔOCVCHA), 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값(Rs) 및 충전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류(ICHA)를 이용하여, 상기 수학식 1을 통해 충전 최대 전압 변화량(ΔVCHA)을 산출할 수 있다.
다음으로, 상기 최대 전압 변화량을 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위한 기준이 되는 충전 전압 경계값을 산출한다(S130).
이때, 상기 동작 전압의 상한값에서 상기 충전 최대 전압 변화량을 더한 값을 충전 전압 경계값으로 산출할 수 있다.
마지막으로, 상기 충전 전압 경계값을 기준으로 동작 전압의 상한값을 초과하여 충전될 위험이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별한다(S140).
이때, 상기 동작 전압의 상한값보다 작고 상기 충전 전압 경계값보다 큰 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
상술한 S120 내지 S140 단계는 상술한 셀 선별부(200)에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 관리 방법은 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계(S140) 이후에, 충전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 동작 전압의 상한값을 초과하여 충전되지 않도록 하기 위한 충전 최대 전류 제한값을 산출하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 큰 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압(OCVCHA), 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값(ΔOCVCHA) 및 단자 전압이 가장 큰 배터리 셀의 분극 전압(V1 CHA init)을 이용하여, 상기 수학식 2를 통해 충전 최대 전류 제한값(ICHA max)을 산출할 수 있다.
도 9는 본 발명의 배터리 관리 방법에 있어서 배터리 팩(20)이 방전되는 경우인 제2 실시예를 나타낸 순서도로서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 앞서 설명한 배터리 관리 장치(1000)에 의해 수행될 수 있다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 먼저, 배터리 팩(20)을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출한다(S210).
이때, 본 단계(S110)는 상태 정보 산출부(100)에 의해 수행되며 상태 정보 산출부(100)는 배터리 팩(20)으로부터 배터리 팩(20)에 포함된 배터리 셀들 각각의 전압, 배터리 팩(20)의 전류 및 배터리 팩(20)의 온도 중 적어도 하나 이상을 전달받아, 상태 정보로서 상기 배터리 셀들 각각의 SoC, SoH 및 내부 저항 중 적어도 하나 이상을 산출할 수 있다.
다음으로, 상기 상태 정보를 이용하여 상기 복수개의 배터리 셀들의 방전 최대 전압 변화량을 산출한다(S220).
이때, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀을 선별하고, 상기 선별된 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값(ΔOCVDCH), 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값(Rs) 및 방전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류(IDCH)를 이용하여 상기 수학식 3을 통해 방전 최대 전압 변화량(ΔVDCH)을 산출할 수 있다.
다음으로, 상기 방전 최대 전압 변화량을 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위한 기준이 되는 방전 전압 경계값을 산출한다(S230).
이때, 상기 동작 전압의 하한값에서 상기 방전 최대 전압 변화량을 더한 값을 방전 전압 경계값으로 산출할 수 있다.
마지막으로, 상기 방전 전압 경계값을 기준으로 동작 전압의 하한값 미만까지 방전될 위험이 있는 상기 고위험군 배터리 셀을 선별한다(S240).
이때, 상기 하한값보다 크고 상기 방전 전압 경계값보다 작은 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별할 수 있다.
상술한 S220 내지 S240 단계 또한 상술한 셀 선별부(200)에서 수행될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리 관리 방법은, 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계(S240) 이후에, 방전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 동작 전압의 하한값 미만까지 방전되지 않도록 하기 위한 방전 최대 전류 제한값을 산출하는 단계(S250)를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 작은 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압(OCVDCH), 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값(ΔOCVDCH) 및 단자 전압이 가장 작은 배터리 셀의 분극 전압(V1 DCH init)을 이용하여, 상기 수학식 4를 통해 방전 최대 전류 제한값(IDCH max)을 산출할 수 있다.
이외의 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법에 대한 더욱 자세한 설명은, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(1000)에 대한 상술한 설명으로 갈음할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 상태 정보 산출부(100)에서 복수개의 배터리 셀들 각각의 전압 등을 전달받고, 이를 이용하여 배터리 셀별로 상태 정보를 산출함으로써 배터리 셀별 편차에 따른 배터리 팩 전체의 실제 사용 가능 용량을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 배터리 셀별로 산출된 상태 정보를 이용하여 셀 선별부(200)에서 복수개의 배터리 셀들의 최대 전압 변화량을 산출할 수 있고, 이를 통해 동작 전압의 상한값 또는 하한값을 벗어날 가능성이 있는 고위험군 배터리 셀을 선별할 수 있다.
또한, 본 발명은 전류 산출부(300)가 최대 전류 제한값을 산출함에 있어서, 각각의 파라미터마다 가장 열악한 조건을 가지는 배터리 셀의 값을 선택, 대입하여 산출함으로써 최대 마진을 가지는 정확도 높은 최대 전류 제한값이 산출될 수 있다.
본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10, 1000: 배터리 관리 장치
11, 100: 상태 정보 산출부
200: 셀 선별부
12, 300: 전류 산출부

Claims (18)

  1. 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 충전시 단자 전압 또는 방전시 단자 전압이 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 하나 이상의 고위험군 배터리 셀을 선별하는 배터리 관리 장치로서,
    상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 상태 정보 산출부; 및
    상기 상태 정보를 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 셀 선별부;를 포함하고,
    상기 셀 선별부는, 상기 복수개의 배터리 셀들의 최대 전압 변화량을 산출하고, 상기 최대 전압 변화량을 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위한 기준이 되는 전압 경계값을 산출하며, 상기 전압 경계값을 기준으로 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상태 정보 산출부는, 상기 배터리 팩으로부터 상기 배터리 셀들 각각의 전압, 상기 배터리 팩의 전류 및 상기 배터리 팩의 온도 중 적어도 하나 이상을 전달받아, 상기 상태 정보로서 상기 배터리 셀들 각각의 SoC(State of Charge), SoH(State of Health) 및 내부 저항 중 적어도 하나 이상을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 선별부는,
    상기 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값, 및 충전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여 충전 최대 전압 변화량을 산출하고, 상기 동작 전압의 상한값에서 상기 충전 최대 전압 변화량을 더한 값을 충전 전압 경계값으로 산출하며, 상기 상한값보다 작고 상기 충전 전압 경계값보다 큰 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    충전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 상기 동작 전압의 상한값을 초과하여 충전되지 않도록 하기 위한 충전 최대 전류 제한값을 산출하는 전류 산출부를 더 포함하고,
    상기 전류 산출부는, 상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 큰 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압, 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값, 및 단자 전압이 가장 큰 배터리 셀의 분극 전압을 이용하여 상기 충전 최대 전류 제한값을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 셀 선별부는,
    상기 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀을 선별하고, 상기 선별된 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값, 및 방전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여 방전 최대 전압 변화량을 산출하고, 상기 동작 전압의 하한값에서 상기 방전 최대 전압 변화량을 더한 값을 방전 전압 경계값으로 산출하며, 상기 하한값보다 크고 상기 방전 전압 경계값보다 작은 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    방전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 상기 동작 전압의 하한값 미만이 되지 않도록 하기 위한 방전 최대 전류 제한값을 산출하는 전류 산출부를 더 포함하고,
    상기 전류 산출부는, 상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 작은 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압, 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값, 및 단자 전압이 가장 작은 배터리 셀의 분극 전압을 이용하여 상기 방전 최대 전류 제한값을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  7. 배터리 팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀들 중 충전시 단자 전압 또는 방전시 단자 전압이 동작 전압을 벗어날 위험이 있는 하나 이상의 고위험군 배터리 셀을 선별하는 배터리 관리 방법으로서,
    상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 단계;
    상기 상태 정보를 이용하여 상기 복수개의 배터리 셀들의 최대 전압 변화량을 산출하는 단계;
    상기 최대 전압 변화량을 이용하여 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하기 위한 기준이 되는 전압 경계값을 산출하는 단계; 및
    상기 전압 경계값을 기준으로 상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계;를 포함하는 배터리 관리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 셀들 각각의 상태 정보를 산출하는 단계는,
    상기 배터리 팩으로부터 상기 배터리 셀들 각각의 전압, 상기 배터리 팩의 전류 및 상기 배터리 팩의 온도 중 적어도 하나 이상을 전달받아, 상기 상태 정보로서 상기 배터리 셀들 각각의 SoC, SoH 및 내부 저항 중 적어도 하나 이상을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 최대 전압 변화량을 산출하는 단계는,
    상기 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값, 및 충전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여, 충전 최대 전압 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전압 경계값을 산출하는 단계는,
    상기 동작 전압의 상한값에서 상기 충전 최대 전압 변화량을 더한 값을 충전 전압 경계값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계는,
    상기 상한값보다 작고 상기 충전 전압 경계값보다 큰 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계 이후에,
    충전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 상기 동작 전압의 상한값을 초과하여 충전되지 않도록 하기 위한 충전 최대 전류 제한값을 산출하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 최대 전류 제한값을 산출하는 단계는,
    상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 큰 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압, 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 만충전시 개방 단자 전압간의 차이값, 및 단자 전압이 가장 큰 배터리 셀의 분극 전압을 이용하여 상기 충전 최대 전류 제한값을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 최대 전압 변화량을 산출하는 단계는,
    상기 복수개의 배터리 셀들 중 SoH가 가장 낮은 배터리 셀을 선별하고, 상기 선별된 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값, 상기 복수개의 배터리 셀들 중 가장 큰 내부 저항을 갖는 배터리 셀의 내부 저항값, 및 방전시 상기 복수개의 배터리 셀들에 흐를 수 있는 최대 전류를 이용하여 방전 최대 전압 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전압 경계값을 산출하는 단계는,
    상기 동작 전압의 하한값에서 상기 방전 최대 전압 변화량을 더한 값을 방전 전압 경계값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계는,
    상기 하한값보다 크고 상기 방전 전압 경계값보다 작은 단자 전압을 갖는 배터리 셀을 고위험군 배터리 셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 고위험군 배터리 셀을 선별하는 단계 이후에,
    방전시 상기 복수개의 배터리 셀들 각각의 단자 전압이 상기 동작 전압의 하한값 미만이 되지 않도록 하기 위한 방전 최대 전류 제한값을 산출하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 최대 전류 제한값을 산출하는 단계는,
    상기 선별된 고위험군 배터리 셀 중에서 가장 작은 SoC를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압, 가장 작은 SoH를 갖는 배터리 셀의 현재 개방 단자 전압과 완전 방전시 개방 단자 전압간의 차이값, 및 단자 전압이 가장 작은 배터리 셀의 분극 전압을 이용하여 상기 방전 최대 전류 제한값을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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