KR20220023527A - 배터리 관리 장치, 그를 포함한 차량 시스템 및 그 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치, 그를 포함한 차량 시스템 및 그 방법 Download PDF

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윤승범
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Abstract

본 발명은 배터리 관리 장치, 그를 포함한 차량 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리 충전 시 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일을 생성하고, 상기 프로파일을 기반으로 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하여, 상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 프로세서; 및 배터리 셀별 프로파일 및 상기 프로세서에 의해 구동되는 알고리즘 및 데이터가 저장되는 저장부;를 포함할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치, 그를 포함한 차량 시스템 및 그 방법{Apparatus for management of a battery, vehicle system having the same and method thereof}
본 발명은 배터리 관리 장치, 그를 포함한 차량 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 균일성을 평가하여 균일성을 기반으로 배터리를 관리하는 기술에 관한 것이다.
전기차량 또는 하이브리드 차량의 경우 구동에너지를 저장하는 고전압 배터리가 탑재된다. 이러한 고전압 배터리는 충방전이 수행되는데, 충방전 시 배터리 내부 소재가 균일하지 않게 충방전되며 고에너지 및 급속 충전 시 배터리 내부 소자의 불균일성이 심화된다.
그러나 현재 배터리 제어 시 배터리 내의 균일성을 고려 하지 않고 있어 배터리의 수명 및 성능이 저하되거나, 원인을 알 수 없는 화재가 발생하는 등의 문제점이 있다.
또한 최근 고에너지 배터리 및 급속 충전 배터리의 사용이 증가함에 따라 이러한 배터리의 불균일성이 더욱 극대화되고 있어, 배터리의 불균일성을 평가하여 활용하는 기술이 필요하다.
본 발명의 실시예는 배터리의 균일성을 평가하고 배터리의 균일성을 이용하여 배터리를 최적 관리할 수 있는 배터리 관리 장치, 그를 포함한 차량 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리 충전 시 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일을 생성하고, 상기 프로파일을 기반으로 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하여, 상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 프로세서; 및 배터리 셀별 프로파일 및 상기 프로세서에 의해 구동되는 알고리즘 및 데이터가 저장되는 저장부;를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 배터리 셀의 충전 또는 방전 시 용량 변화량을 전압 변화량으로 나눈 값을 기반으로 상기 프로파일을 생성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 배터리 셀별 프로파일은, 상기 배터리의 용량을 미리 정한 시간 동안 완충전시킬 수 있는 전류양인 C-rate이 매핑되어 저장되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 배터리 충전 시 생성된 프로파일과 상기 저장부에 저장된 배터리 셀별 프로파일을 비교하여, 상기 C-rate를 추정하고, 상기 C-rate에 따른 균일성을 판정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 C-rate가 증가할수록 상기 균일성이 감소하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일의 피크폭(peak width)을 이용하여 상기 균일성을 판정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 저전류로 충전 또는 방전 시 측정된 전압에 따른 프로파일의 피크를 기준으로 상기 균일성을 판정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 균일성에 따라 상기 배터리의 충전 및 방전을 위한 전압의 상한과 하한을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 배터리 셀별 균일성에 따라 상기 배터리 셀별 전압의 상한과 하한을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 배터리 셀 중 균일성이 가장 낮은 셀을 기준으로 상기 배터리 셀들의 충전 및 방전을 위한 전압의 상한과 하한을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 배터리의 성능 또는 품질 평가 시, 상기 균일성이 미리 정한 임계치 이상인 경우 성능 또는 품질이 양호한 것으로 판단하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 배터리 셀들의 C-rate의 변화를 이용하여 상기 배터리의 열화도를 추정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 C-rate가 증가한 경우, 상기 C-rate가 증가한 만큼 상기 배터리의 열화도가 진행된 것으로 추정하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 차량 시스템은 차량의 구동을 위해 전압이 충전 또는 방전되는 배터리; 상기 배터리의 전압을 측정하는 센서; 및 배터리 충전 시 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일을 생성하고, 상기 프로파일을 기반으로 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하여, 상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 배터리 관리 장치;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 배터리 충전 시 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일을 생성하는 단계; 상기 프로파일을 기반으로 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하는 단계; 및 상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로파일을 생성하는 단계는, 상기 배터리 셀의 충전 또는 방전 시 용량 변화량을 전압 변화량으로 나눈 값을 기반으로 상기 프로파일을 생성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하는 단계는, 상기 배터리의 용량을 미리 정한 시간 동안 완충전시킬 수 있는 전류양인 C-rate이 매핑되어 저장되는 상기 배터리 셀별 프로파일과 상기 충전 시 생성된 프로파일을 비교하여, 상기 C-rate를 추정하고, 상기 C-rate에 따른 균일성을 판정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하는 단계는, 상기 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일의 피크폭(peak width)을 이용하여 상기 균일성을 판정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 단계는, 상기 균일성에 따라 상기 배터리의 충전 및 방전을 위한 전압의 상한과 하한을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 단계는, 상기 배터리 셀들의 C-rate의 변화를 이용하여 상기 배터리의 열화도를 추정하는 것을 포함할 수 있다.
본 기술은 배터리의 균일성을 평가하고 배터리의 균일성을 이용하여 배터리를 최적 관리할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 차량 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 세부 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 C-rate별 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀별 피크폭(Peak width)을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀별 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 균일성 기반 배터리 관리 방법을 전체적으로 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 균일성 기반으로 배터리의 전압영역 설정 변경 예시를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 균일성을 포함하는 배터리 평가 항목의 예시를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템을 도시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 차량의 고전압 배터리의 균일성을 평가하여, 균일성을 기반으로 배터리를 관리함으로써 배터리의 효율성을 증대시킬 수 있는 기술을 개시한다.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 차량 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 세부 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 시스템은 배터리 관리 장치(100), OBC(On Board Charger, 200), 전압 분배기(300), 고전압 배터리(400), 및 센서(500)를 포함할 수 있다. 이때, 차량 시스템은 배터리를 충방전하여 사용하는 친환경 차량일 수 있으며, 친환경 차량은 전기 차량(EV; electric vehicle), 하이브리드 차량(Hybrid car), 플러그인 하이브리드 차량(Plug-in Hybrid car) 등을 포함할 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System: BMS)으로서, 배터리 제어 및 관리를 수행한다. 즉 배터리 관리 장치(100)는 센서(500)에 의해 측정된 배터리(400)의 전압, 전류 및 온도 등을 이용하여 배터리의 상태를 판단하고, 배터리(400)의 상태에는 배터리의 충전 상태(SOC, state of charge), 수명 상태(SOH, state of health) 및 온도 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.
특히 본 발명의 배터리 관리 장치(100)는 배터리(400)의 전압을 이용하여 배터리(400) 셀별 프로파일을 생성하여 배터리 셀별 균일성을 평가할 수 있다. 또한, 배터리 관리 장치(100)는 배터리의 균일성을 이용하여 배터리의 제어 및 관리를 수행할 수 있다.
OBC(200)는 차량의 충전 플러그로 입력 받은 교류 전압(AC)을 직류 전압(DC)으로 변환하거나 승압한 후 후 전압 분배기(300)로 전달한다.
전압 분배기(300)는 OBCF(200)로부터 수신한 전압을 분배하여 배터리 관리 장치(100)로 전달한다.
고전압 배터리(400)는 차량 구동을 위한 전압을 충전 또는 방전된다.
센서(500)는 배터리(400)의 전압, 전류 및 온도 등을 센싱하여 배터리 관리 장치(100)로 전달한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 차량의 내부에 구현될 수 있다. 이때, 배터리 관리 장치(100)는 차량의 내부 제어 유닛들과 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 장치로 구현되어 별도의 연결 수단에 의해 차량의 제어 유닛들과 연결될 수도 있다.
상기에서와 같이 동작하는 본 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 메모리와 각 동작을 처리하는 프로세서를 포함하는 독립적인 하드웨어 장치 형태로 구현될 수 있으며, 마이크로프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다.
도 2를 참조하면 배터리 관리 장치(100)는 저장부(110), 및 프로세서(processor;120)를 포함할 수 있다.
저장부(110)는 배터리 관리 및 제어를 위한 정보, 배터리의 균일성 평가를 위한 정보 및 프로세서(120)에 의해 획득된 데이터, 프로세서(120)가 동작하는데 필요한 데이터 및/또는 알고리즘 등이 저장될 수 있다.
일 예로서, 저장부(110)는 C-rate별 프로파일, 균일성별 프로파일, 배터리 상태 정보 등이 저장될 수 있다. 이때, C-rate는 전류 비율(Current rate)로서, 배터리를 1시간 동안 충전 또는 방전하는 전류량을 의미한다. 배터리의 용량은 일반적으로 1C로 표시하는데 예를 들면 완전 충전된 1Ah용량의 배터리는 1A로 1시간 방전할 수 있고, 배터리를 0.5C로 방전한다는 말은 500mA로 방전한다는 의미이며 이 경우 2시간을 방전할 수 있다. 또한 배터리를 2C로 방전한다는 것은 2A로 방전한다는 의미이고 30분 방전할 수 있다는 것을 의미한다.
일예로서, 저장부(110)는 배터리 셀의 충전 또는 방전 시 용량 변화량을 전압 변화량으로 나눈 값을 기반으로 생성된 프로파일과 C-rate 또는 균일성이 매핑된 프로파일 테이블이 저장될 수 있다. 이때, C-rate가 할수록 균일성이 낮아진다.
저장부(110)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 마이크로 타입(micro type), 및 카드 타입(예컨대, SD 카드(Secure Digital Card) 또는 XD 카드(eXtream Digital Card)) 등의 메모리와, 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static RAM), 롬(ROM, Read-Only Memory), PROM(Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable PROM), 자기 메모리(MRAM, Magnetic RAM), 자기 디스크(magnetic disk), 및 광디스크(optical disk) 타입의 메모리 중 적어도 하나의 타입의 기록 매체(storage medium)를 포함할 수 있다.
프로세서(120)는 저장부(110), 배터리(400), 센서(500) 등과 전기적으로 연결될 수 있고, 각 구성들을 전기적으로 제어할 수 있으며, 소프트웨어의 명령을 실행하는 전기 회로가 될 수 있으며, 이에 의해 후술하는 다양한 데이터 처리 및 계산을 수행할 수 있다. 프로세서(120)는 예를 들어, 차량에 탑재되는 ECU(electronic control unit), MCU(Micro Controller Unit), HCU(Hybrid controller unit) 또는 다른 하위 제어기일 수 있다.
프로세서(120)는 배터리 셀의 전압을 측정하여 도 3 과 같은 프로파일을 생성할 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 C-rate별 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면 배터리 셀의 C-rate별 프로파일은 전압(v)과 dQdv에 따라 생성된다. dQdv는 배터리의 충전 또는 방전 시 용량 변화량을 전압 변화량으로 나눈 값을 의미한다. 도 3에서는 C-rate이 0.3C, 0.5C, 1C, 1.5C, 2C인 프로파일을 표시한다.
프로세서(120)는 배터리 충전 시 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일을 생성하고, 프로파일을 기반으로 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하여, 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행할 수 있다.
프로세서(120)는 배터리 셀의 충전 또는 방전 시 용량 변화량을 전압 변화량으로 나눈 값(dQdV)을 기반으로 프로파일을 생성할 수 있다.
프로세서(120)는 배터리 충전 시 생성된 프로파일과 저장부(110)에 저장된 배터리 셀별 프로파일을 비교하여, C-rate를 추정하고 C-rate에 따른 균일성을 판정할 수 있다. 이때, C-rate가 증가할수록 균일성이 감소한다.
프로세서(120)는 배터리 팩이 N개의 셀로 구성될 때, 프로세서(120)는 배터리 팩의 N개의 셀별 C-rate 또는 균일성에 따른 프로파일을 미리 생성하여 저장부(110)에 저장할 수 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀별 프로파일을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 배터리 팩에 100개의 셀이 존재하는 경우, 100개의 균일성에 대한 프로파일을 생성하여 저장할 수 있다. 예를 들어 C-rate가 0.01C일 때의 균일성은 100이고, C-rate가 1C일 때 균일성은 50이고, C-rate가 2C일 때 균일성 1로 미리 매칭하여 저장해둘 수 있다. 이에 프로세서(120)는 배터리 셀의 충전 시 프로파일을 생성하고 저장부(110)에 저장된 프로파일 테이블에서 생성된 프로파일과 동일한 프로파일을 검색하여 동일한 프로파일에 대한 C-rate와 균일성 정보를 읽어올 수 있다.
프로세서(120)는 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일의 피크폭(peak width)을 이용하여 상기 균일성을 판정할 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀별 피크폭(Peak width)을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 배터리 팩을 이루는 셀들은 고유의 dQdV 피크가 존재한다. 이때, 저전류로 배터리의 충방전 시 불균일을 최소화할 수 있으므로 저전류로 충방전 시의 dQdV 피크를 균일성이 가장 좋은 기준치로 설정할 수 있다. 이에 저전류로 충방전 시 dQdV 피크와 평가 받을 셀의 충방전시의 dQdV를 비교하여 평가받을 셀의 뷸균일성을 평가할 수 있다. 이때 셀의 프로파일 dQdV 피크폭이 커질수록 C-rate가 커짐을 알 수 있으며 C-rate가 커질수록 불균일이 증가함을 알 수 있다.
이에 프로세서(120)는 배터리 셀의 전압을 측정하여 dQdV 프로파일을 생성하고 프로파일의 피크폭을 측정하여 C-rate를 획득할 수 있고, C-rate를 통해 불균일 정도를 판단할 수 있다.
프로세서(120)는 저전류로 충전 또는 방전 시 측정된 전압에 따른 프로파일의 피크를 기준으로 균일성을 판정할 수 있다.
프로세서(120)는 균일성에 따라 배터리의 충전 및 방전을 위한 전압의 상한과 하한을 결정할 수 있다.
프로세서(120)는 배터리 셀별 균일성에 따라 배터리 셀별 전압의 상한과 하한을 결정할 수 있다. 또한 프로세서(120)는 배터리 셀 중 균일성이 가장 낮은 셀을 기준으로 배터리 셀들의 충전 및 방전을 위한 전압의 상한과 하한을 결정할 수 있다.
프로세서(120)는 배터리의 성능 또는 품질 평가 시, 균일성이 미리 정한 임계치 이상인 경우 성능 또는 품질이 양호한 것으로 판단할 수 있다.
프로세서(120)는 배터리 셀들의 C-rate의 변화를 이용하여 배터리의 열화도를 추정할 수 있다. 즉 프로세서(120)는 C-rate가 증가한 경우, C-rate가 증가한 만큼 배터리의 열화도가 진행된 것으로 추정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 균일성 기반 배터리 관리 방법을 전체적으로 설명하기 위한 개략도이다.
도 6을 참조하면, 프로세서(120)는 충전 시마다 배터리 셀의 전압을 측정하여 dQdV를 산출하여 프로파일을 생성한다.
이어 프로세서(120)는 저장부(110)에 저장되어 있는 프로파일 테이블과 충전시 생성한 프로파일을 비교하여 매칭한다. 이때, 프로세서(120)는 인공 지능 (Artificial Intelligence) 또는 학습 알고리즘 등을 이용하여 프로파일 매칭을 수행할 수 있다.
이에 프로세서(120)는 매칭을 통해 해당 셀의 균일성 정보를 획득하면, 균일성 정보를 기반으로 배터리의 전압 상한과 하한을 설정하거나 균일성 정보를 배터리 평가 항목에 추가하여 배터리 평가를 수행하거나, 균일성 정보를 기반으로 배터리의 열화도(State Of Health: SOH)를 추정할 수 있다.
첫째, 프로세서(120)는 균일성 정보를 이용하여 배터리의 충방전을 위한 전압 상한화 하한을 결정할 수 있다.
먼저 프로세서(120)는 개별 셀 별 균일성을 고려하여 충방전을 위한 전압 상한과 하한을 결정할 수 있다. 예를 들어 배터리 팩이 N개의 셀로 구성된 경우, N개의 셀마다의 균일성을 평가하여, N개의 셀마다의 균일성에 따라 N개의 셀마다의 충방전을 위한 전압 상한과 하한을 결정할 수 있다.
또한, 프로세서(120)는 균일성이 가장 낮은 셀을 기준으로 배터리 셀의 충방전을 위한 상한과 하한을 배터리 팩 내의 모든 셀에 대해 적용할 수 있다. 예를 들어 배터리 팩이 N개의 셀로 구성된 경우, N개의 셀마다의 균일성을 평가하여, N개의 셀 중 균일성이 가장 낮은 셀의 균일성에 따라, N개의 셀의 충방전을 위한 전압 상한과 하한을 N개의 셀중 균일성이 가장 낮은 셀의 충방전을 위한 전압 상한과 하한으로 동일하게 결정할 수 있다. 예를 들어 도 6에서 균일성이 가장 낮은 42이므로, 해당 셀의 전압 상한과 하한을 모든 셀에 적용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 균일성 기반으로 배터리의 전압영역 설정 변경 예시를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면 배터리 충전 시 과충전 방지를 위해 충전 전압의 상한선과 하한선을 조정할 수 있다. 601과같이, 기존에는 충방전을 위한 상한선이 4.2V이고 하산선이 2.5V이며, 602와 같이 배터리 불균일성으로 과충전되는 경우가 발생할 수 있어 603과 같이 충방전을 위한 상한선을 4.1V로 낮추고 하한선을 2.6V로 높여 과충전이나 과방전을 방지할 수 있다.
둘째, 프로세서(120)는 균일성 정보를 배터리의 성능 및 품질을 평가하기 위한 항목에 추가할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 균일성을 포함하는 배터리 평가 항목의 예시를 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면 배터리 셀 평가 항목에 정격용량, 상온 저항, 저온 저항, HPPC 출력, 상온 15초 방전 출력, 상온 15초 충전 출력, 저온 방전 출력, 율별 충방전 등이 있으며 본 발명에서는 항목에 균일성을 추가하여 배터리 성능을 판단하도록 한다.
배터리 셀의 개발 시, 균일성이 좋은 소재 검증을 위한 코인 셀을 제작하고, 코인 셀의 충방전을 평가하고, 프로파일을 확인하여 균일성이 좋은 소재를 선정할 수 있다. 이렇게 균일성이 좋은 소재를 이용하여 실제 셀을 제작한 후 실제 셀 충방전 평가 및 프로파일을 확인하여 균일성을 판단할 수 있다.
이때, 도 8과 같이 균일성이 평가항목에 포함되면, 소재 및 설계 단에서부터 균일성을 고려한 셀을 설계할 수 있어, 배터리 제품 개발에 더 유리할 수 있다. 예를 들어 배터리 셀의 개발 단계에서 균일성이 최소 50이상이 확보되도록 설계되도록 하는 등 균일성을 고려함으로써 양호한 배터리 제품 개발에 효율적이다.
또한, 배터리 양산 시, 셀 제조공정(전극&조립 공정)을 거쳐 활성화 공정을 할 때 실제 셀을 충방전 진행하게 되는데, 이때 충방전 프로파일을 확인하여 균일성 평가를 할 수 있다. 예를 들어 도 8의 1번부터 8번까지의 항목이 모두 만족되더라도 균일성이 80 초과인 경우 양호로 판정할 수 있다.
이에 배터리 양산 단계에서 균일성이 기준치 미달인 셀은 불량 판정을 하여 제조과정에서의 불량 셀 및 현재 제작되는 양산품의 불량을 판정할 수 있다.
셋째, 프로세서(120)는 균일성 정보를 이용하여 배터리의 열화도를 추정할 수 있다. 즉 배터리가 노화되면 즉 사용할수록 용량이 감소하고 불균일 해진다. 또한, 배터리를 높은 C-rate로 충전을 하게 되면 용량이 감소하고 불균일 해진다. 그러나 전기차량을 충전할 때에는 배터리 노화를 고려하지 않고 항상 동일한 전류 값으로 충전한다. 동일한 전류값이라고 하더라도 노화에 따라 배터리가 느끼는 C-rate는 다르다. 예를 들어 용량이 100Ah인 배터리를 50A로 충전 한다면 이는 0.5c-rate로 충전을 하는 것이다. 하지만 배터리 수명이 줄어들고 초기 용량대비 50% 용량이 줄어든(SOH=50) 상태의 배터리(50Ah)에 같은 50A를 충전하게 된다면 이는 1C-rate가 된다. 따라서 해당 배터리 충전시 프로파일을 생성해보면 1c-rate의 충전 프로파일과 유사한 형상을 나타낼 것이다. 이에 프로파일 모양이 어떤 C-rate 프로파일인지를 역추정하여 해당 배터리 셀의 C-rate를 추정하고, C-rate의 변화에 따라 현재 용량을 계산하여 SOH를 추정할 수 있다.
예를 들어, 배터리의 초기용량이 50Ah, 40A 충전 시, C-rate가 0.8C인 경우, 프로세서(120)는 측정한 셀의 프로파일을 저장부(110)의 C-rate별 프로파일과 매칭하여 현재 C-rate를 추정한다. 현재 C-rate가 1C라면, C-rate가 0.8에서 1로 변경된 것이므로, 열화가 20% 진행된 것을 확인할 수 있으며 이에 SOH를 80으로 추정할 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 구체적으로 설명하기로 한다. 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는 도 1의 배터리 관리 장치(100)가 도 9의 프로세스를 수행하는 것을 가정한다. 또한, 도 9의 설명에서, 장치에 의해 수행되는 것으로 기술된 동작은 배터리 관리 장치(100)의 프로세서(120)에 의해 제어되는 것으로 이해될 수 있다.
도 9를 참조하면 배터리 관리 장치(100)는 차량의 배터리 셀 별 충전 프로파일을 모니터링한다(S100). 즉 배터리 관리 장치(100)는 도 5와 같이 배터리 셀 별 충전 프로파일을 측정한다.
배터리 관리 장치(100)는 미리 저장된 셀별 프로파일과 측정된 셀의 프로파일을 비교 분석하여(S200), 일치하는 프로파일이 존재하면 해당 프로파일의 C-rate를 확인하고 균일성을 판단한(S300).
이에 배터리 관리 장치(100)는 판단된 균일성 정보를 이용하여 배터리의 평가 및 관리를 수행한다(S400).
즉 배터리 관리 장치(100)는 배터리의 균일성에 따라 도 7과 같이 배터리의 충전 한도의 설정을 변경하거나 도 8과 같이 평가 항목에 균일성을 추가하여 배터리의 상태를 평가하거나, SOH를 추정하여 배터리의 상태를 판단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 배터리의 균일성을 평가하고, 배터리의 균일성을 이용하여 더욱 정확하게 배터리의 제어 및 관리를 수행함으로써 배터리의 화재 사고 예방, 배터리 수명 저하 방지, 배터리 사전 품질 확보, 배터리 개발 방향 설정, 배터리 노화 상태 추정 등을 수행할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템을 도시한다.
도 10을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다.
예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 배터리 충전 시 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일을 생성하고, 상기 프로파일을 기반으로 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하여, 상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 프로세서; 및
    배터리 셀별 프로파일 및 상기 프로세서에 의해 구동되는 알고리즘 및 데이터가 저장되는 저장부;
    를 포함하는 배터리 관리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 배터리 셀의 충전 또는 방전 시 용량 변화량을 전압 변화량으로 나눈 값을 기반으로 상기 프로파일을 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀별 프로파일은,
    상기 배터리의 용량을 미리 정한 시간 동안 완충전시킬 수 있는 전류양인 C-rate이 매핑되어 저장되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 배터리 충전 시 생성된 프로파일과 상기 저장부에 저장된 배터리 셀별 프로파일을 비교하여, 상기 C-rate를 추정하고, 상기 C-rate에 따른 균일성을 판정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 C-rate가 증가할수록 상기 균일성이 감소하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일의 피크폭(peak width)을 이용하여 상기 균일성을 판정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 프로세서는,
    저전류로 충전 또는 방전 시 측정된 전압에 따른 프로파일의 피크를 기준으로 상기 균일성을 판정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 균일성에 따라 상기 배터리의 충전 및 방전을 위한 전압의 상한과 하한을 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 배터리 셀별 균일성에 따라 상기 배터리 셀별 전압의 상한과 하한을 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 배터리 셀 중 균일성이 가장 낮은 셀을 기준으로 상기 배터리 셀들의 충전 및 방전을 위한 전압의 상한과 하한을 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 배터리의 성능 또는 품질 평가 시, 상기 균일성이 미리 정한 임계치 이상인 경우 성능 또는 품질이 양호한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 배터리 셀들의 C-rate의 변화를 이용하여 상기 배터리의 열화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 C-rate가 증가한 경우, 상기 C-rate가 증가한 만큼 상기 배터리의 열화도가 진행된 것으로 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  14. 차량의 구동을 위해 전압이 충전 또는 방전되는 배터리;
    상기 배터리의 전압을 측정하는 센서; 및
    배터리 충전 시 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일을 생성하고, 상기 프로파일을 기반으로 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하여, 상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 배터리 관리 장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 시스템.
  15. 배터리 충전 시 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일을 생성하는 단계;
    상기 프로파일을 기반으로 상기 배터리 셀의 균일성을 판정하는 단계; 및
    상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 프로파일을 생성하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 충전 또는 방전 시 용량 변화량을 전압 변화량으로 나눈 값을 기반으로 상기 프로파일을 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 배터리 셀의 균일성을 판정하는 단계는,
    상기 배터리의 용량을 미리 정한 시간 동안 완충전시킬 수 있는 전류양인 C-rate이 매핑되어 저장되는 상기 배터리 셀별 프로파일과 상기 충전 시 생성된 프로파일을 비교하여, 상기 C-rate를 추정하고, 상기 C-rate에 따른 균일성을 판정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 배터리 셀의 균일성을 판정하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 전압에 따른 프로파일의 피크폭(peak width)을 이용하여 상기 균일성을 판정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 단계는,
    상기 균일성에 따라 상기 배터리의 충전 및 방전을 위한 전압의 상한과 하한을 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 균일성을 이용하여 배터리의 관리 및 제어를 수행하는 단계는,
    상기 배터리 셀들의 C-rate의 변화를 이용하여 상기 배터리의 열화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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