KR20240035048A - 배터리의 soh 관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리의 SOH 관리 시스템에 관한 것으로, 특히, 배터리의 밸런싱 중에 배터리 셀의 내부 저항 측정을 이용한 SOH 값 산출을 통해 배터리 셀별로 SOH를 관리할 수 있는 SOH 관리 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 관리 시스템은, 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하면서 각 배터리 셀의 SOH를 추정하는 배터리의 SOH 관리 시스템으로서, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 값을 검출하여, SOC 값을 산출하는 SOC 추정부, 상기 SOC 추정부로부터 전송되는 상기 복수의 배터리 셀 간 SOC 값의 편차를 감소시키도록 제어 신호를 생성하여 셀 밸런싱을 수행하는 배터리 모니터링 IC, 상기 각 배터리 셀의 양단에 연결된 도선에 흐르는 전류를 이용하여, 상기 각 배터리 셀의 내부 저항을 측정하는 저항 측정부, 및 상기 저항 측정부에서 측정된 상기 각 배터리 셀의 내부 저항 값과 상기 각 배터리 셀의 초기 측정 저항 값에 기반하여 각 배터리 셀의 SOH 값을 산출하는 SOH 추정부를 포함한다.

Description

배터리의 SOH 관리 시스템 {SYSTEM FOR MANAGING SOH OF BATTERY}

본 발명은 배터리의 SOH 관리 시스템에 관한 것으로, 특히, 배터리의 밸런싱 중에 배터리 셀의 내부 저항 측정을 이용한 SOH 값 산출을 통해 배터리 셀별로 SOH를 관리할 수 있는 SOH 관리 시스템에 관한 것이다.

배터리 팩은 복수의 배터리 셀로 구성되며, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)은 배터리 셀의 성능과 안전에 대해 감시한다.

BMS는 배터리 셀의 전압과 온도를 모니터링 하며, 이에 기반하여 배터리 셀 관리, 충전상태 예측(State Of Charge, SOC), 수명 산정(State Of Health, SOH), 과열, 과충전, 과방전 보호를 위한 고장 진단, 차단 스위치 제어 등을 실행한다.

BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도를 감지하여 충전 상태를 예측하며, 이에 따라 배터리 잔량을 확인할 수 있도록 한다. SOC는 배터리의 충전 상태를 용량에 대한 백분율로 나타내는 것으로, SOC는 미리 설정한 가용 영역에 따라 상한과 하한의 기준을 정하며, 가용 영역을 이탈하는 경우, BMS는 배터리의 충전 및 방전을 차단한다.

SOH는 배터리의 초기 용량(공칭 용량)과 대비한 사용 시점 용량의 비율로서, 충/방전 주기의 횟수와 방법 및 사용환경 등에 따라 값이 변하게 된다.

배터리의 안정적인 운용을 위해 BMS는 배터리의 노화와 관계된 SOH 값을 추정하여 관리하는데, 기존 BMS는 SOH 값 추정을 위해 전체 전압/전류, 사용 시간 등의 방식을 이용하므로, 각 배터리 셀에 대한 SOH 관리는 실질적으로 불가능하였다.

따라서, 각 배터리 셀에 대한 SOH 관리를 통해 배터리 팩을 안정적으로 운용하기 위한 방안에 대한 연구 개발의 필요성이 있다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배터리의 밸런싱 중에 배터리 셀별로 내부 저항을 측정하고, 이를 이용하여 각 배터리 셀의 SOH 값을 산출함으로써, 각 배터리 셀에 대한 SOH를 관리할 수 있는 배터리의 SOH 관리 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 관리 시스템은, 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하면서 각 배터리 셀의 SOH를 추정하는 배터리의 SOH 관리 시스템으로서, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 값을 검출하여, SOC 값을 산출하는 SOC 추정부, 상기 SOC 추정부로부터 전송되는 상기 복수의 배터리 셀 간 SOC 값의 편차를 감소시키도록 제어 신호를 생성하여 셀 밸런싱을 수행하는 배터리 모니터링 IC, 상기 각 배터리 셀의 양단에 연결된 도선에 흐르는 전류를 이용하여, 상기 각 배터리 셀의 내부 저항을 측정하는 저항 측정부, 및 상기 저항 측정부에서 측정된 상기 각 배터리 셀의 내부 저항 값과 상기 각 배터리 셀의 초기 측정 저항 값에 기반하여 각 배터리 셀의 SOH 값을 산출하는 SOH 추정부를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 SOH 추정부는 하기 수학식에 따라 각 배터리 셀의 SOH 값을 산출할 수 있다.

SOH(%) = (Rdc(EOL) - Rdc) / (Rdc(EOL) - Rdc(init)) x 100

여기서, Rdc(EOL)는 각 배터리 셀의 수명 종료 시 저항 값이며, Rdc는 저항 측정부에서 측정된 현재의 각 배터리 셀의 내부 저항 값이며, Rdc(init)는 각 배터리 셀의 초기 측정 저항 값이다.

일 실시예에서, 상기 저항 측정부는, 셀 밸런싱 시 상기 각 배터리 셀의 양단에 연결된 도선에 흐르는 전류로부터 파생되는 션트 전류를 션트 저항을 이용하여 측정하는 션트 회로를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 션트 회로는, 상기 션트 전류가 흐르는 션트 저항, 상기 션트 저항에 흐르는 션트 전류를 전압으로 측정하여 증폭하는 증폭기, 상기 증폭기로부터 전달되는 전압을 디지털 값으로 변환하는 ADC, 및 복수의 ADC로부터 전달되는 디지털 값을 다시 전류로 환산하고 배터리의 전압과 전류에 관한 관계식을 통해 DCIR(Direct Current Internal Resistence)을 산출하는 MCU를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 저항 측정부는, 각 배터리 셀의 전압을 각 배터리 셀의 션트 전류로 나눈 값에서 밸런싱 저항 값을 차감하여, 각 배터리 셀의 내부 저항 값을 산출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 SOC 추정부는 상기 션트 회로에 흐르는 전류를 적산하여 각 배터리 셀에서 방전되는 용량을 산출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 션트 회로에 흐르는 전류는 미리 설정된 시간 간격으로 전류 센싱 될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 SOC 추정부는, 상기 각 배터리 셀 양단의 도선에 흐르는 전류와 상기 션트 저항에 흐르는 션트 전류의 상관 관계식으로부터 상기 각 배터리 셀에서 방전되는 용량을 산출할 수 있다.

일 실시예에서, 배터리의 SOH 관리 시스템은 상기 각 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하며, 상기 저항 측정부는 상기 각 배터리 셀의 온도 값을 반영하여 저항 값을 산출할 수 있다.

일 실시예에서, 배터리의 SOH 관리 시스템은 상기 각 배터리 셀의 온도에 따른 내부 저항 값을 매칭시킨 2차원 데이터 세트를 저장하는 데이터 베이스를 더 포함하며, 상기 데이터 베이스에 저장된 2차원 데이터 세트는 미리 설정된 주기에 따라 업데이트 될 수 있다.

본 발명에 따른 배터리의 SOH 관리 시스템은, 배터리의 셀 밸런싱 중에 각 배터리 셀의 내부 저항을 측정하고, 이를 이용하여 각 배터리 셀의 SOH 값을 추정함으로써, 배터리 셀별로 SOH 관리가 가능하며, 전체 배터리의 노후화 예측 및 각 배터리 셀의 유지, 보수에 필요한 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 관리 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 관리 시스템의 구성을 도시한 회로도이다.

이하에서는, 본 발명의 일 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 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 관리 시스템의 구성을 도시한 블록도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 관리 시스템의 구성을 도시한 회로도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 배터리의 SOH 관리 시스템(100)은 SOC 추정부(110), 배터리 모니터링 IC(Integrated Circuit)(120), 저항 측정부(130) 및 SOH 추정부(140)를 포함하며, 온도 측정부(150) 및/또는 데이터 베이스(160)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 배터리의 SOH 관리 시스템(100)은 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀(10)에 대한 셀 밸런싱을 수행하면서 각 배터리 셀(10)의 SOH를 추정할 수 있다.

SOC 추정부(110)는 복수의 배터리 셀(10) 각각의 전압 값을 검출하여, SOC 값을 산출할 수 있다. SOC 추정부(110)는 SOC 값 산출을 위해, 예를 들어, 칼만 필터를 적용할 수 있으며, 정기적 또는 비정기적으로 복수의 배터리 셀(10)에 대한 SOC 값을 산출할 수 있다.

배터리 모니터링 IC(120)는 SOC 추정부(110)로부터 전송되는 복수의 배터리 셀(10) 간 SOC 값의 편차를 감소시키도록 제어 신호를 생성하여 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.

각 배터리 셀(10)의 전압, 용량, 기계적/화학적 특성 등에 따라 배터리 셀(10) 간에 SOC 값의 편차가 발생할 수 있으며, SOC 값의 편차로 인해 전체 배터리 팩의 안정적인 운용이 방해되며, 수명을 단축시킬 수 있다.

따라서, 배터리 모니터링 IC(120)는 복수의 배터리 셀(10) 간 SOC 값의 편차를 감소시키기 위해 SOC 값이 높은 배터리 셀(10)로부터 SOC 값이 낮은 배터리 셀(10)로 전하가 이동하도록 액티브 밸런싱을 수행하거나, SOC 값이 높은 배터리 셀(10)의 에너지를 저항으로 소모시키는 패시브 밸런싱을 수행할 수 있다.

저항 측정부(130)는 각 배터리 셀(10)의 양단에 연결된 도선(20a, 20b)에 흐르는 전류를 이용하여, 각 배터리 셀의 내부 저항을 측정할 수 있다.

일 실시예에서, 저항 측정부(130)는 각 배터리 셀(10)의 양단에 연결된 도선(20a, 20b)에 흐르는 전류로부터 파생되는 션트 전류를 션트 저항(132)을 이용하여 측정하는 션트(shunt) 회로를 포함할 수 있다.

또한, 션트 회로는 션트 전류가 흐르는 션트 저항(132), 션트 저항(132)에 흐르는 션트 전류를 전압으로 측정하여 증폭하는 증폭기(134), 증폭기(134)로부터 전달되는 전압을 디지털 값으로 변환하는 ADC(Analog-to-Digital Converter)(136), 및 복수의 ADC(136)로부터 전달되는 디지털 값을 다시 전류로 환산하고 배터리의 전압과 전류에 관한 관계식을 통해 DCIR(Direct Current Internal Resistence)을 산출하는 MCU(Micro Controller Unit)(138)를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 저항 측정부(130)는, 각 배터리 셀(10)의 전압을 각 배터리 셀(10)의 션트 전류로 나눈 값에서 밸런싱 저항 값을 차감하여, 각 배터리 셀(10)의 내부 저항 값을 산출할 수 있다.

밸런싱 저항은 패시브 밸런싱(Passive Ballancing) 저항이며, 각 배터리 셀(10)에 병렬로 저항과 스위치가 연결되어 있다. 셀 밸런싱 시, 제어부는 SOC가 높은 배터리 셀(10)과 연결된 스위치를 온 시켜서, 해당 배터리 셀(10)의 SOC가 기준값에 도달할 때까지 에너지를 저항으로 소모시킨다.

SOH 추정부(140)는 저항 측정부(130)에서 측정된 각 배터리 셀(10)의 내부 저항 값과 각 배터리 셀(10)의 초기 측정 저항 값에 기반하여 각 배터리 셀(10)의 SOH 값을 산출할 수 있다.

일 실시예에서, SOH 추정부(140)는 하기 수학식에 따라 각 배터리 셀(10)의 SOH 값을 산출할 수 있다.

여기서, Rdc(EOL)는 각 배터리 셀(10)의 수명 종료 시 저항 값이며, Rdc는 저항 측정부(130)에서 측정된 현재의 각 배터리 셀(10)의 내부 저항 값이며, Rdc(init)는 각 배터리 셀(10)의 초기 측정 저항 값이다.

일 실시예에서, SOC 추정부(110)는 션트 회로에 흐르는 전류를 적산하여 각 배터리 셀(10)에서 방전되는 용량을 산출할 수 있다.

션트 회로에 흐르는 전류의 크기는 시간에 따라 가변될 수 있으며, 정확하게 각 배터리 셀(10)에서 방전되는 용량 산출을 위해, 션트 회로에 흐르는 전류는 미리 설정된 시간 간격으로 전류 센싱 될 수 있다.

상기 미리 설정된 시간 간격은, 예를 들어, 1sec가 될 수 있으며, 회로 구성의 복잡도, 정밀도 등에 따라 더 짧은 시간 간격 또는 더 긴 시간 간격이 될 수 있다.

일 실시예에서, SOC 추정부(110)는, 각 배터리 셀(10) 양단의 도선(20)에 흐르는 전류와 션트 저항(132)에 흐르는 션트 전류의 상관 관계식으로부터 각 배터리 셀(10)에서 방전되는 용량을 산출할 수 있다.

각 배터리 셀(10) 양단의 도선(20)에 흐르는 전류(제1 전류)의 크기에 비해 션트 저항(132)에 흐르는 션트 전류(제2 전류)의 크기는 극소량 이며, 제1 전류의 크기와 제2 전류의 크기 간에 특정한 상관 관계식이 성립할 수 있다.

SOC 추정부(110)는, 상관 관계식에 따라 제2 전류 크기를 제1 전류 크기로 바로 변환하여, 시간에 대해 적산하여, 각 배터리 셀(10)에서 방전되는 용량을 산출할 수 있다.

다른 실시예에서, SOC 추정부(110)는, 제2 전류를 시간에 대해 적산하여 용량을 구하고, 이를 상관 관계식에 적용하여 제1 전류가 동일한 시간에 대해 적산되었을 때 각 배터리 셀(10)에서 방전되는 용량을 산출할 수 있다.

배터리의 SOH 관리 시스템(100)은 각 배터리 셀(10)의 온도를 측정하는 온도 측정부(150)를 더 포함할 수 있다.

각 배터리 셀(10)의 내부 저항 값은 각 배터리 셀(10)의 현재 온도 값에 영향을 받을 수 있으므로, 저항 측정부(130)는 온도 측정부(150)로부터 전달되는 각 배터리 셀(10)의 온도 값을 반영하여 각 배터리 셀(10)의 저항 값을 산출할 수 있다.

배터리의 SOH 관리 시스템(100)은 각 배터리 셀(10)의 온도에 따른 내부 저항 값을 매칭시킨 2차원 데이터 세트(set)를 저장하는 데이터 베이스(160)를 더 포함할 수 있다.

각 배터리 셀(10)의 현재 온도별로 내부 저항 값이 실험을 통해 측정될 수 있으며, 온도 변화에 따른 내부 저항 값의 변화를 구조화 하여, (온도 값, 내부 저항 값) 형태의 2차원 데이터 세트로 구성하여, 데이터 베이스(160)에 저장될 수 있다.

데이터 베이스(160)에 저장된 2차원 데이터 세트는 미리 설정된 주기에 따라 업데이트 될 수 있다.

각 배터리 셀(10)은 내구 수명에 따라 온도 변화에 대한 내부 저항 값의 변화량도 변할 수 있으므로, 데이터 베이스(160)는 각 배터리 셀(10)의 측정된 온도 값에 대한 내부 저항 값의 2차원 데이터 세트를 주기적으로 업데이트 하여 저장할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 어셈블리로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로 컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서 (parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.

10: 배터리 셀 20: 도선
100: 배터리의 SOH 관리 시스템 110: SOC 추정부
120: 배터리 모니터링 IC 130: 저항 측정부
132: 션트 저항 134: 증폭기
136: ADC 138: MCU
140: SOH 추정부 150: 온도 측정부
160: 데이터 베이스

Claims (10)

1. 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하면서 각 배터리 셀의 SOH를 추정하는 배터리의 SOH 관리 시스템으로서,
   상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압 값을 검출하여, SOC 값을 산출하는 SOC 추정부;
   상기 SOC 추정부로부터 전송되는 상기 복수의 배터리 셀 간 SOC 값의 편차를 감소시키도록 제어 신호를 생성하여 셀 밸런싱을 수행하는 배터리 모니터링 IC;
   상기 각 배터리 셀의 양단에 연결된 도선에 흐르는 전류를 이용하여, 상기 각 배터리 셀의 내부 저항을 측정하는 저항 측정부; 및
   상기 저항 측정부에서 측정된 상기 각 배터리 셀의 내부 저항 값과 상기 각 배터리 셀의 초기 측정 저항 값에 기반하여 각 배터리 셀의 SOH 값을 산출하는 SOH 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 SOH 추정부는 하기 수학식에 따라 각 배터리 셀의 SOH 값을 산출하며,
   SOH(%) = (Rdc(EOL) - Rdc) / (Rdc(EOL) - Rdc(init)) x 100
   여기서, Rdc(EOL)는 각 배터리 셀의 수명 종료 시 저항 값이며, Rdc는 저항 측정부에서 측정된 현재의 각 배터리 셀의 내부 저항 값이며, Rdc(init)는 각 배터리 셀의 초기 측정 저항 값인 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 저항 측정부는,
   상기 각 배터리 셀의 양단에 연결된 도선에 흐르는 전류로부터 파생되는 션트 전류를 션트 저항을 이용하여 측정하는 션트 회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 션트 회로는,
   상기 션트 전류가 흐르는 션트 저항;
   상기 션트 저항에 흐르는 션트 전류를 전압으로 측정하여 증폭하는 증폭기;
   상기 증폭기로부터 전달되는 전압을 디지털 값으로 변환하는 ADC; 및
   복수의 ADC로부터 전달되는 디지털 값을 다시 전류로 환산하고 배터리의 전압과 전류에 관한 관계식을 통해 DCIR(Direct Current Internal Resistence)을 산출하는 MCU;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.
5. 제3항에 있어서,
   상기 저항 측정부는,
   각 배터리 셀의 전압을 각 배터리 셀의 션트 전류로 나눈 값에서 밸런싱 저항 값을 차감하여, 각 배터리 셀의 내부 저항 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.
6. 제3항에 있어서,
   상기 SOC 추정부는 상기 션트 회로에 흐르는 전류를 적산하여 각 배터리 셀에서 방전되는 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 션트 회로에 흐르는 전류는 미리 설정된 시간 간격으로 전류 센싱 되는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.
8. 제6항에 있어서,
   상기 SOC 추정부는, 상기 각 배터리 셀 양단의 도선에 흐르는 전류와 상기 션트 저항에 흐르는 션트 전류의 상관 관계식으로부터 상기 각 배터리 셀에서 방전되는 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 각 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 측정부;를 더 포함하며,
   상기 저항 측정부는 상기 각 배터리 셀의 온도 값을 반영하여 저항 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 각 배터리 셀의 온도에 따른 내부 저항 값을 매칭시킨 2차원 데이터 세트를 저장하는 데이터 베이스;를 더 포함하며, 상기 데이터 베이스에 저장된 2차원 데이터 세트는 미리 설정된 주기에 따라 업데이트 되는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 관리 시스템.