KR20240037823A - 배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 충전 시간 예측 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 충전 시간 예측 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 충전 시간 예측 방법이 제공된다. 상기 배터리 관리 시스템은, 복수의 기준 충전 맵을 저장하는 메모리, 배터리의 전압, 전류 및 온도를 검출하도록 구성되는 센싱부, 및 상기 배터리의 전압 검출값 및 전류 검출값을 기초로, SOC 추정값을 결정하는 제어부를 포함한다. 각 기준 충전 맵은, 제1 내지 제M SOC 구간에 연관된 제1 내지 제M 기준 전류값 및 제1 내지 제M 기준 전력 커브를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 배터리의 온도 검출값이 속하는 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵으로부터, 상기 SOC 추정값이 속하는 제m SOC 구간에 연관된 제m 기준 전력 커브 및 제m 기준 전류값을 획득한다. 상기 제어부는, 상기 배터리에 충전 전력을 공급하는 충전기의 최대 출력 전력과 상기 제m 기준 전력 커브의 비교 결과에 따라, 상기 제m SOC 구간의 종료점과 상기 SOC 추정값의 차이와, 상기 제m 기준 전류값, 상기 최대 출력 전력 및 상기 제m 기준 전력 커브 중 적어도 하나를 기초로, 상기 배터리의 SOC가 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 결정한다.

Description

배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 충전 시간 예측 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM, BATTERY PACK, ELECTRIC VEHICLE AND BATTERY CHARGING TIME PREDICTION METHOD}
본 발명은, 배터리의 잔여 충전 시간을 추정하는 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리를 정전류로 충전함에 있어서, 충전 전류의 충전율(Current rate, 'C-rate'이라고도 함)이 작을 경우에는 배터리를 완충하기까지 매우 긴 시간이 요구된다. 반면, 충전율이 지나치게 높을 경우, 배터리가 빠르게 퇴화되는 부작용이 있다. 따라서, 정전류 충전 중, 배터리의 상태에 맞춰 충전 전류를 단계적으로 조절할 필요가 있다. 참고로, 충전율(C-rate)이란, 충전 전류를 배터리의 최대 용량으로 나눈 값으로서, 단위로는 'C'를 사용한다.
'멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜(multi-stage constant-current charging protocol)'은 정전류 충전용으로 미리 정해진 여러 충전율들을 단계적으로 변경하기 위해 활용될 수 있다. 복수의 온도 구간 각각에 대한 충전 맵이 작성될 수 있으며, 각 충전 맵은 특정 온도 구간에 연관된 복수의 기준 전류값(충전율)과 복수의 전환 조건 간의 관계가 기록된 테이블 또는 함수이다. 특정 충전 맵에 기록된 복수의 기준 전류값 중 어느 하나를 이용한 충전 중에 배터리의 상태가 특정 전환 조건(예, SOC가 60%에 도달)을 만족하게 되면, 다음 순서의 충전율의 충전 전류가 배터리에 공급될 수 있다.
관련하여, 배터리의 충전 중에 배터리의 SOC가 목표 SOC(예, 완충 상태)가 되기까지 남은 시간이 얼마나 되는지를 사용자에게 통지할 필요가 있다.
종래에는, 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜에 따른 충전율의 충전 전류가 배터리를 통해 흐를 수 있을 정도로, 충전기로부터의 출력 전력이 충분히 큰 것으로 가정하여, 목표 SOC까지의 잔여 충전 시간을 예측하고 있었다.
하지만, 충전기의 최대 출력 전력은 때때로 배터리의 정전류 충전에 요구되는 충전 전력 미만일 수 있고, 그러한 경우에는 정전류 충전 모드 대신 정전력 충전 모드에 의해 배터리의 충전이 진행된다. 정전류 충전 모드와 정전력 충전 모드 중 어느 것이 실시되는지에 따라 배터리 충전 속도에 큰 차이가 발생한다. 따라서, 충전기의 출력 전력이 충분치 않은 충전 조건에서는, 잔여 충전 시간의 예측치와 실제로 소요된 충전 시간 사이에 큰 편차가 존재하게 된다는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜에 따른 배터리 충전 중, 각 스테이지(SOC 범위)에서 요구되는 충전 전력과 충전기의 최대 출력 전력을 비교한 결과를 기초로, 해당 스테이지에서의 충전에 소요될 시간을 예측하는 과정을 반복함으로써, 배터리의 SOC가 목표 SOC에 도달할 때까지의 총 잔여 시간의 예측 정확도를 향상시킬 수 있는 배터리 관리 시스템, 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩, 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량 및 상기 배터리 관리 시스템에서 실행 가능한 배터리 충전 시간 예측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 시스템은, 복수의 온도 구간에 연관된 복수의 기준 충전 맵을 저장하도록 구성되는 메모리; 배터리의 전압, 전류 및 온도를 검출하도록 구성되는 센싱부; 및 상기 배터리의 전압 검출값 및 전류 검출값을 기초로, 상기 배터리의 SOC 추정값을 결정하도록 구성되는 제어부를 포함한다. 상기 복수의 기준 충전 맵 각각은, 제1 내지 제M SOC 구간(M은 2 이상의 자연수임)에 연관된 제1 내지 제M 기준 전류값 및 제1 내지 제M 기준 전력 커브를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 배터리의 온도 검출값이 속하는 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵으로부터, 상기 SOC 추정값이 속하는 제m SOC 구간(m은 M 이하의 자연수임)에 연관된 제m 기준 전력 커브 및 제m 기준 전류값을 획득하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 배터리에 충전 전력을 공급하는 충전기의 최대 출력 전력과 상기 제m 기준 전력 커브의 비교 결과에 따라, 상기 제m SOC 구간의 종료점과 상기 SOC 추정값의 차이와, 상기 제m 기준 전류값, 상기 최대 출력 전력 및 상기 제m 기준 전력 커브 중 적어도 하나를 기초로, 상기 배터리의 SOC가 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제m 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최대 전력값 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 제m 기준 전류값을 이용한 정전류 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 상기 제m 충전 시간 예측값으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최소 전력값 이하인 것에 응답하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 최대 출력 전력을 이용한 정전력 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 상기 제m 충전 시간 예측값으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최소 전력값과 최대 전력값 사이인 것에 응답하여, 상기 제m 기준 전력 커브와 상기 최대 출력 전력의 교차점에서의 SOC를 나타내는 교차 SOC를 결정하고, 상기 SOC 추정값, 상기 교차 SOC, 상기 제m SOC 구간의 종료점, 상기 제m 기준 전류값, 상기 최대 출력 전력 및 상기 제m 기준 전력 커브를 기초로, 상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 교차 SOC에 도달할 때까지 상기 제m 기준 전류값을 이용한 정전류 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 나타내는 제m 정전류 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC가 상기 교차 SOC로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 최대 출력 전력을 이용한 정전력 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 나타내는 제m 정전력 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제m 정전류 충전 시간 예측값과 상기 제m 정전력 충전 시간 예측값의 합과 동일하게, 상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 내지 제M SOC 구간 중, 상기 제m SOC 구간에 후속하는 적어도 하나의 SOC 구간이 존재하는 경우, 상기 제(m+1) SOC 구간의 시작점에서의 온도 예측값을 더 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제m 기준 전류값 및 상기 제m 충전 시간 예측값을 기초로, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값부터 상기 제(m+1) SOC 구간의 시작점에 도달할 때까지의 온도 변화 예측량을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 SOC 추정값부터 상기 제m SOC 구간의 종료점까지의 온도 변화 예측량을 상기 온도 검출값에 합산하여, 상기 제(m+1) SOC 구간의 시작점에서의 온도 예측값을 결정하도록 구성될 수 있다.
k가 (m+1) 이상 M 이하의 자연수라고 할 때, 상기 제어부는, 상기 제k SOC 구간의 시작점에서의 온도 예측값에 대한 결정이 완료된 것에 응답하여, 상기 제k SOC 구간의 시작점에서의 온도 예측값이 속하는 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵으로부터, 상기 제k SOC 구간에 연관된 제k 기준 전력 커브 및 제k 기준 전류값을 획득하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 충전기의 최대 출력 전력과 상기 제k 기준 전력 커브의 비교 결과에 따라, 상기 제k SOC 구간의 크기와, 상기 제k 기준 전류값, 상기 최대 출력 전력 및 상기 제k 기준 전력 커브 중 적어도 하나를 기초로, 상기 배터리의 SOC가 상기 제k SOC 구간의 시작점으로부터 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제k 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제M SOC 구간에서의 충전 시간 예측값에 대한 결정이 완료된 것에 응답하여, 상기 제m 내지 제M SOC 구간에 대해 결정된 상기 제m 내지 제M 충전 시간 예측값을 합산하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제M SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지의 총 잔여 시간을 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은, 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 충전 시간 예측 방법은, 배터리의 전압 검출값 및 전류 검출값을 기초로, 상기 배터리의 SOC 추정값을 결정하는 단계, 복수의 온도 구간에 연관된 복수의 기준 충전 맵 - 각 기준 충전 맵은 제1 내지 제M SOC 구간(M은 2 이상의 자연수임)에 연관된 제1 내지 제M 기준 전류값 및 제1 내지 제M 기준 전력 커브을 포함함 - 중, 상기 온도 검출값이 속하는 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵으로부터, 상기 SOC 추정값이 속하는 제m SOC 구간(m은 M 이하의 자연수임)에 연관된 제m 기준 전력 커브 및 제m 기준 전류값을 획득하는 단계; 및 상기 배터리에 충전 전력을 공급하는 충전기의 최대 출력 전력과 상기 제m 기준 전력 커브의 비교 결과에 따라, 상기 제m SOC 구간의 종료점과 상기 SOC 추정값의 차이와, 상기 제m 기준 전류값, 상기 최대 출력 전력 및 상기 제m 기준 전력 커브 중 적어도 하나를 기초로, 상기 배터리의 SOC가 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계는, 상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최대 전력값 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 제m 기준 전류값을 이용한 정전류 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 상기 제m 충전 시간 예측값으로 결정할 수 있다.
상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계는, 상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최소 전력값 이하인 것에 응답하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 최대 출력 전력을 이용한 정전력 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 상기 제m 충전 시간 예측값으로 결정할 수 있다.
상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계는, 상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최소 전력값과 최대 전력값 사이인 것에 응답하여, 상기 제m 기준 전력 커브로부터, 상기 최대 출력 전력과 동일한 전력값에 연관된 교차 SOC를 결정하는 단계; 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 교차 SOC에 도달할 때까지 상기 제m 기준 전류값을 이용한 정전류 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 나타내는 제m 정전류 충전 시간 예측값을 결정하는 단계; 상기 배터리의 SOC가 상기 교차 SOC로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 최대 출력 전력을 이용한 정전력 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 나타내는 제m 정전력 충전 시간 예측값을 결정하는 단계; 및 상기 제m 정전류 충전 시간 예측값과 상기 제m 정전력 충전 시간 예측값의 합과 동일하게, 상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜에 따른 배터리 충전 중, 각 스테이지(SOC 범위)에서 요구되는 충전 전력과 충전기의 최대 출력 전력을 비교한 결과를 기초로, 해당 스테이지에서의 충전에 소요될 시간을 예측하는 과정을 반복함으로써, 배터리의 SOC가 목표 SOC에 도달할 때까지의 총 잔여 시간의 예측 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 각 스테이지에서의 배터리 온도 변화량을 예측하고, 예측된 배터리 온도 변화량을 이용하여 후속 스테이지에서의 충전 소요 시간을 예측하는 데에 이용되는 충전 맵을 선택함으로써, 스테이지별 충전 소요 시간의 예측 정확도를 향상할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 각 스테이지에 대한 온도 변화량 예측값과 실제 온도 변화량의 차이에 따라 해당 스테이지의 종료점을 조정함으로써, 향후에 재개될 충전 절차의 안전성이 향상킴은 물론 배터리 수명을 장기화할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜을 이용한 충전 절차에 이용되는 예시적인 기준 충전 맵을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 5는 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜을 이용한 충전 절차에 대한 충전기의 최대 출력 전력의 영향을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 충전 시간 예측 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 7은 도 6에 도시된 단계 S630의 하위 루틴들을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 8은 도 7에 도시된 단계 S750의 하위 루틴들을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 9는 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜에 따른 SOC 구간별 온도 변화량을 예측하는 데에 이용되는 제1 및 제2 써멀 모델을 설명하는 데에 참조되는 모식도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 충전 시간 예측 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 충전 시간 예측 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <~부(유닛)>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
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.
도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기 차량(1)은, 차량 컨트롤러(2), 배터리 팩(10), 릴레이(20), 인버터(30) 및 전기 모터(40)를 포함한다. 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)는, 충전 케이블 등을 통해 충전기(3)에 전기적으로 결합될 수 있다. 충전기(3)는, 전기 차량(1)에 포함된 것이거나, 충전 스테이션에 마련된 것일 수 있다.
차량 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit)는, 전기 차량(1)에 마련된 시동 버튼(미도시)이 사용자에 의해 ON-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-온 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 차량 컨트롤러(2)는, 시동 버튼이 사용자에 의해 OFF-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-오프 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 충전기(3)는, 차량 컨트롤러(2)와 통신하여, 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)를 통해 정전류 또는 정전압의 충전 전력을 공급할 수 있다.
배터리 팩(10)은, 배터리(11) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
배터리(11)는, 셀 그룹(12) 및 케이스(13)를 포함한다. 케이스(13)는, 배터리(11)의 전체적인 외형을 정의하고, 셀 그룹(12)이 배치될 수 있는 내부 공간을 제공한다. 케이스(13)는, 전기 차량(1)에 마련된 배터리 룸에 볼트 등을 통해 고정 체결된다.
셀 그룹(12)은, 케이스(13)로부터 제공된 내부 공간에 배치(수납)되는 것으로서, 적어도 하나의 배터리 셀(BC)을 포함한다. 배터리 셀(BC)은, 예컨대 리튬 이온 셀과 같이 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다.
셀 그룹(12)이 복수의 배터리 셀을 포함하는 경우, 이들 복수의 배터리 셀은 직렬, 병렬 또는 직병렬이 혼합되어 연결될 수 있다.
릴레이(20)는, 배터리(11) 및 인버터(30)를 연결하는 전력 경로를 통해, 배터리(11)에 전기적으로 직렬 연결된다. 도 1에서는, 릴레이(20)가 배터리(11)의 양극 단자와 충방전 단자(P+) 사이에 연결된 것으로 예시되어 있다. 릴레이(20)는, 배터리 관리 시스템(100)으로부터의 스위칭 신호에 응답하여, 온오프 제어된다. 릴레이(20)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 컨택터이거나, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다.
인버터(30)는, 배터리 관리 시스템(100) 또는 차량 컨트롤러(2)로부터의 명령에 응답하여, 셀 그룹(12)으로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하도록 제공된다.
전기 모터(40)는, 인버터(30)로부터의 교류 전력을 이용하여 구동한다. 전기 모터(40)로는, 예컨대 3상 교류 모터(40)를 이용할 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)은, 전압 센서(111), 전류 센서(113), 배터리 온도 센서(115) 및 제어부(130)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은, 외기 온도 센서(117)를 더 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템(100)은, 통신 회로(150)를 더 포함할 수 있다.
전압 센서(111)는, 배터리(11)에 병렬 연결되어, 배터리(11)의 양단에 걸친 전압인 배터리 전압을 검출하고, 검출된 배터리 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다.
전류 센서(113)는, 배터리(11)와 인버터(30) 간의 전류 경로를 통해 배터리(11)에 직렬로 연결된다. 전류 센서(113)는, 배터리(11)를 통해 흐르는 전류인 배터리 전류를 검출하고, 검출된 배터리 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성된다. 전류 센서(113)는, 션트 저항체, 홀 효과 소자 등과 같은 공지의 전류 검출 소자들 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구현될 수 있다.
배터리 온도 센서(115)는, 배터리 온도를 검출하고, 검출된 배터리 온도를 나타내는 온도 신호를 생성하도록 구성된다. 배터리 온도 센서(115)는, 배터리(11)의 실제 온도와 근접한 온도를 검출할 수 있도록, 케이스(13) 내에 배치될 수 있다. 예컨대, 배터리 온도 센서(115)는 셀 그룹(12)에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀(BC)의 표면에 부착될 수 있으며, 배터리 셀(BC)의 표면 온도를 배터리 온도로서 검출할 수 있다.
전압 센서(111), 전류 센서(113) 및 배터리 온도 센서(115)를 '센싱부'라고 칭할 수 있다.
외기 온도 센서(117)는, 배터리(11)로부터 이격된 소정 위치의 온도인 외기 온도(분위기 온도)를 검출하고, 검출된 외기 온도를 나타내는 온도 신호를 생성하도록 구성된다. 외기 온도 센서(117)는, 배터리(11)와 외기 간의 열 교환이 이루어지는 케이스(13) 외부의 소정 위치에 배치될 수 있다.
배터리 온도 센서(115)와 외기 온도 센서(117) 각각은, 열전대, 서미스터, 바이메탈 등과 같은 공지의 온도 검출 소자들 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구현될 수 있다.
통신 회로(150)는, 제어부(130)와 차량 컨트롤러(2) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성된다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론, 제어부(130)와 차량 컨트롤러(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프로토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 통신 회로(150)는, 제어부(130) 및/또는 차량 컨트롤러(2)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다.
제어부(130)는, 릴레이(20), 전압 센서(111), 전류 센서(113), 배터리 온도 센서(115), 외기 온도 센서(117) 및 통신 회로(150)에 동작 가능하게 결합된다. 두 구성이 동작 가능하게 결합된다는 것은, 단방향 또는 양방향으로 신호를 송수신 가능하도록 두 구성이 직간접적으로 연결되어 있음을 의미한다.
제어부(130)는, 전압 센서(111)로부터의 전압 신호, 전류 센서(113)로부터의 전류 신호, 배터리 온도 센서(115)로부터의 온도 신호('배터리 온도 신호'라고 칭할 수 있음) 및/또는 외기 온도 센서(117)로부터의 온도 신호('외기 온도 신호'라고 칭할 수 있음)를 수집할 수 있다. 제어부(130)는, 내부에 마련된 ADC(Analog to Digital Converter)를 이용하여, 센서들(111, 113, 115, 117)로부터 수집된 각각의 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환 및 기록할 수 있다.
제어부(130)는, '제어 회로' 또는 '배터리 컨트롤러'라고 칭할 수 있으며, 하드웨어적으로 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
메모리(140)는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 메모리(140)는, 제어부(130)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(140)는, 제어부(130)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다. 도 1에는 메모리(140)가 제어부(130)로부터 물리적으로 독립된 것으로 도시되어 있으나, 제어부(130) 내에 내장될 수도 있다.
메모리(140)는, 배터리(11)에 대한 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜에 연관된 적어도 하나의 기준 충전 맵을 저장하고 있을 수 있다. 각 기준 충전 맵에 대해서는 이하에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
제어부(130)는, 키-온 신호에 응답하여, 릴레이(20)를 턴 온시킬 수 있다. 제어부(130)는, 키-오프 신호에 응답하여, 릴레이(20)를 턴 오프시킬 수 있다. 키-오프 신호는, 사용 상태로부터 휴지 상태로의 전환을 나타낸다. 대안적으로, 릴레이(20)의 온오프 제어는, 제어부(130) 대신 차량 컨트롤러(2)가 담당할 수 있다.
릴레이(20)가 턴 온되어 있는 동안, 배터리(11)는 사용 상태로 된다. 반대로, 릴레이(20)가 턴 오프되어 있는 동안, 배터리(11)는 휴지 상태로 된다. 사용 상태란, 배터리(11)가 충방전 중인 상태이며, '사이클 상태'라고 칭할 수도 있다. 휴지 상태란, 배터리(11)의 충방전이 정지된 상태이며, '캘린더 상태'라고 칭할 수도 있다.
제어부(130)는, 배터리(11)가 사용 상태로 있는 동안, 전압 신호, 전류 신호, 배터리 온도 신호 및 외기 온도 신호를 기초로, 전압 검출값, 전류 검출값, 배터리 온도 검출값 및 외기 온도 검출값을 결정한 다음, 전압 검출값, 전류 검출값 및/또는 배터리 온도 검출값에 기초하여 배터리(11)의 충전 상태(SOC: State Of Charge)를 결정(추정)할 수 있다. SOC는, 배터리(11)의 완전 충전 용량(최대 용량)에 대한 잔존 용량의 비율로서, 통상 0~1 또는 0~100%의 범위로 처리된다. SOC의 결정에는, 암페어 카운팅, OCV(Open Circuit Voltage)-SOC 커브 및/또는 칼만 필터 등과 같은 공지의 방식이 활용될 수 있다. 참고로, 본 명세서에서 단순히 '온도 검출값'이라고 기재된 것은, 배터리 온도 검출값을 지칭하는 것일 수 있다.
배터리(11)의 최대 용량은, 공지된 다양한 방법 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 통해 추정 가능하다. 일 예로, 제어부(130)는, 배터리(11)의 SOC가 제1 값에 있을 때부터 제2 값에 도달할 때까지의 기간에 걸친 전류 적산량을 SOC의 변화량(즉, 제1 값과 제2 값의 차이)으로 나누어 배터리(11)의 현재의 최대 용량을 산출할 수 있다. 또는, 제어부(130)는, 공지된 다양한 방법 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 통해 연산된 SOH(State Of Health)를 소정의 설계 용량(신품 배터리의 최대 용량)에 곱하여 배터리(11)의 현 최대 용량을 결정할 수도 있다.
도 2 내지 도 4는 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜을 이용한 충전 절차에 이용되는 예시적인 기준 충전 맵을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
메모리(151)에는 복수의 기준 충전 맵(CM1~CMN)이 저장될 수 있다. 복수의 기준 충전 맵은 복수의 온도 구간(CM1~CMN, N은 2 이상의 자연수)에 일대일로 연관될 수 있다.
도 2 내지 도 4는 복수의 온도 구간(예, 0℃ 미만, 0℃ 이상 10 ℃ 미만, 10℃ 이상 25 ℃ 미만, 25℃ 이상 40 ℃ 미만, 40℃ 이상) 중 어느 하나(예, 10℃ 이상 25 ℃ 미만)에 연관된, 복수의 기준 충전 맵(CM1~CMN) 중의 어느 한 기준 충전 맵(CMn, n은 N 이하의 자연수)에 관한 것이다.
구체적으로, 도 2에 도시된 그래프는 전체 SOC 범위에 걸친 SOC에 대한 충전 전류의 변화를 나타내는 기준 전류 프로파일(200)을 예시하고 있다. 본 발명에 있어서, 전체 SOC 범위는 제1 내지 제M SOC 구간(Z[1]~Z[M], M은 2 이상의 자연수)로 구획되어 있다. 설명의 편의를 위해, 도 2 내지 도 4에서는 M = 4로 예시되어 있다.
제1 내지 제M SOC 구간(Z[1]~Z[M])에 있어서, 제1 SOC 구간(Z[1])의 시작점은 전체 SOC 범위의 시작점(예, SOC 0%)과 동일하고, 제M SOC 구간(Z[M])의 종료점은 전체 SOC 범위의 종료점(예, SOC 100%)과 동일하다. 전체 SOC 범위의 종료점이 목표 SOC로서 미리 설정될 수 있다.
제1 내지 제M SOC 구간(Z[1]~Z[M])의 서로 인접한 두 구간 중 선행 구간의 종료점은 후행 구간의 시작점에 일치할 수 있다. 예컨대, 제1 SOC 구간(Z[1])의 종료점(예, 50%)은 제2 SOC 구간(Z[2])의 시작점(예, 50%)에 일치한다.
도 2에 있어서, 제1 내지 제M SOC 구간(Z[1]~Z[M])에는 제1 내지 제M 기준 전류값(I#1~I#M)이 일대일로 연관되어 있으며, 각 기준 전류값은 그에 연관된 SOC 구간에서의 정전류 충전을 위한 충전 전류를 나타낸다. 기준 전류 프로파일(200)에 따르면, 특정 SOC 구간에 대한 기준 전류값은 단일하며, 이는 기준 전류값이 그에 연관된 SOC 구간에서의 정전류 충전용임을 나타낸다. 즉, 충전기(3)가 충분히 큰 출력 전력을 공급 가능하다면, 배터리(11)는 기준 전류 프로파일(200)에 따른 충전 전류에 의해 정전류 충전될 수 있다.
멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜에 있어서, 배터리 보호를 위해 SOC의 증가에 따라 충전 전류의 감소가 필요할 수 있다. 도 3을 참조하면, 제1 내지 제4 기준 전류값(I#1~I#4)은 예컨대 8 [A], 6 [A], 4 [A] 및 2 [A]과 같이, SOC가 증가함에 따라 단계적으로 감소하도록 미리 정해질 수 있다.
도 3에 도시된 그래프는, 전체 SOC 범위에 걸친 SOC에 대한 배터리 전압의 변화를 나타내는 기준 전압 프로파일(300)을 예시하고 있다. 기준 전압 프로파일(300)은, 배터리(11)와 동일한 사양을 가지는 적어도 하나의 샘플 배터리를, 기준 전류 프로파일(200)에 따라 충전시키는 동안에, 각 샘플 배터리의 전압을 주기적으로 측정하는 충전 테스트를 반복 실시한 결과로부터 미리 취득된 것일 수 있다. 기준 전압 프로파일(300)은 SOC에 대한 배터리 전압의 시계열 또는 다차 함수로서 메모리(151)에 기록될 수 있다.
도 4에 도시된 그래프는, 전체 SOC 범위에 걸친 SOC에 대한 충전 전력의 변화를 나타내는 기준 전력 프로파일(400)을 예시하고 있다. 기준 전력 프로파일(400)은, 배터리(11)와 동일한 사양을 가지는 적어도 하나의 샘플 배터리를, 기준 전류 프로파일(200)에 따라 충전시키는 동안에, 각 샘플 배터리에 공급되는 충전 전력을 주기적으로 측정하는 충전 테스트를 반복 실시한 결과로부터 미리 취득된 것일 수 있다. 기준 전력 프로파일(400)은 SOC에 대한 충전 전력의 시계열 또는 다차 함수로서 메모리(151)에 기록될 수 있다.
기준 전력 프로파일(400)는 실질적으로는 전체 SOC 범위에서 기준 전류 프로파일(200)과 기준 전압 프로파일(300)의 곱과 동일하다. 즉, 특정 SOC에서의 기준 전력 프로파일(400) 상의 충전 전력은, 해당 특정 SOC에서의 기준 전압 프로파일(300) 상의 전압값과 기준 전류 프로파일(200) 상의 전류값의 곱과 동일하다. 주목할 점은, 각각의 SOC 구간에서, 배터리(11)의 전압은 상승하는 반면 기준 전류값은 일정하므로, 충전 전력은 점차 상승한다는 것이다. 특정 SOC 구간에서의 전력 변화를 나타내는, 기준 전력 프로파일(400)의 일 부분을, 이하에서는 '기준 전력 커브'라고 칭하기로 한다. 즉, 기준 전력 프로파일(400)는, 연속되는 제1 내지 제4 기준 전력 커브(P#1~P#4)를 포함한다. 참고로, 도 2에 도시된 기준 전류 프로파일(200)에서는 두 SOC 구간의 경계에서 기준 전류값의 전환이 발생하므로, 도 4에 도시된 제1 내지 제4 기준 전력 커브(P#1~P#4) 중 서로 인접한 두 기준 전력 커브(예, P#2 및 P#3의 경계마다 충전 전력의 어긋남이 존재하는 것으로 도시되어 있다.
한편, 특정 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵(CMn)은, 동일 온도 구간에서의 테스트를 통해 미리 취득된, 기준 전류 프로파일(200), 기준 전압 프로파일(300) 및 기준 전력 프로파일(400)을 포함할 수 있다.
관련하여, 기준 전류 프로파일(200), 기준 전압 프로파일(300) 및 기준 전력 프로파일(400) 모두를 메모리(151)에 기록하는 데에는 상당히 큰 저장 공간이 요구된다. 또한, 기준 전력 프로파일(400, 도 4 참조)을 기준 전류 프로파일(200, 도 2 참조)로 제산하는 과정을 통해 기준 전압 프로파일(300, 도 2 참조)을 연산(생성)하는 것이 가능하다. 따라서, 복수의 기준 충전 맵(CM1~CMN) 중 적어도 하나는, 기준 전류 프로파일(200) 및 기준 전력 프로파일(400)만을 포함하도록 작성될 수 있다.
전술된 내용을 정리하자면, 복수의 기준 충전 맵(CM1~CMN) 중 적어도 하나의 기준 충전 맵은, 제1 내지 제M SOC 구간(Z[1]~Z[M])에 일대일로 연관된 제1 내지 제M 기준 전력 커브(P#1~P#M) 및 제1 내지 제M 기준 전류값(I#1~I#M)을 포함한다.
동일 SOC 구간에 있어서, 어느 한 온도 구간(예, 0℃ 이상 10 ℃ 미만)에 연관된 기준 충전 맵의 기준 전력 커브는, 다른 온도 구간(예, 10℃ 이상 25 ℃ 미만)에 연관된 다른 기준 충전 맵의 기준 전력 커브와는 상이할 수 있다.
마찬가지로, 동일 SOC 구간에 있어서, 어느 한 온도 구간(예, 0℃ 이상 10 ℃ 미만)에 연관된 기준 충전 맵에 기록된 기준 전류값은, 다른 온도 구간(예, 10℃ 이상 25 ℃ 미만)에 연관된 다른 기준 충전 맵에 기록된 기준 전류 값과는 상이할 수 있다.
배터리(11)의 SOC 및 온도에 대한 충전 전류, 배터리 전압 및 충전 전력의 관계는 배터리(11)의 크기, 무게, 활물질 재료, 외형 등에 의존하는 것이다. 따라서, 도 2 내지 도 4는 본 발명을 설명함에 있어서 단순한 하나의 예시로서 이해하여야 한다.
참고로, 전체 SOC 범위의 상한(즉, 목표 SOC)은 100%보다 작은 값(예, 98%)로 설정되어도 무방하다. 이 경우, 배터리(11)의 SOC에 목표 SOC에 도달한 때부터 완충 시까지는, 정전류 충전 모드나 정전력 충전 모드 대신, 정전압 충전 모드에 의해 배터리(11)의 충전이 진행될 수 있다.
m은 M 이하의 자연수라고 가정해보자. 본 명세서에서, m은 배터리(11)의 현 SOC가 속하는 SOC 구간의 구간 인덱스로서 사용되었다. 그러면, 본 명세서에서 사용된 부호 P#m는 배터리 온도(검출값 또는 예측값)가 속하는 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵(CMn)에 기록된 제1 내지 제M 기준 전력 커브(P#1~P#M) 중 SOC 구간(Z[m])에 연관된 기준 전력 커브를 나타낼 수 있다. 또한, 부호 I#m는 SOC 구간(Z[m])에 연관된 기준 전류값을 나타낼 수 있다. 각각의 기준 전류값(예, I#1)은, 그에 연관된 SOC 구간(예, Z[1])의 시작점(예, 0 %)부터 종료점(예, 50 %)까지 배터리(11)를 불가역적 손상없이 충전하는 데에 허용되는 최대 충전 전류를 나타내는 것으로 미리 정해진 값일 수 있다.
x는 M 이하의 자연수라고 할 때, SOC 구간(Z[x])의 크기(폭)는, 해당 SOC 구간(Z[x])의 시작점과 종료점 간의 차이이며, 부호 ΔZ[x]를 사용하였다. 도 2 내지 도 4에서는, 제1 내지 제4 SOC 구간(Z[1]~Z[4])의 크기가 순서대로 50%, 20%, 15% 및 15%로 예시되어 있다. 물론, 제1 내지 제M SOC 구간(Z[1]~Z[M])은 서로 동일한 크기를 가지거나, 도 2와는 다르게 정해질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 5는 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜을 이용한 충전 절차에 대한 충전기의 최대 출력 전력의 영향을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 5에는 도 4의 기준 전력 프로파일(400)과 함께 3개의 수평선(510, 520, 530)이 도시되어 있다. 이들 3개의 수평선(510, 520, 530) 중 어느 하나는 충전기(3)에서 배터리(11)에게 공급 가능한 최대 출력 전력(PMAX)을 나타낸다. 제어부(130)는, 통신회로(150)를 통해, 차량 컨트롤러(2) 및/또는 충전기(3)로부터 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)을 식별할 수 있다.
정전류 충전 모드, 정전력 충전 모드 및 정전압 충전 모드 중 어느 것이든, 각각의 SOC 구간에서는 해당 충전 모드에 의한 충전 중에 배터리(11)의 전압이 점차 상승한다.
수평선(510)은 충전기(3)에서 배터리(11)에게 공급 가능한 최대 출력 전력(PMAX)이 전체 SOC 구간에서 요구되는 최대 충전 전력 이상인 것을 예시한다. 도 5에서는, SOC 구간(Z[1])의 종료점에서 최대 충전 전력이 요구되는 것으로 도시되어 있다. 이 경우, 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜에 따른 서로 다른 충전 전류들(I#1~I#M)이 순차적으로 전환되는 정전류 충전 모드만이 실시될 것이다. 즉, SOC 구간(Z[x])에서 배터리(11)는 기준 전류값(I[x])의 충전 전류로 정전류 충전되므로, 배터리(11)에 공급되는 충전 전력의 경시적인 변화는 기준 전력 프로파일(400)에 일치하는 것으로 처리될 수 있다.
수평선(520)은 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)이 전체 SOC 구간에서 요구되는 최소 충전 전력 이하인 것을 예시한다. 도 5에서는, SOC 구간(Z[1])의 시작점에서 최소 충전 전력이 요구되는 것으로 도시되어 있다. 이 경우, 전체 SOC 구간에 걸쳐 배터리(11)에 공급되는 충전 전력은 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)으로 제한된다. 즉, 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜에 따른 서로 다른 충전 전류들이 순차적으로 전환되는 대신, 전체 SOC 구간의 시작점부터 종료점에 이를 때까지 최대 출력 전력(PMAX)에 의한 정전력 충전 모드만이 실시될 것이다.
수평선(530)은 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)이 전체 SOC 구간에서 요구되는 최소 충전 전력보다 크고 최대 충전 전력보다는 작은 상황을 예시한다.
수평선(530)을 살펴보면, 최대 출력 전력(PMAX)은 SOC 구간(Z[1])의 초반부에는 기준 전력 커브(P#1)의 상측에 있다가, 특정 SOC(ZX)부터는 기준 전력 커브(P#1)의 하측에 있게 된다. 즉, SOC 구간(Z[1]) 내에서 수평선(530)과 기준 전력 커브(P#1)의 교차점(X)이 존재한다. 이 교차점(X)은, 기준 전류값(I#1)에 의한 정전류 충전 모드로부터 최대 출력 전력(PMAX)에 의한 정전력 충전 모드로의 전환점이다.
또한, SOC 구간(Z[2])에서는 최대 출력 전력(PMAX)이 기준 전력 커브(P#1)보다 아래인 반면, SOC 구간(Z[3]) 및 SOC 구간(Z[4])에서는 최대 출력 전력(PMAX)이 기준 전력 커브(P#3)와 기준 전력 커브(P#4)의 상측이다. 따라서, SOC 구간(Z[2])에서는 최대 출력 전력(PMAX)에 의한 정전력 충전 모드로 배터리(11)가 충전되고, SOC 구간(Z[3]) 및 SOC 구간(Z[4])에서는 기준 전류값(I#3) 및 기준 전류값(I#4)에 의한 정전류 충전 모드로 배터리(11)의 충전이 진행된다.
종래에는, 충전 중에 배터리(11)에 공급되는 충전 전력이 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)까지로 제한되는 것을 잔여 충전 시간의 예측 프로세스에 반영하는 방안이 부재하였다. 예컨대, 만약 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)이 도 5에 도시된 수평선(530)과 같음에도, 두 SOC 구간(Z[1], Z[2]) 각각에서의 잔여 충전 시간을 예측함에 있어서, 기준 전력 커브(P#1, P#2)에 따른 충전 전력이 공급되는 것으로 가정한다면, SOC 구간(Z[1])의 후반부(ZX~50%)와 SOC 구간(Z[2]) 전체에서의 기준 전력 커브(P#1, P#2)에 따른 충전 전력과 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX) 간의 전력 차이만큼 잔여 충전 시간의 예측 오차가 누적되어 버린다. 결과적으로, 두 SOC 구간(Z[1], Z[2])에 대한 잔여 충전 시간은 물론 목표 SOC에 도달할 때까지의 총 잔여 충전 시간의 예측값이 실제와는 크게 동떨어지는 상황이 빈번히 발생하였다.
따라서, SOC 구간별 잔여 충전 시간의 예측 오차를 저감하기 위해서는, SOC 구간별로, 기준 전력 프로파일(400)에 따른 충전 전력과 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)을 비교하여, 정전류 충전 모드와 정전력 충전 모드 중 어느 하나만 실시될지 둘 다 실시될지를 결정한 다음, 결정된 충전 모드의 특성을 이용하여 SOC 구간별 잔여 충전 시간을 산출(예측)할 필요가 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 충전 시간 예측 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이고, 도 7은 도 6에 도시된 단계 S630의 하위 루틴들을 예시적으로 보여주는 순서도이고, 도 8은 도 7에 도시된 단계 S750의 하위 루틴들을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 6의 방법은, 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜을 이용하여 배터리(11)를 충전 중, 설정 시간마다 배터리 관리 시스템(100)에 의해 실행될 수 있다.
도 1 내지 6을 참조하면, 단계 S610에서, 제어부(130)는, 배터리(11)의 전압 검출값 및 전류 검출값을 기초로, 배터리(11)의 SOC 추정값을 결정한다. SOC 추정값의 결정에는 배터리 온도 검출값이 추가적으로 이용될 수 있다. 단계 S610에서의 전압 검출값, 전류 검출값, 온도 검출값 및 SOC 추정값은 각각 배터리(11)의 현재의 전압, 전류, 온도 및 SOC를 나타내는 것일 수 있다. 제어부(130)는, 설정 시간마다 각각 결정되는 전압 검출값, 전류 검출값, 온도 검출값, 및 SOC 추정값을 메모리(140)에 기록한다. 단계 S610에서는, 현재의 외기 온도를 나타내는 외기 온도 검출값(TATM, 도 9 참조)이 추가적으로 결정될 수 있다.
단계 S620에서, 제어부(130)는, 복수의 기준 충전 맵(CM1~CMN) 중, 상기 온도 검출값이 속하는 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵(CMn)으로부터, 단계 S610에서 결정된 상기 SOC 추정값이 속하는 제m SOC 구간(Z[m], m은 M 이하의 자연수임)에 연관된 제m 기준 전류값(I#m) 및 제m 기준 전력 커브(P#m)를 획득한다. 본 명세서에서 제m SOC 구간(Z[m])은 배터리(11)의 현 SOC가 속하는 SOC 구간일 지칭할 수 있다.
단계 S630에서, 제어부(130)는, 최대 출력 전력(PMAX) 및 제m 기준 전력 커브(P#m)의 비교 결과에 따라, SOC 추정값 및 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점을 기초로, 그리고 제m 기준 전류값(I#m), 최대 출력 전력(PMAX) 및 제m 기준 전력 커브(P#m) 중 적어도 하나를 더 기초로, 배터리(11)의 SOC가 단계 S610에서 결정된 SOC 추정값으로부터 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제m 충전 시간 예측값을 결정한다. 예컨대, 단계 S610에서 결정된 SOC 추정값이 2%라면, 제m SOC 구간(Z[m]) = Z[1]이고, 제m 충전 시간 예측값(제1 충전 시간 예측값)은 배터리(11)의 SOC가 2%에서 50%가 될 때까지의 필요한 시간일 수 있다. 단계 S630은 그의 하위 루틴들로서 단계 S710 내지 단계 S750을 포함한다.
도 7을 참조하면, 단계 S710에서, 제어부(130)는, 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)이 제m 기준 전력 커브(P#m)의 최대 전력값 이상인지 여부를 판정한다. 예컨대, 도 5의 수평선(510)이 최대 출력 전력(PMAX)을 나타내는 것이라면, 단계 S710의 값은 "예"이다. 반면, 도 5의 수평선(520) 또는 수평균(530)이 최대 출력 전력(PMAX)을 나타내는 것이라면, 단계 S710의 값은 "아니오"이다. 단계 S710의 값이 "예"이면, 단계 S720으로 진행된다. 단계 S710의 값이 "아니오"이면, 단계 S730으로 진행된다.
단계 S720에서, 제어부(130)는, SOC 추정값, 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점 및 제m 기준 전류값(I#m)을 기초로, 제m 충전 시간 예측값을 결정한다. SOC 차이(ΔZ[m])는 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점에서 SOC 추정값을 차감한 값이다. 단계 S720을 통해 결정되는 제m 충전 시간 예측값은, 정전류 충전 모드에 의한 충전 시간을 나타낼 수 있다. 제어부(130)는, SOC 차이(ΔZ[m])에 대응하는 충전 필요 용량을 연산한 다음, 연산된 충전 필요 용량을 제m 기준 전류값(I#m)으로 제산함으로써, 제m 충전 시간 예측값을 결정할 수 있다.
하기의 수식 1은 정전류 충전 모드에 의한 충전 시간을 결정하는 데에 이용 가능한 함수의 일 예이다.
<수식 2>
수식 1에 있어서 z = SOC, zf = 충전을 통해 도달하고자 하는 SOC, zi = zf에 도달하기 전의 특정 시점에서의 SOC, ICHG = 충전 전류, QMAX = 배터리(11)의 최대 용량, ΔQ = 충전 필요 용량 = Δz = (zf - zi)에 대응하는 용량, ΔtCC = 충전 시간. 참고로, 수식 1은 이해를 돕기 위해 3개의 등호를 이용하여 표현되어 있으나, 우측 3개의 항 중 맨 우측의 항만을 포함하도록 메모리(151)에 저장될 수 있다.
일 예로, QMAX = 10000 mAh, zf - zi = 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점 - SOC 추정값 = 50% - 2% = ΔZ[m] = 48%, 그리고 I#m = 10 A라고 해보자. 그러면, ΔQ = 4800 mAh이므로, Δt#m = 4800 mAh/10 A = 0.48 시간이다.
단계 S730에서, 제어부(130)는, 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)이 제m 기준 전력 커브(P#m)의 최소 전력값 이하인지 여부를 판정한다. 예컨대, 도 5의 수평선(520)이 최대 출력 전력(PMAX)을 나타내는 것이라면, 단계 S730의 값은 "예"이다. 반면, 도 5의 수평선(530)이 최대 출력 전력(PMAX)을 나타내는 것이라면, 단계 S730의 값은 "아니오"이다. 단계 S730의 값이 "예"이면, 단계 S740으로 진행된다. 단계 S730의 값이 "아니오"인 것은, 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX)이 제m 기준 전력 커브(P#m)의 최소 전력값과 최대 전력값 사이임을 의미한다. 단계 S730의 값이 "아니오"이면, 단계 S750으로 진행된다.
단계 S740에서, 제어부(130)는, SOC 추정값, 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점, 최대 출력 전력(PMAX) 및 제m 기준 전력 커브(P#m)를 기초로, 제m 충전 시간 예측값을 결정한다. 단계 S740을 통해 결정되는 제m 충전 시간 예측값은, 정전력 충전 모드에 의한 충전 시간일 수 있다. 하기의 수식 2는 정전력 충전 모드에 의한 충전 시간을 결정하는 데에 이용 가능한 함수의 일 예이다.
<수식 2>
수식 2에 있어서, z = SOC, zf = 충전을 통해 도달하고자 하는 SOC, zi = zf에 도달하기 전의 특정 시점에서의 SOC, ICHG = 충전 전류, V(z) = ICHG로 정전류 충전 중 z에서의 배터리(11)의 전압 추정값, VAV = zi ~ zf의 범위에서 V(z)의 평균. PCHG(z) = ICHG로 정전류 충전 중 z에서의 충전 전력, PCP = 실제로 공급되는 충전 전력(정전력), ΔWhCP = 충전 필요 에너지, ΔQ = 충전 필요 용량, ΔtCP = 충전 시간. 참고로, ΔWhCP의 단위는 Wh(Watt-hour)일 수 있다. 참고로, 수식 2는 이해를 돕기 위해 4개의 등호를 이용하여 표현되어 있으나, 우측 4개의 항 중 맨 우측의 항만을 포함하도록 메모리(151)에 저장될 수 있다.
배터리(11)의 최대 용량 = 10000 mAh이고, SOC 추정값은 2%이며, 최대 출력 전력(PMAX)이 도 5의 수평선(520)에 일치한다 가정해보자. 그러면, 수식 2에서, zi = 2%, zf = 50%, zf - zi = ΔZ[1] = 48%, Q = 4800 mAh, ICHG = I#1 = 10 A, PCHG(z) = P#1이다. 만약, VAV = 3.3 V, PCP = PMAX = 20 W(Watt)이면, ΔtCP = {4800 mAh × 3.3 V} /20 W = 0.792 시간 = Δt#1.
단계 S750에서, 제어부(130)는, SOC 추정값, 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점, 제m 기준 전류값(I#m), 최대 출력 전력(PMAX) 및 제m 기준 전력 커브(P#m)를 기초로, 제m 충전 시간 예측값(Δt#m)을 결정한다.
단계 S750은 그의 하위 루틴들로서 단계 S810 내지 단계 S850을 포함한다.
도 8을 참조하면, 단계 S810에서, 제어부(130)는, 제m 기준 전력 커브(P#m)와 최대 출력 전력(PMAX)의 교차점에서의 SOC를 나타내는 교차 SOC를 결정한다. 도 5를 참조하면, 최대 출력 전력(PMAX)이 수평선(530)에 일치한다고 할 때, X는 상기 교차점을, ZX는 상기 교차 SOC를 나타낸다.
단계 S820에서, 제어부(130)는, 교차 SOC(ZX)가 SOC 추정값(현 SOC)보다 큰지 여부를 판정한다. 단계 S820의 값이 "예"이면, 단계 S830 및 단계 S840으로 진행된다. 단계 S820의 값이 "아니오"인 것은, 현재부터 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점까지는 충전 전력이 최대 출력 전력(PMAX)으로 제한되는, 정전력 충전 모드만이 실시될 것임을 의미한다. 단계 S820의 값이 "아니오"이면, 도 7의 단계 S740으로 진행될 수 있다.
단계 S830에서, 제어부(130)는, SOC 추정값, 교차 SOC(ZX) 및 제m 기준 전류값(I#m)을 기초로, 배터리(11)의 SOC가 SOC 추정값으로부터 교차 SOC(ZX)에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제m 정전류 충전 시간 예측값을 결정한다. 제m 정전류 충전 시간 예측값을 결정하는 데에는 전술된 수식 1이 이용될 수 있다. 즉, 현 SOC가 2%라고 할 때, 수식 1의 zf로서 제1 SOC 구간(Z[1])의 종료점 50% 대신 교차 SOC(ZX)가 입력된 경우의 ΔtCC가 제m 정전류 충전 시간 예측값으로 결정된다.
단계 S840에서, 제어부(130)는, 교차 SOC(ZX), 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점, 최대 출력 전력(PMAX) 및 제m 기준 전력 커브(P#m)를 기초로, 배터리(11)의 SOC가 교차 SOC(ZX)로부터 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제m 정전력 충전 시간 예측값을 결정한다.
제m 정전력 충전 시간 예측값을 결정하는 데에는 전술된 수식 2가 이용될 수 있다. 즉, ZX > 2% = 현 SOC라고 할 때, 수식 2의 zi로서 SOC 추정값 대신 교차 SOC(ZX)가 입력된 경우의 ΔtCP가 제m 정전력 충전 시간 예측값으로 결정된다.
단계 S850에서, 제어부(130)는, 단계 S830에서 결정된 제m 정전류 충전 시간 예측값과 단계 S840에서 결정된 제m 정전력 충전 시간 예측값의 합과 동일하게, 제m 충전 시간 예측값을 결정한다.
지금부터 설명되는 단계 S640은, m가 M 미만인 것을 조건으로 실행될 수 있다. 현 SOC가 속하는 SOC 구간의 구간 인덱스인 m이 M 미만인 것은, 현재 충전 절차가 진행 중인 제m SOC 구간(Z[m])에 후속하는 적어도 하나의 SOC 구간이 존재함을 의미한다. 일 예로, m = 1 < 4 = M인 경우, 3개의 SOC 구간(Z[2]~Z[4])에서의 충전이 예정되어 있으므로, 단계 S640가 실시될 수 있다.
단계 S640에서, 제어부(130)는, 배터리 온도 검출값 및 제m 충전 시간 예측값(Δt#m)을 기초로, 그리고 제m 기준 전류값(I#m) 및 최대 출력 전력(PMAX) 중 적어도 하나를 더 기초로, 제(m+1) SOC 구간(Z[m+1])의 시작점에서의 온도 예측값을 결정한다. 제(m+1) SOC 구간(Z[m+1])의 시작점에서의 온도 예측값은, 제m SOC 구간(Z[m])의 종료점에서의 배터리(11)의 온도를 나타낸다. 단계 S610에서 외기 온도 검출값(TATM)이 추가적으로 획득된 경우, 단계 S640에서는 외기 온도 검출값(TATM)에 더 기초하여, 제(m+1) SOC 구간(Z[m+1])의 시작점에서의 온도 예측값이 결정될 수 있다.
단계 S640은, 단계 S642 및 단계 S644를 포함할 수 있다.
단계 S642에서, 제어부(130)는, 배터리(11)의 현 SOC를 나타내는 SOC 추정값부터 제(m+1) SOC 구간(Z[m+1])의 시작점에 도달할 때까지의 기간 동안의 온도 변화 예측량을 결정한다. 온도 변화 예측량의 결정에는 후술된 제1 써멀 모델 및 제2 써멀 모델 중 적어도 하나가 이용될 수 있다.
단계 S644에서, 제어부(130)는, 단계 S642에서 결정된 온도 변화 예측량(예, 도 9의 ΔTCC, ΔTCP, 또는 ΔTCC+ΔTCP)과 단계 S610에서 획득되는 온도 검출값의 합과 동일하게, 제(m+1) SOC 구간(Z[m+1])의 시작점에서의 온도 예측값을 결정한다.
도 9는 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜에 따른 SOC 구간별 온도 변화량을 예측하는 데에 이용되는 제1 및 제2 써멀 모델을 설명하는 데에 참조되는 모식도이다.
도 9에서, TBAT는 배터리 온도(검출값 또는 예측값), Δt는 충전 시간, ICC는 정전류, PCP는 충전기(3)의 최대 출력 전력(PMAX), TATM은 외기 온도 검출값이다.
제어부(130)는, 제1 써멀 모델 및 제2 써멀 모델 중 적어도 하나를 이용하여, 특정 SOC 구간 이내인 배터리(11)의 SOC가 해당 SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지의 온도 변화량을 나타내는 온도 변화 예측량을 산출할 수 있다.
제1 써멀 모델은, 제어부(130)에 의해 입력 변수들(TBAT, Δt, ICC, TATM)의 값이 할당된 것에 응답하여, 정전류 충전 모드에 의한 온도 변화량(ΔTCC)을 출력하도록 미리 정해진 함수로서, 아래에 예시된 수식 3이 제1 써멀 모델로서 이용될 수 있다.
<수식 3>
수식 3에서, α는 조정 계수(미리 정해져 있음), β는 열 교환 계수(미리 정해져 있음), CH은 배터리(11)의 열용량(미리 정해져 있음)을 나타낸다. 제1 써멀 모델에 있어서, TATM은 외기 온도 검출값 대신 미리 정해진 값(예, 25℃)일 수 있다.
수식 3은 제1 써멀 모델의 일 예일 뿐, 제1 써멀 모델이 위 수식 3으로 국한되는 것은 아니다. 즉, 정전류 충전 모드에서의 배터리(11)의 발열 특성에 맞춰, 입력변수인 ICC, Δt, 및 TATM 과 TBAT의 차이 각각과 출력 변수인 ΔTCC 간에 양의 상관 관계를 부여하는 것이라면, 수식 3외의 다른 함수나 알고리즘이 제1 써멀 모델로서 이용되더라도 무방하다.
제2 써멀 모델은, 제어부(130)에 의해 입력 변수들(TBAT, Δt, PCP, TATM)의 값이 할당된 것에 응답하여, 정전력 충전 모드에 의한 온도 변화량(ΔTCP)을 출력하도록 미리 정해진 함수로서, 아래에 예시된 수식 4가 제2 써멀 모델로서 이용될 수 있다.
<수식 4>
수식 4에서, γ은 조정 계수(미리 정해져 있음)이고, 나머지 변수 및 계수는 수식 3과 동일하다.
수식 4는 제2 써멀 모델의 일 예일 뿐, 제2 써멀 모델이 위 수식 4으로 국한되는 것은 아니다. 즉, 정전력 충전 모드에서의 배터리(11)의 발열 특성에 맞춰, 입력변수인 PCP, Δt, 및 TATM 과 TBAT의 차이 각각과 출력 변수인 ΔTCP 간에 양의 상관 관계를 부여하는 것이라면, 수식 4외의 다른 함수나 알고리즘이 제2 써멀 모델로서 이용되더라도 무방하다.
도 5와 도 9를 함께 참조하면, SOC 추정값(Zest)이 교차 SOC(ZX) 미만인 경우, 수식 3의 Δt에 제m 정전류 충전 시간 예측값을 입력 시에 출력되는 ΔTCC와 수식 4의 Δt에 제m 정전력 충전 시간 예측값을 입력 시에 출력되는 ΔTCP의 합이 SOC 구간(Z[1])에서의 온도 변화 예측량으로 결정될 수 있다. SOC 추정값(Zest)이 교차 SOC(ZX) 이상인 경우, 수식 4의 ΔTCP이 SOC 구간(Z[1])에서의 온도 변화 예측량으로 결정될 수 있다. 또한, SOC 구간(Z[2])에서의 온도 변화 예측량은 수식 4에 의해 결정될 수 있다. 나머지 두 SOC 구간(Z[3], Z[4]) 각각에서의 온도 변화 예측량은 수식 3에 의해 결정될 수 있다.
도 7을 재참조하면, 단계 S720, 단계 S740 및 단계 S750는 택일적으로 실시된다.
단계 S720이 실행되는 경우, 제어부(130)는 제1 써멀 모델의 입력 변수들(TBAT, t, ICC)에 각각 배터리 온도 검출값, 제m 충전 시간 예측값 및 제m 기준 전류값(I#m)을 할당하고, 제1 써멀 모델로부터 출력되는 온도 변화량(ΔTCC)에 온도 검출값을 합산하여, 제(m+1) SOC 구간(Z[m+1])의 시작점에서의 온도 예측값을 결정할 수 있다.
단계 S740이 실행되는 경우, 제어부(130)는 제2 써멀 모델의 입력 변수들(TBAT, Δt, PCP)에 각각 배터리 온도 검출값, 제m 충전 시간 예측값 및 최대 출력 전력(PMAX)을 할당하고, 제2 써멀 모델로부터 출력되는 온도 변화량(ΔTCP)에 온도 검출값을 합산하여, 제(m+1) SOC 구간(Z[m+1])의 시작점에서의 온도 예측값을 결정할 수 있다.
단계 S750이 실행되는 경우, 제어부(130)는 제1 써멀 모델의 입력 변수들(TBAT, Δt, ICC)에 각각 배터리 온도 검출값, 제m 정전류 충전 시간 예측값(수식 1의 ΔtCC) 및 제m 기준 전류값(I#m)을 할당하고, 제1 써멀 모델로부터 출력되는 온도 변화량(ΔTCC)에 배터리 온도 검출값을 합산하여, 교차 SOC(ZX)에서의 온도 예측값을 결정할 수 있다. 이어서, 제2 써멀 모델의 입력 변수들(TBAT, Δt, PCP)에 각각 교차 SOC(ZX)에서의 온도 예측값, 제m 정전력 충전 시간 예측값(수식 2의 ΔtCP) 및 제m 기준 전류값(I#m)을 할당하고, 제2 써멀 모델로부터 출력되는 온도 변화량(ΔTCP)에 교차 SOC(ZX)에서의 온도 예측값을 합산하여, 제(m+1) SOC 구간(Z[m+1])의 시작점에서의 온도 예측값을 결정할 수 있다.
현 SOC 구간(Z[m])에 후행하는 SOC 구간(Z[k], k는 m보다 크고 M 미만의 자연수)에 대한 온도 변화 예측량의 산출 동작은, 상기 후행하는 SOC 구간(Z[k])의 시작점에서의 배터리 온도 예측값이 도 9의 TBAT로서 할당된다는 점과, 상기 후행하는 SOC 구간(Z[k])에 연관된 기준 전류값(I#k)가 도 9의 ICC로서 할당된다는 점을 제외하고는, 전술된 SOC 구간(Z[m])에서의 온도 변화 예측량의 산출 동작과 공통된다.
SOC 구간(Z[k])의 시작점에서의 온도 예측값은, 복수의 기준 충전 맵(CM1~CMN) 중 어느 하나의 기준 충전 맵(CMu, u는 N 이하의 자연수)를 특정하고, 특정된 기준 충전 맵(CMu)으로부터 제k 기준 전력 커브(P#k) 및 제k 기준 전류값(I#k)을 획득하는 데에 이용된다.
제어부(130)는, 전술된 과정을 목표 SOC가 속하는 마지막 SOC 구간(예, Z[M])에 대한 충전 시간 예측값이 결정될 때까지 매 SOC 구간에 대해서 실시할 수 있다. 이에 따라, 현 SOC 구간(Z[m]) 내지 마지막 SOC 구간(Z[M]) 각각에 대한 충전 시간 예측값이 순차적으로 결정될 수 있다. 따라서, 현 SOC 구간(Z[m]) 내지 마지막 SOC 구간(Z[M])에 대해 결정된 충전 시간 예측값들을 모두 합산하면, 현 SOC로부터 목표 SOC까지 도달하는 데에 소요될 총 잔여 시간이 결정될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 충전 시간 예측 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 10의 방법은, m가 M 미만인 것을 조건으로, 도 5의 방법에 후속하여 실행될 수 있다. m가 M 미만인 것은, 제1 내지 제M SOC 구간(Z[1]~Z[M]) 중 현재의 SOC가 속하는 제m SOC 구간(Z[m])에 후속하는 적어도 하나의 SOC 구간이 존재함을 의미한다.
도 1 내지 도 10을 참조하면, 단계 S1010에서, 제어부(130)는, 구간 인덱스 k를 (m+1)과 동일하게 설정한다.
단계 S1020에서, 제어부(130)는, 제k SOC 구간(Z[k])의 시작점에서의 온도 예측값에 대한 결정이 완료되었는지 여부를 판정한다. 단계 S1020의 값이 "예"인 경우, 단계 S1030으로 진행된다. 단계 S1020의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S1020의 값이 "예"가 될 때까지 대기할 수 있다.
단계 S1030에서, 제어부(130)는, 제k SOC 구간(Z[k])의 시작점에서의 온도 예측값이 속하는 복수의 온도 구간 중 어느 한 온도 구간에 연관된, 복수의 기준 충전 맵(CM1~CMN) 중 어느 한 기준 충전 맵(CMu)으로부터, 제k SOC 구간(Z[k])에 연관된 제k 기준 전력 커브(P#k) 및 제k 기준 전류값(I#k)을 결정한다.
단계 S1040에서, 제어부(130)는, 제k SOC 구간(Z[k])의 크기(ΔZ)를 기초로, 그리고 제k 기준 전류값(I#k), 최대 출력 전력(PMAX) 및 제k 기준 전력 커브(P#k) 중 적어도 하나를 더 기초로, 배터리(11)의 SOC가 제k SOC 구간(Z[k])의 시작점으로부터 제k SOC 구간(Z[k])의 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제k 충전 시간 예측값을 결정한다.
제k 충전 시간 예측값의 결정 동작은, 구간 인덱스 m가 k로 대체되고, SOC 추정값이 제k SOC 구간(Z[k])의 시작점으로 대체된다는 점을 제외하고는, 도 7 및 도 8을 참조하여 전술된 동작과 공통된다.
단계 S1050에서, 제어부(130)는, 구간 인덱스 k가 M과 동일한지 여부를 판정한다. M은 목표 SOC가 속하는 마지막 SOC 구간(Z[M])의 식별 넘버라고 할 수 있다. 구간 인덱스 k가 M과 동일한 것은, 마지막 SOC 구간(Z[M])에 대한 충전 시간 예측값의 결정이 완료되었음을 의미한다. 단계 S1050의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S1060으로 진행된다. 단계 S1050의 값이 "예"인 경우, 단계 S1080으로 진행된다.
단계 S1060에서, 제어부(130)는, 제k SOC 구간(Z[k])의 시작점에서의 온도 예측값 및 제k 충전 시간 예측값을 기초로, 그리고 제k 기준 전류값(I#k) 및 최대 출력 전력(PMAX) 중 적어도 하나를 더 기초로, 제(k+1) SOC 구간(Z[k+1])의 시작점에서의 온도 예측값을 결정한다.
단계 S1060은, 단계 S1062 및 단계 S1064를 포함할 수 있다.
단계 S1062에서, 제어부(130)는, 배터리(11)의 SOC가 제k SOC 구간(Z[k])의 시작점부터 제(k+1) SOC 구간(Z[k+1])의 시작점에 도달할 때까지의 기간 동안의 온도 변화 예측량을 결정한다. SOC 구간(Z[k])에서의 온도 변화 예측량의 결정에는 전술된 제1 써멀 모델 및 제2 써멀 모델 중 적어도 하나가 이용될 수 있다.
단계 S1064에서, 제어부(130)는, 단계 S1062에서 결정된 온도 변화 예측량과 제k SOC 구간(Z[k])의 시작점에서의 온도 예측값의 합과 동일하게, 제(k+1) SOC 구간(Z[k+1])의 시작점에서의 온도 예측값을 결정한다.
단계 S1070에서, 제어부(130)는, 구간 인덱스 k를 1만큼 증가시킨 다음, 단계 S1030으로 회귀한다. 즉, 단계 S1030 내지 S1070은 k가 M에 도달할 때까지, 반복될 수 있다.
단계 S1080에서, 제어부(130)는, 제m 내지 제M 충전 시간 예측값을 합산하여, 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜을 이용한 충전 절차가 종료될 때까지(즉, 배터리의 SOC가 목표 SOC에 도달하게 될 때까지)의 총 잔여 충전 시간을 결정한다. 제m 내지 제M 충전 시간 예측값은 제m 내지 제M SOC 구간(Z[m]~Z[M])에 일대일로 대응한다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 충전 시간 예측 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 11의 방법은, 도 6 내지 도 10을 참조하여 전술된 제1 및 제2 실시예 중 어느 하나에 의해 충전 시간 예측값이 결정된 적어도 하나의 SOC 구간에 대한 정전류 충전이 실제로 완료되는 것을 조건으로, 해당 SOC 구간을 조정하기 위해 실행될 수 있다. 도 11을 설명함에 있어서, j는 m 이상 M 이하의 자연수라고 가정하겠다.
도 1 내지 도 11을 참조하면, 단계 S1110에서, 제어부(130)는, 제j SOC 구간(Z[j])에서의 실제 온도 변화량을 결정한다. 제j SOC 구간(Z[j])이 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜을 이용한 충전 시작 시점에서의 SOC 구간(예, Z[m])인 경우, 충전 시작 시점에서의 배터리 온도 검출값과 SOC 구간(Z[m])의 종료점에서의 배터리 온도 검출값 간의 차분이 SOC 구간(Z[m])에서의 실제 온도 변화량으로 결정될 수 있다. 또는, 제j SOC 구간(Z[j])이 충전 시작 시점에서의 SOC 구간(예, Z[m])과는 다른 SOC 구간(예, Z[M])인 경우, SOC 구간(Z[M])의 시작점 및 종료점에서의 두 배터리 온도 검출값 간의 차분이 SOC 구간(Z[M])에서의 실제 온도 변화량으로 결정될 수 있다.
단계 S1120에서, 제어부(130)는, 제j SOC 구간(Z[j])에서의 실제 온도 변화량이 제j SOC 구간(Z[j])에서의 온도 변화 예측량보다 큰지 여부를 판정한다.
대안적으로, 제어부(130)는, 제j SOC 구간(Z[j])의 시작점과 종료점에서의 두 외기 온도 검출값을 기초로 제j SOC 구간(Z[j])에서의 온도 변화 예측량을 보정한 다음, 보정된 온도 변화 예측량을 제j SOC 구간(Z[j])에서의 실제 온도 변화량과 비교할 수도 있다. 구체적으로, 제j SOC 구간(Z[j])에서의 온도 변화 예측량을 결정 시, 수식 3의 TATM은 제j SOC 구간(Z[j])의 시작점에서의 외기 온도를 나타내는 것일 수 있다. 외기 온도는 제j SOC 구간(Z[j])에서 변화할 수 있기 때문에, 하기의 수식 5를 이용하여 온도 보정값을 산출한 다음, 온도 보정값을 제j SOC 구간(Z[j])에서의 온도 변화 예측량에 합산함으로써, 제j SOC 구간(Z[j])에서의 온도 변화 예측량을 보정할 수 있다.
<수식 5>
수식 5에 있어서, TATM_1는 제j SOC 구간(Z[j])의 시작점에서의 외기 온도 검출값일 수 있고, TATM_2는 제j SOC 구간(Z[j])의 종료점에서의 외기 온도 검출값일 수 있다. 그 외에 파라미터들의 값은 수식 4와 공통된다. 수식 5에 따르면, TATM_2 > TATM_1인 경우, ΔTcorrect은 양수이며, 제j SOC 구간(Z[j])에서의 온도 변화 예측량은 보정을 통해 증가한다. 반대로, TATM_2 < TATM_1인 경우, ΔTcorrect은 음수이며, 제j SOC 구간(Z[j])에서의 온도 변화 예측량은 보정을 통해 감소한다.
단계 S1120의 값이 "예"인 경우, 단계 S1130으로 진행된다.
단계 S1130에서, 제어부(130)는, 제j SOC 구간(Z[j])에서의 실제 온도 변화량과 온도 변화 예측량 간의 차이에 따라, 제j SOC 구간(Z[j])을 조정한다.
일 예로, 제어부(130)는, 제j SOC 구간(Z[j])의 종료점을, 상기 차이에 대해 소정의 양의 상관 관계를 갖는 조정값만큼 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 제j SOC 구간(Z[j])의 크기가 상기 조정값만큼 줄어든다. 또한, 제j SOC 구간(Z[j])의 종료점이 상기 조정값만큼 앞당겨진다는 것은, 제(j+1) SOC 구간(Z[j+1])의 시작점도 상기 조정값만큼 앞당겨짐을 의미한다. 따라서, 제(j+1) SOC 구간(Z[j+1])의 크기는 상기 조정값만큼 증가된다.
도 11을 참조하여 전술된 제3 실시예에 따르면, 향후에 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜이 진행될 경우, 예상을 넘어서는 온도 상승이 발생한 이력이 있는 SOC 구간에 대한 충전 절차가 조기 종료되는 한편, 해당 SOC 구간에 후속하는 SOC 구간에 대한 충전 절차가 일찍 개시된다. 도 2를 참조하여 전술된 기준 전류 프로파일(200)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상대적으로 높은 SOC 구간에 상대적으로 작은 기준 전류값이 연관되어 있는 경향성을 갖도록 작성되어 있다면, 과도한 온도 상승을 유발한 기준 전류값을 그보다 낮은 다른 기준 전류값으로 조기에 전환하여 멀티 스테이지 정전류 충전 프로토콜을 이용한 충전 절차를 안전하게 지속할 수 있다.
또한, 제어부(130)는, 복수의 기준 충전 맵(CM1~CMN) 중 어느 하나의 보정(특정 SOC 구간의 크기를 조정)에 상응하도록 기준 충전 맵 또한 보정할 수 있다. 예를 들어, 기준 충전 맵의 특정 SOC 구간이 조정되는 경우, 기준 충전 맵의 상기 특정 SOC 구간도 동일하게 조정될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 전기 차량 2: 차량 컨트롤러
3: 충전기
10: 배터리 팩 11: 배터리
20: 릴레이 30: 인버터
40: 전기 모터
100: 배터리 관리 시스템
111: 전압 센서 113: 전류 센서
115: 배터리 온도 센서 117: 외기 온도 센서
130: 제어부 140: 메모리
15: 통신 회로

Claims (15)

  1. 복수의 온도 구간에 연관된 복수의 기준 충전 맵 - 각 기준 충전 맵은 제1 내지 제M SOC 구간(M은 2 이상의 자연수임)에 연관된 제1 내지 제M 기준 전류값 및 제1 내지 제M 기준 전력 커브를 포함함 - 을 저장하도록 구성되는 메모리;
    배터리의 전압, 전류 및 온도를 검출하도록 구성되는 센싱부; 및
    상기 배터리의 전압 검출값 및 전류 검출값을 기초로, 상기 배터리의 SOC 추정값을 결정하도록 구성되는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 온도 검출값이 속하는 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵으로부터, 상기 SOC 추정값이 속하는 제m SOC 구간(m은 M 이하의 자연수임)에 연관된 제m 기준 전력 커브 및 제m 기준 전류값을 획득하고,
    상기 배터리에 충전 전력을 공급하는 충전기의 최대 출력 전력과 상기 제m 기준 전력 커브의 비교 결과에 따라, 상기 제m SOC 구간의 종료점과 상기 SOC 추정값의 차이와, 상기 제m 기준 전류값, 상기 최대 출력 전력 및 상기 제m 기준 전력 커브 중 적어도 하나를 기초로, 상기 배터리의 SOC가 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제m 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최대 전력값 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 제m 기준 전류값을 이용한 정전류 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 상기 제m 충전 시간 예측값으로 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최소 전력값 이하인 것에 응답하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 최대 출력 전력을 이용한 정전력 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 상기 제m 충전 시간 예측값으로 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최소 전력값과 최대 전력값 사이인 것에 응답하여,
    상기 제m 기준 전력 커브와 상기 최대 출력 전력의 교차점에서의 SOC를 나타내는 교차 SOC를 결정하고,
    상기 SOC 추정값, 상기 교차 SOC, 상기 제m SOC 구간의 종료점, 상기 제m 기준 전류값, 상기 최대 출력 전력 및 상기 제m 기준 전력 커브를 기초로, 상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 교차 SOC에 도달할 때까지 상기 제m 기준 전류값을 이용한 정전류 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 나타내는 제m 정전류 충전 시간 예측값을 결정하고,
    상기 배터리의 SOC가 상기 교차 SOC로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 최대 출력 전력을 이용한 정전력 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 나타내는 제m 정전력 충전 시간 예측값을 결정하고,
    상기 제m 정전류 충전 시간 예측값과 상기 제m 정전력 충전 시간 예측값의 합과 동일하게, 상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 내지 제M SOC 구간 중, 상기 제m SOC 구간에 후속하는 적어도 하나의 SOC 구간이 존재하는 경우, 상기 제(m+1) SOC 구간의 시작점에서의 온도 예측값을 더 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제m 기준 전류값 및 상기 제m 충전 시간 예측값을 기초로, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값부터 상기 제(m+1) SOC 구간의 시작점에 도달할 때까지의 온도 변화 예측량을 결정하고,
    상기 SOC 추정값부터 상기 제m SOC 구간의 종료점까지의 온도 변화 예측량을 상기 온도 검출값에 합산하여, 상기 제(m+1) SOC 구간의 시작점에서의 온도 예측값을 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    k가 (m+1) 이상 M 이하의 자연수라고 할 때,
    상기 제k SOC 구간의 시작점에서의 온도 예측값에 대한 결정이 완료된 것에 응답하여,
    상기 제k SOC 구간의 시작점에서의 온도 예측값이 속하는 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵으로부터, 상기 제k SOC 구간에 연관된 제k 기준 전력 커브 및 제k 기준 전류값을 획득하고,
    상기 충전기의 최대 출력 전력과 상기 제k 기준 전력 커브의 비교 결과에 따라, 상기 제k SOC 구간의 크기와, 상기 제k 기준 전류값, 상기 최대 출력 전력 및 상기 제k 기준 전력 커브 중 적어도 하나를 기초로, 상기 배터리의 SOC가 상기 제k SOC 구간의 시작점으로부터 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제k 충전 시간 예측값을 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제M SOC 구간에서의 충전 시간 예측값에 대한 결정이 완료된 것에 응답하여,
    상기 제m 내지 제M SOC 구간에 대해 결정된 상기 제m 내지 제M 충전 시간 예측값을 합산하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제M SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지의 총 잔여 시간을 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는, 배터리 팩.
  11. 제10항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는, 전기 차량.
  12. 배터리의 전압 검출값 및 전류 검출값을 기초로, 상기 배터리의 SOC 추정값을 결정하는 단계;
    복수의 온도 구간에 연관된 복수의 기준 충전 맵중, 상기 온도 검출값이 속하는 온도 구간에 연관된 기준 충전 맵으로부터, 상기 SOC 추정값이 속하는 제m SOC 구간(m은 M 이하의 자연수임)에 연관된 제m 기준 전력 커브 및 제m 기준 전류값을 획득하는 단계; 및
    상기 배터리에 충전 전력을 공급하는 충전기의 최대 출력 전력과 상기 제m 기준 전력 커브의 비교 결과에 따라, 상기 제m SOC 구간의 종료점과 상기 SOC 추정값의 차이와, 상기 제m 기준 전류값, 상기 최대 출력 전력 및 상기 제m 기준 전력 커브 중 적어도 하나를 기초로, 상기 배터리의 SOC가 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지의 소요 시간을 나타내는 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계;
    를 포함하는, 배터리 충전 시간 예측 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계는,
    상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최대 전력값 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 제m 기준 전류값을 이용한 정전류 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 상기 제m 충전 시간 예측값으로 결정하는, 배터리 충전 시간 예측 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계는,
    상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최소 전력값 이하인 것에 응답하여, 상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 최대 출력 전력을 이용한 정전력 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 상기 제m 충전 시간 예측값으로 결정하는, 배터리 충전 시간 예측 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계는,
    상기 충전기의 최대 출력 전력이 상기 제m 기준 전력 커브의 최소 전력값과 최대 전력값 사이인 것에 응답하여,
    상기 제m 기준 전력 커브로부터, 상기 최대 출력 전력과 동일한 전력값에 연관된 교차 SOC를 결정하는 단계;
    상기 배터리의 SOC가 상기 SOC 추정값으로부터 상기 교차 SOC에 도달할 때까지 상기 제m 기준 전류값을 이용한 정전류 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 나타내는 제m 정전류 충전 시간 예측값을 결정하는 단계;
    상기 배터리의 SOC가 상기 교차 SOC로부터 상기 제m SOC 구간의 종료점에 도달할 때까지 상기 최대 출력 전력을 이용한 정전력 충전 모드를 실시 시에 예상되는 소요 시간을 나타내는 제m 정전력 충전 시간 예측값을 결정하는 단계; 및
    상기 제m 정전류 충전 시간 예측값과 상기 제m 정전력 충전 시간 예측값의 합과 동일하게, 상기 제m 충전 시간 예측값을 결정하는 단계;
    를 포함하는, 배터리 충전 시간 예측 방법.
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