WO2021085901A1 - 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치 및 방법 - Google Patents

병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치 및 방법 Download PDF

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to an output control device and method, and more particularly, an output control device capable of preventing overcharging or overdischarging of a battery pack having a relatively low resistance in a parallel multi-pack system in which a plurality of battery packs are connected in parallel. And a method.
  • Batteries are rapidly spreading to fields such as mobile devices such as mobile phones, laptop computers, smart phones, and smart pads, as well as electric vehicles (EV, HEV, PHEV) and large-capacity power storage devices (ESS). have.
  • a battery system mounted on an electric vehicle includes n battery packs connected in parallel to secure a high energy capacity, and each battery pack includes a plurality of battery cells connected in series.
  • a parallel multi-pack system an assembly in which n battery packs are connected in parallel.
  • the battery cell may include one unit cell or a plurality of unit cells connected in parallel.
  • the unit cell includes a negative terminal and a positive terminal, and means one independent cell that can be physically separated.
  • one pouch-type lithium polymer cell may be regarded as a unit cell.
  • the power of the parallel multi-pack system is determined based on the battery pack having the lowest output among battery packs connected in parallel for safety. That is, a value obtained by multiplying the minimum output and the number of battery packs among the output values of the battery packs becomes the total output of the parallel multi-pack system.
  • the total output of the parallel multi-pack system is 5* It becomes 1kW (5kW).
  • the management device of the parallel multi-pack system provides information about the total power (5 kW) to the control system of the electric drive vehicle.
  • the control system is an advanced driver assistance system (ADAS: Advanced Driver Assistance System) unit such as power supplied to the inverter or DC/DC converter, lane departure prevention, and front collision warning so that the power consumed by the electric vehicle does not exceed 5kW. It adaptively distributes the power supplied to the power unit and the like. This distribution of power within the range of the total output of a parallel multi-pack system is called a power guideline.
  • ADAS Advanced Driver Assistance System
  • the pack output (P k ) of each battery pack is the pack resistance (R pack,k ) of the corresponding battery pack and the total resistance of the parallel multi-pack system according to circuit theory.
  • the resistance ratio between (R system ) is automatically distributed by R system /R pack,k. That is, the pack output (P pack,k ) of each battery pack is P total * R system / R pack,k .
  • k is the index of the battery pack.
  • the pack output (P pack,k ) is determined by the total power (P total ) and the resistance ratio R system /R pack,k , not the available power of the battery pack, so the pack resistance (R pack,k ) is The lower it is, the higher the pack output (P k ). Accordingly, a case in which the battery pack is overcharged or overdischarged occurs because the pack output (P pack,k ) of the battery pack having a low pack resistance (R pack,k) increases than the available power.
  • the present invention was created under the background of the prior art as described above, and in determining the total output of a parallel multi-pack system, the parallel multi-pack system prevents overcharging or over-discharging by exceeding the available output of the pack output of the battery pack with low resistance.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method for controlling output of a multi-pack system.
  • the apparatus for controlling output of a parallel multi-pack system for achieving the above technical problem includes first to first to measure operating characteristic values for first to n-th battery packs connected in parallel to each other included in the parallel multi-pack system.
  • n sensor unit An output management unit that controls power consumed by a load or power provided by a charging device to correspond to the total output of the parallel multi-pack system;
  • a multi-pack management unit operatively coupled to the first to nth sensor units and the output management unit.
  • the multi-pack management unit determines pack resistances of the first to nth battery packs, respectively, based on operating characteristic values of each battery pack received from the first to nth sensor units, and pack resistance and usable
  • the minimum usable output is determined from among the available outputs corresponding to the pack resistance of each battery pack using predefined correlation information between the outputs, and parallels so that the pack output of the battery pack with the lowest pack resistance is the same as the minimum usable output. It may be configured to determine the total power of the multi-pack system and provide it to the power management unit.
  • the output management unit may be configured to control power consumed by a load or power provided by a charging device so as not to exceed the total output of the parallel multi-pack system.
  • the correlation information may be a pack resistance-available output lookup table defining an available output of the battery pack according to the pack resistance of the battery pack.
  • the multi-pack management unit periodically receives a voltage measurement value and a current measurement value of each battery pack from the first to n-th sensor units, and receives a plurality of voltage measurement values and a plurality of current measurement values. It can be configured to determine the pack resistance of each battery pack by analyzing using a linear regression method.
  • the multi-pack management unit may be configured to calculate the total output of the parallel multi-pack system by the following equation.
  • R system [ ⁇ (1/R pack,k )] -1
  • the multi-pack management unit may be configured to calculate the pack output of each battery pack by the following equation.
  • P pack,k is the pack output for the kth battery pack;
  • P total is the total output of the parallel multi-pack system;
  • R system is the total resistance of the parallel multi-pack system;
  • R pack,k is the pack resistance of the k-th battery pack
  • the pack output of each battery pack corresponds to a value calculated by the above equation.
  • the output control apparatus may further include a communication unit interposed between the multi-pack management unit and the output management unit.
  • the parallel multi-pack system is mounted on an electric drive vehicle, and the output management unit may be included in a control system of the electric drive vehicle.
  • the technical problem according to the present invention can be achieved by a battery management system including an output control device of a parallel multi-pack system and an electric drive vehicle.
  • the output control method of the parallel multi-pack system for achieving the above technical problem is: (a) a first to measure an operation characteristic value for the first to n-th battery packs connected in parallel to each other included in the parallel multi-pack system. Providing 1 to nth sensor units; (b) determining pack resistances of the first to nth battery packs, respectively, based on operating characteristic values of each battery pack received from the first to nth sensor units; (c) determining n available powers and minimum available powers corresponding to pack resistances of each battery pack by using predefined correlation information between pack resistance and available power; (d) determining the total output of the parallel multi-pack system such that the pack output of the battery pack having the lowest pack resistance is equal to the minimum usable output; And (e) controlling charging or discharging of the first to nth battery packs so as not to exceed the total output of the parallel multi-pack system.
  • the total output of the parallel multi-pack system is adjusted so that the pack output of the battery pack with low resistance and the minimum available output among the available outputs of the battery packs are the same. You can prevent overcharging or overdischarging of the battery pack. Accordingly, it is possible to improve safety and reliability when charging or discharging a parallel multi-pack system.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an output control apparatus of a parallel multi-pack system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a pack resistance-available output lookup table according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing an example of an I-V profile in a method of determining a pack resistance of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart of a method for controlling output of a parallel multi-pack system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a table showing a comparison of the total output of the parallel multi-pack system and the pack output of each battery pack in the embodiment to which the output control method of the parallel multi-pack system according to the present invention is applied and the comparative example to which the prior art is applied.
  • FIG. 6 is a block diagram of a battery management system including an output control device of a parallel multi-pack system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of an electric drive device including an output control device of a parallel multi-pack system according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cell refers to a lithium secondary battery.
  • the lithium secondary battery collectively refers to a secondary battery in which lithium ions act as operating ions during charging and discharging to induce an electrochemical reaction at the positive electrode and the negative electrode.
  • lithium ions are used as operating ions. Any secondary battery that is used should be interpreted as being included in the category of the lithium secondary battery.
  • the present invention can also be applied to secondary batteries other than lithium secondary batteries. Therefore, even if the operating ions are not lithium ions, any secondary battery to which the technical idea of the present invention can be applied should be interpreted as being included in the scope of the present invention regardless of the type.
  • the battery cell may refer to one unit cell or a plurality of unit cells connected in parallel.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an output control apparatus of a parallel multi-pack system according to an embodiment of the present invention.
  • an output control device 10 is a device for controlling the output of a parallel multi-pack system MP in which a plurality of battery packs P1 to Pn are connected in parallel, and has a pack resistance.
  • the total output (P total ) of the parallel multi-pack system MP is adaptively controlled.
  • the parallel multi-pack system MP is defined as a battery system including first to nth battery packs P1 to Pn connected in parallel through the first to nth switch units S1 to Sn. .
  • the parallel multi-pack system MP may be connected to the load L through an external switch unit M.
  • the external switch unit M includes an external high potential switch M+ and an external low potential switch M-.
  • the external high-potential switch (M+) and the external low-potential switch (M-) may be relay switches, but the present invention is not limited thereto.
  • the parallel multi-pack system MP When the external high-potential switch M+ and the external low-potential switch M- are turned on, the parallel multi-pack system MP is electrically connected to the load L. Conversely, when the external high-potential switch M+ and the external low-potential switch M- are turned off, the electrical connection between the parallel multi-pack system MP and the load L is disconnected.
  • the output control device 10 of the parallel multi-pack system MP receives a control command for starting charging, ending charging, starting discharging or ending discharging from the control device controlling the load L, and receiving an external switch according to the control command. Controls the turn-on or turn-off operation of the negative (M).
  • the parallel multi-pack system MP may be mounted on the electric drive vehicle E, but the present invention is not limited thereto.
  • the electric drive vehicle (E) refers to a vehicle that can be driven by a motor, such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • the load L is a device that receives power from the parallel multi-pack system MP, and may be an inverter included in the electric drive vehicle E as an example.
  • the inverter is a power conversion circuit that is installed in front of the electric motor of the electric drive vehicle E and converts DC current supplied from the parallel multi-pack system MP into 3-phase AC current and supplies it to the electric motor.
  • the load L may also be a DC/DC converter.
  • the DC/DC converter converts the voltage of the DC current supplied from the parallel multi-pack system (MP) into the drive voltage of the electric unit of the electric drive vehicle (E) or the drive voltage of the ADAS unit and applies it to the electric unit or ADAS unit. It is a conversion circuit.
  • the type of load (L) is not limited to an inverter or a DC/DC converter, and any device or device capable of receiving power from the parallel multi-pack system (MP), regardless of the type of the load (L) Can be included in the category of.
  • MP parallel multi-pack system
  • each of the first to nth battery packs P1 to Pn includes a plurality of battery cells connected in series therein. That is, the first battery pack P1 includes first to p- th battery cells C 11 -C 1p connected in series.
  • the second battery pack P2 includes first to p- th battery cells C 21 -C 2p connected in series.
  • the third battery pack P3 includes first to p- th battery cells C 31 -C 3p connected in series.
  • the n-th battery pack Pn includes first to p-th battery cells C n1 -C np connected in series.
  • Each of the first to nth battery packs P1 to Pn includes switch units S1 to Sn therein. That is, the first battery pack P1 includes the first switch unit S1. In addition, the second battery pack P2 includes a second switch unit S2. In addition, the third battery pack P3 includes a third switch unit S3. In addition, the n-th battery pack Pn includes an n-th switch unit Sn. Although illustration of the fourth battery pack to the n-1th battery pack is omitted, the fourth battery pack to the n-1th battery pack also include a switch unit in the same manner as the illustrated battery pack.
  • Each of the first to nth switch units S1 to Sn includes a low potential switch and a high potential switch. That is, the first switch unit S1 includes a first high potential switch S1 + installed on the high potential side of the first battery pack P1 and a first low potential installed on the low potential side of the first battery pack P1. and a - switch (S1). In addition, the second switch unit S2 includes a second high potential switch S2 + installed on the high potential side of the second battery pack P2 and a second low potential installed on the low potential side of the second battery pack P2. and a - switch (S2).
  • the third switch unit S3 includes a third high-potential switch (S3 + ) installed on the high-potential side of the third battery pack P3 and a third low-potential switch installed on the low-potential side of the third battery pack P3. and a - switch (S3).
  • the n-th switch unit Sn is an n- th high-potential switch (Sn + ) installed on the high-potential side of the n-th battery pack (Pn) and the n-th low-potential installed on the low-potential side of the n-th battery pack (Pn). and a - switch (S2).
  • the fourth to n-1th battery packs also include a high-potential switch and a low-potential switch in the same manner as the illustrated battery pack.
  • the fourth to n-1th battery packs also include a high-potential switch and a low-potential switch in the same manner as the illustrated battery pack.
  • either side of the high-potential switch and the low-potential switch may be omitted.
  • the low potential switch when the switch unit is turned on, the low potential switch may be turned on first and the high potential switch may be turned on later.
  • the switch unit when the switch unit is turned off, the high-potential switch may be turned off first and the low-potential switch may be turned off later.
  • the switches constituting the switch units S1 to Sn may be relay switches.
  • the switch units S1 to Sn may be a semiconductor switch such as a MOSFET or a power semiconductor switch, but the present invention is not limited thereto.
  • a capacitor Cap is provided at the front end of the load L.
  • the capacitor Cap is connected in parallel between the parallel multi-pack system MP and the load L.
  • the capacitor Cap functions as a filter to prevent the noise current from being applied to the load L side.
  • the output control device 10 includes first to nth current sensors I1 to In.
  • the first to nth current sensors I1 to In are installed on the power lines C1 to Cn connected to the first to nth battery packs P1 to Pn, respectively, and current values flowing through the power lines C1 to Cn Measure
  • the first current sensor I1 measures the first battery pack current value I s1 flowing through the first power line C1 included in the first battery pack P1.
  • the second current sensor I2 measures the second battery pack current value I s2 flowing through the second power line C2 included in the second battery pack P2.
  • the third current sensor I3 measures a third battery pack current value I s3 flowing through the third power line C3 included in the third battery pack P3.
  • the n-th current sensor In measures an n-th battery pack current value I sn flowing through the n-th power line Cn included in the n-th battery pack Pn.
  • the fourth to n-1th current sensors measure current values flowing through the fourth to n-1th power lines included in the fourth to n-1th battery packs, respectively. .
  • the first to nth current sensors I1 to In are included in each battery pack.
  • the present invention does not limit that the first to nth current sensors I1 to In are installed outside each battery pack.
  • the first to nth current sensors I1 to In may be Hall sensors. Hall sensors are known current sensors that output a voltage signal corresponding to the magnitude of the current.
  • the first to nth current sensors I1 to In may be sense resistors. When the voltage applied to both ends of the sense resistor is measured, the magnitude of the current flowing through the sense resistor can be determined using Ohm's law. That is, by dividing the magnitude of the measured voltage by the resistance value of the sense resistor known in advance, the magnitude of the current flowing through the sense resistor can be determined.
  • the output control device 10 also includes first to nth voltage sensors V1 to Vn.
  • the first voltage sensor V1 measures a first battery pack voltage value V s1 corresponding to a potential difference between the anode and the cathode of the first battery pack P1.
  • the second voltage sensor V2 measures a second battery pack voltage value V s2 corresponding to a potential difference between the anode and the cathode of the second battery pack P2.
  • the third voltage sensor V3 measures a third battery pack voltage value V s3 corresponding to a potential difference between the anode and the cathode of the third battery pack P3.
  • the n-th voltage sensor Vn measures an n-th battery pack voltage value V sn corresponding to a potential difference between the anode and the cathode of the n-th battery pack Pn.
  • the fourth to n-1th voltage sensors measure voltage values of the fourth to n-1th battery packs, respectively.
  • the first to nth voltage sensors V1 to Vn include a voltage measuring circuit such as a differential amplification circuit. Since the voltage measurement circuit is well known in the art, a detailed description of the voltage measurement circuit will be omitted.
  • the output control device 10 also includes first to nth temperature sensors T1 to Tn.
  • the first temperature sensor T1 measures a first battery pack temperature value T s1 indicating a surface temperature of a cell located at a predetermined position of the first battery pack P1, for example, at the center.
  • the second temperature sensor T2 measures a second battery pack temperature value T s2 indicating a surface temperature of a cell located at a predetermined position of the second battery pack P2, for example, at the center.
  • the third temperature sensor T3 measures a third battery pack temperature value T s3 indicating a surface temperature of a cell located at a predetermined position of the third battery pack P3, for example, at the center.
  • the n-th temperature sensor Tn measures a temperature value T sn of an n-th battery pack indicating a surface temperature of a cell located at a predetermined position of the n-th battery pack Pn, for example, at the center.
  • the fourth to n-1th temperature sensors measure temperature values of the fourth to n-1th battery packs, respectively.
  • the first current sensor I1, the first voltage sensor V1, and the first temperature sensor T1 constitute the first sensor unit SU1.
  • the second current sensor I2, the second voltage sensor V2, and the second temperature sensor T2 constitute the second sensor unit SU2.
  • the third current sensor I3, the third voltage sensor V3, and the third temperature sensor T3 constitute a third sensor unit SU3.
  • the n-th current sensor In, the n-th voltage sensor Vn, and the n-th temperature sensor Tn constitute an n-th sensor unit SUn.
  • the fourth to n-1th sensor units also include a current sensor, a voltage sensor, and a temperature sensor, respectively.
  • the first to nth sensor units SU1 to SUn may further include sensors for measuring other operating characteristics of the battery pack in addition to sensors measuring current, voltage, and temperature.
  • the output control device 10 is also operably coupled with the first to nth switch units (S1 to Sn), and the first to nth sensor units (SU1 to SUn). It includes a multi-pack management unit (20).
  • the multi-pack management unit 20 may be operatively coupled with the output management unit 40 of the electric drive vehicle E that manages power consumed by the load L.
  • the output management unit 40 is a control element included in the control system included in the electric drive vehicle E, and adapts the amount of power consumed by the load L to match the total output of the parallel multi-pack system MP. Can be managed as an enemy.
  • the total output means the total discharge output of the parallel multi-pack system MP.
  • the load L can be replaced with a charging device.
  • the output management unit 40 may adaptively manage the charging power supplied to the parallel multi-pack system MP to match the total output of the parallel multi-pack system MP.
  • the total output means the total charging output provided to the parallel multi-pack system MP.
  • the output control device 10 may further include a communication unit 30 interposed between the multi-pack management unit 20 and the output management unit 40.
  • the communication unit 30 forms a communication interface between the multi-pack management unit 20 and the output management unit 40.
  • any known communication interface that supports communication between two different communication media may be used as the communication interface.
  • the communication interface may support wired or wireless communication.
  • the communication interface may support CAN communication or Daisy Chain communication.
  • the multi-pack management unit 20 turns on the external switch unit M when a discharge request is received from the output management unit 40 of the electric drive vehicle E through the communication unit 30 to turn on the parallel multi-pack system ( MP) starts discharging.
  • the M+ signal and the M- signal output from the multi-pack management unit 20 represent signals for controlling on-off of the external high-potential switch (M+) and the external low-potential switch (M-), respectively.
  • the signals S1 to Sn output from the multi-pack management unit 20 represent signals for controlling the on/off of the first to nth switch units S1 to Sn.
  • the multi-pack management unit 20 also includes current sensors (I1 to In) and voltage sensors (V1 to Vn) included in the first to nth sensor units (SU1 to SUn) while the parallel multi-pack system (MP) is discharging. And controlling the operation of the temperature sensors T1 to Tn, and periodically calculating the operating characteristic values of each battery pack received from the current sensors I1 to In, the voltage sensors V1 to Vn, and the temperature sensors T1 to Tn. It is recorded in the storage unit 50.
  • current sensors I1 to In
  • V1 to Vn voltage sensors included in the first to nth sensor units
  • MP parallel multi-pack system
  • the operating characteristic values are current measured values (I s1 to I sn ), voltage measured values (V s1 to V sn ), and temperature measured values of the first to nth battery packs P1 to Pn, as shown in the figure. (T s1 to T s2 ).
  • the multi-pack management unit 20 may also determine a state of charge (SOC) of each battery pack based on operating characteristic values of the first to nth battery packs P1 to Pn.
  • SOC state of charge
  • the multi-pack management unit 20 accumulates current measurement values I s1 to I sn of the first to nth battery packs P1 to Pn over time, and the first to nth battery packs P1 to Pn The state of charge of Pn) can be determined.
  • the multi-pack management unit 20 measures the open-circuit voltage of each battery pack using the first to nth voltage sensors V1 to Vn before discharging of the first to nth battery packs P1 to Pn starts, and ,
  • the initial value of the charge state of each battery pack may be determined by looking up the charge state corresponding to the open voltage by referring to the open-circuit voltage-charge state look-up table.
  • the multi-pack management unit 20 accumulates the current measurement values I s1 to I sn of the first to nth battery packs P1 to Pn based on the initial value of the state of charge according to time, and the storage unit 50 ) Can be recorded.
  • the open-circuit voltage-charging state lookup table may be defined in advance and recorded in the storage unit 50.
  • the multi-pack management unit 20 may determine the state of charge of the first to nth battery packs P1 to Pn while the parallel multi-pack system MP is discharged using an extended Kalman filter. That is, the multi-pack management unit 20 inputs the operating characteristic values of each battery pack received from the first to n-th sensor units SU1 to SUn into the software-coded extended Kalman filter to provide the first to nth battery packs. The state of charge of (P1 to Pn) can be determined and recorded in the storage unit 50.
  • Extended Kalman filters are widely known in the art to which the present invention pertains.
  • the extended Kalman filter may be an adaptive algorithm based on an equivalent circuit model or an electrochemical reduced order model (ROM).
  • ROM electrochemical reduced order model
  • the state of charge can also be determined by other known methods capable of determining the state of charge by selectively utilizing the operating characteristic values of the battery pack in addition to the above-described current integration method or extended Kalman filter .
  • the multi-pack management unit 20 may accumulate a current value measured in a specific voltage section from among a plurality of current values for each battery pack recorded in the storage unit 50. In addition, the multi-pack management unit 20 determines the degree of deterioration of each battery pack by referring to the accumulated current value-deterioration degree lookup table in which the state of health (SOH) is defined in advance according to the accumulated current value in a specific voltage section. I can.
  • SOH state of health
  • the multi-pack management unit 20 may adaptively determine the degree of deterioration of the first to n-th battery packs P1 to Pn while the parallel multi-pack system MP is discharged using an extended Kalman filter. have.
  • the multi-pack management unit 20 inputs the operating characteristic values of each battery pack received from the first to n-th sensor units SU1 to SUn into the software-coded extended Kalman filter to provide the first to nth battery packs.
  • the degree of degeneration of (P1 to Pn) can be determined.
  • the multi-pack management unit 20 may determine the pack resistance for each battery pack based on the operating characteristic values of the first to n-th battery packs P1 to Pn and write it to the storage unit 50.
  • the multi-pack management unit 20 uses a plurality of current measurement values and a plurality of voltage measurement values for each battery pack recorded in the storage unit 50 while the parallel multi-pack system MP is discharging.
  • the IV profile for each battery pack can be determined through regression analysis.
  • the plurality of current measurement values and the plurality of voltage measurement values are sampled for recent measurement values based on the current point in time.
  • the multi-pack management unit 20 may determine the slope of the I-V profile, calculate an absolute value of the slope as a pack resistance for each battery pack, and record the slope in the storage unit 50.
  • the multi-pack management unit 20 refers to the current temperature measurement value and the state of charge for each battery pack recorded in the storage unit 50 while the parallel multi-pack system MP is discharging
  • the pack resistance corresponding to the state of charge may be determined by looking up from the state of charge-temperature-pack resistance lookup table and recorded in the storage unit 50.
  • the state of charge-temperature-pack resistance lookup table has a data structure capable of looking up a pack resistance corresponding to the state of charge and temperature, and may be defined in advance and recorded in the storage unit 50.
  • the multi-pack management unit 20 also determines n available outputs corresponding to the pack resistance of each battery pack by using predefined correlation information between the pack resistance and the available output, and the minimum available output among the n available outputs. To decide.
  • the predefined correlation may be a pack resistance-available output lookup table capable of looking up an available output according to a pack resistance.
  • FIG. 2 illustrates an example of a pack resistance-available output lookup table according to an embodiment of the present invention.
  • a pack resistance-available output lookup table has a data structure capable of looking up an available output using a pack resistance, and may be defined in advance and recorded in the storage unit 50. It is preferable that the pack resistance-available output look-up table is provided independently according to the temperature of the battery pack. In this case, it may be considered that the usable output changes according to the temperature of the battery pack.
  • the multi-pack management unit 20 identifies the pack resistance to be looked up-the available output lookup table using the temperature measurement value of each battery pack, and determines the available output corresponding to the pack resistance using the identified lookup table. I can.
  • the pack resistance-available output look-up table may be provided independently for each degradation degree and temperature of the battery pack. In this case, it may be considered that the usable output changes according to the temperature and degree of deterioration of the battery pack.
  • the multi-pack management unit 20 identifies the pack resistance to be looked up-the available output lookup table using the temperature measurement value and the degree of degradation of each battery pack, and uses the identified lookup table to identify the available pack resistance corresponding to the pack resistance. Output can be determined.
  • the multi-pack management unit 20 may determine an available output for each battery pack by using an I-V profile generated when determining the pack resistance of each battery pack.
  • FIG. 3 is a graph showing an example of an I-V profile according to an embodiment of the present invention.
  • the voltage at the intersection point where the I-V profile meets the V axis corresponds to an open-circuit voltage corresponding to a state of charge of the battery pack.
  • Dot marks indicate a plurality of voltage measurements and current measurements measured when the parallel multi-pack system MP is discharging.
  • the I-V profile is a straight line generated through linear regression analysis of a plurality of voltage measurements and a plurality of current measurements. When the battery pack is discharging, the current measurement is a positive value, and when the battery pack is charging, the current measurement is a negative value.
  • the absolute value of the slope of the I-V profile corresponds to the pack resistance of the battery pack.
  • diamond marks are coordinates representing a plurality of voltage measurements and a plurality of current measurements measured when the parallel multi-pack system MP is discharging.
  • the current value of is determined as the maximum charging current (I max,charge ), and V max *
  • the triangle display is a coordinate indicating a plurality of voltage measurement values and a plurality of current measurement values measured when the parallel multi-pack system MP is being charged.
  • the multi-pack management unit 20 determines the usable outputs of the first to nth battery packs P1 to Pn, then determines the minimum usable power out of the n usable powers, and writes them to the storage unit 50.
  • the multi-pack management unit 20 also determines the total power of the parallel multi-pack system MP and writes it to the storage unit 50 so that the pack output of the battery pack having the lowest pack resistance is equal to the minimum available power.
  • the multi-pack management unit 20 may determine the total output of the parallel multi-pack system MP by Equation 1 below.
  • R system [ ⁇ (1/R pack,k )] -1
  • k is an integer of 1 or more and n or less.
  • n is the number of battery packs.
  • P total is the total output of the parallel multi-pack system (MP).
  • P pack,k is the pack output of the kth battery pack.
  • R pack,k is the pack resistance of the kth battery pack.
  • R system is the total resistance of a parallel multi-pack system (MP).
  • min() is a function that returns the minimum value among a plurality of input variables.
  • Equation 1 may be converted into an equation including the total output min(P pack,k )*n determined according to the prior art as shown in Equation 2 below.
  • min(R pack,k )/ ⁇ [min(P pack,k )*n]*R system ⁇ is the resistance among the first to nth battery packs P1 to Pn. This corresponds to the reciprocal of the pack output calculated by the prior art for the lowest battery pack.
  • the total output of the parallel multi-pack system (MP) calculated according to the prior art is min(P pack,k )* , which is the product of the minimum value of the pack output min(P pack,k ) and the quantity n of the battery pack.
  • n and the pack output of the battery pack with the lowest resistance corresponds to a value obtained by multiplying the total output min(P pack,k )*n calculated by the prior art by the resistance ratio R system /min(R pack,k) to be.
  • the total output power (P total) is the attenuation factor in the total output min (P pack, k) * n, which is determined in accordance with the prior art min of the parallel multi-pack systems (MP), which is determined in accordance with the present invention ( It corresponds to the value obtained by multiplying P pack,k )/max(P pack,k ).
  • min(P pack,k )/max(P pack,k ) is always less than 1 because it is a relative ratio between the maximum value and the minimum value among pack outputs.
  • the total output of the parallel multi-pack system MP determined according to the present invention is [min(P pack,k )*n]*[1-min(P pack,k )/ It is as small as max(P pack,k )].
  • the pack output (P pack,Rmin ) of the battery pack with the lowest resistance is calculated using the total output (P total ) determined by Equation 1, the minimum among the available outputs of the first to nth battery packs as shown in Equation 3 It becomes equal to the available output. Accordingly, it is possible to fundamentally prevent a phenomenon in which the battery pack having low resistance is overcharged or overdischarged.
  • P pack,Rmin ⁇ min(P pack,k )*min(R pack,k )/R system ⁇ * ⁇ R system /min(R pack,k ) ⁇
  • the multi-pack management unit 20 may determine the total output (P total ) and then transmit information about the total output (P total ) to the output management unit 40 of the electric drive vehicle E through the communication unit 30. have.
  • the output management unit 40 controls charging or discharging of the parallel multi-pack system MP so that the output of the parallel multi-pack system MP does not exceed the total output P total determined by Equation 1. That is, the output management unit 40 controls the power consumption so that the power consumed by the load L does not exceed the total output P total determined by Equation 1.
  • the output management unit 40 is the power supplied to the inverter or DC/DC converter corresponding to the load L, lane departure prevention, so as not to exceed the total output P total of the parallel multi-pack system MP, It adaptively distributes power supplied to advanced driver assistance system (ADAS) units such as forward collision warning, and battlefield units.
  • ADAS advanced driver assistance system
  • a charging device power management unit 40 includes a total of which using a charging device determined by the formula 1 while going through the charge of the parallel multi-pack systems (MP), the output (P total ), it is possible to adaptively adjust the size of the charging voltage and charging current provided by the parallel multi-pack system (MP).
  • the multi-pack management unit 20 may be configured to calculate the pack output (P pack,k) of each battery pack by Equation 4 below.
  • P pack,k is the pack output for the kth battery pack;
  • P total is the total output of the parallel multi-pack system;
  • R system is the total resistance of the parallel multi-pack system;
  • R pack,k is the pack resistance of the k-th battery pack
  • the first to nth battery packs P1 to Pn are connected in parallel. Accordingly, when the current output of the parallel multi-pack system MP is P total , the pack output (P pack,k ) of each battery pack corresponds to the value calculated by the above equation.
  • the present invention unlike the prior art, it is possible to prevent overcharging or overdischarging of a battery pack having a low resistance among battery packs constituting a parallel multi-pack system MP.
  • the type of the storage unit 50 is a storage medium capable of recording and erasing information.
  • the storage unit 50 may be RAM, ROM, EEPROM, register, or flash memory.
  • the storage unit 50 may also be electrically connected to the multi-pack management unit 20 via, for example, a data bus, to be accessible by the multi-pack management unit 20.
  • the storage unit 50 also stores a program including various control logic executed by the multi-pack management unit 20, and/or data generated when the control logic is executed and a pre-defined lookup table or parameter, and/or Update and/or erase and/or transmit.
  • the storage unit 50 can be logically divided into two or more, and is not limited to being included in the multi-pack management unit 20.
  • the multi-pack management unit 20 and/or the output management unit 40 includes a processor known in the art, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, and logic in order to execute the above-described various control logics. Circuits, registers, communication modems, data processing devices, and the like may be optionally included.
  • the control logic is implemented in software
  • the multi-pack management unit 20 and/or the output management unit 40 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in a memory and executed by a processor.
  • the memory may be inside or outside the processor, and may be connected to the processor through various well-known computer components.
  • the memory may be included in the storage unit 50.
  • the memory refers to a device in which information is stored regardless of the type of device, and does not refer to a specific memory device.
  • the various control logics of the multi-pack management unit 20 and/or the output management unit 40 are combined, and the combined control logics are written in a computer-readable code system and thus can be read by a computer. It can be recorded on a recording medium.
  • the recording medium includes at least one selected from the group including ROM, RAM, register, CD-ROM, magnetic tape, hard disk, floppy disk, and optical data recording device.
  • the code system can be distributed, stored and executed on computers connected via a network.
  • functional programs, codes, and code segments for implementing the combined control logic can be easily inferred by programmers in the art to which the present invention pertains.
  • the output control device 10 may be included in the battery management system 100 as shown in FIG. 6.
  • the battery management system 100 controls the overall operation related to charging and discharging a battery, and is a computing system called a Battery Management System in the art.
  • the output control device 10 may be mounted on various electric drive devices 200 in addition to the electric drive vehicle E as shown in FIG. 7.
  • the electric drive device 200 may be an electric power device that can be moved by electricity, such as an electric bicycle, an electric motorcycle, an electric train, an electric ship, or an electric plane, or a power tool including a motor such as an electric drill or an electric grinder. .
  • FIG. 4 is a flowchart of a method for controlling an output of a parallel multi-pack system MP according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-pack management unit 20 determines whether the parallel multi-pack system MP is in a discharge state in step S10. To this end, the multi-pack management unit 20 may monitor current values measured using the first to nth current sensors I1 to In. If the current values are positive rather than zero, it can be determined that the parallel multi-pack system MP is discharging. If the determination result of step S10 is YES, the multi-pack management unit 20 proceeds to step S20.
  • the multi-pack management unit 20 controls the first to nth sensor units SU1 to SUn in step S20 to control the first to nth battery packs P1 to Pn from the first to nth sensor units SU1 to SUn. ) Is received and recorded in the storage unit 50.
  • the operating characteristic values include a voltage measurement value, a current measurement value, and a temperature measurement value of each battery pack.
  • the multi-pack management unit 20 determines the state of charge and the degree of degradation of each battery pack in step S30. The method of determining the state of charge and the degree of deterioration has already been described above. After step S30, step S40 proceeds.
  • the multi-pack management unit 20 packs the first to nth battery packs P1 to Pn based on the operating characteristic values of each battery pack received from the first to nth sensor units SU1 to SUn in step S40. Each resistance is determined.
  • the multi-pack management unit 20 generates IV profiles for a plurality of voltage measurements and a plurality of current measurements sampled based on the current time point using a linear regression method, and each battery from the slope of the IV profile.
  • the pack resistance of the pack can be calculated. Step S50 proceeds after step S40.
  • the multi-pack management unit 20 determines n available outputs corresponding to the pack resistance of each battery pack by using a predefined correlation between the pack resistance and the available output in step S50, and the minimum available output among the n available outputs. To decide.
  • the multi-pack management unit 20 may look up an available output corresponding to the pack resistance of each battery pack by using a pack resistance-available output lookup table previously recorded in the storage unit 50.
  • the multi-pack management unit 20 identifies the pack resistance-available output lookup table corresponding to the temperature measurement value and the degree of degradation of the corresponding battery pack, and identifies the identified pack resistance.
  • the available output can be determined by looking up the available output corresponding to the pack resistance using the available output lookup table.
  • the multi-pack management unit 20 determines the total output (P total ) of the parallel multi-pack system so that the pack output of the battery pack having the lowest pack resistance is the same as the minimum usable output using Equation 1 described above in step S60.
  • Step S70 proceeds after step S60.
  • the total output P total is attenuated by [min(P pack,k )*n]*[1-min(P pack,k )/max(P pack,k )] compared to the total output calculated according to the prior art.
  • the multi-pack management unit 20 transmits the total output P total of the parallel multi-pack system MP to the output management unit 40 of the electric drive vehicle E through the communication unit 30 in step S70.
  • Step S80 proceeds after step S70.
  • the output management unit 40 controls the discharge of the parallel multi-pack system MP so that the output of the parallel multi-pack system MP does not exceed the total output P total determined by Equation 1 in step S80.
  • the output management unit 40 controls the power consumption so that the power consumed by the load L does not exceed the total output P total determined by Equation 1.
  • the output management unit 40 is the power supplied to the inverter or DC/DC converter corresponding to the load L, lane departure prevention, so as not to exceed the total output P total of the parallel multi-pack system MP, It adaptively distributes power supplied to advanced driver assistance system (ADAS) units such as forward collision warning, and battlefield units.
  • ADAS advanced driver assistance system
  • Step S90 proceeds after step S80.
  • the multi-pack management unit 20 determines whether the preset output adjustment period has elapsed in step S90.
  • the output adjustment period is several tens of msec to several seconds. If the determination in step S90 is NO, the multi-pack management unit 20 suspends the process. On the other hand, if the determination in step S90 is YES, the multi-pack management unit 20 shifts the process to S100.
  • the multi-pack management unit 20 determines whether the parallel multi-pack system MP is discharging in step S100. To this end, the multi-pack management unit 20 may monitor current measurement values measured using the first to nth current sensors I1 to In. If the current measurement values are positive rather than zero, it can be determined that the parallel multi-pack system MP is discharging.
  • step S100 the multi-pack management unit 20 ends the execution of the output control method according to the embodiment of the present invention. On the other hand, if the determination in step S100 is YES, the multi-pack management unit 20 shifts the process to step S20.
  • the output control method described so far relates to a case where the parallel multi-pack system MP is discharged.
  • the present invention can be applied even when the parallel multi-pack system (MP) is being charged.
  • FIG. 5 is a table showing results of an embodiment to which the output control method of the parallel multi-pack system (MP) according to the present invention is applied and a comparative example to which the prior art is applied.
  • MP parallel multi-pack system
  • the resistances of Pack1 to Pack5 were calculated as 120m ⁇ , 110m ⁇ , 100m ⁇ , 90m ⁇ , and 80m ⁇ , respectively.
  • the degree of degradation SOH of Pack1 to Pack5 was calculated to be 0.94, 0.95, 0.96, 0.97 and 0.98, respectively.
  • the available powers of Pack1 to Pack5 looked up from the pack resistance-available output lookup table identified by temperature and degree of degradation were determined to be 94kW, 95kW, 96kW, 97kW, and 98kW, respectively.
  • the total output (P′ total ) of the parallel multi-pack system MP is min(Pack,k)*5, so if 94kW is substituted for min(Pack,k), it becomes 470kW.
  • the pack output ( P'pack,k ) of each battery pack is calculated by the formula P'total *R system / Rpack,k. Therefore, the pack outputs of Pack1 to Pack5 are 76.7kW, 83,7kW, 92.1kW, 102.3kW and 115.1kW, respectively.
  • the pack output for Pack4 and Pack5 is larger than the available output. Accordingly, when the total output P′ total of the parallel multi-pack system MP is calculated according to the prior art and the discharge of the parallel multi-pack system MP is controlled accordingly, a problem occurs in that Pack4 and Pack5 are over-discharged.
  • the total output (P total ) of the parallel multi-pack system MP is calculated by the formula min(P pack,k )*min(R pack,k )/R system .
  • Min(P pack,k ) is 94kW since it is the minimum value among the available outputs.
  • min(R pack,k ) is 80m ⁇ because it is the minimum value among pack resistances.
  • R system is 19.6m ⁇ .
  • the total output (P total ) of the parallel multi-pack system MP is determined to be 383.7 kW.
  • the pack output (P pack,k ) of each battery pack is calculated by the formula P total *R system /R pack,k in the same manner as in the prior art. Accordingly, the pack outputs of Pack1 to Pack5 are 62.7kW, 68.4kW, 75.2kW, 83.6kW and 94.0kW, respectively.
  • the pack output of Pack5, 94.0kW is the maximum value, but it is the same as 94.0kW, which is the minimum value of the actual available outputs looked up from the pack resistance-available output lookup table.
  • the pack output has a value less than or equal to the usable output. Accordingly, there is no problem that the battery pack having low resistance is over-discharged during the process of discharging the parallel multi-pack system MP.
  • the total output of the parallel multi-pack system is adjusted so that the output of the battery pack having the lowest resistance among the battery packs included in the parallel multi-pack system and the minimum available output among the available outputs of the battery packs are the same. It is possible to fundamentally prevent the phenomenon that the battery pack is overcharged or overdischarged. Therefore, the safety and reliability of the parallel multi-pack system can be improved over the prior art.
  • each component may be selectively integrated with other components, or each component may be divided into sub-components for efficient execution of the control logic(s).
  • each component may be selectively integrated with other components, or each component may be divided into sub-components for efficient execution of the control logic(s).
  • the constituent elements are integrated or divided, it is obvious to those skilled in the art that if the functional identity can be recognized, the consolidated or divided constituent elements should be interpreted as being within the scope of the present invention.

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Abstract

본 발명은 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 출력 제어 장치는, 병렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 팩에 대한 동작 특성값을 측정하는 제1 내지 제n센서 유닛; 부하에서 소모되는 전력 또는 충전 장치에서 제공하는 전력을 제어하는 출력 관리 유닛; 및 멀티 팩 관리 유닛을 포함하고, 상기 멀티 팩 관리 유닛은, 상기 제1 내지 제n센서 유닛을 통해 측정되는 각 배터리 팩의 동작 특성값에 기초하여 제1 내지 제n배터리 팩의 팩 저항을 각각 결정하고, 각 배터리 팩의 팩 저항에 대응되는 가용 출력들 중에서 최소 가용 출력을 결정하고, 팩 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력이 최소 가용 출력과 동일하도록 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 결정하여 상기 출력 관리 유닛으로 제공한다.

Description

병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치 및 방법
본 발명은 출력 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 배터리 팩들을 병렬 연결시킨 병렬 멀티 팩 시스템에 있어서 저항이 상대적으로 낮은 배터리 팩의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있는 출력 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 10월 30일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2019-0136953호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
배터리는 휴대폰, 랩탑 컴퓨터, 스마트 폰, 스마트 패드 등의 모바일 디바이스뿐만 아니라 전기로 구동되는 자동차(EV, HEV, PHEV)나 대용량 전력 저장 장치(ESS) 등의 분야로까지 그 용도가 급속도로 확산되고 있다.
전기 구동 자동차에 탑재되는 배터리 시스템은 높은 에너지 용량을 확보하기 위해 병렬 연결된 n개의 배터리 팩을 포함하며, 각 배터리 팩은 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함한다. 이하, n개의 배터리 팩이 병렬 연결된 어셈블리를 병렬 멀티 팩 시스템이라고 칭한다.
본 명세서에서, 배터리 셀은 단위 셀 하나 또는 병렬 연결된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 단위 셀은, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 하나가 단위 셀로 간주될 수 있다.
병렬 멀티 팩 시스템의 출력(Power)은 안전성을 위해 병렬 연결된 배터리 팩들 중에서 출력이 가장 낮은 배터리 팩을 기준으로 결정된다. 즉, 배터리 팩들의 출력 값 중에서 최소 출력과 배터리 팩의 수를 곱셈 연산한 값이 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력이 된다.
예를 들어, 5개의 배터리 팩이 병렬 연결되어 있는 병렬 멀티 팩 시스템에 있어서, 5개의 배터리 팩의 출력이 각각 1kW, 2kW, 3kW, 4kW 및 5kW인 경우, 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력은 5*1kW(5kW)가 된다.
병렬 멀티 팩 시스템의 관리 장치는 총 출력(5kW)에 관한 정보를 전기 구동 자동차의 제어 시스템으로 제공한다. 그러면, 제어 시스템은 전기 구동 자동차에서 소모되는 전력이 5kW를 초과하지 않도록 인버터나 DC/DC 컨버터에 공급되는 전력, 차선이탈방지, 전방추돌경고 등 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System) 유닛과 전장 유닛 등에 공급되는 전력을 적응적으로 분배한다. 이처럼 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력의 범위 내에서 전력을 분배하는 것을 전력 가이드라인이라고 부른다.
한편, 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 P total이라고 할 때 각 배터리 팩의 팩 출력(P k)은 회로 이론에 따라 해당 배터리 팩의 팩 저항(R pack,k)과 병렬 멀티 팩 시스템의 총 저항(R system) 사이의 저항 비율 R system/R pack,k에 의해 자동으로 분배된다. 즉, 각 배터리 팩의 팩 출력(P pack,k)은 P total* R system/R pack,k 이다. 여기서, k는 배터리 팩의 인덱스이다.
팩 출력(P pack,k)은 해당 배터리 팩의 가용 출력(available power)이 아닌 총 출력(P total)과 저항 비율 R system/R pack,k에 의해 결정되므로 팩 저항(R pack,k)이 낮을수록 팩 출력(P k)이 증가한다. 따라서, 팩 저항(R pack,k)이 낮은 배터리 팩의 팩 출력(P pack,k)이 가용 출력보다 증가함으로써 해당 배터리 팩이 과충전 또는 과방전되는 경우가 발생한다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 결정함에 있어서 저항이 낮은 배터리 팩의 팩 출력이 가용 출력을 초과함으로써 과충전 또는 과방전되는 것을 방지할 수 있는 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치는, 병렬 멀티 팩 시스템에 포함된 상호 병렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 팩에 대한 동작 특성값을 측정하는 제1 내지 제n센서 유닛; 상기 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력에 대응하도록 부하에서 소모되는 전력 또는 충전 장치에서 제공하는 전력을 제어하는 출력 관리 유닛; 및 상기 제1 내지 제n센서 유닛 및 상기 출력 관리 유닛과 동작 가능하게 결합된 멀티 팩 관리 유닛을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 멀티 팩 관리 유닛은, 상기 제1 내지 제n센서 유닛으로부터 수신되는 각 배터리 팩의 동작 특성값에 기초하여 제1 내지 제n배터리 팩의 팩 저항을 각각 결정하고, 팩 저항과 가용 출력 사이의 미리 정의된 상관관계 정보를 이용하여 각 배터리 팩의 팩 저항에 대응되는 가용 출력들 중에서 최소 가용 출력을 결정하고, 팩 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력이 최소 가용 출력과 동일하도록 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 결정하여 상기 출력 관리 유닛으로 제공하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 출력 관리 유닛은, 상기 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 초과하지 않도록 부하에서 소모되는 전력 또는 충전 장치에서 제공하는 전력을 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상관관계 정보는 배터리 팩의 팩 저항에 따라 배터리 팩의 가용 출력을 정의한 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 멀티 팩 관리 유닛은, 상기 제1 내지 제n센서 유닛으로부터 각 배터리 팩의 전압 측정값 및 전류 측정값을 주기적으로 입력 받고, 복수의 전압 측정값 및 복수의 전류 측정값을 선형 회귀 분석법을 이용하여 분석함으로써 각 배터리 팩의 팩 저항을 결정하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 멀티 팩 관리 유닛은, 하기 수식에 의해 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 산출하도록 구성될 수 있다.
P total = min(P pack,k)*min(R pack,k)/R system
R system= [Σ(1/R pack,k)] -1
(k는 1이상 n 이하의 정수; n은 배터리 팩의 수량; P total은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력; P k는 k번째 배터리 팩의 팩 출력; R pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 저항; R system은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 저항; min()은 복수의 입력 변수들 중에서 최소값을 반환하는 함수)
바람직하게, 상기 멀티 팩 관리 유닛은, 각 배터리 팩의 팩 출력을 하기 수식에 의해 산출하도록 구성될 수 있다.
P pack,k = P total*R system/R pack,k
(P pack,k는 k번째 배터리 팩에 대한 팩 출력; P total은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력; R system은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 저항; R pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 저항)
본 발명에 있어서, 복수의 배터리 팩은 병렬로 연결되어 있으므로, 복수의 배터리 팩이 방전 또는 충전될 때 각 배터리 팩의 팩 출력은 상기 수식으로 계산된 값에 상응한다.
본 발명에 따른 출력 제어 장치는, 상기 멀티 팩 관리 유닛과 상기 출력 관리 유닛 사이에 개재된 통신 유닛을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 병렬 멀티 팩 시스템은 전기 구동 자동차에 탑재되며, 상기 출력 관리 유닛은 상기 전기 구동 자동차의 제어 시스템에 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 과제는, 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템과 전기 구동 자동차에 의해 달성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 방법은, (a) 병렬 멀티 팩 시스템에 포함된 상호 병렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 팩에 대한 동작 특성값을 측정하는 제1 내지 제n센서 유닛을 제공하는 단계; (b) 상기 제1 내지 제n센서 유닛으로부터 수신되는 각 배터리 팩의 동작 특성값에 기초하여 제1 내지 제n배터리 팩의 팩 저항을 각각 결정하는 단계; (c) 팩 저항과 가용 출력 사이의 미리 정의된 상관관계 정보를 이용하여 각 배터리 팩의 팩 저항에 대응되는 n개의 가용 출력과 최소 가용 출력을 결정하는 단계; (d) 팩 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력이 최소 가용 출력과 동일하도록 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 결정하는 단계; 및 (e) 상기 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 초과하지 않도록 상기 제1 내지 제n배터리 팩의 충전 또는 방전을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 병렬 멀티 팩 시스템에 포함된 배터리 팩들 중에서 저항이 낮은 배터리 팩의 팩 출력과 배터리 팩들의 가용 출력 중에서 최소 가용 출력이 동일해 지도록 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 조절함으로써 저항이 낮은 배터리 팩이 과충전 또는 과방전되는 현상을 방지할 수 있다. 이로써, 병렬 멀티 팩 시스템의 충전 또는 방전 시 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치의 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블의 일 예를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 팩 저항 결정 방법에 있어서 I-V 프로파일의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 방법에 대한 순서도이다.
도 5은 본 발명에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 방법을 적용한 실시예와 종래 기술을 적용한 비교예에 있어서 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력과 각 배터리 팩의 팩 출력을 서로 비교하여 나타낸 표이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치를 포함하는 전기 구동 장치의 블록 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서 설명되는 실시 예에 있어서, 배터리 셀은 리튬 이차 전지를 일컫는다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다.
한편, 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차 전지를 포장하는데 사용된 포장재의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 배터리 셀은 하나의 단위 셀 또는 병렬 연결된 복수의 단위 셀을 지칭할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치의 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 출력 제어 장치(10)는, 복수의 배터리 팩(P1 내지 Pn)이 병렬 연결된 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 출력을 제어하는 장치로서 팩 저항이 상대적으로 낮은 배터리 팩들 일부가 과충전 또는 과방전되는 것을 방지하기 위해 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P total)을 적응적으로 제어한다.
본 발명에 있어서, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)은 제1 내지 제n스위치부(S1 내지 Sn)를 통해 병렬 연결되는 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)을 포함하는 배터리 시스템으로 정의한다.
병렬 멀티 팩 시스템(MP)은 외부 스위치부(M)를 통해서 부하(L)에 연결될 수 있다. 외부 스위치부(M)는 외부 고전위 스위치(M+)와 외부 저전위 스위치(M-)를 포함한다. 외부 고전위 스위치(M+)와 외부 저전위 스위치(M-)는 릴레이 스위치일 수 있는데 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
외부 고전위 스위치(M+)와 외부 저전위 스위치(M-)가 턴 온되면, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)은 부하(L)에 전기적으로 연결된다. 반대로, 외부 고전위 스위치(M+)와 외부 저전위 스위치(M-)가 턴 오프되면, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)과 부하(L)의 전기적 연결은 해제된다.
병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 출력 제어 장치(10)는 부하(L)를 제어하는 제어 장치로부터 충전 시작, 충전 종료, 방전 시작 또는 방전 종료에 관한 제어 명령을 수신하고, 제어 명령에 따라 외부 스위치부(M)의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어한다.
바람직하게, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)은 전기 구동 자동차(E)에 탑재될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전기 구동 자동차(E)는 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같이 모터에 의해 주행이 가능한 자동차를 일컫는다.
부하(L)는 병렬 멀티 팩 시스템(MP)으로부터 전력을 공급 받는 장치로서, 일 예로서 전기 구동 자동차(E)에 포함된 인버터일 수 있다. 인버터는 전기 구동 자동차(E)의 전기 모터 전단에 설치되어 병렬 멀티 팩 시스템(MP)으로부터 공급되는 직류 전류를 3상 교류 전류로 변환하여 전기 모터에 공급하는 전력 변환 회로이다.
부하(L)는 또한 DC/DC 컨버터일 수 있다. DC/DC 컨버터는 병렬 멀티 팩 시스템(MP)으로부터 공급되는 직류 전류의 전압을 전기 구동 자동차(E)의 전장 유닛의 구동 전압 또는 ADAS 유닛의 구동 전압으로 변환하여 전장 유닛 또는 ADAS 유닛으로 인가하는 전력 변환 회로이다.
본 발명에 있어서, 부하(L)의 종류는 인버터나 DC/DC 컨버터에 한정되지 않으며, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)으로부터 전력을 공급 받을 수 있는 장치 또는 디바이스라면 그 종류에 상관 없이 부하(L)의 범주에 포함될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn) 각각은 내부에 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함한다. 즉, 제1배터리 팩(P1)은 직렬 연결된 제1 내지 제p배터리 셀(C 11-C 1p)을 포함한다. 또한, 제2배터리 팩(P2)은 직렬 연결된 제1 내지 제p배터리 셀(C 21-C 2p)을 포함한다. 또한, 제3배터리 팩(P3)은 직렬 연결된 제1 내지 제p배터리 셀(C 31-C 3p)을 포함한다. 또한, 제n배터리 팩(Pn)은 직렬 연결된 제1 내지 제p배터리 셀(C n1-C np)을 포함한다. 제4배터리 팩 내지 제n-1배터리 팩의 도시는 생략되었으나, 제4배터리 팩 내지 제n-1배터리 팩 또한 도시된 배터리 팩과 동일하게 직렬 연결된 p개의 배터리 셀들을 포함하고 있다.
제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn) 각각은 내부에 스위치부(S1 내지 Sn)를 포함한다. 즉, 제1배터리 팩(P1)은 제1스위치부(S1)를 포함한다. 또한, 제2배터리 팩(P2)은 제2스위치부(S2)를 포함한다. 또한, 제3배터리 팩(P3)은 제3스위치부(S3)를 포함한다. 또한, 제n배터리 팩(Pn)은 제n스위치부(Sn)를 포함한다. 제4배터리 팩 내지 제n-1배터리 팩의 도시는 생략되었으나, 제4배터리 팩 내지 제n-1배터리 팩 또한 도시된 배터리 팩과 동일하게 스위치부를 포함하고 있다.
제1 내지 제n스위치부(S1 내지 Sn) 각각은 저전위 스위치와 고전위 스위치를 포함한다. 즉, 제1스위치부(S1)은 제1배터리 팩(P1)의 고전위 측에 설치된 제1고전위 스위치(S1 +)와 제1배터리 팩(P1)의 저전위 측에 설치된 제1저전위 스위치(S1 -)를 포함한다. 또한, 제2스위치부(S2)은 제2배터리 팩(P2)의 고전위 측에 설치된 제2고전위 스위치(S2 +)와 제2배터리 팩(P2)의 저전위 측에 설치된 제2저전위 스위치(S2 -)를 포함한다. 또한, 제3스위치부(S3)은 제3배터리 팩(P3)의 고전위 측에 설치된 제3고전위 스위치(S3 +)와 제3배터리 팩(P3)의 저전위 측에 설치된 제3저전위 스위치(S3 -)를 포함한다. 또한, 제n스위치부(Sn)은 제n배터리 팩(Pn)의 고전위 측에 설치된 제n고전위 스위치(Sn +)와 제n배터리 팩(Pn)의 저전위 측에 설치된 제n저전위 스위치(S2 -)를 포함한다. 한편, 제4배터리 팩 내지 제n-1배터리 팩의 도시는 생략되었으나, 제4배터리 팩 내지 제n-1배터리 팩 또한 도시된 배터리 팩과 동일하게 고전위 스위치와 저전위 스위치를 포함하고 있다. 또한, 각 스위치부에 있어서, 고전위 스위치 및 저전위 스위치 중에서 어느 일측이 생략될 수 있다.
이하의 설명에서, 스위치부가 턴온된다고 할 때, 저전위 스위치가 먼저 턴온되고 고전위 스위치가 나중에 턴 온 될 수 있다. 또한, 스위치부가 턴 오프 된다고 할 때 고전위 스위치가 먼저 턴오프 되고 저전위 스위치가 나중에 턴오프 될 수 있다.
바람직하게, 스위치부(S1 내지 Sn)를 구성하는 스위치는 릴레이 스위치일 수 있다. 대안적으로, 스위치부(S1 내지 Sn)는 MOSFET과 같은 반도체 스위치나 전력 반도체 스위치일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
부하(L)의 전단에는 캐패시터(Cap)가 구비된다. 캐패시터(Cap)는 병렬 멀티 팩 시스템(MP) 및 부하(L) 사이에 병렬로 연결된다. 캐패시터(Cap)는 노이즈 전류가 부하(L) 측으로 인가되는 것을 방지하는 필터 기능을 한다.
본 발명의 실시예에 따른 출력 제어 장치(10)는, 제1 내지 제n전류 센서(I1 내지 In)를 포함한다. 제1 내지 제n전류 센서(I1 내지 In)는 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)과 연결된 전력 라인(C1 내지 Cn)에 각각 설치되어 전력 라인(C1 내지 Cn)을 통해서 흐르는 전류값을 측정한다.
즉, 제1전류 센서(I1)는 제1배터리 팩(P1)에 포함된 제1전력 라인(C1)을 통해서 흐르는 제1배터리 팩 전류값(I s1)을 측정한다. 또한, 제2전류 센서(I2)는 제2배터리 팩(P2)에 포함된 제2전력 라인(C2)을 통해서 흐르는 제2배터리 팩 전류값(I s2)을 측정한다. 또한, 제3전류 센서(I3)는 제3배터리 팩(P3)에 포함된 제3전력 라인(C3)을 통해서 흐르는 제3배터리 팩 전류값(I s3)을 측정한다. 또한, 제n전류 센서(In)는 제n배터리 팩(Pn)에 포함된 제n전력 라인(Cn)을 통해서 흐르는 제n배터리 팩 전류값(I sn)을 측정한다. 도면에 도시하지는 않았지만, 제4전류 센서 내지 제n-1전류 센서는 각각 제4배터리 팩 내지 제n-1배터리 팩에 포함된 제4 내지 제n-1전력 라인을 통해서 흐르는 전류값을 측정한다.
도면에는, 제1 내지 제n전류 센서(I1 내지 In)가 각 배터리 팩에 포함되어 있는 것으로 도시되어 있다. 하지만, 본 발명은 제1 내지 제n전류 센서(I1 내지 In)가 각 배터리 팩의 외부에 설치되는 것을 제한하지 않는다.
제1 내지 제n전류 센서(I1 내지 In)는 홀 센서일 수 있다. 홀 센서는 전류의 크기에 상응하는 전압 신호를 출력하는 공지된 전류 센서이다. 다른 예에서, 제1 내지 제n전류 센서(I1 내지 In)는 센스 저항일 수 있다. 센스 저항의 양단에 인가된 전압을 측정하면, 옴의 법칙을 이용하여 센스 저항을 통해 흐르는 전류의 크기를 결정할 수 있다. 즉, 측정된 전압의 크기를 미리 알고 있는 센스 저항의 저항 값으로 나누면 센스 저항을 통해 흐르는 전류의 크기를 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 출력 제어 장치(10)는 또한 제1 내지 제n전압센서(V1 내지 Vn)를 포함한다. 제1전압센서(V1)는 제1배터리 팩(P1)의 양극과 음극 사이의 전위차에 해당하는 제1배터리 팩 전압값(V s1)을 측정한다. 또한, 제2전압센서(V2)는 제2배터리 팩(P2)의 양극과 음극 사이의 전위차에 해당하는 제2배터리 팩 전압값(V s2)을 측정한다. 또한, 제3전압센서(V3)는 제3배터리 팩(P3)의 양극과 음극 사이의 전위차에 해당하는 제3배터리 팩 전압값(V s3)을 측정한다. 또한, 제n전압센서(Vn)는 제n배터리 팩(Pn)의 양극과 음극 사이의 전위차에 해당하는 제n배터리 팩 전압값(V sn)을 측정한다. 도면에 도시하지는 않았지만, 제4전압센서 내지 제n-1전압센서는 각각 제4 내지 제n-1배터리 팩 전압값을 측정한다.
제1 내지 제n전압센서(V1 내지 Vn)는 차동증폭회로와 같은 전압측정회로를 포함한다. 전압측정회로는 당업계에 잘 알려져 있으므로 전압측정회로에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 출력 제어 장치(10)는 또한 제1 내지 제n온도센서(T1 내지 Tn)를 포함한다. 제1온도센서(T1)는 제1배터리 팩(P1)의 소정 위치, 예컨대 중앙에 위치한 셀의 표면 온도를 지시하는 제1배터리 팩 온도값(T s1)을 측정한다. 또한, 제2온도센서(T2)는 제2배터리 팩(P2)의 소정 위치, 예컨대 중앙에 위치한 셀의 표면 온도를 지시하는 제2배터리 팩 온도값(T s2)을 측정한다. 또한, 제3온도센서(T3)는 제3배터리 팩(P3)의 소정 위치, 예컨대 중앙에 위치한 셀의 표면 온도를 지시하는 제3배터리 팩 온도값(T s3)을 측정한다. 또한, 제n온도센서(Tn)는 제n배터리 팩(Pn)의 소정 위치, 예컨대 중앙에 위치한 셀의 표면 온도를 지시하는 제n배터리 팩 온도값(T sn)을 측정한다. 도면에 도시하지는 않았지만, 제4온도센서 내지 제n-1온도센서는 각각 제4 내지 제n-1배터리 팩 온도값을 측정한다.
본 발명에 있어서, 제1전류 센서(I1), 제1전압 센서(V1) 및 제1온도 센서(T1)는 제1센서 유닛(SU1)을 구성한다. 또한, 제2전류 센서(I2), 제2전압 센서(V2) 및 제2온도 센서(T2)는 제2센서 유닛(SU2)을 구성한다. 또한, 제3전류 센서(I3), 제3전압 센서(V3) 및 제3온도 센서(T3)는 제3센서 유닛(SU3)을 구성한다. 또한, 제n전류 센서(In), 제n전압 센서(Vn) 및 제n온도 센서(Tn)는 제n센서 유닛(SUn)을 구성한다. 도면에 도시하지는 않았지만, 제4센서 유닛 내지 제n-1 센서 유닛도 각각 전류 센서, 전압 센서 및 온도 센서를 포함한다.
경우에 따라, 제1 내지 제n센서 유닛(SU1 내지 SUn)은 전류, 전압 및 온도를 측정하는 센서 이외에 배터리 팩의 다른 동작 특성을 측정하는 센서를 더 포함할 수 있음은 자명하다.
바람직하게, 본 발명의 실시예에 따른 출력 제어 장치(10)는 또한 제1 내지 제n스위치부(S1 내지 Sn), 및 제1 내지 제n센서 유닛(SU1 내지 SUn)과 동작 가능하게 결합된 멀티 팩 관리 유닛(20)을 포함한다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 부하(L)에서 소모되는 전력을 관리하는 전기 구동 자동차(E)의 출력 관리 유닛(40)과 동작 가능하게 결합될 수 있다. 출력 관리 유닛(40)은 전기 구동 자동차(E)에 포함된 제어 시스템에 포함된 제어 요소로서, 부하(L)에서 소모되는 전력의 크기를 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력에 맞도록 적응적으로 관리할 수 있다. 여기서, 총 출력은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 방전출력을 의미한다.
본 발명에 있어서, 부하(L)는 충전 장치로 대체 가능하다. 이 경우, 출력 관리 유닛(40)은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)에 공급되는 충전 전력을 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력에 맞도록 적응적으로 관리할 수 있다. 여기서, 총 출력은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)에 제공되는 총 충전출력을 의미한다.
바람직하게, 본 발명의 실시예에 따른 출력 제어 장치(10)는 멀티 팩 관리 유닛(20)과 출력 관리 유닛(40) 사이에 개재된 통신 유닛(30)을 더 포함할 수 있다. 통신 유닛(30)은 멀티 팩 관리 유닛(20)과 출력 관리 유닛(40) 사이에서 통신 인터페이스를 형성한다.
본 발명에 있어서, 통신 인터페이스로는 서로 다른 2개의 통신 매체가 통신을 할 수 있도록 지원하는 공지된 통신 인터페이스라면 어떠한 것이라도 사용될 수 있다. 통신 인터페이스는 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있다. 바람직하게, 통신 인터페이스는　캔(CAN) 통신이나 데이지 체인(Daisy Chain) 통신을 지원하는 것일 수 있다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은, 통신 유닛(30)을 통해 전기 구동 자동차(E)의 출력 관리 유닛(40)으로부터 방전 요청이 수신되면 외부 스위치부(M)를 턴 온 시켜 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 방전을 개시한다.
참고로, 멀티 팩 관리 유닛(20)에서 출력되는 M+ 신호와 M- 신호는 각각 외부 고전위 스위치(M+)와 외부 저전위 스위치(M-)의 온 오프를 제어하는 신호를 나타낸다. 또한, 멀티 팩 관리 유닛(20)에서 출력되는 S1 내지 Sn 신호는 제1 내지 제n스위치부(S1 내지 Sn)의 온 오프를 제어하는 신호를 나타낸다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 또한 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전되는 동안 제1 내지 제n센서 유닛(SU1 내지 SUn)에 포함된 전류 센서(I1 내지 In), 전압 센서(V1 내지 Vn) 및 온도 센서(T1 내지 Tn)의 동작을 제어하고, 주기적으로 전류 센서(I1 내지 In), 전압 센서(V1 내지 Vn) 및 온도 센서(T1 내지 Tn)로부터 수신되는 각 배터리 팩의 동작 특성값을 저장 유닛(50)에 기록한다.
여기서, 동작 특성값은 도면에 도시된 바와 같이 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 전류 측정값(I s1 내지 I sn), 전압 측정값(V s1 내지 V sn) 및 온도 측정값(T s1 내지 T s2)을 포함한다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 또한 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 동작 특성값에 기초하여 각 배터리 팩의 충전 상태(State Of Charge: SOC)를 결정할 수 있다.
일 예로, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 전류 측정값(I s1 내지 I sn)을 시간에 따라 적산하여 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 충전 상태를 결정할 수 있다. 멀티 팩 관리 유닛(20)은 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 방전이 개시되기 전에 제1 내지 제n전압 센서(V1 내지 Vn)을 이용하여 각 배터리 팩의 개방 전압을 측정하고, 개방전압-충전 상태 룩업 테이블을 참조하여 개방전압에 대응되는 충전 상태를 룩업하여 각 배터리 팩의 충전상태 초기값을 결정할 수 있다. 그리고, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 충전상태 초기값을 기준으로 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 전류 측정값(I s1 내지 I sn)을 시간에 따라 적산하여 저장 유닛(50)에 기록할 수 있다. 상기 개방전압-충전 상태 룩업 테이블은 사전에 정의되어 저장 유닛(50)에 기록될 수 있다.
다른 예로, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 확장 칼만 필터를 이용하여 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전되는 동안 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 충전상태를 결정할 수 있다. 즉, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 제1 내지 제n센서 유닛(SU1 내지 SUn)으로부터 입력 받은 각 배터리 팩의 동작 특성값을 소프트웨어로 코딩된 확장 칼만 필터에 입력하여 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 충전 상태를 결정하고 저장 유닛(50)에 기록할 수 있다.
확장 칼만 필터는 본 발명이 속한 기술분야에 널리 알려져 있다. 일 예로서, 확장 칼만 필터는 등가 회로 모델 또는 전기화학적 ROM(Reduced Order Model)에 기초한 적응적 알고리즘일 수 있다.
확장　칼만　필터를 이용한 충전 상태의 추정은, 일 예로서 그레고리 엘 플레트(Gregory L. Plett)씨의　논문　"Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Parts 1, 2 and 3"(Journal of Power Source 134, 2004, 252-261)를 참조 가능하고, 본 명세서의 일부로서 위　논문이 합체될 수 있다.
물론, 충전 상태는 전술한 전류 적산법 또는 확장　칼만　필터　이외에도 배터리 팩의 동작 특성값을 선택적으로 활용하여 충전 상태를 결정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.
다른 측면에서, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 저장 유닛(50)에 기록된 각 배터리 팩에 대한 복수의 전류값 중에서 특정 전압 구간에서 측정된 전류값을 적산할 수 있다. 또한, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 특정 전압 구간의 적산 전류값에 따라 퇴화도(State Of Health: SOH)를 미리 정의한 전류 적산값-퇴화도 룩업 테이블을 참조하여 각 배터리 팩의 퇴화도를 결정할 수 있다.
또 다른 예로, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 확장 칼만 필터를 이용하여 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전되는 동안 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 퇴화도를 적응적으로 결정할 수 있다.
즉, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 제1 내지 제n센서 유닛(SU1 내지 SUn)으로부터 입력 받은 각 배터리 팩의 동작 특성값을 소프트웨어로 코딩된 확장 칼만 필터에 입력하여 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 퇴화도를 결정할 수 있다.
확장　칼만　필터를 이용한 퇴화도의 추정은, 일 예로 대한민국 등록특허 제10-0818520호 『전기화학셀(ＣＥＬＬ)의 현재 상태와 현재 파라미터를 추정하는 장치, 방법 및 시스템 및 기록매체』에 개시되어 있으며, 본 명세서의 일부로서 합체될 수 있다.
바람직하게, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 동작 특성값에 기초하여 각 배터리 팩마다 팩 저항을 결정하고 저장 유닛(50)에 기록할 수 있다.
일 예로, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전되는 동안 저장 유닛(50)에 기록된 각 배터리 팩에 대한 복수의 전류 측정값과 복수의 전압 측정값을 이용하여 선형 회귀 분석법을 통해 각 배터리 팩에 대한 I-V 프로파일을 결정할 수 있다. 여기서, 복수의 전류 측정값 및 복수의 전압 측정값은 현재 시점을 기준으로 최근 측정값들에 대해 샘플링된 것이다. 또한, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 I-V 프로파일의 기울기를 결정하고, 기울기의 절대값을 각 배터리 팩에 대한 팩 저항으로 산출하여 저장 유닛(50)에 기록할 수 있다.
다른 예로, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전되는 동안 저장 유닛(50)에 기록된 각 배터리 팩에 대한 현재의 온도 측정값과 충전 상태를 참조하여 온도 측정값과 충전 상태에 대응되는 팩 저항을 충전상태-온도-팩 저항 룩업 테이블로부터 룩업하여 결정하고 저장 유닛(50)에 기록할 수 있다. 여기서, 충전상태-온도-팩 저항 룩업 테이블은 충전상태와 온도에 따라 대응되는 팩 저항을 룩업할 수 있는 데이터 구조를 가지며, 사전에 정의되어 저장 유닛(50)에 기록될 수 있다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 또한 팩 저항과 가용 출력 사이의 미리 정의된 상관관계 정보를 이용하여 각 배터리 팩의 팩 저항에 대응되는 n개의 가용 출력을 결정하고, n개 가용 출력 중에서 최소 가용 출력을 결정한다.
바람직하게, 미리 정의된 상관 관계는 팩 저항에 따라 가용 출력을 룩업할 수 있는 팩 저항-가용출력 룩업 테이블일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블의 일 예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블은 팩 저항을 이용하여 가용 출력을 룩업할 수 있는 데이터 구조를 가지며, 사전에 정의되어 저장 유닛(50)에 기록될 수 있다. 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블은 배터리 팩의 온도에 따라서 독립적으로 마련되는 것이 바람직하다. 이 경우, 배터리 팩의 온도에 따라 가용 출력이 변화되는 것을 고려할 수 있다. 바람직하게, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 각 배터리 팩의 온도 측정값을 이용하여 룩업할 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블을 식별하고, 식별된 룩업 테이블을 이용하여 팩 저항에 대응되는 가용 출력을 결정할 수 있다.
더욱 바람직하게, 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블은 배터리 팩의 퇴화도와 온도 별로 독립적으로 마련될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩의 온도와 퇴화도에 따라 가용 출력이 변화되는 것을 고려할 수 있다. 바람직하게, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 각 배터리 팩의 온도 측정값과 퇴화도를 이용하여 룩업할 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블을 식별하고, 식별된 룩업 테이블을 이용하여 팩 저항에 대응되는 가용 출력을 결정할 수 있다.
다른 측면에서, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 각 배터리 팩의 팩 저항을 결정할 때 생성한 I-V 프로파일을 이용하여 각 배터리 팩 마다 가용 출력을 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 I-V 프로파일의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, I-V 프로파일이 V 축과 만나는 교차점의 전압은 배터리 팩의 충전 상태에 대응하는 개방 전압에 해당한다. 도트 표시는 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전 중일 때 측정된 복수의 전압 측정값과 전류 측정값을 나타낸다. I-V 프로파일은 복수의 전압 측정값과 복수의 전류 측정값에 대한 선형 회귀 분석법을 통해 생성한 직선이다. 배터리 팩이 방전 중일 때 전류 측정값은 양의 값이고, 배터리 팩이 충전 중일 때 전류 측정값은 음의 값이다. 또한, I-V 프로파일의 기울기 절대값은 배터리 팩의 팩 저항에 해당한다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전 중일 때 I-V 프로파일이 방전 하한 전압을 나타내는 직선 V=V min과 만나는 교차점에서의 전류 값을 방전 최대 전류(I max,discharge)로 결정하고, V min*|I max,discharge|를 배터리 팩의 가용 출력으로 결정할 수 있다. 도면에서, 다이아몬드 표시는 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전 중일 때 측정한 복수의 전압 측정값과 복수의 전류 측정값을 나타내는 좌표이다.
한편, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 충전 중일 경우, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 각 배터리 팩의 팩 저항을 결정할 때 생성한 I-V 프로파일이 충전 상한 전압을 나타내는 직선 V=V max와 만나는 교차점에서의 전류 값을 충전 최대 전류(I max,charge)로 결정하고, V max*|I max,charge|를 배터리 팩의 가용 출력으로 결정할 수 있다. 도면에서, 트라이앵글 표시는 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 충전 중일 때 측정한 복수의 전압 측정값과 복수의 전류 측정값을 나타내는 좌표이다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 가용 출력을 결정한 다음, n개의 가용 출력 중에서 최소 가용 출력을 결정하고 저장 유닛(50)에 기록한다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 또한 팩 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력이 최소 가용 출력과 동일하도록 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력을 결정하고 저장 유닛(50)에 기록한다.
구체적으로, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 하기 수식1에 의해 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력을 결정할 수 있다.
<수식 1>
P total = min(P pack,k)*min(R pack,k)/R system
R system= [Σ(1/R pack,k)] -1
여기서, k는 1이상 n 이하의 정수이다.
n은 배터리 팩의 수량이다.
P total은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력이다.
P pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 출력이다.
R pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 저항이다.
R system은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 저항이다.
min()은 복수의 입력 변수들 중에서 최소값을 반환하는 함수이다.
상기 수식 1은 다음 수식 2와 같이 종래 기술에 따라 결정되는 총 출력 min(P pack,k)*n이 포함된 수식으로 변환할 수 있다.
<수식 2>
P total = min(P pack,k)*min(R pack,k)/R system
= [min(P pack,k)*n]*min(P pack,k)*min(R pack,k)/{[min(P pack,k)*n]*R system}
= [min(P pack,k)*n]*min(P pack,k)/max(P pack,k)
위 수식 2의 제2라인에 있어서, min(R pack,k)/{[min(P pack,k)*n]*R system}는 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)들 중에서 저항이 가장 낮은 배터리 팩에 대해 종래 기술에 의해 산출한 팩 출력의 역수에 해당한다.
왜냐하면, 종래 기술에 따라 산출되는 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력은 팩 출력의 최소값 min(P pack,k)과 배터리 팩의 수량 n을 곱한 값에 해당하는 min(P pack,k)*n이고, 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력은 종래 기술에 의해 산출한 총 출력 min(P pack,k)*n에 저항 비율 R system/min(R pack,k)을 곱한 값에 해당하기 때문이다.
저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력은 n개의 팩 출력 중에서 최대값이 되므로, 수식 2의 제2라인에 있어서 min(R pack,k)/{[min(P pack,k)*n]*R system}은 max(P pack,k) -1로 치환하여 제3라인의 수식으로 최종 정리할 수 있다.
수식 2를 참조하면, 본 발명에 따라 결정되는 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P total)은 종래 기술에 따라 결정되는 총 출력 min(P pack,k)*n에 감쇄 팩터인 min(P pack,k)/max(P pack,k)을 곱셈 연산한 값에 해당한다. 여기서, min(P pack,k)/max(P pack,k)은 팩 출력들 중에서 최대값과 최소값의 상대적 비율이므로 항상 1 보다 작다. 따라서, 본 발명에 따라 결정되는 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력은 종래 기술에 따라 결정된 총 출력보다 [min(P pack,k)*n]*[1-min(P pack,k)/max(P pack,k)]만큼 작다.
수식 1에 의해 결정되는 총 출력(P total)을 이용하여 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력(P pack,Rmin)을 산출하면 수식 3과 같이 제1 내지 제n배터리 팩의 가용 출력들 중에서 최소 가용 출력과 동일해 진다. 따라서, 저항이 낮은 배터리 팩이 과충전 또는 과방전 되는 현상을 원천적으로 방지할 수 있다.
<수식 3>
P pack,Rmin = {min(P pack,k)*min(R pack,k)/R system}*{R system/min(R pack,k)}
= min(P pack,k)
멀티 팩 관리 유닛(20)은 총 출력(P total)을 결정한 다음 통신 유닛(30)을 통해 총 출력(P total)에 관한 정보를 전기 구동 자동차(E)의 출력 관리 유닛(40)으로 전송할 수 있다.
그러면, 출력 관리 유닛(40)은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 출력이 수식 1에 의해 결정되는 총 출력(P total)을 초과하지 않도록 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 충전 또는 방전을 제어한다. 즉, 출력 관리 유닛(40)은 부하(L)에서 소모되는 전력을 수식 1에 의해 결정되는 총 출력(P total)을 초과하지 않도록 전력의 소모량을 통제한다.
구체적으로, 출력 관리 유닛(40)은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P total)을 초과하지 않도록 부하(L)에 해당하는 인버터나 DC/DC 컨버터에 공급되는 전력, 차선이탈방지, 전방추돌경고 등 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System) 유닛과 전장 유닛 등에 공급되는 전력을 적응적으로 분배한다.
한편, 부하(L)가 충전 장치로 대체될 경우 출력 관리 유닛(40)은 충전 장치를 이용하여 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 충전을 진행하는 과정에서 수식 1에 의해 결정되는 총 출력(P total)을 초과하지 않도록 병렬 멀티 팩 시스템(MP)으로 제공되는 충전전압과 충전전류의 크기를 적응적으로 조절할 수 있다.
바람직하게, 상기 멀티 팩 관리 유닛(20)은, 각 배터리 팩의 팩 출력(P pack,k)을 하기 수식 4에 의해 산출하도록 구성될 수 있다.
<수식 4>
P pack,k = P total*R system/R pack,k
(P pack,k는 k번째 배터리 팩에 대한 팩 출력; P total은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력; R system은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 저항; R pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 저항)
병렬 멀티 팩 시스템(MP)에 있어서, 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)은 병렬로 연결되어 있다. 따라서, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 현재 출력이 P total일 때, 각 배터리 팩의 팩 출력(P pack,k)은 상기 수식으로 계산된 값에 상응한다.
본 발명에 따르면, 종래 기술과 달리 병렬 멀티 팩 시스템(MP)을 구성하는 배터리 팩들 중에서 저항이 낮은 배터리 팩이 과충전 또는 과방전되는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 저장 유닛(50)은 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 저장 유닛(50)은 RAM, ROM, EEPROM, 레지스터 또는 플래쉬 메모리일 수 있다. 저장 유닛(50)은 또한 멀티 팩 관리 유닛(20)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 멀티 팩 관리 유닛(20)과 전기적으로 연결될 수 있다.
저장 유닛(50)은 또한 멀티 팩 관리 유닛(20)이 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터와 사전에 정의되는 룩업 테이블이나 파라미터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송한다. 저장 유닛(50)은 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 멀티 팩 관리 유닛(20) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
본 발명에 있어서, 멀티 팩 관리 유닛(20) 및/또는 출력 관리 유닛(40)은 상술한 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 멀티 팩 관리 유닛(20) 및/또는 출력 관리 유닛(40)은 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 저장 유닛(50)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
또한, 멀티 팩 관리 유닛(20) 및/또는 출력 관리 유닛(40)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 출력 제어 장치(10)는 도 6에 도시된 바와 같이 배터리 관리 시스템(100)에 포함될 수 있다. 배터리 관리 시스템(100)은, 배터리의 충방전과 관련된 전반적인 동작을 제어하는 것으로서, 당업계에서 Battery Management System으로 불리는 컴퓨팅 시스템이다.
또한, 본 발명에 따른 출력 제어 장치(10)는 도 7에 도시된 바와 같이 전기 구동 자동차(E) 이외에도 다양한 전기 구동 장치(200)에 탑재될 수 있다.
전기 구동 장치(200)는, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 열차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같이 전기에 의해 이동이 가능한 전기 동력 장치, 또는 전기 드릴, 전기 그라인더 등과 같이 모터가 포함된 파워 툴일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 출력 제어 방법에 대한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S10에서 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전 상태에 있는지 판단한다. 이를 위해, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 제1 내지 제n전류 센서(I1 내지 In)를 이용하여 측정된 전류값들을 모니터할 수 있다. 전류값들이 0이 아니고 양의 값이면 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전 중인 것으로 판단할 수 있다. 멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S10의 판단 결과가 YES이면 단계 S20을 진행한다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S20에서 제1 내지 제n센서 유닛(SU1 내지 SUn)을 제어하여 제1 내지 제n센서 유닛(SU1 내지 SUn)으로부터 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 동작 특성값을 수신하여 저장 유닛(50)에 기록한다.
본 발명에 있어서, 동작 특성값은 각 배터리 팩의 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 포함한다. 단계 S20 이후에 단계 S30이 진행된다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S30에서 각 배터리 팩의 충전상태와 퇴화도를 결정한다. 충전상태와 퇴화도의 결정 방법은 이미 상술하였다. 단계 S30 이후에 단계 S40이 진행된다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S40에서 제1 내지 제n센서 유닛(SU1 내지 SUn)으로부터 수신되는 각 배터리 팩의 동작 특성값에 기초하여 제1 내지 제n배터리 팩(P1 내지 Pn)의 팩 저항을 각각 결정한다.
바람직하게, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 현재 시점을 기준으로 샘플링된 복수의 전압 측정값과 복수의 전류 측정값에 대한 I-V 프로파일을 선형 회귀 분석법을 이용하여 생성하고, I-V 프로파일의 기울기로부터 각 배터리 팩의 팩 저항을 산출할 수 있다. 단계 S40 이후에 단계 S50이 진행된다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S50에서 팩 저항과 가용 출력 사이의 미리 정의된 상관 관계를 이용하여 각 배터리 팩의 팩 저항에 대응되는 n개의 가용 출력을 결정하고 n개의 가용 출력 중에서 최소 가용 출력을 결정한다.
일 예에서, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 저장 유닛(50)에 미리 기록된 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블을 이용하여 각 배터리 팩의 팩 저항에 대응되는 가용 출력을 룩업할 수 있다.
바람직하게, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 각 배터리 팩의 가용 출력을 결정함에 있어서, 해당 배터리 팩의 온도 측정값과 퇴화도에 대응되는 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블을 식별하고, 식별된 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블을 이용하여 팩 저항에 대응되는 가용 출력을 룩업하여 가용 출력을 결정할 수 있다.
다른 예에서, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 팩 저항을 산출할 때 이용된 I-V 프로파일이 방전 하한 전압에 해당하는 직선 V=V min과 교차하는 점의 전류를 최대 방전 전류 I max,discharge로 결정하고, 수식 V=V min*|I max,discharge|에 의해 계산된 값을 가용 출력으로 결정할 수 있다. 단계 S50 이후에 단계 S60이 진행된다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S60에서 앞서 설명한 수식 1을 이용하여 팩 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력이 최소 가용 출력과 동일하도록 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력(P total)을 결정한다. 단계 S60 이후에 단계 S70이 진행된다. 여기서, 총 출력 P total은 종래 기술에 따라 산출되는 총 출력 대비 [min(P pack,k)*n]*[1-min(P pack,k)/max(P pack,k)] 만큼 감쇄된 크기를 가진다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S70에서 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P total)을 통신 유닛(30)을 통해 전기 구동 자동차(E)의 출력 관리 유닛(40)으로 전송한다. 단계 S70 이후에 단계 S80이 진행된다.
출력 관리 유닛(40)은 단계 S80에서 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 출력이 수식 1에 의해 결정되는 총 출력(P total)을 초과하지 않도록 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 방전을 제어한다.
즉, 출력 관리 유닛(40)은 부하(L)에서 소모되는 전력을 수식 1에 의해 결정되는 총 출력(P total)을 초과하지 않도록 전력의 소모량을 통제한다.
구체적으로, 출력 관리 유닛(40)은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P total)을 초과하지 않도록 부하(L)에 해당하는 인버터나 DC/DC 컨버터에 공급되는 전력, 차선이탈방지, 전방추돌경고 등 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System) 유닛과 전장 유닛 등에 공급되는 전력을 적응적으로 분배한다.
이로써, 종래 기술과 같이 병렬 멀티 팩 시스템(MP)을 구성하는 배터리 팩들 중에서 저항이 낮은 배터리 팩이 과충전 또는 과방전되는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.
단계 S80 이후에 단계 S90이 진행된다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S90에서 미리 설정된 출력 조정 주기가 경과되었는지 판단한다. 출력 조정 주기는 수십 msec 내지 수 초이다. 만약, 단계 S90의 판단이 NO이면 멀티 팩 관리 유닛(20)은 프로세스의 이행을 보류한다. 반면, 단계 S90의 판단이 YES이면 멀티 팩 관리 유닛(20)은 프로세스를 S100으로 이행한다.
멀티 팩 관리 유닛(20)은 단계 S100에서 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전 중인지 판단한다. 이를 위해, 멀티 팩 관리 유닛(20)은 제1 내지 제n전류 센서(I1 내지 In)를 이용하여 측정된 전류 측정값들을 모니터할 수 있다. 전류 측정값들이 0이 아니고 양의 값이면 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전 중인 것으로 판단할 수 있다.
만약, 단계 S100의 판단이 NO이면 멀티 팩 관리 유닛(20)은 본 발명의 실시예에 따른 출력 제어 방법의 실행을 종료한다. 반면, 단계 S100의 판단이 YES이면 멀티 팩 관리 유닛(20)은 프로세스를 단계 S20으로 이행한다. 따라서, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P total)에 대한 산출 과정과 산출된 총 출력(P total)을 초과하지 않도록 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 방전을 제어하는 과정이 다시 반복된다.
한편, 지금까지 설명된 출력 제어 방법은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전되는 경우에 관한 것이다. 하지만 본 발명은 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 충전 중인 경우도 적용될 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
도 5는 본 발명에 따른 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 출력 제어 방법을 적용한 실시예와 종래 기술을 적용한 비교예의 결과를 함께 나타낸 테이블이다.
먼저 5개의 배터리 팩(Pack1 내지 Pack5)이 병렬 연결된 병렬 멀티 팩 시스템을 준비하였다. 그런 다음, 병렬 멀티 팩 시스템을 25도 조건에서 방전시키면서 특정한 시점에 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력과 각 배터리 팩의 출력을 본 발명과 종래 기술을 이용하여 산출하였다.
도 5를 참조하면, Pack1 내지 Pack5의 저항은 각각 120mΩ, 110mΩ, 100mΩ, 90mΩ 및 80mΩ으로 산출되었다. 아울러, Pack1 내지 Pack5의 퇴화도 SOH는 각각 0.94, 0.95, 0.96, 0.97 및 0.98로 산출되었다. 또한, 온도와 퇴화도에 의해 식별된 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블로부터 룩업된 Pack1 내지 Pack5의 가용 출력은 각각 94kW, 95kW, 96kW, 97kW, 98kW로 결정되었다. 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 전체 저항(R system)은 수식 [Σ(1/R pack,k)] -1=(1/0.94+1/0.95+1/0.96+1/0.97+1/0.98) -1을 이용하여 19.6mΩ으로 결정되었다.
종래기술에 따른 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P' total)은 min(Pack,k)*5이므로 min(Pack,k)에 94kW를 대입하면 470kW가 된다. 각 배터리 팩의 팩 출력(P' pack,k)은 수식 P' total*R system/R pack,k에 의해 계산된다. 따라서, Pack1 내지 Pack5의 팩 출력은 각각 76.7kW, 83,7kW, 92.1kW, 102.3kW 및 115.1kW이다. Pack4 및 Pack5의 팩 출력은 가용 출력보다 크다. 따라서, 종래기술에 의해 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P' total)을 산출하고 그에 따라 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 방전을 제어하면 Pack4 및 Pack5가 과방전되는 문제가 발생한다.
반면, 본 발명이 적용된 실시예에 있어서, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P total)은 수식 min(P pack,k)*min(R pack,k)/R system에 의해 계산한다. Min(P pack,k)는 가용 출력들 중에서 최소값이므로 94kW이다. 또한, min(R pack,k)은 팩 저항들 중에서 최소값이므로 80mΩ이다. 또한, R system은 19.6mΩ이다. 각 팩터의 값을 수식에 대입하면, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)의 총 출력(P total)은 383.7kW로 결정된다. 각 배터리 팩의 팩 출력(P pack,k)은 종래 기술과 동일하게 수식 P total*R system/R pack,k에 의해 계산된다. 따라서, Pack1 내지 Pack5의 팩 출력은 각각 62.7kW, 68.4kW, 75.2kW, 83.6kW 및 94.0kW이다. Pack5의 팩 출력인 94.0kW는 최대치이지만 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블로부터 룩업된 실제 가용출력들의 최소값인 94.0kW와 동일하다. 이처럼, 본 발명에 따라 총 출력이 산출되면, 저항이 상대적으로 낮은 배터리 팩(Pack4, Pack5)의 경우도 팩 출력이 가용 출력 이하의 값을 가진다. 따라서, 병렬 멀티 팩 시스템(MP)이 방전되는 과정에서 저항이 낮은 배터리 팩이 과방전되는 문제가 발생하지 않는다.
위와 같은 실시예와 비교예의 결과는 병렬 연결된 Pack1 내지 Pack5가 충전되는 경우에도 동일할 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명에 따르면, 병렬 멀티 팩 시스템에 포함된 배터리 팩들 중에서 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 출력과 배터리 팩들의 가용 출력 중에서 최소 가용 출력이 동일해 지도록 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 조절함으로써 저항이 낮은 배터리 팩이 과충전 또는 과방전되는 현상을 원천적으로 방지할 수 있다. 따라서, 병렬 멀티 팩 시스템의 안전성과 신뢰성을 종래기술보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~유닛'이라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
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.

Claims (14)

  1. 병렬 멀티 팩 시스템에 포함된 상호 병렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 팩에 대한 동작 특성값을 측정하는 제1 내지 제n센서 유닛;
    상기 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력에 대응하도록 부하에서 소모되는 전력 또는 충전 장치에서 제공하는 전력을 제어하는 출력 관리 유닛; 및
    상기 제1 내지 제n센서 유닛 및 상기 출력 관리 유닛과 동작 가능하게 결합된 멀티 팩 관리 유닛을 포함하고,
    상기 멀티 팩 관리 유닛은, 상기 제1 내지 제n센서 유닛으로부터 수신되는 각 배터리 팩의 동작 특성값에 기초하여 제1 내지 제n배터리 팩의 팩 저항을 각각 결정하고, 팩 저항과 가용 출력 사이의 미리 정의된 상관관계 정보를 이용하여 각 배터리 팩의 팩 저항에 대응되는 가용 출력들 중에서 최소 가용 출력을 결정하고, 팩 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력이 최소 가용 출력과 동일하도록 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 결정하여 상기 출력 관리 유닛으로 제공하도록 구성되고,
    상기 출력 관리 유닛은, 상기 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 초과하지 않도록 부하에서 소모되는 전력 또는 충전 장치에서 제공하는 전력을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상관관계 정보는 배터리 팩의 팩 저항에 따라 배터리 팩의 가용 출력을 정의한 팩 저항-가용 출력 룩업 테이블임을 특징으로 하는 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 멀티 팩 관리 유닛은,
    상기 제1 내지 제n센서 유닛으로부터 각 배터리 팩의 전압 측정값 및 전류 측정값을 주기적으로 입력 받고,
    복수의 전압 측정값 및 복수의 전류 측정값을 선형 회귀 분석법을 이용하여 분석함으로써 각 배터리 팩의 팩 저항을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 멀티 팩 관리 유닛은,
    하기 수식에 의해 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는,
    P total = min(P pack,k)*min(R pack,k)/R system
    R system= [Σ(1/R pack,k)] -1
    (k는 1이상 n 이하의 정수; n은 배터리 팩의 수량; P total은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력; P k는 k번째 배터리 팩의 팩 출력; R pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 저항; R system은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 저항; min()은 복수의 입력 변수들 중에서 최소값을 반환하는 함수)
    병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 멀티 팩 관리 유닛은,
    각 배터리 팩의 팩 출력을 하기 수식에 의해 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는,
    P pack,k = P total*R system/R pack,k
    (P pack,k는 k번째 배터리 팩에 대한 팩 출력; P total은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력; R system은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 저항; R pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 저항)
    병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 멀티 팩 관리 유닛과 상기 출력 관리 유닛 사이에 개재된 통신 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 병렬 멀티 팩 시스템은 전기 구동 자동차에 탑재되며,
    상기 출력 관리 유닛은 상기 전기 구동 자동차의 제어 시스템에 포함된 것을 특징으로 하는 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치.
  8. 제1항에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  9. 제1항에 따른 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 장치를 포함하는 전기 구동 장치.
  10. (a) 병렬 멀티 팩 시스템에 포함된 상호 병렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 팩에 대한 동작 특성값을 측정하는 제1 내지 제n센서 유닛을 제공하는 단계;
    (b) 상기 제1 내지 제n센서 유닛으로부터 수신되는 각 배터리 팩의 동작 특성값에 기초하여 제1 내지 제n배터리 팩의 팩 저항을 각각 결정하는 단계;
    (c) 팩 저항과 가용 출력 사이의 미리 정의된 상관관계 정보를 이용하여 각 배터리 팩의 팩 저항에 대응되는 n개의 가용 출력과 최소 가용 출력을 결정하는 단계;
    (d) 팩 저항이 가장 낮은 배터리 팩의 팩 출력이 최소 가용 출력과 동일하도록 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 결정하는 단계; 및
    (e) 상기 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 초과하지 않도록 상기 제1 내지 제n배터리 팩의 충전 또는 방전을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 상관관계 정보는 배터리 팩의 팩 저항에 따라 배터리 팩의 가용 출력을 정의한 팩 저항-가용 용량 룩업 테이블임을 특징으로 하는 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 제1 내지 제n센서 유닛으로부터 각 배터리 팩의 전압 측정값 및 전류 측정값을 주기적으로 입력 받는 단계; 및
    (b2) 복수의 전압 측정값 및 복수의 전류 측정값을 선형 회귀 분석법을 이용하여 분석함으로써 각 배터리 팩의 팩 저항을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 (d) 단계는, 하기 수식에 의해 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력을 산출하는 단계임을 특징으로 하는,
    P total = min(P pack,k)*min(R pack,k)/R system
    R system= [Σ(1/R pack,k)] -1
    (k는 1이상 n 이하의 정수; n은 배터리 팩의 수량; P total은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력; P k는 k번째 배터리 팩의 팩 출력; R pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 저항; R system은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 저항; min()은 복수의 입력 변수들 중에서 최소값을 반환하는 함수)
    병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 각 배터리 팩의 팩 출력을 하기 수식에 의해 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    P pack,k = P total*R system/R pack,k
    (P pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 출력; P total은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 출력; R system은 병렬 멀티 팩 시스템의 총 저항; R pack,k는 k번째 배터리 팩의 팩 저항)
    병렬 멀티 팩 시스템의 출력 제어 방법.
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