WO2022019595A1 - 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량 - Google Patents

배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량 Download PDF

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

Definitions

  • the present invention relates to a technology for protecting a battery.
  • a polarization phenomenon occurs internally in the battery, and the polarization phenomenon causes an overvoltage of the battery.
  • Polarization relies on several resistance components (eg, ohmic resistance, charge transfer resistance, diffusion resistance) that increase as the battery ages. Therefore, it is known that the higher the current rate during charging and discharging, the lower the temperature of the battery, and the higher the degree of degradation of the battery, the more severe the polarization phenomenon, and consequently the magnitude of the overvoltage generated in the battery also increases.
  • the battery is used in a state in which polarization is greatly induced, there is a problem in that the battery rapidly deteriorates.
  • phase transition reaction that occurs during charging of the battery has a large dependence on the polarization phenomenon that has a positive correlation with the overvoltage of the battery.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and a single phase transition reaction occurs when a battery is charged, so a differential capacity curve for a predetermined voltage range is determined, and then a characteristic point detection result for the differential capacity curve
  • An object of the present invention is to provide a battery management system, a battery management method, a battery pack, and an electric vehicle for determining the degree of polarization using
  • Another object of the present invention is to provide a battery management system, a battery management method, a battery pack, and an electric vehicle that perform a differential protection operation for a battery using a degree of polarization determined from a characteristic point detection result for a differential capacity curve.
  • a battery management system includes: a voltage sensor configured to generate a voltage signal representing a voltage of a battery; a current sensor configured to generate a current signal indicative of a current flowing through the battery; and a control unit configured to record a voltage history and a current history of the battery based on the voltage signal and the current signal every predetermined time while the battery is being charged with a constant current.
  • the control unit is configured to determine, based on the voltage history and the current history, a differential capacity curve representing a correspondence relationship between the voltage and the differential capacity of the battery within a reference voltage range.
  • the control unit is configured to, when a main characteristic point is detected from the differential capacity curve, compare a first characteristic voltage of the main characteristic point with a reference voltage to perform a first protection operation for the battery.
  • the control unit may be configured to determine, as the main feature point, a maximum initially detected from the differential capacity curve while the battery is being charged with a constant current.
  • the first protection operation may include reducing an end voltage of the constant current charging by a compensation voltage corresponding to a voltage difference between the first characteristic voltage and the reference voltage.
  • the lower limit of the termination voltage may be limited to an upper limit voltage of the reference voltage range.
  • the first protection operation may include reducing a reference current of the constant current charging by a first compensation current corresponding to a voltage difference between the first characteristic voltage and the reference voltage.
  • the control unit may be configured to execute a second protection operation for the battery when an additional characteristic point having a second characteristic voltage greater than the first characteristic voltage is detected from the differential capacity curve.
  • the second protection operation may include an operation of additionally reducing the reference current reduced by the first protection operation.
  • the control unit may be configured to stop the constant current charging when a feature point is not detected from the differential capacity curve.
  • the controller may be configured to determine the reference voltage range based on the maximum capacity of the battery.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention includes the battery management system.
  • An electric vehicle includes the battery pack.
  • the battery management method may be executed every predetermined time while the battery is being charged with a constant current.
  • the battery management method may include: recording a voltage history and a current history of the battery based on a voltage signal indicating the voltage of the battery and a current signal indicating a current flowing through the battery; determining a differential capacity curve representing a correspondence relationship between a voltage of the battery and a differential capacity within a reference voltage range, based on the voltage history and the current history; and executing a first protection operation for the battery by comparing a first characteristic voltage of the main characteristic point with a reference voltage when a main characteristic point is detected from the differential capacity curve.
  • the battery management method may further include executing a second protection operation for the battery when an additional characteristic point having a second characteristic voltage greater than the first characteristic voltage is detected from the differential capacity curve.
  • a differential capacity curve for a predetermined voltage range is determined as a single phase transition reaction occurs during charging of a battery, and then the differential capacity curve is polarized using the characteristic point detection result for the differential capacity curve. can determine the severity of the phenomenon.
  • a differential protection operation for the battery is performed using the degree of polarization determined from the characteristic point detection result for the differential capacity curve. Accordingly, deterioration of the battery can be delayed and it can be safely used.
  • FIG. 1 is a view exemplarily showing an exemplary configuration of an electric vehicle according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing an exemplary differential capacitance curve for a voltage section including a reference voltage range.
  • FIG. 3 is a graph showing an exemplary correspondence between a maximum capacity of a battery and a reference voltage range.
  • FIG. 4 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to a second embodiment of the present invention.
  • control unit> means a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a view exemplarily showing an exemplary configuration of an electric vehicle according to the present invention.
  • a battery pack 10 is provided to be mounted on a power device such as an electric vehicle 1 .
  • the battery pack 10 includes a battery B, a switch SW, a charging circuit 20 and a battery management system 100 .
  • the positive terminal and the negative terminal of the battery B are electrically connected to the battery management system 100 .
  • the battery B is a lithium ion battery and contains a positive electrode, a negative electrode, and a separator.
  • the separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode to insulate the positive electrode and the negative electrode.
  • a lithium metal composite oxide such as LiNi 8/10 Co 1/10 Mn 1/10 O 2 may be used.
  • a carbon-based material eg, graphite
  • the polarization phenomenon of the battery B When the polarization phenomenon of the battery B is less than a certain level, a single phase transition reaction of the positive electrode active material or the negative electrode active material occurs in a reference voltage range (eg, 3.6 to 3.8 V). Based on the voltage at which the phase transition reaction occurs, the capacity of the battery B changes significantly. Accordingly, after obtaining the differential capacitance curve for the reference voltage range, the degree of polarization can be confirmed based on the characteristic point detection result for the differential capacitance curve.
  • the polarization phenomenon may be simply referred to as 'polarization', and the degree of the polarization phenomenon may be referred to as 'polarization degree'.
  • Each characteristic point of the differential capacity curve may be utilized as information indicating a voltage at which a phase transition reaction occurs.
  • the switch SW is installed in a current path connected in series to the battery B for charging and discharging the battery B. While the switch SW is turned on, charging and discharging of the battery B is possible.
  • the switch SW may be a mechanical relay turned on and off by a magnetic force of a coil or a semiconductor switch such as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). While the switch SW is turned off, charging and discharging of the battery B is stopped.
  • the switch SW may be turned on in response to a first switching signal (eg, a high level voltage).
  • the switch SW may be turned off in response to a second switching signal (eg, a low level voltage).
  • the charging circuit 20 is electrically connected to a current path for charging and discharging the battery B.
  • the charging circuit 20 is configured to convert AC power from an external device (eg, commercial power) into DC power.
  • the charging circuit 20 may include a constant current circuit that adjusts a current rate (which may be referred to as a 'C-rate') for constant current charging according to a command from the battery management system 100 .
  • the battery management system 100 is provided to protect the battery B from excessive polarization.
  • the battery management system 100 includes a sensing unit 110 , a control unit 120 , and a memory unit 130 .
  • the battery management system 100 may further include an interface unit 140 .
  • the battery management system 100 may further include a switch driver 150 .
  • the sensing unit 110 includes a voltage sensor 111 and a current sensor 112 .
  • the voltage sensor 111 is connected in parallel to the battery B and is configured to detect a voltage across the battery B and generate a voltage signal representative of the detected voltage.
  • the current sensor 112 is connected in series to the battery B through a current path.
  • the current sensor 112 is configured to detect a current flowing through the battery B and generate a current signal indicative of the detected current.
  • the control unit 130 may collect sensing information including a voltage signal and a current signal of synchronization from the sensing unit 110 .
  • the control unit 120 in hardware, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays), microprocessors (microprocessors) and may be implemented using at least one of electrical units for performing other functions.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • microprocessors microprocessors
  • the control unit 120 is operatively coupled to the charging circuit 20 and the sensing unit 110 .
  • the two components When the two components are operatively coupled, it means that the two components are directly or indirectly connected to transmit/receive signals in one direction or in both directions.
  • the control unit 120 is configured to execute an operation to be described later for protecting the battery B.
  • the controller 120 may transmit a charging start command to the charging device 20 .
  • the charging start command includes information indicating the current rate of the reference current.
  • the charging device 20 constant current charges the battery B with the reference current in response to the charging start command.
  • the control unit 120 during constant current charging of the battery B, at every predetermined time, based on the voltage signal and the current signal included in the sensing information, the voltage, current, capacity, and charging state of the battery B at every predetermined time (SOC: State-Of-Charge) is configured to determine.
  • SOC State-Of-Charge
  • the SOC may be determined by one or a combination of two or more of various known algorithms (eg, a current integration method, a Kalman filter), and a detailed description thereof will be omitted.
  • the capacity of the battery B indicates the amount of charge stored in the battery B, and may also be referred to as 'remaining capacity', and may be determined by accumulating the current of the battery B at every predetermined time.
  • the SOC of the battery B represents the ratio of the capacity of the battery B to the maximum capacity of the battery B (which may also be referred to as 'full charge capacity'), and is usually 0 to 1 or It is expressed as 0-100%.
  • the maximum capacity of the battery B gradually decreases as the battery B deteriorates.
  • the voltage history, current history, and capacity history corresponding to each of the voltage, current, and capacity acquired every predetermined time during constant current charging may be recorded in the memory unit 130 by the controller 120 .
  • the capacity history is based on the current history.
  • the history of a certain parameter means a time-series change of the corresponding parameter over an arbitrary period.
  • the memory unit 130 is operatively coupled to the control unit 120 .
  • the memory unit 130 may also be operatively coupled to the sensing unit 110 .
  • Memory unit 130 for example, a flash memory type (flash memory type), a hard disk type (hard disk type), SSD type (Solid State Disk type), SDD type (Silicon Disk Drive type), multimedia card micro type (multimedia) card micro type), random access memory (RAM), static random access memory (SRAM), read-only memory (ROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), programmable read-only memory (PROM) ) may include at least one type of storage medium.
  • the memory unit 130 may store data and programs required for an operation by the control unit 120 .
  • the memory unit 130 may store data representing a result of the operation operation performed by the control unit 120 .
  • the interface unit 140 is configured to support wired communication or wireless communication between the control unit 120 and the upper controller 2 (eg, ECU: Electronic Control Unit) of the electric vehicle 1 .
  • Wired communication may be, for example, CAN (controller area network) communication
  • wireless communication may be, for example, Zigbee or Bluetooth communication.
  • the type of communication protocol is not particularly limited.
  • the interface unit 140 may include an output device (eg, a display, a speaker) that provides information received from the control unit 120 and/or the upper controller 2 in a user-recognizable form.
  • the switch driver 150 is electrically coupled to the control unit 120 and the switch SW.
  • the switch driver 150 is configured to selectively output a first switching signal or a second switching signal to the switch SW in response to a command from the controller 120 .
  • the controller 120 may instruct the switch driver 150 to turn on the switch SW while the battery B is being charged with a constant current.
  • FIG. 2 is a graph showing an exemplary differential capacity curve for a voltage section including a reference voltage range
  • FIG. 3 is a graph showing an exemplary correspondence relationship between a maximum capacity of a battery and a reference voltage range.
  • the inventors of the present invention recognized the following facts through an experiment of forcibly deepening the degree of polarization during constant current charging.
  • the differential capacity curve may refer to a data set in which a correspondence relationship between the voltage of the battery B and the differential capacity is recorded.
  • the differential capacity refers to the ratio dQ/dV of the change in capacity dQ of the battery B to the change in voltage dV of the battery B every predetermined time.
  • V L and V U represent a lower limit voltage and an upper limit voltage of the reference voltage range ⁇ V, respectively
  • V E represents an end voltage of constant current charging.
  • the first curve 201 exemplifies the differential capacity curve of the battery B from which the polarization is completely removed
  • the second curve 202 shows the case where the polarization degree of the battery B is less than a certain level.
  • the differential capacity curve is exemplified
  • the third curve 203 exemplifies the differential capacity curve when the polarization degree of the battery B is equal to or greater than a certain level.
  • a characteristic point first appearing within the reference voltage range ⁇ V may be referred to as a 'main characteristic point'.
  • the feature point is, for example, a term that collectively refers to one or two or more of a maximum point, a minimum point, an inflection point, and a point at which a specific condition is satisfied.
  • the first maximum appearing in the reference voltage range ⁇ V is exemplified as the main feature point.
  • the control unit 120 may detect a characteristic point appearing in the differential capacity curve at every predetermined time even before the voltage of the battery B reaches the upper limit voltage V U . Alternatively, after the voltage of the battery B reaches the upper limit voltage V U , the control unit 120 may collectively detect all the characteristic points appearing in the differential capacity curve for the reference voltage range ⁇ V. have.
  • a data set corresponding to the first curve 201 may be previously recorded in the memory unit 130 .
  • the controller 120 may set the reference voltage for determining the degree of polarization generated in the battery B to be the same as the characteristic voltage V 1 of the characteristic point P 1 .
  • the second curve 202 a single feature point P 2 appears within the reference voltage range ⁇ V. It can be seen that the feature point P 2 is shifted to the high voltage side from the feature point P 1 . That is, the characteristic voltage V 2 of the characteristic point P 2 is higher than the characteristic voltage V 1 of the characteristic point P 1 , and the voltage difference between the characteristic voltage V 2 and the characteristic voltage V 1 , the second curve 202 may have a positive correlation to the degree of polarization generated during the acquired constant current charging period.
  • the controller 120 may execute the first protection operation based on a voltage difference between the characteristic voltage V 2 and the characteristic voltage V 1 .
  • the controller 120 may execute the first protection operation from a time point at which the feature point P 2 is detected.
  • the first protection operation may include an operation of reducing an end voltage of the constant current charging by a compensation voltage corresponding to the voltage difference.
  • the controller 120 may set the reduced end voltage V E ′ as the end voltage of the constant current charging.
  • the first protection operation may include an operation of reducing the reference current by a compensation current corresponding to the voltage difference.
  • the controller 120 may set the reduced reference current as a reference current for constant current charging.
  • the third curve 203 two characteristic points P 3 and P A appear within the reference voltage range ⁇ V. It can be seen that the key point P 3 is shifted to the high voltage side from the key point P 1 rather than the key point P 2 . That is, the characteristic voltage V 3 of the characteristic point P 3 is higher than the characteristic voltage V 2 of the characteristic point P 2 , and the voltage difference between the characteristic voltage V 3 and the characteristic voltage V 1 , the third curve Reference numeral 203 denotes the degree of polarization generated during the acquired constant current charging period.
  • the controller 120 may execute the first protection operation based on a voltage difference between the characteristic voltage V 3 and the characteristic voltage V 1 .
  • the description of the first protection operation is common to that described above based on the second curve 202 . That is, the controller 120 may reduce the termination voltage and/or reduce the reference current as the first protection operation.
  • the controller 120 may set the reduced end voltage V E " as the end voltage of the constant current charging.
  • the lower limit of the termination voltage may be limited to the upper limit voltage V U .
  • the controller 120 may set the reduced reference current as a reference current for constant current charging.
  • the controller 120 may monitor whether an additional characteristic point appears between the characteristic voltage V 3 and the upper limit voltage V U every predetermined time.
  • the controller 120 may detect a point at which the slope of the third curve 203 becomes equal to or greater than a predetermined threshold or a minimum point of the third curve 203 as an additional feature point.
  • the minimum point P A which first appears between the characteristic voltage V 3 and the upper limit voltage V U , is detected as an additional characteristic point.
  • the additional characteristic point P A has a characteristic voltage V A between the characteristic voltage V 3 and the upper limit voltage V U .
  • the controller 120 may execute a second protection operation.
  • the controller 120 may execute the second protection operation from a time point at which the additional feature point P A is detected.
  • the second protection operation may include an operation of further reducing the reference current. For example, suppose that the reference current is decreased from 0.45 [C-rate] to 0.39 [C-rate] by the first protection operation, and then an additional feature point P A is detected. In this case, the controller 120 may set 0.351 [C-rate] obtained by multiplying the reference current 0.39 [C-rate] by a third weight (eg, 0.9) as the reference current for constant current charging.
  • a third weight eg, 0.9
  • the lower limit voltage V L and the upper limit voltage V U may be predetermined fixed values.
  • the control unit 120 when the constant current charging is started , based on the maximum capacity (Q MAX ) of the battery (B), the lower limit voltage (V L ) and the upper limit voltage (V) of the reference voltage range ( ⁇ V) U ) can be determined.
  • the maximum capacity (Q MAX ) may be determined by one or a combination of two or more of various known algorithms, a detailed description thereof will be omitted.
  • the relationship between the degree of degradation and the phase transition reaction of the battery B is similar to the relationship between the polarization and the phase transition reaction. Therefore, in order to more accurately grasp the polarization generated in the battery B from the differential voltage curve, it may be advantageous to determine the reference voltage range ⁇ V based on the maximum capacity corresponding to the degradation degree of the battery B.
  • a curve 301 represents the relationship between the maximum capacitance and the lower limit voltage
  • the curve 302 represents the relationship between the maximum capacitance and the upper limit voltage.
  • the two curves 301 and 302 of FIG. 3 may be prepared in advance based on the results of experiments performed on batteries manufactured to have the same electrochemical performance as the battery B.
  • a data set (eg, a lookup table) corresponding to the two curves 301 and 302 may be previously recorded in the memory unit 130 .
  • the controller 120 may set V X and V Y related to Q MAX to one voltage V L and an upper limit voltage V U , respectively. .
  • FIG. 4 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a flowchart exemplarily illustrating a battery management method according to a second embodiment of the present invention.
  • the method of FIGS. 4 and 5 will be described based on the third curve 203 .
  • the main characteristic point P 3 of the differential capacity curve 203 is detected or the voltage of the battery B reaches the upper limit voltage V U .
  • V U the upper limit voltage
  • an additional characteristic point P A of the differential capacity curve 203 is detected or the voltage of the battery B is the upper limit voltage It may be repeated every predetermined time until (V U ) is reached.
  • step S400 the control unit 120, based on the voltage signal from the voltage sensor 111 and the current signal from the current sensor 112, the voltage history of the battery (B) and Record the current history. That is, the voltage history and the current history are updated every predetermined time.
  • step S410 the controller 120 determines whether the voltage of the battery B has reached a lower limit voltage V L of the reference voltage range ⁇ V. If the value of step S410 is YES, the flow proceeds to step S420. When the value of step S410 is “No”, the method of FIG. 4 may be terminated.
  • step S420 the control unit 120 determines a differential capacity curve 203 indicating a correspondence between the voltage and the differential capacity of the battery B based on the voltage history and the current history. That is, whenever step S420 is executed, the differential capacitance curve 203 may be updated by the voltage information and capacitance information newly added for a predetermined time period.
  • step S430 the control unit 120 determines whether the main feature point P 3 of the differential capacitance curve 203 is detected. If the value of step S430 is "Yes”, the flow proceeds to step S440. When the value of step S430 is “No”, the process may proceed to step S450.
  • step S440 the control unit 120 executes the first protection operation.
  • the termination voltage is reduced or the reference current is reduced.
  • the controller 120 may transmit a first charging current reduction command indicating the reduced reference current to the charging circuit 120 .
  • the charging circuit 120 may decrease the level of the reference current in response to the first charging current decrease command.
  • step S450 the controller 120 determines whether the voltage of the battery B has reached the upper limit voltage V U of the reference voltage range ⁇ V. When the value of step S450 is “Yes”, the process may proceed to step S460. When the value of step S450 is “No”, it means that the polarization is severe enough to be irrepressible or that a failure has occurred in the battery management system 100 . When the value of step S450 is “No”, the method of FIG. 4 may be terminated.
  • step S460 the control unit 120 stops the constant current charging. That is, the control unit 120 transmits a charging stop command to the charging circuit 20 .
  • the charging circuit 20 may cut off the supply of the reference current in response to the charging stop command. Alternatively or additionally, the controller 120 may turn off the switch SW.
  • step S500 the control unit 120, based on the voltage signal from the voltage sensor 111 and the current signal from the current sensor 112, the voltage history and current history of the battery (B) record
  • step S510 the control unit 120 determines a differential capacity curve 203 indicating a correspondence relationship between the voltage and the differential capacity of the battery B based on the voltage history and the current history.
  • step S520 the control unit 120 determines whether the additional feature point P A of the differential capacitance curve 203 is detected. If the value of step S520 is YES, the process proceeds to step S530. If the value of step S520 is “No”, the process may proceed to step S540.
  • step S530 the control unit 120 executes a second protection operation.
  • the reference current may be further reduced.
  • the controller 120 may transmit a second charging current reduction command indicating the additionally reduced reference current to the charging circuit 120 .
  • the charging circuit 120 may additionally decrease the level of the reference current in response to the second charging current decrease command.
  • the embodiment of the present invention described above is not implemented only through the apparatus and method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded.
  • the implementation can be easily implemented by those skilled in the art to which the present invention pertains from the description of the above-described embodiments.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리의 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하는 전압 센서; 상기 배터리를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하는 전류 센서; 및 상기 배터리가 정전류 충전되는 중, 소정 시간마다, 상기 전압 신호 및 상기 전류 신호를 기초로, 상기 배터리의 전압 이력 및 전류 이력을 기록하는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 기준 전압 범위 내에서의 상기 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 용량 커브를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 미분 용량 커브로부터 메인 특징점이 검출되는 경우, 상기 메인 특징점의 제1 특징 전압과 기준 전압을 비교하여, 상기 배터리를 위한 제1 보호 동작을 실행한다.

Description

배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량
본 발명은, 배터리를 보호하는 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 07월 20일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2020-0089755호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 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 충전 또는 방전 시, 배터리의 내부적으로 분극 현상이 발생하고, 분극 현상은 배터리의 과전압을 유발한다. 분극 현상은, 배티리가 퇴화됨에 따라 점차 증가하는 여러 가지 저항 성분(예, 옴 저항, 전하 전달 저항, 확산 저항)에 의존한다. 따라서, 충방전 시의 전류 레이트가 높을수록, 배터리의 온도가 낮을수록, 그리고 배터리의 퇴화도가 높을수록, 분극 현상은 심화되고, 결과적으로 배터리에 발생되는 과전압의 크기 또한 증가하는 것으로 알려져 있다. 분극 현상이 크게 유발되는 상태로 배터리를 사용할수록, 배터리가 빠르게 퇴화하는 문제가 있다.
본 발명의 발명자는, 배터리의 충전 시에 일어나는 상 전이 반응이 배터리의 과전압에 양의 상관관계를 가지는 분극 현상에 대해 큰 의존성을 가진다는 사실을 발견하였다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리의 충전 시, 단일의 상 전이 반응이 일어나는 것으로 미리 정해진 전압 범위에 대한 미분 용량 커브를 결정한 다음, 미분 용량 커브에 대한 특징점 검출 결과를 이용하여 분극 현상의 정도를 결정하기 위한 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 미분 용량 커브에 대한 특징점 검출 결과로부터 결정된 분극 현상의 정도를 이용하여 배터리를 위한 차등적인 보호 동작을 실행하는 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량을 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, 배터리의 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 센서; 상기 배터리를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성되는 전류 센서; 및 상기 배터리가 정전류 충전되는 중, 소정 시간마다, 상기 전압 신호 및 상기 전류 신호를 기초로, 상기 배터리의 전압 이력 및 전류 이력을 기록하도록 구성되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 전압 이력 및 상기 전류 이력을 기초로, 기준 전압 범위 내에서의 상기 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 용량 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 미분 용량 커브로부터 메인 특징점이 검출되는 경우, 상기 메인 특징점의 제1 특징 전압과 기준 전압을 비교하여, 상기 배터리를 위한 제1 보호 동작을 실행하도록 구성된다.
상기 제어부는, 상기 배터리가 정전류 충전되는 중, 상기 미분 용량 커브로부터 최초로 검출되는 극대점을 상기 메인 특징점으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 보호 동작은, 상기 제1 특징 전압과 상기 기준 전압의 전압차에 대응하는 보상 전압만큼, 상기 정전류 충전의 종료 전압을 감소시키는 동작을 포함할 수 있다. 상기 종료 전압의 하한은, 상기 기준 전압 범위의 상한 전압으로 제한될 수 있다.
상기 제1 보호 동작은, 상기 제1 특징 전압과 상기 기준 전압의 전압차에 대응하는 제1 보상 전류만큼 상기 정전류 충전의 기준 전류를 감소시키는 동작을 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 특징 전압보다 큰 제2 특징 전압을 가지는 추가 특징점이 상기 미분 용량 커브로부터 검출되는 경우, 상기 배터리를 위한 제2 보호 동작을 실행하도록 구성될 수 있다.
상기 제2 보호 동작은, 상기 제1 보호 동작에 의해 감소된 상기 기준 전류를 추가적으로 감소시키는 동작을 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 미분 용량 커브로부터 특징점이 검출되지 않는 경우, 상기 정전류 충전을 중단하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는,상기 배터리의 최대 용량을 기초로, 상기 기준 전압 범위를 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 관리 방법은, 배터리가 정전류 충전되는 중, 소정 시간마다 실행될 수 있다. 상기 배터리 관리 방법은, 상기 배터리의 전압을 나타내는 전압 신호 및 상기 배터리를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 기초로, 상기 배터리의 전압 이력 및 전류 이력을 기록하는 단계; 상기 전압 이력 및 상기 전류 이력을 기초로, 기준 전압 범위 내에서의 상기 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 용량 커브를 결정하는 단계; 및 상기 미분 용량 커브로부터 메인 특징점이 검출되는 경우, 상기 메인 특징점의 제1 특징 전압과 기준 전압을 비교하여, 상기 배터리를 위한 제1 보호 동작을 실행하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 관리 방법은, 상기 제1 특징 전압보다 큰 제2 특징 전압을 가지는 추가 특징점이 상기 미분 용량 커브로부터 검출되는 경우, 상기 배터리를 위한 위한 제2 보호 동작을 실행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리의 충전 시, 단일의 상 전이 반응이 일어나는 것으로 미리 정해진 전압 범위에 대한 미분 용량 커브를 결정한 다음, 미분 용량 커브에 대한 특징점 검출 결과를 이용하여 분극 현상의 정도를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 미분 용량 커브에 대한 특징점 검출 결과로부터 결정된 분극 현상의 정도를 이용하여, 배터리를 위한 차등적인 보호 동작을 실행한다. 이에 따라, 배터리의 퇴화를 늦추고 안전하게 사용할 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 예시적인 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 기준 전압 범위를 포함하는 전압 구간에 대한 예시적인 미분 용량 커브를 보여주는 그래프이다.
도 3은 배터리의 최대 용량과 기준 전압 범위 간의 예시적인 대응 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 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 <제어부>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 예시적인 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1를 참조하면, 배터리 팩(10)은, 전기 차량(1)과 같은 전력 장치에 탑재 가능하도록 제공된다. 배터리 팩(10)은, 배터리(B), 스위치(SW), 충전 회로(20) 및 배터리 관리 시스템(100)를 포함한다.
배터리(B)의 양극 단자 및 음극 단자는 배터리 관리 시스템(100)에 전기적으로 연결된다. 배터리(B)는, 리튬 이온 배터리로서, 양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는, 양극과 음극 사이에 배치되어, 양극과 음극을 절연한다. 양극 활물질로는, 예컨대 LiNi8/10Co1/10Mn1/10O2 등의 리튬 금속 복합 산화물이 이용될 수 있다. 음극 활물질로는, 예컨대 탄소계 재료(예, 흑연)가 이용될 수 있다.
배터리(B)의 분극 현상이 일정 수준 미만인 경우, 기준 전압 범위(예, 3.6~3.8 V)에서, 양극 활물질 또는 음극 활물질의 단일의 상 전이 반응이 나타난다. 상 전이 반응이 일어나는 전압을 기준으로 배터리(B)의 용량이 크게 변화한다. 따라서, 기준 전압 범위에 대한 미분 용량 커브를 획득한 다음, 미분 용량 커브에 대한 특징점 검출 결과를 기초로 분극 현상의 정도를 확인할 수 있다. 분극 현상은 단순히 '분극'이라고 칭할 수 있고, 분극 현상의 정도는 '분극도'라고 칭할 수 있다. 미분 용량 커브의 각 특징점은, 상 전이 반응이 일어나는 전압을 나타내는 정보로서 활용될 수 있다.
스위치(SW)는, 배터리(B)의 충방전을 위해 배터리(B)에 직렬 연결된 전류 경로에 설치된다. 스위치(SW)가 턴 온되어 있는 동안, 배터리(B)의 충방전이 가능하다. 스위치(SW)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 릴레이이거나 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다. 스위치(SW)가 턴 오프되어 있는 동안, 배터리(B)의 충방전은 중단된다. 스위치(SW)는, 제1 스위칭 신호(예, 하이 레벨 전압)에 응답하여, 턴 온될 수 있다. 스위치(SW)는, 제2 스위칭 신호(예, 로우 레벨 전압)에 응답하여, 턴 오프될 수 있다.
충전 회로(20)는, 배터리(B)의 충방전을 위한 전류 경로에 전기적으로 연결된다. 충전 회로(20)는, 외부 장치(예, 상용전원)로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된다. 충전 회로(20)는, 배터리 관리 시스템(100)으로부터의 명령에 따라, 정전류 충전을 위한 전류 레이트('C-rate'이라고 칭할 수도 있음)를 조절하는 정전류 회로를 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)는, 과도한 분극으로부터 배터리(B)를 보호하도록 제공된다. 배터리 관리 시스템(100)는, 센싱부(110), 제어부(120) 및 메모리부(130)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)는, 인터페이스부(140)를 더 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템(100)는, 스위치 드라이버(150)를 더 포함할 수 있다.
센싱부(110)는, 전압 센서(111) 및 전류 센서(112)를 포함한다. 전압 센서(111)는, 배터리(B)에 병렬 연결되어, 배터리(B)의 양단에 걸친 전압을 검출하고, 검출된 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다. 전류 센서(112)는, 전류 경로를 통해 배터리(B)에 직렬로 연결된다. 전류 센서(112)는, 배터리(B)를 통해 흐르는 전류를 검출하고, 검출된 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성된다. 제어부(130)는, 동기의 전압 신호와 전류 신호를 포함하는 센싱 정보를 센싱부(110)로부터 수집할 수 있다.
제어부(120)는, 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.
제어부(120)는, 충전 회로(20) 및 센싱부(110)에 동작 가능하게 결합된다. 두 구성이 동작 가능하게 결합된다는 것은, 단방향 또는 양방향으로 신호를 송수신 가능하도록 두 구성이 직간접적으로 연결되어 있음을 의미한다. 제어부(120)는, 배터리(B)를 보호하기 위한 후술할 동작을 실행하도록 구성된다.
제어부(120)는, 배터리(B)의 전압이 기준 전압 범위의 하한 전압 미만인 경우, 충전 디바이스(20)에게 충전 개시 명령을 전송할 수 있다. 충전 개시 명령은, 기준 전류의 전류 레이트를 나타내는 정보를 포함한다. 충전 디바이스(20)는, 충전 개시 명령에 응답하여, 기준 전류로 배터리(B)를 정전류 충전한다.
제어부(120)는, 배터리(B)의 정전류 충전 중, 소정 시간마다, 센싱 정보에 포함된 전압 신호와 전류 신호를 기초로, 소정 시간마다의 배터리(B)의 전압, 전류, 용량 및 충전 상태(SOC: State-Of-Charge)를 결정하도록 구성된다. SOC는, 공지된 다양한 알고리즘들(예, 전류 적산법, 칼만필터) 중 하나 또는 둘 이상의 조합하여 결정될 수 있는바, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
배터리(B)의 용량은, 배터리(B)에 저장되어 있는 전하량을 나타내는 것으로서 '잔존 용량'이라고 칭할 수도 있으며, 소정 시간마다의 배터리(B)의 전류을 적산함으로써 결정될 수 있다. 배터리(B)의 SOC는, 배터리(B)의 최대 용량('완전 충전 용량(full charge capacity)'이라고 칭할 수도 있음)에 대한 배터리(B)의 용량의 비율을 나타내는 것으로서, 통상 0~1 또는 0~100%로 표현된다. 배터리(B)의 최대 용량은, 배터리(B)가 퇴화됨에 따라 점차적으로 감소한다.
정전류 충전 중 소정 시간마다 취득되는 전압, 전류 및 용량 각각에 대응하는 전압 이력, 전류 이력 및 용량 이력은, 제어부(120)에 의해 메모리부(130)에 기록될 수 있다. 용량 이력은, 전류 이력에 기초하는 것이다. 어떤 파라미터의 이력이란, 임의의 기간에 걸친 해당 파라미터의 시계열적 변화를 의미한다.
메모리부(130)는, 제어부(120)에 동작 가능하게 결합된다. 메모리부(130)는, 센싱부(110)에도 동작 가능하게 결합될 수 있다. 메모리부(130)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.
메모리부(130)는, 제어부(120)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리부(130)는, 제어부(120)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다.
인터페이스부(140)는, 제어부(120)와 전기 차량(1)의 상위 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit) 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(120)와 상위 컨트롤러(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 인터페이스부(140)는, 제어부(120) 및/또는 상위 컨트롤러(2)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다.
스위치 드라이버(150)는, 제어부(120) 및 스위치(SW)에 전기적으로 결합된다. 스위치 드라이버(150)는, 제어부(120)로부터의 명령에 응답하여, 제1 스위칭 신호 또는 제2 스위칭 신호를 스위치(SW)에게 선택적으로 출력하도록 구성된다. 제어부(120)는, 배터리(B)의 정전류 충전 중, 스위치(SW)를 턴 온시킬 것을 스위치 드라이버(150)에게 명령할 수 있다.
도 2는 기준 전압 범위를 포함하는 전압 구간에 대한 예시적인 미분 용량 커브를 보여주는 그래프이고, 도 3은 배터리의 최대 용량과 기준 전압 범위 간의 예시적인 대응 관계를 보여주는 그래프이다.
본 발명의 발명자는, 정전류 충전 중에 분극도를 강제적으로 심화시키는 실험을 통해, 다음과 같은 사실을 인지하게 되었다. 첫번째는, 분극도가 증가될수록, 상 전이 반응이 일어나는 전압이 점차 증가(즉, 고전압측으로 쉬프트)한다는 점이다. 두번째는, 분극도를 더욱 증가시킬 경우, 상 전이 반응이 넓은 전압 범위에 걸쳐 완만하게 일어나거나, 상 전이 반응이 서로 분리된 전압 범위로 쪼개지는 점이다.
본 명세서에 있어서, 미분 용량 커브란, 배터리(B)의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계가 기록된 데이터 세트를 지칭할 수 있다. 미분 용량이란, 소정 시간마다의, 배터리(B)의 전압 변화 dV에 대한 배터리(B)의 용량 변화 dQ의 비율 dQ/dV을 지칭한다.
도 2에서, VL 및 VU은 각각 기준 전압 범위(ΔV)의 하한 전압과 상한 전압을 나타내고, VE은 정전류 충전의 종료 전압을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 제1 커브(201)는 분극이 완전히 제거된 배터리(B)의 미분 용량 커브를 예시하고, 제2 커브(202)는 배터리(B)의 분극도가 일정 수준 미만인 경우의 미분 용량 커브를 예시하며, 제3 커브(203)는 배터리(B)의 분극도가 일정 수준 이상인 경우의 미분 용량 커브를 예시한다. 커브들(201, 202, 203) 각각에 있어서, 기준 전압 범위(ΔV) 내에서 최초로 나타나는 특징점을 '메인 특징점'라고 칭할 수 있다. 특징점은, 예컨대 극대점, 극소점, 변곡점 및 특정 조건이 만족되는 포인트 중 하나 또는 둘 이상을 통칭하는 용어이다. 도 2에서는, 커브들(201, 202, 203) 각각에서, 기준 전압 범위(ΔV)에서 첫번째로 나타나는 극대점이 메인 특징점인 것으로 예시하였다.
제어부(120)는, 정전류 충전 중, 배터리(B)의 전압이 상한 전압(VU)에 도달하기 전이라도, 소정 시간마다, 미분 용량 커브에 나타나는 특징점을 검출할 수 있다. 대안적으로, 제어부(120)는, 배터리(B)의 전압이 상한 전압(VU)에 도달한 다음, 기준 전압 범위(ΔV)에 대한 미분 용량 커브에 나타나는 모든 특징점을 일괄적으로 검출할 수 있다.
제1 커브(201)를 살펴보면, 기준 전압 범위(ΔV) 내에서 단일의 특징점(P1)이 나타난다. 메모리부(130)에는 제1 커브(201)에 대응하는 데이터 세트가 미리 기록되어 있을 수 있다. 제어부(120)는, 배터리(B)에 발생된 분극도를 결정하기 위한 기준 전압을 특징점(P1)의 특징 전압(V1)과 동일하게 설정할 수 있다.
제2 커브(202)를 살펴보면, 기준 전압 범위(ΔV) 내에서 단일의 특징점(P2)이 나타난다. 특징점(P2)은 특징점(P1)으로부터 고전압측으로 쉬프트된 것을 확인할 수 있다. 즉, 특징점(P2)의 특징 전압(V2)이 특징점(P1)의 특징 전압(V1)보다 높으며, 특징 전압(V2)과 특징 전압(V1) 간의 전압차는, 제2 커브(202)가 취득된 정전류 충전 기간 중에 발생된 분극도에 양의 상관관계를 가질 수 있다.
제어부(120)는, 특징 전압(V2)과 특징 전압(V1) 간의 전압차를 기초로, 제1 보호 동작을 실행할 수 있다. 제어부(120)는, 특징점(P2)이 검출된 시점부터 제1 보호 동작을 실행할 수 있다.
제1 보호 동작은, 전압차에 대응하는 보상 전압만큼, 정전류 충전의 종료 전압을 감소시키는 동작을 포함할 수 있다. 제어부(120)는, 전압차에 소정의 제1 가중치를 곱한 값과 동일하게 보상 전압을 결정할 수 있다. 가령, 전압차 = V2 - V1 = 0.1 [V], 제1 가중치=0.9, VE = 4.0 [V]인 경우, 보상 전압 = 0.09 [V]이고, 감소된 종료 전압 = VE - 0.09 [V] = 3.91 [V] = VE'. 제어부(120)는, 감소된 종료 전압(VE')을 정전류 충전의 종료 전압으로 설정할 수 있다.
제1 보호 동작은, 전압차에 대응하는 보상 전류만큼, 기준 전류를 감소시키는 동작을 포함할 수 있다. 제어부(120)는, 전압차에 소정의 제2 가중치를 곱한 값과 동일하게 보상 전류를 결정할 수 있다. 가령, 전압차 = V2 - V1 = 0.1 [V], 제2 가중치=0.5 [C-rate/V], 기준 전류 = 0.50 [C-rate]인 경우, 보상 전류 = 0.05 [C-rate]이고, 감소된 기준 전류 = 0.50 - 0.05 [C-rate] = 0.45 [C-rate]. 제어부(120)는, 감소된 기준 전류를 정전류 충전의 기준 전류로 설정할 수 있다.
제3 커브(203)를 살펴보면, 기준 전압 범위(ΔV) 내에서 두 특징점(P3 , PA)이 나타난다. 특징점(P3)은 특징점(P2)보다 특징점(P1)으로부터 고전압측으로 쉬프트된 것을 확인할 수 있다. 즉, 특징점(P3)의 특징 전압(V3)이 특징점(P2)의 특징 전압(V2)보다 높으며, 특징 전압(V3)과 특징 전압(V1) 간의 전압차는, 제3 커브(203)가 취득된 정전류 충전 기간 중에 발생된 분극도를 나타낸다.
제어부(120)는, 특징 전압(V3)과 특징 전압(V1) 간의 전압차를 기초로, 제1 보호 동작을 실행할 수 있다. 제1 보호 동작에 대한 설명은, 제2 커브(202)를 기준으로 전술된 바와 공통된다. 즉, 제어부(120)는, 제1 보호 동작으로서 종료 전압의 감소 및/또는 기준 전류의 감소를 실행할 수 있다.
제2 커브(202)가 취득된 후에 제3 커브(203)가 취득되었다고 해보자. 종료 전압의 감소에 있어서, 전압차 = V3 - V1 = 0.12 [V], 제1 가중치=0.9, VE' = 3.91 [V]인 경우, 보상 전압 = 0.108 [V]이고, 감소된 종료 전압 = VE' - 0.108 [V] = 3.802 [V] = VE". 제어부(120)는, 감소된 종료 전압(VE")을 정전류 충전의 종료 전압으로 설정할 수 있다. 종료 전압의 하한은, 상한 전압(VU)으로 제한될 수 있다. 기준 전류의 감소에 있어서, 전압차 = V3 - V1 = 0.12 [V], 제2 가중치 = 0.5 [C-rate/V], 기준 전류 = 0.45 [C-rate]인 경우, 보상 전류 = 0.06 [C-rate]이고, 감소된 기준 전류 = 0.45 - 0.06 [C-rate] = 0.39 [C-rate]. 제어부(120)는, 감소된 기준 전류를 정전류 충전의 기준 전류로 설정할 수 있다.
제어부(120)는, 특징점(P3)이 검출된 다음, 소정 시간마다, 특징 전압(V3)과 상한 전압(VU) 사이에 추가 특징점이 나타나는지를 모니터링할 수 있다. 제어부(120)는, 제3 커브(203)의 기울기가 소정의 임계값 이상이 되는 지점 또는 제3 커브(203)의 극소점을 추가 특징점으로 검출할 수 있다.
도 2에서는, 특징 전압(V3)과 상한 전압(VU) 사이에서 최초로 나타나는 극소점(PA)이 추가 특징점으로서 검출된 것을 예시하였다. 추가 특징점(PA)은, 특징 전압(V3)과 상한 전압(VU) 사이의 특징 전압(VA)을 가진다.
제어부(120)는, 추가 특징점(PA)이 검출된 경우, 제2 보호 동작을 실행할 수 있다. 제어부(120)는, 추가 특징점(PA)이 검출된 시점부터 제2 보호 동작을 실행할 수 있다.
제2 보호 동작은, 기준 전류를 추가적으로 감소시키는 동작을 포함할 수 있다. 가령, 기준 전류가 제1 보호 동작에 의해 0.45 [C-rate]로부터 0.39 [C-rate]로 감소된 다음, 추가 특징점(PA)이 검출되었다고 해보자. 이 경우, 제어부(120)는 기준 전류 0.39 [C-rate]에 제3 가중치(예, 0.9)을 곱한 0.351 [C-rate]을 정전류 충전의 기준 전류로 설정할 수 있다.
하한 전압(VL) 및 상한 전압(VU)은 미리 정해진 고정값일 수 있다. 대안적으로, 제어부(120)는, 정전류 충전이 개시되는 경우, 배터리(B)의 최대 용량(QMAX)을 기초로, 기준 전압 범위(ΔV)의 하한 전압(VL) 및 상한 전압(VU)을 결정할 수 있다. 최대 용량(QMAX)은 공지된 다양한 알고리즘들 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 결정될 수 있는바, 구체적인 설명은 생략하겠다.
배터리(B)의 퇴화도와 상 전이 반응 간의 관계는, 분극과 상 전이 반응 간의 관계와 유사하다. 따라서, 미분 전압 커브로부터 배터리(B)에 발생된 분극를 보다 정확하게 파악하기 위해서는, 배터리(B)의 퇴화도에 대응하는 최대 용량을 기초로 기준 전압 범위(ΔV)를 결정하는 것이 유리할 수 있다. 도 3을 참조하면, 커브(301)는 최대 용량과 하한 전압 간의 관계를 나타내고, 커브(302)는 최대 용량과 상한 전압 간의 관계를 나타낸다. 도 3의 두 커브(301, 302)는, 배터리(B)와 동일한 전기화학적 성능을 가지도록 제조된 배터리들에 대해 실시된 실험의 결과를 토대로 미리 마련될 수 있다. 메모리부(130)에는 두 커브(301, 302)에 대응하는 데이터 세트(예, 룩업 테이블)가 미리 기록되어 있을 수 있다. 예를 들어, 배터리(B)의 최대 용량이 QMAX인 경우, 제어부(120)는 QMAX에 연관된 VX 및 VY를 각각 한 전압(VL) 및 상한 전압(VU)으로 설정할 수 있다.
도 4은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 설명의 편의를 위해, 제3 커브(203)를 기준으로 도 4 및 도 5의 방법을 설명하겠다. 도 4의 방법은, 배터리(B)가 정전류 충전되는 중, 미분 용량 커브(203)의 메인 특징점(P3)이 검출되거나 배터리(B)의 전압이 상한 전압(VU)에 도달할 때까지, 소정 시간마다 반복될 수 있다. 도 5의 방법은, 도 4의 방법에 의해 메인 특징점(P3)이 검출된 것을 조건으로, 미분 용량 커브(203)의 추가 특징점(PA)이 검출되거나 배터리(B)의 전압이 상한 전압(VU)에 도달할 때까지, 소정 시간마다 반복될 수 있다.
도 1 내지 도 4을 참조하면, 단계 S400에서, 제어부(120)는, 전압 센서(111)로부터의 전압 신호 및 전류 센서(112)로부터의 전류 신호를 기초로, 배터리(B)의 전압 이력 및 전류 이력을 기록한다. 즉, 전압 이력 및 전류 이력은 소정 시간마다 갱신된다.
단계 S410에서, 제어부(120)는, 배터리(B)의 전압이 기준 전압 범위(ΔV)의 하한 전압(VL)에 도달하였는지 여부를 판정한다. 단계 S410의 값이 "예"인 경우, 단계 S420으로 진행된다. 단계 S410의 값이 "아니오"인 경우, 도 4의 방법은 종료될 수 있다.
단계 S420에서, 제어부(120)는, 전압 이력 및 전류 이력을 기초로, 배터리(B)의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 용량 커브(203)를 결정한다. 즉, 단계 S420가 실행될 때마다, 소정 시간 동안 새롭게 추가된 전압 정보 및 용량 정보에 의해, 미분 용량 커브(203)가 갱신될 수 있다.
단계 S430에서, 제어부(120)는, 미분 용량 커브(203)의 메인 특징점(P3)이 검출되었는지 여부를 판정한다. 단계 S430의 값이 "예"인 경우, 단계 S440으로 진행된다. 단계 S430의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S450으로 진행될 수 있다.
단계 S440에서, 제어부(120)는, 제1 보호 동작을 실행한다. 제1 보호 동작에 의해, 종료 전압이 감소되거나 기준 전류가 감소된다. 제어부(120)는, 감소된 기준 전류를 나타내는 제1 충전 전류 감소 명령을 충전 회로(120)에 전송할 수 있다. 충전 회로(120)는, 제1 충전 전류 감소 명령에 응답하여, 기준 전류의 크기를 감소시킬 수 있다.
단계 S450에서, 제어부(120)는, 배터리(B)의 전압이 기준 전압 범위(ΔV)의 상한 전압(VU)에 도달하였는지 여부를 판정한다. 단계 S450의 값이 "예"인 경우, 단계 S460로 진행될 수 있다. 단계 S450의 값이 "아니오"인 것은, 분극이 억제 불가한 정도로 심각하거나 배터리 관리 시스템(100) 내에 고장이 발생한 것을 의미한다. 단계 S450의 값이 "아니오"인 경우, 도 4의 방법은 종료될 수 있다.
단계 S460에서, 제어부(120)는, 정전류 충전을 중단한다. 즉, 제어부(120)는, 충전 회로(20)에게 충전 중단 명령을 전송한다. 충전 회로(20)는, 충전 중단 명령에 응답하여, 기준 전류의 공급을 차단할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어부(120)는, 스위치(SW)를 턴 오프시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 단계 S500에서, 제어부(120)는, 전압 센서(111)로부터의 전압 신호 및 전류 센서(112)로부터의 전류 신호를 기초로, 배터리(B)의 전압 이력 및 전류 이력을 기록한다.
단계 S510에서, 제어부(120)는, 전압 이력 및 전류 이력을 기초로, 배터리(B)의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 용량 커브(203)를 결정한다.
단계 S520에서, 제어부(120)는, 미분 용량 커브(203)의 추가 특징점(PA)이 검출되었는지 여부를 판정한다. 단계 S520의 값이 "예"인 경우, 단계 S530으로 진행된다. 단계 S520의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S540으로 진행될 수 있다.
단계 S530에서, 제어부(120)는, 제2 보호 동작을 실행한다. 제2 보호 동작에 의해, 기준 전류가 추가적으로 감소될 수 있다. 제어부(120)는, 추가적으로 감소된 기준 전류를 나타내는 제2 충전 전류 감소 명령을 충전 회로(120)에 전송할 수 있다. 충전 회로(120)는, 제2 충전 전류 감소 명령에 응답하여, 기준 전류의 크기를 추가적으로 감소시킬 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.

Claims (12)

  1. 배터리의 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 센서;
    상기 배터리를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성되는 전류 센서; 및
    상기 배터리가 정전류 충전되는 중, 소정 시간마다, 상기 전압 신호 및 상기 전류 신호를 기초로, 상기 배터리의 전압 이력 및 전류 이력을 기록하도록 구성되는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 전압 이력 및 상기 전류 이력을 기초로, 기준 전압 범위 내에서의 상기 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 용량 커브를 결정하고,
    상기 미분 용량 커브로부터 메인 특징점이 검출되는 경우, 상기 메인 특징점의 제1 특징 전압과 기준 전압을 비교하여, 상기 배터리를 위한 제1 보호 동작을 실행하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 정전류 충전되는 중, 상기 미분 용량 커브로부터 최초로 검출되는 극대점을 상기 메인 특징점으로 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보호 동작은, 상기 제1 특징 전압과 상기 기준 전압의 전압차에 대응하는 보상 전압만큼, 상기 정전류 충전의 종료 전압을 감소시키는 동작을 포함하되,
    상기 종료 전압의 하한은, 상기 기준 전압 범위의 상한 전압으로 제한되는 배터리 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보호 동작은, 상기 제1 특징 전압과 상기 기준 전압의 전압차에 대응하는 제1 보상 전류만큼 상기 정전류 충전의 기준 전류를 감소시키는 동작을 포함하는 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 특징 전압보다 큰 제2 특징 전압을 가지는 추가 특징점이 상기 미분 용량 커브로부터 검출되는 경우, 상기 배터리를 위한 제2 보호 동작을 실행하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 보호 동작은, 상기 제1 보호 동작에 의해 감소된 상기 기준 전류를 추가적으로 감소시키는 동작을 포함하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미분 용량 커브로부터 특징점이 검출되지 않는 경우, 상기 정전류 충전을 중단하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 최대 용량을 기초로, 상기 기준 전압 범위를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  11. 배터리가 정전류 충전되는 중, 소정 시간마다 실행되는 배터리 관리 방법에 있어서,
    상기 배터리의 전압을 나타내는 전압 신호 및 상기 배터리를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 기초로, 상기 배터리의 전압 이력 및 전류 이력을 기록하는 단계;
    상기 전압 이력 및 상기 전류 이력을 기초로, 기준 전압 범위 내에서의 상기 배터리의 전압과 미분 용량 간의 대응 관계를 나타내는 미분 용량 커브를 결정하는 단계; 및
    상기 미분 용량 커브로부터 메인 특징점이 검출되는 경우, 상기 메인 특징점의 제1 특징 전압과 기준 전압을 비교하여, 상기 배터리를 위한 제1 보호 동작을 실행하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 특징 전압보다 큰 제2 특징 전압을 가지는 추가 특징점이 상기 미분 용량 커브로부터 검출되는 경우, 상기 배터리를 위한 제2 보호 동작을 실행하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
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