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KR102071685B1 - 충전 상태 사용 범위가 가변적인 복수 개의 셀들을 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 방법 - Google Patents

충전 상태 사용 범위가 가변적인 복수 개의 셀들을 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 방법 Download PDF

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KR102071685B1
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마크 루체아
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르노 에스.아.에스.
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Abstract

본 발명은 직렬로 연결된 복수 개의 전기 화학 셀들(C1,...CN)을 포함하는 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 평가하는 방법에 관한 것이다. 각각의 셀(C1,...CN)은 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)을 포함하는, 충전 상태 사용 범위 내의 충전 상태(state of charge; SOC)를 갖는다. 상기 방법은 최소 충전 상태(SOCmin) 및 최대 충전 상태(SOCmax)에 기반하여 그리고 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)에 기반하여 배터리 팩의 충전 상태(SOCpack)를 평가하는 것을 포함하는 단계를 포함한다. 각각의 전기 화학 셀의 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)은 온도 및/또는 전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량에 기반하여 조정된다.

Description

충전 상태 사용 범위가 가변적인 복수 개의 셀들을 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 방법{Method for assessing a state of charge of a battery comprising a plurality of cells having a variable range of use of state of charge}
본 발명은 직렬로 연결된 복수 개의 전기 화학 셀들을 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 배터리 타입과 관계없이 적용될 수 있으며 차량에 이르기까지 확장되지만 이에 국한되지는 않는다. 특히, 본 발명은 자동차 및 컴퓨팅 분야와 같은 산업 분야에 특히 적용될 수 있지만, 본 발명은 온-보드(on-board)이든 온-보드가 아니든 임의의 시스템에 적용 가능한 것이다.
비-제한적인 전기 및 하이브리드 차량에서는, 차량 구동용 배터리 관리 시스템들의 주요 과제들 중 하나가 충전 상태(state of charge; SOC)라고도 언급되는 배터리의 충전 상태를 평가하는 것이다. 이러한 정보는 "배터리 게이지(battery gauge)"의 형태로 계기판 상에 디스플레이되고 운전자가 수 킬로미터의 남은 자율 주행을 알 수 있게 한다. 전기 차량의 자율 주행이 내연 기관 동력 차량의 자율 주행보다 더 짧기 때문에, 가능한 한 가장 신뢰성 있는 정보를 운전자에게 제공함으로써 운전자를 안심시키는 것이 중요하다. 상기 배터리 게이지의 평가 오류들은 실제로 운전자가 곤란한 상황(비어 있는 연료 탱크), 또는 심지어는 위험한 상황(추월시 전력 손실)에 운전자가 처하는 결과를 초래할 수 있다.
요즘, 직렬로 연결된 N 개의 전기 화학 셀들(Ci)(이 경우에, i가 1과 N 사이의 정수임)을 포함하는 배터리의 충전 상태(SOCpack)는 종래 방식에 따라 전체적으로 고려된 배터리에 관련된 측정값들에 기반하여 평가된다. 따라서, 제1 장비는 직렬로 연결된 전기 화학 셀들 전체의 단자들에 걸리는, 배터리에 의해 공급된 총 전압(UBAT)을 측정하고, 전류 및 온도 센서들은 각각 배터리를 통해 흐르는 전류(IBAT) 및 배터리의 온도(TBAT)를 측정한다. 이러한 3가지 측정값에 기반하여, 소프트웨어 유닛은 암페아-시 계산 방법, 또는 칼만 필터링(Kalman filtering) 타입 모델링과 같은 종래의 방법을 사용하여 충전 상태(SOCpack)를 계산한다. 따라서, 전체 측정값들에 기반한 이러한 타입의 평가는 대략 전기 화학 셀들의 충전 상태의 평균값에 상응한다.
배터리를 형성하는 전기 화학 셀들은, 이러한 전기 화학 셀들의 구성 때문에, 상기 전기 화학 셀들의 용량 분포 및 상기 전기 화학 셀들의 내부 저항 분포 면에서 서로 다른 특성들을 지니고, 그 외에도 배터리를 이루는 상기 전기 화학 셀들의 배치 결과로서 서로 다른 온도 변화들에 직면한다. 따라서, 이러한 셀들은 반드시 서로 다른 충전 상태들을 지니게 되는데, 이는 배터리가 불균형을 이루고 있다고 하는 이유이다. 이 경우에, 배터리의 사용 범위는 최고한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀에 의해 그리고 최저한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀에 의해 설정된다. 이 경우에, 전체 측정값들에 기반하여 이루어진 평가는 잘못된 것이다.
부가적인 예상 평가 기기들은 전기 화학 셀들의 불균형을 고려해 각각의 전기 화학 셀의 충전 상태를 개별적으로 평가하여 이로부터 배터리의 충전 상태 값을 추정할 것을 권고한다. 이러한 타입의 기기는 배터리를 형성하는 각각의 전기 화학 셀(Ci)의 단자에 걸린 전압들(U1 내지 UN)을 동시에 측정하는 제1 장비, 배터리의 N 개의 전기 화학 셀들을 통해 흐르는 전류(IBAT)를 각각 측정하는 전류 센서, 및 배터리를 형성하는 각각의 전기 화학 셀(Ci)의 온도(Ti)를 제공하는 온도 센서들을 포함하는 것이 이상적이다. 각각의 측정값(Ui, Ti, IBAT)에 기반하여, N 개의 소프트웨어 유닛들은 암페어-시 계산 방법, 또는 칼만 필터링 타입 모델링과 같은 종래의 방법을 사용함으로써 각각의 전기 화학 셀(Ci)의 충전 상태(SOCi)의 평가를 계산한다. 그리고 나서, 배터리의 충전 상태(SOCpack)가 상기 소프트웨어 유닛들에 의해 공급된 N 개의 충전 상태(SOCi)에 기반하여 계산 모듈에 의해 평가된다. 이러한 기기들은 어느 정도 상대적으로 정확하지만, 소프트웨어 면에서 상대적으로 값이 비싸며 상대적으로 복잡하다. 상기 기기들은 각각의 전기 화학 셀의 거동을 기술(description)하기 위해 진보된 모델들(특히 칼만 필터링) 및 배터리를 형성하는 전기 화학 셀들 각각의 단자들에서의 전압 측정값들을 필요로 한다. 전기 차량용으로 사용되는 전기 화학 셀들과 같은 고-전압 배터리 경우에, 다수의 기본 전기 화학 셀(최신형 배터리들에서는 96개의 바이-셀(bi-cell))이 상기 기기의 비용을 증가하게 한다.
마지막으로, 이러한 분야에서, 최고한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOCmax)에 관련되고 최저한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOCmin)에 관련된 평가들에 기반하여, 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 재구성하는 것이 가능한, 배터리 충전 상태의 평가 방법이 공지되어 있는데, 여기서 상기 최소 충전 상태(SOCmin)가 0으로 향하게 될 경우에 상기 충전 상태(SOCpack)가 0으로 향하게 되고, 상기 최대 충전 상태(SOCmax)가 1로 향하게 될 경우에 상기 충전 상태(SOCpack)가 1로 향하게 된다. 이러한 타입의 방법은 본원 출원인 명의의 FR2990516에 개시되어 있다. 여기서 유념했던 점은 일정한 값으로, 특히 전기 화학 셀들의 에이징(aging) 상태와 관계없이 일정한 값으로 배터리에 저장된 최대 에너지량을 보유하는 것을 불가능하게 하는, 고정된 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)을 상기 방법이 사용하기 때문에 상기 방법이 최적으로 이루어지지 않았다는 점이다. 사용자에게는, 저장된 최대 에너지량의 가변성(variability)이 비어 있는 연료 탱크 또는 추월시 전력 손실과 같은 곤란한 상황을 초래시킬 수 있기 때문에 저장된 최대 에너지량의 가변성이 불이익하다.
이러한 맥락에서 보면, 본 발명의 목적은 낮은 비용으로 전기 화학 셀들의 불균형을 감안하여 배터리의 충전 상태를 정확하게 평가하는 방법을 제안함으로써 선행 기술의 단점들을 극복하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 남은 차량 자율 주행이 사용자의 여정을 완료하기에 충분한지를 사용자가 평가하지 못하는 곤란한 상황에 사용자가 처해 있지 않도록 저장되어 있는 최대 에너지량이 대체로 일정하게 유지하게 되는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명이 타깃으로 하는 또 다른 목적은 전기 화학 셀의 건강 상태, 특히 전기 화학 셀의 에이징(aging) 상태를 고려하여 각각의 전기 화학 셀의 충전 상태 사용 범위를 조정하는 것이다. 마지막으로, 본 발명은 배터리 또는 전기 화학 셀들의 충전 상태의 평가들에 기반하여 배터리의 충전 상태를 평가하는 방법을 제안하여 상기 방법을 수행하는데 필요한 프로세서들의 개수를 제한하는 것을 그 목적으로 한다.
제안된 문제 해결 수법은 직렬로 연결된 복수 개의 전기 화학 셀들을 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 방법으로서, 상기 복수 개의 전기 화학 셀들 각각이 최소 허용 충전 상태 값 및 최대 허용 충전 상태 값 사이에서 충전 상태가 유지하게 되는, 배터리 충전 상태의 평가 방법이,
- 소정 시점에서 상기 복수 개의 전기 화학 셀들의 단자들에 걸린 전압들로부터 최소 전기 화학 셀 전압 및 최대 전기 화학 셀 전압을 결정하는 단계;
- 상기 최소 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태를 계산하는 단계로서, 상기 배터리의 충전 상태가 상기 최소 충전 상태 및 상기 최대 충전 상태 사이에서 유지하게 되는, 단계;
- 전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량에 의존하여 그리고/또는 상기 배터리의 온도에 의존하여 각각의 전기 화학 셀의 상기 최소 허용 충전 상태 값 및 상기 최대 허용 충전 상태 값을 조정하는 단계;
를 포함하게 하는 것이다.
이러한 문제 해결 수법은 위에서 언급한 문제들을 극복하는 것을 가능하게 한다.
더 정확하게 말하면, 전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 물리량에 의존하여 각각의 전기 화학 셀의 상기 최소 허용 충전 상태 값 및 상기 최대 허용 충전 상태 값을 조정하게 하는 것은 각각의 전기 화학 셀의 건강 상태를 고려하여 전기 화학 셀들을 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 것이 불확실한 상황들을 최소화하는 충전 상태 사용 범위를 분별 있게 선택하는 것을 가능하게 한다. 이러한 수법은 전기 차량 또는 하이브리드 차량에서 종래 방식으로 사용되는 남은 배터리 자율 주행을 보다 신뢰성 있게 평가하는 것을 가능하게 한다. 전기 화학 셀들의 충전 상태 사용 범위가 전기 화학 셀들의 개별 건강 상태들에 의존하게 하는 것은 실질적으로 일정한 최대 배터리 저장 에너지량을 보존하는 것을 가능하게 한다. 그 외에도, 이러한 방법은 각각의 전기 화학 셀의 건강 상태와 더불어 최소 장비의 사용에 의존하여 상기 배터리의 최소 및 최대 충전 상태들을 조정하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 전기 화학 셀들과 직렬로 배치된 전류 센서, 상기 배터리의 온도 측정 센서, 단지 상기 최소 전기 화학 셀 전압 및 최대 전기 화학 셀 전압만을 측정할 수 있는 전자 구성요소, 및 상기 전류 센서에 의해 이루어진 전류 측정값, 상기 온도 센서에 의해 이루어진 온도 측정값, 및 상기 최소 전기 화학 셀 전압 측정값 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압 측정값을 수집하는 상기 배터리의 충전 상태를 관리하는 시스템은 몇몇 컴퓨팅 자원들을 통해 이러한 결과에 이르는 것을 가능하게 한다.
한 실시 예에서는, 상기 배터리 충전 상태의 평가 방법이,
- 상기 최소 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태가 상기 전기 화학 셀의 최소 허용 충전 상태 값보다 절대적으로 작을 경우에 상기 배터리의 충전 상태를 상기 최소 충전 상태 값으로 조정하는 단계; 및/또는
- 상기 최대 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태가 상기 전기 화학 셀의 최대 허용 충전 상태 값보다 절대적으로 클 경우에 상기 배터리의 충전 상태를 상기 최대 충전 상태 값으로 조정하는 단계;
중의 적어도 하나를 포함한다.
다른 한 실시 예에서는, 상기 최대 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태가 상기 전기 화학 셀의 최대 허용 충전 상태 값보다 작거나 같고 상기 최소 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태가 상기 전기 화학 셀의 최소 허용 충전 상태 값보다 크거나 같을 경우에, 상기 배터리 충전 상태의 평가 방법은,
이하의 식
Figure 112016086519538-pct00001
를 사용하여 소정 시점(k)에서 상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 평가하는 것을 포함하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 한 실시 예에서는, 상기 최대 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태가 상기 전기 화학 셀의 최대 허용 충전 상태 값보다 절대적으로 크고 상기 최소 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태가 상기 전기 화학 셀의 최소 허용 충전 상태 값보다 절대적으로 작을 경우에, 상기 배터리 충전 상태의 평가 방법은, 상기 배터리의 충전 상태에 "사용 불능(unavailable)" 값을 부여하는 것을 포함하는 단계;를 포함한다.
한 실시 예에서는, 전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량이 전기 화학 셀의 단자들에서 측정된 전압 및/또는 전기 화학 셀을 통해 흐르는 전류 및/또는 전기 화학 셀에 연관된 온도이다.
한 실시 예에서는, 상기 최소 및 최대 허용 충전 상태 값 및 전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량 간의 대응이 테이블 값으로 사전에 결정되는 것이 선호된다.
한 실시 예에서는,
- 상기 최소 허용 충전 상태 값 및 상기 최대 허용 충전 상태 값 사이에서 정해지는 사용 범위가 전기 화학 셀의 건강 상태 및 전기 화학 셀의 에이징(aging) 진행에 의존하여 넓어지게 되며, 그리고/또는
- 상기 사용 범위는 상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 문턱값에 비해 상대적으로 낮은 경우에 제한되게 된다.
본 발명의 제2 대상은 또한 타깃이 되며, 본 발명의 제2 대상에서는, 직렬로 연결된 복수 개의 전기 화학 셀들을 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 시스템으로서, 상기 복수 개의 전기 화학 셀들 각각은 최소 허용 충전 상태 값 및 최대 허용 충전 상태 값 사이에서 충전 상태가 유지하게 되는, 배터리 충전 상태의 평가 시스템이,
- 상기 배터리의 전류 측정값을 제공할 수 있는 전류 센서;
- 상기 배터리의 온도 측정값을 제공할 수 있는 하나 이상의 온도 센서들;
- 전기 화학 셀들의 단자들에 걸린 전압들로부터 상기 최소 전기 화학 셀 전압 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압을 수집할 수 있는 전자 제어 유닛;
을 포함하며,
상기 전자 제어 유닛이,
상기 배터리의 최소 전기 화학 셀 전압, 전류 측정값, 및 온도 측정값을 사용하여 전기 화학 셀의 최소 충전 상태를 평가할 수 있는 제2 평가 모듈;
상기 배터리의 최대 전기 화학 셀 전압, 전류 측정값, 및 온도 측정값을 사용하여 전기 화학 셀의 최대 충전 상태를 평가할 수 있는 제3 평가 모듈;
상기 최소 충전 상태 및 상기 최대 충전 상태에 기반하여, 그리고 제4 모듈에 의해 결정되는 최소 허용 충전 상태 값 및 최대 허용 충전 상태 값에 의존하여 상기 충전 상태를 결정할 수 있는 제5 평가 모듈;
을 포함하고,
상기 제4 모듈은 전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량에 의존하여 그리고/또는 상기 배터리의 온도에 의존하여 각각의 전기 화학 셀의 상기 최소 허용 충전 상태 값 및 상기 최대 허용 충전 상태 값을 조정할 수 있다.
한 실시 예에서는 상기 배터리 충전 상태의 평가 시스템이, 단지 상기 최소 전기 화학 셀 전압 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압만을 상기 전자 제어 유닛에 직접 공급할 수 있는 제1 모듈;을 포함한다.
제3 대상에 의하면, 위에서 언급한 실시 예들 중 어느 하나에 따른 평가 시스템을 포함하는 차량은 또한 타깃이 된다.
도 1은 배터리가 시동 상태에 있는 제1 상황, 배터리가 완전히 충전된 제2 상황, 및 배터리가 완전히 방전된 제3 상황이 존재하는 이전의 기술에 따른 배터리 충전 상태의 평가 방법을 보여주는 도면으로서, 화재 또는 조기 성능저하(premature degradation)의 위험을 회피하도록 소정의 전압 및 충전 상태 범위 내에 남아 있어야 하는, 전기 화학 셀들에 특정된 사용 제약들 때문에 배터리의 충전 상태 사용 범위가 최고한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀에 의해 또는 최저한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀에 의해 설정되는 것이 도시되어 있는 도면이다. 도시된 상기 상황들 각각에 대해, 실제의 사용 범위는 96%이다.
도 2는 이전의 평가 방법에 따른, 0% 및 100% 사이의 전기 화학 셀들의 충전 상태 사용 범위에 대해, 배터리의 방전 위상 동안, 시간의 함수로서, 최소 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOC_min), 최대 전기 화학 셀 전압을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOC_max), 및 상기 최소 충전 상태 및 상기 최대 충전 상태 사이에 포함된 배터리의 충전 상태(SOC_pack)의 진행을 보여주는 그래프를 도시한 도면이다.
도 3은 이전의 방법에 따른 20% 및 80% 사이의 전기 화학 셀들의 충전 상태 사용 범위에 대한 도 2의 그래프와 유사한 그래프를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법에 대한 20% 및 80% 사이의 전기 화학 셀들의 동일한 충전 상태 사용 범위에 대한 도 2의 그래프와 유사한 그래프를 도시한 도면이다. 도 2의 원들은 배터리가 20% 또는 80% 충전 상태를 지닐 경우에 배터리의 충전 상태 및 전기 화학 셀들의 최소 및 최대 충전 상태 간의 대응을 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 방법에 대한 30% 및 70% 간의 전기 화학 셀들의 충전 상태 사용 범위에 대한 도 4의 그래프와 유사한 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 수단을 포함하는 시스템을 보여주는 기본적인 도면이다.
이하에서는, 직렬로 연결된 N 개의 전기 화학 셀들(C1 내지 CN)을 포함하는 배터리를 고려하기로 한다. 작동시, 동일한 전류(IBAT)가 결과적으로 상기 N 개의 전기 화학 셀들을 통해 흐르고, 상기 배터리의 단자들에 걸리는 전압(UBAT)은 상기 N 개의 전기 화학 셀들의 단자들에 걸리는 N 개의 전압(U1 내지 UN)의 합에 항상 상응하게 된다.
본 발명에 의하면, 상기 배터리의 충전 상태의 평가는 소정 시점에서의 상기 N 개의 전기 화학 셀 전압들의 2개의 특정 값에 기반하여 획득되고, 상기 2개의 특정 값 중 하나는 최소 전기 화학 셀 전압으로 언급되는 전기 화학 셀 전압들 모두에 걸친 최소 값에 상응하며, 상기 2개의 특정 값 중 나머지 하나는 최대 전기 화학 셀 전압으로 언급되는 전기 화학 셀 전압들 모두에 걸친 최대 값에 상응하고, 이러한 2개의 값은 각각 UCmin 및 UCmax로 나타나 있다. 전기 화학 셀들(C1 내지 CN) 각각은 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)을 포함하는 충전 상태 사용 범위 내의 충전 상태(state of charge; SOC)를 지니고, 이러한 사용 범위에서의 전기 화학 셀들의 작동은 전기 화학 셀들을 잠재적인 성능 저하로부터 보호하는 것을 가능하게 한다.
실제로는 상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)가 직접적으로나 또는 간접적으로 의존하는 물리량을 정의하는 것이 가능하며, 이러한 물리량은 가중 요소들을 포함하는 식에 따라 최소 충전 상태(SOCmin) 및 최대 충전 상태(SOCmax)에 자체 분석적으로나 직접적으로 또는 간접적으로 의존하고, 상기 가중 요소들은 관련 전기 화학 셀의 충전 상태가 증가할 때 최대 충전 상태(SOCmax)에 연관된 가중치가 증가하며 관련 전기 화학 셀의 충전 상태가 감소할 때 최소 충전 상태(SOCmin)에 연관된 가중치가 증가하는 것을 보장한다. 따라서, 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin) 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)은 먼저 전기 화학 셀들의 단자들에 걸린 전압들로부터 소정 시점에서 결정된다. 그리고 나서, 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin)을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOCmin) 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOCmax)가 계산되고, 상기 최소 충전 상태(SOCmin) 및 상기 최대 충전 상태(SOCmax) 사이에서는 상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)가 유지하게 된다.
본 발명은 최대 충전 상태(SOCmax)가 관련 전기 화학 셀의 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)에 상응하는 사전에 결정된 최대 사용 문턱값 부근에 있는 경우에 최대 충전 상태(SOCmax)에 연관된 가중치가 최대이며, 최소 충전 상태(SOCmin)가 관련 전기 화학 셀의 최소 허용 충전 값(BSOCmin)에 상응하는 사전에 결정된 최소 사용 문턱값 부근에 있는 경우에 상기 최소 충전 상태(SOCmin)에 연관된 가중치가 최대인 것을 보장하는 것을 그 목적으로 한다. 그 둘 사이에는 물리량의 변화가 급격한 변화없이 연속적이어야 한다. 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin)을 사용하여 최소 충전 상태(SOCmin)를 결정하고 상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 사용하여 최대 충전 상태(SOCmax)를 결정하는 것을 가능하게 하는 계산 단계 다음에는, 상기 최소 및 최대 충전 상태(SOCmin, SOCmax), 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)에 의존하여 배터리 팩의 충전 상태(SOCpack)를 조정하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면, 각각의 전기 화학 셀의 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)이 가변적이다. 더 정확하게 말하면, 이러한 값들(BSOCmin, BSOCmax)은 전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량에 의존하여 그리고/또는 상기 배터리의 온도(TBAT)에 의존하여 조정된다. 실제로는 전기 화학 셀의 이러한 건강 상태는 전기 화학 셀의 에이징(agin) 상태를 정의한다.
도 6에는 본 발명에 따른 방법을 수행하는 수단을 포함하는 평가 시스템의 기본적인 도면이 도시되어 있다. 상기 평가 시스템은 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin) 및 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 공급할 수 있는, 상기 배터리를 형성하는 전기 화학 셀들(C1...CN)의 각각의 단자에 연결된 제1 모듈(10)을 포함한다. 상기 제1 모듈(10)은 함수 MIN-MAX를 수행할 수 있는, 다시 말하면 상기 N 개의 전기 화학 셀 전압들을 측정할 필요 없이 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin) 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 결정하여 이들을 전자 제어 유닛(electronic control unit; ECU)에 직접 공급할 수 있는 구성요소인 것이 바람직하다. 이러한 제1 모듈(10)은 아날로그 또는 소프트웨어 구성요소일 수 있다. 상기 제1 모듈(10)은 상기 값들(UCmin, UCmax)을 지니는 2개의 전기 화학 셀을 식별할 수 있는 것이 바람직하며, 이는 여전히 정확하지만, 적은 계산 능력을 필요로 하는 방법을 지니는 것을 가능하게 한다.
상기 시스템은 또한 상기 배터리의 전류 측정값(IBAT)을 제공할 수 있는 전류 센서(도시되지 않음) 및 상기 배터리의 하나 이상의 온도 측정값들(TBAT)을 제공할 수 있는 하나 이상의 온도 센서들(도시되지 않음)을 포함한다.
전형적으로는, 상기 전자 제어 유닛(ECU)이 결과적으로 상기 배터리의 전류 측정값(IBAT), 온도 측정값(TBAT), 및 결과적으로는 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin) 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 수집한다. 상기 전자 제어 유닛(ECU)은 제2 평가 모듈(20)을 사용하여 상기 배터리의 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin), 전류 측정값(IBAT) 및 온도 측정값(TBAT)에 기반하여 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOCmin)를 계산한다. 제3 평가 모듈(30)은 상기 배터리의 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax), 전류 측정값(IBAT) 및 온도 측정값(TBAT)에 기반하여 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOCmax)를 계산한다. 이러한 제2 및 제3 평가 모듈(20, 30)은 상기 3개의 값에 기반하여 전기 화학 셀의 충전 상태 평가들(SOCmin, SOCmax)을 각각 계산한다. 상기 최대 충전 상태(SOCmax) 및 상기 최소 충전 상태(SOCmin)는 칼만 필터링(Kalman filtering)에 의해서나, 또는 당업자에게 알려진 다른 어떤 방법에 의해 상기 배터리의 전류(IBAT)의 적분에 의해 평가되는 것이 전형적이다.
제4 컴퓨팅 모듈(40), 바람직하게는 상기 전자 제어 유닛(ECU)의 제4 컴퓨팅 모듈(40)은 전기 화학 셀들의 건강 상태, 특히 전기 화학 셀들의 에이징 상태에 관련된 정보를 수신한다. 이러한 제4 컴퓨팅 모듈(40)에 입력되는 물리량들은 배터리의 전기 화학 셀 전압, 전류 측정값(IBAT), 온도 측정값(TBAT), 전기 화학 셀의 방전 시간, 배터리 팩의 최대 용량, 배터리의 내부 저항 증가 평가, 또는 배터리 팩 및 전기 화학 셀들의 에이징의 다른 어떤 특징량이다. 상기 제4 모듈(40)에 의한 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)의 계산은 상기 2개의 식별된 전기 화학 셀들 부근의 온도를 고려하여, 그리고 상기 2개의 식별된 전기 화학 셀들의 최대 용량을 사용하여 더 정교해질 수 있다.
이러한 물리량들 중 적어도 하나에 기반하여, 이러한 제4 모듈(40)이 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 값(BSOCmax)을 조정하여 전기 화학 셀들의 사용 범위를 정의하며, 이는 전기 화학 셀의 에이징 상태를 고려하는 것을 가능하게 한다. 이러한 타입의 구성은 배터리의 사용 가능한 최대 에너지량을 실질적으로 일정한 레벨로 보존하는데 도움이 된다.
한 실시 예에서는, 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax) 사이에서 정해지는 사용 범위가 전기 화학 셀의 건강 상태 및 전기 화학 셀의 에이징 진행에 의존하여 넓어지게 된다. 다른 한 실시 예에서는, 상기 사용 범위는 저온 상태, 예를 들어 0℃에서 배터리를 형성하는 전기 화학 셀들의 에이징 및/또는 성능에 관련된 특성들에 의존하여, 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 문턱값에 비해 상대적으로 낮은 경우에 제한되게 된다. 상기 사용 범위를 수정하기 위해 이러한 정보를 처리하는 것이 바로 상기 제4 모듈(40)이다.
상기 전자 제어 유닛(ECU)의 제5 평가 모듈(50)은 한편으로는 상기 제2 및 제3 평가 모듈(20, 30)에 의해 제공되는 최소 충전 상태(SOCmin) 및 최대 충전 상태(SOCmax)의 평가들을 수신하고, 다른 한편으로는 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)을 수신하며, 이러한 값들에 기반하여 배터리의 충전 상태(SOCpack)의 평가를 계산한다. 이러한 제5 평가 모듈(50)의 한가지 기능은 전기 화학 셀이 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)에 근접하게 될 경우에 정보(SOCmax)에 상대적으로 높은 가중치를 주고 이와는 반대로 전기 화학 셀이 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin)에 근접하게 될 경우에 정보(SOCmin)에 상대적으로 높은 가중치를 주도록 (전기 화학 셀들 각각의 SOC 사용 범위를 정의하는) 신호들(BSOCmin, BSOCmax)에 의존하여 값들(SOCmin, SOCmax)에 가중치를 주는 것이다. 이러한 2가지 극단적인 경우 사이에는, 배터리의 충전 상태(SOCpack)가 배터리의 충전 상태(SOCpack) 값의 급격한 변화 없이 전기 화학 셀들의 값들(SOCmin, SOCmax)에 의해 제한되는 연속적인 거동(擧動: behavior)을 가져야 한다. 공칭 사용 범위 이상에서는, 다시 말하면 최저한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀이 BSOCmin보다 낮은 충전 상태(SOC)에 이르게 될 경우에나 또는 최고한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀이 BSOCmax보다 높은 충전 상태(SOC)에 이르게 될 경우에는, 배터리의 충전 상태(SOCpack)가 가장 제한적인 전기 화학 셀의 변화(다시 말하면 SOCmin 또는 SOCmax 각각)를 따라야 한다.
이러한 결과에 도달하기 위해, 상기 제5 모듈(50)은 하나의 알고리즘을 구현한다.
많은 경우에,
Figure 112016086519538-pct00002
Figure 112016086519538-pct00003
이고
Figure 112016086519538-pct00004
이면, 이하의 식
Figure 112016086519538-pct00005
가 적용되고, 상기 식 중에서 SOCmin, SOCmax, BSOCmin 및 BSOCmax는 각각 개별 시점(k)에서 최소 충전 상태, 최대 충전 상태, 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin), 및 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)의 샘플 값들이다.
Figure 112016086519538-pct00006
Figure 112016086519538-pct00007
이고
Figure 112016086519538-pct00008
이면, 이하의 식
Figure 112016086519538-pct00009
가 적용된다.
Figure 112016086519538-pct00010
Figure 112016086519538-pct00011
이고
Figure 112016086519538-pct00012
이면, 이하의 식
Figure 112016086519538-pct00013
가 적용된다.
Figure 112016086519538-pct00014
Figure 112016086519538-pct00015
이고
Figure 112016086519538-pct00016
이면, 배터리의 충전 상태(SOCpack)가 사용 불능(unavailable)인 것으로 간주한다. 상기 배터리는 최고한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀이 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)을 초과한 반면에 최저한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀이 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 미만이기 때문에 불균형을 이루고 있다고 한다. 이러한 타입의 배터리는 실제로 사용할 수 없고 최소한 재조정(rebalancing)을 필요로 한다.
상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 평가하는 이러한 타입의 알고리즘의 사용은 BSOCmin 및 BSOCmax의 2개의 서로 다른 값에 대한 도 4 및 도 5에서 설명되는 거동들을 획득하는 것을 가능하게 하는데, 여기서 SOCpack는 SOCmin 및 SOCmax 사이에서 연속적으로 변화하고 SOCmin가 BSOCmin에 근접할 경우에 값 SOCmin로 향하게 되고, SOCmax가 BSOCmax에 근접할 경우에 SOCmax로 향하게 된다. 공칭 구역 이상에서는, (SOCmin<BSOCmin일 경우에) SOCpack가 SOCmin와 같거나 또는 (SOCmax>BSOCma일 경우에) SOCpack가 SOCmax와 같다.
도 4에는 0.2인 값(BSOCmin)과 0.8인 값(BSOCmax) 사이의 사용 범위에서 배터리의 충전 상태(SOCpack)의 평가 결과가 도시되어 있다. 여기서 유념할 점은 본 발명에 따른 평가 방법 및/또는 시스템에 의하면 배터리의 충전 상태(SOCpack)가 0.2 이하인 값들에 대해 최소 충전 상태(SOCmin)를 그리고 0.8 이상인 값들에 대해 최대 충전 상태(SOCmax)를 따른다는 점이다. 배터리의 충전 상태(SOCpack)는 전기 화학 셀들의 건강 상태에 의존하여 수정될 수 있는 사용 범위에 자동으로 적응된다.
도 5에는 0.3인 값(BSOCmin) 및 0.7인 값(BSOCmax) 사이의 범위에 걸친 배터리의 충전 상태(SOCpack)의 비교 평가 결과가 도시되어 있다. 배터리의 충전 상태(SOCpack)의 거동은 기대하던 것에 상응하고, 상기 평가는 수정된 사용 범위에 자동으로 적응된다.
결과들이 도 2 및 도 3에 도시된 선행 기술의 방법들과 비교해 보면, 여기에서는 배터리의 충전 상태(SOCpack)의 평가가 만족스럽지 않다. 실제로, 최저한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀의 배터리의 충전 상태(SOCmin)가 0.2(다시 말하면 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin))에 이르게 되는 경우에는, 배터리의 충전 상태(SOCpack)가 0.2에 비해 절대적으로 크게 된다. 마찬가지로, 최고한도에 이르기까지 충전된 전기 화학 셀의 배터리의 충전 상태(SOCmax)가 0.8에 이르게 되는 경우에는, 배터리의 충전 상태(SOCpack)가 0.8에 비해 절대적으로 작게 된다. 이러한 선행 기술의 방법에서는, 이러한 사용 범위들이 고려되어 있지 않다. 결과적으로, 상기 방법은 전기 화학 셀들의 건강 상태 또는 시간 경과에 따른 전기 화학 셀들의 에이징 상태의 진행을 고려하고 있지 않다.

Claims (10)

  1. 직렬로 연결된 복수 개의 전기 화학 셀들(C1, ...CN)을 포함하는 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 평가하는 방법으로서, 상기 복수 개의 전기 화학 셀들(C1, ,..CN) 각각은 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax) 사이에서 충전 상태(state of charge; SOC)가 유지하게 되는, 배터리 충전 상태의 평가 방법에 있어서,
    상기 배터리 충전 상태의 평가 방법은,
    - 소정 시점에서 상기 복수 개의 전기 화학 셀들의 단자들에 걸린 전압들로부터 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin) 및 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 결정하는 단계;
    - 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin)을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOCmin) 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOCmax)를 계산하는 단계로서, 상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)는 상기 최소 충전 상태(SOCmin) 및 상기 최대 충전 상태(SOCmax) 사이에서 유지하게 되는, 단계;
    를 포함하며,
    상기 배터리 충전 상태의 평가 방법은,
    전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량;
    상기 배터리의 온도; 및
    전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량 및 상기 배터리의 온도;
    중의 하나에 의존하여 각각의 전기 화학 셀의 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)을 조정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태의 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 충전 상태의 평가 방법은,
    - 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin)을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOCmin)가 상기 전기 화학 셀의 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin)보다 절대적으로 작을 경우에 상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 상기 최소 충전 상태(SOCmin) 값으로 조정하는 단계;
    - 상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOCmax)가 상기 전기 화학 셀의 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)보다 절대적으로 클 경우에 상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 상기 최대 충전 상태 (SOCmax) 값으로 조정하는 단계; 및
    - 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin)을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOCmin)가 상기 전기 화학 셀의 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin)보다 절대적으로 작을 경우에 상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 상기 최소 충전 상태(SOCmin) 값으로 조정하고, 상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOCmax)가 상기 전기 화학 셀의 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)보다 절대적으로 클 경우에 상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 상기 최대 충전 상태 (SOCmax) 값으로 조정하는 단계;
    중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태의 평가 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOCmax)가 상기 전기 화학 셀의 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)보다 작거나 같고 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin)을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOCmin)가 상기 전기 화학 셀의 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin)보다 크거나 같을 경우에, 상기 배터리 충전 상태의 평가 방법은,
    이하의 식
    Figure 112016086519538-pct00017

    를 사용하여 소정 시점(k)에서 상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 평가하는 것을 포함하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태의 평가 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 지니는 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOCmax)가 상기 전기 화학 셀의 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)보다 절대적으로 크고 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin)을 지니는 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOCmin)가 상기 전기 화학 셀의 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin)보다 절대적으로 작을 경우에, 상기 배터리 충전 상태의 평가 방법은,
    상기 배터리의 충전 상태(SOCpack)에 "사용 불능(unavailable)" 값을 부여하는 것을 포함하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태의 평가 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량은,
    전기 화학 셀의 단자들에서 측정된 전압;
    전기 화학 셀을 통해 흐르는 전류(IBAT);
    전기 화학 셀에 연관된 온도; 및
    이들의 조합;
    중의 하나인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태의 평가 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최소 및 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmin, BSOCmax) 및 전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량 간의 대응은 테이블 값으로 사전에 결정되는 것이 선호됨을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태의 평가 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax) 사이에서 정해지는 사용 범위는,
    전기 화학 셀의 건강 상태 및 전기 화학 셀의 에이징(aging) 진행에 의존하여 넓어지게 되는 사용 범위;
    상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 문턱값에 비해 상대적으로 낮은 경우에 제한되게 되는 사용 범위; 및
    전기 화학 셀의 건강 상태 및 전기 화학 셀의 에이징(aging) 진행에 의존하여 넓어지게 되며, 그리고 상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 문턱값에 비해 상대적으로 낮은 경우에 제한되게 되는 사용 범위;
    중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태의 평가 방법.
  8. 직렬로 연결된 복수 개의 전기 화학 셀들(C1, ...CN)을 포함하는 배터리의 충전 상태(SOCpack)를 평가하는 시스템으로서, 상기 복수 개의 전기 화학 셀들(C1, ,..CN) 각각은 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax) 사이에서 충전 상태(state of charge; SOC)가 유지하게 되는, 배터리 충전 상태의 평가 시스템에 있어서,
    상기 배터리 충전 상태의 평가 시스템은,
    - 상기 배터리의 전류 측정값(IBAT)을 제공할 수 있는 전류 센서;
    - 상기 배터리의 온도 측정값(TBAT)을 제공할 수 있는 하나 이상의 온도 센서들;
    - 전기 화학 셀들의 단자들에 걸린 전압들로부터 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin) 및 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)을 수집할 수 있는 전자 제어 유닛(electronic control unit; ECU);
    을 포함하며,
    상기 전자 제어 유닛(ECU)은,
    상기 배터리의 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin), 전류 측정값(IBAT), 및 온도 측정값(TBAT)을 사용하여 전기 화학 셀의 최소 충전 상태(SOCmin)를 평가할 수 있는 제2 평가 모듈(20);
    상기 배터리의 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax), 전류 측정값(IBAT), 및 온도 측정값(TBAT)을 사용하여 전기 화학 셀의 최대 충전 상태(SOCmax)를 평가할 수 있는 제3 평가 모듈(30);
    상기 최소 충전 상태(SOCmin) 및 상기 최대 충전 상태(SOCmax)에 기반하여, 그리고 제4 모듈(40)에 의해 결정되는 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)에 의존하여 상기 충전 상태(SOCpack)를 결정할 수 있는 제5 평가 모듈(50);
    을 포함하고,
    상기 제4 모듈(40)은,
    전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량;
    상기 배터리의 온도; 및
    전기 화학 셀의 건강 상태를 나타내는 적어도 하나의 물리량 및 상기 배터리의 온도;
    중의 하나에 의존하여 각각의 전기 화학 셀의 상기 최소 허용 충전 상태 값(BSOCmin) 및 상기 최대 허용 충전 상태 값(BSOCmax)을 조정할 수 있는, 배터리 충전 상태의 평가 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 충전 상태의 평가 시스템은,
    단지 상기 최소 전기 화학 셀 전압(UCmin) 및 상기 최대 전기 화학 셀 전압(UCmax)만을 상기 전자 제어 유닛(ECU)에 직접 공급할 수 있는 제1 모듈(10);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 상태의 평가 시스템.
  10. 차량에 있어서, 상기 차량은 제8항 또는 제9항에 기재된 평가 시스템을 포함함을 특징으로 하는, 차량.
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