KR102525676B1

KR102525676B1 - 배터리 관리 시스템

Info

Publication number: KR102525676B1
Application number: KR1020180019956A
Authority: KR
Inventors: 김은영; 이병은; 정하철; 최영림
Original assignee: 에스케이온 주식회사
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2023-04-24
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: EP3531150A1; CN110174619B; CN110174619A; DE202019006075U1; US11460511B2; KR20190099904A; US20190257891A1

Abstract

배터리 관리 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 관리하는 배터리 관리 시스템에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 복수 배터리 모듈을 구성하는 개별 배터리 모듈 각각에 대한 복수의 개별 배터리 관리 유닛; 및 상기 복수의 개별 배터리 관리 유닛을 통합 관리하는 관리 유닛;을 포함하고, 상기 개별 배터리 관리 유닛은, 상기 개별 배터리 모듈의 SOH(State Of Health)를 산출하는 SOH 산출부 및 상기 개별 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge)를 산출하는 SOC 산출부를 포함하고, 상기 관리부는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH 및 SOC를 기반으로 상기 복수 배터리 모듈 전체의 성능 상태를 관리하고, 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOC는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH에 의해 보정되는, 배터리 관리 시스템을 제공할 수 있다.

Description

배터리 관리 시스템 {BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}

본 발명의 실시예들은 배터리 관리 시스템과 관련된다.

가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 차량의 가장 큰 문제점 중의 하나는 대기오염을 유발한다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차량의 동력원을 충방전이 가능한 이차전지로 사용하는 기술이 관심을 끌고 있다.

따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 리튬 이온전지의 사용도 연구되고 있다.

이러한 이차전지가 EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는 바, 이를 위하여 다수의 소형 이차전지(단위전지)를 직렬 또는 병렬로 연결하여 전지군을 형성하고 다시 다수의 전지군을 병렬 또는 직렬로 연결하여 하나의 전지팩으로 형성하여 사용하고 있다.

여러 개의 모듈로 구성된 차량용 배터리는 사용 중 전체가 동시에 열화 혹은 성능 저하가 발생되는 경우보다는 일부 모듈에서만 부분적으로 문제가 발생하는 경우가 많다. 일부 모듈의 성능 문제가 발생하는 경우에 문제가 되는 모듈 만을 새 모듈로 교체할 수 있다면 그에 따른 비용과 노력을 감소시킬 수 있다. 배터리에는 배터리 상태를 모니터링하는 관리 시스템(BMS)가 포함되게 되는데, 일부 모듈만을 교체하는 경우에는 관리 시스템에서 교체된 모듈과 기존 모듈의 정보를 배터리 관리에 관한 정보(SOC, SOH 등)를 생성하는 알고리즘에 반영할 필요가 있다.

그러나 종래의 배터리 관리 시스템에서는 배터리 팩 전체 단위의 전압, Open Circuit Voltage, State Of Charge, State Of Health 등을 관리할 수 있도록 되어 있어서, 배터리 팩 중 일부 모듈만이 교체되는 경우에는 이를 전체 관리 시스템에서 반영하기 어렵고, 모듈별로 상태를 모니터링할 수 없었다.

대한민국 공개특허공보 제10- 2012-0117470호 (2012.10.24.)

본 발명의 실시예들은 개별 배터리 모듈 별로 배터리 상태를 모니터링하고 이를 통해 전체 배터리 팩의 성능을 예측할 수 있는 배터리 관리 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 관리하는 배터리 관리 시스템에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 복수 배터리 모듈을 구성하는 개별 배터리 모듈 각각에 대한 복수의 개별 배터리 관리 유닛; 및 상기 복수의 개별 배터리 관리 유닛을 통합 관리하는 관리 유닛;을 포함하고, 상기 개별 배터리 관리 유닛은, 상기 개별 배터리 모듈의 SOH(State Of Health)를 산출하는 SOH 산출부 및 상기 개별 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge)를 산출하는 SOC 산출부를 포함하고, 상기 관리부는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH 및 SOC를 기반으로 상기 복수 배터리 모듈 전체의 성능 상태를 관리하고, 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOC는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH에 의해 보정되는, 배터리 관리 시스템을 제공할 수 있다.

상기 관리부는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH 및 SOC를 바탕으로 상기 개별 배터리 모듈 각각의 사용가능 용량을 설정할 수 있다.

상기 관리부는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 사용가능 용량 중 최소 용량을 기준으로 상기 복수 배터리 모듈 전체의 성능 상태를 관리할 수 있다.

상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH는 배터리 용량에 관한 SOH 및 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH를 통해 산출될 수 있다.

상기 배터리 용량에 관한 SOH는 다음과 같은 식으로 산출될 수 있다.

(상기 식에서, SOH_c는 배터리 용량에 관한 SOH, Capacity_ini는 최초 배터리 용량, t는 배터리 사용 시간(s), T는 배터리 온도(K), a(1), a(2), a(3)는 관계 상수)

상기 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH는 다음과 같은 식으로 산출될 수 있다.

(상기 식에서, SOH_R은 저항 상승에 관한 SOH, IR_ini는 최초 배터리 내 저항과 전류의 곱, t는 배터리 사용 시간(s), T는 배터리 온도(K), b(1), b(2), b(3)는 관계 상수)

상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOC는 배터리 회로 모델에 의해 산출될 수 있다.

상기 배터리 회로 모델은 다음과 같은 식으로 모델링될 수 있다.

(상기 식에서, V는 배터리 전압, OCV(open circuit voltage)는 회로 진입 전압, I는 전류, R₁은 배터리가 열화됨에 따라 가변되는 저항, C는 설정 커패시턴스, R은 설정 저항)

상기 OCV 값은 상기 개별 배터리 모듈 각각에 대해서 산출된 배터리 용량에 관한 SOH 값에 의해 보정될 수 있다.

상기 IR₁ 값은 상기 개별 배터리 모듈 각각에 대해서 산출된 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH 값에 의해 보정될 수 있다.

상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOC는 상기 보정된 OCV 값을 기초로 SOC-OCV 테이블(table)로부터 산출될 수 있다.

상기 배터리 회로 모델로부터 상기 개별 배터리 모듈 각각의 전압 및 출력이 예측될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 개별 배터리 모듈 별로 배터리 상태를 모니터링하고 이를 통해 전체 배터리 팩의 성능을 예측할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, SOH 값을 통해 개별 배터리 모듈으 SOC 값을 보정함으로써, 보다 정확한 SOC 값을 예측할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 배터리 모듈과 배터리 관리 시스템 간을 설명하기 위한 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 배터리 관리 유닛(100)을 나타내는 도면
도 3은 배터리 관리 시스템의 관리 방식을 설명하기 위한 그래프
도 4는 배터리 회로 모델을 나타내는 회로도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수 배터리 모듈과 배터리 관리 시스템 간을 설명하기 위한 도면

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 배터리 모듈과 배터리 관리 시스템 간을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 복수의 배터리 모듈(55)을 포함하는 배터리 팩(50)의 배터리 상태가 배터리 관리 시스템(10)에 의해 관리될 수 있다. 배터리 관리 시스템(10)은 복수의 배터리 모듈(55)의 개별 배터리 모듈(55) 각각에 대응하여 개별 배터리 모듈(55)의 배터리 상태를 관리하기 위한 개별 배터리 관리 유닛(100)을 포함할 수 있다. 그리고, 개별 배터리 관리 유닛(100)에 의해 산출되는 개별 배터리 모듈(55)에 관한 정보는 배터리 관리 시스템(10)의 관리부(200)에 의해 통합 관리될 수 있다. 이로 인하여, 각 개별 배터리 모듈(55) 별로 배터리 상태를 모니터링 하고 이를 통해 전체 배터리 팩(50)의 성능을 예측할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 배터리 관리 유닛(100)을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 개별 배터리 관리 유닛(100)은, 앞서 설명한 바와 같이, 배터리 팩(50)의 개별 배터리 모듈(55) 각각의 배터리 상태를 관리하기 위한 것일 수 있다. 개별 배터리 관리 유닛(100)은 개별 배터리 모듈(55)의 SOH(State Of Health)를 산출하는 SOH 산출부(110) 및 개별 배터리 모듈(55)의 SOC(State Of Charge)를 산출하는 SOC 산출부(120)를 포함할 수 있다. 여기에서, 개별 배터리 모듈(55)의 SOC 값은 SOH 산출부(110)에 의해 산출되는 SOH 값에 의해 보정되어서 보다 정확한 SOC 값을 예측할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 관리 방식을 설명하기 위한 그래프이다.

배터리 관리 시스템(10)의 각 개별 배터리 관리 유닛(100)에 의해 개별 배터리 모듈(55) 마다 SOH 및 SOC가 산출될 수 있다. 그리고, 산출된 SOH 및 SOC를 기반으로 개별 배터리 모듈(55)의 용량이 예측될 수 있다. 이러한 개별 배터리 모듈(55) 마다의 SOH, SOC, 용량을 그래프 형태로 나타낸 것이 도 3(a) 내지 (c)이다. 즉, 도 3(a)는 개별 배터리 모듈(55)의 SOH를 나열한 그래프, 도 3(b)는 개별 배터리 모듈(55)의 SOC를 나열한 그래프, 도 3(c)는 개별 배터리 모듈(55)의 용량을 나열한 그래프이다.

도 3(a) 내지 도 3(c)를 참조하면, 개별 배터리 모듈(55) 마다 성능이 열화되는 정도가 다를 수 있기 때문에, 최초에는 같은 성능을 갖고 있더라도 시간이 지남에 따라서 성능이 달라질 수 있다. 이러한 개별 배터리 모듈(55)의 성능은 SOH, SOC 및 용량의 차이로 나타날 수 있다. 본 실시예에서는 전체 배터리 팩(50)의 성능 만을 측정, 예측하는 것이 아니고, 개별 배터리 모듈(55) 마다의 성능을 측정, 예측하고, 특히 성능이 가장 열화된 개별 배터리 모듈(55)을 기준으로 전체 배터리 팩(50)을 관리할 수 있다. 따라서, 도 3(a) 내지 도 3(c)에 따르면, 가장 성능이 열화되는 것으로 나타나는 개별 배터리 모듈(55)(도 3(a) 내지 도 3(c)에서 2번 모듈)의 SOH, SOC 및 용량 수치를 기준으로 전체 배터리 팩(50)의 성능 상태가 유지될 수 있다.

이하에서는, 개별 배터리 관리 유닛(100)에서 SOH 및 SOC를 산출하는 방식을 설명한다.

개별 배터리 관리 유닛(100)에서 SOH는 개별 배터리 모듈(55)에 관한 2가지 측면을 기준으로 측정될 수 있다. 하나는 배터리 용량(capacity)에 관한 SOH이고, 다른 하나는 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH일 수 있다. 배터리가 열화됨에 따라서, 배터리의 용량은 감소하고, 배터리 내의 저항은 상승하게 된다. 따라서, 배터리의 용량의 감소 정도와 배터리 내 저항의 상승 정도를 나타냄으로서 개별 배터리 모듈(55)의 SOH를 산출할 수 있다.

여기에서, 배터리 용량에 대한 SOH를 산출하는 식은 다음과 같을 수 있다.

[관계식 1]

즉, 배터리 사용 시간이 경과하고, 배터리 내의 온도에 따라서, 배터리 용량에 관한 SOH 값이 변화할 수 있다. 개별 배터리 모듈(55) 마다의 배터리 용량에 관한 SOH가 산출되면 이들을 종합하여 열화가 가장 심한 개별 배터리 모듈(55)을 결정하게 되고 이를 기준으로 전체 배터리 팩(50)을 관리할 수 있다.

또한, 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH를 산출하는 식은 다음과 같을 수 있다.

[관계식 2]

즉, 배터리 사용 시간이 경과하고, 배터리 내의 온도에 따라서, 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH 값이 변화할 수 있다. 개별 배터리 모듈(55) 마다의 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH가 산출되면 이들을 종합하여 열화가 가장 심한 개별 배터리 모듈(55)을 결정하게 되고 이를 기준으로 전체 배터리 팩(50)을 관리할 수 있다.

그리고, 개별 배터리 모듈(55) 각각의 SOC는 배터리 회로 모델에 의해 산출될 수 있다.

도 4는 SOC를 구하기 위한 배터리 회로 모델을 나타내는 회로도이다.

도 4를 참조하면, 개별 배터리 모듈(55) 마다의 배터리 성능을 나타내기 위하여, 1개의 커패시터(capacitor), 2개의 저항을 포함하는 가상의 배터리 회로 모델을 상정하고, 여기에서 개별 배터리 모듈(55) 마다의 회로 진입 전압(OCV, open circuit voltage)를 구하고, SOC-OCV 테이블(table)을 통해 SOC를 구할 수 있다.

도 4의 배터리 회로 모델은 다음과 같은 식으로 모델링 될 수 있다.

[관계식 3]

상기 관계식 3에서, 각 기호들(V, OCV, I, R₁, C, R)은 도 4의 배터리 회로 모델에서 나타난 기호와 같다.

관계식 3을 통해서, 개별 배터리 모듈(55)의 OCV를 구할 수 있고, OCV가 구해지면 SOC-OCV 테이블을 통해 개별 배터리 모듈(55)의 SOC를 구할 수 있다. 다만, 관계식 3에서의 OCV는 해당 개별 배터리 모듈에 대해서 산출된 배터리 용량에 관한 SOH(SOH_C)에 의해 보정될 수 있고, IR₁ 값은 해당 개별 배터리 모듈에 대해서 산출된 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH(SOH_R)에 의해 보정될 수 있다.

각 개별 배터리 모듈(55) 별로 SOC 알고리즘이 구현되는 경우, 각 개별 배터리 모듈(55) 별로 저항 값과 커패시턴스 값이 산출될 수 있고, 개별 배터리 모듈(55) 마다의 저항 값 및 커패시턴스 값이 관리됨으로써 배터리 팩(50)이 사용됨에 따라 배터리 팩(50) 전체의 사용 SOC를 설정할 수 있다. 설정하는 방법은 앞서 설명한 바와 같이 개별 배터리 모듈(55) 마다의 SOC 중에서 최소 SOC를 기준으로 하는 방식일 수 있다.

그리고, 관계식 3에서 SOC 뿐만 아니라 개별 배터리 모듈(55) 마다의 전압 및 출력을 예측할 수 있다. 따라서, 개별 배터리 모듈(55)에 관한 정보를 종합하여 전체 배터리 팩(50)의 성능을 모니터링할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수 배터리 모듈과 배터리 관리 시스템 간을 설명하기 위한 도면이다.

앞선 실시예에서와 같이, 개별 배터리 모듈(55) 마다 SOC 등을 구하기 위하여 배터리 회로 모델을 설정하는 경우에는 개별 배터리 모듈(55) 별로 저항 값 및 커패시턴스 값의 파라미터를 관리하여야 하고 관리해야 하는 데이터량이 많아질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는 개별 배터리 모듈 마다의 파라미터 값을 관리하는 것 대신에, 모듈별 저항 값 및 커패시턴스 값의 차이를 관계상수를 통해 나타낼 수 있다. 개별 배터리 모듈(55) 각각의 관계상수 만을 개별 배터리 관리 유닛(100a)이 산출하면, 각 관계상수를 통해 통합 관리 유닛(100b)를 통해 개별 배터리 모듈(55)의 배터리 특성을 최종 산출하여, 전체 배터리 팩(50)의 관리를 용이하게 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 배터리 관리 시스템
50 : 배터리 팩
55 : 배터리 모듈
100 : 개별 배터리 관리 유닛
100a : 개별 배터리 관리 유닛
100b : 통합 관리 유닛
110 : SOH 산출부
120 : SOC 산출부
200 : 관리부

Claims

복수 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 관리하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
상기 배터리 관리 시스템은 상기 복수 배터리 모듈을 구성하는 개별 배터리 모듈 각각에 대한 복수의 개별 배터리 관리 유닛; 및
상기 복수의 개별 배터리 관리 유닛을 통합 관리하는 관리부;를 포함하고,
상기 개별 배터리 관리 유닛은, 상기 개별 배터리 모듈의 SOH(State Of Health)를 산출하는 SOH 산출부 및 상기 개별 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge)를 산출하는 SOC 산출부를 포함하고,
상기 관리부는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH 및 SOC를 기반으로 상기 복수 배터리 모듈 전체의 성능 상태를 관리하고,
상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOC는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH에 의해 보정되고,
상기 SOC는,
설정 저항과 설정 커패시터의 병렬 회로에 가변 저항이 직렬 연결되어 형성되는 배터리 회로 모델에 의해 산출되고,
상기 가변 저항의 저항값은,
상기 개별 배터리 모듈 각각이 열화됨에 따라 변하는,
배터리 관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 관리부는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH 및 SOC를 바탕으로 상기 개별 배터리 모듈 각각의 사용가능 용량을 설정하는, 배터리 관리 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 관리부는 상기 개별 배터리 모듈 각각의 사용가능 용량 중 최소 용량을 기준으로 상기 복수 배터리 모듈 전체의 성능 상태를 관리하는, 배터리 관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOH는 배터리 용량에 관한 SOH 및 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH를 통해 산출되는, 배터리 관리 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 배터리 용량에 관한 SOH는 다음과 같은 식으로 산출되는, 배터리 관리 시스템.

(상기 식에서, SOH_c는 배터리 용량에 관한 SOH, Capacity_ini는 최초 배터리 용량, t는 배터리 사용 시간(s), T는 배터리 온도(K), a(1), a(2), a(3)는 관계 상수)
청구항 4에 있어서,
상기 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH는 다음과 같은 식으로 산출되는, 배터리 관리 시스템.

(상기 식에서, SOH_R은 저항 상승에 관한 SOH, IR_ini는 최초 배터리 내 저항과 전류의 곱, t는 배터리 사용 시간(s), T는 배터리 온도(K), b(1), b(2), b(3)는 관계 상수)
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 회로 모델은 다음과 같은 식으로 모델링되는, 배터리 관리 시스템.

(상기 식에서, V는 배터리 전압, OCV(open circuit voltage)는 회로 진입 전압, I는 전류, R₁은 배터리가 열화됨에 따라 가변되는 저항, C는 설정 커패시턴스, R은 설정 저항)
청구항 8에 있어서,
상기 OCV 값은 상기 개별 배터리 모듈 각각에 대해서 산출된 배터리 용량에 관한 SOH 값에 의해 보정되는, 배터리 관리 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 IR₁ 값은 상기 개별 배터리 모듈 각각에 대해서 산출된 배터리 내 저항 상승에 관한 SOH 값에 의해 보정되는, 배터리 관리 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 개별 배터리 모듈 각각의 SOC는 상기 보정된 OCV 값을 기초로 SOC-OCV 테이블(table)로부터 산출되는, 배터리 관리 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 배터리 회로 모델로부터 상기 개별 배터리 모듈 각각의 전압 및 출력이 예측되는, 배터리 관리 시스템.