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KR102742036B1 - 배터리 전력 산출 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 전력 산출 장치 및 방법 Download PDF

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KR102742036B1
KR102742036B1 KR1020190121707A KR20190121707A KR102742036B1 KR 102742036 B1 KR102742036 B1 KR 102742036B1 KR 1020190121707 A KR1020190121707 A KR 1020190121707A KR 20190121707 A KR20190121707 A KR 20190121707A KR 102742036 B1 KR102742036 B1 KR 102742036B1
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치는 배터리 셀을 사용하는 목표 시간을 설정하는 시간 설정부, 상기 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센서부, 상기 배터리 셀의 저항을 산출하는 저항 산출부, 및 상기 배터리의 온도와 저항에 기초하여, 상기 목표 시간 동안 상기 배터리 셀의 임계 온도를 초과하지 않고 사용할 수 있는 최적 전류값을 산출하는 전력 산출부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 전력 산출 장치 및 방법{APPRATUS AND METHOD FOR CALCULATING BATTERY POWER}
본 발명은 배터리의 발열 및 냉각 조건을 고려하여 목표 시간 동안 한계 온도에 도달하지 않고 사용할 수 있는 배터리 전력 산출 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
또한, 이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩으로 이용된다. 그리고 배터리 팩은 배터리 관리 시스템에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다.
이러한 배터리 관리 시스템에서는 일반적으로 배터리의 사용 전력을 현재의 SOC나 온도 등의 조건을 기준으로 계산한다. 이 때, 배터리가 최대 전력을 사용하다가 한계 온도에 도달하는 경우, 전력을 일정값으로 일괄 제한하게 된다. 그러나, 배터리의 한계 온도에 도달할 때까지 전력을 최대로 사용하다가 급격하게 전력을 제한하는 경우, 차량에서 에너지 관리를 효율적으로 할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 목표 시간 동안 한계 온도에 도달하지 않고 배터리를 사용할 수 있는 최적 전력값을 계산함으로써, 목표 시간 동안 배터리를 적정 온도로 유지하고 차량의 에너지 관리를 효율적으로 수행할 수 있는 배터리 전력 산출 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치는 배터리 셀을 사용하는 목표 시간을 설정하는 시간 설정부, 상기 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센서부, 상기 배터리 셀의 저항을 산출하는 저항 산출부, 및 상기 배터리의 온도와 저항에 기초하여, 상기 목표 시간 동안 상기 배터리 셀의 임계 온도를 초과하지 않고 사용할 수 있는 최적 전류값을 산출하는 전력 산출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치는 상기 배터리 셀의 최적 전류값을 산출하기 위한 파라미터를 저장하는 메모리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 상기 저항 산출부는 상기 배터리 셀의 온도에 따른 저항 변화를 고려하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 상기 저항 산출부는 상기 배터리 셀의 현재 온도에서의 저항과 상기 배터리 셀의 임계 온도에서의 저항의 비에 따라 산출된 보정 계수에 기초하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 상기 저항 산출부는 상기 배터리 셀의 SOC(State of Charge)에 따른 저항 변화를 고려하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 상기 저항 산출부는 상기 배터리 셀의 현재 SOC에서의 저항과 상기 배터리 셀의 미리 설정된 시간 이후의 SOC에서의 저항의 비에 따라 산출된 보정 계수에 기초하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 상기 임계 온도는 사전에 결정된 값이거나, 또는 상기 배터리 셀을 포함하는 시스템의 운전 모드에 따라 실시간으로 산출된 값일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 상기 전력 산출부는 상기 배터리 셀의 현재 온도에서 상기 임계 온도까지 도달할 때까지의 총 열량과 상기 배터리 셀의 충방전시 발생하는 발열량 및 냉각 열량을 고려하여 상기 최적 전류값을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 상기 시간 설정부는 사용자의 입력 또는 외부 시스템으로부터의 입력을 수신하여 상기 목표 시간을 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 방법은 배터리 셀을 사용하는 목표 시간을 설정하는 단계, 상기 배터리 셀의 온도를 측정하는 단계, 상기 배터리 셀의 저항을 산출하는 단계, 및 상기 배터리의 온도와 저항에 기초하여, 상기 목표 시간 동안 상기 배터리 셀의 임계 온도를 초과하지 않고 사용할 수 있는 최적 전류값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 방법은 상기 배터리 셀의 온도에 따른 저항 변화를 고려하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 방법은 상기 배터리 셀의 SOC에 따른 저항 변화를 고려하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 전력 산출 장치 및 방법에 의하면, 목표 시간 동안 한계 온도에 도달하지 않고 배터리를 사용할 수 있는 최적 전력값을 계산함으로써, 목표 시간 동안 배터리를 적정 온도로 유지하고 차량의 에너지 관리를 효율적으로 수행할 수 있다.
도 1은 배터리 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 배터리의 최적 전력값을 계산하기 위한 열 모델을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에서 최적 전력값을 산출하는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 온도에 따른 배터리 저항의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 배터리의 동작에 따른 SOC의 변화와 SOC에 따른 배터리 저항의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에 의한 배터리 전류의 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 배터리 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고, 충방전 가능한 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 +단자 측 또는 -단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)을 포함한다.
여기서, 스위칭부(14)는 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 반도체 스위칭 소자로서, 예를 들면, 적어도 하나의 MOSFET이 이용될 수 있다.
또한, BMS(20)는, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하기 위해서, 반도체 스위칭 소자의 게이트, 소스 및 드레인 등의 전압 및 전류를 측정하거나 계산할 수 있고, 또한, 반도체 스위칭 소자(14)에 인접해서 마련된 센서(12)를 이용하여 배터리 팩의 전류, 전압, 온도 등을 측정할 수 있다. BMS(20)는 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다.
또한, BMS(20)는, 스위칭 소자(14) 예를 들어 MOSFET의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(10)에 연결되어 배터리 모듈(10)의 상태를 감시할 수 있다.
상위 제어기(2)는 BMS(20)로 배터리 모듈에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, BMS(20)는 상위 제어기로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다. 본 발명의 배터리 셀이 ESS(Energy Storage System) 또는 차량 등에 이용되는 배터리 팩에 포함된 구성일 수 있다. 다만, 이러한 용도에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 배터리 팩(1)의 구성 및 BMS(20)의 구성은 공지된 구성이므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치(200)는 시간 설정부(210), 온도 센서부(220), 저항 산출부(230), 전력 산출부(240) 및 메모리부(250)를 포함할 수 있다.
시간 설정부(210)는 배터리 셀을 사용하는 목표 시간을 설정할 수 있다. 여기서, 목표 시간이란 배터리 셀이 한계 온도에 도달하지 않고 사용 가능한 시간으로서, 사용자가 임의로 설정할 수 있다. 이 때, 시간 설정부(210)는 사용자의 입력 또는 외부 시스템으로부터의 입력을 수신하여 목표 시간을 설정할 수 있다.
또한, 시간 설정부(210)는 차량 시스템에서 운전 모드나 네비게이션 연동 정보 등에 따라 실시간으로 산출된 값을 목표 시간으로 수신할 수 있다. 예를 들면, 목표 시간은 초(sec) 단위로 설정될 수 있다.
온도 센서부(220)는 배터리 셀의 온도를 측정할 수 있다. 이 때, 온도 센서부(220)는 배터리 셀의 온도를 실시간으로 측정하거나 미리 설정된 시간 간격으로 측정할 수 있다.
저항 산출부(230)는 배터리 셀의 저항을 산출할 수 있다. 예를 들면, 저항 산출부(230)는 배터리 셀에 인가되는 전압과 전류에 기초하여 저항을 산출할 수 있다.
또한, 저항 산출부(230)는 배터리 셀의 온도에 따른 저항 변화를 고려하여 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다. 이 경우, 저항 산출부(230)는 배터리 셀의 현재 온도에서의 저항과 배터리 셀의 임계 온도(또는 다른 고온 조건)에서의 저항의 비에 따라 산출된 보정 계수에 기초하여 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다. 이에 관해서는 도 5에서 후술한다.
그리고, 저항 산출부(230)는 배터리 셀의 SOC(State of Charge)에 따른 저항 변화를 고려하여 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다. 이 경우, 저항 산출부(230)는 배터리 셀의 현재 SOC에서의 저항과 배터리 셀의 미리 설정된 시간 이후의 SOC에서의 저항의 비에 따라 산출된 보정 계수에 기초하여 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다.
예를 들면, 배터리 셀의 온도에 따른 저항값과 SOC에 따른 저항값들은 실험이나 계산을 통해 사전에 구해놓은 값일 수 있다. 이러한 값들은 메모리부(250)에 저장되어 있을 수 있다.
전력 산출부(240)는 배터리의 온도와 저항에 기초하여, 목표 시간 동안 배터리 셀의 임계 온도를 초과하지 않고 사용할 수 있는 최적 전류값을 산출할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 전력 산출부(240)는 목표 시간 동안 배터리 셀의 임계 온도를 초과하지 않고 사용할 수 있는 최적 전력의 범위에서의 최적 전압값을 산출할 수 있다. 여기서, 임계 온도는 사전에 결정된 값이거나, 또는 배터리 셀을 포함하는 시스템의 운전 모드에 따라 실시간으로 산출된 값일 수 있다.
전력 산출부(240)는 배터리 셀의 현재 온도에서 임계 온도까지 도달할 때까지의 총 열량과 배터리 셀의 충방전시 발생하는 발열량 및 냉각 열량을 고려하여 최적 전류값을 산출할 수 있다. 이에 관해서는 도 3 및 4에서 후술한다.
메모리부(250)는 배터리 셀의 최적 전류값을 산출하기 위한 파라미터를 저장할 수 있다. 예를 들면, 파라미터값들은 배터리 셀의 질량, 배터리 셀의 열용량, 열저항, 전술한 배터리 셀의 온도와 SOC에 따른 저항 변화를 반영하는 보정 계수, 배터리 셀의 발열량을 구하기 위한 보정 계수 등을 포함할 수 있다. 또한, 메모리부(250)는 배터리 셀의 온도, SOC 및 저항값들을 저장할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에 의하면, 목표 시간 동안 한계 온도에 도달하지 않고 배터리를 사용할 수 있는 최적 전력값을 계산함으로써, 목표 시간 동안 배터리를 적정 온도로 유지하고 차량의 에너지 관리를 효율적으로 수행할 수 있다.
도 3은 배터리의 최적 전력값을 계산하기 위한 열 모델을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 복수의 배터리 셀에 냉각재(coolant)가 구비되어 있는 것을 나타낸다. 이 때, 배터리 셀이 현재 온도에서 임계 온도까지 도달할 때까지의 총 열량(Q_tot)은 충방전시 발생하는 배터리 셀의 발열량(Q_gen)에서 냉각 열량(Q_cool)을 뺀 값과 같다. 이에 기초하여, 도 4에서 배터리 셀의 최적 전력값을 구하는 과정을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에서 최적 전력값을 산출하는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에서 배터리의 최적 전력을 계산하기 위해서는 먼저 사용자가 배터리를 한계 온도까지 도달하지 않고 사용하기 위한 목표 시간(ttarget)을 입력한다.
또한, 배터리 셀의 온도(Tcell, now)를 실시간으로 측정하고, 배터리 셀의 저항값(Rcell, norm)을 계산한다. 이 때, 전술한 것과 같이 배터리 셀의 온도와 SOC를 고려하여 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다. 그리고, 배터리의 최적 전력을 산출하기 위해 메모리에 저장되어 있는 고정 파라미터(예를 들면, 배터리 셀의 열용량, 질량, 각종 보정 계수 등)를 계산식에 도입한다.
이와 같은 과정을 통해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에서는 최적 전력을 산출할 수 있으며, 최적 전력으로 동작하기 위한 최적 전류값(Iopt, RMS)을 출력하여 배터리를 구동할 수 있다.
구체적으로, 최적 전류값을 계산하는 식을 유도하는 과정은 이하와 같다.
배터리 셀이 현재 온도(Tcell, now)에서 임계 온도(Tcell, limit)까지 도달할 때의 총 열량(Qtot)은 아래와 같이 구할 수 있다.
Qtot = Ccell x mcell x (Tcell, limit - Tcell, now) - 수학식 (1)
Ccell은 배터리 셀의 열용량, mcell은 배터리 셀의 질량을 나타내며, 이는 메모리에 저장된 값일 수 있다. 또한, 임계 온도(Tcell, limit) 역시 정해진 값으로 메모리에 저장된 값일 수 있으며, 현재 온도(Tcell, now)는 배터리 관리 시스템(BMS)의 센서(예를 들면, 도 2의 온도 센서부(220))에 의한 측정값일 수 있다. 그러나, 전술한 것과 같이 임계 온도(Tcell, limit)는 고정값이 아니라 배터리 셀을 포함하는 시스템의 운전 모드에 따라 실시간으로 산출된 값일 수 있다. 이 경우, 임계 온도(Tcell, limit)는 배터리 관리 시스템(BMS)에서 별도로 산출될 수 있다.
한편, 배터리의 총열량(Qtot)은 충방전시 발생하는 배터리 셀의 발열량(Qgen)에서 냉각 열량(Qcool)을 뺀 값과 같다.
Qtot = Qgen - Qcool - 수학식 (2)
또한, 배터리 셀의 발열량(Qgen)은 아래와 같이 구할 수 있다.
Qgen= αx Iopt,RMS 2 x Rcell,norm x ttarget - 수학식 (3)
α는 보정 계수로 메모리에 저장된 값일 수 있으며, Iopt, RMS는 구하고자 하는 최적 전류의 RMS 값이고(A), Rcell, norm는 배터리 셀의 저항을 나타낸다.
발열량(Qgen)을 계산하기 위해 필요한 배터리 셀 저항값(Rcell, norm)은 고온 조건까지의 배터리 셀 저항을 나타낼 수 있는 값으로, 배터리 관리 시스템(BMS)에서 실시간으로 측정되는 저항값(Rcell, est)으로부터 고온 조건에 적합하도록 이하와 같이 보정하여 사용할 수 있다.
Rcell,norm = k x Rcell,est - 수학식 (4)
여기서, k는 고온 조건에 적합한 보정 계수(k < 1)이고, 배터리 셀 저항이 측정된 현재 온도 조건에 따라 달라질 수 있다.
또한, 배터리 셀의 저항값은 전술한 것과 같이 온도 조건에 따른 보정 계수(k)뿐 아니라, 주요 사용 SOC 영역에 따른 보정 계수(k')를 포함할 수 있다. 여기서, k'은 후술하는 CS(Charge Sustain) 모드에서는 1 내외이며, CD(Charge Depletion) 모드에서는 1보다 클 수 있다. 이 때, 온도와 SOC에 따른 보정 계수(k, k')는 메모리에 저장된 값일 수 있다. 이와 같이, SOC에 따른 보정 계수를 적용하는 경우에는 위의 수학식 (4)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Rcell,norm = k x k' x Rcell,est - 수학식 (4')
한편, 배터리 셀의 냉각 열량(Qcool)은 아래와 같이 구할 수 있다.
수학식 (5) -
이 때, 배터리 셀의 온도를 평균적으로 사용하기 위해
Figure 112019100592371-pat00002
를 사용하였으며, Tcoolant는 냉각재의 온도를 나타낸다. 또한, Rth는 열저항을 나타내며 ttarget은 임계 온도(Tcell,limit)를 넘지 않고 전류를 사용할 수 있는 시간(목표 시간)(s)이다. 이 때, Rth, Tcoolant, Tcell, limit는 고정값으로서 메모리에 저장될 수 있다.
전술한 수학식 (2)에 수학식 (1), 수학식 (3) 및 수학식 (5)를 각각 대입하면 아래와 같다.
수학식 (6) -
위 수학식 (6)을 Iopt, RMS에 대해 정리하면 아래와 같으며, 이는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치(또는 BMS)에 구현되는 최종 수식이다.
수학식 (7) -
전술한 메모리에 저장된 값들은 사전에 정해진 값이므로 Iopt, RMS는 다음과 같은 인자에 의한 함수로 볼 수 있다.
수학식 (8) -
이와 같이, 목표 시간(ttarget) 동안 임계 온도를 도달하지 않는 범위에서의 최적 RMS 전류(Iopt, RMS)는 목표 시간(ttarget)을 포함하여 계산하는 시점의 배터리 셀 온도(Tcell, now) 및 저항(Rcell, norm)을 입력값으로 하여 구할 수 있다.
도 5는 온도에 따른 배터리 저항의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 배터리의 저항은 온도가 높아질수록 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 배터리는 일반적으로 사용 시간이 길어질수록 온도가 증가하므로, 배터리의 저항은 점차 작아질 수 있다. 따라서, 이러한 배터리의 저항 특성을 반영하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에서는 다음과 같이, 보정 계수를 산출할 수 있다.
수학식 (9) -
여기서, a는 현재 온도의 배터리 저항, b는 일정 시간 이후 고온인 상태(예를 들면, 임계 온도)에서의 배터리 저항이다. 그러나, 온도에 따른 저항의 보정 계수는 위 식에 제한되는 것은 아니며, 다양한 방식으로 산출될 수 있다.
도 6은 배터리의 동작에 따른 SOC의 변화와 SOC에 따른 배터리 저항의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 배터리 셀의 SOC는 동작 상태에 따라 2가지 모드로 구분될 수 있다. 구체적으로, 초기의 SOC는 배터리를 보다 적극적으로 사용(방전)하여 SOC가 점진적으로 낮아지며, 이를 CD(Charge Depletion) 모드라고 한다. 또한, SOC가 일정 수준에 도달하면(예를 들면, 30%), 회생 제동을 통해 배터리의 사용량(방전량)과 충전량을 갖도록 하여 SOC를 유지하는데 이를 CS(Charge Sustain) 모드라고 한다.
한편, 도 6의 (b)는 전술한 CD 모드(방전시)에서의 SOC에 따른 배터리 저항의 변화를 나타낸다. 그래프를 통해 알 수 있는 바와 같이, 배터리의 저항은 SOC가 높아질수록 감소하는 경향이 나타난다. 즉, 배터리는 일반적으로 사용 시간이 길어질수록 SOC가 감소하므로, 반대로 배터리의 저항은 점차 증가할 수 있다. 따라서, 이러한 배터리의 저항 특성을 반영하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에서는 다음과 같이, 보정 계수를 산출할 수 있다.
수학식 (10) -
여기서, a는 현재 SOC에서의 배터리 저항, b는 일정 시간 이후 SOC가 감소한 상태에서의 배터리 저항이다. 한편, CS 모드인 경우에는 SOC가 일정하게 유지되므로 저항의 측정 시점과 이후의 저항값의 차이가 없기 때문에 k'=1이 된다. 그러나, SOC에 따른 저항의 보정 계수는 위 식에 제한되는 것은 아니며, 다양한 방식으로 산출될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에 의한 배터리 전류의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에 의하면, 배터리 전류는 산출된 RMS 전류의 제한값의 범위에서 인가됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에서는 임계 온도의 도달 시간(t)에 대한 적정 RMS 전류값을 차량의 제어부(예를 들면, ECU)에 제공함으로써, 차량에서 사용되는 동적으로 변화하는 전류 측정값을 입력값으로 하여 전력을 관리하는 경우에 비해 차량에서 정적으로 출력을 관리할 수 있습니다.
이와 같이, 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치에 의하면 RMS의 전류값이 기준치를 유지하는 범위 내에서 최적으로 출력을 관리할 수 있으므로 초기 시간에 전류를 적게 사용한 만큼 이후에 큰 전류를 사용할 수 있는 여유를 확보할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 먼저 배터리 셀을 사용하는 목표 시간을 설정할 수 있다(S810). 목표 시간은 사용자가 배터리 셀의 임계 온도에 도달하지 않고 배터리를 사용하는 시간으로서, 사용자가 임의로 설정할 수 있다. 이 때, 목표 시간은 차량 시스템에서 운전 모드나 네비게이션 연동 정보 등에 따라 실시간으로 산출된 값을 수신할 수 있다.
또한, 임계 온도는 사전에 결정되어 메모리에 저장된 값이거나, 또는 배터리 셀을 포함하는 시스템의 운전 모드에 따라 실시간으로 산출된 값일 수 있다.
그리고, 배터리 셀의 온도를 측정하고(S820), 배터리 셀의 저항을 산출할 수 있다(S830). 그러나, 도 8에 나타낸 것과는 반대로 배터리 셀의 저항을 먼저 산출하고, 배터리 셀의 온도를 측정하여도 무방하다.
다음으로, 배터리의 온도와 저항에 기초하여, 목표 시간 동안 배터리 셀의 임계 온도를 초과하지 않고 사용할 수 있는 최적 전류값을 산출할 수 있다(S840). 이 때, 배터리 셀의 현재 온도에서 임계 온도까지 도달할 때까지의 총 열량과 상기 배터리 셀의 충방전시 발생하는 발열량 및 냉각 열량을 고려하여 최적 전류값을 산출할 수 있다. 또한, 최적 전류값을 산출하는데 필요한 각종 파라미터(예를 들면, 배터리의 열용량, 열저항, 각종 보정 계수 등)는 별도의 메모리에 저장되어 있을 수 있다.
한편, 도 8에는 나타내지 않았으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 방법은 배터리 셀의 온도에 따른 저항 변화를 고려하여 배터리 셀의 저항을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 전술한 것과 같이 배터리 셀의 현재 온도에서의 저항과 배터리 셀의 임계 온도에서의 저항의 비에 따라 산출된 보정 계수에 기초하여 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 방법은 배터리 셀의 SOC에 따른 저항 변화를 고려하여 배터리 셀의 저항을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 배터리 셀의 현재 SOC에서의 저항과 배터리 셀의 미리 설정된 시간 이후의 SOC에서의 저항의 비에 따라 산출된 보정 계수에 기초하여 배터리 셀의 저항을 보정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 방법에 의하면, 목표 시간 동안 한계 온도에 도달하지 않고 배터리를 사용할 수 있는 최적 전력값을 계산함으로써, 목표 시간 동안 배터리를 적정 온도로 유지하고 차량의 에너지 관리를 효율적으로 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 전력 산출 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 배터리 관리 시스템(900)은, 각종 처리 및 각 구성을 제어하는 마이크로컨트롤러(MCU; 910)와, 운영체제 프로그램 및 각종 프로그램(예로서, 배터리팩의 전력 산출 프로그램 혹은 배터리팩의 저항 보정 프로그램) 등이 기록되는 메모리(920)와, 배터리셀 모듈 및/또는 반도체 스위칭 소자와의 사이에서 입력 인터페이스 및 출력 인터페이스를 제공하는 입출력 인터페이스(930)와, 유무선 통신망을 통해 외부와 통신 가능한 통신 인터페이스(940)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(920)에 기록되고, 마이크로 컨트롤러(910)에 의해 처리됨으로써 예를 들면 도 2 및 도 4에서 도시한 각 기능 블록들을 수행하는 모듈로서 구현될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 배터리 팩 2: 상위 제어기
10: 배터리 모듈 12: 센서
14: 스위칭부 20: BMS
200, 900: 배터리 전력 산출 장치 210: 시간 설정부
220: 온도 센서부 230: 저항 산출부
240: 전력 산출부 250: 메모리부
910: MCU 920: 메모리
930: 입출력 I/F 940: 통신 I/F

Claims (12)

  1. 임계 온도를 초과하지 않고 배터리 셀을 사용할 수 있는 목표 시간을 설정하는 시간 설정부;
    상기 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센서부;
    상기 배터리 셀의 저항을 산출하는 저항 산출부; 및
    상기 배터리 셀의 온도, 상기 배터리 셀의 저항 및 상기 목표 시간을 인자로 하는 함수를 이용하여, 상기 목표 시간 동안 상기 임계 온도를 초과하지 않고 사용할 수 있는 최적 전류값을 산출하는 전력 산출부를 포함하는 배터리 전력 산출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀의 최적 전류값을 산출하기 위한 파라미터를 저장하는 메모리부를 더 포함하는 배터리 전력 산출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 저항 산출부는 상기 배터리 셀의 온도에 따른 저항 변화를 고려하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정하는 배터리 전력 산출 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 저항 산출부는 상기 배터리 셀의 현재 온도에서의 저항과 상기 배터리 셀의 임계 온도에서의 저항의 비에 따라 산출된 보정 계수에 기초하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정하는 배터리 전력 산출 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 저항 산출부는 상기 배터리 셀의 SOC(State of Charge)에 따른 저항 변화를 고려하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정하는 배터리 전력 산출 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 저항 산출부는 상기 배터리 셀의 SOC에 따른 저항의 비로 산출된 보정 계수에 기초하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정하는 배터리 전력 산출 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 임계 온도는 사전에 결정된 값이거나, 또는 상기 배터리 셀을 포함하는 시스템의 운전 모드에 따라 실시간으로 산출된 값인 배터리 전력 산출 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 산출부는 상기 배터리 셀의 현재 온도에서 상기 임계 온도까지 도달할 때까지의 총 열량과 상기 배터리 셀의 충방전시 발생하는 발열량 및 냉각 열량을 고려하여 상기 최적 전류값을 산출하는 배터리 전력 산출 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 시간 설정부는 사용자의 입력 또는 외부 시스템으로부터의 입력을 수신하여 상기 목표 시간을 설정하는 배터리 전력 산출 장치.
  10. 임계 온도를 초과하지 않고 배터리 셀을 사용할 수 있는 목표 시간을 설정하는 단계;
    상기 배터리 셀의 온도를 측정하는 단계;
    상기 배터리 셀의 저항을 산출하는 단계; 및
    상기 배터리 셀의 온도, 상기 배터리 셀의 저항 및 상기 목표 시간을 인자로 하는 함수를 이용하여, 상기 목표 시간 동안 상기 임계 온도를 초과하지 않고 사용할 수 있는 최적 전류값을 산출하는 단계를 포함하는 배터리 전력 산출 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 배터리 셀의 온도에 따른 저항 변화를 고려하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정하는 단계를 더 포함하는 배터리 전력 산출 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 배터리 셀의 SOC에 따른 저항 변화를 고려하여 상기 배터리 셀의 저항을 보정하는 단계를 더 포함하는 배터리 전력 산출 방법.
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