KR20160075167A

KR20160075167A - 이차전지의 전력 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20160075167A
Application number: KR1020140184813A
Authority: KR
Inventors: 정승훈
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: PL3096432T3; US20160329612A1; EP3096432A4; CN106030965A; KR101685130B1; WO2016098980A1; ES2886102T3; CN106030965B; EP3096432A1; EP3096432B1; US9496586B1

Abstract

본 발명에 따른 전력 제어 장치는, 배터리 셀의 온도, 배터리 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 측정하는 센싱부; 상기 배터리 셀에서 부하로 공급되는 전력을 조정하는 조정부; 및 상기 센싱부에서 측정된 상기 배터리 셀의 온도, 상기 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 토대로 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 예측하고, 이 예측된 셀의 미래 온도 변화를 분석하여 사전에 설정된 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 한계온도를 이상으로 상승하는 것으로 예상되면, 상기 조정부를 제어하여 배터리 셀에서 상기 부하로 공급되는 전력을 감소시키는 제어부를 포함한다.

Description

이차전지의 전력 제어 장치 및 방법{Apparatus and Method for controlling power for secondary battery}

본 발명은 이차전지의 전력 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차전지의 미래의 온도를 예측하고 이 예측 결과에 따라 이차전지의 출력을 선택적으로 감소시키는 전력 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 대기 오염을 유발하지 않고 장시간 사용이 가능하기 때문에, 자동차의 전력원으로 이용되고 있다.

그런데 이차전지는 충전 또는 방전이 진행할 때에, 전지의 발열로 인하여 온도 상승이 일어나고, 고온에 장시간 노출되는 경우에 수명이 저하되는 특성이 있다.

이러한 특성에 따라, 차량에 탑재되는 이차전지 팩은 별도의 냉각 장치를 탑재하여 전지의 발열을 외부로 방출시킴으로써, 이차전지의 온도를 일정 온도 이하로 유지시킨다.

그러나 냉각 장치를 추가로 탑재시키는 방식은, 이차전지 팩의 가격을 상승시키는 요인으로 작용하고 또한 배터리 시스템의 크기도 커지게 하는 문제점으로 작용한다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 별도의 냉각 장치를 탑재하지 않고, 이차전지의 전력 제어를 통해 과열로부터 이차전지를 보호하는 이차전지의 전력 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 이차 전자의 온도 변화를 예측하고, 이 예측된 결과에 따라 이차전지가 과열되는 현상을 사전에 예방하는 이차전지 전력 제어 장치 및 방법을 제공하는 목적이 있다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 위에서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전력 제어 장치는, 배터리 셀의 온도, 배터리 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 측정하는 센싱부; 상기 배터리 셀에서 부하로 공급되는 전력을 조정하는 조정부; 및 상기 센싱부에서 측정된 상기 배터리 셀의 온도, 상기 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 토대로 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 예측하고, 이 예측된 셀의 미래 온도 변화를 분석하여 사전에 설정된 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 한계온도를 이상으로 상승하는 것으로 예상되면, 상기 조정부를 제어하여 배터리 셀에서 상기 부하로 공급되는 전력을 감소시키는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는 수학식 1을 이용하여, 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 예측할 수 있다.

상기 제어부는 상기 예측한 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 분석하여, 상기 배터리 셀의 미래 온도가 수렴된 것으로 판별되면, 수학식 1을 이용하여 상기 배터리 셀의 온도가 수렴되기까지 소요되는 수렴시간을 계산하고, 상기 배터리 셀의 수렴온도가 상기 한계온도 이상이고 상기 수렴시간이 상기 기준시간 이하인 경우에, 상기 조정부를 제어하여 상기 배터리 셀에서 상기 부하로 공급되는 전력을 감소시킬 수 있다.

한편, 제어부는, 상기 배터리 셀의 수렴온도가 상기 한계온도 미만이거나, 상기 수렴시간이 상기 기준시간을 초과하는 경우에, 상기 배터리 셀의 전력 감소를 미진행할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 예측한 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 분석하여, 상기 배터리 셀의 미래 온도가 발산하는 것으로 판별되면 수학식 1을 이용하여 상기 배터리 셀이 상기 한계온도까지 도달하기하는데 소요되는 도달시간을 계산하고, 상기 계산한 도달시간이 상기 기준시간 이하인 경우에 상기 조정부를 제어하여 상기 배터리 셀에서 상기 부하로 공급되는 전력을 감소시킬 수 있다.

상기 제어부는, 상기 도달시간이 상기 기준시간을 초과하면, 상기 배터리 셀의 전력 감소를 미진행할 수 있다.

바람직하게, 상기 제어부는, 수학식 1을 이용하여, 상기 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 상기 한계온도의 일정수준까지 도달하게 하는 전력감소 계수를 계산하고, 상기 전력감소 계수를 토대로 감소시킬 전력량을 결정하여 상기 조정부를 제어한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전력 제어 방법은, 배터리 셀의 온도, 배터리 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 측정하는 단계; 상기 측정한 상기 배터리 셀의 온도, 상기 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 토대로, 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 예측하는 단계; 상기 예측한 배터리 셀의 미래 온도 변화를 분석하여, 사전에 설정된 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 한계온도 이상으로 상승하는지 여부를 판별하는 단계; 및 상기 판별 결과, 상기 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 상기 한계온도 이상으로 상승하는 것으로 판별되면, 상기 배터리 셀의 출력 전력을 감소시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 이차전지의 과열이 발생되기 전에 이차전지의 온도가 한계온도 이내의 범위로 유지되도록 이차전지의 출력을 제어함으로써, 과열로 인하여 이차전지의 수명과 성능이 저하되는 현상을 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 냉각장치 등과 같은 별도의 장치를 구비하지 않고, 이차전지의 온도를 한계온도 이하로 유지하는 효과가 있다.

게다가, 본 발명은 온도 예측 알고리즘을 통해, 이차전지의 과열을 정확하게 예측하는 효과도 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 이차전지 전력 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 이차전지의 전력을 제어하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 전력 제어 방법이 적용된 배터리 셀에서 발생하는 온도 변화 및 종래의 배터리 셀에서 발생하는 온도 변화를 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.

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 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 이차전지 전력 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지 전력 제어 장치는 배터리 셀(10), 부하(20), 센싱부(30), 조정부(40) 및 제어부(50)를 포함한다.

상기 배터리 셀(10)은 부하(20)로 전력을 공급한다. 상기 배터리 셀(10)은 하나 이상의 셀을 포함하는 것으로서, 그 종류는 특별히 한정되지 않으며, 재충전이 가능한 리튬 이온 전지, 리튬 금속 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 납 축전지 등으로 구성할 수 있다.

상기 부하(20)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 비디오 카메라, 휴대용 전화기, 휴대용 PC, PMP, MP3플레이어 등과 같은 휴대용 전자기기, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 모터, DC to DC 컨버터 등으로 구성할 수 있다.

상기 센싱부(30)는 배터리 셀(10)의 온도를 측정하는 제1온도센서(31)와 배터리 셀 외부의 외기 온도를 측정하는 제2온도센서(32) 및 부하(20)의 전류를 측정하는 전류센서(33)를 포함한다. 상기 제1온도센서(31)는 주기적으로 배터리 셀(10)의 온도를 측정하여 제어부(50)로 전달한다. 그리고 상기 제2온도센서(32)는 주기적으로 배터리 셀 외부의 외기 온도를 측정하여 제어부(50)로 전달한다. 또한, 상기 전류센서(33)는 주기적으로 부하(20)의 전류를 측정하여 제어부(50)로 전달한다.

상기 조정부(40)는 제어부(50)의 제어에 따라, 배터리 셀(10)에서 부하(20)로 공급되는 전력 크기를 조정한다. 상기 조정부(40)는 배터리 셀(10)이 공급하는 전압의 크기를 가변시키는 가변 소자로 구성될 수 있으며, 제어부(50)는 상기 조정부(40)에 포함된 가변 소자를 제어함으로써 배터리 셀(10)의 공급 전력을 제어할 수 있다.

상기 제어부(50)는 센싱부(30)를 획득된 센싱 데이터를 토대로 배터리 셀(10)의 온도 변화를 예측하고, 이 온도 변화를 토대로 배터리 셀(10)의 공급 전력을 감소시킬지 여부를 결정한 후, 전력 감소가 결정된 경우 상기 조정부(40)를 제어하여 배터리 셀(10)의 공급 전력을 감소시킨다. 구체적으로, 제어부(50)는 센싱부(30)를 통해 센싱한 데이터를, 아래의 수학식 1에 대입하여 시간 변화에 따른 배터리 셀(10)의 미래 온도 변화를 예측하고, 온도 추이 변화를 토대로 배터리 셀(10)의 미래 온도가 발산되는지 또는 수렴되는지를 판별한다.

m : 배터리 셀 질량(kg)

C_p : 셀의 비열(specific heat)(J/kg·K)

T : 셀 온도(℃)

t : 시간

k : 전력감소 계수(derating factor)

I : 전류(A)

R_cell : 셀 내부 저항(Ω)

T_environment : 셀 외기 온도(℃)

R_th _{_} _environment : 셀과 환경 사이의 열 저항(thermal resistance)(K/W)

상기 수학식 1은 에너지 밸런스 방정식(energy balance equation)으로서, 상기 배터리 셀 질량(m), 셀의 비열(C_p), 셀 내부 저항(R_cell), 셀과 환경 사이의 열 저항(R_th _{_} _environment)은 미리 설정될 수 있다. 또한, 전력감소 계수(k)는 초기에 '0'으로 설정되며, '0'에부터 '1'까지의 값을 가진다. 한편, 셀 내부 저항(R_cell)은 측정값을 통해서 확인할 수도 있다. 즉, 제어부(50)는 배터리 셀(10)의 전류와 전압을 측정하는 센서(도면에 도시되지 않음)를 이용하여, 배터리 셀(10)의 전류와 전압을 측정하고, 이 측정한 전류와 전압을 토대로 셀 내부 저항(R_cell)을 측정할 수도 있다.

상기 제어부(50)는 제1온도센서(31), 제2온도센서(32), 전류센서(33) 각각으로부터 전달받은 온도값과 전류값을 수학식 1에 대입하여, 시간 변화(dt)에 따른 배터리 셀(10)의 온도 변화(dT)를 확인함으로써, 배터리 셀(10)의 미래 온도 변화 추이를 예측한다.

제어부(50)는 예측한 미래 온도 변화 추이를 분석하여, 배터리 셀(10)의 미래 온도가 발산 또는 수렴되는지 여부를 판별한다. 제어부(50)는 배터리 셀(10)의 미래 온도가 발산되는 경우에, 수학식 1을 이용하여 사전에 설정된 한계온도(T_limit)에 도달하기까지 걸리는 한계온도 도달시간(Δt_limit)를 계산한다. 게다가, 제어부(50)는 상기 한계온도 도달시간(Δt_limit)이 사전에 설정된 기준시간(Δt_ref)을 초과하면, 배터리 셀(10)의 전력 감소를 진행하지 않는다. 반면에, 제어부(50)는 상기 한계온도 도달시간(Δt_limi)이 상기 기준시간(Δt_ref) 이하인 경우에, 상기 기준시간(Δt_ref) 동안에 배터리 셀(10)의 온도가 상기 한계온도(T_limit)의 일정수준(예컨대, 99%)까지만 상승하게 하는 전력감소 계수(k)를 계산하고 이 전력감소 계수(k)에 근거하여 배터리 셀(10)의 전력 공급이 감소되도록 조정부(40)를 제어한다. 이때, 제어부(50)는 계산한 전력감소 계수(k)의 크기에 비례하여, 감소시킬 배터리 셀(10)의 전력량을 결정하고, 상기 결정한 전력량이 출력 전력에서 차감되도록 조정부(40)를 제어한다. 예를 들어, 제어부(50)는 전력감소 계수(k)가 '0.9'로 계산된 경우에, 배터리 셀(10)의 출력이 직전의 배터리 셀 출력과 비교하여 10% 수준이 되도록 조정부(40)를 제어할 수 있으며, 또한 제어부(50)는 전력감소 계수(k)가 '0.8'로 계산된 경우에, 배터리 셀(10)의 출력이 바로 직전의 배터리 셀 출력과 비교하여 20% 수준이 되도록 조정부(40)를 제어할 수 있다.

한편, 제어부(50)는 배터리 셀(10)의 온도가 수렴되는 것으로 예측된 경우, 수학식 1을 이용하여 배터리 셀(10)이 수렴온도(T_sat)까지 도달하는데 걸리는 수렴시간(Δt_sat)을 산출한다. 게다가, 제어부(50)는 수렴온도(T_sat)가 사전에 설정된 한계온도(T_limit) 이상이고, 더불어 수렴시간(Δt_sat)이 사전에 설정된 기준시간(Δt_ref) 이하인 경우에, 기준시간(Δt_ref) 동안에 수렴온도(T_sat)가 한계온도(T_limit)의 일정수준(예컨대, 99%)만큼만 도달하게 하는 전력감소 계수(k)를 수학식 1을 통해 계산하여 이 전력감소 계수(k)에 근거하여 배터리 셀(10)의 출력이 감소되도록 조정부(40)를 제어한다. 반면에, 제어부(50)는 수렴온도(T_sat)가 한계온도(T_limit) 미만이거나 수렴시간(Δt_sat)이 기준시간(Δt_ref)를 초과하는 경우에, 배터리 셀(10)의 전력 감소를 진행하지 않는다.

한편, 상기 제어부(50)는 본 발명에 따른 이차전지 전력 제어 방법을 프로그램화한 코드를 실행할 수 있는 마이크로프로세서로 구성할 수 있다. 대안적으로, 상기 제어부(50)는 본 발명에 따른 이차전지 전력 제어 방법의 제어 흐름을 논리 회로로서 구현한 반도체 칩으로도 구성할 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지 전력 제어 장치는 배터리 팩으로부터 전원을 공급받는 배터리 팩 구동 장치에 결합되어 사용될 수 있다. 일 예로, 본 발명은 노트북, 휴대폰, 개인 휴대용 멀티미디어 재생기와 같이 배터리로부터 구동 전압을 공급받는 각종 전자 제품에 포함되어 사용될 수 있다. 다른 예로, 본 발명은 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거와 같이 배터리가 탑재된 각종 동력 장치에 결합되어 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이차전지 전력 제어 장치는 배터리 팩의 충방전을 제어하고 과충전 또는 과방전 등으로부터 배터리 팩을 보호하는 배터리 관리 장치(Battery Management System; BMS)에 포함되어 사용될 수 있다

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 이차전지의 전력을 제어하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 제어부(50)는 센싱부(30)를 이용하여 이차전지의 센싱 정보를 일정 주기 간격으로 수집한다(S201). 즉, 제어부(50)는 센싱부(30)의 제1온도센서(31)를 이용하여 배터리 셀(10)의 온도를 수집하고, 제2온도센서(32)를 이용하여 배터리 셀(10) 주변의 외기온도를 수집하며, 전류센서(33)를 이용하여 부하(20)의 전류를 수집한다.

다음으로, 제어부(50)는 상기 수집한 센싱 정보(즉, 배터리 셀 온도, 외기온도, 부하 전류)를 수학식 1에 대입하여, 배터리 셀의 미래 온도 변화 추이를 예측한다(S203). 부연하면, 제어부(50)는 센싱부(30)를 통해서 일정 주기로 수집한 배터리 셀 온도, 외기온도, 전류를 수학식 1에 대입하여, 시간 변화(dt)에 따른 배터리 셀(10)의 온도 변화(dT)를 확인함으로써, 배터리 셀(10)의 미래 온도 변화를 추이를 예측한다.

이어서, 제어부(50)는 예측한 온도 변화 추이를 분석하여 배터리 셀(10)의 미래 온도가 특정 온도에 수렴되고 있는지 또는 계속적으로 발산되고 있는지 여부를 판별한다(S205).

다음으로, 제어부(50)는 배터리 셀(10)의 미래 온도가 수렴되고 있는 것으로 판별되면(S205 단계의 NO), 상기 예측한 미래 온도 변화 추이에서 배터리 셀(10)이 수렴되고 있는 수렴온도(T_sat)를 확인하고, 이 수렴온도(T_sat)를 수학식 1에 적용하여 수렴온도(T_sat)까지 도달하는데 소요되는 수렴시간(Δt_sat)를 계산한다(S207). 이때, 제어부(50)는 S201 단계에서 확인한 센싱 정보(셀 온도, 외기 온도, 부하 전류)를 수학식 1에 대입하거나, 다시 한번 센싱부(30)를 이용하여 센싱 정보(셀 온도, 외기 온도, 부하 전류)를 수집한 후에 이렇게 재수집한 센싱 정보를 수학식 1에 대입할 수 있다. 또한, 제어부(50)는 배터리 셀(10)의 전류와 전압을 측정하는 센서(도면에 도시되지 않음)를 이용하여, 배터리 셀(10)의 전류와 전압을 측정하고, 이 측정한 전류와 전압을 토대로 셀 내부 저항(R_cell)을 측정한 후에, 이 측정한 셀 내부 저항(R_cell)을 수학식 1에 대입할 수 있다.

이어서, 제어부(50)는 상기 수렴온도(T_sat)와 사전에 설정된 한계온도(T_limit)를 비교하여, 수렴온도(T_sat)가 상기 한계온도(T_limit) 미만인지 여부를 판별한다(S209). 다음으로, 제어부(50)는 수렴온도(T_sat)가 상기 한계온도(T_limit) 이상이면(S209 단계의 NO), 상기 수렴시간(Δt_sat)과 사전에 설정된 기준시간(Δt_ref)를 비교하여, 상기 수렴시간(Δt_sat)이 상기 기준시간(Δt_ref)을 초과하였는지 여부를 판별한다(S211). 그리고 제어부(50)는 판별 결과 상기 수렴시간(Δt_sat)이 상기 기준시간(Δt_ref)을 초과하지 않으면(S211 단계의 NO), 배터리 셀(10)의 출력 전력을 감소시키기 위하여, 수렴온도(T_sat)가 한계온도(T_limi)의 일정수준(예컨대, 99%)까지만 도달하게 하는 전력감소 계수(k)를 수학식 1을 통해 계산한다(S213). 이때, 제어부(50)는 상기 수렴시간(Δt_sat)과 상기 수렴온도(T_sat)를 수학식 1에 적용하여, 전력감소 계수(k)를 계산한다.

이어서, 제어부(50)는 산출한 전력감수 계수(k)의 값에 비례하여, 감소시킬 전력량을 결정하고, 이 감소시킬 전력량만큼의 전력량이 공급 전력에서 차감되도록 조정부(40)를 제어하여, 최종적으로 부하(20)로 공급되는 배터리 셀(10)의 전력을 감소시킨다(S215). 즉, 제어부(50)는 S209 단계와 S211 단계의 판별 결과 수렴온도(T_sat)가 한계온도(T_limi) 이상이고 수렴시간(Δt_sat)이 상기 기준시간(Δt_ref)을 초과하지 않으면, 상기 기준시간(Δt_ref) 이내에 한계온도 이상의 과열이 발생되는 것으로 예상하고, 계산된 전력감소 계수(k)를 토대로 조정부(40)를 제어하여 배터리 셀(10)의 출력의 미리 감소시킴으로써, 배터리 셀(10)의 과열을 사전에 방지한다.

한편, S205 단계에서, 제어부(50)는 배터리 셀(10) 온도가 발산되는 것으로 판별되면(S205 단계의 YES), 배터리 셀(10)의 온도가 사전에 설정된 한계온도(T_limit)에 도달하기까지 걸리는 시간(Δt_limit)을 수학식 1을 통해 계산한다(S217). 즉, 제어부(50)는 한계온도(T_limit)을 수학식 1에 대입하여, 시간변화(dt)를 산출하고, 이 산출한 시간변화(dt)를 토대로 한계온도에 도달하기까지 걸리는 한계온도 도달시간(Δt_limit)을 계산한다. 이때, 제어부(50)는 S201 단계에서 확인한 센싱 정보(셀 온도, 외기 온도, 부하 전류)을 수학식 1에 대입하거나, 다시 한번 센싱부(30)를 이용하여 센싱 정보(셀 온도, 외기 온도, 부하 전류)를 수집한 후에 이렇게 재수집한 센싱 정보를 수학식 1에 대입할 수 있다.

다음으로, 제어부(50)는 상기 계산한 한계온도 도달시간(Δt_limit)이 사전에 설정된 기준시간(Δt_ref)을 초과하는지 여부를 확인하여(S219) 초과하지 않으면, 기준시간 동안(Δt_ref)에 배터리 셀(10)에서 발산되는 온도가 한계온도(T_limit)의 일정수준(예컨대 99%)까지만 상승시키는 전력감소 계수(k)를 수학식 1을 통해 계산한다(S213). 이때, 제어부(50)는 상기 한계온도 도달시간(Δt_limit)과 상기 한계온도(T_limit)를 수학식 1에 적용하여, 전력감소 계수(k)를 계산한다.

이어서, 제어부(50)는 산출한 전력감수 계수(k)의 값에 비례하여, 감소시킬 전력량을 결정하고, 이 감소시킬 전력량만큼의 전력량이 출력 전력에서 차감되도록 조정부(40)를 제어하여, 최종적으로 부하(20)로 공급되는 배터리 셀(10)의 전력을 감소시킨다(S215).

한편, 제어부(50)는 S209 단계에서 수렴온도(T_sat)가 사전에 설정된 한계온도(T_limit) 미만이거나, S211 단계에서 수렴시간(Δt_sat)이 기준시간(Δt_ref)을 초과하거나, S219 단계에서 한계온도 도달시간(Δt_limit)이 상기 기준시간(Δt_ref)을 초과하면, 배터리 셀(10)의 출력전력 감소를 진행하지 않는다(S221). 이때, 전력감소 계수(k)는 기존값(즉, 0)으로 계속적으로 설정된다.

도 2는 한 사이클에 해당하는 프로세스를 설명한 것으로서, 도 2에 따른 프로세스는 일정 시간 간격으로 수행될 수 있다.

도 3은 본 발명의 전력 제어 방법이 적용된 배터리 셀에서 발생하는 온도 변화 및 종래의 배터리 셀에서 발생하는 온도 변화를 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.

도 3에 따른 시뮬레이션에서는, 초기 셀 온도가 52℃이고, 외기 온도가 50℃이며, 기준시간(Δt_ref)은 7,200s로 설정된 상태이다.

도 3을 참조하면, 도 3의 참조부호 310은 종래의 배터리 셀의 온도 변화를 나타내는 그래프로서, 배터리 셀의 온도가 한계온도(즉, 70℃)를 초과하여 과열되는 것을 알 수 있다. 반면에, 도 3의 참조부호 320은 본 발명의 전력 제어 방법이 적용된 배터리 셀에서의 온도 변화를 나타내는 그래프로서, 배터리 셀의 온도가 종래와 다르게 한계온도(즉, 70℃) 미만으로 유지된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 이차전지의 과열이 발생되기 전에 배터리 셀(10)의 온도가 제한온도 이하로 유지되도록 배터리 셀(10)의 출력을 제어함으로써, 과열로 인하여 이차전지의 수명과 성능이 저하되는 현상을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 본 발명은 냉각장치 등과 같은 별도의 장치를 구비하지 않고, 이차전지의 일정 온도 이하로 유지시킴으로써, 배터리 팩의 제조단가를 감소시킨다. 게다가, 본 발명은 실험 데이터가 아니라, 온도 예측 알고리즘을 통해 이차전지의 과열을 정확하게 예측한다.

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.

10 : 배터리 셀 20 : 부하
30 : 센싱부 31 : 제1온도센서
32 : 제2온도센서 33 : 전류센서
40 : 조정부 50 : 제어부

Claims

배터리 셀의 온도, 배터리 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 측정하는 센싱부;
상기 배터리 셀에서 부하로 공급되는 전력을 조정하는 조정부; 및
상기 센싱부에서 측정된 상기 배터리 셀의 온도, 상기 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 토대로 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 예측하고, 이 예측된 셀의 미래 온도 변화를 분석하여 사전에 설정된 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 한계온도를 이상으로 상승하는 것으로 예상되면, 상기 조정부를 제어하여 배터리 셀에서 상기 부하로 공급되는 전력을 감소시키는 제어부;를 포함하는 전력 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
아래의 수학식을 이용하여, 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 예측하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
(수학식)

m : 배터리 셀 질량(kg)
C_p : 셀의 비열(specific heat)(J/kg·K)
T : 셀 온도(℃)
t : 시간
k : 전력감소 계수(derating factor)
I : 전류(A)
R_cell : 셀 내부 저항(Ω)
T_environment : 셀 외기 온도(℃)
R_th _{_} _environment : 셀과 환경 사이의 열 저항(thermal resistance)(K/W)
제 2 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 예측한 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 분석하여, 상기 배터리 셀의 미래 온도가 수렴된 것으로 판별되면, 상기 수학식을 이용하여 상기 배터리 셀의 온도가 수렴되기까지 소요되는 수렴시간을 계산하고, 상기 배터리 셀의 수렴온도가 상기 한계온도 이상이고 상기 수렴시간이 상기 기준시간 이하인 경우에, 상기 조정부를 제어하여 상기 배터리 셀에서 상기 부하로 공급되는 전력을 감소시키는 전력 제어 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 배터리 셀의 수렴온도가 상기 한계온도 미만이거나, 상기 수렴시간이 상기 기준시간을 초과하는 경우에, 상기 배터리 셀의 전력 감소를 미진행하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 예측한 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 분석하여, 상기 배터리 셀의 미래 온도가 발산하는 것으로 판별되면 상기 수학식을 이용하여 상기 배터리 셀이 상기 한계온도까지 도달하기하는데 소요되는 도달시간을 계산하고, 상기 계산한 도달시간이 상기 기준시간 이하인 경우에 상기 조정부를 제어하여 상기 배터리 셀에서 상기 부하로 공급되는 전력을 감소시키는 전력 제어 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 도달시간이 상기 기준시간을 초과하면, 상기 배터리 셀의 전력 감소를 미진행하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 수학식을 이용하여, 상기 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 상기 한계온도의 일정수준까지 도달하게 하는 전력감소 계수를 계산하고, 상기 전력감소 계수를 토대로 감소시킬 전력량을 결정하여 상기 조정부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 장치.
(a) 배터리 셀의 온도, 배터리 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 측정하는 단계;
(b) 상기 측정한 상기 배터리 셀의 온도, 상기 셀 외부의 외기 온도 및 부하 전류를 토대로, 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 예측하는 단계;
(c) 상기 예측한 배터리 셀의 미래 온도 변화를 분석하여, 사전에 설정된 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 한계온도 이상으로 상승하는지 여부를 판별하는 단계; 및
(d) 상기 판별 결과, 상기 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 상기 한계온도 이상으로 상승하는 것으로 판별되면, 상기 배터리 셀의 출력 전력을 감소시키는 단계;
를 포함하는 전력 제어 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
아래의 수학식을 이용하여, 상기 배터리 셀의 미래 온도 변화를 예측하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
(수학식)

m : 배터리 셀 질량(kg)
C_p : 셀의 비열(specific heat)(J/kg·K)
T : 셀 온도(℃)
t : 시간
k : 전력감소 계수(derating factor)
I : 전류(A)
R_cell : 셀 내부 저항(Ω)
T_environment : 셀 외기 온도(℃)
R_th _{_} _environment : 셀과 환경 사이의 열 저항(thermal resistance)(K/W)
제 9 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 예측한 배터리 셀의 미래 온도 변화를 토대로, 상기 배터리 셀의 미래 온도가 발산 또는 수렴되고 있는 여부를 확인하는 단계; 및
상기 배터리 셀의 미래 온도가 수렴되고 있는 것으로 판별되면, 상기 수학식을 이용하여 상기 배터리 셀의 온도가 수렴되기까지 소요되는 수렴시간을 계산하는 단계;를 포함하고,
상기 (d) 단계는, 상기 배터리 셀의 수렴온도가 상기 한계온도 이상이고 상기 수렴시간이 상기 기준시간 이하인 경우에, 상기 배터리 셀의 출력 전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 배터리 셀의 수렴온도가 상기 한계온도 미만이거나, 상기 수렴시간이 상기 기준시간을 초과하는 경우에, 상기 배터리 셀의 출력 전력 감소를 미진행하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 예측한 배터리 셀의 미래 온도 변화를 토대로, 상기 배터리 셀의 미래 온도가 발산 또는 수렴되고 있는 여부를 확인하는 단계; 및
상기 배터리 셀의 미래 온도가 발산되고 있는 것으로 판별되면, 상기 수학식을 이용하여 상기 배터리 셀이 상기 한계온도까지 도달하는데 걸리는 도달시간을 계산하는 단계;를 포함하고,
상기 (d) 단계는, 도달시간이 상기 기준시간 이하인 경우에, 상기 배터리 셀의 출력 전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 (d) 단계는, 상기 도달시간이 상기 기준시간을 초과하면, 상기 배터리 셀의 출력 전력 감소를 미진행하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 수학식을 이용하여, 상기 기준시간 동안에 상기 배터리 셀의 온도가 상기 한계온도의 일정수준까지 도달하게 하는 전력감소 계수를 계산하는 단계; 및
상기 계산한 전력감소 계수를 토대로 감소시킬 감소 전력량을 결정하고, 이 결정된 감소 전력량에 근거하여 상기 배터리 셀의 출력 전력을 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.