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KR101030910B1 - 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 Download PDF

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KR101030910B1
KR101030910B1 KR1020090099300A KR20090099300A KR101030910B1 KR 101030910 B1 KR101030910 B1 KR 101030910B1 KR 1020090099300 A KR1020090099300 A KR 1020090099300A KR 20090099300 A KR20090099300 A KR 20090099300A KR 101030910 B1 KR101030910 B1 KR 101030910B1
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KR
South Korea
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soc
battery cells
reference value
battery
value
Prior art date
Application number
KR1020090099300A
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English (en)
Inventor
태용준
뵘 안드레
Original Assignee
에스비리모티브 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 SOC를 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
일예로, 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 측정하는 센싱부; 및 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 이용하여 복수의 배터리 셀의 SOC(State of charge)를 측정하여 충방전을 제어하는 MCU(Main control unit)를 포함하며, MCU가 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와, 일정 시간 이후에 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC를 측정하는 SOC 측정부; 및 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC 중 최대값과 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC의 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하거나, 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와 제 2 SOC의 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하여, 복수의 배터리 셀 중 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 크도록 하는 배터리 셀 또는 복수의 배터리 셀 중 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 크도록 하는 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템이 개시된다.
배터리 셀, SOC, 배터리 관리 시스템, MCU, 센싱부

Description

배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 {Battery management system and driving method thereof}
본 발명은 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해 발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서, 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차가 개발되고 있다.
전기 자동차는 배터리(Battery)에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 배터리 셀(battery cell)이 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용한다. 이에 따라, 전기 자동차는 배기 가스를 발생시키지 않으며, 낮은 소음을 낮추는데 있어 장점이 있다.
하이브리드 자동차는 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두가지 이상의 동력원, 예컨데 내연 엔진 및 배터리 모터를 사용 하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리 셀의 성능에 의해 직접적인 영향을 받으므로, 각 배터리 셀의 전압, 전체 배터리 셀의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 배터리 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 뿐 아니라, 각 배터리 셀 중 성능이 저하된 배터리 셀을 검출하여 배터리 셀 각각이 최대한 성능을 가지도록 하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; 이하 BMS라 함)을 요구하고 있다.
본 발명의 목적은 배터리 셀의 SOC를 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 측정하는 센싱부; 및 상기 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀의 SOC(State of charge)를 측정하여 충방전을 제어하는 MCU(Main control unit)를 포함하며, 상기 MCU는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와, 일정 시간 이후에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC를 측정하는 SOC 측정부; 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC의 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하거나, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와 제 2 SOC의 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하여, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값 보다 크도록 하는 배터리 셀 또는 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값 보다 크도록 하는 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 MCU는 상기 제 1 SOC, 상기 제 2 SOC, 상기 제 1 기준값, 상기 제 2 기준값을 저장하는 데이터 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 복수의 배터리 셀 모두에 대한 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값보다 작은 경우 상기 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값 보다 큰 지 비교할 수 있다.
상기 제어부는 상기 복수의 배터리 셀 모두에 대한 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값보다 작은 경우 상기 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값 보다 큰 지 비교할 수 있다.
상기 MCU는 상기 단락 배터리 셀에 대한 정보를 ECU(engine controller unit)에 전송하여, ECU가 표시 장치에 상기 배터리 셀에 대한 정보를 표시하도록 할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법은 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC를 측정하고, 일정 시간 이후에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC를 측정하는 배터리 셀 SOC 측정 단계; 상기 복수의 배터리 셀의 제 2 SOC 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC의 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하거나, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와 제 2 SOC의 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하는 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계; 및 상기 복수의 배터리 셀 중에서 제 1 차이값을 상기 제 1 기준값 보다 크게 하는 배터리 셀 또는 상기 제 2 차이값을 상기 제 2 기준값 보다 크게 하는 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 단락 배터리 셀 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계에서, 상기 복수의 배터리 셀 의 제 2 SOC 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC의 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하는 과정이, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와 제 2 SOC의 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하는 과정보다 먼저 수행될 수 있다. 여기서, 상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계는 상기 복수의 배터리 셀 모두에 대한 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값 보다 작은 경우 상기 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값 보다 큰 지 비교할 수 있다.
상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계에서, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와 제 2 SOC의 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하는 과정이, 상기 복수의 배터리 셀의 제 2 SOC 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC의 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하는 과정보다 먼저 수행될 수 있다. 여기서, 상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계는 상기 복수의 배터리 셀 모두에 대한 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값 보다 작은 경우 상기 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값 보다 큰지 비교할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법은 상기 단락 배터리 셀에 대한 정보를 표시하는 단락 배터리 셀 알림 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 배터리 셀의 SOC를 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하여 사용자에게 알 림으로써, 사용자가 단락 배터리 셀을 확인하도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 단락으로 인해 성능이 저하된 배터리 셀의 교체를 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 일정 시간 마다 측정되는 배터리 셀의 SOC를 이용하여 복수의 배터리 셀 중 순간적인 단락이 발생되는 단락 배터리 셀을 검출함으로써, 순간적인 단락에 의해 발생되는 자동차의 폭발 등을 방지할 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 자동차 시스템은, BMS(1), 배터리(2), 전류센서(3), 냉각팬(4), 돌입 전류 방지부(5), 메인 스위치(6), ECU(engine controller unit, 7), 인버터(8) 및 모터제너레이터(9)를 포함한다.
먼저, 상기 BMS(1)의 앞단에 연결된 주변장치부터 설명하기로 한다.
상기 배터리(2)는 서로 직렬로 연결된 복수의 서브팩(210,220,230,240,250,260), 출력단자(271,272) 및 서브팩(230)과 서브팩(240) 사이에 연결된 안전 스위치(273)를 포함한다.
상기 복수의 서브팩(210,220,230,240,250,260)은 예시적으로 6 개로 표시되었으며, 제 1 서브팩(210), 제 2 서브팩(220), 제 3 서브팩(230), 제 4 서브팩(240), 제 5 서브팩(250) 및 제 6 서브팩(260)으로 구분하기로 한다. 도면에서는, 제 1 서브팩(210) 내지 제 6 서브팩(260) 각각이 서로 직렬로 연결된 8개의 충전 가능한 배터리 셀을 포함하여, 배터리(2)가 총 48개의 배터리 셀을 포함하는 것이 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 각 서브팩은 복수의 배터리 셀을 하나의 그룹으로 표시한 것에 불과한 것이고, 배터리(2)는 제 1 서브팩(210) 내지 제 6 서브팩(260)의 구분없이 48 개의 배터리 셀이 직접 연결되어 구성될 수도 있다.
상기 출력단자(271,272)는 자동차의 인버터(8) 및 모터 제너레이터(9)와 연결되어 자동차 엔진에 전기에너지를 공급한다.
상기 안전 스위치(273)는 제 3 서브팩(230)과 제 4 서브팩(240) 사이에 연결되는 스위치로서, 배터리(2)를 교체하거나 배터리(2)에 대한 작업을 수행할 때 작업자의 안전을 위하여 수동적으로 온 오프할 수 있는 스위치이다. 본 발명의 실시예에서는 제 3 서브팩(230)과 제 4 서브팩(240) 사이에 안전 스위치(273)가 연결되 나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 도시하진 않았지만, 안전 스위치(273)에 직렬로 퓨즈가 연결될 수 있다. 상기 퓨즈는 배터리(2)의 단락에 의해 과전류가 배터리(2)에 전달되는 것을 방지한다. 즉 과전류가 발생하면 퓨즈는 단선되어 과전류가 배터리(2)에 전달되는 것을 차단한다.
상기 전류센서(3)는 배터리(2)의 출력전류량을 측정하여 BMS(1)의 센싱부(10)로 출력한다. 구체적으로 전류센서(3)는 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하고 측정된 전류에 대응되는 아날로그 전류 신호로 출력하는 Hall CT(Hall current transformer)일 수 있다.
상기 냉각팬(4)은 BMS(1)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)의 충방전에 의해 발생할 수 있는 열을 냉각하여 온도 상승으로 인한 배터리(2)의 열화 및 충방전 효율의 저하를 방지한다.
상기 돌입 전류 방지부(5)는 배터리(2)와 인버터(8) 사이에 위치하며, 배터리(2)로부터 인버터(8)로 돌입 전류가 인가되는 것을 방지하여 돌입 전류에 의한 인버터(8)의 손상을 방지한다. 이를 위해, 상기 돌입 전류 방지부(5)는 프리차지 저항(5a), 프리차지 릴레이(5b) 및 메인 릴레이(5c)를 포함한다. 여기서, 돌입 전류는 먼저 프리차지 릴레이(5b)가 온이 되어 프리차지 저항(5a)에 의해 억제된 후 인버터(8)로 서서히 인가되며, 이후에 프리차지 릴레이(5b)가 오프되고 메인 릴레이(5c)가 온 됨으로써 배터리(2)로부터 인버터(8)로 전류가 안정적으로 인가된다.
상기 메인 스위치(6)는 과전압, 과전류, 고온 등 이상 현상이 발생하면 BMS(1) 또는 자동차의 ECU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)를 인버터(8)로부터 분리시킨다.
상기 BMS(1)는 센싱부(10), MCU(Main control unit, 20), 내부전원 공급부(30), 셀밸런싱부(40), 저장부(50), 통신부(60), 보호회로부(70), 파워온 리셋부(80) 및 외부 인터페이스(90)를 포함한다.
상기 센싱부(10)는 배터리(2)의 전체 팩전류 및 전체 팩전압과, 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류, 셀온도 및 주변온도를 측정하여 MCU(20)에 전달한다.
상기 MCU(20)는 센싱부(10)로부터 전달받은 배터리(2)의 전체 팩전류 및 전체 팩전압과, 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류, 셀온도 및 주변온도에 대응되는 디지털 데이터에 기초하여 배터리(2)의 충전상태(state of charging, 이하 SOC 이라 함), 건강상태(state of health, 이하 SOH 이라 함) 등을 추정하여 배터리(2)의 충방전을 제어한다. 또한, 상기 MCU(20)는 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 OCV(Open circuit voltage)를 구하고, OCV를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 측정하고, 복수의 배터리 셀 사이의 SOC 차이값을 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하여 단락 배터리 셀에 대한 정보를 ECU(7)로 전달한다. 여기서, 단락 배터리 셀은 내부에서 양극과 음극이 전기적으로 접촉하여 전압이 감소되는 배터리 셀을 말하며, 특히 양극 또는 음극의 활물질이 양극과 음극 사이에 개재된 절연성 세퍼레이터를 뚫어 손상시키는 경우 배터리 셀의 전압이 순간적으로 감소되는 순간적인 단락이 발생할 수 있다.
상기 내부전원 공급부(30)는 일반적으로 보조 배터리를 이용하여 BMS(1)에 전원을 공급하는 장치이다.
상기 셀밸런싱부(40)는 각 배터리 셀의 충전상태의 균형을 맞춘다. 즉, 상기 셀밸런싱부(40)는 충전상태가 비교적 높은 배터리 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 배터리 셀은 충전시킬 수 있다.
상기 저장부(50)는 BMS(1)의 전원이 오프될 때, 현재의 SOC, SOH 등의 데이터들을 저장한다. 여기서, 상기 저장부(50)는 전기적으로 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 저장장치로서 EEPROM일 수 있다.
상기 통신부(60)는 자동차의 동력발생장치의 제어부와 통신을 수행한다.
상기 보호회로부(70)는 펌웨어(firm ware)를 이용하여 외부의 충격, 과전류, 저전압 등으로부터 BMS(1)를 보호하기 위한 회로이다.
상기 파워온 리셋부(80)는 BMS(1)의 전원이 켜지면 전체 시스템을 리셋한다.
상기 외부 인터페이스(90)는 냉각팬(4), 메인 스위치(6) 등 BMS(1)의 주변장치들을 MCU(20)에 연결하기 위한 장치이다. 본 발명의 실시예에서는 냉각팬(4) 및 메인 스위치(6)만이 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 ECU(7)는 차량의 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 차량 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 즉 ECU(7)는 인버터(8)의 스위칭을 제어하여 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한 ECU(7)는 BMS(1)의 통신 부(60)를 통하여 MCU(20)로부터 전달되는 배터리(2)의 SOC를 전달받아 배터리(2)의 SOC가 목표값(예컨대 55%)이 되도록 제어한다. 예를 들면 MCU(20)로부터 전달된 SOC가 55% 이하이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 배터리(2) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 충전시키고 이때 팩전류(I)는 '+'값이 될 수 있다. 한편, SOC가 55% 이상이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 모터제너레이터(9) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 방전시키고 이때 팩전류(I)는 '-'값이 될 수 있다. 이에 더하여 ECU(7)는 BMS(1)의 통신부(60)를 통하여 MCU(20)로부터 전달되는 배터리(2)의 SOH를 전달받아 자동차의 계기판(미도시) 등의 표시장치에 표시되도록 하여 사용자가 알 수 있도록 한다. 또한, ECU(7)는 MCU(20)로부터 단락 배터리 셀에 대한 정보를 수신하여 표시장치에 표시되도록 하여 사용자가 알 수 있도록 한다.
상기 인버터(8)는 ECU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)가 충전 또는 방전되도록 한다.
상기 모터 제너레이터(9)는 배터리(2)의 전기에너지를 이용하여 ECU(7)로부터 전달되는 토크 정보에 기초하여 자동차를 구동한다.
다음은 단락 배터리 셀을 검출하는 MCU에 대해 구체적으로 살펴 보기로 한다.
도 2는 도 1의 MCU의 상세 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, MCU(20)는 제어부(21), SOC 측정부(22) 및 데이터 저장 부(23)를 포함한다.
상기 제어부(21)는 센싱부(10)로부터 입력되는 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압과 셀전류를 SOC 측정부(22)로 전송하여, SOC 측정부(22)가 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 일정 시간마다 측정하도록 한다. 예를 들어, 상기 제어부(21)는 SOC 측정부(22)가 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC를 측정하고, 제 1 SOC 측정 시간 으로부터 일정 시간 이후에 제 2 SOC를 측정하도록 한다. 여기서, 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC는 SOC의 측정 주기에서 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC 직전의 SOC이다. 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와, 제 2 SOC는 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하기 위해 파라미터로 이용된다. 상기 일정 시간은 대략 1~2 초일 수 있으며, 짧으면 짧을 수록 순간적인 단락이 발생되는 단락 배터리 셀을 검출하는데 유리하다.
상기 제어부(21)는 SOC 측정부(22)로부터 측정된 제 1 SOC와 제 2 SOC를 참조하여, 아래의 수학식 1과 같이 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC(SOC2_n; n은 자연수) 중 최대값(SOC2_max)과 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC(SOC2_n)의 제 1 차이값(SOC2_max - SOC2_n)이 제 1 기준값(REF1) 보다 큰지 비교한다. 여기서, 예를 들어 n이 1인 SOC2_1은 제 1 배터리 셀의 제 2 SOC이며, n이 2인 SOC2_2는 제 2 배터리 셀의 제 2 SOC로 정의될 수 있다.
SOC2_max - SOC2_n > REF1
상기 제어부(21)는 수학식 1을 통해 복수의 배터리 셀 중 제 1 차이 값(SOC2_max - SOC2_n)이 제 1 기준값(REF1) 보다 크도록 한 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단한다. 여기서, 상기 단락 배터리 셀을 검출시 SOC를 이용하는 이유는 시간에 따른 SOC의 변동값이 적기 때문이다.
한편, 복수의 배터리 셀 모두에 대한 제 1 차이값(SOC2_max - SOC2_n)이 제 1 기준값(REF1)보다 작아 단락 배터리 셀이 검출되지 않는 경우(예를 들어, 복수의 배터리 셀 모두에 유사한 정도의 단락이 발생하는 경우), 상기 제어부(21)는 SOC 측정부(22)로부터 측정된 제 1 SOC와 제 2 SOC를 참조하여, 아래의 수학식 2와 같이 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC(SOC1_n; n은 자연수)와 제 2 SOC(SOC2_n)의 제 2 차이값(｜SOC1_n - SOC2_n｜)이 제 2 기준값(REF2)보다 큰 지 비교한다.
｜SOC1_n - SOC2_n｜ > REF2
상기 제어부(21)는 수학식 2를 통해 복수의 배터리 셀 중 제 2 차이값(｜SOC1_n - SOC2_n｜)이 제 2 기준값(REF2)보다 크도록 한 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단한다.
상술한 바와 같이, 상기 제어부(21)는 수학식 1을 통해 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하나, 수학식 1을 통해 단락 배터리 셀이 검출되지 않는 경우 수학식 2를 통해 단락 배터리 셀을 검출할 수 있다. 한편, 상기 제어부(21)는 반대로 수학식 2를 통해 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 먼저 검출하고, 수학식 2에서 제 2 차이값(｜SOC1_n - SOC2_n｜)이 제 2 기준값(REF2)보다 작아 단락 배터리 셀이 검출되지 않는 경우(예를 들어, 배터리 셀 모두에 미세 단락이 발생된 경우) 수학식 1을 이용하여 단락 배터리 셀을 검출할 수 있다.
상기 SOC 측정부(22)는 제어부(21)를 통해 센서부(10)로부터 입력된 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 OCV(Open circuit voltage)를 구하고, OCV를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 측정할 수 있다. 여기서, 상기 SOC 측정부(22)가 배터리 셀의 제 1 SOC를 측정하여 제어부(21)로 전송하면, 제어부(21)는 데이터 저장부(23)에 저장한다. 그리고, 상기 SOC 측정부(22)가 배터리 셀의 제 1 SOC를 측정한 시간으로부터 일정 시간 이후 배터리 셀의 제 2 SOC를 측정하여 제어부(21)로 전송하면, 제어부(21)는 데이터 저장부(23)에 저장한다. 상기 배터리 셀의 SOC를 측정하는 방법은 배터리 셀의 OCV를 이용하는 방법 외에 여러가지 방법이 있으며, 본 발명에서 배터리 셀의 SOC 측정 방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 데이터 저장부(23)는 SOC 측정부(22)로부터 측정된 배터리 셀의 제 1 SOC, 제 2 SOC를 저장하며, 제어부(21)가 단락 배터리 셀을 검출하는데 사용되는 제 1 기준값, 제 2 기준값을 저장한다.
다음은 MCU(20)가 수학식 1 또는 수학식 2에 의해 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출할 수 있음을 보여주는 시뮬레이션에 대해 살펴보기로 한다.
도 3은 도 2의 MCU에서 측정된 복수의 배터리 셀의 SOC를 표시한 그래프이다.
도 3의 그래프는 시간별 배터리 셀 SOC를 나타내며, B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8은 복수의 배터리 셀을 나타낸다. 여기서, 배터리 셀의 SOC는 1초마다 측정되고, 제 1 기준값은 5%이며, 제 2 기준값은 3%로 설정된다.
도 3 에서, 'a' 부분은 수학식 1에 의해 B3이 제 1 기준값(5%) 보다 제 1 차이값(60%-54%=6%)을 크도록 한 배터리 셀, 즉 단락 배터리 셀임을 보여준다. 또한, 'b' 부분은 수학식 2에 의해 B3이 제 2 기준값(3%)보다 2 차이값(58.8%-55.7%=3.1%)을 크도록 한 배터리 셀, 즉 단락 배터리 셀임을 보여준다. 이로부터, MCU(20)는 수학식 1 또는 수학식 2를 통해 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출할 수 있음을 알 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리시스템의 구동 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법에 관한 순서도이고, 도 5a는 도 4에 도시된 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계의 일 예를 보여주기 위한 도면이고, 도 5b는 도 4에 도시된 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계의 다른 예를 보여주기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법은 배터리 셀 SOC 측정 단계(S1), 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계(S2), 단락 배터리 셀 판단 단계(S3) 및 단락 배터리 셀 알림 단계(S4)를 포함한다.
상기 배터리 셀 SOC 측정 단계(S1)에서, MCU(20)의 SOC 측정부(22)는 제어 부(21)를 통해 센서부(10)로부터 입력된 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류를 이용하여 배터리 셀의 OCV(Open circuit voltage)를 구하고, OCV를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 측정한다. 여기서, 상기 SOC 측정부(22)는 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하기 위해 필요한 복수의 배터리 셀의 제 1 SOC를 측정하고, 일정 시간 이후에 복수의 배터리 셀의 제 2 SOC를 측정한다.
상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계(S2)에서, 상기 제어부(21)는 SOC 측정부(22)로부터 측정된 제 1 SOC와 제 2 SOC를 참조하여 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC(SOC2_n; n은 자연수) 중 최대값(SOC2_max)과 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC(SOC2_n)의 제 1 차이값(SOC2_max - SOC2_n)이 제 1 기준값(REF1) 보다 큰지 비교하는 과정(S21)을 수행하거나, 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC(SOC1_n; n은 자연수)와 제 2 SOC(SOC2_n)의 제 2 차이값(｜SOC1_n - SOC2_n｜)이 제 2 기준값(REF2)보다 큰 지 비교하는 과정(S22)을 수행한다.
도 5a를 참조하면, 상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계(S2)에서 S21 과정이 먼저 수행되는 경우, S21 과정에서 제 1 차이값(SOC2_max - SOC2_n)이 제 1 기준값(REF1) 보다 크면 바로 단락 배터리 셀 판단 단계(S3)가 수행되며, 제 1 차이값(SOC2_max - SOC2_n)이 제 1 기준값(REF1) 보다 작으면 S22 과정이 수행된다. 여기서, 단락 배터리 셀 판단 단계(S3)가 수행되는 것은 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀이 검출됨을 의미하며, S22 과정이 수행되는 것은 S21 과정으로는 단락 배터리 셀이 검출되지 않아 다른 방식을 이용하여 단락 배터리 셀을 검출하는 것을 의미한다. S22 과정에서는, 제 2 차이값(｜SOC1_n - SOC2_n｜)이 제 2 기준값(REF2)보다 크면 단락 배터리 셀 판단 단계(S3)가 수행되며, 제 2 차이값(｜SOC1_n - SOC2_n｜)이 제 2 기준값(REF2)보다 작으면 배터리 셀 SOC 측정 단계(S1)부터 다시 수행된다. 여기서, 배터리 셀 SOC 측정 단계(S1)가 다시 수행되는 경우 현재 복수의 배터리 셀에는 단락이 발생하지 않음을 의미한다.
도 5b를 참조하면, 상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계(S2)에서 S22 과정이 먼저 수행되는 경우, S22 과정에서 제 2 차이값(｜SOC1_n - SOC2_n｜)이 제 2 기준값(REF2)보다 크면 바로 단락 배터리 셀 판단 단계(S3)가 수행되며, 제 2 차이값(｜SOC1_n - SOC2_n｜)이 제 2 기준값(REF2)보다 작으면 S21 과정이 수행된다. 여기서, 단락 배터리 셀 판단 단계(S3)가 수행되는 것은 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀이 검출됨을 의미하며, S21 과정이 수행되는 것은 S22 과정으로는 단락 배터리 셀이 검출되지 않아 다른 방식을 이용하여 단락 배터리 셀을 검출하는 것을 의미한다. S21 과정에서는, 제 1 차이값(SOC2_max - SOC2_n)이 제 1 기준값(REF1) 보다 크면 단락 배터리 셀 판단 단계(S3)가 수행되며, 제 1 차이값(SOC2_max - SOC2_n)이 제 1 기준값(REF1) 보다 작으면 배터리 셀 SOC 측정 단계(S1)부터 다시 수행된다. 여기서, 배터리 셀 SOC 측정 단계(S1)가 다시 수행되는 경우 현재 복수의 배터리 셀에는 단락이 발생하지 않음을 의미한다.
상기와 같이, 상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계(S2)에서는 S21 과정이 먼저 수행되거나 S22 과정이 먼저 수행되며, 이는 제어부(21)의 설정에 따라 결정될 수 있다.
상기 단락 배터리 셀 판단 단계(S3)에서는, 제어부(21)가 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계(S2)의 비교 결과에 따라, 복수의 배터리 셀 중에서 제 1 차이값(SOC2_max - SOC2_n)을 제 1 기준값(REF1)보다 크게 하는 배터리 셀 또는 상기 제 2 차이값(｜SOC1_n - SOC2_n｜)을 제 2 기준값(REF2) 보다 크게 하는 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단한다.
상기 단락 배터리 셀 알림 단계(S4)에서는, MCU(20)가 단락 배터리 셀의 정보를 ECU(7)에 전송하여 표시 장치에 표시되도록 한다. 그럼, 사용자가 단락 배터리 셀의 검출 유무를 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 배터리 셀의 SOC를 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하여 사용자에게 알림으로써, 사용자가 단락 배터리 셀을 확인하도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 단락으로 인해 성능이 저하된 배터리 셀의 교체를 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 일정 시간 마다 측정되는 배터리 셀의 SOC를 이용하여 복수의 배터리 셀 중 순간적인 단락이 발생되는 단락 배터리 셀을 검출함으로써, 순간적인 단락에 의해 발생되는 자동차의 폭발 등을 방지할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시 적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 MCU의 상세 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 MCU에서 측정된 복수의 배터리 셀의 SOC를 표시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법에 관한 순서도이다.
도 5a는 도 4에 도시된 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계의 일 예를 구체적으로 보여주기 위한 도면이다.
도 5b는 도 4에 도시된 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계의 다른 예를 구체적으로 보여주기 위한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: BMS(Battery Management System) 10: 센싱부
20: MCU(Main Control unit) 30: 내부전원 공급부
40: 셀밸런싱부 50: 저장부
60: 통신부 70: 보호 회로부
80: 파워온 리셋부 90: 외부 인터페이스

Claims (11)

  1. 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 측정하는 센싱부; 및
    상기 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀의 SOC(State of charge)를 측정하여 충방전을 제어하는 MCU(Main control unit)를 포함하며,
    상기 MCU는
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와, 일정 시간 이후에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC를 측정하는 SOC 측정부; 및
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC의 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하거나, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와 제 2 SOC의 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하여, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값 보다 크도록 하는 배터리 셀 또는 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값 보다 크도록 하는 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 제 1 SOC, 상기 제 2 SOC, 상기 제 1 기준값, 상기 제 2 기준값을 저장하는 데이터 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시 스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 배터리 셀 모두에 대한 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값보다 작은 경우 상기 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 배터리 셀 모두에 대한 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값보다 작은 경우 상기 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 단락 배터리 셀에 대한 정보를 ECU(engine controller unit)에 전송하여, 상기 ECU가 표시 장치에 상기 배터리 셀에 대한 정보를 표시하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  6. 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC를 측정하고, 일정 시간 이후에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC를 측정하는 배터리 셀 SOC 측정 단계;
    상기 복수의 배터리 셀의 제 2 SOC 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각 의 제 2 SOC의 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하거나, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와 제 2 SOC의 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하는 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계; 및
    상기 복수의 배터리 셀 중에서 제 1 차이값을 상기 제 1 기준값 보다 크게 하는 배터리 셀 또는 상기 제 2 차이값을 상기 제 2 기준값 보다 크게 하는 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 단락 배터리 셀 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계에서
    상기 복수의 배터리 셀의 제 2 SOC 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC의 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하는 과정이, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와 제 2 SOC의 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하는 과정보다 먼저 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계는
    상기 복수의 배터리 셀 모두에 대한 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값 보다 작은 경우 상기 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하는 것을 특징으 로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계에서
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 1 SOC와 제 2 SOC의 제 2 차이값이 제 2 기준값 보다 큰 지 비교하는 과정이, 상기 복수의 배터리 셀의 제 2 SOC 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제 2 SOC의 제 1 차이값이 제 1 기준값 보다 큰 지 비교하는 과정보다 먼저 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 SOC 차이값과 기준값 비교 단계는 상기 복수의 배터리 셀 모두에 대한 제 2 차이값이 상기 제 2 기준값 보다 작은 경우 상기 제 1 차이값이 상기 제 1 기준값 보다 큰지 비교하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 단락 배터리 셀에 대한 정보를 표시하도록 하는 단락 배터리 셀 알림 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
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