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KR101572494B1 - 배터리팩의 수명 추정 장치 - Google Patents

배터리팩의 수명 추정 장치 Download PDF

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KR101572494B1
KR101572494B1 KR1020140004289A KR20140004289A KR101572494B1 KR 101572494 B1 KR101572494 B1 KR 101572494B1 KR 1020140004289 A KR1020140004289 A KR 1020140004289A KR 20140004289 A KR20140004289 A KR 20140004289A KR 101572494 B1 KR101572494 B1 KR 101572494B1
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cells
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Abstract

본 발명은 셀 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간 정보를 기반으로 배터리팩의 수명(SOH, State Of Health)을 추정하는 장치에 관한 것이다.
이 발명에 따른 배터리팩의 수명 추정 장치는, 배터리팩을 구성하는 각 배터리셀의 셀 전압을 측정하는 셀전압측정부와 상기 각 배터리셀의 셀 전압을 기반으로 셀 밸런싱 기능을 수행하는 셀밸런싱부를 포함하는 배터리 관리 시스템에서 배터리팩의 수명 추정 장치에 있어서, 상기 셀밸런싱부로부터 밸런싱 대상 셀 개수와 셀 밸런싱 시간 중 적어도 하나의 정보를 입력받아 메모리에 저장하는 셀밸런싱이력저장부와, 상기 메모리에 저장된 상기 밸런싱 대상 셀 개수와 셀 밸런싱 시간 중 적어도 하나의 정보를 기반으로 상기 배터리팩의 SOH(State Of Health)를 산출하는 SOH산출부를 포함한다.

Description

배터리팩의 수명 추정 장치 {Apparatus of Estimating SOH for Battery}
본 발명은 배터리팩의 수명 추정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간을 기반으로 배터리팩의 수명(SOH, State Of Health)을 추정하는 장치에 관한 것이다.
최근 환경 보호에 대한 관심도가 높아지면서 전기자동차(EV, HEV, PHEV)가 각광을 받고 있으며, 신재생에너지의 사용 확대 및 전력의 수요 증가로 인해 에너지 저장 장치(ESS)를 이용한 스마트 그리드 사업이 주목을 받고 있다.
이러한 전기자동차 및 신재생 에너지 분야를 포함한 산업 전반에서, 안정된 전원 공급과 충전이 가능한 2차 전지를 채택하여 활용하는 범위가 확산되고 있는 바, 이에 따라 배터리를 보다 효율적으로 사용하고 관리하기 위한 배터리 관리 시스템에 관한 기술의 중요성도 점차 증가되고 있다.
기본적으로 배터리는 충방전을 반복함에 따라 노화되며, 다른 여러 가지 요인(배터리의 온도, 충전방법, 전류변화, 방전심도(Depth of Discharge) 등)으로 인해 배터리의 노화는 더 빨리 진행되기도 한다. 배터리 관리 시스템이 배터리를 최적으로 관리하고 운영하기 위해서는 배터리의 노화에 따른 수명을 정확하게 추정할 필요가 있다. 특히, 배터리 관리 시스템이 배터리의 충전 또는 방전 출력 및 잔존 용량(State of Charging; SOC) 사용 전략을 적절하게 조정하기 위해서는 배터리의 수명(State of Health; SOH)를 정확하게 예측할 수 있어야 한다.
배터리의 수명을 추정하는 선행기술로는 다음과 같은 기술들이 있다.
선행기술 1은, 배터리 충방전 횟수를 카운트하여 배터리 제조사가 보증한 충방전 횟수에 대비하여 해당 배터리의 노화도 및 수명을 예측하는 기술이다. 그러나, 실제 기계장치에 사용하는 배터리는 완전한 충전과 완전한 방전 형태의 명확한 충방전 사이클로 종료되지 아니하며, 일부 충전한 상태로 방전하기도 하고, 일부 방전하다가 다시 충전하기도 하므로, 정확한 충방전 횟수의 카운팅이 불가능하다. 따라서, 배터리 충방전 횟수를 기반으로 하여 배터리의 노화도 및 수명을 정확하게 추정하기에는 한계가 있다.
선행기술 2로서 한국공개특허 제2011-0084633호 "배터리의 수명 예측 장치 및 방법"은, 배터리의 OCV-SOC Table을 사용하여 측정된 전압, 전류 및 온도에 해당하는 OCV(Open Circuit Voltage)와 SOC(State Of Charge)를 계산하며, 배터리의 일정시간 동안의 전류 적산량과 계산된 SOC를 이용하여 배터리의 수명을 예측한다. 그러나, 이러한 선행기술 2는 배터리의 OCV-SOC 테이블이 배터리의 용량 열화 상태에 따라 달라질 수 있기 때문에, 배터리의 열화 상태에 따른 OCV-SOC 테이블의 불확실성으로 인해 배터리의 수명 추정값을 정확하게 추정하는 것이 불가능한 문제점이 있다.
선행기술 3으로서 한국등록특허 제0740113호 "배터리 수명 판정 방법 및 이를 이용한 배터리 관리시스템"는, 복수의 전지 셀이 하나의 팩으로 형성된 배터리 팩에 대해 팩 전류와 팩 전압을 측정하여 팩 내부저항을 산출하고, 산출된 팩 내부저항을 이용하여 해당 배터리 팩의 최대 출력을 산출하며, 산출된 최대 출력과 기준 출력을 비교하여 배터리의 수명을 추정한다.
선행기술 4로서, 대한민국 공개출원 제2012-0075756호 "2차 전지의 잔존수명 연산 방법 및 장치"에서는, 전지의 내부저항, 잔존용량(SOC), 컨덕턴스 등의 파라미터를 이용하여 배터리의 수명을 산출하는 기술이 기재된다.
그러나, 배터리 전류와 배터리 전압을 기반으로 산출되는 내부저항은 실제 내부저항과 접촉저항으로 이루어지며, 이중 접촉저항은 배터리의 열화가 아닌 배터리와 배선의 접촉 상태에 따라 달라지기 때문에 전류와 전압을 기반으로 배터리의 열화에 따른 내부저항을 정확하게 계산하기는 매우 어렵다. 또한, 그 내부저항을 기반으로 잔존용량을 계산하거나 배터리의 수명을 정확하게 추정하기는 매우 어렵다. 따라서, 보다 정확하고 신뢰도가 높은 배터리의 수명을 추정하는 방법이 필요하다.
이 발명의 목적은 상술한 종래기술의 필요성을 충족시키기 위하여 안출된 것으로서, 배터리팩의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간 정보를 특정 주기마다 누적하여 저장하고, 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화를 기반으로 배터리팩의 수명을 추정하는 장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 배터리팩의 수명 추정 장치는, 배터리팩을 구성하는 각 배터리셀의 셀 전압을 측정하는 셀전압측정부와 상기 각 배터리셀의 셀 전압을 기반으로 셀 밸런싱 기능을 수행하는 셀밸런싱부를 포함하는 배터리 관리 시스템에서 배터리팩의 수명 추정 장치에 있어서,
상기 셀밸런싱부로부터 밸런싱 대상 셀 개수와 셀 밸런싱 시간 중 적어도 하나의 정보를 입력받아 메모리에 저장하는 셀밸런싱이력저장부와,
상기 메모리에 저장된 상기 밸런싱 대상 셀 개수와 셀 밸런싱 시간 중 적어도 하나의 정보를 기반으로 상기 배터리팩의 SOH(State Of Health)를 산출하는 SOH산출부를 포함한 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 이 발명에 따르면, 이 발명은 배터리팩의 셀 밸런싱 대상 셀 개수 및 셀 밸런싱 시간 정보를 이산적으로 저장하고 이를 기반으로 배터리팩의 SOH를 산출하기 때문에, 보다 적은 데이터를 기반으로 하여 보다 정확하게 배터리팩의 수명을 추정할 수 있는 잇점이 있다.
도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 수명 추정 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 수명 추정 방법을 도시한 동작 흐름도이다.
이하, 이 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 이 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 이 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 이 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 이 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다.
통상적으로 배터리 관리 시스템은 배터리팩의 상태를 모니터링하여 최적의 조건에서 유지/사용할 수 있도록 배터리팩을 자동 관리하고, 배터리팩의 교체시기를 예측하며, 문제가 발생된 배터리 셀 등을 사전에 발견하는 등의 기능을 수행한다.
리튬 계열 배터리팩은 다수의 배터리셀들이 직병렬로 연결되어 구성된다. 이러한 배터리팩은 다양한 사용 환경 및 배터리 내부저항 등의 이유로 인해 각 셀별로 충전되는 시간이 다르고, 이로 인해 동일 시간 동안의 충전량 등에서 차이가 발생한다. 이와 같이 충전전압이 언밸런싱된 상태로 배터리팩이 사용되면, 배터리팩 중 일부만이 방전정지전압에 도달하게 되어 배터리팩 동작이 정지하게 된다. 또한, 일부 배터리셀들의 충전전압이 다른 배터리셀들의 충전전압과 언밸런싱 상태가 계속되면 불량 셀들이 발생하게 되고, 이 불량 셀들이 배터리팩 전체에 악영향을 미쳐서 결국 배터리팩 전체를 사용하지 못하게 되는 문제점이 있다.
이 때문에 리튬 계열 배터리팩의 관리 시스템에는 다수의 배터리셀간 전압차를 감소시키는 셀 밸런싱 기능이 포함된다. 셀 밸런싱 방법에는 낮은 배터리 셀 전압을 기준으로 높은 배터리 셀 전압을 소비하는 수동 셀 밸런싱과, 높은 배터리 셀 전압을 낮은 배터리 셀으로 충전하는 능동 셀 밸런싱으로 구분된다.
현재 제품에 주로 적용되는 수동 셀 밸런싱 기술은, 배터리팩 충전시 배터리팩을 구성하는 모든 배터리 셀들이 과충전되는 것을 방지하면서 만충전전압까지 충전되도록 제어한다. 이러한 셀 밸런싱 기술의 일 예를 상세하게 설명하면, 배터리팩 충전시 각각의 배터리셀들의 충전전압을 측정하고, 모든 배터리셀들의 충전전압에 대해 평균값을 연산한다.
충전전압 평균값과의 오차가 임계오차(예컨대, 0.02V ~ 0.05V의 설정값) 미만인 배터리셀들은 정상으로 판단하고, 충전전압 평균값과의 오차가 임계오차 이상인 배터리셀들은 비정상상태이므로 벨런싱이 필요하다 판단하여 각 셀에 매칭된 저항을 통하여 방전을 실시한다. 충전전압 평균값 대비 오차가 기준오차(예컨대, 0.02V) 미만이 되도록 한다.
신규 배터리팩의 경우, 그 배터리팩을 구성하는 모든 배터리셀들의 셀 상태가 건전하고 특성이 유사하기 때문에 모든 배터리셀들이 거의 동시에 충전 및 방전되며, 이로 인해 셀 밸런싱이 거의 필요없다. 그러나, 각 배터리셀의 특성 및 팩 내에서의 위치에 따라 각 배터리셀의 열화 속도가 다르며, 이 경우 배터리셀이 충전되고 방전되는데 시간차가 발생한다. 이러한 직렬 연결된 배터리셀 간의 전압 산포로 인하여 셀 밸런싱이 필요하게 된다. 이 발명의 이 발명의 명세서에서는 이 전압산포가 정상범위를 벗어난 배터리셀을 밸런싱 대상 셀이라 명명한다.
배터리팩을 사용하면 할수록 밸런싱 대상 셀의 개수는 점차적으로 증가한다. 그리고, 밸런싱 대상 셀 개수가 증가함에 따라 셀 밸런싱에 소요되는 시간(모든 배터리셀들에 대해 충전전압 평균값과의 오차가 0.05V ~ 0.1V 이상에서 0.02V 미만으로 줄어드는데 소요되는 시간)도 증가하게 된다.
이 발명은 이러한 기술적 배경하에 도출된 것으로서, 설정된 주기마다 밸런싱 대상 셀 개수 및 셀 밸런싱 시간의 이력을 누적하여 저장하고, 저장된 이력을 기반으로 밸런싱 대상 셀 개수 및 셀 밸런싱 시간의 변화 정보를 도출하며 이를 기반으로 배터리팩의 수명을 추정한다.
도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 수명 추정 장치를 도시한 구성도이다.
배터리 관리 시스템은, 배터리팩(11)을 구성하는 각 배터리셀의 셀 전압을 측정하는 셀전압측정부(12)와, 상기 각 배터리셀의 셀 전압을 기반으로 셀 밸런싱 기능을 수행하는 셀밸런싱부(13)와, 이 발명에 따른 배터리팩의 수명 추정장치를 포함한다. 여기서, 셀밸런싱부(13)는 충전전압 평균값과의 오차가 임계오차(예컨대, 0.05V) 미만인 배터리셀들의 충전을 중지한 상태에서, 충전전압 평균값과의 오차가 임계오차 이상인 배터리셀들만 충전을 계속하여 충전전압 평균값 대비 오차가 기준오차(예컨대, 0.02V) 미만이 될 때 충전을 중지함으로써, 모든 배터리셀들에 대해 과충전을 방지하면서 만충전되도록 제어한다.
이 발명에 따른 배터리팩의 수명 추정장치는, 셀밸런싱부(13)에서 셀 밸런싱이 수행될 때 밸런싱 대상 셀 개수 정보를 메모리(15)에 저장하는 셀밸런싱이력저장부(14)와, 상기 메모리(15)에 저장된 밸런싱 대상 셀 개수 정보를 기반으로 배터리팩(11)의 SOH를 추정하는 SOH산출부(16)를 포함한다. 상기 셀밸런싱이력저장부(14)는 상기 밸런싱 대상 셀에 대해 셀 밸런싱이 이루어진 시간 정보를 메모리(15)에 더 저장하고, SOH산출부(16)는 메모리(15)에 저장된 셀 밸런싱 시간 정보를 기반으로 배터리팩(11)의 SOH를 추정할 수 있다. 여기서, 셀 밸런싱 시간은 밸런싱 대상 셀들의 셀 밸런싱 시간을 누적한 값일 수도 있고, 셀 밸런싱 대상 셀들의 셀 밸런싱 시간의 평균값 또는 최대값일 수도 있다.
상기 셀밸런싱이력저장부(14)는 기설정된 주기마다 상기 셀밸런싱부(13)로부터 상기 셀 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간을 수신하여 상기 메모리(15)에 저장한다. 예컨대, 제조사에서 보증하는 배터리팩의 수명이 9000시간인 경우, 주기를 100시간으로 설정할 수 있으며, 이때 100시간마다 셀 밸런싱이 수행될 때의 밸런싱 대상 셀 개수 정보 또는 셀 밸런싱 시간을 메모리(15)에 저장한다. 이와 같이 기설정된 주기마다 이산적으로 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간 정보를 저장하면, 상대적으로 적은 데이터 용량으로, 배터리팩 초기 설치시의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간 정보뿐만 아니라 배터리팩 열화에 따른 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화 정보를 모두 알 수 있는 잇점이 있다.
매 주기마다 적어도 둘 이상의 셀 밸런싱 대상 셀 개수 정보와 적어도 둘 이상의 셀 밸런싱 시간 정보를 획득하여, 각각 그 평균값을 저장할 수도 있다.
SOH산출부(16)는 메모리(15)에 저장된 셀 밸런싱 대상 셀 개수 정보 또는 셀 밸런싱 시간 정보를 기반으로 배터리팩(11)의 SOH를 추정한다. 셀 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간이 기준 개수 또는 기준 시간을 비교하여 배터리팩의 SOH를 추정할 수 있다. 또는, SOH산출부(16)는 메모리에 누적 저장된 정보를 기반으로 셀 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화를 기반으로 SOH를 추정할 수 있다.
통상 배터리팩의 열화가 어느 정도 진행될 때까지는 밸런싱 대상 셀 개수나 셀 밸런싱 시간에 변화량이 크지 않다가 특정 열화 시점이 지나면 밸런싱 대상 셀 개수와 셀 밸런싱 시간이 급격하게 증가한다.
SOH산출부(16)는 초기 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간 대비 현 주기에서의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화 정도를 기준으로 SOH를 추정할 수 있다. 예컨대, 초기 밸런싱 대상 셀 개수가 4개이고 셀 밸런싱 시간이 4시간인데 반해, 현 주기에서의 밸런싱 대상 셀 개수가 20개이고 셀 밸런싱 시간이 30시간인 경우, 밸런싱 대상 셀 개수는 16개 증가하고 셀 밸런싱 시간은 26시간 증가한 것인 바, 이러한 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간 변화 정도를 기반으로 SOH를 추정할 수 있다.
또는, SOH산출부(16)는 이전 주기에서의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화율 대비 현 주기에서의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화율의 변화 정도를 기준으로 SOH를 추정할 수 있다. 예컨대, 현 주기가 n 주기라고 가정하자. n-3주기에서 밸런싱 대상 셀 개수는 10개이고 셀 밸런싱 시간은 12시간이고, n-2주기에서 밸런싱 대상 셀 개수는 10개이고 셀 밸런싱 시간은 13시간이고, n-1주기에서 밸런싱 대상 셀 개수는 11개이고 셀 밸런싱 시간은 13시간인데 반해, 현 주기에서 밸런싱 대상 셀 개수가 20개이고 셀 밸런싱 시간이 25시간인 경우, 현 주기에서의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화율은 이전 주기에서의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화율보다 급격하게 증가한다. 따라서, SOH산출부(16)는 현 주기에서의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화율의 변화 정도를 기준으로 SOH를 추정한다.
도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 수명 추정 방법을 도시한 동작 흐름도이다.
셀밸런싱이력저장부(14)에 셀 밸런싱 이력 수집 주기를 설정한다(S21).
셀밸런싱부(13)에서 셀 밸런싱이 수행되면(S22), 셀밸런싱이력저장부(14)는 밸런싱 대상 셀 개수와 셀 밸런싱 시간 중 적어도 하나의 정보를 메모리(15)에 저장한다(S23).
이후, SOH 요청이 있으면(S24), SOH산출부(16)는 메모리에 저장된 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간 정보를 기반으로 배터리팩의 SOH를 산출하고(S25), 산출된 SOH를 출력한다(S26).
단계 S21에서 설정된 주기가 도래하였는지 판단하여(S27), 단계 S22부터 반복 수행한다. 단계 S21에서 설정된 주기가 되지 않은 경우, 단계 S24부터 반복 수행한다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
11 : 배터리팩 12 : 셀전압측정부
13 : 셀밸런싱부 14 : 셀밸런싱이력저장부
15 : 메모리 16 : SOH산출부

Claims (7)

  1. 배터리팩을 구성하는 각 배터리셀의 셀 전압을 측정하는 셀전압측정부와 상기 각 배터리셀의 셀 전압을 기반으로 셀 밸런싱 기능을 수행하는 셀밸런싱부를 포함하는 배터리 관리 시스템에서 배터리팩의 수명 추정 장치에 있어서,
    상기 셀밸런싱부로부터 기설정된 주기마다 적어도 둘 이상의 셀 밸런싱 시간 정보를 입력받고 상기 입력된 둘 이상의 셀 밸런싱 시간의 평균값을 메모리에 저장하는 셀밸런싱이력저장부와,
    상기 메모리에 저장된 상기 셀 밸런싱 시간의 평균값 정보를 기반으로 상기 배터리팩의 SOH(State Of Health)를 산출하는 SOH산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 수명 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 밸런싱 시간은 셀 밸런싱 기능이 수행될 때 밸런싱 대상 셀들의 셀 밸런싱에 소요된 시간을 누적한 값인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 수명 추정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 밸런싱 시간은 셀 밸런싱 기능이 수행될 대 밸런싱 대상 셀들의 셀 밸런싱에 소요된 시간들 중 최대값인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 수명 추정 장치.
  4. 삭제
  5. 배터리팩을 구성하는 각 배터리셀의 셀 전압을 측정하는 셀전압측정부와 상기 각 배터리셀의 셀 전압을 기반으로 셀 밸런싱 기능을 수행하는 셀밸런싱부를 포함하는 배터리 관리 시스템에서 배터리팩의 수명 추정 장치에 있어서,
    상기 셀밸런싱부로부터 기설정된 주기마다 적어도 둘 이상의 밸런싱 대상 셀 개수 정보를 입력받고 입력된 둘 이상의 밸런싱 대상 셀 개수의 평균값을 메모리에 저장하는 셀밸런싱이력저장부와,
    상기 메모리에 저장된 상기 밸런싱 대상 셀 개수의 평균값의 변화를 기반으로 상기 배터리팩의 SOH(State Of Health)를 산출하는 SOH산출부를 포함한 것을 특징으로 하는 배터리팩의 수명 추정 장치.
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