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KR102527327B1 - 배터리의 온도 추정 장치 및 방법, 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

배터리의 온도 추정 장치 및 방법, 배터리 관리 장치 및 방법 Download PDF

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KR102527327B1
KR102527327B1 KR1020150142428A KR20150142428A KR102527327B1 KR 102527327 B1 KR102527327 B1 KR 102527327B1 KR 1020150142428 A KR1020150142428 A KR 1020150142428A KR 20150142428 A KR20150142428 A KR 20150142428A KR 102527327 B1 KR102527327 B1 KR 102527327B1
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battery
charge
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temperature
state
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임주완
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삼성전자주식회사
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Abstract

배터리의 온도 추정 장치 및 방법, 배터리 관리 장치 및 방법이 개시된다. 배터리의 온도 추정 장치는 배터리에 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 측정된 위상차 및 배터리의 충전 상태(State of Charge: SOC)를 기반으로 배터리의 내부 온도를 추정할 수 있다.

Description

배터리의 온도 추정 장치 및 방법, 배터리 관리 장치 및 방법{Apparatus and method for temperature estimating of battery, apparatus and method for managing battery}
배터리 관리 기술에 관한 것으로, 특히 배터리의 온도 추정 장치 및 방법, 배터리 관리 장치 및 방법과 관련된다.
이차 전지는 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 동력원으로 사용되기 위하여 고출력 대용량으로 형성된다. 다수의 이차 전지들은 직렬 또는 병렬로 연결되어 중대형 배터리 팩으로 사용하고 있다. 이러한 고출력 대용량 배터리 팩은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 이 과정에서 발생한 열은 배터리를 발화 또는 폭발하게 할 수 있다.
따라서 이러한 배터리의 내부 온도를 정확히 측정하기 위한 연구가 계속되고 있다.
배터리의 온도 추정 장치 및 방법, 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 배터리의 온도 추정 장치는, 배터리에 소정 주파수의 AC 전원을 인가하는 AC 전원부와, 상기 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하는 위상차 측정부와, 상기 측정된 위상차 및 상기 배터리의 충전 상태(State of Charge: SOC)를 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정하는 내부 온도 추정부를 포함할 수 있다.
상기 AC 전원은 AC 전류원 또는 AC 전압원일 수 있다.
상기 소정 주파수는 상기 배터리의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수일 수 있다.
상기 소정 주파수는 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 다양한 주파수의 AC 전원을 인가하고, 각 주파수별로 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 상기 배터리에 인가된 AC 전원의 다양한 주파수 중에서, 내부 온도 및 충전 상태에 따른 위상차의 구분이 가장 명확한 주파수를 선택함으로써 미리 결정될 수 있다.
상기 내부 온도 추정부는 위상차, 배터리의 충전 상태 및 배터리의 내부 온도와의 관계를 정의한 온도 추정식을 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정할 수 있다.
상기 온도 추정식은 상기 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 상기 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 상기 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 상기 배터리의 AC 전류와 AC 전압의 위상차를 측정하고, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시킴으로써 도출될 수 있다.
배터리의 온도 추정 장치는 상기 배터리의 표면 온도를 측정하는 표면 온도 측정부를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른 배터리의 온도 추정 방법은, 배터리에 소정 주파수의 AC 전원을 인가하는 단계와, 상기 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하는 단계와, 상기 측정된 위상차 및 상기 배터리의 충전 상태(State of Charge: SOC)를 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 AC 전원은 AC 전류원 또는 AC 전압원일 수 있다.
상기 소정 주파수는 상기 배터리의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수일 수 있다.
상기 소정 주파수는 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 다양한 주파수의 AC 전원을 인가하고, 각 주파수별로 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 상기 배터리에 인가된 AC 전원의 다양한 주파수 중에서, 내부 온도 및 충전 상태에 따른 위상차의 구분이 가장 명확한 주파수를 선택함으로써 미리 결정될 수 있다.
상기 배터리의 내부 온도를 추정하는 단계는 위상차, 배터리의 충전 상태 및 배터리의 내부 온도와의 관계를 정의한 온도 추정식을 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정할 수 있다.
상기 온도 추정식은 상기 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 상기 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 상기 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 상기 배터리의 AC 전류와 AC 전압의 위상차를 측정하여, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시킴으로써 도출될 수 있다.
또 다른 양상에 따른 배터리 관리 장치는, 소정 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하여 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 측정된 위상차 및 배터리의 충전 상태를 기반으로 배터리의 내부 온도를 추정하는 온도 추정부와, 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부와, 상기 배터리의 전류를 측정하는 전류 측정부와, 상기 추정된 배터리의 내부 온도, 상기 측정된 배터리의 전압, 및 상기 측정된 배터리의 전류를 기반으로 배터리를 관리하는 배터리 관리부를 포함할 수 있다.
상기 소정 주파수는 상기 배터리의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수일 수 있다.
상기 소정 주파수는 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 다양한 주파수의 AC 전원을 인가하고, 각 주파수별로 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 상기 배터리에 인가된 AC 전원의 다양한 주파수 중에서, 내부 온도 및 충전 상태에 따른 위상차의 구분이 가장 명확한 주파수를 선택함으로써 미리 결정될 수 있다.
상기 온도 추정부는 위상차, 배터리의 충전 상태 및 배터리의 내부 온도와의 관계를 정의한 온도 추정식을 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정할 수 있다.
상기 온도 추정식은 상기 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 상기 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 상기 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 상기 배터리의 AC 전류와 AC 전압의 위상차를 측정하여, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시킴으로써 도출될 수 있다.
상기 배터리 관리부는 상기 추정된 배터리의 내부 온도, 상기 측정된 배터리의 전압, 및 상기 측정된 배터리의 전류를 기반으로 상기 배터리의 충전 상태 및 수명 상태를 추정할 수 있다.
상기 배터리 관리부는 상기 추정된 배터리의 내부 온도, 상기 측정된 배터리의 전압, 및 상기 측정된 배터리의 전류를 기반으로 배터리의 열 제어를 수행하거나 배터리의 전압 또는 전류를 조절할 수 있다.
별도의 온도 센서 없이 AC 위상차 및 배터리의 충전 상태를 기반으로 배터리의 내부 온도를 추정함으로써 배터리의 내부 온도 추정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 배터리 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 2는 온도 추정 장치의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 AC 전원의 주파수를 결정하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 온도 추정식을 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 온도 추정 장치의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 6은 배터리 관리 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 7은 배터리의 온도 추정 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 8은 배터리 관리 방법의 다른 실시예를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 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.
도 1은 배터리 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 시스템(100)은 배터리(110) 및 배터리 관리 장치(120)를 포함할 수 있다.
배터리(110)는 배터리 시스템(100)이 탑재된 장치에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(110)는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 여기서 배터리 팩은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 포함할 수 있고, 각 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이때, 각 배터리 모듈 또는 각 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리 등의 2차 전지일 수 있다. 또한, 각 배터리 모듈의 용량은 서로 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다.
배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)의 상태를 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라 배터리를 관리할 수 있다. 이를 위해 배터리 관리 장치(120)는 온도 추정부(121), 전압 측정부(122), 전류 측정부(123) 및 배터리 관리부(124)를 포함할 수 있다.
온도 추정부(121)는 소정 주파수의 AC 전원을 배터리(110)에 인가하여 배터리(110)에 흐르는 AC 전류와 배터리(110)에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정하고, 측정된 위상차와 배터리(110)의 충전 상태(State of Charge: SOC)를 기반으로 배터리(110)의 내부 온도를 추정할 수 있다. 이때, AC 전원은 AC 전류원 또는 AC 전압원일 수 있으며, 배터리(110)의 충전 상태는 배터리(110)의 완전 충전 상태 또는 완전 방전 상태의 값, 또는 배터리 관리부(124)에서 1차적으로 추정된 충전 상태 값일 수 있다.
온도 추정부(121)에 대한 자세한 설명은 도 2를 참조하여 후술하기로 한다.
전압 측정부(122)는 배터리(110)의 전압을 측정하고, 전류 측정부(123)는 배터리(110)의 전류를 측정할 수 있다. 이때, 전압 측정부(122)에서 측정한 전압은 DC 전압일 수 있으며, 전류 측정부(123)에서 측정한 전압은 DC 전류일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전류 측정부(123)는 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하고 측정된 전류에 대응하는 아날로그 전류 신호로 출력하는 홀 CT(Hall current transformer)를 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전류 측정부(123)는 전류를 센싱할 수 있는 다른 소자를 포함하는 것도 가능하다.
배터리 관리부(124)는 배터리(110)의 내부 온도, 전압 및 전류 등을 기반으로 복수 개의 배터리 모듈의 충전 상태(State of Charge: SOC), 수명 상태(State of Health: SOH) 등을 추정할 수 있다. 여기서, 충전 상태는 배터리(110)에 충전된 전하량에 대한 정보를 나타내고, 수명 상태는 배터리(110)의 성능이 제조 시에 비해 어느 정도 열화되었는지에 대한 정보를 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(124)는 전류 적산법(Coulomb counting), 등가회로 모델 기법, 전기화학 모델 기법, 및 데이터 기반 기법 등을 통해 배터리(110)의 충전 상태를 추정할 수 있다. 그러나, 상술한 방법들은 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 관리부(124)는 다양한 방법으로 배터리(110)의 충전 상태를 추정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(124)는 배터리(110)의 개방 전압을 측정하여 수명 상태를 추정하는 OCV(Open Circuit Voltage) 기법 또는 배터리(110)의 내부 저항을 측정하여 SOH를 추정하는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 기법 등을 이용하여 배터리(120)의 수명 상태를 추정할 수 있다. 그러나, 상술한 방법들은 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 관리부(124)는 다양한 방법으로 배터리(110)의 수명 상태를 추정할 수 있다.
배터리 관리부(124)는 온도 추정부(121)에서 추정된 배터리(110)의 내부 온도, 전압 측정부(122)에서 측정된 배터리(110)의 전압, 및 전류 측정부(123)에서 측정된 배터리(110)의 전류를 기반으로 배터리(110)의 내부 온도 및 전압이 설정된 범위 내로 유지될 수 있도록 cooling system 또는 heating system을 제어하여 배터리(110)의 열 제어를 수행하거나, 배터리(110)의 전압 또는 전류를 조절할 수 있다. 또한, 배터리 관리부(124)는 배터리(110)의 과충전 및 과방전을 방지하고, 셀 밸런싱을 수행하여 배터리에 포함된 복수 개의 배터리 모듈간의 충전 상태가 균등하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 배터리의 에너지 효율이 높아지고, 배터리의 수명이 연장될 수 있다.
배터리 관리부(124)는 배터리(110)의 충전 상태 및 수명 상태를 전자 제어 장치(Electronic Control Unit: ECU)(130)에 제공할 수 있다. 이때, 배터리 관리부(124)는 CAN(Controller Area Network) 통신을 이용하여 전자 제어 장치(130)와 통신할 수 있다.
도 2는 온도 추정 장치의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
온도 추정 장치(200)는 도 1의 온도 추정부(121)의 일 실시예일 수 있다.
도 2를 참조하면, 온도 추정 장치(200)는 AC 전원부(210), 위상차 측정부(220), 내부 온도 추정부(230) 및 저장부(240)를 포함할 수 있다.
AC 전원부(210)는 배터리(110)에 소정 주파수의 AC 전원을 인가할 수 있다. AC 전원은 AC 전류원 및 AC 전압원 중 하나일 수 있다.
인가될 AC 전원의 주파수는 배터리(110)의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수로서 실험적으로 미리 결정될 수 있다. 예컨대, 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 배터리에 다양한 주파수(예컨대, 10Hz ~ 10000Hz)의 AC 전원을 인가하고, 각 주파수별로 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따라 배터리에 흐르는 AC 전류와 배터리에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정하여, 배터리에 인가된 다양한 주파수 중에서 내부 온도 및 충전 상태에 따른 위상차의 구분이 가장 명확한 주파수를 AC 전원의 주파수로 결정할 수 있다.
위상차 측정부(220)는 배터리(110)에 흐르는 AC 전류와 배터리(110)에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정할 수 있다.
내부 온도 추정부(230)는 위상차 측정부(220)에서 측정된 위상차 및 배터리(110)의 충전 상태를 기반으로 배터리(110)의 내부 온도를 추정할 수 있다. 여기서, 배터리(110)의 충전 상태는 배터리(110)의 완전 충전 상태 또는 완전 방전 상태의 값, 또는 배터리 관리부(124)에서 1차적으로 추정된 충전 상태 값일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 내부 온도 추정부(230)는 온도 추정식을 통하여 배터리(110)의 내부 온도를 추정할 수 있다. 온도 추정식은 소정 주파수의 AC 전원을 인가하였을 때 배터리(110)에 흐르는 AC 전류와 배터리(110)에 걸리는 AC 전압의 위상차, 배터리(110)의 충전 상태, 및 배터리(110)의 내부 온도와의 관계를 정의한 식으로 실험적으로 미리 도출될 수 있다. 예컨대, 온도 추정식은 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 배터리에 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따라 배터리에 흐르는 AC 전류와 배터리에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정하여, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시킴으로써 미리 도출될 수 있다.
저장부(240)는 온도 추정 장치(200)의 처리 및 제어를 위한 프로그램을 저장을 저장할 수 있다. 또한, 저장부(240)는 배터리(110)의 내부 온도 추정에 사용되는 온도 추정식, 위상차 측정부(220)에서 측정된 AC 전류와 AC 전압의 위상차 정보, 및 내부 온도 추정부(230)에서 추정된 배터리(110)의 내부 온도 등을 저장할 수 있다.
저장부(240)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory: RAM) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory: ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
도 3은 AC 전원의 주파수를 결정하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
배터리의 임피던스로는 전극(양극과 음극)에서의 전기 화학 반응에 의한 임피던스, 음극 전극 표면 SEI(Solid Electrolyte Interphase)에서 일어나는 이온 전달 임피던스, 전해질에서의 이온 이동에 의한 임피던스와, 전극 및 집전체 등 도전제에서 발생하는 전자 임피던스 등이 있다. 이중 전극(양극과 음극)에서의 전기 화학 반응에 의한 임피던스는 특정 주파수 이하의 AC 영역에서 나타나게 되며, 활물질 내 Li 농도, 온도, 열화 정도, 전극 표면에서의 Li 농도 구배 등 여러가지 변수에 의해 영향을 받는다. 즉, 특정값 이상의 높은 주파수의 AC에서는 전극(양극과 음극)에서의 전기 화학 반응에 의한 임피던스가 거의 영향을 미치지 않으므로 그에 의한 영향을 최소화할 수 있다. 예컨대, 3300 mAh 급 18650 셀의 리튬 이온 배터리의 경우, 약 1000Hz의 주파수에서 전극(양극과 음극)에서의 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있다.
전극(양극과 음극)에서의 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수는 배터리의 크기와 용량에 따라 다르게 나타날 수 있다. 배터리의 경우 전극 활물질 양이 많을수록 용량이 커지고 저항은 작아진다. 이와 같이 배터리의 크기와 용량이 커질 경우 전극(양극과 음극)에서의 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수는 작아진다.
일 실시예에 따르면, AC 전원의 주파수는 배터리의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수로서 실험적으로 미리 결정될 수 있다. 예컨대, 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 배터리에 다양한 주파수(예컨대, 10Hz ~ 10000Hz)의 AC 전원을 인가하고, 각 주파수별로 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따라 배터리에 흐르는 AC 전류와 배터리에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정하여, 배터리에 인가된 다양한 주파수 중에서 내부 온도 및 충전 상태에 따른 위상차의 구분이 가장 명확한 주파수를 AC 전원의 주파수로 결정할 수 있다.
도 3을 참조하면, 참조번호 310은 10000Hz 주파수의 AC 전원을 다양한 충전 상태 및 다양한 내부 온도의 배터리에 인가하였을 때 측정된 위상차를 나타내고, 참조번호 320은 1000Hz 주파수의 AC 전원을 다양한 충전 상태 및 다양한 내부 온도의 배터리에 인가하였을 때 측정된 위상차를 나타내고, 참조번호 330은 100Hz 주파수의 AC 전원을 다양한 충전 상태 및 다양한 내부 온도의 배터리에 인가하였을 때 측정된 위상차를 나타내고, 참조번호 340은 10Hz 주파수의 AC 전원을 다양한 충전 상태 및 다양한 내부 온도의 배터리에 인가하였을 때 측정된 위상차를 나타낸다.
도 3의 예의 경우, 10000Hz 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하였을 경우(310)에 측정된 내부 온도별 위상차(특히, 60 ℃, 45 ℃, 25 ℃, 0 ℃)는 배터리의 SOC가 증가할수록 구분이 모호해지고, 10Hz 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하였을 경우(340)에 측정된 내부 온도별 위상차(특히, 60 ℃, 45 ℃) 역시 배터리의 SOC가 증가할수록 구분이 모호해진다.
반면, 1000Hz 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하였을 경우(320)와 100Hz 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하였을 경우(330)는 내부 온도별 위상차의 구분이 비교적 명확하다. 그러나, 1000Hz 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하였을 경우(320)와 100Hz 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하였을 경우(330)를 비교하면, 100Hz 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하였을 경우(330)보다 1000Hz 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하였을 경우(320)의 내부 온도별 위상차의 구분이 더욱 명확하다.
따라서, 온도별 위상차의 구분이 가장 명확한 1000Hz 주파수를 배터리의 내부 온도 추정에 사용되는 AC 전원의 수파수로 결정할 수 있다.
도 4는 온도 추정식을 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 온도 추정식을 도출하는 방법은 먼저, 배터리를 상온에서 완전 충전을 한다(410).
그 후, 측정하고자하는 배터리의 내부 온도를 설정한다(420). 예컨대, -20 ℃ ~ 60 ℃ 사이의 온도 중에서 측정하고자 하는 배터리의 내부 온도를 설정할 수 있다.
그 후, 소정 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가한다(430). 이때, AC 전원은 AC 전류원 및 AC 전압원 중 하나일 수 있다. 또한, AC 전원의 주파수(소정 주파수)는 배터리의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수로서 실험적으로 미리 결정될 수 있다.
그 후, 배터리에 흐르는 AC 전류 및 배터리에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정한다(440).
그 후, 배터리의 충전 상태를 판단하여 배터리의 완전 방전 여부를 판단한다(450).
단계 450의 판단 결과, 배터리가 완전 방전되지 않은 경우 배터리를 일정량 방전하고(460), 단계 430으로 돌아가 소정 주파수의 AC 전원을 일정량 방전된 상태의 배터리에 인가한 후, 배터리에 흐르는 AC 전류 및 배터리에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정한다(440). 이를 통해, 소정의 주파수의 특정 내부 온도에 대하여 다양한 배터리 충전 상태에 따른 위상차를 측정할 수 있다.
단계 450의 판단 결과 배터리가 완전 방전된 경우, 소정의 범위내의 소정 간격의 모든 배터리 내부 온도에 대해, 배터리 충전 상태별 위상차를 측정하였는지 여부를 판단한다(470). 예컨대, -20 ℃ ~ 60 ℃의 범위내 5 ℃ 간격의 모든 배터리 내부 온도에 대해 배터리 충전 상태별 위상차를 측정하였는지 여부를 판단할 수 있다. 이는 온도 추정식을 산출할 수 있을 만큼의 충분한 온도별 위상차 데이터를 확보하기 위한 것으로, 시스템의 성능 또는 용도에 따라 온도의 범위 및 간격은 변경될 수 있다.
단계 450의 판단 결과, 소정의 범위내의 소정 간격의 모든 배터리 온도에 대해 배터리 충전 상태별 위상차를 측정하지 않은 경우, 단계 410으로 돌아간다. 이를 통해 소정의 주파수에서 다양한 배터리 내부 온도 및 다양한 배터리 충전 상태에 따른 위상차를 측정할 수 있다.
단계 450의 판단 결과, 소정의 범위내의 소정 간격의 모든 배터리 온도에 대해 배터리 충전 상태별 위상차를 측정한 경우, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시켜 온도 추정식을 도출한다(480).
한편, 도 4의 경우 배터리 완전 충전 후 배터리를 방전함으로써 배터리의 다양한 충전 상태에 따른 위상차를 측정하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 최초에 배터리를 완전 방전한 후 배터리를 충전함으로써 배터리의 다양한 충전 상태에 따른 위상차를 측정하는 것도 가능하다.
도 5는 온도 추정 장치의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
온도 추정 장치(500)는 도 1의 온도 추정부(121)의 다른 실시예일 수 있다.
도 5를 참조하면, 온도 추정 장치(500)는 도 2의 온도 추정 장치(200)에 비하여, 표면 온도 측정부(510)를 더 포함할 수 있다.
표면 온도 측정부(510)는 배터리(110)의 표면 온도를 측정할 수 있다. 이를 위해 표면 온도 측정부(510)는 배터리(110)의 표면에 부착되어 배터리의 표면 온도를 측정하는 다양한 온도 센서(예컨대, thermocouple)를 포함할 수 있다.
이 경우, 배터리 관리부(124)는 배터리의 표면 온도 및 내부 온도를 이용하여 배터리 내부의 최고 온도를 추정함으로써 위험 상황 발생 여부를 예측할 수 있다. 또한, 배터리 관리부(124)는 배터리 내부 최고 온도, 배터리 내부 평균 온도, 배터리 표면 온도 및 배터리의 전압을 설정된 범위 내로 유지될 수 있도록 cooling system 또는 heating system을 제어하여 배터리(110)의 열 제어를 수행하거나, 배터리(110)의 전압 또는 전류를 조절할 수 있다.
도 6은 배터리 관리 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 배터리 관리 장치(120)가 소정 주파수의 AC 전원의 인가에 따른 AC 전류 및 AC 전압의 위상차, 및 배터리(110)의 충전 상태를 기반으로 배터리의 내부 온도를 추정한다(610). 이때, AC 전원은 AC 전류원 또는 AC 전압원일 수 있으며, 배터리(110)의 충전 상태는 배터리(110)의 완전 충전 상태 또는 완전 방전 상태의 값, 또는 단계 640에서 추정된 충전 상태 값일 수 있다.
그 후, 배터리 관리 장치(120)가 배터리(110)의 전압을 측정하고(620), 배터리(110)의 전류를 측정한다(630). 이때, 배터리 관리 장치(120)가 측정한 전압 및 전류는 DC 전류 및 DC 전압일 수 있다.
그 후, 배터리 관리 장치(120)가 배터리(110)의 내부 온도, 전압 및 전류 등을 기반으로 배터리의 충전 상태(State of Charge: SOC), 수명 상태(State of Health: SOH) 등을 추정한다. 여기서, 충전 상태는 배터리(110)에 충전된 전하량에 대한 정보를 나타내고, 수명 상태는 배터리(110)의 성능이 제조 시에 비해 어느 정도 열화되었는지에 대한 정보를 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리 장치(120)는 전류 적산법(Coulomb counting), 등가회로 모델 기법, 전기화학 모델 기법, 및 데이터 기반 기법 등을 통해 배터리(110)의 충전 상태를 추정할 수 있다. 그러나, 상술한 방법들은 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 관리 장치(120)는 다양한 방법으로 배터리(110)의 충전 상태를 추정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)의 개방 전압을 측정하여 수명 상태를 추정하는 OCV(Open Circuit Voltage) 기법 또는 배터리(110)의 내부 저항을 측정하여 SOH를 추정하는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 기법 등을 이용하여 배터리(120)의 수명 상태를 추정할 수 있다. 그러나, 상술한 방법들은 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 관리 장치(120)는 다양한 방법으로 배터리(110)의 수명 상태를 추정할 수 있다.
그 후, 배터리 관리 장치(120)가 추정된 배터리(110)의 내부 온도, 측정된 배터리(110)의 전압, 측정된 배터리(110)의 전류, 추정된 배터리(110)의 충전 상태 및 수명 상태 중 적어도 하나를 기반으로 배터리(110)를 관리한다(650).
예컨대, 배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)의 내부 온도 및 전압이 설정된 범위 내로 유지될 수 있도록 cooling system 또는 heating system을 제어하여 배터리(110)의 열 제어를 수행하거나, 배터리(110)의 전압 또는 전류를 조절할 수 있다. 또한, 배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)의 과충전 및 과방전을 방지하고, 셀 밸런싱을 수행하여 배터리에 포함된 복수 개의 배터리 모듈간의 충전 상태가 균등하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 배터리의 에너지 효율이 높아지고, 배터리의 수명이 연장될 수 있다.
한편, 단계 640에서 추정된 배터리의 충전 상태 값은 단계 610의 배터리의 내부 온도 추정에 이용될 수 있다.
도 7은 배터리의 온도 추정 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 7의 배터리의 온도 추정 방법은 도 6의 배터리의 내부 온도 추정 단계(610)의 일 실시예일 수 있다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 온도 추정 장치(200)가 배터리(110)에 소정 주파수의 AC 전원을 인가한다(710). AC 전원은 AC 전류원 및 AC 전압원 중 하나일 수 있다.
AC 전원의 주파수는 배터리(110)의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수로서 실험적으로 미리 결정될 수 있다. 예컨대, 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 배터리에 다양한 주파수(예컨대, 10Hz ~ 10000Hz)의 AC 전원을 인가하고, 각 주파수별로 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따라 배터리에 흐르는 AC 전류와 배터리에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정하여, 배터리에 인가된 다양한 주파수 중에서 내부 온도 및 충전 상태에 따른 위상차의 구분이 가장 명확한 주파수를 AC 전원의 주파수로 결정할 수 있다.
그 후, 온도 추정 장치(200)가 배터리(110)에 흐르는 AC 전류와 배터리(110)에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정한다(720).
그 후, 온도 추정 장치(200)가 측정된 위상차 및 배터리(110)의 충전 상태를 기반으로 배터리(110)의 내부 온도를 추정한다(730).
일 실시예에 따르면, 온도 추정 장치(200)는 온도 추정식을 통하여 배터리(110)의 내부 온도를 추정할 수 있다. 온도 추정식은 소정 주파수의 AC 전원을 인가하였을 때 배터리(110)의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차, 배터리(110)의 충전 상태, 및 배터리(110)의 내부 온도와의 관계를 정의한 식으로 실험적으로 미리 산출될 수 있다. 예컨대, 온도 추정식은 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 배터리에 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따라 배터리에 흐르는 AC 전류와 배터리에 걸리는 배터리에 흐르는 AC 전류와 배터리에 걸리는 AC 전압의 위상차를 측정하여, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시킴으로써 미리 도출될 수 있다. 온도 추정식의 도출에 관한 구체적인 설명은 도 4를 참조하여 전술하였으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 배터리 관리 방법의 다른 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 도 8의 배터리 관리 방법은 도 6의 배터리 관리 방법에 비하여 단계 810을 더 포함할 수 있다.
단계 810에서 배터리 관리 장치(120)가 배터리의 표면 온도를 측정한다. 이를 위해 표면 배터리 관리 장치(120)는 배터리(110)의 표면에 부착되어 배터리의 표면 온도를 측정하는 다양한 온도 센서(예컨대, thermocouple)를 포함할 수 있다.
이 경우, 단계 650에서 배터리 관리 장치(120)는 배터리의 표면 온도 및 내부 온도를 이용하여 배터리 내부의 최고 온도를 추정하고, 배터리 내부 최고 온도, 배터리 내부 온도, 배터리 표면 온도 및 배터리의 전압을 설정된 범위 내로 유지될 수 있도록 cooling system 또는 heating system을 제어하여 배터리(110)의 열 제어를 수행하거나, 배터리(110)의 전압 또는 전류를 조절할 수 있다
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100: 배터리 시스템
110: 배터리
120: 배터리 관리 장치
130: 전자 제어 장치
121: 온도 추정부
122: 전압 측정부
123: 전류 측정부
124: 배터리 관리부
200, 500: 온도 추정 장치
210: AC 전원부
220: 위상차 측정부
230: 내부 온도 추정부
240: 저장부
510: 표면 온도 측정부

Claims (20)

  1. 배터리에 소정 주파수의 AC 전원을 인가하는 AC 전원부;
    상기 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하는 위상차 측정부; 및
    상기 측정된 위상차 및 상기 배터리의 충전 상태(State of Charge: SOC)를 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정하는 내부 온도 추정부; 를 포함하고,
    상기 소정 주파수는 상기 배터리의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수로, 상기 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 다양한 주파수의 AC 전원을 인가하고, 각 주파수별로 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 상기 배터리에 인가된 AC 전원의 다양한 주파수 중에서 내부 온도 및 충전 상태에 따른 위상차의 구분이 가장 명확한 주파수를 선택함으로써 미리 결정되고,
    상기 내부 온도 추정부는
    소정 범위 내의 소정 간격의 모든 배터리 내부 온도에 대해 배터리 충전 상태별 위상차를 측정하고, 측정된 위상차, 배터리 충전 상태 및 배터리의 내부 온도와의 관계를 정의한 온도 추정식을 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정하는
    배터리의 온도 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 AC 전원은 AC 전류원 또는 AC 전압원인 배터리의 온도 추정 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도 추정식은 상기 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 상기 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 상기 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 상기 배터리의 AC 전류와 AC 전압의 위상차를 측정하고, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시킴으로써 도출되는 배터리의 온도 추정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 표면 온도를 측정하는 표면 온도 측정부; 를 더 포함하는 배터리의 온도 추정 장치.
  8. 배터리에 소정 주파수의 AC 전원을 인가하는 단계;
    상기 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 위상차 및 상기 배터리의 충전 상태(State of Charge: SOC)를 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정하는 단계; 를 포함하고,
    상기 소정 주파수는 상기 배터리의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수로, 상기 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 다양한 주파수의 AC 전원을 인가하고, 각 주파수별로 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 상기 배터리에 인가된 AC 전원의 다양한 주파수 중에서 내부 온도 및 충전 상태에 따른 위상차의 구분이 가장 명확한 주파수를 선택함으로써 미리 결정되고,
    상기 내부 온도를 추정하는 단계는
    소정 범위 내의 소정 간격의 모든 배터리 내부 온도에 대해 배터리 충전 상태별 위상차를 측정하고, 측정된 위상차, 배터리 충전 상태 및 배터리의 내부 온도와의 관계를 정의한 온도 추정식을 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정하는
    배터리의 온도 추정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 AC 전원은 AC 전류원 또는 AC 전압원인 배터리의 온도 추정 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 온도 추정식은 상기 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 상기 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 상기 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 상기 배터리의 AC 전류와 AC 전압의 위상차를 측정하여, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시킴으로써 도출되는 배터리의 온도 추정 방법.
  14. 소정 주파수의 AC 전원을 배터리에 인가하여 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 측정된 위상차 및 배터리의 충전 상태를 기반으로 배터리의 내부 온도를 추정하는 온도 추정부;
    상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 배터리의 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 추정된 배터리의 내부 온도, 상기 측정된 배터리의 전압, 및 상기 측정된 배터리의 전류를 기반으로 배터리를 관리하는 배터리 관리부; 를 포함하고,
    상기 소정 주파수는 상기 배터리의 전극에서 발생하는 전기 화학 반응에 의한 임피던스의 영향을 최소화할 수 있는 주파수로, 상기 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 다양한 주파수의 AC 전원을 인가하고, 각 주파수별로 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 상기 배터리에 인가된 AC 전원의 다양한 주파수 중에서 내부 온도 및 충전 상태에 따른 위상차의 구분이 가장 명확한 주파수를 선택함으로써 미리 결정되고
    상기 온도 추정부는
    소정 범위 내의 소정 간격의 모든 배터리 내부 온도에 대해 배터리 충전 상태별 위상차를 측정하고, 측정된 위상차, 배터리 충전 상태, 및 배터리의 내부 온도와의 관계를 정의한 온도 추정식을 기반으로 상기 배터리의 내부 온도를 추정하는
    배터리 관리 장치.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제14항에 있어서,
    상기 온도 추정식은 상기 배터리의 다양한 내부 온도 및 다양한 충전 상태에서 상기 배터리에 상기 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 상기 배터리의 내부 온도 및 충전 상태에 따른 상기 배터리의 AC 전류와 AC 전압의 위상차를 측정하여, 배터리의 내부 온도와, 배터리의 충전 상태 및 위상차를 연관시킴으로써 도출되는 배터리 관리 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 추정된 배터리의 내부 온도, 상기 측정된 배터리의 전압, 및 상기 측정된 배터리의 전류를 기반으로 상기 배터리의 충전 상태 및 수명 상태를 추정하는 배터리 관리 장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 추정된 배터리의 내부 온도, 상기 측정된 배터리의 전압, 및 상기 측정된 배터리의 전류를 기반으로 배터리의 열 제어를 수행하거나 배터리의 전압 또는 전류를 조절하는 배터리 관리 장치.
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