KR20140013759A - 모듈-임피던스를 이용한 차량용 배터리팩 관리 방법 - Google Patents

모듈-임피던스를 이용한 차량용 배터리팩 관리 방법 Download PDF

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Abstract

모듈-임피던스를 이용한 차량용 배터리팩 관리 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리팩 관리 방법은, 차량용 배터리팩을 구성하는 모듈들에 구비된 셀의 임피던스인 셀-임피던스를 셀들 마다 측정하고, 모듈들 별로 셀-임피던스들을 합산하여 모듈-임피던스를 산출하며, 모듈들 별로 셀-임피던스의 셀간 최대 편차를 산출하고, 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면 해당 모듈의 모듈-임피던스를 저장하여 모듈-임피던스 변화율을 생성한다. 이에 의해, 차량 운행중에도 배터리팩을 구성하는 모듈별로 임피던스 변화율을 감지하고 저장하여, 궁극적으로 배터리팩을 구성하는 다수의 모듈별 열화 차이 감지 및 관리가 가능하여, 배터리 시스템은 물론 차량의 성능과 연비가 향상될 수 있다.

Description

모듈-임피던스를 이용한 차량용 배터리팩 관리 방법{Method for vehicle battery pack management using module-impedance}
본 발명은 배터리팩 관리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 친환경 차량의 구동을 위해 전원을 공급하는 차량용 배터리를 효과적으로 관리하기 위한 방법 및 이를 적용한 차량용 전원 공급 시스템에 관한 것이다.
친환경 차량의 구동을 위한 전기 에너지는 배터리 시스템에 의해 공급된다. 배터리 시스템은 고전압 배터리팩, 충방전 제어를 위한 PRA(Power Relay Assy), 배터리팩의 냉각성능 향상을 위한 블로어, 안전 장치인 Safety plug, 와이어 하네스, 배터리팩의 상태 정보를 모니터링 하고 제어하는 BMS(Battery management system) 및 기타 구조물 등으로 구성된다.
이들 중, BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도 등을 실시간으로 모니터링 하여, 배터리팩의 상태 정보를 파악하여 이를 HCU(Hybrid control unit)와 같은 상위 제어기와 연계함으로 배터리 시스템의 신뢰성과 내구성을 증진시킨다.
BMS는 배터리팩의 전압 및 온도를 모니터링 하는 센서와 전장품을 제어하는 제어기, CAN 통신을 위한 통신소자 등으로 구성된다. 기타 전원회로, 충전회로 및 리튬전지의 안전성을 위하여 보호 기능을 수반하고 있다.
한편, 배터리팩의 임피던스 변화 특성은 장기간 사용하는 친환경 차량의 배터리 시스템에서 반드시 점검 및 관리해야할 항목인데, 배터리 시스템의 장수명과 신뢰성을 확보함으로 차량의 구동 효율을 높일 뿐만 아니라 유지보수나 위험성도 사전에 방지할 수 있으며 안정적인 차량 운행을 위해 필요하기 때문이다.
하지만, 배터리팩의 임피던스 측정은 고가의 계측장비를 통해서만 가능하다. 별도의 계측장비에 의한 측정만이 가능하기 때문에, 운행 중에 실시간으로 배터리팩의 임피던스에 관련한 사항들을 모니터링 하는 것은 불가능하다.
뿐만 아니라, 위 계측장비에 의할 경우도, 배터리팩 전체에 대한 임피던스 측정만이 가능할 뿐이며, 배터리팩을 구성하는 모듈별로 임피던스를 측정하는 것은 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 배터리팩을 구성하는 모듈별로 모듈-임피던스들을 산출하여, 산출된 모듈-임피던스로부터 문제나 이상이 있다고 판단되는 경우 이에 관한 정보를 저장하여, 궁극적으로는 차량 운행 중에도 차량용 배터리팩을 실시간으로 모니터링 하는 관리 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 차량용 배터리팩 관리 방법은, 차량용 배터리팩을 구성하는 모듈들에 구비된 셀의 임피던스인 셀-임피던스를 셀들 마다 측정하는 단계; 모듈들 별로, 상기 셀-임피던스들을 합산하여 모듈-임피던스를 산출하는 단계; 모듈들 별로, 셀-임피던스의 셀간 최대 편차를 산출하는 단계; 및 상기 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면, 해당 모듈의 모듈-임피던스 변화율을 저장하는 단계;를 포함한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리팩 관리 방법은, 상기 배터리팩의 온도 변화율을 측정하는 단계; 및 상기 온도 변화율이 온도 변화율 상한 미만이면, 모듈-임피던스 산출단계를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리팩 관리 방법은, 상기 배터리팩의 전류를 측정하는 단계;를 더 포함하고, 상기 셀-임피던스 측정단계는, 상기 전류가 임계 전류를 초과하면 수행될 수 있다.
그리고, 상기 배터리팩 전류 측정단계는, ECU(Electronic Control Unit)로부터 측정 요청이 있고, 차량 운행 시간이 설정된 운행 시간을 초과한 경우에 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리팩 관리 방법은, 상기 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면, 상기 ECU 및 HCU(Hybrid control unit) 중 적어도 하나에 초과 사실을 통보하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리팩 관리 방법은, 상기 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면, 상기 배터리팩에 의한 전원 공급을 차단하거나, 운전자에게 통보하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 차량용 전원 공급 시스템은, 차량의 구동을 위한 전기 에너지를 공급하는 배터리팩; 및 상기 배터리팩을 구성하는 모듈들에 구비된 셀의 임피던스인 셀-임피던스를 셀들 마다 측정하고, 모듈들 별로 상기 셀-임피던스들을 합산하여 모듈-임피던스를 산출하며, 모듈들 별로 셀-임피던스의 셀간 최대 편차를 산출하고, 상기 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면 해당 모듈의 모듈-임피던스 변화율을 저장하는 BMS;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 차량 운행중에도 배터리팩을 구성하는 모듈별로 임피던스 변화율을 감지하고 저장하여, 궁극적으로 배터리팩을 구성하는 다수의 모듈별 열화 차이 감지 및 관리가 가능하여, 배터리 시스템은 물론 차량의 성능과 연비가 향상될 수 있다.
뿐만 아니라, 배터리 시스템의 운용 효율이 향상됨은 물론, 배터리팩 수리나 교체 등에 대한 정보를 제공받을 수 있고, 배터리팩의 안전성이 향상되어 운전자와 차량의 안전을 보장할 수 있게 된다.
또한, 위 배터리팩 관리 방법은 배터리 시스템을 구성하는 BMS의 S/W로 구현 가능하므로, 부품 추가나 H/W 설계 변경 없이도 가능하다.
도 1은 배터리 시스템을 구성하는 BMS의 상세 블럭도,
도 2는, 도 1에 도시된 BMS에 의한 배터리팩 관리 방법의 설명에 제공되는 흐름도,
도 3은, 도 2의 배터리팩 관리 방법에서 이용되는 파라미터들의 설명에 제공되는 테이블, 그리고,
도 4는 시스템 구현시 파라미터들의 실제값과 저장 위치 등의 설명에 제공되는 테이블이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 배터리 시스템을 구성하는 BMS(Battery Management System)의 상세 블럭도이다. 도 1에는, 이해와 설명의 편의를 위해, BMS(100) 외에 배터리팩을 더 도시하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리팩은 다수의 모듈들로 구성되는데, 모듈들은 다수의 셀들로 구성된다.
BMS(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전원부(110), 레귤레이터(121, 122), 전압/온도 센서(131, 132, ...), 마이크로 컨트롤러(140), EEPROM(151), PRA(Power Relay Assy)(153), 냉각팬(155), CAN 통신부(157, 159), 충전기(161), 전류 센서(163) 및 절연부(165)를 구비한다.
전원부(110)는 BMS(100) 내에 필요한 전원을 공급하는 전원 공급 장치이고, 레귤레이터(121, 122)는 전원부(110)에서 공급되는 전원을 안정화하여 전원을 ㅍ피필요로 하는 소자들에 전달한다.
전압/온도 센서(131, 132, ...)는 배터리팩의 전압과 온도를 측정하고, 측정 결과를 마이크로 컨트롤러(140)로 제공한다. 전압/온도 센서(131, 132, ...)에 의한 전압 측정은 셀 단위로 수행된다. 한편, 전압/온도 센서(131, 132, ...)에 의한 온도 측정은 모듈 단위로 수행되지만, 셀 단위로 수행되도록 구현하는 것도 가능하다.
전류 센서(163)는 배터리팩에 흐르는 전류를 측정하고, 측정결과를 마이크로 컨트롤러(140)로 제공한다.
마이크로 컨트롤러(140)는 전압/온도 센서(131, 132, ...)로부터 전달받은 전압/온도 측정결과와 전류 센서(163)로부터 전달받은 전류 측정결과를 이용하여, 후술할 배터리팩 관리 알고리즘을 수행한다. 배터리팩 관리 알고리즘에 대해서는 도 2를 참조하여 상세히 후술한다.
EEPROM(151)은 마이크로 컨트롤러(140)가 배터리팩 관리 알고리즘을 수행함에 있어 이용하는 측정결과들과 이를 통해 생성한 정보들이 저장되는 공간을 제공한다.
CAN 통신부(157, 159)는 BMS(100)의 마이크로 컨트롤러(140)와 차량 내 상위 제어 수단인 HCU(Hybrid control unit), ECU(Electronic Control Unit) 등과의 통신 연결을 가능하게 한다.
PRA(153)는 배터리팩의 충전과 방전을 제어하기 위한 어셈블리이고, 냉각팬(155)은 배터리팩의 냉각을 위한 기구이며, 충전기(161)는 배터리팩을 충전하기 위한 기기이다.
절연부(165)는 배터리 시스템 내부의 절연 상태를 모니터링 하여, 단락으로부터 배터리 시스템을 보호하기 위한 보호 회로이다.
이하에서는, 전술한 마이크로 컨트롤러(140)에 의해 수행되는 배터리팩 관리 알고리즘에 대해 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는, 도 1에 도시된 BMS(100)에 의한 배터리팩 관리 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다. 도 2에는 다양한 파라미터들이 사용되는데 이들에 대해서는 도 3에 상세히 설명되어 있어 참조가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 S210단계에서 제시된 조건이 만족되면, 배터리팩에 대한 임피던스 측정(ID : Impedance Detection)이 시작된다.
S210단계에서 임피던스 측정 시작을 위한 조건은, 1) BMS(100)의 마이크로 컨트롤러(140)가 CAN 통신부(157, 159)를 통해 ECU로부터 배터리팩 임피던스 측정을 요청(Request) 받은 상태이고, 2) 차량 운행 시간(Vehicle Operating Time)이 30분(0.5시간)을 경과한 상태이다.
차량 운행 시간이 30분을 경과한 상태에서 임피던스 측정이 시작되도록 한 것은, 배터리팩 운영이 안정상태에 진입한 이후에 임피던스 측정을 하기 위함인데,안정상태 이전의 임피던스는 의미를 부여할 없는 데이터이기 때문이다.
배터리 시스템은 운전자의 환경 및 습관 등에 따라 특성이 달라지기 때문에, 위에서 요구되는 차량 운행 시간은 필요에 따라 변경하는 것이 가능하다.
임피던스는 AC(Alternating current) 임피던스와 DC(Direct current) 임피던스로 구분된다.
AC 임피던스의 경우, 배터리팩 내부의 전극 및 전해질 저항 등을 고려한 값으로 Ohmic 저항, Charge-transfer 저항, Diffusion 저항값을 Nyquitst plot을 통하여 배터리 구성물질들의 상태를 판단하게 되는데 이는 온도나 활물질에 따라 값이 변하기 때문에 BMS(100)가 측정하기 어렵다.
DC 임피던스의 경우, 배터리 전압 프로파일의 변화율을 보고 판단할 수 있으며 BMS(100)의 H/W 분해능으로도 연산이 가능하다.
따라서, 본 실시예에서는 BMS(100)가 DC 임피던스를 고려하여 배터리 시스템 전체의 밸런싱 상태를 모니터링 하고 이력을 저장하는 것으로 구현한다.
S210단계에서 제시된 조건이 만족되면, 임피던스 측정 시간(ID_time) 동안 전류 센서(163)는 배터리팩에 흐르는 전류(Curren)를 측정하고, 마이크로 컨트롤러(140)는 측정된 전류(Curren)가 임계 전류를 초과하는지 판단한다(S220).
S220단계에서 임계 전류는 "(ID_Constant * Capacity)/hr"로 정의되는데 'ID_Constant'는 기설정된 상수로 필요와 사양에 따라 결정되고, 'Capacity'는 배터리팩의 용량을 말한다.
S220단계에서 임계 전류를 초과하면(S220-Y), 마이크로 컨트롤러(140)는 배터리팩을 구성하는 모듈들에 구비된 셀의 임피던스인 셀-임피던스(ID_C)를 셀들 마다 측정하고, 배터리 팩의 온도 변화율(delta T)과 온도 변화율 상한(ID_Temperature limit)을 비교한다(S230).
셀-임피던스(ID_C)는, 전압/온도 센서(131, 132, ...)에 의해 측정된 셀-전압의 변화량(△V)을 전류 센서(163)에 의해 측정된 배터리팩 전류(=셀-전류)의 변화량(△I)으로 나누어 산출 가능하다.
온도 변화율(delta T)은 전압/온도 센서(131, 132, ...)에 의해 측정된 모듈 별 온도 변화율들을 평균하여 산출 가능하다.
S220단계에서 온도 변화율(delta T)을 고려하는 이유는, 온도에 따른 임피던스 측정 오차를 배제하기 위한 것으로, 배터리팩 자체 온도가 안정화된 상태에서 측정된 임피던스만을 의미 있는 데이터로 처리하기 위함이다.
S230단계에서 배터리 팩의 온도 변화율(delta T)이 온도 변화율 상한(ID_Temperature limit) 미만이면(S230-Y), 마이크로 컨트롤러(140)는 모듈들 별로 모듈-임피던스(ID_M)들을 산출하고, 셀간 최대 편차(Comp_ID_M)를 모듈들 별로 산출하여 허용 편차(ID_M_Threshold)와 비교한다(S240).
모듈-임피던스(ID_M)는 해당 모듈에 구비된 셀들에 대한 셀-임피던스들을 합산(∑ID_C)하여 산출 가능하다. 또한, 셀간 최대 편차(Comp_ID_M)는 모듈 내 최대 셀-임피던스(Max_ID_C)에서 모듈 내 최소 셀-임피던스(Min_ID_C)을 감산하여 산출 가능하다.
S240단계에서 셀간 최대 편차(Comp_ID_M)가 허용 편차(ID_M_Threshold)를 초과하면(S240-Y), 마이크로 컨트롤러(140)는 해당 모듈-임피던스(ID_M)를 EEPROM(151)에 저장하는데, 모듈-임피던스(ID_M)가 누적되어 저장되면 EEPROM(151)에는 모듈-임피던스 이력(ID_M_History)이 생성된다(S250).
저장된 모듈-임피던스 이력(ID_M_Hisotry)에 의해 모듈-임피던스 변화율이 도출가능한데, 도출된 모듈-임피던스 변화율은 배터리팩에 대한 SOC(State of charge) 및 SOH(State of health)의 용량 열화 파라미터로 사용할 수 있다.
비정상상태의 급격한 모듈-임피던스 변화율은 배터리 시스템의 위험(예: 발연)을 유발할 수 있기 때문에, 발화나 폭발과 같은 위험성을 사전에 방지하기 위해, 모듈-임피던스 변화율 모니터링이 필요하다.
한편, 마이크로 컨트롤러(140)는 디스플레이나 스피커를 통해, "셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과한 사실"을 운전자에게 통보(Alarm)하거나, PRA(153)를 자동으로 Off 시켜 배터리팩의 전원 공급을 차단할 수 있다(S250).
또한, 마이크로 컨트롤러(140)는 CAN 통신부(157, 159)를 통해 HCU 및/또는 ECU에 "셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과한 사실"을 안내할 수도 있다(S250).
도 4는 시스템 구현시 파라미터들의 실제값과 저장 위치 등의 설명에 제공되는 테이블이다. 도 4는, 도 2의 알고리즘을 구현하는데 참조가능한 것으로 전부/일부를 변경/대체하는 것이 가능하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : BMS(Battery management system)
110 : 전원부 121, 122 : 레귤레이터
131, 132, ... : 전압/온도 센서
140 : 마이크로 컨트롤러 151 : EEPROM
153 : PRA(Power Relay Assy) 155 : 냉각팬
157, 159 : CAN 통신부 161 : 충전기
163 : 전류 센서 165 : 절연부

Claims (7)

  1. 차량용 배터리팩을 구성하는 모듈들에 구비된 셀의 임피던스인 셀-임피던스를 셀들 마다 측정하는 단계;
    모듈들 별로, 상기 셀-임피던스들을 합산하여 모듈-임피던스를 산출하는 단계;
    모듈들 별로, 셀-임피던스의 셀간 최대 편차를 산출하는 단계; 및
    상기 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면, 해당 모듈의 모듈-임피던스를 저장하여 모듈-임피던스 변화율을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리팩 관리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리팩의 온도 변화율을 측정하는 단계; 및
    상기 온도 변화율이 온도 변화율 상한 미만이면, 모듈-임피던스 산출단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리팩 관리 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리팩의 전류를 측정하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 셀-임피던스 측정단계는,
    상기 전류가 임계 전류를 초과하면 수행되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리팩 관리 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 배터리팩 전류 측정단계는,
    ECU(Electronic Control Unit)로부터 측정 요청이 있고, 차량 운행 시간이 설정된 운행 시간을 초과한 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리팩 관리 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면, 상기 ECU 및 HCU(Hybrid Control Unit) 중 적어도 하나에 초과 사실을 통보하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리팩 관리 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면, 상기 배터리팩에 의한 전원 공급을 차단하거나, 운전자에게 통보하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리팩 관리 방법.
  7. 차량의 구동을 위한 전기 에너지를 공급하는 배터리팩; 및
    상기 배터리팩을 구성하는 모듈들에 구비된 셀의 임피던스인 셀-임피던스를 셀들 마다 측정하고, 모듈들 별로 상기 셀-임피던스들을 합산하여 모듈-임피던스를 산출하며, 모듈들 별로 셀-임피던스의 셀간 최대 편차를 산출하고, 상기 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면 해당 모듈의 모듈-임피던스를 저장하여 모듈-임피던스 변화율을 생성하는 BMS(Battery management system);를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전원 공급 시스템.
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