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KR-102960850-B1 - BATTERY MANAGEMENT SYSTEM, BATTERY PACK, ELECTRIC VEHICLE, AND BATTERY MANAGEMENT METHOD

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 복수의 배터리 각각의 전압을 검출하도록 구성되는 배터리 모니터; 적어도 하나의 배터리에 대한 밸런싱 처리를 실행하도록 구성되는 밸런서; 및 상기 배터리 모니터에 의해 검출된 각 배터리의 전압을 기초로 상기 밸런서를 제어하도록 구성되는 제어 회로를 포함한다. 상기 제어 회로는, 상기 밸런싱 처리가 미실행 중인 상태에서, 과거에 밸런싱 처리된 적어도 하나의 배터리의 무부하 전압을 보상한 전압값 및 밸런싱 미처리된 적어도 하나의 배터리의 무부하 전압을 나타내는 전압값을 포함하는 제1 전압값을 획득하고, 상기 제1 전압값과 기준 전압값 간의 차이인 전압 편차를 결정하고, 각 배터리의 상기 전압 편차의 변화량에 기초하여, 각 배터리의 이상 여부를 검출하도록 구성된다.

Inventors

  • 박희주
  • 김철택
  • 성용철

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20260311

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 명령이 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 경우, 상기 프로세서는, 복수의 배터리 각각의 무부하 전압값을 획득하고, 상기 복수의 배터리에 대한 밸런싱 처리가 실행되고 있지 않는 상태에서, 과거에 실행된 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 밸런싱 용량을 이용하여, 각 배터리의 무부하 전압값을 보상하고, 상기 복수의 배터리 중 적어도 하나의 배터리의 상기 보상된 무부하 전압값과 기준 전압값 간의 차이인 전압차를 결정하고, 상기 적어도 하나의 배터리의 상기 전압차의 변화량에 기초하여, 상기 적어도 하나의 배터리의 이상 여부를 검출하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 적어도 하나의 배터리의 상기 전압차의 변화량이 임계값 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리의 고장 카운트를 1만큼 증가시키고, 상기 적어도 하나의 배터리의 고장 카운트가 소정값 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리가 내부 단락 고장인 것으로 검출하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기준 전압값은, 상기 복수의 배터리 중 적어도 둘 이상의 배터리의 상기 보상된 무부하 전압값의 평균값 또는 중앙값인, 배터리 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는, 기준 시간 동안에 실행된 상기 밸런싱 처리에 의한 밸런싱 용량을 이용하여 상기 무부하 전압값을 보상하고, 상기 기준 시간은, 상기 밸런싱 처리를 행하는 시간보다 긴, 배터리 관리 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는, 기준 시간 동안의 기간 내에 실행된 각 밸런싱 처리에 의한 각 배터리 셀의 방전 용량을 누산하여, 각 배터리 셀의 상기 밸런싱 용량을 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 프로세서는, 각 밸런싱 처리에 연관된 제1 밸런싱 데이터에 용량 추정 함수를 적용하여, 각 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 상기 방전 용량을 결정하도록 구성되되, 상기 제1 밸런싱 데이터는, 상기 밸런싱 처리의 시작 시의 각 배터리의 무부하 전압값 및 상기 밸런싱 처리의 계속 시간을 포함하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 프로세서는, 각 밸런싱 처리의 제2 밸런싱 데이터에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 각 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 상기 방전 용량을 결정하도록 구성되되, 상기 제2 밸런싱 데이터는, 상기 밸런싱 처리의 시작 시의 각 배터리의 무부하 전압값 및 상기 밸런싱 처리의 종료 시의 각 배터리의 무부하 전압값을 포함하는 배터리 관리 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는, 각 배터리의 상기 무부하 전압값에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 각 배터리의 SOC의 추정치를 결정하고, 각 배터리의 상기 SOC의 추정치에 상기 밸런싱 용량에 대응하는 SOC 변화량을 합하여, 각 배터리의 상기 SOC의 추정치를 보상하고, 각 배터리의 상기 보상된 SOC의 추정치에 상기 SOC-OCV 맵을 적용하여, 상기 보상된 무부하 전압값을 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  11. 복수의 배터리 각각의 무부하 전압값을 획득하는 단계; 상기 복수의 배터리에 대한 밸런싱 처리가 실행되고 있지 않는 상태에서, 과거에 실행된 밸런싱 처리에 의한 각 배터리의 밸런싱 용량을 이용하여, 각 배터리의 상기 무부하 전압값을 보상하는 단계; 및 상기 복수의 배터리 중 적어도 하나의 배터리의 상기 보상된 무부하 전압값과 기준 전압값 간의 차이인 전압차를 결정하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 배터리의 상기 전압차의 변화량에 기초하여, 상기 적어도 하나의 배터리의 이상 여부를 검출하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리의 이상 여부를 검출하는 단계는, 상기 적어도 하나의 배터리의 상기 전압차의 변화량이 임계값 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리의 고장 카운트를 1만큼 증가시키는 단계; 및 상기 적어도 하나의 배터리의 상기 고장 카운트가 소정값 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리가 내부 단락 고장인 것으로 검출하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 기준 전압값은, 상기 복수의 배터리 중 적어도 둘 이상의 배터리의 상기 보상된 무부하 전압값의 평균값 또는 중앙값인, 배터리 관리 방법.
  14. 제11항에 있어서, 각 배터리의 상기 무부하 전압값을 보상하는 단계는, 각 배터리의 상기 무부하 전압값에 SOC-OCV 맵을 적용하여, 각 배터리의 SOC의 추정치를 결정하는 단계; 각 배터리의 상기 SOC의 추정치에 상기 밸런싱 용량에 대응하는 SOC 변화량을 합하여, 각 배터리의 상기 SOC의 추정치를 보상하는 단계; 및 각 배터리의 상기 보상된 SOC의 추정치에 상기 SOC-OCV 맵을 적용하여, 상기 보상된 무부하 전압값을 결정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된, 기록 매체.

Description

배터리 관리 시스템, 배터리 팩, 전기 차량 및 배터리 관리 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM, BATTERY PACK, ELECTRIC VEHICLE, AND BATTERY MANAGEMENT METHOD} 본 발명은 배터리의 내부 단락 고장을 검출하기 위한 기술에 관한 것이다. 최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 전기 차량 등과 같은 어플레케이션들의 고전압 및 대용량이 요구를 충족하기 위해서, 적어도 하나 이상의 배터리 그룹(즉, 복수의 배터리의 직렬 접속체)를 포함하는 배터리 시스템(예, 배터리 팩)이 널리 보급되고 있다. 이러한 배터리 시스템에 있어서, 몇몇 배터리의 고장이 배터리 시스템의 전체적인 성능과 안전성에 악영향을 줄 가능성이 높다. 따라서, 배터리 시스템을 운용함에 있어서, 개별 배터리의 고장을 적절히 검출해내는 것이 중요하다. 복수의 배터리는 제조 공정 및/또는 사용 과정에서의 내외부적 요인들로 인해 상호 간의 특성 편차가 발생한다. 복수의 배터리 간의 특성 편차는 전압 불균일 상태를 유발한다. 밸런서는 복수의 배터리 각각에 대한 밸런싱 처리(예, 방전)를 실행하여, 복수의 배터리 간의 전압 불균일 상태를 해소하기 위한 용도로 널리 활용되고 있다. 한편, 배터리의 다양한 고장 유형 중에서 내부 단락 고장은 화재에 직간접적으로 영향을 끼치는 주요 고장이다. 내부 단락 고장은, 배터리 내에서의 부반응 및/또는 배터리 내로의 이물질 침투 등으로 인해 누설전류의 경로가 생성된 상태를 지칭한다. 종래에는 복수의 배터리의 전압 불균형 상태를 이용하여, 복수의 배터리 중에서 내부 단락 고장인 배터리를 검출하고 있다. 그런데, 밸런싱 처리가 실행되는 경우, 내부 단락 고장을 검출하기 위해 중요한 정보인 복수의 배터리의 전압 불균일 상태가 해소된다. 즉, 복수의 배터리 중에서 내부 단락 고장인 배터리를 검출함에 있어서, 과거에 실시된 밸런싱 처리는 방해 요소로 작용한다. 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다. 도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 배터리의 예시적인 등가 회로를 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 도 3 내지 도 6은 배터리의 내부 단락 고장의 검출 원리를 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 도 7 및 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 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 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 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. 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 전기 차량(1)은, 차량 컨트롤러(2), 배터리 팩(10), 전기 부하(30)를 포함한다. 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)는, 충전 케이블 등을 통해 충전기(40)에 전기적으로 결합될 수 있다. 충전기(40)는, 전기 차량(1)에 포함된 것이거나, 전기 차량(1) 외부의 충전 스테이션에 마련된 것일 수 있다. 차량 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit)는, 전기 차량(1)에 마련된 시동 버튼(미도시)이 사용자에 의해 ON-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-온 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 차량 컨트롤러(2)는, 시동 버튼이 사용자에 의해 OFF-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-오프 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 충전기(40)는, 차량 컨트롤러(2)와 통신하여, 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+, P-)를 통해 충전 전력(예, 정전류, 정전압, 정전력)을 공급할 수 있다. 배터리 팩(10)은, 배터리 그룹(11), 릴레이(20) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다. 배터리 그룹(11)은, 복수의 배터리(B1~BN, N은 2 이상의 자연수)의 직렬 접속체를 포함한다. 즉, 배터리 그룹(11) 내에서, 복수의 배터리B1~BN)는 서로 직렬로 연결된다. 복수의 배터리(B1~BN)는, 서로 동일한 전기화학적 사양을 가지도록 제조된 하나의 단위 셀 또는 둘 이상의 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 단위 셀을 포함할 수 있다. 단위 셀은, 독립적으로 충방전이 가능한 축전 요소의 최소 단위이다. 예컨대 리튬 이온 셀과 같이 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 단위 셀의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 이하에서는, 복수의 배터리(B1~BN)에 공통된 내용을 설명함에서 있어서, 배터리에 대해 부호 'B'를 부여하겠다. 릴레이(20)는, 배터리 그룹(11) 및 전기 부하(30)를 연결하는 전력 경로를 통해, 배터리 그룹(11)에 전기적으로 직렬 연결된다. 도 1에서는, 릴레이(20)가 배터리 그룹(11)의 양극 단자와 충방전 단자(P+) 사이에 연결된 것으로 예시되어 있다. 릴레이(20)는, 배터리 관리 시스템(100) 및/또는 차량 컨트롤러(2)으로부터의 스위칭 신호에 응답하여, 온오프 제어된다. 릴레이(20)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 컨택터이거나, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다. 전기 부하(30)는, 인버터(31) 및 전기 모터(32)를 포함한다. 인버터(31)는, 배터리 관리 시스템(100) 또는 차량 컨트롤러(2)로부터의 명령에 응답하여, 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 그룹(11)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하도록 제공된다. 전기 모터(32)는, 인버터(31)로부터의 교류 전력을 이용하여 구동한다. 전기 모터(32)로는, 예컨대 3상 교류 모터를 이용할 수 있다. 릴레이(20)가 온되어 배터리(B)가 충방전 중인 상태를 부하 상태(사이클 상태)라고 칭할 수 있다. 릴레이(20)가 온에서 오프로 전환되는 경우, 배터리(B)는 무부하 상태(휴지 상태, 캘린더 상태)가 되며, 무부하 상태에 있는 배터리(B)의 배터리 전압을 무부하 전압(no-load voltage)이라고 칭할 수 있다. 무부하 전압은, 완화 전압(relaxation voltage)과 개방 전압(OCV: open circuit voltage)을 통칭하는 용어이다. 구체적으로, 배터리(B)가 부하 상태로부터 무부하 상태로 전환된 경우, 배터리(B)에 발생된 분극이 자연 해소되면서 배터리(B)의 무부하 전압이 변화한다. OCV는, 배터리(B)가 무부하 상태로 소정 시간(예, 2시간) 이상 유지되어, 배터리(B)의 전압 변화율이 일정값 미만이 된 때의 무부하 전압을 나타낸다. 즉, OCV는, 배터리(B)의 분극이 무시할 수 있을 정도로 작아진 상태에서의 무부하 전압이다. 완화 전압은, 분극이 자연 해소되어 가는 중의 무부하 전압을 나타낸다.. 배터리 관리 시스템(100)은, 배터리 모니터(110), 밸런서(130) 및 제어 회로(140)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은, 통신 회로(150)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는, 배터리 관리 시스템(100)가 배터리 모니터(110), 제어 회로(140) 및 통신 회로(150)를 포함하는 것으로 가정하겠다. 배터리 모니터(110)는, 전압 검출 회로(112)를 포함한다. 배터리 모니터(110)는, 전류 검출기(114)를 더 포함할 수 있다. 전압 검출 회로(112)는, 배터리 그룹(11)에 포함된 복수의 배터리(B1~BN) 각각의 양극 단자 및 음극 단자에 연결되어, 배터리(B)의 양단에 걸친 전압(배터리 전압이라고 칭할 수 있음)을 검출하고, 검출된 배터리 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다. 전류 검출기(114)는, 배터리 그룹(11)과 인버터(30) 간의 전류 경로를 통해 배터리 그룹(11)에 직렬로 연결된다. 전