KR100696665B1 - 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지의 SOC를 정밀하게 산출할 수 있도록, 시동온 시 전지 모듈의 전류값과 전압값 및 온도값을 측정하는 단계와, 상기 측정된 값으로 초기 SOC를 산출하는 단계, 전류 적산 단계, 상기 전류적산 값에 따른 실제 SOC 산출 단계, 상기 전지 모듈이 무부하상태인가를 확인하는 단계, 무부하상태인 경우 상기 실제 SOC가 전류적산에 의해 측정가능한 설정범위 이내인지를 확인하는 단계, 상기 실제 SOC가 설정범위 밖인 경우 전압값을 측정하여 전압값에 따른 SOC를 산출하는 단계를 포함하는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법을 제공한다.

SOC, OCV, 전류적산, 전압, 설정범위

Description

이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법{METHOD FOR RESETTING SOC OF SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법을 도시한 순서도이다.

본 발명은 이차 전지 모듈에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 이차 전지의 잔존 용량(Stage of Charge 이하, SOC로 약칭한다)을 보다 정밀하게 산출하여 관리할 수 있도록 된 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법에 관한 것이다.

최근들어 고에너지 밀도의 비수전해해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있다. 전기 자동차 등과 같이 모터 구동을 위한 대전력을 필요로 하는 기기 에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지는 복수개를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.

이와같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어진다.

상기한 전지모듈 특히, HEV용 이차 전지 모듈의 경우 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지가 충전과 방전을 번갈아가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충방전 등을 제어하여 전지 모듈이 적정한 동작 상태로 유지하도록 관리할 필요성이 있다.

이를 위해, HEV용 전지 모듈은 전지에 대한 제반적인 상태를 총괄 관리하는 전지 관리 시스템(Battery Management System;BMS)이 구비된다.

이에 상기 BMS는 전지의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 SOC를 연산에 의해 추정하고, 차량의 연료 소비 효율이 가장 좋아지도록 SOC 제어를 행하게 된다. 또, 이 때의 SOC 레벨은, 가속시의 모터 구동에 의한 파워 어시스트 및 감속시의 에너지 회수(회생 제동)를 밸런스 좋게 동작시키기 위해서, 일반적으로, 예를 들면 SOC가 25%부터 80%의 범위 내가 되도록 제어하게 된다.

이러한 SOC 제어를 정확히 행하기 위해서는, 충방전을 행하고 있는 이차 전지의 SOC를 정확히 측정하는 것이 필요해진다.

종래 상용화되고 있는 전지의 SOC 측정방법은 잔존 용량판단의 기준으로 어떤 값을 이용하느냐에 따라 몇 가지 방법으로 분류되고 있다.

첫 번째는 Ah법으로 사용 전류(Ampere)와 시간(hour)의 관계에서 사용된 용량을 구하여 SOC(State Of Charge)에 반영하는 방법이고, 두 번째는 전압측정법으로 전지단자의 전압(OCV; Open Circuit Voltage)을 측정하여 미리 측정된 OCV와 SOC 관계에서 잔존용량을 계산하는 방법이며, 세 번째는 저항측정법으로 배터리의 내부저항(IR-drop; Internal Resistance - drop)과 SOC의 관계에서 잔존용량을 계산하는 방법이다.

그러나, Ah법은 부하조건에 따른 사용 가능한 용량의 표시가 불가능하고 충전 또는 방전시 전류센싱 오차에 의하여 SOC 또한 오차가 누적되어 특히 EV(Electric Vehicles)에 비교해 상대적으로 전류의 크기와 방향의 변화가 매우 잦은 하이브리드 전기 자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicles) 등에 단독으로 사용하기에는 부적합하며, 전압측정법의 경우 순간적인 전류, 온도 및 노화 등과 같이 다른 요인들에 의하여 변화가 심한 문제점이 있다

또한, 전압을 통한 SOC 측정 방법의 경우에는 룩업테이블(look up table) 상에 있는 이미 알고 있는 전압에 도달하면 해당 전압값에 대한 SOC를 산출하게 된다. 그러나 이러한 상기한 종래의 방법은 전류를 정확하게 측정하지 못함으로 인하여 실제 전압이 변하지 않음에도 계속 SOC는 증가/감소하게 되어 SOC 오차가 커지게 되는 단점이 있다.

즉, 전지 모듈이 충/방전되는 경우 전류적산에 의해 오차가 난 부분은 전압에 의한 산출을 통해 그 값을 보정해 주게 된다. 그러나 실제 충방전을 하고 있지 않은 경우에는 측정 전압은 변하지 않으나 전류값은 전류 센싱 오차 등으로 인하여 정확히 0을 표시해 주지 않게 된다. 이에 따라 실제 SOC는 변하지 않음에도 불구하고 계산되는 SOC는 커지거나 작아지게 되는 것이다.

따라서 본 발명은 상기한 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명 의 목적은 전지의 SOC를 정밀하게 산출할 수 있도록 된 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 SOC 측정 방법은 시동온 시 전지 모듈의 전류값과 전압값 및 온도값을 측정하는 단계와, 측정된 값으로 초기 SOC를 산출하는 단계, 전류적산 단계, 전류적산 값에 따른 실제 SOC 산출 단계, 상기 전지 모듈이 무부하상태인가를 확인하는 단계, 무부하상태인 경우 상기 실제 SOC가 전류적산에 의해 측정가능한 설정범위 이내인지를 확인하는 단계, 상기 실제 SOC가 설정범위 밖인 경우 전압값을 측정하여 전압값에 따른 SOC를 산출하는 단계를 포함한다.

이에 따라 전류센싱 오차에 관계없이 실질적이고도 정확한 SOC를 계산할 수 있게 된다.

또한, 상기 초기 SOC는 볼츠만(Boltzman)식을 통한 OCV값에 대한 SOC값 산출을 통해 얻어질 수 있다.

또한, 상기 OCV에 대한 SOC 변화량의 관계는 미리 테이블맵화 또는 수식화됨이 바람직하다.

또한, 상기 전류 적산 단계를 적어도 1초 이상임이 바람직하다.

또한, 상기 무부하상태 확인단계에서 무부하 상태인지의 여부는 전류값을 통해 확인됨이 바람직하며, 이때의 전류값 범위는 -3A ~ 3A 사이임이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 -2A ~ 2A 사이로 설정할 수 있다.

또한, 상기 설정범위는 25% ~ 85% 임이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40% ~ 70% 사이로 설정할 수 있다.

따라서 상기 설정범위 내에서는 전류적산을 통해 SOC를 산출하고 상기 설정범위를 벗어나는 경우에는 전압값에 따른 SOC를 산출함으로써 오차 발생을 최소화할 수 있게 된다.

여기서 상기와 같은 이차 전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 구성도이다.

상기한 도면을 참조하여 먼저 본 실시예에 따른 이차 전지 모듈(10)을 살펴보면 이차 전지 모듈(10)은 대용량의 전지 모듈로서 다수 개의 단위 전지(11)가 일정 간격을 두고 연속적으로 배열되어 이루어지는 적어도 하나 이상의 전지 집합체와, 상기 전지 집합체가 내부에 배치되고 냉각매체가 유통되는 하우징(13), 상기 전지 집합체의 각 단위 전지(11)를 관리하는 BMS(20)를 포함한다.

상기 각 단위 전지(11)는 세퍼레이터를 사이에 두고 이의 양측에 양극판과 음극판이 배치되는 전극 조립체를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충,방전시키는 통상적인 구조의 이차전지로서 구성된다. 상기 전지 집합체는 언급한 바와 같이 단위 전지(11)가 일정 간격으로 배치되어 하나의 열을 이룬 구조를 의미하는 것으로 정의한다.

본 실시예에 따르면, 상기 전지 집합체는 각각의 단위 전지(11)들이 대략 사각형(본 실시예에서는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 가로 폭이 넓은 직사각형)의 외형을 가지면서 직립되게 배열되어 이루어지는 것이 바람직하다.

물론 상기 단위 전지는 상기와 같이 각형으로 이루어진 구조 이외에 원통형 구조로 이루어질 수 있다.

이러한 전지 집합체는 각 단위 전지(11) 사이 및 최 외측의 단위 전지(11)에 전지 격벽(12)을 설치하고 있는 바, 이 전지 격벽(12)은 각 단위 전지(11)의 간격을 일정하게 유지시키면서 온도 제어용 공기를 유통시키고, 각 단위 전지(11)의 측면을 지지하는 기능을 하게 된다.

한편, 상기 BMS(20)는 전지 모듈(10)내의 각 단위 전지의 온도, 전류, 전압값을 검출하고 이를 관리하게 되며 본 실시예에서 차량의 시동 온 신호에 따라 전류가 전지 모듈의 단위 전지(11)로 흐르는 것을 일정 시간 지연시키는 역할을 수행하게 된다.

또한, 상기 BMS(20)는 전지 모듈에 설치된 전류센서, 전압센서, 온도센서로부터 데이터를 제공받게 되며, 전지 모듈(10)의 개방전압(open circuit voltage;OCV)값에 따른 SOC의 관계를 볼츠만 식에 의해 테이블맵화한 데이터가 미리 내장되어 상기 센서로부터 얻어진 측정값을 통해 필요한 SOC를 계산할 수 있도록 되어 있다.

미설명된 도면 부호 (30)은 차량의 시동 키로서 전지 모듈(10)과 상기 BMS(20)에 전기적으로 연결되어 BMS(20)를 초기 셋팅하게 된다.

여기서 상기 SOC(state of charge)는 전지 모듈의 충전상태를 나타내는 양의 하나로서, SOC가 100%인 경우 만충전상태를 나타내고 충전량이 제로상태인 경우 SOC가 O%인 것으로 나타낸다.

그리고 언급한 바와 같이 상기 SOC는 전지 모듈의 개방전압(open circuit voltage;OCV)과 1대 1의 대응관계가 성립되어 있어서, 상기 OCV를 계측 또는 추정하여 상기 테이블맵화된 데이터의 상관관계로부터 대응하는 SOC를 구할 수 있다.

또한, 상기한 전지모듈의 SOC는, HEV의 주행상태(예를 들면, 발진, 통상주행, 가속, 감속 등)나 부하(스톱램프, 헤드램프, 와이퍼, 전동팬 등)에 의하여 변동하기 때문에, 부하가 걸린 상태에서는 전류(충방전 전류)치를 적산하여 SOC를 산출하게 된다.

이하, 상기의 BMS에 의해 전지 모듈의 SOC를 구하고 이를 정확히 보정하는 과정에 대해 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저 시동 키를 작동하여 시동을 온시키게 되면 BMS(20)는 전지 모듈에 설치된 각 센서로부터 전류값과 전압값 및 온도값을 측정하여 각 측정값에 대한 데이터를 얻게 된다.(S100)

그리고 상기 BMS(20)는 미리 저장되어 있는 OCV에 대한 SOC의 변화량 관계를 테이블맵화한 데이터를 통해 상기와 같이 측정된 OCV에 대응되는 SOC을 계산하여 초기 SOC를 산출하게 된다.(S110)

이와같이 초기 SOC가 산출되고 전지 모듈에 부하가 걸려 충방전이 개시되면 전지모듈이 충전상태인가를 확인하여 충전상태인 경우에는 충전시 전압에 의한 보정과정을 거치게 되고 방전상태인 경우에는 방전에 따른 전압 보정과정을 거치게 된다.(S120 ~ S150)

그리고 충방전 개시시점으로부터 측정된 충방전 전류값을 시간에 대해 적분하여 전류적산을 하고 이 값을 초기 SOC에서 제함으로써 실제 SOC를 산출한다.(S160 ~ S170)

이와같이 구한 실제 SOC는 전류적산과정을 통해 구해진 값으로 다음 과정을 통해 전압값에 의한 SOC 보정을 수행하게 된다.

상기와 같이 실제 SOC가 산출되면 BMS(20)는 측정된 전류값을 통해 현재 전지 모듈(10)이 무부하상태인가를 확인하게 된다.(S180) 본 실시예에서 상기 무부하상태인 전류값은 -3A ~ 3A 사이로 설정되며 바람직하게는 -2A ~ 2A로 설정된다.

측정된 전류값이 상기 범위보다 크면 전지 모듈이 부하상태인 것을 판단하여 계속 전지모듈의 전압값과 전류값 및 온도값을 측정하여 전류적산에 의한 SOC 산출과정을 반복하게 된다.(S190)

그리고 측정된 전류값이 상기 범위 이내이면 측정된 실제 SOC가 전류적산에 의한 산출이 가능한 설정 범위 이내인지를 확인하게 된다.(S200)

SOC가 상기 설정범위 이내이면 전류적산을 통해 SOC를 산출하는 상기 과정을 반복하게 되고, SOC가 상기 설정범위를 벗어난 경우에는 전압값을 측정하여 OCV에 대한 SOC의 변화량 관계를 테이블맵화한 데이터를 통해 상기 전압값에 대응되는 SOC을 계산하여 초기 SOC를 재산출하게 된다.(S210)

여기서 상기 전류적산에 의한 SOC 산출이 가능한 설정범위는 OCV와 SOC에 대한 그래프에서 기울기가 급격하게 변하는 영역에 해당되며, 본 실시예에서는 25% ~ 80% 사이로 설정되며 바람직하게는 40% ~ 70% 사이로 설정된다.

이와같이 무부하상태일 때의 SOC가 설정된 범위를 넘어서는 경우 전류적산을 중지하고 전압값에 따른 SOC를 구함으로써 전류값의 오차에 따른 SOC의 오차를 최소화활 수 있게 된다.

상기한 본 발명의 전지 모듈은 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 전류적산을 통해 구해진 SOC 설정범위에 따라 전압값으로 재 산출함으로써 SOC의 오차를 최소화하고 보다 정밀한 SOC를 얻을 수 있게 된다.

전지의 정확한 SOC 산출을 통해 전지의 안정성을 높이고 정확한 충방전 제어가 가능하게 된다.

Claims (8)

1. 시동온 시 전지 모듈의 전류값과 전압값 및 온도값을 측정하는 단계와,

   상기 측정된 값으로 초기 SOC를 산출하는 단계,

   전류 적산 단계,

   상기 전류적산 값에 따른 실제 SOC 산출 단계,

   상기 전지 모듈이 무부하상태인가를 확인하는 단계,

   상기 전지 모듈이 부하상태인 경우 전지 모듈의 전류값과 전압값 및 온도값을 측정하여 실제 SOC 산출하는 과정을 반복하고, 무부하상태인 경우 상기 실제 SOC가 전류적산에 의해 측정가능한 설정범위 이내인지를 확인하는 단계,

   상기 실제 SOC가 설정범위 내인 경우 전지 모듈의 전류값과 전압값 및 온도값을 측정하여 실제 SOC 산출하는 과정을 반복하고, 설정범위 밖인 경우 전압값을 측정하여 전압값에 따른 SOC를 산출하는 단계

   를 포함하는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 초기 SOC 산출단계는 볼츠만(Boltzman)식을 통한 OCV값에 대한 SOC값의 변화량 관계로부터 구해지는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 OCV값에 대한 SOC값의 변화량 관계는 테이블맵화되어 상기 전지 모듈의 BMS에 내장되는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 전류 적산 단계는 적어도 1초 이상의 시간동안 이루어지는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법.
5. 제1 항에 있어서, 상기 전류 적산 전에 전지 모듈 충방전시 전압에 의한 보정 단계를 거치는 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법.
6. 제1 항에 있어서, 상기 무부하상태는 전류값이 -3A ~ 3A 사이인 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 설정범위는 25% ~ 85% 사이인 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈의 전지 잔존용량 측정방법.

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