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KR102239365B1 - 배터리 충전 상태 추정 장치 - Google Patents

배터리 충전 상태 추정 장치 Download PDF

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KR102239365B1
KR102239365B1 KR1020170136781A KR20170136781A KR102239365B1 KR 102239365 B1 KR102239365 B1 KR 102239365B1 KR 1020170136781 A KR1020170136781 A KR 1020170136781A KR 20170136781 A KR20170136781 A KR 20170136781A KR 102239365 B1 KR102239365 B1 KR 102239365B1
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battery
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processor
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치는 배터리의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하도록 구성된 센싱부; 및 상기 센싱부와 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 배터리의 충방전 사이클 마다 측정된 상기 배터리의 전류를 통해 미리 산출된 상기 배터리의 전압에 따른 제1 충전 상태에 기초하여 제1 기준 전압을 설정하고, 상기 배터리에 대응되는 등가 회로 모델을 이용하여 상기 배터리의 전압에 따른 제2 충전 상태를 산출하고, 상기 제1 기준 전압을 기준으로 상기 배터리의 전압 영역을 제1 전압 영역과 제2 전압 영역으로 설정하고, 상기 제1 전압 영역과 상기 제2 전압 영역 각각에서의 상기 배터리의 충전 상태를 상기 제1 충전 상태와 상기 제2 충전 상태 중 어느 하나로 추정하도록 구성될 수 있다.

Description

배터리 충전 상태 추정 장치{Apparatus for estimating state of charge of battery}
본 발명은 배터리 충전 상태 추정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 충방전 사이클 별로 산출된 제1 충전 상태(SOC: state of charge)와 등가 회로 모델을 이용하여 산출된 제2 충전 상태를 이용하여 배터리 충전 상태 추정 장치에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 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.
배터리를 사용 및 관리함에 있어서 중요한 파라미터들 중 하나는 충전 상태다. 충전 상태는, 배터리가 완전히 충전된 때에 배터리에 저장된 전기 에너지를 나타내는 최대 용량(maximum capacity)에 대한 현재의 용량의 상대적 비율을 나타내는 파라미터로서, 0~1 또는 0%~100%로 표현될 수 있다.
배터리의 충전 상태를 추정하는 데에는 등가 회로 모델이 대표적으로 이용되고 있다.
등가 회로 모델은, 배터리의 전기적인 동작 특성을 모사하도록 설계된 것이다. 다만, 배터리는 동작 상태에 따라 비선형적인 특성을 가지는데, 배터리의 비선형적인 특성을 완벽하게 모사하도록 등가 회로 모델을 설계하는 것은 매우 어려운 일이다.
이에 따라, 등가 회로 모델을 이용하여 배터리의 충전 상태를 추정하는 경우, 충전 상태를 추정하고자 하는 대상 배터리의 동작 상태에 따라 특정 전압 영역에서 비선형성을 갖는 충전 상태가 추정됨으로써, 추정된 배터리의 충전 상태의 정확성이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 배터리의 충방전 사이클 별로 산출된 제1 충전 상태 간의 충전 상태 편차가 최소인 배터리 전압을 제1 기준 전압을 설정하고, 제1 기준 전압 이하의 배터리 전압 영역에서 배터리의 충전 상태는 제1 충전 상태로 추정하고, 제1 기준 전압을 초과하는 배터리 전압 영역에서 배터리의 충전 상태는 등가 회로 모델을 이용하여 산출된 제2 충전 상태로 추정하는 배터리 충전 상태 추정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치는 배터리의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하도록 구성된 센싱부 및 상기 센싱부와 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리의 충방전 사이클 마다 측정된 상기 배터리의 전류를 통해 미리 산출된 상기 배터리의 전압에 따른 제1 충전 상태에 기초하여 제1 기준 전압을 설정하고, 상기 배터리에 대응되는 등가 회로 모델을 이용하여 상기 배터리의 전압에 따른 제2 충전 상태를 산출하고, 상기 제1 기준 전압을 기준으로 상기 배터리의 전압 영역을 제1 전압 영역과 제2 전압 영역으로 설정하고, 상기 제1 전압 영역과 상기 제2 전압 영역 각각에서의 상기 배터리의 충전 상태를 상기 제1 충전 상태와 상기 제2 충전 상태 중 어느 하나로 추정하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리의 전압 마다 상기 충방전 사이클 별로 상기 제1 충전 상태 간에 충전 상태 편차를 산출하고, 상기 충전 상태 편차를 이용하여 상기 제1 기준 전압을 설정할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 충전 상태 편차가 최소인 상기 배터리의 전압을 상기 제1 기준 전압으로 설정할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리의 전압 영역 중에서 상기 제1 기준 전압 이하인 전압 영역을 상기 제1 전압 영역으로 설정하고, 상기 배터리의 전압 영역 중에서 상기 제1 기준 전압를 초과하는 전압 영역을 상기 제2 전압 영역으로 설정할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 제1 전압 영역에서의 상기 배터리의 충전 상태를 상기 제1 충전 상태 중에서 최초 충방전 사이클에 산출된 제1 충전 상태로 추정할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 제2 전압 영역에서의 상기 배터리의 충전 상태를 상기 제2 충전 상태로 추정할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 제2 충전 상태에 따른 상기 배터리의 전압 변화율을 산출하고, 상기 전압 변화율의 증감에 기초하여 제2 기준 전압을 설정할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 전압 변화율이 증가하다가 감소하거나, 감소하다가 증가하는 상기 배터리의 전압을 제2 기준 전압으로 설정할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리의 전압 영역 중에서 상기 제1 기준 전압 이하인 전압 영역을 상기 제1 전압 영역으로 설정하고, 상기 제2 기준 전압를 초과하는 전압 영역을 상기 제2 전압 영역으로 설정하고, 상기 제1 기준 전압을 초과하고 상기 제2 기준 전압 이하인 전압 영역을 상기 제1 전압 영역으로 더 설정할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 충전 상태 추정 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 등가 회로 모델을 이용하여 산출되는 제2 충전 상태가 선형적으로 산출되는 전압 영역에서의 배터리의 충전 상태는 제2 충전 상태로 추정하고, 제2 충전 상태가 비선형적으로 산출되는 전압 영역에서의 배터리의 충전 상태는 충방전 실험을 통해 산출되는 제1 충전 상태로 추정하여 배터리의 충전 상태를 정확하게 추정할 수 있다.
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 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 충전 상태 추정 장치가 제1 기준 전압을 설정하는데 이용하는 "충방전 사이클별 개방 전압 및 제1 충전 상태 룩업 테이블"의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 충전 상태 추정 장치가 제2 충전 상태를 산출하는데 이용하는 "온도별 개방 전압 및 제1 충전 상태 룩업 테이블"의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 "충방전 사이클별 개방 전압 및 제1 충전 상태 룩업 테이블"을 도시한 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 배터리 충전 상태 추정 장치가 산출한 제2 충전 상태를 전압에 따라 도시한 그래프이다.
도 6 및 도 7은 도 1에 도시된 배터리 충전 상태 추정 장치가 제1 기준 전압, 제2 기준 전압, 제1 전압 영역 및 제2 전압 영역을 설정하고 제1 충전 상태 및 제2 충전 상태를 배터리의 충전 상태로 추정하는 과정과 관련된 그래프이다.
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.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
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 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 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 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치(100)는 배터리(B)를 포함하는 배터리 팩(1)에 포함되고, 배터리(B)와 연결되어 배터리(B)의 충전 상태를 추정할 수 있다.
이를 위하여, 상기 배터리 충전 상태 추정 장치(100)는 센싱부(110), 메모리부(120) 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다.
상기 배터리(B)는 충전 상태가 추정되는 최소 단위의 전지로서, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 단위 셀들을 포함한다. 물론, 상기 배터리(B)가 하나의 단위 셀만을 포함하는 경우도 본 발명의 범주에 포함된다.
상기 단위 셀은 반복적인 충방전이 가능하다면 그 종류에 특별한 제한이 없는데, 일 예시로서 파우치 타입으로 이루어진 리튬 폴리머 배터리일 수 있다.
상기 배터리(B)는 외부 단자를 통해 다양한 외부 장치에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 외부 장치는, 일 예시로서 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 드론과 같은 무인 비행체, 전력 그리드에 포함된 대용량의 전력 저장 장치(ESS), 또는 모바일 디바이스일 수 있다. 이 경우, 상기 배터리(B)는 상기 외부 장치에 탑재된 모듈화된 전지 팩에 포함된 단위 셀들의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
상기 배터리(B)의 외부 단자는 충전 장치와 선택적으로 결합될 수 있다. 상기 충전 장치는 배터리(B)가 탑재되는 외부 장치의 제어에 의해 배터리(B)에 선택적으로 결합될 수 있다.
상기 센싱부(110)는 프로세서(130)와 동작 가능하게 결합된다. 즉, 센싱부(110)는 프로세서(130)로 전기적 신호를 송신하거나 프로세서(130)로부터 전기적 신호를 수신 가능하도록 프로세서(130)에 접속될 수 있다.
상기 센싱부(110)는 미리 설정된 주기마다 배터리(B)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압과 배터리(B)로 흘러 들어가거나 흘러 나오는 전류를 반복 측정하고 측정된 전압과 전류를 나타내는 측정 신호를 프로세서(130)로 제공할 수 있다.
상기 센싱부(110)는 배터리(B)의 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서를 포함한다. 또한, 센싱부(110)는 배터리(B)의 전압을 측정하도록 구성된 전압 센서를 더 포함할 수 있다. 또한, 센싱부(110)는 배터리(B)의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서(130)는 센싱부(110)로부터 측정 신호가 수신되면, 신호 처리를 통해 배터리(B)의 전압, 온도 및 전류 각각의 디지털 값을 결정하고 메모리부(120)에 저장할 수 있다.
상기 메모리부(120)는 반도체 메모리 소자로서, 상기 프로세서(130)에 의해 생성되는 데이터를 기록, 소거, 갱신하며, 배터리(B)의 충전 상태 추정을 위해 마련된 복수의 프로그램 코드를 저장한다. 또한, 상기 메모리부(120)는 본 발명을 실시할 때 사용되는 미리 결정된 각종 파라미터들의 사전 설정 값들을 저장할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 충전 상태 추정 장치가 제1 기준 전압을 설정하는데 이용하는 "충방전 사이클별 개방 전압 및 제1 충전 상태 룩업 테이블"의 일 예를 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 배터리 충전 상태 추정 장치가 제2 충전 상태를 산출하는데 이용하는 "온도별 개방 전압 및 제1 충전 상태 룩업 테이블"의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 더 참조하면, 상기 메모리부(120)는 배터리(B)의 충방전 사이클 마다 측정된 배터리(B)의 전류를 통해 미리 산출된 배터리(B)의 전압에 따른 제1 충전 상태를 저장할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 메모리부(120)는 배터리(B)의 충방전 실험을 통해 충방전 사이클 마다 측정되는 배터리(B)의 충방전 전류 및 충방전 시간과 배터리(B)의 최대 용량을 이용하여 미리 산출된 제1 충전 상태를 저장할 수 있다. 이때, 상기 메모리부(120)는 제1 충전 상태에 대응되는 배터리(B)의 전압이 상호 맵핑된 "충방전 사이클 별 개방 전압-제1 충전 상태 룩업 테이블"을 저장할 수 있다.
또한, 상기 메모리부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 후술되는 프로세서(130)가 배터리(B)의 제2 충전 상태를 산출하는데 사용되는 "온도별 개방 전압-충전 상태 룩업 테이블"을 저장할 수 있다. 이러한, "온도별 개방 전압-충전 상태 룩업 테이블"은 배터리(B)의 온도 별로 배터리(B)의 충전 상태에 대응되는 배터리(B)의 전압이 상호 맵핑될 수 있다.
상기 메모리부(120)는 데이터를 기록, 소거, 갱신할 수 있다고 알려진 반도체 메모리 소자라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 메모리부(120)는 DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 상기 메모리부(120)는 상기 프로세서(130)의 제어 로직을 정의한 프로그램 코드들을 저장하고 있는 저장매체를 더 포함할 수 있다. 상기 저장매체는 플래쉬 메모리나 하드디스크와 같은 불활성 기억 소자를 포함한다. 상기 메모리부(120)는 프로세서(130)와 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 상기 프로세서(130)와 일체로 통합되어 있을 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 프로세서(130)는 상기 센싱부(110)와 동작 가능하게 결합될 수 있다. 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 충방전 사이클 마다 측정된 배터리(B)의 전류를 통해 미리 산출된 배터리(B)의 전압에 따른 제1 충전 상태에 기초하여 제1 기준 전압을 설정할 수 있다. 또한, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)에 대응되는 등가 회로 모델을 이용하여 배터리(B)의 전압에 따른 제2 충전 상태를 산출할 수 있다. 또한, 상기 프로세서(130)는 제1 기준 전압을 기준으로 배터리(B)의 전압 영역을 제1 전압 영역과 제2 전압 영역으로 설정하고, 제1 전압 영역과 제2 전압 영역 각각에서의 배터리(B)의 충전 상태를 제1 충전 상태와 제2 충전 상태 중 어느 하나로 추정할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 추정된 충전 상태를 나타내는 메시지를 통신 단자(COM)를 통해 외부 장치로 전송할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 프로세서(130)에 의해 실행될 수 있는 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서(130)에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이하, 상기 프로세서(130)가 배터리(B)의 제1 충전 상태에 기초하여 제1 기준 전압을 설정하고, 설정된 제1 기준 전압을 기준으로 제1 전압 영역과 제2 전압 영역을 설정하는 과정에 대해서 설명하도록 한다.
도 4는 도 2에 도시된 "충방전 사이클별 개방 전압 및 제1 충전 상태 룩업 테이블"을 도시한 그래프이다.
도 4를 더 참조하면, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 제1 충전 상태에 기초하여 제1 기준 전압을 설정할 수 있다.
여기서, 배터리(B)의 제1 충전 상태는 배터리(B)의 충방전 실험을 통해 충방전 사이클 마다 측정되는 배터리(B)의 충방전 전류 및 충방전 시간과 배터리(B)의 최대 용량을 이용하여 미리 산출되어 상기 메모리부(120)에 저장될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 배터리(B)의 제1 충전 상태는 대응되는 배터리(B)의 전압과 상호 맵핑되어 상기 메모리부(120)에 "충방전 사이클 별 개방 전압-제1 충전 상태 룩업 테이블"로 저장될 수 있다.
이러한, "충방전 사이클 별 개방 전압-제1 충전 상태 룩업 테이블"의 데이터들은 도 4에 도시된 바와 같이, 충방전 사이클 별로 X축이 제1 충전 상태(SOC)이고, Y축이 개방 전압(OCV)인 OCV-SOC 그래프로 표현될 수 있다.
이때, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 마다 충방전 사이클 별로 제1 충전 상태 간에 충전 상태 편차를 산출하고, 충전 상태 편차를 이용하여 제1 기준 전압을 설정할 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 "3V"에 대해 충방전 사이클 별로 제1 충전 상태 간에 충전 상태 편차를 산출하는 경우, 1번째 내지 n번째 충방전 사이클 각각에서 배터리(B)의 전압 "3V"에 대응되는 배터리(B)의 제1 충전 상태 각각을 상기 메모리부(120)로부터 독출할 수 있다.
이후, 상기 프로세서(130)는 1번째 충방전 사이클에서 배터리(B)의 전압 "3V"에 대응되는 배터리(B)의 제1 충전 상태를 기준으로 나머지 2번째 내지 n번째 충방전 사이클에서 배터리(B)의 전압 "3V"에 대응되는 배터리(B)의 제1 충전 상태들과의 편차를 충전 상태 편차로 산출할 수 있다.
이때, 상기 프로세서(130)는 하기의 수학식 1을 이용하여 충전 상태 편차를 산출할 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112017103910275-pat00001
여기서, Dv는 배터리(B)의 전압 "V"에 대한 상기 충전 상태 편차이고, SOC1nV는 n번째 충방전 사이클에서 배터리(B)의 전압 "V"에 대응되는 배터리(B)의 제1 충전 상태이고, n은 충방전 사이클의 최종 횟수이다.
이와 같이, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 모든 전압 영역에 대해 배터리(B)의 전압 마다 충방전 사이클 별로 제1 충전 상태 간에 충전 상태 편차를 산출할 수 있다.
이후, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 마다 산출된 충전 상태 편차들 중에서 가장 작은 값이 산출된 배터리(B)의 전압을 제1 기준 전압으로 설정할 수 있다.
한편, 상기 프로세서(130)는 설정된 제1 기준 전압을 기준으로 배터리(B)의 전압 영역을 제1 전압 영역과 제2 전압 영역으로 설정할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 영역 중에서 제1 기준 전압 이하인 전압 영역을 제1 전압 영역으로 설정하고, 제1 기준 전압을 초과하는 전압 영역을 제2 전압 영역으로 설정할 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 마다 산출된 충전 상태 편차들 중에서 가장 작은 값이 배터리(B)의 전압 "3.6V"에서 산출되면, 배터리(B)의 전압 "3.6V"를 제1 기준 전압으로 설정할 수 있다.
이후, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 영역 중에서 제1 기준 전압 "3.6V" 이하인 전압 영역을 제1 전압 영역으로 설정하고, 제1 기준 전압 "3.6V"를 초과하는 전압 영역을 제2 전압 영역으로 설정할 수 있다.
이하, 상기 프로세서(130)가 배터리(B)의 제2 충전 상태를 산출하고, 제2 기준 전압을 설정하는 과정에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 도 1에 도시된 배터리 충전 상태 추정 장치가 산출한 제2 충전 상태를 전압에 따라 도시한 그래프이다.
도 5를 더 참조하면, 상기 프로세서(130)는 등가 회로 모델을 이용하여 배터리(B)의 전압에 따른 제2 충전 상태를 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 거동을, 개방 전압(open circuit voltage), 내부 저항, 및 저항-커패시터 병렬 회로가 직렬 연결된 등가 회로로 모델링하고, 이러한 등가 회로 모델의 인자들을 변수로 하는 선형 또는 비선형 함수와 전류 적산 방법을 이용하여 제2 충전 상태를 산출할 수 있다.
물론, 배터리(B)의 제2 충전 상태는 전류 적산법 이외의 다른 방법으로도 산출될 수 있다. 일 예로, 상기 프로세서(130)는 칼만 필터(Kalman Filter) 또는 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 기반으로 상기 센싱부(110)로부터 수신되는 배터리(B)의 전압, 전류 및 온도의 측정 신호를 이용하여 배터리(B)의 제2 충전 상태를 산출할 수 있다. 다른 예로, 상기 프로세서(130)는 상태 귀환 필터 및 관측 귀환 필더를 이용하여 배터리(B)의 제2 충전 상태를 산출할 수 있다.
여기서, 배터리(B)의 제1 충전 상태는 충방전 실험을 통해 산출되어 상기 메모리부(120)에 미리 저장된 데이터이고, 이에 반해, 배터리(B)의 제2 충전 상태는 현재 배터리(B)에 대한 측정 신호와 배터리(B)를 전기적으로 모사한 등가 회로 모델을 이용하여 산출된 데이터일 수 있다.
한편, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 영역 전체에 대해 제2 충전 상태를 산출할 수 있다. 이러한, 배터리(B)의 충전 상태는 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리(B)의 전압 영역 전체에 걸쳐 X축이 제2 충전 상태(SOC)이고, Y축이 개방 전압(OCV)인 OCV-SOC 그래프로 표현될 수 있다.
이하, 상기 프로세서(130)가 제1 전압 영역과 제2 전압 영역 각각에서 배터리(B)의 충전 상태를 추정하는 과정에 대해서 설명하도록 한다.
도 6 및 도 7은 도 1에 도시된 배터리 충전 상태 추정 장치가 제1 기준 전압, 제2 기준 전압, 제1 전압 영역 및 제2 전압 영역을 설정하고 제1 충전 상태 및 제2 충전 상태를 배터리의 충전 상태로 추정하는 과정과 관련된 그래프이다.
도 6 및 도 7을 더 참조하면, 상기 프로세서(130)는 제1 전압 영역에서의 배터리(B)의 충전 상태를 배터리(B)의 제1 충전 상태로 추정하고, 제2 전압 영역에서의 배터리(B)의 충전 상태를 배터리(B)의 제2 충전 상태로 추정할 수 있다.
다시 말해, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 프로세서(130)는 제1 전압 영역에서 배터리(B)의 충전 상태를 충방전 실험을 통해 충방전 사이클 별로 산출된 배터리(B)의 제1 충전 상태 중에서 최초 즉, 1번째 충방전 사이클에 산출된 배터리(B)의 제1 충전 상태로 추정할 수 있다.
또한, 상기 프로세서(130)는 제2 전압 영역에서 배터리(B)의 충전 상태를 등가 회로 모델을 이용하여 실시간으로 산출된 배터리(B)의 제2 충전 상태로 추정할 수 있다.
한편, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 제2 충전 상태에 따른 배터리(B)의 전압 변화율을 산출하고, 산출된 변화율의 증감에 기초하여 제2 기준 전압을 설정할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 제2 충전 상태에 대응되어 변화하는 배터리(B)의 전압 변화율을 산출하고, 산출된 전압 변화율이 양의 값에서 음의 값으로 변경되거나, 음의 값에서 양의 값으로 변화하는 배터리(B)의 전압을 제2 기준 전압으로 설정할 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서(130)는 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리(B)의 전압 변화율이 음의 값에서 양의 값으로 변화하는 배터리(B)의 전압 "3.8V"를 제2 기준 전압으로 설정할 수 있다.
상기 프로세서(130)는 제2 기준 전압이 설정되면 제1 기준 전압과 제2 기준 전압을 이용하여 제1 전압 영역과 제2 전압 영역을 설정할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 영역 중에서 제1 기준 전압 이하인 전압 영역을 제1 전압 영역으로 설정하고, 제1 기준 전압을 초과하는 전압 영역을 제2 전압 영역으로 설정한 후, 제2 기준 전압 이하이고 제1 기준 전압을 초과하는 전압 영역을 제1 전압 영역으로 다시 설정할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 "3.6V"와 "3.8V"를 각각 제1 기준 전압과 제2 기준 전압으로 설정하면, 배터리(B)의 전압 영역 중에서 제1 기준 전압 "3.6V" 이하인 전압 영역을 제1 전압 영역으로 설정하고, 제1 기준 전압 "3.6V"를 초과하는 전압 영역을 제2 전압 영역으로 설정한 후, 제2 기준 전압 "3.8V" 이하이고 제1 기준 전압 "3.6V"를 초과하는 전압 영역을 제1 기준 영역으로 다시 설정할 수 있다.
이후, 상기 프로세서(130)는 제1 전압 영역(0V 내지 3.8V)에서 배터리(B)의 충전 상태를 충방전 실험을 통해 충방전 사이클 별로 산출된 배터리(B)의 제1 충전 상태 중에서 최초 즉, 1번째 충방전 사이클에 산출된 배터리(B)의 제1 충전 상태로 추정할 수 있다.
또한, 상기 프로세서(130)는 제2 전압 영역(3.8V 초과)에서 배터리(B)의 충전 상태를 등가 회로 모델을 이용하여 실시간으로 산출된 배터리(B)의 제2 충전 상태로 추정할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치(100)는 특정 전압 영역에서 충방전 사이클 별로 제1 충전 상태 간에 차이가 미미한 제1 충전 상태의 특성과 특정 전압 영역에서 비선형적으로 산출되는 제2 충전 상태의 특성을 이용하여 오차가 최소화된 충전 상태를 추정할 수 있다.
다시 말해, 배터리 충전 상태 추정 장치(100)는 충방전 사이클 별 제1 충전 상태 중에서 1번째 충방전 사이클에서 산출된 제1 충전 상태와 다른 충방전 사이클에서 산출된 제1 충전 상태간의 차이가 미미한 전압 영역을 제1 전압 영역으로 설정하여 제1 전압 영역에서의 배터리(B)의 충전 상태를 제1 충전 상태로 추정할 수 있다. 또한, 배터리 충전 상태 추정 장치(100)는 제2 충전 상태가 비선형적으로 산출되는 전압 영역을 제외하고 선형적으로 산출되는 전압 영역을 제2 전압 영역으로 설정하여 제2 전압 영역에서의 배터리(B)의 충전 상태를 제2 충전 상태로 추정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 배터리 팩
B: 배터리
100: 배터리 충전 상태 추정 장치
110: 센싱부
120: 메모리부
130: 프로세서

Claims (10)

  1. 배터리의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하도록 구성된 센싱부; 및
    상기 센싱부와 동작 가능하게 결합된 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는
    상기 배터리의 복수의 충방전 사이클 마다 측정된 상기 배터리의 전류를 통해 상기 복수의 충방전 사이클에서 미리 산출된 상기 배터리의 전압에 따른 복수의 제1 충전 상태에 기초하여 제1 기준 전압을 설정하고,
    상기 배터리에 대응되는 등가 회로 모델을 이용하여 상기 배터리의 전압에 따른 제2 충전 상태를 산출하고,
    상기 제1 기준 전압을 기준으로 상기 배터리의 전압 영역을 제1 전압 영역과 제2 전압 영역으로 설정하고,
    상기 제1 전압 영역과 상기 제2 전압 영역 각각에서의 상기 배터리의 충전 상태를 상기 제1 충전 상태와 상기 제2 충전 상태 중 어느 하나로 추정하도록 구성되고,
    상기 프로세서는,
    상기 복수의 충방전 사이클에서 동일한 전압 마다 상기 복수의 제1 충전 상태 간의 충전 상태 편차를 산출하고, 산출된 복수의 충전 상태 편차 중 상기 충전 상태 편차가 최소인 상기 배터리의 전압을 상기 제1 기준 전압으로 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 배터리의 전압 영역 중에서 상기 제1 기준 전압 이하인 전압 영역을 상기 제1 전압 영역으로 설정하고,
    상기 배터리의 전압 영역 중에서 상기 제1 기준 전압를 초과하는 전압 영역을 상기 제2 전압 영역으로 설정하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제1 전압 영역에서의 상기 배터리의 충전 상태를 상기 제1 충전 상태 중에서 최초 충방전 사이클에 산출된 제1 충전 상태로 추정하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제2 전압 영역에서의 상기 배터리의 충전 상태를 상기 제2 충전 상태로 추정하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제2 충전 상태에 따른 상기 배터리의 전압 변화율을 산출하고,
    상기 전압 변화율의 증감에 기초하여 제2 기준 전압을 설정하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 전압 변화율 이 증가하다가 감소하거나, 감소하다가 증가하는 상기 배터리의 전압을 제2 기준 전압으로 설정하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 배터리의 전압 영역 중에서 상기 제1 기준 전압 이하인 전압 영역을 상기 제1 전압 영역으로 설정하고,
    상기 제2 기준 전압를 초과하는 전압 영역을 상기 제2 전압 영역으로 설정하고,
    상기 제1 기준 전압을 초과하고 상기 제2 기준 전압 이하인 전압 영역을 상기 제1 전압 영역으로 더 설정하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  10. 제1항 및 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치를 포함하는 배터리 팩.
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