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KR20220053250A - 배터리 장치 및 저항 상태 추정 방법 - Google Patents

배터리 장치 및 저항 상태 추정 방법 Download PDF

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KR20220053250A
KR20220053250A KR1020200137478A KR20200137478A KR20220053250A KR 20220053250 A KR20220053250 A KR 20220053250A KR 1020200137478 A KR1020200137478 A KR 1020200137478A KR 20200137478 A KR20200137478 A KR 20200137478A KR 20220053250 A KR20220053250 A KR 20220053250A
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KR
South Korea
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battery
resistance
measured
reference temperature
internal resistance
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020200137478A
Other languages
English (en)
Inventor
윤성준
강태규
김철택
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
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Priority to US17/919,530 priority patent/US20230168307A1/en
Priority to JP2022562648A priority patent/JP7452904B2/ja
Priority to EP21883022.2A priority patent/EP4116723A4/en
Priority to CN202180026075.5A priority patent/CN115398257A/zh
Priority to PCT/KR2021/012506 priority patent/WO2022085950A1/ko
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Abstract

배터리 장치의 프로세서는 배터리의 측정 전압, 배터리의 측정 전류, 배터리의 개방 회로 전압 및 배터리의 측정 온도에 기초해서 기준 온도에서의 배터리의 내부 저항을 추정하고, 상기 배터리가 초기 상태일 때의 기준 온도에서의 초기 저항과 추정한 기준 온도에서의 내부 저항에 기초해서 배터리의 저항 상태를 추정한다.

Description

배터리 장치 및 저항 상태 추정 방법{BATTERY APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING RESISTANCE STATE}
본 발명은 배터리 장치 및 저항 상태 추정 방법에 관한 것이다.
전기 자동차 또는 하이브리드 자동차는 주로 배터리를 전원으로 이용하여 모터를 구동함으로써 동력을 얻는 자동차로서, 내연 자동차의 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 충전이 가능한 배터리는 전기 자동차 이외에 다양한 외부 장치에서 사용되고 있다.
배터리는 양극 및 음극, 전극 사이에 개재된 분리막, 양극과 음극에 코팅된 활물질과 전기화학적으로 반응하는 전해질을 포함하는데, 충방전 회수가 증가할수록 용량이 감소한다. 용량의 감소는 전극에 코팅된 활물질의 열화, 전해질의 부 반응, 분리막의 기공 감소 등에서 그 원인을 찾을 수 있다. 배터리의 용량이 감소하면 저항이 증가하여 열로 소실되는 전기 에너지가 증가한다. 따라서, 배터리의 용량이 임계치 이하로 감소하면 배터리의 성능이 현저하게 떨어지고 발열량이 증가하여 점검 또는 교체가 필요하다.
배터리 기술 분야에서, 배터리의 용량 감소 정도는 건강 상태(state of health, SOH)라는 팩터에 의해 정량적으로 나타낼 수 있다. SOH는 여러 가지 방법으로 계산이 가능한데, 그 중 하나가 현재 시점을 기준으로 한 배터리의 저항이 초기(beginning of life, BOL) 상태에 있을 때의 저항 대비 증가된 정도를 정량화하는 것으로 계산이 가능하다. 예를 들어, 배터리의 저항이 BOL 상태일 때의 저항 대비 20% 증가하였다면, SOH는 80%라고 추정할 수 있다. 배터리는 SOH에 기초해서 최대 전류를 제어함으로써 수명을 길게 할 수 있다. 이를 실현하려면, 배터리의 내부 저항을 정확하게 검출하고 내부 저항의 상태를 추정할 필요가 있다.
사전에 측정된 저항 데이터를 기초로, 특정 온도와 특정 SOC 조건에서 추정된 내부 저항이 배터리가 초기 상태일 때의 저항 대비 증가된 정도로 저항 상태, 즉 저항이 퇴화된 정도를 추정할 수 있다. 그리고 특정 온도나 특정 SOC와는 다른 온도나 SOC에서도 동일한 레벨로 내부 저항이 퇴화되었다는 가정하에 추정한 저항 상태를 모든 조건에 적용하여 출력 추정에 사용하고 있다. 그런데 배터리의 저항은 온도에 따라 달라질 수 있는데, 특정 온도에서의 추정된 저항을 다른 온도에도 적용하면 실제 저항 상태와는 다른 결과가 발생할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 배터리의 내부 저항 및 저항 상태를 정확하게 추정할 수 있는 배터리 장치 및 저항 상태 추정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 배터리와 프로세서를 포함하는 배터리 장치가 제공된다. 상기 프로세서는 상기 배터리의 측정 전압, 상기 배터리의 측정 전류, 상기 배터리의 개방 회로 전압 및 상기 배터리의 측정 온도에 기초해서 기준 온도에서의 상기 배터리의 내부 저항을 추정하고, 상기 배터리가 초기 상태일 때의 상기 기준 온도에서의 초기 저항과 상기 내부 저항에 기초해서 상기 배터리의 저항 상태를 추정한다.
상기 배터리 장치는 복수의 온도에 각각 대응하는 복수의 보정비를 저장하는 메모리를 더 포함할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 복수의 보정비 중에서 상기 측정 온도에 대응하는 보정비를 추출하고, 상기 측정 전압, 상기 측정 전류, 상기 개방 회로 전압 및 상기 보정비에 기초해서 상기 기준 온도에서의 상기 내부 저항을 추정할 수 있다.
상기 보정비는 상기 측정 온도에서의 저항값을 상기 기준 온도에서의 저항값으로 변환하기 위한 값일 수 있다.
상기 프로세서는 상기 측정 전압, 상기 측정 전류에 상기 보정비를 반영한 전류 및 상기 개방 회로 전압에 기초해서 상기 기준 온도에서의 상기 내부 저항을 추정할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 측정 전압과 상기 개방 회로 전압을 포함하는 관측 값, 상기 내부 저항을 포함하는 추정 파라미터 및 상기 측정 전류와 상기 보정비를 포함하는 관측 데이터 행렬을 사용하는 적응 필터에 기초해서 상기 기준 온도에서의 상기 내부 저항을 추정할 수 있다.
상기 관측 데이터 행렬에서 상기 측정 전류에 상기 보정비가 반영될 수 있다.
상기 적응 필터는 RLS(recursive least squares) 필터를 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 배터리의 충전 상태(state of charge)를 추정하고, 상기 충전 상태에 기초해서 상기 개방 회로 전압을 추정할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 기준 온도에서의 내부 저항이 상기 기준 온도에서의 상기 초기 저항 대비 증가한 정도로 상기 저항 상태를 추정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리의 저항 상태 추정 방법이 제공된다. 상기 저항 상태 추정 방법은 상기 배터리의 측정 전압, 상기 배터리의 측정 전류, 상기 배터리의 개방 회로 전압 및 상기 배터리의 측정 온도에 기초해서 기준 온도에서의 상기 배터리의 내부 저항을 추정하는 단계, 그리고 상기 배터리가 초기 상태일 때의 기준 온도에서의 초기 저항과 상기 내부 저항에 기초해서 상기 배터리의 저항 상태를 추정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 배터리 장치의 프로세서에 의해 실행되며, 기록 매체에 저장되어 있는 프로그램이 제공된다. 상기 프로그램은 상기 프로세서가, 상기 배터리의 측정 전압, 상기 배터리의 측정 전류, 상기 배터리의 개방 회로 전압 및 상기 배터리의 측정 온도에 기초해서 기준 온도에서의 상기 배터리의 내부 저항을 추정하는 단계, 그리고 상기 배터리가 초기 상태일 때의 기준 온도에서의 초기 저항과 상기 내부 저항에 기초해서 상기 배터리의 저항 상태를 추정하는 단계를 실행하도록 한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 온도 변화에 관계 없이 배터리의 내부 저항 및 저항 상태를 정확하게 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서의 저항 상태 추정을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서의 저항 상태 추정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리에서 온도와 보정비 사이의 상관 관계의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리의 등가 회로 모델을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 내부 저항 추정 방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
아래 설명에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 장치(100)는 외부 장치에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 가진다. 외부 장치가 부하인 경우, 배터리 장치(100)는 부하로 전력을 공급하는 전원으로 동작하여 방전된다. 외부 장치가 충전기인 경우, 배터리 장치(100)는 충전기를 통해 외부 전력을 공급받아 충전된다. 부하로 동작하는 외부 장치는 예를 들면 전자 장치, 이동 수단 또는 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)일 수 있으며, 이동 수단은 예를 들면 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 스마트 모빌리티(smart mobility)일 수 있다.
배터리 장치(100)는 배터리(110), 전압 측정 회로(120), 온도 센서(130), 전류 센서(140), 프로세서(150) 및 메모리(160)를 포함한다.
배터리(110)는 충전 가능한 2차 전지이다. 배터리(110)는 단일 배터리 셀, 복수의 배터리 셀의 어셈블리 또는 복수의 어셈블리가 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 모듈, 복수의 배터리 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 팩, 또는 복수의 배터리 팩이 직렬 또는 병렬로 연결된 시스템일 수 있다.
전압 측정 회로(120)는 배터리(110)의 전압을 측정한다. 어떤 실시예에서, 전압 측정 회로(120)는 각 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있다.
온도 센서(130)는 배터리(110)의 온도를 측정한다. 어떤 실시예에서, 온도 센서(130)는 배터리(110)의 소정 위치의 온도를 측정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리(110)에서 복수의 위치의 온도를 측정하기 위해 복수의 온도 센서(130)가 제공될 수 있다.
전류 센서(140)는 배터리(110)의 양극 단자 또는 음극 단자에 연결되어 있으며, 배터리(110)의 전류, 즉 충전 전류 또는 방전 전류를 측정한다.
프로세서(150)는 전압 측정 회로(120)에서 측정된 배터리(110)의 전압, 온도 센서(130)에서 측정된 배터리(110)의 온도 및 전류 센서(140)에서 측정된 배터리(110)의 전류에 기초해서 배터리(110)의 저항 상태를 추정한다. 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 배터리(110)의 저항 상태 추정을 위해 메모리(160)에 저장되어 있는 테이블을 참조할 수 있다.
메모리(160)는 프로세서(150)의 저항 상태 추정을 위해 사용되는 테이블을 저장한다. 어떤 실시예에서, 메모리(160)는 프로세서(150)의 동작에 사용되는 명령어를 저장할 수 있다. 어떤 실시예에서, 메모리(160)는 프로세서(150)에 내장되거나 프로세서(150)에 버스를 통해 연결될 수 있다. 어떤 실시예에서, 테이블을 저장하고 있는 메모리(160)는 비휘발성 메모리일 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(150)와 메모리(160)는 배터리 관리 시스템을 형성할 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템은 전압 측정 회로(120), 온도 센서(130) 또는 전류 센서(140) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서의 저항 상태 추정을 설명하는 도면이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서의 저항 상태 추정 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리에서 온도와 보정비 사이의 상관 관계의 한 예를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리의 등가 회로 모델을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 배터리 관리 시스템의 프로세서(예를 들면, 도 1의 150)는 적응 필터(210)를 사용하여서 배터리(예를 들면, 도 1의 110)의 내부 저항을 추정할 수 있다(S310, S320). 프로세서(150)는 배터리(110)의 전류(I), 배터리(110)의 전압(V), 배터리(110)의 개방 회로 전압(open circuit voltage, OCV) 및 배터리(110)의 온도(T)를 적응 필터(210)에 입력한다(S310), 적응 필터(210)를 통해 입력 값에 기초해서 기준 온도로 환산된(즉, 정규화된) 내부 저항을 추정할 수 있다(S320). 어떤 실시예에서, 기준 온도는 상온(예를 들면, 25℃)일 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리(110)의 전류는 전류 센서(예를 들면, 도 1의 140)에 의해 측정된 배터리(110)의 충전 또는 방전 전류일 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리(110)의 전압은 배터리 셀의 전압일 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리(110)의 전압은 평균 셀 전압일 수 있으며, 평균 셀 전압은 복수의 배터리 셀의 전압의 평균값일 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리(110)의 전압은 복수의 배터리 셀의 전압의 합일 수 있다. 배터리(110)의 개방 회로 전압은 배터리(110)의 평균 충전 상태에서 변환된 값일 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리(110)의 온도는 온도 센서(예를 들면, 도 1의 130)에서 측정된 온도일 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리(110)의 온도는 복수의 온도 센서에서 측정된 온도의 평균값인 평균 온도일 수 있다.
프로세서(150)는 보정비에 기초해서 적응 필터(210)를 통해 기준 온도에서의 내부 저항을 추정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 보정비는 측정 온도에서의 저항값을 기준 온도에서의 저항값으로 변환하기 위한 값으로, 예를 들면 수학식 1과 같이 현재 온도에서의 저항값과 기준 온도로 환산된 저항값의 비율로 정의될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, R0 *는 기준 온도에서의 저항값이고, r(T)는 온도(T)에서의 보정비이며, R0(T)는 온도(T)에서의 저항값이다.
어떤 실시예에서, 도 4에 도시한 것처럼 온도와 보정비 간의 상관 관계를 저장되어 있을 수 있다. 즉, 복수의 온도에 각각 대응하는 복수의 보정비가 저장되어 있을 수 있다. 예를 들면, 상관 관계가 룩업 테이블 형태로 저장되어 있을 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템의 메모리(예를 들면, 도 1의 160)가 상관 관계를 저장하고 있을 수 있다. 도 4에 도시한 온도와 보정비 사이의 상관 관계는 하나의 예이며, 온도에 따른 보정비의 값은 예를 들면 실험을 통해 정의될 수 있다. 도 4에 도시한 것처럼, 보정비는 기준 온도(예를 들면 25℃)에서 1이고, 온도가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 이에 따라, 기준 온도보다 낮은 온도에서의 저항값은 기준 온도에서의 저항값보다 크고, 기준 온도보다 높은 온도에서의 저항값은 기준 온도에서의 저항값보다 작을 수 있다.
도 5를 참고하면, 배터리의 등가 회로 모델은 개방 회로 전압원(510), 직렬 저항(520) 및 RC 병렬 회로를 포함한다.
개방 회로 전압원(510)은 전기 화학적으로 안정화된 배터리의 양극과 음극 사이의 전압인 개방 회로 전압을 모사한다. 개방 회로 전압은 배터리(110)의 충전 상태(state of charge, SOC)에 의해 결정될 수 있으며, 충전 상태와 비선형적인 함수 관계(OCV=f(SOC))를 가질 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리(110)의 개방 회로 전압과 충전 상태 간의 상관 관계가 저장되어 있을 수 있다. 예를 들면, 상관 관계는 룩업 테이블 형태로 저장되어 있을 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템의 메모리(예를 들면, 도 1의 160)가 상관 관계를 저장하고 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 배터리(110)의 개방 회로 전압과 충전 상태 간의 상관 관계가 온도별로 저장되어 있을 수 있다. 따라서, 프로세서(150)는 메모리(160)에 저장된 상관 관계를 참조하여 충전 상태에 연관된 개방 회로 전압을 결정할 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 배터리(110)의 전압, 배터리(110)의 전류 또는 배터리(110)의 온도에 기초해서 배터리(110)의 충전 상태를 결정할 수 있다. 프로세서(150)는 이미 알려진 다양한 방법 중 어느 하나의 방법을 사용하여서 충전 상태를 결정할 수 있으며, 본 발명은 충전 상태의 결정 방법에 한정되지 않는다.
직렬 저항(520)은 배터리(110)에 흐르는 전류에 의한 배터리(110) 내부의 전압 강하를 나타내는 배터리(110)의 내부 저항을 모사하며, 배터리(110)에 흐르는 전류에 의한 배터리 단자 전압의 순간적인 변화를 나타낸다. RC 병렬 회로는 배터리 단자 전압에 반영된 분극 전압, 즉 과전위(over-potential)의 과도기적인 변화를 모사하는 것으로서, 병렬로 연결되는 저항(531)과 커패시터(532)를 포함한다.
이러한 등가 회로 모델에서 배터리 단자 전압(V)은 수학식 2와 같이 주어질 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 단자 전압(V)은 배터리 셀의 전압 또는 평균 셀 전압일 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2에서, R0는 내부 저항(520)의 저항값이고, R1은 RC 병렬 회로의 저항(531)의 저항값이며, τ1은 RC 병렬 회로의 시정수이고, I는 배터리(110)의 전류이며, OCV는 개방 회로 전압이다.
다시 도 2 및 도 3을 참고하면, 프로세서(150)는 저항 상태 계산 모듈(220)을 통해 적응 필터(210)에서 추정한 배터리(110)의 내부 저항과 기준 온도에서의 BOL 저항에 기초해서 저항 상태를 계산한다(S330). BOL 저항은 배터리가 초기(beginning of life, BOL) 상태에 있을 때의 내부 저항일 수 있다. BOL 저항은 배터리의 온도에 따라 변할 수 있으며, 프로세서(150)는 기준 온도에서의 BOL 저항을 저장하고 있을 수 있다. 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 기준 온도에서의 BOL 저항을 배터리 관리 시스템의 메모리(예를 들면, 도 1의 160)에 저장할 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 수학식 3과 같이 BOL 저항에 대비 내부 저항이 증가한 비율을 100%에서 뺀 값으로 저항 상태(state of health resistance, SOHR)를 추정할 수 있다. 이러한 저항 상태를 저항 퇴화 상태라 할 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3에서 R0는 추정된 배터리의 내부 저항이고, RBOL은 기준 온도에서의 BOL 저항이다.
이와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 배터리에서 측정된 정보를 적응 필터(210)에 입력하여서 기준 온도로 환산된 내부 저항을 추정할 수 있다. 또한 추정한 내부 저항이 어느 정도 퇴화하였는지를 판단하기 위해서 기준 온도에서의 BOL 저항과 비교하므로, 배터리의 온도 변화에 관계 없이 저항 상태를 정확하게 추정할 수 있다.
다음, 적응 필터(210)를 통해 내부 저항을 추정하는 방법의 한 예에 대해서 도 6을 참고로 하여 설명한다. 어떤 실시예에서, 적응 필터(210)로 RLS(recursive least squares) 필터가 사용될 수 있으며, 아래에서는 적응 필터(210)를 RLS 필터로 설명한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 내부 저항 추정 방법을 나타내는 흐름도이다.
프로세서(150)는 기준 온도로 환산된 내부 저항을 추정하기 위해서 등가 회로 모델에서의 배터리 단자 전압(V)을 기준 온도를 기초로 변환한다. 이 경우, 수학식 2는 수학식 4과 같이 변환될 수 있다.
Figure pat00004
수학식 4에서, R0 *는 내부 저항의 기준 온도로 환산된 저항값이고, R1 *은 RC 병렬 회로의 저항의 기준 온도로 환산된 저항값이며, r은 보정비이다.
수학식 4를 다시 정리하면 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00005
수학식 5를 수학식 6과 같은 행렬식으로 표현하는 경우, 현재 시점을 나타내는 k 시점에서의 관측 값, 즉 시스템 출력(y k )과 추정 파라미터(
Figure pat00006
)는 수학식 7 및 8과 같이 표현될 수 있으며, 수학식 6에서 k 시점에서의 관측 데이터 행렬(H k )은 수학식 9와 같이 표현할 수 있다. 따라서, 프로세서(150)는 적응 필터(210)에 k 시점에서 측정된 시스템 출력(y k )과 관측 데이터 행렬(H k )을 입력한다(S610).
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
수학식 7 및 9에서 Vk는 k 시점에서 측정된 배터리의 전압(예를 들면, 평균 셀 전압)이고, OCVk는 k 시점에서의 SOC에 기초해서 추정된 개방 회로 전압이며, Ik는 k 시점에서 측정된 배터리의 전류(예를 들면, 전류 센서에서 측정된 전류)이다. 수학식 9와 같이, 배터리(110)의 전류(Ik)에 보정비(r)가 반영된 전류가 기준 온도로 환산된 내부 저항을 추정하는데 사용될 수 있다.
적응 필터(210)는 이득(K k )을 계산한다(S620). 어떤 실시예에서, 적응 필터(210)는 관측 값, 즉 k 시점에서 측정된 배터리의 전압과 수학식 6에 기초해서 추정된 배터리의 전압 사이의 오차(
Figure pat00011
)와 망각 팩터(forgetting factor)에 의해 결정되는 비용 함수(cost function)을 최소화하는 이득(K k )을 계산할 수 있다. 어떤 실시예에서, 비용 함수는 망각 팩터에 의해 가중화된 최소 제곱 오차에 기초해서 결정될 수 있다. 예를 들면, 적응 필터(210)는 수학식 10과 같이 이득(K k )을 계산할 수 있다.
Figure pat00012
수학식 10에서, P k-1 는 공분산(covariance)을 나타내며, λ는 망각 팩터를 나타낸다. 어떤 실시예에서, 공분산(P k-1 )은 (k-1) 시점에서 수학식 12와 같이 갱신된 값일 수 있다.
적응 필터(210)는 (k-1) 시점에서의 추정 파라미터(
Figure pat00013
)로 k 시점에서의 시스템 출력을 추정한다(S630). 추정 출력은 예를 들면
Figure pat00014
와 같이 주어질 수 있다. 또한 적응 필터(210)는 k에서의 실제 시스템 출력(y k )과 추정 출력 사이의 오차를 계산한다(S630). 오차는 예를 들면 (
Figure pat00015
)와 같이 주어질 수 있다. 이에 따라, 적응 필터(210)는 오차에 이득을 반영하여서 k에서의 추정 파라미터(
Figure pat00016
)를 갱신한다(S640). 예를 들면, 적응 필터(210)는 수학식 11과 같이 추정 파라미터(
Figure pat00017
)를 갱신할 수 있다.
Figure pat00018
적응 필터(210)는 갱신된 추정 파라미터(
Figure pat00019
)에 기초해서 내부 저항의 기준 온도로 환산된 저항값(R* 0)를 계산한다(S650).
한편, 수학식 10 및 11의 계산을 위해, 추정 파라미터의 초기값(
Figure pat00020
)과 공분산의 초기값(P 0 )이 미리 정해질 수 있다.
다음, 적응 필터(210)는 (k+1) 시점에서 사용될 팩터를 갱신한다(S660). 어떤 실시예에서, 적응 필터(210)는 (k+1) 시점에서 사용될 공분산(P k )을 갱신할 수 있다. 예를 들면, 적응 필터(210)는 공분산(P k )을 수학식 12와 같이 갱신할 수 있다. 어떤 실시예에서, 적응 필터(210)는 망각 팩터(λ)를 추가로 갱신할 수 있다. 예를 들면, 적응 필터(210)는 망각 팩터(λ)를 앞에서 계산한 오차(
Figure pat00021
)에 기초해서 갱신할 수 있다
Figure pat00022
이러한 과정을 통해서 RLS 필터는 각 시점(k)에서 내부 저항의 기준 온도로 환산된 저항값(R0)을 추정하고, 추정에 사용되는 팩터(예를 들면, 공분산, 망각 팩터)를 갱신해서 다음 시점(k+1)에서의 추정에 제공할 수 있다. 따라서, 내부 저항의 추정이 완료되지 않은 경우(S670), 적응 필터(210)는 다음 시점에서의 추정을 계속 진행할 수 있다(S680).
도 6을 참고로 하여 설명한 내부 저항 추정 방법은 적응 필터(210)로 RLS 필터를 사용한 경우의 한 예이며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
이와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 배터리에서 측정된 정보를 적응 필터(210)에 입력하여서 내부 저항을 추정할 때, 기준 온도로 환산된 내부 저항을 추정할 수 있다. 또한, 추정된 내부 저항을 기준 온도에서의 BOL 저항과 비교하여서 저항 상태를 추정하므로, 온도에 의한 저항값 변화를 상쇄할 수 있다. 즉, 현재의 배터리 온도와 관계 없이 기준 온도를 기준으로 저항 상태를 추정할 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(예를 들면, 도 1의 150)는 위에서 설명한 저항 상태 추정 방법 또는 내부 저항 추정 방법을 실행하기 위한 프로그램에 대한 연산을 수행할 수 있다. 저항 상태 추정 방법 또는 내부 저항 추정 방법을 실행하기 위한 프로그램이 메모리에 로드될 수 있다. 이러한 메모리는 테이블을 저장하는 메모리(예를 들면, 도 1의 160)와 동일한 메모리거나 별도의 메모리일 수 있다. 프로그램은 메모리에 로드될 때 프로세서(150)가 저항 상태 추정 방법 또는 내부 저항 추정 방법을 수행하도록 하는 명령어를 포함할 수 있다. 즉, 프로세서는 프로그램의 명령어를 실행함으로써 저항 상태 추정 방법 또는 내부 저항 추정 방법을 위한 동작을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

  1. 배터리, 그리고
    상기 배터리의 측정 전압, 상기 배터리의 측정 전류, 상기 배터리의 개방 회로 전압 및 상기 배터리의 측정 온도에 기초해서 기준 온도에서의 상기 배터리의 내부 저항을 추정하고, 상기 배터리가 초기 상태일 때의 상기 기준 온도에서의 초기 저항과 상기 내부 저항에 기초해서 상기 배터리의 저항 상태를 추정하는 프로세서
    를 포함하는 배터리 장치.
  2. 제1항에서,
    복수의 온도에 각각 대응하는 복수의 보정비를 저장하는 메모리를 더 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 복수의 보정비 중에서 상기 측정 온도에 대응하는 보정비를 추출하고, 상기 측정 전압, 상기 측정 전류, 상기 개방 회로 전압 및 상기 보정비에 기초해서 상기 기준 온도에서의 상기 내부 저항을 추정하는
    배터리 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 보정비는 상기 측정 온도에서의 저항값을 상기 기준 온도에서의 저항값으로 변환하기 위한 값인, 배터리 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 프로세서는 상기 측정 전압, 상기 측정 전류에 상기 보정비를 반영한 전류 및 상기 개방 회로 전압에 기초해서 상기 기준 온도에서의 상기 내부 저항을 추정하는, 배터리 장치.
  5. 제2항에서,
    상기 프로세서는 상기 측정 전압과 상기 개방 회로 전압을 포함하는 관측 값, 상기 내부 저항을 포함하는 추정 파라미터 및 상기 측정 전류와 상기 보정비를 포함하는 관측 데이터 행렬을 사용하는 적응 필터에 기초해서 상기 기준 온도에서의 상기 내부 저항을 추정하는, 배터리 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 관측 데이터 행렬에서 상기 측정 전류에 상기 보정비가 반영되는, 배터리 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 적응 필터는 RLS(recursive least squares) 필터를 포함하는, 배터리 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 프로세서는 상기 배터리의 충전 상태(state of charge)를 추정하고, 상기 충전 상태에 기초해서 상기 개방 회로 전압을 추정하는, 배터리 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 프로세서는 상기 기준 온도에서의 내부 저항이 상기 기준 온도에서의 상기 초기 저항 대비 증가한 정도로 상기 저항 상태를 추정하는, 배터리 장치.
  10. 배터리의 저항 상태 추정 방법으로서,
    상기 배터리의 측정 전압, 상기 배터리의 측정 전류, 상기 배터리의 개방 회로 전압 및 상기 배터리의 측정 온도에 기초해서 기준 온도에서의 상기 배터리의 내부 저항을 추정하는 단계, 그리고
    상기 배터리가 초기 상태일 때의 기준 온도에서의 초기 저항과 상기 내부 저항에 기초해서 상기 배터리의 저항 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 저항 상태 추정 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 내부 저항을 추정하는 단계는
    복수의 온도에 각각 대응하는 복수의 보정비 중에서 상기 측정 온도에 대응하는 보정비를 추출하는 단계, 그리고
    상기 측정 전압, 상기 측정 전류, 상기 개방 회로 전압 및 상기 보정비에 기초해서 상기 기준 온도에서의 상기 내부 저항을 추정하는 단계
    를 포함하는 저항 상태 추정 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 보정비는 상기 측정 온도에서의 저항값을 상기 기준 온도에서의 저항값으로 변환하기 위한 값인, 저항 상태 추정 방법.
  13. 제11항에서,
    상기 내부 저항을 추정하는 단계는 상기 측정 전압, 상기 측정 전류에 상기 보정비를 반영한 전류 및 상기 개방 회로 전압에 기초해서 상기 기준 온도에서의 상기 내부 저항을 추정하는 단계를 포함하는 저항 상태 추정 방법.
  14. 제10항에서,
    상기 저항 상태를 추정하는 단계는 상기 기준 온도에서의 내부 저항이 상기 기준 온도에서의 상기 초기 저항 대비 증가한 정도로 상기 저항 상태를 추정하는 단계를 포함하는 저항 상태 추정 방법.
  15. 배터리 장치의 프로세서에 의해 실행되며, 기록 매체에 저장되어 있는 프로그램으로서,
    상기 프로그램은 상기 프로세서가,
    상기 배터리의 측정 전압, 상기 배터리의 측정 전류, 상기 배터리의 개방 회로 전압 및 상기 배터리의 측정 온도에 기초해서 기준 온도에서의 상기 배터리의 내부 저항을 추정하는 단계, 그리고
    상기 배터리가 초기 상태일 때의 기준 온도에서의 초기 저항과 상기 내부 저항에 기초해서 상기 배터리의 저항 상태를 추정하는 단계
    를 실행하도록 하는 프로그램.
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