KR100996693B1 - 2차전지의 충전상태추정장치 및 충전상태추정방법 - Google Patents

2차전지의 충전상태추정장치 및 충전상태추정방법 Download PDF

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Abstract

전지전류(Ib)가 전지온도(Tb)에 따라 설정된 제한전류(│Ijd│)보다 크지 않고, 상기 전지온도(Tb)에 따라 설정된 사전설정된 시간 이상으로 연속해서 흐르고 있는 경우, 2차전지(10)가 안정상태에 있는 것으로 판정이 내려진다. 2차전지(10)가 안정화된 상태에 있으면, 전지전압(Vb)은 개방회로전압(OCV)과 같은 것으로 간주되어, 개방회로전압-SOC특성을 토대로 SOC 추정이 수행된다. 2차전지의 내부저항과 제한전류(│Ijd│)의 곱이 내부저항의 온도 의존성과 연관되어 제한전류(│Ijd│)를 설정함으로써 실질적으로 일정하게 이루어지면(일정전압), 전지전압(Vb)이 개방회로전압(OCV)으로 가정되는 동안 SOC 추정이 수행되더라도, 추정 오차가 사전설정된 범위 내에서 안정화된 상태로 유지될 수 있다. 결과적으로는, 안정화된 상태 하에 간단하면서도 신뢰성 있는 시스템에 의하여 사전설정된 오차 내에서 고정밀도로 SOC가 추정될 수 있게 된다.

Description

2차전지의 충전상태추정장치 및 충전상태추정방법{CHARGED STATE ESTIMATING DEVICE AND CHARGED STATE ESTIMATING METHOD OF SECONDARY BATTERY}
본 발명은 2차전지의 충전상태추정장치 및 충전상태추정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2차전지의 잔존 용량(충전율)을 나타내는 SOC(State Of Charge)를 연속해서 연산하는 2차전지의 충전상태추정장치 및 충전상태추정방법에 관한 것이다.
재충전가능한 2차전지로부터 부하기기로 전원을 공급하고, 상기 부하기기의 운전 중에도 상기 2차전지의 충전을 가능하게 하도록 구성되는 전원시스템이 사용되어 왔다. 이러한 전원시스템은 대표적으로 2차전지에 의해 구동되는 전동기를 차량구동력원 중 하나로 구비한 하이브리드자동차 또는 전기자동차 상에 탑재된다.
하이브리드자동차용 전원시스템에 있어서, 2차전지에 저장된 전력은 차량을 구동하기 위해 전동기의 구동전력으로 사용되고, 상기 2차전지는 엔진이 회전함에 따라 전동기에 의해 회생되는 전력 또는 발전을 행하는 파워제너레이터에 의해 생성되는 전력에 의해 충전된다. 이러한 전원시스템에서는, 2차전지의 충전상태(대표적으로, 풀-충전에 대한 충전율을 나타내는 SOC)를 파악하여, 전지 열화를 초래할 수도 있는 과도한 사용 상황을 피할 필요가 있다. 구체적으로는, 잔존 용량의 추정 값을 토대로 2차전지로부터의 출력을 받는 차량을 구동하기 위한 전동기의 출력을 제한하여 2차전지의 충전요구 또는 충방전금지지령을 생성할 필요가 있으므로, 상기 잔존 용량의 고도로 정확한 추정이 핵심이 된다.
하지만, 2차전지의 사용 및 출력 조건은 하이브리드자동차 상에 탑재될 때의 조건으로 대표되는 바와 같이 광범위하게 변하고, 충방전이 상대적으로 고전력밀도로 반복해서 실행되는 사용 상황 하에는, 상기 잔존 용량을 추정하는 것이 대체로 어렵다. 따라서, 추정 정밀도의 개선이 문제가 된다.
상기 관점에서는, 입출력전류의 적산을 토대로 잔존 용량의 변화량을 연속해서 연산하는 가장 기본적인 수법 이외에도, 잔존 용량을 고정밀도로 추정하기 위한 각종 수법들이 제안되었다.
예시에 의하면, 일본특허공개공보 제2000-306613호(이하, 특허문헌 1이라고 함)에는 전지 사용 시 측정되는 전지전류(충방전전류)와 전지전압(단자간전압)간의 관계로부터 2차전지의 내부저항이 연산되고, 상기 연산된 내부저항 및 전지전류/전압을 이용하여 개방회로전압(OCV)이 연산되며, 상기 개방회로전압으로부터 전지 용량(SOC)이 추정되는 전지상태감시장치가 개시되어 있다. 또한, 전지상태감시장치에서는, 전지전류가 사전설정된 범위에서 벗어나거나 이탈한다면, 상기 전지 용량(SOC)은 이탈 이후 전지전류의 적산값을 이탈 직전 전지 용량(SOC)에 가산하여 추정된다. 구체적으로, 특허문헌 1에 따르면, 전지전류의 범위에 따라 추정방식이 변경되어, 추정 정확도를 향상시키게 된다.
이와 유사하게, 일본특허공개공보 제2000-150003호(이하, 특허문헌 2라고 함)에는 전지전류적산과 기타 SOC 산출수법을 토대로 SOC 산출수법을 지지하는 충전량연산장치가 개시되어 있다. 상기 충전량연산장치에서는, 사용될 SOC산출수법이 전지전류적산에 기초한 SOC산출수법과 기타 수법간의 차이를 토대로 결정된다.
특허문헌 1에 개시된 전지상태감시장치에서는, 충방전과 함께 연속해서 변하는 내부저항이 충방전 시에 측정되는 전지전류 및 전지전압의 복수의 세트의 기울기를 이용하여 연산된다.
하지만, 충방전 시 2차전지의 전지전압(단자간전압)의 변화는 전지전류의 변화로부터 지체된다고 알려져 있다. 구체적으로는, 일정한 전지전류가 흐르기 시작할 때 또는 전지전류가 정지될 때, 상기 전지전압은 안정한 상태에 있지 않고 완화시간이라고 하는 사전설정된 시간 이후까지 변동된다. 그러므로, 전지전압이 완화시간 경과 이전에 측정된다면, 2차전지의 정확한 출력 전압이 측정될 수 없게 된다.
또한, 내부저항에 따른 직선성이 전지전류와 전지전압간에 나타나는 범위 또한 2차전지의 온도 범위에 따라 변한다. 예시에 따르면, 리튬이온 2차전지에서는, 전지전류와 전지전압간의 직선성이 저온 범위에서 나타나기 어려운데, 그 이유는 전극표면에서의 이온교환전류밀도의 저하 때문이다.
이와 관련하여, 내부저항의 연산에 기초한 추정수법과 전지전류적산에 기초한 추정수법이 전지전류의 범위에 따라 절환되는 특허문헌 1이 개시되어 있지만, 2차전지의 온도 조건 또는 전지전류의 기간에 초점을 맞춘 SOC 추정은 수행되지 못한다. 그러므로, 개방회로전압의 추정 및 이에 따른 2차전지의 잔존 용량(SOC)의 추정은 내부저항 추정 시의 오차로부터 도출되는 오차를 수반할 수 있게 된다.
또한, 특허문헌 2에 개시된 하이브리드자동차용 충전량연산장치에서는, 복수의 SOC 산출수법 가운데 절환이 전지전류범위 및 전지전류적산에 기초하여 연산된 SOC값과 기타 수법에 의해 연산된 SOC값간의 차이를 토대로 결정된다. 그러므로, 전지전류적산에 기초한 SOC 산출수법은 전지전류가 낮게 될 때 내부저항이 높은 저온에서 큰 전류가 흐른 직후에 기타 SOC 산출수법으로 절환될 수 있지만, 상기 내부저항 추정 시의 오차로 인하여, 특허문헌 1에 대하여 기술된 것과 동일한 이유로부터 SOC 추정 시에 오차가 클 가능성을 부정할 수 없다. 또한, 2차전지의 온도 조건과 SOC 추정과 관련된 전지전류의 기간이 충분히 고려되지 못한다. 그러므로, 잔존 용량(SOC)의 추정이 오차를 수반할 수도 있게 된다.
본 발명은 상술된 문제점들을 해결하고자 고안되었으며, 본 발명의 목적은 2차전지의 사용 상태를 고려하여 적절한 SOC 추정법을 적용함으로써, 추정 정확도를 향상시키는 데 있다.
본 발명은 특성기억수단, 안정상태판정수단 및 제1충전상태추정수단을 포함하여, 입출력전류, 출력전압 및 전지온도를 검출할 수 있는 검출기가 제공된 2차전지의 충전상태추정장치를 제공한다. 상기 특성기억수단은 상기 2차전지의 개방회로전압과 잔존 용량간의 특성을 기억한다. 상기 안정상태판정수단은 상기 입출력전류가 적어도 상기 전지온도에 따라 설정된 전압안정시간 동안 상기 전지온도에 따라 설정된 제한 전류 이하로 유지되는 안정 상태인 지의 여부를 판정한다. 상기 제1충전상태추정수단은 상기 안정상태로 판정되는 경우, 상기 출력전압을 상기 개방회로전압으로 간주하여, 상기 특성기억수단에 저장된 특성을 토대로 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정한다.
본 발명은 안정상태판정단계 및 제1충전상태추정단계를 포함하여, 입출력전류, 출력전압 및 전지온도를 검출할 수 있는 검출기가 제공된 2차전지의 충전상태추정방법을 제공한다. 상기 안정상태판정단계에서는, 상기 입출력전류가 적어도 상기 전지온도에 따라 설정된 전압안정시간 동안 상기 전지온도에 따라 설정된 제한 전류 이하로 유지되는 안정 상태인 지의 여부를 판정한다. 상기 제1충전상태추정단계에서는, 상기 안정상태로 판정되는 경우, 상기 출력전압을 상기 2차전지의 상기 개방회로전압으로 간주하여, 상기 2차전지의 잔존 용량과 개방회로전압간의 특성을 토대로, 상기 2차전지의 잔존 용량이 추정된다. 제2충전상태추정단계에서는, 안정상태로 판정되지 않은 경우에, 상기 제1충전상태추정단계와 상이한 수법을 토대로 상기 2차전지의 잔존 용량이 추정된다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하는 장치 또는 방법에 따르면, 상기 2차전지의 출력전압이 안정되고, 내부저항의 전압 변화가 작을 때(안정 상태), 상기 출력전압이 개방회로전압으로 간주되고, 2차전지의 SOC는 개방회로전압-잔존용량(SOC) 특성을 참조하여 추정된다. 여기서, 상기 언급된 안정 상태는 완화시간(전압안정시간) 및 온도에 따른 내부저항의 변화를 고려하여 판정된다. 그러므로, 특히 개방회로전압과 잔존 용량간의 상관관계가 높은 2차전지에서는, 안정 상태에서, 단순하면서 신뢰성 있는 방법에 의해, 오차가 사전설정된 범위 내에 있으면서도 높은 정확성으로 SOC가 추정될 수 있다.
본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치는 상기 안정상태판정수단에 의해 상기 안정 상태로 판정되지 않은 경우에 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제2충전상태추정수단을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제2충전상태추정수단은, 상기 입출력전류의 적산값에 기초한 상기 잔존 용량의 변화량을 연속해서 연산하는 수법 또는 상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델에 기초한 수법에 의하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정한다.
본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하는 방법은, 상기 안정상태판정단계에서 상기 안정상태로 판정되지 않은 경우에 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하는 제2충전상태추정단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제2충전상태추정단계에서는, 상기 입출력전류의 적산값에 기초한 상기 잔존 용량의 변화량을 연속해서 연산하는 수법 또는 상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델에 기초한 수법에 의하여 상기 2차전지의 잔존 용량이 추정된다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하는 장치 또는 방법에 따르면, 안정 상태 이외에, 2차전지의 SOC가 전지모델식에 기초한 수법 또는 전류 적산에 기초한 수법에 의하여 높은 정확성으로 추정될 수 있다.
본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 있어서, 상기 제2충전상태추정수단은 상기 입출력전류의 적산값을 토대로 상기 잔존 용량의 변화량을 연산하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제1추정수단, 상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델을 토대로 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제2추정수단, 및 상기 제1추정수단에 의한 잔존 용량 추정의 연속실행기간을 측정하기 위한 타이머수단을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 제2충전상태추정수단은 상기 연속실행기간이 제1제한기간 이내에 있을 때 상기 제1추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하고, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있을 때 상기 제2추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정한다.
또한, 본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하는 방법에 있어서, 상기 제2충전상태추정단계는 상기 입출력전류의 적산값을 토대로 상기 잔존 용량의 변화량을 연산하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하는 제1추정단계, 상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델을 토대로 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하는 제2추정단계, 및 상기 제1추정단계에 의한 잔존 용량 추정의 연속실행기간을 측정하는 시간측정단계를 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 제2충전상태추정단계에서는, 상기 연속실행기간이 제1제한기간 이내에 있을 때 상기 제1추정단계를 선택하여 상기 잔존 용량이 추정되고, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있을 때 상기 제2추정단계를 선택하여 상기 잔존 용량을 추정한다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하는 장치 또는 방법에 따르면, 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 제한기간(제1제한기간) 이상 계속해서 실행될 때, 입출력전류가 전류모델의 사용을 허용하는 범위 내에 있다면, 전지모델에 기초한 잔존 용량의 추정이 실행될 수 있다. 이에 따라, 전류센서의 검출오차(오프셋)로 인하여, 장기간 동안의 전류 적산에 기초한 연속적인 SOC 추정으로부터 발생하는 SOC 추정 오차의 증가가 방지될 수 있다. 또한, 입출력전류가 전지모델의 사용을 허용하는 범위를 벗어나는 경우에는, 상기 전지모델에 기초한 SOC 추정의 선택이 강제되지 않는다. 그러므로, SOC 추정의 부적절한 방식의 선택에 기인하는 추정 오차의 증가를 피할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 있어서, 상기 제2충전상태추정수단은 상기 입출력전류에 관계없이, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간보다 긴 제2제한기간을 초과할 때, 상기 제2추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하는 것이 더욱 바람직하다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 따르면, 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 제한(제2제한기간)을 초과하여 계속될 때, 전지모델에 기초한 SOC 추정을 한 번 실행할 수 있게 된다. 그러므로, 전류센서의 검출오차(오프셋)로부터 도출되는 SOC 추정 오차가 허용가능값을 초과하지 않도록 SOC 추정이 실행될 수 있게 된다.
특히, 본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 있어서, 상기 제2충전상태추정수단은 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류는 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위를 벗어날 때, 상기 제1추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정한다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 따르면, 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 제한기간(제1제한기간)을 초과하여 계속되는 경우, 전지모델식에 기초한 SOC 추정은 입출력전류가 상기 전지모델의 사용을 허용하는 범위 내에 있을 때에만 실행된다. 그러므로, 전지모델에 기초한 SOC 추정의 강제 실행의 결과로 큰 값을 얻는 SOC 오차가 방지될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 있어서, 상기 안정상태판정수단에서의 제한전류는 전지 온도가 증가함에 따라 상대적으로 크게 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하는 방법에 있어서, 상기 안정상태판정단계에서의 제한전류는 전지 온도가 증가함에 따라 상대적으로 크게 설정되는 것이 바람직하다.
상술된 2차전지의 충전상태를 판정하는 장치 또는 방법에 따르면, 2차전지의 내부저항이 전지 온도가 증가함에 따라 낮아진다는 것과 반대로, 전지 온도가 저하됨에 따라 상기 내부저항이 증가한다는 사실이 고려되어, 사전설정된 전압을 초과하지 않는 안정 상태에서 내부저항에 기인하는 전압 변화를 갖도록 상기 제한전류가 설정될 수 있게 된다. 그러므로, 상기 2차전지의 출력전압을 개방회로전압으로 간주하는 SOC 추정에 수반되는 추정 오차가 사전설정된 범위 내로 억제될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 있어서, 상기 안정상태판정수단에서의 상기 전압안정시간은 상기 전지온도가 증가함에 따라 상대적으로 짧게 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하는 방법에 있어서, 상기 안정상태판정단계에서의 상기 전압안정시간은 상기 전지온도가 증가함에 따라 상대적으로 짧게 설정되는 것이 바람직하다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하는 장치 또는 방법에 따르면, 2차전지의 출력전압이 안정화될 때까지의 완화시간이 전지 온도가 증가함에 따라 더욱 짧아지고, 전지 온도가 저하됨에 따라 더욱 길어진다는 사실이 반영되어, 출력 전압이 안정화되는 상태에서 단자간전압이 개방회로전압으로 간주되는 SOC 추정이 실행될 수 있게 된다.
또다른 형태에 따르면, 본 발명은 제1추정수단, 제2추정수단, 타이머수단 및 선택수단을 포함하여, 입출력전류, 출력전압 및 전지온도를 검출할 수 있는 검출기가 제공된 2차전지의 충전상태추정장치를 제공한다. 상기 제1추정수단은 상기 입출력전류의 적산값을 토대로 상기 잔존 용량의 변화량을 연산하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정한다. 상기 제2추정수단은 상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델을 토대로 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정한다. 상기 타이머수단은 상기 제1추정수단에 의한 잔존 용량 추정의 연속실행기간을 측정한다. 상기 선택수단은 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있는 지의 여부에 관한 판정 및 상기 타이머수단에 의해 얻어진 상기 연속실행기간을 토대로, 상기 잔존 용량을 추정하기 위하여 상기 제1 및 제2추정수단 중 하나를 선택한다.
또다른 실시형태에 따르면, 본 발명은 제1추정단계, 제2추정단계, 시간측정단계 및 선택단계를 포함하여, 입출력전류, 출력전압 및 전지온도를 검출할 수 있는 검출기가 제공된 2차전지의 충전상태추정방법을 제공한다. 상기 제1추정단계에서는, 상기 입출력전류의 적산값을 토대로 상기 잔존 용량의 변화량을 연산하여 상기 2차전지의 잔존 용량이 추정된다. 상기 제2추정단계에서는, 상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델을 토대로 상기 2차전지의 잔존 용량이 추정된다. 상기 시간측정단계에서는, 상기 제1추정단계에 의해 잔존 용량 추정의 연속실행기간이 측정된다. 상기 선택단계에서는, 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있는 지의 여부에 관한 판정 및 상기 시간측정단계에 의해 얻어진 상기 연속실행기간을 토대로, 상기 잔존 용량을 추정하는 상기 제1 및 제2추정단계 중 하나가 선택된다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하는 장치 또는 방법에 따르면, 전류 적산에 기초한 SOC 추정의 연속실행시간 및 전지모델에 의해 얻어지는 추정 정확성을 보장하는 전지모델의 사용을 허용하는 범위 내에 입출력전류가 있는 지의 여부를 고려하여, 전류 적산에 기초한 SOC 추정과 전지모델에 기초한 SOC 추정을 선택적으로 이용하여 SOC가 추정될 수 있다. 그러므로, 상술된 두 SOC 추정 방식들간에 절환시켜 실행되는 SOC 추정의 형태에 있어서는, 부적절한 SOC 추정 방식의 선택에 기인하는 추정 오차의 증가가 방지될 수 있고, SOC 추정 정확성이 개선될 수 있게 된다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 있어서, 상기 선택수단은 상기 연속실행기간이 제1제한기간 이내에 있을 때 상기 제1추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하고, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있을 때 상기 제2추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하는 방법에 있어서, 상기 선택단계에서는, 상기 연속실행기간이 제1제한기간 이내에 있을 때 상기 제1추정단계를 선택하여 상기 잔존 용량이 추정되고, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있을 때 상기 제2추정단계를 선택하여 상기 잔존 용량이 추정된다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하는 장치 또는 방법에 따르면, 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 제한기간(제1제한기간)을 초과하여 연속해서 실행되는 경우, 입출력전류가 전지모델의 사용을 허용하는 범위 내에 있으면, 전지모델에 기초한 잔존 용량의 추정이 실행될 수 있다. 이에 따라, 전류센서의 검출오차(오프셋)로 인하여, 장기간 동안의 전류 적산에 기초한 연속적인 SOC 추정으로부터 발생하는 SOC 추정 오차의 증가가 방지될 수 있다. 또한, 입출력전류가 전지모델의 사용을 허용하는 범위를 벗어나는 경우에는, 상기 전지모델에 기초한 SOC 추정의 선택이 강제되지 않는다. 그러므로, SOC 추정의 부적절한 방식의 선택에 기인하는 추정 오차의 증가를 피할 수 있게 된다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 있어서, 상기 선택수단은 상기 입출력전류에 관계없이, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간보다 긴 제2제한기간을 초과할 때, 상기 제2추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정한다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 따르면, 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 제한(제2제한기간)을 초과하여 계속될 때, 상기 전지모델에 기초한 SOC 추정을 한 번 실행할 수 있게 된다. 그러므로, 전류센서의 검출오차(오프셋)로부터 도출되는 SOC 추정 오차가 허용가능값을 초과하지 않도록 SOC 추정이 실행될 수 있게 된다.
대안적으로, 또는 바람직하게는 본 발명의 또다른 형태에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 있어서, 상기 선택수단은 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위를 벗어나는 경우에는, 상기 제1추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정한다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 따르면, 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 제한기간(제1제한기간)을 초과하여 계속될 때, 전지모델식에 기초한 SOC 추정은 입출력전류가 전지모델의 사용을 허용하는 범위 내에 있을 때에만 실행된다. 그러므로, 전지모델에 기초한 SOC 추정의 강제 실행의 결과로 큰 값을 얻게 되는 SOC 오차가 방지될 수 있게 된다.
본 발명의 적용예에서는, 2차전지가 리튬이온전지인 것이 바람직하다.
상술된 2차전지의 충전상태를 추정하기 위한 장치에 따르면, 개방회로전압과 잔존 용량간의 상관관계가 높은 리튬이온전지의 잔존 용량(SOC)이 높은 정확성으로 추정될 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하는 장치 또는 방법에 의하면, 2차전지의 사용 상태에 따라 적절한 SOC 추정 방식이 적용될 수 있어, 추정 정확성이 향상될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하는 장치 또는 방법에 의해 잔존 용량(SOC)이 추정되는 2차전지를 포함하는 전원시스템의 구성을 나타내는 개략적인 블럭도;
도 2는 도 1에 도시된 SOC추정유닛의 기능블럭도;
도 3은 안정전류범위를 설정하는 개념을 도시한 도면;
도 4는 전압안정시간을 설정하는 개념을 도시한 도면;
도 5는 2차전지의 내부저항의 온도 의존성의 개념을 예시한 도면;
도 6은 2차전지의 완화시간의 온도 의존성의 개념을 예시한 도면;
도 7은 전지모델에 기초한 SOC 추정의 예시적인 수법을 예시한 도면;
도 8은 전지모델의 일례를 도시한 회로도;
도 9는 도 8에 도시된 전지모델에서의 회로 정수를 산출하는 예시적인 수법을 예시한 도면;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 추정을 나타내는 제1흐름도;
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 추정을 나타내는 제2흐름도; 및
도 12는 전지모델에 기초한 SOC 추정을 허용하는 전류범위의 설정을 예시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 이하, 도면의 동일하거나 대응하는 부분들은 기본적으로 동일한 참조 부호들로 표시하기로 하며, 그 설명을 반복하지는 않기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2차전지의 충전상태를 추정하는 장치 또는 방법에 의해 잔존 용량(SOC)이 추정되는 2차전지를 포함하는 전원시스템의 구성을 나타내는 개략적인 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 전원시스템(5)은 2차전지(10) 및 부하(20)를 포함한다.
재충전가능한 2차전지(10)로는, 통상적으로 리튬이온전지가 사용된다. 하지만, 2차전지의 종류와 형태가 특별히 제한되는 것은 아니다. 리튬이온전지는 개방회로전압(OCV)과 잔존 용량(SOC)간에 강한 상관관계를 가지므로, 본 발명이 적합하게 적용가능하다는 점에 유의한다.
2차전지(10)에는, 전지 온도 Tb를 측정하는 온도센서(30), 전류 Ib(2차전지의 입출력 충방전전류로서, 이하 전지전류 Ib라고도 함)를 측정하는 전류센서(32) 및 양극과 음극의 단자간 전압 Vb(이하, 전지전압 Vb이라고도 함)을 측정하는 전압센서(34)가 제공된다.
부하(20)는 2차전지(10)로부터의 출력전력에 의해 구동된다. 도시되지 않은 발전/급전요소가 부하(20)의 내부 또는 그로부터 별도로 제공되고, 2차전지(10)는 발전/급전요소로부터의 충전전류에 의해 충전될 수 있다고 가정된다. 그러므로, 2차전지(10)가 방전되면, 전지전류 Ib < 0 이고, 2차전지(10)가 충전되면, 전지전류 Ib > 0 이다.
전자제어유닛(ECU)(50)은 "충전상태추정장치"에 대응하는 SOC 추정유닛(60) 및 제어유닛(70)을 포함한다. 제어유닛(70)은 SOC 추정유닛(60)에 의해 추정되는 SOC(%)를 토대로, 2차전지(10)의 충방전 제한/금지 또는 충전요구를 발생시킨다. ECU(50)는 통상적으로 미리 프로그래밍된 사전설정된 시퀀스와 사전설정된 연산을 실행하기 위해 마이크로컴퓨터 및 메모리(RAM, ROM 등)를 포함하도록 형성된다. 2차전지(10)에 제공된 센서들의 그룹(30, 32, 34)에 의해 검출되는 값들은 ECU(50)로 입력된다.
본 발명의 실시예에 있어서, SOC 추정유닛(60)은 도 2의 기능블럭도에 이어, 2차전지(10)의 상태에 따라 복수의 SOC 추정수법 가운데 선택적으로 절환하여 SOC를 추정한다.
도 2를 참조하면, 상기 SOC 추정유닛(60)은 SOC 추정블럭(100, 110, 120) 및 SOC 추정블럭(100 내지 120) 가운데 선택을 절환하는 선택절환유닛(130)을 포함한다. SOC 추정블럭(100 내지 120)은 2차전지(10)의 입력상태량에 따라 상이한 수법들에 의해 SOC를 추정한다. 선택절환유닛(130)에 의해 지정된 SOC 추정블럭(100 내지 120) 중 하나의 출력이 SOC 추정유닛(60)의 추정된 잔존 용량(SOC)으로 출력된 다.
이하, 각각의 SOC 추정블럭(100 내지 120)의 SOC 추정수법을 차례로 설명하기로 한다.
SOC 추정블럭(100)은 미리 측정된 2차전지(10)의 개방회로전압 OCV와 SOC(%)간의 특성 관계를 기억하는 맵(102)을 구비하고, 2차전지(10)의 단자간전압인 전지전압 Vb을 개방회로전압 OCV로 간주하는 맵(102)을 참조하여 2차전지(10)의 SOC를 추정한다.
SOC 추정블럭(100)은 전지전류 Ib가 도 3에 도시된 안정전류범위(105) 내에 있고 적어도 도 4에 도시된 전압안정시간 Tst 동안 연속적으로 유지될 때(이하, 안정상태라고도 함) 선택절환유닛(130)에 의해 선택된다.
도 3을 참조하면, 안정전류범위(105)는 전지전류│Ib│<│Ijd│의 범위로 정의된다(여기서,│Ijd│는 전지온도 Tb에 따라 설정된 제한전류임). 상기 제한전류│Ijd│는 전지온도가 상대적으로 증가할 때 더욱 크게 설정되고, 전지온도 Tb가 상대적으로 저하함에 따라 더욱 작게 설정된다.
이는 도 5에 도시된 바와 같이, 2차전지(10)의 내부저항 rb가 온도 의존성을 가지고, 고온 범위에서는 낮은 저항을 저온 범위에서는 높은 저항을 가진다는 사실을 반영한다. 구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부저항 rb의 온도 의존성에 대응하여, 제한전류│Ijd│는 전지온도 Tb가 증가함에 따라 상대적으로 크게 설정되고, 상기 제한전류│Ijd│는 전지온도가 상대적으로 감소함에 따라 상대적으로 작게 설정되어, 상기 내부저항 rb과 전류제한값│Ijd│의 곱이 근사적으로 일정하 게 유지될 수 있게 된다(일정전압). 상기 일정전압은 맵(102)을 이용하여 허용가능한 SOC 추정오차를 개방회로전압 OCV로 변환하여 얻어지는 전압에 대응하여 설정된다.
결과적으로, 안정전류범위(105) 내에서, 내부저항의 전압변화 rb·│Ib│를 일정량 이하가 되도록 고려할 수 있게 된다. 그러므로, 안정전류범위(105) 내에서, SOC 추정오차는, 맵(102)에 기초한 SOC 추정이 실행되는 경우에도, 전지전압 Vb을 개방전류전압 OCV로 간주하는 제한전류│Ijd│의 설정에 의해 파악될 수 있는 사전설정된 범위(허용오차범위) 내로 억제될 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 전지전류 Ib의 변화에 이은 전지전압 Vb의 변화는 사전설정된 지체를 가지고, 상기 전지전압 Vb은 완화시간이라고 불리우는 사전설정된 기간의 경과 후에 안정화된다. 상기 완화시간은 온도 의존성을 가지는 것으로 알려져 있다. 구체적으로는, 도 6에 도시된 바와 같이, 전지온도 Tb가 상대적으로 고온 범위를 획득함에 따라(T1 → T2 →T3), 완화시간은 더욱 짧아지게 되고, 상대적으로 저온 범위를 획득함에 따라(T3 → T2 →T1), 완화시간은 더욱 길어지게 된다.
상술된 완화시간의 온도 의존성에 따르면, 전지안정기간 Tst은 전지온도 Tb가 증가함에 따라 상대적으로 더욱 짧게 설정되고, 전지온도 Tb가 상대적으로 저하됨에 따라 상대적으로 더욱 길게 설정된다. 그러므로, 전지전류 Ib가 적어도 전압안정시간 Tst 동안 계속된다면, 그 시점에서의 전지전압 Vb은 고정된 안정상태값을 갖는 것으로 간주될 수 있다.
그러므로, 전지전류 Ib가 안정전류범위(105)(도 3) 내에 있고 전압안정시간 Tst(도 4) 이상 유지되는 안정상태에서는, 전지전압 Vb이 개방회로전압 OCV으로 간주되는 간단한 추정수법(SOC 추정블럭(100))이 사용되는 경우에도, SOC 추정오차를 허용가능범위 내로 유지시킬 수 있게 된다.
도 2를 다시 참조하면, SOC 추정블럭(110)은 최종 연산된 SOC 값에 SOC 변화량 △SOC를 가산하여 2차전지(10)의 SOC를 연속해서 추정하되, 상기 SOC 변화량 △SOC은 전류센서(32)에 의해 검출되는 전지전류 Ib의 적산값 ∑Ib 이다.
전류 적산에 기초한 SOC 추정에 있어서, 단기간의 SOC 변화량은 높은 정확성으로 추정될 수 있다. 하지만, SOC 추정이 장기간 동안 계속된다면, SOC 추정에 있어서 바이어스식 오차가 발생할 가능성이 있는데, 그 이유는 전류센서(32)의 측정 오차(특히, 오프셋) 때문이다. 그러므로, 전류 적산에 기초한 SOC 추정을 장기간 동안 계속할 필요가 없게 된다.
하기에 기술된 바와 같이, SOC 추정블럭(120)은 센서에 의해 검출된 2차전지(10)의 상태량을 입력 변수로서 이용하여, 사전에 미리 형성된 전지모델을 토대로 온라인 추정에 의해 2차전지(10)의 SOC를 추정한다. 후술하는 전지모델식은 단지 일례로서, 2차전지(10)의 상태량(Tb, Vb, Ib 등)을 입력 변수로 이용하여 개방회로전압 및/또는 SOC의 연산을 허용하도록 전지모델이 구성된다면, 여하한의 전지모델이 SOC 추정블럭(120)에 의해 사용될 수도 있다.
본 실시예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, SOC 추정블럭(120)이 2차전지(10)의 상태량(Tb, Vb, Ib)을 입력 변수로 이용하여 2차전지(10)의 내부저항의 전압변화 △V를 추정하고, 그 시점에서의 개방회로전압(OCV = Vb - △V)을 추정한다. 또한, 추정된 개방회로전압(도 7의 Va, Vb)을 이용하여, 맵(102)의 것과 유사한 개방회로전압-SOC 특성을 토대로 2차전지(10)의 SOC를 추정한다.
도 8을 참조하면, SOC 추정블럭(120)에 사용되는 등가회로모델(150)는 개방회로전압(OCV)과 전지전압(Vb)간의 전압차(△V = Vb - OCV)를 연산하기 위한 RC 직렬-병렬회로모델이다. 등가회로모델(150)에 있어서, Rs는 전해액저항을 나타내고, C1 내지 C3는 전기이중층용량을 나타내며, R1 내지 R3은 반응저항을 나타낸다.
전해액저항의 DC 저항성분으로서의 저항 Rs는 온도 의존성을 가진다. 그러므로, 인수로서 전지온도 Tb를 이용하여 전해액저항 Rs를 구하기 위한 맵(도시안됨)을 형성하여, 연속해서 전해액저항 Rs를 구하는 것이 바람직하다.
이와 유사하게, 반응저항 R1 및 R3 또한 온도 의존성 및 SOC 의존성을 가진다. 그러므로, 그 시점에서의 추정된 SOC값과 전지온도 Tb를 인수로서 갖는 2차원맵(도시안됨)을 사전에 미리 형성하여, 상기 맵을 참조함으로써 반응저항 R1 내지 R3을 구하는 것이 바람직하다. 이와 유사하게, 전기이중층용량 C1 내지 C3 또한 온도 의존성과 SOC 의존성을 가진다. 그러므로, 그 시점에서의 추정된 SOC값과 전지온도 Tb를 인수로서 갖는 2차원맵(도시안됨)을 사전에 미리 형성하여, 상기 맵을 참조함으로써 전기이중층용량 C1 내지 C3을 구하는 것이 바람직하다.
등가회로모델(150)에서 상기 전기이중층용량 C1 내지 C3 및 반응저항 R1 내지 R3는 2차전지를 평가하는 일반적인 수법으로서 AC 임피던스 응답을 측정하여 미리 구할 수도 있다. AC 임피던스 측정 시, 상이한 주파수의 AC 신호들은 도 9에 도 시된 바와 같이 입력되고, 임피던스의 실수축성분 ReZ 및 허수축성분 ImZ이 플롯되어 있다. 그 결과 플롯된 파형으로부터, 반응저항 R1 내지 R3 및 전기이중층용량 C1 내지 C3가 AC 회로 정수로서 얻어질 수 있다.
도 8에 도시된 등가회로모델(150)에서는, 하기 수학식 1을 만족한다.
△V = Ib·Rs + △V1 + △V2 + △V3
RC 병렬회로에서 전압변화 △V1, △V2, △V3은 하기 방법에 의해 근사적으로 구할 수 있다.
RC 병렬회로에서 (등가회로모델(150)에서 전지전류 Ib에 상응하는) 전류 I와 (대체로 △V1 내지 △V3을 나타내는) 전압 V 사이에는, 하기 수학식 2로 표현된 관계가 있는데, 여기서 R은 저항값(대체로 R1 내지 R3으로 나타냄)을 나타내고, C는 캐패시터의 용량(대체로 C1 내지 C3으로 나타냄)을 나타낸다.
Figure 112008053707914-pct00001
상기 미분식 2는 온라인으로 풀 때 컴퓨터 상에 큰 부하를 부과한다. 그러므로, 하기 근사식이 사용된다.
dV/dt = △V/△t를 수학식 2에 대입하여, 하기 수학식 3이 얻어지는데, 여기서 △V는 단기간에서의 전압 V의 변동을 나타내고, △t는 시간변화를 나타낸다.
Figure 112008053707914-pct00002
Figure 112008053707914-pct00003
수학식 3에 따르면, 각각의 전압 변화 △V1 내지 △V3에 대하여 사전설정된 주기마다 전지전류 Ib를 샘플링하여, 회로 정수 C1 내지 C3 및 R1 내지 R3을 이용하여 수학식 3을 토대로 전회 연산에서 금회 연산까지의 전압변화량이 얻어질 수 있다.
그러므로, 수학식 1의 △V1 내지 △V3은 하기 수학식 4 내지 수학식 6에 따라 얻어질 수 있다. 수학식 4 내지 수학식 6에서, △t는 연산주기를 나타낸다.
Figure 112008053707914-pct00004
Figure 112008053707914-pct00005
Figure 112008053707914-pct00006
이러한 방식으로, 사전설정된 주기에서 등가회로모델(150)을 토대로 연산을 수행함으로써, 전지전압 Vb에 대한 내부저항의 전압변화 △V가 수학식 1에 따라 추정될 수 있다. 따라서, 그 시점에서의 개방회로전압(OCV = Vb - △V)을 추정하고, 개방회로전압-SOC 특성을 토대로 SOC를 추정할 수 있게 된다.
하지만, 전지모델에 기초한 SOC 추정에서는, 전지전류 Ib가 과도하게 크다면 추정 오차가 크게 나타날 가능성도 있다. 그러므로, 전지모델에 기초한 SOC 추정은 전지전류 Ib가 사전설정된 범위 내에 있는 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 SOC 추정을 상세히 설명하기로 한다. 도 10 및 도 11의 흐름도는 SOC 추정유닛(60)에 의하여 사전설정된 프로그램에 따라 사전설정된 주기로 실행된다고 가정한다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 SOC 추정루틴에 있어서, SOC 추정유닛(60)은 전지전류 Ib가 도 3에 도시된 안정전류범위(105) 내에 있고 적어도 도 4에 도시된 전압안정시간 Tst 동안 흐르는 것이 유지되는 지의 여부를 단계 S100에서 판정한다.
단계 S100에서 YES 판정이 내려지면, SOC 추정유닛(60)은 2차전지(10)가 안정상태에 있는 것으로 판정한다. 안정상태에서는, SOC 추정이 전지전압 Vb을 개방회로전압 OCV로 간주하여 행해지는 경우에도, SOC 추정 오차가 허용가능범위 내에 있다. 그러므로, 2차전지(10)가 안정상태에 있으면, SOC 추정유닛(60)은 단계 S110에서 전지전압 Vb = 개방회로전압 OCV로 간주하여 SOC 추정을 수행한다. 구체적으로는, 선택절환유닛(130)에 의하여, SOC 추정블럭(100)이 선택된다.
SOC 추정이 SOC 추정블럭(100)에 의해 실행되면, SOC 추정유닛(60)은 단계 S120에서, SOC 추정블럭(110)에 의한 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 실행될 때, 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 연속해서 실행되는 기간을 나타내는 전류 적산의 기간을 계수하기 위한 시간값 Tcnt을 리셋한다(Tcnt = 0).
단계 S100에서 NO 판정이 내려지면, 즉 2차전지(10)가 안정상태에 있지 않으면, SOC 추정유닛(60)은 도 11의 흐름도에 따라 전류 적산에 기초한 SOC 추정(SOC 추정블럭(110)) 또는 전지모델에 기초한 SOC 추정(SOC 추정블럭(120))을 수행하여, SOC를 추정하게 된다.
도 11을 참조하면, SOC 추정유닛(60)은 단계 S150에서, 전류 적산에 의한 SOC 추정이 제한기간 Tlmt1을 초과하여 실행되었는 지의 여부를 판정한다. 구체적으로는, 단계 S150에서, 타이머값 Tcnt < Tlmt1 인 지의 여부가 판정된다.
전류 적산의 기간이 제한기간 Tlmt1 내에 있다면(단계 S150에서 YES 판정), SOC 추정유닛(60)은 우선적으로 단계 S200에서, SOC 추정블럭(110)에 의한 전류 적산에 기초한 SOC 연산을 실행한다(단계 S200). 또한, 단계 S210에서, SOC 추정유닛(60)은 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 실행될 때, 타이머값 Tcnt를 갱신(증가)한다.
이와는 달리, 단계 S150에서의 판정이 NO이면, 즉 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 제한기간 Tlmt1보다 길게 연속해서 실행된 경우에는, 단계 S160 및 S170에서의 판정들에 따라, SOC 추정유닛(60)은 전류 적산에 기초한 SOC 추정 대신에 전지모델에 기초한 SOC(SOC 추정블럭(120))가 실행되거나 또는 전류 적산에 기초한 SOC 추정(SOC 추정블럭(110))이 계속되어야 하는 지의 여부를 판정한다.
SOC 추정유닛(60)은 도 12에 도시된 전류모델의 사용을 허용하는 범위(125) 내에 전지전류 Ib가 있는 지의 여부를 단계 S160에서 판정한다.
도 12를 참조하면, 전류모델의 사용을 허용하는 범위(125)는 내부저항의 온도 의존성을 고려하여 설정된다. 구체적으로, 내부저항이 상대적으로 높아 전지모델에 기초한 추정 시의 오차가 발생하기 쉬운 저온 범위에서는, 전류모델의 사용을 허용하는 범위(125)가 매우 낮은 전류범위에 대해서만 전지모델에 SOC 추정을 허용하도록 설정된다. 이와는 대조적으로, 내부저항이 상대적으로 낮아 전지모델에 기초한 추정 시의 오차가 쉽게 예상되지 않는 고온 범위에서는, 전지전류가 통상사용범위 내에 있는 경우에 전지모델에 기초한 SOC 추정이 허용되도록 상기 전류모델의 사용을 허용하는 범위(125)가 설정된다.
도 11을 다시 참조하면, 단계 S160에서의 판정이 YES이면, 즉 전지전류 Ib가 전지모델의 사용을 허용하는 범위 내에 있으면, SOC 추정유닛(60)은 단계 S220에서, 전지모델에 기초한 SOC 추정(SOC 추정블럭(120))을 실행한다. 전지모델에 기초한 SOC 추정이 실행되면, SOC 추정유닛(60)은 단계 S230에서, 전류 적산의 기간을 나타내는 타이머값 Tcnt을 리셋한다(Tcnt = 0).
반대로, 단계 S160에서의 판정이 NO이면, 즉 전지전류 Ib가 전지모델의 사용을 허용하는 범위를 벗어나면(도 12), SOC 추정유닛(60)은 단계 S170을 실행하여, 전류 적산의 기간이 최종 제한기간 Tlmt2(Tlmt2 > Tlmt1) 이내에 있는 지의 여부를 판정한다.
상기 제한기간 Tlmt1 및 최종 제한기간 Tlmt2는 사전에 미리 파악된 전류센서(32)의 최대 오프셋 오차와 SOC 추정의 허용가능오차간의 관계로부터 미리 획득할 수도 있다. 또한, 전류 적산의 기간 대신에, 단계 S150 내지 S170에서의 판정이 실행되어, 방전횟수 또는 방전시간이 제한값을 초과하지 못하게 할 수도 있다.
단계 S170에서의 판정이 NO이면, 즉 전류 적산의 기간이 제한기간 Tlmt1 보다는 길지만 최종 제한기간 Tlmt2 보다는 길지 않다면, SOC 추정유닛(60)은 전지모델에 기초한 SOC 추정 시의 오차가 연속 전류 적산에 기인하는 SOC 추정 시의 오차보다 큰 것으로 판정하고, 단계 S200에서 전류 적산에 기초한 SOC 추정의 실행을 계속한다. 이 때, SOC 추정유닛(60)은 단계 S210에서 타이머값 Tcnt를 갱신(증가)한다.
다른 한편으로, 단계 S170에서의 판정이 YES, 즉 전류 적산의 기간이 최종 제한기간 Tlmt2를 초과하면서 전지전류가 전지모델의 사용을 허용하는 범위를 벗어난다면, SOC 추정유닛(60)은 단계 S220에서 전지모델에 기초한 SOC 추정(SOC 추정블럭(120))을 실행한다. 따라서, 전류 적산에 기초한 SOC 추정을 계속하여 발생되는 오차의 증가를 고려하여, 전지모델에 기초한 SOC 추정이 이 시점에서 한 번 실행된다. 여기서, SOC 추정유닛(60)은 단계 S230에서 전류 적산의 기간을 나타내는 타이머값 Tcnt을 리셋한다(Tcnt = 0).
이러한 제어 구조 때문에, 내부저항의 전압변화가 SOC의 허용가능오차에 대응하는 사전설정된 전압보다 높지 않다면(즉, 안정상태에서는), 전지모델 등을 이용하지 않고도 더욱 단순하면서도 더욱 확실한 방식으로 2차전지(10)의 SOC가 허용 가능오차를 가지고 추정될 수 있다.
또한, 전지 온도에 의존하는 전지전류제한에 따라 전지모델의 사용 제한 및 전류센서의 오프셋 오차를 고려하여 전류 적산의 기간을 제한함으로써, 전지모델에 기초한 SOC 추정 및 전류 적산에 기초한 SOC 추정이 각각의 오차 요인을 증가시키지 않고 사용하도록 선택될 수도 있다.
또한, 개방회로전압과 SOC간의 상관관계가 매우 강하지 않은 2차전지 등에서는, 도 10의 흐름도에 도시된 공정이 생략될 수도 있고, SOC 추정은 전지모델에 기초한 SOC 추정 및 전류 적산에 기초한 SOC 추정을 선택하여 실행될 수도 있다.
본 발명은 예컨대 하이브리드자동차 또는 전기자동차 상에 탑재되는 2차전지의 충전상태의 추정에 적용가능하다. 하지만, 전기자동차 상에 탑재된 2차전지에서, SOC를 사전설정된 목표값으로 유지하기 위한 충방전 제어는 일반적으로 완전히 충전된 경우(SOC ≒ 100%)에는 실행되지 않고, 재충전 필요성을 검출하기 위해서는 방전 공정에 기인하는 SOC의 감소의 정확한 추정이 요구된다. 반대로, 하이브리드자동차 상에 탑재된 2차전지에서는, 회생제동 시에 회생 전력을 충전하기 위한 사전설정된 마진을 유지하기 위하여, SOC를 사전설정된 목표값(예컨대, SOC = 60%)으로 유지하도록 충방전 제어가 요구된다. 그러므로, 하이브리드자동차에서는, 2차전지의 충방전이 빈번하게 반복되고, 추정 오차의 발생이 전기자동차에 비해 두드러진다. 그러므로, 본 발명에 따른 충전상태를 추정하는 장치 및 방법은 하이브리드자동차에 더욱 적합하게 적용가능하다.
여기서, 본 실시예와 본 발명간의 관계를 설명하기로 한다. 도 2에 도시된 맵은 본 발명의 "특성기억수단"에 상응하고, 도 10의 단계 S100은 본 발명의 "안정상태판정수단(안정상태판정단계)"에 상응한다. 또한, 단계 S110은 본 발명의 "제1충전상태추정수단(제1충전상태추정단계)"에 상응하고, 도 11의 단계 S200 및 S220은 본 발명의 "제2충전상태추정수단(제2충전상태추정단계)"에 상응한다. 특히, 단계 S200은 본 발명의 "제1추정수단(제1추정단계)"에 상응하고, 단계 S220은 본 발명의 "제2추정수단(제2추정단계)"에 상응한다. 또한, 도 11의 단계 S120, S210 및 S230은 본 발명의 "시간측정수단(시간측정단계)"에 상응하고, 단계 S160 및 단계 S170은 본 발명의 "선택수단(선택단계)"에 상응한다.
본 명세서에 기술된 실시예들은 단지 예시적인 것일 뿐, 제한적으로 해석되어서는 아니된다. 본 발명의 범위는 실시예들의 상세한 설명을 적절하게 고려하여 각각의 청구범위로 결정되고, 청구범위 언어의 기술적 사상 및 균등론 내에서 변형예들을 포함하도록 의도하고 있다.

Claims (20)

  1. 입출력전류, 출력전압 및 전지온도를 검출할 수 있는 검출기가 제공된 2차전지의 충전상태추정장치에 있어서,
    상기 2차전지의 개방회로전압과 잔존 용량간의 특성 관계를 기억하기 위한 특성기억수단;
    상기 입출력전류가 적어도 상기 전지온도에 따라 설정된 전압안정시간 동안 상기 전지온도에 따라 설정된 제한 전류 이하로 유지되는 안정 상태인 지의 여부를 판정하기 위한 안정상태판정수단; 및
    상기 안정상태로 판정되는 경우, 상기 출력전압을 상기 개방회로전압으로 간주하여, 상기 특성기억수단에 저장된 상기 2차전지의 개방회로전압과 잔존 용량간의 특성 관계를 토대로 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제1충전상태추정수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안정상태판정수단에 의해 상기 안정상태로 판정되지 않은 경우에 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제2충전상태추정수단을 더 포함하여 이루어지고,
    상기 제2충전상태추정수단은, 상기 입출력전류의 적산값에 기초하여 상기 잔존 용량의 변화량을 연속해서 연산함으로써 상기 2차전지의 잔존 용량을 상대적으로 구하는 수법 또는 상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델에 기초하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 직접적으로 연산하는 수법에 의하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2충전상태추정수단은,
    상기 입출력전류의 적산값을 토대로 상기 잔존 용량의 변화량을 연산하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제1추정수단,
    상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델을 토대로 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제2추정수단, 및
    상기 제1추정수단에 의한 잔존 용량 추정의 연속실행기간을 측정하기 위한 타이머수단을 포함하고,
    상기 제2충전상태추정수단은, 상기 연속실행기간이 제1제한기간 이내에 있을 때 상기 제1추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하고, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있을 때 상기 제2추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2충전상태추정수단은, 상기 입출력전류에 관계없이, 상기 연속실행기 간이 상기 제1제한기간보다 긴 제2제한기간을 초과할 때, 상기 제2추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2충전상태추정수단은, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류는 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위를 벗어날 때, 상기 제1추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 안정상태판정수단의 상기 제한전류는 상기 전지온도가 증가함에 따라 상대적으로 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안정상태판정수단의 상기 전압안정시간은 상기 전지온도가 증가함에 따라 상대적으로 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  8. 입출력전류, 출력전압 및 전지온도를 검출할 수 있는 검출기가 제공된 2차전지의 충전상태추정장치에 있어서,
    상기 입출력전류의 적산값에 기초하여 상기 2차전지의 잔존 용량의 변화량을 연속해서 연산함으로써 상기 2차전지의 잔존 용량을 상대적으로 구하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제1추정수단;
    상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델에 기초하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 직접적으로 연산하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제2추정수단;
    상기 제1추정수단에 의한 잔존 용량 추정의 연속실행기간을 측정하기 위한 타이머수단; 및
    상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있는 지의 여부에 관한 판정 및 상기 타이머수단에 의해 얻어진 상기 연속실행기간을 토대로, 상기 잔존 용량을 추정하기 위하여 상기 제1 및 제2추정수단 중 하나를 선택하기 위한 선택수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선택수단은, 상기 연속실행기간이 제1제한기간 이내에 있을 때 상기 제1추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하고, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있을 때 상기 제2추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 선택수단은, 상기 입출력전류에 관계없이, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간보다 긴 제2제한기간을 초과할 때, 상기 제2추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 선택수단은, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류는 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위를 벗어날 때, 상기 제1추정수단을 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차전지는 리튬이온전지인 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정장치.
  13. 입출력전류, 출력전압 및 전지온도를 검출할 수 있는 검출기가 제공된 2차전지의 충전상태추정방법에 있어서,
    상기 입출력전류가 적어도 상기 전지온도에 따라 설정된 전압안정시간 동안 상기 전지온도에 따라 설정된 제한 전류 이하로 유지되는 안정 상태인 지의 여부를 판정하기 위한 안정상태판정단계; 및
    상기 안정상태로 판정되는 경우, 상기 출력전압을 상기 2차전지의 개방회로전압으로 간주하여, 상기 2차전지의 잔존 용량과 개방회로전압간의 특성을 토대로, 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하기 위한 제1충전상태추정단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 안정상태판정단계에서 상기 안정상태로 판정되지 않은 경우에 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하는 제2충전상태추정단계를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 제2충전상태추정단계에서는, 상기 입출력전류의 적산값에 기초하여 상기 잔존 용량의 변화량을 연속해서 연산함으로써 상기 2차전지의 잔존 용량을 상대적으로 구하는 수법 또는 상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델에 기초하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 직접적으로 연산하는 수법에 의하여 상기 2차전지의 잔존 용량이 추정되는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2충전상태추정단계는,
    상기 입출력전류의 적산값을 토대로 상기 잔존 용량의 변화량을 연산하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하는 제1추정단계,
    상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델을 토대로 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하는 제2추정단계, 및
    상기 제1추정단계에 의한 잔존 용량 추정의 연속실행기간을 측정하는 시간측정단계를 포함하고,
    상기 제2충전상태추정단계에서는, 상기 연속실행기간이 제1제한기간 이내에 있을 때 상기 제1추정단계를 선택하여 상기 잔존 용량이 추정되고, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있을 때 상기 제2추정단계를 선택하여 상기 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 안정상태판정단계에서의 상기 제한전류는 상기 전지온도가 증가함에 따라 상대적으로 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 안정상태판정단계에서의 상기 전압안정시간은 상기 전지온도가 증가함에 따라 상대적으로 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정방법.
  18. 입출력전류, 출력전압 및 전지온도를 검출할 수 있는 검출기가 제공된 2차전지의 충전상태추정방법에 있어서,
    상기 입출력전류의 적산값에 기초하여 상기 2차전지의 잔존 용량의 변화량을 연속해서 연산함으로써 상기 2차전지의 잔존 용량을 상대적으로 구하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하는 제1추정단계;
    상기 입출력전류, 상기 출력전압 및 상기 전지온도를 입력 변수로서 이용하는 전지 모델에 기초하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 직접적으로 연산하여 상기 2차전지의 잔존 용량을 추정하는 제2추정단계;
    상기 제1추정단계에 의한 잔존 용량 추정의 연속실행기간을 측정하는 시간측정단계; 및
    상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있는 지의 여부에 관한 판정 및 상기 시간측정단계에 의해 얻어진 상기 연속실행기간을 토대로, 상기 잔존 용량을 추정하는 상기 제1 및 제2추정단계 중 하나를 선택하기 위한 선택단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 선택단계에서는, 상기 연속실행기간이 제1제한기간 이내에 있을 때 상기 제1추정단계를 선택하여 상기 잔존 용량이 추정되고, 상기 연속실행기간이 상기 제1제한기간을 초과하고 상기 입출력전류가 상기 전지 모델의 사전설정된 사용가능범위 내에 있을 때 상기 제2추정단계를 선택하여 상기 잔존 용량이 추정되는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정방법.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차전지는 리튬이온전지인 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전상태추정방법.
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