KR101176358B1 - 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치 및 그 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치는 배터리의 방전이 시작되는 경우에 비선형화된 방전 곡선을 측정하는 방전곡선 측정부; 측정된 상기 방전 곡선과 미리 저장된 기준 곡선을 시간함수의 곡선으로 1차 변환하는 곡선 변환부; 1차 변환된 시간함수의 곡선을 곡선 피팅 방식을 이용하여 2차 변환하여 예측 직선으로 선형화하는 데이터 모델링부; 및 선형화된 상기 예측 직선을 근거로 상기 배터리의 상태 정보를 연산하는 상태정보 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 일정 부하에서나 가변 부하에서 상관없이 배터리의 상태정보를 정확하게 연산할 수 있다.

Description

방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MANAGING BATTERY USING DISCHARGING CHARACTERISTICS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 관리 기술에 관한 것으로, 특히, 비선형적인 배터리의 방전전압 곡선을 시간 함수로 선형화하여 이를 근거로 방전 특성을 분석함으로써, 배터리의 상태 정보를 정확하게 연산할 수 있도록 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 배터리를 주동력으로 사용하는 산업용 기기나 휴대 단말기 등에서 적용이 되는 배터리 관리 기술은 대부분 일정 부하에 대한 연산이기 때문에 가변 부하가 인가되었을 경우에는 배터리의 사용 잔량을 연산하거나 잔여 사용 시간을 연산할 경우 큰 오차가 발생한다.
이러한 가변 부하가 인가되었을 경우의 시스템에서는 적용이 불가능한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 방법을 적용하고 있으나, 기술적인 한계나 적용에 따른 크기의 문제점 등으로 인해 아직까지 보다 안전하고 정확한 방법은 제시되지 않은 상태이다.
앞으로 배터리를 주 동력원으로 사용하는 기기가 급속도로 증가함에 따라 배터리를 100% 가장 효과적으로 사용하기 위하여 배터리의 상태와 잔여용량, 사용가능시간 등을 정밀하게 연산할 수 있는 기술 개발이 시급한 실정이다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비선형적인 배터리의 방전전압 곡선을 시간함수로 선형화하여 이를 근거로 방전특성을 분석함으로써, 배터리의 상태정보를 정확하게 연산할 수 있도록 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
이를 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치는 배터리의 방전이 시작되는 경우에 비선형화된 방전 곡선을 측정하는 방전곡선 측정부; 측정된 상기 방전 곡선과 미리 저장된 기준 곡선을 시간함수의 곡선으로 1차 변환하는 곡선 변환부; 1차 변환된 시간함수의 곡선을 곡선 피팅 방식을 이용하여 2차 변환하여 예측 직선으로 선형화하는 데이터 모델링부; 및 선형화된 상기 예측 직선을 근거로 상기 배터리의 상태 정보를 연산하는 상태정보 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 곡선 피팅 방식은 보간법, 추세선, 및 최소 자승법 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 배터리의 상태 정보는 사용 잔량, 및 사용 시간 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 데이터 모델링부는 상기 예측 직선으로 선형화하되, 종지 전압 근처에서는 일정 크기 이상의 편차를 보정하는 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 데이터 모델링부는 다음의 수학식
Figure 112010087447702-pat00001
을 이용하여 상기 편차를 보정하고, 여기서, 상기 L은 시간함수의 곡선과 만나는 지점을 의미하고, 상기 Lp는 예측 직선으로 2차로 선형화된 곡선과 만나는 지점을 의미하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 방법은 (a) 배터리의 방전이 시작되는 경우에 비선형화된 방전 곡선을 측정하는 단계; (b) 측정된 상기 방전 곡선과 미리 저장된 기준 곡선을 시간함수의 곡선으로 1차 변환하는 단계; (c) 1차 변환된 시간함수의 곡선을 곡선 피팅 방식을 이용하여 2차 변환하여 예측 직선으로 선형화하는 단계; 및 (d) 선형화된 상기 예측 직선을 근거로 상기 배터리의 상태 정보를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 곡선 피팅 방식은, 보간법, 추세선, 및 최소 자승법 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 배터리의 상태 정보는, 사용 잔량, 및 사용 시간 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 (c) 단계는 상기 예측 직선으로 선형화하되, 종지 전압 근처에서는 일정 크기 이상의 편차를 보정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 (c) 단계는 다음의 수학식
Figure 112010087447702-pat00002
을 이용하여 상기 편차를 보정하고, 여기서, 상기 L은 시간함수의 곡선과 만나는 지점을 의미하고, 상기 Lp는 예측 직선으로 2차로 선형화된 곡선과 만나는 지점을 의미하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 비선형적인 배터리의 방전전압 곡선을 시간함수로 선형화하여 이를 근거로 방전특성을 분석함으로써, 일정 부하에서나 가변 부하에서 상관없이 배터리의 상태정보를 정확하게 연산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기준 곡선을 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시간함수의 곡선으로 변환하는 과정을 보여주는 제1 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시간함수의 곡선으로 변환하는 과정을 보여주는 제2 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리를 관리하기 위한 방법을 나타내는 예시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치 및 그 방법을 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명할 것이다. 각 도면에서 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
본 발명에서는 비선형적인 배터리의 방전전압 곡선을 시간함수로 선형화하여 이를 근거로 방전특성을 분석함으로써, 배터리의 상태정보 예컨대, 배터리의 사용 잔량, 및 사용 시간 등을 정확하게 연산할 수 있는 방안을 제안한다.
특히, 본 발명은 배터리의 상태 정보에 대한 예측 정확도를 1% 이내로 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 나타내는 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 방전곡선 측정부(100), 곡선 변환부(200), 데이터 모델링부(300), 상태정보 연산부(400), 및 기준곡선 저장부(500) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
기준곡선 저장부(400)는 미리 작성된 기준 곡선을 저장하는데, 방전 시간에 따른 방전 전압의 변화를 나타내는 기준 곡선을 최적화해서 저장하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기준 곡선을 나타내는 예시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 기준 곡선은 방전 시간에 따른 방전 전압의 변화를 나타내고 있다. 예컨대, 이러한 기준 곡선은 배터리의 방전 시간에 따른 방전 전압의 변화를 여러 차례 측정하고 그 측정한 결과의 평균치를 이용하여 얻을 수 있다.
방전곡선 측정부(100)는 배터리의 방전이 시작되면 방전 곡선을 측정한다.
곡선 변환부(200)는 기준 곡선과 방전 곡선을 시간함수의 곡선으로 변환하여 선형성을 확보하는데, 이를 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시간함수의 곡선으로 변환하는 과정을 보여주는 제1 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, Y축의 전압을 X축으로 연장해서 기준방전커버에 해당되는 지점의 시간을 T2, 측정방전커버와 만나는 지점의 시간을 T1으로 하고 배터리의 종지 전압부터 만충전 전압까지 0.1V 단위로 T1, T2의 값을 측정한다.
이를 좀더 설명하면, 배터리가 만충전 상태부터 종지 전압까지 방전을 할 경우 방전곡선이 추출되는데, 이 방전곡선으로는 선형성을 확보하기가 힘들기 때문에 미리 작성된 기준 곡선과 방전하고 있는 배터리의 방전과 가장 유사한 방전 곡선을 가지고 방전전압의 차이를 시간으로 환산하기 위해 임의로 정한 변수로 초록색 선(7.45V)과 기준 곡선(적색), 샘플링 방전곡선(청색)과 교차하는 지점을 각각 T2, T1 값으로 설정을 한 것으로 방전 시간을 의미하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시간함수의 곡선으로 변환하는 과정을 보여주는 제2 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 도 3에서 측정한 값을 X축에는 T2, Y축은 T1으로 하고 Z축은 방전 전압으로 해서 비선형화된 방전 곡선을 선형화된 시간함수의 곡선으로 변환한다.
이때, 1차로 변환된 곡선은 부분적으로 비선형적인 부분이 있기 때문에, 데이터 모델링부(300)는 1차로 선형화된 시간함수의 곡선을 곡선 피팅 방식 예컨대, 보간법, 추세선, 및 최소 자승법(Least Square) 등을 이용하여 2차로 선형화된 곡선을 얻는다.
이때, 종지 전압 근처에서는 그 편차 정도가 다소 크게 벌어지는 경우도 있기 때문에 이 편차(error)는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112010087447702-pat00003
여기서, L은 T1, T2로 작성된 시간함수의 곡선과 만나는 지점을 의미하고, Lp는 예측라인으로 2차로 선형화된 곡선과 만나는 지점을 의미하게 된다.
이를 좀더 설명하면, 일반적으로 배터리가 종지전압에 가까워지면 방전전압의 커버 경사가 급격하게 변하는 특성이 있기 때문에 이 부분의 편차 즉 에러를 보정하기 위해 우측 Z축의 전압라인과 만나는 임의의 지점을 L과 Lp로 규정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리를 관리하기 위한 방법을 나타내는 예시도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 배터리의 방전이 시작되면 방전 곡선을 측정하고(S501) 측정된 방전 곡선과 미리 저장된 기준 곡선을 시간함수의 곡선으로 1차 변환한다(S502).
다음으로, 배터리 관리 장치는 1차로 변환된 시간함수의 곡선을 곡선 피팅 방식 예컨대, 보간법, 추세선, 및 최소 자승법(Least Square) 등을 이용하여 2차 변환하여 예측 직선으로 선형화한다(S503).
이때, 종지 전압 근처에서는 편차를 보정한다(S504). 즉, 편차를 추출하는 [수학식 1]에서와 같이 동일한 방전전압 시점에서의 시간적인 차이를 추출하는 것으로 이 추출된 값의 중간값을 예측값에 보정을 하는 방식입니다.
예컨대, 추출된 편차가 +15분일 경우 최종예측에 +7.5분을 해서 예측할 수 있다.
다음으로, 배터리 관리 장치는 선형화된 예측 직선을 근거로 배터리의 상태 정보 예컨대, 배터리의 사용 잔량, 및 사용 시간 등을 연산하게 된다(S505).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 비선형적인 배터리의 방전전압 곡선을 시간함수로 선형화하여 이를 근거로 방전특성을 분석함으로써, 일정 부하에서나 가변 부하에서 상관없이 배터리의 상태정보를 정확하게 연산할 수 있다.
본 발명에 의한, 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치 및 그 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 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 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
100: 방전곡선 측정부
200: 곡선 변환부
300: 데이터 모델링부
400: 상태정보 연산부
500: 기준곡선 저장부

Claims (10)

  1. 배터리의 방전이 시작되는 경우에 비선형화된 방전 곡선을 측정하는 방전곡선 측정부;
    측정된 상기 방전 곡선과 미리 저장된 기준 곡선을 시간함수의 곡선으로 1차 변환하는 곡선 변환부;
    1차 변환된 시간함수의 곡선을 곡선 피팅 방식을 이용하여 2차 변환하여 예측 직선으로 선형화하되, 종지 전압 근처에서는 일정 크기 이상의 편차를 보정하는데이터 모델링부; 및
    선형화된 상기 예측 직선을 근거로 상기 배터리의 상태 정보를 연산하는 상태정보 연산부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 곡선 피팅 방식은, 보간법, 추세선, 및 최소 자승법 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리의 상태 정보는, 사용 잔량, 및 사용 시간 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 데이터 모델링부는,
    다음의 수학식
    Figure 112012000069125-pat00004
    을 이용하여 상기 편차를 보정하고, 여기서, 상기 L은 시간함수의 곡선과 만나는 지점을 의미하고, 상기 Lp는 예측 직선으로 2차로 선형화된 곡선과 만나는 지점을 의미하는 것을 특징으로 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 장치.
  6. (a) 배터리의 방전이 시작되는 경우에 비선형화된 방전 곡선을 측정하는 단계;
    (b) 측정된 상기 방전 곡선과 미리 저장된 기준 곡선을 시간함수의 곡선으로 1차 변환하는 단계;
    (c) 1차 변환된 시간함수의 곡선을 곡선 피팅 방식을 이용하여 2차 변환하여 예측 직선으로 선형화하는 단계; 및
    (d) 선형화된 상기 예측 직선을 근거로 상기 배터리의 상태 정보를 연산하는 단계를 포함하고,
    상기 (c) 단계에서, 상기 예측 직선으로 선형화하되, 종지 전압 근처에서는 일정 크기 이상의 편차를 보정하는 것을 특징으로 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 곡선 피팅 방식은, 보간법, 추세선, 및 최소 자승법 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 배터리의 상태 정보는, 사용 잔량, 및 사용 시간 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 방법.
  9. 삭제
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    다음의 수학식
    Figure 112012000069125-pat00005
    을 이용하여 상기 편차를 보정하고, 여기서, 상기 L은 시간함수의 곡선과 만나는 지점을 의미하고, 상기 Lp는 예측 직선으로 2차로 선형화된 곡선과 만나는 지점을 의미하는 것을 특징으로 하는 방전 특성을 이용하여 배터리를 관리하기 위한 방법.
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