KR101293630B1 - 배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값 및 전류 측정값과 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 (Ampere counting) 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 및 상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 SOH(State Of Health)별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함한다.

Description

배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법{Apparatus and Method for estimating battery's state of health}
본 발명은 배터리의 용량 퇴화를 나타내는 파라미터인 SOH(State Of Health)를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 이용하여 배터리의 SOH를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차(이하, 이들 자동차를 전기 구동 자동차라 함)는 전기 구동 모드에서 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 자동차를 구동시킨다.
이때 이용되는 배터리는 일반적으로 2차 전지로서 충방전을 반복함에 따라 퇴화되어 그 성능이 저하된다. 따라서 2차 전지를 사용함에 있어서는 용량의 퇴화 정도를 정량적으로 평가하는 기술이 필요하다.
SOH는 시효(aging) 효과로 인한 배터리의 용량 특성 변화를 정량적으로 나타내주는 파라미터로서, 배터리의 용량이 어느 정도 퇴화되었는지를 알 수 있도록 해 준다. 따라서 SOH를 알면 적절한 시점에 배터리를 교체할 수 있고, 배터리의 사용 기간에 따라 배터리의 충방전 용량을 조절하여 배터리의 과충전과 과방전을 방지할 수 있다.
배터리 용량 특성의 변화는 배터리의 내부저항 변화에 반영되므로, SOH는 배터리의 내부저항과 온도에 의해 추정이 가능한 것으로 알려져 있다. 즉 충방전 실험을 통해 배터리의 내부저항과 온도별로 배터리의 용량을 측정한다. 그런 다음 배터리의 초기 용량을 기준으로 상기 측정된 용량을 상대 수치화함으로써 SOH 맵핑을 위한 룩업 테이블을 얻는다. 그러고 나서, 실제 배터리 사용 환경에서 배터리의 내부저항과 온도를 측정하고 상기 룩업 테이블로부터 내부저항과 온도에 대응되는 SOH를 맵핑하면 배터리의 SOH를 추정할 수 있다.
그런데 상술한 SOH 추정 방법에서 가장 중요한 것은 얼마나 정확하게 배터리의 내부저항을 구할 수 있는가 이다. 하지만 배터리의 충방전 과정에서 배터리의 내부저항을 직접 측정하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 통상적으로는 배터리의 전압과 충방전 전류를 측정하여 오옴의 법칙에 의해 배터리 내부저항을 간접적으로 계산한다. 그런데 배터리의 전압은 IR 드롭 효과에 의해 실제 전압과 오차를 보이고 배터리의 전류 또한 측정 오차를 가지므로 단순히 오옴의 법칙에 의해 계산된 내부저항과 이로부터 추정된 SOH는 그 만큼 신뢰성이 떨어진다는 한계가 있다.
참고로, IR 드롭 현상은 배터리가 부하에 연결되어 방전이 시작되거나 외부전원으로부터 배터리의 충전이 시작될 때 전압이 급격하게 변하는 현상을 말한다. 즉, 방전이 시작될 때에는 배터리 전압이 급격하게 떨어지고, 충전이 시작될 때에는 전압이 급격하게 올라간다.
SOH 추정 방법의 다른 예로 완전방전테스트, 화학적 테스트 및 옴 테스트가 있다. 완전방전테스트는 완충된 배터리 셀을 끝까지 방전시켜 배터리 셀의 용량을 측정하여 SOH를 추정한다. 이 방법은 배터리에 연결된 시스템의 동작을 방해하고, 배터리 셀의 에너지를 낭비하는 단점이 있다. 화학적 테스트는 납축전지의 기판부식과 전해액의 농도를 측정하여 SOH를 추정한다. 옴 테스트는 저항, 컨덕턴스와 임피던스를 측정하여 SOH를 추정한다. 이 방법들은 배터리에 대해 침습적인 측정이 요구되는 단점이 있다. 따라서 2차 전지가 실제 사용되는 전기 구동 자동차 등의 경우 시스템을 방해하지 않고, 배터리의 에너지 낭비도 없으며, 비침습적 방법이 필요하다.
상기 요건을 만족하는 SOH 추정 방법의 다른 예로는, 배터리의 충방전 전류를 적산하여 배터리의 SOC(State Of Charge)를 추정하고 추정된 SOC를 사용하여 SOH를 추정하는 방법이 있다. 이 방법은 전류를 측정하는 과정에서 발생되는 측정 오차가 계속적으로 누적되어 시간이 지남에 따라 SOH 추정의 기초 데이터로 사용되는 SOC의 정확도가 떨어져 결국 신뢰성 있는 SOH의 추정이 어렵다는 한계가 있다.
SOH 추정 방법의 또 다른 예로는, 칼만 필터나 확장 칼만 필터를 사용하여 SOH를 추정하는 방법이 있다. 하지만 이러한 방법은 복잡한 수학적 모델을 사용하여 SOH를 추정하므로 계산 과정이 복잡할 뿐만 아니라 기술 구현을 위해서는 높은 사양의 중앙연산처리기가 필요하다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 간단하면서도 정확도가 높은 SOH 추정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, SOH 추정 시 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 이용함으로써 간단하면서도 정확하게 SOH를 추정할 수 있는 SOH 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다른 시점에 추정된 복수의 SOH값에 대한 산술평균 또는 가중평균을 현재 시점의 SOH값으로 추정함으로써 SOH 추정의 정확도를 보다 향상시킬 수 있는 SOH 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값 및 전류 측정값과, 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산(Ampere Counting) 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값를 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제어부는 상기 추정된 SOH값을 메모리부에 저장하고 상기 추정된 SOH값과 메모리부에 저장된 이전의 SOH값을 평균하여 SOH값을 추정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 추정된 SOH값을 상기 메모리부에 저장하고 상기 추정된 SOH값과 상기 메모리부에 저장된 이전의 SOH값을 가중평균(추정 시점이 빠른 SOH값일수록 큰 가중치를 부여)하여 SOH값을 추정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 충전전압구간은 3.7 V 내지 4 V의 전압 구간을 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 메모리부에 저장된 추정된 SOH값을 표시장치에 출력할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값과, 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 온도에 따른 전류 적산 실험으로부터 얻은 온도에 따른 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 및 상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값를 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 배터리의 온도에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 제어부는 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 평균 온도를 계산하여 상기 메모리부에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 평균 온도에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, (a) 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 저장하는 단계; (b) 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하여 전압 측정값과 전류 측정값을 저장하는 단계; (c) 상기 충전전압구간에서 상기 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계; 및 (d) 상기 저장된 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, (a) 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 온도에 따른 SOH별 적산전류값을 저장하는 단계; (b) 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하여 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 저장하는 단계; (c) 상기 충전전압구간에서 상기 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계; 및 (d) 상기 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 배터리 온도를 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 복잡한 계산을 거치지 않고도 배터리의 용량 퇴화를 추정할 수 있다. 또한 정확한 배터리 용량 퇴화의 추정으로 배터리 교체 시기 추정 등 다양한 응용이 가능하다. 나아가 용량 퇴화를 정확하게 추정하여 배터리의 용량 퇴화에 따라 배터리의 충방전 용량을 조절함으로써 과충전과 과방전을 방지하여 배터리의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 용량 퇴화 추정 장치의 기능적 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전전압구간이 3.7V ~ 4V의 전압구간에서 전류 측정값을 적산한 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
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 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치의 구성을 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 배터리(100)와 부하(107) 사이에 연결되며, 전압 센싱부(101), 전류 센싱부(103), 센스 저항(104), 제어부(105) 및 메모리부(106)를 포함한다.
상기 배터리(100)는 하나 이상의 셀을 포함하는 것으로 배터리의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 재충전이 가능하고 충전상태를 고려해야 하는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
상기 부하(107)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 비디오 카메라, 휴대용 전화기, 휴대용 PC, PMP, MP3플레이어 등과 같은 휴대용 전자기기, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 모터, DC to DC 컨버터 등으로 구성할 수 있다.
상기 전압 센싱부(101)는 주기적으로 배터리의 전압을 측정하여 전압 측정값을 제어부(105)로 출력한다. 배터리의 전압은 배터리의 출력 전압을 의미하며, 배터리의 충전 또는 방전이 이루어지고 있는 동안 측정된다. 배터리의 전압은 방전 종지 전압과 충전 상한 전압의 사이 값을 가진다.
상기 전류 센싱부(103)는 센스 저항(104)을 통해 흐르는 전류를 측정하여 제어부(105)로 출력한다. 배터리(100)가 충전될 때에는 상기 센스 저항(104)에 충전 전류가 흐르고, 반대로 배터리(100)가 방전될 때에는 상기 센스 저항(104)에 방전 전류가 흐른다.
상기 제어부(105)는 상기 전압 센싱부(101)로부터 출력되는 배터리의 전압 측정값을 입력 받아 메모리부(106)에 저장한다. 또한 상기 제어부(105)는 상기 전류 센싱부(103)로부터 출력되는 배터리 전류 측정값을 입력 받아 메모리부(106)에 저장한다. 상기 메모리부(106)는 RAM, ROM, EEPROM등 데이터를 기록하고 소거할 수 있다고 알려진 공지의 반도체 소자나 하드 디스크와 같은 대용량 저장매체로 이루어진다.
한편, 상기 메모리부(106)에는 맵핑을 통해 SOH값을 추정할 수 있는 SOH 맵핑 테이블이 미리 저장되어 있다. 하기 표 1은 SOH 맵핑 테이블의 일 예를 나타낸 것이다.
Figure 112012000813920-pat00001
상기 SOH 맵핑 테이블은 SOH별 적산전류값을 포함한다. 상기 SOH별 적산전류값은 미리 정해진 충전전압구간에서 SOH값을 알고 있는 다수의 배터리에 대해 수행한 전류 적산 실험을 통해 얻는다. 예를 들어 SOH값이 70% 내지 100%의 범위에 속하고 SOH값이 70%부터 1%씩 증가하는 31개의 배터리를 선정하고 각 배터리를 만방전시킨 후 만충전 전압까지 충전을 시키면서 미리 정해진 충전전압구간에서 전류 적산 실험을 수행하여 SOH별 적산전류값을 얻는다.
바람직하게, 상기 충전전압구간은 배터리의 충전전압이 안정적인 변화 거동을 보여주는 전압구간으로 설정한다. 일 예로, 상기 충전전압구간은 3.7V 내지 4.0V의 전압구간이 포함되도록 설정할 수 있다.
한편, 상기 충전전압구간은 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 충전전압구간 설정이 가능함을 이해하여야 한다. 또한, 전류 적산법은 본 발명이 속한 기술분야에서 널리 알려진 방법으로 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.
상기 제어부(105)는 상기 메모리부(106)에 저장된 배터리의 전압 측정값과 전류 측정값을 참조하여 배터리의 전류 측정값을 적산함으로써 적산전류값을 산출하고 산출된 적산전류값을 메모리부(106)에 저장한다. 여기서, 적산전류값의 산출을 위해 적산되는 배터리의 전류 측정값은 미리 정해진 충전전압구간에서 측정된 것에 한하는 것이 바람직하다. 상기 충전전압구간은 상기 SOH 맵핑 테이블의 구성을 위해 실시한 전류 적산 실험에서 전류를 적산했던 전압구간과 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.
도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전전압구간이 3.7V ~ 4.0V의 전압구간에서 전류 측정값을 적산하여 적산 전류값을 얻는 모습을 그래프화 한 것이다.
상기 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간에서 적산전류값이 산출되면 메모리부(106)에 저장된 SOH별 적산전류값으로부터 상기 산출된 적산전류값에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정한다.
즉, 상기 제어부(105)는 메모리부(106)에 저장된 SOH별 적산전류값(상기 표1)을 참조하여 미리 정해진 충전전압구간에서 산출한 적산전류값에 대응되는 SOH값을 맵핑함으로써 복잡한 계산 과정 없이 간단하게 배터리의 SOH값을 추정 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(105)는 현재 시점에서 추정한 SOH값을 메모리부(106)에 저장하고, 상기 추정된 SOH값과 메모리부(106)에 저장된 이전 SOH값의 평균값을 배터리의 SOH값으로 추정할 수 있다. 배터리의 SOH값은 시간에 따라 급격하게 변하지 않으므로 이전 SOH값과 현재 SOH값의 평균값을 SOH값으로 추정하면 알 수 없는 원인에 의해 SOH값이 갑작스럽게 변화되는 문제를 해결할 수 있다.
일 예로, 상기 제어부(105)는 하기 수학식1을 사용하여 현재 시점에서 추정된 SOH값과 과거에 추정된 SOH값들의 산술 평균 값을 SOH값으로 추정할 수 있다.
Figure 112012000813920-pat00002
상기 수학식1에서, SOHn은 현재 시점에서 추정된 SOH값을 나타내고, SOHn -1부터 SOH1은 과거에 추정된 SOH값들 나타낸다. 평균 SOH의 산출 시 고려될 수 있는 SOH값들의 수는 적절하게 조절 가능하며, 과거에 추정된 SOH값들의 수가 증가할수록 SOH값의 갑작스런 변화에 대한 강인성(robustness)을 갖는다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(105)는 하기 수학식2를 사용하여 현재 시점에서 추정된 SOH값과 과거에 추정된 SOH값들의 가중 평균 값을 SOH값으로 추정할 수 있다.
Figure 112012000813920-pat00003
상기 수학식2에서, SOHn은 현재 시점에서 추정된 SOH값을 나타내고, SOHn -1부터 SOH1은 과거에 추정된 SOH값들 나타낸다. 가중평균 SOH의 산출 시 고려될 수 있는 SOH값들의 수는 적절하게 조절 가능하며, 과거에 추정된 SOH값들의 수가 증가할수록 SOH값의 갑작스런 변화에 대한 강인성(robustness)을 갖는다. Ak는 k값이 증가할 수록 감소하는 경향을 가진다. 예를 들어 n=100인 경우, Ak값은 100부터 시작하여 k 값이 증가하면서 1씩 감소하는 값을 가질 수 있다. 대안적인 예에서, 상기 수학식 2에서 An -2 내지 A1은 0으로 설정할 수 있다. 이런 경우에도 Ak값의 경향성은 상기한 바와 동일하게 유지된다. 예를 들어 An 보다 An -1에 상대적으로 큰 값을 부여할 수 있다. 예를 들어 An와 An -1에 각각 10 및 90의 값을 부여할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(105)는 추정된 SOH값을 외부의 표시장치로 출력할 수 있다. 상기 표시장치는 추정된 SOH값을 시각적으로 표시할 수 있는 수단이라면 특별히 제한하지 않는다. 일 예로, 상기 표시 장치는 액정 디스플레이, LCD 디스플레이, LED 디스플레이 등일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(105)는 추정된 SOH값을 네트워크 인터페이스를 통하여 외부의 컴퓨팅 장치에 전송할 수 있다. 상기 배터리(100)가 전기 자동차에 장착된 배터리인 경우, 상기 외부의 컴퓨팅 장치는 자동차에 탑재된 전장 컴퓨터 또는 자동차의 점검에 사용되는 다이어그노시스(diagnosis) 장치일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는 배터리의 SOH값을 추정하는 과정에서 배터리의 온도를 추가로 이용하기 위해 온도 센싱부(103)를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 센싱부(103)는 주기적으로 배터리의 온도를 측정하여 온도 측정값을 제어부(105)로 출력한다. 그러면, 상기 제어부(105)는 배터리의 온도 측정값을 메모리부(106)에 저장한다.
SOH값의 추정 시 배터리의 온도가 이용될 경우, 상기 메모리부(106)에 저장된 SOH 맵핑 테이블은 다음 표2와 같이 변형이 가능하다.
Figure 112012000813920-pat00004
상기 표2를 참조하면, SOH 맵핑 테이블은 배터리 온도에 따라 SOH값을 맵핑할 수 있는 데이터 구조를 가진다. 이러한 SOH 맵핑 테이블은 배터리의 온도를 다양하게 조절하면서 상술한 전류 적산 실험을 수행하여 얻을 수 있다.
SOH값의 추정 시 배터리의 온도가 이용될 경우, 상기 제어부(105)는 상술한 방식에 따라 미리 정해진 충전전압구간에서 적산전류값을 산출한 후 메모리부(106)에 저장된 SOH 룩업 테이블을 참조하여 배터리의 온도 측정값에 해당하는 SOH별 적산전류값으로부터 상기 산출된 적산전류값에 대응되는 SOH값을 맵핑하여 현재 시점의 SOH값을 추정할 수 있다. 물론, 이 경우에도, 상기 제어부(105)는 상술한 수학식1 또는 2를 이용하여 복수의 SOH값에 대한 평균값으로 SOH값을 추정할 수 있음은 자명하다.
한편, 배터리의 온도가 적산전류값이 산출된 충전전압구간에서 일정한 값을 가지지 않는 경우 상기 제어부(105)는 충전전압구간에서 배터리의 평균 온도를 산출하고 평균 온도를 이용하여 SOH값을 추정할 수 있다. 배터리의 SOH값은 배터리의 온도에 의해 달라지므로 온도를 고려하여 SOH값을 추정하면 더욱 정확한 SOH값 추정이 가능하다.
상기 제어부(105)는 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 프로그램한 코드를 실행할 수 있는 마이크로프로세서로 구성할 수도 있고, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법의 제어 흐름을 논리 회로로 구현한 반도체 칩으로도 구성할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상술한 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는 배터리 팩으로부터 전원을 공급받는 배터리 팩 구동 장치에 결합되어 사용될 수 있다.
일 예로, 본 발명은 노트북, 휴대폰, 개인 휴대용 멀티미디어 재생기와 같이 배터리로부터 구동 전압을 공급받는 각종 전자 제품에 포함되어 사용될 수 있다.
다른 예로, 본 발명은 화석연료 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거와 같이 배터리가 탑재된 각종 동력 장치에 결합되어 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는 배터리 팩의 충방전을 제어하고 과충전 또는 과방전 등으로부터 배터리 팩을 보호하는 배터리 관리 장치(Battery Management System; BMS)에 포함되어 사용될 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는 배터리 팩 내에 포함되어 사용될 수 있다.
다음으로, 상술한 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 이용한 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법의 흐름을 도시한 순서도이다. 먼저, 제어부(105)는 SOH별 적산전류값을 메모리부에 저장한다(S10). 상기 SOH별 적산전류값의 획득 방법과 데이터 구조에 대해서는 표1을 참조하여 상세하게 설명하였으므로 반복적인 설명은 생략한다. 한편, 단계 S10의 수행을 위해, 상기 제어부(105)는 SOH별 적산전류값을 입력 받을 수 있는 인터페이스와 연동될 수 있다. 상기 인터페이스는 데이터 통신 인터페이스일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간의 하한 전압 이상에서 배터리의 충전모드가 진행되고 있는지 여부를 판단한다(S20). 만약, 배터리의 충전모드가 진행되고 있는 것으로 판단되면(S20의 YES), 제어부(105)는 배터리의 전압과 전류를 측정하여 배터리의 전압 측정값과 전류 측정값을 메모리부(106)에 저장한다(S30). 반면, 배터리의 충전모드가 진행되지 않는 것으로 판단되면(S20의 NO), 제어부(105)는 SOH값의 추정 프로세스를 종료한다.
단계 S30은, 미리 정해진 충전전압구간, 예컨대 3.7V 내지 4.0V를 포함하는 전압구간에서 배터리의 충전이 이루어지는 동안 주기적으로 반복되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제어부(105)는 S30 단계를 진행한 다음 배터리의 충전전압이 상기 미리 정해진 충전전압구간의 상한을 초과하였는지 판단한다(S40).
만약, 배터리의 전압이 상기 미리 정해진 충전전압구간의 상한을 초과하지 않았다면(S40의 NO), 제어부(105)는 프로세스를 S30 단계로 이행하여 배터리의 전압 측정값과 전류 측정값을 메모리부(106)에 저장하는 동작을 다시 진행한다.
반면, 배터리의 전압이 상기 미리 정해진 충전전압구간의 상한을 초과하면, 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간에서 측정된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출한다(S50).
적산전류값이 산출되면, 제어부(105)는 메모리부(106)에 저장된 SOH별 적산전류값을 참조하여 상기 산출된 적산전류값에 대응되는 SOH값을 맵핑함으로써 배터리에 대한 현재 시점의 SOH값을 추정한다(S60). 일 예로, 적산전류값이 16.89mAh인 경우 SOH값을 97%로 추정한다(표1 참조).
단계 S60의 대안으로서, 제어부(105)는 현재 시점에서 추정된 SOH값과 이전에 추정된 SOH값의 평균값으로 배터리에 대한 현재 시점의 SOH값을 추정할 수 있다. 이 때, 상기 평균값을 산출하는 방식은 수학식1 및 2를 참조하여 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법의 흐름을 도시한 순서도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간에서 산출한 적산전류값과 배터리의 온도를 함께 감안하여 배터리의 SOH값을 추정한다.
이를 위해, 제어부(105)는 온도에 따른 SOH별 적산전류값을 메모리부(106)에 저장한다(P10). 온도에 따른 SOH별 적산전류값의 획득 방법과 데이터 구조에 대해서는 표2를 참조하여 설명한 바 있으므로 반복적인 설명은 생략한다.
다음으로, 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간의 하한 전압 이상에서 배터리의 충전모드가 진행되는지 여부를 판별하는 단계(P20); 배터리의 충전모드가 진행되고 있으면 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하여 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 메모리부(106)에 저장하는 단계(P30); 배터리의 전압이 미리 정해진 충전전압의 상한을 초과하였는지 여부를 판별하는 단계(P40); 배터리의 충전전압이 미리 정해진 충전전압의 상한을 초과하지 않은 경우 배터리의 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 메모리부(106)에 저장하는 단계를 반복 수행하는 단계(P40의 NO); 상기 배터리의 전압이 미리 정해진 충전전압의 상한을 초과하는 경우 상기 충전전압구간에서 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계(P50)를 수행한다.
여기서, 상기 P20 단계 내지 P50 단계는 배터리의 온도 측정값이 메모리부(106)에 저장된다는 점만 제외하면 상술한 S20 단계 내지 S50 단계와 실질적으로 동일하다.
상기 적산전류값이 산출되면, 제어부(105)는 메모리부(106)에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값을 참조하여 상기 산출된 적산전류값과 배터리 온도에 대응되는 SOH값을 맵핑함으로써 현재 시점의 배터리에 대한 SOH값을 추정한다(P60). 일 예로, 배터리의 온도가 20도이고, 적산전류값이 12.53mAh인 경우 SOH값을 72%로 추정한다(표2 참조). 한편, 배터리 온도가 상기 충전전압구간에서 일정하지 않은 경우 배터리의 온도는 상기 충전전압구간에서 얻은 온도 측정값의 평균 온도를 사용하는 것이 바람직하다.
단계 P60의 다른 대안으로, 제어부(105)는 현재 시점에서 추정된 SOH값과 이전에 추정된 SOH값의 평균값으로 배터리에 대한 현재 시점의 SOH값을 추정할 수 있다. 이 때, 상기 평균값을 산출하는 방식은 수학식1 및 2를 참조하여 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 방법은 실시를 위해 컴퓨터로 구현된 프로세스와 장치로 구체화 될 수 있다. 또한 상기 방법은 플로피 디스켓, CD-ROM, 하드드라이브 또는 컴퓨터가 읽을 수 있는 어떤 형태의 저장장치 등에 컴퓨터 프로그램 코드가 저장되어 구현될 수 있다. 이때 컴퓨터는 상기 저장장치에 담겨 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 컴퓨터에 의해서 읽혀지고 실행되어 방법을 실시하는 장치가 된다. 또한 상기 방법은 컴퓨터에 의해 읽혀지고 실행되는 저장장치 또는 도전선, 케이블, 광학섬유, 전자파 등으로 전송되는 데이터 신호의 형태로 구현될 수 있다. 이때 컴퓨터는 상기 저장장치 또는 데이터 신호를 받아 컴퓨터에 의해서 읽혀지고 실행되어 방법을 실시하는 장치가 된다.
<실험예>
이하에서는 본 발명을 실험예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 그러나, 실험예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 43Ah 용량을 가지며 SOH 100%인 리튬 이차전지를 가지고 실험을 하였다. 만방전이 이루어진 리튬 이차 전지를 충전 장치에 연결한 후 리튬 이차 전지를 상온으로 유지시키는 챔버에 위치시켰다. 그런 다음, 정전압으로 배터리의 충전을 진행하면서, 배터리의 전압이 3V에 해당할 때부터 배터리의 전압이 4V에 도달할 때까지 충전 전류를 측정하였다. 그리고 측정된 전류값을 적산하여 상기 전압 구간에서 적산전류값을 계산한 결과, 4501초 동안 26.88091Ah가 충전되었다.
다음으로, SOH가 98%, 97%, 77% 및 72%인 배터리를 가지고 상기와 동일한 실험을 진행하였다. 그 결과, SOH 98%인 배터리는 4441초 동안 26.34897Ah, SOH 97%인 배터리는 4416초 동안 26.22061Ah, SOH 77%인 배터리는 3504초 동안 20.94577Ah, SOH 72%인 배터리는 3201초 동안 19.12639Ah가 충전되었다.
아래의 표3은 상기 실험결과를 이용하여 SOH에 따라 예상 적산전류값을 계산한 경우와 실제 실험 데이터를 비교한 것이다. SOH에 따른 예상 적산전류값의 계산은 먼저, 상기 실험 데이터 중 SOH가 100%인 배터리의 적산전류값인 26.88091Ah를 기준값으로 설정한다. 그리고, 상기 기준값에 각 SOH를 곱하여 SOH에 따라 예상되는 적산전류값을 계산한다. 이 계산 방법은, 상기 전압구간에서 적산전류값이 SOH에 따라 일정한 비율로 감소하는 것을 전제로 한다.
Figure 112012000813920-pat00005
상기 표3을 참조하면, 기준값에 따라 계산된 적산전류값과 실제 적산전류값은 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, SOH가 98%, 97%일 때는 오차가 상대적으로 크지 않으나, SOH가 77%, 72%일 때는 오차가 더욱 커진 것을 확인할 수 있다. 배터리의 퇴화에 따른 용량의 감소는 모든 전압 구간에서 일정한 비율로 일어나는 것이 아니기 때문에, 상기와 같이 오차가 발생한다. 또한, SOH가 감소할수록 그 오차는 더욱 커지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 배터리의 SOH를 추정하기 위한 기초 데이터로서 단순한 비율 계산에 의해 산출된 적산전류값보다, 실제 실험을 통해 얻은 적산전류값을 이용하는 것이 오차를 줄일 수 방안이 될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 아래의 표4는 기준값과 실제 적산전류값의 단순 비율에 따라 추정한 SOH와 실제 SOH를 비교한 것이다. 단순 비율에 따른 SOH 추정은 적산전류값을 기준값으로 나누어서 그 비율을 SOH로 추정한 것이다.
Figure 112012000813920-pat00006
상기 표4를 참조하면, 적산전류값의 단순 비율에 따라 SOH를 추정할 경우, 실제 SOH와 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 더욱이, 배터리의 충방전 횟수가 많아 질수록 상기 오차는 누적될 것이므로 추정된 SOH의 값은 더욱 큰 오차를 가지게 될 것임은 자명하다. 따라서, 실제 실험을 통해서 얻은 적산전류값을 이용하여 SOH를 추정하면 SOH 추정의 정확성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 실험예를 통해서 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 이용하여 배터리의 SOH를 추정하는 경우, 간단하게 배터리의 SOH를 추정할 수 있으며, 추정된 SOH 역시 정확성이 향상됨을 확인 할 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 종래기술과 달리 복잡한 계산을 거치기 않고도 배터리의 용량 퇴화를 추정할 수 있다. 또한 실제 실험데이터를 이용한 배터리의 용량 퇴화 추정은 그 신뢰도가 높아 배터리의 교체 시기 추정 등 다양한 응용이 가능하다. 나아가 용량 퇴화에 따른 배터리의 충방전 용량을 조절함으로써 과충전과 과방전을 방지하여 배터리의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어, 도 1 등에 도시된 본 발명의 배터리 용량 퇴화 추정 장치에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
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.
100 : 배터리 팩 101 : 전압 센싱부
102 : 온도 센싱부 103 : 전류 센싱부
104 : 센스 저항 105 : 제어부
106 : 메모리부 107 : 부하

Claims (18)

  1. 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하는 센싱부;
    상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값 및 전류 측정값과 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 (Ampere counting) 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 및
    상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 SOH(State Of Health)별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  2. 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 센싱부;
    상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값과, 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 온도에 따른 전류 적산 실험으로부터 얻은 온도에 따른 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 및
    상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 배터리의 온도에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 산출된 SOH값을 메모리부에 저장하고 상기 산출된 SOH값과 메모리부에 저장된 이전의 SOH값을 평균하여 SOH값을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 산출된 SOH값을 상기 메모리부에 저장하고 상기 산출된 SOH값과 상기 메모리부에 저장된 이전의 SOH값을 가중평균(측정 시점이 빠른 SOH값일수록 큰 가중치를 부여)하여 SOH값을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 충전전압구간은 3.7 V 내지 4 V의 전압 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 추정된 SOH값을 상기 메모리부에 저장하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 메모리부에 저장된 추정된 SOH값을 표시장치에 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 충전전압구간에서 측정된 온도 측정값의 평균 온도를 계산하여 상기 메모리부에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 평균 온도에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  9. (a) 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산(Ampere counting) 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 저장하는 단계;
    (b) 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하여 전압 측정값과 전류 측정값을 저장하는 단계;
    (c) 상기 충전전압구간에서 상기 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계; 및
    (d) 상기 저장된 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  10. (a) 실제 퇴화 정도를 알고 있는 온도에 따른 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 온도에 따른 SOH별 적산전류값을 저장하는 단계;
    (b) 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하여 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 저장하는 단계;
    (c) 상기 충전전압구간에서 상기 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계; 및
    (d) 상기 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 배터리 온도를 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 추정된 SOH값을 저장하는 단계; 및
    추정된 SOH값과 이전의 SOH값을 평균하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 추정된 SOH값을 저장하는 단계; 및
    추정된 SOH값과 이전의 SOH값을 가중평균(측정 시점이 빠른 SOH값일수록 큰 가중치를 부여)하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 충전전압구간은 3.7 V 내지 4 V의 전압 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    추정된 SOH값을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 저장된 SOH값을 표시장치에 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 충전전압구간에서 온도 측정값의 평균 온도를 계산하는 단계; 및
    온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 평균 온도와 상기 적산전류값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  17. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 포함하는 배터리 팩.
  18. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 포함하는 배터리 구동 장치.
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