KR101352841B1 - 전지 ｓｏｃ 추정 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전지의 FCC(full charge capacity)를 이용하여 이차전지의 SOC(state of charge)를 추정하는 방법에 있어서, (S1) 전지의 전압 및 전류를 측정하는 단계; (S2) 상기 전지의 일정 시간 동안의 전압 변화량과 전류 적산량을 이용하여 FCC를 산정하는 단계; (S3) 상기 산정된 FCC 및 상기 측정된 전압 및 전류를 이용하여, 상기 전지가 만방전될 때까지의 예상 시간을 추정하여 자가 방전율을 계산하는 단계; (S4) 상기 전지의 충전 사이클별 용량 열화율을 계산하는 단계; 및 (S5) 상기 계산된 전지가 만방전될 때까지의 상기 자가 방전율과 상기 용량 열화율을 적용하여 전지의 SOC를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법을 제공한다.

Description

전지 ＳＯＣ 추정 방법 및 시스템 {Method and System for Calculating SOC of Battery}

본 발명은 전지 SOC 추정 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지의 FCC(full charge capacity)를 이용하여 이차전지의 SOC(state of charge)를 추정하는 방법에 있어서, 상기 전지의 전압 및 전류를 측정하는 단계, 상기 전지의 일정 시간 동안의 전압 변화량과 전류 적산량을 이용하여 FCC를 산정하는 단계, 상기 산정된 FCC 및 상기 측정된 전압 및 전류를 이용하여, 상기 전지가 만방전될 때까지의 예상 시간을 추정하여 자가 방전율을 계산하는 단계, 상기 전지의 충전 사이클별 용량 열화율을 계산하는 단계, 및 상기 계산된 전지가 만방전될 때까지의 상기 자가 방전율과 상기 용량 열화율이 가감된 FCC를 계산하여 전지의 SOC를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력장치 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

이러한 이차전지는 각종 모바일 또는 이동 디바이스에 사용되고 사용 시간에 한계가 있기 때문에, 이차전지의 SOC에 대한 정확한 정보를 파악하는 것이 중요하다. 이러한 SOC는 이차전지가 어느 정도의 시간만큼 사용 가능한지 가늠하는 척도가 되므로, 사용자가 해당 장치를 사용하는데 있어서 매우 중요한 정보이다. 따라서, 노트북이나 휴대폰, 자동차 등의 일반적인 이차전지 장착 디바이스 내지 장치들은 이차전지의 SOC를 추정하고 그로부터 이차전지의 사용 가능 시간이나 사용 가능량 등의 정보를 파악하여 사용자에게 제공하고 있다.

이차전지의 SOC는 이차전지의 만충전 용량(FCC, Full Charge Capacity)에 대한 잔량을 백분율로 표시하는 형태가 일반적이다. 이차전지의 SOC를 추정하는 방법으로는 다양한 방식이 이용될 수 있는데, 대표적인 방식은 전류 적산법을 이용하여 SOC를 추정하는 방식이다. 이러한 전류 적산 방식은, 이차전지의 입출력 전류를 적산하고 초기 용량에서 가감함으로써 SOC를 구하는 형태이다.

그러나, 상기 전류 적산 방식의 경우, 이차전지의 초기 사이클에서는 비교적 정확한 SOC 값을 도출할 수 있지만, 이차전지가 충방전 사이클을 거듭할수록 방전 말기에 SOC가 급격하게 감소하는 SOC 드롭(drop) 현상의 발생으로 SOC 추정의 정확도가 떨어질 수 있다. 따라서, 오래 사용한 이차전지일수록 방전 말기에 SOC가 급격하게 떨어지는 현상이 발생할 수 있는 바, 이러한 상황에서 종래의 전류적산법을 그대로 이용하면, SOC 드롭 현상으로 인해 방전 말기의 SOC를 정확하게 추정할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 결과적으로, 당초 예상보다 SOC가 빨리 감소하여 이차전지의 사용 가능 시간이 줄어들 수 있음에도 불구하고, 사용자가 이를 예상하지 못해 이차전지의 만방전 상황에 제대로 대비할 수 없게 되어 사용자에게 큰 불편을 초래할 수 있다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 이차전지의 잔존용량(SOC)을 추정하는 방법 및 시스템에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 이차전지의 잔존용량을 정확히 측정하기 위하여 전지의 용량 열화율을 추가적으로 계산하여 업데이트 되는 전지 SOC 추정 방법 및 시스템을 개발하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은 이차전지의 방전 중 방전 말기에 SOC가 급격하게 떨어지는 현상이 발생하더라도 용량 열화율을 가산하여 보정함으로써, SOC를 정확하게 추정하여 사용자에게 정확한 SOC 정보를 제공할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 SOC 추정 방법 및 시스템은, 전지의 FCC(full charge capacity)를 이용하여 이차전지의 SOC(state of charge)를 추정하는 방법에 있어서,

(S1) 전지의 전압 및 전류를 측정하는 단계;

(S2) 상기 전지의 일정 시간 동안의 전압 변화량과 전류 적산량을 이용하여 FCC를 산정하는 단계;

(S3) 상기 산정된 FCC 및 상기 측정된 전압 및 전류를 이용하여, 상기 전지가 만방전될 때까지의 예상 시간을 추정하여 자가 방전율을 계산하는 단계;

(S4) 상기 전지의 충전 사이클별 용량 열화율을 계산하는 단계; 및

(S5) 상기 계산된 전지가 만방전될 때까지의 상기 자가 방전율과 상기 용량 열화율이 가감된 FCC를 계산하여 전지의 SOC를 추정하는 단계;

를 포함한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 상기 일정 시간(전지가 충전 후 방전되는 시간) 동안 자가 방전율을 보정하고, 용량 열화율을 업데이트 하여 전지의 FCC를 예측함으로써, 정확한 전지의 SOC를 추정할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 S2 내지 S5 단계는 BMS에 의해 수행되는 구조일 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 S5 단계에서 다음 관계식에 의해 FCC를 산정할 수 있다.

FCC(NEW) = (Calculated FCC)*(Cell self-discharge Rate)*(Capacity Deterioration by Cycle Rate)

상기 식에서, Self-discharge Rate 및 Capacity Deterioration by Cycle Rate는 각각 상기 자가 방전율 및 용량 열화율을 나타낸다.

상기 자가 방전율(Self-discharge Rate)은 다음 관계식에 의해 산정할 수 있다.

Self-discharge Rate = 1-(Y1*t_y1 + Y2*t_y2 + Y3*t_y3 + Y4*t_y4)*(Parallel number of cell/Design Capacity)

상기 식에서, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 일정 전압 및 온도를 기준으로 설정될 수 있으며, 예를 들어, 3.8V 내지 4.5V의 범위 및 30℃ 내지 50℃의 범위에서 결정될 수 있다. 4.1V 및 40℃로 설정된 예가 도 1에 개시되어 있다.

상기 용량 열화율(Capacity Deterioration by Cycle Rate)은 다음 관계식에 의해 산정할 수 있다.

Capacity Deterioration Rate = 1-(C1*cycle 1 + C2*cycle 2 + C3*cycle 3 + C4*cycle 4)*(Parallel number of cell/Design Capacity)

상기 식에서, C1, C2, C3 및 C4는 일정 기간 및 온도를 기준으로 설정될 수 있으며, 예를 들어, 50일 내지 150일의 범위 및 30℃ 내지 50℃의 범위에서 결정될 수 있다. 90일 및 40℃로 설정된 예가 도 2에 개시되어 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 cycle 1 내지 4는 FCC가 85% 이상 충전된 시점에서 상기 C1 내지 C4를 확인 후에 설정될 수 있다. 구체적으로, cycle 1 내지 4는 전지가 85% 이상 충전된 후에, 해당 전지가 C1 내지 C4 중 어느 영역에 해당하는지 판단하여 결정된 값을 해당 cycle에 가산하여 계산될 수 있다.

한편, 상기 FCC는 만충전 후 업데이트 되고, 만충전 직후, 최초 사용시점 또는 최하 정정 지점에서 리셋(reset) 되도록 설정할 수 있다.

또한, 본 발명은 전지 SOC 추정 방법을 포함하는 이차전지의 SOC 추정 시스템과, 상기 충전 시스템을 포함하는 이차전지를 제공한다.

상기 이차전지는 전지셀 하나로 구성되는 단위전지일 수도 있고, 2 이상의 전지셀들이 조립된 조립전지일 수도 있으므로, 특정한 명칭으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 이차전지는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니고, 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.

리튬 이차전지를 포함하여 이차전지의 구성, 구조, 제조방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기한 이차전지는 휴대폰, 노트북 등과 같은 소형 디바이스의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있으며, 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 또는 전력저장장치 등의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있다.

상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 SOC 추정 방법 및 시스템은, 이차전지의 방전 중 방전 말기에 SOC가 급격하게 떨어지는 현상이 발생하더라도 용량 열화율을 계산하여 보정함으로써, SOC를 정확하게 추정하여 사용자에게 정확한 SOC 정보를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 전지 SOC 추정 방법 및 시스템은 정확한 이차전지 용량을 이차전지가 인식하여 전지의 장수명(Longevity)이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 자가 방전 특성을 나타내는 그래프이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 사이클별 전지셀의 용량 열화를 나타내는 그래프이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 FCC가 리셋 되는 시점을 나타내는 그래프이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 충전량을 나타내는 그래프이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 충전량 추정치를 나타내는 그래프이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 자가 방전 특성을 나타내는 그래프가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 사이클별 전지셀의 용량 열화를 나타내는 그래프가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 SOC 추정 방법 및 시스템은, 충전이 시작되면, 총 전지의 FCC(full charge capacity)를 계산한다. 전지의 충방전이 진행되면서 상기 FCC를 보정하기 위하여, 자가 방전율(Self-discharge Rate)과 용량 열화율(Capacity Deterioration)을 계산하여 보정된 FCC를 계산함으로써 전지의 잔존용량(SOC)를 추정한다.

자가 방전율은 전지셀의 열화 온도를 40℃(X축)와 충전 전압 4.1V(Y축)을 기준으로 Y1 내지 Y4의 영역으로 구분되고, Y1 내지 Y4이 반영된 자가 용량율은 하기의 <수학식1>에 의해 계산한다.

<수학식1>

Self-discharge Rate = 1-(Y1*t_y1 + Y2*t_y2 + Y3*t_y3 + Y4*t_y4)*(Parallel number of cell/Design Capacity)

상기 <수학식1>에서, 't'는 방전 시간을 나타내고, 전지의 방전이 진행되는 't' 시간 동안 전지셀의 열화 온도(40℃) 및 충전 전압(4.1V)를 기준으로, 충전 상태가 Y1, Y2, Y3 또는 Y4 중 어느 영역에 해당하는지 판단하고, 이에 해당하는 값에 전지의 최초 설계용량(Design Capacity)에 대비한 전지셀의 수(총 전압)를 곱하여 자가 용량율을 계산한다.

한편, 용량 열화율은 전지의 충방전 사이클이 진행됨에 따른, 기간 90일(Y축) 및 40℃(X축)를 기준으로 C1 내지 C4의 영역으로 구분되고, C1 내지 C4이 반영된 용량 열화율은 하기의 <수학식2>에 의해 계산한다.

<수학식2>

Capacity Deterioration Rate = 1-(C1*cycle 1 + C2*cycle 2 + C3*cycle 3 + C4*cycle 4)*(Parallel number of cell/Design Capacity)

상기 <수학식2>에서, 전지의 방전이 진행되는 동안 전지셀의 열화 온도 및 사용기간이 각각 40℃ 및 90일을 기준으로, 충전 상태가 C1, C2, C3 또는 C4 중 어느 영역에 해당하는지 판단하고, 이에 해당하는 값과 전지의 최초 설계용량(Design Capacity)에 대비한 전지셀의 수(총 전압)를 곱한 값을 계산하여 최종 용량 열화율을 계산한다. 여기서, C1 내지 C4에 대하여 계산된 열화용량 값을 하기 <표 1>에 나타내었다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 전지의 사용기간은 짧고, 온도가 높은 경우에 전지셀의 사이클별 Capacity 값이 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, 전지의 사용 기간이 진행될수록 전지셀의 발열은 증가하므로, 전지의 용량 열화율은 높게 나타난다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 FCC가 리셋 되는 시점을 나타내는 그래프가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 SOC 추정 방법 및 시스템은, 전지의 잔량율(RSOC)에 대하여 만충전 후 업데이트 되고, 최초 사용시점 및 최하 정정 지점(Correction Point Low)에서 리셋 됨으로써, 전지의 잔존용량을 정확하게 예측한다.

구체적으로, 전지의 FCC(full charge capacity)는 최초 전지가 만충전 직 후에 업데이트 된다. 충전이 종료된 후에, 전지가 최초 사용시점에서 FCC는 최초 리셋 되고, 전지의 잔량율(RSOC)이, 재충전되어 만충전(100%)되는 시점 또는 전지가 최하 방전 시점(6%)에 도달한 시점에서 다시 리셋 됨으로써, 실시간으로 전지의 잔존용량을 계산한다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 충전량을 나타내는 그래프가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 충전량 추정치를 나타내는 그래프가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 자가 방전율 및 용량 열화율이 보정된 FCC(new) 값은 실제 측정된 전지 용량과 비교하여 정확한 전지 잔존용량(SOC)을 나타냄으로써, 사용자로 하여금 전지의 정확한 전지의 잔존 용량을 확인하여 실시간 가용한 이차전지 용량을 정확히 예측할 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (10)

1. 전지의 FCC(full charge capacity)를 이용하여 이차전지의 SOC(state of charge)를 추정하는 방법에 있어서,
   (S1) 전지의 전압 및 전류를 측정하는 단계;
   (S2) 상기 전지의 일정 시간 동안의 전압 변화량과 전류 적산량을 이용하여 FCC를 산정하는 단계;
   (S3) 상기 산정된 FCC 및 상기 측정된 전압 및 전류를 이용하여, 상기 전지가 만방전될 때까지의 예상 시간을 추정하여 자가 방전율을 계산하는 단계;
   (S4) 상기 전지의 충전 사이클별 용량 열화율을 계산하는 단계; 및
   (S5) 상기 계산된 전지가 만방전될 때까지의 상기 자가 방전율과 상기 용량 열화율이 가감된 FCC를 계산하여 전지의 SOC를 추정하는 단계;
   를 포함하고, 상기 FCC는 만충전 후 업데이트 되고 만충전 직후, 최초 사용시점 또는 최하 정정 지점에서 리셋(Reset)되는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법.
2. 제 1 항에 있어서, S2 내지 S5 단계는 BMS(Battery Management System)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 S5 단계는 다음 관계식에 의해 FCC를 산정하는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법:
   FCC(NEW) = (Calculated FCC)*(Cell self-discharge Rate)*(Capacity Deterioration by Cycle Rate)
   상기 식에서, Self-discharge Rate 및 Capacity Deterioration by Cycle Rate는 각각 상기 자가 방전율 및 용량 열화율이다.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 자가 방전율은 다음 관계식에 의해 산정하는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법:
   Self-discharge Rate = 1-(Y1*t_y1 + Y2*t_y2 + Y3*t_y3 + Y4*t_y4)*(Parallel number of cell/Design Capacity)
   상기 식에서, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 일정 전압 및 온도를 기준으로 설정되고, 전지셀의 열화 온도를 40℃(X축)와 충전 전압 4.1V(Y축)을 기준으로 Y1 내지 Y4의 영역으로 나타낸다.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 용량 열화율은 다음 관계식에 의해 산정하는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법:
   Capacity Deterioration=1-(C1*cycle 1 + C2*cycle 2 + C3*cycle 3 + C4*cycle 4)*(Parallel number of cell/Design Capacity)
   상기 식에서, C1, C2, C3 및 C4는 일정 기간 및 온도를 기준으로 설정되고, 전지의 충방전 사이클이 진행됨에 따른, 기간 90일(Y축) 및 40℃(X축)를 기준으로 C1 내지 C4의 영역으로 나타낸다.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 Cycle 1 내지 4는 FCC가 85% 이상 충전된 시점에서 상기 C1 내지 C4를 확인 후에 설정되는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법.
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