KR101432536B1

KR101432536B1 - 집합 전지의 soc 산출 방법

Info

Publication number: KR101432536B1
Application number: KR1020130024059A
Authority: KR
Inventors: 김한경; 곽동민; 성기열; 윤주홍
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-08-25

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 집합 전지의 SOC 산출 방법은, 단위 전지가 직렬 또는 병렬로 조합되는 집합 전지를 사용하는 시스템에서 집합 전지의 SOC를 산출하기 위하여, 상기 시스템의 운용 온도에 따라 복수의 온도 구간으로 구획하고, 구획된 온도 구간에서 누적된 방전 전류의 크기에 따라 복수의 전류 구간으로 구획하여 온도 구간 대 전류 구간의 데이터 셋(Set)을 형성하는 단계와, 상기 집합 전지의 온도(T)와 방전 전류(I(t))를 단위 시간 동안 측정하고, 측정된 방전 전류를 이용하여 상기 집합 전지의 사용된 용량(Ah-used)을 계산하는 단계와, 측정된 온도와 방전 전류에 대응하는 상기 데이터 셋의 값을 이용하여 퓨커트 방정식의 상수 n 및 K를 구하는 단계 및 상기 상수 n 및 K를 이용하여 사용 가능 용량(Ah_available)을 계산하고, SOC를 산출하는 단계를 포함한다.

Description

집합 전지의 SOC 산출 방법{SOC CALCURATING METHOD FOR AN INTEGRATED BATTERY}

본 발명의 실시예들은 단위 전지가 직렬 또는 병렬로 조합되는 집합 전지를 사용하는 시스템에서 집합 전지의 SOC(State of Charge)를 산출하는 방법에 관한 것이다.

기존의 퓨커트 방정식(Peukert's Equation)은 최대, 최소전류, 두 개의 정전류로 전지를 방전시켜 그에 해당하는 용량을 계산하고, 이 값을 가지고 그 사이의 전류에 해당하는 용량을 예측하는 방법이다.

그러나 이 퓨커트 방정식은 최소 및 최대사용전류를 이용하여 사용하는 전류를 예측하여 전지의 용량을 계산하기 때문에 측정치에 가까운 부하전류가 아니면 정확도가 현저히 떨어지는 단점을 가지고 있다.

위의 퓨커트 방정식에 대한 오차를 줄이기 위해 정전류 사용량을 저중고의 전류 사용량으로 나누어 적용하는 다단계 퓨커트 방정식을 적용해 그 오차를 줄이려는 방법들이 제시되고 있다.

화학전지는 온도변화에 민감하게 그 성능이 차이가 나기 때문에 운용 온도 변화에 대한 보정이 필요하다.

그러나 다단계 퓨커트 방정식은 운용시스템의 다양한 운용되는 환경에 대한 온도변화량이 고려되어 있지 않다.

따라서, 운용온도가 변하는 환경에서의 기존 전지잔량측정 방법은 정확도가 떨어지는 단점을 가지고 있다.

본 발명의 일 목적은 운용온도가 변하는 환경에서 정확도가 향상된 집합 전지의 SOC 산출 방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 집합 전지의 SOC 산출 방법은, 단위 전지가 직렬 또는 병렬로 조합되는 집합 전지를 사용하는 시스템에서 집합 전지의 SOC를 산출하기 위하여, 상기 시스템의 운용 온도에 따라 복수의 온도 구간으로 구획하고, 구획된 온도 구간에서 누적된 방전 전류의 크기에 따라 복수의 전류 구간으로 구획하여 온도 구간 대 전류 구간의 데이터 셋(Set)을 형성하는 단계와, 상기 집합 전지의 온도(T)와 방전 전류(I(t))를 단위 시간 동안 측정하고, 측정된 방전 전류를 이용하여 상기 집합 전지의 사용된 용량(Ah-used)을 계산하는 단계와, 측정된 온도와 방전 전류에 대응하는 상기 데이터 셋의 값을 이용하여 퓨커트 방정식의 상수 n 및 K를 구하는 단계 및 상기 상수 n 및 K를 이용하여 사용 가능 용량(Ah_available)을 계산하고, SOC를 산출하는 단계를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 시스템의 운용 중 상기 집합 전지의 온도가 일정 범위 이상으로 변할 때, 변화된 온도를 따라, 상기 퓨커트 방정식의 상수 n 및 K를 재설정하여 SOC를 다시 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 집합 전지의 사용된 용량(Ah-used)을 계산하는 단계는, 식(1)을 이용하여 I(i)를 구하고, 구해진I(i)를 식(2)에 대입하여 상기 집합 전지의 사용된 용량(Ah-used)을 계산하는 단계가 될 수 있다. 여기서, 식(1)은

이고, 식(2)는

이다. 이 때,

는 최근까지 사용한 용량이다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 퓨커트 방정식의 상수 n 및 K를 구하는 단계는, 식(3)과 식(4)에 각각 누적된 방전 전류(I) 및 누적된 방전 전류의 방전시간(t)를 대입하여 상수 n 및 K를 구하는 단계가 될 수 있다.

여기서, 식(3)은

이고, 식(4)는

이다. 이때, m= 1, 2,···, M 이고 I= 1, 2,···, L-1 이다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 SOC를 산출하는 단계에서 사용 가능 용량(Ah_available)은 식(5)에 상수 n 및 K를 각각 대입하여 계산할 수 있다. 여기서, 식(5)는

이다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 SOC를 산출하는 단계는, 구해진 사용된 용량(Ah-used)과 사용 가능 용량(Ah_available)을 식(6)에 대입하여 산출될 수 있다.여기서, 식(6)은

이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 집합 전지의 SOC 산출 방법은 운용온도변화에 따른 전지잔량 측정을 정확하게 함으로써 전지로 운용하는 장비의 신뢰도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 부정확한 전지잔량표시에 따른 불필요한 전지교환을 방지할 수 있어 비용을 절감할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명과 관련하여 온도 변화에 따른 집합 전지의 용량 변화를 도시한 그래프. 단, k < q 이다.

이하, 본 발명에 관련된 집합 전지의 SOC 산출 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

휴대용 기기들은 전지의 잔량측정 기능을 가지고 있으며, 이로 일정한 오차범위를 가지고 있다. 고가 기기들의 경우, 효율적인 운용을 위해 전지의 잔량측정 정확도가 중요한 성능 요소가 될 수 있다.

전지로 운용되는 시스템은 그 용도에 따라 설계되며 그 형태가 다양하다. 현재까지는 다양한 시스템에 적용할 전지의 다양한 부하전류 및 운용 전압을 맞추기 위해 단위 전지를 이용하기 보다는 직렬 또는 병렬을 조합하여 집합전지를 사용하는 경우가 대부분이다. 이러한 경우에 전지를 제공하는 제조사는 단위 전지에 대한 일반적인 특성곡선들만을 제공하기 때문에 운용시스템의 최적화 관점에서 정밀한 전지잔량 예측에 어려움이 있을 수 밖에 없다. 그러므로 운용시스템 최적화관점에서 많은 시험과 이를 통한 데이터베이스가 필요하게 된다. 본 발명에서는 단위 전지의 특성곡선을 적용하기 어려울 경우에 시험을 통한 상수추출 방법과 온도변화에 따른 용량변위 알고리즘을 적용하여 정밀한 전지잔량측정 방법을 제시한다.

본 발명은 크게 다음과 같은 구성을 가질 수 있다.

즉, 1) 전지로 운용되는 장비의 다양한 이벤트(전류 부하)로 사용 전류를 나누어 이를 전지잔존용량을 측정하고자 하는 전지의 방전전류의 크기를 다단 분류하는 과정과, 2) 상기의 다단 방전전류를 운용온도(예; 운용온도:40℃ 내지 -30℃)에 대한 다단 분류하는 과정(@40℃, @30℃, @20℃, @10℃, @0℃, @-10℃, @-20℃, @-30℃)과, 3) 상기 2) 의 각 온도에 대하여 상기 1)의 각 이벤트 상의 방전전류의 크기를 누적하여 누적방전전류를 계산하는 과정과, 4) 상기 3)에서 계산된 누적방전전류를 이용하여 퓨커트 방정식을 계산하여 전지잔존용량을 계산하는 과정을 포함할 수 있다.

이 때, 전지잔량측정을 위한 데이터 셋(Set)의 형태는 아래와 같다.

시스템의 운용온도를 M개로 나누게 되면, T₁, T₂, T₃,···, T_M이 되며, 시스템의 다단 누적방전전류를 L개로 나누게 되면, I₁, I₂, I₃,···, I_L 이 된다.

이에 따라 각 온도레벨에 따른 다단 누적방전전류는 총 M×L 개의 셋(Set)을 갖게 된다. 즉, 시스템의 운용 온도에 따라 복수의 온도 구간으로 구획하고, 구획된 온도 구간에서 누적된 방전 전류의 크기에 따라 복수의 전류 구간으로 구획하여 온도 구간 대 전류 구간의 데이터 셋(Set)을 구할 수 있다.

위와 같이 운용온도를 M으로 다단 누적방전전류를 L개로 나누게 되면 퓨커트 방정식의 (n, K)상수는 총 M×(L-1) 개의 셋을 갖게 된다. 그러므로 온도레벨을 고려한 퓨커트방정식의 표기는 다음과 같이 표기된다.

(1)

(2)

(단, m= 1, 2,···, M 이고 I= 1, 2,···, L-1 )

본 발명에서는 퓨커트방정식을 다단 누적전류 방법의 일반적인 방정식으로 제시하고 온도변화에 따른 용량변화를 보상하는 알고리즘을 제시한다.

첫 번째 단계로, 센서로부터 단위 시간 동안의 방전전류(I(t))와 온도(T)를 읽어 들인다.

두 번째 단계로, 식(3)을 이용하여 I(i)를 구한다.

(3)

세 번째 단계로 식(4)를 이용하여 방전전류 검출 시에 대한

를 구한다.

(4)

이 때,

는 최근까지 사용한 용량이다.

네 번째 단계로 읽어 들인 방전전류(I(t))와 온도(T)가 어느 범위에 있는지를 판단하여 데이터 셋(Set)의 (n, K)상수를 참조하여 식(5)의

을 구한다.

(5)

다섯 번째 단계로, 현 단계에서의 State-of-charge를 식(6)을 이용하여 구한다.

(6)

여섯 번째 단계로, 온도센서의 온도(t)를 읽어 들여 다섯 번째 단계에서 SOC를 계산 할 때의 온도를 다른 단계로 천이했는지를 판단하고 단계를 천이했을 시에 변화된 온도 단계만큼을 SOC에서 보상하여 최종 SOC에 반영하도록 한다.

예를 들어, 온도변화의 천이 단계가 k만큼 이동했다면 데이터 셋(Set)의 (n, k)상수는

와

이 되며 이 천이 단계만큼의 보상이 필요하게 되는데 이는 식(7)과 같으며 최종의 SOC는 식(8)과 같다.

(7)

(8)

이와 같이, 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 집합 전지의 SOC 산출 방법은 운용온도변화에 따른 전지잔량 측정을 정확하게 함으로써 전지로 운용하는 장비의 신뢰도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 부정확한 전지잔량표시에 따른 불필요한 전지교환을 방지할 수 있다.

또한, 온도의 변화가 감지되면 이에 따라 새로운 SOC를 산출할 수 있다.

상기와 같이 설명된 집합 전지의 SOC 산출 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

단위 전지가 직렬 또는 병렬로 조합되는 집합 전지를 사용하는 시스템에서 집합 전지의 SOC를 산출하기 위하여,
상기 시스템의 운용 온도에 따라 복수의 온도 구간으로 구획하고, 구획된 온도 구간에서 누적된 방전 전류의 크기에 따라 복수의 전류 구간으로 구획하여 온도 구간 대 전류 구간의 데이터 셋(Set)을 형성하는 단계;
상기 집합 전지의 온도(T)와 방전 전류(I(t))를 단위 시간 동안 측정하고, 측정된 방전 전류를 이용하여 상기 집합 전지의 사용된 용량(Ah-used)을 계산하는 단계;
측정된 온도와 방전 전류에 대응하는 상기 데이터 셋의 값을 이용하여 퓨커트 방정식의 상수 n 및 K를 구하는 단계;
상기 상수 n 및 K를 이용하여 사용 가능 용량(Ah_available)을 계산하고, SOC를 산출하는 단계; 및
상기 시스템의 운용 중 상기 집합 전지의 온도가 일정 범위 이상으로 변할 때, 상기 데이터 셋의 값을 이용하여 변화된 온도를 따라 상기 퓨커트 방정식의 상수 n 및 K를 재설정하고 사용 가능 용량을 재계산한 후, 재계산된 사용 가능 용량과 상기 SOC를 산출하는 단계에서 구한 사용 가능 용량의 비를 반영하여 변화된 온도에서의 SOC를 다시 산출하는 단계를 포함하는 집합 전지의 SOC 산출 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 집합 전지의 사용된 용량(Ah-used)을 계산하는 단계는,
식(1)을 이용하여 I(i)를 구하고, 구해진I(i)를 식(2)에 대입하여 상기 집합 전지의 사용된 용량(Ah-used)을 계산하는 단계인 것을 특징으로 하는 집합 전지의 SOC 산출 방법.
여기서, 식(1)은
이고, 식(2)는
이다. 이 때,
는 최근까지 사용한 용량이다.
제1항에 있어서,
상기 퓨커트 방정식의 상수 n 및 K를 구하는 단계는,
식(3)과 식(4)에 각각 누적된 방전 전류(I) 및 누적된 방전 전류의 방전시간(t)를 대입하여 상수 n 및 K를 구하는 단계인 것을 특징으로 하는 집합 전지의 SOC 산출 방법.
여기서, 식(3)은
이고, 식(4)는
이다. 이때, m= 1, 2,···, M 이고 I= 1, 2,···, L-1 이다.
제1항에 있어서,
상기 SOC를 산출하는 단계에서 사용 가능 용량(Ah_available)은 식(5)에 상수 n 및 K를 각각 대입하여 계산하는 것을 특징으로 집합 전지의 SOC 산출 방법.
여기서, 식(5)는
이다.
제1항에 있어서,
상기 SOC를 산출하는 단계는,
구해진 사용된 용량(Ah-used)과 사용 가능 용량(Ah_available)을 식(6)에 대입하여 산출되는 것을 특징으로 하는 집합 전지의 SOC 산출 방법.
여기서, 식(6)은
이다.
제1항에 있어서,
상기 SOC를 다시 산출하는 단계는,
상기 재계산된 사용 가능 용량(Ah_available@T_level=m+k)과 상기 SOC를 산출하는 단계에서 구한 사용 가능 용량(Ah_available@T_level=m)의 비(ρ)는 식(7)을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 집합 전지의 SOC 산출 방법.
여기서, 식(7)은
이다.
제1항에 있어서,
상기 SOC를 다시 산출하는 단계는,
상기 비(ρ)를 식(8)에 대입하여 변화된 온도에서의 SOC를 다시 산출하는 것을 특징으로 하는 집합 전지의 SOC 산출 방법.
여기서, 식(8)은
이다.