KR101474401B1 - 이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치와 방법 및 이를 이용한 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치는 배터리 팩의 전압 및 전류를 측정하는 센싱부; 전압 및 전류의 측정 회수가 N회(N은 2 이상의 자연수) 이루어지면, 상기 N회 측정된 각 전압값의 평균 전압값에 상기 N회 측정된 각 전류값의 평균 전류값에 의한 전압 강하치를 감산하여 초기 OCV값을 설정하는 연산부; 상기 N회 측정 이후의 현재 측정 전압값에 현재 측정 전류값에 의한 전압 강하치를 감산한 결과를 현재 단계의 임시OCV값으로 설정하는 임시설정부; 및 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 N회 측정 이후 현재 단계의 OCV값인 현재 OCV값으로 생성하는 OCV생성부를 포함하여 구성된다.
상기 본 발명에 의하면 배터리(팩)의 현재 및 과거 이력 정보를 유기적으로 활용하여 상태 정보의 특성에 따라 다원화된 방법으로 OCV를 추정할 수 있어 더욱 실질적인 배터리 상태 정보를 추정하고 활용할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Description

이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치와 방법 및 이를 이용한 배터리 팩{Apparatus and method for estimating battery state and battery pack using it}

본 발명은 이차전지 배터리(팩)에 대한 상태를 추정하여 관리하는 장치와 방법 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 배터리의 OCV(Open Circuit Voltage)를 배터리의 상태에 따라 차등적으로 추정 및 생성함으로써 현재 배터리 상태를 더욱 효과적으로 반영하여 더욱 실효성 높은 OCV 및 이를 이용한 배터리의 잔존 용량을 추정 및 생성하여 관리하는 장치와 방법 및 이를 이용한 배터리 팩에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.

이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

최근에는, 화석 연료에 의한 에너지 자원 고갈의 문제, 환경 오염에 대한 이슈, 에너지의 사용의 경제성 등에 대한 이슈가 중요하게 부각되면서, 전력 사용량과 전력 생산량의 불일치를 효과적으로 극복하고, 전력 과잉 공급에 의한 낭비 및 전력 공급 부족에 의한 과부하 현상 등을 해결하기 위하여 다양한 정보 통신 인프라와 연계되어 전력 공급량을 탄력적으로 조절하도록 하는 스마트 그리드 시스템이라는 개념이 활발히 연구되고 있으며 상기 이차전지는 이러한 스마트 그리드 시스템에서의 효과적인 에너지 저장 및 활용 원으로도 주목되고 있다.

이차전지는 휴대 단말 등의 배터리로 구현되는 경우는 반드시 그러하지 않을 수 있으나, 상기와 같이 전기 차량 또는 에너지 저장원 등에 적용되는 배터리는 통상적으로 단위 이차전지 셀(cell)이 복수 개 집합되는 형태로 사용되어 고용량 환경에 적합성을 높이게 된다.

도 1에 상징적으로 도시된 바와 같이 이차전지 셀(1)이 복수 개 집합된 배터리 모듈(10)이 전기 차량 등에 적용되는 경우, 모터 등의 구동부하에 대한 전력 공급 제어, 전류, 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge) 등의 추정을 위한 알고리즘이 적용되어 이차전지의 상태를 모니터링하고 제어하는 BMS(Battery Management System) 즉, 배터리 관리 장치(30) 등이 추가적으로 포함되어 구성된다.

상기 배터리 관리 장치(30)는 전자 제어 소자(31) 등을 제어하여 앞서 설명된 바와 같이 모터 등의 구동 부하 등으로 이루어지는 차량 시스템(20)에 공급되는 전력 계통을 제어하며, 또한, 배터리 모듈(10)의 현재 SOC, SOH(State Of Health) 등에 대한 정보를 차량 시스템(20) 측으로 전달하여 사용자 내지 운전자에게 현재 배터리의 상태 정보 등을 인터페이싱하도록 구성된다.

앞서 언급된 바와 같이 차량 등에 적용되는 배터리 모듈(10)은 직렬 및/또는 병렬 구조로 연결되는 복수 개의 이차전지 셀로 구성되는데, 상기 배터리 팩이 모터, 발전기, 전기 계통 시설 등의 부하에 공급되는 전력은 상기 복수 개의 이차전지의 전기적 연결에 의한 하나의 시스템 계통에서 이루어진다고 볼 수 있다.

관련하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이 이차전지에 의한 전력 계통은 가솔린 엔진 계통과는 달리 현재 가용할 수 있는 전력에 대한 상태 정보 등을 물리적이고 절대적인 기준에서 생성할 수 없으므로 다양한 전기적 특성값 내지 변수 정보(전압, 전류, 누적 전류, 온도 정보 등) 등을 활용하여 충전 상태(SOC)를 추정하거나 예측하는 다양한 기법이 적용되고 있다.

이러한 추정 방법론은 다양하게 분류될 수 있는데, 통상적으로 OCV 등 전압에 대한 파라미터를 중심 기반으로 한 추정기법과 전류 또는 적산 전류 등에 대한 파라미터를 중심 기반으로 한 추정 기법 등으로 나눌 수 있다.

한편, 전기 차량 등에 탑재되는 배터리는 전기 화학적 특성에 기초하여 충전 또는 방전이 이루어지는데, 차량의 구동이 계속되면 방전이 이루어져 SOC는 감소되게 되는데, 이러한 환경에서 충전이 이루어지지 않고 후속적으로 차량 구동(방전)이 계속 이루어지게 되면, 배터리는 완전 방전 상태에 돌입하게 되고 전기 차량에는 추가적인 동력원이 존재하지 않으므로 이에 따라 전기 차량의 운행이 중단되는 문제점을 야기시키게 된다.

이러한 경우 의도하지 않은 상태에서 차량의 구동이 더 이상 이루어지지 않는다는 일차적인 문제점이 발생됨과 동시에, 과방전 내지 완전 방전 상태 또는 이에 의한 저전압 상태에 리튬 이온 이차전지 셀이 노출되게 되면, 이차전지 셀의 전기 화학적 특성에 대한 열화 현상이 발생하고 이러한 환경에 지속적으로 노출되면 그 열화 현상은 가속화되어 배터리의 전반적인 성능을 저하시킴은 물론, 배터리의 정상적인 수명을 보장할 수 없게 되는 문제점이 발생될 수 있다.

즉, 차량 운행자 등에게 정확한 가용 전력에 대한 정보를 인터페이싱하고 배터리의 성능을 효과적으로 유지하기 위하여 정확한 배터리의 잔존 용량을 추정할 필요성이 크다고 할 수 있다.

이와 관련하여, 앞서 기술된 OCV를 이용한 배터리 추정 기법은 다소 간단한 알고리즘과 이를 실현하는 하드웨어 등으로 구현될 수 있다는 장점을 가진다고 알려져 있으나, 배터리의 OCV 값은 충전 또는 방전에 의하여 전류의 흐름이 이루어지는 경우 일정 시간이 지나야 안정화되는 프로파일 특성을 가지고 있어 그 자체 값의 신뢰성이 높지 않다는 문제점을 가지고 있으며, 또한, 배터리 시스템에 서지성 전류가 유입되거나 돌입 전류가 발생할 수 있어 측정된 전압값 그대로를 OCV로 활용하는 경우 상당한 오차가 발생할 수도 있다.

또한, 배터리의 본질적인 전기 물리적 특성상 배터리의 현재 상태는 이전의 특성 프로파일과 연관성을 가지고 있음에도 불구하고 종래에는 현태 상태만을 기준으로 OCV를 생성하거나 추정하는 방법만이 적용되고 있어 OCV값에 대한 신뢰성이 높지 않으며, 이에 따라 OCV를 이용하여 추정된 배터리 잔존 용량 또한, 신뢰성이 저하될 수 있다고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 배경에서 상기 문제점 내지 필요성을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배터리의 현재 상태 정보 및 이력 상태 정보에 따라 다원화된 방법으로 OCV를 추정함으로써 더욱 정확하고 신뢰성 높은 OCV를 추정하고 이를 배터리 잔존 용량 등에 활용할 수 있는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치와 방법 및 배터리 팩을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치는 배터리 팩의 전압 및 전류를 측정하는 센싱부; 전압 및 전류의 측정 회수가 N회(N은 2 이상의 자연수) 이루어지면, 상기 N회 측정된 각 전압값의 평균 전압값에 상기 N회 측정된 각 전류값의 평균 전류값에 의한 전압 강하치를 감산하여 초기 OCV값을 설정하는 연산부; 상기 N회 측정 이후의 현재 측정 전압값에 현재 측정 전류값에 의한 전압 강하치를 감산한 결과를 현재 단계의 임시OCV값으로 설정하는 임시설정부; 및 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 N회 측정 이후 현재 단계의 OCV값인 현재 OCV값으로 생성하는 OCV생성부를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 OCV생성부로부터 입력된 상기 현재 OCV값을 이용하여 상기 배터리 팩의 현재 잔존 용량을 추정하는 추정부를 더 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

이와 함께, 본 발명은 매회 전류 측정 시 이전 측정 전류값과의 차이를 연산하되, 현재 단계 기준 최근 M(M은 2이상의 자연수)개의 측정 전류값을 이용하여 M-1개의 전류 변량과 이에 대한 평균전류변량을 연산하는 전류변량연산부를 더 포함할 수 있으며, 이 때 상기 본 발명의 OCV생성부는 상기 평균전류변량이 기준전류변량보다 작은 경우에 한해 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 현재OCV값으로 생성하도록 구성된다.

더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여 본 발명은 상기 평균전류변량이 기준전류변량보다 큰 경우, 상기 임시설정부에서 설정된 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는지 판단하는 판단부를 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 본 발명의 상기 OCV 생성부는 상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는 경우 상기 현재 단계의 임시 COV값을 상기 현재 OCV값으로 생성하도록 구성된다.

또한, 본 발명의 상기 OCV생성부는 상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위의 상한값을 초과하는 경우, 상기 기준 전압 변화값 범위의 상한값을 상기 현재 OCV값으로 생성하며, 상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위의 하한값에 미치지 못하는 경우, 상기 기준 전압 변화값 범위의 하한값을 상기 현재 OCV값으로 생성하도록 구성된다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지 배터리 팩의 상태 추정방법은 배터리 팩의 전압 및 전류를 측정하는 센싱단계; 전압 및 전류의 측정 회수가 N회(N은 2 이상의 자연수) 이루어지면, 상기 N회 측정된 각 전압값의 평균 전압값에 상기 N회 측정된 각 전류값의 평균 전류값에 의한 전압 강하치를 감산하여 초기 OCV값을 설정하는 연산단계; 상기 N회 측정 이후의 현재 측정 전압값에 현재 측정 전류값에 의한 전압 강하치를 감산한 결과를 현재 단계의 임시OCV값으로 설정하는 임시설정단계; 및 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 N회 측정 이후 현재 단계의 OCV값인 현재 OCV값으로 생성하는 OCV생성단계를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지 배터리 팩은 복수 개의 이차전지로 구성되는 배터리 모듈: 및 상기 배터리 모듈의 전압 및 전류를 측정하는 센싱부, 전압 및 전류의 측정 회수가 N회(N은 2 이상의 자연수) 이루어지면, 상기 N회 측정된 각 전압값의 평균 전압값에 상기 N회 측정된 각 전류값의 평균 전류값에 의한 전압 강하치를 감산하여 초기 OCV값을 설정하는 연산부, 상기 N회 측정 이후의 현재 측정 전압값에 현재 측정 전류값에 의한 전압 강하치를 감산한 결과를 현재 단계의 임시OCV값으로 설정하는 임시설정부와 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 N회 측정 이후 현재 단계의 OCV값인 현재 OCV값으로 생성하는 OCV생성부를 포함하는 추정모듈을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 본 발명에 의한 이차전지 배터리(팩)의 상태 추정장치와 방법 및 이를 이용한 배터리 팩은 단순히 현재 상태만을 반영하는 방법을 지양하고 배터리(팩)의 현재 및 과거 이력 정보를 유기적으로 활용하여 상태 정보의 특성에 따라 다원화된 방법으로 OCV를 추정할 수 있어 더욱 실질적인 배터리 상태 정보를 생성하고 활용할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

또한, OCV를 추정하여 생성하는 알고리즘 등을 다원화시켜 차등적으로 적용함으로써 OCV 정보 및 나아가 이를 활용한 SOC 등의 잔존 용량 정보의 정확성과 신뢰성을 높이고, 서지성 전류 유입이나 돌발적으로 큰 충/방전 등이 이루어져 배터리가 이례적인 상태를 나타내더라도 통계적 함수 관계를 이용한 필터링 등을 통하여 강인하게 대처할 수 있음은 물론, 운전자 등의 사용자에게 배터리에 대한 더욱 실질적인 SOC 정보를 제공할 수 있어 배터리가 장착된 차량 등의 운행을 더욱 안정적이고 안전하게 구현할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 배터리 팩 관리 장치에 대한 구성을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 배터리 팩의 상태 추정장치의 구성을 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 배터리 팩의 상태 추정방법의 과정을 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 배터리 팩의 구성을 도시한 블록도이다.

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 아니 되며, 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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 배터리 팩의 상태 추정장치(이하 추정장치로 칭한다)(100)의 구성을 도시한 블록도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 배터리 팩의 상태 추정방법의 과정을 도시한 흐름도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 추정장치(100)는 센싱부(110), 연산부(120), 임시설정부(130), OCV생성부(140), 추정부(150), 전류변량연산부(160), 판단부(170) 및 메모리부(180)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 센싱부(110)는 전압 센서와 전류 센서를 포함하며 구성되며, 실시형태에 따라서 측정된 값의 보정 등을 위하여 온도 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 센싱부(110)는 배터리 팩(10)의 전압 및 전류를 정해진 주기별로 측정(S300)하고 측정된 정보 내지 데이터를 후술되는 본 발명의 다른 구성요소로 출력하는 기능을 수행한다.

앞서 설명된 바와 같이 배터리(팩)(10)은 복수 개 이차전지 단위 셀이 직렬 또는 병렬 등으로 연결된 집합체에 해당한다. 상기 센싱부(100)는 일 계통으로서 하나의 배터리팩(100)을 대상으로 전압 및 전류를 측정하고 본 발명의 후술되는 구성을 통하여 이를 활용할 수 있으며, 개별 이차전지 셀을 대상으로 전압 및 전류를 측정하여 적용할 수 있음은 물론이다. 이하에서는 전압 및 전류를 측정하는 객체를 배터리 팩으로 예시하여 설명한다.

본 발명은 앞서 언급된 바와 같이 정확하고 신뢰성 높은 OCV를 추정 및 생성하고 이를 활용하는 것으로서 OCV 및 이를 이용한 배터리의 잔존 용량(SOC 등)의 추정 등은 전기 차량 또는 하이브리드 전기 차량의 구동 연속성에 대응되도록 시계열적으로 이루어진다고 볼 수 있다.

본 발명은 단순히 현재 시점만을 기준으로 OCV 등을 추정하는 것이 아니라 현재 시점까지의 이력 정보 내지 데이터를 통계적으로 함께 연계시켜 현재 시점의 OCV를 추정하고 생성하는 방법론을 제안한다.

이를 위하여 우선, 기준이 될 수 있는 배터리 팩의 초기 OCV를 설정하게 되는데, 상기 센싱부(110)에서 기준 회수로 정해진 N회만큼 배터리 팩의 전압 및 전류가 측정(S310)되면, 본 발명의 연산부(120)는 측정된 N개의 각 전압값 및 전류값을 이용하여 아래 수학식 1과 같이 상기 N회 측정된 각 전압값의 평균 전압값에 상기 N회 측정된 각 전류값의 평균 전류값에 의한 전압 강하치를 감산하는 연산을 통하여 초기 OCV값을 설정한다(S320).

상기 수학식 1에서 N은 2 이상의 자연수이며, V_n은 매회 측정된 전압, I_n은 매회 측정된 전류이며, R은 배터리 팩의 저항값에 해당한다. 본 발명에서는 해당 시점에서의 본격적인 OCV 추정에 앞서, 기준 회수(N)만큼 배터리 팩의 전압과 전류를 측정하고 측정된 값과 상기 수학식 1의 연산에 의하여 초기 OCV를 설정하게 된다. 후술되는 바와 같이 본 발명의 방법론은 과거 이력 데이터를 활용하는 것이므로 본 발명의 방법론은 현재 시점을 기준으로 과거 데이터가 요구되므로 상기 초기 OCV는 과거 이력 데이터의 레퍼런스(reference)로 기능하는 값이 된다.

이와 같이 본격적인 OCV 추정에 앞서 레퍼런스가 되는 초기 OCV를 세팅하고 이를 기초로 향후 해당 OCV 추정의 현대 단계 내지 현재 시점에서의 OCV를 추정하는 이력 데이터의 초기 기준으로 활용한다.

상기 기준 회수(N)는 시스템 환경, 하드웨어 리소스, 데이터 처리 능력, 배터리 사양, 적용되는 응용 장치의 특징 등을 고려하여 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.

이와 같이 초기OCV가 세팅되면, 본격적인 현재 시점(현재 단계)에서의 OCV를 추정하게 되는데, 이를 위하여 우선 본 발명의 임시설정부(130)는 아래 수학식 2와 같이 상기 N회 측정 이후의 현재 측정 전압값에 현재 측정 전류값에 의한 전압 강하치를 감산한 결과를 현재 단계의 임시OCV값으로 설정한다(S330).

상기 수학식 2에서 OCV_{temp _t}는 현재 시점의 임시 OCV를 의미하며, V_t는 현재 시점(단계)에서 측정된 전압값을 의미하며, I_t는 현재 시점(단계)에서 측정된 전류값에 해당하고 R은 배터리 팩의 저항값에 해당한다. 또한, 상기 t는 측정되는 시점 내지 회순으로서 주기적으로 증대되는 변수이며, 앞서 언급된 바와 같이 절대적인 시간의 관점을 기준으로 할 때, 상기 t시점은 N회 측정 이후의 시점이 된다.

단순히 현재 시점에서 측정된 전압값을 그대로 OCV로 활용하고 이를 이용하여 현재 시점의 배터리 팩에 대한 잔존 용량 등을 추정하는 종래의 방법에서는 이전에 이루어진 배터리 팩의 특성에 대한 이력 정보 등을 전혀 고려하지 않은 절대적인 기준에서의 현재 시점 OCV에 해당하므로 이를 그대로 적용하는 경우 그 신뢰성이 저하된다고 볼 수 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 우선, 본 발명의 OCV생성부(140)는 현재 시점의 OCV로 결정하기 이전에, 상기 수학식2와 같이 측정된 전류값에 의한 전압 강하의 정도를 측정된 전압값에 반영함으로써 측정된 전압값을 그대로 사용하지 않도록 구성한다.

이와 함께, 상기와 같이 연산된 결과를 그대로 활용하지 않고 우선 잠재적이고 임시적인 값으로 세팅하고, 아래 수학식 3에 의하여 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계에서 결정된 OCV값의 가중치 평균값을 연산하여 상기 N회 측정 이후의 현재 단계 OCV값으로 생성(S360)하도록 구성한다.

이와 같은 프로세싱을 통하여, 이전 단계에서의 배터리 팩에 대한 특성 정보가 지속적으로 연계 활용될 수 있도록 배터리의 시계열적 특성을 효과적으로 반영하고 이를 통해 OCV값의 신뢰성을 더욱 높일 수 있게 된다.

상기 수식에서 OCV_t는 현재 시점에서의 OCV, OCV_{temp _t}는 현재 시점에서의 임시 OCV, OCV_{t -1}은 현재 시점을 기준으로 직전 단계인 이전 단계에서 결정된 이전 단계 OCV이며, F는 0과 1 사이의 값으로 가중치 연산을 위한 변수이다.

상기 변수 F는 배터리의 사용 연한, 측정 센서의 분해능이나 정확성, 현재 배터리 시스템의 신뢰성 등을 기초로 다양하게 설정될 수 있는 값으로서 F의 값이 클수록 현재 측정된 값의 신뢰성이 높아지며, 반대로 F의 값이 작을수록 과거 이력 데이터 값에 대한 반영도를 높일 수 있다.

이와 같은 방법에 의하여 배터리 팩의 현재 OCV가 생성되면 본 발명의 추정부(150)는 상기 OCV생성부(140)로부터 상기 현재 OCV값을 입력받고 입력된 현재 OCV값을 이용하여 상기 배터리 팩(10)의 현재 잔존 용량을 추정한다(S385).

OCV값을 이용하여 배터리 팩(10)의 SOC 등 잔존 용량을 추정하는 방법은 당업자들에게 잘 알려진 다양한 알고리즘 방법이 적용가능하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 전압 센서보다는 전류 센서는 외부 요인에 의한 영향을 상대적으로 많이 받으며, 센싱 민감도가 커 상당한 오차 범위를 가질 수 있다고 알려져 있다. 그러므로 이러한 환경을 반영하여 측정된 전류값을 더욱 정확하게 반영될 수 있도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

이를 효과적으로 반영하기 위하여, 본 발명의 전류변량연산부(160)는 배터리 팩(10)의 전류를 측정하는 매 회마다 현재 측정된 전류값과 이전 측정된 전류값 사이의 이격 정도 즉, 전류 변량을 연산하되, 현재 단계를 기준으로 최근 M(M은 2이상의 자연수)개의 측정 전류값을 이용하여 M-1개의 전류 변량을 연산하고, M-1개의 전류 변량이 연산되면 이들에 대한 평균전류변량을 계산한다(S340).

즉, 아래 수학식 4와 같이 기준이 되는 현재 시점을 기준으로 과거 M-1개의 전류 변량에 대한 통계적 평균값을 연산한다.

상기 수학식 4에서 M은 평균전류변량을 연산하는 수적 범위에 해당하는 변수로서 앞서 설명된 기준 회수(N)와 같이 다양한 요인과 환경을 반영하여 결정될 수 있으며, N와 M은 동일한 수로 설정될 수도 있음은 물론이다. 다만, N은 초기OCV를 결정하기 위한 통계적 개체의 개수를 의미하며, M은 초기 OCV 결정 이후에 이루어지는 본격적인 OCV결정과 관련하여 현재 시점을 기준으로 과거 방향으로 참조되는 이전 데이터들에 대한 통계적 개체의 개수를 의미하므로 상기 N과 M은 의미와 개념상 독립된 변수에 해당한다.

이와 같이 현재 시점 기준 역 시간 방향으로 최근 M-1개의 전류 측정값들에 대한 평균전류변량이 연산되면, 상기 평균전류변량의 크기가 기준이 되는 전류변량과 어떠한 차이가 있는지 판단한다.

앞서도 언급된 바와 같이 측정된 전류값들은 센싱하는 전류 센서의 오류, 돌입 전류 내지 서지 전류의 유입 등과 같은 외적 환경에 상당히 크게 영향을 받게 되므로 현재 상태에서의 평균전류변량을 정상적인 성능 환경의 배터리 팩 내지 배터리 팩 시스템을 기준으로 한 평균전류변량과 비교 내지 대조하여 현재 상태에서의 평균전류변량이 외적 환경에 어느 정도 영향을 받고 있는지 등을 평가할 필요성이 있다.

또한, 특히 기준전류변량보다 현재 상태의 평균전류변량이 작다는 것은 전류의 변동폭이 작다는 것을 의미하므로 배터리에서 전류의 흐름이 오차 범위 내에서 이루어지지 않다고 간주될 수 있으며 또한, 전류 변화의 항상성이 유지하고 있다고 볼 수도 있다. 상기와 같은 경우는 배터리의 OCV 등과 같은 전기적 특성값은 이전의 특성 정보와 상당히 큰 연관성을 가진다고 볼 수 있다.

이러한 전기 물리적인 특성을 효과적으로 반영하기 위하여 본 발명의 OCV생성부(140)는 상기와 같이 평균전류변량을 기준전류변량과 비교하여(S350) 평균전류변량이 기준전류변량보다 작은 경우에 한해 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 현재OCV값으로 생성하도록 (S360) 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

이와는 반대적인 관점에서 기준전류변량보다 현재 상태의 평균전류변량이 크다는 것은 배터리에서 전류의 흐름이 유의미한 정도의 크기로 변화되고 이루어지고 있다고 볼 수 있다. 즉, 배터리가 방전 상태에 있어 차량이 기준 가속도 이상으로 구동되고 있다고 볼 수 있거나 또는 배터리가 충전 상태에 있어 배터리 OCV 등의 변화가 크게 발생되고 있다고 볼 수 있다.

즉, 상기와 같은 경우는 배터리가 차량 구동 또는 배터리 충전 등과 같은 환경에 있다는 것이 되므로 과거 이력 특성에 대한 연계성 내지 연관성보다는 현재 상태 자체의 특성이 더욱 중요하다고 볼 수 있게 된다. 이와 같은 경우는 상기 수학식 2에 의하여 산출되는 임시OCV값 자체에 신뢰성을 더 부여할 수 있으므로 현재 OCV를 현재 단계의 임시 OCV값으로 설정하도록(S380) 구성하는 것이 바람직하다.

다만, 만약 OCV값 자체가 너무 크거나 너무 작다는 것은 실제 배터리의 구동에 의한 영향보다는 외적 요인에 의한 이례적인 상황으로 간주될 수 있으므로 상기 임시 OCV값이 정상 배터리 상태에서 이루어질 수 있는 통상적인 수치 범위임을 판단하기 위하여 임시 OCV값을 이를 위한 레퍼런스 값과 비교하여 그 결과에 따라 차등적으로 현재 OCV가 결정되도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

이를 위하여 본 발명의 판단부(170)는 상기 평균전류변량이 기준전류변량보다 큰 경우, 아래 수학식 5와 같이 상기 임시설정부(130)에서 설정된 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는지 판단하고(S370), 그 결과 상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는 경우에 한해 본 발명의 OCV생성부(140)는 상기 현재 단계의 임시 COV값을 상기 현재 OCV값으로 생성한다(S380).

상기 수식에서 V_min은 기준 전압 변화값 범위의 하한이며, V_max는 기준 전압 변화값 범위의 상한으로서 실험적이고 통계적인 방법에 의하여 결정될 수 있는 변수에 해당한다.

만약, 상기 판단부(170)의 판단 결과, 상기 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위를 벗어나되 상한(V_max)을 초과하는 경우(S373) 임시 OCV값 자체의 신뢰성을 보장하기가 어려우므로 본 발명의 OCV생성부(140)는 상기 기준 전압 변화값 범위의 상한값을 상기 현재 OCV값으로 생성한다(S375). 즉, 현재 단계에서 연산된 임시 OCV값을 신뢰하되, 상기 기준 전압 변화값의 상한까지라는 제한된 범위에서 신뢰성이 부여되도록 구성한다.

이와는 반대의 경우, 즉, 상기 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위를 벗어나되 하한에 미치지 못하는 경우 상기와 대응되는 관점에서 본 발명의 OCV생성부(140)는 상기 기준 전압 변화값 범위의 하한값(V_min)을 상기 현재 OCV값으로 생성한다(S377).

앞서 상술된 현재 OCV를 비롯한 다양한 정보 등은 본 발명의 메모리부(180)에 저장되어 활용될 수 있음은 물론이다.

이와 같이 본 발명은 배터리의 현재 OCV정보를 현재 단계에서 측정된 데이터 및 과거에 측정된 이력 데이터를 유기적으로 활용하여 배터리의 현재 상태에 따라 차등적 내지 다원적으로 적용함으로써 더욱 신뢰성 높은 OCV정보를 생성하고 활용할 수 있게 된다.

한편 본 발명의 앞서 설명된 추정 장치(100)는 도 4 등에 도시된 배터리 팩(200) 자체의 시스템으로 구현될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 측면에 의한 배터리 팩(200)은 충방전의 대상이 되며 차량 등에 전력을 공급하는 공급원으로서 기능하는 배터리 모듈(210) 및 앞서 설명된 추정 장치가 모듈로 구현된 추정 모듈(220)을 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 추정모듈(220)은 BMS 등으로 구현될 수 있음은 물론이다.

상기 배터리 모듈(210)은 복수 개의 이차전지(211)로 구성될 수 있음은 물론이며, 본 발명에 의한 배터리 팩(200)의 추정 모듈(220)은 앞서 설명된 바와 같이 차량 구동 등에 필요한 OCV, 배터리의 잔존 용량 정보 등을 차량 시스템(300) 측으로 전달하고 또는 사용자 등으로부터 필요한 정보 등이 입력되도록 구성될 수 있다.

상기 배터리 팩(200)의 추정 모듈(220)을 포함한 상세한 구성에 대한 설명은 앞서 설명된 추정 장치(100)에 대한 내용과 대응되므로 앞선 설명으로 대체한다.

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.

이와 함께, 상기 도 2 등에 도시된 본 발명의 추정 장치(100)에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소 또는 이를 포함하는 구성요소로 이해되어야 한다.

즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위한 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 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.

1: 이차전지 셀 10: 배터리(팩)
100: 추정 장치 110: 센싱부
120: 연산부 130: 임시설정부
140: OCV생성부 150: 추정부
160: 전류변량연산부 170: 판단부
180: 메모리부

Claims (18)

1. 배터리 팩의 전압 및 전류를 측정하는 센싱부;
   전압 및 전류의 측정 회수가 N회(N은 2 이상의 자연수) 이루어지면, 상기 N회 측정된 각 전압값의 평균 전압값에 상기 N회 측정된 각 전류값의 평균 전류값에 의한 전압 강하치를 감산하여 초기 OCV값을 설정하는 연산부;
   상기 N회 측정 이후의 현재 측정 전압값에 현재 측정 전류값에 의한 전압 강하치를 감산한 결과를 현재 단계의 임시OCV값으로 설정하는 임시설정부;
   상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 N회 측정 이후 현재 단계의 OCV값인 현재 OCV값으로 생성하는 OCV생성부; 및
   매회 전류 측정 시 이전 측정 전류값과의 차이를 연상하되, 현재 단계 기준 최근 M(2이상의 자연수)개의 측정 전류값을 이용하여 M-1개의 전류 변량과 이에 대한 평균전류변량을 연산하는 전류변량연산부를 포함하고
   상기 OCV생성부는 상기 평균전류변량이 기준전류변량보다 작은 경우에 한해 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 현재OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 OCV생성부로부터 입력된 상기 현재 OCV값을 이용하여 상기 배터리 팩의 현재 잔존 용량을 추정하는 추정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 평균전류변량이 기준전류변량보다 큰 경우, 상기 임시설정부에서 설정된 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는지 판단하는 판단부를 더 포함하고,
   상기 OCV 생성부는 상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는 경우 상기 현재 단계의 임시 COV값을 상기 현재 OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 OCV생성부는,
   상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위의 상한값을 초과하는 경우, 상기 기준 전압 변화값 범위의 상한값을 상기 현재 OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 OCV생성부는,
   상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위의 하한값에 미치지 못하는 경우, 상기 기준 전압 변화값 범위의 하한값을 상기 현재 OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정장치.
7. 배터리 팩의 전압 및 전류를 측정하는 센싱단계;
   전압 및 전류의 측정 회수가 N회(N은 2 이상의 자연수) 이루어지면, 상기 N회 측정된 각 전압값의 평균 전압값에 상기 N회 측정된 각 전류값의 평균 전류값에 의한 전압 강하치를 감산하여 초기 OCV값을 설정하는 연산단계;
   상기 N회 측정 이후의 현재 측정 전압값에 현재 측정 전류값에 의한 전압 강하치를 감산한 결과를 현재 단계의 임시OCV값으로 설정하는 임시설정단계;
   상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 N회 측정 이후 현재 단계의 OCV값인 현재 OCV값으로 생성하는 OCV생성단계; 및
   매회 전류 측정 시 이전 측정 전류값과의 차이를 연산하되, 현재 단계 기준 최근 M(M은 2이상의 자연수)개의 측정 전류값을 이용하여 M-1개의 전류 변량과 이에 대한 평균전류변량을 연산하는 전류변량연산단계를 포함하고,
   상기 OCV 생성단계는 상기 평균전류변량이 기준전류변량보다 작은 경우에 한해 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 현재OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 OCV생성단계의 상기 현재 OCV값을 이용하여 상기 배터리 팩의 현재 잔존 용량을 추정하는 추정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정방법.
9. 삭제
10. 제 7항에 있어서,
    상기 평균전류변량이 기준전류변량보다 큰 경우, 상기 임시설정단계에서 설정된 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는지 판단하는 판단단계를 더 포함하고,
    상기 OCV 생성단계는 상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는 경우 상기 현재 단계의 임시 COV값을 상기 현재 OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 OCV생성단계는,
    상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위의 상한값을 초과하는 경우, 상기 기준 전압 변화값 범위의 상한값을 상기 현재 OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 OCV생성단계는,
    상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위의 하한값에 미치지 못하는 경우, 상기 기준 전압 변화값 범위의 하한값을 상기 현재 OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩의 상태 추정방법.
13. 복수 개의 이차전지로 구성되는 배터리 모듈: 및
    상기 배터리 모듈의 전압 및 전류를 측정하는 센싱부, 전압 및 전류의 측정 회수가 N회(N은 2 이상의 자연수) 이루어지면, 상기 N회 측정된 각 전압값의 평균 전압값에 상기 N회 측정된 각 전류값의 평균 전류값에 의한 전압 강하치를 감산하여 초기 OCV값을 설정하는 연산부, 상기 N회 측정 이후의 현재 측정 전압값에 현재 측정 전류값에 의한 전압 강하치를 감산한 결과를 현재 단계의 임시OCV값으로 설정하는 임시설정부, 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 N회 측정 이후 현재 단계의 OCV값인 현재 OCV값으로 생성하는 OCV생성부, 및 매회 전류 측정 시 이전 측정 전류값과의 차이를 연산하되, 현재 단계 기준 최근 M(M은 2이상의 자연수)개의 측정 전류값을 이용하여 M-1개의 전류 변량과 이에 대한 평균전류변량을 연산하는 전류변량연산부를 포함하는 추정모듈을 포함하고,
    상기 OCV생성부는 상기 평균전류변량이 기준전류변량보다 작은 경우에 한해 상기 현재 단계의 임시 OCV값과 이전 단계의 OCV값의 가중치 평균값을 상기 현재OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩.
14. 제 13항에 있어서, 상기 추정모듈은,
    상기 OCV생성부로부터 입력된 상기 현재 OCV값을 이용하여 상기 배터리 모듈의 현재 잔존 용량을 추정하는 추정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩.
15. 삭제
16. 제 13항에 있어서, 상기 추정모듈은,
    상기 평균전류변량이 기준전류변량보다 큰 경우, 상기 임시설정부에서 설정된 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는지 판단하는 판단부를 더 포함하고,
    상기 OCV 생성부는 상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위 내에 해당하는 경우 상기 현재 단계의 임시 COV값을 상기 현재 OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩.
17. 제 16항에 있어서, 상기 OCV생성부는,
    상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위의 상한값을 초과하는 경우, 상기 기준 전압 변화값 범위의 상한값을 상기 현재 OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩.
18. 제 17항에 있어서, 상기 OCV생성부는,
    상기 현재 단계의 임시OCV값이 기준 전압 변화값 범위의 하한값에 미치지 못하는 경우, 상기 기준 전압 변화값 범위의 하한값을 상기 현재 OCV값으로 생성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 배터리 팩.

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