KR101595956B1 - 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치 및 방법 - Google Patents

리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 설정시간동안의 전류변화량으로부터 설정값 이상의 전류변화 여부를 판단하는 전류변화 감시모듈과, 설정값 이상의 전류변화가 있을 경우에 인공신경망 기법과 이동평균(Moving Average) 기법을 적용하여 전지잔량(SOC)을 계산하는 제1 SOC 계산모듈과, 설정값 이상의 전류변화가 없을 경우에 인공신경망 기법을 적용하여 전지잔량을 계산하는 제2 SOC 계산모듈과, 제1 SOC 계산모듈 및 제2 SOC 계산모듈로부터의 계산값을 출력하는 출력부와, 설정시간에 전지잔량 측정과정을 종료 제어하는 종료 체크모듈과, 전류변화 감시모듈 및 종료 체크모듈로 시간에 대한 카운팅값을 제공하는 카운터를 포함하다. 본 발명에 따르면, 전지상태가 급격히 변화하는 경우, 즉 유휴상태에서 충전 또는 방전이 진행되거나, 충전상태에서 유휴상태 또는 방전이 진행되거나, 방전상태에서 유휴상태 또는 충전이 진행될 때, 인공신경망 기법과 이동평균(Moving Average) 기법을 조합하거나 선택적으로 적용함으로써 전지잔량 측정의 정밀도를 높일 수 있다.

Description

리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING STATE OF CHARGE(SOC) FOR LITHIUM ION BATTERY}
본 발명은 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류값이 급격히 변하는 동적인 상태에서 전지잔량 측정의 정밀도를 높일 수 있도록 하는 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
리튬이차전지의 전지잔량은 전지의 기계적인 물성치, 즉 전압, 전류, 온도, 저항 등을 측정하여 각각의 변수에 대한 상관관계를 도출함으로써 얻어진다.
기존에 알려진 비교적 간단한 방법으로서, 전지의 개로전압(Open Circuit Voltage; OCV)을 전지잔량 예측에 적용하는 방법과, 전압-전류 특성 그래프부터 내부보간법(Interpolation)을 적용하는 방법 등이 있다. 그런데, 이러한 방법들은 동적인 변화(Dynamic Variation)에 대해 전지잔량 예측시 에러가 커지는 단점이 있다.
또 다른 방법으로는 적산법(Integration)으로 전류를 측정시간 간격에 대해 적산하는 방법이 있다. 그런데, 이 방법은 동적인 변화에 대해서는 비교적 정확하지만, 에러가 누적되는 단점이 있다.
한편, 인공신경망 기법을 이용하는 경우 충분한 학습데이터가 존재할 때 다른 측정 기법에 비해 우수한 성능을 나타낸다. 즉, 많은 양의 전압 데이터의 학습과정을 통하여 SOC에 대한 높은 정밀도와 예측 효율을 얻을 수 있다. 또한 전지의 세부사항을 고려할 필요가 없기 때문에 모든 종류의 배터리의 SOC의 측정에 적합하다는 보편성을 가지고 있다. 그리고, 회로 개방 이후 일정 시간동안의 전압 데이터를 가지고 OCV를 추정할 수 있을 뿐 아니라, 이는 SOC값과도 대응하게 된다. 따라서 회로 개방 이후 전압데이터와 SOC의 관계를 인공신경망을 통해 분석한다면 SOC를 추정하는 것이 가능하다.
일반적으로, 전류값이 급격히 변화하는 경우에 전지잔량의 변화는 실제 값보다 매우 크게 변동된다. 유휴상태(전류가 흐르지 않는 상태)에서 충전으로 변환될 때에는 전지잔량 변화가 오히려 감소하는 경우도 있고, 방전으로 변화될 때에는 증가하는 경우도 있다.
이에 이러한 전지잔량의 변화에 대하여 단순 전지잔량 측정 기법만을 적용하는 것은 전지잔량 측정의 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1189150호(공고일 2012.10.10.) 대한민국 등록특허공보 제10-1238478호(공고일 2012.03.04.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 초기 일정시간동안 전지잔량 연산에서 인공신경망 기법과 이동평균(Moving Average) 기법을 조합하거나 선택적으로 적용함으로써 전류값이 급격히 변하는 동적인 상태에서 전지잔량 측정의 정밀도를 높일 수 있도록 하는 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치는, 설정시간동안의 전류변화량으로부터 설정값 이상의 전류변화 여부를 판단하는 전류변화 감시모듈; 상기 설정값 이상의 전류변화가 있을 경우에 인공신경망 기법과 이동평균(Moving Average) 기법을 적용하여 전지잔량(SOC)을 계산하는 제1 SOC 계산모듈; 상기 설정값 이상의 전류변화가 없을 경우에 인공신경망 기법을 적용하여 전지잔량을 계산하는 제2 SOC 계산모듈; 제1 SOC 계산모듈 및 제2 SOC 계산모듈로부터의 계산값을 출력하는 출력부; 설정시간에 전지잔량 측정과정을 종료 제어하는 종료 체크모듈; 및 전류변화 감시모듈 및 종료 체크모듈로 시간에 대한 카운팅값을 제공하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제1 SOC 계산모듈과 상기 제2 SOC 계산모듈은 상기 인공신경망 기법을 수행하기 위한 공통모듈을 공유하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 리튬이차전지의 전지잔량 측정 방법은, 전지상태정보가 획득되면, 전류변화 감시모듈에서 전지의 전류변화가 설정값 이상의 전류변화가 있는지를 판단하는 단계; 설정값 이상의 전류변화가 있을 경우에 상기 전류변화 감시모듈은 인공신경망 기법과 이동평균 기법으로 전지잔량을 산출하는 제1 SOC 계산모듈로 상기 전지상태정보를 전달하고, 설정값 이상의 전류변화가 없을 경우에 상기 전류변화 감시모듈은 인공신경망 기법으로 전지잔량을 산출하는 제2 SOC 계산모듈로 상기 전지상태정보를 전달하는 단계; 및 상기 제1 SOC 계산모듈 및 제2 SOC 계산모듈 각각으로부터 계산된 전지잔량정보를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에, 설정시간(t)이 종료시간(tend)보다 크거나 외부 인터럽트가 있으면, 전지잔량 산출을 종료하고, 설정시간(t)이 종료시간(tend)보다 작거나 외부 인터럽트가 없으면, 시간간격(△t)을 더하여 새로운 시간(t+△t)으로 설정하고 전지잔량 산출을 계속 진행하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 이동평균 기법은 아래 식을 이용하여 전지잔량을 측정한다.
SOCi = wi-1 * SOCi-1 + wi-2 * SOCi-2 + ... + w0 * SOC0 --- (식)
여기서, wi는 가중치(weighted factor)를 나타낸다. 즉 SOCi를 계산하기 위해서는 SOC0부터 SOCi-1 까지의 이전 값과 이에 해당하는 가중치가 필요하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치 및 방법에 따르면, 전지상태가 급격히 변화하는 경우, 즉 유휴상태에서 충전 또는 방전이 진행되거나, 충전상태에서 유휴상태 또는 방전이 진행되거나, 방전상태에서 유휴상태 또는 충전이 진행될 때, 인공신경망 기법과 이동평균(Moving Average) 기법을 조합하거나 선택적으로 적용함으로써 전지잔량 측정의 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 충전상태에서 다른 충전상태(전류값이 변하는 경우)이거나 방전상태에서 다른 방전상태(전류값이 변하는 경우)에도 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 전지잔량 측정 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따라 전지팩을 3A와 5A로 충전과 방전을 진행하면서 산출된 전지잔량값을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 충전 및 방전이 지속적으로 가능한 리튬이차전지의 전지잔량(State of Charge; SOC)을 측정하는 장치에 대해 개시한다.
본 발명은 전류값이 급격히 변하는 동적인 상태에서 전지잔량 측정의 정밀도를 높일 수 있도록, 초기 일정시간동안 전지잔량 연산에서 인공신경망 기법과 이동평균(Moving Average) 기법을 조합하거나 선택 적용한다.
이하, 본 발명의 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치는, 설정시간동안의 전류변화량으로부터 설정값 이상의 전류변화 여부를 판단하는 전류변화 감시모듈(1)과, 설정값 이상의 전류변화가 있을 경우에 인공신경망 기법과 이동평균(Moving Average) 기법을 적용하여 SOC를 계산하는 제1 SOC 계산모듈(2)과, 설정값 이상의 전류변화가 없을 경우에 인공신경망 기법을 적용하여 SOC를 계산하는 제2 SOC 계산모듈(3)과, 제1 SOC 계산모듈(2) 및 제2 SOC 계산모듈(3)로부터의 계산값을 출력하는 출력부(4)와, 설정시간에 전지잔량 측정과정을 종료 제어하는 종료 체크모듈(5)과, 전류변화 감시모듈(1) 및 종료 체크모듈(5)로 시간에 대한 카운팅값을 제공하는 카운터(6)를 포함한다.
그러면, 여기서 상기와 같이 구성된 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치를 이용한 본 발명의 리튬이차전지의 전지잔량 측정 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지의 전지잔량 측정 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 설정값에 의하거나 사용자 조작에 의해 발생된 전지잔량 측정 시작신호에 대응하여 종료 체크모듈(5)에서 전류변화 감시모듈(1)을 기동시킨다. 이 때, 전류변화 감시모듈(1)의 기동과 동시에 전지잔량 계산이 시작되며, 기준시간 설정(t=0)이 이루어진다(S1).
전지로부터 전압, 전류, 온도, 저항 등을 포함한 전지상태정보가 획득되면(S2), 전류변화 감시모듈(1)은 전지의 전류변화가 설정값 이상의 전류변화가 있는지를 판단한다(S3). 즉, 전류변화가
Figure 112014108951519-pat00001
인지를 확인한다.
설정값 이상의 전류변화가 있을 경우에는 전류변화 감시모듈(1)은 전류변화값을 제1 SOC 계산모듈(2)로 전달한다(S4). 한편, 설정값 이상의 전류변화가 없을 경우에는 전류변화 감시모듈(1)은 전류변화값을 제2 SOC 계산모듈(3)로 전달한다(S5).
이에, 제1 SOC 계산모듈(2)에서는 인공신경망 기법과 이동평균 기법으로 전지잔량을 산출하고, 제2 SOC 계산모듈(3)에서는 인공신경망 기법으로 전지잔량을 산출한다.
여기서, 제1 SOC 계산모듈(2)과 제2 SOC 계산모듈(3)은 인공신경망 기법을 수행하기 위한 공통모듈을 공유할 수 있으며, 이 경우 제1 SOC 계산모듈(2)에는 공통모듈에 이동평균 기법을 수행하기 위한 연산모듈로 연결된다.
한편, 인공신경망 기법과 이동평균 기법을 조합함에 있어, 인공신경망 기법을 메인연산으로 이용하고, 이동평균 기법을 이용하여 보간(보정)을 수행하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 리튬이차전지로부터 출력 또는 입력되어지는 전압, 전류, 온도, 저항 등을 측정하여 전지잔량을 인공신경망 기법을 적용하여 측정한다.
이 때, 아래 경우와 같이 전지상태가 변화(설정값 이상의 전류변화)하는 경우, 발생시점으로부터 설정시간, 예를 들어 10초동안 이동평균 기법을 적용하여 전지잔량을 측정한다.
경우 1 : 유휴상태(전류=0)에서 충전상태(전류>0)로
경우 2 : 유휴상태(전류=0)에서 방전상태(전류<0)로
경우 3 : 충전상태(전류>0)에서 방전상태(전류<0)로
경우 4 : 충전상태(전류>0)에서 유휴상태(전류=0)로
경우 5 : 충전상태(전류 I1>0)에서 다른 충전상태(전류 I2>0, I1
Figure 112014108951519-pat00002
I2)로
경우 6 : 방전상태(전류<0)에서 충전상태(전류>0)로
경우 7 : 방전상태(전류<0)에서 유휴상태(전류=0)로
경우 8 : 방전상태(전류 I3<0)에서 다른 방전상태(전류 I4<0, I3
Figure 112014108951519-pat00003
I4)로 변환될 때
여기서, 본 발명에서 제시하는 이동평균 기법은 아래와 같은 식을 이용하여 전지잔량을 측정한다.
SOCi = wi-1 * SOCi-1 + wi-2 * SOCi-2 + ... + w0 * SOC0 --- (식)
(여기서, w는 가중치이며, i = 0, ..., n)
이 때, n값은 최대 5로 하는 것이 바람직하다.
한편, wi가 균등한 경우, wi = 0.2(i = 2에서 n-2까지), wi = 1/3(i = 1, 또는 n-1), wi = 1(i = 0 또는 n)로 하는 것도 바람직하다.
그리고, wi가 균등하지 않은 경우,
(a) i = 2에서 n-2까지
wi-2 = 1/3, wi-1 = 4/15, wi = 1/5, wi+1 = 2/15, wi+2 = 1/15
(b) i = 1, 또는 n-1
w0 = 1/2, wi = 1/3, w2 = 1/6
wn-2 = 1/2, wn-1 = 1/3, wn = 1/6
(c) i = 0 또는 n
w0 = 1
wn = 1
로 하는 것도 바람직하다.
한편, 제1 SOC 계산모듈(2)와 제2 SOC 계산모듈(3) 각각으로부터 계산된 전지잔량정보는 출력부(4)를 통해 출력되거나 사용자에 전송된다(S6).
이어서, 종료 체크모듈(5)에서 설정시간에 이르렀는가를 판단하여(S7), 설정시간에 이르렀다고 판단되면 전류변화 감시모듈(1)의 구동을 중지시킨다. 즉, 시간(t)이 종료시간(tend)보다 크거나 외부 인터럽트가 있으면, 전지잔량 산출을 종료한다. 한편, 종료 체크모듈(5)에서 설정시간에 이르지 않았다고 판단되면, 전류변화 감시모듈(1)을 계속 구동시킨다. 즉, 시간(t)이 종료시간(tend)보다 작거나 외부 인터럽트가 없으면, 시간간격(△t)을 더하여 새로운 시간(t+△t)으로 설정하고 전지잔량 산출을 계속 진행한다. 여기서, 종료 체크모듈(5)의 구동은 선택적으로 이루어질 수 있다.
[실시예]
본 실시예에서는 리튬이차전지를 3A로 30분동안 충전하고 5분간 유휴상태로 유지한 후, 3A로 30분동안 방전을 진행한다. 이후에 전류값을 5A로 변경하여 충전과 방전을 진행하면서 전지잔량 변화를 고찰한다. 한편, 여기에 사용된 리튬이차전지는 평균전압이 3.6V이고, 용량이 3.4AH 단셀을 7개 직렬로 연결하고, 이것을 다시 5개 병렬로 연결하여 평균 전압 24V, 정격용량 17Ah으로 제작된 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 전지팩을 3A와 5A로 충전과 방전을 진행하면서 산출된 전지잔량값을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, SOC1은 인가한 용량을 기준으로 표시된 전지잔량값이며, SOC2는 Look-up Table에서 읽은 전지잔량값이고, SOC3은 이동평균값(moving average 1)을 적용하여 산출한 전지잔량값이고, SOC4는 다른 이동평균값(moving average 2)을 적용하여 산출한 전지잔량값이다.
Figure 112014108951519-pat00004
[표 1]은 리튬이차전지 충전 방전 과정에서의 SOC 값 변화를 비교한 것이다.
[표 1]은 전지시험평가기기(Battery Test Equipment)에서 실제로 인가한 용량을 기준으로 표시된 전지잔량값(SOC1)과 룩업테이블(Look-up Table)에서 읽은 전지잔량값(SOC2), 이동평균값을 적용하여 산출한 전지잔량값(SOC3), 또 다른 이동평균값을 적용하여 산출한 전지잔량값(SOC4)을 비교한 것이다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
1 : 전류변화 감시모듈
2 : 제1 SOC 계산모듈
3 : 제2 SOC 계산모듈
4 : 출력부
5 : 종료 체크모듈
6 : 카운터

Claims (8)

  1. 설정시간동안의 전류변화량으로부터 설정값 이상의 전류변화 여부를 판단하는 전류변화 감시모듈;
    상기 설정값 이상의 전류변화가 있을 경우에 인공신경망 기법과 이동평균(Moving Average) 기법을 적용하여 전지잔량(SOC)을 계산하는 제1 SOC 계산모듈;
    상기 설정값 이상의 전류변화가 없을 경우에 인공신경망 기법을 적용하여 전지잔량을 계산하는 제2 SOC 계산모듈;
    제1 SOC 계산모듈 및 제2 SOC 계산모듈로부터의 계산값을 출력하는 출력부;
    설정시간에 전지잔량 측정과정을 종료 제어하는 종료 체크모듈; 및
    전류변화 감시모듈 및 종료 체크모듈로 시간에 대한 카운팅값을 제공하는 카운터를 포함하며,
    상기 이동평균 기법은 아래 식을 이용하여 전지잔량을 측정하는 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치.
    SOCi = wi-1 * SOCi-1 + wi-2 * SOCi-2 + ... + w0 * SOC0 --- (식)
    (여기서, w는 가중치이며, i = 0, ..., n)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 SOC 계산모듈과 상기 제2 SOC 계산모듈은 상기 인공신경망 기법을 수행하기 위한 공통모듈을 공유하는 리튬이차전지의 전지잔량 측정 장치.
  3. 전지상태정보가 획득되면, 전류변화 감시모듈에서 전지의 전류변화가 설정값 이상의 전류변화가 있는지를 판단하는 단계;
    설정값 이상의 전류변화가 있을 경우에 상기 전류변화 감시모듈은 인공신경망 기법과 이동평균 기법으로 전지잔량을 산출하는 제1 SOC 계산모듈로 상기 전지상태정보를 전달하고, 설정값 이상의 전류변화가 없을 경우에 상기 전류변화 감시모듈은 인공신경망 기법으로 전지잔량을 산출하는 제2 SOC 계산모듈로 상기 전지상태정보를 전달하는 단계; 및
    상기 제1 SOC 계산모듈 및 제2 SOC 계산모듈 각각으로부터 계산된 전지잔량정보를 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 이동평균 기법은 아래 식을 이용하여 전지잔량을 측정하는 리튬이차전지의 전지잔량 측정 방법.
    SOCi = wi-1 * SOCi-1 + wi-2 * SOCi-2 + ... + w0 * SOC0 --- (식)
    (여기서, w는 가중치이며, i = 0, ..., n)
  4. 제3항에 있어서,
    설정시간(t)이 종료시간(tend)보다 크거나 외부 인터럽트가 있으면, 전지잔량 산출을 종료하고,
    설정시간(t)이 종료시간(tend)보다 작거나 외부 인터럽트가 없으면, 시간간격(△t)을 더하여 새로운 시간(t+△t)으로 설정하고 전지잔량 산출을 계속 진행하는 단계를 더 포함하는 리튬이차전지의 전지잔량 측정 방법.
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 n은 5인 리튬이차전지의 전지잔량 측정 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 wi가 균등한 경우, wi = 0.2(i = 2에서 n-2까지), wi = 1/3(i = 1, 또는 n-1), wi = 1(i = 0 또는 n)인 리튬이차전지의 전지잔량 측정 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 wi가 균등하지 않은 경우,
    (a) i = 2에서 n-2까지
    wi-2 = 1/3, wi-1 = 4/15, wi = 1/5, wi+1 = 2/15, wi+2 = 1/15

    (b) i = 1, 또는 n-1
    w0 = 1/2, wi = 1/3, w2 = 1/6
    wn-2 = 1/2, wn-1 = 1/3, wn = 1/6

    (c) i = 0 또는 n
    w0 = 1
    wn = 1
    인 리튬이차전지의 전지잔량 측정 방법.
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