KR101653967B1 - Apparatus and method for measuring battery residual quantity - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리의 잔량을 측정하는 방법에 있어서 배터리잔량의 초기값을 저장하는 단계, 배터리잔량을 인수로 하는 OCV(Open Circuit Voltage)함수를 이용하여 배터리의 개방회로전압을 계산하는 단계, 배터리의 출력전압을 측정하는 단계, 개방회로전압과 출력전압의 전압차를 인수로 하고 배터리의 내부저항을 파라미터로 포함하는 배터리모델함수를 이용하여 배터리의 입출력전류를 계산하는 단계, 계산된 입출력전류를 시적분하여 배터리잔량을 갱신하는 단계, 출력전압을 측정하는 시간과 다른 시간에서 배터리의 입출력전류를 측정하는 단계 및 측정된 입출력전류와 계산된 입출력전류의 차이를 이용하여 내부저항에 대한 파라미터를 수정하는 단계를 포함하는 배터리잔량 측정 방법을 제공한다.The present invention relates to a method of measuring the remaining amount of a battery, including the steps of: storing an initial value of a remaining amount of the battery; calculating an open circuit voltage of the battery using an OCV (Open Circuit Voltage) Calculating an input / output current of a battery using a battery model function including a voltage difference between an open circuit voltage and an output voltage as a factor and an internal resistance of the battery as a parameter, calculating a calculated input / Output current of the battery at a time different from the time for measuring the output voltage, and correcting the parameter for the internal resistance by using the difference between the measured input / output current and the calculated input / output current The method comprising the steps of:
Description
본 발명은 배터리잔량을 측정하는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 휴대성, 무독성 등의 장점 덕분에 휴대용 기기에 널리 사용되고 있다. 여기서 휴대용 전자 기기가 갖춰야 할 중요한 기능 중 하나는 배터리의 잔여 용량(배터리잔량)을 예측하는 것이다. 이때, 배터리잔량은 Q[Ah] 혹은 SOC(State of Charge)[%]로 나타내지곤 한다.Lithium-ion batteries are widely used in portable devices because of their high energy density, portability and non-toxicity. One of the important functions of portable electronic devices is to predict the remaining capacity of the battery. At this time, the battery remaining amount is expressed by Q [Ah] or SOC (State of Charge) [%].
일반 캐패시터가 전원으로 사용된다면 잔여용량 예측은 쉬워지는데, 이는 일반 캐패시터가 Q=CV와 같은 선형적 특성을 갖기 때문이다. 즉 캐패시터스(C)를 안다면 잔여용량(Q)은 전압(V)의 측정을 통해 정확한 예측이 가능해진다.If a conventional capacitor is used as a power source, the residual capacity prediction is easy because the general capacitor has a linear characteristic such as Q = CV. That is, if the capacitor C is known, the remaining capacity Q can be accurately predicted by measuring the voltage V. [
반면에 리튬 이온 배터리의 경우 배터리잔량(잔여용량)과 전압이 비선형적 특성을 갖는다. 즉 배터리잔량과 전압은 선형적인 Q=CV를 만족하지 않고, 와 같이 비선형 함수 관계를 갖는다.On the other hand, in the case of a lithium ion battery, the battery remaining capacity (residual capacity) and the voltage have nonlinear characteristics. That is, the remaining battery voltage and voltage do not satisfy the linear Q = CV, As shown in Fig.
이와 같은 배터리잔량과 전압간의 비선형 함수 관계를 나타내는 것을 OCV(Open Circuit Voltage) 곡선이라고 부른다.Such a nonlinear function relationship between the remaining amount of the battery and the voltage is called an OCV (Open Circuit Voltage) curve.
도 1은 리튬 이온 배터리의 OCV 곡선의 일 예시를 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing an example of an OCV curve of a lithium ion battery.
도 1에서 X축의 단위는 Ah를 사용하는데, 예를 들어, 2-Ah는 1시간 동안 2A의 전류를 뽑아낼 수 있다는 의미이다. 곡선의 이름에 Open Circuit이 붙은 이유는 리튬 이온 배터리의 양단을 개방하고 전압을 측정하기 때문이다.In Fig. 1, the unit of the X-axis is Ah. For example, 2-Ah means that current of 2A can be extracted for 1 hour. The reason for the open circuit in the name of the curve is that both ends of the lithium ion battery are opened and the voltage is measured.
도 1에 도시된 OCV 곡선을 참조하면, 배터리잔량이 1.9Ah일때, 배터리의 개방회로전압(Open Circuit Voltage)은 4.0V가 된다. 반대로 배터리의 개방회로전압으로 4.0V가 측정되면 배터리의 잔량은 아래 수학식1과 같이 1.9Ah로 계산된다.Referring to the OCV curve shown in FIG. 1, when the remaining battery level is 1.9 Ah, the open circuit voltage of the battery becomes 4.0V. Conversely, when 4.0 V is measured as the open circuit voltage of the battery, the remaining amount of the battery is calculated to be 1.9 Ah as shown in the following equation (1).
이와 같이 미리 알려진 비선형 함수 관계의 OCV 곡선에 측정된 개방회로전압 값이 대입되면 배터리잔량이 도출된다.When the measured open circuit voltage value is substituted into the OCV curve of the known nonlinear function relation, the remaining battery level is derived.
도 1에 도시된 OCV 곡선을 얻기 위한 방법은 다음과 같다. A method for obtaining the OCV curve shown in FIG. 1 is as follows.
우선 완충된 배터리의 전압이 측정되고 이때의 배터리총량을 정한다. 이는 배터리의 총 용량을 정하는 것인데, 배터리의 총 용량은 충전조건이나 방전조건에 따라 다른 값들을 가질 수 있다. 주의할 점은 충전 후, 충분한 시간이 흘러 전압이 안정화될 때까지 기다린 후 개방회로 상태에서 전압이 측정되어야 한다는 것이다. 이는 배터리의 화학 반응으로 인해 전류를 사용할 때 전압이 달라지기 때문이다.First, the voltage of the fully charged battery is measured and the total amount of the battery is determined at this time. This is to determine the total capacity of the battery. The total capacity of the battery may have different values depending on the charging condition and the discharging condition. It should be noted that after charging, the voltage has to be measured in the open circuit state after waiting for sufficient time to stabilize the voltage. This is because the voltage changes when the current is used due to the chemical reaction of the battery.
배터리 완충에서의 전압 측정 및 배터리총량 결정이 완료되면, 일정량의 전류를 정해진 시간만큼 방전시킨 후, 다시 전압이 안정화될 때까지 기다린 후 개방회로 상태에서 전압을 측정한다. 이때 안정화에 필요한 시간은 배터리 종류에 따라 상이하나 수 시간일 수 있다.When the voltage measurement in the battery buffering and the determination of the total amount of the battery are completed, a certain amount of current is discharged for a predetermined time, and then the voltage is measured in the open circuit state after waiting for the voltage to stabilize again. The time required for stabilization may vary depending on the type of the battery, but may be several hours.
그리고, 이와 같은 방전, 안정화 및 전압 측정 과정을 반복 수행하여 도 1과 같은 불연속형(discrete) OCV 곡선을 획득하게 된다.Then, the discharge, stabilization, and voltage measurement processes are repeated to obtain a discrete OCV curve as shown in FIG.
도 2는 도 1의 OCV 곡선을 얻기 위해 적용된 방전 프로파일을 나타낸다.Fig. 2 shows the discharge profile applied to obtain the OCV curve of Fig.
방전 후 전압 안정화에 많은 시간이 소요되는데, 2.6Ah 리튬 이온 배터리의 경우 도 1과 같은 OCV 곡선을 도출하기까지 총 42시간이 소요된다.It takes a long time to stabilize the voltage after discharging. In the case of the 2.6Ah lithium ion battery, it takes 42 hours until the OCV curve as shown in FIG. 1 is derived.
한편, 도 1과 같은 OCV 곡선을 얻게 되더라도 개방회로전압만을 이용하여 배터리잔량을 추정하기에는 여전히 무리가 있다.On the other hand, even if the OCV curve as shown in FIG. 1 is obtained, it is still difficult to estimate the battery remaining amount using only the open circuit voltage.
전술한 바와 같이 OCV 곡선은 전압이 충분히 안정된 상태에서 측정한 값이다. 따라서 OCV 곡선에 개방회로전압을 대입하여 배터리잔량을 계산하기 위해서는 충분히 안정화된 상태의 개방회로전압이 측정되어야 한다. 그런데, 실제 어플리케이션에서는 방전이 수시로 진행되고 방전량 또한 계속 변하기 때문에 안정화된 상태의 개방회로전압이 측정되기 어렵다.As described above, the OCV curve is a value measured while the voltage is sufficiently stable. Therefore, in order to calculate the remaining battery capacity by substituting the open-circuit voltage for the OCV curve, a sufficiently stabilized open circuit voltage should be measured. However, in an actual application, since the discharge progresses from time to time and the amount of discharge also continuously changes, it is difficult to measure the open circuit voltage in a stabilized state.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 일 측면에서, 배터리잔량의 정확하고 신속한 측정을 위해 OCV 곡선과 더불어 배터리의 회로 모델을 이용하여 배터리잔량을 계산하는 기술을 제공하는 것이다.In view of the foregoing, an object of the present invention is, in one aspect, to provide a technique for calculating the remaining battery level using a circuit model of a battery in addition to the OCV curve for accurate and rapid measurement of the remaining battery level.
다른 측면에서, 본 발명의 목적은, 온도나 에이징에 따른 배터리 특성의 변화에도 배터리잔량 측정의 정확도를 유지하기 위해 배터리 회로 모델의 파라미터를 보정하는 기술을 제공하는 것이다.In another aspect, an object of the present invention is to provide a technique for correcting parameters of a battery circuit model in order to maintain the accuracy of the battery remaining amount measurement even when the battery characteristics change due to temperature or aging.
또 다른 측면에서, 본 발명의 목적은, 배터리잔량 측정 장치의 회로적 부담을 최소화하기 위해 하나의 ADC(Analog Digital Converter)로 배터리의 전압과 전류를 측정하는 기술을 제공하는 것이다.In another aspect, an object of the present invention is to provide a technique of measuring the voltage and current of a battery with one ADC (Analog Digital Converter) in order to minimize the circuit burden of the battery remaining amount measuring device.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 배터리의 잔량을 측정하는 방법에 있어서, 배터리잔량의 초기값을 저장하는 단계; 상기 배터리잔량을 인수로 하는 OCV(Open Circuit Voltage)함수를 이용하여 상기 배터리의 개방회로전압을 계산하는 단계; 상기 배터리의 출력전압을 측정하는 단계; 상기 개방회로전압과 상기 출력전압의 전압차를 인수로 하고 상기 배터리의 내부저항을 파라미터로 포함하는 배터리모델함수를 이용하여 상기 배터리의 입출력전류를 계산하는 단계; 계산된 입출력전류를 시적분하여 상기 배터리잔량을 갱신하는 단계; 상기 출력전압을 측정하는 시간과 다른 시간에서 상기 배터리의 입출력전류를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 입출력전류와 상기 계산된 입출력전류의 차이를 이용하여 상기 내부저항에 대한 파라미터를 수정하는 단계를 포함하는 배터리잔량 측정 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, in one aspect, the present invention provides a method of measuring the remaining amount of a battery, the method comprising: storing an initial value of a remaining amount of the battery; Calculating an open circuit voltage of the battery using an OCV (Open Circuit Voltage) function taking the battery remaining amount as a factor; Measuring an output voltage of the battery; Calculating an input / output current of the battery using a battery model function including a voltage difference between the open circuit voltage and the output voltage as a parameter and including an internal resistance of the battery as a parameter; Updating the battery remaining amount in time based on the calculated input / output current; Measuring an input / output current of the battery at a time different from a time for measuring the output voltage; And modifying the parameter for the internal resistance by using the difference between the measured input / output current and the calculated input / output current.
다른 측면에서, 본 발명은, 배터리의 잔량을 측정하는 장치에 있어서, 배터리잔량, OCV(Open Circuit Voltage)함수 및 상기 배터리의 내부저항을 파라미터로 포함하는 배터리모델함수를 저장하는 메모리; 서로 다른 시간에서 상기 배터리의 출력전압 및 입출력전류를 측정하는 하나의 ADC(Analog Digital Converter); 상기 OCV함수에 상기 배터리잔량을 입력하여 상기 배터리의 개방회로전압을 계산하고 상기 개방회로전압과 상기 출력전압의 전압차를 상기 배터리모델함수에 입력하여 상기 배터리의 입출력전류를 계산하며 상기 계산된 입출력전류를 시적분하여 상기 배터리잔량을 갱신하는 배터리잔량추정부; 및According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring the remaining amount of a battery, comprising: a memory for storing a battery model function including a battery remaining amount, an OCV (Open Circuit Voltage) function and an internal resistance of the battery; An ADC (Analog Digital Converter) for measuring an output voltage and an input / output current of the battery at different times; Calculating an open circuit voltage of the battery by inputting the remaining battery amount into the OCV function, inputting a voltage difference between the open circuit voltage and the output voltage to the battery model function to calculate an input / output current of the battery, A battery remaining amount estimating unit for updating the battery remaining amount in time based on the current; And
상기 측정된 입출력전류와 상기 계산된 입출력전류의 차이를 이용하여 상기 내부저항에 대한 파라미터를 수정하는 파라미터보상부를 포함하는 배터리잔량 측정 장치를 제공한다.And a parameter compensator for correcting the parameter for the internal resistance by using the difference between the measured input / output current and the calculated input / output current.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 배터리잔량을 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 온도나 에이징에 의해 배터리 특성이 변화하더라도 온도 측정이나 에이징 측정 필요없이 배터리잔량을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 하나의 ADC로 배터리의 전압과 전류를 측정하여 배터리잔량 측정 장치의 회로적 부담을 최소화할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the remaining battery level can be measured accurately and quickly. Further, even when the battery characteristics are changed by temperature or aging, the residual battery amount can be accurately measured without necessity of temperature measurement or aging measurement. In addition, it is possible to minimize the circuit load of the battery remaining amount measuring device by measuring the voltage and current of the battery with one ADC.
도 1은 리튬 이온 배터리의 OCV 곡선의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 OCV 곡선을 얻기 위해 적용된 방전 프로파일을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리잔량 측정 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용될 수 있는 배터리모델의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치가 배터리잔량을 측정하는 일 예시 방법의 흐름도이다.
도 6은 섭씨 10도와 25에서 각각 측정된 Rs 값을 나타내는 도면이다.
도 7은 서로 다른 두 개의 전류 패턴에서 각각 측정된 Rs 값을 나타내는 도면이다.
도 8은 배터리잔량에 따른 Rs 값의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 배터리 파라미터를 보상하는 프로세스의 흐름도이다.
도 10은 ADC의 배터리 출력전압 및 입출력전류 측정 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 A부분을 확대한 도면이다.
도 12는 랜덤 전류의 충방전을 통한 일 실시예의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 상온 10도에서 시행된 일 실시예의 실험 결과를 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing an example of an OCV curve of a lithium ion battery.
Fig. 2 shows the discharge profile applied to obtain the OCV curve of Fig.
3 is a block diagram of a remaining battery level measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a circuit diagram of a battery model that can be applied to an embodiment of the present invention.
5 is a flow diagram of an exemplary method for an apparatus according to an embodiment of the present invention to measure the remaining battery level.
6 is a graph showing Rs values measured at 10 degrees Celsius and 25 degrees Celsius, respectively.
7 is a graph showing Rs values measured in two different current patterns.
8 is a diagram for explaining a change in the Rs value according to the remaining battery level.
9 is a flow chart of a process for compensating for battery parameters.
10 is a diagram showing timing of measuring the battery output voltage and the input / output current of the ADC.
11 is an enlarged view of a portion A in Fig.
12 is a diagram showing an experimental result of an embodiment through charging / discharging of a random current.
13 is a graph showing the results of an experiment conducted at an ambient temperature of 10 degrees.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible even if they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected to or connected to the other component, It should be understood that an element may be "connected," "coupled," or "connected."
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리잔량 측정 장치의 블록도이다.3 is a block diagram of a remaining battery level measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 배터리잔량 측정 장치(300, 이하 '장치'라 함)는 메모리(310), ADC(320) 및 제어기(330) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, a remaining battery
메모리(310)는 제어기(330)의 계산 수행에 필요한 각종 변수, 함수 및 파라미터들을 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(310)는 배터리잔량, OCV함수 (), 배터리모델함수, 배터리모델함수에 포함되는 배터리모델 파라미터, 배터리 출력전압 측정값, 배터리 입출력전류 측정값, 배터리 입출력전류 계산값 등을 저장할 수 있다.The
ADC(320)는 아날로그 전기신호를 디지털신호로 변환한다. 아날로그 전기신호는 전압신호일 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다.The
장치(300)는 ADC(320)를 통해 배터리의 출력전압을 측정할 수도 있고, 배터리의 입출력전류를 측정할 수도 있다.The
장치(300)는 하나의 ADC(320)로 두 가지의 값(배터리의 출력전압 및 배터리의 입출력전류)을 측정하기 위해 선택회로(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 선택회로는 필요에 따라 배터리의 출력단자와 연결되거나 배터리의 전류센서와 연결되면서 배터리의 출력전압을 입력받거나 전류센서의 센싱전압을 입력받을 수 있다.The
이때, 전류센서는 배터리와 직렬로 연결되어 있는 센싱저항일 수 있는데, ADC(320)는 센싱저항 양단에 형성되는 센싱전압을 통해 배터리의 입출력전류를 측정할 수 있다.At this time, the current sensor may be a sensing resistor connected in series with the battery, and the
제어기(330)는 장치(300)의 제반 기능을 제어하는 것으로서, 내부적으로 배터리잔량추정부(332) 및 파라미터보상부(334)를 포함할 수 있다.The
배터리잔량추정부(332)는 OCV함수 및 배터리모델함수를 이용하여 배터리잔량을 계산하는 블록이다.The remaining battery
배터리를 모델하는 방법에는 여러 가지가 있다. 물리화학적 관계식을 수식으로 모델할 수도 있으며 배터리 자체를 블랙 박스로 놓고, 신경회로망이나 퍼지, SVR(Support Vector Regression)과 같은 방법을 통해 수치적으로 모델을 할 수도 있다.There are many ways to model a battery. Physicochemical relationships can be modeled as equations, and the battery itself can be black-boxed and modeled numerically using methods such as neural networks, fuzzy or SVR (Support Vector Regression).
아래에서는 배터리의 물리화학적 특성을 회로와 연계시킨 회로 모델법을 사용하여 배터리를 모델하는 예에 대해 설명한다. 하지만 본 발명이 이로 제한되는 것은 아니며 본 발명에는 배터리모델함수를 도출할 수 있는 모든 방법이 적용될 수 있다.Below is an example of modeling a battery using a circuit modeling method that links the physicochemical properties of the battery to the circuit. However, the present invention is not limited thereto, and any method capable of deriving a battery model function can be applied to the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용될 수 있는 배터리모델의 회로도이다.4 is a circuit diagram of a battery model that can be applied to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 배터리모델은 개방회로전압을 모델링한 OCV전압원(Voc), 저항과 캐패시터가 병렬로 연결된 래더(ladder)로서 배터리의 확산을 모델링한 제1래더(R1//C1), 제2래더(R2//C2) 및 제3래더(R3//C3), 그리고 배터리 내부저항(Rs)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the battery model includes an OCV voltage source (Voc) modeling an open circuit voltage, a first ladder (R1 // C1) modeling diffusion of a battery as a ladder in which a resistor and a capacitor are connected in parallel, 2 ladder R2 / C2 and a third ladder R3 / C3, and a battery internal resistance Rs.
도 4에는 도시되지 않았지만 배터리모델은 이외에도 전하전달(Charge Transfer)을 모델링하는 저항 및 전기이중충(Double Layer)을 모델링하는 캐패시터 등을 더 포함할 수 있다.Although not shown in FIG. 4, the battery model may further include a resistance modeling a charge transfer, a capacitor modeling a double layer, and the like.
내부저항(Rs)은 배터리 양단을 포함하여 배터리 내부에 전하가 이동할 때, 이에 대한 방해 요소를 의미한다. 전극에서의 저항과 전해질에서 이온의 이동을 방해하는 저항을 모두 포함하는 값이다. 보통 가장 큰 부분은 전해질에서의 저항 성분이지만 배터리의 노화나 손상에 의해 쉽게 증가하는 부분은 전극에서의 저항 성분이다.The internal resistance Rs includes both ends of the battery, which is an obstacle to the movement of the charge inside the battery. It is a value that includes both the resistance at the electrode and the resistance that interferes with the movement of the ions in the electrolyte. Usually, the largest part is the resistance component in the electrolyte, but the part that easily increases due to aging or damage of the battery is the resistance component in the electrode.
내부저항(Rs)은 회로모델에서 가장 쉽게 묘사되는 부분으로 회로저항(R)과 일치한다.The internal resistance Rs corresponds to the circuit resistance R as the easiest part to describe in the circuit model.
공간상으로 배터리의 전기화학 반응은 전극 표면에서만 일어난다. 따라서 전해질에 녹아 들어간 화학물들은 전극 표면과의 거리 관계에 따라 다른 농도로 분포하게 된다. 이러한 이유로 배터리 내부에는 충분한 반응 물질이 존재하지만 전극 부분에는 반응 물질이 부족해서 단자 전압이 급속히 떨어지는 현상이 발생한다.The electrochemical reaction of the battery to space occurs only on the electrode surface. Therefore, the chemicals dissolved in the electrolyte are distributed at different concentrations depending on the distance from the electrode surface. For this reason, sufficient reactant exists in the battery, but terminal voltage drops rapidly due to a shortage of reactants in the electrode portion.
전극 부근에서의 화학반응으로 전해질 내부에 농도 구배를 형성하거나 이러한 농도 구배를 해소하기 위해 물질 이동이 이루어지는 현상을 확산이라고 한다.The phenomenon of the formation of a concentration gradient in the electrolyte due to a chemical reaction in the vicinity of the electrode or the movement of the material to solve this concentration gradient is called diffusion.
확산은 회로 모델에서 CPE(Constant Phase Element)로 모델될 수 있다. 현상적으로 전해질 내부에 농도 구배를 형성하는 것은 일종의 에너지 저장형태가 되어 캐패시턴스와 같이 해석된다. 그런데, 이것이 공간상으로 전극 부근에서만 반응을 일으키고 그 이외의 지역에서는 물질의 확산 통로만을 형성하기 때문에 확산은 직렬연결되는 저항과 병렬연결되는 캐패시터의 연속결합의 형태를 띄는 분산형(distributed) 시스템으로 모델될 수 있다.Diffusion can be modeled as a CPE (Constant Phase Element) in a circuit model. Developing a concentration gradient inside the electrolyte is a form of energy storage and interpreted as a capacitance. However, since this reacts only in the vicinity of the electrode in space and forms only the diffusion path of the material in the other regions, diffusion is a distributed system in which a resistor is connected in series and a capacitor is connected in series Can be modeled.
다만, 확산에 대한 이러한 CPE 모델은 너무 복잡하여 도 3의 RC래더(저항과 캐패시터가 병렬 연결된 래더)가 대체 모델로서 이용될 수 있다.However, this CPE model for diffusion is too complex, so that the RC ladder of FIG. 3 (ladder in which resistors and capacitors are connected in parallel) can be used as an alternative model.
도 4에 도시된 배터리모델에서는 RC래더가 3개 결합된 형태로 확산이 모델되어 있다. 확산에 사용되는 RC래더의 개수는 정확도 및 계산속도의 트레이드오프(trade-off)를 고려하여 결정할 수 있는데, RC래더의 개수가 증가할 수록 배터리모델의 정확도가 증가하나 계산속도는 반대로 느려지게 된다.In the battery model shown in FIG. 4, diffusion is modeled by combining three RC ladders. The number of RC ladders used for spreading can be determined in consideration of the trade-off between accuracy and computation speed. As the number of RC ladders increases, the accuracy of the battery model increases, but the computation speed decreases inversely .
한편, 개방회로전압(Voc)과 배터리 출력전압(Vm) 사이의 관계를 확인할 수 있다.On the other hand, the relationship between the open circuit voltage Voc and the battery output voltage Vm can be confirmed.
도 4의 회로도를 참조할 때, 배터리의 입출력전류(i)가 0A이고 RC래더의 각 캐패시터에 전하가 충전되어 있지 않다면 RC회로부(R1//C1, R2//C2, R3//C3 및 Rs)의 전압(Vds)이 0V가 되기 때문에 개방회로전압(Voc)은 출력전압(Vm)과 같게 된다.4, if the input / output current (i) of the battery is 0A and the respective capacitors of the RC ladder are not charged, the RC circuit portions R1 // C1, R2 // C2, R3 // C3 and Rs Becomes 0 V, the open circuit voltage Voc becomes equal to the output voltage Vm.
반면에 배터리의 입출력전류(i)가 0A가 아니거나 RC래더의 각 캐패시터에 전하가 충전되어 있으면 RC회로부(R1//C1, R2//C2, R3//C3 및 Rs)의 전압(Vds)이 OV가 아니기 때문에 개방회로전압(Voc)은 출력전압(Vm)은 아래 수학식 2와 같은 관계를 가지게 된다.On the other hand, if the input / output current (i) of the battery is not 0A or the charge of each capacitor of the RC ladder is charged, the voltage Vds of the RC circuit portions (R1 // C1, R2 // C2, R3 // C3 and Rs) Is not OV, the open circuit voltage (Voc) and the output voltage (Vm) have the relationship as shown in the following Equation (2).
한편, RC회로부(R1//C1, R2//C2, R3//C3 및 Rs)의 전압 Vds는 R1, C1, R2, C2, R3, C3 및 Rs를 파라미터로 하는 회로의 전압으로써 배터리 입출력전류(i)에 의해 그 값이 결정된다. 이를 역으로 보면, 입출력전류(i)와 RC회로부(R1//C1, R2//C2, R3//C3 및 Rs)의 전압 Vds의 관계는 수학식 3과 같은 관계를 가지게 된다.On the other hand, the voltage Vds of the RC circuit parts R1 / C1, R2 // C2, R3 // C3 and Rs is the voltage of the circuit using R1, C1, R2, C2, R3, (i). Conversely, the relationship between the input / output current (i) and the voltage Vds of the RC circuit sections (R1 // C1, R2 // C2, R3 // C3 and Rs)
수학식 3과 같이 배터리 입출력전류(i)는 배터리모델함수(fi)에 RC회로부(R1//C1, R2//C2, R3//C3 및 Rs)의 전압 Vds를 대입시켜 구할 수 있게 된다.Battery input-output current (i) as shown in Equation 3, by substituting the voltage Vds of the RC circuit (R1 // C1, R2 // C2 , R3 // C3 , and Rs) a battery model function (f i) it is possible to obtain .
배터리잔량추정부(332)는 이러한 수학식 2 및 수학식 3의 관계를 이용하여 배터리잔량을 계산할 수 있다.The battery remaining
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치가 배터리잔량을 측정하는 일 예시 방법의 흐름도이다.5 is a flow diagram of an exemplary method for an apparatus according to an embodiment of the present invention to measure the remaining battery level.
배터리잔량추정부(332)는 먼저 메모리(310)에 저장되어 있는 변수들을 초기화할 수 있다(S502).The remaining battery
S502 단계에서 개방회로전압(Voc)은 배터리 출력전압(Vm)으로 초기화될 수 있다.In step S502, the open circuit voltage Voc may be initialized to the battery output voltage Vm.
S502 단계에서 수학식 4와 같은 초기화는 일정한 조건을 만족하는 경우 진행하는 것이 바람직하다.In step S502, initialization such as Equation (4) preferably proceeds when a certain condition is satisfied.
예를 들어, 배터리 입출력전류(i)가 일정 시간 이상 0A로 유지된 경우, 배터리 출력전압(Vm)의 변동이 일정 시간 이상 없는 경우 혹은 장치(300)를 포함하는 어플리케이션(예를 들면, 휴대폰 혹은 전기자동차)이 일정 시간 이상 오프(off)되었다가 켜지는 경우 등에만 수학식 4와 같은 초기화가 진행될 수도 있다.For example, when the battery input / output current i is maintained at 0A for a certain period of time, the battery output voltage Vm does not fluctuate for a certain period of time, or when the application (for example, Electric vehicle) is turned off for a predetermined time or is turned on, the initialization may be performed as in Equation (4).
S502 단계에서 배터리잔량(Q)이 초기화될 수 있다.In step S502, the battery remaining amount Q may be initialized.
배터리잔량(Q)은 수학식 5와 같이 OCV역함수를 이용하여 초기화될 수 있다. 수학식 5가 이용되기 위해서는 수학식 4와 같이 개방회로전압(Voc)가 결정되는 과정이 선행되어야 한다.The battery remaining amount Q can be initialized using the inverse function of the OCV as shown in Equation (5). In order to use Equation (5), the process of determining the open circuit voltage (Voc) must be preceded by Equation (4).
배터리잔량(Q)은 일정한 값으로 초기화될 수도 있다. 예를 들어, 배터리가 충분히 충전되었을 때(만충되었을 때), 배터리잔량(Q)은 배터리의 총용량으로 초기화될 수 있다. 배터리 총용량이 2.6Ah일 경우 배터리잔량(Q)은 2.6Ah로 초기화될 수 있는 것이다.The battery remaining amount Q may be initialized to a constant value. For example, when the battery is sufficiently charged (full charge), the remaining battery charge Q can be initialized to the total capacity of the battery. When the total battery capacity is 2.6 Ah, the remaining battery power (Q) can be initialized to 2.6 Ah.
배터리잔량추정부(332)는 계산을 위한 이전 시간(t[k-1]) 값을 준비할 수 있다(S504).The battery remaining
배터리잔량추정부(332)는 △t의 주기마다 배터리잔량을 계산할 수 있다. 이에 따라 현재 시간(t[k])과 이전 시간(t[k-1])의 관계는 수학식 6과 같을 수 있다.The remaining battery
S504 단계가 S502 단계 바로 다음으로 수행되는 경우, 계산을 위한 이전 시간(t[k-1]) 값들은 S502 단계에서 초기화된 값들일 수 있다. 그렇지 않은 경우, 이전 시간(t[k-1]) 값들은 이전 시간(t[k-1])에 배터리잔량추정부(332)가 배터리잔량 계산을 위한 과정들을 수행하고 메모리(310)에 저장한 값들일 수 있다. 이러한 이전 시간(t[k-1]) 값들은 도 5에서는 S520 단계의 값들일 수 있다.If the step S504 is performed immediately after the step S502, the values of the previous time t [k-1] for calculation may be the values initialized in the step S502. Otherwise, the battery remaining
도 5를 참조하면, 배터리 출력전압(Vm)은 △t의 주기마다 측정되고, 현재 시간(t[k])의 배터리 출력전압(Vm[k])가 획득되면 배터리잔량추정부(332)는 배터리잔량 추정을 위한 변수들을 계산하게 된다(S510).5, the battery output voltage Vm is measured every period of? T, and when the battery output voltage Vm [k] of the current time t [k] is obtained, the battery remaining
S510 단계는 여러 단계로 세분될 수 있다.Step S510 may be subdivided into several steps.
먼저, 수학식 2에 따라 Vds가 계산될 수 있다(S512). 그런데, 수학식 2에서 배터리 출력전압(Vm)은 측정을 통해 현재 시간(t[k])의 값이 결정되지만 개방회로전압(Voc)은 현재 시간(t[k])의 값을 직접 구하기 어렵기 때문에 수학식 7과 같이 이전 시간(t[k-1])의 값이 이용될 수 있다.First, Vds can be calculated according to Equation (2) (S512). However, it is difficult to directly obtain the value of the current time t [k] although the value of the current time t [k] is determined by measuring the battery output voltage Vm in Equation (2) The value of the previous time (t [k-1]) can be used as shown in Equation (7).
배터리의 용량은 상대적으로 매우 큰 값이기 때문에 △t의 시간 변화 동안 개방회로전압(Voc)의 변화는 굉장히 작다. 따라서, 수학식 7과 같이 개방회로전압(Voc)으로 이전 시간(t[k-1]) 값을 사용하여도 Vds의 계산에 큰 오차가 발생하지 않는다.Since the capacity of the battery is a relatively large value, the change in the open circuit voltage (Voc) during the time change of? T is very small. Therefore, even when the value of the previous time t [k-1] is used as the open circuit voltage Voc as shown in Equation (7), a large error does not occur in the calculation of Vds.
Vds가 계산되면, 배터리잔량추정부(332)는 수학식 3에서 설명한 배터리모델함수를 이용하여 배터리 입출력전류(i)를 계산할 수 있다(S514).When Vds is calculated, the battery remaining
도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 배터리모델에는 캐패시터(C1, C2, C3)가 포함될 수 있다. 그런데, 캐패시터(C1, C2, C3)는 상태변수를 구성하기 때문에 이러한 캐패시터(C1, C2, C3)를 포함하는 배터리모델함수는 상태방정식의 형태를 가질 수 있다. 이러한 상태방정식에 따라, 캐패시터(C1, C2, C3) 전압(Vdf1, Vdf2, Vdf3)은 회귀적으로(recursively) 계산될 수 있다. 캐패시터 전압(Vdf1, Vdf2, Vdf3)이 결정되면, Rs에 형성되는 전압이 계산되기 때문에 이 전압에 따라 배터리 입출력전류(i)가 계산될 수 있다.As described with reference to FIG. 4, the battery model may include capacitors C1, C2, and C3. However, since the capacitors C1, C2, and C3 constitute state variables, a battery model function including these capacitors C1, C2, and C3 can take the form of a state equation. According to this state equation, the voltages (Vdf1, Vdf2, Vdf3) of the capacitors (C1, C2, C3) can be calculated recursively. When the capacitor voltages Vdf1, Vdf2 and Vdf3 are determined, the voltage formed in Rs is calculated, so that the battery input / output current i can be calculated according to this voltage.
한편, 배터리에서 확산 현상이 크지 않은 경우, 배터리모델은 저항으로만 모델될 수도 있다. 이 경우 배터리모델함수는 Vds를 저항(예를 들어, Rs)으로 나누어서 배터리의 입출력전류(i)를 구하는 형태를 가질 수 있다.On the other hand, if the diffusion phenomenon in the battery is not large, the battery model may be modeled only as a resistor. In this case, the battery model function may have a form in which the input / output current (i) of the battery is obtained by dividing Vds by a resistance (for example, Rs).
배터리 입출력전류(i)가 계산되면, 배터리잔량추정부(332)는 계산된 입출력전류(i)를 시적분하여 배터리잔량(Q)을 갱신한다(S516).When the battery input / output current i is calculated, the battery remaining
앞서 설명한 바와 같이 배터리잔량은 전하용량으로 표시될 수도 있고, SOC(State of Charge)의 형태로 표시될 수도 있는데, 수학식 9로 계산된는 배터리잔량은 전하용량으로 표시되는 값이다.As described above, the remaining amount of the battery may be expressed by a charge capacity or a state of charge (SOC). The remaining battery capacity calculated by Equation (9) is a value expressed by the charge capacity.
배터리잔량(Q)이 현재 시간(t[k])의 값으로 갱신되면, 배터리잔량추정부(332)는 이러한 배터리잔량(Q)을 이용하여 개방회로전압(Voc)를 계산한다(S518). 이때, OCV함수가 이용될 수 있다.When the battery remaining amount Q is updated to the value of the current time t [k], the battery remaining
배터리잔량(Q) 계산에 관련된 변수들이 모두 계산되면, 계산된 변수들은 메모리(310)에 저장되고(S520), 프로세스 종료가 아니면(S522에서 NO) 다음 번 배터리잔량(Q) 계산에 이용된다. 그리고, 프로세스 단계는 다시 S504 단계부터 반복하게 된다.When all of the variables related to the calculation of the battery remaining amount Q are calculated, the calculated variables are stored in the memory 310 (S520), and if not the process end (NO in S522), they are used for the next battery remaining amount Q calculation. Then, the process step is repeated from step S504.
한편, 배터리모델에 있어서 각각의 파라미터들(R1, C1, R2, C2, R3, C3, Rs)은 온도, 전류 패턴, 배터리잔량(Q), 배터리 사용횟수, 배터리 개체 별 차이 등에 의해 변할 수 있다.On the other hand, in the battery model, the parameters R1, C1, R2, C2, R3, C3, and Rs may vary depending on temperature, current pattern, battery remaining amount Q, number of times of battery use, .
도 6은 섭씨 10도와 25에서 각각 측정된 Rs 값을 나타내는 도면이다.6 is a graph showing Rs values measured at 10 degrees Celsius and 25 degrees Celsius, respectively.
도 6에서 점선은 섭씨 10도에서 전류 패턴을 주었을 때, 측정된 Rs 값이고, 실선은 섭씨 25도에서 전류 패턴을 주었을 때, 측정된 Rs 값이다. 여기서, Rs 값은 스펙트로스코피(spectroscopy) 혹은 임피던스어날라이저(impedance analyzer)를 통해 측정될 수도 있으며, 간이적으로는 최적의 SOC를 추정하는 Rs 값을 계산함으로써 획득될 수도 있다.6, the dotted line is the measured Rs value when the current pattern is given at 10 degrees Celsius, and the solid line is the measured Rs value when the current pattern is given at 25 degrees Celsius. Here, the Rs value may be measured through spectroscopy or an impedance analyzer, and may be obtained simply by calculating an Rs value for estimating the optimal SOC.
도 6을 참조하면, 섭씨 10도에서의 Rs 값(점선)이 섭씨 25도에서의 Rs 값(실선) 보다 큰 것을 알 수 있는데, 이와 같이 Rs 값은 배터리의 온도에 따라 크게 변할 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that the Rs value (dotted line) at 10 degrees Celsius is larger than the Rs value (solid line) at 25 degrees Celsius, and thus the Rs value can vary greatly depending on the temperature of the battery.
도 7은 서로 다른 두 개의 전류 패턴에서 각각 측정된 Rs 값을 나타내는 도면이다.7 is a graph showing Rs values measured in two different current patterns.
도 7을 참조하면, Rs 값은 전류 패턴에 따라서도 변한다는 것을 알 수 있다. 일반적으로 Rs 값은 전류 크기에 따라 변하는 것으로 알려져 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the Rs value also varies with the current pattern. It is generally known that the Rs value varies with current magnitude.
도 8은 배터리잔량에 따른 Rs 값의 변화를 설명하기 위한 도면이다.8 is a diagram for explaining a change in the Rs value according to the remaining battery level.
Rs 값은 배터리잔량(Q)에 따라서도 변하는 것으로 알려져 있는데, 도 8은 이러한 사실을 나타내는 도면이다.It is known that the Rs value also varies with the battery remaining amount Q, and FIG. 8 shows this fact.
도 8에서 참조번호 810a, 820a, 830a 및 840a는 각각 810b, 820b, 830b 및 840b와 같은 시점에서 측정된 값이다.8,
도 8의 (b)에서 전압이 내려가는 구간은 전류가 방전되는 구간이고 전압이 올라가는 구간은 입출력 전류가 없는 구간이다.In FIG. 8 (b), the voltage falling period is the period during which the current is discharged, and the voltage rising period is the period during which the input / output current is not present.
입출력 전류없이 전압이 올라가는 구간에서 배터리 전압의 기울기가 특정 값 이하가 되는 시점까지의 구간을 안정화 구간이라고 할 수 있는데, 도 8의 (b)에 표시된 t1, t2, t3 및 t4는 각각 도 8의 (a)에서 810a, 820a, 830a 및 840a에 해당되는 안정화 구간이다.The period from the point where the slope of the battery voltage becomes equal to or less than the specific value in the period in which the voltage increases without the input / output current is referred to as a stabilization period. The t1, t2, t3 and t4 shown in FIG. (a), 810a, 820a, 830a, and 840a.
이러한, t1, t2, t3 및 t4를 참조하면, 배터리잔량(Q)이 작아질수록 안정화 구간의 길이가 길어진다는 것을 알 수 있다. 안정화 구간의 길이가 길어진다는 것은 배터리의 RC 시정수가 커진다는 것으로, Rs 값이 커지는 것으로 이해할 수 있다. 이와 같 배터리잔량(Q)에 따라서도 Rs가 크게 변한다.Referring to t1, t2, t3, and t4, it can be seen that as the battery remaining amount Q becomes smaller, the length of the stabilization period becomes longer. If the length of the stabilization period is long, it can be understood that the RC time constant of the battery becomes large, and the value of Rs becomes large. As described above, Rs also varies greatly depending on the battery remaining amount Q.
이렇게 파라미터들이 변하는 경우, 수학식 8을 통해 계산되는 배터리 입출력전류(i)에 오차가 발생할 수 있는데, 이러한 오차는 수학식 9의 시적분 식에 의해 누적되면서 시간의 경과에 따라 배터리잔량(Q)의 오차를 점점 더 증가시킬 수 있다.When these parameters are changed, an error may occur in the battery input / output current (i) calculated by Equation (8), and this error is accumulated by the temporal division of Equation (9) Can be increased more and more.
이러한 파라미터 오차를 줄이기 위해 파라미터보상 프로세스가 수행될 수 있다.A parameter compensation process may be performed to reduce this parameter error.
파라미터보상부(334)는 별도의 프로세스에 따라 배터리모델함수의 파라미터들을 보상함으로써 배터리잔량추정부(332)의 계산 프로세스에 영향을 주지 않고 파라미터들을 보상할 수 있다.The
파라미터보상부(334)는 수학식 8에 의해 계산된 입출력전류(i)와 측정된 입출력전류(im)의 차이를 통해 배터리모델함수의 파라미터들을 보상할 수 있다. 배터리모델함수의 파라미터들에 오차가 없다면, i[k]=im[k]의 관계가 성립해야 한다. 그런데, 만약 계산된 입출력전류(i)와 측정된 입출력전류(im)에 차이가 발생한다면 이는 배터리모델함수의 파라미터들에 오차가 기인한 것으로 판단할 수 있다.The
수학식 11은 계산된 입출력전류(i)와 측정된 입출력전류(im)의 차이를 통해 배터리 내부저항(Rs) 파라미터를 수정하는 예시를 나타내고 있다. 온도와 에이징 등에 가장 민감하게 반응하는 것이 배터리 내부저항(Rs)이기 때문에 수학식 11과 같은 수식만 사용하여도 오차 감소의 큰 효과를 볼 수 있다. 하지만, 본 발명이 이러한 수학식 11로 제한되는 것은 아니며, 파라미터보상부(334)는 입출력전류(i)와 측정된 입출력전류(im)의 차이를 통해 다른 파라미터(예를 들어, R1, R2, R3 등)를 수정할 수도 있다.Equation (11) shows an example of modifying the battery internal resistance (Rs) parameter through the difference between the calculated input / output current (i) and the measured input / output current (im). Since it is the battery internal resistance (Rs) that reacts most sensitively to temperature and aging, a large effect of reducing the error can be seen even if only the formula (11) is used. However, the present invention is not limited to Equation (11), and the
오차 보정에 사용되는 보정계수(K)의 절대값 크기는 보정의 정도에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 파라미터보상부(334)는 파라미터보상을 민감하게 수행하고자 하는 경우 보정계수(K)의 절대값 크기를 크게 할 수 있고, 민감도를 낮추고자 하는 경우 보정계수(K)의 절대값 크기를 작게 할 수 있다. 다만, 보정계수(K)의 절대값 크기가 일정 값을 초과하는 경우 시스템이 안정되지 않고 발산하거나 진동할 수 있다.The magnitude of the absolute value of the correction coefficient K used for error correction may have a different value depending on the degree of correction. For example, the
보정계수(K)의 부호는 입출력전류 의 부호에 의해 결정된다. 측정된 입출력전류(im)와 계산된 입출력전류(i)가 모두 양수일 때는 K 가 양수값을 갖는다. 이로 인해 계산된 입출력전류(i)가 측정된 입출력전류(im)보다 큰 경우 IERR은 양수값을 갖게 되고, 이것이 양수인 보정계수(K)에 곱해져 내부저항(Rs)에 대한 파라미터를 증가시켜 이후 계산에서 i가 작게 계산되게 한다. 반대로 측정된 입출력전류(im)와 계산된 입출력전류(i)가 모두 음수이고 IERR 이 양수값이라면 측정된 입출력전류(im)의 절대값이 계산된 입출력전류(i)의 절대값보다 큰 경우이다. 이때는 내부저항(Rs)을 감소시켜 i의 절대값을 크게 만들어야 하므로, 보정계수(K)는 음수 값을 갖는다. The sign of the correction coefficient K is determined by the sign of the input / output current. When both the measured input / output current (im) and the calculated input / output current (i) are positive, K has a positive value. When the calculated input / output current i is larger than the measured input / output current im, IERR has a positive value, which is multiplied by a positive correction coefficient K to increase the parameter for the internal resistance Rs Let i be small in the calculation. If the measured input / output current im and the calculated input / output current i are both negative values and the IERR is a positive value, then the absolute value of the measured input / output current im is larger than the absolute value of the calculated input / output current i . At this time, since the internal resistance Rs must be decreased to increase the absolute value of i, the correction coefficient K has a negative value.
측정된 입출력전류(im)와 계산된 입출력전류(i)의 부호가 다를 경우, 보정계수(K)의 부호는 알고리즘의 적용 방식에 따라 달라지는데, OCV 커브를 중시한다면 내부저항(Rs)가 감소하는 방향으로, 혹은 전류를 중시한다면 내부저항(Rs)이 증가하는 방향으로 보정계수(K)의 부호를 정해주면 된다.If the sign of the measured input / output current im and the sign of the calculated input / output current i are different, the sign of the correction coefficient K varies depending on the application method of the algorithm. If the OCV curve is taken into consideration, the internal resistance Rs decreases Direction, or if the current is emphasized, the sign of the correction coefficient K should be determined in a direction in which the internal resistance Rs increases.
한편, 파라미터보상부(334)는 전류의 크기에 따라 보상계수(K)를 다르게 제어할 수 있다. 아래는 전류가 작게 흐를 때의 보상계수(K)에 대한 제어 실시예이다.Meanwhile, the
전류가 작게 흐를 때 측정되는 배터리 전압(Vm)은 OCV에 가까워 진다. 이에 따라 파라미터보상부(334)는 전류가 작게 흐를 경우, Voc가 측정 전압(Vm)으로 수렴되도록 보정계수(K)를 조정할 수 있다. 이와 같은 보정계수(K) 조정방법은 파라미터보상부(334)가 OCV 전압을 중시하여 보정계수(K)를 조정한 실시예이다.The battery voltage (Vm) measured when the current flows small approaches OCV. Accordingly, the
이와 다르게 파라미터보상부(334)는 전류값이 좀더 중시되도록 보정계수(K)를 조정할 수 있다. 예를 들어, 전류가 거의 소모되지 않을 때의 배터리잔량(Q)에는 변화가 거의 없는데 이를 위해 파라미터보상부(334)는 배터리 입출력전류(i)가 작아지도록 보정계수(K)를 조정할 수 있다.Alternatively, the
이에 대하여 파라미터보상부(334)는 모드를 나누어 보정계수(K)를 다르게 제어할 수 있다.In contrast, the
먼저, 파라미터보상부(334)는 OCV 전압(Voc)을 추종하는 모드로 작동할 수 있다. 이때, Voc는 Vm을 신속히 따라가도록 제어되는데 이를 위해 파라미터보상부(334)는 배터리 입출력전류(i)가 크게 계산되도록 Rs가 작아지는 방향으로 보정계수(K)를 조정할 수 있다.First, the
다른 모드로서, 파라미터보상부(334)는 전류를 추종하는 모드로 작동할 수 있다. 파라미터보상부(334)는 측정한 전류값(도 6의 im 참조)이 일정 값 이하이거나 일정 값 이하를 여러 번 나타낼 때 이러한 전류 추종 모드로 진입할 수 있다. 이러한 전류 추종 모드에서 파라미터보상부(334)는 배터리 입출력전류(i)가 작게 계산되도록 Rs가 증가하는 방향으로 보정계수(K)를 조정할 수 있다.As another mode, the
도 9는 배터리 파라미터를 보상하는 프로세스의 흐름도이다.9 is a flow chart of a process for compensating for battery parameters.
도 9를 참조하면, 장치(300)는 ADC(320)를 이용하여 배터리 출력전압(Measured Voltage, Vm)과 배터리 입출력전류(Measured Current, im)를 측정한다.Referring to FIG. 9, the
측정된 배터리 출력전압(Measured Voltage, Vm)은 배터리 입출력전류 계산(Current Estimation)에 사용된다.Measured battery output voltage (Measured Voltage, Vm) is used for battery input / output current calculation (Current Estimation).
그리고, 배터리 입출력전류 계산(Current Estimation)을 통해 계산된 입출력전류(Estimated Current, i)와 측정된 입출력전류(Measured Current, im)의 차이는 내부저항 파라미터 보상(Rs Calibration)에 사용된다.The difference between the estimated current (i) and the measured input / output current (measured current im) calculated through the battery input / output current calculation (Current Estimation) is used for the internal resistance parameter compensation (Rs calibration).
이러한 파라미터 보상 프로세스와는 별도로 배터리 입출력전류 계산(Current Estimation)을 통해 계산된 입출력전류(Estimated Current, i)는 배터리잔량계산(SOC Estimation)에 사용되고 최종적으로 배터리잔량(SOC)이 도출된다.Apart from this parameter compensation process, the input / output current (Estimated Current, i) calculated through the battery input / output current calculation (Current Estimation) is used in the battery remaining amount calculation (SOC estimation) and finally the battery remaining amount (SOC) is derived.
한편, 전술한 배터리 파라미터 보상 프로세스를 수행하기 위해서는 배터리의 출력전압(Vm)과 배터리의 입출력전류(im)가 모두 측정되어야 한다.In order to perform the above-described battery parameter compensation process, both the output voltage Vm of the battery and the input / output current im of the battery must be measured.
이를 위해 장치(300)는 2개의 ADC를 사용할 수 있다. 하지만, IC(Integrated Circuit)의 형태로 장치(300)를 구현하는 경우 2개의 ADC는 회로적인 부담을 줄 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에서는 1개의 ADC(320)를 이용하여 배터리의 출력전압(Vm)과 배터리의 입출력전류(im)를 모두 측정하는 기술을 제안하고 있다.To this end, the
하나의 ADC(320)로 두 개의 값을 측정하기 위해 일 실시예에 따른 장치(300)는 서로 다른 시간에서 배터리의 출력전압(Vm)과 배터리의 입출력전류(im)를 측정한다.To measure two values with a
도 10은 ADC의 배터리 출력전압 및 입출력전류 측정 타이밍을 나타내는 도면이다.10 is a diagram showing timing of measuring the battery output voltage and the input / output current of the ADC.
도 10을 참조하면, ADC(320)는 △t의 주기마다 배터리 출력전압(Vm)을 측정하고 있다. 그리고, ADC(320)는 배터리 출력전압(Vm)과 다른 시간에서 배터리 입출력전류(im)을 측정(도 10에서 'Current meas' 참조)하고 있다.Referring to Fig. 10, the
ADC(320)는 △t의 주기마다 배터리 출력전압(Vm)을 측정하고, N△t(N은 2 이상의 자연수)의 주기마다 M(M은 2 이상의 자연수)번 배터리 입출력전류(im)를 측정하고 있다.The
여기서, N△t는 충분히 크고(6초 이상), M은 충분히 작은 값(최소 2)을 가져서 장치(300)의 전력소모를 줄일 수 있다. 예를 들어, N은 M보다 큰 값일 수 있다. 이 경우, 같은 주기 내에서 배터리 출력전압(Vm)에 대한 측정 횟수가 배터리 입출력전류(im)에 대한 측정 횟수보다 크게 된다.Where N DELTA t is sufficiently large (greater than 6 seconds) and M has a sufficiently small value (minimum of 2) to reduce power consumption of the
배터리 파라미터는 느린 주기로 변하기 때문에 이렇게 N△t를 충분히 크게 설정하여도 파라미터보상의 정확도가 낮아지지는 않는다.Since the battery parameter changes in a slow cycle, setting the NΔt to a sufficiently large value does not lower the accuracy of the parameter compensation.
한편, 파라미터보상을 위해 사용되는 계산된 입출력전류(i)와 측정된 입출력전류(im)는 같은 시간의 값이어야 계산의 정확도가 올라간다. 그런데, 하나의 ADC(320)를 이용하여 배터리의 출력전압(Vm)과 배터리의 입출력전류(im)를 측정하는 경우 측정 시간이 서로 달라 문제가 될 수 있다.On the other hand, the calculated input / output current (i) and the measured input / output current (im) used for parameter compensation must be the same time value to increase the accuracy of calculation. However, when the output voltage Vm of the battery and the input / output current im of the battery are measured using one
파라미터보상부(334)는 입출력전류(im)를 2번 이상 측정하고 이를 이용하여 측정 시간 사이의 값을 추정하는 방법으로 위와 같은 문제를 해결할 수 있다.The
도 11은 도 10의 A부분을 확대한 도면이다.11 is an enlarged view of a portion A in Fig.
도 11을 참조하면, ADC(320)는 배터리 출력전압이 측정되는 t[k] 시간 전후로 연속하여 배터리 입출력전류(im)를 측정할 수 있다.Referring to FIG. 11, the
순차적으로 보면, ADC(320)는 제1시간(t[k-0.5])에서 배터리 입출력전류(im)를 측정하여 제1전류값(im[k-0.5])을 획득하고 제2시간(t[k])에서 배터리 출력전압(Vm)을 측정하며 제3시간(t[k+0.5])에서 배터리 입출력전류(im)를 측정하여 제2전류값(im[k+0.5])을 획득한다.In turn, the
파라미터보상부(334)는 이러한 제1전류값(im[k-0.5])과 제2전류값(im[k+0.5])을 이용하여 현재 시간(t[k])의 배터리 입출력전류(im)를 측정할 수 있다. 일 예시로, 배터리 입출력전류(im)를 측정하는 제1시간과 제3시간이 평균이 제2시간과 일치하는 경우, 파라미터보상부(334)는 제1전류값과 제2전류값을 평균내는 방법으로 현재 시간(t[k])의 배터리 입출력전류(im)를 측정할 수 있다.The
다른 예시로서, 파라미터보상부(334)는 보간법을 이용하여 제1시간의 제1전류값과 제3시간의 제2전류값을 제2시간의 값으로 변환한 값과 계산된 입출력전류(i)의 차이(Ierr)를 이용하여 내부저항(Rs)에 대한 파라미터를 수정할 수도 있다.As another example, the
도 12는 랜덤 전류의 충방전을 통한 일 실시예의 실험 결과를 나타내는 도면이다.12 is a diagram showing an experimental result of an embodiment through charging / discharging of a random current.
도 12의 결과에서 녹색 그래프는 비교 대상이 되는 기준 SOC이다. 본 실험에서는 정밀 전류 측정기를 통한 전류적산법의 결과값을 기준 SOC로서 설정하였다.12, the green graph is a reference SOC to be compared. In this experiment, the result of the current integration method using a precision current meter is set as a reference SOC.
도 12의 결과에서 적색 그래프는 도 5를 참조하여 설명한 배터리잔량 측정 방법이 적용된 결과이다.The red graph in the result of FIG. 12 is a result of applying the battery remaining amount measuring method described with reference to FIG.
그리고, 도 12의 결과에서 파란 그래프는 녹색 그래프(기준 SOC)와 적색 그래프(일 실시예의 결과 SOC)의 차이를 나타낸다.12, the blue graph represents the difference between the green graph (reference SOC) and the red graph (the result SOC of one embodiment).
도 12를 참조하면, 녹색 그래프와 적색 그래프가 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 두 그래프의 차이인 파란 그래프를 살펴보면, 일 실시예에 따른 배터리잔량 측정 방법의 오차가 +/-2%의 오차 범위에 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 12, it can be seen that the green graph and the red graph substantially coincide. Also, the blue graph, which is the difference between the two graphs, shows that the error of the battery residual amount measurement method according to one embodiment is within an error range of +/- 2%.
도 13은 상온 10도에서 시행된 일 실시예의 실험 결과를 나타내는 도면이다.13 is a graph showing the results of an experiment conducted at an ambient temperature of 10 degrees.
도 13의 좌측 그래프에서 파란색 그래프는 기준 SOC이다. 본 실험에서는 정밀 전류 측정기를 통한 전류적산법의 결과값을 기준 SOC로서 설정하였다.In the left graph of FIG. 13, the blue graph is the reference SOC. In this experiment, the result of the current integration method using a precision current meter is set as a reference SOC.
도 13의 좌측 그래프에서 녹색 그래프는 도 5를 참조하여 설명한 배터리잔량 측정 방법에 도 9를 참조하여 설명한 파라미터보상 방법이 더 적용된 결과이다.The green graph in the left graph of FIG. 13 is a result of applying the parameter compensation method described with reference to FIG. 9 to the battery remaining amount measuring method described with reference to FIG.
도 13을 참조하면 저온 상태(상온 10도)에서도 기준 SOC와 실험 결과에 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13, it can be seen that there is no significant difference between the reference SOC and the experimental result even at a low temperature condition (
도 13의 우측 그래프는 실험에서 보상된 배터리 내부저항(Rs)을 나타낸 그래프이다.The right graph of FIG. 13 is a graph showing the battery internal resistance Rs compensated in the experiment.
도 13의 우측 그래프를 참조하면, 내부저항(Rs)이 증가하는 경향을 보이는데, 이는 온도가 낮을 때 나타나는 배터리의 전형적인 특성이다. 이와 같이, 일 실시예에 따른 파라미터보상을 통해 내부저항(Rs)이 정확하게 보상되었기 때문에 도 13의 좌측 그래프와 같이 배터리잔량의 오차가 작게 나온 것이다.Referring to the right graph of FIG. 13, the internal resistance Rs tends to increase, which is a typical characteristic of a battery when the temperature is low. As described above, since the internal resistance Rs is accurately compensated by the parameter compensation according to the embodiment, the residual error of the battery is small as shown in the left graph of FIG.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 배터리잔량을 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 온도나 에이징에 의해 배터리 특성이 변화하더라도 온도 측정이나 에이징 측정 필요없이 배터리잔량을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 하나의 ADC로 배터리의 전압과 전류를 측정하여 배터리잔량 측정 장치의 회로적 부담을 최소화할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the remaining battery level can be measured accurately and quickly. Further, even when the battery characteristics are changed by temperature or aging, the residual battery amount can be accurately measured without necessity of temperature measurement or aging measurement. In addition, it is possible to minimize the circuit load of the battery remaining amount measuring device by measuring the voltage and current of the battery with one ADC.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 장치 및 방법은 전류적산법(Coulomb Counter)이 아닌 간헐적 전류 측정으로 매우 높은 정밀도를 달성할 수 있다.Specifically, the apparatus and method according to an embodiment of the present invention can attain very high precision by intermittent current measurement rather than the Coulomb Counter.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치 및 방법은 별도의 전류적산계를 사용하지 않고 단일 ADC를 이용해 전류와 전압을 모두 측정하고, 이러한 전류 및 전압을 시간 공유(time sharing) 방식을 사용하여 비교함으로써 배터리 파라미터를 보상할 수 있다.In addition, the apparatus and method according to an embodiment of the present invention measure both current and voltage using a single ADC without using a separate current totalizer, and compare the current and voltage using a time sharing method Thereby compensating for battery parameters.
도 6 내지 도 8을 참조하여 살펴본 바와 같이 Rs는 배터리 온도, 전류 크기 혹은 전류 패턴, 배터리잔량(Q)에 따라 크게 변한다.As described with reference to FIGS. 6 to 8, Rs varies greatly depending on the battery temperature, the current magnitude or the current pattern, and the battery remaining amount Q.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치 및 방법은 이러한 변화하는 Rs를 보정함으로써 배터리잔량 추정에 있어서 짧은 기간 정확도(short term accuracy)를 높일 수 있다.The apparatus and method according to an embodiment of the present invention can improve the short term accuracy in battery remaining amount estimation by correcting this changing Rs.
또한, 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이 파라미터보상부(334)는 Voc가 측정 전압(Vm)을 따라가게 하는 모드로 작동할 수 있는데, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치 및 방법은 OCV 전압(Voc)을 빠르게 추종할 수 있어, 긴 기간 정확도(long term accuracy)도 높일 수 있다.9, the
이러한 측면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 장치 및 방법은 전류적산법의 장점과 전압측정알고리즘의 장점을 모두 가지고 있다.In this respect, the apparatus and method according to an embodiment of the present invention have both the advantages of the current integration method and the advantages of the voltage measurement algorithm.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.It is to be understood that the terms "comprises", "comprising", or "having" as used in the foregoing description mean that the constituent element can be implanted unless specifically stated to the contrary, But should be construed as further including other elements. All terms, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used terms, such as predefined terms, should be interpreted to be consistent with the contextual meanings of the related art, and are not to be construed as ideal or overly formal, unless expressly defined to the contrary.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (9)
배터리잔량의 초기값을 저장하는 단계;
상기 배터리잔량을 인수로 하는 OCV(Open Circuit Voltage)함수를 이용하여 상기 배터리의 개방회로전압을 계산하는 단계;
하나의 ADC(Analog Digital Converter)를 이용하여, 순차적인 제1시간, 제2시간 및 제3시간에 대하여, 제1시간에서 상기 배터리의 입출력전류를 측정하여 제1전류값을 획득하고 제2시간에 상기 배터리의 출력전압을 측정하며 제3시간에 상기 배터리의 입출력전류를 측정하여 제2전류값을 획득하는 단계;
상기 개방회로전압과 상기 출력전압의 전압차를 인수로 하고 상기 배터리의 내부저항을 파라미터로 포함하는 배터리모델함수를 이용하여 상기 배터리의 입출력전류를 계산하는 단계;
계산된 입출력전류를 시적분하여 상기 배터리잔량을 갱신하는 단계;
보간법을 이용하여 상기 제1시간의 상기 제1전류값과 상기 제3시간의 상기 제2전류값을 상기 제2시간의 값으로 변환한 값과 상기 계산된 입출력전류의 차이를 이용하여 상기 내부저항에 대한 파라미터를 수정하는 단계를 포함하는 배터리잔량 측정 방법.A method for measuring the remaining amount of a battery,
Storing an initial value of the battery remaining amount;
Calculating an open circuit voltage of the battery using an OCV (Open Circuit Voltage) function taking the battery remaining amount as a factor;
Output current of the battery is measured for a first time, a second time, and a third time sequentially by using one ADC (Analog Digital Converter) to acquire a first current value and a second time Measuring an output voltage of the battery and measuring a input / output current of the battery at a third time to obtain a second current value;
Calculating an input / output current of the battery using a battery model function including a voltage difference between the open circuit voltage and the output voltage as a parameter and including the internal resistance of the battery as a parameter;
Updating the battery remaining amount in time based on the calculated input / output current;
The interpolation method is used to calculate the internal resistance of the first and second transistors by using the difference between the first current value of the first time and the second current value of the third time into the value of the second time, And modifying a parameter for the battery.
상기 내부저항에 대한 파라미터를 수정하는 단계에서,
상기 내부저항에 대한 파라미터는 아래 수식에 따라 수정되는 것을 특징으로 하는 배터리잔량 측정 방법.
Rs,new = Rs + K(Iest - Imea), Rs는 상기 내부저항에 대한 파라미터, Rs,new는 갱신된 Rs, K는 보정계수, Iest는 계산된 입출력전류, Imea는 측정된 입출력전류The method according to claim 1,
In modifying the parameters for the internal resistance,
Wherein the parameter for the internal resistance is modified according to the following equation.
Rs, new is the updated Rs, K is the correction factor, Iest is the calculated input / output current, Imea is the measured input / output current (Ie)
상기 계산된 입출력전류의 절대값이 상기 측정된 입출력전류의 절대값보다 큰 경우 상기 내부저항에 대한 파라미터는 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리잔량 측정 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the parameter for the internal resistance increases when the absolute value of the calculated input / output current is greater than the absolute value of the measured input / output current.
상기 배터리의 출력전압 및 입출력전류를 측정하는 단계에서,
상기 배터리의 출력전압은 T의 주기로 측정되고, 상기 배터리의 입출력전류는 NT(N은 2이상의 자연수)의 주기로 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리잔량 측정 방법.The method according to claim 1,
In the step of measuring the output voltage and the input / output current of the battery,
Wherein the output voltage of the battery is measured in a cycle of T, and the input / output current of the battery is measured in a cycle of NT (N is a natural number of 2 or more).
배터리잔량, OCV(Open Circuit Voltage)함수 및 상기 배터리의 내부저항을 파라미터로 포함하는 배터리모델함수를 저장하는 메모리;
순차적인 제1시간, 제2시간 및 제3시간에 대하여, 제1시간에서 상기 배터리의 입출력전류를 측정하여 제1전류값을 획득하고 제2시간에 상기 배터리의 출력전압을 측정하며 제3시간에 상기 배터리의 입출력전류를 측정하여 제2전류값을 획득하는 하나의 ADC(Analog Digital Converter);
상기 OCV함수에 상기 배터리잔량을 입력하여 상기 배터리의 개방회로전압을 계산하고 상기 개방회로전압과 상기 출력전압의 전압차를 상기 배터리모델함수에 입력하여 상기 배터리의 입출력전류를 계산하며 상기 계산된 입출력전류를 시적분하여 상기 배터리잔량을 갱신하는 배터리잔량추정부; 및
보간법을 이용하여 상기 제1시간의 상기 제1전류값과 상기 제3시간의 상기 제2전류값을 상기 제2시간의 값으로 변환한 값과 상기 계산된 입출력전류의 차이를 이용하여 상기 내부저항에 대한 파라미터를 수정하는 파라미터보상부를 포함하는 배터리잔량 측정 장치.An apparatus for measuring the remaining amount of a battery,
A memory for storing a battery model function including a battery remaining amount, an OCV (Open Circuit Voltage) function and an internal resistance of the battery as parameters;
Output current of the battery at a first time to obtain a first current value for a first time, a second time and a third time, An ADC (Analog Digital Converter) for measuring an input / output current of the battery to obtain a second current value;
Calculating an open circuit voltage of the battery by inputting the remaining battery amount into the OCV function, inputting a voltage difference between the open circuit voltage and the output voltage to the battery model function to calculate an input / output current of the battery, A battery remaining amount estimating unit for updating the battery remaining amount in time based on the current; And
The interpolation method is used to calculate the internal resistance of the first and second transistors by using the difference between the first current value of the first time and the second current value of the third time into the value of the second time, And a parameter compensating unit for correcting the parameter for the battery.
상기 ADC는,
일정 주기에서의 출력전압 측정 횟수가 입출력전류 측정 횟수보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리잔량 측정 장치.8. The method of claim 7,
The ADC includes:
Wherein the number of times of measurement of the output voltage in the constant cycle is larger than the number of times of measurement of the input / output current.
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- 2014-09-23 KR KR1020140127058A patent/KR101653967B1/en active IP Right Grant
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