KR101702868B1 - 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법 - Google Patents

배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 배터리 셀 전류(I)는 측정 기간 동안 측정되고, 배터리 셀의 개방 단자 전압(UOCV1, UOCV2)은 측정 기간의 시작과 끝에 측정된다. 상기 방법은 측정된 배터리 셀 전류(I)로부터 총 배터리 셀 전류(Iges)를 검출하는 단계, 측정된 개방 단자 전압(UOCV1, UOCV2)을 기초로 측정 기간의 시작과 끝에 충전 상태들(SOC1, SOC2)을 검출하는 단계, 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 충전 상태들(SOC1, SOC2) 사이의 차이를 기초로 용량의 추정치(Qest)를 검출하는 단계, 총 배터리 셀 전류(Iges)와 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 측정 에러들로부터 용량의 추정치(Qest)의 총 측정 에러를 검출하는 단계, 및 용량의 공지값(Qact), 용량(Q)의 추정치 및 총 측정 에러를 기초로 용량의 새로운 값(Qnew)을 검출하는 단계를 포함한다. 용량의 새로운 값(Qnew)이 용량의 공지값(Qact) 및 용량의 추정치(Qest)와 단조 관계에 있으므로, 총 측정 에러의 적어도 하나의 제 1 값의 경우 용량의 새로운 값(Qnew)은 상기 적어도 하나의 제 1 값보다 큰, 총 측정 에러의 적어도 하나의 제 2 값의 경우보다 더 강력히 용량의 추정치(Qest)에 의해 결정되고, 총 측정 에러의 값의 제 1 값의 경우 용량의 새로운 값(Qnew)은 총 측정 에러의 제 2 값의 경우보다 덜 강력히 용량의 공지값(Qact)에 의해 결정된다. 본 발명은 또한 상기 방법을 실시하도록 설계된 컴퓨터 프로그램, 배터리 관리 시스템(2), 및 자동차에 관한 것이다.

Description

배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DETERMINING THE CAPACITY OF A BATTERY CELL}
본 발명은 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법 및 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 상기 방법을 실시하도록 설계된 컴퓨터 프로그램, 배터리 관리 시스템, 및 자동차에 관한 것이다.
하이브리드 차 및 전기 차에는 리튬-이온 기술의 배터리 팩들이 사용되며, 상기 배터리 팩은 직렬로 접속된 다수의 전기 화학 셀들로 이루어진다. 배터리 관리 시스템은 배터리를 모니터링하기 위해 사용되며, 안전 모니터링과 더불어 배터리의 가급적 긴 수명을 보장해야 한다. 배터리 관리 시스템의 과제는 셀의 충전 용량을 결정하는 것이다.
JP 2011-257226은 배터리의 단자 전압을 기초로 배터리의 잔여 용량을 결정하기 위한 방법을 개시하고, 이 경우 에러는 다수의 검출 방법의 조합에 의해 최소화된다. 배터리의 잔여 용량은 더 적은 에러를 가지고 결정되었던 것으로서 결정된다.
본 발명의 목적은 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법 및 배터리 관리 시스템을 제공하는 것이다.
배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법에서, 측정 기간 동안 배터리 셀 전류(I)가 측정되고, 측정 기간의 시작과 끝에 배터리 셀의 개방 단자 전압(UOCV1, UOCV2)이 측정된다. 상기 방법은 하기 단계들을 포함한다:
a) 측정된 배터리 셀 전류(I)로부터 총 배터리 셀 전류(Iges)를 검출하는 단계,
b) 측정된 개방 단자 전압(UOCV1, UOCV2)을 기초로 측정 기간의 시작과 끝에 충전 상태들(SOC1, SOC2)을 검출하는 단계,
c) 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 충전 상태들(SOC1, SOC2) 사이의 차이를 기초로 용량의 추정치(Qest)를 검출하는 단계,
d) 총 배터리 셀 전류(Iges)와 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 측정 에러들로부터 용량의 추정치(Qest)의 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00001
를 검출하는 단계,
e) 용량의 공지값(Qact), 용량의 추정치(Qest) 및 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00002
를 기초로 용량의 새로운 값(Qnew)을 검출하는 단계.
용량의 새로운 값(Qnew)이 용량의 공지값(Qact) 및 용량의 추정치(Qest)와 단조 관계에 있으므로, 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00003
의 적어도 하나의 제 1 값의 경우 용량의 새로운 값(Qnew)은 상기 적어도 하나의 제 1 값보다 큰, 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00004
의 적어도 하나의 제 2 값의 경우보다 더 강력히 용량의 추정치(Qest)에 의해 결정되고, 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00005
의 값의 제 1 값의 경우 용량의 새로운 값(Qnew)은 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00006
의 제 2 값의 경우보다 덜 강력히 용량의 공지값(Qact)에 의해 결정된다.
용량의 공지값(Qact)은 업데이트되어 용량의 새로운 값(Qnew)을 형성한다. 측정 에러들이 크면, 용량의 새로운 값(Qnew)은 측정에 의해 강력히 변화되지 않는 반면, 측정 에러들이 작으면, 용량의 새로운 값(Qnew)은 측정에 의해 강력히 변화된다. 이로 인해, 배터리의 용량 추정의 새로운 품질이 달성되고, 상기 품질은 용량의 현재 공지값(Qact)과 용량의 추정치(Qest) 사이의 가중에 의해 나타난다. 이는 셀의 용량이 측정의 빈도에 비해 비교적 느리게 변화되기 때문에 중요하다. 예컨대, 주당 한 번의 용량 측정이 실시된다. 이에 비해, 용량의 감소는 약 10년 내에 20% 정도이다.
2개의 변수 사이의 단조 관계는 본 발명의 범위에서 제 1 변수의 더 큰 값이 항상 제 2 변수의 동일한 또는 더 큰 값과 관련되는 함수 관계를 말한다. 용량의 새로운 값(Qnew)과 용량의 공지값(Qact) 사이의 이러한 단조 관계는 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00007
의 전체 값 범위에 걸쳐 또는 부분적으로 지수적으로 또는 다항식으로 주어지고, 특히 2차로, 선형으로 또는 비례적으로 주어진다. 용량의 새로운 값(Qnew)과 용량의 추정치(Qest) 사이의 단조 관계도 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00008
의 전체 값 범위에 걸쳐 또는 부분적으로 지수적으로 또는 다항식으로 주어지고, 특히 2차로, 선형으로 또는 비례적으로 주어진다. 다른 바람직한 실시예에 따라, 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00009
의 제 1 한계치 미만의 용량의 새로운 값(Qnew)은 실질적으로 용량의 추정치(Qest)에 의해 결정된다. "실질적으로" 라는 표현은 용량의 새로운 값이 용량의 추정치(Qest)와 동일하거나, 또는 용량의 새로운 값의 높은 퍼센티지, 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00010
의 제 1 한계치 미만에서 항상 90%를 초과하는 퍼센티지가 용량의 추정치(Qest)와 동일한 것을 의미한다. 이로 인해, 너무 작은 에러를 발생시켰던 측정들이 거의 완전히 수용된다.
바람직한 실시예에 따라, 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00011
의 제 2 한계치를 초과하는 용량의 새로운 값(Qnew)은 실질적으로 용량의 공지값(Qact)에 의해 결정된다. "실질적으로" 라는 표현은 용량의 새로운 값이 용량의 공지값(Qact)과 동일하거나, 또는 용량의 새로운 값의 높은 퍼센티지, 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00012
의 제 2 한계치 초과에서 항상 90%를 초과하는 퍼센티지가 용량의 공지값(Qact)과 동일한 것을 의미한다. 이로 인해, 너무 큰 에러를 발생시켰던 측정들이 완전히 또는 거의 완전히 거절된다.
바람직한 실시예에 따라 방법은 추가의 단계를 포함한다:
f) 가중 팩터(W)의 검출 단계로서, 상기 가중 팩터(W)는 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00013
와 단조 관계에 있고, 용량의 새로운 값(Qnew)은 단계 f)에서 하기 식에 따라 검출되는 단계:
Figure 112016017271470-pct00014
상기 식에서, W는, 총 배터리 셀 전류(Iges)와 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 측정 에러들과 단조 관계에 있으므로 상기 값들 중 하나의 값의 더 큰 측정 에러가 더 큰 가중 팩터를 야기하는 가중 팩터이다.
가중 팩터는 예컨대 표를 기초로 검출될 수 있고, 상기 표는 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00015
의 적어도 2개의, 바람직하게는 2 내지 10개의 범위를 갖고, 상기 범위들은 상이한 가중 팩터와 관련된다. 예컨대, 표는 낮은 에러 범위, 중간 에러 범위 및 높은 에러 범위를 포함할 수 있고, 상기 범위 내의 가중 팩터는 각각 일정하거나 또는 선형으로 상승한다.
바람직하게는 총 배터리 셀 전류가 단계 a)에서 측정 기간에 대한 측정된 배터리 셀 전류의 적분에 의해 즉,
Figure 112016017271470-pct00016
에 따라 검출된다.
바람직한 실시예에 따라 용량의 추정치(Qest)는 단계 c)에서 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 충전 상태들(SOC1, SOC2) 사이의 차이의 몫을 기초로, 바람직하게는
Figure 112016017271470-pct00017
에 따라 검출되고, 상기 식에서 1/36은 스케일링 팩터이고, 이 팩터는 단위 Ah로 용량의 환산 그리고 %로 표시에 대한 것이다.
용량 결정의 품질에 대한 기준은 측정의 불확도 전파 법칙으로부터 주어지는 상대 에러이다. 따라서, 용량의 추정치(Qest)의 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00018
는 총 배터리 셀 전류(Iges)와 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 측정 에러들로부터, 바람직하게는
Figure 112016017271470-pct00019
에 따라 검출된다.
바람직한 실시예에 따라, 충전 상태들(SOC1, SOC2)은 단계 b)에서 측정 기간의 시작과 끝에 측정된 개방 단자 전압에 따른 충전 상태의 거동의 특성 곡선을 기초로 검출되고, 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 측정 에러들(ΔSOC1, ΔSOC2)은 특성 곡선의 선형화에 의해 측정된 개방 단자 전압(UOCV1, UOCV2)의 에러들로부터 검출된다.
바람직한 실시예에 따라 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 측정 에러는 하기 식을 기초로 검출된다:
Figure 112016017271470-pct00020
이 경우, SOC-UOCV-특성 곡선의 미분은 바람직하게는
Figure 112016017271470-pct00021
에 의해 선형으로 근사된다.
바람직한 실시예에 따라 측정 기간의 시작 및 끝은 각각 배터리 셀의 완화 기간에 이어진다.
본 발명에 따라 또한, 컴퓨터 프로그램이 프로그래밍 가능한 컴퓨터 장치에서 실행되면, 여기에 설명된 방법들 중 하나가 실시되게 하는 컴퓨터 프로그램이 제공된다. 컴퓨터 프로그램은 예컨대 차량의 배터리 관리 시스템의 실시를 위한 모듈일 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 기계 판독 가능한 저장 매체, 예컨대 영구 또는 재기록 가능한 저장 매체에 저장될 수 있거나 또는 컴퓨터 장치에 할당되어, 예컨대 휴대용 메모리, 예컨대 CD-ROM, DVD, USB-스틱 또는 메모리 카드에 저장될 수 있다. 이에 대해 추가로 또는 대안으로서, 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 장치에, 예컨대 서버 또는 클라우드-서버에, 예컨대 데이터 네트워크, 예를 들면 인터넷, 또는 통신 접속, 예를 들면 전화선 또는 무선 접속을 통해, 다운로드를 위해 제공될 수 있다.
다른 양상에 따라, 전술한 방법들 중 하나를 실시하도록 설계된 배터리 관리 시스템은
a) 배터리 셀 전류(I) 검출 유닛,
b) 배터리 셀의 개방 단자 전압 (UOCV1, UOCV2) 검출 유닛,
c) 측정된 배터리 셀 전류(I)로부터 총 배터리 셀 전류(Iges) 검출 유닛,
d) 측정된 개방 단자 전압 (UOCV1, UOCV2)을 기초로 측정 기간의 시작과 끝에 충전 상태(SOC1, SOC2) 검출 유닛,
e) 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 검출된 충전 상태들(SOC1, SOC2) 사이의 차이를 기초로 용량 추정치(Qest) 검출 유닛,
f) 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 측정 에러들로부터 용량 추정치(Qest)의 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00022
검출 유닛,
g) 용량의 공지값(Qact), 용량 추정치(Qest) 및 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00023
를 기초로 용량의 새로운 값(Qnew) 검출 유닛, 및
i) 배터리 셀의 용량의 새로운 값(Qnew) 제공 유닛을 포함한다.
본 발명에 따라 또한, 이러한 배터리를 구비한 자동차가 제공되고, 상기 배터리는 자동차의 구동 시스템과 연결된다. 바람직하게 상기 방법은 필요한 구동 전압을 제공하기 위해 다수의 배터리 셀의 상호 접속이 이루어진 전기 구동식 차량에 적용된다.
본 발명의 실시예들이 도면에 도시되며 하기에서 상세히 설명된다.
본 발명은 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법 및 배터리 관리 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도.
도 2는 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00024
에 대한 가중 팩터의 예시적인 의존성을 나타낸 다이어그램.
도 3은 SOC 및 UOCV의 특성 곡선에 대한 예를 도시한 도면.
도 4는 배터리 셀 전류 및 SOC의 예시적인 프로파일을 도시한 도면.
"배터리" 및 "배터리 셀"이라는 표현은 본 명세서에서 관용에 따라 어큐뮬레이터 또는 어큐뮬레이터 셀에 사용된다. 배터리는 바람직하게는 하나 또는 다수의 배터리 유닛을 포함하고, 상기 배터리 유닛은 배터리 셀, 배터리 모듈, 모듈 스트링 또는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 배터리 셀들은 바람직하게는 공간적으로 통합되고 회로 기술적으로 서로 접속되며, 예컨대 직렬로 또는 병렬로 접속되어 모듈을 형성한다. 다수의 모듈들은 소위 배터리 다이렉트 컨버터(BDC, Battery Direct Converter)를 형성할 수 있고, 다수의 배터리 다이렉트 컨버터는 하나의 배터리 다이렉트 인버터(BDI, Battery Direct Inverter)를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(2)을 도시한다.
배터리 관리 시스템(2)은 2.8 내지 4.2 V의 전형적인 전압 범위를 가진 리튬-이온 배터리의 전류를 측정하는 배터리 셀 전류 검출 유닛(4)을 포함한다. 배터리 셀 전류 검출 유닛(4)은 측정된 배터리 셀 전류(I)로부터 총 배터리 셀 전류(Iges) 검출 유닛(8)에 접속되고, 상기 총 배터리 셀 전류(Iges) 검출 유닛(8)은 하기 식
Figure 112016017271470-pct00025
에 따라 시간에 대한 배터리 셀 전류(I)를 가산 또는 적분한다.
배터리 셀 전류(I) 검출 유닛(4)은 또한 총 배터리 셀 전류(Iges)의 측정 에러 검출 유닛(10)에 접속되고, 상기 총 배터리 셀 전류(Iges)의 측정 에러 검출 유닛(10)은 하기 식
Figure 112016017271470-pct00026
에 따라 바람직하게는 측정된 전류(Im) 및 측정 불가능한 자기 방전(Isd)으로부터 전류 적분의 에러를 검출하는데, 그 이유는 전류 적분이 측정된 전류(Im) 및 측정 불가능한 자기 방전(Isd)으로부터, 즉 하기 식
Figure 112016017271470-pct00027
에 따라 계산되기 때문이다.
자기 방전은 바람직하게는 상수 값으로서 추정된다. 자기 방전의 에러는, 자기 방전이 추정될 수만 있기 때문에, 이 실시예에서 100% 가정되고, 그에 따라
Figure 112016017271470-pct00028
전류 적분이 에러를 갖는 경우, 바람직하게는 승산 에러(Igain)와 가산 에러(Ibias)가 하기 식
Figure 112016017271470-pct00029
에 따라 고려되고, 상기 승산 에러(Igain)는 측정 장치의 공지된 감도 편차에 관련되고, 상기 가산 에러(Ibias)는 공지의 제로점 편차 및 경우에 따라 공지의 양자화 편차에 관련된다.
배터리 관리 시스템(2)은 또한 배터리 셀의 개방 단자 전압(UOCV ; OCV, open circuit voltage) 검출 유닛(6)을 포함한다. 상기 배터리 셀의 개방 단자 전압 (UOCV) 검출 유닛(6)은 측정된 개방 단자 전압(UOCV1, UOCV2)을 기초로 측정 기간의 시작과 끝에 충전 상태(SOC1, SOC2 ; SOC, state of charge) 검출 유닛(12)에 접속되고, 상기 충전 상태(SOC1, SOC2) 검출 유닛(12)은 SOC-UOCV-특성 곡선을 기초로 충전 상태(SOC1, SOC2)를 검출한다. 예시적인 특성 곡선은 도 3에 도시되어 있다.
배터리 셀의 개방 단자 전압 (UOCV) 검출 유닛(6)은 또한 충전 상태(SOC1, SOC2)의 측정 에러 검출 유닛(14)에 접속되고, 상기 충전 상태(SOC1, SOC2)의 측정 에러 검출 유닛(14)은 예컨대 하기 식
Figure 112016017271470-pct00030
을 기초로 측정 에러를 검출하고, SOC-UOCV-특성 곡선의 미분은
Figure 112016017271470-pct00031
에 의해 근사되고, 예컨대 하기 식에 따라 근사된다:
Figure 112016017271470-pct00032
UOCV-에러(ΔUOCV)는, 셀이 전류 부하로부터 회복되기에 불충분한 시간을 가지면, 셀의 예비 부하로부터 주어지는 편차(ΔUOCV relaxation) 및 측정 정확도(ΔUm)로 이루어진다:
Figure 112016017271470-pct00033
개방 단자 전압(UOCV)의 회복은 회복 시간, 온도 및 SOC, 그리고 그 에러에 의존한다:
Figure 112016017271470-pct00034
상기 함수(f)가 분석적으로 공지되어 있지 않기 때문에, 셀의 예비 부하에 의한 에러에 대한 추정으로서, 완화된 상태에서 UOCV 의 최대 편차의 지수적 감소가 가정된다:
Figure 112016017271470-pct00035
완화를 나타내기 위해 여기에 가정된 함수는 다른 함수, 예컨대 로그 함수, 다항식 함수, 특히 선형의, 또는 부분적으로 상이하게 정의된 함수일 수 있다.
배터리 관리 시스템(2)은 용량 추정치(Qest) 검출 유닛(16)을 포함하고, 상기 용량 추정치(Qest) 검출 유닛(16)은 총 배터리 셀 전류(Iges) 검출 유닛(8)의 데이터 및 충전 상태(SOC1, SOC2) 검출 유닛(12)의 데이터를 수신하여 처리한다. 용량 추정치(Qest) 검출 유닛(16)은 예컨대 하기 식
Figure 112016017271470-pct00036
Figure 112016017271470-pct00037
을 기초로 용량 추정치(Qest)를 검출하고, 상기 식에서 1/36은 스케일링 팩터이고, 이 팩터는 단위 Ah로 용량의 환산 그리고 %로 표시에 대한 것이다.
배터리 관리 시스템(2)은 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 측정 에러들로부터 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00038
검출 유닛(18)을 포함하고, 상기 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00039
검출 유닛(18)은 총 배터리 셀 전류(Iges)의 측정 에러 검출 유닛(10)의 데이터 및 충전 상태(SOC1, SOC2)의 측정 에러 검출 유닛(14)의 데이터를 수신하고 처리한다. 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00040
는 예컨대
Figure 112016017271470-pct00041
Figure 112016017271470-pct00042
를 기초로 검출된다.
배터리 관리시스템(2)은 용량의 추정치(Qest), 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00043
및 용량의 공지값(Qact)을 기초로 용량의 새로운 값(Qnew) 검출 유닛(20)을 포함한다. 상기 용량의 새로운 값(Qnew) 검출 유닛(20)은 용량 추정치(Qest) 검출 유닛(16)의 데이터 및 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00044
검출 유닛(18)의 데이터를 수신한다. 용량의 새로운 값(Qnew) 검출 유닛(20)은 또한 배터리 관리 시스템(2)의 메모리(23), 비휘발성 메모리에 저장된 용량의 공지값(Qact)을 수신한다. 용량의 공지값(Qact)은 다른 방식으로도, 예컨대 통신 라인(도시되지 않음)을 통해 배터리 관리 시스템(2)에 제공될 수 있다.
유닛(20) 내에서, 추정의 에러 값이 재스케일링되어 가중 팩터(W)로 형성되고, 상기 가중 팩터(W)는 현재 유효 용량(Qact)을
Figure 112016017271470-pct00045
에 따라 새로운 값(Qnew)으로 업데이트한다.
배터리 관리 시스템(2)은 또한 용량의 새로운 값(Qnew) 검출 유닛(20)의 데이터를 수신하여 처리하는 용량의 새로운 값(Qnew) 제공 유닛(22)을 포함한다. 상기 용량의 새로운 값(Qnew) 제공 유닛(22)은 이 실시예에서 또한, 용량의 공지값(Qact)의 업데이트된 값으로서 용량의 검출된 새로운 값(Qnew)을 배터리 관리 시스템(2)의 메모리(23) 내에 저장하기 위해, 메모리(23)에 대한 기록 액세스 권한을 갖는다.
도 2는 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00046
에 따른 가중 팩터(W)의 예시적인 프로파일(32)을 도시한다.
프로파일(32)은 실질적으로 3개의 범위, 즉 W가 총 측정 에러와 무관하게 일정하게 1인, 총 측정 에러의 제 1 한계치(29) 미만의 제 1 범위(26), W가 총 측정 에러에 따라 0 내지 1인 제 2 범위(28), 및 W가 총 측정 에러와 무관하게 0인, 총 측정 에러의 제 2 한계치(31)보다 큰 제 3 범위(30)를 포함한다. W가 1인 제 1 범위(26)는 매우 작은 총 측정 에러, 도시된 실시예에서 1%보다 작은 총 측정 에러에 상응한다. W가 0 내지 1인 제 2 범위(28) 내에는 1% 내지 6%의 총 측정 에러가 놓인다. W가 0인 제 3 범위(30)는 6%보다 큰 총 측정 에러에 상응한다.
제 2 범위는 도시된 실시예에서 3개의 소범위(28-1, 28-2, 28-3)로 세분되고, 여기서는 실시예에 따라 임의의 수의, 예컨대 1 내지 10개의 범위가 제공될 수 있다. 3개의 소범위(28-1, 28-2, 28-3)에서 W의 값은 값 1로부터 값 0로 상이한 가파르기로 강하하고, 도시된 실시예에서는 제 1 범위(28-1)에서 제 2 및 제 3 범위(28-2, 28-3)보다 더 가파르고, 제 2 범위(28-2)에서 제 3 범위(28-3)보다 더가파르기 때문에, 제 2 범위(28)에서의 곡선이 볼록하다고 할 수 있다. 가중 팩터 W는 전체 값 범위에서 총 측정 에러와 단조 관계에 있고 제 2 범위(28)에서는 엄격한 단조 관계에 있으므로, 측정 에러의 더 큰 값은 항상 가중 팩터(W)의 더 낮은 또는 동일한 값과 관련된다. 이 경우, 엄격한 단조 관계는 측정 에러의 더 큰 값이 항상 가중 팩터의 더 낮은 값과 관련되는 것을 의미한다. 제 1 및 제 2 한계치(29, 31)는 실제 값을 기초로 정해질 수 있고, 제시된 수치로 제한되지 않는다. 제 1 한계치(29)는 예컨대 0.1% 내지 2%의 특정 값일 수 있고, 제 2 한계치(31)는 예컨대 3% 내지 10%의 특정 값일 수 있다.
도 3은 SOC에 대한 개방 단자 전압(UOCV)의 특성 곡선(34)의 예시적인 프로파일을 도시한다.
여기서도 엄격한 단조 관계가 나타나므로, 더 높은 충전 상태(SOC)는 항상 더 높은 단자 전압(UOCV)과 관련된다. 특성 곡선(34)의 프로파일은 다수의 테스트 시리즈의 결과일 수 있고, 평균 리튬-이온 배터리 셀의 거동을 나타낸다.
도 4는 시간(t)에 대한 배터리 셀 전류(I)의 예시적인 프로파일(36) 및 시간(t)에 대한 충전 상태(SOC)의 예시적인 프로파일(38)을 도시한다. 제 1 기간은 작동 단계(40)를 포함하고, 상기 작동 단계에서는 배터리가 부하를 받으므로, 가속시 지원(boost) 및 브레이크 에너지의 회복(recuperation)으로 인해 배터리 셀 전류(I)의 네거티브 값 및 I의 포지티브 값이 주어진다. 충전 상태(SOC)는 작동 단계(40)에서 시간(t)에 따라 줄어드는 것으로 나타났다. 작동 단계(40)에 제 1 회복 단계(42)가 이어지고, 상기 제 1 회복 단계에서 충전 상태(SOC)는 약간 상승한다. 배터리 셀 전류(I)는 회복 단계(42) 동안 일정하다. 회복 단계(42)에 충전 단계(48)가 이어지고, 상기 충전 단계(48)는 정전류일 때 I가 충전되는 제 1 기간(44), 및 단자 정전압일 때 I가 충전되는 제 2 기간(46)을 포함한다. 충전 단계(48)에 제 2 회복 단계(42)가 이어지고, 상기 제 2 회복 단계에서 배터리 셀 전압(I) 및 충전 상태(SOC)가 대략 일정하게 유지된다. 제 2 회복 단계(42)에 작동 단계(40)가 이어지고, 상기 작동 단계에서 다시 전류 인출 및 회복 단계가 나타난다.
제 1 회복 단계(42)의 끝에, 즉 시점(t2)에 개방 단자 전압의 제 1 측정이 이루어진다. 제 2 회복 단계(42)의 끝에, 즉 시점(t3)에 개방 단자 전압의 제 2 측정이 이루어진다. 측정 시점(t2)와 (t3) 사이에 총 배터리 셀 전류(Iges)가 검출된다. 제 2 회복 단계(42)의 끝에, 인출된 전하의 측정에 의해 용량(Qnew)이 본 발명에 따라 결정된다.
본 발명은 여기에 설명된 실시예 및 그 안에 나타난 양상으로 제한되지 않는다. 오히려 청구범위에 의해 제시된 범위 내에서 당업자의 행동 범위를 벗어나지 않는 많은 변형이 가능하다.
2 배터리 관리 시스템
4 배터리 셀 전류(I) 검출 유닛
6 배터리 셀의 개방 단자 전압 (UOCV) 검출 유닛
8 총 배터리 셀 전류(Iges) 검출 유닛
12 충전 상태(SOC1, SOC2) 검출 유닛
16 용량 추정치(Qest) 검출 유닛
18 총 측정 에러
Figure 112016017271470-pct00047
검출 유닛
20 용량의 새로운 값(Qnew) 검출 유닛
22 용량의 새로운 값(Qnew) 제공 유닛
29 제 1 한계치
31 제 2 한계치

Claims (12)

  1. 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법으로서, 측정 기간 동안 배터리 셀 전류(I)가 측정되고, 측정 기간의 시작과 끝에 상기 배터리 셀의 개방 단자 전압(UOCV1, UOCV2)이 측정되는, 상기 방법에 있어서,
    a) 측정된 배터리 셀 전류(I)로부터 총 배터리 셀 전류(Iges)를 검출하는 단계,
    b) 측정된 개방 단자 전압(UOCV1, UOCV2)을 기초로 상기 측정 기간의 시작과 끝에 충전 상태(SOC1, SOC2)를 검출하는 단계,
    c) 상기 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 상기 충전 상태들(SOC1, SOC2) 사이의 차를 기초로 용량의 추정치(Qest)를 검출하는 단계,
    d) 상기 총 배터리 셀 전류(Iges)와 상기 충전 상태(SOC1, SOC2)의 측정 에러로부터 상기 용량의 추정치(Qest)의 총 측정 에러
    Figure 112016097786615-pct00048
    를 검출하는 단계,
    e) 용량의 공지값(Qact), 상기 용량의 추정치(Qest) 및 상기 총 측정 에러
    Figure 112016097786615-pct00049
    를 기초로 용량의 새로운 값(Qnew)을 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 용량의 새로운 값(Qnew)이 상기 용량의 공지값(Qact) 및 상기 용량의 추정치(Qest)와 단조 관계에 있으므로,
    - 상기 총 측정 에러
    Figure 112016097786615-pct00050
    의 적어도 하나의 제 1 값의 경우 상기 용량의 새로운 값(Qnew)은 상기 적어도 하나의 제 1 값보다 큰, 상기 총 측정 에러
    Figure 112016097786615-pct00051
    의 적어도 하나의 제 2 값의 경우보다 더 강력히 상기 용량의 추정치(Qest)에 의해 결정되고,
    - 상기 총 측정 에러
    Figure 112016097786615-pct00052
    의 값의 제 1 값의 경우 상기 용량의 새로운 값(Qnew)은 상기 총 측정 에러
    Figure 112016097786615-pct00053
    의 제 2 값의 경우보다 덜 강력히 상기 용량의 공지값(Qact)에 의해 결정되는, 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 총 측정 에러
    Figure 112016017271470-pct00054
    의 제 1 한계치(29) 미만의 상기 용량의 새로운 값(Qnew)은 실질적으로 상기 용량의 추정치(Qest)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 총 측정 에러
    Figure 112016017271470-pct00055
    의 제 2 한계치(31)를 초과하는 상기 용량의 새로운 값(Qnew)은 실질적으로 상기 용량의 공지값(Qact)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    f) 가중 팩터(W)의 검출 단계로서, 상기 가중 팩터(W)는 상기 총 측정 에러
    Figure 112016017399550-pct00056
    와 단조 관계에 있고, 상기 용량의 새로운 값(Qnew)은 단계 f)에서 하기 식
    Figure 112016017399550-pct00057

    을 기초로 검출되는 추가의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 총 배터리 셀 전류(Iges)는 단계 a)에서 측정 기간에 대한 측정된 배터리 셀 전류(I)의 적분에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 용량의 추정치(Qest)는 단계 c)에서 상기 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 상기 충전 상태들(SOC1, SOC2) 사이의 차의 몫을 기초로 검출되는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 충전 상태(SOC1, SOC2)는 단계 b)에서 상기 측정 기간의 시작과 끝에 상기 측정된 개방 단자 전압에 따른 상기 충전 상태의 거동의 특성 곡선(34)을 기초로 검출되고, 상기 충전 상태(SOC1, SOC2)의 측정 에러(ΔSOC1, ΔSOC2)는 상기 특성 곡선(34)의 선형화에 의해 상기 측정된 개방 단자 전압(UOCV1, UOCV2)의 에러들로부터 검출되는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 충전 상태(SOC1, SOC2)의 측정 에러는 하기 식
    Figure 112016017399550-pct00058

    을 기초로 검출되는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 측정 기간의 시작과 끝은 각각 상기 배터리 셀의 완화 기간에 이어지는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀의 용량을 결정하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법들 중 하나를 실시하기 위한 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독가능 기록 매체에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로그래밍 가능한 컴퓨터 장치에서 실행되는, 컴퓨터 판독가능 기록 매체.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법들 중 하나를 실시하도록 설계된 배터리 관리 시스템(2)에 있어서,
    a) 배터리 셀 전류(I) 검출 유닛(4),
    b) 배터리 셀의 개방 단자 전압 (UOCV1, UOCV2) 검출 유닛(6),
    c) 측정된 배터리 셀 전류(I)로부터 총 배터리 셀 전류(Iges) 검출 유닛(8),
    d) 측정된 개방 단자 전압 (UOCV1, UOCV2)을 기초로 측정 기간의 시작과 끝에 충전 상태(SOC1, SOC2) 검출 유닛(12),
    e) 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 검출된 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 차를 기초로 용량 추정치(Qest) 검출 유닛(16),
    f) 총 배터리 셀 전류(Iges) 및 충전 상태들(SOC1, SOC2)의 측정 에러들로부터 용량 추정치(Qest)의 총 측정 에러(
    Figure 112016097786615-pct00059
    ) 검출 유닛(18),
    h) 용량의 공지값(Qact), 용량의 추정치(Qest) 및 총 측정 에러(
    Figure 112016097786615-pct00060
    )를 기초로 용량의 새로운 값(Qnew) 검출 유닛(20), 및
    i) 배터리 셀의 용량의 새로운 값(Qnew) 제공 유닛(22)을 포함하는, 배터리 관리 시스템.
  12. 제 11 항에 따른 배터리 관리 시스템(2)을 구비한, 자동차.
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