KR101709553B1 - 전지 soc 추정 방법 및 시스템 - Google Patents

전지 soc 추정 방법 및 시스템

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Abstract

본 발명은, 다수의 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 전지의 SOC(state of charge)를 추정하는 방법에 있어서, (S1) 상기 전지의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계; (S2) 상기 전지에 연결된 위치 파악 시스템(GPS: Global Positioning System)의 센서를 통해 사용자의 위치에 따른 지역별 온도값을 반영하여 전지의 현재 용량을 계산하는 단계; (S3) 계산된 상기 전지의 현재 용량에 따라, 전지의 현재 잔존 용량(SOC)을 추정하는 과정 및 전지의 보호동작(Protection) 과정이 각각 독립적인 알고리즘에 의해 수행되는 단계; 및 (S4) 전지의 현재 상태(SOH)에 따라 전지의 충방전을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법을 제공한다.

Description

전지 SOC 추정 방법 및 시스템 {Method and System for Calculating SOC of Battery}
본 발명은 전지 SOC 추정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력장치 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
이러한 이차전지는 각종 모바일 또는 이동 디바이스에 사용되고 사용 시간에 한계가 있기 때문에, 이차전지의 잔존용량(SOC)에 대한 정확한 정보를 파악하는 것이 중요하다. 이러한 잔존용량(SOC)은 이차전지가 어느 정도의 시간만큼 사용 가능한지 가늠하는 척도가 되므로, 사용자가 해당 장치를 사용하는데 있어서 매우 중요한 정보이다. 따라서, 노트북이나 휴대폰, 자동차 등의 일반적인 이차전지 장착 디바이스 내지 장치들은 이차전지의 잔존용량(SOC)를 추정하고 그로부터 이차전지의 사용 가능 시간이나 사용 가능량 등의 정보를 파악하여 사용자에게 제공하고 있다.
그러나, 이차전지는 주변 온도에 따라 전지의 충전 및 방전 특성이 달라지는 바, 예를 들어, 저온에서 전지는 최대 방전 용량보다 적게 방전이 이루어지게 된다. 이 경우에, 전지의 제조 단계에서 모든 상황을 포괄하도록 일괄적으로 추정 파라미터를 설정하여 양산되는 것이 일반적인 상황이다. 즉, 이러한 이차전지의 외부 특성을 고려하지 않은 잔존용량(SOC) 추정은 예측하지 못한 오차가 발생하고, 상기 오차가 계속적으로 누적되어 시간이 지남에 따라 잔존용량(SOC)의 정확도가 떨어지므로, 결과적으로 전지의 효율을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 이차전지의 잔존용량(SOC)을 추정하는 방법 및 시스템에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 이차전지의 잔존용량을 정확히 측정하여 전지의 효율을 향상시키기 위하여 GPS를 이용하여 외부 환경 조건들을 추가적으로 반영한 전지 SOC 추정 방법 및 시스템을 개발하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 GPS를 활용하여 이차전지의 외부적 환경 요소들을 반영함으로써, SOC를 정확하게 추정하여 사용자에게 정확한 SOC 정보를 제공할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 SOC 추정 방법 및 시스템은, 다수의 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 전지의 SOC(state of charge)를 추정하는 방법에 있어서,
(S1) 상기 전지의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계;
(S2) 상기 전지에 연결된 GPS(Global Positioning System) 센서를 통해 사용자의 위치에 따른 지역별 온도값을 반영하여 전지의 현재 용량을 계산하는 단계;
(S3) 계산된 상기 전지의 현재 용량에 따라, 전지의 현재 잔존 용량(SOC)을 추정하는 과정 및 전지의 보호동작(Protection) 과정이 각각 독립적인 알고리즘에 의해 수행되는 단계; 및
(S4) 전지의 현재 상태(SOH)에 따라 전지의 충방전을 제어하는 단계;를 포함한다.
따라서, 본 발명에 따르면, GPS 센서를 이용하여 사용자의 현재 위치에 따른 외부 환경 요소들을 실시간으로 반영함으로써, 정확한 전지의 SOC를 추정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 전지의 현재 잔량(SOC)을 추정하는 과정과 상기 보호동작 과정은 선택적으로 수행되는 구조일 수 있다. 즉, 상기 보호동작 과정은 전지의 현재 상태(SOH)에서 과전압 등 필요한 경우에 선택되어 수행될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단계 (S3)는 전지 제어 유닛(MCU: Micro Controller Unit)에 의해 제어되는 방법일 수 있다. 상기 전지 제어 유닛은 전지의 상태를 체크하고 실시간으로 제어한다.
또, 상기 단계 (S1)는 아날로그 프론트엔드(AFE)에 의해 수행되는 방법일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단계 (S3)에서 상기 전지의 현재 잔량(SOC)을 추정하는 과정은,
(a) 상기 전지의 전압, 전류, 온도 및 사용자의 위치에 따른 온도값이 반영된 데이터가 입력되는 단계;
(b) 시간측정 수단(RTC: Real Time Clock)에 의해 사용자의 지역별 온도 및 날짜에 따른 데이터가 입력되는 단계;
(c) 상기 전지의 현재 상태(SOH)에 따라 전지의 전압 안정(Relaxation) 시간이 결정되는 단계;
(d) 전류 측정 및 상기 전압 안정(Relaxation) 시간 도달 여부를 확인하는 단계;
(e) 상기 전지의 개방회로전압(OCV: Open Circuit Voltage)에 의한 용량 산출 및 보정하는 단계; 및
(f) 주변 온도에 따른 상기 전지의 열화 용량을 추정하는 단계;
를 포함하는 방법일 수 있다.
상기에서, 상기 단계 (c)에서는 사용자의 지역별 온도에 따라 상기 전압 안전 시간이 가감하여 설정되는 방식일 수 있다. 즉, 사용자의 지역에 따른 위도 및 계절에 따른 온도를 반영하여 상기 전지의 전압 안정 시간이 조정된다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 단계(S3)에서 상기 전지의 보호동작(Protection)을 수행하는 과정은,
(a) 상기 전지의 전압, 전류, 온도 및 사용자의 위치에 따른 온도값이 반영된 데이터가 입력되는 단계;
(b) 사용자의 위치를 반영하는 시간측정 수단(RTC: Real Time Clock)에 의해 지역별 온도가 추가적으로 반영되는 단계;
(c) 입력된 상기 전지의 전압, 전류, 온도 및 사용자의 위치에 따른 온도값에 대한 파라미터(Parameter)를 결정하는 단계; 및
(d) 상기 전지가 비정상 상태일 경우에 상기 전지의 전압 및 전류를 차단하는 단계;
를 포함하는 방법일 수 있다.
여기서, 상기 단계 (b)와 단계 (c) 사이에는 전지의 활성화 정도에 따라 상기 전지의 보호동작의 보호 범위값을 가감하여 설정하는 방식일 수 있다. 즉, 전지의 활성화 정도에 따라서 사용자가 위치한 지역이 저온일 경우에는 보호 범위값을 내리고, 고온일 경우에는 올려서 조정된다.
본 발명은 또한, 상기 전지의 SOC 추정 방법을 포함하는 전지의 잔량 추정 시스템으로서,
상기 전지와 연결되어 전지의 전압, 온도 및 전류값을 송출하는 아날로그 프론트엔드(AFE);
상기 AFE와 전기적으로 연결되어 있고, 위치 파악 시스템(GPS: Global Positioning System)의 센서를 통해 현재 사용자의 위치에 따른 온도값을 반영하여 전지의 SOC 추정하는 잔량 추정부와 전지의 보호동작을 수행하는 보호 동작부를 포함하는 전지 제어 유닛(MCU: Micro Controller Unit); 및
상기 전지와 상기 전지 제어 유닛(MCU)에 연결되어 전지의 충전/방전을 제어하는 스위치부를 포함하는 전지의 잔량 추정 시스템을 제공한다.
상기 잔량 추정부와 상기 보호 동작부는 상호 독립적으로 수행되는 알고리즘에 의해 작동되는 구조일 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 전지의 이상 유무에 따라, 상기 보호 동작부는 선택적으로 수행될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 스위치는 FET(Field Effective Transistor) 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 시스템에서, 상기 사용자의 위치는 위도에 따라 기설정된 데이터 값에 의해 설정될 수 있고, 상기 스위치는 상기 잔량 추정부와 상기 보호 동작부에 각각 연결되어 작동되는 구조일 수 있다.
또, 본 발명은 전지의 잔량 추정 시스템을 포함하는 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는 전지셀 하나로 구성되는 단위전지일 수도 있고, 2 이상의 전지셀들이 조립된 조립전지일 수도 있으므로, 특정한 명칭으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 이차전지는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니고, 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.
리튬 이차전지를 포함하여 이차전지의 구성, 구조, 제조방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기한 이차전지는 휴대폰, 노트북 등과 같은 소형 디바이스의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있으며, 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 또는 전력저장장치 등의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 SOC 추정 방법 및 시스템은, 사용자의 외부 환경 요소들을 GPS를 통해 데이터화하여 반영함으로써, 전지의 SOC를 정확하게 추정하여 사용자에게 정확한 SOC 정보를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 전지 SOC 추정 방법 및 시스템은 정확한 이차전지 용량을 이차전지가 인식하여 전지의 장수명(Longevity)이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 SOC 추정 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 SOC 추정 시스템의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지의 현재 잔존용량(SOC)추정 과정의 개략적인 흐름도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지의 보호동작(Protection) 과정의 개략적인 흐름도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 SOC 추정 시스템의 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 SOC 추정 시스템의 작동 과정을 나타내는 흐름도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전지 잔량추정 시스템(100)은 직렬로 연결되어 있는 다수의 전지셀들(도시하지 않음)로 이루어진 전지(50), 전지셀들(50)에 연결되어 전지셀들의 전압, 전류 및 온도에 대한 정보를 송수신하는 아날로그 프론트엔드(110), 아날로그 프론트엔드(110)를 통해 상기 정보를 수신하는 전지 제어 유닛(120), 전지 제어 유닛(120)에 연결되어 있는 GPS 센서(160) 및 전지 제어 유닛(120)의 제어에 의해 작동하는 한 쌍의 스위치들(150)을 포함하여 구성되어 있다.
전지 제어 유닛(120)은 사용자의 위치를 파악하는 GPS(140), GPS로부터 수신된 정보에 따라 전지(50)의 SOC를 추정하는 잔량 추정부(200) 및 전지(50)의 상태에 따라 작동되는 보호 동작부(300)로 구성되어 있다.
이하에서는, 전지 제어 유닛(120)의 작동 과정에 대해서 설명하기로 한다.
전지 제어 유닛(120)의 아날로그 프론트엔드(110)를 통해, 전지(50)의 전압, 전류 및 온도 상태가 송신된다(S1). 이 후에, GPS 센서(160)으로부터 수신된 사용자의 정보(위치에 따른 위도 및 계절에 따른 온도)가 실시간 추가적으로 반영되어 가감되는 되는 과정이 수행된다(S2). 상기 과정(S2) 직후에는 상기 사용자의 정보에 따른 전지의 온도값이 반영된 상태에서 전지의 이상 유무를 판별하게 된다(S3).
그 다음, 전지에 이상이 없는 경우에, GPS 센서(160)에서 수신된 정보를 바탕으로 온도 추정부(130)는 입력된 데이터값을 통해 현재 전지의 상태(SOH)에 따라 잔량 추정부(200)에서 정확한 전지의 SOC가 계산된다(S3-1). 만약, 현재 전지의 이상이 발견되는 경우에, 보호 동작부(300)가 스위치부(150)를 통해 전지의 전류 및 전압을 차단시키는 과정이 수행된다(S3-2). 최종적으로, 전지가 정상상태가 되면 전지의 잔량에 따라, 전지의 충방전이 수행된 후(S4), 종료된다.
도 3에는 본 발명에 따른 전지의 현재 잔존용량(SOC) 추정 과정의 개략적인 흐름도가 개략적으로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지의 보호동작(Protection) 과정의 흐름도가 개략적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 잔량 추정부(200)는 아날로그 프론트엔드(110)에서 수신되는 전지(50)의 전압, 전류 및 온도 상태가 입력되고(a), 이 후에, 시간 측정수단(RTC)을 통해 사용자의 위치 또는 위도에 따른 지역별 온도가 추가적으로 반영된다(b). 또, 전지의 상태(SOH)를 기준으로 전지의 전압 안정화(Relaxation) 시간이 결정되고(c), 전지의 안정화 시간이 완료 여부가 판단되는 과정이 수행된다(d).
그 다음, 전지의 전압이 안정화 되면, 전지의 OCV에 의한 전지용량을 산출 및 보정하는 과정이 수행되는 과정(e)이 수행되고, 최종적으로 전지가 현재 온도 상태에서 노출되어 있던 시간(Soaking)에 따른 전지의 열화도를 추가적으로 추정하여 전지의 잔존용량 추정에 반영하여 보다 정확한 전지의 SOC를 추정하게 된다.
한편, 보호 동작부(300)는 아날로그 프론트엔드(110)에서 수신되는 전지(50)의 전압, 전류 및 온도 상태가 입력되고(a-1), 시간 측정수단(RTC)을 통해 사용자의 위치 또는 위도에 따른 지역별 온도가 추가적으로 반영된다(b-1). 이 후에, 전지의 현재 전압, 전류 및 온도에 따라 기설정된 파라미터값(Parameter)이 결정되고(c-1), 최종적으로, 전지의 과전압 등의 이상 상태에 따라 스위치부(150)가 작동되어 전지에 전압 및 전류가 차단되는 보호동작이 수행된다(d-1).
따라서, 사용자의 외부 조건을 반영하여 정확한 전지 잔존용량(SOC)을 계산함으로써, 사용자로 하여금 전지의 정확한 전지의 잔존 용량을 확인하여 실시간 가용한 이차전지 용량을 정확히 예측 및 보호할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 다수의 셀들이 직렬 또는 병렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결되어 있는 전지의 SOC(state of charge)를 추정하는 방법에 있어서,
    (S1) 상기 전지의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계;
    (S2) 상기 전지에 연결된 위치 파악 시스템(GPS: Global Positioning System)의 센서를 통해 사용자의 위치에 따른 지역별 온도값을 반영하여 전지의 현재 용량을 계산하는 단계;
    (S3) 계산된 상기 전지의 현재 용량에 따라, 전지의 현재 잔존 용량(SOC)을 추정하는 과정 및 전지의 보호동작(Protection) 과정이 각각 독립적인 알고리즘에 의해 수행되는 단계; 및
    (S4) 전지의 현재 상태(SOH)에 따라 전지의 충방전을 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 단계 (S3)에서 상기 전지의 현재 잔량(SOC)을 추정하는 과정은,
    (a) 상기 전지의 전압, 전류, 온도 및 사용자의 위치에 따른 온도값이 반영된 데이터가 입력되는 단계;
    (b) 시간측정 수단(RTC)에 의해 사용자의 지역별 온도 및 날짜에 따른 데이터가 입력되는 단계;
    (c) 상기 전지의 현재 상태(SOH)에 따라 전지의 전압 안정(Relaxation) 시간이 결정되는 단계;
    (d) 전류 측정 및 상기 전압 안정(Relaxation) 시간 도달 여부를 확인하는 단계;
    (e) 상기 전지의 개방회로전압(OCV)에 의한 용량 산출 및 보정하는 단계; 및
    (f) 주변 온도에서 노출되어 있던 시간에 따른 상기 전지의 열화 용량을 추정하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 단계 (c)에서는 사용자의 지역별 온도에 따라 상기 전압 안정 시간이 가감하여 설정되는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (S3)는 전지 제어 유닛(MCU: Micro Controller Unit)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (S1)는 아날로그 프론트엔드(AFE)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(S3)에서 상기 전지의 보호동작(Protection)을 수행하는 과정은,
    (a) 상기 전지의 전압, 전류, 온도 및 사용자의 위치에 따른 온도값이 반영된 데이터가 입력되는 단계;
    (b) 사용자의 위치를 반영하는 시간측정 수단(RTC)에 의해 지역별 온도가 추가적으로 반영되는 단계;
    (c) 입력된 상기 전지의 전압, 전류, 온도 및 사용자의 위치에 따른 온도값에 대한 파라미터(Parameter)를 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 전지가 비정상 상태일 경우에 상기 전지의 전압 및 전류를 차단하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 단계 (b)와 단계 (c) 사이에는 전지의 활성화 정도에 따라 상기 전지의 보호동작의 보호 범위값을 가감하여 설정하는 것을 특징으로 하는 전지 SOC 추정 방법.
  9. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 7 항 및 제 8 항 중 어느 하나에 따른 전지의 SOC 추정 방법을 포함하는 전지의 잔량추정 시스템으로서,
    상기 전지와 연결되어 전지의 전압, 온도 및 전류값을 송출하는 아날로그 프론트엔드(AFE);
    상기 아날로그 프론트엔드(AFE)와 전기적으로 연결되어 있고, 위치 파악 시스템(GPS: Global Positioning System)의 센서를 통해 현재 사용자의 위치에 따른 온도값을 반영하여 전지의 SOC 추정하는 잔량 추정부와 전지의 보호동작을 수행하는 보호 동작부를 포함하는 전지 제어 유닛(Micro Controller Unit); 및
    상기 전지와 상기 전지 제어 유닛에 연결되어 전지의 충전/방전을 제어하는 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 잔량추정 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 잔량 추정부와 상기 보호 동작부는 상호 독립적으로 수행되는 알고리즘에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 전지의 잔량추정 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 스위치는 FET(Field Effective Transistor) 인 것을 특징으로 하는 전지의 잔량추정 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 위치는 위도에 따라 기설정된 데이터 값에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 전지의 잔량추정 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 스위치는 상기 잔량 추정부와 상기 보호 동작부에 각각 연결되는 있는 것을 특징으로 하는 전지의 잔량추정 시스템
  14. 제 9 항에 따른 전지의 잔량추정 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 14 항에 따른 이차전지를 동력원 또는 전원으로 사용하는 디바이스.
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