KR101738601B1 - 배터리 용량 퇴화 추정 장치 - Google Patents

배터리 용량 퇴화 추정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 별도의 충방전 회로를 구비하지 않고도 배터리의 용량 퇴화도를 추정할 수 있는 장치를 개시한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀을 밸런싱하는 밸런싱부; 상기 밸런싱부가 상기 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행하는 밸런싱 시간을 측정하는 시간측정부; 및 상기 밸런싱부의 충방전 효율과 상기 시간측정부가 측정한 밸런싱 시간을 곱하여 산출되는 상기 배터리 셀의 전기용량의 변화량을 이용하여 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 퇴화도추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 용량 퇴화 추정 장치{Apparatus for estimating battery's state of health}
본 발명은 배터리를 관리하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리를 관리하기 위해 필요한 배터리 용량 퇴화도를 추정할 수 있는 장치에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높다는 등의 장점으로 인해 많은 각광을 받고 있다.
그런데, 이러한 이차 전지는 시간의 흐름에 따라 자연적으로 퇴화되거나, 충방전을 반복함에 따라 퇴화되어 그 성능이 저하된다. 따라서, 이차 전지를 사용함에 있어서 용량 퇴화 정도를 정량적으로 평가하는 기술이 요구된다.
일반적으로 SOH(State Of Health)라고 표현되는 용량 퇴화도는 배터리의 용량 특성 변화를 정량적으로 나타내주는 파라미터로서, 배터리의 용량이 어느 정도 퇴화되었는지를 알 수 있게 해준다. 따라서, 이러한 SOH를 이용하여 적절한 시점에 배터리를 교체할 수 있고, 배터리의 사용기간에 따라 배터리의 충방전 용량을 조절하여 배터리의 과충전과 과방전을 방지할 수 있다.
이러한 SOH를 추정하는 방법은 다양하다. 구체적으로, SOH를 추정하는 방법의 예로는, 배터리의 내부저항과 온도를 이용하여 SOH를 추정하는 방법, 완전방전테스트를 통해 SOH를 추정하는 방법 등이 존재한다.
이와 같이 다양한 SOH 추정 방법 중에서 주로 사용되는 SOH 추정방법은, SOH 추정의 대상이 되는 배터리를 충전 또는 방전시킨 다음, 배터리의 충전 또는 방전에 따라 전기적 파라미터가 변화되면, 이러한 전기적 파라미터를 연산하여 SOH를 추정하는 방법이다. 그런데, 이러한 방법의 경우, 배터리를 충전 또는 방전시키기 위한 별도의 충방전 회로가 필요하다는 단점이 있으며, 배터리의 충방전 과정에서 불필요하게 전력을 소모하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 별도의 충방전 회로를 구비하지 않고도 배터리의 용량 퇴화도를 추정할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 출원인은, 밸런싱 회로에 충전 회로 및/또는 방전 회로가 구비되어 있고 상기 충방전 회로의 충방전 효율이 일정하다는 것을 인식하게 되었다. 또한, 본 출원인은, 충방전 효율을 알고 있으면 충방전 시간을 이용하여 배터리 셀의 전기용량의 변화량을 산출할 수 있다는 것을 인식하게 되었다.
나아가, 본 출원인은, 배터리 셀의 전기용량의 변화량과 충방전 전후의 전압 차이를 산출할 수 있다면, 이를 이용하여 배터리의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다는 것을 인식하게 되었다. 본 출원인은, 이러한 인식을 통해, 밸런싱 회로의 충방전 효율, 밸런싱 시간, 밸런싱 전후의 전압 차이를 이용하여 배터리의 용량 퇴화도를 추정할 수 있는 장치를 도출하였다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀을 밸런싱하는 밸런싱부; 상기 밸런싱부가 상기 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행하는 밸런싱 시간을 측정하는 시간측정부; 및 상기 밸런싱부의 충방전 효율과 상기 시간측정부가 측정한 밸런싱 시간을 곱하여 산출되는 상기 배터리 셀의 전기용량의 변화량을 이용하여 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 퇴화도추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 밸런싱 수행 이전의 상기 배터리 셀의 전압과 밸런싱 수행 이후의 상기 배터리 셀의 전압의 차이를 산출하는 전압차산출부;를 더 포함하고, 상기 퇴화도추정부는, 하기의 수학식을 이용하여 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
Figure 112014105630048-pat00001
(여기서, PΔ는 배터리 셀의 전기용량의 변화량, PI는 출하 당시 배터리 셀의 만충전시 전기용량, ΔV는 상기 전압차산출부가 산출한 배터리 셀의 전압의 차이, V0는 만충전시 배터리 셀의 전압과 만방전시 배터리 셀의 전압의 차이)
또한 선택적으로, 상기 밸런싱부는, 상기 배터리 셀의 양단에 연결되는 복수 개의 방전 회로를 포함하고, 상기 방전 회로는, 스위치 및 상기 스위치가 턴 온됨에 따라 상기 배터리 셀로부터 전류가 유입되어 전력을 소모하는 저항을 포함할 수 있다.
이때, 상기 밸런싱부의 충방전 효율은, 상기 방전 회로의 방전 효율일 수 있다.
또한 선택적으로, 상기 퇴화도추정부는, 상기 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행될 때마다 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
이때, 상기 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 상기 추정된 배터리 셀의 용량 퇴화도를 각각의 배터리 셀 별로 저장하는 퇴화테이블을 더 포함하고, 상기 퇴화테이블은, 상기 퇴화도추정부가 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 때마다 업데이트될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 상술한 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 자동차는 상술한 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀을 밸런싱하는 단계; 상기 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행되는 밸런싱 시간을 측정하는 단계; 상기 배터리 셀을 밸런싱하는 밸런싱부의 충방전 효율과 상기 밸런싱 시간을 곱하여 상기 배터리 셀의 전기용량의 변화량을 산출하는 단계; 및 상기 산출 단계에서 산출된 상기 배터리 셀의 전기용량의 변화량을 이용하여 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, 상기 추정 단계 이전에, 밸런싱 수행 이전의 상기 배터리 셀의 전압과 밸런싱 수행 이후의 상기 배터리 셀의 전압의 차이를 산출하는 단계;를 더 포함하고, 상기 추정 단계는, 하기의 수학식을 이용하여 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
Figure 112014105630048-pat00002
(여기서, PΔ는 배터리 셀의 전기용량의 변화량, PI는 출하 당시 배터리 셀의 만충전시 전기용량, ΔV는 상기 전압차산출부가 산출한 배터리 셀의 전압의 차이, V0는 만충전시 배터리 셀의 전압과 만방전시 배터리 셀의 전압의 차이)
또한 선택적으로, 상기 밸런싱 단계는, 방전을 통해 상기 배터리 셀을 밸런싱하고, 상기 충방전 효율은, 상기 밸런싱부의 방전 효율일 수 있다.
또한 선택적으로, 상기 추정 단계는, 상기 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행될 때마다 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
이때, 상기 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, 상기 추정된 배터리 셀의 용량 퇴화도를 각각의 배터리 셀 별로 퇴화테이블에 저장하는 단계;를 더 포함하고, 상기 저장 단계는, 상기 추정 단계에서 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도가 추정될 때마다 추정된 배터리 셀의 용량 퇴화도를 상기 퇴화테이블에 업데이트할 수 있다.
본 발명에 의하면, 밸런싱 회로를 이용하여 배터리의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 배터리의 용량 퇴화도 추정을 위해 별도의 충방전 회로를 더 구비할 필요가 없다.
또한 본 발명에 의하면, 배터리의 용량 퇴화도 추정만을 위해 배터리를 충방전할 필요가 없으므로, 불필요한 전력 소모를 없애거나 줄일 수 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치의 배터리 팩 내 연결 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치의 배터리 팩 내 연결 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는, 도 3에 도시된 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀들 중 하나인 제i배터리 셀이 방전되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는, 퇴화테이블의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
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.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치의 기능적 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치의 배터리 팩 내 연결 구성을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치(100)는, 밸런싱부(110), 시간측정부(120) 및 퇴화도추정부(130)를 포함할 수 있다.
상기 밸런싱부(110)는, 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀(C)을 밸런싱할 수 있다. 여기서, 배터리 어셈블리는, 배터리 셀(C)의 집합체를 의미하며, 상기 배터리 셀(C)의 집합체는, 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 배터리 셀(C)로 구성될 수 있다.
상기 배터리 셀(C)은, 울트라 커패시터를 포함하는 전기 이중층 커패시터 또는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등과 같은 이차 전지일 수 있다.
상기 밸런싱부(110)는, 각각의 배터리 셀(C)의 전압을 조절하여 배터리 셀(C) 상호간을 밸런싱할 수 있다. 상기 밸런싱부(110)는, 각각의 배터리 셀(C)을 충전시키거나 방전시키는 방법을 통해 각각의 배터리 셀(C)의 전압을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 밸런싱부(110)는, 밸런싱제어모듈(112) 및 밸런싱 회로(111)를 포함할 수 있다. 상기 밸런싱 회로(111)는, 각각의 배터리 셀(C)에 연결되어 각 배터리 셀(C)의 전압을 밸런싱한다. 상기 밸런싱 회로(111)는, 상기 밸런싱제어모듈(112)의 제어에 의해 각 배터리 셀(C)의 전압을 감소시키거나 증가시키는 역할을 한다. 이때, 상기 밸런싱 회로(111)는 각각의 배터리 셀(C)에 병렬로 연결된 복수 개의 서브 밸런싱 회로로 구성될 수 있다.
일 예로, 상기 복수 개의 서브 밸런싱 회로는, 복수 개의 방전 회로로 구현되어, 후술할 밸런싱제어모듈(112)의 제어에 따라 각 배터리 셀(C)을 방전시킬 수 있다.
다른 예로, 상기 복수 개의 서브 밸런싱 회로는, 복수 개의 충전 회로로 구현되어, 후술할 밸런싱제어모듈(112)의 제어에 따라 각 배터리 셀(C)을 충전시킬 수 있다.
또 다른 예로, 상기 서브 밸런싱 회로는, 충전과 방전을 모두 수행할 수 있는 충방전 회로로 구현될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 밸런싱 회로(111)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개의 방전 회로를 포함할 수 있다. 상기 방전 회로는, 각 배터리 셀(C)마다 병렬로 연결되어, 밸런싱제어모듈(112)의 제어에 따라 각 배터리 셀(C)을 방전시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 방전 회로는, 저항 소자(RB)와 스위치(SW)를 포함할 수 있다. 여기서, 스위치(SW)는 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있는 소자로서, 일 예로, FET(Field Effect Transistor) 소자로 구현될 수 있다.
상기 밸런싱제어모듈(112)은, 상기 밸런싱 회로(111)를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 밸런싱제어모듈(112)은, 밸런싱 회로(111)의 동작 여부를 제어함으로써, 배터리 셀(C)의 전압을 밸런싱할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 밸런싱제어모듈(112)은, 방전 회로에 구비된 스위치(SW)의 개폐를 제어하여, 배터리 셀(C)을 방전시킬 수 있다. 즉, 상기 밸런싱제어모듈(112)은, 배터리 셀(C)에 연결된 스위치(SW)를 턴 온시켜 배터리 셀(C)에 충전된 전하가 저항 소자(RB)를 통해 흐를 수 있도록 제어할 수 있다. 이를 통해, 해당 배터리 셀(C)의 전압을 감소시킬 수 있다.
다시 말해, 상기 밸런싱제어모듈(112)은, 다른 배터리 셀(C)보다 높은 전압을 갖는 배터리 셀(C)에 연결된 방전 회로의 스위치(SW)를 턴 온시켜 해당 배터리 셀(C)의 전압을 감소시킬 수 있고, 이를 통해 각 배터리 셀(C)의 전압을 밸런싱할 수 있다.
한편, 상기 밸런싱제어모듈(112)은, 셀전압측정부(150)로부터 배터리 셀(C)의 전압 정보를 전송받을 수 있다. 또한, 상기 밸런싱제어모듈(112)은, 셀전압측정부(150)로부터 전송받은 배터리 셀(C)의 전압 정보를 이용하여 밸런싱을 수행할 수 있다. 여기서, 셀전압측정부(150)는, 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀(C)의 전압을 측정하는 구성으로서, 알려진 다양한 전압 측정 방식을 이용하여 배터리 셀(C)의 전압을 측정할 수 있다.
한편, 상기 밸런싱부(110)의 충방전 효율은 정해져 있다. 즉, 밸런싱부(110)는 일정한 효율로 충전을 수행하거나, 일정한 효율로 방전을 수행한다. 일 예로, 밸런싱부(110)가 방전 회로를 포함할 경우, 상기 방전 회로의 방전 효율을 고정된 값을 갖는다고 할 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 방전을 위한 저항 소자(RB)는 고정된 저항값을 가지고, 이로 인해, 방전 회로의 방전 효율은 일정하다고 할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 충방전 효율은, 밸런싱의 대상이 되는 배터리 셀(C)의 단위 시간당 전기용량의 변화량일 수 있다. 즉, 충방전 효율은, 배터리 셀(C)의 전기용량이 단위시간 동안 얼마나 변하는지를 정량적으로 나타낸 값이라고 할 수 있다. 이때, 충방전 효율의 단위는, [Ah/h]로 A(ampere)일 수 있다.
다만, 밸런싱 회로(111)가 복수 개의 서브 밸런싱 회로를 포함할 경우, 상기 서브 밸런싱 회로 간의 충방전 효율은 서로 다를 수 있다. 밸런싱부(110)의 충방전 효율이 정해져 있다는 의미와 복수 개의 서브 밸런싱 회로 간의 충방전 효율이 다를 수 있다는 의미는 명확하게 구분되어야 할 것이다.
상기 시간측정부(120)는, 상기 밸런싱부(110)가 배터리 셀(C)에 대해 밸런싱을 수행하는 시간을 측정할 수 있다. 여기서, 밸런싱을 수행하는 시간은 밸런싱 시간이라 명명될 수 있다. 구체적으로, 상기 시간측정부(120)는, 각각의 배터리 셀(C)을 밸런싱하는 서브 밸런싱 회로의 밸런싱 시간을 각각 측정할 수 있다. 즉, 상기 시간측정부(120)는 밸런싱 시간을 각 배터리 셀(C) 별로 측정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시간측정부(120)는, 각각의 방전 회로 별로 밸런싱 시간을 측정할 수 있다. 예를 들어, 제i배터리 셀에 연결된 제i방전 회로가 제i배터리 셀을 방전시킬 경우, 상기 시간측정부(120)는, 제i방전 회로의 밸런싱 시간 즉, 방전 시간을 측정할 수 있다.
상기 퇴화도추정부(130)는, 밸런싱부(110)의 충방전 효율과 상기 시간측정부(120)가 측정한 밸런싱 시간을 곱하여 상기 배터리 셀(C)의 전기용량의 변화량을 산출할 수 있다. 일 예로, 상기 퇴화도추정부(130)는, 아래의 수학식을 이용하여 배터리 셀(C)의 전기용량의 변화량을 산출할 수 있다.
Figure 112014105630048-pat00003
여기서, PΔ는, 배터리 셀(C)의 전기용량의 변화량(Ah)이고, EB는, 밸런싱부(110)의 충방전 효율(Ah/h=A)이며, T는, 밸런싱 시간(h)이다. 배터리 셀(C)의 전기용량의 변화량은, 배터리 셀(C)에 저장된 충전량의 변화량이라고 할 수 있다. 즉, 배터리 셀(C)의 전기용량의 변화량은, 밸런싱에 의해 배터리 셀(C)의 충전량이 늘어나거나 줄어들었을 때 변화된 충전량의 크기를 의미한다.
상기 퇴화도추정부(130)는, 상기 시간측정부(120)로부터 밸런싱 시간에 대한 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 밸런싱 시간에 대한 정보는, 각각의 배터리 셀(C)에 대한 밸런싱 시간일 수 있다.
그리고, 상기 밸런싱부(110)의 충방전 효율은, 밸런싱부(110)에 포함된 밸런싱 회로(111)의 충방전 효율을 의미한다. 한편, 상기 충방전 효율은 메모리부(140)에 저장되어 있을 수 있다. 상기 퇴화도추정부(130)는 메모리부(140)로부터 충방전 효율에 대한 정보를 수신하여, 배터리 셀(C)의 전기용량의 변화량을 산출하는데 이용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 밸런싱 회로(111)의 충방전 효율은, 서브 밸런싱 회로 마다 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. 상기 밸런싱 회로(111)의 충방전 효율이 서브 밸런싱 회로 마다 다를 경우, 상기 메모리부(140)에는, 충방전 효율이 각 서브 밸런싱 회로 별로 저장되어 있을 수 있다.
상기 퇴화도추정부(130)는, 상기 밸런싱부(110)의 충방전 효율과 밸런싱 시간을 곱하여 산출되는 배터리 셀(C)의 전기용량의 변화량을 이용하여 배터리 셀(C)의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다. 즉, 상기 퇴화도추정부(130)는, 배터리 셀(C)의 전기용량의 변화량이라는 파라미터의 변화량을 기초로 배터리 셀(C)의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
다시 말해, 상기 퇴화도추정부(130)는, 밸런싱부(110)의 충방전 효율과 밸런싱 시간을 곱하여 배터리 셀(C)의 전기용량의 변화량을 산출한 다음, 상기 파라미터의 변화량을 변수로 하는 공지된 퇴화도 추정 알고리즘을 이용하여 배터리 셀(C)의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
선택적으로, 상기 퇴화도추정부(130)는, 배터리 셀의 전기용량의 변화량, 배터리 셀의 밸런싱 전후의 전압차, 배터리 셀의 출하 당시 만충전 전기용량, 배터리 셀의 출하 당시 만충전 전압 및 배터리 셀의 출하 당시 만방전 전압을 이용하여 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치의 배터리 팩 내 연결 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치(100)는, 밸런싱부(110), 시간측정부(120), 퇴화도추정부(130) 및 전압차산출부(160)를 포함한다. 여기서, 밸런싱부(110), 시간측정부(120) 및 퇴화도추정부(130)에 대해서는, 전술한 설명이 그대로 적용될 수 있으므로, 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 전압차산출부(160)는, 밸런싱부(110)가 밸런싱을 수행하기 이전의 배터리 셀(C)의 전압과 밸런싱을 수행한 이후의 배터리 셀(C)의 전압의 차이를 산출할 수 있다. 이를 위해, 상기 전압차산출부(160)는, 밸런싱부(110) 및 셀전압측정부(150)로부터 정보를 전송받을 수 있다.
일 예로, 상기 전압차산출부(160)는, 밸런싱부(110)가 밸런싱을 개시할 때 밸런싱부(110)로부터 밸런싱 개시 신호를 전송받고, 상기 밸런싱 개시 신호를 전송받음과 동시에, 셀전압측정부(150)로부터 배터리 셀(C) 전압값을 수신하여, 셀전압측정부(150)로부터 수신한 배터리 셀(C)의 전압값을 밸런싱 수행 이전의 배터리 셀(C) 전압값으로 결정할 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 전압차산출부(160)는, 밸런싱부(110)가 밸런싱을 종료할 때 밸런싱부(110)로부터 밸런싱 종료 신호를 전송받고, 상기 밸런싱 종료 신호를 전송받음과 동시에, 셀전압측정부(150)로부터 배터리 셀(C) 전압값을 수신하여, 셀전압측정부(150)로부터 수신한 배터리 셀(C)의 전압값을 밸런싱 수행 이후의 배터리 셀(C) 전압값으로 결정할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 실시예에서, 상기 퇴화도추정부(130)는, 하기의 수학식을 이용하여 배터리 셀(C)의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
Figure 112014105630048-pat00004
여기서, PΔ는 배터리 셀의 전기용량의 변화량이고, PI는 출하 당시 배터리 셀의 만충전시 전기용량이며, ΔV는 상기 전압차산출부(160)가 산출한 배터리 셀의 전압의 차이이고, V0는 만충전시 배터리 셀의 전압과 만방전시 배터리 셀의 전압의 차이이다.
이 중에서, 배터리 셀의 전기용량의 변화량(PΔ)은 밸런싱부(110)의 충방전 효율과 상기 시간측정부(120)가 측정한 밸런싱 시간을 곱하여 산출될 수 있다. 예를 들어, 전술한 수학식 1을 이용하여 산출될 수 있다.
그리고, 배터리 셀의 전압의 차이(ΔV)는, 전압차산출부(160)가 산출하여 퇴화도추정부(130)로 전송될 수 있다.
또한, 출하 당시 배터리 셀의 만충전시 전기용량(PI)은, 메모리부(140)에 미리 저장되어 있을 수 있으며, 퇴화도추정부(130)는, 메모리부(140)에서 상기 정보를 가져올 수 있다. 한편, 상기 출하 당시 배터리 셀의 만충전시 전기용량은, 배터리 셀이 전혀 퇴화되지 않은 상태, 즉 SOH가 100%인 상태로서, 배터리 셀이 만충전된 상태, 즉 SOC가 100%인 상태라고 할 수 있다.
또한, 만충전시 배터리 셀의 전압과 만방전시 배터리 셀의 전압의 차이 (V0)도, 메모리부(140)에 미리 저장되어 있을 수 있으며, 퇴화도추정부(130)는, 메모리부(140)에서 상기 정보를 가져올 수 있다. 한편, 상기 만충전시 배터리 셀의 전압 및 만방전시 배터리 셀의 전압은, 출하 당시를 기준으로 한다. 따라서, 상기 만충전시 배터리 셀의 전압은, SOH가 100%이고, SOC가 100%인 경우의 배터리 셀 전압을 의미하고, 상기 만방전시 배터리 셀의 전압은, SOH가 100%이고, SOC가 0%인 경우의 배터리 셀 전압을 의미한다.
이하, 구체적인 예시를 이용하여 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 과정을 설명하도록 한다.
도 4는, 도 3에 도시된 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀들 중 하나인 제i배터리 셀이 방전되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀들 중 제i배터리 셀이 방전 중이다. 즉, 밸런싱제어모듈(112)은, 제i배터리 셀(Ci)에 병렬 연결된 제i방전 회로(111i)를 제어하여 배터리 셀을 방전시키고 있다.
본 예시에서, 상기 제i방전 회로(111i)는, 1Ah/h의 충방전 효율을 갖는다고 가정한다. 즉, 상기 제i방전 회로(111i)는, 1Ah/h의 방전 효율로 배터리 셀을 방전시킨다. 그리고, 상기 제i방전 회로(111i)가 방전을 수행하는 시간은 1시간(1h)으로 가정한다. 그리고, 제i방전 회로(111i)가 방전을 수행하기 전의 제i배터리 셀(Ci)의 전압은 3.811V이고, 방전을 수행한 후의 제i배터리 셀(Ci)의 전압은 3.800V라고 가정한다. 따라서, 배터리 셀의 전압의 차이(ΔV)는 0.011V이다. 그리고, 제i배터리 셀(Ci)의 출하 당시 만충전 전기용량은 100Ah 로 가정한다. 그리고, 제i배터리 셀(Ci)의 만충전시 전압을 4V로 가정하고, 제i배터리 셀(Ci)의 만방전시 전압을 3V로 가정한다. 따라서, 제i배터리 셀(Ci)의 만충전시 전압과 만방전시 전압의 차이는 1V이다.
이러한 상태에서, 제i배터리 셀(Ci)에 대한 밸런싱, 즉 방전이 수행되면, 퇴화도추정부(130)는, 전술한 수학식2 및 수학식1을 이용하여, 아래와 같이, 제i배터리 셀(Ci)에 대한 SOH를 추정할 수 있다.
Figure 112014105630048-pat00005

선택적으로, 상기 퇴화도추정부(130)는, 각각의 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행될 때마다 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다. 즉, 상기 퇴화도추정부(130)는, 복수의 배터리 셀들 중 어느 하나의 배터리 셀에 대한 밸런싱이 개시된 다음 종료되면 해당 배터리 셀에 대한 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
이 때, 추정된 배터리 셀에 대한 용량 퇴화도는 퇴화테이블에 저장될 수 있다. 상기 퇴화테이블은, 용량 퇴화도 및 용량 퇴화도를 추정하기 위해 필요한 파라미터들을 각 배터리 셀 별로 저장할 수 있다. 그리고, 이러한 퇴화테이블은, 메모리부(140)의 일부를 구성할 수도 있다.
도 5는, 퇴화테이블의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 퇴화테이블은, 출하 당시를 기준으로 한 만충전 상태의 배터리 셀(C)의 전기용량, 출하 당시를 기준으로 한 만충전시 전압과 만방전시 전압의 차이 및 용량 퇴화도에 대한 정보를 각 배터리 셀 별로 저장한다. 퇴화테이블에서, 용량 퇴화도는, 용량 퇴화도를 제외한 나머지 정보 등을 이용하여 연산된 결과값이다. 즉, 퇴화도추정부(130)는, 상기 퇴화테이블로부터 필요한 정보를 추출하여, 용량 퇴화도를 추정할 수 있다. 이와 같이, 추정된 용량 퇴화도는 퇴화테이블에 저장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 퇴화도추정부(130)는, 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행될 때마다 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하고, 추정된 결과값을 퇴화테이블에 갱신할 수 있다. 이를 통해, 퇴화테이블은, 퇴화도추정부(130)가 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 때 마다 업데이트될 수 있다. 특히, 배터리 셀에 대한 밸런싱은 복수의 배터리 셀 전반에 대해 수행된다는 점에서, 각 배터리 셀의 용량 퇴화도가 신속하고 고르게 업데이트될 수 있다.
선택적으로, 배터리 용량 퇴화 추정 장치(100)는, 표시부를 포함할 수 있다. 상기 표시부는, 공지된 다양한 디스플레이 장치로 구현될 수 있다. 상기 표시부는, 배터리 셀의 용량 퇴화도를 표시할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 표시부는, 퇴화테이블에 저장된 정보를 이용하여, 각 배터리 셀에 대한 용량 퇴화도를 표시할 수 있다. 이를 통해 배터리 팩 사용자는, 교체가 필요한 배터리 셀이 무엇인지 쉽게 인지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 배터리 용량 퇴화 추정 장치(100)는, 배터리 팩에 포함될 수 있다. 즉, 상기 배터리 용량 퇴화 추정 장치(100)는, 배터리 팩의 일부를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 배터리 용량 퇴화 추정 장치(100)는, 전기자동차에 포함될 수 있다. 즉, 상기 배터리 용량 퇴화 추정 장치(100)는, 전기자동차의 일부를 구성하거나, 전기자동차의 구동전원이 되는 배터리 팩의 일부를 구성할 수 있다. 한편, 상기 전기자동차는, 전기에너지를 사용하여 구동되는 운송수단으로서, 순수 전기자동차뿐만 아니라 하이브리드 자동차를 포함한다.
이하, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, 상술한 배터리 용량 퇴화 추정 장치(100)를 이용하여 배터리의 용량 퇴화도를 추정하는 방법일 수 있다. 따라서, 상기 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 수행하는 각 단계의 주체는 상술한 배터리 용량 퇴화 추정 장치(100)의 각 구성요소일 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, 먼저, 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀을 밸런싱한다(S610). 이어서, 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행되는 밸런싱 시간을 측정한다(S620). 다음으로, 배터리 셀을 밸런싱하는 밸런싱부(110)의 충방전 효율과 상기 밸런싱 시간을 곱하여 배터리 셀의 전기용량의 변화량을 산출한다(S630). 그 다음으로, 상기 산출 단계(S630)에서 산출된 배터리 셀의 전기용량의 변화량을 이용하여 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정한다(S640).
선택적으로, 상기 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, 상기 추정 단계 이전에, 밸런싱 수행 이전의 상기 배터리 셀의 전압과 밸런싱 수행 이후의 상기 배터리 셀의 전압의 차이를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, 먼저, 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀을 밸런싱한다(S710). 이어서, 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행되는 밸런싱 시간을 측정한다(S720). 다음으로, 배터리 셀을 밸런싱하는 밸런싱부(110)의 충방전 효율과 상기 밸런싱 시간을 곱하여 배터리 셀의 전기용량의 변화량을 산출한다(S730). 그 다음으로, 밸런싱 수행 이전의 배터리 셀의 전압과 밸런싱 수행 이후의 배터리 셀의 전압의 차이를 산출할 수 있다(S740). 그 다음으로, 상기 산출 단계(S730, S740)에서 산출된 배터리 셀의 전기용량의 변화량과 상기 배터리 셀의 전압 차이 등을 아래의 수학식에 대입하여 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정한다(S750).
(수학식 2)
Figure 112014105630048-pat00006
여기서, PΔ는 배터리 셀의 전기용량의 변화량이고, PI는 출하 당시 배터리 셀의 만충전시 전기용량이며, ΔV는 상기 전압차산출부가 산출한 배터리 셀의 전압의 차이이고, V0는 만충전시 배터리 셀의 전압과 만방전시 배터리 셀의 전압의 차이이다.
선택적으로, 상기 밸런싱 단계(S610, S710)는, 방전을 통해 상기 배터리 셀을 밸런싱할 수 있다. 이때, 상기 충방전 효율은, 상기 밸런싱부(110)의 방전 효율일 수 있다.
또한 선택적으로, 상기 추정 단계(S640, S750)는, 상기 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행될 때마다 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 수 있다.
이 경우, 바람직하게는, 상기 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, 상기 추정된 배터리 셀의 용량 퇴화도를 각각의 배터리 셀 별로 퇴화테이블에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 저장 단계는, 상기 추정 단계(S640, S750)에서 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도가 추정될 때마다 추정된 배터리 셀의 용량 퇴화도를 상기 퇴화테이블에 업데이트할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서에서 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절한 부결합(subcombination)에서 구현될 수 있다.
100: 배터리 용량 퇴화 추정 장치
110: 밸런싱부
120: 시간측정부
130: 퇴화도추정부
140: 메모리부
150: 셀전압측정부
160: 전압차산출부

Claims (13)

  1. 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀을 밸런싱하는 밸런싱부;
    상기 밸런싱부에 의한 밸런싱 수행 이전의 상기 배터리 셀의 전압과 밸런싱 수행 이후의 상기 배터리 셀의 전압의 차이를 산출하는 전압차산출부;
    상기 밸런싱부가 상기 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행하는 밸런싱 시간을 측정하는 시간측정부; 및
    상기 밸런싱부의 충방전 효율과 상기 시간측정부가 측정한 밸런싱 시간을 곱하여 산출되는 상기 배터리 셀의 전기용량의 변화량 및 상기 산출된 전압의 차이를 이용하여 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 퇴화도추정부;를 포함하되,
    상기 퇴화도추정부는, 하기의 수학식을 이용하여 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
    Figure 112016104859862-pat00016

    (여기서, PΔ는 배터리 셀의 전기용량의 변화량, PI는 출하 당시 배터리 셀의 만충전시 전기용량, ΔV는 상기 전압차산출부가 산출한 배터리 셀의 전압의 차이, V0는 만충전시 배터리 셀의 전압과 만방전시 배터리 셀의 전압의 차이)


  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸런싱부는, 상기 배터리 셀의 양단에 연결되는 복수 개의 방전 회로를 포함하고,
    상기 방전 회로는, 스위치 및 상기 스위치가 턴 온됨에 따라 상기 배터리 셀로부터 전류가 유입되어 전력을 소모하는 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 밸런싱부의 충방전 효율은, 상기 방전 회로의 방전 효율인 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 퇴화도추정부는, 상기 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행될 때마다 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 상기 추정된 배터리 셀의 용량 퇴화도를 각각의 배터리 셀 별로 저장하는 퇴화테이블을 더 포함하고,
    상기 퇴화테이블은, 상기 퇴화도추정부가 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정할 때마다 업데이트되는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  7. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 포함하는 배터리 팩.
  8. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 포함하는 전기 자동차.
  9. 배터리 어셈블리에 구비된 배터리 셀을 밸런싱하는 단계;
    상기 배터리 셀에 대한 밸런싱 수행 이전의 상기 배터리 셀의 전압과 밸런싱 수행 이후의 상기 배터리 셀의 전압의 차이를 산출하는 단계;
    상기 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행되는 밸런싱 시간을 측정하는 단계;
    상기 배터리 셀을 밸런싱하는 밸런싱부의 충방전 효율과 상기 밸런싱 시간을 곱하여 상기 배터리 셀의 전기용량의 변화량을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 상기 배터리 셀의 전기용량의 변화량 및 상기 산출된 전압의 차이를 이용하여 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 단계;를 포함하되,
    상기 추정 단계는, 하기의 수학식을 이용하여 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
    Figure 112016104859862-pat00017

    (여기서, PΔ는 배터리 셀의 전기용량의 변화량, PI는 출하 당시 배터리 셀의 만충전시 전기용량, ΔV는 상기 산출된 전압의 차이, V0는 만충전시 배터리 셀의 전압과 만방전시 배터리 셀의 전압의 차이)
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 밸런싱 단계는, 방전을 통해 상기 배터리 셀을 밸런싱하고,
    상기 충방전 효율은, 상기 밸런싱부의 방전 효율인 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 추정 단계는, 상기 배터리 셀에 대한 밸런싱이 수행될 때마다 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, 상기 추정된 배터리 셀의 용량 퇴화도를 각각의 배터리 셀 별로 퇴화테이블에 저장하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 저장 단계는, 상기 추정 단계에서 상기 배터리 셀의 용량 퇴화도가 추정될 때마다 추정된 배터리 셀의 용량 퇴화도를 상기 퇴화테이블에 업데이트하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
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