KR101792938B1 - 2차 전지 soc 추정 방법 - Google Patents

Abstract

제안기술은 2차 전지 SOC 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차 전지의 충전 시 충전기의 충전 전압에 따라 2차 전지의 잔여 용량(State Of Charge, SOC)을 정확하게 표시할 수 있는 2차 전지 SOC 추정 방법에 관한 발명이다.

Description

2차 전지 SOC 추정 방법{Method for estimating state of charge of secondary battery}

제안기술은 2차 전지 SOC 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차 전지의 충전 시 충전기의 충전 전압에 따라 2차 전지의 잔여 용량(State Of Charge, SOC)을 정확하게 표시할 수 있는 2차 전지 SOC 추정 방법에 관한 발명이다.

일반적으로 2차 전지 설계에 있어서 잔여 용량 (State Of Charge, SOC) 추정 방법은 중요한 기술 중에 하나이다. 일반 산업체에서는 2차 전지의 SOC를 측정하기 위해 전류적산법(Coulomb counting method)을 사용한다.

상기 전류적산법은 2차 전지의 전체 용량에서 충전 혹은 방전 시 계측되는 전류값을 시간에 대해 적분하여 가감하는 방식으로, 정확한 전류센서만 있으면 산업체에서 쉽게 이용할 수 있다. 그러나 적분이 지속되면서 SOC의 오차가 누적되는 문제점이 발생하며, 도 1에 도시된 바와 같이, hall 타입의 전류 센서를 사용할 경우 저전류 영역에서 전류 오차가 크기 때문에 SOC의 오차도 더욱 커지게 된다.

이러한 문제를 극복하기 위해 SOC 계산 시 일정 시점에서 보정하는 작업이 수반되며, 일반적으로는 완전 충전 시 100%로 보정하거나 완전 방전 시 0%로 보정하게 된다.

그러나 상기의 보정작업에도 불구하고 2차 전지의 전압과 SOC를 동시에 표시해야 하는 상황이나 2차 전지가 전용 충전기가 아닌 다른 충전기에 연결되어 사용되는 상황에서는 SOC 표시의 문제점이 발생할 수 있다. 특히, 한 개의 전자장비에 다수의 2차 전지를 혼용하여 사용하는 경우 더욱 큰 문제가 발생된다.

예를 들어 동일한 충전기를 사용하여 다수의 2차 전지를 동일한 조건에서 충전할 경우, 충전을 마친 다수의 2차 전지는 SOC와 전압이 모두 동일하여야 한다. 그러나 단순 전류적산법을 사용하게 되면 전지 및 전류 센서의 제품편차로 인하여 전압과 SOC의 값이 모두 상이하게 나타날 가능성이 높다. 특히 2차 전지를 완전 충전하지 않을 경우에는 SOC의 보정 작업도 이루어지지 않아 오차는 더욱 크게 나타나게 된다.

일반적으로 2차 전지의 충전기 및 SOC 표시 방법은 상기와 같은 이유로 2차 전지 제조사에서 2차 전지 팩과 함께 개발하며, 그렇지 않을 경우에는 충전기를 표준화하여 사용해야 한다. 만약 충전기가 표준화되어 있지 않아 충전기의 충전 전압이 정확하지 않을 경우에는 2차 전지 팩의 SOC 표시가 정확하지 않을 수 있다.

따라서 한 개의 장비에 다수의 2차 전지를 운용하고, 충전기의 종류와는 관계없이 충전 전압에 맞춰 모두 동일한 SOC를 표시해야하는 경우에는 기존의 SOC 표시 방법만으로는 한계가 존재하는 문제가 있다.

한국 등록특허공보 제10-0534214호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 2차 전지의 충전 시 서로 다른 2차 전지의 제품간 편차에 관계없이 충전기의 충전 전압에 따라 동일하고 정확한 SOC를 표시할 수 있는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

특히, 전용 충전기가 아닌 통상적인 파워 서플라이(power supply)와 같은 다른 충전기를 이용하여 2차 전지팩을 충전하더라도 충전기의 충전 전압에 맞춰 정확한 SOC를 표시하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

2차 전지의 충전 시 정전류 구간에서는 전류적산법을 이용하고, 정전압 구간에서는 비례함수법을 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기 비례함수법은 다음 식,

을 충족시키는 것으로,

a는 정전류 구간 종료 시점에서의 SOC이며, b는 충전기의 최고 충전 전압 일 때의 SOC이고, c는 정전류 구간에서의 충전기의 충전 전류 값이며, d는 정전압 구간에서 실시간으로 측정되는 충전기의 충전 전류 값이고, e는 충전종지 전류 값인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전용 충전기가 아닌 통상적인 파워 서플라이와 같은 어느 하나의 충전기를 이용하여 충전되는 서로 다른 종류의 2차 전지팩은 2차 전지팩의 제품간 편차에 관계없이 충전기의 충전 전압에 따라 충전 최종 단계에서 모두 동일하고 정확한 SOC를 표시할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 hall 타입 전류 센서를 이용했을 때의 전류 오차 그래프.
도 2는 일반적인 2차 전지의 CC-CV 충전법 그래프.
도 3은 정전압 구간에서 전류가 0일 때의 SOC의 데이터 테이블.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 충전되는 2차 전지팩의 전용 충전기가 아닌 통상적인 파워 서플라이와 같은 어느 하나의 충전기를 이용하여 서로 다른 종류의 2차 전지팩을 충전하더라도 2차 전지팩의 제품간 편차에 관계없이 충전기의 충전 전압에 따라 2차 전지팩의 충전 최종 단계에서 서로 다른 종류의 2차 전지 팩이 모두 동일하고 정확한 SOC를 표시할 수 있는 2차 전지 SOC 추정 방법에 관한 발명이다.

일반적으로 2차 전지팩은 정전류(Constant Current, CC) - 정전압(Constant Voltage, CV) 충전법을 사용하게 되며, 정전류(CC) 구간과 정전압(CV) 구간을 포함하는 전 구간에서 전류적산법에 의해 SOC를 추정하게 된다. 그러나 본 발명에서는 정전류(CC) 구간에서만 전류적산법을 수행하게 된다.

일반적인 2차 전지의 CC-CV 충전법에 대해 설명하면 도 2에 도시된 바와 같이, 2차 전지의 전압이 낮은 경우에는 충전기의 전력 및 2차 전지의 안전 등을 고려하여 정전류(CC)로 충전하게 되며, 정전류(CC)로 충전되는 CC 구간(30)에서의 2차 전지는 충전되는 전하량에 비례하여 전압(10)이 상승하게 된다.

충전이 지속되면 2차 전지의 전압(10)은 CV 구간(40)에 도달하게 되고, CV 구간(40)에서는 충전기의 충전 전류(20)가 점차 줄어들면서 충전을 계속하게 된다.

CV 구간(40)을 두는 이유는 2차 전지 팩의 내부 저항 때문에 CC 구간(30)에서 2차 전지의 전압(10)이 충전기의 최종 전압에 도달하였다 하더라도 완전히 충전된 상태가 아니기 때문이다.

실제로 충전기가 충전을 중단하면 2차 전지의 전압(10)은 갑자기 떨어지게 된다. 따라서 CV 구간(40)에서 충전기의 충전 전류(20)를 서서히 감소시키면서 2차 전지의 전압(10)이 충전기의 전압과 동일해질 때까지 SOC를 상승시킨다.

충전기의 충전 전류(20)가 점차 감소하여 더 이상 2차 전지로 전류가 흐르지 않으면 충전기가 충전할 수 있는 만큼 2차 전지를 충전하였다는 것을 의미하기 때문에 이때 충전을 중단하게 된다.

2차 전지팩은 CC 구간(30) 및 CV 구간(40)에 관계없이 2차 전지팩으로 흐르는 전류를 계측 및 적분하여 SOC를 추정하게 되고, 2차 전지팩의 SOC가 100% 혹은 0%에 도달하면 SOC 보정 작업에 들어가게 된다.

즉, CC 구간(30)에서는 충전 시작 시의 SOC를 바탕으로 충전되는 전류를 센싱 및 적산하여 전류적산법으로 SOC를 추정하고, CC 구간(30)이 종료되어 SOC가 CV 구간(40)에 도달하게 되면 전류적산법을 멈추고 비례함수법을 이용하여 SOC를 추정하게 된다.

비례함수법에 사용되는 함수는 다음과 같다.

a. CC 구간(30) 종료 시점에서의 SOC, b. 충전기의 최고 충전 전압(CV 구간(40)에서의 전압으로, 전류가 '0'일 때의 전압)일 때의 SOC, c. CC 구간(30)에서의 충전기의 충전 전류(20) 값, d. CV 구간(40)에서 실시간으로 측정되는 충전기의 충전 전류(20) 값, e. 충전종지 전류 값을 바탕으로 생성된다.

CC 구간(30)과 CV 구간(40)은 2차 전지팩 내부의 전류 센서에서 계측되는 전류값을 통해 구분되어진다.

상기 비례함수법에 사용되는 함수를 이용하여 SOC를 추정하는 방법의 실시예는 다음과 같다.

먼저, 2차 전지팩에 충전 될 수 있는 최고 전압 29.4V(4.2V 단위전지 7 직렬 상태), 29.4V까지 충전하였을 경우 2차 전지팩의 용량 50Ah, 현재 상태의 SOC는 20%, 충전기에서 공급 가능한 최고 전압 28.7V, 충전 종지 전류 0A 라고 가정한다.

즉, 충전기로는 최대 28.7V까지 밖에 충전할 수 없기 때문에 2차 전지팩을 100% 충전하지 못한다는 것을 의미한다.

충전기가 작동하면 충전기는 CC 구간(30)에서 25A로 정전류 충전한다고 가정한다. 이때부터 2차 전지의 전압(10)은 충전 시작과 동시에 상승하게 된다.

2차 전지의 전압(10)이 28.7V에 도달하면 충전기는 CV 구간(40)으로 돌입하여 충전 전류(20)를 감소시키게 된다. 전압이 28.7V에 도달하였다 하더라도 2차 전지의 충전이 완료된 것은 아니므로 2차 전지는 CV 구간(40)에서 지속적으로 충전된다.

CV 구간(40)에 돌입하면 CC 구간(30)에서 사용되었던 전류적산법을 멈추고, a. CC 구간(30) 종료 시점에서의 SOC인 85%, b. 충전기의 최고 충전 전압(CV 구간(40)에서의 전압으로, 전류가 '0'일 때의 전압)일 때의 SOC인 95%, c. CC 구간(30)에서의 충전기의 충전 전류(20) 값 25A, d, CV 구간(40)에서 실시간으로 측정되는 충전기의 충전 전류(20) 값 xA, e. 충전종지 전류 0A를 바탕으로 한 함수를 생성한다. 위의 값을 이용하여 생성된 함수는 다음과 같다.

이때, b. 충전기의 최고 충전 전압(CV 구간에서의 전압으로, 전류가 '0'일 때의 전압)일 때의 SOC 값은 도 3에 도시된 바와 같이 실제 실험을 통해 미리 확보한 데이터를 활용하게 된다.

CV 구간(40)에서는 충전기의 충전 전류(20)가 지속적으로 감소하게 되므로 SOC는 85%에서 95%로 서서히 접근하게 된다. 충전기가 CV 상태로 계속 유지되면, SOC는 2차 전지의 제작년도, 시리얼 넘버, LOT 등과 같은 제품 편차와는 상관없이 모두 일정한 SOC를 가지게 된다.

따라서 사용자가 2차 전지의 전용 충전기가 아닌 통상적인 파워 서플라이와 같은 어느 하나의 충전기를 이용하여 서로 다른 종류의 2차 전지를 충전하는 시스템에 있어서, 상기에서 설명한 비례함수법을 2차 전지를 충전하게 되면,

1. 2차 전지의 전압 및 SOC를 동시에 표시해달라고 요구한 경우, 2. 서로 다른 종류의 2차 전지팩의 전압 및 SOC를 비교할 경우, 3. 서로 다른 종류의 2차 전지팩의 제품 간 편차 없이 SOC를 모두 동일하게 표시해달라고 요구한 경우, 4. 2차 전지의 가용 최고 전압까지 전압을 인가하지 못하는 충전기에 대하여 서로 다른 종류의 2차 전지를 충전하였을 때 최종적으로 모두 동일한 SOC 값을 가질 수 있도록 요구한 경우를 모두 만족할 수 있으며, 모든 종류의 2차 전지가 제품 간 편차와 관계없이 충전 최종단계에서 모두 동일한 SOC를 갖게 된다. 또한, 충전기의 충전 전압에 맞춰 정확한 SOC를 표시할 수 있게 된다.

본 발명은 2차 전지 팩 내부에 CC-CV 충전회로가 포함되어 있지 않고, 외부 충전기에 포함된 경우에 국한된다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 2차 전지의 전압
20 : 충전기의 충전 전류
30 : CC 구간(30)
40 : CV 구간(40)

Claims (5)

1. 2차 전지팩 내부에 CC-CV 충전 회로가 포함되어 있지 않고, 별도의 충전기에 의해 CC-CV 충전되는 2차 전지의 SOC 추정 방법에 있어서,
   2차 전지의 충전 시 정전류 구간에서는 전류적산법을 이용하고, 정전압 구간에서는 비례함수법을 이용하며,
   상기 비례함수법은 다음 식,
   

   

   
   을 충족시키는 것으로,
   a는 정전류 구간 종료 시점에서의 SOC이며, b는 충전기의 최고 충전 전압 일 때의 SOC이고, c는 정전류 구간에서의 충전기의 충전 전류 값이며, d는 정전압 구간에서 실시간으로 측정되는 충전기의 충전 전류 값이고, e는 충전종지 전류 값인 것을 특징으로 하는 2차 전지 SOC 추정 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 2차 전지의 전용 충전기가 아닌 어느 하나의 충전기로 서로 다른 종류의 2차 전지 충전 시 상기 비례함수법을 적용하면 모든 종류의 2차 전지가 동일한 SOC를 갖는 것을 특징으로 하는 2차 전지 SOC 추정 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 충전기의 최고 충전 전압 일 때의 SOC는 실제 실험을 통해 얻어진 데이터 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 SOC 추정 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 2차 전지의 충전 시 정전류 구간과 정전압 구간의 구분은 전류센서에서 계측되는 전류값을 통해 구분되는 것을 특징으로 하는 2차 전지 SOC 추정 방법.
   

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