KR101817396B1 - 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 잔존수명(State Of Health; SOH) 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 측정부; 배터리의 잔존용량(State Of Charge; SOC)을 추정하는 제1 SOC 추정부; 배터리의 리던던트(Redundant) SOC를 추정하는 제2 SOC 추정부; 및 배터리의 SOH를 추정하는 SOH 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법 {Apparatus and method for measuring state of battery health}

본 발명은 배터리의 잔존수명(State Of Health; SOH)을 추정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리의 잔존용량(State Of Charge; SOC) 및 리던던트(Redundant) SOC를 추정하고, 추정된 리던던트 SOC만을 이용하여 배터리의 SOH를 추정함으로써, 추정 오차를 최소화하여 보다 정확하고 신뢰도 높게 배터리의 SOH를 추정할 수 있는 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 배터리는 축전지 또는 2차 전지라고도 하며, 화석 연료의 사용을 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

때문에, 배터리는 휴대용 기기를 비롯하여 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(Electric Vehicle; EV) 또는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 등에 보편적으로 응용되고 있으며, 보다 효율적인 배터리 관리를 위하여 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS), 배터리 밸런싱 회로 및 릴레이 회로 등에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

특히, BMS는 배터리의 상태 정보를 이용하여 배터리의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등을 관리할 수 있고, 이 가운데 배터리의 수명을 예측하여 교체 시기를 추정하는 기술은 보다 안정적인 시스템 운영에 있어서 핵심 기술이 되고 있다.

여기서 배터리의 SOH를 추정하는 종래기술을 살펴보면, 배터리의 SOC 추정에 있어서 오차가 발생한 경우, 상기 오차를 갖고 있는 배터리의 SOC에 근거하여 추정되는 배터리의 SOH 역시 오차를 갖게 되고, 또 다시 상기 오차를 갖고 있는 배터리의 SOH에 근거하여 추정되는 배터리의 SOC는 더 큰 오차가 발생하는 악순환의 문제가 발생한다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0052558호

본 발명의 목적은, 배터리의 잔존용량(State Of Charge; SOC) 및 리던던트(Redundant) SOC를 추정하고, 추정된 리던던트 SOC만을 이용하여 배터리의 잔존수명(State Of Health; SOH)을 추정함으로써, 추정 오차를 최소화하여 보다 정확하고 신뢰도 높게 배터리의 SOH를 추정할 수 있는 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치는, 배터리의 전압, 전류, 및 온도를 측정하는 측정부; 측정된 배터리의 전압, 전류 및 온도에 근거하여 배터리의 잔존용량(State Of Charge; SOC)을 추정하는 제1 SOC 추정부; 상기 제1 SOC 추정부에서 추정되는 SOC와는 별도의 리던던트(Redundant) SOC를 추정하는 제2 SOC 추정부; 및 배터리의 전류 및 리던던트 SOC에 근거하여 배터리의 잔존수명(State Of Health; SOH)을 추정하는 SOH 추정부;를 포함하여 구성된다.

일 실시예에서, 상기 제1 SOC 추정부는 SOH 추정부에서 추정되는 배터리의 SOH를 피드백(Feedback) 입력받고, 입력된 상기 배터리의 SOH 및 측정부에서 측정된 배터리의 전압, 전류 및 온도에 근거하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 SOH 추정부는 제1 SOC 추정부에서 추정되는 SOC가 아닌, 제2 SOC 추정부에서 추정되는 리던던트 SOC만을 입력받을 수 있다.

일 실시예에서, 상기 SOH 추정부는 입력받은 리던던트 SOC를 하기 수학식에 대입하여, 배터리의 SOH를 추정할 수 있다.

<수학식>

여기서, SOH = 배터리의 잔존수명

t = 배터리의 사용 시간

I = 배터리의 충전 또는 방전 전류

Capacity_initial = 배터리의 초기 용량

일 실시예에서, 상기 배터리 잔존수명 추정 장치는 배터리의 SOC 정보를 영상 또는 음성으로 출력하는 출력부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 잔존용량(State Of Charge; SOC) 및 리던던트(Redundant) SOC를 추정하고, 추정된 리던던트 SOC만을 이용하여 배터리의 잔존수명(State Of Health; SOH)을 추정함으로써, 보다 정확하고 신뢰도 높게 배터리의 SOH를 추정할 수 있는 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한, 추정된 배터리의 SOH를 피드백(Feedback)함으로써, 배터리의 SOH를 이용하여 추정할 수 있는 배터리의 SOC 및 전류 적산 과정에 있어서도 오차가 줄어드는 효과가 발생한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법이 적용될 수 있는 전기 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법에 대한 종래기술의 해결 과제를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치의 전체적인 프로세스를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하에서 서술하는 전기 차량(electric vehicle)은 추진력으로 하나 또는 그 이상의 전기 모터를 포함하는 차량을 말한다. 전기 차량을 추진하는데 사용되는 에너지는 재충전 가능한 배터리 및/또는 연료 전지와 같은 전기적 소스(electrical source)를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법이 적용될 수 있는 전기 차량(1)을 개략적으로 도시한 도면이다.

다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법은, 전기 차량(1) 이외에도 배터리가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있음을 유의한다.

도 1을 참조하면, 전기 차량(1)은 배터리(10), BMS(Battery Management System, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 차량(1)을 구동시키는 전기 에너지원으로, 모터(50) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.

여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다.

BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하여 배터리(10)를 관리할 수 있다. 예컨대, BMS(20)는 후술되는 배터리 잔존수명 추정 장치(도 3의 100)를 포함하여, 배터리(10)의 리던던트(Redundant) 잔존용량(State Of Charge; SOC)을 추정 및 이용함으로써, 보다 신뢰도 높은 배터리(10)의 잔존수명(State Of Health; SOH)을 추정할 수 있다.

ECU(30)는 전기 차량(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 전달받은 배터리(10)의 SOH 및 SOC 등의 상태 정보에 기초하여 인버터(40)에 제어 신호를 보낼 수 있다.

인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 할 수 있다.

모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 차량(1)을 구동할 수 있다.

상술한 전기 차량(1)은 배터리(10)를 이용하여 구동되므로, 배터리(10)의 SOH 및 교체 시기를 추정하여 효율적인 시스템 운영을 하는 것이 중요하다.

따라서, 이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법에 대하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치 및 방법에 대한 종래기술의 해결 과제를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 종래의 배터리 잔존수명 추정 장치(10)는 SOC 추정부(11)에서 전압, 전류 및 온도에 근거한 배터리의 SOC가 추정되고, 추정된 배터리의 SOC를 이용하여 SOH 추정부(12)에서 배터리의 SOH를 추정하며, 추정된 배터리의 SOH는 다시 배터리의 SOC를 추정하기 위하여 SOC 추정부(11)로 피드백(Feedback)되는 구조를 가질 수 있다.

이때, SOC 추정부(11)에서 추정된 배터리의 SOC에 오차가 존재하는 경우, 상기 오차가 존재하는 배터리의 SOC를 이용하여 추정되는 배터리의 SOH 역시 오차를 갖게 되고, 이후 오차가 존재하는 배터리의 SOH가 피드백 되면서 배터리의 SOC 및 SOH는 점차 큰 오차를 갖게 되는 문제점이 발생할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치(100)는 측정부(110), 제1 SOC 추정부(120), 제2 SOC 추정부(130), SOH 추정부(140) 및 출력부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.

다만, 도 3에 도시된 배터리 잔존수명 추정 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있음을 유의한다.

측정부(110)는 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 역할을 수행할 수 있다.

예컨대, 배터리의 전압 및 전류는 절연 커패시터, 저항 등을 이용한 측정 장치를 통하여 측정될 수 있고, 배터리의 온도 측정은 온도 검출 소자 및 센서를 배터리에 접촉 또는 직접 연결하는 방식이 적용될 수 있다.

그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리의 전압, 전류 및 온도 측정은 상술된 방식 이외의 다양한 방식으로도 측정될 수 있다.

제1 SOC 추정부(120)는 측정부(110)에서 측정된 배터리의 전압, 전류 및 온도에 근거하여 배터리의 SOC를 추정하는 역할을 수행할 수 있다.

일례로 배터리의 SOC는 배터리의 충전 및 방전 전류를 적산하여 여기에 효율을 곱함으로써 추정될 수 있으나, 이는 일 실시예에 따른 것이며 필요에 따라 다양한 방식으로 추정될 수 있음을 유의한다.

제2 SOC 추정부(130)는 리던던트 SOC를 추정하는 역할을 수행할 수 있다.

이때, 리던던트 SOC는 오직 배터리의 SOH만을 추정하기 위해 별도로 추정되는 값으로, 제1 SOC 추정부(120)에서 추정되는 배터리의 SOC와는 상이한 것이며, 본 발명의 목적 및 효과를 만족시키기 위하여 리던던트 SOC는 배터리의 SOH에 어떠한 영향도 받지 않도록 설계될 수 있다.

SOH 추정부(140)는 제1 SOC 추정부(120)에서 추정되는 SOC가 아닌, 제2 SOC 추정부(130)에서 추정되는 리던던트 SOC만을 근거로 하여 배터리의 SOH를 추정하는 역할을 수행할 수 있다.

이때, SOH 추정부(140)는 하기의 수학식 1과 같이 배터리 전류의 적산과 리던던트 SOC를 이용하여 배터리의 SOH를 추정할 수 있다.

<수학식 1>

여기서, SOH = 배터리의 잔존수명

t = 배터리의 사용 시간

I = 배터리의 충전 또는 방전 전류

Capacity_initial = 배터리의 초기 용량

출력부(150)는 제1 SOC 추정부(120)에서 추정되는 배터리의 SOC 정보를 영상 또는 음성으로 출력하는 역할을 수행할 수 있다.

예컨대, 출력부(150)는 배터리의 SOC 정보 데이터를 수신하여 영상으로써 표시하는 디스플레이 장치(미도시) 또는 배터리의 SOC 정보 데이터를 음성으로 변환하여 송출하는 음성 장치(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 장치(100)의 전체적인 프로세스를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 측정부(110)에서 측정된 배터리의 전압, 전류 및 온도는 제1 SOC 추정부(120)와 제2 SOC 추정부(130)로 입력되어, 제1 SOC 추정부(120)에서는 배터리의 SOC가 추정되며, 제2 SOC 추정부(130)에서는 배터리의 리던던트 SOC가 추정될 수 있다. 이어서, 추정된 배터리의 리던던트 SOC 및 배터리의 전류가 SOH 추정부(140)로 입력되어 배터리의 SOH를 추정할 수 있다. 여기서, 리던던트 SOC는 오직 배터리의 SOH만을 추정하기 위해 추정되는 값이므로, 일반적인 배터리의 SOC에 근거하여 배터리의 SOH를 추정하는 경우에 비해 오차를 줄일 수 있다. 이후, SOH 추정부(140)에서 추정된 배터리의 SOH는 제1 SOC 추정부(120)로 피드백 입력되어, 배터리의 SOC를 추정하는데 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 방법을 시작하면, 측정부에서 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정한다(S510). 다음으로 제1 SOC 추정부에서 배터리의 SOC를 추정하고(S520), 동시에 제2 SOC 추정부에서는 배터리의 리던던트 SOC를 추정한다(S530). 이어서, SOH 추정부에서는 추정된 배터리의 리던던트 SOC에 근거하여 배터리의 SOH를 추정 및 제1 SOC 추정부로 피드백 한다(S531). 이후, 제1 SOC 추정부는 피드백된 배터리의 SOH에 근거하여 배터리의 SOC를 추정하고(S521). 출력부에서는 추정된 배터리의 SOC 정보를 영상 또는 음성으로 출력하여(S522), 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔존수명 추정 방법을 종료한다.

이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.

100: 배터리 잔존수명 추정 장치
110: 측정부
120: 제1 SOC 추정부
130: 제2 SOC 추정부
140: SOH 추정부
150: 출력부

Claims (10)

1. 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 측정부;
   측정된 상기 배터리의 전압, 전류 및 온도에 근거하여 상기 배터리의 잔존용량(State Of Charge; SOC)을 추정하는 제1 SOC 추정부;
   상기 제1 SOC 추정부에서 추정되는 SOC와는 별도로 상기 배터리의 잔존 수명(State Of Health; SOH)에 영향을 받지 않는 리던던트(Redundant) SOC를 추정하는 제2 SOC 추정부; 및
   상기 배터리의 전류 및 리던던트 SOC에 근거하여 상기 배터리의 SOH를 추정하는 SOH 추정부;를 포함하며,
   상기 SOH 추정부는,
   입력받은 상기 리던던트 SOC를 하기 수학식에 대입하여, 상기 배터리의 SOH를 추정하는 것을 특징으로 하는
   배터리 잔존수명 추정 장치.
   <수학식>
   

   

   
   여기서, SOH = 배터리의 잔존수명
   t = 배터리의 사용 시간
   I = 배터리의 충전 또는 방전 전류
   Capacity_initial = 배터리의 초기 용량
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 SOC 추정부는,
   상기 SOH 추정부에서 추정되는 배터리의 SOH를 피드백(Feedback) 입력받고, 입력된 상기 배터리의 SOH 및 상기 측정부에서 측정된 배터리의 전압, 전류 및 온도에 근거하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 것을 특징으로 하는
   배터리 잔존수명 추정 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 SOH 추정부는,
   상기 제1 SOC 추정부에서 추정되는 SOC가 아닌, 상기 제2 SOC 추정부에서 추정되는 리던던트 SOC만을 입력받는 것을 특징으로 하는
   배터리 잔존수명 추정 장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 배터리의 SOC 정보를 영상 또는 음성으로 출력하는 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   배터리 잔존수명 추정 장치.
   
6. 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계;
   측정된 상기 배터리의 전압, 전류 및 온도에 근거하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 단계;
   상기 배터리의 SOC와는 별도로 상기 배터리의 SOH에 영향을 받지 않는 리던던트 SOC를 추정하는 단계; 및
   상기 배터리의 전류 및 리던던트 SOC에 근거하여 상기 배터리의 SOH를 추정하는 단계;를 포함하며,
   상기 배터리의 SOH를 추정하는 단계는,
   입력받은 상기 리던던트 SOC를 하기 수학식에 대입하여, 상기 배터리의 SOH를 추정하는 것을 특징으로 하는
   배터리 잔존수명 추정 방법.
   <수학식>
   

   

   
   여기서, SOH = 배터리의 잔존수명
   t = 배터리의 사용 시간
   I = 배터리의 충전 또는 방전 전류
   Capacity_initial = 배터리의 초기 용량
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 배터리의 SOC를 추정하는 단계는,
   상기 배터리의 SOH를 추정하는 단계에서 추정되는 배터리의 SOH를 피드백 입력받고, 입력된 상기 배터리의 SOH 및 측정된 상기 배터리의 전압, 전류 및 온도에 근거하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 것을 특징으로 하는
   배터리 잔존수명 추정 방법.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 배터리의 SOH를 추정하는 단계는,
   상기 배터리의 SOC를 추정하는 단계에서 추정되는 배터리의 SOC가 아닌, 상기 배터리의 리던던트 SOC를 추정하는 단계에서 추정되는 리던던트 SOC를 입력받는 것을 특징으로 하는
   배터리 잔존수명 추정 방법.
   
9. 삭제
10. 제6항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC 정보를 영상 또는 음성으로 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 잔존수명 추정 방법.
    

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