KR102037378B1 - 정전류시 soc 추정 방법, 장치, 이를 포함하는 배터리 관리 시스템 및 에너지 저장 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 정전류시 SOC 추정 방법은, (A) 배터리의 충방전 전류가 정전류 구간에 있는지를 판단하는 단계; (B) 상기 단계 (A)에서 배터리의 충방전 전류가 정전류 구간에 있는 것으로 판단되는 경우, 정전류 지속 시간(T1)을 카운팅하는 단계; 및 (C) 상기 단계 (B)에서 카운팅된 지속 시간에 따라 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv) 보상을 통해 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 보정하여 최종 SOC를 추정하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 장시간 일정하게 동작하는 장치에서 SOC 추정에 따른 누적오차를 줄여 SOC를 정확하게 추정할 수 있기 때문에, 배터리의 과충전 및 과방전을 방지할 수 있고 배터리의 수명을 늘릴 수 있으며 전류값에 따라 보상 비율을 조정함으로써 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있다.

Description

정전류시 SOC 추정 방법, 장치, 이를 포함하는 배터리 관리 시스템 및 에너지 저장 시스템{Method and apparatus for estimating SOC in constant current state, battery management system and energy storage system comprising the same}

본 발명은 SOC 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 정전류시 SOC를 추정하는 방법, 장치, 이를 포함하는 배터리 관리 시스템 및 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

지구온난화에 따른 기후 변화와 각종 화석 연료의 고갈로 인해 신재생 에너지의 중요성은 더욱 커지고 있다. 하지만, 신재생 에너지의 대부분은 자연 에너지에 기반하고 있기 때문에 효율성과 출력의 변동이 심하고 발전량 조절이 쉽지 않다는 단점이 있다. 실제로 태양광이나 풍력을 이용한 재생 에너지는 간헐적으로 에너지를 획득할 수 있어서 획득된 에너지를 소비 패턴과 일치시키는데 어려움을 겪고 있는 실정이다. 따라서, 신재생 에너지가 광범위하게 활용되기 위해서는 간헐적으로 발생되는 에너지를 저장해두었다가 안정적으로 에너지를 공급하기 위한 수단인 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)이 필요하다.

에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)은 발전 전력을 저장해서 수요 패턴에 맞게 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 시스템으로서, 발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해주는 저장 장치를 말한다.

에너지 저장 시스템은 전기를 대규모로 저장하여 필요할 때 사용하는 '전력 저수지'로서, 남는 전력과 에너지를 필요한 시기와 장소에 공급하기 위해 전력을 에너지 저장 수단에 저장해두는 기술이다. 발전소에서 생산한 전력을 가정이나 공장 등에 바로 전달하지 않고 양수발전과 압축공기저장 방식 및 대형 2차 배터리와 같은 에너지 저장 수단에 에너지를 저장했다가 전력이 가장 필요한 시기와 장소에 전력을 생성한 후 전송하여 에너지 효율을 높이는 시스템이다.

현재 에너지 저장 수단의 대부분을 차지하고 있는 양수발전과 압축공기저장 방식은 설치 공간 확보의 문제로 향후 수익성이 저하될 것이고, 상대적으로 유지 및 관리가 간편한 2차 배터리 방식이 에너지 저장 시스템의 에너지 저장 수단으로서 급부상하고 있다.

도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템의 블록도를 도시한 것으로, 도 1에 도시된 에너지 저장 시스템은, 제1 랙 내지 제n 랙(R1 내지 Rn) 및 배터리 감시 시스템(12)을 포함하는 배터리 시스템(10), 전력 변환 시스템(14) 및 에너지 관리 시스템(16)을 포함한다.

상기 제1 랙(R1)은 제1 배터리 모듈(B1.1) 내지 제n 배터리 모듈(B1.n) 및 제1 배터리 관리 시스템(BMS.B)을 포함하고, 상기 제n 랙(Rn)은 제1 배터리 모듈(Bn.1) 내지 제n 배터리 모듈(Bn.n) 및 제1 배터리 관리 시스템(BMS.B)을 포함한다. 또한, 각각의 배터리 모듈(B1.1 내지 Bn.n)은 복수의 배터리 셀(미도시) 및 복수의 제2 배터리 관리 시스템(BMS.A)을 포함한다.

배터리 시스템(10)은 에너지를 충전하여 저장하고 필요시 에너지를 방전하여 출력하기 위한 것이고, 전력 변환 시스템(14)은 전력망인 그리드와 접속하여 직류를 교류로 변환하거나 교류를 직류로 변환하고 배터리의 충방전을 제어하기 위한 것이며, 에너지 관리 시스템(16)은 내부 부하, 배터리 상태 등을 고려하여 배터리 시스템(10) 및 전력 변환 시스템(14)을 제어하기 위한 것이다.

한편, 제1 랙(R1) 내지 제n 랙(Rn)에 포함되어 있는 제1 배터리 관리 시스템(BMS.B)은 배터리 셀의 SOC(State Of Charge: 충전 상태)를 계산하여 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어하여 배터리 셀을 효율적으로 관리하고, 제1 배터리 모듈 내지 제n 배터리 모듈, 제1 랙(R1) 내지 제n 랙(Rn)을 제어하며 보호하기 위한 것이다. 또한, 제1 배터리 모듈 내지 제n 배터리 모듈 내에 포함된 제2 배터리 관리 시스템(BMS.A)은 배터리 모듈에 포함되어 있는 복수의 배터리 셀들의 전압, 전류 및 온도를 감지하고 이에 기반하여 셀 밸런싱을 수행하는 등 배터리 셀들을 효율적으로 관리하기 위한 것이다.

한편, 배터리 셀은 정격 충전 범위보다 현저하게 높게 충전되는 경우 위험할 수 있고 정격 충전 범위보다 낮게 방전되는 경우 배터리 수명이 단축될 수 있다. 따라서, 배터리 셀을 정격 충전 범위 내에서 충전 또는 방전하기 위하여 배터리 셀의 정확한 충전 상태를 파악하는 것이 요구된다.

배터리 셀의 충전 상태에 영향을 미치는 요인들은 예를 들면, 각각의 배터리 셀의 화학반응, 셀의 내부 임피던스, 자기 방전의 속도, 실제 용량의 감소 및 동작 온도의 변동 등과 같은 요인을 포함한다.

셀의 온도의 불일치는 셀 충전 상태의 불균형의 중요한 요인이다. 예를 들면, 배터리 셀에는 "자기 방전"이 있는데 이것은 배터리 온도의 함수이며, 온도가 높은 배터리가 온도가 낮은 배터리보다 전형적으로 더 큰 자기 방전율을 나타낸다. 그 결과 온도가 높은 배터리는 온도가 낮은 배터리보다 시간이 경과함에 따라 낮은 충전 상태를 나타낸다.

또한, 배터리 셀들은 충방전을 반복하는 경우 실제 용량이 감소하고, 배터리의 충전 상태를 추정함에 있어서 추정 오차가 커지면 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 없어서 배터리 셀의 에너지 효율이 떨어지게 되며, 수명도 단축된다. 따라서, 배터리의 충전 상태를 정확히 추정한다면 배터리 셀을 효율적으로관리하는 것이 가능하므로 배터리 셀의 수명을 연장하고, 배터리 셀을 효율적으로 사용할 수 있다.

본 발명에 의한 정전류시 SOC 추정 방법, 장치, 이를 포함하는 배터리 관리 시스템은 에너지 저장 시스템의 제1 랙 내지 제n 랙에 포함된 제1 배터리 관리 시스템(BMS.B)에 적용되지만 경우에 따라서는 제1 배터리 모듈 내지 제n 배터리 모듈 내에 포함된 제2 배터리 관리 시스템(BMS.A)에도 적용될 수 있다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 전기 자동차와 같이, 배터리 셀을 사용하는 어떤 유형의 장치나 시스템에 포함된 배터리 관리 시스템에도 적용될 수 있다.

특히, 에너지 저장 시스템은, 복수의 배터리 셀들을 포함하는 많은 수의 배터리 모듈들을 포함하고 있기 때문에, 배터리 셀의 충전 상태를 정확히 추정하여 배터리 셀을 효율적으로 관리함으로써 에너지 효율을 높이는 것이 매우 중요하다.

배터리 셀의 충전 상태(이하, SOC라 함)를 추정하기 위하여 종래의 배터리 관리 시스템에서는 입출력되는 전류, 즉 충전 및 방전 전류를 적산하여 SOC를 추정한다. 이러한 전류 적산 기반 SOC 추정은, 초기 SOC를 알고 있는 경우, 배터리 셀이 충전과 방전을 하는 동안 충전 전류와 방전 전류를 적산하면 배터리 셀의 SOC에 이를 반영하여 SOC를 추정할 수 있다는 것에 기반한다.

하지만, 전류 적산에 기반한 SOC 추정은 단기간에는 비교적 정확하게 SOC를 추정할 수 있을지라도, 장기간 SOC를 추정하는 경우, 전류 센서가 배터리 셀의 입출력 전류를 측정하는 데 있어서 기본적인 측정 오차가 있기 때문에 시간이 경과함에 따라 전류 측정 오차가 누적된다. 또한, SOC를 추정하기 위해서는 계속해서 전류를 적산하는 반복적인 계산을 수행해야 하는데, 이 경우 반복적인 계산으로 인하여 계산 오차가 누적되기 때문에, SOC 추정 오차가 누적되므로, 장기간 SOC를 추정하면, 시간이 경과할수록 오차가 커지는 문제점이 있다.

다른 SOC 추정 방법은, 배터리의 개방회로전압(이하, OCV라 함)에 기반하여 SOC를 추정하는 방법이다. OCV와 SOC는 양호한 선형 관계를 나타내므로, OCV를 추정하면 SOC를 추정할 수 있다는 것에 기반하여 OCV와 SOC와의 관계를 나타내는 테이블에 기반하여 SOC를 추정한다. 즉, 배터리 셀의 전압과 배터리 셀의 충전 상태 간의 상관 관계를 기반으로 SOC를 추정한다.

OCV에 기반하여 SOC를 추정하기 위해서는, 우선 OCV를 알아야 하는데, OCV는 개방회로전압이기 때문에 배터리 셀을 사용하는 장치가 전기를 사용하지 않는 상태, 즉 부하가 적용되지 않은 개방회로상태에서 배터리 셀의 전압을 측정하여 OCV를 구해야 한다. 하지만, 이것은 용이하지 않기 때문에, 실제로는 배터리 셀의 전압, 전류 및 내부 저항에 기반하여 OCV를 추정한 후에 추정된 OCV에 기반하여 SOC를 추정한다.

하지만, 부하가 적용될 때 배터리 셀의 전압은 배터리의 내부 저항의 전압 강하로 인해 왜곡되기 때문에, 부하의 변동이 심한 장치에서 OCV에 기반하여 SOC를 추정하면 SOC 추정 오차가 커진다. 따라서, 부하가 적용되는 경우에는 통상적으로 OCV에 기반하여 SOC를 추정하지 않는다.

따라서, 통상적으로, 저전류 구간이 일정시간 이상 지속되는 경우에는 배터리 셀의 OCV에 기반하여 SOC를 추정하고, 소정 전류 이상의 전류가 배터리 셀을 통해 입출력되는 경우에는 전류 적산에 기반하여 SOC를 추정한다.

하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌은 전기 자동차의 주행동작 중 배터리의 충전 또는 방전이 이루어지다가 정속주행 또는 정차로 인해 배터리의 충방전이 발생하지 않는 경우, 빠른 시간 내에 내부 저항 및 배터리의 분극 현상에 의해 정확한 OCV를 측정할 수 없기 때문에, 배터리에 충방전이 발생하지 않는 기간 중 배터리의 내부저항에 의한 저항 성분의 효과가 제거되는 제1시점에 대응하는 전압과 제1시점과의 관계 및 내부저항에 의한 저항성분의 효과가 제거된 후 전해질 확산에 의한 분극현상이 해소되기 시작하는 시점으로부터 소정의 시간이 경과한 제2시점에 대응하는 전압과 제2시점 간의 관계를 이용하여 OCV를 추정하고, 추정된 OCV에 기반하여 SOC를 설정한다.

상기와 같은 종래의 SOC 추정 방법은, 충방전이 발생하지 않는 기간 동안 SOC를 정확하게 추정하는 것만을 개시하고 있기 때문에, 충방전이 발생하고 있는 동안에 SOC를 정확하게 추정하는 방법에 대한 언급이 전혀 없으며, 따라서, 충방전이 발생하고 있는 동안에는 전류 적산에 의한 SOC 추정 방법을 사용하여 SOC를 추정해야 한다.

하지만, 전류 전산에 기반하여 SOC를 추정하는 방법은, 상기한 바와 같이, 시간이 경과함에 따라 전류 측정 오차가 누적되고, SOC 추정시 계산 오차가 누적되기 때문에, 에너지 저장 시스템과 같이 장기간 동작하는 장치에서 전류 적산에 기반하여 SOC를 추정하면 시간이 경과할수록 오차가 커지기 때문에, 배터리 셀을 효율적으로 관리하지 못하여, 에너지 저장 시스템의 효율이 떨어지고 배터리 셀의 수명이 단축되는 문제점이 있다.

따라서, 장시간 일정하게 동작하는 장치에서 SOC 추정에 따른 누적오차를 줄여 SOC를 정확하게 추정함으로써 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있는 SOC 추정 방법 및 장치가 요구된다.

KR 10-0805116 B1

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 장시간 일정하게 동작하는 장치에서 SOC 추정에 따른 누적오차를 줄여 SOC를 정확하게 추정함으로써 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있는 정전류시 SOC 추정 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 장시간 일정하게 동작하는 장치에서 SOC 추정에 따른 누적오차를 줄여 SOC를 정확하게 추정함으로써 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있는 정전류시 SOC 추정 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 장시간 일정하게 동작하는 장치에서 SOC 추정에 따른 누적오차를 줄여 SOC를 정확하게 추정함으로써 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있는 정전류시 SOC 추정 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 장시간 일정하게 동작하는 장치에서 SOC 추정에 따른 누적오차를 줄여 SOC를 정확하게 추정함으로써 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있는 정전류시 SOC 추정 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법은,

(A) 배터리의 충방전 전류가 정전류 구간에 있는지를 판단하는 단계;

(B) 상기 단계 (A)에서 배터리의 충방전 전류가 정전류 구간에 있는 것으로 판단되는 경우, 정전류 지속 시간(T1)을 카운팅하는 단계; 및

(C) 상기 단계 (B)에서 카운팅된 지속 시간에 따라 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv) 보상을 통해 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 보정하여 최종 SOC를 추정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 있어서, 상기 단계 (C)는,

(C1) 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 수신하는 단계;

(C2) OCV에 기반한 SOC(SOCv)를 수신하는 단계; 및

(C3) 카운팅된 지속 시간에 따라 SOCv 보상을 통해 SOCi를 보정하여 최종 SOC를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 있어서, 상기 단계 (C)는, 정전류 지속 시간에 비례하여 SOCv 보상 비율을 늘려 SOCi를 보정함으로써 최종 SOC를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 있어서, 상기 단계 (A)는, 배터리의 충방전 전류가 소정 기간 동안 소정의 범위 내에 있는지를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 있어서, 상기 소정 기간은 60초일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 있어서, 상기 단계 (C)는, 상기 SOCv 보상을 위한 SOCv 보상 비율(Rate)을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 있어서, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)은, 배터리의 충방전 전류에 따라 조정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 있어서, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)은, Rate = T1/Time(I)에 의해 계산되며, 상기에서 T1은 정전류 지속 시간, I는 배터리의 충방전 전류, Time(I)는 전류 I로 충전 또는 방전할 때 전체 SOC의 소정 비율을 충전 또는 방전할 수 있는 시간일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 있어서, 상기 단계 (C)는,

(C4) 상기 SOCv 보상 비율이 1보다 크거나 같은 지를 결정하는 단계;

(C5) 상기 단계 (C4)에서 SOCv 보상 비율이 1보다 크거나 같은 경우, OCV에 기반하여 최종 SOC를 추정하는 단계; 및

(C6) 상기 단계 (C4)에서 SOCv 보상 비율이 1보다 작은 경우, 상기 보상 비율에 따른 SOCv 보상을 통해 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 보정하여 최종 SOC를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 있어서, 상기 단계 (C6)에서 최종 SOC를 추정하는 단계는, 최종 SOC = Rate×SOCv + (1-Rate)×SOCi에 기반하여 최종 SOC를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치는,

배터리의 충방전 전류가 정전류 구간에 있는지를 판단하는 정전류 구간 판단부;

정전류 지속 시간(T1)을 카운팅하는 정전류 지속 시간 카운팅부; 및

상기 정전류 지속 시간 카운팅부에서 카운팅한 지속 시간에 따라 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv) 보상을 통해 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 보정하여 최종 SOC를 추정하는 최종 SOC 추정부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치에 있어서, 상기 최종 SOC 추정부는, 전류 적산 기반 SOC(SOCi) 추정부로부터 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 수신하고, OCV 기반 SOC 추정부로부터 OCV에 기반한 SOC(SOCv)를 수신하여, 카운팅된 지속 시간에 따라 SOCv 보상을 통해 SOCi를 보정하여 최종 SOC를 추정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치에 있어서, 상기 최종 SOC 추정부는, 정전류 지속 시간에 비례하여 SOCv 보상 비율을 늘려 SOCi를 보정함으로써 최종 SOC를 추정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치에 있어서, 상기 정전류 구간 판단부는, 배터리의 충방전 전류가 소정 기간 동안 소정의 범위 내에 있는지를 판단할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치에 있어서, 상기 소정 기간은 60초일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치에 있어서, 상기 최종 SOC 추정부는, 상기 SOCv 보상을 위한 SOCv 보상 비율(Rate)을 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치에 있어서, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)은, 배터리의 충방전 전류에 따라 조정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치에 있어서, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)은, Rate = T1/Time(I)에 의해 계산되며, 상기에서 T1은 정전류 지속 시간, I는 배터리의 충방전 전류, Time(I)는 전류 I로 충전 또는 방전할 때 전체 SOC의 소정 비율을 충전 또는 방전할 수 있는 시간일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치에 있어서, 상기 최종 SOC 추정부는, 상기 SOCv 보상 비율이 1보다 크거나 같은 지를 결정하고, 상기 SOCv 보상 비율이 1보다 크거나 같은 경우, OCV에 기반하여 최종 SOC를 추정하며, 상기 SOCv 보상 비율이 1보다 작은 경우, 상기 보상 비율에 따른 SOCv 보상을 통해 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 보정하여 최종 SOC를 추정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치에 있어서, 상기 최종 SOC 추정부는, 최종 SOC = Rate×SOCv + (1-Rate)×SOCi에 기반하여 최종 SOC를 추정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 관리 시스템은 상기한 정전류시 SOC 추정 장치를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 저장 시스템은 상기한 정전류시 SOC 추정 장치를 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 정전류시 SOC 추정 방법에 의하면, 장시간 일정하게 동작하는 장치에서 SOC 추정에 따른 누적오차를 줄여 SOC를 정확하게 추정할 수 있어 배터리의 과충전 및 과방전을 방지할 수 있고 배터리의 수명을 늘릴 수 있으며 전류 값에 따라 보상 비율을 조정함으로써 배터리 셀을 효유적으로 관리할 수 있다.

도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치가 적용되는 SOC 추정 시스템을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치를 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법을 도시한 흐금도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법을 도시한 상세 흐름도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 의한 전류 변화 및 SOCv 보상 비율(Rate)의 변화를 도시한 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 의한 SOC 추정 값의 변화 및 종래 기술에 의한 SOC 추정 값의 변화를 도시한 그래프.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, "제1", "제2", "일단", "타단" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 연결되어 있다고 기재된 경우, 이것은 직접적으로 연결되어 있는 경우 및 중간에 다른 구성요소를 두고 연결되어 있는 경우도 포함하며, 구성요소가 어떤 구성요소를 포함한다고 기재된 경우, 이는 어떤 구성요소 이외의 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치가 적용되는 SOC 추정 시스템을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 SOC 추정 시스템은 복수의 배터리 셀(20)로부터 배터리 전류, 배터리 전압 및 온도를 센싱하는 센싱부(22), 센싱부(22)로부터 출력되는 배터리 전류, 온도, 이전의 SOC 및 실제 용량 기준 SOC(SOH_C)를 입력하여 전류 적산에 기반하여 SOC를 추정하는 전류 적산 기반 SOC(SOCi) 추정부(24), 센싱부(22)로부터 출력되는 배터리 전압, 배터리 전류, 온도, 추정된 배터리 내부 저항값(IR)을 입력하여 개방회로전압(OCV)에 기반하여 SOC를 추정하는 개방회로전압(OCV) 기반 SOC(SOCv) 추정부(26), 및 센싱부(22)로부터 출력되는 전류, SOCi 추정부(24)로부터 출력되는 SOCi 및 SOCv 추정부(26)에서 출력되는 SOCv에 기반하여 최종적으로 SOC를 추정하는 최종 SOC 추정 장치(28)를 포함한다.

도 2에 도시된 SOC 추정 시스템에서, 이전의 SOC는 최종 SOC 추정 장치(28)로부터 출력되는 SOC를 지연시켜 이전의 SOC를 획득하며, 실제 용량 기준 SOC(SOH_C)는 누적전류량 및 온도에 따른 실제의 SOC를 추정하는 실제 용량 기준 SOC(SOH_C) 추정부(미도시)로부터 출력되는 신호이다.

도 2에 도시된 SOC 추정 시스템에서 최종 SOC 추정 장치(28)는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치 및 방법이 적용되는 부분으로서, 최종 SOC 추정 장치(28)는 SOCi 추정부(24)에서 출력되는 SOCi와 SOCv 추정부(26)에서 출력되는 SOCv 및 센싱부(22)에서 출력되는 전류에 기반하여 최종적으로 SOC를 추정한다.

일반적으로, 최종 SOC 추정 장치는, 저전류 구간이 일정시간 이상 지속되는 경우에는 배터리 셀의 개방회로전압(OCV)에 기반하여 SOC(SOCv)를 추정하고, 소정 전류 이상의 전류가 배터리 셀을 통해 입출력되는 경우에는 전류 적산에 기반하여 SOC(SOCi)를 추정한다.

하지만, 상기와 같은 최종 SOC 추정 방법에서는, 부하가 적용될 때 배터리 셀의 전압이 배터리 셀의 내부 저항의 전압 강하로 왜곡되기 때문에, 장시간 충방전이 행해지는 경우 개방회로전압을 통한 SOC 추정을 행하지 않고 전류 적산으로만 SOC를 추정한다. 따라서, 시간이 경과함에 따라 전류 측정 오차가 누적되고, SOC 추정시 계산 오차가 누적되기 때문에, 에너지 저장 시스템과 같이 장시간 동작하는 장치에서 전류 적산에 기반하여 SOC를 추정하면 시간이 경과할수록 오차가 커져서 배터리 셀을 효율적으로 관리하지 못하고, 에너지 저장 시스템의 효율이 떨어지며 배터리 셀의 수명이 단축된다.

하지만, 부하가 적용되어 장시간 충방전을 행하는 장치일지라도, 배터리 셀의 특성상 정전류가 일정시간이상 지속되는 경우, 즉, 전류의 변화가 적은 경우 전압 변화가 적기 때문에 OCV를 정확히 추정할 수 있다. 본 발명에서는 정전류 구간에서 전압이 안정적인 특성을 이용하여 정전류가 일정시간 이상 지속되는 정전류 구간에서는 정전류 지속시간에 비례하여 점진적으로 OCV에 기반한 SOC 보상비율을 늘림으로써 전류 적산에 기반한 SOC 추정을 보상하여, 전류 적산에 기반한 SOC 추정(SOCi)의 누적오차를 줄인다.

따라서, 단시간에 정확하게 SOC를 추정할 수 있는 전류 적산에 기반한 SOC 추정의 이점과, 장시간에 전류 적산에 기반한 SOC 추정의 누적오차를 줄일 수 있어 정확하게 SOC를 추정할 수 있는 개방회로전압에 기반한 SOC 추정의 이점을 동시에 획득할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치를 도시한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법을 도시한 흐름도이다.

도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 장치는, 배터리의 충방전 전류가 정전류 구간에 있는지를 판단하는 정전류 구간 판단부(30), 정전류 지속 시간(T1)을 카운팅하는 정전류 지속 시간 카운팅부(32) 및 상기 정전류 지속 시간 카운팅부(32)에서 카운팅한 지속 시간(T1)에 따라 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv) 보상을 통해 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 보정하여 최종 SOC를 추정하는 최종 SOC 추정부(34)를 포함한다.

상기에서, 정전류 구간 판단부(30), 정전류 지속 시간 카운팅부(32) 및 최종 SOC 추정부(34)는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)(미도시)과 같은 제어부(미도시)로서 구성할 수도 있지만, 이에 한정되지는 않는다.

정전류 구간 판단부(30)는 센싱부(22)에서 출력되는 배터리 전류를 감시하여 일정 기간 이상 전류가 소정 범위 내에 있는지를 판단하여 정전류 구간에 있는지를 판단한다(단계 S400). 단계 S400에서 정전류 구간에 있지 않은 것으로 정전류 구간 판단부(30)가 판단한 경우, 계속해서 정전류 구간에 있는지를 판단한다.

단계 S400에서 정전류 구간에 있는 것으로 정전류 구간 판단부(30)가 판단한 경우, 정전류 지속 시간 카운팅부(32)는 정전류 지속 시간을 카운팅하기 시작한다(단계 S410).

최종 SOC 추정부(34)는 SOCi 추정부(24)에서 출력되는 SOCi, SOCv 추정부(26)에서 출력되는 SOCv 및 정전류 지속시간 카운팅부(32)에서 출력되는 정전류 지속 시간에 기반하여, 정전류 지속 시간에 따른 SOCv 보상을 통해 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 보정하여 최종 SOC를 추정한다(단계 S420).

단계 S420에서 최종 SOC 추정부(34)가 최종적으로 SOC를 추정하는 방법에 대해서는 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법을 상세히 도시한 흐름도를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

정전류 구간 판단부(30)는 센싱부(22)에서 출력되는 배터리 전류를 감시하여 일정 기간 이상 전류가 소정 범위 내에 있는지를 판단하여 정전류 구간에 있는지를 판단한다(단계 S500). 단계 S500에서 정전류 구간에 있지 않은 것으로 정전류 구간 판단부(30)가 판단한 경우, 계속해서 정전류 구간에 있는지를 판단한다.

단계 S500에서 정전류 구간에 있는 것으로 정전류 구간 판단부(30)가 판단한 경우, 정전류 지속 시간 카운팅부(32)는 정전류 지속 시간(T1)을 카운팅하기 시작한다(단계 S510).

최종 SOC 추정부(34)는 SOCv 보상을 위한 SOCv 보상 비율(Rate)을 결정한다(단계 S520). 상기 SOCv 보상 비율(Rate)은, 배터리의 충방전 전류에 따라 수학식 1과 같이 결정된다.

상기에서 T1은 정전류 지속 시간, I는 배터리의 충방전 전류, Time(I)는 전류 I로 충전 또는 방전할 때 전체 SOC의 소정 비율을 충전 또는 방전할 수 있는 시간이다. 즉, SOCv 보상 비율(Rate)은 배터리 충방전 전류(I)에 따라 다르게 적용된다. 예를 들어, Time(I)는 배터리 셀의 충전 용량의 50%를 충전/방전할 수 있는 시간으로 설정할 수 있다. 전류(I)가 크면 그만큼 충전시간이 짧아지므로 Time(I) 값은 작아지고, 전류(I)가 작으면 충전시간이 길어지므로 Time(I) 값은 커진다.

단계 S530에서는 SOCv 보상 비율(Rate)이 1 이상인지를 판단한다.

SOCv 보상 비율(Rate)이 1보다 작은 경우에는, 수학식 2와 같이 SOCv 보상 비율(Rate)에 따른 SOCv 보상을 통해 정전류 지속 시간에 비례하여 SOCv 보상 비율을 늘려 SOCi를 보정함으로써 최종 SOC를 추정한다(단계 S550).

한편, 보상 비율(Rate)이 1 이상인 경우에는, 수학식 3과 같이 최종 SOC를 추정하는데 있어서, OCV에 기반한 SOC 추정만을 적용한다.

상기와 같이, 본 발명에서는, 최종 SOC 추정부(34)에서 최종 SOC를 추정함에 있어서, 정전류 구간이 지속되는 시간에 비례하여, 적류 적산에 기반한 SOC 추정(SOCi) 비율은 감소시키고, 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC 추정(SOCv) 비율을 증가시킨다. 따라서, 시간이 경과함에 따라 적류 적산에 기반한 SOC 추정시 오차가 누적되는 것을 SOCv 보상(Rate × SOCv)을 통해 감소시킬 수 있다.

또한, SOCv 보상 비율(Rate)이 1 이상이면, 최종 SOC를 추정함에 있어서, 전류 적산에 기반한 SOC 추정을 적용하지 않고, 단지 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC 추정만을 최종 SOC 추정에 적용한다. SOCv 보상 비율(Rate)이 1 이상이라는 것은, 목표로 하는 SOC에 도달해서 정전류가 장시간 안정적으로 유지되고 있다는 것을 의미하므로, 최종 SOC 추정부(34)에서는 최종 SOC를 추정함에 있어서, 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC 추정(SOCv) 만을 적용하여 최종 SOC를 추정한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 의한 전류 및 SOCv 보상 비율(Rate)의 변화를 도시한 그래프이다.

시간 a에서부터 시간 b까지 전류(I)가 -5A(암페어)로 표시된 구간에서는 배터리 셀이 지속적으로 방전하고 있다는 것을 의미하는데, 이 구간에는 정전류가 지속적으로 유지되는 정전류 지속 구간이므로, 시간에 경과함에 따라 SOCv 보상 비율(Rate)이 증가하여 결국에는 1이 된다는 것을 알 수 있다.

한편, 시간 b에서는 전류가 -5A(암페어)에서 0A(암페어)로 변하는데 이 기간은 배터리 셀이 방전 상태에서 개방회로 상태가 된다는 것을 의미한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전류시 SOC 추정 방법에 의한 SOC 추정값의 변화 및 종래 기술에 의한 SOC 추정값의 변화를 도시한 그래프이다.

도 7에서 c는 본 발명에 의한 정전류시 SOC 추정 방법을 적용하는 경우 추정된 최종 SOC를 나타내며, d는 종래의 최종 SOC 추정 방법을 적용하는 경우 추정된 최종 SOC를 나타낸다.

도 7에서 e는 개방회로 상태가 소정기간 지속된 후 안정화된 SOC이므로, 실제의 최종 SOC라 할 수 있는데, 시간 b 이후를 살펴보면, 종래의 최종 SOC 추정방법에 의해 추정된 최종 SOC는 실제의 최종 SOC와 오차가 큰 상태에서 시간이 지나야 실제의 최종 SOC에 수렴하는데 반하여, 본 발명의 정전류시 SOC 추정 방법에 의해 추정된 최종 SOC는 실제의 최종 SOC와 별로 차이가 없음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 정전류시 SOC 추정 방법은 실제의 최종 SOC에 근접하게 정확히 SOC를 추정한다는 것을 알 수 있다.

본 명세서에서 논의된 방법들은, 적용예에 따라서 다양한 수단을 이용하여 구현될 수도 있다. 예를 들어, 이러한 방법들은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 임의의 조합의 형태로 구현될 수도 있다. 하드웨어를 수반하는 구현예에서, 제어부는 하나 이상의 주문형 집적 회로들(ASICs), 디지털 신호 프로세서들(DSPs), 필드 프로그램가능 게이트 어레이들(FPGAs), 프로세서들, 제어기들, 마이크로-제어기들, 마이크로프로세서들, 전자 장치들, 본 명세서에서 논의된 기능들을 실행하도록 설계된 다른 전자 유닛들 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예들을 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

SOCi : 전류 적산 기반 SOC
SOCv : 개방회로전압 기반 SOC
30 : 정전류 구간 판단부
32 : 정전류 지속 시간 카운팅부
34 : 최종 SOC 추정부

Claims (22)

1. (A) 배터리의 충방전 전류가 정전류 구간에 있는지를 판단하는 단계;
   (B) 상기 단계 (A)에서 배터리의 충방전 전류가 정전류 구간에 있는 것으로 판단되는 경우, 정전류 지속 시간(T1)을 카운팅하는 단계;
   상기 정전류 구간에 있는 충방전 전류로 상기 배터리를 충전 또는 방전할 때 전체 SOC의 소정 비율을 충전 또는 방전할 수 있는 시간(Time(I))을 결정하는 단계;
   상기 T1과 Time(I)를 이용하여 SOCv 보상 비율(Rate)을 결정하는 단계; 및
   전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)와 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv)를 이용하여 최종 SOC를 추정하되, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)이 증가함에 따라 최종 SOC에서 상기 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv)의 비율을 증가시키고, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)이 1 이상이 되는 경우 상기 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv)만을 이용하여 최종 SOC를 추정하는 최종 SOC 추정 단계를 포함하는 정전류시 SOC 추정 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (A)는,
   배터리의 충방전 전류가 소정 기간 동안 소정의 범위 내에 있는지를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 소정 기간은 60초인 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)은,
   Rate = T1/Time(I)에 의해 계산되며, 상기에서 T1은 정전류 지속 시간, I는 배터리의 충방전 전류, Time(I)는 전류 I로 충전 또는 방전할 때 전체 SOC의 소정 비율을 충전 또는 방전할 수 있는 시간인 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 방법.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 최종 SOC 추정 단계는,
   (C4) 상기 SOCv 보상 비율이 1보다 크거나 같은 지를 결정하는 단계;
   (C5) 상기 단계 (C4)에서 SOCv 보상 비율이 1보다 크거나 같은 경우, OCV에 기반하여 최종 SOC를 추정하는 단계; 및
   (C6) 상기 단계 (C4)에서 SOCv 보상 비율이 1보다 작은 경우, 상기 보상 비율에 따른 SOCv 보상을 통해 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 보정하여 최종 SOC를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 단계 (C6)에서 최종 SOC를 추정하는 단계는,
    최종 SOC = Rate×SOCv + (1-Rate)×SOCi에 기반하여 최종 SOC를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 방법.
11. 배터리의 충방전 전류가 정전류 구간에 있는지를 판단하는 정전류 구간 판단부;
    정전류 지속 시간(T1)을 카운팅하는 정전류 지속 시간 카운팅부; 및
    전류 적산 기반 SOC(SOCi) 추정부로부터 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 수신하고, OCV 기반 SOC 추정부로부터 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv)를 수신하며, 상기 정전류 구간에 있는 충방전 전류로 상기 배터리를 충전 또는 방전할 때 전체 SOC의 소정 비율을 충전 또는 방전할 수 있는 시간(Time(I))을 결정하고, 상기 T1과 Time(I)를 이용하여 SOCv 보상 비율(Rate)을 결정하여, 상기 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)와 상기 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv)를 이용하여 최종 SOC를 추정하되, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)이 증가함에 따라 최종 SOC에서 상기 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv)의 비율을 증가시키고, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)이 1 이상이 되는 경우 상기 개방회로전압(OCV)에 기반한 SOC(SOCv)만을 이용하여 최종 SOC를 추정하는 최종 SOC 추정부를 포함하는 정전류시 SOC 추정 장치.
12. 삭제
13. 삭제
14. 청구항 11에 있어서, 상기 정전류 구간 판단부는,
    배터리의 충방전 전류가 소정 기간 동안 소정의 범위 내에 있는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 장치.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 소정 기간은 60초인 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 장치.
16. 삭제
17. 삭제
18. 청구항 11에 있어서, 상기 SOCv 보상 비율(Rate)은,
    Rate = T1/Time(I)에 의해 계산되며, 상기에서 T1은 정전류 지속 시간, I는 배터리의 충방전 전류, Time(I)는 전류 I로 충전 또는 방전할 때 전체 SOC의 소정 비율을 충전 또는 방전할 수 있는 시간인 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 장치.
19. 청구항 18에 있어서, 상기 최종 SOC 추정부는,
    상기 SOCv 보상 비율이 1보다 크거나 같은 지를 결정하고,
    상기 SOCv 보상 비율이 1보다 크거나 같은 경우, OCV에 기반하여 최종 SOC를 추정하며,
    상기 SOCv 보상 비율이 1보다 작은 경우, 상기 보상 비율에 따른 SOCv 보상을 통해 전류 적산에 기반한 SOC(SOCi)를 보정하여 최종 SOC를 추정하는 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 장치.
20. 청구항 19에 있어서, 상기 최종 SOC 추정부는,
    최종 SOC = Rate×SOCv + (1-Rate)×SOCi에 기반하여 최종 SOC를 추정하는 것을 특징으로 하는 정전류시 SOC 추정 장치.
21. 청구항 11, 14, 15, 18 내지 20 중의 어느 한 항에 의한 정전류시 SOC 추정 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
22. 청구항 11, 14, 15, 18 내지 20 중의 어느 한 항에 의한 정전류시 SOC 추정 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템.

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