KR102085856B1 - 배터리의 상태 추정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리의 상태 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 미리 설정된 시간 간격 내에서 배터리의 충전 또는 방전되는 전류 적산량과 배터리에 잔존하는 전압 변화량을 측정하고, 전류 적산량과 전압 변화량을 이용하여, 배터리의 수명 상태를 추정하도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 배터리의 충전 또는 방전되는 전류의 순간적인 급변화에 따른 전압 강하가 발생되더라도, 배터리의 수명 상태가 비교적 작은 오차 범위 내에서 추정될 수 있다.

Description

배터리의 상태 추정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING STATE OF BATTERY}
본 발명은 배터리의 관리 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 배터리의 상태 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 환경 오염 및 에너지 고갈과 같은 문제를 해결하기 위한 대안으로, 전기 에너지를 사용하는 자동차에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 자동차로, 예컨대 전기 자동차, 하이브리드(hybrid) 자동차 등이 있다. 이를 위해, 자동차는 전기 에너지가 충전 및 방전되는 배터리(battery)를 구비한다. 이 때 전기 자동차의 성능은 배터리의 성능에 의해 결정될 수 있다.
그런데, 상기와 같은 배터리의 성능이 배터리의 사용에 따라 저하되어, 배터리의 수명이 단축되는 문제점이 있다. 즉 배터리가 사용됨에 따라, 배터리의 내부 저항이 증가하여, 배터리의 출력 및 용량이 감소된다. 나아가, 배터리의 성능 저하는 자동차의 연비 및 성능 저하를 초래한다. 이로 인하여, 배터리의 상태를 추정하여, 수명을 예측하는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명은 배터리의 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 그리고 본 발명은 배터리의 상태를 추정하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 또한 본 발명의 배터리의 수명 상태를 추정하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 장치는, 미리 설정된 시간 간격 내에서 배터리의 충전 또는 방전되는 전류 적산량을 측정하는 전류 측정부와, 상기 시간 간격 내에서 상기 배터리에 잔존하는 전압 변화량을 측정하는 전압 측정부와, 상기 전류 적산량과 전압 변화량을 이용하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 수명 추정부를 포함한다.
이 때 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 장치에 있어서, 상기 시간 간격은, 상기 전압 변화량이 미리 설정된 임계값에 도달하는 데 소요되는 범위로 설정된다.
그리고 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 장치에 있어서, 상기 수명 추정부는, 상기 전류 적산량과 임계값을 이용하여, 상기 시간 간격을 조정한다.
또한 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 장치에 있어서, 상기 수명 추정부는, 상기 배터리의 정규 전류 용량 및 상기 임계값의 곱값과 상기 전류 적산량의 차이값을 산출하고, 상기 차이값을 상기 현재 시점에서 상기 배터리의 충전 또는 방전되는 전류 측정값으로 나누어 결과값을 산출하고, 상기 결과값으로 상기 시간 간격을 조정한다.
여기서, 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 장치에 있어서, 상기 임계값은, 5 % 이상일 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 방법은, 미리 설정된 시간 간격 내에서 배터리의 충전 또는 방전되는 전류 적산량과 상기 배터리에 잔존하는 전압 변화량을 측정하는 과정과, 상기 전류 적산량과 전압 변화량을 이용하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 과정을 포함한다.
이 때 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 방법에 있어서, 상기 시간 간격은, 상기 전압 변화량이 미리 설정된 임계값에 도달하는 데 소요되는 범위로 결정된다.
그리고 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 방법은, 상기 전류 적산량과 임계값을 이용하여, 상기 시간 간격을 조정하는 과정을 더 포함한다.
또한 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 방법에 있어서, 상기 조정 과정은, 상기 배터리의 정규 전류 용량 및 상기 임계값의 곱값과 상기 전류 적산량의 차이값을 산출하고, 상기 차이값을 상기 현재 시점에서 상기 배터리의 충전 또는 방전되는 전류 측정값으로 나누어 결과값을 산출하고, 상기 결과값으로 상기 시간 간격을 조정한다.
여기서, 본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 방법에 있어서, 상기 임계값은, 5 % 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리의 상태 추정 방법 및 장치는, 일정 시간 간격을 단위로 전류 적산량과 전압 변화량을 측정하여 배터리의 수명 상태를 측정함으로써, 배터리의 수명 상태에 대한 정확도가 향상될 수 있다. 즉 배터리의 충전 또는 방전되는 전류의 순간적인 급변화에 따른 전압 강하가 발생되더라도, 배터리의 상태 추정 장치가 비교적 작은 오차 범위 내에서 배터리의 수명 상태를 추정할 수 있다. 이를 통해, 배터리의 상태 추정 장치의 동작 효율성이 향상될 수 있다. 이로 인하여, 배터리의 상태가 보다 정확하게 예측될 수 있다. 이에 따라, 배터리가 보다 효율적으로 관리될 수 있기 때문에, 배터리의 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 시스템을 도시하는 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 상태 추정 장치를 도시하는 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 상태 추정 절차를 도시하는 순서도, 그리고
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 상태 추정 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이 때 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.
하기 설명에서, “기준 시간”이라는 용어는 배터리의 상태 추정 장치에서 배터리의 수명 상태를 추정하기 위해 소요되는 시간 간격을 의미한다. 이러한 기준 시간은 배터리의 상태 추정 장치에 의해 미리 설정되며, 기준 시간이 경과되는 시점에 조정 및 갱신된다.
도 1은 본 발명이 적용되는 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명이 적용되는 시스템(10)은, 배터리(100), 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS; 200) 및 중앙 제어 시스템(300)을 포함한다. 이 때 시스템(10)은 차량에 적용될 수 있다. 여기서, 차량은 전기 자동차 및 하이브리드 자동차를 포함한다.
배터리(100)는 전기 에너지를 충전 및 방전시킨다. 이 때 배터리(100)는 적어도 하나의 서브 팩을 포함하며, 각각의 서브 팩은 다수개의 셀(cell)들로 이루어질 수 있다. 여기서, 각각의 서브 팩에서, 셀들은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 그리고 배터리(100)는 배터리(100)를 교체를 위한 적어도 하나의 스위치를 포함한다. 스위치는 서브 팩에서 적어도 하나의 단부에 배치될 수 있다. 또한 배터리(100)는 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리를 포함한다.
배터리 관리 시스템(200)은 배터리(100)의 현재 상태를 측정한다. 이 때 배터리 관리 시스템(200)은 배터리(100)의 내부 온도, 주변 온도, 충전 상태 등을 측정한다. 그리고 배터리 관리 시스템(200)은 배터리(100)의 상태 변화를 추정한다. 또한 배터리 관리 시스템(200)은 배터리(100)를 보호한다.
이러한 배터리 관리 시스템(200)은 배터리(100)의 상태 추정 장치(210)를 포함한다. 이 때 상태 추정 장치(210)는 배터리(100)의 수명 상태를 추정한다. 이를 위해, 차량 정지 시, 상태 추정 장치(210)는 배터리(100)의 충전 동작을 모니터링할 수 있다. 그리고 차량 구동 시, 상태 추정 장치(210)는 배터리(100)의 방전 동작을 모니터링할 수 있다.
중앙 제어 시스템(300)은 차량을 전반적으로 제어한다. 이 때 중앙 제어 시스템(300)은 차량 사용자의 요구에 따라 차량을 제어한다. 그리고 중앙 제어 시스템(300)은 배터리 관리 시스템(200)의 구동을 제어한다. 또한 중앙 제어 시스템(300)은 배터리 관리 시스템(200)의 측정 및 추정 결과를 이용하여 차량을 제어한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 상태 추정 장치를 도시하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에서 배터리(100)의 상태 추정 장치(210)는, 전류 측정부(220), 전압 측정부(230) 및 수명 추정부(240)를 포함한다.
전류 측정부(220)는 배터리(100)의 충전 또는 방전되는 전류 적산량을 측정한다. 이 때 차량 정지 시, 전류 측정부(220)는 배터리(100)에 충전되는 전류 적산량을 측정한다. 그리고 차량 구동 시, 전류 측정부(220)는 배터리(100)로부터 방전되는 전류 적산량을 측정한다. 또한 전류 측정부(220)는 미리 설정된 기준 시간을 단위로, 전류 적산량을 측정한다. 여기서, 기준 시간이 경과되면, 전류 측정부(220)는 전류 적산량을 초기화할 수 있다. 즉 전류 측정부(220)는 현재 시점에서 배터리(100)의 충전 또는 방전되는 전류 측정값을 카운팅한다. 그리고 전류 측정부(220)는 시간의 변화에 따라 전류 측정값을 누적하여, 전류 누적값을 산출한다. 또한 전류 측정부(220)는 전류 누적값을 용량 단위로 변환하여, 전류 적산량을 산출한다. 여기서, 용량 단위는 Ah일 수 있다.
전압 측정부(230)는 배터리(100)에 잔존하는 전압 변화량을 측정한다. 즉 전압 측정부(230)는 현재 시점에서 배터리(100)의 충전 또는 방전에 따라 초기값으로부터 전압 변화량을 측정한다. 이 때 차량 정지 시, 배터리(100)의 전압 변화량은 점차로 증가한다. 그리고 차량 구동 시, 배터리(100)의 전압 변화량은 점차로 감소한다. 또한 전압 측정부(230)는 미리 설정된 기준 시간을 단위로, 전압 변화량을 측정한다. 여기서, 기준 시간이 경과되면, 전압 측정부(230)는 전압 변화량의 초기값을 갱신할 수 있다. 아울러, 배터리(100)에 잔존하는 전압은 배터리(100)의 충전 상태(State Of Charge; SOC)를 나타낼 수 있다. 즉 전압 측정부(230)는 시간의 변화에 따라 배터리(100)의 충전 상태의 변화 정도(ΔSOC)를 측정하여, 전압 변화량을 파악할 수 있다. 여기서, 전압 변화량은 배터리(100)의 총 전압 용량에 대한 %로 측정될 수 있다.
즉 전류 측정부(220)와 전압 측정부(230)는 동일한 시작 시점에, 전류 적산량과 전압 변화량에 대한 측정을 개시한다. 그리고 전류 측정부(220)와 전압 측정부(230)는 동일한 종료 시점에, 전류 적산량과 전압 변화량에 대한 측정을 중단한다. 이를 통해, 전류 측정부(220)와 전압 측정부(230)는 동일한 시간 간격, 즉 기준 시간을 단위로 전류 적산량과 전압 변화량을 측정할 수 있다.
수명 추정부(240)는 배터리(100)의 수명 상태를 추정한다. 이 때 수명 추정부(240)는 미리 설정된 기준 시간 내 전류 적산량과 전압 변화량을 이용하여, 수명 상태를 추정한다. 여기서, 배터리(100)의 수명 상태는 배터리(100)의 건전 상태(State Of Health)를 나타낼 수 있다. 그리고 수명 추정부(240)는 기준 시간을 설정 및 갱신한다. 이 때 수명 추정부(240)는 기준 시간을, 전압 변화량이 미리 설정된 임계값에 도달하는 데 소요되는 범위로, 결정한다. 여기서, 임계값은 5 % 이상으로 설정되어야 한다. 즉 수명 추정부(240)는 미리 설정된 기준 시간 내 전압 변화량과 미리 설정된 임계값을 이용하여, 상기 기준 시간을 조정한다.
예를 들면, 수명 추정부(240)는 하기 <수학식 1>과 같이 기준 시간을 산출할 수 있다. 구체적으로, 수명 추정부(240)는 배터리(100)의 정규 전류 용량 및 임계값의 곱값과 전류 적산량의 차이값을 산출할 수 있다. 그리고 수명 추정부(240)는 차이값을 현재 시점에서 배터리(100)의 충전 또는 방전되는 전류 측정값으로 나누어 결과값을 산출할 수 있다. 이를 통해, 수명 추정부(240)는 결과값으로 기준 시간을 조정할 수 있다.
Figure 112013102392612-pat00001
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 상태 추정 절차를 도시하는 순서도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 상태 추정 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에서 배터리(100)의 상태 추정 절차는, 배터리(100)의 상태 추정 장치(210)가 251단계에서 초기값을 설정하는 것으로부터 출발한다. 이 때 전압 측정부(230)가 현재 시점에서 배터리(100)에 잔존하는 전압측정값을 초기값으로 설정할 수 있다. 여기서, 배터리(100)에 잔존하는 전압은 배터리(100)의 충전 상태(SOC)를 나타낼 수 있다. 여기서, 전류 측정부(220)는 전류 적산량을 초기화한다. 즉 전류 측정부(220)는 전류 적산량의 초기값을 0으로 설정할 수 있다.
이어서, 배터리(100)의 상태 추정 장치(210)는 253단계에서 미리 설정된 기준 시간 내에서 배터리(100)의 충전 또는 방전되는 전류 적산량 및 배터리(100)에 잔존하는 전압 변화량을 측정한다. 이 때 전류 측정부(220)가 배터리(100)의 충전 또는 방전되는 전류 적산량을 측정한다. 즉 전류 측정부(220)는 현재 시점에서 배터리(100)의 충전 또는 방전되는 전류 측정값을 카운팅한다. 그리고 전류 측정부(220)는 시간의 변화에 따라 전류 측정값을 누적하여, 전류 누적값을 산출한다. 또한 전류 측정부(220)는 전류 누적값을 용량 단위로 변환하여, 전류 적산량을 산출한다. 또한 전압 측정부(230)는 현재 시점에서 배터리(100)의 충전 또는 방전에 따라 초기값으로부터 전압 변화량을 측정한다. 즉 전압 측정부(230)는 시간의 변화에 따라 배터리(100)의 충전 상태의 변화 정도(ΔSOC)를 측정하여, 전압 변화량을 파악할 수 있다.
계속해서, 배터리(100)의 상태 추정 장치(210)는 255단계에서 배터리(100)의 수명 상태를 추정한다. 즉 미리 설정된 기준 시간이 경과되면, 수명 추정부(240)는 배터리(100)의 수명 상태를 추정한다. 이 때 수명 추정부(240)는 전류 적산량과 전압 변화량을 이용하여, 배터리(100)의 수명 상태를 추정한다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 기준 시간이 9450 t로부터 9550 t로 설정되어 있을 수 있다. 그리고 임계값은 10 %로 설정되어 있을 수 있다. 이러한 경우, 전압 변화량은 85 %에서 75 %로 변할 수 있다. 즉 기준 시간 경과 시, 전압 변화량은 임계값 이상으로 측정될 수 있다. 또한 기준 시간 경과 시, 배터리(100)의 수명 상태가 도출될 수 있다.
마지막으로, 배터리(100)의 상태 추정 장치(210)는 257단계에서 기준 시간을 조정한다. 이 때 수명 추정부(240)는 전류 적산량과 전압 변화량을 이용하여, 새로운 기준 시간을 산출한다. 여기서, 수명 추정부(240)는 새로운 기준 시간을, 전압 변화량이 미리 설정된 임계값에 도달하는 데 소요되는 범위로, 결정한다. 예를 들면, 수명 추정부(240)는 하기 <수학식 2>와 같이 기준 시간을 산출할 수 있다. 구체적으로, 수명 추정부(240)는 배터리(100)의 정규 전류 용량 및 임계값의 곱값과 전류 적산량의 차이값을 산출할 수 있다. 그리고 수명 추정부(240)는 차이값을 현재 시점에서 배터리(100)의 충전 또는 방전되는 전류 측정값으로 나누어 결과값을 산출할 수 있다. 이를 통해, 수명 추정부(240)는 결과값으로 기준 시간을 조정할 수 있다.
Figure 112013102392612-pat00002
본 발명에 따르면, 배터리(100)의 상태 추정 장치(210)는 일정 시간 간격을 단위로 전류 적산량과 전압 변화량을 측정하여 배터리(100)의 수명 상태를 측정함으로써, 배터리(100)의 수명 상태에 대한 정확도가 향상될 수 있다. 즉 배터리(100)의 충전 또는 방전되는 전류의 순간적인 급변화에 따른 전압 강하가 발생되더라도, 배터리(100)의 상태 추정 장치(210)가 비교적 작은 오차 범위 내에서 배터리(100)의 수명 상태를 추정할 수 있다. 이를 통해, 배터리(100)의 상태 추정 장치(210)의 동작 효율성이 향상될 수 있다. 이로 인하여, 배터리(100)의 상태가 보다 정확하게 예측될 수 있다. 이에 따라, 배터리(100)가 보다 효율적으로 관리될 수 있기 때문에, 배터리(100)의 성능이 향상될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 배터리 200: 배터리 관리 시스템
210: 상태 추정 장치 220: 전류 측정부
230: 전압 측정부 240: 수명 추정부

Claims (10)

  1. 설정된 제 1 시간 내에서 배터리의 충전 또는 방전되는 전류 적산량을 측정하는 전류 측정부;
    상기 제 1 시간 내에서 상기 배터리에 잔존하는 전압 변화량을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 수명 추정부;를 포함하고,
    상기 수명 추정부는 상기 전압 변화량이 미리 설정된 임계값에 도달하는 데 소용되는 범위로 상기 제 1 시간을 설정하고,
    상기 제 1 시간이 경과되면, 상기 수명 추정부는 상기 제 1 시간 내의 상기 전류 적산량과 상기 전압 변화량을 이용하여 상기 배터리의 기준 시간을 설정 및 갱신하고,
    상기 배터리의 기준 시간은 상기 배터리의 건전 상태(state of health)를 포함하고,
    상기 임계값은 5% 내지 10%인 배터리의 상태 추정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수명 추정부는,
    상기 전류 적산량과 상기 임계값을 이용하여, 상기 배터리의 기준 시간을 조정하는 배터리의 상태 추정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수명 추정부는,
    상기 배터리의 정규 전류 용량 및 상기 임계값의 곱값과 상기 전류 적산량의 차이값을 산출하고,
    상기 차이값을 현재 시점에서 상기 배터리의 충전 또는 방전되는 전류 측정값으로 나누어 결과값을 산출하고,
    상기 결과값으로 상기 배터리의 기준 시간을 조정하는 배터리의 상태 추정 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 전류 측정부는 차량의 정지 시 상기 배터리에 충전되는 상기 전류 적산량을 측정하고, 차량의 구동 시 상기 배터리로부터 방전되는 상기 전류 적산량을 측정하는 배터리의 상태 추정 장치.
  6. 설정된 제 1 시간 내에서 배터리의 충전 또는 방전되는 전류 적산량과 상기 배터리에 잔존하는 전압 변화량을 측정하는 과정; 및
    상기 전류 적산량과 전압 변화량을 이용하여, 상기 배터리의 수명 상태를 추정하는 과정;을 포함하고,
    상기 설정된 제 1 시간은 상기 전압 변화량이 미리 설정된 임계값에 도달하는 데 소요되는 범위로 결정되고,
    상기 제 1 시간이 경과되면, 상기 전류 적산량과 임계값을 이용하여, 상기 배터리의 기준 시간을 조정하는 과정을 더 포함하고,
    상기 배터리의 기준 시간은 상기 배터리의 건전 상태(state of heath)를 포함하고,
    상기 임계값은 5% 내지 10%이고,
    상기 배터리의 기준 시간을 조정하는 과정은,
    상기 배터리의 정규 전류 용량 및 상기 임계값의 곱값과 상기 전류 적산량의 차이값을 산출하고,
    상기 차이값을 현재 시점에서 상기 배터리의 충전 또는 방전되는 전류 측정값으로 나누어 결과값을 산출하고,
    상기 결과값으로 상기 배터리의 기준 시간을 조정하는 과정인 배터리의 상태 추정 방법.
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