KR102171199B1 - 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법 및 배터리 관리 장치 - Google Patents

배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법 및 배터리 관리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법 및 배터리 관리 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 배터리의 현재 전압, 전류, 및 온도를 측정하는 단계; 상기 배터리에 대한 개방회로전압 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 측정 조건이 만족하지 아니하는 경우, DC 임피던스의 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 DC 임피던스 측정 조건이 만족하지 아니하는 경우, 상기 현재 전압에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT)를 수행하는 단계; 상기 변환된 현재 전압에 대하여 주파수 10 Hz 에서의 내부 임피던스를 측정하는 단계; 상기 측정된 내부 임피던스를 이용하여 DC 임피던스를 수정하는 단계; 및 상기 수정된 임피던스를 이용하여 상기 배터리의 현재 충전 상태값을 추정하는 단계를 포함한다.

Description

배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법 및 배터리 관리 장치{A METHOD OF ESTIMATING STATE OF CHARGE OF BATTERY AND AN APPARATUS FOR MANAGING OF BATTERY}
본 발명은 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법 및 배터리 관리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 동적 부하 환경에서의 배터리 충전 상태값을 추정하는 방법 및 상기 방법을 이용하는 배터리 관리 장치에 관한 것이다.
2차 전지에 대한 연구는 최근 가속화되고 모바일 장치에서 널리 이용되고 있다. 다양한 영역에서 제조되고 이용되는 2차 전지들 중 리튬 이온 전지는 높은 에너지 밀도 및 특정 에너지 때문에 전자적인 이동 수단에서 주 전력 공급원으로 이용되고 있다. 리튬 이온 전지를 가장 효율적이고 안정적으로 장시간 이용할 수 있도록 하기 위하여는, 정확한 충전 상태값(SOC)을 나타냄으로써 시스템이 요구하는 적절한 충전 커패시티를 확보할 뿐만 아니라 과충전 및 과방전이 되지 않도록 주의하는 것이 필요하다. 상세하게는, 만일 정확한 충전 상태값 추정을 통하여 자동차 배터리의 잔여 에너지가 결정된다면, 전기 자동차의 최대 이동 거리를 예측할 수 있다.
일반적인 충전 상태값 추정 기술로는 잔존 전압을 측정하기 위한 개방 회로 전압(OCV) 측정 방법, 충전 또는 방전 전류량을 측정하기 위한 쿨롱-카운팅 기술, 및 임피던스 트랙과 같은 알고리즘이 존재하며, 이들 방법은 전압 및 전류를 측정하고 이용한다. 상기 개방 회로 전압 측정 방법 및 쿨롱-카운팅 기술과 달리, 임피던스 트랙은 배터리의 내부 임피던스를 측정하고 관리하며, 배터리가 수명을 다하는 동안 충전 상태값 추정을 가능하게 한다.
임피던스 트랙 알고리즘은 모바일 장치와 같이 연속적이며 정적인 부하 환경에서 높은 추정 정확도를 가질 수 있다. 그러나, 전기 자동차와 같은 환경에서는, 부하의 다양성에 따른 배터리의 임피던스 특징의 변화에 의해 배터리의 전류가 십 암페어에서 수백 암페어까지 역동적으로 변화한다. 그러므로, 역동적인 부하 환경에서는, 임피던스 트랙 알고리즘을 이용하여 배터리의 임피던스를 정확하기 측정하는 것은 불가능하며, 결국 충전 상태값 추정도 정확하지 아니하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 동적 부하 환경 하에서도 배터리의 충전 상태값을 정확하게 추정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 동적 부하 환경 하에서 배터리의 충전 상태값 추정시 축척되는 에러의 영향을 최소화할 수 있는 배터리의 충전 상태 추정 방법을 수행하는 배터리 관리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법은, 배터리의 현재 전압, 전류, 및 온도를 측정하는 단계; 상기 배터리에 대한 개방회로전압 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 측정 조건이 만족하지 아니하는 경우, DC 임피던스의 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 DC 임피던스 측정 조건이 만족하지 아니하는 경우, 상기 현재 전압에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT)를 수행하는 단계; 상기 변환된 현재 전압에 대하여 주파수 10 Hz 에서의 내부 임피던스를 측정하는 단계; 상기 측정된 내부 임피던스를 이용하여 DC 임피던스를 수정하는 단계; 및 상기 수정된 임피던스를 이용하여 상기 배터리의 현재 충전 상태값을 추정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서는, 상기 배터리에 대한 개방회로전압 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계 이전에, 상기 현재 전압이 최소 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 현재 충전 상태값을 추정하기 위한 쿨롱 카운팅 방법을 수행하는 단계; 상기 현재 전압이 최소 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하기 위한 개방회로전압(OCV) 측정 조건을 확인하는 단계; 및 상기 개방회로전압 측정 조건이 만족하는 경우, 충전 상태값을 초기화하는 단계를 더 포함한다.
상기 개방회로전압 측정 조건은 상기 현재 전류가 휴식 모드로 진입한 이후 일정 시간이 경과된 후 상기 현재 전압의 변화가 1 내지 8 uV/S 이내인 경우이며, 상기 DC 임피던스의 측정 조건은 상기 현재 전류의 측정값 변화가 C/20 보다 적은 경우일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 DC 임피던스를 수정하는 단계 이후에, 상기 수정된 임피던스를 이용하여 잔여 용량을 시뮬레이션하는 단계; 및 상기 잔여 용량값을 이용하여 상기 현재 충전 상태값을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 현재 충전 상태값을 추정하는 단계는 상기 쿨롱 카운팅 방법을 통하여 획득되는 전류 적분값을 더 이용할 수 있고, 상기 고속 푸리에 변환은 16 포인트 고속 푸리에 변환을 이용하여 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 내부 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 내부 임피던스 측정 중 일시적인 반응 기간이 발생하는 경우, 상기 일시적인 반응 기간을 위한 휴식 시간 동안의 최대 전류값을 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값의 추정 장치는, 배터리의 현재 전압, 전류, 및 온도를 측정하는 측정부; 쿨롱 카운팅 방법으로 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하는 쿨롱 카운팅 수행부; 개방회로전압을 측정하는 개방회로전압 측정부; 상기 배터리의 DC 임피던스를 측정하는 DC 임피던스 측정부; 상기 배터리의 전압에 대해 FFT를 수행하는 변환부; 상기 배터리의 FFT 변환된 전압에 대한 내부 임피던스를 특정하는 내부 임피던스 측정부; 상기 배터리의 충전 상태값을 초기화하는 SOC 초기화부; 상기 내부 임피던스를 이용하여 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하는 SOC 추정부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 쿨롱 카운팅 수행부는 상기 현재 전압이 최소 전압보다 큰 경우, 상기 클롱 카운팅 알고리즘을 수행할 수 있다.
상기 개방회로전압 측정부는 상기 현재 전압이 최소 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하기 위한 개방회로전압 측정 조건을 확인하는 OCV 측정 조건 확인부; 및 상기 측정 조건이 만족하는 경우 상기 충전 상태값을 초기화하는 SOC 초기화부를 포함하며, 상기 개방회로전압 측정 조건은 상기 현재 전류가 휴식 모드로 진입한 이후 일정 시간이 경과된 후 상기 현재 전압의 변화가 1 내지 8 uV/S 이내인 경우일 수 있다.
또한, 상기 DC 임피던스 측정부는, 상기 개방회로전압 측정 조건이 만족하지 아니하는 경우 활성화되며, 상기 DC 임피던스 측정 조건이 만족하는지 여부를 확인하는 DC 임피던스 측정 조건 확인부; 및 상기 DC 임피던스 측정 조건이 만족하는 경우, DC 임피던스를 측정하는 DC 임피던스 측정부를 포함할 수 있고, 상기 DC 임피던스 측정 조건은 상기 현재 전류의 측정값 변화가 C/20 보다 적은 경우일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 변환부는 상기 DC 임피던스 측정 조건이 만족하지 아니하는 경우 활성화될 수 있다.
또한, 본 발명의 추정 자치는, 상기 내부 임피던스를 이용하여 잔여 용량값을 시뮬레이션하는 RM 시뮬레이션부; 및 상기 쿨롱 카운팅 수행부의 출력값과 상기 잔여 용량값을 이용하여 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하는 SOC 추정부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 변환부는 16 포인트 고속 푸리에 변환을 이용할 수 있다. 또한, 상기 내부 임피던스 측정부는 상기 내부 임피던스 측정 중 일시적인 반응 기간이 발생하는 경우, 상기 일시적인 반응 기간을 위한 휴식 시간 동안의 최대 전류값을 저장하는 저장부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전류의 실시간 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하고 각각의 주파수 성분 비율을 이용함으로써 변동 부하에서의 배터리의 내부 임피던스를 예측할 수 있는 개선된 알고리즘을 이용하여 더 정확하게 배터리의 충전 상태값을 추정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 이점을 갖는 배터리의 충전 상태값을 추정할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값 추정 장치의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값 추정 방법을나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값 추정 장치의 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값 추정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 내부 임피던스를 나타내는그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태값 추정 방법에서 슬라이딩 윈도우(sliding window)와 함께 FFT를 이용하는 분광 계산법(spectral calculation)을 나타내는 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값 추정시 이용되는 변동 부하 환경 프로파일을 생성하는 장치를 나타내는 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 개방회로전압(OCV)에서 10 Hz 하에서의 배터리의 내부 임피던스를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 보상율을 위한 간격에 따라 0.5%의 평균값을 획득한 후, 10 Hz 에서의 내부 임피던스의 보상된 값과 DC 임피던스 값은 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 실시예들을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 관한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그에 관한 상세한 설명은 생략할 것이다.
임피던스 트랙 알고리즘은 개방 회로 전압 측정 방법 및 쿨롱 카운팅 기술을 병합하여 수행될 수 있다. 상기 임피던스 트랙 알고리즘은 시스템이 구동 중일때에는 쿨롱 카운팅 기술을 이용하여 배터리의 현재 충전 상태값을 추정하고, 시스템이 정지 상태이거나 시스템 부하가 낮을 때, 개방 회로 전압(OCV)으로 추정되는 배터리의 말단 전압을 측정할 수 있다. 또한, 상기 임피던스 트랙 알고리즘은 상기 개방 회로 전압(OCV) 방법을 통한 측정이 가능한 경우 먼저 배터리의 충전 상태값(SOC)를 초기화 과정을 수행함으로써 상기 배터리의 충전 상태값 추정의 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 알고리즘은 배터리에서의 내부 임피던스의 측정에 기초하여 테이블 내에 상기 내부 임피던스를 저장할 수 있다.
임피던스 트랙 알고리즘은 충전 상태값의 추정을 위해 정확한 방전 종료 시간을 필요로 한다. 배터리의 방전이 종료되는 시점을 추정하기 위하여는, 배터리 내부 임피던스를 연속적으로 모니터링하여야 한다. 상기 내부 임피던스는 배터리의 수명 뿐만 아니라 배터리의 충전 상태값 및 온도에 따라 다양하기 때문에, 각각의 변수를 위한 이러한 내부 임피던스에 대한 정보가 없다면 방전 종료 시점을 정확하게 추정하는 것은 불가능하다. 만일 방전 종료 시간의 추정 정확도가 떨어진다면, 배터리의 충전 상태값의 추정 정확도도 감소하게 되므로, 때로는 사용자가 요청하기 이전에 시스템의 전원이 미리 꺼지게 될 것이다. 그러므로, 배터리의 방전 종료 시간은 정확하게 추정되어져야 한다.
따라서, 임피던스 트랙 알고리즘은 정적인 부하 환경 하에서 수행된다. 변동 부하 환경하에서는, 내부 임피던스가 주파수에 따라 크게 변화할 수 있다. 그러므로, 전기 자동차와 같이 연속적으로 시스템 부하가 변화하는 환경 또는 프로파일에서는 내부 임피던스를 측정하거나 정확한 방전 종료 시간을 추정하는 것은 불가능하다. 결과적으로는, 배터리의 수명 및 온도에 따른 충전 상태값을 측정하는 것도 불가능하게 된다.
이러한 변동 부하 환경에서의 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법에 있어서의 한계를 극복하기 위하여, 본 발명은 변동 부하 환경하에서 배터리의 내부 임피던스를 측정하기 위한 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값의 추정 장치이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 배터리의 충전 상태값의 추정 장치는 배터리 정보 측정부(100), OCV 측정부(200), DC 임피던스 측정부(300), 변환부(400), 내부 임피던스 측정부(500), SOC 초기화부(600), 및 SOC 추정부(700)를 포함한다. 배터리 정보 측정부(100)는 충전 상태값(SOC)를 측정하고자 하는 배터리의 현재 전압, 현재 전류, 및 현재 온도와 같은 배터리에 대한 현재 정보를 측정할 수 있다(S10). 상기 배터리에 대한 현재 정보는 정보 저장부(미도시)에 저장될 수 있으며, 일정 시간 후에는 이전 전압, 이전 전류, 및 이전 온도로서 이용될 수도 있다.
OCV 측정부(200)는 개방회로(open-circuit)의 전압값을 이용하여 배터리의 현재 전압으로부터 배터리의 충전 상태값을 추정할 수 있다. 먼저, OCV 측정부(200)는 상기 배터리의 현재 전압이 최소 전압보다 큰 경우에만 활성화될 수 있으며, 만일 상기 현재 전압이 최소 전압과 같거나 작은 경우에는 제어부가 배터리의 방전 과정을 종료시킬 수 있다.
그러나, 개방회로전압 측정 방법은 시스템이 정지 상태이거나 정적인 부하 상태일 때 배터리의 충전 상태값을 정확하게 측정할 수 있으므로, 본 발명과 같은 동적 부하 환경에서는 정확하게 배터리의 충전 상태값(SOC)를 측정할 수 없다. 그러므로, OCV 측정부(200)는 충전 상태값을 추정하기 이전에 현재 시스템이 OCV 측정 방식으로 배터리의 충전 상태값을 추정하기 적합한 상태인지를 먼저 확인하여야 한다. 일 실시예에서, OCV 측정부(200)는 현재 배터리의 시스템이 OCV 를 측정할 수 있는 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다(S20). 상기 OCV 측정 조건은 상기 현재 전류가 휴식 모드로 진입한 이후 일정 시간 경과 후 상기 현재 전압의 변화가 1 내지 8 uV/S 범위인 경우에 상기 개방회로전압 을 측정하는 것일 수 있다. 상기 일정 시간은 10 내지 45분 일 수 있다. 만일 현재 배터리의 시스템이 상기 OCV 측정 조건을 만족하는 경우에는, 충전 상태값을 먼저 초기화할 수 있다(S25).
그러나, 만일 현재 배터리의 시스템이 상기 OCV 측정 조건을 만족하지 아니하는 경우에는, DC 임피던스 측정부(300)가 활성화될 수 있다. DC 임피던스 측정부(300)는 먼저 배터리의 시스템이 DC 임피던스를 측정할 수 있는 조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다(S30). 일 실시예에서, 상기 DC 임피던스는 상기 현재 전류의 측정값 변화가 C/20 보다 적은 경우일 수 있다. 만일 배터리의 시스템이 DC 임피던스를 측정하는 조건을 만족하는 경우에는, DC 임피던스 측정부(300)는 현재 배터리의 DC 임피던스를 측정할 수 있고,(S35) 상기 DC 임피던스값은 저장부(미도시)에 저장될 수 있다.
일 실시예에서, 배터리의 시스템이 DC 임피던스를 측정하는 조건을 만족시키지 못하는 경우에는(S30의 No), 변환부(400)가 활성화될 수 있다.
변환부(400)는 배터리의 현재 전압을 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하여 상기 현재 전압을 주파수 신호로 변환시킬 수 있다(S40). 상기 고속 푸리에 변환을 이용한 주파수 영역에 대한 분석은 주파수 영역에 따른 내부 임피던스의 특성을 이용하기 위하여 수행될 수 있다. 정성 분석을 통하여 최소 에러율에 대한 주파수 성분 비율의 차이값을 문턱값(threshold value)로서 획득할 수 있다.
상기 변환된 전압값들은 내부 임피던스 측정부(500)로 입력되어 임피던스를 산출할 수 있다. 일 실시예에서, 소정의 주파수 영역에서 측정된 내부 임피던스값은 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하기 위하여 이용될 수 있다(S50). 바람직하게는, 5 내지 20 Hz의 주파수 영역에서 측정된 상기 내부 임피던스는 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하기 위하여 DC 임피던스로서 설정될 수 있다(S60).
이후, DC 임피던스 측정부(300)에서 측정된 상기 DC 임피던스 및 내부 임피던스 측정부(500)에서 설정된 상기 DC 임피던스를 이용하여 SOC 추정부(700)는 상기 배터리의 충전 상태값(SOC)를 추정할 수 있다. 상기 SOC를 추정하기 이전에는 설정된 상기 배터리의 이전 충전 상태값은 SOC 초기화부(600)에서 초기화될 수 있다. 이와 같이, 변동 부하 환경하에서 획득된 상기 내부 임피던스는 수정될 수 있으며, 충전 상태값 추정의 에러율을 줄이기 위하여 상기 수정된 내부 임피던스 값을 이용하여 상기 충전 상태값은 초기화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값의 추정 장치이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 배터리의 충전 상태값 추정 장치는 배터리 정보 측정부(100), OCV 측정부(200), DC 임피던스 측정부(300), 변환부(400), 내부 임피던스 측정부(500), SOC 초기화부(600), SOC 추정부(700), 쿨롱 카운팅 수행부(800), 및 RM 시뮬레이션부(900)를 포함한다. 도 3 및 도 4에서의 각 유닛 중 도 1 및 도 2에 도시된 유닛과 동일한 참조부호를 갖는 유닛은 동일한 기능 및 역할을 수행하므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
배터리 정부 측정부(100)는 앞서 설명한 바와 같이 배터리의 현재 전압, 현재 전류, 및 현재 온도 중 적어도 하나 이상의 배터리에 대한 현재 정보를 측정할 수 있다(S10). 일 실시예에서, 상기 배터리에 대한 정보는 정보 저장부(미도시)에 저장될 수 있으며, 이 경우 일정 시간 이후에는 상기 현재 전압, 현재 전류, 및 현재 온도가 이전 전압, 이전 전류, 및 이전 온도로서 이용될 수 있다.
OCV 측정부(200)는 개방회로의 전압값을 이용하여 배터리의 현재 전압으로부터 배터리의 충전 상태값을 추정할 수 있다. 그러나, OCV 알고리즘으로는 시스템이 동적 부하 환경일 때에는 정확하게 충전 상태값(SOC)을 추정할 수 없으므로, 먼저 배터리의 SOC를 OCV 방식으로 측정하는 것이 적절한지 여부를 확인하는 과정이 필요하다.
OCV 측정부(200)는 OCV 측정 조건 확인부(210) 및 SOC 초기화부(220)를 포함한다. OCV 측정 조건 확인부(210)는 현재 배터리의 시스템이 상기 OCV 측정 조건을 만족하는지 여부를 확인할 수 있다(S20). 또한, SOC 초기화부(220)는 상기 OCV 측정 조건을 만족하는 경우 먼저 배터리의 충전 상태값(SOC)을 초기화할 수 있다(S25). 여기서, 상기 OCV 측정 조건은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 조건과 동일할 수 있다.
OCV 측정 조건 확인부(210)에서 배터리의 현재 상태가 OCV 방식으로 배터리의 충전 상태값을 추정하기 어렵다고 판단되는 경우, DC 임피던스 측정부(300)가 활성화될 수 있다. DC 임피던스 측정부(300)는 DC 임피던스 측정 조건 확인부(310) 및 DC 임피던스 측정부(320)를 포함한다.
DC 임피던스 측정부(300)는 현재 배터리의 상태가 DC 임피던스를 측정할 수 있는 조건에 해당하는지 여부를 먼저 판단한다(S30). 상기 DC 임피던스를 측정할 수 있는 조건은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 조건과 동일할 수 있다. 만일 현재 배터리의 상태가 상기 DC 임피던스 측정 조건을 만족하는 경우 DC 임피던스 측정부(320)는 상기 DC 임피던스를 측정할 수 있다(S35).
만일 현재 배터리의 상태가 상기 DC 임피던스 측정 조건을 만족하지 아니하는 경우, 변환부(400)가 활성화될 수 있다(S40). 또한, 변환부(400)는 배터리의 현재 전압을 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하여 상기 현재 전압을 주파수 신호로 변환시킬 수 있으며(S40), 상기 변환된 전압값들은 내부 임피던스 측정부(500)로 입력되어 임피던스를 산출할 수 있다(S50). 내부 임피던스 측정부(500)는 저장부(510)를 포함하여, 측정된 각각의 내부 임피던스 값을 주파수별로 저장할 수 있으며, 상기 측정된 내부 임피던스 값 중 소정의 주파수 영역에서 측정된 내부 임피던스 값은 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하기 위하여 DC 임피던스로 설정될 수 있다(S60).
이후, 설정된 DC 임피던스는 잔여 커패시티 용량을 시뮬레이션하는 RM 시뮬레이션부(900)로 입력될 수 있다. RM 시뮬레이션부(900)는 DC 임피던스를 이용하여 커패시터의 커패시티 용량을 추정할 수 있다. 또한, 상기 내부 임피던스의 측정 이후 SOC 초기화부(600)에서는 배터리의 충전 상태값(SOC)를 초기화할 수 있다. RM 시뮬레이션부(900)에서 추정된 잔여 커패시티 값과 내부 임피던스 측정부(500)에서 측정된 상기 내부 임피던스를 이용하여 설정된 DC 임피던스 값과 DC 임피던스 측정부(300)에서 측정된 DC 임피던스 값들을 이용하여 SOC 추정부(700)에서 현재 배터리의 충전 상태값(SOC)를 추정할 수 있다.
또한, 배터리에 의하여 전자 장치가 구동중인 경우에는 쿨롱 카운팅 수행부(800)도 활성화되어 배터리의 충전 상태값을 추정할 수 있다. 쿨롱 카운팅 수행부(800)에서 전류의 흐름을 측정하며(S80), 측정된 값들을 SOC 추정부(700)로 출력하여 SOC 추정부(700)에서 DC 임피던스 측정부(300)에서 측정되거나 내부 임피던스 측정부(500)에서 설정된 상기 DC 임피던스, 상기 잔여 커패시티 값들과 함께 현재 배터리의 충전 상태값(SOC)을 추정하는데 이용될 수 있다(S70).
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 상태값의 추정 방법에 있어서, 변환부(400)에서 변환된 신호의 주파수에 따른 리튬이온 배터리의 내부 임피던스를 나타내는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 상기 내부 임피던스는 크게 변화하지 아니하며, 바람직하게는 약 0.1 내지 20 Hz 범위, 상세하게는, 약 0.2 내지 10 Hz 의 주파수 영역에서 플랫 영역(Flat region)을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태값의 추정 방법은, 상기 플랫 영역을 나타내는 주파수 영역에서의 수렴하는 내부 임피던스 특성을 이용하여, 변동 부하의 환경에서도 수렴하는 주파수 영역에서의 내부 임피던스를 획득하기 위하여 실시간 FFT를 수행할 수 있다. 일 실시예에서는, 전류가 샘플이라 하더라도, 샘플링 순간의 주파수 분석을 위한 전류값 뿐만 아니라 이전의 샘플링값을 이용함으로써 상기 FFT가 수행될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태값 추정 방법에서 슬라이딩 윈도우(sliding window)와 함께 FFT를 이용하는 분광 계산법(spectral calculation)을 나타내는 것이다.
실시간 FFT를 수행할 때, 만일 필요하다면, 시간 도메인의 해상도는 주파수 도메인의 해상도에 반비례하기 때문에, FFT의 포인트는 조절되어야만 한다. 일 실시예에서는, 16 포인트 FFT가 이용될 수 있다.
또한, 내부 임피던스를 측정할 때, 만일 현재 전류값보다 이전 전류값이 더 커 일시적인 반응(transient response)가 발생하면, 상기 일시적인 반응은 전압에 영향을 주기 때문에 상기 내부 임피던스에도 영향을 미칠 수 있다. 전기 자동차에서는 실질적으로 이전 전류값에 기인하는 상기 일시적인 반응으로 인하여 내부 임피던스 측정에 에러 발생율이 증가할 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위하여, 일시적인 반응을 위한 휴식 시간(relaxation time) 동안의 최대 전류값이 저장될 수 있다. 또한, 전류값과 현재 측정되는 전류값의 차이값이 문턱값보다 크다면, 발견된 고주파 성분을 무시함으로써 상기 현상을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 임피던스 트랙 알고리즘을 이용하여 방전 종결 시간을 추정하기 위해 측정된 내부 임피던스를 이용하는 것은 중요하다. 또한, 충전 상태값 초기화 프로세스를 통하여 충전 상태값의 에러를 재설정하기 위해 변동 상태로부터 획득되는 내부 임피던스는 정적 부하의 상태에서 획득된 내부 임피던스인 DC 임피던스와 동일한 크기로 정정될 필요가 있다. 정적 부하 상태에서, 커패시터는 오픈되어 있기 때문에, 내부 저항은 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 변동 상태에서 커패시터의 C_L 성분은 오픈되고 C_S 성분만 닫혀있기 때문에, 동적 상태에서의 내부 임피던스는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 이러한 관계를 이용하여 정적 부하 및 동적 부하에서의 내부 임피던스 사이의 보상 비율(component ratio)은 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018131066291-pat00001
Figure 112018131066291-pat00002
Figure 112018131066291-pat00003
보다 정확하게 충전 상태값을 초기화하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 추정 방법은 높은 정확도를 갖는 약 0.1 내지 20 Hz 의 주파수에서의 내부 임피던스를 측정하는 것이 필요하다. 그러므로, 본 발명의 실험예는 실시간으로 수행되는 고속 푸리에 변환 결과인 상대적인 고주파 성분의 비율 및 본 발명의 추정 방법의 내부 임피던스 측정 에러 사이의 상관도를 조사할 수 있다. 실험 결과로부터 본 발명의 추정 방법을 위한 문턱값은 내부 임피던스 측정 에러를 최소화하기 위하여 제안된다.
일 실시예에서는, 배터리 시뮬레이터가 PC 환경에서 이용되고, 시뮬링크 블록으로서 수행되며, 매틀랩을 이용하여 구현될 것이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예의 추정 방법을 검증하기 위한 배터리 시뮬레이터를 나타내는 이미지이다. 도 7에서 나타난 바와 같이, 전기 자동차의 운행 환경을 제공하기 위하여 상기 배터리 시뮬레이터는 아르테미스 어반 드라이빙 시나리오(Artemis urban driving scenario)에 기초하여 400 W DC 모터 스피드로 제어될 수 있다. 상기 환경은 리튬 이온 배터리의 전압, 전류, 및 온도 프로파일을 획득하기 위하여 상기 배터리 시뮬레이터에 적용될 수 있다. 상기 획득되는 프로파일은 본 발명의 충전 상태값 추정 알고리즘을 위하여 실험적인 입력 데이터로서 이용될 수 있다. 상기 온도는 약 15 내지 35℃ 의 온도로 고정될 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
전기 자동차의 전류 프로파일에서 이용되는 16 포인트 FFT 를 수행함으로써, 동적인 상태에서의 배터리 내부 임피던스의 측정 에러는 고주파 성분의 비율에 따라 감소되는 정성적인 분석을 확인할 수 있다. 정성 분석을 위한 FFT 실험에서, 실제 전기 자동차가 운행중인 경우에는 운전자가 액셀레이터 페달을 밟는 시간을 고려하여 5 Hz 이상의 주파수 성분은 존재하지 않는 것으로 가정할 수 있다. 그러므로, 10 Hz 이상의 샘플링 주파수를 갖는 전류 시나리오가 이용될 수 있다.
실험 진행에 따라, 하기 수학식 4로 표현할 수 있는 존재하는 배터리 모델은 제안되는 배터리 모델 시뮬레이터로부터의 소정의 주파수 영역, 바람직하게는, 0.2 내지 15 Hz 에서의 내부 임피던스를 획득하기 위하여 수정될 수 있다. 또한, 10 Hz 이하의 주파수 영역에서 RC 병렬 회로의 단락 상황을 발생시킬 수 있기 때문에 전체 RC 병렬 회로망을 제거하고, 15 Hz 이상의 주파수 영역에서는 RC 병렬 회로로부터 커패시터만을 제거함으로써 15 Hz 이상의 주파수 영역에 의하여 주파수 신호 분석에 영향을 미치지 않도록 구현될 수 있다.
Figure 112018131066291-pat00004
Figure 112018131066291-pat00005
상기 수학식 5는 상기 수학식 4 에서의 10 Hz 의 배터리의 내부 임피던스를 획득하기 위한 배터리 모델의 변환 과정을 나타내는 것이다. 여기서, Voc는 배터리의 개방 회로 전압을 나타내고, IBattRseries는 저항 Rseries에 적용되는 IR 드랍을 나타내며, VTS는 Rtransiens_S 및 Ctransient_S에 적용되는 전압을 나타낸다. CTL은 휴식이기와 관련되는 지연 특성을 보이기 때문에, 10Hz의 방전 전류에서의 단락으로서 고려될 수 있다. 또한, VTL은 0으로 수렴될 수 있고, 대응되는 값은 삭제될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 추정 알고리즘을 이용하여 추정된 내부 임피던스와 동일한 개방 회로 전압(OCV)에 대한 내부 임피던스 사이의 차이 값을 산출하기 위하여, 도 8에서 나타난 바와 같은 개방 회로 전압-저항(OCV-R) 그래프를 수정된 시뮬레이터를 통하여 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태값 추정 알고리즘에서 배터리 부하 전류의 주파수는 배터리의 내부 임피던스를 측정하는 측정 조건의 문턱값으로서 분석되고 이용될 수 있다. 배터리 부하 전류의 주파수 분석을 위해 16 포인트 FFT가 이용될 수 있고, 상기 아르테미스 어반 드라이빙 사이클로부터 획득된 전기 자동차의 드라이빙 전류 프로파일이 배터리 부하 전류를 위하여 이용될 수 있다.
상기 FFT 결과는 8개의 성분들의 합에 대한 각각의 주파수 성분의 비율을 나타낼 수 있다. 10 Hz 의 주파수 영역에서 시뮬레이터로부터 획득된 내부 임피던스와 본 발명의 추정 알고리즘을 통하여 획득된 내부 임피던스 사이의 차이값은 ±0.006Ω 보다 적은 값임을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 임피던스 측정 방법은 정확도가 높음을 확인할 수 있다.
하기 표 1은 DC 임피던스와 비교된 다양한 주파수 성분들에 기초하여 예측된 임피던스의 평균 제곱근 오차(mean square error; MSE)을 나타낸다. 최고주파수 성분에 기초한 예측은 다른 주파수들을 기초로 하는 것보다 더 정확할 수 있다. 비교 결과, 본 발명의 일 실시예에 따라 예측된 내부 임피던스 값은 측정된 DC 임피던스 값과 오차가 크지 않음을 확인할 수 있다.
성분 번호 주파수 범위(radians) 평균 제곱근 오차(MSE)
1 0 - π/8 0.001228
2 π/8 - π/4 0.001558
3 π/4 - 3π/8 0.001182
4 3π/8 - π/2 0.000536
5 π/2 - 5π/8 0.000259
6 5π/8 - 3π/4 0.000182
7 3π/4 - 7π/8 0.000168
8 7π/8 - π 0.000123
또한, 8번째 주파수 성분 비율과 보상율 사이의 상관관계는 원래 DC 임피던스 값과 함께 10 Hz 에서 추정된 내부 임피던스를 위한 보상하고, 충전 상태값의 초기화를 위하여 보상된 값을 이용하는 것을 설명할 수 있다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 보상율을 위한 간격에 따라 0.5%의 평균값을 획득한 후, 10 Hz 에서의 내부 임피던스의 보상된 값과 DC 임피던스 값은 나타난 것이다. 상기 보상값과 상기 DC 임피던스 값 사이의 평균 절대값은 0.0011Ω 이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태값의 추정 방법은 변동 부하 환경에서의 내부 임피던스를 측정하는 기술을 제공할 수 있다. 상기 방법은 변동 부하에서도 전류의 주파수 분석 결과에 따라 적용될 수 있는 측정 방법을 나타낸다. 이러한 방법은 변동 부하 환경 하에서만 측정을 수행하는 종래의 충전 상태값 추정 기술을 향상시키는 기술을 제공할 수 있다.
주파수에 따라 변화하는 내부 임피던스의 특성들을 이용하기 위하여, FFT 기반의 성분 분석이 수행되고, 그 결과는 내부 임피던스 측정을 위한 조건으로서 이용될 수 있다. 또한, 충전 상태값의 초기화 과정을 통하여 DC 임피던스는 변동 부하 환경에서 연속적으로 증가하는 상기 충전 상태값 추정 에러를 감소시키기 위해 보상될 수 있다. 결과적으로, 아르테미스 어반 전류 프로파일이 적용될 때, 고주파 영역인 4.375 내지 5 Hz 범위에서의 주파수 성분 비율은 내부 임피던스 측정 에러와 높은 연관성을 갖는다.
이후 연구에서는 충전 상태값의 초기화를 위하여 변동 부하 환경 하에서 측정된 내부 임피던스의 보상 정확도를 향상시키고, 보상된 내부 임피던스를 통해 상기 충전 상태값을 초기화하는 기술이 연구될 것이다. 또한, 전기 자동차의 운행 조건에 따른 충전 상태값 추정 에러에 대한 연구가 상기 충전 상태값의 초기화에 기초한 충전 상태값 추정 에러 감소와 함께 수행되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (18)

  1. 배터리의 현재 전압, 전류, 및 온도 중 적어도 하나 이상을 측정하는 단계;
    상기 측정 결과를 이용하여 개방회로전압을 이용한 배터리의 충전 상태 값의 추정 방식을 이용할지를 결정하는 제 1 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 제 1 측정 조건을 만족하지 아니하는 경우, 상기 측정 결과를 이용하여 DC 임피던스를 이용한 배터리의 충전 상태 값의 추정 방식을 이용할지를 결정하는 제 2 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 제 2 측정 조건을 만족하지 아니하는 경우, 상기 현재 전압에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하는 단계;
    상기 변환된 현재 전압에 대하여 주파수 10 Hz 에서의 내부 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 측정된 내부 임피던스를 이용하여 DC 임피던스를 수정하는 단계; 및
    상기 수정된 DC 임피던스를 이용하여 상기 배터리의 현재 충전 상태값을 추정하는 단계를 포함하는 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계 이전에,
    상기 현재 전압이 최소 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 현재 충전 상태값을 추정하기 위한 쿨롱 카운팅 방법을 수행하는 단계;
    상기 현재 전압이 최소 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하기 위한 개방회로전압(OCV) 측정 조건을 확인하는 단계; 및
    상기 제 1 측정 조건을 만족하는 경우, 충전 상태값을 초기화하는 단계를 더 포함하는 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측정 조건은 상기 현재 전류가 휴식 모드로 진입한 이후 일정 시간 경과 후 상기 현재 전압의 변화가 1 내지 8 uV/S 범위인 경우에 상기 개방회로전압 을 측정하는 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 측정 조건은 상기 현재 전류의 측정값 변화가 C/20 보다 적은 경우인 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC 임피던스를 수정하는 단계 이후에,
    상기 수정된 임피던스를 이용하여 잔여 용량을 시뮬레이션하여 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 잔여 용량 값을 이용하여 상기 현재 충전 상태값을 추정하는 단계를 포함하는 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 현재 충전 상태값을 추정하는 단계는 쿨롱 카운팅 방법을 통하여 획득되는 전류 적분값을 더 이용하는 것인 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속 푸리에 변환은 16 포인트 고속 푸리에 변환이 수행되는 것인 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 내부 임피던스 측정 중 일시적인 반응 기간이 발생하는 경우, 상기 일시적인 반응 기간을 위한 휴식 시간 동안의 최대 전류값을 저장하는 단계를 포함하는 배터리의 충전 상태값을 추정하는 방법.
  9. 배터리의 현재 전압, 전류, 및 온도 중 적어도 하나 이상을 측정하는 측정부;
    상기 측정 결과를 이용하여 개방회로전압의을 이용한 배터리의 충전 상태 값의 추정 방식을 이용할지를 결정하는 제 1 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하고, 상기 제 1 측정 조건을 만족하는 경우, 상기 배터리에 대한 개방회로전압을 측정하는 개방회로전압 측정부;
    상기 제 1 측정 조건을 만족하지 아니하는 경우, 상기 측정 결과를 이용하여 DC 임피던스를 이용한 배터리의 충전 상태 값의 추정 방식을 이용할지를 결정하는 제 2 측정 조건을 만족하는지 여부를 판단하며, 상기 제 2 측정 조건을 만족하는 경우, 상기 배터리의 DC 임피던스를 측정하는 DC 임피던스 측정부;
    상기 제 1 측정 조건 및 제 2 측정 조건을 만족하지 아니하는 경우, 상기 배터리의 전압에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하는 변환부;
    상기 배터리의 고속 푸리에 변환된 전압값에 대한 내부 임피던스를 측정하는 내부 임피던스 측정부;
    상기 배터리의 충전 상태값을 초기화하는 SOC 초기화부; 및
    상기 내부 임피던스를 이용하여 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하는 SOC 추정부를 포함하는 배터리의 충전 상태값 추정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 현재 전압이 최소 전압보다 큰 경우, 클롱 카운팅 알고리즘을 수행하는 쿨롱 카운팅 수행부를 더 포함하는 배터리의 충전 상태값 추정 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 개방회로전압 측정부는 상기 현재 전압이 최소 전압보다 큰 경우, 상기 제 1 측정 조건을 확인하는 OCV 측정 조건 확인부; 및 상기 제 1 측정 조건이 만족하는 경우 상기 충전 상태값을 초기화하는 SOC 초기화부를 포함하는 배터리의 충전 상태값 추정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 측정 조건은 상기 현재 전류가 휴식 모드로 진입한 이후 일정 시간 경과 후 상기 현재 전압의 변화가 1 내지 8 uV/S 범위인 경우에 상기 개방회로전압을 측정하는 것인 배터리의 충전 상태값 추정 장치.
  13. 삭제
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 측정 조건은 상기 현재 전류의 측정값 변화가 C/20 보다 적은 경우인 배터리의 충전 상태값 추정 장치.
  15. 삭제
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 내부 임피던스를 이용하여 잔여 용량값을 시뮬레이션하는 RM 시뮬레이션부를 더 포함하며,
    상기 SOC 추정부는 상기 잔여 용량값을 이용하여 상기 배터리의 충전 상태값을 추정하는 배터리의 충전 상태값 추정 장치.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 변환부는 16 포인트 고속 푸리에 변환을 이용하는 것인 배터리의 충전 상태값 추정 장치.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 내부 임피던스 측정부는 상기 내부 임피던스 측정 중 일시적인 반응 기간이 발생하는 경우, 상기 일시적인 반응 기간을 위한 휴식 시간 동안의 최대 전류값을 저장하는 저장부를 포함하는 배터리의 충전 상태값 추정 장치.
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