KR102255466B1 - 배터리의 soc 추정 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

배터리의 SOC 추정 방법 및 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 SOC 추정 방법은, 배터리의 내부 저항을 계산하여 배터리 손실을 계산하고, 부하 전력과 배터리 손실을 이용하여 배터리 전력을 계산하며, 배터리 전력을 기반으로 배터리의 SOC를 추정한다. 이에 의해, 온도 센서 추가 없이도 배터리의 SOC 추정의 정확성을 보장할 수 있게 된다.

Description

배터리의 SOC 추정 방법 및 시스템{Method and System for Battery SOC Estimation}

본 발명은 배터리의 SOC(State of Charge) 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용 고전압 배터리의 SOC를 추정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

전기 자동차에 사용되는 배터리는 내부 저항을 가지고 있으며, 이로 의한 열 손실이 발생한다. 발생된 열 손실에 의해 배터리 전압이 실제 전압과 다르게 측정되어, 결과적으로는 배터리의 SOC를 정확하게 측정하는 것을 불가능하게 한다.

따라서, 배터리의 내부 저항에 의한 열 손실을 보상하는 것이 필요한데, 여기에는 온도 센서가 더 요구되어, 하드웨어 설계 변경 및 제조 단가 상승을 유발하게 된다.

이에, 배터리 온도 측정을 위한 온도 센서를 추가하지 않고서도, 배터리의 내부 저항에 의한 열 손실을 보상하여 배터리의 SOC를 정확하게 측정하기 위한 방안의 모색이 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 배터리의 내부 저항을 계산하여, 이를 기반으로 배터리의 열 손실을 보상함으로써, 배터리의 SOC 추정의 정확성을 보장할 수 있는 배터리의 SOC 추정 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리의 SOC 추정 방법은, 차량의 부하 전력을 계산하는 단계; 배터리의 내부 저항을 계산하는 단계; 상기 내부 저항을 이용하여, 배터리 손실을 계산하는 단계; 상기 부하 전력과 상기 배터리 손실을 이용하여, 배터리 전력을 계산하는 단계; 및 상기 배터리 전력을 기반으로, 상기 배터리의 SOC(State of Charge)를 추정하는 단계;를 포함한다.

그리고, 상기 부하 전력 계산단계는, 상기 배터리의 전압을 획득하는 단계; 상기 배터리의 전류를 획득하는 단계; 및 상기 전압과 상기 전류를 이용하여, 상기 부하 전력을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 배터리 손실 계산단계는, 상기 전류와 상기 내부 저항을 이용하여, 상기 배터리 손실을 계산할 수 있다.

그리고, 상기 전압은, 상기 배터리의 OCV(Open Circuit Voltage)와 상기 배터리의 CCV(Closed Circuit Voltage)를 포함하고, 상기 내부 저항 계산단계는,

내부 저항 = CCV×(CCV-OCV)/｜부하 전력｜

위 수학식을 이용하여, 상기 내부 저항을 계산할 수 있다.

또한, 상기 OCV는, 제1 테이블에서 '상기 추정단계에서 추정된 SOC'에 매핑되어 있는 OCV 또는 구동 초기에 측정한 초기 OCV일 수 있다.

그리고, 상기 추정 단계는, 상기 배터리 전력을 적산하여, 상기 배터리의 적산 에너지를 계산하는 단계; 상기 적산 에너지를 이용하여, 상기 배터리의 잔존 에너지를 계산하는 단계; 및 상기 잔존 에너지를 기초로, 상기 배터리의 SOC를 파악하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 파악 단계는, 제1 테이블에서 상기 잔존 에너지에 매핑된 SOC를 상기 배터리의 SOC로 파악할 수 있다.

그리고, 상기 잔존 에너지 계산단계는, 상기 배터리의 초기 잔존 에너지와 상기 적산 에너지를 합산하여, 상기 잔존 에너지를 계산할 수 있다.

또한, 상기 초기 잔존 에너지는, 제2 테이블에서 '상기 배터리의 초기 OCV'에 매핑된 초기 SOC를 파악한 후, 제1 테이블에서 상기 초기 SOC에 매핑된 초기 잔존 에너지를 파악하여, 획득할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 배터리 관리 시스템은, 차량의 부하 전력을 계산하는 제1 연산부; 배터리의 내부 저항을 계산하고, 상기 내부 저항을 이용하여 배터리 손실을 계산하는 제2 연산부; 상기 부하 전력과 상기 배터리 손실을 이용하여 배터리 전력을 계산하는 제3 연산부; 및 상기 배터리 전력을 기반으로 상기 배터리의 SOC를 추정하는 추정부;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리의 내부 저항을 계산하여, 이를 기반으로 배터리의 열 손실을 보상할 수 있어, 온도 센서 추가 없이도 배터리의 SOC 추정의 정확성을 보장할 수 있게 된다.

나아가, 본 발명의 실시예들에 따르면, 온도 센싱을 하지 않음으로 인한 메모리 용량 감소 및 연산 속도 증대를 기대할 수 있다. 아울러, 온도 센서는 물론 이를 구동하기 위한 A/D 컨버터 및 주변회로 부품을 구비하지 않아도 되어, 제조 단가 상승을 피할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS의 블럭도,
도 2에는 배터리의 충/방전시 CCV를 OCV와 함께 나타낸 그래프,
도 3은 배터리 충전시 전류 흐름을 나타낸 도면,
도 4는 배터리 방전시 전류 흐름을 나타낸 도면,
도 5는 배터리의 적산 에너지를 계산하는 방법의 부연 설명에 제공되는 도면,
도 6은 배터리의 잔존 에너지와 SOC 간의 관계를 나타낸 그래프, 그리고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS(Battery Management System)의 블럭도이다. 이해와 설명의 편의를 위해, 도 1에는 BMS(100) 외에 배터리(10)를 더 도시하였다.

본 발명의 실시예에 따른 BMS(100)는, 충전시에는 배터리(10)에 전원을 공급하고 방전시에는 배터리(10)로부터 전원을 공급받는 부하의 전력과 배터리(10)의 내부 저항을 계산하고, 이를 기반으로 배터리(10)의 SOC(State Of Charge : 충전 상태)를 추정한다.

이와 같은 기능을 수행하는 BMS(100)는, 전압 센서(110), 전류 센서(120), 메모리(130), 제어부(140)를 포함한다. 그리고, 제어부(140)는, 부하 전력 연산부(141), 배터리 손실 연산부(143), 배터리 잔존 에너지 연산부(145) 및 SOC 추정부(147)를 포함한다.

전압 센서(110)는 배터리(10)의 출력단에서 전압을 측정하고, 전류 센서(120)는 배터리(10)의 출력단에서 전류를 측정한다. 전압 센서(110)에 의해 측정되는 배터리 전압은 OCV(Open Circuit Voltage)와 CCV(Closed Circuit Voltage)로 구분할 수 있다.

OCV는 배터리(10)에/에서 전류가 인가/출력되지 않는 상태에서 배터리(10)의 전압이고, CCV는 배터리(10)에/에서 전류가 인가/출력되는 상태에서 배터리(10)의 전압이다.

한편, 전압 센서(110)에서 측정된 전압은 배터리(10)의 내부 저항에 의해 왜곡된 전압으로, 이를 통해 배터리(10)의 SOC를 추정하는 것은 어렵다. 도 2에는 배터리(10)의 충/방전시 CCV(Close Circuit Voltage)를 나타낸 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(10)의 고유 전압인 OCV는 변동하지 않음에도 불구하고, CCV는 내부 저항에 의해 왜곡되어 나타남을 확인할 수 있다.

다시, 도 1을 참조하여 설명한다.

전압 센서(110)에서 측정된 전압과 전류 센서(120)에서 측정된 전류는, 메모리(130)에 저장된다. 또한, 메모리(130)에는 OCV-SOC 테이블(131)과 잔존 에너지-SOC 테이블(132)이 저장되어 있다.

OCV-SOC 테이블(131)은 OCV와 그에 상응하는 SOC가 일대일로 매핑되어 있는 테이블이다. 잔존 에너지-SOC 테이블(132)은 배터리(10)의 잔존 에너지와 그에 상응하는 SOC가 일대일로 매핑되어 있는 테이블이다.

부하 전력 연산부(141)는 메모리(130)에 저장된 배터리 전압과 배터리 전류를 곱하여, 차량 측의 부하 전력을 계산한다.

배터리 손실 연산부(143)는 배터리(10)의 내부 저항을 계산하고, 이를 기반으로 배터리(10)의 손실을 계산한다.

이하에서, 부하 전력 연산부(141)가 부하 전력을 계산하고, 배터리 손실 연산부(143)가 내부 저항 및 배터리 손실을 계산하는 방법에 대해, 배터리(10)의 충전시와 방전시를 구분하여 상세히 설명한다.

도 3은 배터리 충전시 전류 흐름을 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바를 통해, 배터리 충전시에는 아래의 관계가 성립함을 확인할 수 있다.

부하 전력 = 배터리 전력 + 배터리 손실 (1)

배터리 전력 = 부하 전력 - 배터리 손실 (2)

부하 전력 = 측정 전압 × 측정 전류 (3)

내부 저항(R) = CCV×(CCV-OCV)/｜부하 전력｜ (4)

배터리 손실 = (측정 전류)² × 내부 저항(R) (5)

도 4는 배터리 방전시 전류 흐름을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바를 통해, 배터리 충전시에는 아래의 관계가 성립함을 확인할 수 있다.

배터리 전력 = 부하 전력 + 배터리 손실 (6)

부하 전력 = 측정 전압 × 측정 전류 (7)

내부 저항(R) = CCV×(CCV-OCV)/｜부하 전력｜ (8)

배터리 손실 = (측정 전류)² × 내부 저항(R) (9)

위에서, '(3),(7)'은 부하 전력 연산부(141)가 부하 전력을 계산하는데 이용할 수 있는 수학식이고 '(4),(8)' 및 '(5),(9)'는 배터리 손실 연산부(143)가 내부 저항과 배터리 손실을 계산하는데 이용할 수 있는 수학식이다.

다시, 도 1을 참조하여 설명한다.

배터리 잔존 에너지 연산부(145)는 부하 전력 연산부(141)가 계산한 부하 전력과 배터리 손실 연산부(143)가 계산한 배터리 손실을 위 (2),(6)에 대입하여, 배터리 전력(W)을 계산한다.

그리고, 배터리 잔존 에너지 연산부(145)는 시간 경과에 따라 배터리 전력을 적산하여, 배터리(10)의 적산 에너지(Wh)를 계산한다. 다음, 배터리 잔존 에너지 연산부(145)는 배터리(10)의 초기 에너지에 적산 에너지를 합산하여 배터리의 잔존 에너지(Wh)를 계산한다.

도 5는 배터리(10)의 적산 에너지를 계산하는 방법의 부연 설명에 제공되는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리(10)의 전류 용량(Ah)과 배터리 전압(V)의 곱은 배터리(10)의 적산 에너지(Wh)에 해당한다.

마찬가지로, 배터리 전력(W)을 적분하면 적산 에너지(Wh)가 계산되며, 이는 배터리 잔존 에너지 연산부(145)가 배터리(10)의 적산 에너지를 계산하는 방식에 해당한다.

다시, 도 1을 참조하여 설명한다.

SOC 추정부(147)는 배터리 잔존 에너지 연산부(145)가 계산한 배터리 잔존 에너지로부터 SOC를 파악한다.

도 6에는 배터리(10)의 잔존 에너지와 배터리(10)의 SOC 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 배터리 잔존 에너지와 SOC는 비례 관계에 있으며, 이들의 대응 관계는 메모리(130)에는 잔존 에너지-SOC 테이블(132)로 저장되어 있다.

이에, SOC 추정부(147)는 메모리(130)에 저장되어 있는 잔존 에너지-SOC 테이블(132)을 참조하여, 배터리 잔존 에너지로부터 SOC를 파악하는 것이 가능하다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 먼저, 전압 센서(110)는 구동 초기 배터리(10)가 부하에 연결되기 전에 배터리(10)의 초기 OCV를 측정하여, 메모리(130)에 저장한다(S205).

그러면, 배터리 잔존 에너지 연산부(145)는, 메모리(130)에 저장되어 있는 OCV-SOC 테이블(131)을 참고하여 초기 OCV로부터 초기 SOC를 파악하고(S210), 메모리(130)에 저장되어 있는 잔존 에너지-SOC 테이블(132)을 참고하여, 초기 SOC로부터 초기 잔존 에너지를 파악한다(S215).

다음, 전압 센서(110)/전류 센서(120)가 배터리(10)의 출력단에서 전압(CCV)/전류를 측정하여 메모리(130)에 저장하면(S220), 부하 전력 연산부(141)는 S220단계에서 측정/저장된 배터리 전압/전류를 곱하여 차량 측의 부하 전력을 계산한다(S225).

한편, 배터리 손실 연산부(143)는, OCV를 획득하고(S230), 획득된 OCV, S220단계에서 측정된 부하 전력을 전술한 수학식 (4),(8)에 대입하여, 내부 저항(R)을 계산한다(S235).

S230단계에서의 획득되는 OCV는, 구동 초기에는 S205단계에서 측정된 초기 OCV이고, 구동 이후에는 후술할 S260단계에서 추정된 SOC로부터 OCV-SOC 테이블(131)을 참고하여 파악한 OCV이다.

그리고, 배터리 손실 연산부(143)는 S235단계에서 계산된 내부 저항(R)과 S220단계에서 측정된 전류를 위 수학식 (5),(9)에 대입하여, 배터리 손실을 계산한다(S240).

이후, 배터리 잔존 에너지 연산부(145)는 S225단계에서 계산된 부하 전력과 S240단계에서 계산된 배터리 손실을 이용하여 배터리 전력(W)을 계산한다(S245). 배터리 전력 계산은, 충전시에는 전술한 수학식 (2)에 따라, 방전시에는 전술한 수학식 (6)에 따라, 각각 수행된다.

다음, 배터리 잔존 에너지 연산부(145)는 시간 경과에 따라 배터리 전력을 적산하여, 배터리(10)의 적산 에너지(Wh)를 계산하고(S250), S215단계에서 계산된 초기 잔존 에너지에 적산 에너지를 합산하여 배터리의 잔존 에너지(Wh)를 계산한다(S255).

그러면, SOC 추정부(147)는 메모리(130)에 저장되어 있는 잔존 에너지-SOC 테이블(132)을 참조하여, S255단계에서 계산된 배터리 잔존 에너지로부터 SOC를 추정한다(S260).

S260단계에서 추정된 SOC는 차량 내 디스플레이를 통해 표시되어, 운전자에게 배터리 정보로 제공된다(S265).

지금까지, 부하 전력과 배터리(10)의 내부 저항으로 계산한 배터리 손실에 기반한 배터리 SOC 추정 방법 및 이를 적용한 BMS에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

위 실시예에서는 HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle) 등의 차량에 적용 가능하며, 나아가 차량 이외에도 배터리 충/방전 시스템이 적용된 다른 장치, 시스템 및 설비 등에도 적용될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

10 : 배터리 100 : BMS(Battery Management System)
110 : 전압 센서 120 : 전류 센서
130 : 메모리 140 : 제어부
141 : 부하 전력 연산부 142 : 배터리 손실 연산부
145 : 배터리 잔존 에너지 연산부 147 : SOC 추정부

Claims (10)

1. 차량의 부하 전력을 계산하는 단계;
   배터리의 내부 저항을 계산하는 단계;
   상기 내부 저항을 이용하여, 배터리 손실을 계산하는 단계;
   상기 부하 전력과 상기 배터리 손실을 이용하여, 배터리 전력을 계산하는 단계; 및
   상기 배터리 전력을 기반으로, 상기 배터리의 SOC(State of Charge)를 추정하는 단계;를 포함하되,
   상기 부하 전력 계산단계는,
   상기 배터리의 전압을 획득하는 단계; 상기 배터리의 전류를 획득하는 단계; 및 상기 전압과 상기 전류를 이용하여, 상기 부하 전력을 계산하는 단계를 포함하고,
   상기 전압은,
   상기 배터리의 OCV(Open Circuit Voltage)와 상기 배터리의 CCV(Closed Circuit Voltage)를 포함하고,
   상기 내부 저항 계산단계는,
   내부 저항 = CCV×(CCV-OCV)/｜부하 전력｜
   위 수학식을 이용하여, 상기 내부 저항을 계산하는 것
   을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 배터리 손실 계산단계는,
   상기 전류와 상기 내부 저항을 이용하여, 상기 배터리 손실을 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 OCV는,
   제1 테이블에서 '상기 추정단계에서 추정된 SOC'에 매핑되어 있는 OCV 또는 구동 초기에 측정한 초기 OCV인 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 추정 단계는,
   상기 배터리 전력을 적산하여, 상기 배터리의 적산 에너지를 계산하는 단계;
   상기 적산 에너지를 이용하여, 상기 배터리의 잔존 에너지를 계산하는 단계;
   상기 잔존 에너지를 기초로, 상기 배터리의 SOC를 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 파악 단계는,
   제1 테이블에서 상기 잔존 에너지에 매핑된 SOC를 상기 배터리의 SOC로 파악하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 잔존 에너지 계산단계는,
   상기 배터리의 초기 잔존 에너지와 상기 적산 에너지를 합산하여, 상기 잔존 에너지를 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 초기 잔존 에너지는,
   제2 테이블에서 '상기 배터리의 초기 OCV(Open Circuit Voltage)'에 매핑된 초기 SOC를 파악한 후, 제1 테이블에서 상기 초기 SOC에 매핑된 초기 잔존 에너지를 파악하여, 획득하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
   
10. 차량의 부하 전력을 계산하는 제1 연산부;
    배터리의 내부 저항을 계산하고, 상기 내부 저항을 이용하여 배터리 손실을 계산하는 제2 연산부;
    상기 부하 전력과 상기 배터리 손실을 이용하여 배터리 전력을 계산하는 제3 연산부; 및
    상기 배터리 전력을 기반으로 상기 배터리의 SOC(State of Charge)를 추정하는 추정부;를 포함하되,
    상기 제 1연산부는,
    배터리의 전압을 획득하는 단계; 상기 배터리의 전류를 획득하는 단계; 및 상기 전압과 상기 전류를 이용하여, 상기 부하 전력을 계산하고,
    상기 전압은,
    상기 배터리의 OCV(Open Circuit Voltage)와 상기 배터리의 CCV(Closed Circuit Voltage)를 포함하고,
    상기 제 2 연산부는,
    내부 저항 = CCV×(CCV-OCV)/｜부하 전력｜
    위 수학식을 이용하여, 상기 내부 저항을 계산하는 것인 배터리 관리 시스템.
    

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