KR102382988B1

KR102382988B1 - 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정장치 및 방법

Info

Publication number: KR102382988B1
Application number: KR1020200056024A
Authority: KR
Inventors: 이상우; 김대순; 배기철
Original assignee: 주식회사 실리콘마이터스
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2022-04-05
Also published as: WO2021230579A1; CN115667962A; US20230152381A1; KR20210137763A

Abstract

본 발명은 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 전류 검출의 오차 누적에 의한 충전상태 추정 오차를 줄일 수 있고, 배터리 온도 및 노후화에 따른 특성을 보상하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있는 배터리 충전상태 추정장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면은, 소정의 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 제1 쿨롱 카운터(STCC); 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 보상기; 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 제2 쿨롱 카운터(CCE); 및 상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정기를 포함하는 배터리 충전상태 추정장치이다.

Description

쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정장치 및 방법{COULOMB COUNTER BASED BATTERY STATE OF CHARGE ESTIMATION APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 쿨롱 카운터(coulomb counter) 기반의 배터리 충전상태 추정장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 전류 검출의 오차 누적에 의한 충전상태 추정 오차를 줄일 수 있고, 배터리 온도 및 노후화에 따른 특성을 보상하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있는 배터리 충전상태 추정장치 및 방법에 관한 것이다.

배터리의 충전상태(state of charge)를 추정하기 위해 쿨롱 카운터 기반의 기술이 많이 사용되고 있다. 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정 기술은 배터리 전류를 검출하고 검출된 배터리 전류를 적산하여 배터리의 전하량을 추정하며, 추정된 배터리의 전하량에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다. 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정 기술은 전류 적산법으로도 알려져 있는 것으로서 간단한 방법으로 상대적으로 정확한 충전상태 추정이 가능하다는 장점으로 인해 많이 사용되고 있다.

그러나 일반적인 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정 기술은 측정된 전류를 계속해서 누적 합산하여 배터리의 잔류 전하량을 예측하는 방식이어서, 측정 전류 등에 약간의 오차가 있더라도 그 오차가 누적되어 시간이 경과하면 배터리의 잔류 전하량 예측에 상당한 오차가 발생할 가능성이 있다.

또한, 일반적인 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정 기술은 배터리의 온도 및 노후화에 따른 배터리 특성의 변화를 반영하지 못한다는 점에서도 개선의 여지가 있다. 예를 들어, 배터리가 저온 상태에 있거나 노후화가 진행되면 배터리의 만충용량(또는 가용용량)이 설계용량에 비해 상당히 감소될 수 있는데, 이러한 만충용량의 감소를 반영하지 않을 경우 충전상태 추정의 정확도가 낮아질 수 있다.

본 발명은, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 전류 측정 등의 오차 누적으로 인해 충전상태 추정의 정확성이 저하되는 문제를 개선하고자 한다.

본 발명은, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 배터리의 온도 및 노후화에 따른 배터리 특성의 변화를 반영하여 충전상태 추정의 정확성을 높이고자 한다.

본 발명은, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 배터리의 온도 및 노후화에 따라 변화된 만충용량을 기준으로 배터리 충전상태를 추정하고자 한다.

본 발명은, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 구조를 간략하게 하고 충전상태 추정을 위해 사용되는 전력 소모를 감소시키고자 한다.

본 발명의 일 측면은, 소정의 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 제1 쿨롱 카운터(STCC); 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 보상기; 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 제2 쿨롱 카운터(CCE); 및 상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정기를 포함하는 배터리 충전상태 추정장치이다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출할 때 상기 배터리의 개방회로전압(OCV)과 전하량(Q) 사이의 관계에 대한 데이터를 포함하는 제1 룩업 테이블(LUT1)을 이용할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 경우, 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출될 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 상수(C1)는 상기 배터리의 내부저항 값에 기초하여 미리 정해질 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 기초하여 산출되고, 제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 상기 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보를 포함하는 제2 룩업 테이블(LUT2)을 이용하여 산출될 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제2 룩업 테이블(LUT2)에 포함된 상기 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보는 노화되지 않은 상태의 배터리에 대해 상온에서 간헐적인 정전류 펄스를 인가하는 실험을 통해 확보된 데이터일 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출하고, 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)에 곱하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 1로 설정할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)도 증가할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 비율(Vds_rate)은 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)을 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)으로 나눈 값에 비례할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)도 증가할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 적산하여 제2 예측 전하량(Qm)을 산출하는 제3 쿨롱 카운터(CCM)를 더 포함하고, 상기 전하 변화율(Qm_rate)은 상기 제2 예측 전하량(Qm)의 변화율에 기초하여 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면은, 배터리 충전상태 추정장치에 의해 수행되는 배터리 충전상태 추정방법으로서, 배터리 전류(Im)를 적산하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 단계; 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계; 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 단계; 및 상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 단계;를 포함하는 배터리 충전상태 추정방법이다.

상기 배터리 충전상태 추정방법에 있어서, 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상함으로써 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정방법에 있어서, 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 작을 경우, 상기 예측 개방회로전압(OCVe)과 상기 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정방법에 있어서, 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출될 수 있다.

상기 배터리 충전상태 추정방법에 있어서, 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.

본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 전류 측정 등의 오차 누적으로 인해 충전상태 추정의 정확성이 저하되는 문제를 개선할 수 있다.

본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 배터리의 온도 및 노후화에 따른 배터리 특성의 변화를 반영하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.

본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 배터리의 온도 및 노후화에 따라 변화된 만충용량을 기준으로 배터리 충전상태를 추정할 수 있다.

본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 구조를 간략하게 하고 충전상태 추정을 위해 사용되는 전력 소모를 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치를 예시한다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치를 예시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치를 예시한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치를 예시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치(100)를 예시한다.

도 1을 참조하면, 배터리 충전상태 추정장치(100)는 제1 쿨롱 카운터(110, STCC), 보상기(120, Compensator), 제2 쿨롱 카운터(130, CCE) 및 충전상태 추정기(140, SOC Estimator)를 포함할 수 있다.

배터리 충전상태 추정장치(100)는 배터리를 사용하는 다양한 기기에서 배터리의 충전상태를 추정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 충전상태 추정장치(100)는 휴대폰, 태블릿, 노트북 등의 휴대용 전자기기에서 그 활용도가 높을 수 있지만 배터리 충전상태 추정장치(100)의 용도가 이로 한정되는 것은 아니다. 배터리 충전상태 추정장치(100)는 배터리를 사용하는 다양한 기기 내에서 별도의 장치로 구현되거나 또는 해당 기기에 본래 장착되는 다른 장치(예, 제어기 등) 내부에 하나의 기능 요소로서 구현되는 등 다양한 방법으로 구현될 수 있다.

제1 쿨롱 카운터(110)는 소정의 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출할 수 있다.

배터리 전류(Im)는 배터리를 충전 또는 방전하는 전류를 검출한 값일 수 있다. 배터리 전류(Im) 검출을 위해 통상의 전류 검출 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전류 검출 저항 또는 변류기(current transformer) 등이 사용될 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. 배터리 전류(Im) 검출 수단은 배터리 충전상태 추정장치(100)에 포함되는 구성일 수도 있지만, 배터리 충전상태 추정장치(100)는 외부의 배터리 전류(Im) 검출 수단으로부터 배터리 전류(Im) 정보를 획득할 수도 있다.

제1 쿨롱 카운터(110)는 배터리 전류(Im)에 대한 각 주기별 적산 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제1 쿨롱 카운터(110)는 소정 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출한 후 초기화(reset)되고 다시 소정 주기에 대해 배터리 전류(Im)를 적산하는 과정을 반복하는 방식으로 동작할 수 있다. 예시적으로, 제1 쿨롱 카운터(110)는 배터리 전류(Im)의 디지털화된 샘플링 데이터를 소정의 개수 누적 합산하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출할 수 있다. 이 경우, 배터리 전류(Im)의 샘플링 주기에 적산되는 데이터 개수를 곱한 값이 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기로 이해될 수 있다.

제1 쿨롱 카운터(110)가 각 주기별 적산 기능을 수행하는 이유를 살펴본다. 추후 상세히 설명할 바와 같이, 본 실시예에서는 보상기(120)를 통해 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출한 후에 제2 쿨롱 카운터(130)에서 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출할 수 있다. 제1 쿨롱 카운터(110)를 사용하지 않을 경우 보상기(120)는 샘플링된 배터리 전류(Im) 각각에 대해 보상 동작을 수행해야 한다. 이 경우, 각각의 샘플링된 배터리 전류(Im)에 노이즈가 포함될 경우 보상기(120)의 동작이 원활하지 않을 수 있고, 보상기(120)의 동작 횟수가 증가할수록 전력 소모가 커질 수 있다. 본 실시예에서는 제1 쿨롱 카운터(110)를 사용하여 소정 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 생성하고, 보상기(120)는 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)에 대하여 보상 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 전하 변화량(ΔQ)은 다수의 배터리 전류(Im) 샘플링 값을 적분한 것이므로 노이즈의 영향이 감소할 뿐만 아니라, 보상기(120)의 동작 빈도가 감소하므로 전력 소모가 감소하는 장점이 있다.

이 때, 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기는 배터리 전류(Im), 배터리 전압(Vm), 충전상태(SOC) 등 배터리 상태의 변화가 크지 않을 정도로 설정되는 것이 바람직하다. 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기를 배터리 상태의 변화가 상당할 정도로 길게 설정하는 경우, 배터리 상태의 변화로 인해 보상기(120)가 제1 전하 변화량(ΔQ)에 대한 적절한 보상 기능을 수행하기가 쉽지 않을 수 있기 때문이다. 예시적으로, ADC(analog-digital converter)를 통해 약 0.3초 주기로 배터리 전류(Im)를 샘플링하고 제1 쿨롱 카운터(110)는 4개 ~ 8개의 샘플링된 배터리 전류(Im)를 적산하도록 설정할 경우, 노이즈의 영향과 전력 소모를 줄이면서도 제1 전하 변화량(ΔQ)에 대한 적절한 보상을 통해 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.

보상기(120, Compensator)는 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 실시예에 따라, 보상기(120)는 배터리 전류(Im), 배터리 단자전압(Vm) 및 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상함으로써 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 실시예에 따라, 보상기(120)는 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상함으로써 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 보상기(120, Compensator)에 대해서는 아래에서 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

제2 쿨롱 카운터(130, CCE)는 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출할 수 있다. 제1 쿨롱 카운터(110)가 각 주기별 적산 기능을 수행한다면, 제2 쿨롱 카운터(130)는 특별한 주기를 가지지 않고 배터리 전류(Im)를 누적해서 합산하는 것으로 이해될 수 있다. 일반적인 전류 적산 방식과 비교하면, 제2 쿨롱 카운터(130)가 배터리 전류(Im)를 그대로 적산하는 것이 아니라 보상기(120)에 의해 보상된 값인 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산한다는 점에서 차이가 있다.

충전상태 추정기(140, SOC Estimator)는 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다. 실시예에 따라, 충전상태 추정기(140)가 출력하는 배터리 충전상태는 SOC(state of charge)일 수 있으나 이로 한정되는 것은 아니다. 예시적으로, 배터리 충전상태는 제1 예측 전하량(Qe)을 배터리의 설계용량으로 나눈 값에 대응되는 값일 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치(200)를 예시한다.

도 2를 참조하면, 배터리 충전상태 추정장치(200)는 제1 쿨롱 카운터(110), 보상기(220), 제2 쿨롱 카운터(130) 및 충전상태 추정기(140)를 포함할 수 있다. 제1 쿨롱 카운터(110), 제2 쿨롱 카운터(130) 및 충전상태 추정기(140)는, 아래에서 설명하는 내용과 배치되지 않는 한, 도 1을 참조하여 설명한 바와 유사하게 동작할 수 있다.

보상기(220)는 제1 보상기(221, first compensator), 제2 보상기(222, second compensator), 곱셈기(223) 및 멀티플렉서(224)를 포함할 수 있다.

제1 보상기(221)는 배터리가 이완(relaxation) 상태에 있을 때 제1 예측 전하량(Qe)의 누적된 오차를 해소하도록 동작할 수 있다.

이를 위해, 실시예에 따라, 제1 보상기(221)는 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 경우, 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 실시예에 따라, 배터리 전류(Im)의 크기는 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기 동안의 배터리 전류(Im) 절대값의 평균일 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예에 따라, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작다는 판단이 소정의 회수 이상으로 지속되어야 제1 보상기(221)가 동작하도록 설정될 수 있다. 제1 임계값은 배터리가 어느 정도 이완 상태에 있다고 판단될 수 있을 정도의 값으로 설정될 수 있다.

배터리가 충분한 이완 상태에 있을 경우, 배터리 단자전압(Vm)은 배터리의 실제 개방회로전압(OCV)와 실질적으로 동일할 수 있다. 본 실시예에서는 배터리의 등가 모델 등을 사용하지 않으므로 배터리의 실제 개방회로전압(OCV)을 정확하게 추정하려고 시도하지 않는다. 본 실시예에서의 예측 개방회로전압(OCVe)은, 후술할 바와 같이, 제1 예측 전하량(Qe)으로부터 룩업 테이블 등을 통해 간단하게 산출되는 값으로서, 예측 개방회로전압(OCVe)은 실제 개방회로전압(OCV)과 어느 정도 차이가 있을 것이라는 것을 전제로 한다. 본 실시예에서는 이러한 인식 하에서, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 경우 배터리 단자전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 실제 개방회로전압(OCV)에 더 유사할 것이라는 가정 하에, 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출함으로써, 제1 예측 전하량(Qe)의 누적된 오차를 해소할 수 있다.

배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작은 상태가 장기간(예를 들면, 수 시간) 지속되면 배터리가 충분한 이완 상태에 있게 되고, 이러한 상태가 되어야 배터리 단자전압(Vm)이 실제 개방회로전압(OCV)과 실질적으로 동일하게 될 것이지만, 본 실시예에서는 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작은 상태가 되면 충분한 시간이 경과되지 않더라도 배터리 단자전압(Vm)이 실제 개방회로전압(OCV)과 유사할 것으로 가정하고 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 동작할 수 있다.

본 실시예에 의하면, 배터리의 동작 중에(배터리가 충분히 이완되지 않더라도) 제1 예측 전하량(Qe)의 누적 오차가 커지는 경우 이를 감소시킬 수 있고, 배터리가 충분히 이완되는 상황이 되면 동일한 알고리즘에 의해 자동적으로 제1 예측 전하량(Qe)의 오차를 거의 해소할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면 배터리 등가 모델 등을 사용하여 실제 개방회로전압(OCV)을 정확하게 추정하기 위한 복잡한 시스템을 사용하지 않으면서도 간단한 방법으로 제1 예측 전하량(Qe)의 오차가 누적되는 것을 방지하여 배터리 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.

실시예에 따라, 아래 수학식 1과 같이, 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 배터리 단자전압(Vm)에서 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, 제1 상수(C1)는 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하는 속도에 영향을 주는 상수로서, 배터리의 내부저항 값에 기초하여 정해질 수 있다.

수학식 1은 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)이 제1 전하 변화량(ΔQ)과는 무관하게 결정되는 경우를 예시하고 있지만, 이와는 다르게 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 제1 전하 변화량(ΔQ)에 영향을 받으면서 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 설정될 수도 있다.

이와 같이, 제1 보상기(221)는 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작은 상태일 때(배터리가 충분한 이완 상태가 아니더라도), 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 함으로써 제1 예측 전하량(Qe)의 오차가 누적되는 것을 방지할 수 있다.

제2 보상기(222)는 배터리에 충방전 전류가 흐르는 상황에서 제1 과전위(Vds)를 이용하여 배터리의 온도와 노후화 등에 따라 달라지는 만충용량을 반영하여 충전상태를 추정하도록 할 수 있다.

먼저, 과전위(overpotential)에 대해 설명하면, 평형 상태에 있는 전극에 전류를 흘리면 전극전위가 평형전위에서 벗어나게 되며 이 벗어난 정도를 과전위(overpotential)라 할 수 있다. 과전위(overpotential)는 배터리 내부저항에 의한 영향과 그 외 영향(전해질의 느린 전기화학반응, 확산 속도, 전류 분포의 불균일 등)이 복합적으로 작용한 것으로 이해될 수 있다. 본 명세서에서는 배터리 내부저항에 의한 영향과 그 외 영향이 복합적으로 작용한 전체 과전위(overpotential)를 제1 과전위(Vds)라고 하고, 배터리 내부저항을 제외한 그 외 영향에 의한 과전위(overpotential)를 제2 과전위(Vov)로 언급하기로 한다. 즉, 수학식 2와 같이 제1 과전위(Vds)는 내부저항에 의한 전압과 제2 과전위(Vov)의 합으로 이해될 수 있다.

[수학식 2]

제1 과전위(Vds)는 수학식 2와 같이 배터리 내부저항과 제2 과전위(Vov)를 이용하여 산출될 수 있지만, 상황에 따라, 수학식 3과 같이 배터리의 단자전압(Vm)과 배터리의 개방회로전압(OCV)의 차이를 이용하여 산출될 수도 있다.

[수학식 3]

실시예에 따라, 제2 보상기(222)는 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.

배터리 전류(Im)의 크기는 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기 동안의 배터리 전류(Im) 절대값의 평균일 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예에 따라, 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 크다는 판단이 소정의 회수 이상으로 지속되어야 제2 보상기(222)가 동작하도록 설정될 수 있다. 제2 임계값은 배터리가 충전 또는 방전 동작 상태에 있다고 판단될 수 있을 정도의 값으로 설정될 수 있다.

제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 제1 과전위에 대한 기준값으로서, 기준 배터리(예를 들어, 신규 배터리 또는 노화되지 않은 상태의 배터리)에 대해 상온에서 미리 측정된 값일 수 있다. 실시예에 따라, 제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 기준 배터리에 대해 상온에서 미리 측정된 내부저항과 제2 과전위(Vov)를 이용하여 산출될 수 있다. 내부저항과 제2 과전위(Vov)를 이용하여 제1 과전위 기준값(Vds_ref)을 산출할 때 수학식 2가 사용될 수 있다.

제1 과전위 예측값(Vds_e)은, 배터리 충전상태 추정장치(200)의 동작 중에 산출되는 값으로서, 실시예에 따라, 수학식 4와 같이 배터리 단자전압(Vm)에서 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 기초하여 산출될 수 있다.

[수학식 4]

즉, 제1 과전위 예측값(Vds_e)은 검출된 배터리 단자전압(Vm)과 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 산출되는 값으로서, 배터리 충전상태 추정장치(200)가 현재 예측하는 제1 과전위로 이해될 수 있다.

제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)에 비해 클 경우 현재의 배터리가 저온이나 노후화 등으로 인해 만충용량이 설계용량에 비해 감소했을 가능성이 있다. 이 경우, 제2 보상기(222)는 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)을 추종하는 방향으로 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출함으로써 만충용량의 변화를 반영하여 충전상태를 추정할 수 있다.

온도가 낮거나 배터리가 노후화된 경우, 기준 상태의 배터리에 비해 제1 과전위(Vds)가 증가하는 반면, 배터리의 만충용량(가용용량)은 감소한다. 배터리의 온도나 노후화에 의한 만충용량 감소 특성을 반영하지 않고 충전상태를 산출할 경우, 산출된 충전상태는 그 정확성이 낮아질 수 있다. 예를 들어, 저온 등으로 인해 배터리의 만충용량이 설계용량의 50%로 감소한 경우, 배터리가 만충용량의 100%로 충전되더라로 설계용량을 기준으로 산출된 SOC는 50%로 계산될 수 있다. 이와 같이, 온도나 노후화에 따른 만충용량의 변화를 감안하지 않고 설계용량을 기준으로 충전상태를 산출하고 그 결과를 사용자에게 제공할 경우 사용자에게 혼란을 야기할 수 있다.

본 실시예에서는 이러한 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해, 온도나 노후화에 따른 만충용량의 변화를 반영하여 충전상태를 산출할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 온도가 낮거나 노후화가 진행되어 만충용량이 감소한 경우, 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시켜 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 제1 전하 변화량(ΔQ)보다 크게 함으로써, 제2 쿨롱 카운터(130)의 출력인 제1 예측 전하량(Qe)이 보다 큰 값을 가지도록 할 수 있다. 이 경우 제1 예측 전하량(Qe)을 설계용량으로 나눈 값인 SOC는 좀 더 큰 값을 가지게 되므로 만충용량의 감소를 효과적으로 반영할 수 있다. 즉, 종래 기술의 경우 온도나 노후화에 따라 만충용량이 감소한 경우 추정된 SOC가 0% 또는 100%에 근접하지 않는 문제가 발생할 수 있는데, 본 실시예에 의하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.

실시예에 따라, 제1 과전위 기준값(Vds_ref)에 대한 제1 과전위 예측값(Vds_e)의 비율인 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시킬 수 있다. 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가한다는 것은 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)에 비해 증가한다는 것을 의미하고, 이는 온도나 노후화에 따른 만충용량의 감소가 심화된다는 것으로 이해될 수 있다. 이 경우, 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시켜 제1 예측 전하량(Qe)이 증가하는 정도를 크게 함으로써 만충용량의 변화를 더욱 효과적으로 반영할 수 있다.

곱셈기(223)는 제2 보상기(222)의 출력인 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 제1 전하 변화량(ΔQ)에 곱하여 제3 전하 변화량(ΔQ_cr)을 산출할 수 있다.

멀티플렉서(224)는 제1 보상기(221)의 출력인 제4 전하 변화량(ΔQ_track)과 제2 보상기(222)에 의해 생성된 제3 전하 변화량(ΔQ_cr) 중에서 모드에 따라 선택된 값을 출력할 수 있다. 이를 위해, 멀티플렉서(224)는 도시되지 않은 제어기 등으로부터 모드선택신호(mode)를 입력 받고, 제3 전하 변화량(ΔQ_cr)과 제4 전하 변화량(ΔQ_track) 중에서 모드선택신호(mode)에 따라 선택된 값을 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)으로 출력할 수 있다. 예를 들어, 수학식 5와 같이, 모드선택신호(mode)가 '0'일 경우 멀티플렉서(224)는 제3 전하 변화량(ΔQ_cr)을 출력하고, 모드선택신호(mode)가 '1'일 경우 멀티플렉서(224)는 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 출력할 수 있다. 즉, 멀티플렉서(224)는 제1 보상기(221)와 제2 보상기(222)가 모드선택신호(mode)에 따라 선택적으로 동작하도록 할 수 있다.

[수학식 5]

한편, 도 2에는 제1 보상기(221)와 제2 보상기(222)를 함께 사용하는 경우를 예시하고 있으나, 배터리 충전상태 추정장치(200)에는 제1 보상기(221)와 제2 보상기(222) 중의 어느 하나만이 선택적으로 사용될 수도 있다. 이 경우, 멀티플렉서(224)는 생략되거나 또는 해당 제어기의 동작 여부를 선택하는 용도로 사용될 수 있다.

또한, 제1 보상기(221)의 동작 여부를 결정하기 위해 사용된 제1 임계값과 제2 보상기(222)의 동작 여부를 결정하기 위해 사용된 제2 임계값은 서로 동일한 값일 수 있다. 이 경우, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(또는 제2 임계값)보다 작은 경우 제1 보상기(221)가 동작하고, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(또는 제2 임계값)보다 큰 경우 제2 보상기(222)가 동작할 수 있다. 또는, 실시예에 따라, 제2 임계값이 제1 임계값보다 큰 값을 가질 수 있다. 이 경우, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작은 경우 제1 보상기(221)가 동작하고, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 크면서 제2 임계값보다 작은 경우 제1 보상기(221)와 제2 보상기(222)의 어느 것도 동작하지 않으며, 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 큰 경우 제2 보상기(222)가 동작할 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치(300)를 예시한다.

도 3을 참조하면, 배터리 충전상태 추정장치(300)는 제1 쿨롱 카운터(110), 보상기(320), 제2 쿨롱 카운터(130) 및 충전상태 추정기(140)를 포함할 수 있다. 보상기(320)는 제1 보상기(321), 제2 보상기(322), 곱셈기(323), 멀티플렉서(324), 제1 룩업 테이블(325, LUT1), 제2 룩업 테이블(326, LUT2) 및 제3 쿨롱 카운터(327, CCM)를 포함할 수 있다. 제1 쿨롱 카운터(110), 제2 쿨롱 카운터(130) 및 충전상태 추정기(140)는, 아래에서 설명하는 내용과 배치되지 않는 한, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 유사하게 동작할 수 있다. 또한, 보상기(320)에 포함된 제1 보상기(321), 제2 보상기(322), 곱셈기(323) 및 멀티플렉서(324)는, 아래에서 설명하는 내용과 배치되지 않는 한, 도 2를 참조하여 설명한 바와 유사하게 동작할 수 있다.

제1 룩업 테이블(325, LUT1)은 배터리의 개방회로전압(OCV)과 전하량(Q) 사이의 관계에 대한 데이터를 포함할 수 있다. 보상기(320)는 제1 룩업 테이블(325)을 이용하여 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출할 수 있다. 제1 룩업 테이블(325)을 이용하여 산출된 예측 개방회로전압(OCVe)은 전술한 바와 같이 제1 보상기(321)와 제2 보상기(322)에서 활용될 수 있다.

제2 룩업 테이블(326, LUT2)은 개방회로전압(OCV)과 배터리 전류(Im)에 따른 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터를 포함할 수 있다. 보상기(320)는 제2 룩업 테이블(326)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 전류(Im)에 기초하여 기준 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보를 추출하고, 이로부터 제1 과전위 기준값(Vds_ref)을 산출할 수 있다. 실시예에 따라, 제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 배터리 전류(Im)에 배터리의 내부저항(R)을 곱한 값에 제2 과전위(Vov)를 더하여 산출될 수 있다. 이와 같이, 보상기(320)는 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보를 포함하는 제2 룩업 테이블(326)을 이용하여 제1 과전위 기준값(Vds_ref)을 산출할 수 있다.

제2 룩업 테이블(326)에 포함된 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터는 노화되지 않은 상태의 배터리(기준 배터리)에 대해 상온에서 간헐적인 정전류 펄스를 인가하는 실험을 통해 확보될 수 있다. 이 경우 간단한 실험을 통해 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터를 확보할 수 있는 장점이 있다.

배터리의 내부저항(R) 및/또는 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터는 배터리 전류(Im)의 크기에 따라 달라질 수 있고, 다양한 배터리 전류(Im)의 크기에 따른 배터리의 내부저항(R) 및/또는 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터를 모두 제2 룩업 테이블(326)에 저장하기는 곤란하므로, 소정의 배터리 전류(Im)에 대한 데이터를 제2 룩업 테이블(326)에 저장한 후 커브 피팅(curve fitting) 함수를 사용하여 배터리의 내부저항(R) 및/또는 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터를 산출할 수 있다.

제3 쿨롱 카운터(327, CCM)는 제1 전하 변화량(ΔQ)을 적산하여 제2 예측 전하량(Qm)을 산출할 수 있다. 제3 쿨롱 카운터(327)는 제2 쿨롱 카운터(130)와는 달리 보상되지 않은 상태의 제1 전하 변화량(ΔQ)을 그대로 적산할 수 있다.

제3 쿨롱 카운터(327)의 출력인 제2 예측 전하량(Qm)에는, 종래 기술의 문제점으로 언급한 바와 같이, 누적된 오차가 포함될 수 있다. 그러나 제2 보상기(322)에서는, 후술할 바와 같이, 제2 예측 전하량(Qm)을 사용하여 충전상태를 추정하는 것이 아니라 전하량의 변화율(Qm_rate)을 추출하여 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산정하는데 활용하므로 제2 예측 전하량(Qm)에 포함된 누적 오차는 문제가 되지 않는다. 반면, 제2 쿨롱 카운터(130)의 출력인 제1 예측 전하량(Qe)은 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하므로 제1 보상기(321) 또는 제2 보상기(322)의 동작에 의해 급격한 변화가 있을 수 있음에 반해, 제2 예측 전하량(Qm)은 보상되지 않은 상태의 제1 전하 변화량(ΔQ)을 그대로 적산하여 급격한 변화 등이 적기 때문에, 전하량의 변화율(Qm_rate)을 추출하는 데에는 제2 예측 전하량(Qm)이 제1 예측 전하량(Qe)보다 더 적절할 수 있다.

제1 보상기(321)는, 전술한 바와 같이, 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 전압(Vm)에 기초하여 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 산출할 수 있다. 제1 보상기(321)는 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 때 동작할 수 있다.

실시예에 따라, 제1 보상기(321)는 배터리 전압(Vm)과 예측 개방회로전압(OCVe)의 대소에 따라 제4 전하 변화량(ΔQ_track)의 값을 다르게 산출할 수 있다. 예시적으로, 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 큰 경우 수학식 6와 같이 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 '0'으로 설정하여 예측 개방회로전압(OCVe)이 변화하지 않도록 하고, 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 작은 경우 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 수학식 7과 같이 산출하여 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 전압(Vm)을 추종하도록 할 수 있다.

[수학식 6]

수학식 6에서 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 큰 경우에 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 '0'으로 설정하는 이유는, 제4 전하 변화량(ΔQ_track)에 양의 값을 부여하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 증가시킬 경우 배터리는 방전 상태를 유지하고 있는 상황에서 제1 예측 전하량(Qe) 및 그에 의해 산출되는 충전상태가 증가하는 문제가 생기는 것을 방지하기 위한 것이다.

또한, 수학식 6에서 제1 상수(C1)는 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하는 속도에 영향을 주는 상수로서, 제1 상수(C1)를 적절히 설정함으로써 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 점진적으로 따라가도록 할 수 있다. 실시예에 따라, 제1 상수(C1)는 배터리의 내부저항(R) 값에 기초하여 설정됨으로써 배터리의 시정수와 매칭되는 속도로 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 할 수 있다.

제2 보상기(322)는, 전술한 바와 같이, 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 이를 위해, 제2 보상기(322)는 제1 룩업 테이블(325)을 이용하여 획득된 예측 개방회로전압(OCVe), 제2 룩업 테이블(326)을 이용하여 획득된 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov), 제3 쿨롱 카운터(327)를 이용하여 획득된 제2 예측 전하량(Qm), 및 배터리 전압(Vm)과 전류(Im)를 선택적으로 사용하여 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출할 수 있다. 제2 보상기(322)에 의해 산출된 전하 변화량 보상계수(comp_rate)는 제1 전하 변화량(ΔQ)에 곱해져서 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)의 산출에 활용될 수 있다.

실시예에 따라, 제2 보상기(322)는 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 1로 설정할 수 있다. 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우는 만충용량이 설계용량보다 증가한 상황으로서, 고온 등에서 발생할 수 있지만 일반적으로 그 차이가 크지 않아 무시할 수 있을 정도이다. 또한, 약간의 노후화가 진행되더라도 그로 인한 만충용량의 감소가 고온에 의한 만충용량의 증가를 상쇄시키므로 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우에 대한 보상은 생략될 수 있고, 이 방법에 의하면 보상 알고리즘을 간단하게 하고 보상기의 전력 소모를 줄일 수 있다.

실시예에 따라, 제2 보상기(322)는 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우, 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가하도록 할 수 있다. 여기서, 제1 과전위 비율(Vds_rate)은 제1 과전위 예측값(Vds_e)을 제1 과전위 기준값(Vds_ref)으로 나눈 값의 절대값에 비례할 수 있다(수학식 9 참조). 이 방법에 의하면, 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 커질수록(즉, 만충용량의 감소가 클수록) 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시켜 보상기(320)가 만충용량의 변화를 더 많이 반영함으로써 충전상태 추정의 정확성을 높이는 장점이 있다.

실시예에 따라, 제2 보상기(322)는 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우, 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가하도록 할 수 있다. 여기서, 전하 변화율(Qm_rate)은 제2 예측 전하량(Qm)의 변화율에 기초하여 결정될 수 있다. 이 방법에 의하면 최근의 전하량 변화가 클수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시켜 만충용량의 변화를 더 많이 반영함으로써 충전상태 추정의 정확성을 높이는 장점이 있다.

실시예에 따라, 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제2 보상기(322)는 아래 수학식 7 내지 수학식 12의 과정을 통해 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출할 수 있지만, 수학식 7 내지 수학식 12는 일 예시일 뿐 본 실시예가 이로 한정되는 것은 아니다.

[수학식 7]

[수학식 8]

[수학식 9]

[수학식 10]

[수학식 11]

[수학식 12]

수학식 10 내지 수학식 12에 사용된 상수인 C2, C3, C4 등은 상황에 따라 적절히 설정될 수 있다. 수학식 10에서 Qm(n-T)는 이전 T번째의 제2 예측 전하량(Qm)으로서, 예시적으로 T=10으로 설정할 경우 이전 10번째의 제2 예측 전하량(Qm(n-10))과 현재의 제2 예측 전하량(Qm(n)) 사이의 변화 정도를 이용하여 전하 변화율(Qm_rate)을 산출할 수 있다. 수학식 11의 Q_max는 최대 전하량이며, SF(smoothing factor)는 전하 변화량 보상계수(comp_rate)의 부드러운 변화를 위해 사용되는 값으로 이해될 수 있다.

이와 같이, 제2 보상기(322)는 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가하도록 할 수 있다. 또한, 제2 보상기(322)는 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가하도록 할 수 있다. 이를 통해 제2 보상기(322)는 만충용량의 변화를 효과적으로 반영하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치(400)를 예시한다.

도 4에 예시된 배터리 충전상태 추정장치(400)는 도 3에 예시된 배터리 충전상태 추정장치(300)에 비해 제3 쿨롱 카운터(327)를 사용하지 않는 점에서 차이가 있다. 배터리 충전상태 추정장치(400)에서는 제3 쿨롱 카운터(327)를 사용하지 않으므로 제2 예측 전하량(Qm)을 산출하지 않는다. 제2 보상기(322)는 제2 예측 전하량(Qm) 대신 제1 예측 전하량(Qe)를 활용하여 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출할 수 있다. 예를 들어, 수학식 11에서 전하량의 변화율(Qm_rate)을 산출할 때, 제2 예측 전하량(Qm) 대신 제1 예측 전하량(Qe)를 사용할 수 있다. 도 4에 예시된 배터리 충전상태 추정장치(400)에 의하면 제3 쿨롱 카운터(327)를 사용하지 않으므로 보상기(420)를 좀 더 간략하게 구현할 수 있고 전력 소모를 줄이는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다. 도 5에 예시된 배터리 충전상태 추정방법은 도 1 내지 도 4를 참조하여 예시한 배터리 충전상태 추정장치에 의해 수행될 수 있다.

도 5를 참조하면, 배터리 전류(Im)를 적산하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 단계(S510), 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계(S520), 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 단계(S530), 및 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 단계(S540)가 순차적으로 수행될 수 있다.

실시예에 따라, 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계(S520)에서, 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상함으로써 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다. 도 6에 예시된 배터리 충전상태 추정방법은 도 1 내지 도 4를 참조하여 예시한 배터리 충전상태 추정장치에 의해 수행될 수 있다.

먼저, 배터리 전압(Vm)과 배터리 전류(Im) 정보가 획득될 수 있다(S611), 배터리 전류(Im) 검출을 위해 전류 검출 저항 또는 변류기(current transformer) 등 통상의 전류 검출 수단이 사용될 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다.

S612 단계로서, 제1 전하 변화량(ΔQ)이 산출될 수 있다. 제1 전하 변화량(ΔQ)의 산출은 전술한 제1 쿨롱 카운터(110)에 의해 수행될 수 있다.

S611 단계와 S612 단계는 도 5의 S510 단계에 대응될 수 있다.

다음으로, 배터리 전류(Im)의 크기를 제1 임계값(TH1)과 비교하고(S621), 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 큰 경우 S624 단계로 진행하고, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 작은 경우 S622 단계로 진행할 수 있다.

배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 작은 경우, S622 단계에서 제4 전하 변화량(ΔQ_track)이 산출되고, S623 단계에서 제4 전하 변화량(ΔQ_track)를 이용하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)이 산출될 수 있다. S622 단계와 S623 단계는 제1 보상기에 의해 수행될 수 있고, 제4 전하 변화량(ΔQ_track)과 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)의 구체적인 산출 방법은 제1 보상기와 관련하여 전술한 내용이 적용될 수 있다.

배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 큰 경우, S624 단계에서 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 산출되고, S625 단계에서 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 이용하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)이 산출될 수 있다. S624 단계와 S625 단계는 제2 보상기에 의해 수행될 수 있고, 전하 변화량 보상계수(comp_rate)와 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)의 구체적인 산출 방법은 제2 보상기와 관련하여 전술한 내용이 적용될 수 있다.

S621 단계 내지 S625 단계는 도 5의 S520 단계에 대응될 수 있다.

다음으로, S630 단계로서, S623 단계 또는 S625 단계를 통해 보상된 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)이 산출될 수 있다. S630 단계는 전술한 제2 쿨롱 카운터에 의해 수행될 수 있다.

다음으로, S640 단계로서 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다. 배터리의 충전상태로는 SOC(state of charge)가 사용될 수 있고, SOC는 제1 예측 전하량(Qe)을 설계용량(Qd)으로 나눈 값에 기초하여 산출될 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다. 도 7은 도 6의 S622 단계 내지 S625 단계를 좀 더 구체적으로 예시하고 있다.

먼저, 도 6의 S622 단계와 S623 단계는 도 7의 S722 단계 내지 S725 단계로 변경될 수 있다.

S722 단계에서, 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 작은지 여부가 판단될 수 있다. 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 작다면 S723 단계로 진행하고, 아니라면 S724 단계로 진행할 수 있다.

배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 작은 경우, S723 단계에서 제4 전하 변화량(ΔQ_track)은 전술한 수학식 6의 방법을 사용하여 산출될 수 있다. 이 경우, 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 전압(Vm)을 추종함에 의해 쿨롱 카운터에 의한 누적 오차가 감소되도록 할 수 있다.

배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 큰 경우, S724 단계에서 제4 전하 변화량(ΔQ_track)은 '0'으로 설정됨으로써, 예측 개방회로전압(OCVe)이 변화하지 않도록 할 수 있다.

다음으로, 도 6의 S624 단계와 S625 단계는 도 7의 S726 단계 내지 S729 단계로 변경될 수 있다.

S726 단계에서, 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰지 여부가 판단될 수 있다. 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 크다면 S727 단계로 진행하고, 아니라면 S728 단계로 진행할 수 있다.

제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우, S727 단계에서 전하 변화량 보상계수(comp_rate)는 전술한 수학식 7 내지 수학식 12의 방법 등을 사용하여 산출될 수 있다. 이 때, 실시예에 따라, 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가될 수 있다. 이를 통해 만충용량의 변화를 효과적으로 반영하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.

제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 크지 않은 경우, S728 단계에서 전하 변화량 보상계수(comp_rate)는 '1'으로 설정될 수 있다. 즉, 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 크지 않은 경우 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 제1 전하 변화량(ΔQ)과 동일할 수 있다.

실시예에 따라, 전술한 배터리 충전상태 추정장치는 소프트웨어로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체(메모리 등)에 저장된 상태에서 CPU 등의 연산장치에 의해 그 기능을 수행할 수 있다. 이 경우, 배터리 충전상태 추정장치 내부의 각 요소는 배터리 충전상태 추정장치를 구현하는 소프트웨어 내부에서 별개의 모듈로 구현되어 서로 구분이 될 수 있지만, 경우에 따라 서로 구분이 없이 각 기능이 소프트웨어 내부에 혼재된 상태로 구현될 수도 있다. 실시예에 따라, 배터리 충전상태 추정장치는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 등과 같이 하드웨어로 구현될 수도 있다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

소정의 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 제1 쿨롱 카운터;
상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 보상기;
상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 제2 쿨롱 카운터; 및
상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정기를 포함하되,
상기 보상기는 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 경우, 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 산출된 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하고,
상기 보상기는 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는, 배터리 충전상태 추정장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출할 때 상기 배터리의 개방회로전압(OCV)과 전하량(Q) 사이의 관계에 대한 데이터를 포함하는 제1 룩업 테이블을 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제1 상수(C1)는 상기 배터리의 내부저항 값에 기초하여 미리 정해진 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)은 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 기초하여 산출되고, 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보를 포함하는 제2 룩업 테이블을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
청구항 8에 있어서,
상기 제2 룩업 테이블에 포함된 상기 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보는 노화되지 않은 상태의 배터리에 대해 상온에서 간헐적인 정전류 펄스를 인가하는 실험을 통해 확보된 데이터인 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 전류(Im)의 크기가 상기 제2 임계값보다 클 경우, 상기 보상기는 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출하고, 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)에 곱하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
청구항 10에 있어서,
상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 1로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
청구항 10에 있어서,
상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)도 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
청구항 12에 있어서,
상기 제1 과전위 비율(Vds_rate)은 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)을 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)으로 나눈 값에 비례하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
청구항 10에 있어서,
상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)도 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
청구항 14에 있어서,
상기 보상기는 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 적산하여 제2 예측 전하량(Qm)을 산출하는 제3 쿨롱 카운터를 더 포함하고,
상기 전하 변화율(Qm_rate)은 상기 제2 예측 전하량(Qm)의 변화율에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
배터리 충전상태 추정장치에 의해 수행되는 배터리 충전상태 추정방법으로서,
소정의 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 단계;
상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계;
상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 단계; 및
상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 단계;를 포함하되,
상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 작을 경우, 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 산출된 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하며,
상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정방법.
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청구항 16에 있어서,
상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 작을 경우, 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정방법.
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