KR102412606B1 - 배터리의 soh 추정 장치 및 방법 - Google Patents

배터리의 soh 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 SOH 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 오프셋 전류가 존재하는 상황에서 오프셋 전류의 크기를 추정하여 전류 값을 보정함으로써, 정밀한 SOH를 산출할 수 있도록 하는 SOH 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 SOH 추정 장치는, 배터리의 단자전압 및 충방전 전류를 측정하는 배터리 상태 측정부, 상기 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터를 추정하고, 추정에 따른 SOC 값을 산출하는 SOC 추정부, 상기 배터리 상태 측정부에서 측정된 배터리의 단자전압과 상기 SOC 추정부에서 추정된 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터로부터 오프셋 전류 추정 값을 산정하는 오프셋 전류 추정부, 및 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 전류 값에서 상기 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하는 전류적산법을 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량과, 상기 실제 전류 추정 값을 칼만 필터에 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량을 비교하여 실제 배터리 용량 추정 값을 산정하며, 배터리의 공칭 용량과 대비하여 배터리의 SOH 값을 산출하는 SOH 추정부를 포함한다.

Description

배터리의 SOH 추정 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING SOH OF BATTERY}
본 발명은 배터리의 SOH 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 오프셋 전류가 존재하는 상황에서 오프셋 전류의 크기를 추정하여 전류 값을 보정함으로써, 정밀한 SOH를 산출할 수 있도록 하는 SOH 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
배터리 팩은 복수의 배터리 셀로 구성되며, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)은 배터리 셀의 성능과 안전에 대해 감시한다.
BMS는 배터리 셀의 전압과 온도를 모니터링 하며, 이에 기반하여 배터리 셀 관리, 충전상태 예측(State Of Charge, SOC), 수명 산정(State Of Health, SOH), 과열, 과충전, 과방전 보호를 위한 고장 진단, 차단 스위치 제어 등을 실행한다.
BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도를 감지하여 충전 상태를 예측하며, 이에 따라 배터리 잔량을 확인할 수 있도록 한다. SOC는 배터리의 충전 상태를 용량에 대한 백분율로 나타내는 것으로, SOC는 미리 설정한 가용 영역에 따라 상한과 하한의 기준을 정하며, 가용 영역을 이탈하는 경우, BMS는 배터리의 충전 및 방전을 차단한다.
SOH는 배터리의 초기 용량(공칭 용량)과 대비한 사용 시점 용량의 비율로서, 충/방전 주기의 횟수와 방법 및 사용환경 등에 따라 값이 변하게 된다.
배터리의 안정적인 운용을 위해 BMS는 배터리의 노화와 관계된 SOH 값을 추정하여 관리하는데, 배터리의 동작 중에 측정되는 전류에 오프셋이 포함되어 있으면 정확한 SOH의 산정도 어려운 것이 일반적인 상황이다.
따라서, 배터리 동작 중 측정되는 전류에 오프셋이 존재하는 상황에서 정밀하게 SOH 값을 추정할 수 있는 방안에 대한 연구 개발의 필요성이 있다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 오프셋 전류를 상쇄하여 실제 전류 값을 추정함으로써, 배터리의 SOH 값을 정밀하게 추정할 수 있는 배터리의 SOH 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SOH 추정 장치는, 배터리의 단자전압 및 충방전 전류를 측정하는 배터리 상태 측정부, 상기 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터를 추정하고, 추정에 따른 SOC 값을 산출하는 SOC 추정부, 상기 배터리 상태 측정부에서 측정된 배터리의 단자전압과 상기 SOC 추정부에서 추정된 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터로부터 오프셋 전류 추정 값을 산정하는 오프셋 전류 추정부, 및 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 전류 값에서 상기 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하는 전류적산법을 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량과, 상기 실제 전류 추정 값을 칼만 필터에 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량을 비교하여 실제 배터리 용량 추정 값을 산정하며, 배터리의 공칭 용량과 대비하여 배터리의 SOH 값을 산출하는 SOH 추정부를 포함하며, 상기 전류적산법에 의해 산출되는 배터리의 총 충방전량은, 배터리 충방전의 소정 시간 간격에서 각 계산시점의 SOC에 해당하는 순시충전용량 값과, 상기 소정 시간 간격에서 순시충전용량의 초기 값과의 차이인 순충전용량을 구하고, 상기 순충전용량의 절대값을 적분하여 산출될 수 있다.
삭제
일 실시예에서, 상기 배터리 충방전의 소정 시간 간격은, 충방전 한 주기, 충방전 한 주기의 일부 또는 충방전의 복수 주기가 될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 SOH 추정부는 하기 수학식에 따라 실제 배터리 용량 추정 값을 산정할 수 있으며,
Figure 112022015335443-pat00001
여기서,
Figure 112022015335443-pat00002
은 이전 차수의 배터리 용량 추정 값이며, n은 1 이상의 자연수이고,
Figure 112022015335443-pat00003
은 전류적산법(Coulomb Counting Method)에 의해 산출된 배터리의 총 충방전량이고,
Figure 112022015335443-pat00004
은 칼만 필터에
Figure 112022015335443-pat00005
을 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량이다.
Figure 112022015335443-pat00006
의 최초 값은 공칭 용량으로 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오프셋 전류 추정부는 상기 오프셋 전류 추정 값을 주기적으로 업데이트 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 추정 방법은, (a) 배터리의 단자전압 및 충방전 전류를 배터리 상태 측정부에서 측정하는 단계, (b) 상기 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터를 추정하고, 추정에 따른 SOC 값을 SOC 추정부에서 산출하는 단계, (c) 상기 배터리 상태 측정부에서 측정된 배터리의 단자전압과 상기 SOC 추정부에서 추정된 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터로부터 오프셋 전류 추정 값을 오프셋 전류 추정부에서 산정하는 단계, 및 (d) 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 전류 값에서 상기 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하는 전류적산법을 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량과, 상기 실제 전류 추정 값을 칼만 필터에 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량을 비교하여 실제 배터리 용량 추정 값을 산정하며, 배터리의 공칭 용량과 대비하여 배터리의 SOH 값을 SOH 추정부에서 산출하는 단계를 포함하며, 상기 (d) 단계에서 상기 전류적산법에 의해 산출되는 배터리의 총 충방전량은, 배터리 충방전의 소정 시간 간격에서 각 계산시점의 SOC에 해당하는 순시충전용량 값과, 상기 소정 시간 간격에서 순시충전용량의 초기 값과의 차이인 순충전용량을 구하고, 상기 순충전용량의 절대값을 적분하여 산출될 수 있다.
삭제
일 실시예에서, 상기 배터리 충방전의 소정 시간 간격은, 충방전 한 주기, 충방전 한 주기의 일부 또는 충방전의 복수 주기가 될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (d) 단계는, 상기 전류적산법에 따라 산출되는 순충전용량의 초기 값이, 충방전 한 주기의 개시 시점에서의 칼만 필터의 순충전용량 값과 일치하도록 매 주기 리셋하여 충방전된 배터리의 총 충방전량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (c) 단계는, 상기 오프셋 전류 추정부가 상기 오프셋 전류 추정 값을 주기적으로 업데이트 시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리의 SOH 추정 장치 및 방법은, 오프셋 전류를 추정하고, 실제 전류 값 추정에 오프셋 전류를 보정하여 전류적산을 실행함으로써, 배터리의 SOH 값을 정밀하게 추정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리의 SOH 추정 장치 및 방법은, 실제 배터리의 용량을 특정 시점에서 산출하지 않고, 소정 시간 간격에 대한 적분값을 이용하여 산출함으로써, 특정 시점에 존재할 수 있는 외란의 영향을 최대한 배제하고, 안정된 결과값을 추정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 추정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 추정 방법의 순서도이다.
도 3은 칼만 필터에 적용된 배터리 모델로서 1차 등가회로를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 SOH 추정 방법을 NMC형 리튬전지에 적용하여 전류 오프셋 값을 추정한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 실제 배터리 용량 추정 방법을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따라 배터리 용량을 추정하는 시뮬레이션의 결과 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 일 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 추정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, SOH 추정 장치(100)는 배터리 상태 측정부(110), SOC 추정부(120), 오프셋 전류 추정부(130), SOH 추정부(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
배터리 상태 측정부(110)는 배터리의 단자전압 및 충방전 전류를 측정한다. 일 실시예에서, 배터리 상태 측정부(110)는 종래의 배터리팩에 구비된 전압 및 전류 측정부로 대체될 수 있다.
SOC 추정부(120)는 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터를 1차 추정하고, 이에 따라 SOC 값을 산출한다. 일 실시예에서, SOC 추정부는 칼만 필터 또는 듀얼 확장 칼만 필터(Dual Extended Kalman Filter)를 이용하여 구성될 수 있으며, 칼만 필터에 배터리 모델의 등가회로를 적용하여 주어진 입력전류에 대한 배터리 단자전압, 배터리 파라미터 및 SOC 값 중 하나 이상을 추정할 수 있다.
오프셋 전류 추정부(130)는, 배터리 상태 측정부(110)에서 측정된 배터리의 단자전압과 SOC 추정부(120)에서 추정된 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터에 기반하여 오프셋 전류 추정 값을 산정한다. SOC 추정부(120)는 오프셋 전류 추정부(130)에서 피드백 되어 입력되는 오프셋 전류 추정 값을 반영하여 입력전류를 보정함으로써, 정확한 SOC 값을 재산출할 수 있다.
오프셋 전류 추정부(130)에서 SOC 추정부(120)로 오프셋 전류 추정 값의 피드백은 복수 반복될 수 있으며, 소정 시간 간격에서 미리 설정된 횟수만큼 반복될 수 있다. 또는, 오프셋 전류 추정부(130)에서 현재 산정한 오프셋 전류 추정 값과, 오프셋 전류 추정부(130)에서 바로 이전 차수에 산정한 오프셋 전류 추정 값이 미리 설정한 오차 범위 내로 될 때까지 SOC 추정부(120)로 오프셋 전류 추정 값의 피드백이 반복될 수도 있다.
일 실시예에서, SOC 추정부(120)는 배터리 상태 측정부(110)에서 측정한 전류 값에서 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 칼만 필터에 입력함으로써 배터리의 SOC 값을 산출할 수 있다. 또한 실제 전류 추정값을 시간에 대해 적분하여 유사한 SOC 값을 얻을 수도 있다.
SOH 추정부(140)는 배터리 상태 측정부(110)에서 측정한 전류 값에서 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 기반으로 전류적산법에 의해 산정되는 총 충방전량(Total charged and discharged capacity)과 배터리 용량(Capacity) 값이 사전에 설정되어 있는 칼만필터에 의해 산정되는 총 충방전량을 비교하여 현재의 배터리 용량(Capacity) 값을 산정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 배터리의 총 충방전량은, 배터리 충방전의 소정 시간 간격에서 각 계산시점의 SOC에 해당하는 순시충전용량(Instantaneous charged capacity) 값과 순시충전용량 초기값의 차이인 순충전용량(Net charged capacity)의 절대값을 적분하여 산출될 수 있다.
제어부(150)는 배터리 상태 측정부(110), SOC 추정부(120), 오프셋 전류 추정부(130) 및 SOH 추정부(140)의 각 동작을 제어하며, 오프셋 전류 추정부(130)에서 산정된 오프셋 전류 추정 값을 SOC 추정부(120)에 피드백 입력하여, SOC 추정부(120)가 배터리의 상태변수, 배터리 모델의 파라미터 및 SOC 값을 다시 산출하도록 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOH 추정 방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 배터리의 SOH 추정 방법은, 배터리의 단자전압 및 충방전 전류를 배터리 상태 측정부(110)에서 측정하는 단계(S110), 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터를 추정하고, 추정에 따른 SOC 값을 SOC 추정부(120)에서 산출하는 단계(S120), 배터리 상태 측정부(110)에서 측정된 배터리의 단자전압과 SOC 추정부(120)에서 추정된 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터를 기반으로 오프셋 전류 추정 값을 오프셋 전류 추정부(130)에서 산정하는 단계(S130), 및 배터리 상태 측정부(110)에서 측정한 전류 값에서 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 기반으로 전류적산법에 의해 산정되는 총 충방전량과 칼만필터에 의해 산정되는 총 충방전량을 비교하여 현재의 배터리 용량 추정 값을 산정하며, 배터리의 공칭 용량 또는 사전에 칼만필터에 설정되거나 업데이트된 용량값과 대비하여 배터리의 현재 용량(Present capacity) 값과 SOH 값을 SOH 추정부(140)에서 산출하는 단계(S140)를 포함한다.
확장 칼만 필터(EKF)는 이산 시간 비선형 동적 시스템의 상태 또는 매개 변수의 대략적인 최대 가능성 추정치를 생성하는 효율적인 방법을 제공한다. 배터리의 파라미터는 온도, 배터리 수명 또는 전류 크기에 따라서 가변 될 수 있으므로, 배터리의 SOC/SOH를 산정할 때 배터리 파라미터를 산정해야 한다. 듀얼 확장 칼만 필터는 배터리 전압, SOC 등 상태변수와 더불어 배터리의 파라미터를 동시에 산정할 수 있는 매우 유용한 도구가 된다.
도 3은 칼만 필터에 적용된 배터리 모델로서 1차 등가회로를 도시한다.
도 3을 참고하면, 전압원, 저항 및 커패시터를 사용하여 1차 등가회로가 구성된다. 다른 실시예에서, 배터리 모델은 2차 등가회로로 구성될 수 있다.
하기 수학식 1, 2는 SOC 추정을 위해 듀얼 확장 칼만 필터에 적용된 배터리 모델의 상태방정식을 나타낸다. 칼만 필터는 주어진 입력전류에 대한 배터리 단자전압과 SOC 값을 산정하며, 동시에 배터리 파라미터를 추정한다.
Figure 112022015335443-pat00007
여기서,
Figure 112022015335443-pat00008
는 배터리의 SOC 추정값, uk는 배터리 충방전 전류,
Figure 112022015335443-pat00009
는 배터리 모델의 내부 커패시터의 전압강하 추정값을 의미한다. 또한,
Figure 112022015335443-pat00010
는 칼만 필터에 의해 오차가 보정된 이전 차수의 배터리 SOC 추정값,
Figure 112022015335443-pat00011
는 칼만 필터에 의해 오차가 보정된 이전 차수의 배터리 모델의 내부 커패시터의 전압강하 추정값을 나타낸다. 또 Q0는 배터리의 용량(Capacity)을 나타내며, α1과 β1는 각각
Figure 112022015335443-pat00012
이고,
Figure 112022015335443-pat00013
이다.
또 배터리 단자전압의 추정값
Figure 112022015335443-pat00014
는 수학식 2와 같이 나타난다.
Figure 112022015335443-pat00015
여기서,
Figure 112022015335443-pat00016
는 배터리의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)으로
Figure 112022015335443-pat00017
이다.
배터리의 개방회로전압은 SOC와 특정한 관계에 있으며 SOC의 함수로 표현되므로, 수학식 1에서 SOC 대신 개방회로전압을 직접 상태변수로 적용할 수도 있다.
칼만 필터는 출력변수의 실제 값과 추정 값의 차이에 칼만 게인(Gain)을 곱한 값을 상태변수의 추정 값에 더하여 오차를 보상한다. 본 발명의 일 예로써, 수학식 3과 같이, 배터리 단자전압의 실제 값과 추정 값의 차이에 칼만 게인(gain)을 곱한 값을 상태변수의 추정 값에 더하여 오차를 보상할 수 있다.
Figure 112022015335443-pat00018
여기서,
Figure 112022015335443-pat00019
,
Figure 112022015335443-pat00020
이고,
Figure 112022015335443-pat00021
는 측정된 배터리 단자전압,
Figure 112022015335443-pat00022
는 배터리 단자전압 추정값,
Figure 112022015335443-pat00023
는 칼만게인이다.
오프셋 전류가 없는 경우, 칼만 게인이 점차 줄어들면서 SOC의 추정 값이 실제 값에 접근하게 된다. 그러나, 오프셋 전류가 존재하는 경우에는, 칼만 게인이 영(Zero)까지 줄어들면, 상태변수 추정 값의 오차가 보상되지 않으므로, 오프셋 전류에 의한 오차가 보상될 수 없다.
따라서 칼만 게인이 영(Zero)까지 줄어든 이후에도 오프셋 전류를 지속적으로 보상할 수 있는 추가 조치가 필요하며, 본 발명의 일 실시예로써, 배터리 단자전압 추정 값과 측정 값의 차이에 일정 게인을 곱한 만큼 더함으로써 배터리의 상태변수를 지속적으로 보상해 주는 방법을 적용할 수 있다. 이는 결과적으로, 칼만 게인을 영까지 줄이지 않고, 일정한 허용수준에서 유지시키는 것과 같은 방법이 된다.
이렇게 오프셋 전류의 영향을 지속적으로 보상하는 경우, 오프셋 전류가 존재하더라도 배터리 단자전압이 발산하지 않을 수 있다. 이것은 단자전압 추정값의 오차를 이용해 오프셋 전류가 적분되는 기울기 만큼 상쇄하는 방향으로 상태변수를 보정하기 때문이다. 다만, 배터리 단자전압과 SOC의 추정 값에는 소정 크기의 오프셋이 발생하며, 배터리 충방전 시 전류 패턴에 따라 추정 값의 등락이 반복될 수 있다.
배터리 단자전압 추정 값의 오프셋은, 평균적으로, 배터리의 내부 임피던스와 같은 형태의 회로에 일정한 크기의 전류가 인가될 때의 스텝(Step) 응답과 같은 형태에 수렴한다.
중첩의 원리에 따라 배터리 단자전압 추정 값
Figure 112022015335443-pat00024
을 구성하는 두 요소, 즉, 실제 전류에 의한 배터리 단자전압 추정 값
Figure 112022015335443-pat00025
과 오프셋 전류에 의해 발생하는 배터리 단자전압 추정 값
Figure 112022015335443-pat00026
은 구분하여 취급할 수 있다.
즉, 배터리 단자전압 추정 값
Figure 112022015335443-pat00027
은 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112022015335443-pat00028
실제 전류에 의한 배터리 단자전압 추정 값
Figure 112022015335443-pat00029
이 실제 배터리 단자전압 에
Figure 112022015335443-pat00030
에 가깝다면 배터리 단자전압 추정오차
Figure 112022015335443-pat00031
는 오프셋 전류에 의한 단자전압 추정 값
Figure 112022015335443-pat00032
으로 결정되며, 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112022015335443-pat00033
배터리 단자전압 추정 값이 실제 배터리 단자전압에 근접하면, 실제의 개방 회로 전압과 추정 개방 회로 전압은 동일한 값으로 상쇄될 수 있다. 이는 배터리 단자전압의 추정오차
Figure 112022015335443-pat00034
가 배터리의 DC-IR(Internal Resistance), 즉,
Figure 112022015335443-pat00035
에 걸리는 전압강하 만큼이 된다는 뜻이며, 따라서, 오프셋 전류는 배터리 단자전압의 추정오차
Figure 112022015335443-pat00036
를 배터리의 DC-IR로 나눈 것과 유사한 값이 됨을 추론할 수 있다.
최근 배터리에 적용되는 전류패턴은 충방전이 수시로 교번 되는 형태가 아니라 지속적 충전 후 지속적 방전이 반복되는 형태이므로, AC-IR보다 DC-IR을 적용하는 것이 더 적절하다.
결론적으로, 오프셋 전류는 하기 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112022015335443-pat00037
여기서,
Figure 112022015335443-pat00038
와
Figure 112022015335443-pat00039
는 칼만 필터에 의해 실제 값에 근접하도록 산정될 수 있으며,
Figure 112022015335443-pat00040
는 칼만 필터에서 산정한 배터리 단자전압 추정 값과 배터리 상태 측정부(110)에서 측정한 단자전압 측정 값의 차이로 산정될 수 있다.
상기 수학식 6에 따라 도출된 오프셋 전류 추정 값을 전류 측정 값에서 빼면 이 값은 실제 전류에 근접하게 되며, 실제 전류 추정 값은 하기 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112022015335443-pat00041
실제 전류 추정 값
Figure 112022015335443-pat00042
은 오프셋 전류 추정 값이 상쇄된 값이므로, 이를 시간에 대해 적분한 형태의 배터리 단자전압 추정 값
Figure 112022015335443-pat00043
도 발산하지 않을 수 있다. 다만, 오프셋 전류 추정 값
Figure 112022015335443-pat00044
에도 오차가 있을 수 있으므로, 많은 시간이 경과하면 배터리 단자전압 추정 값
Figure 112022015335443-pat00045
도 발산할 수 있다.
이를 감안해, 오프셋 전류 추정부(130)가 오프셋 전류 추정 값
Figure 112022015335443-pat00046
을 주기적으로 업데이트(Update) 하여 배터리 단자전압 추정 값
Figure 112022015335443-pat00047
가 발산하는 것을 방지할 수 있다.
SOC 추정부(120)는 실제 전류 추정 값
Figure 112022015335443-pat00048
을 칼만 필터에 입력함으로써 배터리의 SOC를 산출할 수 있다. 또한
Figure 112022015335443-pat00049
을 시간에 대해 적분해도 유사한 SOC 값을 얻을 수 있다.
본 발명은 배터리 등가 모델과 칼만 필터를 이용하여 실제 전류 추정 값
Figure 112022015335443-pat00050
을 산정함으로써, 배터리의 SOC를 정밀하게 산출할 수 있다.
도 4 및 5는 본 발명에 따른 SOH 추정 방법을 NMC형 리튬전지에 적용한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다.
도 4는 오프셋 전류 추정 값을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다. 시뮬레이션은 1C의 전류로 SOC 0~100% 구간을 연속적으로 충방전 하는 상황에 대한 것으로 알고리즘 산정주기는 1초(sec)이다. 단, 초기의 과도상태에서는 칼만 필터 자체의 오차가 크게 나타날 수 있으므로 전류 오프셋을 산정하는 주기는 50,000초로 설정하였다.
도 4의 전압 및 전류 그래프에서 청색은 측정값, 적색은 추정값이다. 또한 전류 오프셋 그래프에서 청색은 설정값, 적색은 알고리즘에 의한 추정값이다.
도 4를 참조하면, 약 100,000초 이후에 오프셋 전류 추정 값은 미리 설정된 실제 오프셋 전류에 근접하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 배터리의 SOH 추정은 실제 배터리의 용량을 산정하여 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 예로써, 최초 공칭 값으로 설정된 배터리 용량을 기준으로 칼만 필터에 의해 산정된 순충전용량(net charged capacity)을 전류적산법으로 산정된 순충전용량을 비교하여 현재의 용량 추정 값
Figure 112022015335443-pat00051
을 산정할 수 있다.
실제 전류 추정 값
Figure 112022015335443-pat00052
은 오프셋 전류가 대부분 상쇄된 값이므로, 충방전의 한 주기 내에서 실제 전류 추정 값
Figure 112022015335443-pat00053
을 적분한 순충전용량
Figure 112022015335443-pat00054
은 실제 배터리의 순충전용량
Figure 112022015335443-pat00055
에 근접할 수 있다. 여기서 순 충전용량(Net charged capacity)은 충방전의 한 주기 내에서 각 계산시점의 SOC에 해당하는 순시충전용량 (Instantaneous charged capacity) 값과 주기 내 최초 순시충전용량 값의 차이를 의미한다. 마찬가지로, 순충전용량의 절대값을 적분한 총 충방전량 값
Figure 112022015335443-pat00056
도 배터리의 실제 총 충방전량 값에 근접할 수 있다.
그러나, 오프셋 전류가 여전히 미세하게 존재할 수 있으므로, 전류적산을 장시간 지속하면 오프셋 전류의 오차분도 계속 적분되어, 결국 총 충방전량 값도 발산할 수 있다. 단, 주기적으로 실제 전류 추정 값을 리셋함으로써, 총 충방전량 값의 발산이 방지될 수 있다. 오프셋 전류 추정부(130)는 오프셋 전류 추정 값을 주기적으로 업데이트 시켜서, 실제 전류 추정 값을 보정할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 충전용량과 총충방전량 값의 산정을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 5를 참조하면, 현재 용량은 기본적으로 전류적산법에 의해 산정된다. 측정된 전류값에서 오프셋 전류가 상쇄되었으므로 전류적산법에 의한 용량은 실제 용량에 매우 근접하게 된다. 다만, 적산된 용량이 어느 범위의 SOC에 해당하는지 알아야 배터리의 현재 용량을 산정할 수 있으므로 칼만필터에서 산정된 SOC와 대비하는 것이다.
본 발명의 일 예로서, 칼만필터로 산정된 SOC 값에 사전 설정된 배터리 용량값을 곱해 순시충전용량을 구한다. 이 용량값은 최초 공칭용량으로 설정되며, 이전 주기에서 새롭게 업데이트된 값이다. 산정된 순시충전용량을 바탕으로 소정 주기 내 총 충방전량을 구한다. 소정 주기가 시작되는 지점의 순시충전용량을 기준으로 SOC가 산정되는 각 지점의 순시충전용량과의 차이인 순충전용량을 구해 그 절대값을 적분한 것이 소정 주기 내 총 충방전량이다.
마찬가지로 전류적산법에 의해 총 충방전량을 구할 수 있다. 우선 칼만필터와의 대비를 위해 소정 주기에서 최초의 순시충전용량은 칼만필터에서 산정된 순시충전용량과 같은 값으로 설정한다. 여기에 전류를 적산하면 SOC가 산정되는 각 지점의 순시충전용량을 구할 수 있다. 또한 각 지점에서의 순시충전용량과 소정 주기에서 순시충전용량의 초기값과의 차이인 순충전용량을 구해 그 절대값을 적분하면 총 충방전량이 된다.
칼만 필터와 전류적산법을 각각 이용해 총 충방전량이 산정되면, 실제 배터리 용량 추정 값
Figure 112022015335443-pat00057
은 하기 수학식을 통해 산정할 수 있다.
Figure 112022015335443-pat00058
여기서,
Figure 112022015335443-pat00059
은 이전 차수의 배터리 용량 추정 값이며, n은 1 이상의 자연수이고,
Figure 112022015335443-pat00060
은 전류적산법(Coulomb Counting Method)에 의해 산출된 배터리의 총 충방전량이고,
Figure 112022015335443-pat00061
은 칼만 필터에
Figure 112022015335443-pat00062
을 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량이다.
Figure 112022015335443-pat00063
의 최초 값은 공칭 용량으로 설정할 수 있다.
수학식 8에서 실제 배터리 용량 추정 값
Figure 112022015335443-pat00064
은 특정 시점에서 산출되지 않고, 소정 시간 간격에 대한 적분값을 이용해 산출된다. 이는 특정 시점에 존재할 수 있는 외란의 영향을 최대한 배제하고, 안정된 결과값을 산정하기 위함이다. 소정 시간 간격은 충방전 한 주기가 될 수 있으며, 이에 제한되지 않고, 충방전 한 주기의 일부 또는 충방전의 복수 주기가 될 수 있다.
또한 SOC가 산정되는 각 지점에서의 순 충전용량을 비교해 배터리 용량 값을 산정하고 이를 소정의 주기에 대해 평균하여 실제 배터리 용량을 산정할 수도 있다. 이러한 평균값을 구할 때에도 시간 간격은 충방전 한주기에 제한되지 않으며 충방전 한 주기의 일부 또는 충방전의 복수 주기가 될 수 있다.
수학식 8을 이용하여 실제 배터리 용량 추정 값
Figure 112022015335443-pat00065
을 산정하면, 하기 수학식 9에 따라 SOH 값을 산출할 수 있다.
Figure 112022015335443-pat00066
여기서,
Figure 112022015335443-pat00067
는 배터리의 공칭 용량(nominal capacity)이다.
도 6은 본 발명에 따라 배터리 용량을 추정하는 시뮬레이션의 결과 그래프이다. 본 시뮬레이션은 실제 용량을 추정하는 것이므로, 최초 용량 값을 실제보다 큰 값으로 설정하고 진행하였다. 시뮬레이션은 1C의 전류로 SOC 0~100% 구간을 연속적으로 충방전 하는 상황에 대한 것으로 알고리즘 산정주기는 1초이다. 단, 초기의 과도상태에서는 칼만필터 자체의 오차가 크게 나타날 수 있으므로 전류 오프셋과 현재 용량을 산정하는 주기는 50,000초로 설정하였다.
도 6을 참조하면, 초기에는 용량 값이 실제보다 크기 때문에 SOC 오차도 상대적으로 크게 산정되지만, 대략 200,000초 이후 용량 추정 값이 실제 배터리 용량에 근접하고 그에 따라 SOC 오차도 매우 작아지는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 어셈블리로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로 컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서 (parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
100: SOH 추정 장치 110: 배터리 상태 측정부
120: SOC 추정부 130: 오프셋 전류 추정부
140: SOH 추정부 150: 제어부

Claims (10)

  1. 배터리의 단자전압 및 충방전 전류를 측정하는 배터리 상태 측정부;
    상기 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터를 추정하고, 추정에 따른 SOC 값을 산출하는 SOC 추정부;
    상기 배터리 상태 측정부에서 측정된 배터리의 단자전압과 상기 SOC 추정부에서 추정된 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터로부터 오프셋 전류 추정 값을 산정하는 오프셋 전류 추정부; 및
    상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 전류 값에서 상기 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하는 전류적산법을 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량과, 상기 실제 전류 추정 값을 칼만 필터에 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량을 비교하여 실제 배터리 용량 추정 값을 산정하며, 배터리의 공칭 용량과 대비하여 배터리의 SOH 값을 산출하는 SOH 추정부;를 포함하며,
    상기 전류적산법에 의해 산출되는 배터리의 총 충방전량은,
    배터리 충방전의 소정 시간 간격에서 각 계산시점의 SOC에 해당하는 순시충전용량 값과, 상기 소정 시간 간격에서 순시충전용량의 초기 값과의 차이인 순충전용량을 구하고, 상기 순충전용량의 절대값을 적분하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 추정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 충방전의 소정 시간 간격은,
    충방전 한 주기, 충방전 한 주기의 일부 또는 충방전의 복수 주기인 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 추정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 SOH 추정부는 하기 수학식에 따라 실제 배터리 용량 추정 값을 산정하며,
    Figure 112022015335443-pat00068

    여기서,
    Figure 112022015335443-pat00069
    은 이전 차수의 배터리 용량 추정 값이며, n은 1 이상의 자연수이고,
    Figure 112022015335443-pat00070
    은 전류적산법에 의해 산출된 배터리의 총 충방전량이고,
    Figure 112022015335443-pat00071
    은 칼만 필터에
    Figure 112022015335443-pat00072
    을 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량인 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오프셋 전류 추정부가 상기 오프셋 전류 추정 값을 주기적으로 업데이트 시키는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 추정 장치.
  6. (a) 배터리의 단자전압 및 충방전 전류를 배터리 상태 측정부에서 측정하는 단계;
    (b) 상기 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터를 추정하고, 추정에 따른 SOC 값을 SOC 추정부에서 산출하는 단계;
    (c) 상기 배터리 상태 측정부에서 측정된 배터리의 단자전압과 상기 SOC 추정부에서 추정된 배터리의 상태변수와 배터리 모델의 파라미터로부터 오프셋 전류 추정 값을 오프셋 전류 추정부에서 산정하는 단계; 및
    (d) 상기 배터리 상태 측정부에서 측정한 전류 값에서 상기 오프셋 전류 추정 값을 상쇄시킨 실제 전류 추정 값을 시간에 대해 적분하는 전류적산법을 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량과, 상기 실제 전류 추정 값을 칼만 필터에 적용하여 산출된 배터리의 총 충방전량을 비교하여 실제 배터리 용량 추정 값을 산정하며, 배터리의 공칭 용량과 대비하여 배터리의 SOH 값을 SOH 추정부에서 산출하는 단계;를 포함하며,
    상기 (d) 단계에서 상기 전류적산법에 의해 산출되는 배터리의 총 충방전량은,
    배터리 충방전의 소정 시간 간격에서 각 계산시점의 SOC에 해당하는 순시충전용량 값과, 상기 소정 시간 간격에서 순시충전용량의 초기 값과의 차이인 순충전용량을 구하고, 상기 순충전용량의 절대값을 적분하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 추정 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 충방전의 소정 시간 간격은,
    충방전 한 주기, 충방전 한 주기의 일부 또는 충방전의 복수 주기인 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 추정 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 전류적산법에 따라 산출되는 순충전용량의 초기 값이, 충방전 한 주기의 개시 시점에서의 칼만 필터의 순충전용량 값과 일치하도록 매 주기 리셋하여 충방전된 배터리의 총 충방전량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 추정 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 오프셋 전류 추정부가 상기 오프셋 전류 추정 값을 주기적으로 업데이트 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOH 추정 방법.
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