KR102538238B1 - 정상 상태에서의 배터리 전압에 따른 충전 상태 추정 장치 및 방법 - Google Patents

정상 상태에서의 배터리 전압에 따른 충전 상태 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

배터리의 전압과 전류를 측정하고, 하나 이상의 시점에서 측정된 배터리의 전압에 기초하여 배터리가 정상 상태를 나타내는 시점에서의 배터리의 전압을 판단하며, 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전류에 매칭되는 기준 정보를 추출하고, 기준 정보로부터, 측정된 전압에 가장 인접한 전압에 따른 충전 상태를 추출하는, 충전 상태 추정 장치를 제공한다.

Description

정상 상태에서의 배터리 전압에 따른 충전 상태 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING STATE OF CHARGE ACCORDING TO BATTERY VOLTAGE IN STEADY STATE}
본 발명은 정상 상태에서의 배터리 전압에 따른 충전 상태 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배터리의 충전 상태를 추정하는 충전 상태 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리(LIB)는 가전 제품에서 일반적으로 사용하는 충전식 배터리의 한 예이다. LIB의 양극(캐소드)은 전형적으로 리튬 층간 삽입 화합물을 포함하고 음전극(애드)은 흑연으로 제조되어, 리튬 이온이 충전시에는 양전극으로부터 음전극으로 흐르고 방전시에는 역방향으로 흐른다. LIB는 다른 유형의 충전식 배터리에 비하여 매우 높은 에너지 밀도, 예를 들면 일부 니켈-금속 수소화물 전지보다 2배 이상의 에너지 밀도를 갖는 점이 특징이다. LIB는 또한 고전력 밀도, 광범위의 온도에 걸친 양호한 성능 및 낮은 자기 방전율에 가치가 있다. 더욱이, LIB는 다양한 셀 설계 및 구성(예를 들면, 프리즘, 원통, 평판, 코인 또는 우치(pouch) 설계)에서 사용하는 것뿐만 아니라 액체 유기 전해질 및 중합체 전해질과 함께 사용하는 것에 대한 적응성이 높다.
한편, 이와 같은 배터리의 충전 상태(SoC: State of Charge)를 추정하기 위해서는 일반적으로 임의의 충전 상태에 대응되는 배터리의 개방 전압(OCV: Open Circuit Voltage)을 측정하며, 측정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정하게 된다. 그러나, 이와 같은 기법은 배터리의 충분한 휴지 기간이 요구되며, 배터리가 충분히 휴지되지 않는 경우에는 배터리에 과전압(Over Potential)이 존재하므로 정확한 충전 상태의 추정이 어려운 실정이다.
더욱이, 실제 이용되는 배터리는 배터리의 개방 전압을 측정하기 위한 충분한 휴지 기간을 가지기 어려우며, 이에 따라, 배터리가 충전 동작이나 방전 동작을 수행하는 중에 배터리의 충전 상태를 추정할 수 있는 방안이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리의 정상 상태를 판단하여 정상 상태에서 측정되는 배터리의 전압에 따라 충전 상태를 추정하는 충전 상태 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면은, 배터리의 전압과 전류를 측정하는 배터리 측정부; 상기 배터리의 서로 다른 충전 상태에서의 상기 배터리의 전압을 나타내도록 마련되는 기준 정보가 저장되는 저장부; 하나 이상의 시점에서 측정된 배터리의 전압에 기초하여 상기 배터리가 정상 상태를 나타내는 시점에서의 상기 배터리의 전압을 판단하는 정상 상태 판단부; 상기 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전류에 매칭되는 기준 정보를 추출하고, 상기 기준 정보로부터 상기 시점에서 측정된 전압에 가장 인접한 전압에 따른 충전 상태를 추출하는 충전 상태 판단부; 및 상기 배터리의 충전 상태를 출력하는 출력부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리에 대해 사전에 설정되는 최대 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최대 기준 정보를 생성하고, 상기 배터리에 대해 사전에 설정되는 최소 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최소 기준 정보를 생성하며, 상기 최대 기준 정보와 상기 최소 기준 정보를 이용하여 임의의 전류에서의 임의의 충전 상태에 대한 상기 배터리의 전압을 나타내도록 복수개의 기준 정보를 생성하는 기준 정보 생성부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 정상 상태 판단부는, 상기 배터리에 흐르는 전류가 변동되는 시점으로부터 사전에 설정되는 임계 시간 간격이 경과된 이후의 시점을 상기 정상 상태로 설정할 수 있다.
또한, 상기 정상 상태 판단부는, 상기 배터리 내부의 리튬 이온 농도가 사전에 설정되는 농도 범위를 만족하는 시점을 상기 정상 상태로 설정할 수 있다.
또한, 상기 정상 상태 판단부는, 상기 배터리의 전압이 측정되는 임의의 측정 시점과, 상기 측정 시점으로부터 사전에 설정되는 시간 간격 이후에 측정되는 상기 배터리의 전압 차이에 따른 측정 기울기와, 상기 기준 정보에 기초하여 설정되는 기준 기울기의 차이가 사전에 설정되는 기울기 범위를 만족하는 경우, 상기 측정 시점을 상기 정상 상태로 설정할 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은, 정상 상태에서의 배터리 전압에 따른 충전 상태 추정 장치에서의 충전 상태 추정 방법에 있어서, 배터리 측정부가 배터리의 전압과 전류를 측정하는 단계; 정상 상태 판단부가 하나 이상의 시점에서 측정된 배터리의 전압에 기초하여 상기 배터리가 정상 상태를 나타내는 시점에서의 상기 배터리의 전압을 판단하는 단계; 저장부에 상기 배터리의 서로 다른 충전 상태에서의 상기 배터리의 전압을 나타내도록 마련되는 기준 정보가 저장되어, 충전 상태 판단부가 상기 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전류에 매칭되는 기준 정보를 추출하는 단계; 충전 상태 판단부가 상기 기준 정보로부터 상기 시점에서 측정된 전압에 가장 인접한 전압에 따른 충전 상태를 추출하는 단계; 및 출력부가 상기 배터리의 충전 상태를 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 기준 정보 생성부가 상기 배터리에 대해 사전에 설정되는 최대 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최대 기준 정보를 생성하고, 상기 배터리에 대해 사전에 설정되는 최소 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최소 기준 정보를 생성하며, 상기 최대 기준 정보와 상기 최소 기준 정보를 이용하여 임의의 전류에서의 임의의 충전 상태에 대한 상기 배터리의 전압을 나타내도록 복수개의 기준 정보를 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리의 전압을 판단하는 단계는, 상기 배터리의 전압이 측정되는 임의의 측정 시점과, 상기 측정 시점으로부터 사전에 설정되는 시간 간격 이후에 측정되는 상기 배터리의 전압 차이에 따른 측정 기울기와, 상기 기준 정보에 기초하여 설정되는 기준 기울기의 차이가 사전에 설정되는 기울기 범위를 만족하는 경우, 상기 측정 시점을 상기 정상 상태로 설정할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 정상 상태에서의 배터리 전압에 따른 충전 상태 추정 장치 및 방법을 제공함으로써, 배터리의 정상 상태를 판단하여 정상 상태에서 측정되는 배터리의 전압에 따라 충전 상태를 추정할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태 추정 장치의 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태 추정 장치의 제어블록도이다.
도3은 도2의 기준 정보 생성부에서 기준 정보를 생성하는 과정을 나타낸 블록도이다.
도4는 도2의 충전 상태 판단부에서 충전 상태를 판단하는 과정을 나타낸 블록도이다.
도5 내지 도8은 도2의 정상 상태 판단부에서 배터리의 정상 상태를 판단하는 일 실시예를 나타낸 그래프이다.
도9는 도2의 기준 정보 생성부에서 기준 정보를 생성하는 일 실시예를 나타낸 그래프이다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태 추정 방법의 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태 추정 장치의 개략도이다.
충전 상태 추정 장치(200)는 배터리(100)의 전압과 전류를 측정할 수 있으며, 충전 상태 추정 장치(200)는 배터리(100)의 전압과 전류에 기초하여 배터리(100)의 충전 상태를 판단할 수 있다.
여기에서, 배터리(100)는 양극, 음극 및 전해질이 마련되는 리튬 이온 배터리(Lithium-ion battery)일 수 있으며, 이에 따라, 배터리(100)는 방전 동작을 수행하는 동안 배터리(100) 내부의 리튬 이온이 음극으로부터 양극으로 이동하도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 배터리(100)는 니켈(Nickel), 코발트(Cobalt) 및 망간(Manganese) 등으로 구성되는 NCM 계열의 리튬 이온 배터리가 이용될 수 있다.
이때, 배터리(100)는 충전 동작을 수행하는 동안 배터리(100) 내부의 리튬 이온이 양극으로부터 음극으로 이동하도록 마련될 수 있으며, 이에 따라, 배터리(100)는 충전 및 재사용이 가능하도록 마련될 수 있다.
이에 따라, 충전 상태 추정 장치(200)는 배터리(100) 양단의 전위차를 나타내는 전압을 측정할 수 있으며, 이를 위해, 충전 상태 추정 장치(200)는 전압계 등의 공지된 배터리 전압 측정 기법을 이용하여 배터리(100)의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 충전 상태 추정 장치(200)는 배터리(100)의 일측에 흐르는 전류를 측정할 수 있으며, 이를 위해, 충전 상태 추정 장치(200)는 전류계 등의 공지된 배터리 전류 측정 기법을 이용하여 배터리(100)의 전류를 측정할 수 있다.
아래에서 충전 상태 추정 장치(200)에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태 추정 장치의 제어블록도이다.
충전 상태 추정 장치(200)는 배터리 측정부(210), 저장부(220), 기준 정보 생성부(230), 정상 상태 판단부(240), 충전 상태 판단부(250) 및 출력부(260)를 포함할 수 있다.
또한, 충전 상태 추정 장치(200)는 도 2에 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 구현될 수 있고, 그보다 적은 구성요소에 의해 구현될 수 있다. 또는, 충전 상태 추정 장치(200)는 충전 상태 추정 장치(200)에 마련되는 적어도 두 개의 구성요소가 하나의 구성요소로 통합되어 하나의 구성요소가 복합적인 기능을 수행할 수도 있다. 이하, 상술한 구성요소들에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
배터리 측정부(210)는 배터리(100)의 전압과 전류를 측정할 수 있다. 여기에서, 배터리 측정부(210)는 배터리(100)의 양극과 음극 간의 전위차를 측정할 수 있으며, 이때, 배터리(100)의 양극과 음극 간의 전위차는 배터리(100)의 전압으로 이해할 수 있다.
또한, 배터리 측정부(210)는 배터리(100)의 양극 또는 음극에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
저장부(220)는 배터리(100)의 서로 다른 충전 상태에서의 배터리(100)의 전압을 나타내도록 마련되는 기준 정보가 저장될 수 있다.
여기에서, 기준 정보는 배터리(100)의 전압 또는 전류에 따라 배터리(100)의 충전 상태를 나타내도록 마련될 수 있으며, 이를 위해, 기준 정보는 배터리(100)로부터 측정되는 정보에 기초하여 생성될 수 있다.
기준 정보 생성부(230)는 배터리(100)에 대해 사전에 설정되는 최대 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최대 기준 정보를 생성할 수 있고, 기준 정보 생성부(230)는 배터리(100)에 대해 사전에 설정되는 최소 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최소 기준 정보를 생성할 수 있으며, 기준 정보 생성부(230)는 최대 기준 정보와 최소 기준 정보를 이용하여 임의의 전류에서의 임의의 충전 상태에 대한 배터리(100)의 전압을 나타내도록 복수개의 기준 정보를 생성할 수 있다.
보다 상세하게, 최대 기준 정보는 배터리(100)에 최대 전류가 흐르는 상태에서, 배터리(100)의 충전 상태에 따라 배터리(100)로부터 측정되는 전압을 나타낼 수 있으며, 이에 따라, 최대 기준 정보는 최대 전류에서, 충전 상태와 전압 간의 관계를 나타내도록 마련될 수 있다.
여기에서, 최대 전류는 배터리(100)가 정상 동작을 수행하는 과정에서 배터리(100)에 흐를 수 있는 최대 전류를 의미할 수 있으며, 이때, 최대 전류는 배터리(100)가 방전 동작을 수행하는 과정에서 측정 또는 설정되는 최대 방전 전류를 포함할 수 있고, 또한, 최대 전류는 배터리(100)가 충전 동작을 수행하는 과정에서 측정 또는 설정되는 최대 충전 전류를 더 포함할 수 있다.
또한, 최소 기준 정보는 배터리(100)에 최소 전류가 흐르는 상태에서, 배터리(100)의 충전 상태에 따라 배터리(100)로부터 측정되는 전압을 나타낼 수 있으며, 이에 따라, 최소 기준 정보는 최소 전류에서, 충전 상태와 전압 간의 관계를 나타내도록 마련될 수 있다.
여기에서, 최소 전류는 배터리(100)가 정상 동작을 수행하는 과정에서 배터리(100)에 흐를 수 있는 최소 전류를 의미할 수 있으며, 이때, 최소 전류는 배터리(100)가 방전 동작을 수행하는 과정에서 측정 또는 설정되는 최소 방전 전류를 포함할 수 있고, 또한, 최소 전류는 배터리(100)가 충전 동작을 수행하는 과정에서 측정 또는 설정되는 최소 충전 전류를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 기준 정보 생성부(230)는 임의의 전류를 나타내도록 최대 기준 정보로부터 나타나는 전류와 최소 기준 정보로부터 나타나는 전류의 비율을 산출할 수 있으며, 이를 이용하여, 기준 정보 생성부(230)는 임의의 충전 상태에서, 최대 기준 정보로부터 나타나는 전압과 최소 기준 정보로부터 나타나는 전압에 산출된 비율을 적용하여 임의의 전류와 임의의 충전 상태에서의 배터리(100)의 전압을 산출할 수 있다.
이를 위해, 기준 정보 생성부(230)가 둘 이상의 변수에 대한 임의의 사이 값을 산출해내는 내삽법을 이용할 수도 있으며, 이에 따라, 기준 정보 생성부(230)는 최대 기준 정보와 최소 기준 정보에 기초하여, 배터리(100)에 임의의 전류가 흐르는 경우에, 임의의 충전 상태에서의 전압을 산출할 수 있다.
정상 상태 판단부(240)는 하나 이상의 시점에서 측정된 배터리(100)의 전압에 기초하여 배터리(100)가 정상 상태를 나타내는 시점에서의 배터리(100)의 전압을 판단할 수 있다.
여기에서, 정상 상태는 배터리(100)의 충전 동작 또는 방전 동작이 일정 시간 간격 동안 지속되어, 배터리(100) 내부의 리튬 이온 농도가 사전에 설정되는 농도 범위를 만족하는 시점을 의미할 수 있다.
이와 관련하여, 배터리(100)는 방전 동작이 수행되는 경우, 배터리(100)의 양극(Anode) 부근에서 리튬 이온의 농도가 점진적으로 증가하게 될 수 있으며, 배터리(100)는 방전 동작이 수행되는 시점으로부터 일정한 시간 간격이 경과되는 경우에, 배터리(100)의 양극(Anode)과 음극(Cathode) 부근의 리튬 이온의 농도가 일정한 농도 범위 내에 존재하도록 변할 수 있다.
이에 따라, 정상 상태 판단부(240)는 배터리(100) 내부의 리튬 이온 농도가 사전에 설정되는 농도 범위를 만족하는 시점을 정상 상태로 설정할 수 있으며, 이때, 정상 상태 판단부(240)는 배터리(100)가 충전 동작 또는 방전 동작을 수행하는 시점으로부터, 배터리(100) 내부의 리튬 이온 농도가 농도 범위를 만족하는 시점을 나타내도록 사전에 설정되는 시간 간격 이후의 시점을 정상 상태로 판단할 수 있다.
여기에서, 배터리(100) 내부의 리튬 이온 농도가 농도 범위를 만족하는 시점을 나타내도록 사전에 설정되는 시간 간격은 실험 등에 의해 사전에 설정되는 시간 간격으로 설정될 수 있다.
한편, 정상 상태는 배터리(100)에 흐르는 전류가 변동되는 시점으로부터 사전에 설정되는 임계 시간 간격이 경과된 이후의 시점을 의미할 수도 있으며, 이에 따라, 정상 상태 판단부(240)는 배터리(100)에 흐르는 전류가 변동되는 시점으로부터 사전에 설정되는 임계 시간 간격이 경과된 이후의 시점을 정상 상태로 설정할 수 있다.
여기에서, 임계 시간 간격은 배터리(100) 내부의 저항(Resistance) 및 캐패시터(Capacitance)에 따라 설정되는 시정수(Time Constant)를 의미할 수 있으며, 이때, 시정수는 배터리 내부의 저항과 캐패시터가 병렬 연결되는 등가회로에서, 저항의 크기와 캐패시터의 크기의 곱으로 나타날 수 있다.
한편, 정상 상태는 배터리(100)의 전압이 측정되는 임의의 측정 시점과, 측정 시점으로부터 사전에 설정되는 시간 간격 이후에 측정되는 배터리(100)의 전압 차이에 따른 측정 기울기와, 기준 정보에 기초하여 설정되는 기준 기울기의 차이가 사전에 설정되는 기울기 범위를 만족하는 경우의 측정 시점을 의미할 수도 있다.
다시 말해서, 정상 상태는 측정 정보에서 일정 기간 동안의 전압이 변동하는 정도와 기준 정보의 동일 기간 동안의 전압이 변동하는 정도의 차이가 기울기 범위 이내인 경우를 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
이에 따라, 정상 상태 판단부(240)는 배터리(100)의 전압이 측정되는 임의의 측정 시점과, 측정 시점으로부터 사전에 설정되는 시간 간격 이후에 측정되는 배터리(100)의 전압 차이에 따른 측정 기울기와, 기준 정보에 기초하여 설정되는 기준 기울기의 차이가 사전에 설정되는 기울기 범위를 만족하는 경우의 측정 시점을 정상 상태로 설정할 수 있다.
이와 같이, 정상 상태 판단부(240)는 배터리(100) 내부의 리튬 이온의 농도, 전류의 변동 및 전압의 변동 중 적어도 하나에 따라 배터리(100)의 정상 상태를 판단할 수 있다.
충전 상태 판단부(250)는 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전류에 매칭되는 기준 정보를 저장부(220)로부터 추출할 수 있고, 충전 상태 판단부(250)는 기준 정보로부터, 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전압에 가장 인접한 전압에 따른 충전 상태를 추출할 수 있다.
출력부(260)는 추출된 배터리(100)의 충전 상태를 출력할 수 있다. 이때, 출력부(260)는 모니터 등의 디스플레이 기기를 통해 배터리(100)의 충전 상태를 출력할 수 있으며, 이러한 경우에, 출력부(260)는 배터리(100)의 충전 상태를 숫자, 문자 및 그림 형상 등 다양한 방식으로 출력할 수 있다.
도3은 도2의 기준 정보 생성부에서 기준 정보를 생성하는 과정을 나타낸 블록도이다.
도3을 참조하면, 배터리 측정부(210)는 배터리(100)의 전압과 전류를 측정할 수 있다. 여기에서, 배터리 측정부(210)는 배터리(100)의 양극과 음극 간의 전위차를 측정할 수 있으며, 이때, 배터리(100)의 양극과 음극 간의 전위차는 배터리(100)의 전압으로 이해할 수 있다.
또한, 배터리 측정부(210)는 배터리(100)의 양극 또는 음극에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
이에 따라, 기준 정보 생성부(230)는 배터리(100)에 대해 사전에 설정되는 최대 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최대 기준 정보를 생성할 수 있고, 기준 정보 생성부(230)는 배터리(100)에 대해 사전에 설정되는 최소 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최소 기준 정보를 생성할 수 있으며, 기준 정보 생성부(230)는 최대 기준 정보와 최소 기준 정보를 이용하여 임의의 전류에서의 임의의 충전 상태에 대한 배터리(100)의 전압을 나타내도록 복수개의 기준 정보를 생성할 수 있다.
이때, 저장부(220)는 배터리(100)의 서로 다른 충전 상태에서의 배터리(100)의 전압을 나타내도록 마련되는 기준 정보가 저장될 수 있다.
도4는 도2의 충전 상태 판단부에서 충전 상태를 판단하는 과정을 나타낸 블록도이다.
도4를 참조하면, 배터리 측정부(210)는 배터리(100)의 전압과 전류를 측정할 수 있다. 여기에서, 배터리 측정부(210)는 배터리(100)의 양극과 음극 간의 전위차를 측정할 수 있으며, 이때, 배터리(100)의 양극과 음극 간의 전위차는 배터리(100)의 전압으로 이해할 수 있다.
또한, 배터리 측정부(210)는 배터리(100)의 양극 또는 음극에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
이에 따라, 정상 상태 판단부(240)는 하나 이상의 시점에서 측정된 배터리(100)의 전압에 기초하여 배터리(100)가 정상 상태를 나타내는 시점에서의 배터리(100)의 전압을 판단할 수 있다.
이를 위해, 저장부(220)는 배터리(100)의 서로 다른 충전 상태에서의 배터리(100)의 전압을 나타내도록 마련되는 기준 정보가 저장될 수 있다.
이를 통해, 충전 상태 판단부(250)는 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전류에 매칭되는 기준 정보를 저장부(220)로부터 추출할 수 있고, 충전 상태 판단부(250)는 기준 정보로부터, 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전압에 가장 인접한 전압에 따른 충전 상태를 추출할 수 있다.
또한, 출력부(260)는 추출된 배터리(100)의 충전 상태를 출력할 수 있다.
도5 내지 도8은 도2의 정상 상태 판단부에서 배터리의 정상 상태를 판단하는 일 실시예를 나타낸 그래프이다.
도5를 참조하면, 배터리(100)의 개방 전압(OCV: Open Circuit Voltage), 0.5 C의 전하에 의한 전류 및 2.5 C의 전하에 의한 전류에 대한, 전압과 충전 상태의 관계를 나타내는 그래프를 확인할 수 있으며, 이때, 화살표는 동일한 전압 차이를 나타내는 것으로 이해할 수 있다.
이와 같이, 정상 상태는 배터리(100)의 전압이 측정되는 임의의 측정 시점과, 측정 시점으로부터 사전에 설정되는 시간 간격 이후에 측정되는 배터리(100)의 전압 차이에 따른 측정 기울기와, 기준 정보에 기초하여 설정되는 기준 기울기의 차이가 사전에 설정되는 기울기 범위를 만족하는 경우의 측정 시점을 의미할 수도 있다.
다시 말해서, 정상 상태는 측정 정보에서 일정 기간 동안의 전압이 변동하는 정도와 기준 정보의 동일 기간 동안의 전압이 변동하는 정도의 차이가 기울기 범위 이내인 경우를 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
이에 따라, 정상 상태 판단부(240)는 배터리(100)의 전압이 측정되는 임의의 측정 시점과, 측정 시점으로부터 사전에 설정되는 시간 간격 이후에 측정되는 배터리(100)의 전압 차이에 따른 측정 기울기와, 기준 정보에 기초하여 설정되는 기준 기울기의 차이가 사전에 설정되는 기울기 범위를 만족하는 경우의 측정 시점을 정상 상태로 설정할 수 있다.
도6을 참조하면, 실제 배터리(100)에서의 전압강하, 시정수가 10초인 테브난(Thevenin) 등가회로에서의 전압강하, 시정수가 20초인 테브난 등가회로에서의 전압강하 및 시정수가 40초인 테브난 등가회로에서의 전압강하를 확인할 수 있으며, 이때, U_op는 전류의 변동에 따른 전압강하의 크기를 의미할 수 있다.
이와 같이, 정상 상태는 배터리(100)에 흐르는 전류가 변동되는 시점으로부터 사전에 설정되는 임계 시간 간격이 경과된 이후의 시점을 의미할 수도 있다.
이에 따라, 정상 상태 판단부(240)는 배터리(100)에 흐르는 전류가 변동되는 시점으로부터 사전에 설정되는 임계 시간 간격이 경과된 이후의 시점을 정상 상태로 설정할 수 있다.
여기에서, 임계 시간 간격은 배터리(100) 내부의 저항(Resistance) 및 캐패시터(Capacitance)에 따라 설정되는 시정수(Time Constant)를 의미할 수 있으며, 이때, 시정수는 배터리 내부의 저항과 캐패시터가 병렬 연결되는 등가회로에서, 저항의 크기와 캐패시터의 크기의 곱으로 나타날 수 있다.
도7을 참조하면, 정상 상태는 배터리(100)의 충전 동작 또는 방전 동작이 일정 시간 간격 동안 지속되어, 배터리(100) 내부의 리튬 이온 농도가 사전에 설정되는 농도 범위를 만족하는 시점을 의미할 수 있다.
이와 관련하여, 배터리(100)는 방전 동작이 수행되는 경우, 배터리(100)의 양극(Anode) 부근에서 리튬 이온의 농도가 점진적으로 증가하게 될 수 있으며, 배터리(100)는 방전 동작이 수행되는 시점으로부터 일정한 시간 간격이 경과되는 경우에, 배터리(100)의 양극(Anode)과 음극(Cathode) 부근의 리튬 이온의 농도가 일정한 농도 범위 내에 존재하도록 변할 수 있다.
이에 따라, 정상 상태 판단부(240)는 배터리(100) 내부의 리튬 이온 농도가 사전에 설정되는 농도 범위를 만족하는 시점을 정상 상태로 설정할 수 있으며, 이때, 정상 상태 판단부(240)는 배터리(100)가 충전 동작 또는 방전 동작을 수행하는 시점으로부터, 배터리(100) 내부의 리튬 이온 농도가 농도 범위를 만족하는 시점을 나타내도록 사전에 설정되는 시간 간격 이후의 시점을 정상 상태로 판단할 수 있다.
도8을 참조하면, 배터리(100)가 휴지 동작 이후에 방전 동작이 수행되는 그래프와 2.5 C의 전류가 흐르는 방전 동작이 지속되는 그래프를 확인할 수 있으며, 이와 같이, 배터리(100)는 충전 동작 또는 방전 동작이 수행되는 시점으로부터 정상 상태에 도달하는 경우에, 충전 동작 또는 방전 동작이 지속되는 상태로 수렴되는 것으로 이해할 수 있다.
도9는 도2의 기준 정보 생성부에서 기준 정보를 생성하는 일 실시예를 나타낸 그래프이다.
도9를 참조하면, 1 C 전하에 의한 최소 전류, 3 C 전하에 의한 최대 전류가 설정되는 그래프를 확인할 수 있으며, 이때, interpolation 2.5 C는 최대 전류와 최소 전류에 따라 생성된 그래프인 것으로 이해할 수 있고, real 2.5 C는 실험에 의해 측정된 그래프인 것으로 이해할 수 있다.
이와 같이, 기준 정보 생성부(230)는 배터리(100)에 대해 사전에 설정되는 최대 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최대 기준 정보를 생성할 수 있고, 기준 정보 생성부(230)는 배터리(100)에 대해 사전에 설정되는 최소 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최소 기준 정보를 생성할 수 있으며, 기준 정보 생성부(230)는 최대 기준 정보와 최소 기준 정보를 이용하여 임의의 전류에서의 임의의 충전 상태에 대한 배터리(100)의 전압을 나타내도록 복수개의 기준 정보를 생성할 수 있다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태 추정 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 상태 추정 방법은 도 1에 도시된 충전 상태 추정 장치(200)와 실질적으로 동일한 구성 상에서 진행되므로, 도 1의 충전 상태 추정 장치(200)와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
충전 상태 추정 방법은 배터리의 전압과 전류를 측정하는 단계(600), 배터리의 전압을 판단하는 단계(610), 기준 정보를 추출하는 단계(620), 충전 상태를 추출하는 단계(630) 및 충전 상태를 출력하는 단계(640)를 포함할 수 있다.
배터리의 전압과 전류를 측정하는 단계(600)는 배터리 측정부(210)가 배터리(100)의 전압과 전류를 측정하는 단계일 수 있다.
배터리의 전압을 판단하는 단계(610)는 정상 상태 판단부(240)가 하나 이상의 시점에서 측정된 배터리(100)의 전압에 기초하여 배터리(100)가 정상 상태를 나타내는 시점에서의 배터리(100)의 전압을 판단하는 단계일 수 있다.
기준 정보를 추출하는 단계(620)는 저장부(220)에 배터리(100)의 서로 다른 충전 상태에서의 배터리(100)의 전압을 나타내도록 마련되는 기준 정보가 저장되어, 충전 상태 판단부(250)가 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전류에 매칭되는 기준 정보를 추출하는 단계일 수 있다.
충전 상태를 추출하는 단계(630)는 충전 상태 판단부(250)가 기준 정보로부터 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전압에 가장 인접한 전압에 따른 충전 상태를 추출하는 단계일 수 있다.
충전 상태를 출력하는 단계(640)는 출력부(260)가 배터리(100)의 충전 상태를 출력하는 단계일 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 배터리
200: 충전 상태 추정 장치

Claims (8)

  1. 배터리의 전압과 전류를 측정하는 배터리 측정부;
    상기 배터리의 서로 다른 충전 상태에서의 상기 배터리의 전압을 나타내도록 마련되는 기준 정보가 저장되는 저장부;
    하나 이상의 시점에서 측정된 배터리의 전압에 기초하여 상기 배터리가 정상 상태를 나타내는 시점에서의 상기 배터리의 전압을 판단하는 정상 상태 판단부;
    상기 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전류에 매칭되는 기준 정보를 추출하고, 상기 기준 정보로부터 상기 시점에서 측정된 전압에 가장 인접한 전압에 따른 충전 상태를 추출하는 충전 상태 판단부; 및
    상기 배터리의 충전 상태를 출력하는 출력부;를 포함하고,
    상기 정상 상태 판단부는,
    상기 배터리에 흐르는 전류가 변동되는 시점으로부터 사전에 설정되는 임계 시간 간격이 경과되어 상기 배터리 내부의 리튬 이온 농도가 사전에 설정되는 농도 범위를 만족하는 정상 상태를 판단하기 위해,
    상기 배터리의 전압이 측정되는 임의의 측정 시점과, 상기 측정 시점으로부터 사전에 설정되는 시간 간격 이후에 측정되는 상기 배터리의 전압 차이에 따른 측정 기울기와, 상기 기준 정보에 기초하여 설정되는 기준 기울기의 차이가 사전에 설정되는 기울기 범위를 만족하는 경우, 상기 측정 시점을 상기 정상 상태로 설정하는, 충전 상태 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리에 대해 사전에 설정되는 최대 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최대 기준 정보를 생성하고, 상기 배터리에 대해 사전에 설정되는 최소 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최소 기준 정보를 생성하며, 상기 최대 기준 정보와 상기 최소 기준 정보를 이용하여 임의의 전류에서의 임의의 충전 상태에 대한 상기 배터리의 전압을 나타내도록 복수개의 기준 정보를 생성하는 기준 정보 생성부;를 더 포함하는, 충전 상태 추정 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 정상 상태에서의 배터리 전압에 따른 충전 상태 추정 장치에서의 충전 상태 추정 방법에 있어서,
    배터리 측정부가 배터리의 전압과 전류를 측정하는 단계;
    정상 상태 판단부가 하나 이상의 시점에서 측정된 배터리의 전압에 기초하여 상기 배터리가 정상 상태를 나타내는 시점에서의 상기 배터리의 전압을 판단하는 단계;
    저장부에 상기 배터리의 서로 다른 충전 상태에서의 상기 배터리의 전압을 나타내도록 마련되는 기준 정보가 저장되어, 충전 상태 판단부가 상기 정상 상태를 나타내는 시점에서 측정된 전류에 매칭되는 기준 정보를 추출하는 단계;
    충전 상태 판단부가 상기 기준 정보로부터 상기 시점에서 측정된 전압에 가장 인접한 전압에 따른 충전 상태를 추출하는 단계; 및
    출력부가 상기 배터리의 충전 상태를 출력하는 단계;를 포함하고,
    상기 배터리의 전압을 판단하는 단계는,
    상기 배터리에 흐르는 전류가 변동되는 시점으로부터 사전에 설정되는 임계 시간 간격이 경과되어 상기 배터리 내부의 리튬 이온 농도가 사전에 설정되는 농도 범위를 만족하는 정상 상태를 판단하기 위해,
    상기 배터리의 전압이 측정되는 임의의 측정 시점과, 상기 측정 시점으로부터 사전에 설정되는 시간 간격 이후에 측정되는 상기 배터리의 전압 차이에 따른 측정 기울기와, 상기 기준 정보에 기초하여 설정되는 기준 기울기의 차이가 사전에 설정되는 기울기 범위를 만족하는 경우, 상기 측정 시점을 상기 정상 상태로 설정하는, 충전 상태 추정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    기준 정보 생성부가 상기 배터리에 대해 사전에 설정되는 최대 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최대 기준 정보를 생성하고, 상기 배터리에 대해 사전에 설정되는 최소 전류가 흐르는 경우에 서로 다른 충전 상태에서 측정되는 전압에 따라 최소 기준 정보를 생성하며, 상기 최대 기준 정보와 상기 최소 기준 정보를 이용하여 임의의 전류에서의 임의의 충전 상태에 대한 상기 배터리의 전압을 나타내도록 복수개의 기준 정보를 생성하는 단계;를 더 포함하는, 충전 상태 추정 방법.
  8. 삭제
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