KR20110129529A

KR20110129529A - 배터리 충전량 측정 시스템 및 이를 이용한 배터리의 충전량 측정 방법

Info

Publication number: KR20110129529A
Application number: KR1020100048936A
Authority: KR
Inventors: 성상만
Original assignee: 한국기술교육대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-12-02

Abstract

본 발명은 배터리 충전량을 측정하는 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 상기 배터리의 전류와 전압을 측정하는 센서부와 상기 센서부에서 측정된 전류 및 전압값을 필터링하여 상기 배터리의 충전량을 연산측정하는 신호처리부;를 포함하되, 상기 신호처리부는, 상기 센서부에서 측정된 아날로그 전류 및 전압의 값을 디지털로 변환하는 A/D 변환부, 상기 A/D 변환부에서 변환된 전류 및 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 필터링부, 상기 식 1에 따른 배터리의 충전량을 연산하여 측정하는 충전량측정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 간소한 구성의 센서부와 신호처리부의 충전량 연산부를 구비하는 측정시스템을 구비하여 정확한 배터리의 충전량을 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

배터리 충전량 측정 시스템 및 이를 이용한 배터리의 충전량 측정 방법{THE DETECTING SYSTEM AND METHOD OF BATTERY CHARGING AMOUNT}

본 발명은 일정한 속도로 방전되는 배터리의 충전 상태를 예측하기 위하여 배터리의 충전 잔량을 측정하는 시스템 및 그 측정 방법에 관한 것이다.

종래의 배터리의 방전상태, 즉 충전 잔량을 측정하는 방법은 다양한 방법을 통해 구현이 되고 있으나, 그 정확도면에서 신뢰할 수 없는 수준의 것들이 일반적이었다.

이를 테면, 종래의 배터리의 방전량을 측정하는 방법으로는 직접측정법, SG 측정법, 전압기반 충전량 추정방법, 전류기반 충전량 추정 방법이 구현되어 왔다.

상기의 직접측정법은 배터리가 일정한 속도로 방전되고 있는 경우 쉽게 적용할 수 있는 방법으로 배터리의 방전량은 전류에 그 전류가 흐르는 시간을 곱하는 것이다. 그러나 이 방법은 두 가지 면에서 어려운 점이 있다. 첫째, 실제 모든 배터리는 방전 전류가 일정하지 않고 배터리가 많이 방전된 상태일수록 방전 전류량은 줄어 들며 대개 비선형성을 지닌다. 따라서 방전량을 측정하기 위해서는 전류를 시간에 대하여 적분하는 장치가 필요하다. 둘째, 이 방법을 사용하기 위해서는 배터리가 방전되지 않았을 때 충전량을 미리 알고 있어야 한다는 점이다. 만충시에 배터리 충전량을 알기 위하여 충전시에 배터리로 입력되는 전류를 모니터링 하는 방법을 생각할 수도 있으나 이는 쿨롱 효율(coulombic efficiency, 배터리는 충전시보다 방전시에 더 적은 전류가 흐르는 데 그 비율을 쿨롱 효율이라 함) 때문에 불가능하다. 쿨롱 효율은 또한 온도와 기 충전량에 대해서도 영향을 받기 때문이다.

또한, SG측정법(Specific Gravity)은, 납산 배터리의 충전량을 결정하는 전형적인 방법으로 배터리의 화학물질의 중량의 변화로써 충전량을 결정하는 방법이다. 배터리가 방전을 하는 경우 전해액 즉, 황산이 소모가 되며 물속에 있는 황산의 밀도가 감소한다. 이는 배터리의 중량을 감소시키며 충전량을 결정하는데 활용할 수 있다. SG는 전통적으로 액체 비중계(hydrometer)를 사용해 왔는데 반응 속도가 느리고 불편하다는 단점이 있다. 최근에는 배터리 셀과 직접 결합되는 전자식 센서를 사용하여 배터리 상태를 연속적으로 읽어 디지털 출력을 얻는 방식도 사용되고 있다. 그러나 이러한 SG 측정법은 납산이 아닌 다른 방식의 배터리에는 일반적으로 사용하기는 어려운 문제가 있다.

아울러, 전압기반 충전량 추정방법이 있는데, 이는 배터리 셀의 전압을 사용하여 충전량 혹은 잔존량을 계산하는 방법이다. 그 계산 결과는 전압 뿐만 아니라 온도, 방전 속도, 그리고 셀의 노화 정도에 따라 다양하게 변하므로 만족할 만한 수준의 정확도를 얻기 위해서는 이러한 요소들에 대한 보상이 필요하다. 도 1a는 일정 온도 및 방전 속도에서 납산 축전지의 잔존량과 전압의 관계를 나타내었는데 셀 전압이 배터리 잔존량과 비례하고 있다는 점을 잘 보여주고 있다. 그렇지만 다른 종류의 배터리에서는 문제가 될 수 있는데 특별히 Li-ion 셀에서는 대부분의 충방전 사이클에서 전압의 변화가 매우 적은 문제가 있다. 즉, 도 1b에 도시된 도면을 참조하면, 이는 Li-ion 셀의 방전 곡선을 보여주고 있다. 즉 셀이 방전됨에 따라 셀 전압이 심하게 낮아지지 않는다는 점은 배터리의 응용에 있어서는 매우 좋은 일이나, 한편으로 그러한 이유 때문에 셀 전압을 충전량의 척도로 삼는 것은 문제가 있다. 방전 사이클의 끝 부분에 급격한 전압 강하는 배터리의 완전 방전을 표시하는데 이용할 수 있지만 많은 응용 시스템에서는 이러한 경고가 좀 더 일찍 발생해야 하는 문제가 있다. 즉, Li-ion 셀의 셀 전압은 완전 방전을 나타내는 지표로는 사용할 수 있지만 실제 적용을 위해서는 좀 더 정확한 충전량의 계산이 필요하다는 한계가 있게 된다.

아울러, 전류기반 충전량의 추정방법을 들 수 있는데, 이는 셀에 입력되는 전류와 나가는 전류를 이용하여 충전량을 결정하는 방법이다. 즉 셀에 입출력되는 전류는 시간에 따라 전류의 흐름을 적분함으로써 얻을 수 있다. Coulomb counting으로 알려진 이 방법은 좀 더 높은 정확도를 보여주고 있지만 아직도 전압기반 방법에서와 같이 동작 조건에 대한 보상이 필요하다는 한계가 있다. 구체적으로는, 전류를 결정하는 가장 간단한 방법은 저항값이 낮고 정확도가 높은 저항을 사용하여 그 전압을 측정하는 방법이며, 이 방법은 전류를 다른 곳으로 흘리므로 약간의 전력 손실을 일으키며 또한 배터리의 온도를 높이게 된다. 홀 효과 센서나 자기 저항 센서를 사용하면 이 문제는 해결할 수 있으나 가격이 비싸다는 단점이 있다. 아울러 홀 효과 센서는 낮은 전류에 대해 자기 저항 센서보다 정확도가 떨어지며, 반면 자기 저항 센서는 높은 전류를 견딜 수 없고 또한 잡음에 취약하다는 문제를 가지고 있다. Coulomb counting 방법은 방전 회로 자체의 전류를 측정하지 못하고 외부 회로에 흐르는 전류를 측정하므로, 이 점은 모니터링 회로가 정기적으로 리셋 혹은 보상되지 않으면 전류 측정 오차를 계속 누적하시키는 요인이 되는 문제를 가지고 있다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 간소한 구성의 센서부와 신호처리부의 충전량 연산부를 구비하는 측정시스템을 구비하여 종래의 측정법이 가지는 방전전류의 불균일성으로 인한 오차의 발생과 배터리의 방전 전상태의 충전량을 미리 확인할 필요가 없는바 측정의 편의성이 구현되며, 일반적으로 사용하기 어려운 납산방식에 비해 사용의 범용성이 확보되며 더 신속한 측정을 구현할 수 있으며, 전류 및 전압 기반의 추정방법에서의 정확도 문제를 획기적으로 해소하여 고도로 정밀한 측정이 가능하게 되는 장점이 구현될 수 있는 배터리의 충전량 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 배터리 충전량을 측정하는 시스템에 있어서, 상기 배터리의 전류와 전압을 측정하는 센서부; 상기 센서부에서 측정된 전류 및 전압값을 필터링하여 상기 배터리의 충전량을 연산측정하는 신호처리부;를 포함하되, 상기 신호처리부의 배터리의 충전량(SOC)의 연산은 하기의 {식 1}에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전량 측정 시스템을 제공할 수 있다.

{식 1}

(단, a는 배터리의 만충 시의 오픈(open) 전압에서 완전방전시의 오픈(open)전압을 빼준 값이며, b는 완전방전시 오픈(open) 전압을 의미한다. V₀는 오픈시 배터리 전압이다.)

아울러, 본 배터리 충전량 측정 시스템에서의 상기 신호처리부는, 상기 센서부에서 측정된 아날로그 전류 및 전압의 값을 디지털로 변환하는 A/D 변환부; 상기 A/D 변환부에서 변환된 전류 및 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 필터링부;상기 식 1에 따른 배터리의 충전량을 연산하여 측정하는 충전량측정부;를 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 상기 오픈시 배터리 전압(V₀)는 하기의 식 2에 의해 연산되어 제공됨이 바람직하다.

{식 2}

(단, B는 배터리 입출력식에서의 바이어스 값이며, 상기 a₁은 배터리의 입출력관계에 따른 테브린 등가모델에서의 충전량(C)과 저항(Rd)과의 시간(△t)에 따른 변화량의 상수값을 의미한다. 즉,

이다.)

상술한 배터리 충전 시스템을 이용하여 배터리의 충전량을 구하는 단계적 구성은 다음과 같다.

구체적으로는, 배터리의 충전량을 측정하는 방법에 있어서, 배터리의 전류 및 전압을 센서부에서 측정하는 단계; 상기 센서부에서 측정한 전류 및 전압을 A/D변환부에서 디지털 값으로 변환하는 단계; 상기 디지털 값으로 변환 전류 및 전압에 포함된 노이즈 신호를 필터링하는 단계; 및 상기 필터링된 전류 및 전압을 이용해 충전량 측정부에서 배터리의 충전량을 연산하여 측정산출하는 단계;를 포함하되, 상기 배터리의 충전량의 연산은 하기의 식 1을 만족하도록 연산되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전량 측정 방법을 제공할 수 있게 된다.

{식 1}

본 발명에 따르면, 간소한 구성의 센서부와 신호처리부의 충전량 연산부를 구비하는 측정시스템을 구비하여 정확한 배터리의 충전량을 측정할 수 있는 효과가 있다.

특히 본 측정시스템에 의한 배터리의 충전량 측정방법은 종래의 측정법이 가지는 방전전류의 불균일성으로 인한 오차의 발생과 배터리의 방전 전 상태의 충전량을 미리 확인할 필요가 없는 바 측정의 편의성이 구현되며, 일반적으로 사용하기 어려운 납산 방식에 비해 사용의 범용성이 확보되며 더 신속한 측정을 구현할 수 있으며, 전류 및 전압 기반의 추정방법에서의 정확도 문제를 획기적으로 해소하여 고도로 정밀한 측정이 가능하게 되는 장점이 구현될 수 있다.

도 1a는 종래의 납산축전지의 잔존량과 전압과의 관계를 도시한 그래프이며, 도 1b는 종래의 Li-ion 셀의 방전특성을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 충전량 측정 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리의 등가모델로서 수정된 테브린 등가모델을 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명에 다른 배터리 충전량 측정시스템(이하, '본 측정시스템'이라 한다.)의 구성을 도시한 블럭도로, 이를 참조하면, 본 발명에 따른 본 측정시스템은 배터리 충전량을 측정하는 시스템에 있어서, 상기 배터리의 전류와 전압을 측정하는 센서부(100)와 상기 센서부(100)에서 측정된 전류 및 전압값을 필터링하여 상기 배터리의 충전량을 연산측정하는 신호처리부(200)를 포함하여 구성되며, 특히 상기 센서부(100)는 전류센서부(110)와 전압센서부(120)을 포함하여 구성되며, 상기 전류센서부(110)와 전압센서부(120)에서 측정된 전류와 전압은 일반적으로 잡음(Noise)가 포함된 아날로그 값에 해당한다.

따라서, 상기 센서부에서 측정된 전류 및 전압을 필터링할 필요가 있게 되며, 이를 위해 본 발명에 따른 상기 신호처리부(200)는 상기 센서부(100)에서 측정된 아날로그 전류 및 전압의 값을 디지털로 변환하는 A/D 변환부(210)와 상기 A/D 변환부(210)에서 변환된 전류 및 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 필터링부(220), 그리고 필터링된 디지털 값을 토대로 배터리의 충전량을 연산하여 측정하는 충전량측정부(230)를 포함하여 구성된다.

특히 상기 충전량측정부(230)은 본 시스템에서의 배터리의 충전량을 측정하는 소프트웨어로 구성될 수 있으며, 특히 이에 따른 배터리 충전량(SOC)의 측정 연산은 하기의 식 1에 따라 이루어진다.

{식 1}

이 경우 상술한 오픈시 배터리 전압(V₀)는 하기의 {식 2}에 의해 연산되어 제공될 수 있다.

{식 2}

이다.)

이상과 같은 본 시스템을 이용하여 배터리의 충전량을 측정하는 과정은 다음과 같은 단계로 요약할 수 있다.

우선, 배터리의 전류 및 전압을 센서부(100)에서 측정하며, 이후 상기 센서부에서 측정한 전류 및 전압을 A/D변환부(210)에서 디지털 값으로 변환하게 된다. 아울러 상기 디지털 값으로 변환 전류 및 전압에 포함된 노이즈 신호를 필터링부(220)에서 필터링하여 잡음 제거 등의 신호의 사전처리를 수행하게 되며, 이후 상기 필터링된 전류 및 전압을 이용해 충전량 측정부(230)에서 배터리의 충전량을 연산하여 측정산출하게 된다. 상기 충전량 측정부(230)의 측정 방식은 상술한 {식 1}의 기준을 따름은 전술한 바와 같다.

이하에서는 상술한 본 시스템에서의 충전량측정부에서의 배터리 충전량(SOC)의 연산 식 1에 대한 도출이론을 설명하기로 한다.

일반적으로, 배터리의 등가 모델은 단순모델, 저항형 테브닌 등가 모델, 수정 테브닌 등가 모델로 나눌 수 있다.

(참고문헌 [1] Shuo Pang, et. al., "Battery state-of-charge estimation," Proceedings of the American Control Conference, June 2001, vol. 2, pp. 1644-1649)

(참고문헌 [2] Baskar Vairamohan, "State of charge estimation for batteries," Master Thesis, Univ. of Tennesee, 2002)

그 중 실제 시험 데이터를 얻어서 적합한 모델을 찾아보면 수정 테브닌 등가 모델임을 확인할 수 있었다. 이는 도 3에 도시된 것과 같은 등가모델 회로로 표현할 수 있으며, 도시된 도면의 모델에 의해 구현되는 입력 및 출력관계식은 다음의 식 3 및 식 4로 표현될 수 있다.

{식 3}

{식 4}

참고문헌[2]에서는 위 식3 및 식 4를 이용하여 연속시간에서 EKF(Extended Kalman Filter)를 이용하여 계수들을 찾는 방법을 제시하였는데 그 유도과정에서 상태변수를 처리하는 방안에 대해 명확하게 제시하지 못하고 있다. 따라서 참고문헌[2]의 방법을 사용하기엔 무리가 있다. 본 발명에서는 시스템 식을 ARMA 모델 형태로 나타내어 계수식별기법에 기초한 충전 용량 계산 알고리즘을 사용한다. 이에 따라 상기 {식 3}, {식 4}에 대하여 만약 오일러 방법을 사용하여 연속시스템을 이산시간시스템으로 나타내면 다음과 같다.

{식 5}

{식 6}

위 {식 5}를 정리하면 다음 {식 7}과 같다.

{식 7}

위 측정식인 {식 6}을 이용하여, 상기 {식 7}에서 Vp를 소거하는 과정은 다음과 같다.

{식 8}

V_b(k) 및 I_b(k)는 센서를 사용하여 측정하여야 하는데, 이 과정에서 잡음이 인가되게 된다. 따라서 잡음이 포함된 측정값은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

{식 9}

여기에서

및

는 각각 측정된 전압과 전류를 나타낸다. 따라서 상기 {식 9}를 사용하여 상술한 {식 6}을 다시 나타내면 다음과 같다.

{식 10}

상기 {식 10}은 ARMA 모델 형태이므로, 변수를 새로히 정의하여 일반적인 ARMA 모델식으로 표현하면 다음과 같다.

{식 11}

여기에서 {식 11}의 각 변수의 정의는 다음과 같다.

상기 {식 11}의

부분은 두개의 MA(1) 모델이 합쳐진 경우로, 등가 ARMA 모델 표현을 이용하면 한개의 MA(1) 모델로 표현될 수 있다.['등가 ARMA 모델 표현'의 참고문헌 [3];Sang Man Seong et. al., "Equivalent ARMA Model Representation for RLG Random Errors," IEEE Trans on Aerospace and Electronic System, 36, Jan. 2000.]

그러므로, {식 11}은 다음의 {식 12}와 같이 바꾸어 표현할 수 있다.

{식 12}

여기에서 e(k)는 등가 ARMA 모델로 표현된 잡음이며, 백색 가우시안의 성질을 유지한다.

상기 {식 12}는 ARMA(1,1)의 모델과 유사하나, 상수 바이어스(B)가 있다는 점에서 일반적인 ARMA 모델의 계추 추정기법을 사용할 수는 없다. 따라서 차분을 통하여 B를 제거하기 위해 다음과 같은 과정을 거친다. 상기 {식 12}를 한 스텝 뒤진 식으로 표현하면 {식 13}과 같다.

{식 13}

상기 {식 13}에서 상기 {식 12}를 각 항에 더하여 빼주면 다음과 같은 {식 14}을 얻을 수 있다.

{식 14}

이와 같은 모델에서 계수를 추정하여야 하는데, 효과적으로 추정할 수 있는 방법으로 예측오차법이 있다. 계수를 추정한 후, 다음과 같은 방법으로 바이어스(B)를 계산할 수 있다.

{식 15}

상기 {식 11}에서 바이어스(B)와 계수 a₁과의 관계에서 오픈(open)시 배터리 전압(V₀)을 구할 수 있다.

{식 16}

이 {식 16}에 따라 오픈(open)시 배터리 전압(V₀)을 구한 후, 배터리의 잔존량은 다음과 같이 구할 수 있다.

{식 17}

여기에서 a는 배터리의 만충 시의 오픈(open) 전압에서 완전방전시의 오픈(open)전압을 빼준 값이며, b는 완전방전시 오픈(open) 전압을 의미한다. V₀는 오픈시 배터리 전압이다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 센서부
110: 전류센서부
120: 전압센서부
200: 신호처리부
210: A/D 변환부
220: 필터링부
230: 충전량측정부

Claims

배터리 충전량을 측정하는 시스템에 있어서,
상기 배터리의 전류와 전압을 측정하는 센서부;
상기 센서부에서 측정된 전류 및 전압값을 필터링하여 상기 배터리의 충전량을 연산측정하는 신호처리부;를 포함하되,
상기 신호처리부의 배터리의 충전량(SOC)의 연산은 하기의 {식 1}에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전량 측정 시스템.
{식 1}

(단, a는 배터리의 만충 시의 오픈(open) 전압에서 완전방전시의 오픈(open)전압을 빼준 값이며, b는 완전방전시 오픈(open) 전압을 의미한다. V₀는 오픈시 배터리 전압이다.)
청구항 1에 있어서,
상기 신호처리부는,
상기 센서부에서 측정된 아날로그 전류 및 전압의 값을 디지털로 변환하는 A/D 변환부;
상기 A/D 변환부에서 변환된 전류 및 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 필터링부;
상기 식 1에 따른 배터리의 충전량을 연산하여 측정하는 충전량측정부;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전량 측정 시스템.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 오픈시 배터리 전압(V₀)는 하기의 식 2에 의해 연산되어 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전량 측정 시스템.
{식 2}

(단, B는 배터리 입출력 식에서의 바이어스 값이며, 상기 a₁은 배터리의 입출력관계에 따른 테브린 등가모델에서의 충전량(C)과 저항(Rd)과의 시간(△t)에 따른 변화량의 상수값을 의미한다. 즉,
이다.)
배터리의 충전량을 측정하는 방법에 있어서,
배터리의 전류 및 전압을 센서부에서 측정하는 단계;
상기 센서부에서 측정한 전류 및 전압을 A/D변환부에서 디지털 값으로 변환하는 단계;
상기 디지털 값으로 변환 전류 및 전압에 포함된 노이즈 신호를 필터링하는 단계; 및
상기 필터링된 전류 및 전압을 이용해 충전량 측정부에서 배터리의 충전량을 연산하여 측정산출하는 단계;를 포함하되,
상기 배터리의 충전량의 연산은 하기의 식 1을 만족하도록 연산되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전량 측정 방법.
{식 1}

(단, a는 배터리의 만충 시의 오픈(open) 전압에서 완전방전시의 오픈(open)전압을 빼준 값이며, b는 완전방전시 오픈(open) 전압을 의미한다. V₀는 오픈시 배터리 전압이다.)