KR20120075756A - 2차 전지의 잔존수명 연산 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 2차 전지의 잔존수명 연산 방법은 (a) 2차 전지의 충방전 전류 적산에 의해 상기 2차 전지의 전류량을 연산하는 단계; (b) 상기 2차 전지의 충방전 또는 무부하 상태 검사를 수행하여 상기 2차 전지의 충방전 상태를 확인하는 단계; 및 (c) 상기 단계(b)에서 상기 2차 전지의 충방전이 종료되면 상기 단계(a)에서 연산된 상기 2차 전지의 전류량를 이용하여 상기 2차 전지의 잔존수명을 연산하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 2차 전지의 잔존수명을 정확히 연산/도출하는데 있어 기존 방법과 다르게 충/방전량 기반으로 2차 전지의 잔존수명을 정확히 연산/도출이 가능하다.

Description

2차 전지의 잔존수명 연산 방법 및 장치{COMPUTATIONS METHOD AND APPARTUS FOR SECONDARY BATTERY REMAINING LIFE}
본 발명은 2차 전지의 잔존수명 연산 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기에너지를 이용하여 차량을 구동하는 전기자동차 및 기타 전기에너지를 이용하여 구동하는 신재생 산업분야로써, 풍력발전기, 태양광 장치, 모바일 기기(휴대폰, 노트북, 무전기), 기타 2차 전지를 사용하여 동작하는 유/무선 기기와 산업기기 등의 장치에 적용할 수 있는 방전심도(DOD:Deep of Discharge) 기반 2차 전지의 잔존수명 연산 방법 및 장치에 관한 것이다.
배터리는 흔히 볼 수 있는 휴대폰과 같은 모바일 기기, 기타 최소한의 전원을 필요로 하고 잔여 전력을 구비해야 하는 시스템에 필수적으로 적용되어 있다. 최근 신재생 에너지 분야에서는 풍력, 파력, 태양광 시스템에도 안정된 전원 공급과 충전이 가능한 2차 전지 채택 및 활용이 급격화되고 있으며, 나아가 차세대 자동차 산업에도 중대형 2차 전지를 이용한 자동차의 기술혁신과 기술개선을 꾀하고 있다. 이러한 모든 산업 전반에 2차 전지 배터리의 응용이 다각화됨으로 더욱 쓰임새와 활용범위가 커지고 있다. 따라서 배터리를 최적화하여 관리하고 운용할 수 있는 배터리 운용장치를 개발하는 분야도 2차 전지의 기술발전과 함께 많은 기술 도약을 하게 되었다.
도 1은 배터리 장치에 팩키지로 설치되어 있는 배터리 관리 시스템(BMS)을 도시하였으며, 주요 기능은 팩을 구성하는 다수의 전지 관리를 위한 것으로, 전지 상태 정보는 물론, 결함정보, 각 물리적 파라미터의 값을 공유하고 사용자에게 모니터링한다. 도 2는 전지의 잔존수명(State of Health: SOH)을 산출하는 로직의 일예를 나타낸 것으로, 전지의 내부저항, 잔존용량(SOC), 컨덕턴스 등의 파라미터를 이용하여 전지의 잔존수명(SOH)을 산출하였다. 이러한 전지의 잔존수명 산출 로직을 간략히 설명하면 다음과 같다.
초기값이 세팅(S10)되면 전지 잔존용량(SOC)을 측정(S30)하여 전지 잔존용량(SOC)이 0% 인지를 확인(S50)한다. 전지 잔존용량(SOC)이 0% 이면 충방전 횟수에 1을 더한다(S70). 이어서 전지 잔존수명(SOH)을 계산(S90)한다. 단계S10에서 초기값이 세팅되지 않은 경우에는 전지 잔존용량(SOC) 상태를 입력(S110)받아 전지 잔존용량(SOC)을 측정(S130)하여 전지 잔존용량(SOC)이 0% 인지를 확인(S150)한다. 전지 잔존용량(SOC)이 0% 이면 충방전 횟수에 1을 더한다(S170). 이어서 전지 잔존수명(SOH)을 계산(S190)한다. 전지 잔존용량(SOC)이 0% 인지를 확인하는 단계S150에서 전지 잔존용량(SOC)이 0% 가 아닌 경우에는 전지 잔존용량(SOC)의 상태를 입력(S210)받아 남은 전지 잔존용량(SOC)을 계산(S230)한다. 남은 전지 잔존용량(SOC)이 0% 인지를 확인(S250)하여 남은 전지 잔존용량(SOC)이 0% 이면 충전량을 계산(S270)하고, 이어서 충전량이 100% 인지를 확인(S290)한다. 단계S250에서 남은 전지 잔존용량(SOC)이 0% 가 아닌 경우 또는 단계S290에서 충전량이 100% 가 아닌 경우에는 전지 잔존용량(SOC)을 측정하는 단계S130을 수행한다. 단계S290에서 충전량이 100% 인 경우에는 충방전 횟수에 1을 더한 후 전지 잔존수명(SOH)을 계산하는 단계S170 및 단계S190을 수행한다.
충전이 가능한 2차 전지는 그 사용의 정도에 제한이 있으며, 이를 전지의 잔존수명(SOH)라 한다. 전지의 잔존수명은 전지의 물성, 사용 환경에 따라 정도가 다르고 특성이 제각기 달라진다. 이러한 전지의 잔존수명은 배터리 관리 시스템(BMS) 로직 완성도를 결정짓는 매우 중요한 사용자의 파라미터가 되었다. 그러나 전지의 수명 상태를 인지하는 척도가 되는 잔존수명을 정확히 그리고 명확히 예측하는 것은 쉽지 않다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 어떠한 전지의 파라미터를 이용하고 어떤 연산을 수행하며, 어떻게 해당 데이터를 갱신/유지하고 모니터링 할 수 있는지를 연구함으로써 부정확한 전지의 잔존수명을 정확히 예측할 수 있도록 한 2차 전지의 잔존수명 연산 방법 및 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2차 전지의 잔존수명 연산 방법의 일 측면에 따르면, (a) 2차 전지의 충방전 전류 적산에 의해 상기 2차 전지의 전류량을 연산하는 단계; (b) 상기 2차 전지의 충방전 또는 무부하 상태 검사를 수행하여 상기 2차 전지의 충방전 상태를 확인하는 단계; 및 (c) 상기 단계(b)에서 상기 2차 전지의 충방전이 종료되면 상기 단계(a)에서 연산된 상기 2차 전지의 전류량를 이용하여 상기 2차 전지의 잔존수명을 연산하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 2차 전지의 잔존수명을 정확히 연산/도출하는데 있어 기존 방법과 다르게 충/방전량 기반으로 2차 전지의 잔존수명을 정확히 연산/도출이 가능하다.
또한, 2차 전지의 잔존수명을 정확하게 산출함으로써 전지와 기구구조의 설계 및 완성도 부분의 평가가 가능하고 2차 전지 및 응용 시스템의 유지 및 보수 측면에서 매우 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 전지의 잔존용량과 함께 잔존수명의 정확성은 해당 배터리 관리 시스템(BMS) 로직의 핵심으로 배터리 관리 시스템의 전체 로직 완성도 및 기술력을 향상시킬 수 있다.
또한, 상용화 배터리 관리 시스템 로직 기술을 선점하고 세계 배터리 관리 시스템 시장에서 경쟁력 향상을 극대화 할 수 있으며, 전지의 잔존수명(SOH) 로직 표준화를 꾀하는데 많은 도움이 될 수 있다.
도 1은 배터리 장치에 팩키지로 설치되어 있는 배터리 관리 시스템(BMS)을 나타내는 도면.
도 2는 전지의 잔존수명(SOH)을 산출하는 로직의 일예를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 전지 잔존용량(SOH) 연산 방법을 나타내는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 전지 잔존용량(SOH) 연산 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명에서는 전지의 잔존 수명 정확성 향상을 위해 획득되는 데이터의 파라미터 중 충/방전 전류량을 사용하였으며, 이는 풀 충전(full charging), 풀 방전(full discharging)을 잔존 수명 1 사이클(cycle)로 정의하는 방전심도(DOD: Deep of Discharge) 개념에 기인한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템(BMS)에 구동 전원이 인가(S10)되어 활성화되면 전지의 충/방전 전류를 획득하는 센서(Shunt 또는 CT)가 켜져 충/방전 전류값이 획득(S30)된다. 획득된 데이터는 A/D 변환(S50)되어 BMS 제어기에서 디코딩(S70)된다.
해당 값은 하기의 수학식 1에서와 같이 전류량은 충/방전에 관계없이 절대값을 취하여 1차 연산인 전류 적산(S90)을 수행한다. 즉, 잔존 수명(SOH) 연산/도출을 위한 파라미터로 배터리 충/방전 전류 적산이 사용된다.
Figure pat00001
1차 연산 수행과 동시에 배터리 관리 시스템(BMS)은 전류값을 기반으로 충/방전 또는 무부하 2가지의 상태 검사를 수행하여 충/방전 중인지를 확인(S110)한다.
배터리 관리 시스템(BMS)은 충/방전 중이면 연속하여 단계S90의 1차 연산을 수행함으로 전류량을 산출한다. 그러나, 무부하 상태가 되어 충/방전이 종료되면 1차 연산을 중지하고 잔존 수명을 산출하기 위한 2차 연산을 수행(S130)한다. 즉, 충/방전 종료 여부를 검사하고 종료되면 절대값으로 적산된 전류량에 의해 잔존 수명을 산출하기 위한 2차 연산이 수행된다.
Figure pat00002
상기 수학식 2에서 적산된 충/방전 전류량을 배터리 충/방전 전류용량 합으로 나누고 배터리의 총 수명 사이클에서 빼주면 잔존수명이 연산된다. 즉, 적산된 충/방전 전류량을 배터리 풀충전/풀방전량으로 나누고 최근 업데이트된 잔존수명으로 빼주면 현재의 가용할 수 있는 전지의 잔존 수명을 알 수 있게 된다.
단계S130에서 연산이 완료되어 갱신된 배터리의 잔존수명 데이터는 ROM(Read Only Memory) 또는 플래쉬 롬(Flash RAM) 등의 BMS 메모리에 저장(S150)된다. 이와 같이 저장된 배터리의 잔존수명 데이터는 배터리 관리 시스템(BMS)의 온/오프(On/Off)에 관계없이 항상 참조해야 하는 파라미터로서 배터리 관리 시스템(BMS)이 오프(Off)되어도 데이터가 저장되며, 배터리 관리 시스템(BMS)이 활성화(On)되었을 때 갱신된 잔존수명 데이터는 로딩(loading)되어 연산시 가용할 수 있는 최종 잔존수명의 파라미터에 반영된다. 즉, 잔존수명 데이터는 배터리 관리 시스템(BMS)의 메모리에 액세스(access)하여 반영구적으로 확보된다.
최종적으로 해당 값을 모니터링(S170)함으로 사용자가 전지의 성능을 관리할 수 있게 됨으로써 전지 사용에 최적 성능을 유지/확보하며 운영할 수 있게 된다.
상기 로직은 배터리 관리 시스템(BMS)이 활성화(On) 상태일 때 잔존수명 산출 로직을 무한 루프(loop)로 반복한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
S10 : 구동전원인가 단계 S30 : 전류값 획득 단계
S50 : A/D 변환 단계 S70 : 디코딩 단계
S90 : 충방전 전류적산 단계 S110 : 충방전 확인 단계
S130 : 잔존수명 연산 단계 S150 : 잔존수명 갱신/저장 단계
S170 : 잔존수명 모니터링 단계

Claims (7)

  1. 2차 전지 잔존수명 연산 방법으로서,
    (a) 2차 전지의 충방전 전류 적산에 의해 상기 2차 전지의 전류량을 연산하는 단계;
    (b) 상기 2차 전지의 충방전 또는 무부하 상태 검사를 수행하여 상기 2차 전지의 충방전 상태를 확인하는 단계; 및
    (c) 상기 단계(b)에서 상기 2차 전지의 충방전이 종료되면 상기 단계(a)에서 연산된 상기 2차 전지의 전류량를 이용하여 상기 2차 전지의 잔존수명을 연산하는 단계를 포함하는 2차 전지 잔존수명 연산 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    (d) 상기 단계(c)에서 연산된 상기 2차 전지의 잔존수명 데이터를 메모리에 저장하는 단계; 및
    (e) 상기 단계(d)에서 상기 메모리에 저장된 잔존수명 데이터를 모니터링하여 상기 2차 전지의 성능을 관리하는 단계를 더 포함하는 2차 전지 잔존수명 연산 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계(d)에서, 상기 2차 전지의 잔존수명 데이터가 저장되는 메모리는 롬 또는 플래쉬 롬인
    것을 특징으로 하는 2차 전지 잔존수명 연산 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(a)에서, 상기 2차 전지의 전류량은
    Figure pat00003

    에 의한 전류 적산에 의해 연산되는
    것을 특징으로 하는 2차 전지 잔존수명 연산 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(c)에서, 상기 2차 전지의 잔존수명은
    Figure pat00004

    에 의해 연산되는
    것을 특징으로 하는 2차 전지 잔존수명 연산 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 2차 전지의 잔존수명은 절대값으로 적산된 상기 2차 전지의 전류량을 상기 2차 전지의 충방전 전류용량의 합으로 나누어 상기 2차 전지의 총 수명 사이클에서 뺀
    것을 특징으로 하는 2차 전지 잔존수명 연산 방법.
  7. 청구항 1의 방법에 의해 전지의 잔존수명을 연산하는 2차 전지 잔존수명 연산 장치.
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