KR20120082965A

KR20120082965A - 배터리 잔존 용량 측정 방법

Info

Publication number: KR20120082965A
Application number: KR1020110004314A
Authority: KR
Inventors: 김득수; 김래영
Original assignee: 김득수
Priority date: 2011-01-16
Filing date: 2011-01-16
Publication date: 2012-07-25
Also published as: KR101238478B1

Abstract

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 충.방전전류를 고려한 상태에서의 추정 OCV을 연산하고, 배터리에 충전된 총 전기량과 주행 등을 통해 방전된 총 전류 적산량의 가감하여 SOC를 산출하되, 만충전 조건이 되거나 소정의 보정점에 도래되면 추정 OCV 전압을 기준하여 SOC 값의 테이블을 주기적으로 교정함으로써, 충.방전 사이클이 증가함에 따라 SOC의 연산값의 오차가 계속적으로 누적된 것을 방지하여 SOC 값을 보다 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

Description

배터리 잔존 용량 측정 방법{The Measurment Method of Battery SOC}

최근 석유자원의 고갈과 환경오염에 따른 대체에너지의 수요와 더불어 전기에너지를 축적하여 사용할 수 있는 배터리의 수요는 연료전지 등의 대체 에너지 저장시스템 등 다양한 분야로 확산되고 있다.

하이브리드(HEV) 자동차, 전기자동차, 전기자전거, 골프-카트 같은 전기차용으로는 주행속도 및 최대주행거리 증대를 목적으로 대용량의 리튬 이온, 리튬 폴리머, 니켈 수소 전지 등 전기집적도(power density)가 높은 배터리 계열이 활용화도 높아 지고 있다.

한편, 가솔린 자동차의 경우 연료를 사용하여 엔진을 구동시키므로 연료의 양을 측정하는 데 큰 어려움이 없지만, 전기 자동차의 동력원인 배터리의 경우는 내부에 축적된 잔존 에너지를 측정하는 것은 곤란하다. 그런데 전기 자동차의 운전자에게 있어서는 현재 얼마만큼의 에너지가 남아 있고 앞으로 어느 정도 더 주행할 수 있는 가에 대한 정보가 매우 중요하다.

배터리의 충전상태(State of Charge)는 현재 얼마만큼의 에너지가 남아 있는 가에 대한 의미로써, 배터리를 만(Full)충전하여 저장 가능한 최대 용량(Battery Storage Capacity Maximum) 대비한 현재 충전된 상태에서 사용 가능한 저장(잔존)용량의 백분율을 "SOC(%)" 로 정의하고 있고, 소수의 문헌에서는 SOC를 충전 잔존용량 이라고도 칭하고 있다.

전기 자동차는 배터리에 충전된 에너지에 의해 주행하는 자동차이므로, 배터리에 충전된 잔존 용량((SOC %)을 파악하는 것이 매우 중요하며 주행 중 배터리의 잔존 용량을 파악하여 주행 가능 거리 등의 정보를 운전자에게 알려 주고자 하는 여러 기술이 개발되고 있다.

배터리의 충전상태(SOC)측정 알고리즘은 그간의 다각적으로 연구결과를 토대로, 그 대표적인 것이 배터리의 OCV 전압을 측정하여 OCV 전압과 SOC(State Of Charge)간의 상관 관계 그래프에 의존하여 잔존 용량을 계산하는 방법이며, 둘째는 배터리에 충전된 총 전기량과 주행 등을 통해 방전된 총 전기량의 가감을 통해 배터리의 남은 잔존 용량을 산출하는 방식을 들 수 있다. 또한 경우에 따라서는 두 가지 방식을 혼합하여 사용하기도 하였다.

이에 대한 특허로써, 2005년 10월20일에 대한민국에 출원되어 2007년 04월25일에 공개된 배터리의 SOC 추정방법 및 이를 이용한 배터리 관리시스템의 특허(출원번호 10-2005-0099088)는, 총방전 누적량에 대응되는 총 배터리 용량을 이용하여 현재 배터리의 SOC를 추정하는 방법을 제시하고 있다.

자동차의 주행에 앞서 배터리의 잔존 용량 초기값을 적절하게 설정하고자 하는 시도 역시 많이 이루어지고 있다. 이때, 잔존 용량의 초기값은 보통 오픈 회로 전압(OCV)을 기준으로 하여 설정하고 있다. 이러한 방법에 있어서는 OCV가 환경에 따라 변하지 않는다는 전제하에 잔존 용량의 절대 참조값이 된다는 것이다.

또한 2000년 12월13일에 대한민국에 출원되어 2001년 05월07일에 공개된 2차전지 잔량 측정 방법 및 그 장치의 특허는, 개별적인 배터리의 실제 열화도에 따른 총잔량 변화량 산출의 정확도를 보정하여, 배터리의 사용 상태에 따라 변화하는 사이클 카운트 데이터로 활용함으로써 배터리의 특성 변화를 반영할 수 있는 2차 전지 잔량 측정 방법을 제공하고 있다.

또한, 여러 온도에서의 OCV 및 SOC를 테이블로 구성하여 배터리의 초기값을 설정하는 것이 제안된 바 있다.(대한민국 특허 출원 번호 제2005-19487호). 그러나, 상기 OCV(Open Circuit Voltage)는 배터리가 안정된 상태에서의 무부하 전압을 나타내는 것이나, 배터리에 부하가 걸린 상태(방전 전류가 흐르는 상태)에서는 배터리 단자에서 OCV 전압을 측정할 수 없으므로 이러한 방식은 충.방전 시간 경과중에는 이를 이용할 수 없다는 문제점이 있다.

종래 기술들은 주로 배터리의 OCV 전압(무부하시 전압)과 SOC(State Of Charge)간의 상관 관계 테이블에 의존하여 잔존 용량을 계산하는 방법으로, 배터리의 방전 초기에 무부하 전압인 OCV 전압을 측정하여 상기 OCV 전압과 SOC의 상관 관계식으로 부터 SOC를 연산하고 있다.

그러나, 배터리가 장착되는 장치의 외부 환경, 구체적으로는 외부 온도의 변화를 고려하지 않거나 고려한다 하더라도 배터리가 안정된 OCV 전압에 도달하기 전의 배터리 전압을 기초로 하여 SOC 값을 연산하므로 오차를 수반하게 되며 또한 이때 측정 오차을 줄이기 위해 배터리 무하시의 단자 전압(OCV)을 기초로 하여 SOC를 초기화하고 있어 SOC 측정치를 신뢰하기 곤란하였다.

둘째로는 배터리에 충전된 총 전기량과 주행 등을 통해 충.방전된 총 전류 적산량의 가감하여 배터리의 SOC(충전 잔존 용량)을 산출하는 방식을 들 수 있다.

또한 측정 정확도를 높이기 위해 경우에 따라서는 위의 두 가지 방식을 혼합하여 사용하기도 하였다.

그러나, 측정 정확도를 높이기 위해 배터리 OCV 전압과 SOC 간의 상관 관계 테이블을 이용하면서 충.방전된 총 전류 적산량의 가감을 통해 배터리의 잔존 용량을 보정하는 위 두 가지 방식을 혼합하여 SOC를 연산한다고 하더라도, OCV 전압은 환경(특히 온도)에 따라 변할 수 있으며 충전 또는 방전 후 소정의 시간이 경과되어야 정확한 값으로 안정될 수 있으므로 이 또한 SOC 값을 정확하게 측정하는 데 장애가 되었다.

또한 충.방전된 전류 적산량에 의하여 SOC 값을 산출한 경우에는 적정한 주기 마다 SOC 값을 교정하지 않으면, 충.방전 싸이클이 증가함에 따라 SOC의 연산값의 오차가 계속적으로 누적될 수 있다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 배터리의 내부 저항과 배터리 충.방전전류를 기초로 하여 추정 OCV 전압을 연산하고, 배터리에 충전된 총 전기량과 주행 등을 통해 방전된 총 전류 적산량을 가감하여 SOC 값을 연산.산출하되, 만충전 조건이 되거나 소정의 SOC 보정점에 도래되면 추정 OCV 전압을 기준하여 SOC 값의 매핑 테이블을 주기적으로 교정함으로써, 충.방전 사이클이 증가함에 따라 SOC의 연산값의 오차가 계속적으로 누적된 것을 방지할 수 있으므로, 종래의 방법보다 SOC 값을 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

이하 본 발명의 상세한 설명에서 배터리는 배터리 단위 셀 또는 배터리 단위 셀이 직렬로 연결된 배터리팩도 의미하는 것이며, 따라서 본 발명은 배터리 단위 셀이나 배터리 단위 셀이 직렬로 연결된 배터리팩의 SOC를 측정하는 데 있어 적용이 가능하다.

본 발명에 있어서 기술적 해결 방안에 대해 더 구체적으로 설명하면,

1) 방전시간 경과에 대응하는 추정 OCV 전압 및 SOC 값의 상관 테이블을 시험적으로 산출하여 BMS(배터리 관리시스템)의 메모리에 저장하는 단계;

2) 배터리의 충전상태가 만충전 조건이 될 때 배터리 단자 전압을 측정하여 추정 OCV 전압을 연산하고, 상기 단계 1)에서 매핑하여 저장된 SOC 100% 에 대응되는 추정 OCV 전압을 측정. 연산된 값으로 보정하고 시간 경과에 대응하는 상관 테이블을 이에 맞추어 소정의 연산식에 의해 비례적으로 교정하는 단계;

3) 상기 만충전 이후, 충.방전 시간 경과에 따른 추정 OCV 전압을 측정 연산하고 또한 SOC 값을 충.방전전류 적산량에 의해 연산하는 단계;

4) 상기 3)단계에서 연산 측정된 SOC 값이 소정의 보정점에 도달되면, 보정점에 도달된 시점부터 충.방전전류 적산량의 측정 연산을 별도로 개시하고, 보정점인 시점부터 추정 OCV 전압이 방전 종지전압에 도달되는 구간 동안의 충.방전전류 적산량를 연산하는 단계;

5) 상기 충.방전전류 적산량에 해당되는 SOC 값과 상기 4)단계의 보정점에서 얻은 SOC 값을 비교하여 이에 해당되는 상관 테이블(데이터)의 오차를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 추정 OCV 전압 및 SOC 값의 상관 테이블은, 소정 시간 경과 단위로 배터리의 추정 OCV 전압 및 SOC의 상관 데이터를 맵핑할 수 있는 상관함수, 상관관계식 또는 상관 그래프 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계에서 제 1 보정점은 배터리 방전시에 실지 주로 사용하는 방전심도 80% 를 기준으로 하여 SOC 값이 20% 일 때로 지정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상관 테이블은 충.방전 시간 경과 단위로 추정 OCV 전압 및 SOC 값 이외에 배터리의 온도, 내부 저항 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하며, 이렇게 함으로써 배터리의 온도 변화 또는 장기 사용에 따른 배터리 용량 저감 계수(Factor)를 감안하여 SOC 값이 교정될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 배터리 내부 저항 및 충.방전전류를 기초로 추정 OCV 전압을 연산하고 이를 기준으로 SOC 값을 정확하게 연산할 수 있으며, 또한 만충전 조건이나 SOC 값 또는 상기 추정 OCV 전압 측정값이 소정의 보정점에 도래되면 SOC 값의 상관 테이블을 주기적으로 교정케 함으로써, 충.방전 시간이나 사이클이 경과함에 따른 SOC 연산값의 오차가 반복적으로 누적되는 것을 방지할 수 있으므로 종래 방법보다 더 정확하게 SOC 값을 측정할 수 있다. 또한 배터리의 온도 변화뿐만 아니라 경년 변화에 의한 용량 저하를 감안하여 SOC 값을 보정할 수 있으므로 환경변화에 따른 측정 오차를 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 방전부하 크기에 따른 배터리 단자 전압과 SOC 값 사이의 상관 그래프.
도 2는 배터리 셀의 방전전류 크기에 따른 무부하 전압 OCV 와 단자 전압의 상관관계를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예로써 경과시간에 대응하여 매핑한 SOC 추정 테이블
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 교정 결과를 나타내는 그래프.

SOC % 는 배터리에서 현재 충전된 상태에서의 '사용가능한 저장 에너지량' 과 '만충전 가능한 최대 용량' 과의 비율을 나타내는 값으로 엔진자동차의 연료 게이지에 해당되는 것이며, 따라서 식 (1)로 정의할 수 있다.

식 (1)

여기서, C_o (Battery Capacity)는 배터리 용량을 지칭하는 것으로 SOC %를 구하는 데 있어 기준값(SOC 100%에 해당)이 되며, 배터리에 있어서 만충전 가능한 최대 용량, 더욱 상세하게는 만충전 상태의 배터리를 방전 종지전압까지 일정한 전류(예로, 1.0C)로 방전했을 때의 방전된 전하의 총량, 즉 방전시간 경과에 따른 방전전류의 총 적산(누적)량를 의미한다.

배터리가 장시간 동안 사용되어 노화되면, 만충전 시 충전 가능한 용량 C_o (Battery Capacity)는 신품의 정격 설계용량의 약 80% 수준까지 감소될 수 있다.

한편, 충.방전전류의 적산량은 배터리의 SOC(State Of Charge)를 추정하는 데 필수적 자료이다. 본 발명에서는 기본적으로 배터리의 충.방전시의 시간 경과에 따라 측정된 전류의 적산량과 이에 대응되는 추정 OCV 전압의 상관 테이블을 기초로 SOC 값을 산출하며, SOC 보정알고리즘을 적절하게 구현하여 SOC 값의 상관 테이블을 재교정(Re-calibration)하고 필요시 SOC 값을 쉽게 독출될 수 있도록 한다.

도 1 은 방전부하 크기에 따른 배터리 단자 전압(V)과 SOC 간의 상관 그래프를 나타낸다.

도 1을 살펴 보면, 배터리 방전이 진행됨에 따라 배터리 단자 전압(V)과 SOC 는 점점 감소되고, 배터리의 SOC 가 감소함에 따라 배터리 단자 전압(V)에 상관되어 배터리 기전력(E)은 동일한 기울기를 가지고 강하함을 알 수 있다.

도 2는 배터리 셀의 내부 저항과 방전전류(Discharge Current)크기에 따른 무부하 전압 OCV 또는 단자 전압의 상관관계를 도시한다.

도 2에서 보인 바와 같이 방전전류를 증가(예로써, 0 에서 2.0C 까지)시키면서 부하전류와 배터리의 단자 전압을 측정하면 도 2와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 도 2에서 전압계에 나타난 전압은 배터리에 방전전류가 흐를 때 배터리의 두 극 단자 사이의 전위차이고 이것은 배터리의 단자 전압을 표시한다. 또한 직선의 기울기는 배터리(셀)가 가지고 있는 내부 저항과 동일함을 알 수 있다.

배터리의 저장 에너지 용량(Ah)이 일정하다고 하더라도 방전전류가 증가함에 따라 배터리의 내부 저항에 의한 전압 강하가 일어나기 때문에 방전전류 증가에 비례하여 배터리 단자 전압은 낮아지게 된다. 이와 같이 방전전류가 흐르게 되면, 배터리의 저장 에너지 용량(Ah)이 일정하여 배터리 기전력 E가 변하지 않더라도 배터리 내부 저항에 의한 전압강하가 일어나서 배터리의 단자 전압이 내려가게 되는 것이다.

도 2 그래프에서 직선을 연장해서 전압 V축과 만날 때의 단자 전압이 곧 방전전류가 0 일 경우의 배터리의 OCV 전압이다. 즉, 방전전류가 0 일 경우에는 내부 저항에 의한 전압 강하가 전혀 없고 이때의 배터리의 기전력 E은 무부하 단자 전압인 OCV(Open Circuit Voltage)와 동일한 값이 된다.

일반적으로, 배터리 OCV 전압은 충전 직후에 있어서는 충.방전조건에 관계되는 인자에 따라 다소 변화되므로 안정기간이 지난 다음에 이를 측정하는 것이 바람직하다.

실지 현장에서 배터리를 사용할 때에는, 방전시간 경과에 따라 방전 전류의 크기는 수시로 변동되게 되며, 방전전류의 크기에 따라 배터리 단자 전압도 변동하게 된다. 반면, 배터리의 내부 기전력(에너지)에 해당하는 전압 E는 방전전류의 크기에 상관없이 일정하므로, 이러한 특성을 기초로 착안하여, 방전전류의 크기에 따라 변하지 않으며 SOC 와 직접적인 상관관계를 가진 '추정 OCV 전압'을 가상적으로 설정할 수 있다. 상기 추정 OCV 전압은 배터리 무부하시 단자 전압과 상응되는 값으로 배터리의 기전력 E에 해당하는 값이다.

상기에서 가상적인 값으로 설정된 추정 OCV 전압은, 실지 배터리 외부 단자에서 측정할 수 있는 값이 아니고 방전전류의 크기를 감안하여 배터리 단자 전압으로 부터 연산할 수 있으며, 부하전류의 크기와 무관하므로 추정 OCV 전압과 SOC 값만을 1:1로 상관될 수 있도록 효과적으로 매핑시킬 수 있고 또한 상기 1:1로 매핑된 테이블로 부터 추정 OCV 전압에 대응되는 SOC 값을 쉽게 독출해 낼 수 있다.

이하 상기 상관 테이블 매핑시에 필요한 추정 OCV의 산출 방법에 대하여 설명한다.

전술한 바와 같이, 추정 OCV 전압은 부하시의 배터리 단자 전압과 배터리 내부 저항 및 배터리에 흐르는 전류의 상관 관계식으로 부터 얻어질 수 있으며 배터리의 기전력 E와 동일한 의미를 갖는다.

배터리의 기전력을 E (전술한 바와 같이 무부하시에는 단자 전압과 같다.), 실지 방전 중의 배터리 단자 전압을 V, 배터리의 내부 저항을 r, 배터리에 흐르는 방전전류를 I 라고 한다면, 식 2와 같은 관계가 성립한다.

(식 2)

여기서 배터리 기전력 E 는 추정 OCV 전압과 같다.

따라서, 임의의 시간 t 에서 이때 충.방전 전류 It 가 흐를 때 배터리의 추정 OCV 전압 OCVt 는 식 3 과 같이 표시될 수 있다. 여기서 Vt 는 배터리 단자 전압이다.

(식 3)

또한, 배터리의 내부 저항 r 은 배터리 온도가 낮아짐에 따라 다소 상승하게 되고, 충.방전사이클이 증가됨에 따라 배터리 용량이 쇠퇴(Power fade)되어 배터리 기전력 E는 다소 감소하게 된다. 따라서, 이러한 경우까지를 고려하여 SOC를 더 정확하게 연산할 수 있도록 식 3은 식 4와 같이 확장시킬 수 있다.

(식 4)

여기서, 식 4는 상기 특성계수 k ₁ 및 k ₂ 가 모두 1 인 조건이 되면 식 3과 같아지고, 또한 배터리 충전시에는 전류 It는 음(-)부호를 가지게 되므로 충전 중에는 배터리 단자 전압이 추정 OCV 전압보다 크다는 점에 유의해야 할 것이다.

또한 식 4에서, Vt는 임의의 시간 t에서의 배터리 단자 전압, k ₁ 은 내부 저항 r 의 온도계수이며, k ₂ 는충.방전사이클이 증가함에 따른 경년 변화에 대한 계수(Factor)이다.

k ₁ 는 충.방전시 주위온도에 따라 내부 저항 r의 증가에 의한 용량 저감계수(Derating Factor)에 해당되는 상수이며, 축전지 제조회사에서는 이에 대한 저감계수를 나타내는 그래프나 데이터 테이블(Data Sheet)로써 공개하고 있다.

k₂ 은 배터리 셀을 구성하는 셀의 극판 재질, 두께 또는 전해질 및 더 나아가서는 제조방법에 따라 달라 지는 상수이며, 예로서 밀폐형 납배터리인 경우에는 0.9 내외이다. 리튬 이온이나 리튬 포리머 배터리의 최대 완전충전 용량의 저하 정도는 충.방전사이클(시간)이 진행됨에 따라 수 % 정도로 낮아지나 이에 준하여 내부 저항은 두 배 정도 변화(k₂ 은 2.0 수준으로 증가)되는 것으로 알려져 있다.

상기 식 3 또는 식 4에서 보인 바와 같이, 전기자동차의 주행시와 같이 배터리를 방전중에는 방전전류의 크기가 일정하지 않고 부하의 크기에 의존하여 변화되므로 시간 경과에 따른 배터리 단자 전압 Vt 및 It 를 측정함으로써 시간 경과에 상응되는 추정 OCVt 전압을 상기 식 3 또는 식 4 으로 부터 산출할 수 있다.

한편, 배터리는 충.방전사이클이 증가되어 짐에 따라 만충전 가능한 최대 용량(Ah)이 쇠태(Power fade)된다. 이렇게 최대 용량이 쇠태(Power fade)된 배터리에 있어서 현재 충전 상태로 사용가능한 에너지 저장(잔존) 에너지량(Ah)은, 배터리를 만충전시킨 후 소정의 부하전류 크기로 방전 종지전압에 도달될 때까지 방전되는 방전전류 총 적산량(Ah 단위)에 해당된다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예인 배터리의 SOC 산출 방법에 대하여 설명한다.

BMS가 구비된 배터리의 방전 전류량의 적산량을 기초로 하여 SOC를 정확히 산출하기 위해서는, 먼저 상기 식 3 또는 식 4에 의해 배터리 단자 전압을 측정하여 추정 OCV 전압을 연산하고 다양한 추정 OCV 전압에 대응되는 SOC 값을 구성한 SOC 상관 테이블을 실험적으로 구하여 BMS의 비휴발성 메모리에 저장한다.

이때 배터리의 주위 온도, 내부 저항, 또는 온도에 따른 용량 감소 계수 k₁ 나 용량 저감계수 k₂ 는 별도로 구하여 미리 저장하고, 시간 경과에 상응되는 OCVt 전압을 필요한 시점에서 상기 식 4로 부터 읽어내어 OCVt 전압 연산시에 이를 고려함이 바람직할 수 있으며, 이렇게 연산함으로써 환경변화에 따른 SOC 값을 좀 더 정확하게 측정할 수 있을 것이다.

본 발명의 실시 예를 단계별로 요약하여 보면,

방전시간 경과에 대응하는 추정 OCV 및 SOC 값의 상관 테이블를 매핑하는 단계; 배터리의 충.방전 전류 총 적산량을 가감하여 SOC를 산출하는 단계; 만충전 조건이 도래되거나 상기 산출된 SOC 값이 소정의 보정점에 도래되면, 상기 SOC 값의 상관 테이블을 주기적으로 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 SOC 매핑 테이블 곡선 및 교정된 SOC 곡선 결과를 나타내는 그래프이다.

더욱 세부적으로는, 곡선 ①은 「교정전 추정 OCV 전압에 대한 SOC 매핑 테이블 그래프」를 나타내고, ②는「만충전 도래후에 교정된 추정 OCV 전압에 대한 매핑 테이블」의 그래프이며, ③은「제 1보정점에서 교정된 추정 OCV 전압에 대한 매핑 테이블」의 그래프이다.

우선 시동 조작키가 시동되어 배터리 관리시스템인 BMS 제어부에서 현 시점의 SOC % 값을 요구하면, 상기 SOC 상관 테이블에는 곡선 ①에 도시된 바와 같이 경과 시간 t 별로 추정 OCVt 전압에 대응되는 SOC 값이 맵핑되어 있으므로, 현 시점의 부하전류에 따른 배터리의 단자 전압을 측정하여 이에 대응되는 추정 OCV 전압을 연산하고, 이 결과로써 얻어진 추정 OCV 값에 대응되는 현 시점의 SOC 값을 상기 매핑된 SOC 상관 테이블로부터 독출할 수 있게 된다.

시동이후 충.방전이 계속되면, 시동시점에서 현재 시점까지의 경과 시간에 대한 충.방전전류 적산량(단위는 Amps.Hour)을 만충전 가능한 최대용량 C_o (Battery Capacity)으로 나누어 SOC 단위로 환산된 값을 얻고, 이값을 이전 단계에서 독출된 SOC 값에 가감(+, -)하여 충.방전 시간경과에 따른 SOC 값을 새로 연산할 수 있게 된다.

이후 충.방전 시간이 계속 경과되어 만충전 상태가 감지되면, 이때 측정된 배터리 단자 전압으로 부터 추정 OCV 전압을 연산하고, 교정전 단계의 상관 테이블에서 SOC 100% 에 대응되는 추정 OCV 전압이 상기의 연산 결과값과 동일하도록 매핑된 추정 OCV 전압을 새로 교정한다. 이때 얻어진 추정 OCV 전압은 충전전류가 거의 0(영)에 가까우므로 배터리 단자 전압과 거의 동일한 값이 될 것이다.

도 4에 있어서 「만충전 후 교정된 추정 OCV 전압에 대한 매핑 테이블 그래프」인 곡선 ②를 통해 구체적으로 설명하자면, 곡선 ②의 가로축 to 시점에서 만충전 상태가 도래되고 이때 직전단계에서 매핑된 테이블의 추정 OCV 전압인 Vo ( to ) 값을 V1 ( to ) 값으로 대체하여 교정하게 된다.

또한, 상기 단계에서 추정 OCV 전압이 새로 교정되는 즉시 또는 이후에 방전 경과 시간(t1 , t2 , t3 ...수tn )의 모든 구간에 대하여 추정 OCV 전압들을 교정한다. 교정후에도 방전 종지점에 해당되는 추정 OCV ( tn ) 값은 교정전의 값과 동일하도록 Vo ( tn) 값이 되어야 하므로 이러한 조건에 의해 식 (5)와 같은 연산식이 도출될 수 있으며, 방전 경과 시간(t1 , t2 , t3 .... tn )에 대응되는 각 OCV ( ti ) 전압을 식 (5)에 준해 교정하는 것이 바람직하다.

식 (5)

여기서, OCV' ( ti ) 는 방전 시간 경과에 따라 교정된 추정 OCV (t) 값을 표시하며, 이렇게 교정된 후의 그래프인 곡선 ②는 교정전 곡선 ① 과 비교할 때, 교정전.후의 각 추정 OCV (t) 값에 대한 크기 차이는 방전 시간이 경과 됨에 따라 비례적으로 점점 줄어들고, 교정전.후의 그래프는 방전 종지점에서는 서로 같은 레벨(위치)로 모아지는 형상을 갖게 된다.

이후 계속하여 충.방전이 지속되면, 시간 경과에 따라 직전단계에서 교정된 매핑 테이블로 부터 독출된 SOC 기준값에 SOC 단위로 환산된 충.방전전류 적산량 % 를 가감(+,-)하여 새로운 SOC 값을 연산하고 이를 표시할 수 있으며, 또한 충.방전전류 적산량 %를 감안하여 이전단계에서 교정된 추정 OCV 전압과 SOC 값을 다시 교정하게 함이 바람직할 수 있다.

만약 배터리가 충.방전이 지속되지 않고 장시간 방치되거나 시동 조작키가 커진 후 다시 시동되면, 배터리 단자 전압을 기초로 하여 추정 OCV 전압을 연산하고, 이 연산값을 근거로 하여 최근에 교정된 SOC 상관 테이블로부터 추정 OCV 전압에 대응된 SOC 값을 다시 독출해 낼 수 있다.

이후 충.방전 기간이 지속되어 현재 측정 연산된 SOC 값이 소정의 보정점 (도 4의 실시 예에서는 제 1보정점에 해당함)에 도달되면 충.방전전류 적산량의 측정 연산을 별도로 개시한다. 동시에 현재까지 연산된 충.방전전류 적산량을 리셋하는 것이 바람직할 수 있다.

더불어 상기 보정점 이후 방전이 계속되어 추정 OCV 값이 방전 종지전압 (Vo(tn))에 도달되면, 상기 보정점 이후의 방전 구간( tm ~ tn ) 동안의 충.방전전류 적산량을 구하여 이를 SOC 값 단위로 환산(이하 충.방전전류 적산량의 SOC 단위 환산값)한다. 동시에 상기 추정 OCV 값이 방전 종지전압(Vo(tn))에 도달되는 시점 (tn)에 대응되는 SOC 값을 0(영)으로 교정한다.

만약, 상기 만충전을 기준으로 직전단계에서 교정된 곡선 ②에 따라 상기 방전 구간(tm ~ tn)동안의 충.방전전류 적산량의 SOC 단위 환산값이 오차를 갖지 않고 정확하다면, 상기 충.방전전류 적산량의 SOC 단위 환산값은 경과 시간(tm)의 보정점(A점)에서의 SOC 값과 동일하게 될 것이다.

곡선 ③은 본 발명의 일 실시 예로써, 전술한 충.방전전류 적산량의 SOC 단위 환산값에 오차가 있는 경우에 있어서 제 1보정점을 기준으로 하여 교정된 추정 OCV 전압 테이블에 대한 그래프이다. 상기 보정점 A점에 해당되는 SOC 값과 상기 방전 구간(tm ~ tn) 동안의 충.방전전류 적산량의 SOC 단위 환산값을 서로 비교해 보면, 상기 곡선 ③은 SOC 단위 환산값에 대응되는 추정 OCV 전압이 상기 A점에 해당되는 추정 OCV 값보다 V1₍ _tk ₎-V1₍ _ttm ₎만큼증가한 경우에 대한 일 실시 예라는 것을 알 수 있을 것이다.

전술한 바와 같이 상기 곡선 ②에서 방전 구간(tm ~ tn) 동안 누적.연산된 충.방전전류 적산량의 SOC 단위 환산값이 SOC 상관 테이블에서 얻은 소정의 보정점에서의 SOC 값보다 많게 측정된 경우에는, 상기 충.방전전류 적산량의 SOC 단위 환산값에 해당되는 추정 OCV 전압의 크기는 곡선 ②의 A점 위치에 해당되는 값보다 (V1 _(tk) -V1 _(ttm) ) 만큼 증가되어야 하고 곡선 ②에서 경과시간 tk 에 대응되는 B점 위치로 이동되어야 할 것이다. 물론 상기 보정점에서의 SOC 단위 환산값이 상기 A점에 해당되는 SOC 값보다 적게 측정된 경우에는 경과 시간이 증가되는 방향 (B점과 반대 방향)으로 상기 곡선 ②를 따라 이동되어야 할 것이다.

이와 같이 직전단계에서 얻은 SOC 값에 오차가 발생되면, 상기 보정점(A점)에 해당되는 추정 OCV 값(V1 ₍ _tm ₎ )에다 상기에서 발생된 오차(V1 _(tk) -V1 _(tm) )크기 만큼 가감(+,-)하여, 시간 tm에 해당되는 교정후의 추정 OCV 값을 곡선 ③의 A'점에 해당되는 값으로 교정시키고, 또한 식 (6) 또는 식 (7)에 준해 추정 OCV 값을 연산. 교정함으로써 방전 시간 경과에 대응하여 매핑된 상관 테이블을 곡선 ③의 형상과 같도록 교정시킬 수 있다.

여기서, 경과시간

가

이면 SOC=100% 에 해당되고, 교정후의 추정 OCV 전압

은 교정전의 추정 OCV 전압

과 같도록 교정되게 한다.

또한 경과시간

가 t1 에서 tm 사이인

경우이면, 교정후의 추정 OCV 전압인

를 식 (6)에 의하여 교정되게 한다.

식 (6)

또한 경과시간

가 tm 에서 tn 사이인

경우이면, 교정후의 추정 OCV 전압인

를 식 (7)에 의하여 교정되게 한다.

식 (7)

또한 경과시간

가

이면 SOC=0 %인 경우에 해당되고, 교정후의 추정 OCV 전압

은, 교정전의 추정 OCV 전압인

와 같도록 교정한다.

교정 이후에도 충.방전이 계속되면, 상기 교정과정을 반복 실행하게 되며 이렇게 함으로써 연산시 주기적으로 누적될 수 있는 SOC 값의 오차를 교정할 수 있게 되는 것이다.

상기 소정의 보정점은 현실적으로는 배터리의 방전심도(DOD)를 주로 80%로 사용하고 있으므로, SOC 값이 20%인 점을 제 1보정점으로 선정하는 것이 바람직할 것이다.

충.방전 경과시간( t1, t2, t3 ~ tn)에 있어서 데이터 매핑 간격은 측정 정확도 또는 분해능이 충분히 확보될 수 있도록 피측정 배터리의 총 충.방전시간을 감안하여 수초에서 수분 단위로 선정함이 바람직하다. 즉, 배터리를 급속 방전용도로 30분 내에 전부 방전시킬 경우까지를 고려한다면, 정확도 및 분해능을 확보하기 위해서 적어도 수 백개 이상의 데이터가 확보되어야 할 것이므로 충.방전 경과시간에 따라 수초(예로, 5초) 간격으로 매핑 데이터들이 필요할 것이다.

또한, 상기 추정 OCV 전압 및 SOC 값의 상관 테이블은, 추정 OCV 전압 및 SOC 값의 상관 데이터를 맵핑할 수 있는 상관함수, 상관관계식 또는 상관 그래프 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 상관 테이블은, 소정 시간 경과 단위로 추정 OCV 전압 및 SOC 값 이외에 배터리의 온도, 내부 저항, 온도에 따른 저감 계수 k₁ 또는 방전 사이클 시간경과에따른 저감 계수 k₂ 중 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계에서 소정의 제 1 보정점 이외에 실지 충.방전 사이클 과정에서 많이 나타날 수 있는 방전심도에 해당되는 추정 OCV 전압을 추가적으로 보정점으로 더 설정하고, 추가로 설정된 상기 보정점을 기준하여 전술한 방법에 따라 SOC 값을 또 교정시키면 측정 정확도를 증가시킬 수 있어 바람직하다 할 것이나, SOC 측정 알고리즘이 더 복잡해 질 수 있다는 점을 감안하여야 할 것이다.

또한, 배터리 용량이 비교적 소용량이거나 측정.연산의 정확도가 낮아도 사용상 문제가 없을 경우에는, 실시자의 판단에 따라 식 3에 의하여 추정 OCV 전압을 산출하는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 연산시간이나 연산알고리즘의 최적화를 기대하기 위해서는 실지 현장의 실정에 부합될 수 있게 방전시간 경과에 대응되어 매핑되는 추정 OCV 전압과 SOC 값은 우선적으로 배터리 정격 충.방전전류 크기를 기준하여 연산되어야 하고, 배터리 온도 또는 배터리 경년 변화에 따른 용량 저감 계수에 준해 추가적으로 보정될 수 있게 실시함이 바람직할 것이다.

이하 본 발명의 SOC 측정 방법을 단계별로 간단히 요약하면,

먼저 다양한 OCVt 에 대응되는 SOC 값들을 SOC 상관 테이블을 실험적으로 구하고 경과 시간별로 매핑하여 BMS의 메모리에 저장한다.(101)

BMS 제어부에서 현 시점의 SOC % 값을 요구하면, 상기 저장된 SOC 상관 테이블로부터 현 시점의 SOC 값을 독출한다.(102)

이후, 시동시점에서 현재 시점까지의 경과 시간에 대한 충.방전전류 적산량을 만충전 용량으로 나누어 SOC 단위로 환산된 값을 구하고, 이값을 직전단계(102)에서 독출된 SOC 값에 가감(+,-)하여 시간 경과에 따른 SOC 값을 새로 연산한다.(103)

만충전 상태에 도래되면 추정 OCV 전압을 연산하고, 이전단계(102 또는 103)의 SOC 상관 테이블상의 SOC 100% 에 해당된 추정 OCV 전압을 현재 연산된 값으로 교정하고, 동시에 방전 경과 시간(t1 , t2 , t3 ...수tn )구간에 대한 추정 OCV 전압들을 식 (5)에 준하여 교정한다.(104)

소정의 보정점 이후 방전이 계속되어 추정 OCV 값이 방전 종지전압 (Vo ( tn ))에 도달되면, 소정의 보정점 이후 방전 구간( tm ~ tn ) 동안의 충.방전전류 적산량을 구하여 이를 SOC 값 단위로 환산한다.(105)

직전단계(104)에서 얻은 SOC 값과, 단계 105의 방전 구간( tm ~ tn ) 동안의 충.방전전류 적산량에 대한 SOC 단위로 환산한 값을 비교하여 오차가 발생되면 발생된 OCV 전압 오차만큼 가감(+,-)하고, 이전단계(104)에서 교정된 SOC 상관 테이블을 식 (6) 또는 식 (7)에 준한 연산을 통해 재교정한다.(106)

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시 예나 전술한 내용에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

본 발명의 배터리 SOC 측정 기술은, 휴대폰이나 PDA, 노트북 과 같은 가정용 전자기기에 있어서 사용중 또는 충전중에 충전상태나 배터리 잔량을 표시하기 위해 이용할 수 있다. 특히, 리튬 이온, 리튬 폴리머 등 전기집적도(power density)가 높은 배터리 계열을 주 동력원으로 사용하는 하이브리드자동차, EV전기자동차, 전기자전거 또는 골프카트와 같은 전기차에 있어서는 운전자로 하여금 연료게이지 역할과 같이 배터리의 잔존 용량(SOC)를 파악하여 보다 정확히 남은 주행가능 거리 등의 정보를 운전자에게 알려 주어야 하므로, 산업상 이용도가 매우 높을 것으로 기대된다.

Claims

배터리 관리시스템을 구비하고 배터리의 OCV 또는 충.방전 전류량의 적산에 의해 SOC를 산출하는데 있어서,
시간 경과에 따라 충.방전전류와 상관된 추정 OCV 전압을 연산하는 단계;
방전시간 경과에 대응하는 추정 OCV 및 SOC 값의 상관 테이블를 매핑하는 단계;
배터리의 충.방전 전류 총 적산량을 가감하여 SOC를 산출하는 단계;
만충전 조건이 도래되거나 상기 산출된 SOC 값이 소정의 보정점에 도래되면, 상기 SOC 값의 상관 테이블을 주기적으로 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 산출 방법.
제 1항에 있어서,
추정 OCV 및 SOC 값의 상관 테이블을 매핑하는 단계는,
방전시간 경과에 대응하는 추정 OCV 및 SOC 값의 상관 테이블 데이터를 시험적으로 산출하는 단계; 및
상기 단계에서 산출된 데이터를 배터리 관리시스템의 메모리에 저장하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 산출 방법.
제 1항에 있어서
상기 추정 OCV 및 SOC 값의 상관 테이블을 주기적으로 교정하는 단계는,
1) 배터리의 충전상태가 만충전 조건이 될 때 추정 OCV 전압을 측정 연산하고, 이전의 SOC 100% 에 대응되는 추정 OCV 전압을 상기 측정 연산된 추정 OCV 전압으로 교정하고, 시간 경과에 대응하는 추정 OCV 및 SOC 의 상관 테이블을 교정하는 단계;
2) 상기 만충전 이후, 충.방전 시간 경과에 대응하는 SOC 값을 충.방전전류 적산량에 의해 연산하는 단계;
3) 상기 2)단계에서 측정.연산된 SOC 값이 소정의 보정점에 도달된 후, 시간 경과에 대응된 충.방전전류 적산량의 측정 연산을 별도로 개시하는 단계;
4) 상기 3)단계에서 개시된 충.방전전류 적산량을 추정 OCV 전압이 방전 종지전압에 도달되는 구간 동안까지 연산하는 단계;
5) 상기 구간 동안의 충.방전전류 적산량과 상기 3)단계 이전에 측정된 SOC 보정점의 SOC 값을 비교하여 이에 해당되는 상관 테이블의 오차를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 산출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 추정 OCV 및 SOC 값의 상관 테이블은,
소정 시간단위로 추정 OCV 및 SOC의 상관 데이터를 맵핑할 수 있는 상관함수, 상관관계식 또는 상관그래프 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 산출 방법.
제 1항 또는 2항에 있어서,
상기 SOC 값의 보정점은 제 1 보정점으로,
측정 SOC 값이 20% 가 되는 점을 정하는 것을 특징으로 하는 SOC 산출 방법.
제 3항에 있어서,
단계 1)에서 추정 OCV 및 SOC값의 상관 테이블을 교정하는 데 있어서,
이의 교정 연산식은 식 5
인 것을 특징으로 하는 SOC 산출 방법.
제 3항에 있어서,
단계 5)에서 추정 OCV 및 SOC의 상관 테이블을 교정하는 데 있어서,
이의 연산.교정은, 식 6
또는
식 7
에 의한 것을 특징으로 하는 SOC 산출 방법.
배터리의 충.방전 상태를 측정 또는 관리하는 데 있어서,
시간 경과에 대응하는 추정 OCV 전압은 식 3

또는 식 4
에 의해 연산됨을 특징으로 하는 SOC 산출 방법.
제 4항에 있어서,
상기 SOC 상관 테이블은, 소정 경과 시간 단위로 배터리의 온도, 내부 저항, 온도에 따른 저감 계수 또는 방전 사이클 시간 경과에따른 저감 계수중 적어도 어느 하나 이상의 계수를 더 포함하여 추정 OCV 전압 별 SOC을 매핑한 것을 특징으로 하는 SOC 산출 방법.