KR20140066394A

KR20140066394A - 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법

Info

Publication number: KR20140066394A
Application number: KR1020120133557A
Authority: KR
Inventors: 모경구
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2014-06-02
Also published as: US9551757B2; KR101966062B1; US20140149058A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치는 배터리의 개방 회로 전압을 이용하여 상기 배터리의 SOC(State Of Charging)를 추정하는 제 1 추정부, 상기 배터리의 충방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 제 2 추정부, 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 출력 SOC를 기초로 상기 제 2 추정부에 의해 추정된 SOC에 대한 단위 보정값을 생성하는 보정부, 및 상기 제 2 추정부에 의해 추정된 SOC 및 누적 보정값을 이용하여 상기 출력 SOC를 산출하는 SOC 처리부를 포함하고, 상기 누적 보정값은 상기 단위 보정값을 기초로 생성되고, 상기 단위 보정값은 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC의 신뢰도에 비례한다.

Description

배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법{MEASURING DEVICE FOR STATE OF CHARGING OF BATTERY AND MEASURING METHOD THE SAME}

본 발명은 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리의 전하량을 추정하여 배터리 잔량을 측정하는 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.

휴대폰, 노트북 컴퓨터, 휴대용 게임기, 전자책 등 다양한 모바일 전자 기기들은 필요한 전력을 공급받는 전원으로 배터리를 사용한다. 최근에는 모바일 전자 기기뿐만 아니라 배터리에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 사용하는 전기 자동차 또한 상용화되고 있다. 이러한 모바일 전자 기기 또는 전기 자동차에 사용되는 배터리는 한정된 용량의 전하들을 축적하기 때문에 시간적으로 제한된 기간 동안에만 전력을 공급할 수 있다.

배터리에 충전되어 있는 전하가 모두 방전되면 모바일 전자 기기 및 전기 자동차는 더 이상 동작할 수 없게 되고, 배터리가 과방전되면 배터리의 사용 수명이 단축될 수 있다. 그러므로 모바일 전자 기기 및 전기 자동차는 실시간으로 배터리의 잔량을 측정하여 사용자가 확인할 수 있도록 이를 출력한다. 이를 통해 사용자들은 배터리의 잔량을 확인할 수 있고, 배터리 잔량에 따라 모바일 전자 기기의 기능들을 선택적으로 사용하거나 전기 자동차의 배터리가 방전되지 않도록 배터리를 충전할 수 있다. 따라서, 사용자들의 이러한 판단을 위해서는 배터리의 잔량을 정확하게 측정하는 기술이 필요하다. 특히, 전기 자동차의 경우 배터리로부터 공급되는 전원을 동력으로 이용하므로 배터리의 잔량을 정확하게 측정하는 것이 매우 중요하다.

이에, 본 발명의 목적은 배터리 잔량의 정확한 측정이 가능한 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 데 있다.

일 실시예에서, 상기 SOC 처리부는 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC가 상기 출력 SOC 보다 큰 경우 상기 누적 보정값에 상기 단위 보정값을 더하고, 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC가 상기 출력 SOC 보다 작은 경우 상기 누적 보정값에 상기 단위 보정값을 감할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제 1 추정부는 개방 회로 전압과 SOC의 대응 정보를 저장하는 테이블을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 SOC 처리부는 상기 제 2 추정부에 의해 추정된 SOC와 상기 누적 보정값을 더하여 상기 출력 SOC를 산출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보정부는 SOC와 개방 회로 전압의 관계 정보를 참조하여 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC의 신뢰도를 판단하는 신뢰도 판단부, 및 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC의 신뢰도를 기초로 단위 보정값을 산출하는 단위 보정값 산출부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 관계 정보는 SOC에 대한 개방 회로 전압의 변화 정보이고, 상기 신뢰도 판단부는 상기 변화 정보에서 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC에 대응하는 상기 개방 회로 전압의 변화량을 기초로 신뢰도를 판단할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 신뢰도 판단부는 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC에 대응하는 상기 개방 회로 전압의 변화량이 클수록 신뢰도가 높은 것으로 판단할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 단위 보정값 산출부는 상기 변화 정보에서 SOC에 대한 개방 회로 전압의 변화량의 최소값 및 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC에 대응하는 상기 개방 회로 전압의 변화량을 이용하여 상기 단위 보정값을 산출하고, 상기 변화 정보에서 상기 최소값 및 상기 출력 SOC에 대응하는 상기 개방 회로 전압의 변화량을 이용하여 상기 단위 보정값을 산출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 방법은 배터리의 개방 회로 전압을 이용하여 상기 배터리의 제 1 SOC(State Of Charging)를 추정하는 단계, 상기 배터리의 충방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 제 2 SOC를 추정하는 단계, 상기 제 1 SOC 또는 출력 SOC를 기초로 상기 제 2 SOC에 대한 단위 보정값을 생성하는 단계, 및 상기 단위 보정값을 이용하여 누적 보정값을 산출하고, 상기 제 2 SOC와 상기 누적 보정값을 이용하여 상기 출력 SOC를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 SOC를 추정하는 단계 및 상기 제 2 SOC를 추정하는 단계는 독립적으로 수행되고, 상기 제 1 SOC 또는 상기 출력 SOC를 기초로 상기 제 2 SOC에 대한 단위 보정값을 생성하는 단계는 상기 제 1 SOC 또는 상기 출력 SOC의 신뢰도에 비례하도록 상기 단위 보정값을 생성한다.

일 실시예에서, 상기 단위 보정값을 이용하여 누적 보정값을 산출하고, 상기 제 2 SOC와 상기 누적 보정값을 이용하여 상기 출력 SOC를 산출하는 단계는, 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC가 상기 출력 SOC 보다 큰 경우 상기 누적 보정값에 상기 단위 보정값을 더하고, 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC가 상기 출력 SOC 보다 작은 경우 상기 누적 보정값에 상기 단위 보정값을 감하고, 상기 제 2 SOC와 상기 누적 보정값을 더하여 상기 출력 SOC를 산출할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 배터리 잔량의 정확한 추정이 가능하다. 따라서, 배터리 잔량을 효율적으로 활용할 수 있다. 또한, 배터리의 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 배터리의 등가 모델을 보여준다.
도 3은 도 1의 보정부를 더욱 구체적으로 보여주는 블록도이다.
도 4a 및 4b는 도 3의 보정부의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 6은 도 5의 보정부를 더욱 구체적으로 보여주는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 8은 도 7의 S130 단계를 더욱 구체적으로 보여주는 블록도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법의 측정 결과를 제 1 추정부의 추정 결과와 비교하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 배터리의 충방전이 불규칙적으로 일어나는 경우에 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법의 측정 결과를 설명하기 위한 그래프이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

본 발명은 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다. 이하에서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치를 보여주는 블록도이다. 도 2는 도 1의 배터리의 등가 회로 모델을 보여준다.

도 1을 참조하면, 배터리 잔량 측정 장치(200)는 배터리(100)와 연결되어 배터리(100)의 전하량을 측정한다. 이하에서, 배터리(100)는 리튬-이온(Li-Ion) 배터리인 것으로 가정되나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 종류의 배터리(예를 들어, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온폴리머 전지)의 잔량 측정 장치에까지 본 발명의 기술적 사상이 확장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치(200)는 제 1 추정부(210), 제 2 추정부(220), 보정부(230) 및 SOC 처리부(240)를 포함한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 제 1 추정부(210)는 배터리(100)의 단자전압(Vbatt)의 시간에 대한 변화로부터 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV; Voc)을 추정하고, 추정된 개방 회로 전압을 이용하여 배터리(100)의 SOC(State Of Charging)를 추정할 수 있다.

개방 회로 전압(OCV)은 측정된 외부 단자 전압(Vbatt)의 시간에 따른 변화 및 내부 컨덕턴스에 대한 적절한 모델링(Modeling)을 통해 추정될 수 있다. 내부 컨덕턴스는 온도, 배터리 특성에 따라 변하므로 정확한 추정이 어렵다. 또한, 배터리의 동작 상태에 따라 흐르는 전류(Ibatt)가 다르기 때문에 정확한 개방 회로 전압(OCV)의 추정이 어렵다. 따라서, 제 1 추정부(210)의 개방 회로 전압(OCV)을 추정하는 과정에서 배터리(100)의 실제 내부 컨덕턴스와 일치하도록 내부 컨덕턴스가 추정되는지에 따라 SOC 추정에 에러가 발생할 수 있다. 측정된 외부 단자 전압(Vbatt)의 시간에 따른 변화로부터 개방 회로 전압(OCV)을 추정하는 방법은 당해 기술분야에서 알려진 다양한 방법들을 이용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략될 것이다.

다시 도 1을 참조하면, 제 1 추정부(210)는 OCV-SOC 테이블(211)을 포함할 수 있다. OCV-SOC 테이블(211)은 개방 회로 전압(OCV)과 SOC의 대응 정보를 포함할 수 있다. OCV-SOC 테이블(211)은 예를 들어, ROM으로 구성될 수 있다. 제 1 추정부(210)는 배터리(100)의 개방 회로 전압(OCV)에 대응하는 SOC를, OCV-SOC 테이블(211)을 참조하여 추정할 수 있다. 추정된 SOC는 보정부(230) 및 SOC 처리부(240)로 전달될 것이다.

제 2 추정부(220)는 배터리(100)의 충방전 전류를 이용하여 배터리(100)의 SOC를 추정할 수 있다. 예를 들어, 제 2 추정부(220)는 쿨롬 카운터(Coulomb Counter) 방법에 따라 배터리(100)의 SOC를 추정할 수 있다. 구체적으로, 제 2 추정부(220)는 배터리(100)의 충방전 전류를 시간에 대하여 적분하여 SOC를 추정할 수 있다.

한편, 제 2 추정부(220)는 쿨롬 카운터 방법에 따라 SOC를 추정하므로, SOC 추정 과정(예를 들어, 전류측정 과정)에서 발생하는 에러(ex. ADC 오프셋)가 적분되어 계속적으로 증가할 수 있다.

즉, 제 1 추정부(210) 및 제 2 추정부(220)는 배터리(100)의 SOC를 각각 추정할 수 있다.

보정부(230)는 제 1 추정부(210)에 의해 추정된 SOC의 신뢰도 판단 결과를 반영하여 단위 보정값(Correction Value, CV)을 생성할 수 있다. 보정부(230)는 제 1 추정부(210)에 의해 추정된 SOC의 신뢰도를 판단할 수 있다. 신뢰도는 개방 회로 전압(OCV)의 추정 에러에 대한 추정된 SOC의 에러율의 의미로 이해될 수 있다. 예를 들어, 개방 회로 전압(OCV)의 추정 에러에 대해 SOC의 추정 에러가 큰 경우 신뢰도는 낮은 것으로 판단될 것이고, SOC의 추정 에러가 작은 경우 신뢰도는 높은 것으로 판단될 것이다.

예를 들어, 보정부(230)는 제 1 추정부(210)에 의해 추정된 SOC의 신뢰도에 따라 신뢰도가 높은 경우 단위 보정값(CV)을 증가시키고, 신뢰도가 낮은 경우 단위 보정값(CV)을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 보정부(230)는 제 1 추정부(210)로부터 SOC를 전달받아 단위 보정값(CV)을 산출하고, 산출된 단위 보정값(CV)을 SOC 처리부(240)로 전달할 것이다. 보정부(230)의 동작에 대한 보다 구체적인 설명은 이하의 도 3을 참조하여 설명될 것이다.

SOC 처리부(240)는 누적 보정값(SOCoffset)을 산출할 수 있다. 구체적으로, SOC 처리부(240)는 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC1이 출력 SOC(SOCout) 보다 큰 경우 누적 보정값(SOCoffset)에 단위 보정값(CV)을 더하여 누적 보정값(SOCoffset)을 산출한다. SOC 처리부(240)는 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC1이 출력 SOC(SOCout) 보다 작은 경우 누적 보정값(SOCoffset)에 단위 보정값(CV)을 감하여 누적 보정값(SOCoffset)을 산출한다. 누적 보정값(SOCoffset)은 출력 SOC 산출 과정의 반복에 따라 단위 보정값(CV)이 누적되어 생성되는 보정값을 의미할 수 있다. 여기서, 출력 SOC(SOCout)는 이전에 생성된 출력 SOC(SOCout)를 의미할 수 있다.

SOC 처리부(240)는 제 2 추정부(220)에 의해 추정된 SOC(SOC2)와 누적 보정값(SOCoffset)을 이용하여 출력 SOC(SOCout)를 산출할 수 있다. 예를 들어, SOC 처리부(240)는 제 2 추정부(220)로부터 전달받는 SOC2와 누적 보정값(SOCoffset)을 더하여 출력 SOC(SOCout)를 산출할 수 있다.

상술한 바와 같이, 제 1 추정부(210)는 개방 회로 전압(OCV)을 추정하는 과정에서 오차가 발생할 수 있고, 이러한 오차는 SOC 추정 에러로 이어질 수 있다. 제 2 추정부(220)는 쿨롬 카운터 방법에 따라 SOC를 추정하므로, SOC 추정 과정에서 발생하는 에러(ex. ADC 오프셋)가 적분으로 인해 계속적으로 증가할 수 있다.

또한, 배터리 잔량 측정 장치(200)는 실시간으로, 그리고 연속적으로 배터리(100)의 잔량을 측정한다. 제 1 추정부(210)에서 발생되는 SOC 추정 에러는 단기적으로는 제 2 추정부(220)에서 발생되는 SOC 추정 에러보다 클 수 있으나, 장기적으로는 일정값 범위내에서 변동한다. 반면에, 제 2 추정부(220)에서 발생되는 SOC 추정 에러는 단기적으로는 제 1 추정부(210)에서 발생되는 SOC 추정 에러보다 작을 수 있으나, 장기적으로는 적분으로 인해 에러가 누적된다.

이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치(200)는 제 1 추정부(210)에 의해 추정된 SOC의 신뢰도를 반영하여 단위 보정값(CV)을 산출하고, 생성된 단위 보정값(CV)을 누적하여 누적 보정값(SOCoffset)을 산출한다. 또한, 제 2 추정부(220)에 의해 추정된 SOC(SOC2)에 누적 보정값(SOCoffset)을 더하여 출력 SOC(SOCout)를 산출한다. 따라서, 출력 SOC(SOCout)의 에러가 계속적으로 누적되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제 1 추정부(210)에 의해 추정된 SOC의 신뢰도가 높은 경우에는 단위 보정값(CV)을 증가시킴으로써 출력 SOC(SOCout)에 대한 제 1 추정부(210)에 의해 추정된 SOC의 영향을 증가시킨다. 반면에, 제 1 추정부(210)에 의해 추정된 SOC의 신뢰도가 낮은 경우에는 단위 보정값(CV)을 감소시킴으로써 출력 SOC(SOCout)에 대한 제 1 추정부(210)에 의해 추정된 SOC의 영향을 감소시킨다.

따라서, 배터리 잔량 측정에 있어 단기적으로 발생할 수 있는 SOC 추정 에러를 줄일 수 있고, 장기적으로 배터리 잔량 측정 시에 발산할 수 있는 SOC 추정 에러를 일정 범위내로 유지할 수 있으므로 정확한 배터리 잔량의 측정이 가능하다.

도 3은 도 1의 보정부를 더욱 구체적으로 보여주는 블록도이다. 도 4a 및 4b는 도 3의 보정부의 동작을 설명하기 위한 그래프이다. 도 4a의 그래프의 세로축은 개방 회로 전압(OCV)을 나타낸다. 도 4a의 그래프의 가로축은 SOC를 나타내며, 구체적으로 정규화된(normailized) SOC를 나타낸다.

먼저, 도 3을 참조하면, 보정부(230)는 신뢰도 판단부(231) 및 단위 보정값 산출부(232)를 포함한다.

신뢰도 판단부(231)는 SOC와 개방 회로 전압(OCV)의 관계 정보를 참조하여 제 1 추정부(210, 도 1 참조)로부터 전달받는 SOC의 신뢰도를 판단할 수 있다. 신뢰도 판단부(231)는 SOC와 개방 회로 전압(OCV)의 관계 정보를 데이터 베이스 형태로 미리 저장할 수 있다. SOC와 개방 회로 전압(OCV)의 관계 정보는 예를 들어, SOC에 대한 개방 회로 전압(OCV)의 변화를 나타낸 그래프일 수 있다.

도 4a를 참조하면, SOC에 대한 개방 회로 전압(OCV)의 변화를 나타낸 그래프가 도시된다. 도 4b를 참조하면, 정규화된 SOC에 대한 도 4a의 그래프의 기울기가 도시된다. 상술한 바와 같이, 도 4a의 그래프는 데이터 베이스 형태로 신뢰도 판단부(231)에 미리 저장될 수 있다.

신뢰도 판단부(231)는 SOC에 대한 개방 회로 전압(OCV)의 변화를 나타낸 그래프에서 제 1 추정부(210, 도 1 참조)로부터 전달받는 SOC에 대응하는 지점의 기울기(S)를 기초로 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC의 신뢰도를 판단한다. 구체적으로, 신뢰도 판단부(231)는 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC에 대응하는 지점의 기울기(S)가 클수록 신뢰도가 높은 것으로 판단할 수 있다. 또한, 예를 들어, 신뢰도 판단부(231)는 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC에 대응하는 지점의 기울기(S)가 미리 설정된 값보다 큰 경우 신뢰도가 높은 것으로 판단할 수 있다.

상술한 바와 같이 SOC의 신뢰도를 판단할 수 있는 이유는 SOC에 대한 개방 회로 전압의 변화를 나타낸 그래프의 기울기가 클수록 개방 회로 전압 추정 오차에 따른 SOC 추정 오차가 작기 때문이다. 예를 들어, a 부터 b 사이 구간에서는 개방 회로 전압(OCV)의 변화에 따른 SOC의 변화가 크다. 반면에, 0 부터 a 구간 및 b 부터 1 사이 구간에서는 개방 회로 전압(OCV)의 변화에 따른 SOC의 변화가 a 부터 b 사이 구간과 비교하여 상대적으로 작다. 한편, a 및 b 는 어디까지나 설명의 편의를 위해 예시적으로 설정된 것이며, 도 4a의 도시에 한정되는 것은 아니다.

다시 도 3을 참조하면, 단위 보정값 산출부(232)는 신뢰도 판단부(231)로부터 판단된 신뢰도를 기초로 단위 보정값(CV)을 산출할 수 있다. 단위 보정값 산출부(232)는 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC에 대응하는 지점의 기울기(S) 및 SOC에 대한 개방 회로 전압의 변화를 나타낸 그래프의 기울기의 최소값(Smin, Smin은 0이 아닌 실수)을 신뢰도 판단부(231)로부터 전달받을 수 있다. 단위 보정값 산출부(232)는 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC에 대응하는 지점의 기울기(S) 및 SOC에 대한 개방 회로 전압의 변화를 나타낸 그래프의 기울기의 최소값(Smin, Smin은 0이 아닌 실수)을 이용하여 단위 보정값(CV)을 생성할 것이다.

예를 들어, 단위 보정값 산출부(232)는 하기의 수학식 1을 기초로 단위 보정값(CV)을 산출할 수 있다.

여기서, A, B는 0이 아닌 임의의 실수, S 및 Smin은 0이 아닌 실수이다.

예를 들어, 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC에 대응하는 지점의 기울기(S)가 클수록 단위 보정값(CV)은 증가할 것이다. 반면에, 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC에 대응하는 지점의 기울기(S)가 작을수록 단위 보정값(CV)은 감소할 것이다. 즉, 제 1 추정부(210)로부터 전달받는 SOC의 신뢰도가 높을수록 단위 보정값(CV)은 증가할 것이다. 단위 보정값 산출부(232)는 상기와 같은 수학식 1을 통해 단위 보정값(CV)을 산출함으로써 제 1 추정부(210)에 의해 추정된 SOC의 신뢰도를 반영할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치를 보여주는 블록도이다. 도 5에서는 도 1에 도시된 배터리 잔량 측정 장치와의 차이점에 대해서 구체적으로 설명될 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치(200)는 제 1 추정부(210), 제 2 추정부(220), 보정부(230) 및 SOC 처리부(240)를 포함한다.

제 1 추정부(210), 제 2 추정부(220) 및 SOC 처리부(240)는 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다.

보정부(230)는 출력 SOC(SOCout)의 신뢰도 판단 결과를 반영하여 단위 보정값(Correction Value, CV)을 생성할 수 있다. 보정부(230)는 출력 SOC(SOCout)의 신뢰도를 판단할 수 있다.

예를 들어, 보정부(230)는 출력 SOC(SOCout)의 신뢰도가 높은 경우 단위 보정값(CV)을 증가시키고, 신뢰도가 낮은 경우 단위 보정값(CV)을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 보정부(230)는 SOC 처리부(240)로부터 출력 SOC(SOCout)를 전달받아 단위 보정값(CV)을 산출하고, 산출된 단위 보정값(CV)을 SOC 처리부(240)로 전달할 것이다. 보정부(230)의 동작에 대한 보다 구체적인 설명은 이하의 도 6을 참조하여 설명될 것이다.

도 6은 도 5의 보정부를 더욱 구체적으로 보여주는 블록도이다.

도 6을 참조하면, 보정부(230)는 신뢰도 판단부(231) 및 단위 보정값 산출부(232)를 포함한다.

신뢰도 판단부(231)는 SOC와 개방 회로 전압(OCV)의 관계 정보를 참조하여 SOC 처리부(240, 도 5 참조)로부터 전달받는 출력 SOC(SOCout)의 신뢰도를 판단할 수 있다. 신뢰도 판단부(231)는 SOC와 개방 회로 전압(OCV)의 관계 정보를 데이터 베이스 형태로 미리 저장할 수 있다. SOC와 개방 회로 전압(OCV)의 관계 정보는 예를 들어, SOC에 대한 개방 회로 전압(OCV)의 변화를 나타낸 그래프(예를 들어, 도 4a)일 수 있다.

신뢰도 판단부(231)는 SOC에 대한 개방 회로 전압(OCV)의 변화를 나타낸 그래프에서 출력 SOC(SOCout)에 대응하는 지점의 기울기(S)를 기초로 출력 SOC(SOCout)의 신뢰도를 판단한다. 구체적으로, 신뢰도 판단부(231)는 출력 SOC(SOCout)에 대응하는 지점의 기울기(S)가 클수록 신뢰도가 높은 것으로 판단할 수 있다. 또한, 예를 들어, 신뢰도 판단부(231)는 출력 SOC(SOCout)에 대응하는 지점의 기울기(S)가 미리 설정된 값보다 큰 경우 신뢰도가 높은 것으로 판단할 수 있다.

단위 보정값 산출부(232)는 신뢰도 판단부(231)로부터 판단된 신뢰도를 기초로 단위 보정값(CV)을 산출할 수 있다. 단위 보정값 산출부(232)는 출력 SOC(SOCout)에 대응하는 지점의 기울기(S) 및 SOC에 대한 개방 회로 전압의 변화를 나타낸 그래프의 기울기의 최소값(Smin, Smin은 0이 아닌 실수)을 신뢰도 판단부(231)로부터 전달받을 수 있다. 단위 보정값 산출부(232)는 출력 SOC(SOCout)에 대응하는 지점의 기울기(S) 및 SOC에 대한 개방 회로 전압의 변화를 나타낸 그래프의 기울기의 최소값(Smin, Smin은 0이 아닌 실수)을 이용하여 단위 보정값(CV)을 생성할 것이다.

예를 들어, 단위 보정값 산출부(232)는 상기의 수학식 1을 이용하여 단위 보정값(CV)을 생성할 것이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 방법은 배터리 단자 전압의 시간에 대한 변화로부터 추정된 개방 회로 전압(OCV)을 이용하여 배터리(100, 도 1 참조)의 제 1 SOC를 추정하는 단계(S110), 충방전 전류를 이용하여 배터리(100)의 제 2 SOC를 추정하는 단계(S120), 제 1 SOC(도 1 참조) 또는 출력 SOC(SOCout, 도 4 참조)에 기초하여 제 2 SOC에 대한 단위 보정값을 생성하는 단계(S130), 및 단위 보정값이 누적된 누적 보정값(SOCoffset) 및 제 2 SOC를 이용하여 출력 SOC(SOCout)를 생성하는 단계(S140)를 포함한다.

S110 단계 및 S120 단계는 독립적으로 수행될 수 있다. 즉, S110 단계 및 S120 단계에서 제 1 추정부(210, 도 1 참조) 및 제 2 추정부(220, 도 1 참조)는 특정 시점에서의 배터리(100)의 잔여 전하량(SOC)을 각각 추정할 수 있다.

S110 단계에서 제 1 추정부(210)는 측정된 배터리(100)의 외부 단자 전압의 시간에 대한 변화로부터 개방 회로 전압(OCV)을 추정하고, 추정된 개방 회로 전압(OCV)으로부터 제 1 SOC를 추정할 수 있다. 구체적으로, S110 단계에서 제 1 추정부(210)는 개방 회로 전압과 SOC의 대응 정보를 저장한 테이블을 참조하여 추정된 개방 회로 전압(OCV)에 대응되는 제 1 SOC를 추정할 수 있다.

S120 단계에서 제 2 추정부(220)는 쿨롬 카운터(Coulomb Counter) 방법을 사용하여 제 2 SOC를 추정할 수 있다. 구체적으로, 제 2 추정부(220)는 배터리(100)의 충방전 전류를 적분하여 제 2 SOC를 추정할 수 있다.

S130 단계에서 보정부(230)는 제 1 SOC 또는 출력 SOC(SOCout)를 기초로 제 2 SOC에 대한 단위 보정값을 산출한다. 보정부(230)는 제 1 SOC 또는 출력 SOC(SOCout)의 신뢰도에 따라 신뢰도가 높은 경우 단위 보정값을 증가시키고, 신뢰도가 낮은 경우 단위 보정값을 감소시킬 수 있다. 따라서, 제 1 SOC 또는 이전의 출력 SOC(SOCout)에 대한 신뢰도는 출력 SOC(SOCout)에 반영될 수 있다. S130 단계는 이하의 도 6을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.

S140 단계에서 SOC 처리부(240)는 누적 보정값(SOCoffset)과 제 2 SOC를 이용하여 출력 SOC(SOCout)를 산출한다. SOC 처리부(240)는 제 1 SOC가 출력 SOC(SOCout)보다 큰 경우 누적 보정값(SOCoffset)에 단위 보정값을 더하여 누적 보정값(SOCoffset)을 산출한다. SOC 처리부(240)는 제 1 SOC가 출력 SOC(SOCout)보다 작은 경우 누적 보정값(SOCoffset)에 단위 보정값을 감하여 누적 보정값(SOCoffset)을 산출한다. SOC 처리부(240)는 제 2 SOC와 누적 보정값(SOCoffset)을 더하여 출력 SOC(SOCout)를 산출할 것이다.

상술한 바와 같이, S110 단계에서 개방 회로 전압(OCV)를 추정하는 과정에서 에러가 발생할 수 있고, S120 단계에서 쿨롬 카운터 방법에 따라 SOC를 추정하므로, SOC 추정 과정에서 발생하는 에러(ex. ADC 오프셋)가 적분으로 인해 계속적으로 증가할 수 있다.

S110 단계에서 발생되는 SOC 추정 에러는 단기적으로는 S120 단계에서 발생되는 SOC 추정 에러보다 클 수 있으나, 장기적으로는 일정값 이내의 범위에서 변하며 발산하지 않는다. 반면에, S120 단계에서 발생되는 SOC 추정 에러는 단기적으로는 S110 단계에서 발생되는 SOC 추정 에러보다 작을 수 있으나, 장기적으로는 적분으로 인해 누적될 수 있다.

이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 방법은 S110 단계에서 추정된 SOC 또는 이전에 생성된 출력 SOC(SOCout)의 신뢰도를 반영하여 단위 보정값을 생성하고, 생성된 단위 보정값을 누적하여 누적 보정값(SOCoffset)을 생성한다. S120 단계에서 추정된 SOC에 누적 보정값(SOCoffset)을 더하여 출력 SOC를 산출한다. 따라서, S120 단계에서 추정된 SOC에 대한 에러가 누적하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 배터리 잔량 측정에 있어 단기적으로 발생할 수 있는 SOC 추정 에러를 줄일 수 있고, 장기적으로 발생할 수 있는 SOC 추정 에러를 일정 범위로 유지할 수 있으므로 정확한 배터리 잔량의 측정이 가능하다.

도 6은 도 5의 S130 단계를 더욱 구체적으로 보여주는 블록도이다.

도 6을 참조하면, 제 1 SOC 또는 출력 SOC(SOCout)에 기초하여 제 2 SOC에 대한 단위 보정값을 생성하는 단계(S130)는 SOC에 대한 개방 회로 전압(OCV)의 변화를 나타낸 그래프의 기울기를 이용하여 제 1 SOC의 신뢰도 또는 출력 SOC(SOCout)의 신뢰도를 판단하는 단계(S131), 및 SOC에 대한 개방 회로 전압(OCV)의 변화를 나타낸 그래프의 제 1 SOC에 대응하는 지점의 기울기 및 상기 그래프의 기울기의 최소값을 이용하여 단위 보정값(CV)을 생성하는 단계(S132)를 포함한다.

S131 단계에서 신뢰도 판단부(231, 도 3 참조)는 데이터 베이스 형태로 미리 저장된 SOC에 대한 개방 회로 전압(OCV)의 변화를 나타낸 그래프를 이용하여 제 1 SOC 또는 출력 SOC(SOCout)의 신뢰도를 판단한다. SOC에 대한 개방 회로 전압(OCV)의 변화를 나타낸 그래프는 도 4a에 도시된 바와 같다.

구체적으로, S131 단계에서 신뢰도 판단부(231)는 상기 그래프에서 제 1 SOC 또는 출력 SOC(SOCout)에 대응하는 지점의 기울기(S)가 클수록 신뢰도가 높은 것으로 판단할 수 있다. 또한, 예를 들어, S131 단계에서 신뢰도 판단부(231)는 상기 그래프에서 제 1 SOC에 대응하는 지점의 기울기(S) 또는 출력 SOC(SOCout)에 대응하는 지점의 기울기(s)가 미리 설정된 값보다 큰 경우 신뢰도가 높은 것으로 판단할 수 있다.

S132 단계에서 단위 보정값 산출부(232, 도 3 참조)는 상술한 수학식 1을 이용하여 단위 보정값(CV)을 산출한다. 즉, S132 단계에서 단위 보정값 산출부(232, 도 3 참조)는 S131 단계를 통해 생성되는 제 1 SOC에 대응하는 지점의 기울기(S)와 상기 그래프의 기울기의 최소값(Smin), 또는 출력 SOC(SOCout)에 대응하는 지점의 기울기(S)와 상기 그래프의 기울기의 최소값(Smin)을 이용하여 보정값(CV)을 산출한다.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법의 측정 결과를 제 1 추정부의 추정 결과와 비교하여 설명하기 위한 그래프이다.

구체적으로, 도 7은 제 1 추정부(210, 도 1 참조)의 개방 회로 전압(OCV) 추정 과정에서의 배터리(100, 도 1 참조)의 내부 컨덕턴스 추정 오차가 없는 경우의 시간에 따른 SOC, 시간에 따른 제 1 추정부(210)의 SOC 추정 에러 및 출력 SOC(SOCout)의 에러가 도시된다.

도 8은 제 1 추정부(210, 도 1 참조)의 개방 회로 전압(OCV) 추정 과정에서의 배터리(100, 도 1 참조)의 내부 컨덕턴스 추정 값이 실제 내부 컨덕턴스의 2배인 경우의 시간에 따른 SOC, 시간에 따른 제 1 추정부(210)의 SOC 추정 에러 및 출력 SOC(SOCout)의 에러가 도시된다.

도 9는 제 1 추정부(210, 도 1 참조)의 개방 회로 전압(OCV) 추정 과정에서의 배터리(100, 도 1 참조)의 내부 컨덕턴스 추정 값이 실제 내부 컨덕턴스의 0.5배인 경우의 시간에 따른 SOC, 시간에 따른 제 1 추정부(210)의 SOC 추정 에러 및 출력 SOC(SOCout)의 에러가 도시된다.

각 그래프의 가로축은 시간(hour) 단위를 갖는다. 각 그래프의 세로축인 시간에 따른 제 1 추정부(210)의 SOC 추정 에러 및 출력 SOC(SOCout)의 에러는 % 단위를 갖는다.

먼저, 시간에 따른 SOC의 경우 그래프의 기울기가 0인 구간은 배터리가 완전히 충전 또는 완전히 방전된 구간을 나타낸다. 예를 들어, SOC가 1인 구간은 완전히 충전, SOC가 0인 구간은 완전히 방전된 구간을 나타낸다. 기울기가 0이 아닌 구간은 배터리가 충전중이거나 또는 방전중인 구간을 나타낸다.

도 7의 경우 제 1 추정부(210)의 SOC 추정 에러는 약 -1 내지 1 %인 반면에 출력 SOC(SOCout) 에러는 -0.4 내지 0.1 % 이다. 도 8의 경우 SOC 추정 에러는 -10 내지 10% 인 반면에 출력 SOC(SOCout) 에러는 -1 내지 0.2 %로서 훨씬 작은 값으로 유지된다. 도 9의 경우 SOC 추정 에러는 -5 내지 5 %인 반면에 출력 SOC(SOcout) 에러는 -0.6 내지 0.2 % 로 훨씬 작은 범위의 값으로 유지된다.

결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법에 따라 측정되는 출력 SOC(SOCout)의 에러는 제 1 추정부(210, 도 1 참조)에 의해 추정되는 SOC 에러보다 더 작다(약 1/10 수준). 또한, 배터리의 내부 컨덕턴스에 대한 추정오차가 100%에 이르러 제1 추정부(210)의 추정오차가 큰 경우에도 매우 작은 출력 SOC 추정 오차를 유지한다. 또 시간에 따라 출력 SOC 추정 오차가 누적되지도 않는다는 것을 알 수 있다.

도 10은 배터리의 충방전이 불규칙적으로 일어나는 경우에 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법의 측정 결과를 설명하기 위한 그래프이다.

도 10을 참조하면, 시간에 따라 SOC 처리부(240, 도 1 참조)로부터 출력되는 출력 SOC(SOCout)가 도시된다.

(a)의 경우, 도 7에서 설명된 바와 같이, 제 1 추정부(210, 도 1 참조)의 개방 회로 전압(OCV) 추정 과정에서의 배터리(100, 도 1 참조)의 내부 컨덕턴스 추정 오차가 없는 경우의 SOC(SOCout)의 에러를 나타낸다.

(b)의 경우, 도 8에서 설명한 바와 같이, 제 1 추정부(210, 도 1 참조)의 개방 회로 전압(OCV) 추정 과정에서의 배터리(100, 도 1 참조)의 내부 컨덕턴스 추정값이 실제 컨덕턴스의 2배인 경우의 SOC(SOCout)의 에러를 나타낸다.

(c)의 경우, 도 9에서 설명한 바와 같이, 제 1 추정부(210, 도 1 참조)의 개방 회로 전압(OCV) 추정 과정에서의 배터리(100, 도 1 참조)의 내부 컨덕턴스 추정 값이 실제 컨덕턴스의 0.5배인 경우의 출력 SOC(SOCout)의 에러를 나타낸다.

(a), (b) 및 (c)의 경우 각각 출력 SOC(SOCout) 에러는 다르다. 구체적으로, (a)의 경우 출력 SOC(SOCout) 에러는 약 -1 내지 1 %이고, (b)의 경우 출력 SOC(SOCout) 에러는 약 -3 내지 0.5 %이고, (c)의 경우 출력 SOC(SOCout) 에러는 약 -2.5 내지 0.5 %이다. 시간이 지날수록 (a), (b) 및 (c)의 경우 모두 출력 SOC(SOCout) 에러는 일정한 범위 내에서 변동하며, 발산하지 않는다. 또한, 제 1 추정부(210)의 신뢰도가 높은 구간에 있는 경우, SOC 추정 오차가 0에 가까운 값으로 보정되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 잔량 측정 장치 및 측정 방법은 제 1 추정부(210)에 의한 SOC 추정 및 제 2 추정부(220)에 의한 SOC 추정에 따른 에러를 최소화하여 정확한 배터리 잔량 측정이 가능하다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위와 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 배터리
200: 배터리 잔량 측정 장치
210: 제 1 추정부
220: 제 2 추정부
230: 보정부
240: SOC 처리부
211: OCV-SOC 테이블
231: 신뢰도 판단부
232: 보정값 산출부

Claims

배터리의 개방 회로 전압을 이용하여 상기 배터리의 SOC(State Of Charging)를 추정하는 제 1 추정부;
상기 배터리의 충방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 제 2 추정부;
상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 출력 SOC를 기초로 상기 제 2 추정부에 의해 추정된 SOC에 대한 단위 보정값을 생성하는 보정부; 및
상기 제 2 추정부에 의해 추정된 SOC 및 누적 보정값을 이용하여 상기 출력 SOC를 산출하는 SOC 처리부를 포함하고,
상기 누적 보정값은 상기 단위 보정값을 기초로 생성되고,
상기 단위 보정값은 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC의 신뢰도에 비례하는 배터리 잔량 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 SOC 처리부는 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC가 상기 출력 SOC 보다 큰 경우 상기 누적 보정값에 상기 단위 보정값을 더하고,
상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC가 상기 출력 SOC 보다 작은 경우 상기 누적 보정값에 상기 단위 보정값을 감하는 배터리 잔량 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 추정부는 개방 회로 전압과 SOC의 대응 정보를 저장하는 테이블을 포함하는 배터리 잔량 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 SOC 처리부는 상기 제 2 추정부에 의해 추정된 SOC와 상기 누적 보정값을 더하여 상기 출력 SOC를 산출하는 배터리 잔량 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 보정부는 SOC와 개방 회로 전압의 관계 정보를 참조하여 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC의 신뢰도를 판단하는 신뢰도 판단부; 및
상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC의 신뢰도를 기초로 단위 보정값을 산출하는 단위 보정값 산출부를 포함하는 배터리 잔량 측정 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 관계 정보는 SOC에 대한 개방 회로 전압의 변화 정보이고,
상기 신뢰도 판단부는 상기 변화 정보에서 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC에 대응하는 상기 개방 회로 전압의 변화량을 기초로 신뢰도를 판단하는 배터리 잔량 측정 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 신뢰도 판단부는 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC 또는 상기 출력 SOC에 대응하는 상기 개방 회로 전압의 변화량이 클수록 신뢰도가 높은 것으로 판단하는 배터리 잔량 측정 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 단위 보정값 산출부는
상기 변화 정보에서 SOC에 대한 개방 회로 전압의 변화량의 최소값 및 상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC에 대응하는 상기 개방 회로 전압의 변화량을 이용하여 상기 단위 보정값을 산출하고,
상기 변화 정보에서 상기 최소값 및 상기 출력 SOC에 대응하는 상기 개방 회로 전압의 변화량을 이용하여 상기 단위 보정값을 산출하는 배터리 잔량 측정 장치.
배터리의 개방 회로 전압을 이용하여 상기 배터리의 제 1 SOC(State Of Charging)를 추정하는 단계;
상기 배터리의 충방전 전류를 이용하여 상기 배터리의 제 2 SOC를 추정하는 단계;
상기 제 1 SOC 또는 출력 SOC를 기초로 상기 제 2 SOC에 대한 단위 보정값을 생성하는 단계; 및
상기 단위 보정값을 이용하여 누적 보정값을 산출하고, 상기 제 2 SOC와 상기 누적 보정값을 이용하여 상기 출력 SOC를 산출하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 SOC를 추정하는 단계 및 상기 제 2 SOC를 추정하는 단계는 독립적으로 수행되고,
상기 제 1 SOC 또는 상기 출력 SOC를 기초로 상기 제 2 SOC에 대한 단위 보정값을 생성하는 단계는 상기 제 1 SOC 또는 상기 출력 SOC의 신뢰도에 비례하도록 상기 단위 보정값을 생성하는 배터리 잔량 측정 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 단위 보정값을 이용하여 누적 보정값을 산출하고, 상기 제 2 SOC와 상기 누적 보정값을 이용하여 상기 출력 SOC를 산출하는 단계는,
상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC가 상기 출력 SOC 보다 큰 경우 상기 누적 보정값에 상기 단위 보정값을 더하고,
상기 제 1 추정부에 의해 추정된 SOC가 상기 출력 SOC 보다 작은 경우 상기 누적 보정값에 상기 단위 보정값을 감하고,
상기 제 2 SOC와 상기 누적 보정값을 더하여 상기 출력 SOC를 산출하는 배터리 잔량 측정 방법.