KR20160011701A - 배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법 - Google Patents

배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

충전 상태를 추정하기 위한 알고리즘에 의해 배터리의 충전 상태를 추정하는 적어도 하나의 단계 및 추정 단계 동안에 실행되는 추정 알고리즘을 리셋하는 적어도 하나의 단계를 포함하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법에 있어서, 리셋 단계는, 주어진 순간에서 배터리의 충전 상태의 실제 값을 검출하는 단계 - 상기 단계는 충전 상태의 제1 레벨과 제2 레벨 사이에 배터리를 충전 또는 방전하는 단계(E8); 충전 또는 방전 동안에 배터리의 단자에 걸친 전압을 측정하는 단계(E12); 상기 전압의 시간 미분치를 평가하는 단계(E14); 충전 상태의 알려지거나 미리 정의된 실제 값에 해당하는 상기 미분치의 적어도 하나의 특정 점을 검출하는 단계(E16)의 실행에 의해 주어짐 - 와, 상기 주어진 순간에서 충전 상태의 상기 실제 값을 아는 추정 알고리즘을 리셋하는 단계(E20)를 포함한다.

Description

배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법{METHOD FOR EVALUATING THE CHARGE STATUS OF A BATTERY}
본 발명은 배터리를 관리하기 위한 방법에 관한 것인데, 좀 더 상세히, 본 발명은 시간과 노화에 따른 배터리 상태의 진화를 제어하기 위하여, 배터리의 충전 상태의 기설정된 값의 검출에 기초하여, 배터리의 충전 상태 및/또는 건강 상태를 평가하기 위한 방법을 포함한다. 또한, 본 발명은 배터리에 관한 것이어서, 이는 본 방법을 실행할 수 있도록 하는 장치를 포함한다. 마지막으로, 배터리 관리 방법을 실행하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
배터리(또는 전기화학 축전지)의 상태에 대한 지식은 배터리가 존재하는 어떠한 순간에 충전 상태(SOC)의 계산을 특히 포함한다. 따라서, 충전 게이지(표시기)의 상태는 일반적으로 이러한 배터리와 관련된다. 이러한 게이지는 배터리를 관리하기 위한 시스템에 의해 관리되는데, 이는 배터리와 연결된 센서에 의해 수행되는 측정과 기설정된 알고리즘에 기초하여, 배터리의 충전 상태의 평가를 실행한다. 모든 종래 기술을 사용하면, 시간에 따라, 노화에 따라, 배터리의 충전 상태의 이러한 추정의 퇴화가 주목된다. 이러한 형상을 완화시키기 위해, "충전 게이지의 상태의 리셋팅"이라는 실행 단계가 알려져 있는데, 이는 알고리즘이 오래가는 방식으로 신뢰성 있는 추정을 달성할 수 있도록, 기설정된 알고리즘의 시간, 가령 이들 알고리즘의 파라미터가 있는 적응예로 구성된다.
배터리의 충전 상태의 게이지를 리셋하는 단계를 실행하기 위한 종래 기술의 첫 번째 절차는 배터리의 완전 충전을 수행하고, 선택사항으로, "배터리 팩"이라고하는 아키텍처에서, 직렬 및/또는 병렬 컨피규레이션에 따라 조립된 여러 셀에 배터리가 포함될 때, 이들 배터리를 균형잡는 것으로 구성된다. 완전 충전을 달성하면, 게이지는 완전 충전을 100%로 조절함에 의해 리셋된다.
배터리의 충전 상태의 게이지를 리셋하는 단계를 실행하기 위한 종래 기술의 두 번째 대안적인 절차는 배터리의 완전 방전을 수행하는 것으로 구성되는데, 이는 게이지를 0% 리셋할 수 있는 충전의 제로 상태를 달성할 수 있다.
따라서, 이들 리셋 단계는 궁극적으로, 배터리를 완전히 충전되거나 방전된 컨피규레이션으로 위치시키는 것으로 구성되고, 이러한 실제값에 대한 추정 알고리즘을 리셋하기 위하여, 충전의 실제 상태가 알려진다. 당연히, 종래 기술의 해결책의 단점은, 이들이 배터리의 완전한 충전이나 방전을 정기적으로 실행할 것을 요하므로, 시간 손실을 발생시키는 것이다.
배터리의 충전 상태의 게이지를 리셋하기 위한 또 다른 절차는 리셋 단계(충전 전류나 방전 전류 없이) 동안에 전압을 측정하는 단계로 구성된다. 이러한 측정은 충전 상태와 직접 관련될 수 있다. 그러나, 이러한 절차는 매우 정확한 전압 센서를 가질 것을 요하는데, 왜냐하면, 사용되는 배터리 기술에 따르면, 부하 없는 전압 측정은 충전 상태의 함수로서 매우 유한하게 진화하기 때문이다.
게다가, 종래 기술의 배터리 관리는 "건강 상태" 또는 간단히 SOH라고 하는 배터리의 노화를 나타내는 상보적인 표시자를 종종 요구한다. 충전 상태의 추정을 참조하여 설명된 현상과 유사한 방식으로, SOH의 추정은 추정 절차의 드리프트를 완화시키기 위해 리셋 단계를 요한다. 일반적으로 이러한 리셋은 완전한 충전 이후에 배터리의 완전한 방전의 단계에 달려 있어서, 리셋의 순간 tr 에서 배터리로 전송된 충전(암페어 시간으로) Ah(tr)의 총합을 얻어서, 전체적으로 충전되고 균형있는 상태를 얻는다. 이러한 측정은 다음 계산식을 통해 순간 tr에서 배터리의 건강 상태(SOH(tr))를 계산할 수 있다.
SOH(tr) = Ah(tr) / Ah(ti)
여기서 Ah(ti)는 동일한 충전 조건하에서 배터리의 새로운 상태에 있는 동일한 배터리에 의해 수신된 충전(암페어-시간으로)의 총합이다.
그러므로, 이러한 절차는 추정과 관련하여 동일한 제한을 제시하는데, 이들은 배터리의 완전한 방전과 완전한 재충전을 요하기 때문에, 충전 게이지의 상태의 리셋에 의해 유도된다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 종래의 단점을 포함하지 않는, 배터리의 충전 상태 및/또는 건강 상태를 추정하기 위한 해결책을 제시하는 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명의 목적은 추정의 정확성을 개선하면서 추정 방법을 용이하게 할 수 있는 배터리의 충전 상태 및/또는 건강 상태를 추정하기 위한 해결책을 제시하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 배터리의 충전 상태의 미리 정의된 값을 검출하기 위한 방법을 정의하는데, 상기 방법은,
- 충전 상태의 제1 레벨과 제2 레벨 사이에서 배터리를 충전 또는 방전하는 단계와,
- 이러한 충전이나 방전 동안에 배터리의 단자들에 걸친 전압을 측정하는 단계와,
- 상기 전압의 시간 미분치를 평가하는 단계와
- 충전 상태의 알려지고 미리 정의된 실제 값에 해당하는 미분치의 적어도 하나의 특정 점(particular point)을 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명은 배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법에 관한 것인데, 상기 방법은, 충전 상태를 추정하기 위한 알고리즘에 의해 배터리의 충전 상태를 추정하는 적어도 하나의 단계 및 추정 단계 동안에 실행되는 추정 알고리즘을 리셋하는 적어도 하나의 단계를 포함하고, 리셋 단계는,
- 미분치의 상기 특정 점이 검출되는 순간에 해당하는 주어진 순간에서 충전 상태의 실제 값을 검출하기 위하여, 상기 기술된 것과 같은 검출 방법의 실행에 의해 배터리의 충전 상태의 미리 정의된 값을 검출하는 단계와,
- 상기 주어진 순간에서 충전 상태의 상기 실제 값을 아는 추정 알고리즘을 리셋하는 단계를 포함한다.
배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 곡선의 특정 점에 대한 검색은 이 곡선의 일부에 대한 최대값이나 최솟값의 검출로 구성된다.
충전 상태의 미리 정의된 값을 검출하기 위한 방법의 실행 동안에, 전압의 시간 미분치를 평가하는 단계는 전압의 시간 미분치를 순간적으로 추정하는 단계와 미분치의 추정치를 매끄럽게 하는 단계를 포함한다.
매끄럽게 하는 단계는 미분치의 추정치의 슬라이딩 브라켓(sliding bracket)에 걸친 평균을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법은 배터리의 충전 상태가 리셋 단계의 시작을 허락하는 구간(범위)에 있는지 아닌지를 검출하기 위한 검출 단계를 포함할 수 있다.
배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법은, 배터리가 완전히 방전되면 배터리의 건강 상태를 평가하기 위한 알고리즘을 리셋하는 단계를 실행하는 단계를 포함할 수 있다.
배터리의 건강 상태를 추정하기 위한 알고리즘을 리셋하는 단계는,
- 배터리를 충전하는 단계와,
- 충전의 시작부터 배터리로 전송되는 충전을 추정하는 단계와,
- 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치를 관측하여 상기 미분치의 적어도 하나의 특정 점을 결정하는 단계와,
- 상기 특정 점이 얻어질 때까지, 배터리에 전송되는 전체 충전에 기초하여, 건강 상태를 추정하기 위한 알고리즘을 리셋하는 단계를 포함할 수 있다.
배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법은 배터리의 온도를 측정하는 단계 및 배터리의 온도가 레퍼런스 온도 값 주위의 ± 20%의 구간에 있지 아니하면, 배터리를 냉각 또는 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법은, 배터리의 여러 서브-어셈블리의 충전 상태의 확산을 추정하는 단계 및 확산이 스레숄드를 넘으면 충전 상태를 균형있게 하는 단계를 포함하되, 상기 균형있게 하는 단계는 이전에 미리 정의된 바와 같은 미리 정의된 값을 검출하기 위한 방법의 실행 이전에 수행된다.
배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법은, 리튬 망간 티탄산염의 하나 이상의 기초 배터리(배터리들)를 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 단계를 포함할 수 있는데, 충전 상태가 40% 미만이거나 56 내지 60% 사이에 있을 때, 배터리의 충전에 의한 리셋 단계의 시작이 허용되고, 리셋 단계는 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치(E10)의 곡선의 최대점(Pmax)에 대해 50 내지 60%, 또는 53 내지 56%에 있는 충전 값의 상태와 연관되며, 시간 미분치의 값은 10 내지 13 V.s-1, 또는 11 내지 12 V.s-1에 있고, 및/또는 이 곡선의 최소점(Pmin)에 대해 60 내지 65% 에 있는 충전 상태에 있으며, 배터리의 15 내지 30℃ 온도에서 시간 미분치의 값은 4 내지 5 V.s-1이다.
배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법은, 리튬 망간 티탄산염 타입의 하나 이상의 기초 배터리(배터리들)를 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 단계를 포함하고, 충전 상태가 40% 또는 50% 보다 클 때, 배터리의 방전에 의한 리셋 단계의 시작이 허용되고, 리셋 단계(E20)는 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 곡선의 최대점(Pmax)에 대해 32 내지 35%, 또는 30 내지 36%에 있는 충전 값의 상태와 연관되며, 시간 미분치의 값은 -5.5 내지 -4.5 V.s-1에 있고, 및/또는 이 곡선의 최소점(Pmin)에 대해 40 내지 46%에 있는 충전 상태에 있으며, 배터리의 15 내지 30℃ 온도에서 시간 미분치의 값은 -10 내지 -8 V.s-1이다.
배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법은 충전 단계나 방전 단계에서 배터리의 단자에 걸쳐 전압의 시간 미분치의 곡선의 적어도 일부를 플롯팅(plotting) 하는 단계, 상기 곡선의 적어도 하나의 특정 점을 검출하는 단계, 및 적어도 하나의 특정 점과 연관된 충전 상태를 측정하는 단계로 구성된 사전 교정 단계를 포함할 수 있다.
배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법은 하나의 동일한 배터리 팩의 여러 기초 배터리들에 대한 충전 상태의 평가를 실행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 및 배터리와 연관된 프로세서를 포함하는 시스템에 관한 것으로서, 상기 프로세서는 이전에 설명된 바와 같은 배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법을 구동한다.
시스템은 적어도 하나의 배터리의 온도 센서 및 배터리의 단자에 걸친 전압 및/또는 전류 센서 및 상기 센서들의 측정치를 전송하기 위한 상기 센서들과 프로세서와의 통신을 위한 장치를 포함한다.
배터리는 리튬 망간 티탄산염 타입이다.
배터리를 관리하기 위한 시스템은 이전에 설명된 바와 같은 배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법을 실행하고 구동하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 관리 유닛에 의해 판독 가능한 컴퓨터 매체에 관한 것으로서, 이는 이전에 설명된 바와 같은 배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법을 실행하고 구동하는 컴퓨터 프로그램 코드 수단을 포함하는 리코딩 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 효과를 제한하지 않으면서 특정 실시예의 다음 설명에 자세히 제시될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전 상태 및/또는 건강 상태를 추정하는 방법의 리셋의 단계의 개략도를 나타낸다.
도 2 내지 5는 예시에 의한 배터리의 노화의 다양한 상태에 대해, 충전 단계 동안에, 배터리의 충전 상태의 함수로서 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 진화를 각각 나타낸다.
도 6 내지 8은 예시에 의한 배터리의 노화의 다양한 상태에 대해, 방전 단계 동안에, 배터리의 충전 상태의 함수로서 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 진화를 각각 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리의 충전 상태를 추정하는 방법은 추정 절차가 실행되는 동안에 추정 단계를 포함하는데, 이는 리셋 단계에 의해 중단된다. 이들 리셋 단계는, 추정 단계 동안에 사용되는 알고리즘에 의해 실행되는 계산의 예시적인 파라미터를 수정하기 위해, 충전 값의 정확한 상태에 기초하여, 추정 단계 동안에 실행되는 계산을 리셋할 수 있고, 배터리의 노화를 감안하기 위하여 파라미터의 값을 업데이트 할 수 있으며, 또한, 센서에 의해 수행되는 측정치, 특히 온도의 드리프팅을 가능하게 한다. 이러한 업데이트, 아니면 보상은 종래 기술과 관련하여 설명되는 것과 동일한 접근법에 따라 수행된다.
그러나, 이하 자세히 설명될 리셋 단계는 배터리의 노화되더라도, 종래 기술의 해결책 보다 더 간단하고 덜 제약적인 방식으로, 적어도 하나의 정확하고 신뢰성 있는 배터리의 충전 상태의 값을 얻을 수 있도록 한다. 따라서, 이러한 접근법은 종래 기술의 절차를 사용하는 것보다 더 현저한 발생에 따른 리셋 단계를 실행할 수 있어서, 배터리의 충전 상태의 추정의 정확성에 있어서 전반적으로 개선된다. 이러한 발생은, 충전 상태의 추정의 높은 정확성과 충전 상태를 추정하는 전반적인 방법의 명료성 사이에서 최적의 타협점을 달성하기 위해 선택된다. 또한, 더 간단하고 덜 강건한 충전 상태를 추정하기 위한 알고리즘을 선택할 수 있고, 성능에서의 감소는 더 많은 리셋 단계에 의해 적어도 보상될 것이다.
실시예에 따른 배터리의 충전 상태의 추정을 리셋하는 단계가 이제 설명될 것이다. 이러한 리셋 단계는 배터리의 충전 동안에 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 진화의 관측을 요한다.
도 2 내지 5는 배터리의 노화의 다양한 상태, 좀 더 구체적으로는, 배터리의 충전/방전의 각각 3400, 5800, 8250 및 16900 사이클에 대하여, 배터리 팩의 충전 상태의 함수로서, 리튬 망간 티탄산염 기술의 배터리 팩의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 진화를 각각 도시하는 곡선(3, 5, 7, 9)를 예시로서 나타낸다. 이들 곡선은 배터리의 충전의 단계 동안에 형성된다. 마이크로-사이클은 방전 깊이의 25%에 대해, 다시 말해 충전 SOC 상태의 55% 내지 80% 사이에서 수행되는 부분적으로 충전과 방전에 해당된다. 배터리는 16900 마이크로 사이클 이후에 용량의 6% 손실을 가진다는 것에 유의한다.
이들 곡선(3, 5, 7, 9)을 얻는 것은 다음 단계를 통해 얻을 수 있다.
- 배터리의 완전히 방전된 상태에 기초하여, 정상 조건하에서 배터리를 충전하는 단계와,
- 0.2 Hz의 주파수에 따라 측정 센서로, 충전 동안에 배터리의 단자에 걸친 전압을 측정하는 단계와,
전압의 시간 미분치를 계산하여, 도 2 내지 5의 각각의 곡선(2, 4, 6, 8)을 산출하는 단계와
- 150초 구간의 윈도우에 걸쳐(이는 주어진 주파수에 대해 30 값을 나타냄), 전압의 시간 미분치의 이전에 얻었던 값의 슬라이딩 평균을 계산하는 단계를 통해 얻을 수 있는데, 슬라이딩 평균은 상기 제시된 곡선(3, 5, 7, 9)를 그릴 수 있도록 하고, 곡선(2, 4, 6 및 8)에서 보이는, 순간적인 평가를 통해 얻어진 오실레이션을 피할 수 있다.
당연히, 상기 언급된 파라미터는 예시와 같고, 전기적 충전의 다른 조건하에서 및/또는 다른 측정의 파라미터로 또는 배터리의 전압의 추정 및 이러한 전압의 시간 미분치의 계산으로 이러한 곡선을 얻을 수 있다. 바람직하게는, 이러한 시간 미분치는 필터링되어서, 원시 측정으로부터 발생하는 곡선(2, 4, 6, 8)에 대해 매끄러운 곡선(3, 5, 7, 9)을 얻는다. 수행된 필터링 작업은 계산된 미분치의 값을 평균화하기 위하여, "로우-패스" 타입으로 한다.
곡선(3, 5, 7 및 9)는 전압의 시간 미분치가 배터리의 노화 상태에도 유사한 모양을 나타내고, 특히 하나는 최대치(Pmax)에 다른 하나는 최소치(Pmin)인 두 개의 특정 점이 나타나는데, 이는 배터리의 노화와 실질적으로 독립된 방식으로, 15℃ 내지 30℃에 있는 배터리의 온도에서, 각각 54% 및 62%의 충전 상태의 값에 대해 얻는다. 좀 더 일반적으로, 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 곡선의 최대점(Pmax)은 50 내지 60%, 실은 53 내지 56%에 있는 충전 값의 상태에 대해 얻어진다. 게다가, 전압의 시간 미분치는 최대점(Pmax)에서 11.5 V.s- 1 의 값을 가지며, 좀 더 일반적으로 10 내지 13 V.s-1, 실은 11 내지 12 V.s-1의 값을 가진다. 게다가, 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 곡선의 최소점(Pmin)은 60 내지 65%에 있는 충전 값의 상태에 대해 얻어지고, 전압의 시간 미분치는 최소점(Pmin)에서 4.3 V.s- 1 의 값을 가지며, 좀 더 일반적으로 4 내지 5 V.s-1의 값을 가진다.
이러한 결과는 배터리 팩을 형성하는, 복수의 기초 배터리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 것을 포함하는 더 복잡하거나 덜 복잡한 배터리 아키텍처에서도 동일하다. 따라서, 주어진 배터리에 대해, 배터리의 전압의 시간 미분치의 곡선의 이들 특정 점의 적어도 하나의 관측은 배터리의 충전의 상태의 정확한 값의 만족도로 나타날 수 있는데, 우리는 이러한 충전 상태의 실제 값으로 간주한다.
기초 배터리가 균형있고, 충전 레벨에 근접함을 나타내면서 정확성은 더욱 만족된다. 다르게 말하면, 기초 배터리의 충전 레벨의 확산이 더 낮을수록, 정확성은 더 우수할 것이다.
이러한 결과에 기초하여, 배터리의 충전 상태를 추정하는 방법의 리셋 단계에서 실행되는 원리는, 배터리의 충전 동안에 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 곡선의 추정으로 구성되는데, 이 곡선의 적어도 하나의 특정 점의 결정에서, 이는 배터리의 충전 상태의 실제 값을 이로부터 정확하게 추론할 수 있고, 이는 리셋 단계 이외에서 사용되는, 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 모델의 리셋을 위한 역할을 한다.
충전 상태의 실제 값의 개념은 충전 상태를 계산하기 위한 알고리즘에 의해 계산된 값에 해당하는 충전 상태의 추정된 값에 반대되는 것으로 정의된다. 계산 알고리즘 또는 추정 알고리즘은 충전 상태의 추정된 값을 계산하기 위해, 물리적 양, 가령 배터리의 단자에 걸친 전압의 값을 사용한다. 반대로, 충전 상태의 특정한 실제 값은 특징적인 물리적 현상의 검출에 의해 얻어지는데, 상기 특징적인 물리적 현상은 충전 상태의 순간적인 값이 상기 특징적인 물리적 현상의 검출 순간에서, 알려지고, 미리 결정된 값과 동일하다는 것을 확인할 수 있다.
도 1은 예시로서 리튬 망간 티탄산염 기술로 구성된 배터리 팩이 적용된 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전 상태를 추정하는 방법의 리셋의 단계를 도시한다.
제1 단계(E2)에서, 본 방법은, 비록 리셋 전에 불완전지만, 충전 게이지의 상태 또는 다른 수단, 가령 배터리의 충전 상태를 나타낼 수 있는 배터리의 전기화학적 시스템의 무부하 전압 측정에 기초하는 것에 의해 추정된 것과 같은 배터리의 충전 SOC의 상태가 리셋 단계의 실행을 위해 허용가능한 브라켓에 있다는 것을 확인한다. 전압 미분 곡선의 눈에 띄는 점들 중 하나를 얻을 수 있게 하는 포지션에 배터리의 충전 상태가 있는 것이 매우 중요하다. 고려된 예시에서, 이 브라켓은 SOC < 40%에 의해 정의되는 것이 바람직하여서, 배터리의 다음 충전 동안에 전압의 미분 곡선의 최소점 Pmax를 검출할 수 있도록 보장할 수 있다. 변형예로서, 이러한 브라켓은 곡선의 최소점 Pmin을 검출할 목적의 56% 내지 60%일 수 있다. 미리 정의된 조건이 이러한 단계 E2 동안에 만족하지 못하면, 리셋 단계가 관여되지 않는다.
단계 E4에서, 본 방법은 배터리의 온도를 측정하고, 이를 레퍼런스 온도와 비교한는데, 상기 레퍼런스 온도는 일반적으로 바람직하게 15℃ 내지 30℃, 20℃에 근접한 주변 온도이다. 만일 배터리의 온도가 레퍼런스 온도보다 높으면, 레퍼런스 온도가 추구하는 값을 얻거나, 이 레퍼런스 온도로부터 20% 벗어나지 않는 값을 얻을 때까지, 배터리의 냉각 단계 E6가 실행되는 것이 바람직하다. 변형예로서, 배터리가 너무 낮은 온도라면, 배터리의 가열이 실행될 수 있다.
게다가, 단계 E5에서, 본 방법은 배터리의 서브-어셈블리의 충전 상태의 학산을 측정하는 단계를 실행한다. 따라서, 본 방법은 각각의 서브-어셈블리를 구체적으로 타겟팅하는 게이지에 의해 얻어진, 각각의 서브-어셈블리의 충전 상태의 비교를 실행한다. 이러한 비교는 얻어진 값의 확산을 측정할 수 있도록 하는 통계적 계산에 의존할 수 있다. 특정 스레숄드를 초과하는 확산의 경우에, 균형 단계 E7가 실행되어서, 배터리의 모든 서브-어셈블리의 실질적으로 동일한 충전 상태를 얻을 수 있도록 한다. 이러한 균형은 충전된 서브-어셈블리의 방전을 포함할 수 있다. 비제한적인 표시에 의하여, 허용가능한 확산 스레숄드는 1로 고정되거나, 서브-어셈블리의 충전 상태의 레벨의 평균 값의 적은 퍼센트로 고정될 수 있다.
이전 단계들 E4 내지 E7은, 이후에 설명될, 본 방법의 최대 성능을 얻기 위해, 배터리를 바람직한 초기 상태에 있도록 할 수 있다. 온도의 조절 E4, E6와 배터리의 서브-어셈블리의 충전 상태의 조절 E5, E7는 임의의 순서로 실행될 수 있다. 그러나, 이들 조절은 선택사항이다. 변형예로서, 두 개의 상정 가능한 조절의 하나만 실행될 수 있다.
그 후에, 본 방법은 미리 정의된 충전 전류, 바람직하게는 일정한 전류의 조건하에서, 배터리를 충전하는 단계 E8를 지속한다. 게다가, 충전 조건은 가령, 큰 부하를 피함에 의해, 실질적으로 일정한 배터리의 온도를 유지하기 위해 선택되는 것이 바람직하다. 제조자에 의해 주어진 명목상 충전 조건은 우수한 해결책으로 나타난다.
배터리를 충전하는 이러한 단계 E8 동안에, 리셋 단계는, 배터리의 단자에 걸친 전압의 주기적 측정이 기초하여, 이전에 설명된 것과 같은 접근법에 따라, 전압의 시간 미분치의 진화에 의해 형성된 곡선을 관측하는 동시적 단계 E10를 실행한다.
따라서, 이러한 실시예에 따르면, 이러한 단계 E10는 다음 서브 단계, 즉,
- 미리 정의된 주파수에 따라 배터리의 단자에 걸친 전압을 측정하는 단계 (E12)와,
- 가령, 슬라이딩 브라켓에 걸친 평균에 기초하여 이러한 전압의 시간 미분치를 추정하는 단계(E14)와,
- 이러한 시간 미분치를 통해 얻어진 곡선의 특정 점을 검색하는 단계(E16)를 포함한다.
전압의 시간 미분치를 추정하는 단계(E14)는 이전에 설명된 절차에 따라 수행될 수 있다.
특정 점에 대한 검색의 단계(E16)는 임의의 공지의 수치적 또는 계산 절차에 의해 실행될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 특정 점은 관측된 곡선의 특정 부분에 걸쳐, 최대점 또는 최소점이며, 검출은 이 점의 양 측의 곡선의 경사 변화도를 검출함을 통해 영향을 받는다. 이러한 특정 점이 결정될 때, 본 방법은 이로부터 배터리의 충전 상태의 해당 값을 추론하여서, 추정 계산을 리셋하는 최종 단계(E20)와 관련한다. 이러한 리셋은 종래 기술과 유사한 방식으로 행해진다. 본 발명은 구체적으로 이후 단계에 속하지 아니한다.
상기 설명된 단계(E8 및 E10)는 사실상, 배터리의 충전 상태의 미리 정의된 값을 검출하기 위한 방법에 해당하며, 본 발명은 이에 속한다는 것에 유의한다.
실시예에 따른 충전 상태를 추정하는 방법은 종래의 교정 단계(E0)를 포함한다는 것에 유의해야 하는데, 이는 레퍼런스 온도에서, 그리고 선택된 충전 조건하에서, 바람직하게는 명목상 조건하에서, 배터리의 충전 동안에 배터리의 전압의 시간 미분치의 곡선의 특정 점을 결정할 할 수 있도록 한다. 이러한 교정 단계(E0)는 이들 특정 점을 가진 배터리의 충전 상태의 값과 자연스럽게 관련 있도록 할 수 있다. 이러한 단계는 가령, 제조자 자신에 의해 배터리를 서비스되기 이전에, 새로운 배터리 각각에 대해, 또는 배터리 전체 종에 대해, 또는 가령 사용자에 의해 새롭게 될 필요가 없는 배터리에 대해 차후에 수행될 수 있다.
상기에 기술된 방법은 추구하는 목적을 달성하고, 배터리의 충전 상태를 추정하는 방법의 리셋 단계를 위해, 배터리의 전체 충전 또는 방전을 요구하지 않고, 휴식 단계도 요구하지 않는 이점을 나타내는데, 검출될 특정 점에 근접한 배터리의 초기 단계에서 리셋 단계와 관련지을 수 있어서, 배터리의 충전의 짧은 구간에 걸쳐 작동할 수 있고, 이는 리셋 단계를 종료시킨다. 따라서, 리셋 단계는 훨씬 적은 제약을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 관리 시스템과 연관된 배터리에 관한 것이데, 이는 하드웨어 수단 및/또는 소프트웨어 수단, 적어도 하나의 프로세서를 포함하여, 배터리 관리의 방법, 좀 더 구체적으로, 리셋 단계의 실행과 충전 상태의 추정을 실행하고, 이는 상기에 기술된다. 이러한 관리 시스템은 특히, 온도, 전류, 전압 등 물리적 양의 계산, 측정 및/또는 추정의 단계를 구동한다. 이러한 배터리 관리 시스템은 배터리의 구조 내에 통합되거나 통합되지 않을 수 있다. 바람직하게는, 배터리는 배터리의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 온도 센서 및 적어도 하나의 배터리 측정 센서를 포함하는데, 이들 센서들은 프로세서와 통신 수단에 의해 연결된다. 게다가, 관리 시스템은 본 방법의 다양한 단계에서 측정 및/또는 계산된 값의 전부 또는 일부를 저장하기 위한 메모리를 포함한다.
이전의 실시예는 배터리의 충전 상태를 가장 잘 추정하기 위해 기술되었다. 배터리 팩 아키텍처를 포함하는 배터리의 경우에, 이들 서브-어셈블리 사이의 확산을 검출하기 위하여, 배터리 팩의 전체 및/또는 기초 배터리나 배터리 팩의 임의의 서브-어셈블리에 대한 충전 상태의 추정을 실행할 수 있다.
리셋 단계가 배터리의 전체적으로 방전된 상태에 기초하여 실행되는 경우에, 배터리의 건강 상태 SOH를 추정하는 방법을, 리셋 하는 단계와 매우 유사하게 실행할 수 있다. 배터리의 건강 상태는 배터리의 레퍼런스 커패시티, Cref에 기초하여 정의된다. 이러한 레퍼런스 커패시티는, 배터리가 초기에 충전되어 반전될 때 산출될 수 있는 최대 충전량을 나타낸다. 따라서, 명목상 조건(부하 또는 전류의 프로필, 온도, 충전과 방전의 종료에 대한 기준)하에서 수행되는 충전과 방전을 고려함에 의해 정의된다. 이러한 레퍼런스 커패시티는 시간에 따라 노화되어서, 감소되는데, 배터리는 덜 효율적이된다. 따라서, Cref(t0)가 초기 순간에서 배터리의 레퍼런스 커패시티를 나타내고, Cref(t)가 순간 t에서 레퍼런스 커패시티를 나타내면, 순간 t에서 배터리의 건강 상태 SOH(t)는 다음과 같이 정의된다.
SOH(t) = Cref(t) / Cref(t0).
배터리의 건강 상태를 리셋하는 단계는, 리셋의 순간(tr)에서, 배터리의 충전 상태가 알려진 특정 점에 해당하는 중간 상태와 방전된 상태 사이에 배터리로 전송된 충전 Ah(tr)을 측정하는 단계(E22)를 포함한다.
이러한 동일한 측정은 가령, 교정 단계 동안에 배터리의 새로운 상태에서 수행되는데, 이는 배터리의 새로운 상태에서 동일한 특정 점까지, 배터리로 전송된 충전 Ah(t0)를 측정 및 저장할 수 있도록 한다.
이러한 계산에 기초하여, 본 방법은 다음 공식을 통해 순간(tr)에서, 배터리의 건강 상태의 실제 값을 추론한다.
SOH(tr) = Ah(tr) / Ah(t0)
이러한 실제 값은 이후에, 건강 상태를 계산하기 위한 알고리즘의 리셋 단계(E24)에 사용된다.
건강 상태를 추정하기 위한 알고리즘의 리셋 단계는 충전 상태를 추정하는 방법의 단계와 결합되거나, 구별되고 독립적일 수 있다.
이전에 기술된 리셋 단계는 배터리의 부분 충전의 도움에 의해 영향을 받는다. 변형예로서, 유사한 단계가 배터리의 부분 방전으로 실행될 수 있다.
정말로, 도 6 내지 8 은, 배터리의 노화의 다양한 상태, 좀 더 정확히는 배터리의 충전/방전의 3400, 8000, 및 16900 사이클 각각 대해 배터리 팩의 충전 상태의 함수로서, 리튬 망간 티탄산염 기술의 배터리 팩의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 진화를 나타내는 곡선 13, 15 및 17을 각각 예시로서 나타낸다. 이들 곡선은 이전에 연구된 곡선 3, 5, 7 및 9와 다르게, 배터리의 방전 단계 동안에 형성된다.
이들 곡선 13, 15 및 17을 얻는 것은 이전에 기술된 곡선 3, 5, 7 및 9과 유사하게 영향을 받을 수 있으나, 배터리의 완전히 충전 상태 및 배터리의 방전에 기초한다. 바람직하게는, 이들 곡선은 필터링된 시간 미분치를 나타내어서, 순간적인 측정에서 발생하는 곡선 12, 14 및 16에 대해, 매끄러운 곡선을 얻는다.
곡선 13, 15 및 17은 전압의 시간 미분치가 배터리의 노화 상태에도 유사한 모양을 나타내고, 특히 하나는 최대치(Pmax)에 다른 하나는 최소치(Pmin)인 두 개의 특정 점이 나타나는데, 이는 배터리의 노화와 실질적으로 독립된 방식으로, 15℃ 내지 30℃에 있는 배터리의 온도에서, 각각 30% 및 50%의 충전 상태의 값에 대해 얻는다. 좀 더 일반적으로, 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 곡선의 최대점(Pmax)은 30 내지 36%, 실은 32 내지 35%에 있는 충전 값의 상태에 대해 얻어진다. 게다가, 전압의 시간 미분치는 최대점(Pmax)에서 -5 V.s-1 에 근접한 값을 가지며, 좀 더 일반적으로 -5.5 내지 -4.5 V.s-1의 값을 가진다. 게다가, 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 곡선의 최소점(Pmin)은 40 내지 46%에 있는 충전 값의 상태에 대해 얻어지고, 전압의 시간 미분치는 최소점(Pmin)에서 -10 내지 -8 V.s-1의 값을 가진다.
따라서, 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 이전에 기술된 방법은 충전 단계 E8를 방전 단계 E8에 대체함에 의해 매우 유사한 방식으로 실행될 수 있다는 것은 명백하다. 그러나, 특정 점(Pmax 및 Pmin)이 이러한 접근에서 서로 다르고, 따라서, 이들 서로 다른 특정 점에 대한 검색에 의해 동일한 방법을 적용할 필요가 있다는 점이 고려되어야 할 필요가 있다.
따라서, 본 방법이 배터리의 충전 상태 SOC가 리셋 단계의 실행에 대해 허용 가능한 브라켓에 있는지를 확인하는 제1 단계 E2에서, 이러한 브라켓은 SOC< 50%에 의해 정의되는 것이 바람직하다.
게다가, 일반적으로, 두 개의 알려진 SOC 레벨 사이에서 충전을 Ah로 추정함에 의해 충전 혹은 방전 동안에 SOH를 리셋할 수 있다. 따라서, 충전 단계에서, 0%와 동일한 충전 SOC 상태와 "언더 충전"(가령, 60%) 특정 점의 SOC와 동일한 레벨 사이에서 충전을 Ah로 추정함에 의해, 또는 이러한 특정 점과 100%와 동일한 충전 SOC의 상태 사이에서 충전을 Ah로 추정함에 의해 SOH를 리셋할 수 있다. 마찬가지로, 방전 동안에, 100%와 동일한 충전 SOC 상태와 "언더 방전" 특정 점의 SOC와 동일한 레벨 사이에서 충전을 Ah로 추정함에 의해, 또는 이러한 특정 점과 0%와 동일한 충전 SOC의 상태 사이에서 충전을 Ah로 추정함에 의해 SOH를 리셋할 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, SOH는 두 개의 알려진 SOC 레벨 사이에서의 충전 Ah(tr)와 배터리의 새로운 상태의 이들 동일한 SOC 레벨들 사이에서의 충전 Ah(t0)사이의 비율에 의해 얻어진다.

Claims (18)

  1. 충전 상태를 추정하기 위한 알고리즘에 의해 배터리의 충전 상태를 추정하는 적어도 하나의 단계 및 추정 단계 동안에 실행되는 추정 알고리즘을 리셋하는 적어도 하나의 단계를 포함하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법에 있어서, 리셋 단계는,
    주어진 순간에서 배터리의 충전 상태의 실제 값을 검출하는 단계 - 상기 단계는 충전 상태의 제1 레벨과 제2 레벨 사이에 배터리를 충전 또는 방전하는 단계(E8); 충전 또는 방전 동안에 배터리의 단자에 걸친 전압을 측정하는 단계(E12); 상기 전압의 시간 미분치를 평가하는 단계(E14); 충전 상태의 알려지거나 미리 정의된 실제 값에 해당하는 상기 미분치의 적어도 하나의 특정 점을 검출하는 단계(E16)의 실행에 의해 주어짐 - 와,
    상기 주어진 순간에서 충전 상태의 상기 실제 값을 아는 추정 알고리즘을 리셋하는 단계(E20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치의 곡선의 특정 점에 대해 검색하는 단계(E16)는 상기 곡선의 일부에 걸쳐 최대값 또는 최소값의 검출로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 충전 상태의 미리 정의된 값을 검출하기 위한 방법의 실행 동안에, 전압의 시간 미분치를 평가하는 단계(E14)는 전압의 시간 미분치를 순간적으로 추정하는 단계 및 미분치의 추정을 매끄럽게하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 매끄럽게 하는 단계는 미분치의 추정의 슬라이딩 브라켓에 걸쳐 평균을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리의 충전 상태가 리셋 단계의 시작을 할 수 있도록 하는 범위 내에 있는지 아닌지를 검출하기 위한 검출 단계(E2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리가 완전히 방전되면, 배터리의 건강 상태를 추정하기 위한 알고리즘의 리셋 단계의 실행을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리의 건강 상태를 추정하기 위한 알고리즘의 리셋 단계는,
    - 배터리의 충전 단계(E8)와,
    - 충전(E8)의 시작부터 배터리로 전송된 충전을 추정하는 단계와,
    - 상기 미분치의 적어도 하나의 특정 점을 결정하기 위해, 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치를 관측하는 단계(E10)와,
    - 상기 특정 점이 얻어질 때까지, 배터리로 전송된 전체 충전에 기초하여 건강 상태를 추정하기 위한 알고리즘을 리셋하는 단계(E24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리의 온도를 측정하는 단계(E4), 및 배터리의 온도가 레퍼런스 온도 값의 ±20%의 범위에 있지 않으면, 배터리를 냉각 또는 가열하는 단계(E6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리의 여러 서브-어셈블리의 충전 상태의 확산을 추정하는 단계(E5) 및 확산이 스레숄드 이외에 있다면 충전 상태를 균형있게 하는 단계(E7)를 포함하되, 상기 균형있게 하는 단계는 청구항 1에 따른 미리 정의된 값을 검출하기 위한 방법의 실행 이전에 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 리튬 망간 티탄산염 타입의하나 이상의 기초 배터리(배터리들)를 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 단계를 포함하고, 충전 상태가 40% 미만이거나 56 내지 60% 사이에 있을 때, 배터리의 충전에 의한 리셋 단계의 시작이 허용되고, 리셋 단계(E20)는 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치(E10)의 곡선의 최대점(Pmax)에 대해 50 내지 60%, 또는 53 내지 56%에 있는 충전 값의 상태와 연관되며, 시간 미분치의 값은 10 내지 13 V.s-1, 또는 11 내지 12 V.s-1에 있고, 및/또는 이 곡선의 최소점(Pmin)에 대해 60 내지 65% 에 있는 충전 상태에 있으며, 배터리의 15 내지 30℃ 온도에서 시간 미분치의 값은 4 내지 5 V.s-1인 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 리튬 망간 티탄산염 타입의 하나 이상의 기초 배터리(배터리들)를 포함하는 배터리의 충전 상태를 평가하는 단계를 포함하고, 충전 상태가 40% 또는 50% 보다 클 때, 배터리의 방전에 의한 리셋 단계의 시작이 허용되고, 리셋 단계(E20)는 배터리의 단자에 걸친 전압의 시간 미분치(E10)의 곡선의 최대점(Pmax)에 대해 32 내지 35%, 또는 30 내지 36%에 있는 충전 값의 상태와 연관되며, 시간 미분치의 값은 -5.5 내지 -4.5 V.s-1에 있고, 및/또는 이 곡선의 최소점(Pmin)에 대해 40 내지 46%에 있는 충전 상태에 있으며, 배터리의 15 내지 30℃ 온도에서 시간 미분치의 값은 -10 내지 -8 V.s-1인 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 충전 단계나 방전 단계에서 배터리의 단자에 걸쳐 전압의 시간 미분치(E14)의 곡선의 적어도 일부를 플롯팅(plotting) 하는 단계, 상기 곡선의 적어도 하나의 특정 점을 검출하는 단계, 및 적어도 하나의 특정 점과 연관된 충전 상태를 측정하는 단계로 구성된 사전 교정 단계(E0)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 동일한 배터리 팩의 여러 기초 배터리들에 대한 충전 상태의 평가를 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태를 추정하기 위한 방법.
  14. 배터리 및 배터리와 연관된 프로세서를 포함하는 시스템에 있어서, 상기 프로세서는 제 1 항 내지 제 13 항에 따른 배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법을 구동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 적어도 하나의 배터리의 온도 센서 및 배터리의 단자에 걸친 전압 및/또는 전류 센서 및 상기 센서들의 측정치를 전송하기 위한 상기 센서들과 프로세서와의 통신을 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 14 항 또는 15 항에 있어서, 배터리는 리튬 망간 티탄산염 타입인 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 배터리를 관리하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법을 실행하고 구동하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리를 관리하기 위한 시스템.
  18. 관리 유닛에 의해 판독 가능한 컴퓨터 매체에 있어서, 상기 매체는 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 배터리의 충전 상태를 평가하기 위한 방법을 실행하고 구동하는 컴퓨터 프로그램 코드 수단을 포함하는 리코딩 컴퓨터 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 매체.
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