KR20190095763A

KR20190095763A - 배터리의 동작 상태에 따라 soc를 추정하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20190095763A
Application number: KR1020180015152A
Authority: KR
Inventors: 임보미
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2019-08-16
Also published as: US20200271729A1; WO2019156457A1; US11448703B2; KR102458526B1

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC를 추정하는 방법은, SOC 추정 장치의 동작 모드를 확인하는 SOC 추정 장치 추정 모드 확인 단계, 상기 SOC 추정 장치 동작 모드 확인 단계에서 확인된 SOC 추정 장치의 추정 모드에 따라 배터리의 잔존용량(State Of Charge;SOC)을 추정하는 SOC 추정 단계를 포함하여 구성되며, 상기 SOC 추정 단계는, SOC 추정 장치의 추정 모드에 따라 충전시 개방전압, 방전시 개방전압, 평균 개방전압 중 어느 하나를 기반으로 SOC를 추정할 수 있다.

Description

배터리의 동작 상태에 따라 SOC를 추정하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING SOC BASE ON OPERATING STATE OF BATTERY}

본 발명은 배터리의 동작 상태에 따라 SOC를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로는, 배터리의 동작 상태에 따라 매칭되는 개방전압을 기반으로 SOC를 정확하게 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

배터리는 휴대용 기기, 전기차량, 하이브리드 차량, 가정용 또는 산업용으로 사용되는 에너지 저장 시스템이나 무정전 전원 공급장치 등에 사용되고 있다.

이러한 배터리는, 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

한편, 배터리는 고용량 고출력을 위해 복수개의 배터리들이 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 복수개의 배터리들이 직렬 및 병렬로 연결되어 충전과 방전을 번갈아 가면서 수행하는 경우에 복수개의 배터리들의 충방전을 제어하여 복수개의 배터리가 적정한 동작 상태 및 성능을 유지하도록 관리할 필요성이 있다.

이를 위해 배터리의 상태 및 성능을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System;BMS)이 구비된다. 배터리 관리 시스템은 배터리의 전류, 전압, 온도 등을 측정하여 이를 기반으로 배터리의 잔존용량(State of Charge;SOC)를 추정하여 배터리의 상태 및 성능을 유지하도록 SOC를 제어하였다.

따라서, SOC를 정확히 제어하기 위해서는 충방전을 수행하고 있는 배터리의 SOC를 정확히 추정하는 것이 필요하다.

종래의 배터리의 SOC를 추정하기 위한 방법으로는 배터리의 개방전압(Open Circuit Voltage;OCV)을 측정하고, 이를 기반으로 배터리의 SOC를 추정하는 방법이 있다.

그러나, 종래 기술의 SOC 추정에 사용되는 개방전압은 배터리가 충전시의 개방전압과 배터리가 방전시의 개방전압의 평균 값을 사용하였다. 그러나 배터리의 개방전압은, 배터리가 충전 중일 때와 방전 중일 때 최대 50mV 정도의 차이가 있다.

그러므로, 개방전압의 평균 값을 기반으로 배터리의 SOC를 추정하면, 배터리가 충전시 배터리의 실제 SOC와 방전시 배터리의 실제 SOC는 차이가 발생한다.

따라서 본 발명에서는 배터리의 동작 상태를 판단하고, 동작 상태와 매칭되는 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 정확하게 추정하는 방법을 제안한다.

한국등록특허공보 KR 1547005 B1

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구체적으로는, 배터리의 동작 모드에 매칭되는 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 정확하게 추정하는 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC 추정 방법은, SOC 추정 장치의 동작 모드를 확인하는 SOC 추정 장치 추정 모드 확인 단계, 상기 SOC 추정 장치 동작 모드 확인 단계에서 확인된 SOC 추정 장치의 추정 모드에 따라 배터리의 잔존용량(State Of Charge;SOC)을 추정하는 SOC 추정 단계를 포함하여 구성되며, 상기 SOC 추정 단계는, SOC 추정 장치의 추정 모드에 따라 충전시 개방전압, 방전시 개방전압, 평균 개방전압 중 어느 하나를 기반으로 SOC를 추정할 수 있다.

상기 SOC 추정 장치의 추정 모드 확인 단계는, 상기 확인한 SOC 추정 장치의 추정 모드가 충방전 패턴이 충전과 방전이 무작위로 교차하여 반복되어 일어나서 방전 심도가 낮은 배터리의 SOC를 추정하는 주파수 조정용 배터리 SOC 추정 모드 또는 충방전 패턴이 일정 수준 이상으로 충전이 되고, 일정 수준 이하로 방전이 되는 과정이 지속적으로 일어나서 방전 심도가 높은 배터리의 SOC를 추정하는 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드 중 어느 모드인지를 확인할 수 있다.

상기 확인한SOC 추정 장치의 추정 모드가 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드로 확인 되는 경우, 상기 SOC 추정 장치의 추정 모드 확인 단계는, 상기 배터리가 충전 또는 방전 중 어느 상태인지를 확인하는 충방전 확인 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 SOC 추정 단계는, 상기 확인한 SOC 추정 장치의 추정 모드가 주파수 조정용 배터리 SOC 추정 모드로 확인되는 경우, 상기 평균 개방전압을 기반으로 SOC를 추정할 수 있다.

상기 SOC 추정 단계는, 상기 충방전 확인 단계에서의 충방전 확인 결과 배터리가 충전 중일 때는, 충전시 개방전압을 기반으로 SOC를 추정하고, 배터리가 방전 중일 때는, 방전시 개방전압을 기반으로 SOC를 추정할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 배터리가 적용되는 장치에 따라 배터리의 SOC를 추정하는 장치에 있어서, SOC 추정 장치의 동작 모드를 설정하는 모드 세팅용 스위치, SOC 추정 장치의 동작 모드 및 배터리의 충방전 상태를 확인하는 동작 모드 확인부, 상기 배터리의 동작 모드에 따라 평균 개방전압, 충전시 개방전압, 방전시 개방전압 중 어느 하나를 선택하는 선택부, 상기 선택부에서 선택된 개방전압을 기반으로 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 동작 모드 확인부는, 상기 모드 세팅용 스위치의 위치를 기반으로 상기 SOC 추정 장치가 주파수 조정 모드 또는 통상적인 전력저장 모드 중 어느 모드로 동작하는지를 확인하는 모드 확인 모듈 및 상기 배터리가 충전 또는 방전 중 어느 상태인지를 확인하는 충방전 상태 확인 모듈을 포함하여 구성되며, 상기 모드 확인 모듈은, 상기 SOC 추정 장치가 주파수 조정 모드로 동작하는 것으로 확인되는 경우, 상기 선택부에 주파수 조정 모드 신호를 전송하고, 상기 SOC 추정 장치가 통상적인 전력저장 모드로 동작하는 것으로 확인되는 경우, 상기 선택부에 통상적인 전력저장 모드 신호를 전송하며, 상기 충방전 상태 확인 모듈은 상기 배터리가 충전 상태인 경우, 충전 상태 신호를 상기 선택부에 전송하고, 상기 배터리가 방전 상태인 경우, 방전 상태 신호를 상기 선택부에 전송할 수 있다.

상기 선택부는, 상기 동작 모드 확인부에서 주파수 조정모드 신호를 수신 받으면, 상기 평균 개방전압을 선택하고, 상기 동작 모드 확인부에서 충전 상태 신호 및 통상적인 전력저장 모드 신호를 수신 받으면, 상기 충전시 개방전압을 선택하고, 상기 동작 모드 확인부에서 방전 상태 신호 및 통상적인 전력저장 모드 신호를 수신 받으면, 상기 방전시 개방전압을 선택할 수 있다.

상기 SOC 추정부는, 상기 선택부에서 선택된 개방전압을 확장 칼만 필터에 대입하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.

본 발명은 배터리의 동작 모드에 매칭되는 개방전압을 사용함으로써, 정확하게 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.

또한, 본 발명은 배터리의 SOC를 정확하게 추정함으로써, 배터리 사용 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 다른 배터리의 SOC 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 배터리의 충전시 또는 방전시의 개방전압을 나타낸 그래프이다.
도 3은, 통상적인 전력 저장 모드로 동작하는 배터리를 충전시 개방전압으로 배터리의 SOC를 추정한 결과와 실제 배터리의 SOC와의 오차를 나타낸 그래프이다.
도 4는 통상적인 전력 저장 모드로 동작하는 배터리를 방전시 개방전압으로 배터리의 SOC를 추정한 결과와 실제 배터리의 SOC와의 오차를 나타낸 그래프이다.
도 5는 통상적인 전력 저장 모드로 동작하는 배터리를 평균 전압으로 배터리의 SOC를 추정한 결과와 실제 배터리의 SOC와의 오차를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC를 추정하는 장치를 나타낸 구성도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

1. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC 추정 방법.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC 추정 방법을 나타낸 도면이다.

본 발명은 배터리의 동작 모드에 따라 배터리의 SOC를 추정하는데 사용되는 개방전압(OCV)을 다르게 적용한 것이다.

구체적으로 본 발명은 배터리의 충/방전 상태와 매칭되는 각각의 개방전압(OCV)을 기반으로 배터리의 SOC를 정확하게 추정하는 발명이다.

이론적으로 배터리의 개방전압은 충전시와 방전시에 상관없이 하나의 값을 가져야된다. 그러나 실제 배터리의 충전시 측정되는 개방전압과 방전시 측정되는 개방전압은 차이가 발생한다.

배터리의 충방전 상태에 따라서 개방전압이 차이 나는 이유는, 배터리는 충전시에는 충전 방향으로 저항 값이 쌓이고, 방전시에는 방전 방향으로 저항 값이 쌓이게 된다. 이와 같이 쌓인 저항 값은 소정의 기간이 지나면 다시 원상태로 돌아가지만, 배터리의 상태 및 성능을 관리하기 위해서는 실시간으로 배터리의 개방전압을 측정해야 되므로 충전 또는 방전에 의해 저항 값이 한쪽 방향으로 쌓인 상태에서 배터리의 개방전압 측정할 수 밖에 없다. 따라서, 충전시 측정되는 개방전압과 방전시 측정되는 개방전압은 차이가 있다.

도 2는, 실제 충전 또는 방전 시에 측정되는 개방전압을 나타낸 그래프이다.

도 2를 살펴보면, 충전시 개방전압과 방전시 개방전압의 차이는 최대 50mV가 나는 것을 확인할 수 있다.

한편, 종래에는 이러한 충방전시 발생하는 개방전압의 차이에도 불구하고, 충전 시와 방전시의 개방전압의 평균 값으로 배터리의 SOC를 추정하였으므로, 실제 배터리의 SOC 값과는 오차가 있었다.

따라서 본 발명에서는 배터리의 동작 모드 판단에 따라서 배터리 상태에 매칭되는 개방전압을 기반으로 배터리의 SOC를 추정한다.

1.1 배터리 용도 결정 및 장치의 추정 모드 세팅 단계(S100)

배터리는 주파수 조절용 장치에 적용되어 주파수 조정 모드로 사용되는 경우와 통상적인 전력 저장 모드로 사용되는 경우에 각각 다른 동작 패턴을 보인다

구체적으로, 주파수 조정 모드로 동작하는 배터리는 충방전 패턴이 특정 SOC에서 충전 또는 방전이 무작위로 교차하여 반복되어 일어나서 방전 심도가 낮은 패턴을 나타낸다. 다시 말해, 주파수 조정 모드에서는 충전과 방전이 짧은 기간 동안 무작위로 바뀌므로, 저항이 충전 또는 방전 중 어느 하나의 방향으로 쌓이지 않는다. 따라서, 배터리가 주파수 조정 모드로 동작하는 경우에는 평균 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정하더라도 오차가 크게 발생하지 않는다.

즉, 배터리가 주파수 조정 모드로 동작하는 경우에는 충전시 개방전압과 방전시 개방전압의 차이가 크지 않으므로, 평균 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정하여도 실제 배터리의 SOC와 오차가 거의 나지 않는다.

한편, 통상적인 전력저장 모드로 동작하는 배터리는 충방전 패턴이 일정 수준 이상으로 충전이 되고, 일정 수준 이하로 방전이 되는 과정이 지속적으로 일어나서 방전 심도가 높은 패턴을 나타낸다. 다시 말해, 소정의 기간 동안 지속적으로 충전 또는 방전이 발생하여 저항이 충전 또는 방전 방향으로 쌓이게 된다. 따라서, 충전시 개방전압과 방전시 개방전압 사이에는 차이가 발생하므로 배터리의 SOC를 추정할때, 충전시 개방전압과 방전 개방전압을 따로 구분하여 사용하지 않으면 추정되는 배터리의 SOC가 실제 배터리의 SOC는 큰 차이가 날 수 있다.

상술한 이유 때문에, 본 발명의 SOC 추정 방법은, 배터리가 주파수 조정 모드로 사용되는지 아니면 통상적인 전력 저장 모드로 사용되는 지의 용도에 따라서 측정 요소 값을 달리한다.

따라서, 본 발명은 배터리 용도 결정 및 SOC 추정 장치의 추정 모드 세팅 단계에서 배터리의 용도를 결정하고, 결정된 배터리의 용도에 매칭되도록 SOC 추정 장치의 추정 모드를 설정하는 과정이 필요하다.

예를 들어 상기 SOC 추정 장치의 추정 모드를 설정하는 과정은 SOC 추정 장치에 구비되는 모드 조절용 스위치의 위치를 제어함으로써 SOC 추정 장치의 추정 모드를 설정할 수 있다.

1.2 SOC 추정 장치의 추정 모드 확인 단계(S200)

본 발명의 SOC 추정 장치의 추정 모드 확인 단계는, 상기 배터리 용도 결정 및 SOC 추정 장치의 추정 모드 세팅 단계에서 세팅된 SOC 장치의 추정 모드를 확인하는 단계이다.

예컨대, 상기 SOC 추정 장치의 추정 모드 확인 단계는, 상기 모드 조절용 스위치가 주파수 조정용 배터리 SOC 추정 모드 또는 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드 중 어느 위치에 있는지를 검출함으로써 확인할 수 있다.

1.2.1 충방전 확인 단계(S210)

한편, 상기 SOC 추정 장치의 측정 모드 확인 단계에서 SOC 추정 장치가 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드로 동작하는 경우, SOC 추정 장치의 추정 모드 확인 단계는, 배터리가 충전 중인지 방전 중인지를 확인하는 충방전 확인 단계를 포함하여 구성된다.

충방전 확인 단계는, 배터리의 BMS에서 배터리에서 외부 장치로 전류가 흐르는 경우 방전으로 판단하고, 외부에서 배터리로 전류가 흐르는 경우에는 충전으로 판단할 수 있다.

그리고 배터리가 방전으로 판단되는 경우에는, 방전시 개방전압을 기반으로 배터리의 SOC를 추정하고, 배터리가 충전으로 판단되는 경우에는 충전시 개방전압을 기반으로 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.

1.3 SOC 추정 단계(S300)

본 발명의 SOC 추정 단계는, 배터리의 동작 모드에 따라 충전 OCV, 방전 OCV, 평균 OCV중 어느 하나를 기반으로 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.

구체적인 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정하는 방법은, 상기 SOC 추정 장치의 추정 모드 판단 단계 및 충방전 확인 단계에서 확인된 SOC 추정 장치의 추정 모드 및 배터리의 충방전 상태에 매칭되는 개방전압(평균 개방전압, 충전시 개방전압, 방전시 개방전압 중 어느 하나)을 선택하는 것으로 시작될 수 있다.

그리고 상기 선택된 개방전압을 확장 칼만 필터 알고리즘에 대입하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.

확장 칼만 필터(EKF) SOC 추정 알고리즘은 배터리를 전기 모델화하고, 배터리 모델의 이론 출력값과 실제 출력값을 비교하여 능동적인 보정을 통해 SOC를 추정하는 방법이다. EKF SOC 추정 알고리즘의 입력값은 전압, 전류 및 온도가 있고, 출력값은 SOC이다. EKF SOC 추정 알고리즘은 종래에 공지된 다수의 자료를 통해 널리 알려져 있는 알고리즘이므로 EKF SOC 추정 알고리즘에서 SOC 추정이 어떠한 과정으로 이루어지는지에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

1.4 구체적인 실시 결과 데이터

한편, 도 3은, 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드에서 충전시 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정한 결과와 실제 측정되는 배터리의 SOC의 오차를 나타낸 그래프이고, 도 4는 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드에서 방전시 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정한 결과와 실제 측정되는 배터리의 SOC의 오차를 나타낸 그래프이다.

한편, 도 5는 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드에서 평균 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정한 결과와 실제 측정되는 배터리의 SOC의 오차를 나타낸 그래프이다.

먼저 도 3을 살펴보면, 충전시 개방전압을 사용하면, 배터리가 충전시에는 최대 1.08%의 오차가 발생하고, 배터리가 방전시에는 최대 7.39%의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

다음으로 도 4를 살펴보면, 방전시 개방전압을 사용하면 배터리가 충전시에는 최대 4.10%의 오차가 발생하고, 배터리가 방전시에는 최대 3.02%의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

다음으로 도 5를 살펴보면, 평균 개방전압을 사용하면 배터리가 충전시에는 최대 2.04%의 오차가 발생하고, 배터리가 방전시에는 최대 5.05%의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

상기 도 3 내지 도 5를 종합하면, 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드에서는, 실제 측정되는 배터리의 SOC와 개방전압으로부터 추정되는 SOC의 차이를 줄이기 위해서는 배터리가 충전 중일 때는 충전시 개방전압을 사용하고, 방전 중일 때는 방전시 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정해야지만, 오차가 적은 것을 확인할 수 있다.

2. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC를 추정하는 장치.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC를 추정하는 장치를 나타낸 구성도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 SOC를 추정하는 장치는, 배터리의 동작 모드를 확인하는 동작 모드 확인부, 상기 배터리의 동작 모드에 따라 평균 개방전압, 충전시 개방전압, 방전시 개방전압 중 어느 하나를 선택하는 선택부, 상기 선택부에서 선택된 개방전압을 기반으로 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 포함하여 구성될 수 있다.

2.1 모드 세팅용 스위치(500)

본 발명의 모드 세팅용 스위치는, SOC 추정 장치의 동작 모드를 설정하는 스위치로, 배터리(600)가 사용되는 용도에 따라서 주파수 조정 모드 또는 통상적인 전력 저장 모드 중 어느 하나를 선택할 수 있다.

예컨대, 본 발명의 모드 세팅용 스위치는 위치에 따라 SOC 추정 장치의 동작 모드를 주파수 조절용 모드 또는 통상적인 전력 저장 모드 중 어느 하나로 설정할 수 있다.

배터리는 주파수 조절용 장치에 적용되어 사용되는 경우와 통상적인 전력 저장용 장치에 적용되어 사용되는 경우에 각각 다른 동작 패턴을 보인다

구체적으로, 주파수 조정용 장치에 적용되는 배터리는 충방전 패턴이 특정 SOC에서 충전 또는 방전이 무작위로 교차하여 반복되어 일어나서 방전 심도가 낮은 패턴을 나타낸다. 다시 말해, 주파수 조정용 장치에 적용되는 배터리는 충전과 방전이 짧은 기간 동안 무작위로 바뀌므로, 저항이 충전 또는 방전 중 어느 하나의 방향으로 쌓이지 않는다. 따라서, 배터리가 주파수 조정용 장치에 적용되는 경우에는 평균 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정하더라도 오차가 크게 발생하지 않는다.

즉, 배터리가 주파수 조정용 장치에 적용되는 경우에는 충전시 개방전압과 방전시 개방전압의 차이가 크지 않으므로, 평균 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정하여도 실제 배터리의 SOC와 오차가 거의 나지 않는다.

한편, 통상적인 전력저장용 장치에 적용되는 배터리는 충방전 패턴이 일정 수준 이상으로 충전이 되고, 일정 수준 이하로 방전이 되는 과정이 지속적으로 일어나서 방전 심도가 높은 패턴을 나타낸다. 다시 말해, 소정의 기간 동안 지속적으로 충전 또는 방전이 발생하여 저항이 충전 또는 방전 방향으로 쌓이게 된다. 따라서, 충전시 개방전압과 방전시 개방전압 사이에는 차이가 발생하므로 통상적인 전력저장용 장치에 적용되는 배터리의 SOC를 추정할때, 충전시 개방전압과 방전 개방전압을 따로 구분하여 사용하지 않으면 추정되는 SOC가 실제 측정되는 SOC와 큰 차이가 날 수 있다.

상술한 이유 때문에, 본 발명의 SOC 추정 방법은, 배터리가 주파수 조정용 장치에 적용되는지 아니면 통상적인 전력저장용 장치에 적용되는지에 따라서 SOC 추정 장치의 추정 모드를 달리한다.

이를 위해 상기 모드 세팅용 스위치를 사용하여 SOC 추정 장치가 어떤 추정 모드로 사용되는지에 대한 설정이 필요하다.

2.2 동작 모드 확인부(100)

본 발명의 동작 모드 확인부는, 상기 모드 세팅용 스위치의 위치에 따라 SOC 추정 장치가 어느 동작 모드로 설정되어 있는지를 확인하는 모드 확인 모듈 및 배터리의 충방전 상태를 확인하는 충방전 확인 모듈을 포함하여 구성된다.

2.2.1 모드 확인 모듈(120)

본 발명의 모드 확인 모듈은, 상기 모드 세팅용 스위치의 위치를 확인함으로써, SOC 추정 장치의 동작 모드를 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 모드 확인 모듈이 상기 모드 세팅용 스위치의 위치를 확인하여, 상기 모드 세팅용 스위치가 주파수 조정 모드에 위치하는 경우에는 주파수 조절 모드 신호를 생성하여 선택부로 전송하고, 상기 모드 세팅용 스위치가 통상적인 전력저장 모드 위치로 세팅되어 있는 경우에는 전력저장 모드 신호를 생성하여 선택부로 전송할 수 있다.

2.2.2 충방전 상태 확인 모듈(130)

본 발명의 충방전 상태 확인 모듈은 배터리를 기준으로 하여 배터리에서 외부 장치로 공급되는 전류를 측정하는 것으로 배터리의 충방전 상태를 확인할 수 있다, 구체적으로 배터리에서 외부 장치로 공급되는 전류가 0보다 큰 경우에는 방전 상태로 확인하여 방전 상태 신호를 선택부로 전송하고, 배터리에서 외부 장치로 공급되는 전류가 0보다 작은 경우는 전류의 흐름이 반대가 되므로 충전 상태로 확인하여 충전 상태 신호를 선택부로 전송할 수 있다.

한편, 본 발명의 충방전 상태 확인 모듈은, 상술한 내용과 같이 별도의 모듈 형태로 구현되어 있으나, 별도의 모듈 형태로 구현되지 않고, 배터리에 기본적으로 탑재되어 있는 BMS에서 측정되는 충방전 상태 신호를 사용하여 구현될 수 있다. BMS는 배터리의 충방전 상태에 대한 정보를 센싱하고 있으므로, 별도의 충방전 상태 확인 모듈을 구비하지 않고 BMS에서 배터리의 충방전 상태 신호를 선택부로 전송할 수 있다.

2.3 선택부(200)

본 발명의 선택부는, 상기 동작 모드 확인부에서 수신 받은 신호를 기반으로 다음에 설명하는 SOC 추정부에서 사용되는 개방전압을 선택하는 구성으로, 메모리에 기저장되어 있는 배터리의 상태에 따른 개방전압 테이블에서 현재 배터리의 상태에 매칭되는 개방전압을 선택하는 구성이다.

상기 메모리(300)에 기저장되어 있는 배터리 상태에 따른 개방전압 테이블은, 충전시 개방전압 테이블(310), 방전시 개방전압 테이블(320), 평균 개방전압 테이블(330)을 포함할 수 있다

예컨대, 상기 배터리가 상기 동작 모드 확인부에서 주파수 조정모드 신호를 수신하게 되면, 상기 메모리에 저장되어 있는 평균 개방전압 테이블에서 현재 배터리 상태에 매칭되는 평균 개방전압을 선택하고, 상기 배터리가 상기 동작 모드 확인부에서 충전 상태 신호 및 통상적인 전력저장 모드 신호를 수신하게 되면, 상기 메모리에 저장되어 있는 충전시 개방전압 테이블에서 현재 배터리 상태에 매칭되는 충전시 개방전압을 선택하고, 상기 배터리가 상기 동작 모드 확인부에서 방전 상태 신호 및 통상적인 전력저장 모드 신호를 수신하게 되면 상기 메모리에 저장되어 있는 방전시 개방전압 테이블에서 현재 배터리 상태에 매칭되는 방전시 개방전압을 선택할 수 있다.

이와 같이 SOC 추정에 사용되는 개방전압을 다르게 선택하는 이유는, 최종적으로 추정되는 배터리의 SOC와 실제 배터리의 SOC의 오차를 줄이기 위함이다.

도 3은, 통상적인 전력 저장 모드로 동작하는 배터리를 충전시 개방전압으로 배터리의 SOC를 추정한 결과와 실제 배터리의 SOC와의 오차를 나타낸 그래프이고, 도 4는 통상적인 전력 저장 모드로 동작하는 배터리를 방전시 개방전압으로 배터리의 SOC를 추정한 결과와 실제 배터리의 SOC와의 오차를 나타낸 그래프이다.

한편, 도 5는 통상적인 전력 저장 모드로 동작하는 배터리를 평균 전압으로 배터리의 SOC를 추정한 결과와 실제 배터리의 SOC와의 오차를 나타낸 그래프이다.

먼저 도 3을 살펴보면, 충전시 개방전압을 사용하면, 배터리가 충전시에는 최대 1.08의 오차가 발생하고, 배터리가 방전시에는 최대 7.39의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

다음으로 도 4를 살펴보면, 방전시 개방전압을 사용하면 배터리가 충전시에는 최대 4.10의 오차가 발생하고, 배터리가 방전시에는 최대 3.02의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

다름으로 도 5를 살펴보면, 평균 개방전압을 사용하면 배터리가 충전시에는 최대 2.04의 오차가 발생하고, 배터리가 방전시에는 최대 5.05의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

결과적으로, 통상적인 전력 저장 모드로 동작하는 배터리에서, 실제 배터리의 SOC와 개방전압으로부터 추정되는 SOC의 차이를 줄이기 위해서는 배터리가 충전 중일 때는 충전시 개방전압을 사용하고, 방전 중일 때는 방전시 개방전압을 사용하여 배터리의 SOC를 추정해야지만, 오차가 적은 것을 확인할 수 있다.

2.4 SOC 추정부(400)

본 발명의 SOC 추정부는 상술한 선택부에서 선택된 개방전압을 확장 칼만 필터 SOC 추정 알고리즘에 대입함으로써 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.

한편, 상술한 예에서는 배터리의 SOC 추정 장치를 별도의 장치로 설명했지만, 상술한 배터리의 SOC 추정 장치의 구성을 배터리에 탑재되는 BMS와 통합하여 구성할 수도 있다.

BMS와 통합하여 구성하게 되면, BMS에서 측정되는 배터리의 상태 정보를 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, BMS에서 측정되는 배터리의 상태 정보를 사용함으로써, 배터리의 상태를 측정하기 위한 구성이 별도로 필요하지 않게 되어, 배터리 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 동작 모드 확인부
120 : 모드 확인 모듈
130 : 충방전 상태 확인 모듈
200 : 선택부
300 : 메모리
310 : 충전시 개방전압 테이블
320 : 방전시 개방전압 테이블
330 : 평균 개방전압 테이블
400 : SOC 추정부
500 : 모드 세팅용 스위치
600 : 배터리

Claims

SOC 추정 장치의 동작 모드를 확인하는 SOC 추정 장치 추정 모드 확인 단계;
상기 SOC 추정 장치 동작 모드 확인 단계에서 확인된 SOC 추정 장치의 추정 모드에 따라 배터리의 잔존용량(State Of Charge;SOC)을 추정하는 SOC 추정 단계;
를 포함하여 구성되며,
상기 SOC 추정 단계는,
SOC 추정 장치의 추정 모드에 따라 충전시 개방전압, 방전시 개방전압, 평균 개방전압 중 어느 하나를 기반으로 SOC를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 SOC 추정 장치의 추정 모드 확인 단계는,
상기 확인한 SOC 추정 장치의 추정 모드가
충방전 패턴이 충전과 방전이 무작위로 교차하여 반복되어 일어나서 방전 심도가 낮은 배터리의 SOC를 추정하는 주파수 조정용 배터리 SOC 추정 모드; 또는
충방전 패턴이 일정 수준 이상으로 충전이 되고, 일정 수준 이하로 방전이 되는 과정이 지속적으로 일어나서 방전 심도가 높은 배터리의 SOC를 추정하는 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드;
중 어느 모드인지를 확인하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 확인한SOC 추정 장치의 추정 모드가 통상적인 전력저장용 배터리 SOC 추정 모드로 확인 되는 경우,
상기 SOC 추정 장치의 추정 모드 확인 단계는,
상기 배터리가 충전 또는 방전 중 어느 상태인지를 확인하는 충방전 확인 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 SOC 추정 단계는,
상기 확인한 SOC 추정 장치의 추정 모드가 주파수 조정용 배터리 SOC 추정 모드로 확인되는 경우,
상기 평균 개방전압을 기반으로 SOC를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 SOC 추정 단계는,
상기 충방전 확인 단계에서의 충방전 확인 결과
배터리가 충전 중일 때는, 충전시 개방전압을 기반으로 SOC를 추정하고,
배터리가 방전 중일 때는, 방전시 개방전압을 기반으로 SOC를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 방법.
배터리가 적용되는 장치에 따라 배터리의 SOC를 추정하는 장치에 있어서,
SOC 추정 장치의 동작 모드를 설정하는 모드 세팅용 스위치;
SOC 추정 장치의 동작 모드 및 배터리의 충방전 상태를 확인하는 동작 모드 확인부;
상기 배터리의 동작 모드에 따라 평균 개방전압, 충전시 개방전압, 방전시 개방전압 중 어느 하나를 선택하는 선택부;
상기 선택부에서 선택된 개방전압을 기반으로 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정부;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 동작 모드 확인부는,
상기 모드 세팅용 스위치의 위치를 기반으로 상기 SOC 추정 장치가
주파수 조정 모드; 또는 통상적인 전력저장 모드; 중 어느 모드로 동작하는지를 확인하는 모드 확인 모듈; 및
상기 배터리가 충전 또는 방전 중 어느 상태인지를 확인하는 충방전 상태 확인 모듈;
을 포함하여 구성되며,
상기 모드 확인 모듈은,
상기 SOC 추정 장치가 주파수 조정 모드로 동작하는 것으로 확인되는 경우, 상기 선택부에 주파수 조정 모드 신호를 전송하고,
상기 SOC 추정 장치가 통상적인 전력저장 모드로 동작하는 것으로 확인되는 경우, 상기 선택부에 통상적인 전력저장 모드 신호를 전송하며,
상기 충방전 상태 확인 모듈은
상기 배터리가 충전 상태인 경우, 충전 상태 신호를 상기 선택부에 전송하고,
상기 배터리가 방전 상태인 경우, 방전 상태 신호를 상기 선택부에 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 선택부는,
상기 동작 모드 확인부에서 주파수 조정모드 신호를 수신 받으면,
상기 평균 개방전압을 선택하고,
상기 동작 모드 확인부에서 충전 상태 신호 및 통상적인 전력저장 모드 신호를 수신 받으면,
상기 충전시 개방전압을 선택하고,
상기 동작 모드 확인부에서 방전 상태 신호 및 통상적인 전력저장 모드 신호를 수신 받으면,
상기 방전시 개방전압을 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 SOC 추정부는
상기 선택부에서 선택된 개방전압을 확장 칼만 필터에 대입하여 배터리의 SOC를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정 장치.