KR20200078229A - 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하는 전압 측정부; 전류 측정부; 및 온도 측정부; 및 충전제어부를 포함한다. 충전 제어부는, 이차 전지의 충전상태와 개방 전압을 추정하는 제어 로직; 적어도 이차 전지의 내부저항, 전류 측정값 및 상기 추정된 개방전압으로부터 이차 전지의 분극 전압을 결정하는 제어 로직; 상기 추정된 개방 전압과 미리 정의된 개방 전압 최저치의 차이에 해당하는 개방 전압 편차를 결정하는 제어 로직; 분극 전압 및 개방 전압 편차와 보정 팩터 사이의 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 결정된 분극 전압과 상기 결정된 개방 전압 편차에 대응되는 보정 팩터를 결정하는 제어 로직; 상기 보정 팩터에 따라 상기 추정된 충전상태를 보정하여 룩업 충전상태를 결정하는 제어 로직; 충전상태 및 온도와 충전전류의 크기에 대한 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 룩업 충전상태와 상기 온도 측정값에 대응되는 충전전류의 크기를 결정하는 제어 로직; 및 상기 결정된 충전전류의 크기에 상응하는 충전전류가 이차 전지에 인가되도록 상기 결정된 충전전류를 충전장치에 제공하는 제어 로직을 포함하는 프로세스를 실행하도록 구성된다.

Description

이차 전지의 스텝 충전 제어 장치 및 방법{Apparatus and Method for Controlling Step Charging of Secondary Battery}
본 발명은 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 충전을 시작하기 전에 이차 전지의 충전상태와 분극 전압에 따라 스텝 충전 제어 방식을 적응적으로 변경함으로써 충전 시간을 단축시킬 수 있는 스텝 충전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 반복적인 충전과 재생이 가능한 이차 전지가 화석 에너지의 대체 수단으로 주목 받고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 비디오 카메라, 전동 공구와 같은 전통적인 핸드 헬드 디바이스에 주로 사용되다가 최근에는 전기로 구동되는 자동차(EV, HEV, PHEV), 대용량의 전력 저장 장치(ESS), 무정전 전원 공급 시스템(UPS) 등으로 그 응용 분야가 점차 증가하는 추세이다.
상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 없고 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높다는 등의 장점으로 인해 각광을 받고 있다.
이차 전지의 다양한 충전 방식 중에서 스텝 충전 방식은 이차 전지의 충전상태(State Of Charge: SOC)와 온도에 따라서 충전전류의 크기를 단계적으로 조절하는 방식이다.
일반적인 스텝 충전 방식에 있어서, 충전 초기에는 충전전류의 크기가 크고 충전이 진행됨에 따라 충전전류가 단계적으로 감소한다. 충전전류는 복수 개로 분할된 충전상태 구간마다 다르게 할당된다.
충전전류의 크기는 충전상태가 낮은 구간이 충전상태가 높은 구간보다 상대적으로 크다. 또한, 충전상태 구간의 폭은 충전 후반으로 갈수록 점차 감소한다. 따라서, 충전 후반으로 갈수록 충전전류의 크기가 단계적으로 줄면서 동일한 충전전류가 유지되는 시간(duration)도 점차 짧아진다.
종래의 스텝 충전 방식은 크게 2가지로 나뉜다.
첫 번째 방식은, 충전전류와 온도에 따라서 한계 충전상태(SOCmax)를 룩업 테이블로 정의하고, 단계별 충전전류와 온도에 대응되는 SOCmax를 룩업 테이블로부터 맵핑한 후 이차 전지의 충전상태가 SOCmax에 도달될 때까지 현재 단계의 충전전류 크기를 일정하게 유지한다. 여기서, 룩업 테이블은, SOCmax=F(I, T)로 나타낼 수 있다. I는 충전전류, T는 온도를 나타낸다.
두 번째 방식은, 충전상태 구간과 온도에 따라서 이차 전지에 최대로 인가할 수 있는 충전전류 Imax를 룩업 테이블로 정의하고, 현재 충전상태 구간 및 온도에 대응되는 충전전류 Imax를 룩업 테이블로부터 맵핑한 후 현재의 충재 상태 구간에서 맵핑된 충전전류 Imax를 이차 전지에 계속해서 인가한다. 여기서, 룩업 테이블은, Imax=F(SOC, T)로 나타낼 수 있다. SOC는 충전상태, T는 온도이다.
스텝 충전 방식에 있어서, 충전전류가 변경되는 조건은 실험을 통해 미리 결정한다. 즉, 충전 실험을 통해서 충전상태 구간별로 리튬 석출과 같은 부반응(side reaction)을 일으키지 않는 충전전류의 최대 크기를 결정하거나, 충전전류의 크기를 유지했을 때 부반응을 일으키지 않고 도달될 수 있는 충전상태의 최대 상한을 충전전류의 크기에 따라 결정한다.
스텝 충전 방식은 충전이 진행됨에 따라 이차 전지가 수용할 수 있는 최대의 충전전력을 이차 전지에 인가하면서 충전전류의 크기를 단계적으로 줄임으로써 충전 시간을 단축시킬 수 있고 이차 전지의 수명 퇴화를 방지할 수 있는 이점이 있다.
한편, 리튬 이차 전지를 충전함에 있어서는, 충전을 시작하는 시점의 분극 상태에 영향을 받는다. 즉, 충전을 시작하기 전에 이차 전지의 충전상태가 동일하더라도 분극의 정도에 따라서 이차 전지에 인가하는 충전전류의 크기를 적응적으로 조절해야 한다.
예를 들어, 이차 전지의 충전을 시작하기 전에 무부하 상태가 오랜 시간 동안 유지되면 분극 전압은 0에 가깝다. 즉, 전극을 구성하는 활물질의 표면과 내부에서 리튬 이온의 확산이 충분히 진행되어 활물질 전체에서 리튬 이온의 농도가 동일하다. 반면, 이차 전지의 충전 개시 전에 무부하 상태가 짧은 시간 동안 유지되면 리튬 이온의 확산이 충분히 진행되지 않으므로 활물질 전체에서 리튬 이온의 농도가 균일하지 않다.
전극에서 리튬 이온 농도가 균일하지 않으면, 이차 전지의 단자 전압은 개방 전압 성분 이외에도 분극 전압 성분을 포함하게 된다. 분극 전압은 충전 모드에서는 양의 값을 나타내고, 방전 모드에서는 음의 값을 나타낸다. 즉, 충전 모드에서는 개방 전압보다 단자 전압이 증가하고, 방전 모드에서는 개방 전압보다 단자 전압이 작다.
이차 전지 내에 양의 분극 전압이 존재할 때, 통상적인 스텝 충전 방식에 따라 충전상태와 온도에 대응되는 충전전류 Imax를 이차 전지에 계속해서 인가하면, 미리 설정된 충전상태의 상한값에 도달되기도 전에 음극의 표면에서 리튬 석출이 일어난다. 분극 전압이 양일 경우, 음극 활물질의 내부보다 표면에 존재하는 리튬 이온의 농도가 높아서 음극의 전위가 리튬의 석출 조건에 해당하는 0 볼트에 빠르게 도달되기 때문이다.
반대로, 이차 전지 내에 음의 분극 전압이 존재하는 경우는 음극의 전위(potential)가 분극 전압에 비례하여 높아진다. 따라서, 통상적인 스텝 충전 방식에 따라 충전상태와 온도에 대응되는 충전전류 Imax를 미리 설정된 충전상태의 상한 값까지 이차 전지에 인가하더라도 음극의 표면에서 리튬 석출이 일어나지 않는다. 분극 전압이 음일 경우, 음극 활물질의 내부보다 표면에 존재하는 리튬 이온의 농도가 낮아서 음극의 전위가 리튬의 석출 조건에 해당하는 0 볼트에 느리게 도달되기 때문이다.
따라서, 이차 전지를 스텝 충전함에 있어서는 이차 전지의 분극 정도를 파악하여 스텝 충전 방식을 다르게 적용할 필요가 있다.
한편, 종래의 스텝 충전 방식은 단계별 충전전류가 적용되는 충전상태 구간이 일정하게 고정되어 있다.
예를 들어, 충전상태 20-30% 구간 및 30-40%에 대한 충전전류 크기를 각각 Imax,20-30% 및 Imax,30-40%로 설정했다면, 충전 개시 전의 충전상태가 20%이든, 25%이든, 충전전류의 크기는 Imax,20-30%로 일정하며, 충전상태가 30%에 도달되면 충전전류의 크기가 Imax,30-40%로 변경된다. 그리고, 충전상태가 30-40%인 구간에서는 충전전류의 크기가 Imax,30-40%로 일정하게 유지된다.
하지만, 충전 개시 전의 충전상태가 충전상태 구간(20-30%)의 중간영역(25%)에 속할 경우는, 다음 충전상태 구간(30-40%)의 초반부까지 충전전류의 크기를 어느 정도 계속 유지하여도 무방하다. 특정 크기의 충전전류(Imax,20-30%)를 이차 전지에 인가하는 동안 리튬이 석출되는지 여부는 이차 전지의 충전상태가 충전을 시작할 때의 충전상태를 기준으로 얼마나 변화했느냐에 의존하기 때문이다.
하지만 종래의 스텝 충전 방식은 충전을 시작할 때의 충전상태를 고려하지 않고 충전전류의 크기를 단계적으로 감쇄시킨다. 즉, 충전 시작 시점을 기준으로 리튬 석출이 일어날 정도로 충전상태가 증가하지 않았음에도 불구하고 다음 충전상태 구간으로 충전상태가 진입하기만 하면 무조건 충전전류를 감소시킨다. 이러한 충전전류 제어 방식은 이차 전지의 충전시간을 단축시키는데 한계가 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 이차 전지를 스텝 충전함에 있어서 충전 시작전의 이차 전지 충전상태와 분극 전압에 따라 이차 전지에 인가되는 단계별 충전전류의 크기를 적응적으로 조절함으로써 충전시간을 단축시킬 수 있는 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치는, 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하는 전압 측정부; 전류 측정부; 및 온도 측정부; 및 상기 전압 측정부, 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부와 동작 가능하게 결합된 충전제어부를 포함한다.
바람직하게, 상기 충전 제어부는, 이차 전지의 충전이 시작되기 전에 상기 전압 측정값, 상기 전류 측정값 및 상기 온도 측정값에 기초하여 이차 전지의 충전상태와 개방 전압을 추정하는 제어 로직; 적어도 이차 전지의 내부저항, 전류 측정값 및 상기 추정된 개방전압으로부터 이차 전지의 분극 전압을 결정하는 제어 로직; 상기 추정된 개방 전압과 미리 정의된 개방 전압 최저치의 차이에 해당하는 개방 전압 편차를 결정하는 제어 로직; 분극 전압 및 개방 전압 편차와 보정 팩터 사이의 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 결정된 분극 전압과 상기 결정된 개방 전압 편차에 대응되는 보정 팩터를 결정하는 제어 로직; 상기 보정 팩터에 따라 상기 추정된 충전상태를 보정하여 룩업 충전상태를 결정하는 제어 로직; 충전상태 및 온도와 충전전류의 크기에 대한 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 룩업 충전상태와 상기 온도 측정값에 대응되는 충전전류의 크기를 결정하는 제어 로직; 및 상기 결정된 충전전류의 크기에 상응하는 충전전류가 이차 전지에 인가되도록 상기 결정된 충전전류를 충전장치에 제공하는 제어 로직을 포함하는 프로세스를 실행하도록 구성된다.
일 측면에 따르면, 상기 충전제어부는, 이차 전지가 방전 모드 또는 휴지 모드에 있는 동안 확장 칼만 필터를 이용하여 상기 전압 측정값, 상기 전류 측정값 및 상기 온도 측정값으로부터 이차 전지의 충전상태를 주기적으로 결정하고, 상기 결정된 복수의 충전상태 중에서 충전이 개시되기 직전에 추정된 충전상태를 보정하여 상기 룩업 충전상태를 결정하도록 구성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 충전제어부는 충전상태와 개방전압 사이의 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 추정된 충전상태에 대응되는 개방전압을 추정하도록 구성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 충전 제어부는, 하기 수식에 따라, 상기 분극 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.
dVpol[k] = Vcell[k] - VOCV[k] -I[k]R0
(여기서, k는 시간 인덱스이고, dVpol[k]는 분극 전압이고, Vcell[k]는 확장 칼만 필터에 의해 추정된 전압 또는 측정 전압, VOCV[k]는 개방 전압이고, R0은 이차 전지의 내부 저항이고, I[k]는 이차 전지의 충전전류임)
또 다른 측면에 따르면, 상기 충전 제어부는, 하기 수식에 따라, 상기 개방 전압 편차를 결정하도록 구성될 수 있다.
dVOCV[k] = VOCV[k]- VOCV,min[k]
(여기서, k는 시간 인덱스이고, dVocv[k]는 개방 전압 편차이고, Vocv[k]는 개방 전압이고, Vocv,min은 미리 정의되는 개방 전압 최저치임)
또 다른 측면에 따르면, 상기 충전 제어부는, 하기 수식에 따라, 상기 룩업 충전상태를 결정하도록 구성될 수 있다.
SOClookup[k]= SOCestimated[k] - dSOCF(dVOCV[k], dVpol[k])
(여기서, k는 시간 인덱스이고, SOClookup[k]는 룩업 충전상태이고, SOCestimate[k]는 추정된 충전상태이고, dVocv[k]는 개방 전압 편차이고, dVpol[k]는 분극 전압이고, dSOCF는 개방 전압 편차 및 분극 전압과 보정 팩터 사이의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블임)
바람직하게, 상기 충전제어부는 상기 개방 전압 편차에 비례하도록 상기 보정 팩터를 결정하고, 상기 분극 전압에 반비례하도록 상기 보정 팩터를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법은, (a) 이차 전지의 방전 모드 또는 휴지 모드에서 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계; (b) 이차 전지의 충전이 시작되기 전에 상기 전압 측정값, 상기 전류 측정값 및 상기 온도 측정값에 기초하여 이차 전지의 충전상태와 개방 전압을 추정하는 단계; (c) 적어도 이차 전지의 내부저항, 전류 측정값 및 상기 추정된 개방전압으로부터 이차 전지의 분극 전압을 결정하는 단계; (d) 상기 추정된 개방 전압과 미리 정의된 개방 전압 최저치의 차이에 해당하는 개방 전압 편차를 결정하는 단계; (e) 분극 전압 및 개방 전압 편차와 보정 팩터 사이의 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 결정된 분극 전압과 상기 결정된 개방 전압 편차에 대응되는 보정 팩터를 결정하는 단계; (f) 상기 보정 팩터에 따라 상기 추정된 충전상태를 보정하여 룩업 충전상태를 결정하는 단계; (g) 충전상태 및 온도와 충전전류의 크기에 대한 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 룩업 충전상태와 상기 온도 측정값에 대응되는 충전전류의 크기를 결정하는 단계; 및 (h) 상기 결정된 충전전류의 크기에 상응하는 충전전류가 이차 전지에 인가되도록 상기 결정된 충전전류를 충전장치에 제공하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 과제는, 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치를 포함하는 전기 구동 장치에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 충전을 시작하기 전의 이차 전지 충전상태(dVocv)와 분극 전압(dVpol)을 동시에 고려하여 충전전류의 크기를 적응적으로 제어함으로써, 이차 전지의 스텝 충전 시간을 종래보다 단축시킬 수 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치에 관한 블록 다이어그램이다.
도 2는 확장 칼만 필터의 상태 방정식과 출력 방정식이 유도될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 회로 모델을 도시한다.
도 3은 이차 전지의 충전상태(SOC) 및 온도(T)와 충전전류 크기 사이의 상관 관계를 미리 정의하고 있는 스텝 충전 룩업 테이블의 일 예이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법에 대한 순서도이다.
도 8은 이차 전지를 본 발명에 따른 스텝 충전 방식(실시예 1 및 2)과 종래의 스텝 충전 방식(비교예)으로 충전을 진행했을 때 충전상태의 변화에 따른 충전전류의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예1의 충전전류 프로파일에 의해 충전이 진행되었을 경우와 비교예의 충전전류 프로파일에 의해 충전이 진행되었을 때 충전시간을 비교한 그래프이다.
도 10은 실시예2의 충전전류 프로파일에 의해 충전이 진행되었을 경우와 비교예의 충전전류 프로파일에 의해 충전이 진행되었을 때 충전시간을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판정되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '프로세서'와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, 이차 전지는, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미할 수 있다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 하나가 이차 전지로 간주될 수 있다. 또한, 이차 전지는 직렬 및/또는 병렬 연결된 셀들의 어셈블리를 의미할 수 있다. 일 예로, 복수의 리튬 폴리머 셀들을 설계 용량에 맞게 직렬 및/또는 병렬 연결시킨 모듈이나 팩이 이차 전지로 간주될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치에 관한 블록 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치(10)는, 이차 전지(20)에 결합되어 이차 전지(20)의 스텝 충전을 적응적으로 제어한다.
스텝 충전은 충전상태 구간을 복수 개로 분할하고, 각 충전상태 구간마다 이차 전지(20)에 최대로 인가할 수 있는 충전전류를 미리 정의하고, 이차 전지(20)의 충전상태와 온도에 따라서 미리 정의된 충전전류를 이차 전지(20)에 인가하는 방식을 말한다.
이차 전지의 스텝 충전 제어 장치(10)는, 전압 측정부(30), 전류 측정부(40), 온도 측정부(50), 충전제어부(60) 및 저장부(70)를 포함한다.
전압 측정부(30)는 충전제어부(60)의 요청에 따라 주기적으로 이차 전지(20)의 양극과 음극 사이의 전압을 측정하고, 전압 측정값을 충전제어부(60)로 출력한다.
전압 측정부(30)는 이차 전지(20)의 전압을 충전 및 홀드하는 부동 캐패시터, 부동 캐패시터에 충전 및 홀드된 이차 전지(20)의 전압을 측정하는 전압 센싱 회로 등을 포함할 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전압 측정부(30)는, 이차 전지(20)가 직렬로 연결된 복수의 셀을 포함할 때, 복수의 셀에 대한 단자 전압을 동시에 또는 이시적(time-differentially)으로 측정할 수 있도록 설계 변경될 수 있다. 복수의 셀에 대한 단자 전압 측정 기술은 당업계에 널리 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
전류 측정부(40)는 충전제어부(60)의 요청에 따라 주기적으로 이차 전지(20)를 통해서 흐르는 전류를 측정하고 전류 측정값을 충전제어부(60)로 출력한다. 이차 전지(20)를 통해 흐르는 전류는 충전 전류 또는 방전 전류이다.
전류 측정부(40)는 이차 전지(20)를 통해 전류가 흐를 때 센스 저항(45)의 양단에 인가되는 전압을 측정하여 충전제어부(60)로 출력할 수 있다. 센스 저항(45)의 양단 전압은 전류 측정값에 해당한다. 충전제어부(60)는 오옴의 법칙(V=IR)을 이용하여 센스 저항(45)의 양단 전압을 전류로 변환할 수 있다. 전류 측정부(40)는 홀 센서와 같은 다른 공지된 전류 센서로 대체 가능함은 물론이다.
온도 측정부(50)는 충전제어부(60)의 요청에 따라 주기적으로 이차 전지(20)의 온도를 측정하고 온도 측정값을 충전제어부(60)로 출력한다.
온도 측정부(50)는 열전대(thermocouple)와 같이 당업계에 공지된 온도 센서일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
저장부(70)는, 전기적, 자기적, 광학적 또는 양자역학적으로 데이터를 기록하고 소거할 수 있는 저장매체이다. 저장부(70)는 비제한적인 예시로서, RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다. 저장부(70)는 충전제어부(60)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 충전제어부(60)와 동작 가능하게 전기적으로 결합될 수 있다.
저장부(70)는 충전제어부(60)에 의해 실행되는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터, 및/또는 각종 제어 로직의 실행을 위해 필요한 미리 정의된 데이터, 파라미터, 룩업 테이블 등을 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거할 수 있다. 저장부(70)은 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 충전제어부(60) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
충전제어부(60)는 이차 전지(20)의 스텝 충전을 전반적으로 제어하기 위한 구성요소이다.
충전제어부(60)는 이차 전지(20)의 충전상태와 개방전압, 개방 전압 최소치를 기준으로 한 개방 전압 편차, 분극 전압 등을 결정하고, 충전 직전의 충전상태와 분극 전압, 그리고 이차 전지의 온도에 따라 충전전류의 크기를 조절하는데 필요한 적어도 하나 이상의 제어 로직을 실행할 수 있는 구성요소이다.
충전제어부(60)는 충전 모드, 방전 모드 및 휴지 모드에서 소프트웨어로서 미리 정의된 확장 칼만 필터 알고리즘을 이용하여 이차 전지(20)의 충전상태를 추정할 수 있다.
이차 전지(20)의 충전상태 추정 시에 확장 칼만 필터를 적용하기 위해서는, 이차 전지(20)를 하나의 시스템으로 간주하여 상태 방정식(state equation)과 출력 방정식(output equation)을 정의할 필요가 있다.
바람직한 실시예에서, 상태 방정식과 출력 방정식은 회로 모델로부터 유도될 수 있다.
도 2는 확장 칼만 필터의 상태 방정식과 출력 방정식이 유도될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 회로 모델(200)을 도시한다.
도 2를 참조하면, 회로 모델(200)은, 이차 전지(20)의 충전상태에 따라서 가변 되는 개방 전압원(210)을 포함한다. 개방 전압원(210)에 의해 형성되는 개방 전압은 충전상태에 따라 고유하게 변할 수 있다.
개방 전압원(210)은 이차 전지(20)가 전기화학적으로 장시간 동안 안정화되었을 때의 개방 전압을 모사한다.
개방 전압원(210)에 의해 형성되는 개방 전압은 실험을 통해 충전상태 별로 미리 정의될 수 있다.
즉, 이차 전지(20)의 개방 전압을 충전상태 별로 측정한다. 그런 다음, 측정된 데이터를 해석하여 함수나 룩업 테이블의 형태로 개방 전압과 충전상태 사이의 상관 관계를 정의할 수 있다.
본 발명에 있어서, 개방 전압과 충전 상태 사이의 미리 정의된 상관 관계는 이차 전지의 온도를 또 다른 독립 변수로 고려하여 정의할 수 있다. 즉, 온도와 개방 전압에 따라 충전 상태를 정의할 수 있다.
회로 모델(200)은, 이차 전지(20)의 내부 저항을 모사하는 직류 저항(220)을 포함할 수 있다. 직류 저항(220)은 이차 전지(20)가 충전 또는 방전될 때 내부 저항에 의해 생기는 내부 저항 전압을 모사한다.
본 발명이 속하는 기술분야에서, 내부 저항 전압은 IR 전압이라고 지칭한다. IR 전압으로 인해서, 충전될 때 측정된 전압은 개방 전압보다 크다. 반대로, 방전될 때 측정된 전압은 개방 전압보다 작다. 직류 저항(220)의 저항 값은 실험을 통해 미리 설정될 수 있다.
회로 모델(200)은, 이차 전지(20)의 분극 전압(Polarization)을 모사하는 적어도 하나의 RC 회로(230)를 포함할 수 있다. RC 회로(230)는 적어도 하나의 저항(R1)과 이와 병렬 연결된 적어도 하나의 콘덴서(C1)를 포함한다.
분극 전압은 이차 전지(20)가 충전 또는 방전될 때 양극과 음극에 분극(polarization)이 누적되어 생기는 전압이다. RC 회로(230)의 저항 값과 커패시턴스 값은 실험을 통해 미리 설정될 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 실시예에 따른 확장 칼만 필터의 상태 방정식과 출력 방정식은 상술한 회로 모델(200)로부터 유도될 수 있다.
확장 칼만 필터는, 동적인 시스템에 대해서 외부에서 측정 가능한 변수와 시스템의 외란(disturbance)을 고려하여 시스템의 상태를 확률 통계적으로 추정할 수 있는 적응적인 소프트웨어 알고리즘(Adaptive Software Algorithm)이다.
확장 칼만 필터의 기본 원리는 본 발명이 속한 기술 분야에 잘 알려져 있다. 일 예로서 그레고리 엘 플레트(Gregory L. Plett)씨의 논문 “Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Part 1. Background”of Power Source 134, 2004, 252-261)를 참조 가능하고, 본 명세서의 일부로서 위 논문이 합체될 수 있다.
본 발명에 있어서, 확장 칼만 필터의 상태 방정식은 상태 변수로서 이차 전지의 충전상태와 이차 전지의 분극 전압을 포함하고, 상태 변수를 시간에 따라 업데이트시킨다.
구체적으로, 상태 방정식은, 이산 시간 모델(Time-Discrete Model)에 근거한 다음과 같은 2개의 방정식을 포함할 수 있다.
수식1:
Figure pat00001
수식2:
Figure pat00002
여기서, 수식1은, 전류 적산법(ampere counting)에 의해 상태 변수 중 하나인 충전상태(SOC)를 시간 업데이트시키는 충전상태 업데이트 방정식이다.
수식2는, 회로 모델(200)에 포함된 RC 회로(230)를 이용하여 상태 변수 중 다른 하나인 이차 전지(20)의 분극 전압을 시간 업데이트시키는 분극 전압 업데이트 방정식이다.
수식1에 있어서, Qcapacity는 이차 전지의 용량이고, k는 시간 인덱스이고, I는 시간 인덱스 k에서 측정된 전류이고, R1 및 C1은 회로 모델(200)에 포함된 RC 회로의 저항 값과 커패시턴스 값이다. I의 부호는 충전 시 음이고 방전 시 양이다. 또한, 충전 및 방전이 진행되지 않는 휴지 모드에서 I는 0이다.
수식1 및 2로 나타낸 상태 방정식은, 행렬을 이용하여 수식3과 같은 벡터 상태 방정식으로 나타낼 수 있다.
수식 3:
Figure pat00003
수식 3에 있어서, R1, C1 및 Qcapacity는 실험을 통하여 직접 측정하거나, 확장 칼만 필터에 의해 추정되는 시스템의 상태 오차가 최소가 되도록 시행 착오법(Trial & Error)을 사용하여 튜닝이 가능한 전기적 특성값들로서, 고정된 값이거나 이차 전지의 충전상태 또는 이차 전지의 퇴화도에 따라 가변 되는 값이다.
본 발명에 있어서, 확장 칼만 필터의 출력 방정식은 이산 시간 모델로 나타낼 수 있다. 즉, 출력 방정식은 시간 인덱스 k에서 이차 전지의 충전상태에 따른 개방 전압, 분극 전압 및 이차 전지의 내부 저항에 의해 생기는 내부 저항 전압을 이용하여 이차 전지의 전압을 출력 변수로서 나타낸다.
구체적으로, 출력 방정식은, 시간 인덱스 k를 기준으로 다음의 수식 4로 나타낼 수 있다.
수식 4:
Figure pat00004
수식4에 있어서, VOCV[k]는 이차 전지의 개방 전압으로서 회로 모델(200)에 포함된 개방 전압원(210)에 의해 형성되는 전압이다. VOCV[k]는 충전상태와 개방 전압의 상관 관계를 미리 정의한 함수 또는 룩업 테이블을 이용하여 산출할 수 있다. 즉, 수식 1에 의해 충전상태를 얻은 후, 함수나 룩업 테이블을 이용하여 충전상태에 대응되는 개방 전압을 결정할 수 있다. 충전 상태에 대응되는 개방 전압을 결정할 때 이차 전지(20)의 온도가 추가로 고려될 수 있다.
또한, V1[k]는 회로 모델(200)의 RC 회로(230)에 의해 형성되는 전압으로서, 수식2의 분극 전압 업데이트 방정식을 이용하여 결정할 수 있다.
또한, I[k]R0은 회로 모델(200)의 직렬 저항(220)에 의해 형성되는 내부 저항 전압으로서 측정된 전류 값과 미리 설정된 직렬 저항(220)의 저항 값을 이용하여 결정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 충전제어부(60)는, 상술한 상태 방정식과 출력 방정식을 이용하여 일정한 시간마다 확장 칼만 필터 알고리즘을 반복적으로 실행하여 이차 전지(20)의 충전상태를 적응적으로 추정할 수 있다.
먼저, 충전제어부(60)는 상태 변수인 충전상태(SOC)와 분극 전압(V1)을 다음과 같이 초기화할 수 있다.
초기화:
Figure pat00005
상기 초기화 수식에서, Vcell[0]은 확장 칼만 필터의 알고리즘이 실행되고 나서 처음으로 측정한 초기 전압을 나타낸다. 또한, OCV-1은 충전상태를 개방 전압으로 변환하는 연산자(OCV(SOC))에 대한 역변환 연산자이다. SOC[0]은, 충전상태와 개방 전압에 대한 미리 정의된 상관 관계로부터 쉽게 계산이 가능하다.
여기서, 상기 미리 정의된 상관 관계는 룩업 테이블 또는 룩업 함수일 수 있다. 룩업 테이블은, 충전상태와 개방 전압 사이의 상호 참조가 가능한 데이터 구조를 가질 수 있다. 또한, 룩업 함수는 충전상태 및 개방 전압 중 어느 하나를 입력 변수로 입력 받아 다른 하나를 출력 변수로서 출력할 수 있는 함수 형태를 가질 수 있다.
확장 칼만 필터는 초기 조건에 대해서 강인성(robustness)을 가지므로, 상태 변수의 초기 조건이 반드시 특정한 조건으로 제한될 필요는 없다. 따라서, 상태 변수의 초기 조건은 확장 칼만 필터에 의해 추정되는 시스템의 상태가 발산되지 않아야 한다는 조건을 만족하도록 임의로 설정될 수 있다.
충전제어부(60)는, 일정한 시간(△t)이 경과되면 수식 1 및 2의 상태 방정식을 이용하여 충전상태와 분극 전압을 시간 업데이트할 수 있다.
수식1:
Figure pat00006
수식2:
Figure pat00007
수식 1 및 2에서, I[0]은 전류측정부(40)에 의해 처음으로 측정된 초기 전류 값이고, △t는 시간 인덱스의 증가 주기이다.
또한, 충전제어부(60)는, 하기 수식을 이용하여 상태 변수에 대한 오차 공분산을 시간 업데이트한다. 여기서, k는 1이다.
수식 5:
Figure pat00008
수식 5에 있어서, x는 상태 변수, k는 시간 인덱스, w는 확장 칼만 필터의 프로세스 노이즈, 위쪽에 ^ 기호가 표시된 A와 B는 상태 방정식으로부터 얻는 자코비언(Jacobian), T는 전치 행렬 연산자이다. 시그마가 붙은 파라미터는 해당 파라미터의 오차 공분산을 나타낸다. 또한, 마이너스 기호가 붙은 오차 공분산은 시간 업데이트된 공분산을 나타내고, 플러스 기호가 붙은 오차 공분산은 직전에 보정된 오차 공분산을 나타낸다.
수식 5에 있어서, 시간 인덱스 k가 1일 때, 우변에 있는 상태 변수에 대한 오차 공분산의 초기값은 확장 칼만 필터가 발산되지 않도록 미리 설정될 수 있는데, 일 예로서 0으로 설정할 수 있다. 또한, 프로세스 노이즈의 경우도 상태 방정식과 출력 방정식의 오차를 고려하여 적절하게 튜닝될 수 있는데, 일 예로서 충전상태에 관한 프로세스 노이즈(Wsoc)는 0으로 설정하고, 분극전압에 관한 프로세스 노이즈(Wv1)은 0.1로 설정할 수 있다. 2개의 프로세스 노이즈 값은 변경될 수 있으며, 충전 상태에 관한 프로세스 노이즈와 분극전압에 관한 프로세스 노이즈의 비율 조절을 통해 전류적산 값과 분극전압 값의 신뢰도를 결정할 수 있다.
오차 공분산의 시간 업데이트가 끝나면, 충전제어부(60)는, 전류 측정부(40) 및 전압 측정부(30)를 이용하여 이차 전지(20)의 전류 I[1] 및 전압 V[1]을 측정하고, 시간 업데이트된 상태 변수 V1[1], 측정된 전류 I[1] 및 시간 업데이트된 SOC[1]에 대응되는 개방 전압 VOCV[1]을 수식4에 적용하여 이차 전지의 전압 Vcell[1]을 출력 변수로서 예측한다.
수식 4:
Figure pat00009
그런 다음, 충전제어부(60)은, 시간 업데이트된 오차 공분산을 다음 수식에 적용하여 시간 인덱스 k가 1일 때 칼만 게인(L)을 결정한다.
수식 6:
Figure pat00010
수식 6에 있어서, 위쪽에 ^ 기호가 붙은 C와 D는 출력 방정식으로부터 얻는 자코비언이고, v는 확장 칼만 필터의 센서 노이즈이고, T는 전치 행렬 연산자이다. 센서 노이즈는 전압 측정부(30), 전류 측정부(40) 및 온도 측정부(50)의 오차에 기인하는 것으로 적절한 값으로 튜닝될 수 있는데, 일 예로서 0.01로 설정될 수 있다.
이어서, 충전제어부(60)는, 결정된 칼만 게인(L)과 측정된 전압(V[1])과 시간 업데이트된 상태 변수를 다음 수식에 적용하여 상태 변수를 보정함으로써 상태 변수를 추정한다.
수식 7:
Figure pat00011
수식 7에 있어서, x와 z는 각각 상태 변수와 출력 변수를 나타내고, - 기호는 해당 상태 변수가 시간 업데이트된 상태 변수임을 나타내고, + 기호는 해당 상태 변수가 추정된 상태 변수임을 나타내고, 위쪽에 ^이 있는 z는 예측된 이차 전지의 전압 Vcell[1]이고, 위쪽에 ^가 없는 z는 실제로 측정된 이차 전지의 전압 V[1]이다.
바람직하게, 충전제어부(60)는 수식 7에 의해 추정된 상태 변수 중에서 충전상태를 추출함으로써 이차 전지의 충전상태를 추정할 수 있다.
마지막으로, 충전제어부(60)는, 결정된 칼만 게인과 자코비언 C 그리고 시간 업데이트된 상태 변수의 오차 공분산을 아래 수식에 적용하여 상태 변수의 오차 공분산을 보정한다.
수식 8:
Figure pat00012
위와 같은 일련의 계산 과정은 시간 인덱스 k가 1씩 증가할 때, 즉 시간 △t가 경과할 때마다 반복적으로 실행된다. 또한, 수식 7에 의해 추정된 상태 변수와 수식 8에 의해 보정된 상태 변수의 오차 공분산은 다음 사이클의 계산 주기에서 상태 변수와 오차 공분산을 시간 업데이트할 때 다시 사용된다.
충전제어부(60)는 이차 전지(60)의 충전 모드, 방전 모드 또는 휴지 모드 중에 확장 칼만필터를 실행하여 이차 전지(20)의 상태 변수, 즉 충전상태(SOC[k])와 분극전압(V1[k])을 주기적으로 결정하고, 추정된 충전상태(SOC[k])와 분극전압(V1[k])을 저장부(70)에 기록한다.
또한, 충전제어부(60)는 하기 수식 9에 따라 dVOCV[k]와 dVpol[k]라는 파라미터를 추가로 결정한다.
수식 9:
dVOCV[k] = VOCV[k]- VOCV,min[k]
dVpol[k] = Vcell[k] - VOCV[k] -I[k]R0 = V1[k]
수식 9에 있어서, VOCV,min은 이차 전지(20)가 공칭 씨레이트(Nominal C-rate)에 해당하는 방전전류로 방전 하한전압 Vmin에 도달된 이후 이차 전지(20)의 방전을 중단하고 충분한 시간 동안 무부하 상태를 유지하였을 때 이차 전지(20)의 개방전압으로서 개방 저압 최저치에 해당한다.
VOCV,min은 이차 전지(20)가 리튬 폴리머 셀인 경우 3.0V로 설정될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. dVOCV[k]는 이차 전지(20)의 현재 개방 전압과 개방 전압 최저치 사이의 차이를 나타내는 파라미터이다. 따라서, dVOCV[k]는 개방 전압 편차라고 정의할 수 있다.
또한, VOCV[k]는 확장 칼만 필터에 의해 일정한 시간 간격마다 추정된 충전상태(SOC[k])에 대응되는 것으로서, 사전에 정의되는 SOC-OCV 룩업 테이블로부터 결정할 수 있다.
또한, dVpol[k]은 수식 4의 V1[k]에 해당하며, 일정한 시간 간격보다 확장 칼만 필터의 수식3에 의해 결정되는 분극전압(V1[k])에 해당한다.
수식 9에 있어서, VOCV,min은 방전 실험을 통해서 미리 결정되며, 고정된 값이거나 이차 전지(20)의 퇴화도에 따라 가변될 수 있다.
이차 전지(20)의 퇴화도는 V-I 직선 방정식의 기울기로부터 결정될 수 있다. 즉, 충전제어부(60)는 저장부(70)에 누적 저장된 복수의 전압 데이터 및 전류 데이터를 이용하여 최소자승법(least square method)에 의해 V-I 직선 방정식을 산출하고, V-I 직선 방정식의 기울기를 이차 전지(20)의 내부저항으로 결정할 수 있다. 그리고, 충전제어부(60)는 저장부(70)에 미리 기록되어 있는 이차 전지(20)의 초기 내부저항을 기준으로 한 내부저항의 증가율 %를 결정하고, (100%-증가율)을 퇴화도 값으로 결정할 수 있다.
본 발명은 퇴화도를 산출하는 방법에 의해 한정되지 않으므로 내부저항을 이용한 퇴화도의 산출법 이외에도 본 발명이 속한 기술분야에 공지된 다른 방법에 의해서도 퇴화도가 산출될 수 있음은 자명하다.
바람직하게, 충전제어부(60)는 이차 전지(20)의 충전상태 및 온도와 충전전류 사이의 미리 정의된 상관 관계, 예컨대 스텝 충전 룩업 테이블을 참조하여 스텝 충전 방식에 의해 이차 전지(20)의 충전을 제어한다.
도 3은 이차 전지(20)의 충전상태(SOC) 및 온도(T)와 충전전류 크기 사이의 상관 관계를 미리 정의하고 있는 스텝 충전 룩업 테이블의 일 예이다.
일 실시예에서, 충전 제어부(60)는 이차 전지(20)의 스텝 충전을 진행함에 있어서 도 3에 도시된 스텝 충전 룩업 테이블을 참조하여 이차 전지(20)에 인가하는 충전전류의 크기를 충전상태 구간 별로 일정하게 제어할 수 있다.
스텝 충전 룩업 테이블에 있어서, 제1행은 충전상태를 나타내고, 제1열은 온도를 나타낸다. 충전전류의 크기는 제1행의 충전상태와 제1열의 온도가 만나는 위치의 값으로 맵핑된다.
이차 전지(20)의 온도가 25℃일 때, 충전상태 구간 10-36%에서는 충전전류 크기가 150A로 맵핑된다. 또한, 충전상태 구간 36-40%에서는 충전전류 크기가 100A로 맵핑된다. 또한, 충전상태 구간 40-100% 구간에서는 충전전류 크기가 50A로 맵핑된다.
유사하게, 이차 전지(20)의 온도가 15℃일 때, 충전상태 구간 10-26%에서는 충전전류 크기가 150A로 맵핑된다. 또한, 충전상태 구간 26-36%에서는 충전전류 크기가 100A로 맵핑된다. 또한, 충전상태 구간 36-100% 구간에서는 충전전류 크기가 50A로 맵핑된다.
유사하게, 이차 전지(20)의 온도가 35℃일 때, 충전상태 구간 10-40%에서는 충전전류 크기가 150A로 맵핑된다. 또한, 충전상태 구간 40-45%에서는 충전전류 크기가 100A로 맵핑된다. 또한, 충전상태 구간 45-100% 구간에서는 충전전류 크기가 50A로 맵핑된다.
충전 제어부(60)는 확장 칼만 필터를 이용하여 추정한 충전상태와 온도 측정부(50)를 통해 측정한 이차 전지(20)의 온도에 대응되는 충전전류의 크기를 스텝 충전 룩업 테이블로부터 맵핑하여 결정할 수 있다.
맵핑된 충전전류의 크기는 해당 충전상태 구간에서 이차 전지(20)를 충전할 때 리튬 석출과 같은 이차 전지(20)의 부반응을 일으키지 않으면서 이차 전지(20)에 인가할 수 있는 충전전류의 최대치로서, 충전실험을 통해서 미리 설정될 수 있다.
구체적인 예로서, 확장 칼만 필터를 이용하여 추정한 충전상태 및 온도가 각각 26% 및 25℃라면 충전전류의 크기는 150A로 결정된다. 또한, 이차 전지(20)의 온도가 25℃로 유지될 경우 충전상태가 10-36% 구간에 속할 때에는 이차 전지(20)의 충전전류를 150A로 유지시킨다. 하지만, 이차 전지(20)의 충전상태가 36%까지 증가하면 이차 전지(20)에 인가되는 충전전류의 크기는 100A로 감소되며, 100A의 충전전류는 충전상태가 36-40%인 구간에서 동일하게 유지될 수 있다.
바람직하게, 충전제어부(60)는 이차 전지(20)가 휴지 모드, 즉 무부하 상태(no-load state)에서 충전 모드로 전환되거나 또는 방전 모드에서 충전 모드로 전환될 경우, 통상적인 스텝 충전 제어 방식과는 다르게 충전전류를 맵핑한다. 이하, 이에 대해서 구체적으로 설명한다.
충전제어부(60)는, 이차 전지(20)가 휴지 모드, 즉 무부하 상태(no-load state)에서 충전 모드로 전환되거나 또는 방전 모드에서 충전 모드로 전환될 경우 충전이 시작되기 직전에 확장 칼만 필터에 의해 추정된 충전상태(SOCestimated[k])를 수식 10을 이용하여 보정함으로써 룩업 용도로 사용할 룩업 충전상태 SOClookup[k]를 결정할 수 있다.
수식 10:
SOClookup[k]= SOCestimated[k] - dSOCF(dVOCV[k], dVpol[k])
수식 10에 있어서, dSOC(dVOCV[k], dVpol[k]))는 수식 9를 이용하여 결정한 dVOCV[k] 및 dVpol[k]와 충전상태의 보정팩터에 해당하는 dSOC 사이의 미리 정의된 상관 관계, 예컨대 보정 팩터 룩업 테이블일 수 있다. 보정 팩터 룩업 테이블은 이차 전지(20)의 온도 별로 정의될 수 있다.
보정팩터 dSOC의 변화 방향과 dVocv[k]의 변화 방향은 동일하다. 따라서, dVpol[k]가 변화하지 않을 때 dVOCV[k]가 증가하면 SOCestimate[k]의 감소량은 커지고, 반대로 dVOCV[k]가 감소하면 SOCesitmate[k]의 감소량이 작아진다.
한편, 보정팩터 dSOC의 변화 방향과 dVpol[k]의 변화 방향은 반대이다. 따라서, dVocv[k]가 변화하지 않을 때 dVpol[k]가 증가하면 SOCestimate[k]의 감소량은 작아지고 반대로 dVpol이 작아지면 SOCestimate[k]의 감소량은 커진다. 또한, 이차 전지(20)가 방전 모드에서 충전 모드로 전환될 경우 방전 모드에서는 dVpol[k]가 음수이므로 SOCestimate[k]의 감소량은 휴지 모드에서 충전 모드로 전환되는 경우보다 상대적으로 더 크다.
dVOCV[k] 및 dVpol[k]에 따른 보정 팩터 dSOC는 이차 전지(20)의 충전실험을 통하여 미리 결정할 수 있다.
즉, 이차 전지(20)의 개방 전압 편차가 dVOCV[k]이고 이차 전지(20)의 분극 전압이 dVpol[k]이고 이차 전지(20)의 충전상태가 SOCestimate[k]이고 이차 전지의 온도가 T[k]가 되도록 이차 전지(20)의 상태를 조절한다. 여기서, dVOCV[k], dVpol[k] 및 SOCestimate[k]는 다양한 값으로 조절이 가능하다. 그런 다음, 도 3에 정의된 바와 같은 룩업 테이블을 참조하여 SOCestimate[k]와 T[k]에 해당하는 충전전류의 크기를 식별한 후 해당 충전전류를 이차전지(20)에 인가하면서 이차 전지(20)의 음극 전위가 0이 될 때까지 이차 전지(20)에 인가된 충전전류를 적산하여 이차 전지(20)의 충전상태 변화량을 결정한다. 그런 다음, SOCestimate[k]와 충전상태 변화량을 합산한 값과 SOCestimate[k]가 속하는 충전상태 구간 상한값 사이의 차이값을 dVOCV[k], dVpol[k] 및 T[k]에 대응되는 dSOC로 결정할 수 있다. 바람직하게, 안전 마진을 고려할 경우 실험적으로 결정한 dSOC 값을 소정% 감소시킬 수 있음은 당업자에게 자명하다.
위와 같은 충전실험을 다양한 조건의 dVOCV[k], dVpol[k], SOCestimate[k] 및 T[k]에 대해 실시하면 온도에 따른 보정 팩터 룩업 테이블을 생성할 수 있다. 생성된 보정 팩터 룩업 테이블은 저장부(70)에 기록되고 갱신될 수 있다.
일 예로, 도 3을 참조하면, SOCestimate[k]가 34%, T[k]가 25℃라고 할 때, 이 조건으로부터 맵핑되는 충전전류의 크기는 150A이다. 충전전류 150A를 이차 전지(20)에 인가하여 음극 전위가 0이 될 때까지 충전을 진행했을 때 충전상태 변화량이 4%라면, SOCestimate[k]와 충전상태 변화량을 합산한 값은 38%, SOCestimate[k]이 속하는 충전상태 구간, 즉 충전전류가 150A로 설정된 충전상태 구간 10-36%의 상한값은 36%이므로 dSOC는 2%로 결정할 수 있다.
바람직하게, 충전제어부(60)는 충전을 시작하기 전에 수식 10을 이용하여 결정한 룩업 충전상태(SOClookup)와 온도 측정부(50)를 통해 충전 개시 직전에 측정한 이차 전지(20)의 충전시작 온도에 대응하는 충전전류의 크기를 스텝 충전 룩업 테이블로부터 맵핑하여 충전전류의 초기값을 결정할 수 있다.
또한, 충전제어부(60)는 이차 전지(20)의 충전이 시작되면, 충전장치(80)를 제어하여 충전전류를 이차전지(20)에 일정하게 인가한다. 동시에 충전제어부(60)는 전압 측정부(30), 전류 측정부(40) 및 온도 측정부(50)를 통해 주기적으로 이차 전지(20)의 전압, 전류 및 온도를 측정하여 측정값들을 저장부(70)에 기록한다.
또한, 충전제어부(60)는 일정한 시간 간격을 두고 확장 칼만 필터를 이용하여 이차 전지(20)의 충전상태(SOCestimate)를 추정하고, dVocv와 dVpol 값을 결정하고(수식 9 참조), 보정 팩터 룩업 테이블을 참조하여 dVocv와 dVpol 값에 대응되는 보정팩터 dSOC를 결정하고, 보정팩터 dSOC를 이용하여 충전상태(SOCestimate)를 보정하여 룩업 충전상태(SOClookup)를 결정하고(수식 10 참조), 룩업 충전상태(SOClookup)와 이차 전지(20)의 온도에 대응되는 충전전류의 크기를 스텝 충전 룩업 테이블로부터 맵핑하고, 충전장치(80) 측으로 맵핑된 충전전류의 크기를 제공하여 충전장치(80)가 해당하는 충전전류를 이차 전지(20)에 인가하도록 하는 제어 로직을 반복할 수 있다.
위와 같이 충전 방식이 변경되면, 스텝 충전 룩업 테이블에서 충전전류의 크기를 맵핑함에 있어서 확장 칼만 필터에 의해 추정된 충전상태(SOCestimate)가 아니라 dSOC라는 보정 팩터가 반영된 룩업 충전상태(SOClookup)가 사용되므로 충전전류의 크기가 감소되는 충전상태 구간의 경계 값을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 확장 칼만 필터에 의해 추정된 이차 전지(20)의 충전상태(SOCestimate)가 36%이고 이차 전지(20)의 온도가 25℃인 경우 스텝 충전 룩업 테이블로부터 결정되는 충전전류의 크기는 100A이다. 하지만, 본 발명은 36%-dSOC에 해당하는 룩업 충전상태(SOClookup)를 기준으로 충전전류의 크기를 맵핑하므로 150A를 충전전류로 결정한다. 따라서, 보정팩터 dSOC에 해당하는 충전상태 구간만큼 150A의 충전전류가 인가되는 시간이 증가한다. 또한, 충전전류의 크기는 확장 칼만 필터에 의해 추정되는 충전상태(SOCestimate)를 기준으로 36%+dSOC에 해당하는 충전상태에서 100A로 감소한다. 이처럼, 충전전류의 크기가 상대적으로 큰 충전상태 구간의 상한이 증가하면, 충전시간이 단축되는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 보정 팩터 dSOC는 이차 전지(20)의 음극 전위가 0 이하로 감소되지 않는 조건을 적용하여 실험적으로 미리 결정한 것이다. 따라서, 충전전류의 크기가 큰 충전상태 구간의 상한이 증가하더라도 리튬이 음극 표면에 석출되는 현상을 방지할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 충전제어부(60)는 마이크로프로세서를 포함하는 MCU(micro control unit) 유닛으로 구현될 수 있다. 이러한 실시예에서, 충전제어부(60)는 상술한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 메모리 소자, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
또한, 상술한 제어 로직은 MCU 유닛에서 실행 가능한 프로그램으로 코딩되어 MCU 유닛의 프로세서가 접근 가능한 저장매체에 저장되고 실행될 수 있다. 저장부(70)가 MCU 유닛 내에 통합될 경우 상기 프로그램은 저장부(70)에 기록되는 것을 제한하지 않는다.
기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다.
코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 충전제어부(60)는 충전장치(80)와 데이터를 송수신하기 위해 통신 인터페이스를 통해 충전장치(80)와 연결될 수 있다. 이 경우, 충전제어부(60)는 통신 인터페이스를 통해 스텝 충전 룩업 테이블을 이용하여 결정한 충전전류의 크기에 관한 데이터를 충전장치(80)로 전송할 수 있다. 그러면, 충전장치(80)는 수신된 정보를 참조하여 충전제어부(60)가 결정한 충전전류의 크기에 상응하는 충전전류를 이차전지(20)에 인가할 수 있다.
바람직하게, 충전장치(80)는 상용 전력망과 연결된 전기 자동차의 충전 스테이션이거나 전기 자동차의 충전 인버터 제어 장치일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 통신 인터페이스는 CANN 통신 인터페이스, RS232 통신 인터페이스 등의 유선 통신 인터페이스와, 지그비, 블루투스, 와이파이 등의 근거리 무선 통신 인터페이스일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치는 전기 구동 장치에 포함될 수 있다.
전기 구동 장치는, 스마트 폰, 태블릿 PC, 랩탑 컴퓨터, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 무인 비행기(드론), 전력 저장 장치, 무정전 전원 공급 장치 등과 같이 이차 전지 팩으로부터 전력을 공급 받는 다양한 장치를 말한다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치는 이차 전지의 충전과 방전을 전반적으로 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 포함될 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법에 대한 순서도이다.
이하, 도 4 내지 도 7를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법을 상세히 설명한다.
먼저, 단계 S10에서, 충전제어부(60)는 확장 칼만 필터를 실행한다. 확장 칼만 필터는 프로그램으로 코딩되어 저장부(70)에 기록되어 있을 수 있다.
단계 S20에서, 충전제어부(60)는 확장 칼만 필터가 실행된 이후 전압 측정부(30)를 통해 이차 전지(20)의 단자 전압을 최초로 측정하고, 확장 칼만 필터에 의해 추정되는 분극 전압(V1[k])과 충전상태(SOC[k])를 하기 수식에 따라 초기화한다.
Figure pat00013
초기화 수식에서, Vcell[0]은 확장 칼만 필터의 알고리즘이 실행되고 나서 처음으로 측정한 초기 전압을 나타낸다. 또한, OCV-1은 충전상태를 개방 전압으로 변환하는 연산자(OCV(SOC))에 대한 역변환 연산자이다.
단계 S30에서, 충전제어부(60)는 충전장치(80)로부터 충전개시 신호가 전송되는지 판별한다. 단계 S30에서 NO라고 판별되면, 충전제어부(60)는 프로세스의 진행을 홀드하고, 반면 단계 S30에서 YES라고 판별되면 단계 S40으로 이행한다.
단계 S40에서, 충전제어부(60)는 온도 측정부(50)를 통해 이차 전지(20)의 온도를 측정하여 온도 측정 초기값 T[0]를 저장부(70)에 기록한다. 단계 S40 이후 단계 S50이 진행된다.
단계 S50에서, 충전제어부(60)는 수식 9를 이용하여 dVOCV 및 dVpol을 하기 수식과 같이 초기화한다.
초기화:
dVOCV[0] = VOCV[0]- VOCV,min[0]
dVpol[0] = Vcell[0] - VOCV[0] -I[0]R0
Vocv[0]은 SOC-OCV 룩업 테이블을 참조하여 SOC[0]로부터 결정한다. dVOCV,min[0]는 저장부(70)에 미리 기록된 파라미터 값을 참조한다. dVpol[0]에 대한 수식에 있어서, 이차 전지(20)의 충전이 아직 개시되지 않은 상태이므로 I[0]은 0이고 SOC[0]가 Vcell[0]로부터 산출되었으므로 Vcell[0]과 VOCV[0]은 동일하다. 따라서, dVpol[0]은 0이다.
단계 S50 이후에 단계 S60이 진행된다.
단계 S60에서 충전제어부(60)는 수식 10과 보정 팩터 룩업 테이블 dSOCF(dVOCV[k], dVpol[k])를 참조하여, 룩업 충전상태의 초기값 SOClookup[0]를 결정한다. 단계 S60 이후에 단계 S70이 진행된다.
초기화:
SOClookup[0]= SOC[0] - dSOCF(dVOCV[0], dVpol[0])
단계 S70에서, 충전제어부(60)는 룩업 충전상태의 초기값 SOClookup[0]과 이차 전지(20)의 온도 초기값 T[0]를 이용하여 스텝 충전 룩업 테이블(도 3 참조)로부터 충전전류의 초기값 Imax[0]을 결정한다. 단계 S70 이후에 단계 S80이 진행된다.
단계 S80에서, 충전제어부(60)는 충전장치(80) 측으로 충전전류의 초기값 Imax[0]를 전송한다. 그러면, 충전장치(80)는 충전전류의 초기값 Imax[0]에 대응하는 충전전류를 이차 전지(20)에 인가한다. 단계 S80 이후에 단계 S90이 진행된다.
단계 S90에서, 충전제어부(60)는 시간 △t가 경과되었는지 판단한다. 단계 S90에서 NO라고 판별되면, 충전제어부(60)는 프로세스의 진행을 홀드하고, 반면 단계 S90에서 YES라고 판별되면 단계 S100으로 이행한다.
단계 S100에서, 충전제어부(60)는 전압 측정부(30), 전류 측정부(40) 및 온도 측정부(50)를 이용하여 이차 전지(20)의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 전압 측정값 Vcell[k], 전류 측정값 I[k] 및 온도 측정값 T[k]을 저장부(70)에 기록한다. 여기서, k는 1이다. 단계 S100 이후에 단계 S110이 진행된다.
단계 S110에서, 충전제어부(60)는 확장 칼만 필터를 이용하여 이차 전지의 충전상태를 결정한다. 단계 S110 이후에 단계 S120이 진행된다.
단계 S120에서, 충전제어부(60)는 수식 9를 이용하여 dVocv[k] 및 dVpol[k]를 결정한다. 여기서, k=1이다. 단계 S120 이후에 단계 S130이 진행된다.
단계 S130에서, 충전제어부(60)는 수식 10과 보정 팩터 룩업 테이블 dSOCF(dVOCV[k], dVpol[k])를 참조하여, 룩업 충전상태 SOClookup[k]를 결정한다. 여기서, k=1이다. 단계 S130 이후에 단계 S140이 진행된다.
단계 S140에서, 충전제어부(60)는 룩업 충전상태 SOClookup[k]와 이차 전지(20)의 온도 T[k]를 참조하여 스텝 충전 룩업 테이블로부터 충전전류의 크기 Imax[k]를 결정한다. 단계 S140 이후에 단계 S150이 진행된다.
단계 S150에서, 충전제어부(60)는 충전장치(80) 측으로 충전전류의 크기 Imax[k]를 전송한다. 그러면, 충전장치(80)는 전송 받은 충전전류의 크기 Imax[k]에 대응되는 충전전류를 이차 전지(20) 측에 인가한다. 단계 S150 이후에 단계 S160이 진행된다.
단계 S160에서, 충전제어부(60)는 충전장치(80)로부터 충전중단 신호가 수신되는지 판단한다. 단계 S160에서 NO라고 판별되면, 충전제어부(60)는 프로세스를 단계 S90으로 이행하고, 반면 단계 S160에서 YES라고 판별되면 단계 S170으로 이행한다. 단계 S160에서, 충전중단 신호가 수신되면, 충전장치(80)로부터 인가되는 충전전류의 크기가 0이 되어 이차 전지(20)의 충전 동작이 중지되는 휴지 모드가 시작된다.
단계 S170에서, 충전제어부(60)는 휴지 모드에서도 전압 측정부(30), 전류 측정부(40) 및 온도 측정부(50)를 이용하여 이차 전지(20)의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 전압 측정값 V[k], 전류 측정값 I[k] 및 온도 측정값 T[k]을 저장부(70)에 기록한다. 여기서, k는 누적된 측정 횟수이다. 단계 S170 이후에 단계 S180이 진행된다.
단계 S180에서, 충전제어부(60)는 휴지 모드에서도 충전제어부(60)는 확장 칼만 필터를 이용하여 이차 전지의 충전상태를 결정하고 결정된 충전상태를 저장부(70)에 기록한다. 단계 S180 이후에 단계 S190이 진행된다.
단계 S190에서, 충전제어부(60)는 시간 △t가 경과하였는지 판단한다. 단계 S190에서 NO라고 판별되면, 충전제어부(60)는 프로세스의 진행을 홀드하고, 반면 단계 S190에서 YES라고 판별되면 단계 S200으로 이행한다.
단계 S200에서, 충전제어부(60)는 충전장치(80)로부터 충전개시 신호가 수신되는지 판단한다.
단계 S200에서 NO라고 판별되면, 충전제어부(60)는 프로세스를 단계 S170으로 이행하여 휴지 모드에서 이차 전지(20)의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 확장 칼만 필터를 이용하여 이차 전지(20)의 충전상태를 추정하는 과정을 반복한다.
단계 S200에서 YES라고 판별되면 단계 S120로 이행한다. 따라서, 확장 칼만 필터에 의해 가장 마지막으로 추정된 충전상태를 이용하여 수식9에 의해 dVocv[k] 및 dVpol[k]를 결정하고, 보정 팩터 룩업 테이블과 dVocv[k] 및 dVpol[k]를 이용하여 수식 10에 의해 룩업 충전상태 SOClookup[k]를 결정하고, 가장 최근에 측정된 온도 T[k]와 룩업 충전상태 SOClookup[k]를 이용하여 스텝 충전 룩업 테이블로부터 충전전류의 크기 Imax[k]를 결정하고, 충전장치(80) 측으로 충전전류의 크기 Imax[k]를 전송한다. 충전장치(80)는 충전제어부(60)로부터 충전전류의 크기 Imax[k]에 관한 데이터를 수신하면, Imax[k]에 대응하는 충전전류를 이차 전지(20)에 인가한다.
상기와 같은 단계 S120 내지 S150은 충전제어부(60)가 충전장치(80)로부터 충전중단 신호를 수신하지 않는 동안 반복된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(20)의 스텝 충전 제어 방법은 이차 전지(90)가 방전 모드에서 충전 모드로 전환되는 경우에도 실시될 수 있다. 이 경우, 단계 S160 이후의 프로세스가 도 7에 도시된 순서도와 같이 변경될 수 있다.
도 7을 참조하면, 단계 S160에서 충전장치(80)로부터 충전중단 신호가 전송되면, 충전제어부(60)는 부하 제어장치(도 1의 90)로부터 방전개시 신호가 수신되는지 판단한다.
부하 제어장치(90)는 이차 전지(20)의 방전전류를 공급 받는 부하의 동작을 제어하는 장치이다. 일 예로, 부하 제어장치(90)는 전기 자동차의 모터를 제어하는 모터 제어장치일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
단계 S210에서 NO라고 판단되면 충전제어부(60)는 프로세스를 단계 S170으로 이행하고, 단계 S210에서 YES라고 판단되면 충전제어부(60)는 이차 전지(20)의 방전을 시작함과 동시에 프로세스를 단계 S220으로 이행한다.
단계 S220에서, 충전제어부(60)는 전압 측정부(30), 전류 측정부(40) 및 온도 측정부(50)를 이용하여 이차 전지(20)의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 전압 측정값 V[k], 전류 측정값 I[k] 및 온도 측정값 T[k]을 저장부(70)에 기록한다. 여기서, k는 누적된 측정 횟수이다. 단계 S220 이후에 단계 S230이 진행된다.
단계 S230에서, 충전제어부(60)는 확장 칼만 필터를 이용하여 방전 모드에서 이차 전지(20)의 충전상태를 결정한다. 단계 S230 이후에 단계 S240이 진행된다.
단계 S240에서, 충전제어부(60)는 시간 △t가 경과하였는지 판단한다. 단계 S240에서 NO라고 판별되면, 충전제어부(60)는 프로세스의 진행을 홀드하고, 반면 단계 S240에서 YES라고 판별되면 단계 S250으로 이행한다.
단계 S250에서, 충전제어부(60)는 충전장치(80)로부터 충전개시 신호가 수신되는지 판단한다.
단계 S250에서 NO라고 판별되면, 충전제어부(60)는 프로세스를 단계 S220으로 이행하여 방전 모드에서 이차 전지(20)의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 확장 칼만 필터를 이용하여 이차 전지(20)의 충전상태를 추정하는 과정을 반복한다.
단계 S250에서 YES라고 판별되면 단계 S120로 이행한다. 따라서, 확장 칼만 필터에 의해 방전 모드에서 가장 마지막으로 추정된 충전상태를 이용하여 수식9에 의해 dVocv[k] 및 dVpol[k]를 결정하고, 보정 팩터 룩업 테이블과 dVocv[k] 및 dVpol[k]를 이용하여 수식 10에 의해 룩업 충전상태 SOClookup[k]를 결정하고, 가장 최근에 측정된 온도 T[k]와 룩업 충전상태 SOClookup[k]를 이용하여 스텝 충전 룩업 테이블로부터 충전전류의 크기 Imax[k]를 결정하고, 충전장치(80) 측으로 충전전류의 크기 Imax[k]를 전송한다. 충전장치(80)는 충전제어부(60)로부터 충전전류의 크기 Imax[k]에 관한 데이터를 수신하면, Imax[k]에 대응하는 충전전류를 이차 전지(20)에 인가한다.
이차 전지(20)가 방전 모드에서 충전 모드로 전환된 경우, 분극 전압은 음의 값을 가진다. 따라서, 수식 10을 이용하여 확장 칼만 필터에 의해 추정된 충전상태 SOCestimate[k]를 룩업 충전상태 SOClookup[k]로 보정함에 있어서, 휴지 모드에서 충전 모드로 변경되는 경우보다 방전 모드에서 충전 모드로 변경되는 경우에 보정 팩터의 값이 상대적으로 더 증가한다. 따라서, 충전전류의 크기 Imax[k]가 인가되는 충전상태 구간의 상한이 연장되는 효과가 더 증가함으로써 충전시간을 더욱 단축시킬 수 있다.
도 8은 이차 전지(20)를 본 발명에 따른 스텝 충전 방식(실시예 1 및 2)과 종래의 스텝 충전 방식(비교예)으로 충전을 진행했을 때 충전상태의 변화에 따른 충전전류의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
실시예1 및 2와 비교예에서 사용된 이차 전지는 파우치 타입의 리튬 폴리머 셀로서 용량은 78Ah이며, 양극 활물질과 음극 활물질로서 Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2 및 흑연을 사용한 셀이다.
실시예1은, 이차 전지의 충전을 시작하기 전에 이차 전지의 충전상태와 휴지 시간을 조절하여 dVocv와 dVpol이 각각 0.54V 및 0.00V가 되도록 이차 전지의 상태를 조절하였다.
실시예2는 이차 전지의 충전을 시작하기 전에 이차 전지의 충전상태와 휴지 시간을 조절하여 dVocv와 dVpol이 각각 0.43V 및 0.09V가 되도록 이차 전지의 상태를 조절하였다.
실시예1 및 2에 있어서, 충전전류의 크기는 150A, 100A, 50A, 25A 순으로 감소시킨다. 충전전류의 크기가 변경되는 충전상태는 충전전류 프로파일이 갑자기 낮아질 때의 충전상태이다. 이차 전지의 온도는 항온장치를 이용하여 25℃로 일정하게 유지하였다. 룩업 충전상태 SOClookup의 초기값은 dVocv와 dVpol의 초기 조건으로부터 결정하였다.
실시예1 및 2에 있어서, 충전전류의 초기값은 공통적으로 150A로 결정되었고, 해당 크기의 충전전류를 이차 전지에 인가하면서 dVocv와 dVpol을 이용하여 확장 칼만 필터에 의해 추정된 충전상태 SOCestimate을 룩업 충전상태 SOClookup으로 보정하였다. 또한, 룩업 충전상태와 이차 전지의 온도를 참조하여 스텝 충전 룩업 테이블로부터 충전전류의 크기 Imax를 갱신하였다.
비교예에 있어서는, 확장 칼만 필터에 의해 추정된 충전상태 SOCestimate을 룩업 충전상태 SOClookup으로 보정하지 않고, SOCestimate을 그대로 사용하여 충전전류의 크기를 결정하였다.
도 8을 참조하면, 실시예1 및 2의 충전전류 프로파일은 비교예1의 충전전류 프로파일과 비교하여 충전전류의 크기가 유지되는 충전상태 구간의 상한값이 우측으로 이동하였음을 알 수 있다. 그리고, 실시예1의 프로파일이 실시예2의 프로파일보다 우측으로 더 이동하였음을 알 수 있다.
도 9는 실시예1의 충전전류 프로파일에 의해 충전이 진행되었을 경우와 비교예의 충전전류 프로파일에 의해 충전이 진행되었을 때 충전시간을 비교한 그래프이고, 도 10은 실시예2의 충전전류 프로파일에 의해 충전이 진행되었을 경우와 비교예의 충전전류 프로파일에 의해 충전이 진행되었을 때 충전시간을 비교한 그래프이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 실시예1의 충전전류 프로파일이 적용되면, 비교예와 비해 충전상태가 20%에서 80%까지 증가하는데 소요된 시간이 약 5분 감소하였고, 실시예2의 충전전류 프로파일이 적용되면, 비교예에 비해 충전상태가 20%에서 80%까지 증가하는데 소요된 시간이 약 2분 감소하였음을 확인할 수 있다.
위와 같이, 본 발명은 충전을 시작하기 전의 이차 전지 충전상태(dVocv)와 분극 전압(dVpol)을 동시에 고려하여 충전전류의 크기를 적응적으로 제어함으로써, 이차 전지의 스텝 충전 시간을 종래보다 단축시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 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.

Claims (15)

  1. 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하는 전압 측정부; 전류 측정부; 및 온도 측정부; 및
    상기 전압 측정부, 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부와 동작 가능하게 결합된 충전제어부를 포함하고,
    상기 충전 제어부는,
    이차 전지의 충전이 시작되기 전에 상기 전압 측정값, 상기 전류 측정값 및 상기 온도 측정값에 기초하여 이차 전지의 충전상태와 개방 전압을 추정하는 제어 로직;
    적어도 이차 전지의 내부저항, 전류 측정값 및 상기 추정된 개방전압으로부터 이차 전지의 분극 전압을 결정하는 제어 로직;
    상기 추정된 개방 전압과 미리 정의된 개방 전압 최저치의 차이에 해당하는 개방 전압 편차를 결정하는 제어 로직;
    분극 전압 및 개방 전압 편차와 보정 팩터 사이의 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 결정된 분극 전압과 상기 결정된 개방 전압 편차에 대응되는 보정 팩터를 결정하는 제어 로직;
    상기 보정 팩터에 따라 상기 추정된 충전상태를 보정하여 룩업 충전상태를 결정하는 제어 로직;
    충전상태 및 온도와 충전전류의 크기에 대한 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 룩업 충전상태와 상기 온도 측정값에 대응되는 충전전류의 크기를 결정하는 제어 로직; 및
    상기 결정된 충전전류의 크기에 상응하는 충전전류가 이차 전지에 인가되도록 상기 결정된 충전전류를 충전장치에 제공하는 제어 로직을 포함하는 프로세스를 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전제어부는,
    이차 전지가 방전 모드 또는 휴지 모드에 있는 동안 확장 칼만 필터를 이용하여 상기 전압 측정값, 상기 전류 측정값 및 상기 온도 측정값으로부터 이차 전지의 충전상태를 주기적으로 결정하고, 상기 결정된 복수의 충전상태 중에서 충전이 개시되기 직전에 추정된 충전상태를 보정하여 상기 룩업 충전상태를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전제어부는 충전상태와 개방전압 사이의 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 추정된 충전상태에 대응되는 개방전압을 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전 제어부는, 하기 수식에 따라,

    dVpol[k] = Vcell[k] - VOCV[k] -I[k]R0

    (여기서, k는 시간 인덱스이고, dVpol[k]는 분극 전압이고, Vcell[k]는 확장 칼만 필터에 의해 추정된 전압 또는 측정 전압, VOCV[k]는 개방 전압이고, R0은 이차 전지의 내부 저항이고, I[k]는 이차 전지의 충전전류임)
    상기 분극 전압을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충전 제어부는, 하기 수식에 따라,

    dVOCV[k] = VOCV[k]- VOCV,min[k]

    (여기서, k는 시간 인덱스이고, dVocv[k]는 개방 전압 편차이고, Vocv[k]는 개방 전압이고, Vocv,min은 미리 정의되는 개방 전압 최저치임)
    상기 개방 전압 편차를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충전 제어부는, 하기 수식에 따라,

    SOClookup[k]= SOCestimated[k] - dSOCF(dVOCV[k], dVpol[k])

    (여기서, k는 시간 인덱스이고, SOClookup[k]는 룩업 충전상태이고, SOCestimate[k]는 추정된 충전상태이고, dVocv[k]는 개방 전압 편차이고, dVpol[k]는 분극 전압이고, dSOCF는 개방 전압 편차 및 분극 전압과 보정 팩터 사이의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블임)
    상기 룩업 충전상태를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충전 제어부는, 상기 개방 전압 편차에 비례하도록 상기 보정 팩터를 결정하고, 상기 분극 전압에 반비례하도록 상기 보정 팩터를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지의 스텝 충전 제어 장치를 포함하는 전기 구동 장치.
  9. (a) 이차 전지의 방전 모드 또는 휴지 모드에서 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 단계;
    (b) 이차 전지의 충전이 시작되기 전에 상기 전압 측정값, 상기 전류 측정값 및 상기 온도 측정값에 기초하여 이차 전지의 충전상태와 개방 전압을 추정하는 단계;
    (c) 적어도 이차 전지의 내부저항, 전류 측정값 및 상기 추정된 개방전압으로부터 이차 전지의 분극 전압을 결정하는 단계;
    (d) 상기 추정된 개방 전압과 미리 정의된 개방 전압 최저치의 차이에 해당하는 개방 전압 편차를 결정하는 단계;
    (e) 분극 전압 및 개방 전압 편차와 보정 팩터 사이의 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 결정된 분극 전압과 상기 결정된 개방 전압 편차에 대응되는 보정 팩터를 결정하는 단계;
    (f) 상기 보정 팩터에 따라 상기 추정된 충전상태를 보정하여 룩업 충전상태를 결정하는 단계;
    (g) 충전상태 및 온도와 충전전류의 크기에 대한 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 룩업 충전상태와 상기 온도 측정값에 대응되는 충전전류의 크기를 결정하는 단계; 및
    (h) 상기 결정된 충전전류의 크기에 상응하는 충전전류가 이차 전지에 인가되도록 상기 결정된 충전전류를 충전장치에 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 이차 전지가 방전 모드 또는 휴지 모드에 있는 동안 확장 칼만 필터를 이용하여 상기 전압 측정값, 상기 전류 측정값 및 상기 온도 측정값으로부터 이차 전지의 충전상태를 주기적으로 결정하고,
    상기 (f) 단계에서, 상기 결정된 복수의 충전상태 중에서 충전이 개시되기 직전에 추정된 충전상태를 보정하여 상기 룩업 충전상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 충전상태와 개방전압 사이의 미리 정의된 상관 관계를 참조하여 상기 추정된 충전상태에 대응되는 개방전압을 추정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 (c) 단계에서, 하기 수식에 따라,

    dVpol[k] = Vcell[k] - VOCV[k] -I[k]R0

    (여기서, k는 시간 인덱스이고, dVpol[k]는 분극 전압이고, Vcell[k]는 확장 칼만 필터에 의해 추정된 전압 또는 측정 전압이고, VOCV[k]는 개방 전압이고, R0은 이차 전지의 내부 저항이고, I[k]는 이차 전지의 충전전류임)
    상기 분극 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 (d) 단계에서, 하기 수식에 따라,

    dVOCV[k] = VOCV[k]- VOCV,min[k]

    (여기서, k는 시간 인덱스이고, dVocv[k]는 개방 전압 편차이고, Vocv[k]는 개방 전압이고, Vocv,min은 미리 정의되는 개방 전압 최저치임)
    상기 개방 전압 편차를 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 (f) 단계에서, 하기 수식에 따라,

    SOClookup[k]= SOCestimated[k] - dSOCF(dVOCV[k], dVpol[k])

    (여기서, k는 시간 인덱스이고, SOClookup[k]는 룩업 충전상태이고, SOCestimate[k]는 추정된 충전상태고, dVocv[k]는 개방 전압 편차이고, dVpol[k]는 분극 전압이고, dSOCF는 개방 전압 편차 및 분극 전압과 보정 팩터 사이의 상관 관계를 정의한 룩업 테이블임)
    상기 룩업 충전상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 (e) 단계에서,
    상기 개방 전압 편차에 비례하도록 상기 보정 팩터를 결정하고, 상기 분극 전압에 반비례하도록 상기 보정 팩터를 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 스텝 충전 제어 방법.
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