KR20220147953A - Apparatus for measuring state of rechargeable batteries and method for measuring state of rechargeable batteries using it - Google Patents

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KR20220147953A KR1020210055119A KR20210055119A KR20220147953A KR 20220147953 A KR20220147953 A KR 20220147953A KR 1020210055119 A KR1020210055119 A KR 1020210055119A KR 20210055119 A KR20210055119 A KR 20210055119A KR 20220147953 A KR20220147953 A KR 20220147953A
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Abstract

The present invention relates to an apparatus and method for measuring the state of a rechargeable battery. According to the present invention, to solve a problem of conventional rechargeable batteries which had limitations in being unable to control charging in various ways because a method for accurately checking the charge rate and state of a battery changing over time with respect to in various cases, such as charging, discharging, charging simultaneously with discharging, non-charging, and non-discharging of a rechargeable battery, has not been provided, the apparatus is configured to precisely measure the initial charging rate at the time of battery use and the change in charging rate after the start of use by using a charging current sensor, a discharging current sensor, a voltage measuring circuit, and a microcontroller (MCU) such that the state of charge (SOC) of the battery can be accurately measured in various cases and the state of health and remaining life (remnant cycles) of the battery can be accurately predicted by comparing the current maximum energy, which can be discharged, with a rated discharge energy value. The apparatus comprises a voltage measurement unit, a charging current measurement unit, a discharging current measurement unit, a charging unit, a discharging unit, and a control unit.

Description

재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법{Apparatus for measuring state of rechargeable batteries and method for measuring state of rechargeable batteries using it} Apparatus for measuring state of rechargeable batteries and method for measuring state of rechargeable batteries using it

본 발명은 재충전 배터리의 상태를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 일반적으로, 재충전 배터리의 경우, 사용시에는 배터리 에너지 용량의 10 ~ 20%까지 방전하고 충전시에는 충전율(State of Charge ; SOC) 10 ~ 20%에서 충전율 80 ~ 90%까지 충전하여 사용하는 것이 배터리 수명연장과 충전시간 절약 측면에서 바람직하나, 예를 들면, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미충전과 미방전 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있는 방법이 제공되지 못하여 배터리의 충전을 다양하게 제어할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 재충전 배터리들의 문제점을 해결하기 위해, 다양한 경우에 대하여 재충전 배터리의 충전율(SOC)을 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for measuring the state of a rechargeable battery, and more particularly, in general, in the case of a rechargeable battery, when in use, it discharges up to 10 to 20% of the battery's energy capacity, and when charging, the state of charge (State) Of Charge (SOC) It is desirable to charge from 10 to 20% to 80 to 90% of the charging rate and use it in terms of extending battery life and saving charging time. Problems of rechargeable batteries of the prior art, which cannot control the charging of the battery in various ways, because a method for accurately grasping the charging rate and state of the battery that varies over time in various cases, such as overdischarge and non-discharge, is not provided. In order to solve the problem, the present invention relates to an apparatus for measuring a state of a rechargeable battery configured to accurately measure a charge rate (SOC) of a rechargeable battery in various cases, and a method for measuring a state of a rechargeable battery using the same.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있는 장치나 방법이 제공되지 못하여 배터리의 충전을 다양하게 제어할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 재충전 배터리들의 문제점을 해결하기 위해, 충전 전류센서, 방전 전류센서, 전압측정회로 및 마이크로컨트롤러(MCU)를 이용하여 배터리 사용시점에서의 초기 충전율과 사용시작 시점 이후 충전율 변화를 정밀하게 측정할 수 있도록 구성됨으로써, 예를 들면, 배터리가 방전하지 않고 충전만 할 경우, 충전하지 않고 방전만 할 경우, 충전과 동시에 방전할 경우, 충전도 하지 않고 방전도 하지 않을 경우 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 배터리의 초기 충전율과 시간경과에 따라 변동되는 충전율을 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법에 관한 것이다. In addition, the present invention, as described above, does not provide an apparatus or method for accurately grasping the charging rate and state of the battery that varies with time in various cases as described above. In order to solve the problem of rechargeable batteries of the technology, it is possible to precisely measure the initial charge rate at the time of battery use and the change in the charge rate after the start of use by using a charge current sensor, a discharge current sensor, a voltage measurement circuit, and a microcontroller (MCU). By being configured so that, for example, when the battery is charged without discharging, when only discharging without charging, when discharging at the same time as charging, when not charging and not discharging, etc. The present invention relates to an apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same, which is configured to accurately measure an initial charge rate of a battery and a charge rate that changes over time.

아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 배터리 사용 시작시, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미사용 등과 같은 다양한 경우에 대하여 배터리의 충전율을 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 배터리의 현재 방전가능한 최대 에너지와 정격 방전에너지 값을 비교하여 배터리의 건강상태(State of Health ; SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 정확하게 예측할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법에 관한 것이다. In addition, the present invention can accurately measure the charging rate of the battery in various cases such as charging, discharging, discharging the battery at the same time as charging, not using, etc., when starting to use the battery, as described above, and at the same time, The state of health (SOH) and residual cycle (Remnant Cycles) of the battery are accurately predicted by comparing the energy and the rated discharge energy value. it's about

최근, 정보통신 기술의 발달에 따라, 예를 들면, 스마트폰이나 태블릿 PC 및 노트북 등과 같이, 휴대가능한 개인 정보통신 기기들에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이와 함께, 친환경 기술에 대한 요구가 증가하면서 전기차의 보급 및 수요가 증가하고 있고, 그에 따라, 이러한 각종 정보통신 기기나 전기차 등에 구비되는 배터리에 대한 수요도 증가하고 있다. Recently, with the development of information and communication technology, for example, the demand for portable personal information communication devices, such as a smart phone, a tablet PC, and a notebook computer, is increasing. The supply and demand of electric vehicles are increasing, and accordingly, the demand for batteries provided in such various information and communication devices or electric vehicles is also increasing.

여기서, 이러한 배터리는 재충전이 가능하도록 구성되어 충전 후에 일정 시간동안 사용 후 방전되면 다시 충전하여 사용할 수 있으며, 필요에 따라서는 배터리를 충전하면서 해당 기기의 사용이 가능하여 사용자의 편의성을 높일 수 있도록 구성된다. Here, these batteries are configured to be rechargeable, so that they can be recharged and used again after being discharged after being used for a certain period of time after charging. do.

그러나 이러한 재충전 배터리들은, 일반적으로, 충전 및 방전을 반복할수록 그 성능 및 충전 효율이 떨어지게 되므로, 배터리를 보다 오랫동안 효율적으로 사용하기 위해서는 배터리의 상태에 따라 적절한 방법으로 충전 및 방전이 이루어지는 것이 요구된다. However, in general, since the performance and charging efficiency of such rechargeable batteries decrease as charging and discharging are repeated, in order to use the battery efficiently for a longer period of time, charging and discharging are required in an appropriate manner according to the state of the battery.

즉, 재충전 배터리의 경우, 일반적으로, 사용시 배터리 용량의 10 ~ 20%까지만 방전되도록 사용하고, 충전시에는 배터리 용량의 10 ~ 20%에서 80 ~ 90%까지 충전하여 사용하는 것이 배터리 수명연장과 충전시간 절약 측면에서 바람직한 것으로 알려져 있다. That is, in the case of a rechargeable battery, in general, it is used to discharge only 10 to 20% of the battery capacity during use, and when charging, it is recommended to charge from 10 to 20% to 80 to 90% of the battery capacity. It is known to be preferable in terms of time saving.

아울러, 최근에는, 예를 들면, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미충전 및 미방전 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 사용자의 필요에 따라 배터리의 충전을 적절히 제어하는 것에 의해 배터리의 수명 및 효율을 향상시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. In addition, in recent years, for example, by appropriately controlling the charging of the battery according to the needs of the user for various cases, such as charging, discharging, and discharging at the same time as charging, uncharging and non-discharging of the battery, the lifespan of the battery and Research to improve efficiency is being actively conducted.

여기서, 상기한 바와 같은 재충전 배터리의 수명 및 효율을 향상시키기 위한 방법 및 장치에 관한 종래기술의 예로는, 먼저, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2021-0027583호에 제시된 바와 같은 "고속 및 저속 충전을 통한 충전시간 효율화 방법"이 있다. Here, as an example of the prior art related to a method and an apparatus for improving the life and efficiency of a rechargeable battery as described above, first, for example, a "high-speed and a method of improving charging time efficiency through low-speed charging."

더 상세하게는, 상기한 한국 공개특허공보 제10-2021-0027583호는, 전기차에 충전을 위한 외부전원이 접속되었는지 판단하는 제 1 단계; 전기차의 냉동기가 오프(OFF)되었는지 확인하는 제 2 단계; 제 2 단계에서 냉동기가 오프(OFF)되어 있는 경우 전기차에 있는 OBC(On-Board Charger)을 온(ON)하는 제 3 단계; OBC가 온(ON)된 경우 전기차 배터리의 전압을 측정하여 배터리의 충전율을 판단하는 제 4 단계; 배터리의 충전율이 일정 수준 이하인 경우 고전류로 충전을 수행하는 제 5 단계를 포함하여, 초기에는 고속충전을 통하여 빠르게 충전하고 일정 비율 이상이 되었을 때 저속충전을 통하여 완충되도록 함으로써, 고속충전으로는 100% 충전이 불가능한 문제점을 개선하면서도 저속충전으로 인한 과도한 충전시간을 보완할 수 있도록 구성되는 고속 및 저속 충전을 통한 충전시간 효율화 방법에 관한 것이다. More specifically, the above-mentioned Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2021-0027583 discloses a first step of determining whether an external power source for charging is connected to an electric vehicle; a second step of checking whether the refrigerator of the electric vehicle is turned off; a third step of turning on an On-Board Charger (OBC) in an electric vehicle when the refrigerator is turned off in the second step; a fourth step of determining the charge rate of the battery by measuring the voltage of the electric vehicle battery when the OBC is turned on; When the charge rate of the battery is below a certain level, including the fifth step of charging with a high current, in the initial stage, it is quickly charged through fast charging, and when it reaches a certain rate, it is fully charged through low-speed charging, so that 100% with fast charging It relates to a charging time efficiency method through high-speed and low-speed charging, which is configured to compensate for excessive charging time due to low-speed charging while improving the problem of impossible charging.

또한, 상기한 바와 같이 재충전 배터리의 수명 및 효율을 향상시키기 위한 관리방법 및 장치에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2016-0060476호에 제시된 바와 같은 "전자장치 및 전자장치에서의 배터리 관리방법"이 있다. In addition, as another example of the prior art related to the management method and apparatus for improving the life and efficiency of the rechargeable battery as described above, for example, "electronic Battery management methods in devices and electronic devices".

더 상세하게는, 상기한 한국 공개특허공보 제10-2016-0060476호는, 배터리; 및 배터리 충전조건에 따라 배터리에 대해 설정된 제 1 충전율보다 작은 제 2 충전율로 배터리를 충전하도록 제어하는 프로세서를 포함하여, 전자장치에서 배터리 충전시 배터리의 제 1 충전율보다 작은 제 2 충전율로 배터리를 충전하도록 관리함으로써, 배터리 충전시간을 줄이거나 배터리 손상을 줄일 수 있으며, 그것에 의해, 배터리 용량이 감소되는 것을 방지할 수 있도록 구성되는 전자장치 및 전자장치에서의 배터리 관리방법에 관한 것이다. More specifically, the aforementioned Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2016-0060476 discloses a battery; and a processor controlling the battery to be charged at a second charging rate smaller than the first charging rate set for the battery according to the battery charging condition. The present invention relates to an electronic device and a battery management method in an electronic device configured to reduce battery charging time or to reduce battery damage by managing the battery so as to prevent a decrease in battery capacity thereby.

상기한 바와 같이, 종래, 재충전 배터리의 수명 및 효율을 향상시키기 위한 방법 및 장치에 대하여 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다. As described above, in the related art, various technical contents have been presented with respect to methods and apparatuses for improving the lifespan and efficiency of rechargeable batteries, but the contents of the prior art as described above have the following problems.

더 상세하게는, 일반적으로, 배터리의 용도에 따라 적응형으로 배터리를 충전하기 위해서는, 예를 들면, 배터리가 방전하지 않고 충전만 할 경우, 충전하지 않고 방전만 할 경우, 충전과 동시에 방전할 경우, 충전도 하지 않고 방전도 하지 않을 경우 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 배터리의 초기 충전율(State of Charge ; SOC)과 시간경과에 따라 변동되는 충전율을 각각 정확히 파악하여 충전을 제어하는 것이 요구된다. More specifically, in general, in order to adaptively charge the battery according to the use of the battery, for example, when the battery is only charged without discharging, when the battery is only discharged without being charged, when the battery is discharged simultaneously with charging It is required to control charging by accurately grasping the initial state of charge (SOC) of the battery and the charging rate that varies with the lapse of time in various cases, such as when neither charging nor discharging.

그러나 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 단지 충전율에 따라 충전을 조절하는 기술내용만이 제시되어 있을 뿐, 이러한 충전율(SOC)을 정확히 측정하기 위한 기술내용에 대하여는 제시된 바 없었다. However, in the prior art as described above, only the technical content of controlling the charging according to the charging rate is presented, and there is no presentation of the technical content for accurately measuring the charging rate (SOC).

더욱이, 재충전 배터리는 충전 및 방전이 반복될수록 효율 및 용량이 감소하므로, 예를 들면, 500회, 1,000회 등과 같이, 재충전하여 사용 가능한 횟수, 즉, 수명이 정해져 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 이와 같이 배터리의 현재 건강상태(State of Health ; SOH)나 잔류수명(Remnant Cycles)을 측정하여 알려줄 수 있는 구성에 대하여도 제시된 바 없었다. Moreover, since the efficiency and capacity of the rechargeable battery decrease as charging and discharging are repeated, for example, the number of times it can be recharged and used, ie, the lifespan, is fixed, such as 500 times, 1,000 times, etc. The contents have not been presented with respect to a configuration that can measure and inform the current state of health (SOH) or residual cycle (Remnant Cycles) of the battery as described above.

따라서 상기한 바와 같이, 재충전 배터리의 충전율(SOC)이나 건강상태(SOH) 및 잔류수명을 정확하게 파악할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 재충전 배터리의 문제점을 해결하기 위해서는, 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 재충전 배터리의 사용 시작시, 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미사용 등과 같은 모든 경우에 대하여 배터리의 충전율(SOC)을 정확하게 측정 가능한 동시에, 배터리의 현재 건강상태(SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles) 등과 같이 배터리의 상태에 관한 종합적인 정보를 제공할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 재충전 배터리 상태 측정장치 및 방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다. Therefore, as described above, in order to solve the problems of the rechargeable battery of the prior art in which the charge rate (SOC), the state of health (SOH), and the remaining life of the rechargeable battery cannot be accurately determined, in order to solve the problem of the rechargeable battery in the related art, it is recharged with a relatively simple configuration and low cost. It is possible to accurately measure the charge rate (SOC) of a battery at the start of use, charging, discharging, discharging at the same time as charging, not using, etc., and at the same time, the current state of health (SOH) and residual life (Remnant Cycles) of the battery, etc. It is desirable to present an apparatus and method for measuring the state of a rechargeable battery of a new configuration that is configured to provide comprehensive information on the state of the battery. to be.

한국 공개특허공보 제10-2021-0027583호 (2021.03.11.)Korean Patent Publication No. 10-2021-0027583 (2021.03.11.) 한국 공개특허공보 제10-2016-0060476호 (2016.05.30.)Korean Patent Publication No. 10-2016-0060476 (2016.05.30.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 일반적으로, 재충전 배터리의 경우, 사용시에는 배터리 에너지 용량의 10 ~ 20%까지 방전하고 충전시에는 충전율 10 ~ 20%에서 충전율 80 ~ 90%까지 충전하여 사용하는 것이 배터리 수명연장과 충전시간 절약 측면에서 유리하나, 예를 들면, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미충전과 미방전 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있는 방법이 제공되지 못하여 배터리의 충전을 다양하게 제어할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 재충전 배터리들의 문제점을 해결하기 위해, 다양한 경우에 대하여 재충전 배터리의 충전율(State of Charge ; SOC)을 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법을 제공하고자 하는 것이다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and therefore, an object of the present invention is, in general, in the case of a rechargeable battery, discharging up to 10 to 20% of the battery's energy capacity when in use and charging at a charge rate of 10 It is advantageous in terms of extending battery life and saving charging time to use it by charging from ~ 20% to 80 to 90% of charging rate, but for example, charging, discharging, discharging the battery at the same time as charging, non-charging and non-discharging, etc. In order to solve the problem of rechargeable batteries of the prior art, which has a limitation in that it is impossible to control the charging of the battery in various ways because a method for accurately grasping the charging rate and state of the battery that varies with time in various cases is not provided, An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring a state of a rechargeable battery configured to accurately measure a state of charge (SOC) of the rechargeable battery, and a method for measuring a state of a rechargeable battery using the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있는 방법이 제공되지 못하여 배터리의 충전을 다양하게 제어할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 재충전 배터리들의 문제점을 해결하기 위해, 충전 전류센서, 방전 전류센서, 전압측정회로 및 마이크로컨트롤러(MCU)를 이용하여 배터리 사용시점에서의 초기 충전율과 사용시작 시점 이후 충전율 변화를 정밀하게 측정할 수 있도록 구성됨으로써, 예를 들면, 배터리가 방전하지 않고 충전만 할 경우, 충전하지 않고 방전만 할 경우, 충전과 동시에 방전할 경우, 충전도 하지 않고 방전도 하지 않을 경우 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 배터리의 초기 충전율과 시간경과에 따라 변동되는 충전율을 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법을 제공하고자 하는 것이다. In addition, another object of the present invention is that, as described above, a method for accurately grasping the charging rate and state of the battery that varies with time in various cases as described above is not provided, so there is a limitation in that it is not possible to control the charging of the battery in various ways. In order to solve the problems of the rechargeable batteries of the prior art, the initial charge rate at the time of battery use and the change in the charge rate after the start of use are precisely measured using a charge current sensor, a discharge current sensor, a voltage measurement circuit, and a microcontroller (MCU). By being configured so that, for example, when the battery is charged without discharging, when only discharging without charging, when discharging simultaneously with charging, when neither charging nor discharging, etc. An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same, which is configured to accurately measure the initial charge rate of the battery and the charge rate that changes over time.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 배터리 사용 시작시, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미사용 등과 같은 다양한 경우에 대하여 배터리의 충전율을 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 배터리의 현재 방전가능한 최대 에너지와 정격 방전에너지 값을 비교하여 배터리의 건강상태(State of Health ; SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 정확하게 예측할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법을 제공하고자 하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to accurately measure the charge rate of the battery in various cases such as charging, discharging, discharging at the same time as charging, not using, etc., when starting to use the battery, as described above, and By comparing the current maximum discharging energy and the rated discharging energy value, the state of health (SOH) and residual life (Remnant Cycles) of the battery can be accurately predicted, and the state of the rechargeable battery using the same It is intended to provide a state measurement method.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 재충전 배터리의 상태 측정장치에 있어서, 재충전 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압측정부; 상기 재충전 배터리의 충전전류를 측정하기 위한 충전전류 센서를 포함하여 이루어지는 충전전류 측정부; 상기 재충전 배터리의 방전전류를 측정하기 위한 방전전류 센서를 포함하여 이루어지는 방전전류 측정부; 상기 재충전 배터리의 충전을 위한 충전회로를 포함하여 이루어지는 충전부; 상기 재충전 배터리의 방전을 위한 부하를 포함하여 이루어지는 방전부; 및 상기 측정장치의 전체적인 동작을 제어하고, 상기 재충전 배터리의 충전전압, 충전전류, 방전전압, 방전전류에 대한 측정값에 근거하여 상기 재충전 배터리의 충전율(State of Charge ; SOC), 건강상태(State of Health ; SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 포함하는 상기 재충전 배터리의 상태에 대한 정보를 산출하여 출력하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치가 제공된다. In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided an apparatus for measuring the state of a rechargeable battery, comprising: a voltage measuring unit for measuring the voltage of the rechargeable battery; a charging current measuring unit including a charging current sensor for measuring the charging current of the rechargeable battery; a discharge current measuring unit including a discharge current sensor for measuring a discharge current of the rechargeable battery; a charging unit including a charging circuit for charging the rechargeable battery; a discharging unit including a load for discharging the rechargeable battery; and controlling the overall operation of the measuring device, and based on the measured values of the charging voltage, charging current, discharging voltage, and discharging current of the rechargeable battery, the state of charge (SOC), the state of health (State) of the rechargeable battery A state measuring device of a rechargeable battery, characterized in that it comprises a control unit configured to perform a process of calculating and outputting information on the state of the rechargeable battery including SOH (SOH) and Remnant Cycles provided

여기서, 상기 전압측정부는, 상기 제어부의 제어에 따라 미리 정해진 기준전압을 발생하는 기준전압 생성기; 측정된 상기 재충전 배터리의 전압을 미리 정해진 일정 배수로 감소시키기 위한 전압배율 증폭기; 및 상기 전압배율 증폭기를 통하여 감소된 전압과 상기 기준전압 생성기를 통해 생성된 기준전압을 각각 입력으로 하여 상기 재충전 배터리의 전압과 상기 기준전압 사이의 차이를 증폭시키기 위한 전압비교 증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the voltage measuring unit includes: a reference voltage generator for generating a predetermined reference voltage under the control of the control unit; a voltage multiplier amplifier for reducing the measured voltage of the rechargeable battery by a predetermined constant multiple; and a voltage comparison amplifier for amplifying a difference between the voltage of the rechargeable battery and the reference voltage by inputting the voltage reduced through the voltage multiplier amplifier and the reference voltage generated through the reference voltage generator, respectively characterized in that

또한, 상기 전압배율 증폭기는, 복수의 연산 증폭기(OP AMP) 및 잡음을 감소하기 위한 저역통과필터(LPF)를 포함하는 증폭회로로 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the voltage multiplier amplifier is characterized in that it is composed of an amplifier circuit including a plurality of operational amplifiers (OP AMP) and a low-pass filter (LPF) for reducing noise.

아울러, 상기 전압비교 증폭기는, 복수의 연산 증폭기(OP AMP) 및 잡음을 제거하기 위해 입력단에 구비되는 EMI 필터를 포함하는 대칭형 차동증폭기의 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the voltage comparison amplifier is characterized in that it is configured in the form of a symmetrical differential amplifier including a plurality of operational amplifiers (OP AMP) and an EMI filter provided at an input terminal to remove noise.

더욱이, 상기 제어부는, 상기 전압측정부로부터 수신되는 상기 재충전 배터리의 충전전압 측정신호 및 방전전압 측정신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 AD 변환기; 상기 AD 변환기를 통해 변환된 상기 디지털 신호의 잡음을 제거하기 위한 저역통과필터; 재충전 배터리의 종류별로 각각 측정된 시간 및 충전율에 따른 충전전압, 방전전압, 충전전류, 방전전류, 충전시간 및 방전시간에 대한 측정값과, 각각의 재충전 배터리에 대하여 미리 정해져 있는 정격 특성에 대한 데이터를 각각의 재충전 배터리의 종류별로 각각 수집하고 데이터베이스 형태로 저장하는 것에 의해 구축되는 배터리 특성정보 데이터베이스가 미리 저장되고, 각각의 측정값과 산출값들을 포함하는 각종 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장수단을 포함하여 이루어지는 데이터 저장부; 및 상기 저역통과필터를 통해 잡음이 제거된 상기 충전전압 측정신호 및 상기 방전전압 측정신호와, 상기 충전전류 측정부로부터의 충전전류 측정신호 및 상기 방전전류 측정부로부터의 방전전류 측정신호를 각각 수신하고, 각각의 측정값과 상기 배터리 특성정보 데이터베이스에 저장되어 있는 데이터에 근거하여 상기 재충전 배터리의 초기 충전율(SOC), 충전상태 또는 방전상태에서의 누적 충전율(SOC), 건강상태(SOH) 및 잔류수명을 각각 산출하기 위한 데이터처리 및 상기 측정장치의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어처리가 각각 수행되도록 이루어지는 데이터 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. Furthermore, the control unit may include: an AD converter for converting a charging voltage measurement signal and a discharge voltage measurement signal of the rechargeable battery received from the voltage measurement unit into a digital signal; a low-pass filter for removing noise from the digital signal converted through the AD converter; Measured values for charging voltage, discharging voltage, charging current, discharging current, charging time and discharging time according to the time and charging rate measured for each type of rechargeable battery, and data on the rated characteristics predetermined for each rechargeable battery A battery characteristic information database constructed by collecting each type of each rechargeable battery and storing it in a database form is stored in advance, and includes a data storage means for storing various data including each measured value and calculated value A data storage unit made by; and receiving the charging voltage measuring signal and the discharging voltage measuring signal from which noise is removed through the low-pass filter, the charging current measuring signal from the charging current measuring unit, and the discharging current measuring signal from the discharging current measuring unit, respectively. and, based on each measurement value and data stored in the battery characteristic information database, the initial charge rate (SOC) of the rechargeable battery, the cumulative charge rate in the charged or discharged state (SOC), the state of health (SOH), and the remaining and a data processing unit configured to perform data processing for calculating the lifespan, respectively, and control processing for controlling the overall operation of the measuring device.

여기서, 상기 제어부는, 상기 전압비교 증폭기의 출력이 0이 될 때까지 상기 기준전압 생성기의 기준전압을 제어하고, 상기 전압비교 증폭기의 출력이 0이 될 때의 상기 기준전압의 값을 상기 재충전 배터리의 전압값으로 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the controller controls the reference voltage of the reference voltage generator until the output of the voltage comparison amplifier becomes 0, and sets the value of the reference voltage when the output of the voltage comparison amplifier becomes 0 to the rechargeable battery It is characterized in that it is configured to perform a process of calculating a voltage value of and storing it in the data storage unit.

또한, 상기 제어부는, 충전시간 t1에서의 충전전압을 V1, 충전시간 t2에서의 충전전압을 V2라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 t1과 t2 사이의 구간에서의 충전전압 Vc를 산출하고, In addition, the control unit, when the charging voltage at the charging time t 1 is V 1 , and the charging voltage at the charging time t 2 is V 2 , in the section between t 1 and t 2 using the following equation Calculate the charging voltage Vc,

Figure pat00001
Figure pat00001

충전시간 t1에서의 충전전류를 I1, 충전시간 t2에서의 충전전류를 I2라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 t1과 t2 사이의 구간에서의 충전전류 Ic를 산출하며, When the charging current at the charging time t 1 is I 1 and the charging current at the charging time t 2 is I 2 , the charging current Ic in the section between t 1 and t 2 is calculated using the following equation, ,

Figure pat00002
Figure pat00002

산출된 충전전압(Vc)과 충전전류(Ic)로부터 시간 t1에서 시간 t2까지 공급된 충전전력 Pc를 이하의 수학식을 이용하여 산출하고, Calculate the charging power Pc supplied from the calculated charging voltage (Vc) and charging current (Ic) from time t 1 to time t 2 using the following equation,

Figure pat00003
Figure pat00003

시간 t1과 시간 t2 사이에 공급된 에너지 W1,2를 이하의 수학식을 이용하여 산출하며, The energy W 1,2 supplied between time t 1 and time t 2 is calculated using the following equation,

Figure pat00004
Figure pat00004

완정방전 시점 t0에서 완전충전 시점 tn 사이의 각 측정구간에서의 충전에너지 Wi,i+1을 이하의 수학식을 이용하여 산출하고, The charging energy W i,i+1 in each measurement section between the time of full discharge t0 and the time of full charge tn is calculated using the following equation,

Figure pat00005
Figure pat00005

이하의 수학식을 이용하여, 상기 재충전 배터리에 대하여 각 측정시점 ti에서의 초기 충전율 SOC(ti)을 산출하며, Using the following equation, calculate the initial charge rate SOC(t i ) at each measurement time t i for the rechargeable battery,

Figure pat00006
Figure pat00006

각각의 측정시간 ti에서의 충전전압 Vci, 충전 에너지 W(ti), 충전율 SoC(ti)을 각각 산출하고, 선형 보간법을 이용하여 충전율에 따른 충전전압, 충전 에너지 및 충전시간을 각각 산출하여 충전특성에 대한 정보를 산출하며, 동일한 방식으로 방전특성에 대한 정보를 각각 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. At each measurement time t i , the charging voltage Vci, the charging energy W(t i ), and the charging rate SoC(ti) are calculated, respectively, and the charging voltage, the charging energy and the charging time according to the charging rate are calculated respectively using a linear interpolation method. It is characterized in that the information on the charging characteristics is calculated, and the information on the discharging characteristics is calculated in the same way, respectively, and a process of storing the information in the data storage unit is configured to be performed.

아울러, 상기 제어부는, 충전과 동시에 방전이 이루어지는 경우, 측정된 전압과 충전전류 값으로부터 충전에너지 Wc를 산출하고, 측정된 전압과 방전전류 값으로부터 방전 에너지 Wd를 산출하며, 초기 충전율을 SoCi, 재충전 배터리에 저장할 수 있는 정격 총에너지를 Wt라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 충전율 SoC을 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, when discharging is performed simultaneously with charging, the control unit calculates the charging energy Wc from the measured voltage and charging current value, calculates the discharging energy Wd from the measured voltage and the discharging current value, and sets the initial charging rate to SoC i , When the rated total energy that can be stored in the rechargeable battery is Wt, the charging rate SoC is calculated using the following equation and stored in the data storage unit.

Figure pat00007
Figure pat00007

더욱이, 상기 제어부는, 상기 재충전 배터리가 충전도 되지 않고 방전도 되지 않는 미사용 상태일 경우, 배터리의 이력현상(hysteresis)으로 인한 오차 발생을 방지하기 위해 상기 배터리 특성정보 데이터베이스에 미리 저장되어 있는 충전전류에 따른 충전 과도시간 정보에 근거하여 해당하는 충전 과도시간 만큼 미리 정해진 충전전류로 충전한 후 충전전압을 측정하여 충전율을 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Furthermore, when the rechargeable battery is neither charged nor discharged, when the rechargeable battery is in an unused state, the charging current stored in advance in the battery characteristic information database to prevent an error due to hysteresis of the battery After charging with a predetermined charging current for a corresponding charging transient time based on the charging transient time information according to

또한, 상기 제어부는, 상기 전압측정부, 상기 충전전류 측정부 및 상기 방전전류 측정부를 통해 각각 측정된 측정값들에 근거하여 산출된 상기 재충전 배터리의 현재 방전가능한 최대 에너지와 상기 데이터베이스에 저장된 정격 방전에너지 값을 비교하여 퍼센트 단위의 방전도(Depth of Discharge; DoD(%))로 나타내는 것에 의해 상기 재충전 배터리의 건강상태를 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the control unit, the current dischargeable maximum energy of the rechargeable battery calculated on the basis of the measured values respectively measured through the voltage measuring unit, the charging current measuring unit, and the discharging current measuring unit and the rated discharge stored in the database and calculating the health state of the rechargeable battery and storing it in the data storage unit by comparing the energy values and expressing it as a Depth of Discharge (DoD (%)) .

아울러, 상기 제어부는, 이하의 수학식을 이용하여, 상기 재충전 배터리의 충전-방전 사이클 수(N)를 방전도(DoD(%))의 함수로 나타내어 상기 데이터 저장부에 저장하고, 상기 재충전 배터리의 현재의 사이클 수와 방전도(DoD)가 50%일 경우의 사이클 수의 차이를 잔류수명으로서 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the control unit stores the number of charge-discharge cycles (N) of the rechargeable battery as a function of the degree of discharge (DoD (%)) in the data storage unit using the following equation, and stores the rechargeable battery and calculating a difference between the current number of cycles and the number of cycles when the degree of discharge (DoD) is 50% as a residual life and storing the difference in the data storage unit is configured to be performed.

Figure pat00008
Figure pat00008

(여기서, N1과 N0는 각각 배터리의 특성에 따라 미리 정해진 상수를 나타냄) (Here, N 1 and N 0 each represent a predetermined constant according to the characteristics of the battery)

더욱이, 상기 측정장치는, LCD나 LED를 포함하는 표시수단 또는 출력수단을 더 포함하여 구성되고, 각각의 측정값 및 산출값을 포함하는 각종 데이터들을 상기 재충전 배터리의 상태에 대한 정보로서 상기 표시수단을 통해 표시하거나 상기 출력수단을 통해 출력하는 처리가 상기 제어부를 통해 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Furthermore, the measuring device is configured to further include a display means or an output means including an LCD or LED, and display means for displaying various data including each measured value and calculated value as information on the state of the rechargeable battery. It is characterized in that it is configured such that the processing for displaying through or outputting through the output means is performed through the control unit.

또한, 상기 측정장치는, 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신이 가능한 통신수단을 더 포함하여 구성되고, 상기 재충전 배터리의 상태에 대한 정보를 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북 중 적어도 하나를 포함하는 사용자 단말기나, 또는, 서버를 포함하는 외부 기기로 전송하는 처리가 상기 제어부를 통해 수행되도록 구성됨으로써, 원격으로 상기 재충전 배터리의 상태를 확인하고 관리할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the measuring device is configured to further include a communication means capable of communicating in at least one of wired or wireless communication, and includes at least one of a smartphone, a tablet PC, or a notebook computer for information about the state of the rechargeable battery. It is characterized in that it is configured to remotely check and manage the state of the rechargeable battery by being configured to perform a process of transmitting to a user terminal or an external device including a server through the control unit.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 재충전 배터리의 상태 측정장치를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법에 있어서, 재충전 배터리에 대하여 종류별로 충전특성 및 방전특성에 대한 측정데이터와 정격 데이터를 수집하여 재충전 배터리의 충전특성 및 방전특성에 대한 데이터베이스를 구축하는 처리가 수행되는 데이터베이스 구축단계; 상기 재충전 배터리의 전압, 충전전류 및 방전전류에 대한 측정값과 상기 데이터베이스에 저장된 데이터에 근거하여 상기 재충전 배터리의 충전율(SOC)을 산출하는 처리가 수행되는 충전율 산출단계; 측정을 통해 얻어진 상기 재충전 배터리의 현재 방전가능 최대 에너지와 상기 데이터베이스에 저장된 정격 방전에너지 값을 비교하여 상기 재충전 배터리의 건강상태(SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 각각 산출하는 처리가 수행되는 건강상태 및 잔류수명 산출단계; 및 각각의 측정값 및 산출값들에 근거하여 상기 재충전 배터리의 상태에 대한 정보를 표시하거나 사용자의 요청에 따라 해당하는 정보를 제공하는 처리가 수행되는 배터리 상태정보 제공단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정방법이 제공된다. In addition, according to the present invention, in the method for measuring the state of a rechargeable battery using the state measuring device of the rechargeable battery described above, measurement data and rating data for the charging and discharging characteristics are collected for each type of the rechargeable battery, and the rechargeable battery A database building step in which the process of building a database for the charging characteristics and discharging characteristics is performed; a charging rate calculation step in which a process of calculating a charging rate (SOC) of the rechargeable battery is performed based on the measured values of the voltage, charging current and discharging current of the rechargeable battery and data stored in the database; A health in which a process of calculating the health state (SOH) and the residual life (Remnant Cycles) of the rechargeable battery by comparing the current maximum dischargeable energy of the rechargeable battery obtained through measurement with the rated discharge energy value stored in the database is performed state and remaining life calculation step; and a battery state information providing step in which a process of displaying information on the state of the rechargeable battery or providing corresponding information according to a user's request is performed based on each of the measured values and calculated values A method for measuring the state of a rechargeable battery is provided.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 충전 전류센서, 방전 전류센서, 전압측정회로 및 마이크로컨트롤러(MCU)를 이용하여 배터리 사용시점에서의 초기 충전율(State of Charge ; SOC)과 사용시작 시점 이후 충전율 변화를 정밀하게 측정할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법이 제공됨으로써, 예를 들면, 배터리가 방전하지 않고 충전만 할 경우, 충전하지 않고 방전만 할 경우, 충전과 동시에 방전할 경우, 충전도 하지 않고 방전도 하지 않을 경우 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 배터리의 초기 충전율과 시간경과에 따라 변동되는 충전율을 정확하게 측정할 수 있다. As described above, according to the present invention, the state of charge (SOC) at the time of battery use and the charge rate after the start of use using a charging current sensor, a discharging current sensor, a voltage measuring circuit and a microcontroller (MCU) By providing an apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same, which are configured to accurately measure the change, for example, when the battery is charged without discharging, when only discharging without charging , when charging and discharging at the same time, when neither charging nor discharging, etc., can accurately measure the initial charging rate of the battery and the charging rate that varies with the passage of time.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법이 제공됨으로써, 일반적으로, 재충전 배터리의 경우, 사용시에는 배터리 에너지 용량의 10 ~ 20%까지 방전하고 충전시에는 충전율 10 ~ 20%에서 충전율 80 ~ 90%까지 충전하여 사용하는 것이 배터리 수명연장과 충전시간 절약 측면에서 유리하나, 예를 들면, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미충전과 미방전 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있는 방법이 제공되지 못하여 배터리의 충전을 다양하게 제어할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 재충전 배터리들의 문제점을 해결할 수 있다. In addition, according to the present invention, there is provided an apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same, which are configured to accurately grasp the charging rate and state of the battery that varies with time in various cases as described above. , In general, in the case of a rechargeable battery, it is recommended to discharge 10 to 20% of the battery's energy capacity when in use and charge it at a charge rate of 10 to 20% to 80 to 90% of the charge rate when charging, in terms of extending battery life and saving charging time. However, for various cases such as charging, discharging, discharging at the same time as charging, non-charging and non-discharging of the battery, a method for accurately identifying the charging rate and state of the battery that varies with time is not provided. Therefore, it is possible to solve the problems of the rechargeable batteries of the prior art, which had a limit in which the charging of the battery could not be controlled in various ways.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 측정 가능한 데 더하여, 배터리의 현재 방전가능한 최대 에너지와 정격 방전에너지 값을 비교하여 배터리의 건강상태(State of Health ; SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 정확하게 예측할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법이 제공됨으로써, 배터리 사용 시작시, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미사용 등과 같은 다양한 경우에 대하여 배터리의 충전율뿐만 아니라 배터리의 건강상태 및 잔류수명을 정확하게 측정하여 배터리의 전체적인 상태에 관한 종합적인 정보를 제공할 수 있다. In addition, according to the present invention, in addition to being able to accurately measure the charging rate and state of the battery that varies with time in various cases as described above, the current maximum energy that can be discharged and the rated discharge energy value of the battery are compared to improve the health of the battery. By providing a state measuring device for a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same, which are configured to accurately predict the State of Health (SOH) and Remnant Cycles, when starting to use the battery, charging the battery, It is possible to provide comprehensive information about the overall state of the battery by accurately measuring the health state and remaining life of the battery as well as the charge rate of the battery in various cases such as discharging and discharging at the same time as discharging and charging, and not using the battery.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치의 전압측정부 및 제어부의 구체적인 구성을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 전압측정부의 전압배율 증폭기의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 나타낸 전압측정부의 전압비교 증폭기의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 배터리의 충전특성에 대한 측정결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 6은 충전율에 따른 충전전압, 충전에너지 및 충전시간에 대한 측정결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 7은 배터리의 방전특성에 대한 측정결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 8은 충전율에 따른 방전전압, 방전에너지 및 방전시간에 대한 측정결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
1 is a diagram schematically showing the overall configuration of an apparatus for measuring a state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a specific configuration of a voltage measuring unit and a control unit of the apparatus for measuring the state of a rechargeable battery according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 .
FIG. 3 is a diagram schematically showing a specific configuration of a voltage multiplier amplifier of the voltage measuring unit shown in FIG. 2 .
FIG. 4 is a diagram schematically showing a specific configuration of a voltage comparison amplifier of the voltage measuring unit shown in FIG. 2 .
5 is a view showing the results of measurements on the charging characteristics of the battery arranged in a table.
6 is a view showing the measurement results of the charging voltage, the charging energy, and the charging time according to the charging rate arranged in a table.
7 is a view showing the results of measurements on the discharge characteristics of the battery arranged in a table.
8 is a view showing the measurement results of the discharge voltage, the discharge energy, and the discharge time according to the charging rate in a table.
9 is a flowchart schematically illustrating an overall configuration of a method for measuring a state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an apparatus for measuring a state of a rechargeable battery and a method for measuring a state of a rechargeable battery using the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Here, it should be noted that the content described below is only one embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the content of the embodiment described below.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. In addition, in the following description of the embodiments of the present invention, for parts that are the same as or similar to those of the prior art, or that can be easily understood and implemented at the level of those skilled in the art, the detailed description is provided for the sake of brevity. It should be noted that o was omitted.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 일반적으로, 재충전 배터리의 경우, 사용시에는 배터리 에너지 용량의 10 ~ 20%까지 방전하고 충전시에는 충전율 10 ~ 20%에서 충전율 80 ~ 90%까지 충전하여 사용하는 것이 배터리 수명연장과 충전시간 절약 측면에서 유리하나, 예를 들면, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미충전과 미방전 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있는 방법이 제공되지 못하여 배터리의 충전을 다양하게 제어할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 재충전 배터리들의 문제점을 해결하기 위해, 다양한 경우에 대하여 재충전 배터리의 충전율(SOC)을 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법에 관한 것이다. That is, in the present invention, as will be described later, in general, in the case of a rechargeable battery, when used, it is discharged to 10 to 20% of the battery's energy capacity, and when charging, it is charged from a charging rate of 10 to 20% to a charging rate of 80 to 90%. Although it is advantageous in terms of extending battery life and saving charging time, for example, the charging rate of the battery and In order to solve the problems of the rechargeable batteries of the prior art in which a method for accurately grasping the state was not provided and thus the charge of the battery could not be controlled in various ways, the charge rate (SOC) of the rechargeable battery was accurately measured in various cases. It relates to an apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있는 방법이 제공되지 못하여 배터리의 충전을 다양하게 제어할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 재충전 배터리들의 문제점을 해결하기 위해, 충전 전류센서, 방전 전류센서, 전압측정회로 및 마이크로컨트롤러(MCU)를 이용하여 배터리 사용시점에서의 초기 충전율과 사용시작 시점 이후 충전율 변화를 정밀하게 측정할 수 있도록 구성됨으로써, 예를 들면, 배터리가 방전하지 않고 충전만 할 경우, 충전하지 않고 방전만 할 경우, 충전과 동시에 방전할 경우, 충전도 하지 않고 방전도 하지 않을 경우 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 배터리의 초기 충전율과 시간경과에 따라 변동되는 충전율을 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법에 관한 것이다. In addition, the present invention, as will be described later, in the prior art in which a method for accurately grasping the charging rate and state of the battery, which varies with time in various cases, is not provided, and thus there is a limitation in that it is not possible to control the charging of the battery in various ways. In order to solve the problems of rechargeable batteries of By being configured so that, for example, when the battery is charged without discharging, when only discharging without charging, when discharging simultaneously with charging, when neither charging nor discharging the battery, for various cases, such as when the battery is not discharged The present invention relates to an apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same, configured to accurately measure the initial charge rate of the battery and the charge rate that changes over time.

더욱이, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 배터리 사용 시작시, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미사용 등과 같은 다양한 경우에 대하여 배터리의 충전율을 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 배터리의 현재 방전가능한 최대 에너지와 정격 방전에너지 값을 비교하여 배터리의 건강상태(SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 정확하게 예측할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법에 관한 것이다. Furthermore, as described later, the present invention can accurately measure the charge rate of the battery in various cases such as charging, discharging, discharging the battery simultaneously with charging, non-use, etc. The present invention relates to an apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same, configured to accurately predict the health state (SOH) and residual life (Remnant Cycles) of the battery by comparing the maximum energy and the rated discharge energy value.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Subsequently, with reference to the drawings, the specific content of the apparatus for measuring the state of the rechargeable battery and the method for measuring the state of the rechargeable battery using the same according to the present invention will be described.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. First, referring to FIG. 1 , FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of an apparatus 10 for measuring a state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)는, 크게 나누어, 배터리(11)의 전압을 측정하기 위한 전압비교회로를 포함하여 이루어지는 전압측정부(12)와, 충전전류를 측정하기 위한 충전전류 센서를 포함하여 이루어지는 충전전류 측정부(13)와, 방전전류를 측정하기 위한 방전전류 센서를 포함하여 이루어지는 방전전류 측정부(14)와, 배터리(11)의 충전을 위한 충전회로를 포함하여 이루어지는 충전부(15)와, 배터리(11)의 방전을 위한 부하를 포함하여 이루어지는 방전부(16) 및 상기한 각 부 및 측정장치(10)의 전체적인 동작을 제어하기 위한 마이크로컨트롤러(MCU)를 포함하여 이루어지는 제어부(17)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 1 , the apparatus 10 for measuring the state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention is largely divided into a voltage measuring unit 12 comprising a voltage comparison circuit for measuring the voltage of the battery 11 . ), a charging current measuring unit 13 including a charging current sensor for measuring the charging current, a discharging current measuring unit 14 including a discharging current sensor for measuring the discharging current, and the battery 11 ), the charging unit 15 including a charging circuit for charging, the discharging unit 16 including a load for discharging the battery 11, and the above-mentioned each unit and the overall operation of the measuring device 10 It may be configured to include a control unit 17 comprising a microcontroller (MCU) for controlling.

또한, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)의 전압측정부(12) 및 제어부(17)의 구체적인 구성을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다. In addition, referring to FIG. 2 , FIG. 2 schematically shows a specific configuration of the voltage measuring unit 12 and the controlling unit 17 of the rechargeable battery state measuring device 10 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 , respectively. It is a drawing showing

도 2에 나타낸 바와 같이, 전압측정부(12)는, 측정된 배터리(11)의 전압(VB)을 일정 배수로 감소시키기 위한 전압배율 증폭기(21)와, 일정 배수로 감소된 배터리(11)의 전압(VB')과 기준전압(VR)의 차이를 증폭시키기 위한 전압비교 증폭기(22) 및 제어부(17)의 제어에 따라 상기한 기준전압(VR)을 발생시키는 기준전압 생성기(23)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 2 , the voltage measuring unit 12 includes a voltage multiplier amplifier 21 for reducing the measured voltage (V B ) of the battery 11 by a predetermined multiple, and the battery 11 reduced by a predetermined multiple. The voltage comparison amplifier 22 for amplifying the difference between the voltage V B ' and the reference voltage V R and the reference voltage generator 23 for generating the above-described reference voltage V R under the control of the control unit 17 . ) may be included.

더 상세하게는, 도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3은 도 2에 나타낸 전압배율 증폭기(21)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2에 나타낸 전압비교 증폭기(22)의 구체적인 구성을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다. More specifically, referring to FIGS. 3 and 4 , FIG. 3 is a diagram schematically showing a specific configuration of the voltage multiplier amplifier 21 shown in FIG. 2 , and FIG. 4 is a voltage comparison amplifier 22 shown in FIG. 2 . It is a diagram schematically showing a specific configuration of each.

여기서, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같은 OP 앰프 등을 이용한 증폭회로의 구체적인 구성이나 동작 등은 당업자에게 있어 자명한 사항이므로, 이에, 본 발명에서는, 설명을 간략히 하기 위해, 상기한 바와 같이 당업자가 종래기술의 문헌 등을 참조하여 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. Here, the specific configuration and operation of the amplification circuit using the operational amplifier as shown in FIGS. 3 and 4 are obvious to those skilled in the art. Therefore, in the present invention, in order to simplify the description, as described above, those skilled in the art It should be noted that detailed descriptions of contents that can be easily understood and implemented by referring to prior art documents have been omitted.

아울러, 상기한 제어부(17)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전압측정부(12)의 출력신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 AD 변환기(24)와, 변환된 디지털 신호의 잡음을 제거하기 위한 저역통과필터(25)와, 전압측정부(12)로부터의 전압 측정신호와 충전전류 측정부(13) 및 방전전류 측정부(14)로부터의 충전전류 및 방전전류 측정신호를 각각 수신하고 각각의 측정값에 근거하여 배터리의 충전율과 건강상태 및 잔류수명 등의 각종 정보를 산출하기 위한 데이터 처리 및 측정장치(10)의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어 처리가 수행되도록 이루어지는 데이터 처리부(26)와, 상기한 각각의 정보를 산출하기 위해 각 종류별로 배터리의 충전 빛 방전 특성에 대한 데이터베이스가 미리 구축되어 저장되고 각각의 측정값과 산출값들을 저장하기 위한 메모리와 같은 데이터 저장수단을 포함하여 이루어지는 데이터 저장부(27)를 포함하여 구성될 수 있으며, 바람직하게는, 상기한 각 부가 단일의 칩으로 형성되는 마이크로컨트롤러(MCU)의 형태로 구성될 수 있다. In addition, as shown in FIG. 2, the control unit 17 includes an AD converter 24 for converting the output signal of the voltage measuring unit 12 into a digital signal, and for removing noise from the converted digital signal. The low-pass filter 25 and the voltage measurement signal from the voltage measurement unit 12 and the charging current and discharge current measurement signals from the charging current measurement unit 13 and the discharge current measurement unit 14 are respectively received, and each A data processing unit 26 configured to perform data processing for calculating various types of information such as a battery charge rate, a health state, and a remaining lifespan based on the measured values and a control processing for controlling the overall operation of the measurement device 10; In order to calculate each of the above-mentioned information, a database for charging and discharging characteristics of each type of battery is built in advance and stored, and data storage comprising a data storage means such as a memory for storing each measured value and calculated value. It may be configured to include the unit 27, and preferably, each of the above units may be configured in the form of a microcontroller (MCU) formed of a single chip.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)의 제어부(17)는, 다양한 재충전 배터리에 대하여 시간에 따른 충전 및 방전 전압(단위: V) 및 충전 및 방전 전류(단위: A)를 각각 측정하는 것에 의해 각각의 배터리 종류별로 충전 및 방전 특성에 대한 데이터베이스를 구축하여 상기한 데이터 저장부(27)에 저장하여 두고, 이러한 데이터베이스의 내용과 각각의 측정값에 근거하여 배터리의 충전율과 건강상태 및 잔류수명을 산출하는 처리가 데이터 처리부(26)를 통하여 수행되도록 구성될 수 있다. That is, the control unit 17 of the apparatus 10 for measuring the state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention includes the charging and discharging voltage (unit: V) and the charging and discharging current (unit: By measuring A), a database for charging and discharging characteristics for each battery type is built and stored in the above-described data storage unit 27, and based on the contents of the database and each measurement value, The processing for calculating the filling rate, the health state, and the remaining life may be configured to be performed through the data processing unit 26 .

더 상세하게는, 충전시간 t1에서의 충전전압을 V1, 충전시간 t2에서의 충전전압을 V2라 하면, t1과 t2 사이의 구간에서의 충전전압(Vc)은 이하의 [수학식 1]과 같이 선형함수로 근사화될 수 있다. More specifically, if the charging voltage at the charging time t 1 is V 1 , and the charging voltage at the charging time t 2 is V 2 , the charging voltage Vc in the section between t 1 and t 2 is [ It can be approximated by a linear function as in Equation 1].

[수학식 1] [Equation 1]

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서, 계산의 편리를 위해 시간변수 t를 새로운 변수 x로 치환하였으며, 같은 방법으로, 충전시간 t1에서의 충전전류를 I1, 충전시간 t2에서의 충전전류를 I2라 하면, t1과 t2 사이의 구간에서의 충전전류(Ic)를 이하의 [수학식 2]와 같이 선형함수로 근사화할 수 있다. Here, in the above [Equation 1], the time variable t is substituted with a new variable x for convenience of calculation, and in the same way, the charging current at the charging time t 1 is I 1 , the charging current at the charging time t 2 . If the charging current is I 2 , the charging current Ic in the section between t 1 and t 2 can be approximated by a linear function as shown in Equation 2 below.

[수학식 2] [Equation 2]

Figure pat00010
Figure pat00010

또한, 상기한 바와 같이 하여 구해지는 충전전압(Vc)과 충전전류(Ic)로부터 시간 t1에서 시간 t2까지 배터리에 공급된 충전전력(Pc)를 이하의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다. In addition, the charging power (Pc) supplied to the battery from the time t 1 to the time t 2 from the charging voltage (Vc) and the charging current (Ic) obtained as described above can be expressed as in the following [Equation 3] have.

[수학식 3] [Equation 3]

Figure pat00011
Figure pat00011

이때, 시간 t1과 t2 사이에 배터리에 공급된 에너지(W1,2)는 이하의 [수학식 4]와 같이 구해진다. At this time, the energy (W 1,2 ) supplied to the battery between times t 1 and t 2 is obtained as in [Equation 4] below.

[수학식 4] [Equation 4]

Figure pat00012
Figure pat00012

아울러, 배터리에 공급된 총에너지 Wt는 완정방전 시점 t0에서 완전충전 시점 tn 사이의 각 측정구간에서 구한 충전 에너지(Wi,i+1)를 이하의 [수학식 5]와 같이 합산하여 구할 수 있다. In addition, the total energy W t supplied to the battery is the sum of the charging energy (W i,i+1 ) obtained in each measurement section between the complete discharge time t 0 and the full charge time t n as in [Equation 5] below. can be saved by

[수학식 5] [Equation 5]

Figure pat00013
Figure pat00013

따라서 시간 ti에서의 충전율[SoC(ti)]은 이하의 [수학식 6]을 이용하여 구할 수 있다. Therefore, the filling factor [SoC(ti)] at time t i can be obtained using the following [Equation 6].

[수학식 6] [Equation 6]

Figure pat00014
Figure pat00014

상기한 바와 같은 방법으로 각 측정시간 ti에서의 충전전압 Vci, 충전 에너지 W(ti), 충전율 SoC(ti)의 데이터를 구축할 수 있으며, 이러한 데이터와 선형 보간법을 이용하여 충전율(SoC)에 따른 충전전압 Vc, 충전 에너지 Jc, 충전시간 tc를 각각 산출할 수 있다. The data of the charging voltage Vci, the charging energy W(t i ), and the charging rate SoC(ti) at each measurement time t i can be constructed in the same way as described above. Using these data and linear interpolation, the charging rate (SoC) The charging voltage Vc, the charging energy Jc, and the charging time tc according to each can be calculated.

즉, 도 5 및 도 6을 참조하면, 도 5는 배터리의 충전특성에 대한 측정결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이고, 도 6은 충전율에 따른 충전전압, 충전에너지 및 충전시간에 대한 측정결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다. That is, referring to FIGS. 5 and 6 , FIG. 5 is a table showing the measurement results for the charging characteristics of the battery, and FIG. 6 is a table showing the measurement results for the charging voltage, charging energy, and charging time according to the charging rate. It is a schematic drawing.

여기서, 도 5는 정격 24V 3.3Ah인 리튬인산철(LiFePO4 ; LFP) 배터리의 충전전류에 따른 충전특성을 측정한 결과를 나타내는 것이고, 도 6은 정격 24V 3.3Ah인 리튬인산철 배터리를 7.2A로 충전시의 충전특성을 산출한 결과를 나타내는 것이며, 표에 없는 충전율의 경우 선형 보간법을 이용하여 임의의 충전율에서 충전전압, 충전 에너지, 충전시간을 산출하도록 구성될 수 있다. Here, FIG. 5 shows the results of measuring the charging characteristics according to the charging current of a lithium iron phosphate (LiFePO4; LFP) battery rated at 24V 3.3Ah, and FIG. 6 is a lithium iron phosphate battery rated at 24V 3.3Ah at 7.2A. It shows the result of calculating the charging characteristics at the time of charging, and in the case of a charging rate not listed in the table, it may be configured to calculate the charging voltage, charging energy, and charging time at any charging rate using a linear interpolation method.

더 상세하게는, 도 6에 나타낸 결과는 정격 24V 3.3Ah인 리튬인산철 배터리를 7.2A로 충전시의 충전특성을 산출한 것으로서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 충전율 10%에서 충전율 90% 사이에서 배터리 충전전압이 27.50V에서 28.59V로 1.05V 밖에 변하지 않으므로, 따라서 배터리의 충전율을 정확하게 측정하기 위해서는 정확하고 정밀한 배터리 전압의 측정이 요구된다. More specifically, the result shown in FIG. 6 is a result of calculating the charging characteristics when charging a lithium iron phosphate battery with a rating of 24V 3.3Ah at 7.2A, and as shown in FIG. Since the battery charge voltage changes only 1.05V from 27.50V to 28.59V, accurate and precise battery voltage measurement is required to accurately measure the battery charge rate.

또한, 도 7 및 도 8을 참조하면, 도 7 및 도 8은 상기한 바와 같은 충전특성 측정방법과 동일하게 하여 배터리의 방전특성을 측정한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면으로, 도 7은 배터리의 방전특성에 대한 측정결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이고, 도 8은 충전율에 따른 방전전압, 방전에너지 및 방전시간에 대한 측정결과를 각각 표로 정리하여 나타낸 도면이다. In addition, referring to Figs. 7 and 8, Figs. 7 and 8 are diagrams showing the results of measuring the discharge characteristics of the battery in the same manner as in the method for measuring the charging characteristics as described above. It is a diagram showing the measurement results for the discharge characteristics in a table, and FIG. 8 is a diagram showing the measurement results for the discharge voltage, the discharge energy, and the discharge time according to the charge rate, respectively.

도 8에 나타낸 바와 같이, 충전율이 90%에서 10%까지 감소하는 동안 방전전압은 25.29V에서 23.66V로 감소하여 1.63V의 변화를 나타내었으며, 충전과 동시에 방전이 일어날 경우 배터리 단자전압은 충전전압과 방전전압이 같게 된다. As shown in FIG. 8 , the discharge voltage decreased from 25.29V to 23.66V while the charging rate was decreased from 90% to 10%, indicating a change of 1.63V, and when discharging occurs simultaneously with charging, the battery terminal voltage is the charging voltage The over-discharge voltage is the same.

따라서 측정된 배터리 전압과 측정된 배터리 충전전류로부터 상기한 바와 같은 방법으로 충전에너지 Wc를 구하고, 측정된 배터리 전압과 측정된 배터리 방전전류로부터 방전에너지 Wd를 구할 수 있다. Accordingly, the charging energy Wc can be obtained from the measured battery voltage and the measured battery charging current in the same manner as described above, and the discharging energy Wd can be obtained from the measured battery voltage and the measured battery discharging current.

즉, 이하의 [수학식 7]에 나타낸 바와 같이, 충전율 SoC는 초기 충전율 SoCi와 배터리에 저장할 수 있는 총에너지 정격 Wt를 이용하여 구할 수 있다. That is, as shown in [Equation 7] below, the charging rate SoC can be obtained using the initial charging rate SoC i and the total energy rating W t that can be stored in the battery.

[수학식 7] [Equation 7]

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서, 배터리가 충전도 되지 않고 방전도 되지 않을 경우 배터리의 개방단자 전압 Voc로부터 충전율을 정확하게 구하는 것은 배터리의 이력현상(hysteresis) 때문에 기술적으로 어렵다. Here, when the battery is neither charged nor discharged, it is technically difficult to accurately obtain the charge rate from the open terminal voltage Voc of the battery due to hysteresis of the battery.

또한, 배터리를 충전 후 배터리의 개방단 전압은 시간이 경과함에 따라 감소하여 최종값에 도달하며, 즉, 0% 충전율에서부터 연속적으로 충전하여 100% 충전율에 도달할 때의 충전전압 곡선을 기준 충전전압 곡선이라 할 때, 임의의 충전율 상태(예: 40%)에서 충전을 시작할 때 이러한 기준 충전전압 곡선에 도달하려면 일정시간 (예: 1분 내지 2분, 이하 "충전 과도시간"이라 함)이 경과해야 한다. In addition, after charging the battery, the open-end voltage of the battery decreases with time to reach the final value, that is, the charging voltage curve when continuously charging from 0% charging rate to 100% charging rate is used as the reference charging voltage When referring to the curve, when charging starts at an arbitrary charge rate state (eg 40%), a certain period of time (eg, 1 minute to 2 minutes, hereinafter referred to as “charge transient time”) has elapsed to reach this reference charging voltage curve. Should be.

이에, 본 발명의 실시예에서는, 미리 정해진 충전전류에 따른 충전 과도시간을 미리 측정하여 메모리에 저장하여 두고, 배터리가 사용되지 않은 상태에 있을 경우 충전율을 측정하기 위해 충전 과도시간 만큼 배터리를 미리 정해진 충전전류로 충전한 후 배터리 충전전압을 측정하여 배터리 충전율을 산출하도록 구성될 수 있다. Accordingly, in the embodiment of the present invention, the charging transient time according to the predetermined charging current is measured in advance and stored in the memory, and when the battery is in an unused state, the battery is preset by the charging transient time to measure the charging rate. It may be configured to calculate a battery charge rate by measuring a battery charging voltage after charging with a charging current.

아울러, 배터리의 건강상태(SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)은 현재 상태의 배터리로부터 방전될 수 있는 최대 에너지양을 신제품 배터리의 정격 방전에너지 양과 비교하여 측정할 수 있다. In addition, the state of health (SOH) and residual cycle (Remnant Cycles) of the battery can be measured by comparing the maximum amount of energy that can be discharged from the current battery with the rated discharge energy of the new battery.

즉, 배터리를 충전율 100%로 충전한 상태에서 충전율이 0%가 될 때까지 방전하는 과정에서의 총 방전에너지를 측정하여 배터리의 건강상태를 산출하며, 이러한 배터리의 건강상태는 일반적으로 퍼센트 단위의 방전도(Depth of Discharge; DoD)로 표현된다. That is, the health state of the battery is calculated by measuring the total discharge energy in the process of discharging the battery from a state in which the battery is charged at a charge rate of 100% until the charge rate becomes 0%. It is expressed in depth of discharge (DoD).

예를 들면, 현재 배터리의 건강상태가 80%라 함은 현재 배터리가 정격 방전에너지의 80%까지만 방전할 수 있다는 의미이고, 배터리의 잔류수명은 배터리의 방전도(DoD)가 50%가 될 때까지 지금부터 가능한 충전-방전 사이클 수로 표현된다. For example, when the current battery health state is 80%, it means that the current battery can only discharge 80% of the rated discharge energy, and the remaining life of the battery is when the battery's degree of discharge (DoD) is 50%. It is expressed as the number of possible charge-discharge cycles from now on.

더 상세하게는, 방전도 100%에서 50% 구간에서의 사이클 수는 방전도의 대수함수로 근사화하여 나타낼 수 있으며, 즉, 이하의 [수학식 8]에 나타낸 바와 같이, 배터리의 사이클 수 N을 방전도 DoD(%)의 함수로서 표현할 수 있다. More specifically, the number of cycles in the 100% to 50% discharge degree can be approximated by a logarithmic function of the discharge degree, that is, as shown in [Equation 8] below, the number of cycles N of the battery is Discharge can also be expressed as a function of DoD (%).

[수학식 8] [Equation 8]

Figure pat00016
Figure pat00016

여기서, 상기한 [수학식 8]에 있어서, N1과 N0는 배터리의 특성에 따라 결정되는 상수로서, 미리 산출되어 데이터베이스에 저장되어 있는 값을 사용하도록 구성될 수 있다. Here, in [Equation 8], N 1 and N 0 are constants determined according to the characteristics of the battery, and may be configured to use values calculated in advance and stored in a database.

상기한 바와 같은 내용으로부터, 제조사에서 제공하는 정보를 이용하여 배터리의 사이클 수를 방전도 DoD(%)의 함수로 표현하고, 이를 메모리에 저장한 후 현재의 사이클 수와 DoD가 50%일 경우의 사이클 수의 차이를 잔류수명으로서 산출하도록 구성될 수 있다. From the above, using the information provided by the manufacturer, the number of cycles of the battery is expressed as a function of the degree of discharge DoD (%), and after storing it in the memory, the current cycle number and DoD are 50%. It may be configured to calculate the difference in the number of cycles as the remaining life.

따라서 상기한 바와 같이 하여, 배터리의 충전전압, 충전전류, 방전전압, 방전전류를 각각 측정하고, 이로부터 배터리 충전율, 배터리 건강상태, 배터리 잔류수명을 산출할 수 있으며, 이를 위해서는 정확하고 정밀한 배터리 전압의 측정이 필요하다. Therefore, as described above, the charging voltage, charging current, discharging voltage, and discharging current of the battery can be measured, and the battery charge rate, battery health state, and remaining battery life can be calculated from these, and for this purpose, accurate and precise battery voltage measurement is required.

이에, 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)는, 도 2에 나타낸 바와 같이 구성되는 전압측정부(12)를 이용하여 정확하고 정밀한 전압 측정이 이루어질 수 있도록 구성된다. Accordingly, the apparatus 10 for measuring the state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention is configured to enable accurate and precise voltage measurement using the voltage measuring unit 12 configured as shown in FIG. 2 .

더 상세하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 배터리의 전압단자가 전압배율 증폭기(21)에 연결되고, 이때, 전압배율 증폭기(21)는 입력 임피던스가 매우 높고(1MΩ 이상), 내압이 배터리 전압 이상인 특성을 가져야 한다. More specifically, as shown in FIG. 2, the voltage terminal of the battery is connected to the voltage multiplier amplifier 21, and at this time, the voltage multiplier amplifier 21 has a very high input impedance (1 MΩ or more), and the withstand voltage is the battery voltage. should have more than one characteristic.

이를 위해, 전압배율 증폭기(21)는, 도 3에 나타낸 바와 같은 증폭기 구조를 이용하여 구현될 수 있으며, 도 3에 나타낸 회로 구성에서 각각의 증폭기로서 연산 증폭기(OP AMP)가 사용될 수 있다. To this end, the voltage multiplier amplifier 21 may be implemented using an amplifier structure as shown in FIG. 3 , and an operational amplifier (OP AMP) may be used as each amplifier in the circuit configuration shown in FIG. 3 .

또한, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 전압배율 증폭기(21)의 출력전압 VB'는 입력전압을 VB, 이득을 G1, 각각의 저항을 R1, R2라 할 때 이하의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다. In addition, when the output voltage V B ' of the voltage multiplier amplifier 21 configured as described above is the input voltage V B , the gain G 1 , and the resistance R 1 , R 2 , 9] can be expressed as

[수학식 9] [Equation 9]

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서, 기준전압 생성기(23)의 전압을 0V에서 2.2V까지 12비트로 제어할 경우 전압분해능은 0.537mV로 충분히 정확한 기준전압을 생성할 수 있으며, 재충전 배터리의 1개 셀당 전압은 1.2V ~ 4.4V이므로, 전압배율 증폭기(21)의 이득 G1은 이하의 [수학식 10]에 나타낸 바와 같이 배터리 팩의 셀수 Nc의 2배의 역수로 구성될 수 있다. Here, when the voltage of the reference voltage generator 23 is controlled by 12 bits from 0V to 2.2V, the voltage resolution is 0.537mV, which can generate a sufficiently accurate reference voltage, and the voltage per cell of the rechargeable battery is 1.2V to 4.4V Therefore, the gain G 1 of the voltage multiplier amplifier 21 may be configured as a reciprocal of twice the number of cells Nc of the battery pack as shown in Equation 10 below.

[수학식 10] [Equation 10]

Figure pat00018
Figure pat00018

아울러, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전압배율 증폭기(21)에서 측정되는 전압에 유입되는 잡음을 줄이기 위해 R2-C2로 구성되는 2단 저역통과필터를 적용하며, 이때, 저역통과필터의 차단주파수 fc는 이하의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있고, 적절한 차단주파수 fc값은, 예를 들면, 10Hz로 구성될 수 있다. In addition, as shown in FIG. 3, a two-stage low-pass filter composed of R2-C2 is applied to reduce noise introduced to the voltage measured by the voltage multiplier amplifier 21, and at this time, the cut-off frequency fc of the low-pass filter may be expressed as in [Equation 11] below, and an appropriate cut-off frequency fc value may be configured as, for example, 10 Hz.

[수학식 11] [Equation 11]

Figure pat00019
Figure pat00019

계속해서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전압배율 증폭기(21)로부터의 출력신호와 기준전압 생성기(23)로부터의 기준전압이 전압비교 증폭기(23)에 각각 인가되어 기준전압과의 차이가 증폭된다. Subsequently, as shown in Fig. 2, the output signal from the voltage multiplier amplifier 21 and the reference voltage from the reference voltage generator 23 are respectively applied to the voltage comparison amplifier 23, and the difference with the reference voltage is amplified. .

더 상세하게는, 전압비교 증폭기(23)는, 도 4에 나타낸 바와 같이 대칭형 차동증폭기 형태로 구현되며, 잡음을 제거하기 위해 입력단에 EMI 필터를 적용하여 구성될 수 있다. More specifically, the voltage comparison amplifier 23 is implemented in the form of a symmetrical differential amplifier as shown in FIG. 4, and may be configured by applying an EMI filter to the input terminal to remove noise.

여기서, 도 4에 나타낸 전압비교 증폭기(23)의 이득 G2는 이하의 [수학식 12]와 같이 주어질 수 있으며, 적절한 이득값으로, 예를 들면, 2로 구성될 수 있다. Here, the gain G 2 of the voltage comparison amplifier 23 shown in FIG. 4 may be given as in [Equation 12] below, and may be configured as an appropriate gain value, for example, 2 .

[수학식 12] [Equation 12]

Figure pat00020
Figure pat00020

다음으로, 전압비교 증폭기(22)의 출력은 제어부(17)의 AD 변환기(24)에 인가되어 디지털 저역통과 필터(25)를 통해 잡음이 제거되며, 이를 위해, 디지털 저역통과필터(25)는 일정한 간격으로 샘플링하여 디지털로 변환된 N개의 전압값의 평균을 구하는 방식으로 필터링을 적용하도록 구성될 수 있다. Next, the output of the voltage comparison amplifier 22 is applied to the AD converter 24 of the control unit 17 to remove noise through the digital low-pass filter 25. For this purpose, the digital low-pass filter 25 is It may be configured to apply filtering in a manner of obtaining an average of N digitally converted voltage values by sampling at regular intervals.

예를 들면, 전압비교 증폭기(22)의 출력을 매 1초마다 10,000회 측정한 후 이들의 평균을 취할 경우 잡음은 1Hz 이상 대역에서의 약 100배 감소하며, 저역통과필터(25)의 출력이 최소(즉, 0)가 되도록 제어기/데이터 처리기(26)가 기준전압 생성기(23)을 제어하여 기준전압 VR이 배율 증폭된 배터리 전압 VB'와 같게 한다. For example, when the output of the voltage comparison amplifier 22 is measured 10,000 times every 1 second and the average is taken, the noise is reduced by about 100 times in the band above 1 Hz, and the output of the low-pass filter 25 is The controller/data processor 26 controls the reference voltage generator 23 to be the minimum (ie, zero) so that the reference voltage V R equals the multiplied amplified battery voltage V B ′.

즉, 상기한 제어부(17)는, 전압비교 증폭기(22)의 출력이 0이 될 때까지 기준전압 생성기(23)의 기준전압을 제어하고, 전압비교 증폭기(22)의 출력이 0이 될 때의 기준전압 값을 재충전 배터리의 충전전압 또는 방전전압 값으로 산출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. That is, the control unit 17 controls the reference voltage of the reference voltage generator 23 until the output of the voltage comparison amplifier 22 becomes 0, and when the output of the voltage comparison amplifier 22 becomes 0 It may be configured to perform a process of calculating the reference voltage value of the rechargeable battery as a charging voltage or a discharging voltage value of the rechargeable battery.

따라서 상기한 바와 같은 방법으로 배터리 전압 VB를 보다 정확하고 정밀하게 측정할 수 있으며, 그것에 의해, 측정된 배터리 전압, 배터리 충전전류, 배터리 방전전류 및 메모리(27)에 저장된 배터리 특성 데이터를 이용하여 상기한 방법에 따라 배터리의 충전율과 건강상태 및 잔류수명을 각각 측정할 수 있다. Therefore, it is possible to measure the battery voltage V B more accurately and precisely by using the method as described above, thereby using the measured battery voltage, battery charging current, battery discharging current, and battery characteristic data stored in the memory 27 . According to the above method, it is possible to measure the charge rate, the health state, and the remaining life of the battery, respectively.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)는, 도시되지는 않았으나, 예를 들면, LCD나 LED 등과 같은 별도의 표시수단 또는 출력수단을 더 포함하여, 상기한 바와 같이 하여 측정 및 산출된 각각의 측정값과 산출값을 포함하는 각종 데이터들을 배터리 상태에 대한 정보로서 출력하여 사용자가 배터리의 충전율이나 건강상태 및 잔류수명 등의 정보를 용이하게 확인 가능하도록 구성될 수 있다. In addition, although not shown, the apparatus 10 for measuring the state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention further includes, for example, a separate display means or output means such as LCD or LED, as described above. By outputting various data including each measured value and calculated value measured and calculated as information on the battery state, it can be configured so that the user can easily check information such as the charge rate, health state, and remaining life of the battery. .

더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)는, 도시되지는 않았으나, 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신이 가능한 통신수단을 더 포함하여, 상기한 바와 같은 배터리 상태에 대한 정보를, 예를 들면, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같은 사용자 단말기나, 또는, 서버 등과 같은 외부 기기로 전송하여 원격으로 배터리 상태의 확인 및 관리가 가능하도록 구성될 수도 있다. Furthermore, although not shown, the apparatus 10 for measuring the state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention further includes a communication means capable of communicating in at least one of wired or wireless communication, the battery as described above It may be configured to remotely check and manage the battery state by transmitting information on the state, for example, to a user terminal such as a smart phone, tablet PC, or notebook computer, or to an external device such as a server.

상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)를 구현할 수 있으며, 계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. As described above, the state measuring apparatus 10 of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention can be implemented, and then, the rechargeable battery using the rechargeable battery state measuring apparatus 10 configured as described above. The detailed contents of the state measurement method will be described.

즉, 도 9를 참조하면, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다. That is, referring to FIG. 9 , FIG. 9 is a flowchart schematically illustrating an overall configuration of a method for measuring a state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention.

도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정방법은, 먼저, 다양한 재충전 배터리에 대하여 충전특성 및 방전특성에 대한 측정데이터와 정격 데이터를 수집하여 각 종류별로 배터리의 충전 및 방전특성에 대한 데이터베이스를 구축하는 처리가 수행되는 데이터베이스 구축단계(S10)와, 배터리의 충전전압, 충전전류 및 방전전류에 대한 측정값과 데이터베이스에 저장된 데이터에 근거하여 배터리의 충전율(State of Charge ; SOC)을 산출하는 처리가 수행되는 충전율 산출단계(S20)와, 측정을 통해 얻어진 배터리의 현재 방전가능 최대 에너지와 데이터베이스에 저장된 정격 방전에너지 값을 비교하여 배터리의 건강상태(State of Health ; SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 각각 산출하는 처리가 수행되는 건강상태 및 잔류수명 산출단계(S30) 및 각각의 측정값 및 산출값들에 근거하여 배터리 상태에 대한 정보를 표시수단을 통해 출력하거나 사용자의 요청에 따라 해당 정보를 제공하는 처리가 수행되는 배터리 상태정보 제공단계(S40)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 9 , the method for measuring the state of a rechargeable battery according to an embodiment of the present invention collects measurement data and rating data for charging characteristics and discharging characteristics for various rechargeable batteries and charging the batteries for each type. And a database construction step (S10) in which a process of building a database for the discharge characteristics is performed, and the battery charge rate (State of Charge) based on the measured values of the charging voltage, charging current and discharging current of the battery and data stored in the database The state of health (SOH) of the battery by comparing the charge rate calculation step (S20), in which the process of calculating the SOC) is performed, and the rated discharge energy value stored in the database with the current maximum dischargeable energy of the battery obtained through the measurement ) and the remaining life cycle (Remnant Cycles), the health state and residual life calculation step (S30) in which the processing is performed, and output information on the battery state based on the respective measured values and calculated values through the display means, or It may be configured to include a battery state information providing step (S40) in which a process of providing corresponding information according to a user's request is performed.

여기서, 상기한 각 단계의 처리들은, 도 1 내지 도 8을 참조하여 상기한 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)를 이용하여 수행될 수 있다. Here, the processing of each step may be performed using the apparatus 10 for measuring the state of the rechargeable battery according to the embodiment of the present invention described above with reference to FIGS. 1 to 8 .

더 상세하게는, 상기한 데이터베이스 구축단계(S10)는, 상기한 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)를 이용하여, 다양한 재충전 배터리에 대하여 충전율 0%에서부터 충전율 100%까지 충전할 경우의 충전전압과 충전전류에 대한 데이터와 충전율 100%에서부터 충전율 0%까지 배터리를 방전시킬 경우의 방전전압과 방전전류에 대한 데이터를 각각 실측하고, 배터리 제조사 등으로부터 신제품 배터리의 정격 방전에너지에 대한 데이터를 취득하여 배터리의 충전 및 방전특성에 대한 데이터베이스를 구축하고 제어부(17)의 데이터 저장부(27)에 저장하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. More specifically, in the database building step (S10), the charging voltage and the charging voltage when charging from a charging rate of 0% to a charging rate of 100% for various rechargeable batteries using the state measuring device 10 of the rechargeable battery The data on the charging current and the data on the discharge voltage and the discharge current when discharging the battery from 100% of the charge rate to 0% of the charge rate are measured, respectively, and data on the rated discharge energy of the new battery is obtained from the battery manufacturer. It may be configured to construct a database for the charging and discharging characteristics of the and store the data in the data storage unit 27 of the control unit 17 to be performed.

또한, 상기한 충전율 산출단계(S20)는, 상기한 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)의 아날로그 피드백과 디지털 전압제어 방식이 적용된 전압측정부(12)를 통하여 배터리의 이력현상(hysteresis)에 의한 충전율 측정오차를 제거하기 위해 충전 과도시간(대략 1 ~ 2분) 동안 배터리를 충전하면서 해당 배터리의 충전전압을 측정하고, 측정값과 데이터베이스에 저장된 데이터를 비교하고 선형 보간법을 적용하여 해당 시점의 충전율을 산출하고 데이터 저장부(27)에 저장하는 처리가 상기한 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)의 제어부(17)를 통해 수행되도록 구성될 수 있다. In addition, the charging rate calculation step (S20) is performed by the hysteresis of the battery through the voltage measuring unit 12 to which the analog feedback and digital voltage control method of the state measuring device 10 of the rechargeable battery are applied. To eliminate the charging rate measurement error, the charging voltage of the battery is measured while charging the battery during the charging transient time (approximately 1 to 2 minutes), the measured value is compared with the data stored in the database, and linear interpolation is applied to the charging rate at the time It may be configured such that the processing of calculating and storing in the data storage unit 27 is performed through the control unit 17 of the above-described apparatus 10 for measuring the state of the rechargeable battery.

이때, 배터리가 충전중인 경우, 방전중인 경우, 충전과 방전이 동시에 이루어지는 경우에는 배터리 전압과 배터리 충전전류, 배터리 방전전류를 주기적으로 측정하고, 이로부터 배터리에 공급되는 에너지를 산출하는 것에 의해 배터리의 초기 충전율에 추가적으로 충전되는 에너지를 반영하여 변화하는 충전율을 산출하도록 구성될 수 있다. At this time, when the battery is charging, discharging, or charging and discharging at the same time, the battery voltage, the battery charging current, and the battery discharging current are periodically measured and the energy supplied to the battery is calculated therefrom. It may be configured to calculate a changing charging rate by reflecting the energy charged additionally to the initial charging rate.

아울러, 상기한 건강상태 및 잔류수명 산출단계(S30)는, 상기한 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)의 전압측정부(12), 충전전류 측정부(13), 방전전류 측정부(14)를 통해 각각 측정된 측정값에 근거하여 산출된 현재의 방전가능 최대 에너지와 데이터베이스에 저장된 정격 방전에너지 값을 비교하여 배터리의 건강상태와 잔류수명을 각각 산출하고 데이터 저장부(27)에 저장하는 처리가 상기한 재충전 배터리의 상태 측정장치(10)의 제어부(17)를 통해 수행되도록 구성될 수 있다. In addition, the health state and remaining life calculation step (S30), the voltage measuring unit 12, the charging current measuring unit 13, and the discharging current measuring unit 14 of the state measuring device 10 of the rechargeable battery A process of calculating the health state and remaining life of the battery by comparing the current maximum discharging energy calculated based on the measured values measured through the rated discharge energy value stored in the database and storing it in the data storage unit 27, respectively may be configured to be performed through the control unit 17 of the apparatus 10 for measuring the state of the rechargeable battery.

더욱이, 상기한 배터리 상태정보 제공단계(S40)는, 상기한 바와 같이 하여 취득된 각각의 측정값 및 산출값들을 배터리 상태에 대한 정보로서 별도의 표시수단을 통해 출력하거나, 또는, 사용자 단말기나 서버 등과 같은 외부 기기로 전송하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. Furthermore, in the battery state information providing step ( S40 ), each of the measured values and calculated values obtained as described above is output as information on the battery state through a separate display means, or a user terminal or server It may be configured to perform a process for transmitting to an external device, such as.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 충전 전류센서, 방전 전류센서, 전압측정회로 및 마이크로컨트롤러(MCU)를 이용하여 배터리 사용시점에서의 초기 충전율(State of Charge ; SOC)과 사용시작 시점 이후 충전율 변화를 정밀하게 측정할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법이 제공됨으로써, 예를 들면, 배터리가 방전하지 않고 충전만 할 경우, 충전하지 않고 방전만 할 경우, 충전과 동시에 방전할 경우, 충전도 하지 않고 방전도 하지 않을 경우 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 배터리의 초기 충전율과 시간경과에 따라 변동되는 충전율을 정확하게 측정할 수 있다. Accordingly, as described above, the apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and the method for measuring the state of a rechargeable battery using the same according to the embodiment of the present invention can be implemented, and thereby, according to the present invention, the charging current sensor, the discharging current sensor, and the voltage State of charge (SOC) at the time of battery use using a measurement circuit and a microcontroller (MCU) and a state measuring device for rechargeable batteries configured to precisely measure changes in the charge rate after the start of use and using the same By providing a method for measuring the state of a rechargeable battery, for example, when the battery is charged without discharging, when only discharging without charging, when discharging simultaneously with charging, when neither charging nor discharging, etc. , it is possible to accurately measure the initial charging rate of the battery and the charging rate varying with the passage of time for various cases.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법이 제공됨으로써, 일반적으로, 재충전 배터리의 경우, 사용시에는 배터리 에너지 용량의 10 ~ 20%까지 방전하고 충전시에는 충전율 10 ~ 20%에서 충전율 80 ~ 90%까지 충전하여 사용하는 것이 배터리 수명연장과 충전시간 절약 측면에서 유리하나, 예를 들면, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미충전과 미방전 등과 같이, 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 파악할 수 있는 방법이 제공되지 못하여 배터리의 충전을 다양하게 제어할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 재충전 배터리들의 문제점을 해결할 수 있다. In addition, according to the present invention, there is provided an apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same, which are configured to accurately grasp the charging rate and state of the battery that varies with time in various cases as described above. , In general, in the case of a rechargeable battery, it is recommended to discharge 10 to 20% of the battery's energy capacity when in use and charge it at a charge rate of 10 to 20% to 80 to 90% of the charge rate when charging, in terms of extending battery life and saving charging time. However, for various cases such as charging, discharging, discharging at the same time as charging, non-charging and non-discharging of the battery, a method for accurately identifying the charging rate and state of the battery that varies with time is not provided. Therefore, it is possible to solve the problems of the rechargeable batteries of the prior art, which had a limit in which the charging of the battery could not be controlled in various ways.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 다양한 경우에 대하여 시간에 따라 변동되는 배터리의 충전율 및 상태를 정확히 측정 가능한 데 더하여, 배터리의 현재 방전가능한 최대 에너지와 정격 방전에너지 값을 비교하여 배터리의 건강상태(State of Health ; SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 정확하게 예측할 수 있도록 구성되는 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법이 제공됨으로써, 배터리 사용 시작시, 배터리의 충전, 방전, 충전과 동시에 방전, 미사용 등과 같은 다양한 경우에 대하여 배터리의 충전율뿐만 아니라 배터리의 건강상태 및 잔류수명을 정확하게 측정하여 배터리의 전체적인 상태에 관한 종합적인 정보를 제공할 수 있다. In addition, according to the present invention, in addition to being able to accurately measure the charging rate and state of the battery that varies with time in various cases as described above, the current maximum energy that can be discharged and the rated discharge energy value of the battery are compared to improve the health of the battery. By providing a state measuring device for a rechargeable battery and a method for measuring the state of a rechargeable battery using the same, which are configured to accurately predict the State of Health (SOH) and Remnant Cycles, when starting to use the battery, charging the battery, It is possible to provide comprehensive information about the overall state of the battery by accurately measuring the health state and remaining life of the battery as well as the charge rate of the battery in various cases such as discharging and discharging at the same time as discharging and charging, and not using the battery.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 재충전 배터리의 상태 측정장치 및 이를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. As described above, the detailed content of the apparatus for measuring the state of a rechargeable battery and the method for measuring the state of a rechargeable battery using the same according to the present invention have been described through the embodiments of the present invention as described above, but the present invention relates to the contents described in the above embodiments Therefore, the present invention is that various modifications, changes, combinations and substitutions are possible according to design needs and other various factors by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. I'd say it's normal.

10. 재충전 배터리의 상태 측정장치
11. 배터리 12. 전압측정부
13. 충전전류 측정부 14. 방전전류 측정부
15. 충전부 16. 방전부
17. 제어부 21. 전압배율 증폭기
22. 전압비교 증폭기 23. 기준전압 생성기
24. AD 변환기 25. 저역통과필터
26. 데이터 처리부 27. 데이터 저장부
10. Rechargeable battery status measurement device
11. Battery 12. Voltage measuring unit
13. Charging current measuring unit 14. Discharging current measuring unit
15. Charging part 16. Discharging part
17. Control unit 21. Voltage multiplier amplifier
22. Voltage Comparison Amplifier 23. Reference Voltage Generator
24. AD converter 25. Low pass filter
26. Data processing unit 27. Data storage unit

Claims (14)

재충전 배터리의 상태 측정장치에 있어서,
재충전 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압측정부;
상기 재충전 배터리의 충전전류를 측정하기 위한 충전전류 센서를 포함하여 이루어지는 충전전류 측정부;
상기 재충전 배터리의 방전전류를 측정하기 위한 방전전류 센서를 포함하여 이루어지는 방전전류 측정부;
상기 재충전 배터리의 충전을 위한 충전회로를 포함하여 이루어지는 충전부;
상기 재충전 배터리의 방전을 위한 부하를 포함하여 이루어지는 방전부; 및
상기 측정장치의 전체적인 동작을 제어하고, 상기 재충전 배터리의 충전전압, 충전전류, 방전전압, 방전전류에 대한 측정값에 근거하여 상기 재충전 배터리의 충전율(State of Charge ; SOC), 건강상태(State of Health ; SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 포함하는 상기 재충전 배터리의 상태에 대한 정보를 산출하여 출력하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
In the state measuring device of a rechargeable battery,
a voltage measuring unit for measuring the voltage of the rechargeable battery;
a charging current measuring unit including a charging current sensor for measuring the charging current of the rechargeable battery;
a discharge current measuring unit including a discharge current sensor for measuring a discharge current of the rechargeable battery;
a charging unit including a charging circuit for charging the rechargeable battery;
a discharging unit including a load for discharging the rechargeable battery; and
Controls the overall operation of the measuring device, and based on the measured values for the charging voltage, charging current, discharging voltage, and discharging current of the rechargeable battery, the state of charge (SOC) of the rechargeable battery, the state of health (State of and a control unit configured to perform a process of calculating and outputting information on the state of the rechargeable battery including Health (SOH) and Remnant Cycles.
제 1항에 있어서,
상기 전압측정부는,
상기 제어부의 제어에 따라 미리 정해진 기준전압을 발생하는 기준전압 생성기;
측정된 상기 재충전 배터리의 전압을 미리 정해진 일정 배수로 감소시키기 위한 전압배율 증폭기; 및
상기 전압배율 증폭기를 통하여 감소된 전압과 상기 기준전압 생성기를 통해 생성된 기준전압을 각각 입력으로 하여 상기 재충전 배터리의 전압과 상기 기준전압 사이의 차이를 증폭시키기 위한 전압비교 증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
The method of claim 1,
The voltage measuring unit,
a reference voltage generator for generating a predetermined reference voltage under the control of the controller;
a voltage multiplier amplifier for reducing the measured voltage of the rechargeable battery by a predetermined constant multiple; and
and a voltage comparison amplifier for amplifying the difference between the voltage of the rechargeable battery and the reference voltage by inputting the voltage reduced through the voltage multiplier amplifier and the reference voltage generated through the reference voltage generator, respectively A device for measuring the state of a rechargeable battery.
제 2항에 있어서,
상기 전압배율 증폭기는,
복수의 연산 증폭기(OP AMP) 및 잡음을 감소하기 위한 저역통과필터(LPF)를 포함하는 증폭회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
3. The method of claim 2,
The voltage multiplier amplifier,
An apparatus for measuring the state of a rechargeable battery, comprising an amplifier circuit including a plurality of operational amplifiers (OP AMP) and a low-pass filter (LPF) for reducing noise.
제 2항에 있어서,
상기 전압비교 증폭기는,
복수의 연산 증폭기(OP AMP) 및 잡음을 제거하기 위해 입력단에 구비되는 EMI 필터를 포함하는 대칭형 차동증폭기의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
3. The method of claim 2,
The voltage comparison amplifier,
A state measuring apparatus for a rechargeable battery, characterized in that it is configured in the form of a symmetrical differential amplifier including a plurality of operational amplifiers (OP AMP) and an EMI filter provided at an input terminal to remove noise.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전압측정부로부터 수신되는 상기 재충전 배터리의 충전전압 측정신호 및 방전전압 측정신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 AD 변환기;
상기 AD 변환기를 통해 변환된 상기 디지털 신호의 잡음을 제거하기 위한 저역통과필터;
재충전 배터리의 종류별로 각각 측정된 시간 및 충전율에 따른 충전전압, 방전전압, 충전전류, 방전전류, 충전시간 및 방전시간에 대한 측정값과, 각각의 재충전 배터리에 대하여 미리 정해져 있는 정격 특성에 대한 데이터를 각각의 재충전 배터리의 종류별로 각각 수집하고 데이터베이스 형태로 저장하는 것에 의해 구축되는 배터리 특성정보 데이터베이스가 미리 저장되고, 각각의 측정값과 산출값들을 포함하는 각종 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장수단을 포함하여 이루어지는 데이터 저장부; 및
상기 저역통과필터를 통해 잡음이 제거된 상기 충전전압 측정신호 및 상기 방전전압 측정신호와, 상기 충전전류 측정부로부터의 충전전류 측정신호 및 상기 방전전류 측정부로부터의 방전전류 측정신호를 각각 수신하고, 각각의 측정값과 상기 배터리 특성정보 데이터베이스에 저장되어 있는 데이터에 근거하여 상기 재충전 배터리의 초기 충전율(SOC), 충전상태 또는 방전상태에서의 누적 충전율(SOC), 건강상태(SOH) 및 잔류수명을 각각 산출하기 위한 데이터처리 및 상기 측정장치의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어처리가 각각 수행되도록 이루어지는 데이터 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
The method of claim 1,
The control unit is
an AD converter for converting a charging voltage measuring signal and a discharging voltage measuring signal of the rechargeable battery received from the voltage measuring unit into a digital signal;
a low-pass filter for removing noise from the digital signal converted through the AD converter;
Measured values for charging voltage, discharging voltage, charging current, discharging current, charging time and discharging time according to the time and charging rate measured for each type of rechargeable battery, and data on the rated characteristics predetermined for each rechargeable battery A battery characteristic information database constructed by collecting each type of each rechargeable battery and storing it in a database form is stored in advance, and includes a data storage means for storing various data including each measured value and calculated value A data storage unit made by; and
Receive the charging voltage measurement signal and the discharge voltage measurement signal from which noise is removed through the low-pass filter, the charging current measurement signal from the charging current measurement unit, and the discharge current measurement signal from the discharge current measurement unit, respectively, , based on each measurement value and data stored in the battery characteristic information database, the initial charge rate (SOC) of the rechargeable battery, the cumulative charge rate (SOC) in the charged or discharged state, the state of health (SOH) and the remaining lifespan and a data processing unit configured to perform data processing for respectively calculating , and control processing for controlling the overall operation of the measuring device, respectively.
제 5항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전압비교 증폭기의 출력이 0이 될 때까지 상기 기준전압 생성기의 기준전압을 제어하고, 상기 전압비교 증폭기의 출력이 0이 될 때의 상기 기준전압의 값을 상기 재충전 배터리의 전압값으로 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
6. The method of claim 5,
The control unit is
Control the reference voltage of the reference voltage generator until the output of the voltage comparison amplifier becomes 0, and calculate the value of the reference voltage when the output of the voltage comparison amplifier becomes 0 as the voltage value of the rechargeable battery, The apparatus for measuring the state of a rechargeable battery, characterized in that the data storage unit is configured to perform a storage process.
제 6항에 있어서,
상기 제어부는,
충전시간 t1에서의 충전전압을 V1, 충전시간 t2에서의 충전전압을 V2라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 t1과 t2 사이의 구간에서의 충전전압 Vc를 산출하고,

Figure pat00021


충전시간 t1에서의 충전전류를 I1, 충전시간 t2에서의 충전전류를 I2라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 t1과 t2 사이의 구간에서의 충전전류 Ic를 산출하며,

Figure pat00022


산출된 충전전압(Vc)과 충전전류(Ic)로부터 시간 t1에서 시간 t2까지 공급된 충전전력 Pc를 이하의 수학식을 이용하여 산출하고,

Figure pat00023


시간 t1과 시간 t2 사이에 공급된 에너지 W1,2를 이하의 수학식을 이용하여 산출하며,

Figure pat00024


완정방전 시점 t0에서 완전충전 시점 tn 사이의 각 측정구간에서의 충전에너지 Wi,i+1을 이하의 수학식을 이용하여 산출하고,

Figure pat00025


이하의 수학식을 이용하여, 상기 재충전 배터리에 대하여 각 측정시점 ti에서의 초기 충전율 SOC(ti)을 산출하며,

Figure pat00026


각각의 측정시간 ti에서의 충전전압 Vci, 충전 에너지 W(ti), 충전율 SoC(ti)을 각각 산출하고, 선형 보간법을 이용하여 충전율에 따른 충전전압, 충전 에너지 및 충전시간을 각각 산출하여 충전특성에 대한 정보를 산출하며, 동일한 방식으로 방전특성에 대한 정보를 각각 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
7. The method of claim 6,
The control unit is
When the charging voltage at the charging time t 1 is V 1 and the charging voltage at the charging time t 2 is V 2 , the charging voltage Vc in the section between t 1 and t 2 is calculated using the following equation ,

Figure pat00021


When the charging current at the charging time t 1 is I 1 and the charging current at the charging time t 2 is I 2 , the charging current Ic in the section between t 1 and t 2 is calculated using the following equation, ,

Figure pat00022


Calculate the charging power Pc supplied from the calculated charging voltage (Vc) and charging current (Ic) from time t 1 to time t 2 using the following equation,

Figure pat00023


The energy W 1,2 supplied between time t 1 and time t 2 is calculated using the following equation,

Figure pat00024


The charging energy W i,i+1 in each measurement section between the time of full discharge t0 and the time of full charge tn is calculated using the following equation,

Figure pat00025


Using the following equation, calculate the initial charge rate SOC(t i ) at each measurement time t i for the rechargeable battery,

Figure pat00026


At each measurement time t i , the charging voltage Vci, the charging energy W(t i ), and the charging rate SoC(ti) are calculated, respectively, and the charging voltage, the charging energy and the charging time according to the charging rate are calculated respectively using a linear interpolation method. and calculating information on charging characteristics, calculating information on discharging characteristics in the same manner, respectively, and storing the information in the data storage unit.
제 7항에 있어서,
상기 제어부는,
충전과 동시에 방전이 이루어지는 경우, 측정된 전압과 충전전류 값으로부터 충전에너지 Wc를 산출하고, 측정된 전압과 방전전류 값으로부터 방전 에너지 Wd를 산출하며,
초기 충전율을 SoCi, 재충전 배터리에 저장할 수 있는 정격 총에너지를 Wt라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 충전율 SoC을 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.

Figure pat00027

8. The method of claim 7,
The control unit is
When discharging is performed simultaneously with charging, the charging energy Wc is calculated from the measured voltage and charging current values, and the discharging energy Wd is calculated from the measured voltage and discharging current values,
When the initial charging rate is SoC i and the rated total energy that can be stored in the rechargeable battery is Wt, the charging rate SoC is calculated using the following equation and stored in the data storage unit, characterized in that A device for measuring the condition of a rechargeable battery.

Figure pat00027

제 8항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 재충전 배터리가 충전도 되지 않고 방전도 되지 않는 미사용 상태일 경우, 배터리의 이력현상(hysteresis)으로 인한 오차 발생을 방지하기 위해 상기 배터리 특성정보 데이터베이스에 미리 저장되어 있는 충전전류에 따른 충전 과도시간 정보에 근거하여 해당하는 충전 과도시간 만큼 미리 정해진 충전전류로 충전한 후 충전전압을 측정하여 충전율을 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
9. The method of claim 8,
The control unit is
When the rechargeable battery is in an unused state that is neither charged nor discharged, charging transient time information according to the charging current stored in advance in the battery characteristic information database to prevent an error due to hysteresis of the battery The state measuring device of a rechargeable battery, characterized in that after charging with a predetermined charging current for a corresponding charging transient time based on the above, measuring the charging voltage, calculating the charging rate, and storing the charging rate in the data storage unit.
제 9항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전압측정부, 상기 충전전류 측정부 및 상기 방전전류 측정부를 통해 각각 측정된 측정값들에 근거하여 산출된 상기 재충전 배터리의 현재 방전가능한 최대 에너지와 상기 데이터베이스에 저장된 정격 방전에너지 값을 비교하여 퍼센트 단위의 방전도(Depth of Discharge; DoD(%))로 나타내는 것에 의해 상기 재충전 배터리의 건강상태를 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
10. The method of claim 9,
The control unit is
A percentage by comparing the current maximum discharging energy of the rechargeable battery calculated based on the measured values measured by the voltage measuring unit, the charging current measuring unit and the discharging current measuring unit with the rated discharge energy value stored in the database A device for measuring the state of a rechargeable battery, characterized in that it is configured to perform a process of calculating the health state of the rechargeable battery and storing it in the data storage unit by expressing it in a unit Depth of Discharge (DoD (%)) .
제 10항에 있어서,
상기 제어부는,
이하의 수학식을 이용하여, 상기 재충전 배터리의 충전-방전 사이클 수(N)를 방전도(DoD(%))의 함수로 나타내어 상기 데이터 저장부에 저장하고, 상기 재충전 배터리의 현재의 사이클 수와 방전도(DoD)가 50%일 경우의 사이클 수의 차이를 잔류수명으로서 산출하고 상기 데이터 저장부에 저장하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.

Figure pat00028


(여기서, N1과 N0는 각각 배터리의 특성에 따라 미리 정해진 상수를 나타냄)
11. The method of claim 10,
The control unit is
Using the following equation, the number of charge-discharge cycles (N) of the rechargeable battery is expressed as a function of the degree of discharge (DoD (%)) and stored in the data storage unit, and the current number of cycles of the rechargeable battery and and a process for calculating a difference in the number of cycles when the degree of discharge (DoD) is 50% as a residual life and storing the difference in the data storage unit is performed.

Figure pat00028


(Here, N 1 and N 0 each represent a predetermined constant according to the characteristics of the battery)
제 1항에 있어서,
상기 측정장치는,
LCD나 LED를 포함하는 별도의 표시수단 또는 출력수단을 더 포함하여 구성되고,
각각의 측정값 및 산출값을 포함하는 각종 데이터들을 상기 재충전 배터리의 상태에 대한 정보로서 상기 표시수단을 통해 표시하거나 상기 출력수단을 통해 출력하는 처리가 상기 제어부를 통해 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
The method of claim 1,
The measuring device is
It is configured to further include a separate display means or output means including LCD or LED,
Displaying various data including respective measured values and calculated values as information on the state of the rechargeable battery through the display means or outputting them through the output means is configured to be performed through the control unit A device for measuring the condition of a rechargeable battery.
제 1항에 있어서,
상기 측정장치는,
유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신이 가능한 통신수단을 더 포함하여 구성되고,
상기 재충전 배터리의 상태에 대한 정보를 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북 중 적어도 하나를 포함하는 사용자 단말기나, 또는, 서버를 포함하는 외부 기기로 전송하는 처리가 상기 제어부를 통해 수행되도록 구성됨으로써, 원격으로 상기 재충전 배터리의 상태를 확인하고 관리할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정장치.
The method of claim 1,
The measuring device is
It is configured to further include a communication means capable of communicating in at least one of wired or wireless communication,
The process of transmitting information on the state of the rechargeable battery to a user terminal including at least one of a smartphone, a tablet PC, or a notebook computer, or an external device including a server is configured to be performed through the control unit, so that remotely The apparatus for measuring the state of a rechargeable battery, characterized in that it is configured to check and manage the state of the rechargeable battery.
청구항 1항 내지 청구항 13항 중 어느 한 항에 기재된 재충전 배터리의 상태 측정장치를 이용한 재충전 배터리의 상태 측정방법에 있어서,
재충전 배터리에 대하여 종류별로 충전특성 및 방전특성에 대한 측정데이터와 정격 데이터를 수집하여 재충전 배터리의 충전특성 및 방전특성에 대한 데이터베이스를 구축하는 처리가 수행되는 데이터베이스 구축단계;
상기 재충전 배터리의 전압, 충전전류 및 방전전류에 대한 측정값과 상기 데이터베이스에 저장된 데이터에 근거하여 상기 재충전 배터리의 충전율(SOC)을 산출하는 처리가 수행되는 충전율 산출단계;
측정을 통해 얻어진 상기 재충전 배터리의 현재 방전가능 최대 에너지와 상기 데이터베이스에 저장된 정격 방전에너지 값을 비교하여 상기 재충전 배터리의 건강상태(SOH) 및 잔류수명(Remnant Cycles)을 각각 산출하는 처리가 수행되는 건강상태 및 잔류수명 산출단계; 및
각각의 측정값 및 산출값들에 근거하여 상기 재충전 배터리의 상태에 대한 정보를 표시하거나 사용자의 요청에 따라 해당하는 정보를 제공하는 처리가 수행되는 배터리 상태정보 제공단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 배터리의 상태 측정방법.
In the method for measuring the state of a rechargeable battery using the apparatus for measuring the state of a rechargeable battery according to any one of claims 1 to 13,
a database construction step in which a process of collecting measurement data and rating data on charging characteristics and discharging characteristics for each type of rechargeable battery and building a database on charging characteristics and discharging characteristics of the rechargeable battery is performed;
a charging rate calculation step in which a process of calculating a charging rate (SOC) of the rechargeable battery is performed based on the measured values of the voltage, charging current and discharging current of the rechargeable battery and data stored in the database;
A health in which a process of calculating the health state (SOH) and the residual life (Remnant Cycles) of the rechargeable battery by comparing the current maximum dischargeable energy of the rechargeable battery obtained through measurement with the rated discharge energy value stored in the database is performed state and remaining life calculation step; and
and a battery state information providing step in which a process of displaying information on the state of the rechargeable battery or providing corresponding information according to a user's request is performed based on each of the measured values and calculated values How to measure the state of a rechargeable battery.
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