KR20230115117A - 배터리 soc 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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이현철
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김안수
신채빈
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치는 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하도록 구성된 충방전부; 상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 충방전부로 상기 제어 신호를 송신하고, 상기 측정부에 의해 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하며, 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 SOC 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING STATE OF CHARGE OF BATTERY}
본 발명은 배터리 SOC 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 SOC를 추정하는 배터리 SOC 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적으로, 배터리의 SOC는 충방전 전류량을 적산하는 전류적산법 또는 SOC와 OCV 간의 대응 관계를 고려하여 측정된 OCV로부터 추정될 수 있다. 또한, 배터리의 전압 거동을 이용한 배터리 모델의 EKF(Extended Kalman Filter)를 이용하여 SOC를 추정하는 방식도 이용된다.
OCV는 휴지 상태에서 측정이 가능한 값이기 때문에, 충방전 과정에서는 전류적산법이 주로 이용된다. 다만, 전류적산법은 전류 적산 시 오차가 누적되는 경우 또는 초기 SOC값이 정확하지 않은 경우, SOC 추정 결과가 부정확하다는 단점이 있다.
본 발명은 충방전 C-rate를 변경하고, 변경된 충방전 C-rate와 컷오프값 간의 비교를 통해 배터리의 SOC를 보다 정확하게 추정할 수 있는 배터리 SOC 추정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 SOC 추정 장치는 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하도록 구성된 충방전부; 상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 충방전부로 상기 제어 신호를 송신하고, 상기 측정부에 의해 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하며, 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 측정된 전압값이 상기 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 미리 설정된 C-rate 변경 비율로 상기 C-rate를 감소시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하인 경우, 미리 설정된 SOC로 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리가 충전되는 중 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하가 된 경우, 상기 배터리의 SOC를 100%로 추정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리가 방전되는 중 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하가 된 경우, 상기 배터리의 SOC를 0%로 추정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 상기 C-rate가 최초로 변경된 최초 변경 시점에서의 상기 배터리에 대한 기준 SOC를 설정하고, 상기 기준 SOC, 상기 최초 변경 시점 이후의 상기 C-rate의 변경 횟수 및 상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 충방전이 종료될 때까지 예상되는 상기 C-rate의 예상 변경 횟수에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 하기의 수학식 1에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, BSOC는 상기 배터리의 추정된 SOC이고, TSOC는 상기 배터리의 충방전 상태에 따라 미리 결정되는 SOC값이며, RSOC는 상기 기준 SOC이고, n은 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수이며, m은 상기 C-rate의 상기 변경 횟수일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate, 상기 컷오프값 및 미리 설정된 C-rate 변경 비율에 기반하여 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 하기의 수학식 2에 기반하여 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, n은 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수이고, d는 상기 C-rate 변경 비율이며, x는 상기 컷오프값이고, y는 상기 제어 신호에 포함된 초기의 C-rate값일 수 있다.
상기 측정부는, 상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 전류를 더 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 충방전의 시작 시점부터 상기 최초 변경 시점까지 상기 측정부에 의해 측정된 상기 배터리의 전류를 적산하여 상기 기준 SOC를 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하인 경우, 상기 배터리에 대한 충방전을 종료시키기 위한 충방전 종료 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 상기 변경된 C-rate가 포함된 상기 제어 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 SOC 추정 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 SOC 추정 방법은 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하는 충방전 단계; 상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 상기 전압 측정 단계에서 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하는 C-rate 변경 단계; 및 상기 C-rate 변경 단계에서 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, C-rate를 변경하며 배터리를 충방전하여 배터리의 SOC가 보다 정확하게 추정될 수 있다. 특히, 본 발명은 초기 C-rate와 온도가 특정한 값으로 제한되어 설정되지 않더라도, 배터리의 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치가 배터리의 SOC를 추정하는 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 충방전부(110), 측정부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
충방전부(110)는 C-rate 정보(Current rate 정보)가 포함된 제어 신호를 수신하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 충방전부(110)는 제어부(130)와 유선 및/또는 무선을 통해 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 그리고, 충방전부(110)는 제어부(130)로부터 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신할 수 있다.
구체적으로, 제어 신호에 포함되는 C-rate 정보의 초기값은 배터리의 사양에 따라 제어부(130)에 의해 직접 설정되거나 사용자의 입력에 의해 설정될 수 있다.
충방전부(110)는 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하도록 구성될 수 있다.
여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리로 간주될 수 있다. 또한, 배터리는 복수의 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 의미할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.
구체적으로, 충방전부(110)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보를 읽고, 이에 대응되는 C-rate로 배터리를 충전 또는 방전시킬 수 있다.
예컨대, C-rate가 1C로 미리 설정된 경우, 충방전부(110)는 배터리를 1C의 C-rate로 충전하거나, 배터리를 1C의 C-rate로 방전할 수 있다.
다만, 제어 신호에 포함될 수 있는 C-rate 정보의 값은 특별히 제한되지 않음을 유의한다. 즉, C-rate 정보의 값은 0.05C 이상으로 설정될 수 있다. 바람직하게, C-rate 정보의 값은 0.05C 이상 3C 이하로 설정될 수 있다.
측정부(120)는 배터리의 충방전 과정에서 배터리의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 측정부(120)는 배터리의 양극 단자 및 음극 단자에 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(120)는 배터리의 양극 전압과 음극 전압을 각각 측정하고, 양극 전압과 음극 전압 간의 차이를 산출함으로써 배터리의 전압을 측정할 수 있다. 즉, 측정부(120)는 배터리의 충방전 과정에서 배터리의 단자 전압을 측정할 수 있다.
제어부(130)는 충방전부(110)로 제어 신호를 송신하도록 구성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제어부(130)는 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 충방전부(110)로 송신할 수 있다.
제어부(130)는 측정부(120)에 의해 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 제어 신호에 포함되는 C-rate를 변경하도록 구성될 수 있다.
여기서, 미리 설정된 임계값은, 충전 과정과 방전 과정 각각에서 설정될 수 있다. 바람직하게, 미리 설정되는 임계값은 정전압 충전 또는 정전압 방전이 시작되는 전압값일 수 있다.
일반적으로, 충전 과정은 정전류(Constant current, CC) 충전과 정전압(Constant voltage, CV) 충전 과정을 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리의 전압이 3.8V에 도달할 때까지 정전류 충전이 수행되고, 3.8V 이후부터는 정전압 충전이 수행될 수 있다. 이 경우, 임계값은 정전압 충전이 시작되는 전압값인 3.8V로 미리 설정될 수 있다. 방전 과정의 경우도 마찬가지로, 정전압 방전이 시작되는 전압값이 임계값으로 설정될 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 미리 설정된 C-rate 변경 비율로 C-rate를 감소시키도록 구성될 수 있다.
예컨대, 배터리의 충전 과정에서, 임계값은 3.8V로 설정되고, C-rate 변경 비율은 0.5이며, 초기의 C-rate는 1C로 미리 설정되었다고 가정한다.
충방전부(110)는 제어부(130)로부터 C-rate(1C)에 대한 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 배터리를 1C로 충전시킬 수 있다. 측정부(120)에 의해 측정된 전압값이 3.8V에 도달하면, 제어부(130)는 제어 정보에 포함되는 C-rate 정보의 값을 1C에서 0.5C로 감소시킬 수 있다.
그리고, 충방전부(110)는 제어부(130)로부터 C-rate(0.5C)에 대한 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 배터리에 대한 C-rate를 0.5C로 감소시킬 수 있다. 이 경우, C-rate가 1C에서 0.5C로 감소되었기 때문에 측정부(120)에 의해 측정되는 전압값은 감소될 수 있다.
구체적으로, 배터리의 전압은 옴의 법칙에 기반하여 산출되는 것으로서, "V=IR"의 공식에서 "I"에 대응되는 C-rate가 감소되었기 때문에, 측정되는 배터리리의 전압이 감소될 수 있다.
보다 구체적으로, 일반적인 정전압 충전 과정에서는 배터리의 전압이 일정 수준을 유지하도록 충전 전류가 서서히 감소하는데, 본 발명에서는 C-rate 변경 비율에 따라 C-rate를 급격히 변경시키기 때문에, 측정되는 배터리의 전압이 감소될 수 있다.
이후, 배터리는 0.5C의 C-rate로 충전되고, 배터리의 전압이 다시 3.8V에 도달하면, 제어부(130)는 제어 신호에 포함되는 C-rate 정보를 0.25C로 감소시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)가 배터리의 SOC를 추정하는 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2의 실시예에서, t0 시점에서 배터리의 충전이 시작될 수 있다. 구체적으로, t0 시점에서 제어부(130)는 충방전부(110)로 제어 신호를 송신할 수 있다. 충방전부(110)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보를 읽고, 이에 대응되는 C-rate로 배터리의 충전을 시작할 수 있다.
t0 시점에서 t1 시점까지 배터리는 1C로 충전될 수 있다.
t1 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 도달할 수 있다. 이 경우, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 C-rate 변경 비율에 따라 감소시킬 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 1C에서 0.5C로 감소시킬 수 있다.
t1 시점에서 t2 시점까지 배터리는 0.5C로 충전될 수 있다.
t2 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 다시 도달할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 0.5C에서 0.25C로 감소시킬 수 있다.
t2 시점에서 t3 시점까지 배터리는 0.25C로 충전될 수 있다.
t3 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 다시 도달할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 0.25C에서 0.125C로 감소시킬 수 있다.
t3 시점에서 t4 시점까지 배터리는 0.125C로 충전될 수 있다.
t4 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 다시 도달할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 0.125C에서 0.0625C로 감소시킬 수 있다.
t4 시점에서 t5 시점까지 배터리는 0.0625C로 충전될 수 있다.
t5 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 다시 도달할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 0.0625C에서 0.03125C로 감소시킬 수 있다.
그리고, t5 시점에서 배터리의 충전은 종료될 수 있다.
제어부(130)는 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 컷오프값은 미리 결정된 C-rate값으로, 배터리의 충방전을 종료할 수 있는 기준값일 수 있다. 예컨대, 컷오프값은 0.05C로 미리 설정될 수 있다.
즉, 제어부(130)는 배터리의 전압값이 임계값(VTH)이 도달할 때마다 제어 신호에 포함되는 C-rate값을 변경하고, 변경된 C-rate값을 컷오프값과 비교할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 비교 결과에 따라 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 변경된 C-rate가 컷오프값 이하인 경우, 미리 설정된 SOC로 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 여기서, 변경된 C-rate가 컷오프값 이하인 경우란 배터리의 충전 또는 방전이 종료되는 조건에 해당할 수 있다.
예컨대, 배터리가 충전되는 중 변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 된 경우, 제어부(130)는 배터리의 SOC를 100%로 추정하도록 구성될 수 있다. 반대로, 배터리가 방전되는 중 변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 된 경우, 제어부(130)는 배터리의 SOC를 0%로 추정하도록 구성될 수 있다.
앞선 실시예와 같이, 도 2의 실시예에서, t0 시점에서 배터리가 1C로 충전되기 시작한다고 가정하면, 컷오프값은 0.05C로 미리 설정될 수 있다. t1, t2, t3, t4 및 t5 시점에서 각각 배터리의 전압값은 임계값(VTH)에 도달하고, t5 시점에서 제어부(130)는 C-rate를 0.3125C로 변경할 수 있다. 변경된 C-rate(0.3125C)가 컷오프값(0.05C) 이하이므로, 제어부(130)는 t5 시점에서 배터리의 SOC를 100%로 추정할 수 있다.
일반적으로 SOC 추정에 이용되는 전류적산법은 전류 적산 시 오차가 누적되는 경우 또는 초기 SOC값이 정확하지 않은 경우, SOC 추정 결과가 부정확하다는 단점이 있다.
따라서, 본원발명에서는 동일한 컷오프 조건에서는 종국적인 충전량 또는 방전량이 동일하다는 배터리의 특성을 고려하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 이로 인해, 전류적산법에 따른 SOC 추정 오차가 보정되어 배터리의 SOC가 정확하게 추정될 수 있다.
여기서, 본원발명에서 고려한 배터리 특성이란, 충방전 C-rate와 배터리의 온도가 달라도 동일한 컷오프 조건에서는 균일한 양으로 충방전이 진행될 수 있다는 것이다. 예컨대, 본 발명과 같이 소정의 컷오프값(예컨대, 0.05C)을 적용하는 경우, 초기 C-rate와 배터리의 온도가 상이하더라도 종국적인 충전량 또는 방전량은 동일할 수 있다.
따라서, 본원발명은 변경되는 C-rate와 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 배터리의 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.
한편, 배터리 SOC 추정 장치(100)에 구비된 제어부(130)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(130)에 의해 실행될 수 있다. 메모리는 제어부(130) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(130)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 저장부(140)를 더 포함할 수 있다. 저장부(140)는 배터리 SOC 추정 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(140)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(140)는 제어부(130)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
제어부(130)는 변경된 C-rate가 컷오프값을 초과한 경우, 변경된 C-rate가 포함된 제어 신호를 충방전부(110)로 송신하도록 구성될 수 있다. 이와 반대로, 제어부(130)는 변경된 C-rate가 컷오프값 이하인 경우, 배터리에 대한 충방전을 종료시키기 위한 충방전 종료 신호를 충방전부(110)로 송신하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 변경된 C-rate가 컷오프값을 초과한 경우, 제어부(130)는 C-rate가 최초로 변경된 최초 변경 시점에서의 배터리에 대한 기준 SOC를 설정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 최초 변경 시점은 충방전 과정에서 배터리의 전압값이 임계값(VTH)에 최초로 도달한 시점일 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, t1 시점에서 배터리의 전압값이 임계값(VTH)에 도달하기 때문에, 제어부(130)는 C-rate를 변경할 수 있다. 따라서, 도 2의 실시예에서는 t1 시점이 최초 변경 시점일 수 있다.
보다 구체적으로, 최초 변경 시점에서의 기준 SOC는 전류적산법에 의해 설정될 수 있다. 이를 위해, 측정부(120)는 충방전 과정에서 배터리의 전류를 더 측정하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 충방전의 시작 시점부터 최초 변경 시점까지 측정부(120)에 의해 측정된 배터리의 전류를 적산하여 기준 SOC를 설정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 측정부(120)는 배터리의 충전이 시작되는 t0 시점부터 t1 시점까지 배터리의 충전 전류를 측정할 수 있다. 그리고, 배터리는 t0 시점부터 t1 시점까지의 충전 전류를 적산하여 t1 시점에서의 기준 SOC를 95%로 설정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 기준 SOC, 최초 변경 시점 이후의 C-rate의 변경 횟수 및 충방전 과정에서 상기 배터리의 충방전이 종료될 때까지 예상되는 상기 C-rate의 예상 변경 횟수에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 예상 변경 횟수에 대한 C-rate의 변경 횟수의 비율과 기준 SOC를 고려하여, 충방전이 진행 중일 때(변경된 C-rate가 컷오프값을 초기할 때)의 SOC를 추정할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 하기의 수학식 1에 기반하여 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
여기서, BSOC는 배터리의 추정된 SOC이고, TSOC는 배터리의 충방전 상태에 따라 미리 결정되는 SOC값이며, RSOC는 기준 SOC이고, n은 C-rate의 예상 변경 횟수이며, m은 C-rate의 변경 횟수일 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제어부(130)가 t3 시점에 배터리의 SOC를 추정하는 실시예를 설명한다. 제어부(130)는 t3 시점에서 C-rate를 0.25C에서 0.125C로 변경시킬 수 있다. t3 시점에서 제어부(130)에 의한 C-rate의 변경 횟수(m)는 최초 변경 시점(t1)을 제외하고 2회이다.
그리고, 초기의 C-rate(1C)를 미리 설정된 C-rate 변경 비율(0.5)로 변경시켰을 때 변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 되는 시점은 t5 시점이기 때문에, C-rate의 예상 변경 횟수(n)는 최초 변경 시점(t1)을 제외하고 4회이다. 여기서, 예상 변경 횟수는 배터리의 충방전이 종료되지 않더라도, 초기의 C-rate와 변경 비율을 통해 제어부(130)에 의해 산출될 수 있다.
도 2의 실시예에서, 배터리는 충전 중이기 때문에 미리 결정되는 SOC값(TSOC)은 100%이고, 최초 변경 시점(t1)에서 설정되는 기준 SOC(RSOC)는 95%이다. 따라서, 제어부(130)는 수학식 1에 따라 "95+{(100-95)÷4×2}"를 계산하여, t3 시점에서의 SOC(BSOC)를 97.5%로 추정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리의 충방전이 종료되는 경우뿐만 아니라 충방전이 진행되는 경우에 있어서도, 배터리의 SOC를 추정할 수 있는 장점이 있다.
한편, 수학식 1을 참조하면, 변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 되는 시점에서, 예상 변경 횟수(n)와 C-rate 변경 횟수(m)가 동일할 수 있다. 그렇다면, 추정되는 SOC(BSOC)는 미리 결정되는 SOC값(TSOC)과 동일해질 것이다. 따라서, 수학식 1에 따르더라도 충방전이 종료되는 경우(변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 되는 경우), 제어부(130)는 미리 결정되는 SOC값으로 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 변경된 C-rate, 컷오프값 및 미리 설정된 C-rate 변경 비율에 기반하여 C-rate의 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 하기의 수학식 2에 기반하여 C-rate의 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00004
여기서, n은 C-rate의 예상 변경 횟수이고, d는 C-rate 변경 비율이며, x는 컷오프값이고, y는 제어 신호에 포함된 초기의 C-rate값일 수 있다. 그리고, 수학식 2에서 바닥 함수(floor function)는 최초 변경 시점에서의 C-rate 변경 횟수를 제외하기 위한 것이다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, C-rate 변경 비율(d)은 0.5이고, 제어 신호에 포함된 초기의 C-rate값(y)은 1C이며, 컷오프값은 0.05C일 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 "log0.5(0.05÷1)"의 수식을 계산하여, C-rate의 예상 변경 횟수(n)를 4회로 산출할 수 있다. 이러한 방식으로 산출된 C-rate의 예상 변경 횟수(n)는 수학식 1에 적용되어 배터리의 SOC를 추정하는데 이용될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는, 소정의 컷오프값(예컨대, 0.05C)을 적용하는 경우, 초기 C-rate와 배터리의 온도가 상이하더라도 종국적인 충전량 또는 방전량이 동일한 배터리의 특성을 고려하여, 배터리의 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류적산법에 의해 산출된 SOC값이 변경된 C-rate와 컷오프값의 비교를 통해 보정될 수 있으므로, SOC-OCV 프로파일에서 평탄 구간(Plateau)이 나타나는 LFP 배터리에 대해서도 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 SOC 추정 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 SOC 추정 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 SOC 추정 장치(100)의 충방전부(110), 측정부(120), 제어부(130) 및 저장부(140)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는, 배터리 팩(1)에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상술한 배터리 SOC 추정 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(1)은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 배터리(B)의 양극은 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)에 연결되고, 배터리(B)의 음극은 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)에 연결될 수 있다.
측정부(120)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(B)의 양극과 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 음극과 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 따라서, 측정부(120)는 제1 센싱 라인(SL1)과 제2 센싱 라인(SL2)을 통해서 배터리(B)의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(120)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 배터리(B)의 충방전 경로(대전류 경로)에 구비된 전류 측정 소자(A)에 연결되어, 배터리(B)의 충방전 전류를 측정할 수 있다. 여기서, 전류 측정 소자(A)는 전류계 및/또는 션트 저항일 수 있다.
충방전부(110)의 일단은 배터리(B)의 양극과 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 연결되고, 타단은 배터리(B)의 음극과 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 그리고, 충방전부(110)는 제어부(130)로부터 수신한 제어 신호에 포함된 C-rate 정보에 기반하여 배터리(B)를 충방전시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 SOC 추정 방법의 각 단계는 배터리 SOC 추정 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 간략히 설명하거나 생략함을 유의한다.
도 4를 참조하면, 배터리 SOC 추정 방법은 충방전 단계(S100), 전압 측정 단계(S200), C-rate 변경 단계(S300) 및 SOC 추정 단계(S400)를 포함할 수 있다.
충방전 단계(S100)는 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리(B)를 충방전하는 단계로서, 충방전부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 충방전부(110)는 제어부(130)로부터 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신할 수 있다. 그리고, 충방전부(110)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보를 읽고, 이에 대응되는 C-rate로 배터리(B)를 충전 또는 방전시킬 수 있다.
전압 측정 단계(S200)는 배터리(B)의 충방전 과정에서 배터리(B)의 전압을 측정하는 단계로서, 측정부(120)에 의해 수행될 수 있다.
C-rate 변경 단계(S300)는 전압 측정 단계(S200)에서 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값(VTH)에 도달할 때마다 C-rate를 변경하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값(VTH)에 도달할 때마다 미리 설정된 C-rate 변경 비율로 C-rate를 변경시키도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값(VTH)에 도달할 때마다 0.5의 비율로 C-rate를 감소시킬 수 있다.
SOC 추정 단계(S400)는 C-rate 변경 단계(S300)에서 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 배터리(B)의 SOC를 추정하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 변경된 C-rate가 컷오프값 이하인 경우, 제어부(130)는 미리 설정된 SOC로 배터리(B)의 SOC를 추정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 배터리(B)에 대한 충방전을 종료시키기 위한 충방전 종료 신호를 충방전부(110)로 송신하도록 구성될 수 있다.
반대로, 변경된 C-rate가 컷오프값을 초과한 경우, 제어부(130)는 상술한 수학식 1 및 수학식 2에 기반하여 배터리(B)의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 변경된 C-rate가 포함된 제어 신호를 충방전부(110)로 송신하도록 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 배터리 팩
100: 배터리 SOC 추정 장치
110: 충방전부
120: 측정부
130: 제어부
140: 저장부

Claims (12)

  1. C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하도록 구성된 충방전부;
    상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및
    상기 충방전부로 상기 제어 신호를 송신하고, 상기 측정부에 의해 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하며, 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 전압값이 상기 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 미리 설정된 C-rate 변경 비율로 상기 C-rate를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하인 경우, 미리 설정된 SOC로 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 충전되는 중 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하가 된 경우, 상기 배터리의 SOC를 100%로 추정하도록 구성되고,
    상기 배터리가 방전되는 중 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하가 된 경우, 상기 배터리의 SOC를 0%로 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 상기 C-rate가 최초로 변경된 최초 변경 시점에서의 상기 배터리에 대한 기준 SOC를 설정하고, 상기 기준 SOC, 상기 최초 변경 시점 이후의 상기 C-rate의 변경 횟수 및 상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 충방전이 종료될 때까지 예상되는 상기 C-rate의 예상 변경 횟수에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 하기의 수학식 1에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성되고,
    [수학식 1]
    Figure pat00005

    여기서, BSOC는 상기 배터리의 추정된 SOC이고, TSOC는 상기 배터리의 충방전 상태에 따라 미리 결정되는 SOC값이며, RSOC는 상기 기준 SOC이고, n은 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수이며, m은 상기 C-rate의 상기 변경 횟수인 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate, 상기 컷오프값 및 미리 설정된 C-rate 변경 비율에 기반하여 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수학식 2에 기반하여 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성되고,
    [수학식 2]
    Figure pat00006

    여기서, n은 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수이고, d는 상기 C-rate 변경 비율이며, x는 상기 컷오프값이고, y는 상기 제어 신호에 포함된 초기의 C-rate값인 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 전류를 더 측정하도록 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 충방전의 시작 시점부터 상기 최초 변경 시점까지 상기 측정부에 의해 측정된 상기 배터리의 전류를 적산하여 상기 기준 SOC를 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하인 경우, 상기 배터리에 대한 충방전을 종료시키기 위한 충방전 종료 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 구성되고,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 상기 변경된 C-rate가 포함된 상기 제어 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 SOC 추정 장치를 포함하는 배터리 팩.
  12. C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하는 충방전 단계;
    상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계;
    상기 전압 측정 단계에서 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하는 C-rate 변경 단계; 및
    상기 C-rate 변경 단계에서 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 방법.
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