KR20230119756A - 배터리 수명 상태 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 수명 상태를 추정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리의 전압 분포 뿐만 아니라 SOC 정보를 반영하여 보다 정확하게 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값에 기반하여 배터리의 수명 상태를 측정하는 장치 및 방법을 제공한다.

Description

배터리 수명 상태 추정 장치 및 방법 {BATTERY LIFE STATE ESTIMATION DEVICE AND METHOD}

본 발명은 배터리 수명 상태를 추정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리의 SOC 정보를 반영하여 보다 정확하게 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값에 기반하여 배터리의 수명 상태를 측정하는 방법에 관한 것이다.

복수의 배터리 셀(cell)을 하나로 합쳐 외부 환경의 물리적 충격으로부터 보호하며 특정한 역할을 수행하도록 만든 것을 배터리 모듈 또는 배터리 팩이라고 하며, 일반적으로 '배터리'라고 간단하게 지칭한다. 예를 들어, 배터리는 스마트폰, 무전기, 노트북 등에 장착된 충전지가 대표적이며, 전동 자전거 및 전기 자동차와 같이 높은 전력을 소비하는 경우 적게는 한두 개에서 많게는 수십 개에 달하는 배터리를 한데 묶어 하나의 배터리 팩 구조물을 설계할 수도 있다.

한편, 배터리의 수명이 감소할 때, 배터리 팩 형태로 작동 시 배터리 팩을 구성하는 셀들의 전압 편차의 정도가 커지면 (도 1), 일부 셀의 과충전 또는 과방전을 초래하게 된다. 이처럼 배터리의 셀들 중에서 과충전 또는 과방전되는 셀이 발생되면 안전성이 크게 떨어지며 이상 상황에서 화재 또는 폭발로 이어질 수 있는 위험이 있다. 또한, 배터리 셀 중 일부가 먼저 상한 한계전압 또는 하한 한계전압에 도달하면 잔존 용량이 더 있음에도 불구하고 사용이 제한되어 배터리의 용량을 모두 구현할 수 없다는 한계가 있다.

이에, 배터리 팩을 구성하는 복수 셀들의 전압 분포에 기초하여 전압 균등화 정도(State Of Balance (SOB) by voltage)를 계산하고, 이를 토대로 SOH를 계산하는 방법이 고안되었으나, 셀들의 SOC(State Of Charge)에 따른 전압 편차를 반영하지 못하여, 같은 SOB임에도 불구하고, SOC에 따라 SOB가 왜곡되어 다르게 산출되는 문제점이 있었다.

1. 대한민국 공개특허 제10-2016-0058281호 2. 대한민국 등록특허 제10-2256117호

본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 배터리 팩을 구성하는 셀들의 전압 균등화 정도(State Of Balance (SOB) by voltage)를 계산하고, 상기와 같이 계산된 SOB를 적용하여 배터리의 수명 상태를 정확하게 추정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 배터리 팩을 구성하는 셀들의 전압 균등화 정도 (SOB) 계산 시, 셀들의 SOC 정보를 반영하여 SOB를 계산함으로써, 배터리의 수명 상태를 보다 더 정확하게 추정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치는, 배터리를 구성하는 복수의 셀들의 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값이 적용된 상기 배터리의 수명상태 값인 균형수명상태 값을 추정하기 위한 프로그램을 로드하는 메모리; 및 상기 메모리에 로드된 프로그램에 포함된 명령들을 실행하는 프로세서를 포함한다.

이 때, 상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라, 상기 배터리의 완충상태전압 및 방전상태전압 간의 전압 차 내에서 전압차 허용한계 값을 설정하고, 상기 셀들의 측정전압 값으로부터 도출된 평균전압 값을 기준으로 상기 전압차 허용한계 값을 적용한 허용한계범위를 하나 이상의 분석구간으로 세분화하는 허용한계분위수를 설정하고, 상기 평균전압 값을 기준으로 상기 허용한계범위에서의 전압하강율을 산출하되 상기 전압하강율로서 상기 허용한계분위수에 기반한 분위하강율을 산출하고, 상기 허용한계분위수 내에서 상기 셀 별 측정전압 값이 최초로 모두 포함되는 분석구간의 차수인 분위차수를 도출하고, 상기 분위하강율, 분위차수와 셀들의 SOC 정보를 반영하여 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값을 상기 배터리의 잔존 용량에 기반하여 산출된 수명상태 값에 적용하여 균형수명상태 값을 추정할 수 있다.

또한, 상기 프로세서는, 사용자가 상기 전압차 허용한계 값 및 허용한계분위수 중 적어도 하나를 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.

또한, 상기 프로세서는, 상기 허용한계분위 당 전압차인 기준편차전압 값을 산출하고, 상기 평균전압 및 셀의 개수에 기초하여 산출된 표준편차, 상기 기준편차전압 값 및 상기 분위차수에 기초하여 보정인자 값을 산출하고, 상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 산출된 전압균형상태 값인 1차 전압균형상태 값에 상기 보정인자 값 및 분위하강율의 곱을 더한 2차 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 2차 전압균형상태 값을 상기 수명 상태 값에 적용하여 상기 균형수명상태 값을 추정할 수 있다.

또한, 상기 프로세서는, 상기 2차 전압균형상태 값 산출 시, 상기 산출된 보정인자의 값이 음수인 경우 영(0)값으로 변경하여 적용하고, 양수인 경우 상기 산출된 보정인자의 값을 그대로 적용할 수 있다.

또한, 상기 프로세서는, 상기 배터리의 인가해준 전류를 기초로 상기 배터리의 축전량을 계산하도록 구성된다. 또한 상기 프로세서는, 상기 배터리의 전압과 상기 배터리의 축전량 간의 관계를 나타내는 Q-V 그래프를 상기 배터리의 전압과 상기 배터리의 전압의 변화량에 대한 상기 축전량의 변화량의 비율 간의 관계를 나타내는 V-dQ/dV　그래프로 변환하도록 구성된다.

한편, 상기 프로세서는, 상기 V-dQ/dV　그래프로부터 기준점 및 측정점을 포함하는 2개의 특징점을 검출할 수 있다.　

또한 상기 프로세서는 전압균형상태에 셀들의 SOC 정보를 반영함에 있어서, 상기 기준점에서의 (dQ_기준/dV_기준) 값, 측정점에서의 (dQ_측정/dV_측정) 값을 적용하여 SOC 정보를 반영한 전압균형상태가 산출되도록 구성된다.

또한, 상기 프로세서는, 상기 전압차 허용한계 값을 상기 완충상태전압과 상기 방전상태전압의 차인 사용전압범위 값을 상기 복수의 셀의 개수로 나눈 값보다 크고 상기 사용전압범위 값을 2로 나눈 값보다 작게 설정할 수 있다.

또한, 상기 프로세서는, 변수인 상기 분위차수를 1부터 상기 허용한계분위수까지의 범위 내에서 순차적으로 정수 단위로 증가시키되, 상기 평균전압 값에 대해, 상기 전압차 허용한계값을 상기 허용한계분위수로 나눈 값에 상기 분위차수를 곱한 값을 감한 값 내지 가한 값의 범위를 산출하고, 상기 산출된 범위 내에 상기 셀 별 측정전압이 모두 포함되는 최초의 분위차수를 도출하고, 상기 도출된 분위차수에 기초하여 상기 전압균형상태 값을 산출할 수 있다.

또한, 상기 프로세서는, 변수인 상기 분위차수가 상기 허용한계분위수까지의 증가되는 동안 상기 산출된 범위 내에 상기 셀 별 측정전압이 모두 포함되지 않는 경우, 상기 전압균형상태 값을 영(0)으로 결정할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치에 의한 배터리 수명 상태 추정 방법은, 복수의 셀들로 구성된 배터리의 완충상태전압 및 방전상태전압 간의 전압차 내에서 전압차 허용한계 값을 설정하는 단계; 상기 셀들의 측정전압 값으로부터 도출된 평균전압 값을 기준으로 상기 전압차 허용한계 값을 적용한 허용한계범위를 하나 이상의 분석구간으로 세분화하는 허용한계분위수를 설정하는 단계; 상기 평균전압 값을 기준으로 상기 허용한계범위에서의 전압하강율을 산출하되 상기 전압하강율로서 상기 허용한계분위수에 기반한 분위하강율을 산출하는 단계; 상기 허용한계분위수 내에서 상기 셀 별 측정전압 값이 최초로 모두 포함되는 분석구간의 차수인 분위차수를 도출하는 단계; 상기 배터리에 인가된 전류를 기초로, 상기 배터리의 축전량을 결정하며, 상기 배터리의 전압과 상기 배터리의 축전량 간의 관계를 나타내는 Q-V 그래프를 상기 배터리의 전압과 상기 배터리의 전압의 변화량에 대한 상기 축전량의 변화량의 비율 간의 관계를 나타내는 V-dQ/dV 그래프로 변환하는 단계; 및 상기 분위하강율, 분위차수 및 특징점의 V-dQ/dV 값에 기초하여 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값을 상기 배터리의 잔존 용량에 기반하여 산출된 수명상태 값에 적용하여 균형수명상태 값을 추정하는 단계를 포함한다.

이때, 배터리 수명 상태 추정 방법은, 상기 전압차 허용한계 값을 설정하는 단계 이전에, 사용자가 상기 전압차 허용한계 값 및 허용한계분위수 중 적어도 하나를 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공하는 단계; 및 상기 사용자 인터페이스를 통해 상기 전압차 허용한계 값 및 허용한계분위수 중 적어도 하나를 입력받는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 균형수명상태 값을 추정하는 단계는, 상기 허용한계분위 당 전압차인 기준편차전압 값을 산출하는 단계; 상기 평균전압 및 셀의 개수에 기초하여 산출된 표준편차, 상기 기준편차전압 값 및 상기 분위차수에 기초하여 보정인자 A 값을 산출하는 단계; 상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 산출된 전압균형상태 값인 1차 전압균형상태 값에 상기 보정인자 A 값 및 분위하강율의 곱을 더한 2차 전압균형상태 값을 산출하는 단계; 상기 V-dQ/dV 그래프에 기초하여 상기 기준점의 dQ/dV 값과 상기 측정점의 dQ/dV 값을 산출하고, 상기 측정점의 dQ/dV 값을 기준점의 dQ/dV 값으로 나누어 보정인자 D를 산출하는 단계; 상기 보정인자 D를 반영하여 3차 전압균형상태 값을 산출하는 단계; 및 상기 3차 전압균형상태 값을 상기 수명상태 값에 적용하여 상기 균형수명상태 값을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 팩을 이루는 셀들의 SOC 정보를 반영하여 배터리의 셀 간 전압 균등화 정도를 더 정확하게 관리할 수 있으며, 셀의 전압 균등화 정도가 무너진 배터리가 위험한 상황에 도달하기 전에 미리 예상 및 조치할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 배터리의 사용에 따른 셀들의 용량 편차를 나타낸 그래프의 일례이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 균등화 정도에 기반한 배터리 수명 추정 방식을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 셀의 SOC에 따른 전압 편차를 설명하기 위한 그래프의 일례이다.
도 5는　Q-V 그래프(a) 로부터 획득된 V-dQ/dV　그래프(b) 를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압균형상태를 반영한 배터리 수명 추정 방법을 설명하기 위한 그래프의 일례이다.

이하 첨부된 도면과 설명을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세히 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술되는 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 방법 중에서 바람직한 실시 방법에 대한 것이며, 본 발명이 하기의 도면과 설명만으로 한정되는 것은 아니다.

한편, 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 배터리 수명 상태를 추정하는 프로세스를 설명한다.

먼저 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치의 구성도이다.

도 2에 도시된 배터리 수명 상태 추정 장치(100)는 적어도 하나의 프로세서에 의해 동작하는 컴퓨팅 장치일 수 있다. 그리고 배터리 수명 장치(100)는 본 발명에 따른 동작을 실행하도록 기술된 명령들(instructions)이 포함된 프로그램을 실행할 수 있다.

상기 장치(100)는, 배터리 팩에 구비된 배터리 관리 장치(BMS: battery management system)(미도시)에 포함될 수도 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 배터리 수명 상태 추정 장치(100)의 하드웨어는 적어도 하나의 프로세서(110), 메모리(120), 스토리지(130), 통신 인터페이스(140)를 포함할 수 있으며, 각 구성은 버스를 통해 연결될 수 있다.

이외에도, 배터리 수명 상태 추정 장치(100)는 별도의 입력 장치 및 출력 장치 등의 하드웨어를 더 포함할 수 있다.

또한, 배터리 수명 상태 추정 장치(100)는 프로그램을 구동할 수 있는 운영 체제를 비롯한 각종 소프트웨어가 스토리지(130)와 같은 저장 장치에 탑재될 수 있다.

프로세서(110)는 컴퓨팅 장치(100)의 동작을 제어하는 장치로서, 프로그램에 포함된 명령들을 처리하는 다양한 형태의 프로세서(예: CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 등)일 수 있다.

메모리(120)는 본 발명에 따른 동작을 실행하도록 기술된 명령들이 프로세서(110)에 의해 처리되도록 해당 프로그램을 로드할 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 ROM(read only memory), RAM(random access memory) 등 일 수 있다.

스토리지(130)는 본 발명에 따른 동작을 실행하는데 요구되는 각종 데이터 및 프로그램 등을 저장할 수 있다. 이 때, 스토리지(130)는 프로그램의 실행에 따라 처리된 결과 데이터 및 사전에 연동되거나 연결된 장치(예: 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 등)를 통해 입력된 측정 데이터들을 각 배터리 별로 매칭하여 데이터베이스화하여 저장할 수 있다.

통신 인터페이스(140)는 컴퓨팅 장치(100)의 각 구성 요소들 간의 통신 및 외부 연동된 장치와의 통신을 처리하는 유/무선 통신 모듈일 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치가 배터리 셀의 전압 균등화 정도에 기반하여 정확한 배터리 수명을 추정하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다. 그리고 도 4는 배터리의 SOC에 따른 전압 편차를 설명하기 위한 그래프의 일례이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치(100)는 SOC 정보를 반영하여 배터리 셀 간의 전압균형상태(State Of Balance by voltage, SOB_voltage)를 계산하고, 배터리에 대한 열역학적 기준 용량(즉, State Of Charge, SOC)에 따른 기준 수명상태(State Of Health, SOH_capacity)에 배터리 셀의 전압균형상태(SOB_voltage)를 적용한 균형수명상태 (SOH_balance)를 계산할 수 있다.

복수의 단전지(즉, 셀(cell))로 이루어진 배터리에 있어서, 전압균형상태(SOB)는 단전지들의 전압 균등화 정도를 나타내는 팩터이다. 즉, 임의의 시점에 배터리의 단전지 별 전압 상태가 평균전압으로부터 어느 정도 차이가 나는지를 확인할 수 있는 값이다.

실제 단전지 간의 전압균형상태가 적용된 균형수명상태 SOH_balance를 계산함으로써, 실제 사용 환경하에서 좀 더 정확한 배터리의 수명 추정이 가능하다. 즉, 기존에는 배터리 수명 추정 시 단순히 셀들의 전압 평균값 및 표준 편차 등의 정보에만 한정되었다면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 추정 방식은 배터리 셀 간에 전압균형상태가 안정적인 배터리 운용이 가능한 정도인지 여부 및 셀들의 SOC 정보까지 적용하여 배터리 수명을 추정할 수 있다.

이와 관련하여, 종래의 SOB는 임의의 시점에서 셀들의 전압 분포도, 즉, 배터리 팩을 이루고 있는 셀들의 평균전압 및 전압의 표준 편차와 같은 전압 분포 정보를 통해 산출하였다. 그러나, 배터리 팩을 이루는 셀들의 충전량 편차가 동일한 분포도를 보이더라도, 전압을 측정하는 임의의 시점, 즉 임의의 SOC에 따라 전압의 편차가 크게 차이나는 경우가 있어, SOB가 왜곡되어 측정되는 경우가 있었다.

예컨대, 셀들의 SOC와 전압을 도시한 도 4의 SOC-전압 곡선에서, 충전상태에 따른 전압의 변화를 보면, SOC 5%, 10%의 전압차 (△V1)와 SOC가 30%, 35%의 전압차(△V2)는 그 차이가 매우 큰 것을 확인할 수 있다. 배터리 팩을 이루는 셀 들의 충전된 용량 차이(SOC 차이)는 동일한데, 배터리 전압이 측정되는 SOC에 따라 셀들의 전압 분포가 매우 달라지는 것이다.

즉, 2개의 셀로 이루어진 배터리 팩이 있다고 가정하면, SOC5%, SOC10% 셀이 1개씩 있는 팩과, SOC35%, SOC40% 셀이 1개씩 있는 팩은, 측정 시점의 SOC만 다른 것인데 전압 편차에 있어서 심한 왜곡이 발생하는 것이다. 이에, 본 발명에서는 종래의 전압 분포만을 통해 SOB를 계산하던 방법을 보완하고자 예의 노력하였고, 본 발명에 이르렀다.

한편, 도 3을 참조하면, 프로세서(110)는 프로그램에 포함된 일련의 명령들을 실행하여 아래의 동작들을 처리할 수 있으며, 이를 통해 배터리 셀의 전압균형상태가 반영된 배터리 균형수명상태(SOH_balance)를 추정하여 출력할 수 있다.

먼저, 스토리지(140)에 저장되어 있던 배터리 별 정보 중 기본 정보와 실측정된 측정 정보에 기반하여 기설정된 파라미터들의 값을 도출한다.

이 때, 기설정된 파라미터들은, 배터리 단전지들에 적용되는 '완충상태전압 V_cha', 배터리 단전지들에 적용되는 '방전상태전압 V_dis', 배터리 단전지 각각의 측정된 전압 중 '최대 전압 V_max', 배터리 단전지 각각의 측정된 전압 중 '최소 전압 V_min', 배터리 단전지들의 측정된 전압에 대한 '평균 전압 V_avg', 배터리를 구성하는 단전지들의 '개수 n', 배터리의 최대 '동작 전압 범위 V_f', 배터리 단전지들에 대한 '전압 표준 편차 σn'를 포함할 수있다.

구체적으로, 배터리를 사용할 수 있는 전압 범위 즉, 최대 동작 전압범위 V_f는 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

<수학식 1>

앞서 설명한 바와 같이, V_cha는 배터리를 구성하는 단전지의 완충상태전압이고, V_dis는 단전지 방전상태전압이다. 즉, 배터리의 최대충전전압과 최대방전전압 간의 차를 배터리를 사용할 수 있는 전압범위 값(V_f)으로 정의할 수 있다.

위와 같이 정의된 배터리 사용전압범위 V_f를 산출한다.

예를 들어, 도 6을 참조하면, 임의의 리튬이온전지에 있어서 완충상태전압 V_cha이 4.2V로 설정되고 방전상태전압 V_dis이 3.0V로 설정된 경우, 사용전압범위 V_f는 1.2V로 산출될 수 있다.

이처럼 도출된 각 파라미터에 기반하여, 해당 배터리의 단전지들에 대한 전압균형상태 값 SOB를 추정하기 위하여 다음의 두 파라미터 dV 및 X를 결정한다.

앞서 결정된 사용전압범위 V_f 내에서 단전지들의 전압 차이를 최대로 허용할 수 있는 한계 즉, 전압차 허용한계 dV를 결정한다. 이러한 전압차 허용한계 dV는 적절한 전압균형상태(SOB) 범위 설정을 위해 사용자가 지정할 수도 있는 파라미터로서, 그 범위 값은 한정되지 않는다.

이 때, 프로세서(110)는 사용자(예: 배터리 검진자 또는 배터리 사용 시스템 설계자 등)가 전압차 허용한계 dV를 선택할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다. 프로세서(110)를 통해 제공되는 사용자 인터페이스는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함하는 개념이다.

이처럼 프로세서(110)가 제공한 사용자 인터페이스를 통해 전압차 허용한계 dV의 값이 실시간 또는 사전에 입력될 수 있으며, 이러한 사용자 인터페이스에는 전압차 허용한계 dV의 추천 값이 포함되어 사용자가 추천된 dV 중 원하는 배터리 셀 전압균형정도에 적합한 dV 값을 선택할 수도 있다.

이러한 전압차 허용한계 dV는 아래의 수학식 2의 조건에 따라 결정될 수 있다.

<수학식 2>

즉, 배터리 단전지들 간의 전압차 허용한계 dV는, 사용전압범위 V_f를 단전지 개수 n으로 나눈 값 이상이되 사용전압범위의 0.5배를 넘지 않도록 설정될 수 있다.

도 6의 예시에 따른 리튬이온전지의 경우, 사용전압범위 V_f가 1.2V이며, 전압차 허용한계 dV의 값을 전압차 허용한계범위 중 최대치인 "1.2V/2=0.6V"로 결정한 것을 나타냈다. 도 6에서는 dV가 최대치인 V_f/2인 것을 예로서 도시하였으나 이에 한정되지 않으며, 평균전압 V_avg을 기준으로 dV를 적용한 허용한계범위는 더 좁게 설정될 수록 전압균형상태를 적용하는 효율이 더 커질 수 있다.

도 6을 참조하면, 단전지들의 측정전압으로부터 도출된 평균전압 V_avg은 3.6V이며, 평균전압 V_avg을 기준으로 음의 방향으로 0.6V, 양의 방향으로 0.6V까지의 범위를 각각 전압차 허용한계범위로 결정할 수 있다.

다음으로, 전압차 허용한계범위 내의 산포의 균형정밀도를 결정하기 위해, 전압차 허용한계범위 내의 분석 구간의 수인 허용한계분위수 X를 결정한다.

예를 들어, 허용한계분위수 X는 아래의 수학식 3의 조건에 따라 결정될 수 있다.

<수학식 3>

수학식 3에서와 같이, 허용한계분위수 X는 3이상 단전지 개수 n의 2제곱 이하의 수로 설정될 수 있다.

이때, 프로세서(110)는 사용자(예: 배터리 검진자 또는 배터리 사용 시스템 설계자 등)가 허용한계분위수 X의 개수를 선택할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.

프로세서(110)를 통해 제공되는 사용자 인터페이스는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함하는 개념이다. 이처럼 프로세서(110)가 제공한 사용자 인터페이스를 통해 허용한계분위수 X의 값이 실시간 또는 사전에 입력될 수 있으며, 이러한 사용자 인터페이스에는 허용한계분위수 X의 추천 값이 포함되어 사용자가 추천된 X 중 원하는 정밀도에 적합한 X 값을 선택할 수 있다.

이처럼, 전압차 허용한계범위 dV 및 허용한계분위수 X가 결정된 상태에서, 분위하강율 Y를 결정한다. 분위하강율 Y는 평균전압을 기준으로 허용한계범위에서의 전압하강율을 의미한다. 예를 들어, 분위하강율 Y는 다음의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.

<수학식 4>

도 6의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서, 허용한계분위수 X를 25로 결정한 경우, 분위하강율 Y는 4가 된다.

또한, 도 6의 예시에 따른 리튬이온전지에서 사용전압범위 V_f가 1.2V이고, 전압차 허용한계 dV가 0.6V이므로, 허용한계분위 당 전압차를 의미하는 기준편차전압 dV/X는 "0.6/25=0.024"로 계산될 수 있다.

그런 다음, 배터리의 단전지들 V₁ 내지 V_n 각각의 측정 전압값 V_cell들에 기반하여 평균 전압 V_avg과 표준편차 σn를 계산한다.

예를 들어, 표준편차 σn은 아래의 수학식 5를 이용하여 산출할 수 있다.

<수학식 5>

도 6의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서, 각 셀(즉, 단전지)들에 대해 측정된 측정 전압 V_cell에 기반하여 산출한 평균전압 V_avg은 3.6V이므로, 표준편차 σn은 0.187로 계산될 수 있다.

다음으로, 측정된 각 셀의 모든 전압 값이 포함되는 분위차수 N을 계산한다. 분위차수 N은 1부터 허용한계분위수 X까지 순차적으로 증가하는 정수를 의미한다.

이때, 분위차수 N은 다음의 수학식 6을 이용하여 결정할 수 있다.

<수학식 6>

수학식 6에서와 같이, 분위차수 N은 단전지들의 전압 평균값 V_avg과 기준편차전압 dV/X에 기초하여 결정할 수 있다.

도 6의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서, 평균 전압 V_avg가 3.6V이고, 기준편차전압 dV/X는 0.024일 때, 모든 셀의 측정전압이 포함되는 최초의 분위차수 N는 5일 수 있다.

구체적으로, 모든 개별 셀(즉, 단전지)의 전압값이 포함되는 최초의 분위차수 N는, 변수인 분위차수 N을 1부터 X까지 순차적으로 정수 단위로 증가시킬 때 아래의 수학식 7의 조건의 만족하는 V_cell의 개수를 산출하여 구할 수 있다.

<수학식 7>

앞선 수학식 6에서의 결과 값을 n에 대한 백분율로 표기할 때 최초로 100이 되는(즉, 모든 단전지의 측정전압이 범위 내 포함되는) 분위차수 N을 도출할 수 있다. 즉, 분위차수 N을 1씩 증가시켜 분위를 나눠가는 동안 평균전압 V_avg으로부터 결정된 허용한계 dV까지의 범위 내에 모든 단전지의 측정 전압이 포함되는 최초의 분위차수 N을 결정한다.

다음으로, 앞서 수학식 6 및 7을 통해 계산된 분위차수 N에 기반하여 단전지들에 대한 전압균등상태값 SOB_voltage를 계산한다.

1차 전압균형상태 값인 SOB1_voltage는 아래의 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다.

<수학식 8>

참고로, 변수인 분위차수 N이 X가 될 때까지 n에 대한 백분율로 표기할 때 최초로 100이 되는 분위차수가 나오지 않는 경우, SOB1_voltage는 0으로 결정한다.

반면에, 변수인 분위차수 N이 X가 될 때까지 n에 대한 백분율로 표기할 때 최초로 100이 되는 분위차수 N이 1~X 중 어느 하나의 값일 경우 SOB1_voltage는 수학식 8에서와 같이 100-Y*N로 계산되며, Y=100/X이다.

도 6의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서 분위차수 N은 5이며, Y는 4이므로, SOB1_voltage는 "100-4*5"로써 80으로 산출된다.

한편, 표준편차 σn과 기준편차전압 dV/X로부터 분위 내 균형보정인자 A를 계산하고, 보정인자 A를 이용하여 2차 전압균형상태값 SOB2_voltage를 계산할 수 있다.

아래의 수학식 9를 이용하여 보정인자 A를 구할 수 있으며, 수학식 10을 이용하여 2차 전압균형상태값 SOB2_voltage를 구할 수 있다.

<수학식 9>

보정인자 A는 각 분위의 균형보정인자이다.

도 6의 예시에 따른 리튬이온전지에서, 분위차수 N은 5이고, 기준편차전압 dV/X는 0.024이며, 표준편차 σn은 0.02이므로, 보정인자 A는 "(5*0.024-0.02)/(5*0.024)"로써 0.83으로 결정된다.

<수학식 10>

수학식 10에서와 같이, 2차 전압균형상태 값 SOB2_voltage는 1차 전압균형상태 SOB1_voltage값과, 보정인자 A 및 분위 하강율 Y의 곱에 기초하여 산출된다. 이때, 보정인자 A가 음수이면 A'는 0으로 설정하고, A 값이 양수이면 A'를 A값으로 설정한다.

도 6의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서, 보정인자 A는 양수인 0.83인 바 A'는 0.83으로 설정되며, 그 결과 2 차 전압균형상태 값 SOB2_voltage는 "80+0.83*4"로써 " 83.32"로 결정된다.

한편, SOB1_voltage 및 SOB2_voltage는 배터리 팩을 이루고 있는 셀들의 전압 분포를 반영하고 있지만, 상술한 바와 같이 SOB를 측정하는 시점의 SOC 정보를 반영하고 있지 못해 셀들이 동일한 충전량 분포를 나타내더라도 측정되는 SOC에 따라 셀들의 전압 편차가 커 SOB가 다르게 산출될 수 있다.

따라서, 배터리 팩을 이루는 셀들의 SOC 정보를 반영하여 전압균형상태값 SOB3_voltage를 계산하는 것이 필요하다.

도 5을 참조하면, 상기 프로세서(110)는, 배터리의 V-Q 그래프 (또는 V-Q 그래프에 대응되는 함수)를 V-dQ/dV　그래프로 변환한다.　 여기서 dQ/dV는, 배터리의 전압의 변화량 dV에 대한 배터리의 축전량의 변화량 dQ의 비율을 나타낸다. 즉, 상기 프로세서(110)는, V-Q 그래프(또는 V-Q 그래프에 대응되는 함수)를 배터리의 전압 V에 대해 미분함으로써, 도 5에 예시된 V-dQ/dV를 생성할 수 있다. V-dQ/dV는, 배터리의 전압 V와　dQ/dV　간의 관계를 나타내는 그래프이다.

그 다음, 상기 프로세서(110)는, V-dQ/dV　그래프 상의 2개 특징점(기준점, 측정점)을 검출할 수 있다. 또한 상기 프로세서는 전압균형상태에 셀들의 SOC 정보를 반영함에 있어서, 상기 기준점에서의 (dQ_기준/dV_기준) 값, 측정점에서의 (dQ_측정/dV_측정) 값을 적용하여 SOC 정보를 반영한 전압균형상태가 산출되도록 구성된다.

여기서, SOB3_voltage는 SOC에 따른 전압 변화를 반영하도록 아래 <수학식 11>을 이용하여 보정인지 D를 계산하고, 이를 반영하여 SOB3_voltage를 계산할 수 있다.

여기서, dQ/dV 값은 전압 변화량에 대한 용량 변화량의 비율로, 특정 기준점 대비 전압 측정점의 dQ/dV 값을 SOB 계산에 적용함으로써, SOC에 따른 전압의 변화 차이를 상쇄시킬 수 있다.

<수학식 11>

이 때, (dQ_기준/dV_기준)의 기준점은 셀이 구동되는 전압 영역 내 임의의 지점일 수 있고, 바람직하게는 SOC 30 내지 70%의 지점 중 임의의 전압 지점을 기준점으로 삼을 수 있다.

이 때, 동일 셀 또는 동일 배터리 내에서는 동일 기준점에서 계산된 (dQ_기준/dV_기준)를 적용하기 때문에, (dQ_기준/dV_기준)를 임의의 지점으로 측정하더라도 동일 셀 또는 동일 배터리 내에서 상대적인 SOB를 산출할 수 있다.

한편, 프로세서(110)는, V-dQ/dV　그래프 상의 특징점을 검출하기에 앞서서, 노이즈 필터를 이용하여, V-dQ/dV　그래프의 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 도 3의 V-dQ/dV에 존재하는 노이즈 성분으로 인해 도 5의 V-dQ/dV　그래프로부터 특징점이 오검출되는 현상을 방지함으로써, 특징점 검출의 정확성을 향상시킬 수 있다. 물론, V-dQ/dV　그래프에 대한 평탄화는 선택적인 프로세스이다.

도 5는, 상기 프로세서(110)에 의해, V-dQ/dV　그래프 상에 위치하는 2개의 특징점이 검출된 일 예를 보여준다.

그리고 아래 수학식 12와 같이, 3차 전압균형상태 값 SOB3_voltage는 1차 전압균형상태 SOB1_voltage값과 2차 전압균형상태 SOB2_voltage 값에 보정인자 D를 반영하여 산출된다.

<수학식 12>

다음으로, 3차 전압균형상태 값 SOB3_voltage를 이용하여 배터리의 수명상태 SOH(State of Health)를 보정함으로써, 전압균형상태가 적용된 균형수명상태 SOH_balance를 계산한다.

배터리의 전압균형상태를 적용한 배터리 수명 SOH_balance는 아래의 수학식 13을 이용하여 계산할 수 있다.

<수학식 13>

이 때, SOH_capacity는 배터리의 잔존 용량(SOC) 기준의 수명을 나타내며, SOH_balance는 배터리 잔존 용량 기준의 수명에 전압균형상태를 적용한 수명을 나타낸다.

이상에서와 같이, 평균값과 표준편차, 한계분위만으로는 해당 배터리의 셀들의 균형 상태를 정확하게 표현할 수 없으므로, 셀들의 SOC를 반영하여 좀 더 정확한 전압균형상태가 적용된 배터리 수명 상태를 추정할 수 있다.

아래의 표 1 및 표 2를 참조하여 배터리의 전압균형상태 SOB를 살펴보도록 한다. 아래 표 1과 표 2는 동일한 배터리를 사용하여 측정한 것으로, 완전 방전을 실시한 뒤, 각기 다른 전압대에서 SOB를 계산한 것이다.

<표 1>

<표 2>

표 1 및 표 2는 배터리 팩을 이루는 모든 셀을 완전 방전을 실시한 뒤, 이어지는 충전 과정에서 수집한 데이터로, 완전 방전을 실시한 뒤 곧바로 SOB를 측정한 것이기에 밸런스가 크게 무너지지 않을 것이므로, SOB의 편차는 크지 않을 것으로 가정할 수 있다.

<표 1>은 SOC에 따른 전압 편차가 매우 큰 영역인 3.1V 근방에서 셀들의전압분포를 측정한 데이터이다. 이 때, 단순히 셀들의 전압분포 및 한계분위만을 반영하여 산출한 SOB2는 64.917이지만, SOC에 관한 보정인자 D를 반영하여 계산한 SOB3는 97.314로 계산되었다. 즉, SOC 정보를 반영한 SOB와 반영하지 않은 SOB는 그 값에 있어 매우 큰 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

반면, <표 2>는 SOC에 따른 전압 편차가 적은 영역인 4.0V 근방에서 셀들의 전압분포를 측정한 데이터이다. 여기서, SOB2는 95.295로 계산되고, 보정인자 D를 반영한 SOB3는 98.594로 계산되었다.

이를 통해 유사한 SOB일 것으로 추측되지만, 측정되는 시점에 따라 계산되는 SOB의 차이가 매우 큰 것을 확인할 수 있고, 이를 보정인자 D를 반영하여 계산한다면 더 정확한 측정이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

100: 배터리 수명 상태 추정 장치
110: 프로세서
120: 메모리
130: 스토리지
140: 통신 인터페이스

Claims (6)

1. 배터리 수명 상태 추정 장치에 있어서,
   배터리를 구성하는 복수의 셀들의 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값이 적용된 상기 배터리의 수명상태 값인 균형수명상태 값을 추정하기 위한 프로그램을 로드하는 메모리; 및
   상기 메모리에 로드된 프로그램에 포함된 명령들을 실행하는 프로세서를 포함하며,
   상기 프로세서는
   상기 프로그램의 실행에 따라, 상기 배터리의 완충상태전압 및 방전상태전압 간의 전압차 내에서 전압차 허용한계 값을 설정하고, 상기 셀들의 측정전압 값으로부터 도출된 평균전압 값을 기준으로 상기 전압차 허용한계 값을 적용한 허용한계범위를 하나 이상의 분석구간으로 세분화하는 허용한계분위수를 설정하고,
   상기 평균전압 값을 기준으로 상기 허용한계범위에서의 전압하강율인 분위하강율을 산출하되, 상기 허용한계분위수 내에서 상기 셀 별 측정전압 값이 최초로 모두 포함되는 분석구간의 차수인 분위차수를 도출하고,
   상기 배터리에 인가된 전류를 기초로, 상기 배터리의 축전량을 결정하며, 상기 배터리의 전압과 상기 배터리의 축전량 간의 관계를 나타내는 Q-V 그래프를 상기 배터리의 전압과 상기 배터리의 전압의 변화량에 대한 상기 축전량의 변화량의 비율 간의 관계를 나타내는 V-dQ/dV 그래프로 변환하고,
   상기 V-dQ/dV　그래프로부터 기준점 및 측정점을 포함하는 특징점을 검출하고,
   상기 분위하강율, 분위차수 및 특징점의 dQ/dV 값에 기초하여 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값을 상기 배터리의 잔존 용량에 기반하여 산출된 수명상태 값에 적용하여 균형수명상태 값을 추정하며,
   상기 분위하강율은 하기 수학식을 통해 산출되는 배터리 수명 상태 추정 장치.
   
   상기 Y는 배터리의 분위하강율로서, 평균전압을 기준으로 허용한계범위에서의 전압하강율을 의미하며, 상기 X는 허용한계분위수이다.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 프로세서는,
   상기 허용한계분위 당 전압차인 기준편차전압 값을 산출하고,
   상기 평균전압 및 셀의 개수에 기초하여 산출된 표준편차, 상기 기준편차전압 값 및 상기 분위차수에 기초하여 보정인자 A 값을 산출하고,
   상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 산출된 전압균형상태 값인 1차 전압균형상태 값에 상기 보정인자 값 및 분위하강율의 곱을 더한 2차 전압균형상태 값을 산출하고,
   상기 V-dQ/dV 그래프에 기초하여 상기 기준점의 dQ/dV 값과 상기 측정점의 dQ/dV 값을 산출하고,
   상기 측정점의 dQ/dV 값을 기준점의 dQ/dV 값으로 나누어 보정인자 D를 산출하고,
   상기 보정인자 D를 반영하여 3차 전압균형상태 값을 산출하고,
   상기 3차 전압균형상태 값을 상기 수명상태 값에 적용하여 상기 균형수명상태 값을 추정하는, 배터리 수명 상태 추정 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 프로세서는, 상기 2차 전압균형상태 값 산출 시, 상기 산출된 보정인자 A의 값이 음수인 경우 영(0) 값으로 변경하여 적용하고, 양수인 경우 상기 산출된 보정인자 A의 값을 그대로 적용하는 것인, 배터리 수명 상태 추정 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 프로세서는, 상기 전압차 허용한계 값을 상기 완충상태전압과 상기 방전상태전압의 차인 사용전압범위 값을 상기 복수의 셀의 개수로 나눈 값보다 크고 상기 사용전압범위 값을 2로 나눈 값보다 작게 설정하는 것인, 배터리 수명 상태 추정 장치.
   
5. 배터리 수명 상태 추정 장치에 의한 배터리 수명 상태 추정 방법에 있어서,
   복수의 셀들로 구성된 배터리의 완충상태전압 및 방전상태전압 간의 전압차 내에서 전압차 허용한계 값을 설정하는 단계;
   상기 셀들의 측정전압 값으로부터 도출된 평균전압 값을 기준으로 상기 전압차 허용한계 값을 적용한 허용한계범위를 하나 이상의 분석구간으로 세분화하는 허용한계분위수를 설정하는 단계;
   상기 평균전압 값을 기준으로 상기 허용한계범위에서의 전압하강율인 분위하강율을 상기 허용한계분위수에 기반하여 산출하는 단계;
   상기 허용한계분위수 내에서 상기 셀 별 측정전압 값이 최초로 모두 포함되는 분석구간의 차수인 분위차수를 도출하는 단계;
   상기 배터리에 인가된 전류를 기초로, 상기 배터리의 축전량을 결정하며, 상기 배터리의 전압과 상기 배터리의 축전량 간의 관계를 나타내는 Q-V 그래프를 상기 배터리의 전압과 상기 배터리의 전압의 변화량에 대한 상기 축전량의 변화량의 비율 간의 관계를 나타내는 V-dQ/dV 그래프로 변환하는 단계;
   상기 V-dQ/dV　그래프로부터 기준점 및 측정점을 포함하는 특징점을 검출하는 단계;
   상기 분위하강율, 분위차수 및 특징점의 dQ/dV 값에 기초하여 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값을 상기 배터리의 잔존 용량에 기반하여 산출된 수명상태 값에 적용하여 균형수명상태 값을 추정하는 단계를 포함하며, 상기 분위하강율은 하기 수학식을 통해 산출되는 배터리 수명 상태 추정 방법.
   
   상기 Y는 배터리의 분위하강율로서, 평균전압을 기준으로 허용한계범위에서의 전압하강율을 의미하며, 상기 X는 허용한계분위수이다.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 균형수명상태 값을 추정하는 단계는,
   상기 허용한계분위 당 전압차인 기준편차전압 값을 산출하는 단계;
   상기 평균전압 및 셀의 개수에 기초하여 산출된 표준편차, 상기 기준편차전압 값 및 상기 분위차수에 기초하여 보정인자 A 값을 산출하는 단계;
   상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 산출된 전압균형상태 값인 1차 전압균형상태 값에 상기 보정인자 값 및 분위하강율의 곱을 더한 2차 전압균형상태 값을 산출하는 단계;
   상기 V-dQ/dV 그래프에 기초하여 상기 기준점의 dQ/dV 값과 상기 측정점의 dQ/dV 값을 산출하고, 상기 측정점의 dQ/dV 값을 기준점의 dQ/dV 값으로 나누어 보정인자 D를 산출하는 단계;
   상기 보정인자 D를 반영하여 3차 전압균형상태 값을 산출하는 단계; 및
   상기 3차 전압균형상태 값을 상기 수명상태 값에 적용하여 상기 균형수명상태 값을 추정하는 단계를 포함하는,
   배터리 수명 상태 추정 방법.
   

Images