KR20240061261A - 배터리 soh 추정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOH 추정 장치는 전압, 전류, 온도 및 SOC 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 정보를 획득하도록 구성된 배터리 정보 획득부; 및 미리 설정된 퇴화 모델에 기반하여 상기 배터리 정보 및 미리 설정된 참조 정보로부터 상기 배터리에 대한 퇴화 정보를 산출하고, 미리 설정된 비선형 추정 모델에 기반하여 상기 퇴화 정보로부터 상기 배터리에 대한 SOH를 추정하도록 구성된 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 배터리 SOH 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 SOH를 효과적으로 추정할 수 있는 배터리 SOH 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.
종래에는 배터리의 퇴화도를 추정하기 위하여 다양한 기법이 적용되었다. 예컨대, 배터리의 OCV(Open circuit voltage)에 기반하여, 용량 퇴화에 기초한 SOH(State of health)를 추정함으로써, 배터리의 퇴화도를 추정하는 기법이 대표적이다. 이렇게 추정된 배터리의 퇴화도는 배터리의 현재 수명을 나타내는 척도가 될 수 있다.
다만, 이러한 종래 기법은 배터리의 초기 용량과 현재 용량 간의 비교를 통해 배터리의 퇴화도를 추정하지만, 배터리 퇴화가 어떤 요인에 의해 발생되는지에 대한 정보는 획득하는데 한계가 있다. 예컨대, 배터리의 퇴화는 음극 부반응, 양극 부반응 및 전이 금속 용해 등의 비선형적 요인들에 영향을 받을 수 있기 때문에, 종래의 퇴화도 추정 기법으로는 이러한 퇴화 요인을 확인하는데 어려움이 있다.
또한, 종래 기법에 따라 추정된 퇴화도가 동일한 배터리라고 하더라도, 퇴화도에 영향을 미치는 요인에 따라 배터리의 잔존 가치는 달라질 수 있다. 즉, 종래 기법만으로는 배터리의 상태를 정확하게 추정하는데 한계가 있다. 따라서, 배터리의 퇴화도에 영향을 미치는 다양한 요인들을 고려하여 배터리의 상태를 추정할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리의 퇴화에 영향을 미치는 다양한 요인들을 고려하여 배터리의 상태를 추정할 수 있는 배터리 SOH 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 SOH 추정 장치는 전압, 전류, 온도 및 SOC 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 정보를 획득하도록 구성된 배터리 정보 획득부; 및 미리 설정된 퇴화 모델에 기반하여 상기 배터리 정보 및 미리 설정된 참조 정보로부터 상기 배터리에 대한 퇴화 정보를 산출하고, 미리 설정된 비선형 추정 모델에 기반하여 상기 퇴화 정보로부터 상기 배터리에 대한 SOH를 추정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 미리 설정된 선형 추정 모델에 기반하여 상기 배터리 정보로부터 참조 SOH를 추정하고, 상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 상기 참조 정보를 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 가중치를 산출하고, 상기 퇴화 정보에 상기 가중치를 부가한 값을 상기 참조 정보로 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 비선형 추정 모델은 비선형 칼만 필터로 구성될 수 있다.
상기 선형 추정 모델은 선형 칼만 필터로 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 가중치로서 상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 칼만 이득을 산출하고, 상기 퇴화 정보에 상기 칼만 이득을 부가한 값을 상기 참조 정보로 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 SOH를 추정할 때마다 상기 퇴화 정보, 상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 상기 참조 정보를 업데이트하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 퇴화 정보를 처음 산출하는 경우, BOL 상태인 배터리의 퇴화 정보에 대응되도록 미리 설정된 기준값을 상기 참조 정보로 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 퇴화 정보로서 음극 부반응량, 양극 부반응량 및 전이 금속 용해량 중 적어도 하나를 산출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 SOH 추정 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 서버는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 SOH 추정 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 SOH 추정 방법은 전압, 전류, 온도 및 SOC 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 정보를 획득하는 배터리 정보 획득 단계; 미리 설정된 퇴화 모델에 기반하여 상기 배터리 정보 및 미리 설정된 참조 정보로부터 상기 배터리에 대한 퇴화 정보를 산출하는 퇴화 정보 산출 단계; 및 미리 설정된 비선형 추정 모델에 기반하여 상기 퇴화 정보로부터 상기 배터리에 대한 SOH를 추정하는 SOH 추정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 SOH 추정 방법은 상기 SOH 추정 단계 이후, 미리 설정된 선형 추정 모델에 기반하여 상기 배터리 정보로부터 참조 SOH를 추정하는 참조 SOH 추정 단계; 및 상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 상기 참조 정보를 설정하는 참조 정보 설정 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 퇴화에 영향을 미치는 다양한 요인들에 기반하여 배터리의 SOH가 추정될 수 있는 장점이 있다. 특히, 배터리에 대한 비선형적 정보에 기반하여 배터리의 SOH가 추정될 수 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 SOH 추정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOH 추정 장치가 배터리의 SOH를 추정하는 동작 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOH 추정 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOH 추정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOH 추정 장치가 배터리의 SOH를 추정하는 동작 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOH 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 SOH 추정 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOH 추정 장치(100)가 배터리의 SOH를 추정하는 동작 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
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 모듈 또는 배터리 팩을 의미할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.
도 1을 참조하면, 배터리 SOH 추정 장치(100)는 배터리 정보 획득부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
배터리 정보 획득부(110)는 전압, 전류, 온도 및 SOC(State of charge) 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 정보를 획득하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 전압, 전류 및 온도는 배터리로부터 측정된 정보이고, SOC는 측정된 정보에 기반하여 추정된 정보일 수 있다.
예컨대, 배터리 정보 획득부(110)는 주기적 또는 비주기적으로 배터리 정보를 수신하여 획득할 수 있다. 다른 예로, 배터리 정보 획득부(110)는 주기적 또는 비주기적으로 직접 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 측정된 정보에 기반하여 SOC를 추정할 수도 있다.
제어부(120)는 미리 설정된 퇴화 모델에 기반하여 배터리 정보 및 미리 설정된 참조 정보로부터 배터리에 대한 퇴화 정보를 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 퇴화 정보는 배터리 정보와 미리 설정된 참조 정보에 기반하여 산출될 수 있는 정보로서, 배터리가 퇴화됨에 따라 전기화학적으로 달라진 배터리의 상태를 나타낼 수 있는 정보들을 포함할 수 있다. 예컨대, 퇴화 정보는 BOL(Beginning of life) 상태의 배터리와 현재의 배터리 간의 상태 변화를 정량적으로 나타날 수 있는 정보들을 포함할 수 있다.
구체적인 예로, 제어부(120)는 퇴화 정보로서 음극 부반응량, 양극 부반응량 및 전이 금속 용해량 중 적어도 하나를 산출하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 퇴화 모델은 음극 부반응량을 산출하기 위한 제1 모델, 양극 부반응량을 산출하기 위한 제2 모델 및 전이 금속 용해량을 산출하기 위한 제3 모델을 포함할 수 있다.
음극 부반응량은 음극이 환원될 때 발생되는 부반응의 양일 수 있다. 예컨대, 음극의 환원에 의해 발생될 수 있는 부반응은 흑연 소재 금속에서의 전해액 분해 등이 있다. 예컨대, 제어부(120)는 제1 모델을 이용하여 배터리 정보 및 참조 정보로부터 배터리의 음극 부반응량을 산출하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부는 배터리 정보 및 참조 정보를 이용하여, 흑연 소재 금속에서의 전해액 분해량(즉, 음극 부반응량)을 산출할 수 있다.
양극 부반응량은 양극이 산환될 때 발생되는 부반응의 양일 수 있다. 예컨대, 양극의 환원에 의해 발생될 수 있는 부반응은 NCM(Ni, Co, Mn) 소재에서의 전해액 분해 등이 있다. 예컨대, 제어부(120)는 제2 모델을 이용하여 배터리 정보 및 참조 정보로부터 배터리의 양극 부반응량을 산출하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부는 배터리 정보 및 참조 정보를 이용하여, NCM 소재에서의 전해액 분해량(즉, 양극 부반응량)을 산출할 수 있다.
전이 금속 용해량은 전이 금속(Transition metal)이 용해(dissolution)된 양일 수 있다. 예컨대, 전이 금속 용해량은 리튬 금속의 석출량을 의미할 수 있다. 예컨대, 제어부(120)는 제3 모델을 이용하여 배터리 정보 및 참조 정보로부터 배터리의 전이 금속 용해량을 산출하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부는 배터리 정보 및 참조 정보를 이용하여, 리튬 금속의 석출량(즉, 전이 금속 용해량)을 산출할 수 있다.
그리고, 참조 정보는 퇴화 정보에 대응되는 정보일 수 있다. 예컨대, 참조 정보는 미리 설정된 기준값 또는 이전에 산출된 퇴화 정보의 보정값일 수 있다. 참조 정보에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
도 2의 실시예에서, n은 시점을 의미하며, 1이상의 값을 가질 수 있다고 가정한다. 제어부(120)는 배터리 정보(Un)와 참조 정보(Rn)를 퇴화 모델에 입력할 수 있다. 퇴화 모델은 입력받은 배터리 정보(Un)와 참조 정보(Rn)를 관계식(Xn=f(Rn, Un))에 대입함으로써 퇴화 정보(Xn)을 출력하도록 미리 설정될 수 있다. 제어부(120)는 퇴화 모델을 이용하여, 배터리 정보(Un)와 참조 정보(Rn)로부터 퇴화 정보(Xn)를 산출할 수 있다.
예컨대, 퇴화 모델을 통해 출력되는 퇴화 정보가 복수인 경우, 퇴화 정보에 대응되는 개수의 참조 정보가 퇴화 모델에 입력될 수 있다. 즉, 참조 정보는 퇴화 모델에서 출력될 퇴화 정보에 대응되도록 미리 설정될 수 있다. 구체적인 예로, 퇴화 모델을 통해 출력되는 퇴화 정보에 음극 부반응량, 양극 부반응량 및 전이 금속 용해량이 포함되는 경우, 음극 부반응량, 양극 부반응량 및 전이 금속 용해량에 대응되는 참조 정보 각각이 퇴화 모델에 입력될 수 있다.
제어부(120)는 미리 설정된 비선형 추정 모델에 기반하여 퇴화 정보로부터 배터리에 대한 SOH를 추정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 비선형 추정 모델은 비선형 칼만 필터로 구성될 수 있다. 예컨대, 비선형 추정 모델은 확장 칼만 필터(EKF, Extended kalman filter) 또는 시그마 포인트 칼만 필터(SPKF, Sigma point kalman filter) 등의 비선형 칼만 필터일 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 퇴화 모델을 이용하여 산출한 퇴화 정보를 비선형 추정 모델에 입력함으로써, 배터리의 SOH를 추정할 수 있다. 즉, 제어부(120)는 퇴화 정보에 대한 비선형성을 고려하여 배터리의 SOH를 추정하기 위하여, 비선형 추정 모델을 이용하여 배터리 SOH를 추정할 수 있다.
도 2의 실시예에서, 제어부(120)는 퇴화 정보(Xn)를 비선형 추정 모델에 입력할 수 있다. 비선형 추정 모델은 입력받은 퇴화 정보(Xn)를 관계식(SOH=g(Xn))에 대입함으로써 SOH(SOHn)를 출력하도록 미리 설정될 수 있다. 제어부(120)는 비선형 추정 모델을 이용하여, 퇴화 정보(Xn)로부터 배터리의 SOH(SOHn)를 추정할 수 있다.
일반적으로, 배터리는 다양한 요인에 의해 퇴화될 수 있으며, 주된 퇴화 양상도 각각의 배터리마다 다르게 나타날 수 있다. 예컨대, 제1 배터리는 음극 부반응이 주된 퇴화 양상일 수 있고, 제2 배터리는 양극 부반응이 주된 퇴화 양상일 수 있다. 그리고, 배터리의 퇴화 정보는 비선형적인 정보일 수 있다.
따라서, 배터리 SOH 추정 장치(100)는 배터리 정보로부터 배터리의 퇴화도와 밀접하게 연관된 퇴화 정보를 산출하며, 산출된 퇴화 정보의 비선형성을 고려하여 배터리의 SOH를 추정할 수 있는 장점이 있다. 즉, 배터리 SOH 추정 장치(100)에 의해 추정되는 SOH는 비선형적인 퇴화 정보에 기반하여 추정되는 것이기 때문에, 배터리 정보로부터 직접 추정되는 SOH보다 배터리의 현재 상태를 잘 나타낼 수 있다.
한편, 배터리 SOH 추정 장치(100)에 구비된 제어부(120)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, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(120) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(120)와 연결될 수 있다.
또한, 배터리 SOH 추정 장치(100)는 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 저장부(130)는 배터리 SOH 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(130)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(130)는 제어부(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
예컨대, 저장부(130)는 배터리 정보 획득부(110)가 획득한 배터리 정보를 저장할 수 있다. 또한, 저장부(130)는 제어부(120)에 의해 산출된 퇴화 정보, 참조 정보, SOH 및 참조 SOH를 저장할 수 있다.
이하에서는, 제어부(120)가 참조 정보를 설정하는 실시예를 구체적으로 설명한다.
제어부(120)는 미리 설정된 선형 추정 모델에 기반하여 배터리 정보로부터 참조 SOH를 추정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 선형 추정 모델은 선형 칼만 필터로 구성될 수 있다. 예컨대, 선형 추정 모델은 칼만 필터(KF, Kalman filter) 등의 선형 칼만 필터일 수 있다.
도 2의 실시예에서, 제어부(120)는 배터리 정보(Un)를 선형 추정 모델에 입력할 수 있다. 선형 추정 모델은 입력받은 배터리 정보(Un)를 관계식(rSOH=h(Un))에 대입함으로써 참조 SOH(rSOHn)를 출력하도록 미리 설정될 수 있다. 제어부(120)는 선형 추정 모델을 이용하여, 배터리 정보(Un)로부터 배터리의 참조 SOH(rSOHn)를 추정할 수 있다.
참조 SOH(rSOHn)는 선형 추정 모델을 이용하여 배터리 정보(Un)로부터 산출되는 값이고, SOH(SOHn)는 비선형 추정 모델을 이용하여 퇴화 정보(Xn)로부터 산출되는 값이다. 즉, 참조 SOH(rSOHn)와 SOH(SOHn)는 고려되는 인자(배터리 정보와 퇴화 정보), 고려되는 인자의 성질(선형성과 비선형성) 및 고려되는 인자에 따른 추정 모델의 종류(선형 추정 모델과 비선형 추정 모델)의 측면에서 차이가 있다.
그리고, 제어부(120)는 SOH 및 참조 SOH에 기반하여 참조 정보를 설정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 참조 정보는 미리 설정된 기준값 또는 이전에 산출된 퇴화 정보의 보정값일 수 있다. 도 2의 실시예에서, 참조 정보는 R1 또는 Rn+1일 수 있다.
퇴화 정보를 처음 산출하는 경우, 제어부(120)는 BOL 상태인 배터리의 퇴화 정보에 대응되도록 미리 설정된 기준값을 참조 정보로 설정하도록 구성될 수 있다.
도 2의 실시예에서, R1은 BOL 상태인 배터리의 퇴화 정보에 대응되도록 미리 설정된 기준값을 나타낼 수 있다. 제어부(120)에 의해 퇴화 정보(X1)가 산출되는 경우에는 이전에 산출된 퇴화 정보(X0)가 존재하지 않기 때문에, 미리 설정된 기준값(R1)이 참조 정보로서 퇴화 모델에 입력될 수 있다.
퇴화 정보를 처음 산출하는 경우가 아닌 경우(퇴화 정보가 이전에 산출된 경우), 제어부(120)는 SOH를 추정할 때마다 퇴화 정보, SOH 및 참조 SOH에 기반하여 참조 정보를 업데이트하도록 구성될 수 있다.
도 2의 실시예에서, 제어부(120)는 퇴화 정보(Xn) 및 가중치(Kn)를 관계식(Rn+1=Xn+Kn)에 입력하여, 참조 정보(Rn+1)를 산출할 수 있다. 여기서, n 시점에서 산출되는 참조 정보(Rn+1)는 n+1 시점에서 퇴화 모델(Xn+1=f(Rn+1, Un+1))에 입력될 수 있다. 이전 시점에서 산출된 참조 정보가 다음 시점에서 퇴화 정보를 산출하는데 이용될 수 있다. 즉, 참조 정보는 재귀적 구조(Recursive structure)를 통해 다음 시점에서 퇴화 정보를 산출하는데 이용될 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 SOH 및 참조 SOH에 기반하여 가중치를 산출하도록 구성될 수 있다. 제어부(120)는 퇴화 정보에 가중치를 부가한 값을 참조 정보로 설정하도록 구성될 수 있다.
앞선 실시예를 참조하여 비선형 추정 모델이 비선형 칼만 필터이고, 선형 추정 모델이 선형 칼만 필터라고 가정한다. 이 경우, 제어부(120)는 가중치로서 SOH 및 참조 SOH에 기반하여 칼만 이득(Kalman gain)을 산출하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 퇴화 정보에 칼만 이득을 부가한 값을 참조 정보로 설정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 칼만 이득은 비선형 칼만 필터로부터 산출된 SOH와 선형 칼만 필터로부터 산출된 참조 SOH에 기반하여 산출될 수 있다. 즉, 서로 다른 추정 모델로부터 획득된 SOH와 참조 SOH에 기반하여 칼만 이득이 산출될 수 있다. 그리고, 이렇게 산출된 칼만 이득이 퇴화 정보에 부가됨으로써 참조 정보가 업데이트될 수 있다.
도 2의 실시예에서, 제어부(120)는 참조 SOH(rSOHn)와 SOH(SOHn)를 관계식(Kn=k(SOHn, rSOHn))에 입력하여, 가중치(Kn)를 산출할 수 있다. 여기서, 관계식(Kn=k(SOHn, rSOHn))은 참조 SOH(rSOHn)와 SOH(SOHn) 간의 칼만 이득(Kn)을 산출하도록 미리 설정될 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 관계식(Rn+1=Xn+Kn)을 이용하여 퇴화 정보(Xn)에 칼만 이득(Kn)을 부가함으로써, n+1 시점에서 퇴화 모델(Xn+1=f(Rn+1, Un+1))에 입력될 수 있는 참조 정보(Rn+1)를 산출할 수 있다.
배터리 SOH 추정 장치(100)는 퇴화 정보를 산출하기 위한 참조 정보를 배터리의 SOH가 추정될 때마다 업데이트할 수 있다. 즉, 배터리 SOH 추정 장치(100)는 배터리의 현재 상태에 대응되도록 참조 정보를 업데이트할 뿐만 아니라, 업데이트된 참조 정보를 이용하여 배터리의 SOH를 추정하기 때문에, 높은 정확도로 배터리의 SOH가 추정될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 SOH 추정 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 SOH 추정 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 SOH 추정 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 SOH 추정 장치(100)의 배터리 정보 획득부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 SOH 추정 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 SOH 추정 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
배터리(31)의 양극 단자는 배터리 팩(3)의 양극 단자(P+)와 연결되고, 배터리(31)의 음극 단자는 배터리 팩(3)의 음극 단자(P-)와 연결될 수 있다.
측정부(32)는 제1 센싱 라인(SL1), 제2 센싱 라인(SL2), 제3 센싱 라인(SL3) 및 제4 센싱 라인(SL4)과 연결될 수 있다.
구체적으로, 측정부(32)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(31)의 양극 단자에 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(31)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 측정부(32)는 제1 센싱 라인(SL1)과 제2 센싱 라인(SL2) 각각에서 측정된 전압에 기반하여, 배터리(31)의 전압을 측정할 수 있다.
그리고, 측정부(32)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 전류 측정 유닛(A)과 연결될 수 있다. 예컨대, 전류 측정 유닛(A)은 배터리(31)의 충전 전류 및 방전 전류를 측정할 수 있는 전류계 또는 션트 저항일 수 있다. 측정부(32)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(31)의 충전 전류를 측정하여 충전량을 산출할 수 있다. 또한, 측정부(32)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해서 배터리(31)의 방전 전류를 측정하여 방전량을 산출할 수 있다.
그리고, 측정부(32)는 제4 센싱 라인(SL4)을 통해 배터리(31)의 온도를 측정할 수 있다.
배터리 팩(3)의 양극 단자(P+)와 음극 단자(P-)에는 외부 장치(미도시)가 연결될 수 있다. 예컨대, 외부 장치는 충전 장치일 수도 있고, 배터리(31)로부터 전원을 공급받는 부하일 수도 있다.
배터리 정보 획득부(110)는 측정부(32)로부터 배터리(31)의 전압, 전류 및 온도에 관한 배터리 정보를 획득할 수 있다. 그리고, 측정부(32)는 측정된 정보에 기반하여 배터리(31)의 SOC를 추정하고, 추정된 SOC를 배터리 정보 획득부(110)로 송신할 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서, 배터리 정보 획득부(110)가 제1 내지 제4 센싱 라인(SL1, SL2, SL3, SL4)에 직접 연결되어 배터리(31)의 전압, 전류 및 온도를 직접 측정할 수도 있다. 아울러, 배터리 정보 획득부(110)는 측정한 정보에 기반하여 배터리(31)의 SOC를 직접 추정할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 배터리 시스템에는 하나 이상의 BMS(42)와 서버(41)가 포함될 수 있다. 그리고, 서버(41)에는 배터리 SOH 추정 장치(100)가 포함될 수 있다. 예컨대, 서버(41)는 클라우드 서버일 수 있다.
서버(41)는 하나 이상의 BMS(42)와 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 바람직하게, 서버(41)는 BMS(42)와 유선 및/또는 무선으로 통신 가능하도록 연결될 수 있다.
BMS(42) 각각은 연결된 배터리의 배터리 정보를 수집하고, 수집된 배터리 정보를 서버(41)로 송신할 수 있다. 이후, 서버(41)는 수신한 배터리 정보에 기반하여 BMS(42) 각각에 연결된 배터리의 SOH를 추정할 수 있다.
예컨대, BMS(42) 각각이 서로 다른 차량에 구비된 BMS라고 가정한다. 제1 BMS(42_1), 제2 BMS(42_2) 및 제n BMS(42_n) 각각은 대응되는 배터리에 관한 배터리 정보를 수집하고, 수집된 배터리 정보를 무선 통신을 통해 서버(41)로 송신할 수 있다. 서버(41)는 제1 BMS(42_1)로부터 수신한 배터리 정보에 기반하여, 제1 BMS(42_1)에 대응되는 제1 차량에 포함된 제1 배터리의 SOH를 추정할 수 있다. 그리고, 서버(41)는 제2 BMS(42_2)로부터 수신한 배터리 정보에 기반하여, 제2 BMS(42_2)에 대응되는 제2 차량에 포함된 제2 배터리의 SOH를 추정할 수 있다. 또한, 서버(41)는 제n BMS(42_n)로부터 수신한 배터리 정보에 기반하여, 제n BMS(42_n)에 대응되는 제n 차량에 포함된 제n 배터리의 SOH를 추정할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOH 추정 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
바람직하게, 배터리 SOH 추정 방법의 각 단계는 배터리 SOH 추정 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 5를 참조하면, 배터리 SOH 추정 방법은 배터리 정보 획득 단계(S100), 퇴화 정보 산출 단계(S200) 및 SOH 추정 단계(S300)를 포함할 수 있다.
배터리 정보 획득 단계(S100)는 전압, 전류, 온도 및 SOC 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 정보를 획득하는 단계로서, 배터리 정보 획득부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 배터리 정보 획득부(110)는 배터리 정보를 통신망을 통해 수신하여 획득할 수 있다. 다른 예로, 배터리 정보 획득부(110)는 배터리 정보를 직접 측정 및 추정할 수도 있다.
퇴화 정보 산출 단계(S200)는 미리 설정된 퇴화 모델에 기반하여 배터리 정보 및 미리 설정된 참조 정보로부터 배터리에 대한 퇴화 정보를 산출하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 미리 설정된 퇴화 모델에 배터리 정보 및 참조 정보를 입력함으로써, 배터리에 대한 퇴화 정보를 산출할 수 있다.
여기서, 퇴화 정보는 음극 부반응량, 양극 부반응량 및 전이 금속 용해량과 같이 배터리가 퇴화된 정도를 정량적으로 비교 판단할 수 있는 정보들을 포함할 수 있다.
SOH 추정 단계(S300)는 미리 설정된 비선형 추정 모델에 기반하여 퇴화 정보로부터 배터리에 대한 SOH를 추정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 미리 설정된 비선형 추정 모델에 퇴화 정보를 입력함으로써, 배터리에 대한 SOH를 추정할 수 있다.
여기서, 비선형 추정 모델은 비선형성을 갖는 퇴화 정보로부터 배터리의 SOH를 추정하도록 미리 설정된 모델일 수 있다. 예컨대, 비선형 추정 모델은 EKF 또는 SPKF 등의 비선형 칼만 필터일 수 있다.
도 6을 참조하면, 배터리 SOH 추정 방법은 참조 SOH 추정 단계(S400)(S300) 및 참조 정보 설정 단계(S500)를 더 포함할 수 있다.
참조 SOH 추정 단계(S400)(S300)는 SOH 추정 단계(S300) 이후, 미리 설정된 선형 추정 모델에 기반하여 배터리 정보로부터 참조 SOH를 추정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 선형 추정 모델에 배터리 정보를 입력함으로써, 배터리에 대한 참조 SOH를 추정할 수 있다.
여기서, 선형 추정 모델은 선형성을 갖는 배터리 정보로부터 배터리의 참조 SOH를 추정하도록 미리 설정된 모델일 수 있다. 예컨대, 선형 추정 모델은 KF 등의 선형 칼만 필터일 수 있다.
참조 정보 설정 단계(S500)는 SOH 및 참조 SOH에 기반하여 참조 정보를 설정하는 단계로서, 제어부(120)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 추정된 SOH와 추정된 참조 SOH 간의 칼만 이득을 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 퇴화 정보에 칼만 이득을 부가함으로써 참조 정보를 설정할 수 있다. 이렇게 설정된 참조 정보는 다음 시점에서의 배터리의 퇴화 정보를 산출하는데 이용될 수 있다. 즉, 현재 시점에서 설정된 참조 정보는 다음 시점에서 퇴화 모델에 입력될 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.
3: 배터리 팩
31: 배터리
32: 측정부
4: 배터리 시스템
41: 서버
42: BMS
100: 배터리 SOH 추정 장치
110: 배터리 정보 획득부
120: 제어부
130: 저장부
31: 배터리
32: 측정부
4: 배터리 시스템
41: 서버
42: BMS
100: 배터리 SOH 추정 장치
110: 배터리 정보 획득부
120: 제어부
130: 저장부
Claims (11)
- 전압, 전류, 온도 및 SOC 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 정보를 획득하도록 구성된 배터리 정보 획득부; 및
미리 설정된 퇴화 모델에 기반하여 상기 배터리 정보 및 미리 설정된 참조 정보로부터 상기 배터리에 대한 퇴화 정보를 산출하고, 미리 설정된 비선형 추정 모델에 기반하여 상기 퇴화 정보로부터 상기 배터리에 대한 SOH를 추정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 추정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
미리 설정된 선형 추정 모델에 기반하여 상기 배터리 정보로부터 참조 SOH를 추정하고, 상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 상기 참조 정보를 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 추정 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 가중치를 산출하고, 상기 퇴화 정보에 상기 가중치를 부가한 값을 상기 참조 정보로 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 추정 장치. - 제3항에 있어서,
상기 비선형 추정 모델은 비선형 칼만 필터로 구성되고,
상기 선형 추정 모델은 선형 칼만 필터로 구성되며,
상기 제어부는,
상기 가중치로서 상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 칼만 이득을 산출하고, 상기 퇴화 정보에 상기 칼만 이득을 부가한 값을 상기 참조 정보로 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 추정 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 SOH를 추정할 때마다 상기 퇴화 정보, 상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 상기 참조 정보를 업데이트하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 추정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 퇴화 정보를 처음 산출하는 경우, BOL 상태인 배터리의 퇴화 정보에 대응되도록 미리 설정된 기준값을 상기 참조 정보로 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 추정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 퇴화 정보로서 음극 부반응량, 양극 부반응량 및 전이 금속 용해량 중 적어도 하나를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 추정 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 SOH 추정 장치를 포함하는 배터리 팩.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 SOH 추정 장치를 포함하는 서버.
- 전압, 전류, 온도 및 SOC 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 정보를 획득하는 배터리 정보 획득 단계;
미리 설정된 퇴화 모델에 기반하여 상기 배터리 정보 및 미리 설정된 참조 정보로부터 상기 배터리에 대한 퇴화 정보를 산출하는 퇴화 정보 산출 단계; 및
미리 설정된 비선형 추정 모델에 기반하여 상기 퇴화 정보로부터 상기 배터리에 대한 SOH를 추정하는 SOH 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 추정 방법. - 제10항에 있어서,
상기 SOH 추정 단계 이후, 미리 설정된 선형 추정 모델에 기반하여 상기 배터리 정보로부터 참조 SOH를 추정하는 참조 SOH 추정 단계; 및
상기 SOH 및 상기 참조 SOH에 기반하여 상기 참조 정보를 설정하는 참조 정보 설정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 추정 방법.
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