WO2012091434A2 - 2차 전지의 잔존용량 연산 방법 및 장치 - Google Patents

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서동관
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한국과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for calculating a residual capacity of a secondary battery, and more particularly, to an electric vehicle driving a vehicle by using electric energy and a new and renewable industry driven by other electric energy.
  • a secondary battery applicable to devices such as photovoltaic devices, mobile devices (mobile phones, laptops, walkie-talkies), and other secondary batteries such as wired / wireless devices and industrial devices will be.
  • Batteries are indispensable in mobile devices, such as mobile phones, and other systems that require minimal power and have residual power.
  • the technological innovation and technology of automobiles using medium and large secondary batteries for the next generation automobile industry It is trying to improve.
  • the application of secondary battery batteries has been diversified, and thus their use and scope of application are growing. Therefore, the field of developing a battery operating device that can optimize, manage and operate a battery has also made a number of technological leaps with the development of secondary batteries.
  • FIG. 1 illustrates a battery management system (BMS) installed as a package in a battery device, the main function of which is to manage a plurality of batteries constituting the pack, as well as the battery status information, defect information, the value of each physical parameter Share and monitor to your users.
  • FIG. 2 shows logic and equations for calculating the remaining capacity (SOC) of the secondary battery, and initial battery state of charge by Boltzmann & Peukert equation based on open circuit voltage (OCV) after key on (S10). Derived (S30), and made through the process of returning through the charging and discharging process (S50 ⁇ S90).
  • the remaining capacity of the battery (SOC) is a measure of the available energy state of the secondary battery, and is an essential and important parameter for maintaining and managing battery and application system performance, along with the calculation and processing speed of various data. There is a situation.
  • the rechargeable secondary battery can be known through the remaining capacity index called the remaining capacity (SOC) of the battery.
  • SOC remaining capacity index
  • the issue of accuracy of SOC is getting more accurate with the recent growth of rechargeable battery industry, renewable energy industry and next-generation electric vehicle industry.
  • SOC has a characteristic that the exponent rapidly changes depending on the battery properties and the use environment.
  • the SOC is mostly calculated through main parameters such as current integration and open circuit voltage (OCV), such as the calculation method of Boltzmann & Peukert described above. Therefore, there is a problem that it is difficult to perform accurate calculation of the battery residual capacity (SOC) having a minimum error.
  • OCV open circuit voltage
  • the present invention has been devised to solve such a problem, and in the calculation and derivation of the remaining capacity of a secondary battery accurately, compensating the temperature and remaining life of the battery as compared to the existing method of the battery in a highly mature method with a minimum error It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for calculating the remaining capacity of a secondary battery capable of calculating the remaining capacity.
  • the remaining capacity value calculated by the open circuit voltage-based voltage value and current integration of the secondary battery Obtaining an average value and performing equalization;
  • the SOC in accurately calculating and deriving the remaining capacity of a secondary battery, can be calculated by a high-fidelity method having a minimum error by compensating the temperature and the remaining life of the battery compared to the existing method.
  • the accuracy of the remaining capacity of the battery, along with the logic for calculating the remaining life (SOH), as the core of the battery management system (BMS) logic can improve the overall logic completeness and technology of the battery management system.
  • BMS battery management system
  • SOC remaining capacity
  • FIG. 3 is a view showing a secondary battery remaining capacity calculation method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing a method for calculating a secondary battery remaining capacity according to an embodiment of the present invention.
  • a sensor Shunt or CT
  • a voltage sensor Shunt or CT
  • a temperature sensor thermostat
  • SOC battery residual capacity
  • OCV Open Circuit Voltage
  • the open circuit voltage (OCV) that is, is used as a very important parameter for determining the initial capacity value by reading the battery voltage value under no load. At the same time, it is calculated by matching the SOC value through the open circuit voltage (OCV).
  • the parameters and calculations are generally applied in the case of a charge / discharge state with little voltage fluctuation or no load (V_cell Vs. SOC).
  • Equation 1 shows a calculation method for checking whether the change is in a small stable range with respect to the voltage value of the open circuit voltage OCV and matching the SOC value of the open circuit voltage OCV when it is in a stable state.
  • Equation (3) is an equation representing the amount of current discharged to the currently stored capacity as an equation of the current integration during discharge of the battery.
  • Equation 4 divides the charge / discharge current integration value to the battery full charging capacity and converts the SOC value through a factor of 100.
  • an acceleration and deceleration operation is performed through two parameters that calculate a battery temperature and a battery remaining life (SOH) as the Minority parameter.
  • SOH battery remaining life
  • the SOC temperature compensation value can be applied with reference to a series of battery temperature characteristic maps.
  • the average temperature of the battery and the battery average voltage were defined as input parameters.
  • Equation 6 shows a series of processes for calculating the remaining battery life and calculating the SOC compensated in Equation 7 through the equation.
  • a Real SOC value may be calculated as shown in Equation 8 below.
  • OCV open circuit voltage

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Abstract

본 발명의 2차 전지의 잔존용량 연산 방법은 (a) 2차 전지의 개방회로전압 기반의 전압값과 전류 적산에 의해 연산된 잔존용량 값의 평균값을 구하여 이퀄라이징을 수행하는 단계; (b) 상기 2차 전지의 온도와 잔존수명을 연산하는 파라미터를 통해 가감 연산을 수행하는 단계; 및 (c) 상기 단계(a)에서 산출된 2차 전지의 잔존용량 값과 상기 단계(b)에서 연산된 값을 합산하여 실제 2차 전지 잔존용량 값을 도출하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 2차 전지의 잔존용량을 정확히 연산 및 도출하는데 있어 기존 방법 대비 전지의 온도 및 잔존수명을 보상함으로써 최소한의 오차를 갖는 완성도 높은 방법으로 SOC를 산출할 수 있다.

Description

2차 전지의 잔존용량 연산 방법 및 장치
본 발명은 2차 전지의 잔존용량 연산 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기에너지를 이용하여 차량을 구동하는 전기자동차 및 기타 전기에너지를 이용하여 구동하는 신재생 산업분야로써, 풍력발전기, 태양광 장치, 모바일 기기(휴대폰, 노트북, 무전기), 기타 2차 전지를 사용하여 동작하는 유/무선 기기와 산업기기 등의 장치에 적용할 수 있는 2차 전지의 잔존용량 연산 방법 및 장치에 관한 것이다.
배터리는 흔히 볼 수 있는 휴대폰과 같은 모바일 기기, 기타 최소한의 전원을 필요로 하고 잔여 전력을 구비해야 하는 시스템에 필수적으로 적용되어 있다. 최근 신재생 에너지 분야에서는 풍력, 파력, 태양광 시스템에도 안정된 전원 공급과 충전이 가능한 2차 전지 채택 및 활용이 급격화되고 있으며, 나아가 차세대 자동차 산업에도 중대형 2차 전지를 이용한 자동차의 기술혁신과 기술개선을 꾀하고 있다. 이러한 모든 산업 전반에 2차 전지 배터리의 응용이 다각화됨으로 더욱 쓰임새와 활용범위가 커지고 있다. 따라서 배터리를 최적화하여 관리하고 운용할 수 있는 배터리 운용장치를 개발하는 분야도 2차 전지의 기술발전과 함께 많은 기술 도약을 하게 되었다.
도 1은 배터리 장치에 팩키지로 설치되어 있는 배터리 관리 시스템(BMS)을 도시하였으며, 주요 기능은 팩을 구성하는 다수의 전지 관리를 위한 것으로, 전지 상태 정보는 물론, 결함정보, 각 물리적 파라미터의 값을 공유하고 사용자에게 모니터링한다. 도 2는 2차 전지의 잔존용량(SOC)을 산출하는 로직과 방정식을 나타낸 것으로, 키 온(Key on)(S10) 이후 개방회로전압(OCV)에 기초한 Boltzmann & Peukert 방정식에 의해 초기 배터리 충전상태를 도출(S30)되고, 충전과 방전 과정을 거쳐 복귀되는 과정(S50~S90)으로 이루어진다. 전지의 잔존용량(SOC)은 2차 전지의 가용 에너지 상태를 알 수 있는 척도가 되며, 여러 데이터의 연산, 처리속도와 함께 전지 및 응용 시스템 성능 유지, 관리를 위해 매우 필수적이며 중요한 파라미터로 부각되고 있는 실정이다.
즉, 충전이 가능한 2차 전지는 전지의 잔존용량(SOC)이라고 하는 잔존용량 지수를 통해 알 수 있다. SOC의 정확성의 문제는 최근 2차 전지 산업, 신재생 에너지 산업, 차세대 전기자동차 산업 등이 크게 성장하면서 그 정확성이 더욱 부각되고 있다. 그러나 SOC는 전지의 물성, 사용 환경에 따라 지수가 급격히 변하는 특성을 갖는다. 이는 전술한 Boltzmann & Peukert와 같은 연산 방법과 같이 전류적산, OCV(open circuit voltage) 와 같은 주요 파라미터를 통해 SOC를 산출하는 것이 대부분이다. 따라서, 최소한의 오차를 갖는 전지 잔존용량(SOC)의 정확한 연산을 수행하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 2차 전지의 잔존용량을 정확히 연산 및 도출하는데 있어 기존 방법 대비 전지의 온도 및 잔존수명을 보상함으로써 최소한의 오차를 갖는 완성도 높은 방법으로 전지의 잔종용량을 산출할 수 있도록 한 2차 전지의 잔존용량 연산 방법 및 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2차 전지의 잔존용량 연산 방법의 일 측면에 따르면, (a) 2차 전지의 개방회로전압 기반의 전압값과 전류 적산에 의해 연산된 잔존용량 값의 평균값을 구하여 이퀄라이징을 수행하는 단계; (b) 상기 2차 전지의 온도와 잔존수명을 연산하는 파라미터를 통해 가감 연산을 수행하는 단계; 및 (c) 상기 단계(a)에서 산출된 2차 전지의 잔존용량 값과 상기 단계(b)에서 연산된 값을 합산하여 실제 2차 전지 잔존용량 값을 도출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 2차 전지의 잔존용량을 정확히 연산 및 도출하는데 있어 기존 방법 대비 전지의 온도 및 잔존수명을 보상함으로써 최소한의 오차를 갖는 완성도 높은 방법으로 SOC를 산출할 수 있다.
또한, 2차 전지 잔존용량을 더욱 정확하게 나타냄으로써 전지와 기구구조의 설계 및 완성도 부분의 평가가 가능하고, 2차 전지 및 응용 시스템 활용, 유지/보수 측면에서 매우 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 전지의 잔존용량의 정확성은 잔존수명(SOH)를 연산하는 로직과 함께 해당 배터리 관리 시스템(BMS) 로직의 핵심으로써 배터리 관리 시스템 전체 로직 완성도 및 기술력을 향상시킬 수 있다.
또한, 상용화 배터리 관리 시스템 로직 기술을 선점하고 세계 배터리 관리 시스템 시장에서 경쟁력 향상을 극대화 할 수 있으며, 전지의 잔존용량(SOC) 로직 표준화를 꾀하는데 많은 도움이 될 수 있다.
도 1은 배터리 장치에 팩키지로 설치되어 있는 배터리 관리 시스템(BMS)을 나타내는 도면.
도 2는 2차 전지의 잔존용량(SOC)을 산출하는 로직과 방정식을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지 잔존용량 연산 방법을 나타내는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지 잔존용량 연산 방법을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템(BMS)에 구동 전원이 인가(S10)되어 활성화되면 전지의 충/방전 전류를 획득하는 센서(Shunt 또는 CT)와 전압 센서, 온도(thermostat) 센서가 초기화(S30)된다. 각각의 센서로부터 획득된 데이터값은 A/D 변환(S50)되어 BMS 제어기에서 디코딩(S70)된다.
전지 잔종용량(SOC)을 결정짓는 Majority 파라미터는 크게 2가지로 개방회로전압(Open Circuit Voltage: OCV) 기반 전압값과 전류 적산에 의해 연산된 값이다. 이 2가지 값을 평균을 취하여 이퀄라이징(Equalizing)을 수행(S90)한다. 이에 대한 연산 방법을 하기에서 보다 구체적으로 설명한다.
배터리 관리 시스템(BMS)의 활성화시 개방회로전압(Open Circuit Voltage: OCV) 즉, 무부하 상태에서 전지 전압값을 읽어들여 초기 용량값을 결정하는 매우 중요한 파라미터로 활용된다. 동시에 개방회로전압(OCV)을 통해 SOC 값으로 매칭하여 연산된다. 해당 파라미터와 연산은 일반적으로 전압변동이 적은 충/방전 상태 또는 무부하시에 반영한다.(V_cell Vs. SOC)
<수학식 1>
Figure PCTKR2011010194-appb-I000001
상기 수학식 1은 개방회로전압(OCV)의 전압값에 대해 변화가 미소한 안정된 범위에 있는지를 검사하고 안정된 상태에 있으면 개방회로전압(OCV)의 SOC값으로 매칭하는 연산방법을 나타낸다.
아래는 전류 적산에 의한 SOC값을 산출하는 것으로 기존 모든 SOC 산출 로직에 적용된 방법으로, 하기의 수학식 2는 전지의 충전시에 대한 식으로 기존 저장되어 있던 용량에 충전되고 있는 전류에 대한 적산으로 나타낸 식이며, 수학식 3은 전지의 방전시 전류 적산을 방정식으로 현재 저장된 용량에 방전된 전류량을 감하는 것을 나타낸 식이다.
<수학식 2>
Figure PCTKR2011010194-appb-I000002
<수학식 3>
Figure PCTKR2011010194-appb-I000003
하기의 수힉식 4는 충/방전 전류 적산이 종료된 값에 대해 배터리 풀 충전시(full charging) 용량으로 나누고 100의 팩터를 통해 SOC 값으로 환산한다.
<수학식 4>
Figure PCTKR2011010194-appb-I000004
이어서, 오차 누적을 최소화하기 위하여 Minority 파라미터로 전지 온도, 전지 잔존수명(SOH)을 연산하는 2가지 파라미터를 통해 가감 연산을 수행(S110)한다. 이에 대한 연산 방법을 하기에서 보다 구체적으로 설명한다.
하기의 수학식 5에서 산출된 SOC 값에 대한 보상 대책으로 전지 온도를 고려하는 연산 모듈을 정의한다. 일련의 전지 온도 특성맵을 참조하여 SOC 온도 보상값을 적용할 수 있다. 온도 특성 맵의 입력 파라미터는 전지의 평균 온도와 전지 평균 전압을 입력 파라미터로 정의하였다.
<수학식 5>
Figure PCTKR2011010194-appb-I000005
또한, 전지 온도 보상 외에 전지 잔존 수명 파라미터를 반영한 SOC 보상으로 충/방전 횟수에 비례하여 잔존 수명이 감소하는 특성을 갖는다. 하기의 수학식 6은 전지 잔존 수명을 연산하고 수학식 7에 보상된 SOC를 산출하는 일련의 과정을 방정식을 통해 나타내었다.
<수학식 6>
Figure PCTKR2011010194-appb-I000006
<수학식 7>
Figure PCTKR2011010194-appb-I000007
최종적으로 Majority 파라미터를 통해 산출된 전지 잔종용량(SOC) 값과 보상을 위한 Minority 파라미터를 통해 합산하여 Real SOC 값을 도출(S130)한다. 이에 대한 연산 방법을 하기에서 보다 구체적으로 설명한다.
전술한 4가지의 SOC 산출 및 보상 연산 모듈을 통해 하기의 수학식 8와 같이 Real SOC값을 산출할 수 있다. 그러나 개방회로전압(OCV)에 의한 SOC값 모듈의 전압이 불안정한 경우 수학식 7와 같이 전류적산된 SOC값과 평균을 취하지 않고 전류적산된 SOC값만을 적용하고 온도 및 잔존 수명 부분을 보상한다.
<수학식 8>
Figure PCTKR2011010194-appb-I000008
상기 잔존용량 산출 연산 모듈에 대한 로직을 무한 루프(loop)로 반복함으로 Real SOC값을 연속하여 갱신하고 알 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

  1. 2차 전지 잔존용량 연산 방법으로서,
    (a) 2차 전지의 개방회로전압 기반의 전압값과 전류 적산에 의해 연산된 잔존용량 값의 평균값을 구하여 이퀄라이징을 수행하는 단계;
    (b) 상기 2차 전지의 온도와 잔존수명을 연산하는 파라미터를 통해 가감 연산을 수행하는 단계; 및
    (c) 상기 단계(a)에서 산출된 2차 전지의 잔존용량 값과 상기 단계(b)에서 연산된 값을 합산하여 실제 2차 전지 잔존용량 값을 도출하는 단계를 포함하는 2차 전지 잔존용량 연산 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(b)에서,
    상기 2차 전지의 온도 특성맵을 참조하여 상기 2차 전지의 잔존용량 온도 보상값을 적용하는 단계를 포함하는
    것을 특징으로 하는 2차 전지 잔존용량 연산 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 2차 전지의 온도 특성맵의 입력 파라미터는 상기 2차 전지의 평균 온도와 평균 전압인
    것을 특징으로 하는 2차 전지 잔존용량 연산 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(b)에서,
    상기 2차 전지의 잔존수명은
    Figure PCTKR2011010194-appb-I000009
    에 의해 연산되는
    것을 특징으로 하는 2차 전지 잔존용량 연산 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 수학식에 의해 연산된 2차 전지의 잔존수명을 이용하여 보상된 상기 2차 전지의 잔존용량은
    Figure PCTKR2011010194-appb-I000010
    에 의해 산출되는
    것을 특징으로 하는 2차 전지 잔존용량 연산 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(c)에서,
    상기 실제 2차 전지 잔존용량 값은
    Figure PCTKR2011010194-appb-I000011
    에 의해 산출되는
    것을 특징으로 하는 2차 전지 잔존용량 연산 방법.
  7. 청구항 1의 방법에 의해 2차 전지의 잔존용량을 연산하는 2차 전지 잔존용량 연산 장치.
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