WO2012148070A1 - 배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법 Download PDF

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WO2012148070A1
WO2012148070A1 PCT/KR2012/000083 KR2012000083W WO2012148070A1 WO 2012148070 A1 WO2012148070 A1 WO 2012148070A1 KR 2012000083 W KR2012000083 W KR 2012000083W WO 2012148070 A1 WO2012148070 A1 WO 2012148070A1
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soh
battery
temperature
current
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PCT/KR2012/000083
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박규하
김철택
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주식회사 엘지화학
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for estimating a state of health (SOH), which is a parameter indicating a capacity decay of a battery. More specifically, the integrated current value for each SOH obtained from a current integration experiment of a battery having a known degree of actual degeneration is described. An apparatus and method for estimating the SOH of a battery using the same.
  • SOH state of health
  • an electric vehicle or a hybrid electric vehicle drives an automobile by using electric energy stored in a battery in an electric driving mode.
  • the battery used at this time is generally a secondary battery, deteriorates with repeated charge and discharge, and its performance is degraded. Therefore, in using the secondary battery, a technique for quantitatively evaluating the degree of capacity deterioration is required.
  • SOH is a parameter that quantitatively shows a change in the capacity characteristics of a battery due to an aging effect, and shows how much the capacity of the battery has deteriorated. Therefore, if the SOH is known, the battery can be replaced at an appropriate time, and the overcharge and overdischarge of the battery can be prevented by adjusting the charge / discharge capacity of the battery according to the usage period of the battery.
  • the SOH can be estimated by the internal resistance and temperature of the battery.
  • the battery capacity is measured by the internal resistance and temperature of the battery through the charge and discharge experiment.
  • the lookup table for SOH mapping is then obtained by relative digitizing the measured capacity relative to the initial capacity of the battery.
  • the SOH of the battery may be estimated by measuring the internal resistance and the temperature of the battery in an actual battery use environment and mapping the SOH corresponding to the internal resistance and the temperature from the lookup table.
  • the most important thing in the above-described SOH estimation method is how accurately the internal resistance of the battery can be obtained.
  • the internal resistance calculated by Ohm's law and the SOH estimated therefrom are not as reliable. have.
  • the IR drop phenomenon refers to a phenomenon in which the voltage changes rapidly when the battery is connected to the load to start discharging or when the battery starts charging from an external power source. That is, the battery voltage drops sharply when discharge starts, and the voltage rises sharply when charging starts.
  • SOH estimation methods are full discharge tests, chemical tests, and ohmic tests.
  • the full discharge test discharges the fully charged battery cell to the end and estimates the SOH by measuring the capacity of the battery cell. This method has the disadvantage of disturbing the operation of the system connected to the battery and wasting energy of the battery cells.
  • Chemical testing estimates SOH by measuring substrate corrosion and electrolyte concentration in lead acid batteries.
  • the ohmic test estimates SOH by measuring resistance, conductance, and impedance.
  • SOH estimating method satisfying the above requirements is a method of estimating the state of charge (SOC) of the battery by integrating the charge / discharge current of the battery and estimating the SOH using the estimated SOC.
  • This method has a limitation in that it is difficult to estimate reliable SOH because the accuracy of SOC used as basic data for SOH estimation becomes poor over time due to the continuous accumulation of measurement errors generated in measuring current.
  • SOH estimation method is a method of estimating SOH using a Kalman filter or an extended Kalman filter.
  • these methods use complex mathematical models to estimate SOH, which not only complicates the calculation process but also requires the high-performance central processor to implement the technology.
  • the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and aims to provide a simple and accurate SOH estimation apparatus and method.
  • Another object of the present invention is to provide an SOH estimating apparatus and method capable of easily and accurately estimating SOH by using an SOH-specific integrated current value obtained from a current accumulation experiment of a battery that knows the actual degree of degeneration during SOH estimation.
  • Still another object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating SOH, which can further improve the accuracy of SOH estimation by estimating arithmetic mean or weighted average of a plurality of SOH values estimated at different time points as SOH values at the present time point. It is.
  • the sensing unit for measuring the voltage and current of the battery in a predetermined charging voltage section;
  • a memory unit for storing the voltage measurement value and the current measurement value measured by the sensing unit, and the SOH-specific integrated current value obtained from an ampere counting experiment of a battery having a known degree of actual degeneration;
  • the controller calculates an integrated current value by integrating a current measurement value stored in the memory unit in the charging voltage section, and estimates an SOH value by mapping an SOH value corresponding to the integrated current value from the integrated current value for each SOH stored in the memory unit. It includes;
  • the controller may store the estimated SOH value in a memory unit and estimate the SOH value by averaging the estimated SOH value and a previous SOH value stored in the memory unit.
  • control unit stores the estimated SOH value in the memory unit, and weighted average of the estimated SOH value and the previous SOH value stored in the memory unit Large weight) to estimate the SOH value.
  • the charging voltage section preferably includes a voltage section of 3.7 V to 4 V.
  • the controller may output the estimated SOH value stored in the memory unit to the display device.
  • the sensing unit for measuring the voltage, current and temperature of the battery in a predetermined charging voltage section;
  • a memory unit configured to store the voltage measurement value, the current measurement value, and the temperature measurement value measured by the sensing unit, and the SOH-specific integrated current value according to the temperature obtained from the current integration experiment according to the temperature of the battery, which knows the actual degree of degeneration;
  • calculating an integrated current value by integrating the current measurement value stored in the memory unit in the charging voltage section, and calculating the integrated current value and the SOH value corresponding to the temperature of the battery from the integrated current value for each SOH according to the temperature stored in the memory unit.
  • a controller configured to estimate the SOH value by mapping.
  • the controller calculates an average temperature of the battery in a predetermined charging voltage section and maps the integrated current value and the SOH value corresponding to the average temperature from the integrated current value for each SOH according to the temperature stored in the memory unit.
  • the SOH value can be estimated.
  • Battery capacity deterioration estimation method for achieving the technical problem, (a) storing the accumulated current value for each SOH obtained from the current integration experiment of the battery knows the actual degree of degeneration; (b) measuring the voltage and current of the battery in a predetermined charging voltage section and storing the voltage measurement value and the current measurement value; (c) calculating an integrated current value by integrating the stored current measurement value in the charging voltage section; And (d) estimating an SOH value by mapping the integrated current value from the stored SOH-specific integrated current values.
  • a method for estimating battery capacity deterioration comprising: (a) storing an integrated current value for each SOH according to a temperature obtained from a current integration experiment of a battery having a known degree of actual degeneration; (b) measuring voltage, current, and temperature of the battery in a predetermined charging voltage section and storing the voltage measurement value, the current measurement value, and the temperature measurement value; (c) calculating an integrated current value by integrating the stored current measurement value in the charging voltage section; And (d) estimating the SOH value by mapping the integrated current value and the battery temperature from the integrated current value for each SOH according to the stored temperature.
  • capacity decay of a battery can be estimated without going through complicated calculations.
  • accurate estimation of battery capacity deterioration enables various applications, such as estimating battery replacement time.
  • by accurately estimating capacity deterioration and adjusting the charge / discharge capacity of the battery according to the capacity deterioration of the battery it is possible to further improve the safety of the battery by preventing overcharge and overdischarge.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a functional configuration of an apparatus for estimating battery capacity according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing a profile in which a charging voltage section according to an embodiment of the present invention is integrated with current measurement values in a voltage section of 3.7V to 4V.
  • FIG. 3 is a flowchart schematically illustrating a method for estimating battery capacity deterioration according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart schematically illustrating a method of estimating battery capacity deterioration according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an apparatus for estimating battery capacity according to an embodiment of the present invention.
  • a battery capacity deterioration estimating apparatus is connected between a battery 100 and a load 107, and includes a voltage sensing unit 101, a current sensing unit 103, and a sense resistor 104. And a control unit 105 and a memory unit 106.
  • the battery 100 includes one or more cells, and the type of the battery is not particularly limited.
  • the type of the load 107 is not particularly limited, and may be configured as a portable electronic device such as a video camera, a portable telephone, a portable PC, a PMP, or an MP3 player, a motor of an electric vehicle or a hybrid vehicle, a DC to DC converter, or the like. .
  • the voltage sensing unit 101 periodically measures the voltage of the battery and outputs the voltage measurement value to the control unit 105.
  • the voltage of the battery refers to the output voltage of the battery and is measured while the battery is being charged or discharged.
  • the voltage of the battery has a value between the discharge end voltage and the charge upper limit voltage.
  • the current sensing unit 103 measures the current flowing through the sense resistor 104 and outputs it to the control unit 105.
  • a charging current flows through the sense resistor 104, and conversely, when the battery 100 is discharged, a discharge current flows through the sense resistor 104.
  • the controller 105 receives the voltage measurement value of the battery output from the voltage sensing unit 101 and stores the measured voltage in the memory unit 106. In addition, the control unit 105 receives a battery current measurement value output from the current sensing unit 103 and stores it in the memory unit 106.
  • the memory unit 106 is formed of a mass storage medium such as a hard disk or a semiconductor device known in the art that can record and erase data such as RAM, ROM, EEPROM, and the like.
  • the memory unit 106 is previously stored in the SOH mapping table for estimating the SOH value through the mapping.
  • Table 1 below shows an example of the SOH mapping table.
  • the SOH mapping table includes an integrated current value for each SOH.
  • the integrated current value for each SOH is obtained through current integration experiments performed on a plurality of batteries having a known SOH value in a predetermined charging voltage section. For example, select 31 batteries whose SOH values are in the range of 70% to 100% and increase the SOH value by 70% to 1%, fully discharge each battery, and charge to the full charge voltage.
  • the current integration experiment is performed in the voltage section to obtain the integrated current value for each SOH.
  • the charging voltage section is set to a voltage section showing a stable change behavior of the charging voltage of the battery.
  • the charging voltage section may be set to include a voltage section of 3.7V to 4.0V.
  • the charging voltage section is only one embodiment and does not represent all of the technical spirit of the present invention, it should be understood that it is possible to set a variety of charging voltage section that can replace them at the time of the present application.
  • the current integration method is a method widely known in the art to which the present invention belongs, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the control unit 105 calculates an integrated current value by integrating the current measurement value of the battery with reference to the voltage measurement value and the current measurement value of the battery stored in the memory unit 106 and stores the calculated integrated current value in the memory unit 106. ).
  • the measured current value of the battery integrated for calculating the integrated current value is measured in a predetermined charging voltage section.
  • the charging voltage section is substantially the same as the voltage section in which the current is accumulated in the current integration experiment conducted for the configuration of the SOH mapping table.
  • the charging voltage section according to the exemplary embodiment of the present invention is a graph showing how the integrated current value is obtained by integrating the current measurement value in the voltage section of 3.7V to 4.0V.
  • the controller 105 estimates the SOH value by mapping the SOH value corresponding to the calculated integrated current value from the SOH-specific integrated current value stored in the memory unit 106. .
  • control unit 105 maps the SOH value corresponding to the integrated current value calculated in the predetermined charging voltage section by referring to the integrated current value for each SOH stored in the memory unit 106 (Table 1). You can simply estimate the SOH value of the battery.
  • the control unit 105 stores the SOH value estimated at the present time in the memory unit 106 and stores the average value of the estimated SOH value and the previous SOH value stored in the memory unit 106. It can be estimated from the SOH value of the battery. Since the SOH value of the battery does not change rapidly with time, estimating the average value of the previous SOH value and the current SOH value as the SOH value may solve the problem of sudden change of the SOH value due to unknown causes.
  • the controller 105 may estimate an arithmetic mean value of the SOH value estimated at the present time and the SOH values estimated in the past as the SOH value using Equation 1 below.
  • SOH n represents an SOH value estimated at the present time
  • SOH n-1 to SOH 1 represent SOH values estimated in the past.
  • the number of SOH values that can be considered in the calculation of the average SOH is appropriately controllable, and as the number of SOH values estimated in the past increases, the robustness to sudden changes in the SOH values is obtained.
  • the controller 105 may estimate the weighted average value of the SOH values estimated at the present time and the SOH values estimated in the past as SOH values using Equation 2 below.
  • SOH n an SOH value estimated at the present time
  • SOH n-1 to SOH 1 represent SOH values estimated in the past.
  • the number of SOH values that can be considered in the calculation of the weighted average SOH is appropriately controllable, and as the number of SOH values estimated in the past increases, the robustness against sudden changes in the SOH values is obtained.
  • a n-2 to A 1 may be set to 0. Even in this case, the tendency of the A k value remains the same as described above. For example, it is possible to give a relatively large value to A n-1 than A n. For example, values of 10 and 90 can be assigned to A n and A n-1 , respectively.
  • the controller 105 may output the estimated SOH value to an external display device.
  • the display device is not particularly limited as long as the display device can visually display the estimated SOH value.
  • the display device may be a liquid crystal display, an LCD display, an LED display, or the like.
  • the controller 105 may transmit the estimated SOH value to an external computing device through a network interface.
  • the external computing device may be a electronic device mounted in an automobile or a diagnosis device used to inspect the automobile.
  • the battery capacity deterioration estimation apparatus may further include a temperature sensing unit 103 to further use the temperature of the battery in the process of estimating the SOH value of the battery.
  • the temperature sensing unit 103 periodically measures the temperature of the battery and outputs the temperature measurement value to the control unit 105. Then, the controller 105 stores the temperature measurement value of the battery in the memory unit 106.
  • the SOH mapping table stored in the memory unit 106 may be modified as shown in Table 2 below.
  • the SOH mapping table has a data structure capable of mapping SOH values according to battery temperature.
  • This SOH mapping table can be obtained by performing the above-described current integration experiment while variously adjusting the temperature of the battery.
  • the controller 105 calculates an integrated current value in a predetermined charging voltage section according to the above-described method, and then refers to the SOH lookup table stored in the memory unit 106.
  • the SOH value corresponding to the calculated integrated current value may be mapped from the SOH-specific integrated current value corresponding to the temperature measurement value of the battery to estimate the SOH value at the present time.
  • the control unit 105 may estimate the SOH value as an average value of the plurality of SOH values by using Equation 1 or 2 described above.
  • the controller 105 may calculate the average temperature of the battery in the charging voltage section and estimate the SOH value using the average temperature. have. Since the SOH value of the battery depends on the temperature of the battery, the SOH value can be estimated more accurately by considering the temperature.
  • the controller 105 may be configured as a microprocessor capable of executing code programmed with the method for estimating battery capacity deterioration according to the present invention, and may include a logic circuit implementing the control flow of the method for estimating battery capacity deterioration according to the present invention. It can also be configured as a chip, but the present invention is not limited thereto.
  • the battery capacity deterioration estimating apparatus according to the present invention described above may be used in combination with a battery pack driving device which is powered from a battery pack.
  • the present invention may be included and used in various electronic products that receive a driving voltage from a battery, such as a laptop, a mobile phone, and a personal portable multimedia player.
  • the present invention may be used in combination with various power units equipped with batteries such as fossil fuel vehicles, electric vehicles, hybrid vehicles, and electric bicycles.
  • the battery capacity deterioration estimating apparatus may be included in a battery management system (BMS) that controls charging and discharging of a battery pack and protects the battery pack from overcharging or overdischarging.
  • BMS battery management system
  • the battery capacity deterioration estimating apparatus can be included in a battery pack and used.
  • the controller 105 stores the integrated current value for each SOH in the memory unit (S10). Since the method and data structure of acquiring the integrated current value for each SOH have been described in detail with reference to Table 1, repeated description thereof will be omitted.
  • the control unit 105 may be linked with an interface that can receive the SOH integrated current value.
  • the interface may be a data communication interface, but the present invention is not limited thereto.
  • the control unit 105 determines whether the charging mode of the battery is in progress above the lower limit voltage of the predetermined charging voltage section (S20). If it is determined that the charging mode of the battery is in progress (YES in S20), the controller 105 measures the voltage and current of the battery and stores the voltage measurement value and the current measurement value of the battery in the memory unit 106. (S30). On the other hand, if it is determined that the charging mode of the battery is not in progress (NO in S20), the controller 105 ends the estimation process of the SOH value.
  • Step S30 is preferably repeated periodically during the charging of the battery in a predetermined charging voltage section, for example, a voltage section including 3.7V to 4.0V. To this end, the controller 105 proceeds to step S30 and then determines whether the charging voltage of the battery exceeds the upper limit of the predetermined charging voltage section (S40).
  • a predetermined charging voltage section for example, a voltage section including 3.7V to 4.0V.
  • step S40 If the voltage of the battery does not exceed the upper limit of the predetermined charging voltage section (NO in S40), the controller 105 proceeds to step S30 to display the voltage measurement value and the current measurement value of the battery in the memory unit 106. Retry the operation to save.
  • the controller 105 calculates an integrated current value by integrating the current measurement value measured in the predetermined charging voltage section (S50).
  • the controller 105 maps the SOH value corresponding to the calculated integrated current value with reference to the integrated current value for each SOH stored in the memory unit 106 to map the SOH value at the present time for the battery. It is estimated (S60). For example, when the integrated current value is 16.89mAh, the SOH value is estimated to 97% (see Table 1).
  • the controller 105 may estimate the SOH value at the current time for the battery as the average value of the SOH value estimated at the present time and the previously estimated SOH value. In this case, since the method of calculating the average value has been described above with reference to Equations 1 and 2, repeated description thereof will be omitted.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of estimating battery capacity deterioration according to another embodiment of the present invention.
  • the controller 105 estimates the SOH value of the battery in consideration of the integrated current value calculated in the predetermined charging voltage section and the temperature of the battery.
  • the controller 105 stores the integrated current value for each SOH according to the temperature in the memory unit 106 (P10).
  • the method and data structure of acquiring the integrated current value for each SOH according to temperature have been described with reference to Table 2, and thus repetitive description thereof will be omitted.
  • the control unit 105 determines whether or not the charging mode of the battery proceeds above the lower limit voltage of the predetermined charging voltage section (P20); Measuring voltage, current, and temperature of the battery and storing the voltage measurement value, the current measurement value, and the temperature measurement value in the memory unit 106 when the battery charging mode is in progress (P30); Determining whether the voltage of the battery exceeds the upper limit of the predetermined charging voltage (P40); Repeatedly storing the voltage measurement value, the current measurement value, and the temperature measurement value of the battery in the memory unit 106 when the charging voltage of the battery does not exceed the upper limit of the predetermined charging voltage (NO in P40); When the voltage of the battery exceeds the upper limit of the predetermined charging voltage, the integrated current value is calculated by integrating the stored current measurement value in the charging voltage section (P50).
  • the steps P20 to P50 are substantially the same as the above steps S20 to S50 except that the temperature measurement value of the battery is stored in the memory unit 106.
  • the controller 105 maps the calculated integrated current value and the SOH value corresponding to the battery temperature by referring to the integrated current value for each SOH according to the temperature stored in the memory unit 106.
  • the battery temperature is not constant in the charging voltage section, it is preferable to use the average temperature of the temperature measurement value obtained in the charging voltage section of the battery.
  • the controller 105 may estimate the SOH value of the current time point for the battery as an average value of the SOH value estimated at the present time point and the previously estimated SOH value.
  • the method of calculating the average value since the method of calculating the average value has been described above with reference to Equations 1 and 2, repeated description thereof will be omitted.
  • the method may be embodied in computer-implemented processes and apparatus for implementation.
  • the method may also be implemented by storing computer program code on a floppy diskette, CD-ROM, hard drive, or any form of computer readable storage device.
  • the computer is a device for executing the method by the computer program code contained in the storage device is read and executed by the computer.
  • the method may also be embodied in the form of data signals transmitted to storage devices or conductors, cables, optical fibers, electromagnetic waves, or the like, which are read and executed by a computer. In this case, the computer receives the storage device or the data signal and is read and executed by the computer to implement the method.
  • Table 3 below compares the actual experimental data with the case of calculating the expected integrated current value according to SOH using the above experimental results.
  • 26.88091Ah which is an integrated current value of a battery having SOH of 100%, is set as a reference value. Then, multiply each SOH by the reference value to calculate an expected integrated current value according to SOH. This calculation method is based on the premise that the integrated current value decreases at a constant rate in accordance with SOH in the voltage section.
  • the integrated current value and the actual integrated current value calculated according to the reference value are different from each other. Specifically, when the SOH is 98%, 97%, the error is not relatively large, but when the SOH is 77%, 72% it can be seen that the error is larger. Since the decrease in capacity due to the deterioration of the battery does not occur at a constant rate in all voltage sections, an error occurs as described above. In addition, it can be seen that as the SOH decreases, the error becomes larger.
  • Table 4 below compares the estimated SOH and the actual SOH based on a simple ratio between the reference value and the actual integrated current value.
  • SOH estimation based on a simple ratio is obtained by dividing the integrated current value by a reference value and estimating the ratio as SOH.
  • the present invention described above it is possible to estimate the capacity decay of the battery without going through a complicated calculation, unlike the prior art.
  • the estimation of the capacity deterioration of the battery using the actual experimental data has high reliability, and thus various applications such as estimation of the replacement time of the battery are possible.
  • by controlling the charge and discharge capacity of the battery according to capacity deterioration it is possible to prevent overcharging and overdischarging, thereby further improving the safety of the battery.
  • each component of the battery capacity deterioration estimating apparatus of the present invention shown in FIG. 1 or the like should be understood as logically divided components rather than physically divided components.
  • each configuration corresponds to a logical component in order to realize the technical idea of the present invention, so that even if each component is integrated or separated, if the function performed by the logical configuration of the present invention can be realized, It should be construed that it is within the scope, and that components that perform the same or similar functions should be construed as being within the scope of the present invention regardless of whether their names are consistent.

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Abstract

본 발명은 배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값 및 전류 측정값과 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 (Ampere counting) 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 및 상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 SOH(State Of Health)별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함한다.

Description

배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법
본 발명은 배터리의 용량 퇴화를 나타내는 파라미터인 SOH(State Of Health)를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 이용하여 배터리의 SOH를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2011년 4월 25일자로 출원된 대한민국 특허출원 제 10-2011-0038545호 및 2012년 1월 4일자로 출원된 대한민국 특허출원 제10-2012-0000865에 기초한 우선권을 주장하며, 이들 출원의 명세서 및 도면에 기재된 모든 사항은 본 출원에 원용된다.
일반적으로 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차(이하, 이들 자동차를 전기 구동 자동차라 함)는 전기 구동 모드에서 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 자동차를 구동시킨다.
이때 이용되는 배터리는 일반적으로 2차 전지로서 충방전을 반복함에 따라 퇴화되어 그 성능이 저하된다. 따라서 2차 전지를 사용함에 있어서는 용량의 퇴화 정도를 정량적으로 평가하는 기술이 필요하다.
SOH는 시효(aging) 효과로 인한 배터리의 용량 특성 변화를 정량적으로 나타내주는 파라미터로서, 배터리의 용량이 어느 정도 퇴화되었는지를 알 수 있도록 해 준다. 따라서 SOH를 알면 적절한 시점에 배터리를 교체할 수 있고, 배터리의 사용 기간에 따라 배터리의 충방전 용량을 조절하여 배터리의 과충전과 과방전을 방지할 수 있다.
배터리 용량 특성의 변화는 배터리의 내부저항 변화에 반영되므로, SOH는 배터리의 내부저항과 온도에 의해 추정이 가능한 것으로 알려져 있다. 즉 충방전 실험을 통해 배터리의 내부저항과 온도별로 배터리의 용량을 측정한다. 그런 다음 배터리의 초기 용량을 기준으로 상기 측정된 용량을 상대 수치화함으로써 SOH 맵핑을 위한 룩업 테이블을 얻는다. 그러고 나서, 실제 배터리 사용 환경에서 배터리의 내부저항과 온도를 측정하고 상기 룩업 테이블로부터 내부저항과 온도에 대응되는 SOH를 맵핑하면 배터리의 SOH를 추정할 수 있다.
그런데 상술한 SOH 추정 방법에서 가장 중요한 것은 얼마나 정확하게 배터리의 내부저항을 구할 수 있는가 이다. 하지만 배터리의 충방전 과정에서 배터리의 내부저항을 직접 측정하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 통상적으로는 배터리의 전압과 충방전 전류를 측정하여 오옴의 법칙에 의해 배터리 내부저항을 간접적으로 계산한다. 그런데 배터리의 전압은 IR 드롭 효과에 의해 실제 전압과 오차를 보이고 배터리의 전류 또한 측정 오차를 가지므로 단순히 오옴의 법칙에 의해 계산된 내부저항과 이로부터 추정된 SOH는 그 만큼 신뢰성이 떨어진다는 한계가 있다.
참고로, IR 드롭 현상은 배터리가 부하에 연결되어 방전이 시작되거나 외부전원으로부터 배터리의 충전이 시작될 때 전압이 급격하게 변하는 현상을 말한다. 즉, 방전이 시작될 때에는 배터리 전압이 급격하게 떨어지고, 충전이 시작될 때에는 전압이 급격하게 올라간다.
SOH 추정 방법의 다른 예로 완전방전테스트, 화학적 테스트 및 옴 테스트가 있다. 완전방전테스트는 완충된 배터리 셀을 끝까지 방전시켜 배터리 셀의 용량을 측정하여 SOH를 추정한다. 이 방법은 배터리에 연결된 시스템의 동작을 방해하고, 배터리 셀의 에너지를 낭비하는 단점이 있다. 화학적 테스트는 납축전지의 기판부식과 전해액의 농도를 측정하여 SOH를 추정한다. 옴 테스트는 저항, 컨덕턴스와 임피던스를 측정하여 SOH를 추정한다. 이 방법들은 배터리에 대해 침습적인 측정이 요구되는 단점이 있다. 따라서 2차 전지가 실제 사용되는 전기 구동 자동차 등의 경우 시스템을 방해하지 않고, 배터리의 에너지 낭비도 없으며, 비침습적 방법이 필요하다.
상기 요건을 만족하는 SOH 추정 방법의 다른 예로는, 배터리의 충방전 전류를 적산하여 배터리의 SOC(State Of Charge)를 추정하고 추정된 SOC를 사용하여 SOH를 추정하는 방법이 있다. 이 방법은 전류를 측정하는 과정에서 발생되는 측정 오차가 계속적으로 누적되어 시간이 지남에 따라 SOH 추정의 기초 데이터로 사용되는 SOC의 정확도가 떨어져 결국 신뢰성 있는 SOH의 추정이 어렵다는 한계가 있다.
SOH 추정 방법의 또 다른 예로는, 칼만 필터나 확장 칼만 필터를 사용하여 SOH를 추정하는 방법이 있다. 하지만 이러한 방법은 복잡한 수학적 모델을 사용하여 SOH를 추정하므로 계산 과정이 복잡할 뿐만 아니라 기술 구현을 위해서는 높은 사양의 중앙연산처리기가 필요하다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 간단하면서도 정확도가 높은 SOH 추정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, SOH 추정 시 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 이용함으로써 간단하면서도 정확하게 SOH를 추정할 수 있는 SOH 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다른 시점에 추정된 복수의 SOH값에 대한 산술평균 또는 가중평균을 현재 시점의 SOH값으로 추정함으로써 SOH 추정의 정확도를 보다 향상시킬 수 있는 SOH 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값 및 전류 측정값과, 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산(Ampere Counting) 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값를 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제어부는 상기 추정된 SOH값을 메모리부에 저장하고 상기 추정된 SOH값과 메모리부에 저장된 이전의 SOH값을 평균하여 SOH값을 추정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 추정된 SOH값을 상기 메모리부에 저장하고 상기 추정된 SOH값과 상기 메모리부에 저장된 이전의 SOH값을 가중평균(추정 시점이 빠른 SOH값일수록 큰 가중치를 부여)하여 SOH값을 추정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 충전전압구간은 3.7 V 내지 4 V의 전압 구간을 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 메모리부에 저장된 추정된 SOH값을 표시장치에 출력할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값과, 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 온도에 따른 전류 적산 실험으로부터 얻은 온도에 따른 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 및 상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값를 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 배터리의 온도에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 제어부는 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 평균 온도를 계산하여 상기 메모리부에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 평균 온도에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, (a) 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 저장하는 단계; (b) 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하여 전압 측정값과 전류 측정값을 저장하는 단계; (c) 상기 충전전압구간에서 상기 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계; 및 (d) 상기 저장된 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법은, (a) 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 온도에 따른 SOH별 적산전류값을 저장하는 단계; (b) 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하여 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 저장하는 단계; (c) 상기 충전전압구간에서 상기 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계; 및 (d) 상기 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 배터리 온도를 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 복잡한 계산을 거치지 않고도 배터리의 용량 퇴화를 추정할 수 있다. 또한 정확한 배터리 용량 퇴화의 추정으로 배터리 교체 시기 추정 등 다양한 응용이 가능하다. 나아가 용량 퇴화를 정확하게 추정하여 배터리의 용량 퇴화에 따라 배터리의 충방전 용량을 조절함으로써 과충전과 과방전을 방지하여 배터리의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 용량 퇴화 추정 장치의 기능적 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전전압구간이 3.7V ~ 4V의 전압구간에서 전류 측정값을 적산한 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치의 구성을 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는, 배터리(100)와 부하(107) 사이에 연결되며, 전압 센싱부(101), 전류 센싱부(103), 센스 저항(104), 제어부(105) 및 메모리부(106)를 포함한다.
상기 배터리(100)는 하나 이상의 셀을 포함하는 것으로 배터리의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 재충전이 가능하고 충전상태를 고려해야 하는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
상기 부하(107)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 비디오 카메라, 휴대용 전화기, 휴대용 PC, PMP, MP3플레이어 등과 같은 휴대용 전자기기, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 모터, DC to DC 컨버터 등으로 구성할 수 있다.
상기 전압 센싱부(101)는 주기적으로 배터리의 전압을 측정하여 전압 측정값을 제어부(105)로 출력한다. 배터리의 전압은 배터리의 출력 전압을 의미하며, 배터리의 충전 또는 방전이 이루어지고 있는 동안 측정된다. 배터리의 전압은 방전 종지 전압과 충전 상한 전압의 사이 값을 가진다.
상기 전류 센싱부(103)는 센스 저항(104)을 통해 흐르는 전류를 측정하여 제어부(105)로 출력한다. 배터리(100)가 충전될 때에는 상기 센스 저항(104)에 충전 전류가 흐르고, 반대로 배터리(100)가 방전될 때에는 상기 센스 저항(104)에 방전 전류가 흐른다.
상기 제어부(105)는 상기 전압 센싱부(101)로부터 출력되는 배터리의 전압 측정값을 입력 받아 메모리부(106)에 저장한다. 또한 상기 제어부(105)는 상기 전류 센싱부(103)로부터 출력되는 배터리 전류 측정값을 입력 받아 메모리부(106)에 저장한다. 상기 메모리부(106)는 RAM, ROM, EEPROM등 데이터를 기록하고 소거할 수 있다고 알려진 공지의 반도체 소자나 하드 디스크와 같은 대용량 저장매체로 이루어진다.
한편, 상기 메모리부(106)에는 맵핑을 통해 SOH값을 추정할 수 있는 SOH 맵핑 테이블이 미리 저장되어 있다. 하기 표 1은 SOH 맵핑 테이블의 일 예를 나타낸 것이다.
표 1
Figure PCTKR2012000083-appb-T000001
상기 SOH 맵핑 테이블은 SOH별 적산전류값을 포함한다. 상기 SOH별 적산전류값은 미리 정해진 충전전압구간에서 SOH값을 알고 있는 다수의 배터리에 대해 수행한 전류 적산 실험을 통해 얻는다. 예를 들어 SOH값이 70% 내지 100%의 범위에 속하고 SOH값이 70%부터 1%씩 증가하는 31개의 배터리를 선정하고 각 배터리를 만방전시킨 후 만충전 전압까지 충전을 시키면서 미리 정해진 충전전압구간에서 전류 적산 실험을 수행하여 SOH별 적산전류값을 얻는다.
바람직하게, 상기 충전전압구간은 배터리의 충전전압이 안정적인 변화 거동을 보여주는 전압구간으로 설정한다. 일 예로, 상기 충전전압구간은 3.7V 내지 4.0V의 전압구간이 포함되도록 설정할 수 있다.
한편, 상기 충전전압구간은 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 충전전압구간 설정이 가능함을 이해하여야 한다. 또한, 전류 적산법은 본 발명이 속한 기술분야에서 널리 알려진 방법으로 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.
상기 제어부(105)는 상기 메모리부(106)에 저장된 배터리의 전압 측정값과 전류 측정값을 참조하여 배터리의 전류 측정값을 적산함으로써 적산전류값을 산출하고 산출된 적산전류값을 메모리부(106)에 저장한다. 여기서, 적산전류값의 산출을 위해 적산되는 배터리의 전류 측정값은 미리 정해진 충전전압구간에서 측정된 것에 한하는 것이 바람직하다. 상기 충전전압구간은 상기 SOH 맵핑 테이블의 구성을 위해 실시한 전류 적산 실험에서 전류를 적산했던 전압구간과 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.
도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전전압구간이 3.7V ~ 4.0V의 전압구간에서 전류 측정값을 적산하여 적산 전류값을 얻는 모습을 그래프화 한 것이다.
상기 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간에서 적산전류값이 산출되면 메모리부(106)에 저장된 SOH별 적산전류값으로부터 상기 산출된 적산전류값에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정한다.
즉, 상기 제어부(105)는 메모리부(106)에 저장된 SOH별 적산전류값(상기 표1)을 참조하여 미리 정해진 충전전압구간에서 산출한 적산전류값에 대응되는 SOH값을 맵핑함으로써 복잡한 계산 과정 없이 간단하게 배터리의 SOH값을 추정 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(105)는 현재 시점에서 추정한 SOH값을 메모리부(106)에 저장하고, 상기 추정된 SOH값과 메모리부(106)에 저장된 이전 SOH값의 평균값을 배터리의 SOH값으로 추정할 수 있다. 배터리의 SOH값은 시간에 따라 급격하게 변하지 않으므로 이전 SOH값과 현재 SOH값의 평균값을 SOH값으로 추정하면 알 수 없는 원인에 의해 SOH값이 갑작스럽게 변화되는 문제를 해결할 수 있다.
일 예로, 상기 제어부(105)는 하기 수학식1을 사용하여 현재 시점에서 추정된 SOH값과 과거에 추정된 SOH값들의 산술 평균 값을 SOH값으로 추정할 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2012000083-appb-M000001
상기 수학식1에서, SOHn은 현재 시점에서 추정된 SOH값을 나타내고, SOHn-1부터 SOH1은 과거에 추정된 SOH값들 나타낸다. 평균 SOH의 산출 시 고려될 수 있는 SOH값들의 수는 적절하게 조절 가능하며, 과거에 추정된 SOH값들의 수가 증가할수록 SOH값의 갑작스런 변화에 대한 강인성(robustness)을 갖는다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(105)는 하기 수학식2를 사용하여 현재 시점에서 추정된 SOH값과 과거에 추정된 SOH값들의 가중 평균 값을 SOH값으로 추정할 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2012000083-appb-M000002
상기 수학식2에서, SOHn은 현재 시점에서 추정된 SOH값을 나타내고, SOHn-1부터 SOH1은 과거에 추정된 SOH값들 나타낸다. 가중평균 SOH의 산출 시 고려될 수 있는 SOH값들의 수는 적절하게 조절 가능하며, 과거에 추정된 SOH값들의 수가 증가할수록 SOH값의 갑작스런 변화에 대한 강인성(robustness)을 갖는다. Ak는 k값이 증가할 수록 감소하는 경향을 가진다. 예를 들어 n=100인 경우, Ak값은 100부터 시작하여 k 값이 증가하면서 1씩 감소하는 값을 가질 수 있다. 대안적인 예에서, 상기 수학식 2에서 An-2 내지 A1은 0으로 설정할 수 있다. 이런 경우에도 Ak값의 경향성은 상기한 바와 동일하게 유지된다. 예를 들어 An 보다 An-1에 상대적으로 큰 값을 부여할 수 있다. 예를 들어 An와 An-1에 각각 10 및 90의 값을 부여할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(105)는 추정된 SOH값을 외부의 표시장치로 출력할 수 있다. 상기 표시장치는 추정된 SOH값을 시각적으로 표시할 수 있는 수단이라면 특별히 제한하지 않는다. 일 예로, 상기 표시 장치는 액정 디스플레이, LCD 디스플레이, LED 디스플레이 등일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(105)는 추정된 SOH값을 네트워크 인터페이스를 통하여 외부의 컴퓨팅 장치에 전송할 수 있다. 상기 배터리(100)가 전기 자동차에 장착된 배터리인 경우, 상기 외부의 컴퓨팅 장치는 자동차에 탑재된 전장 컴퓨터 또는 자동차의 점검에 사용되는 다이어그노시스(diagnosis) 장치일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는 배터리의 SOH값을 추정하는 과정에서 배터리의 온도를 추가로 이용하기 위해 온도 센싱부(103)를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 센싱부(103)는 주기적으로 배터리의 온도를 측정하여 온도 측정값을 제어부(105)로 출력한다. 그러면, 상기 제어부(105)는 배터리의 온도 측정값을 메모리부(106)에 저장한다.
SOH값의 추정 시 배터리의 온도가 이용될 경우, 상기 메모리부(106)에 저장된 SOH 맵핑 테이블은 다음 표2와 같이 변형이 가능하다.
표 2
Figure PCTKR2012000083-appb-T000002
상기 표2를 참조하면, SOH 맵핑 테이블은 배터리 온도에 따라 SOH값을 맵핑할 수 있는 데이터 구조를 가진다. 이러한 SOH 맵핑 테이블은 배터리의 온도를 다양하게 조절하면서 상술한 전류 적산 실험을 수행하여 얻을 수 있다.
SOH값의 추정 시 배터리의 온도가 이용될 경우, 상기 제어부(105)는 상술한 방식에 따라 미리 정해진 충전전압구간에서 적산전류값을 산출한 후 메모리부(106)에 저장된 SOH 룩업 테이블을 참조하여 배터리의 온도 측정값에 해당하는 SOH별 적산전류값으로부터 상기 산출된 적산전류값에 대응되는 SOH값을 맵핑하여 현재 시점의 SOH값을 추정할 수 있다. 물론, 이 경우에도, 상기 제어부(105)는 상술한 수학식1 또는 2를 이용하여 복수의 SOH값에 대한 평균값으로 SOH값을 추정할 수 있음은 자명하다.
한편, 배터리의 온도가 적산전류값이 산출된 충전전압구간에서 일정한 값을 가지지 않는 경우 상기 제어부(105)는 충전전압구간에서 배터리의 평균 온도를 산출하고 평균 온도를 이용하여 SOH값을 추정할 수 있다. 배터리의 SOH값은 배터리의 온도에 의해 달라지므로 온도를 고려하여 SOH값을 추정하면 더욱 정확한 SOH값 추정이 가능하다.
상기 제어부(105)는 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 프로그램한 코드를 실행할 수 있는 마이크로프로세서로 구성할 수도 있고, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법의 제어 흐름을 논리 회로로 구현한 반도체 칩으로도 구성할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상술한 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는 배터리 팩으로부터 전원을 공급받는 배터리 팩 구동 장치에 결합되어 사용될 수 있다.
일 예로, 본 발명은 노트북, 휴대폰, 개인 휴대용 멀티미디어 재생기와 같이 배터리로부터 구동 전압을 공급받는 각종 전자 제품에 포함되어 사용될 수 있다.
다른 예로, 본 발명은 화석연료 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거와 같이 배터리가 탑재된 각종 동력 장치에 결합되어 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는 배터리 팩의 충방전을 제어하고 과충전 또는 과방전 등으로부터 배터리 팩을 보호하는 배터리 관리 장치(Battery Management System; BMS)에 포함되어 사용될 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치는 배터리 팩 내에 포함되어 사용될 수 있다.
다음으로, 상술한 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 이용한 배터리 용량 퇴화 추정 방법을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법의 흐름을 도시한 순서도이다. 먼저, 제어부(105)는 SOH별 적산전류값을 메모리부에 저장한다(S10). 상기 SOH별 적산전류값의 획득 방법과 데이터 구조에 대해서는 표1을 참조하여 상세하게 설명하였으므로 반복적인 설명은 생략한다. 한편, 단계 S10의 수행을 위해, 상기 제어부(105)는 SOH별 적산전류값을 입력 받을 수 있는 인터페이스와 연동될 수 있다. 상기 인터페이스는 데이터 통신 인터페이스일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간의 하한 전압 이상에서 배터리의 충전모드가 진행되고 있는지 여부를 판단한다(S20). 만약, 배터리의 충전모드가 진행되고 있는 것으로 판단되면(S20의 YES), 제어부(105)는 배터리의 전압과 전류를 측정하여 배터리의 전압 측정값과 전류 측정값을 메모리부(106)에 저장한다(S30). 반면, 배터리의 충전모드가 진행되지 않는 것으로 판단되면(S20의 NO), 제어부(105)는 SOH값의 추정 프로세스를 종료한다.
단계 S30은, 미리 정해진 충전전압구간, 예컨대 3.7V 내지 4.0V를 포함하는 전압구간에서 배터리의 충전이 이루어지는 동안 주기적으로 반복되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제어부(105)는 S30 단계를 진행한 다음 배터리의 충전전압이 상기 미리 정해진 충전전압구간의 상한을 초과하였는지 판단한다(S40).
만약, 배터리의 전압이 상기 미리 정해진 충전전압구간의 상한을 초과하지 않았다면(S40의 NO), 제어부(105)는 프로세스를 S30 단계로 이행하여 배터리의 전압 측정값과 전류 측정값을 메모리부(106)에 저장하는 동작을 다시 진행한다.
반면, 배터리의 전압이 상기 미리 정해진 충전전압구간의 상한을 초과하면, 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간에서 측정된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출한다(S50).
적산전류값이 산출되면, 제어부(105)는 메모리부(106)에 저장된 SOH별 적산전류값을 참조하여 상기 산출된 적산전류값에 대응되는 SOH값을 맵핑함으로써 배터리에 대한 현재 시점의 SOH값을 추정한다(S60). 일 예로, 적산전류값이 16.89mAh인 경우 SOH값을 97%로 추정한다(표1 참조).
단계 S60의 대안으로서, 제어부(105)는 현재 시점에서 추정된 SOH값과 이전에 추정된 SOH값의 평균값으로 배터리에 대한 현재 시점의 SOH값을 추정할 수 있다. 이 때, 상기 평균값을 산출하는 방식은 수학식1 및 2를 참조하여 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 방법의 흐름을 도시한 순서도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간에서 산출한 적산전류값과 배터리의 온도를 함께 감안하여 배터리의 SOH값을 추정한다.
이를 위해, 제어부(105)는 온도에 따른 SOH별 적산전류값을 메모리부(106)에 저장한다(P10). 온도에 따른 SOH별 적산전류값의 획득 방법과 데이터 구조에 대해서는 표2를 참조하여 설명한 바 있으므로 반복적인 설명은 생략한다.
다음으로, 제어부(105)는 미리 정해진 충전전압구간의 하한 전압 이상에서 배터리의 충전모드가 진행되는지 여부를 판별하는 단계(P20); 배터리의 충전모드가 진행되고 있으면 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하여 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 메모리부(106)에 저장하는 단계(P30); 배터리의 전압이 미리 정해진 충전전압의 상한을 초과하였는지 여부를 판별하는 단계(P40); 배터리의 충전전압이 미리 정해진 충전전압의 상한을 초과하지 않은 경우 배터리의 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 메모리부(106)에 저장하는 단계를 반복 수행하는 단계(P40의 NO); 상기 배터리의 전압이 미리 정해진 충전전압의 상한을 초과하는 경우 상기 충전전압구간에서 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계(P50)를 수행한다.
여기서, 상기 P20 단계 내지 P50 단계는 배터리의 온도 측정값이 메모리부(106)에 저장된다는 점만 제외하면 상술한 S20 단계 내지 S50 단계와 실질적으로 동일하다.
상기 적산전류값이 산출되면, 제어부(105)는 메모리부(106)에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값을 참조하여 상기 산출된 적산전류값과 배터리 온도에 대응되는 SOH값을 맵핑함으로써 현재 시점의 배터리에 대한 SOH값을 추정한다(P60). 일 예로, 배터리의 온도가 20도이고, 적산전류값이 12.53mAh인 경우 SOH값을 72%로 추정한다(표2 참조). 한편, 배터리 온도가 상기 충전전압구간에서 일정하지 않은 경우 배터리의 온도는 상기 충전전압구간에서 얻은 온도 측정값의 평균 온도를 사용하는 것이 바람직하다.
단계 P60의 다른 대안으로, 제어부(105)는 현재 시점에서 추정된 SOH값과 이전에 추정된 SOH값의 평균값으로 배터리에 대한 현재 시점의 SOH값을 추정할 수 있다. 이 때, 상기 평균값을 산출하는 방식은 수학식1 및 2를 참조하여 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 방법은 실시를 위해 컴퓨터로 구현된 프로세스와 장치로 구체화 될 수 있다. 또한 상기 방법은 플로피 디스켓, CD-ROM, 하드드라이브 또는 컴퓨터가 읽을 수 있는 어떤 형태의 저장장치 등에 컴퓨터 프로그램 코드가 저장되어 구현될 수 있다. 이때 컴퓨터는 상기 저장장치에 담겨 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 컴퓨터에 의해서 읽혀지고 실행되어 방법을 실시하는 장치가 된다. 또한 상기 방법은 컴퓨터에 의해 읽혀지고 실행되는 저장장치 또는 도전선, 케이블, 광학섬유, 전자파 등으로 전송되는 데이터 신호의 형태로 구현될 수 있다. 이때 컴퓨터는 상기 저장장치 또는 데이터 신호를 받아 컴퓨터에 의해서 읽혀지고 실행되어 방법을 실시하는 장치가 된다.
<실험예>
이하에서는 본 발명을 실험예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 그러나, 실험예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 43Ah 용량을 가지며 SOH 100%인 리튬 이차전지를 가지고 실험을 하였다. 만방전이 이루어진 리튬 이차 전지를 충전 장치에 연결한 후 리튬 이차 전지를 상온으로 유지시키는 챔버에 위치시켰다. 그런 다음, 정전압으로 배터리의 충전을 진행하면서, 배터리의 전압이 3V에 해당할 때부터 배터리의 전압이 4V에 도달할 때까지 충전 전류를 측정하였다. 그리고 측정된 전류값을 적산하여 상기 전압 구간에서 적산전류값을 계산한 결과, 4501초 동안 26.88091Ah가 충전되었다.
다음으로, SOH가 98%, 97%, 77% 및 72%인 배터리를 가지고 상기와 동일한 실험을 진행하였다. 그 결과, SOH 98%인 배터리는 4441초 동안 26.34897Ah, SOH 97%인 배터리는 4416초 동안 26.22061Ah, SOH 77%인 배터리는 3504초 동안 20.94577Ah, SOH 72%인 배터리는 3201초 동안 19.12639Ah가 충전되었다.
아래의 표3은 상기 실험결과를 이용하여 SOH에 따라 예상 적산전류값을 계산한 경우와 실제 실험 데이터를 비교한 것이다. SOH에 따른 예상 적산전류값의 계산은 먼저, 상기 실험 데이터 중 SOH가 100%인 배터리의 적산전류값인 26.88091Ah를 기준값으로 설정한다. 그리고, 상기 기준값에 각 SOH를 곱하여 SOH에 따라 예상되는 적산전류값을 계산한다. 이 계산 방법은, 상기 전압구간에서 적산전류값이 SOH에 따라 일정한 비율로 감소하는 것을 전제로 한다.
표 3
Figure PCTKR2012000083-appb-T000003
상기 표3을 참조하면, 기준값에 따라 계산된 적산전류값과 실제 적산전류값은 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, SOH가 98%, 97%일 때는 오차가 상대적으로 크지 않으나, SOH가 77%, 72%일 때는 오차가 더욱 커진 것을 확인할 수 있다. 배터리의 퇴화에 따른 용량의 감소는 모든 전압 구간에서 일정한 비율로 일어나는 것이 아니기 때문에, 상기와 같이 오차가 발생한다. 또한, SOH가 감소할수록 그 오차는 더욱 커지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 배터리의 SOH를 추정하기 위한 기초 데이터로서 단순한 비율 계산에 의해 산출된 적산전류값보다, 실제 실험을 통해 얻은 적산전류값을 이용하는 것이 오차를 줄일 수 방안이 될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 아래의 표4는 기준값과 실제 적산전류값의 단순 비율에 따라 추정한 SOH와 실제 SOH를 비교한 것이다. 단순 비율에 따른 SOH 추정은 적산전류값을 기준값으로 나누어서 그 비율을 SOH로 추정한 것이다.
표 4
Figure PCTKR2012000083-appb-T000004
상기 표4를 참조하면, 적산전류값의 단순 비율에 따라 SOH를 추정할 경우, 실제 SOH와 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 더욱이, 배터리의 충방전 횟수가 많아 질수록 상기 오차는 누적될 것이므로 추정된 SOH의 값은 더욱 큰 오차를 가지게 될 것임은 자명하다. 따라서, 실제 실험을 통해서 얻은 적산전류값을 이용하여 SOH를 추정하면 SOH 추정의 정확성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 실험예를 통해서 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 이용하여 배터리의 SOH를 추정하는 경우, 간단하게 배터리의 SOH를 추정할 수 있으며, 추정된 SOH 역시 정확성이 향상됨을 확인 할 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 종래기술과 달리 복잡한 계산을 거치기 않고도 배터리의 용량 퇴화를 추정할 수 있다. 또한 실제 실험데이터를 이용한 배터리의 용량 퇴화 추정은 그 신뢰도가 높아 배터리의 교체 시기 추정 등 다양한 응용이 가능하다. 나아가 용량 퇴화에 따른 배터리의 충방전 용량을 조절함으로써 과충전과 과방전을 방지하여 배터리의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어, 도 1 등에 도시된 본 발명의 배터리 용량 퇴화 추정 장치에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
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.

Claims (18)

  1. 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하는 센싱부;
    상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값 및 전류 측정값과 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산 (Ampere counting) 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 및
    상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 SOH(State Of Health)별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  2. 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하는 센싱부;
    상기 센싱부에서 측정된 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값과, 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 온도에 따른 전류 적산 실험으로부터 얻은 온도에 따른 SOH별 적산전류값이 저장된 메모리부; 및
    상기 충전전압구간에서 상기 메모리부에 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 배터리의 온도에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 산출된 SOH값을 메모리부에 저장하고 상기 산출된 SOH값과 메모리부에 저장된 이전의 SOH값을 평균하여 SOH값을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 산출된 SOH값을 상기 메모리부에 저장하고 상기 산출된 SOH값과 상기 메모리부에 저장된 이전의 SOH값을 가중평균(측정 시점이 빠른 SOH값일수록 큰 가중치를 부여)하여 SOH값을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 충전전압구간은 3.7 V 내지 4 V의 전압 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 추정된 SOH값을 상기 메모리부에 저장하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 메모리부에 저장된 추정된 SOH값을 표시장치에 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 충전전압구간에서 측정된 온도 측정값의 평균 온도를 계산하여 상기 메모리부에 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 평균 온도에 대응하는 SOH값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 장치.
  9. (a) 실제 퇴화 정도를 알고 있는 배터리의 전류 적산(Ampere counting) 실험으로부터 얻은 SOH별 적산전류값을 저장하는 단계;
    (b) 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압과 전류를 측정하여 전압 측정값과 전류 측정값을 저장하는 단계;
    (c) 상기 충전전압구간에서 상기 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계; 및
    (d) 상기 저장된 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  10. (a) 실제 퇴화 정도를 알고 있는 온도에 따른 배터리의 전류 적산 실험으로부터 얻은 온도에 따른 SOH별 적산전류값을 저장하는 단계;
    (b) 미리 정해진 충전전압구간에서 배터리의 전압, 전류 및 온도를 측정하여 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 저장하는 단계;
    (c) 상기 충전전압구간에서 상기 저장된 전류 측정값을 적산하여 적산전류값을 산출하는 단계; 및
    (d) 상기 저장된 온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 적산전류값 및 배터리 온도를 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 추정된 SOH값을 저장하는 단계; 및
    산출된 SOH값과 이전의 SOH값을 평균하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 산출된 SOH값을 저장하는 단계; 및
    산출된 SOH값과 이전의 SOH값을 가중평균(측정 시점이 빠른 SOH값일수록 큰 가중치를 부여)하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 충전전압구간은 3.7 V 내지 4 V의 전압 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    추정된 SOH값을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 저장된 SOH값을 표시장치에 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 충전전압구간에서 온도 측정값의 평균 온도를 계산하는 단계; 및
    온도에 따른 SOH별 적산전류값으로부터 상기 평균 온도와 상기 적산전류값을 맵핑하여 SOH값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 용량 퇴화 추정 방법.
  17. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 포함하는 배터리 팩.
  18. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 용량 퇴화 추정 장치를 포함하는 배터리 구동 장치.
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