WO2014084565A1 - 배터리 충전 상태 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

배터리 충전 상태 추정 장치 및 그 방법 Download PDF

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WO2014084565A1
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charge
battery
voltage
initial
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PCT/KR2013/010777
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이성은
이병은
허진혁
양기동
장시영
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에스케이이노베이션 주식회사
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • 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]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
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    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for estimating battery state of charge, and in particular, to an apparatus and method for estimating battery state of charge so that battery state can be determined in consideration of battery capacity reference and battery state according to temperature and degree of deterioration. It is about.
  • An electric vehicle is a vehicle using a battery engine operated by electric energy output from a battery.
  • Such an electric vehicle uses no battery as a main power source because a plurality of secondary cells capable of charging and discharging are used as a pack has no exhaust gas and has a very small noise.
  • a hybrid vehicle is an intermediate vehicle between an automobile using an internal combustion engine and an electric vehicle, and a vehicle using two or more power sources such as an internal combustion engine and a battery engine.
  • a hybrid vehicle of a hybrid type has been developed, such as using a fuel cell that directly generates an electric energy by chemical reaction while continuously supplying an internal combustion engine and hydrogen and oxygen, or uses a battery and a fuel cell.
  • the battery management system (BMS) that can efficiently manage the charging and discharging of the (BMS) is urgently required.
  • a method of estimating SOC by current integration is used to determine a state of charge (hereinafter, referred to as 'SOC') of a battery.
  • the relationship between the SOC and factors such as open loop voltage (hereinafter referred to as 'OCV') or discharge voltage, internal resistance, temperature, and discharge current is determined in advance, and at least two factors are detected to determine the detected factor.
  • 'OCV' open loop voltage
  • discharge voltage internal resistance
  • temperature temperature
  • discharge current discharge current
  • the conventional SOC estimation method uses a nominal capacity criterion, but the actual capacity criterion is changed according to temperature, and if such a nominal capacity criterion is used, an error due to current integration may occur.
  • Patent Document 1 Domestic Patent Publication No. 2008-0039655
  • the present invention has been made to solve the above problems, the battery charge state estimation device and method to determine the battery charge state in consideration of the actual battery capacity reference and the battery condition according to the temperature, and the degree of degradation To provide.
  • An apparatus of the present invention for achieving the above object, the sensing unit for sensing and outputting the battery state information; A memory unit for storing a battery capacity reference based on temperature and an open voltage-initial voltage charge state table; Initial current charging that calculates an actual battery capacity reference by using the battery state information sensed by the sensing unit and a battery capacity reference stored in the memory unit , and calculates an initial current charging state by using the actual battery capacity reference and battery current integration.
  • An initial voltage charge state estimator configured to calculate an open voltage using the battery voltage sensed by the sensor and an internal resistance, and to estimate an initial voltage charge state using an open voltage-initial voltage charge state table stored in the memory unit;
  • a final charging state estimator configured to determine an initial current charging state or an initial voltage charging state as a final charging state according to whether a low current section exists.
  • the final charging state estimating unit of the apparatus of the present invention sets the initial current charging state estimated by the initial current charging state estimating unit as the final charging state when it is not the low current section.
  • the final charge state estimator of the device of the present invention is characterized in that the initial voltage charge state estimated by the initial voltage charge state estimator when the low current section enters the final charge state.
  • the initial voltage charge state estimator of the apparatus of the present invention may further include an open voltage calculator configured to calculate an open voltage using a measured voltage and an internal resistance; And an estimator estimating an initial voltage charge state using an open voltage-initial voltage charge state table stored in the memory.
  • the open voltage calculator of the device of the present invention sets the correction resistance calculated using the correction voltage SOH_V corrected by the state of charge and the reference voltage V-Reference considering the state of charge as the internal resistance SOC_IR. It features.
  • the memory unit of the device of the present invention stores an open voltage-initial voltage charge state table of a charged state and an open voltage-initial voltage charge state table of a discharged state, and the initial voltage charge state estimator And a battery state detector for identifying a discharge state, wherein the estimator uses an open voltage-initial voltage charge state table of charge states stored in the memory, wherein the battery state identified by the battery state detector is in a charge state;
  • the initial voltage charge state may be estimated using an open voltage-initial voltage charge state table of the discharged state.
  • the final charge state estimation unit of the apparatus of the present invention includes a low current determiner for determining whether the current measured in the sensing unit enters a low current section; A stabilization time detector for calculating a stabilization time when the low current determiner determines the current state as a low current; And when the low current section determines that the initial current state of charge estimated by the initial state of charge estimator is the final state of charge, and when the low current period is low, the set time after the stabilization time detected by the stabilization time detector. And a setter for setting the initial voltage charging state to the final charging state.
  • the setter of the device of the present invention is characterized by determining the average value of the state of charge and the state of discharge as the final state of charge.
  • the stabilization time detector of the device of the present invention is characterized by determining the arrival time of the steady state in consideration of the degree of degradation.
  • the sensing unit of the device of the present invention A current meter for measuring the battery current; And a temperature meter for measuring the battery temperature.
  • the initial current charge state estimator of the apparatus of the present invention may further include: an actual capacity reference calculator configured to calculate an actual capacity reference by referring to a battery capacity reference according to a temperature in a memory unit by using the temperature sensed by the sensing unit; And a current accumulator for calculating an initial current state of charge by the integration of the measured currents using the actual capacitance reference calculated by the actual capacitance reference calculator.
  • the method of the present invention comprises the steps of (A) the sensing unit senses the battery state; (B) an initial charge state estimator calculates a battery actual capacity reference by using the battery state information sensed by the sensing unit and a battery capacity reference stored in a memory, and uses the battery actual capacity reference and battery current integration to initialize an initial current charge state. Calculating; (C) The initial voltage charge state estimator calculates an open voltage using the battery voltage sensed by the sensing unit and an internal resistance, and estimates the initial voltage charge state using the open voltage-initial voltage charge state table stored in the memory unit. step; And (D) determining, by the final charge state estimator, the initial current charge state or the initial voltage charge state as the final charge state according to whether the low current section is present.
  • the initial current charging state estimated by the initial current charging state estimating unit is a final charging state.
  • step (D) of the method of the present invention when the final charge state estimator enters a low current section, the initial voltage charge state estimated by the initial voltage charge state estimator is set as the final charge state. do.
  • step (C) of the method of the present invention includes the steps of: (C-1) the initial voltage charge state estimating unit calculating an open circuit voltage using the measured voltage and the internal resistance; And (C-2) estimating, by the initial voltage charge state estimator, the initial voltage charge state using the open voltage-initial voltage charge state table stored in the memory.
  • the initial voltage charge state estimator calculates using the correction voltage (SOH_V) corrected by the state of charge and the reference voltage considering the state of charge. Setting the correction resistance to the internal resistance SOC_IR.
  • step (C-4) the initial voltage charge state estimating unit to determine the state of charge and discharge of the battery; (C-5) the initial voltage charge state estimator using the open voltage-initial voltage charge state table of the charge state stored in the memory when the battery is in the charge state; And (C-6) the initial voltage charge state estimator further includes estimating the initial voltage charge state by using the open voltage-initial voltage charge state table of the discharge state when the battery is in the discharge state.
  • the step (C) is performed after the step (C-6), and (C-7) the final charge state estimating unit determines the average value of the charge state and the discharge state as the final charge state. It includes more.
  • the method of the present invention (E) when the final state of charge estimator enters the low current section after the stable state the initial voltage state of charge estimated by the initial voltage state of charge estimator to the final state of charge It includes more.
  • the final state estimating unit determines the arrival time of the stable state in consideration of the degree of degradation and the temperature.
  • the initial current charge state estimating unit calculates the actual capacity reference based on the battery capacity reference according to the temperature stored in the memory using the temperature sensed by the sensing unit. Doing; And (B-2) calculating an initial current state of charge by integration of the measured currents using the actual capacity reference calculated by the initial current state of charge estimator.
  • the present invention may determine the correct state of charge of the battery according to the state of the battery as the initial state of charge is determined in consideration of the state of the battery.
  • the present invention can determine whether the stabilization in consideration of the deterioration of the battery to determine the state of charge of the battery corresponding to the actual stabilization state.
  • the present invention allows to determine the state of charge of the battery in consideration of the actual capacity of the temperature, the battery state, and the degree of deterioration to determine the state of charge of the battery.
  • FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for estimating a state of charge of a battery according to a first embodiment of the present invention.
  • 2 is a graph illustrating a change in capacity criteria with temperature.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an SOCv-OSV table and a graph.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a voltage difference according to a battery state.
  • FIG. 5 is a flowchart of a battery charging state estimation method according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart of an initial current state of charge estimation process of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a flowchart of an initial voltage charge state estimation process of FIG. 5.
  • FIG. 8 is a flowchart of a process of detecting a battery state in FIG. 7.
  • FIG. 9 is a flowchart of a process of setting a final charging state in FIG. 5.
  • FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for estimating a state of charge of a battery according to a first embodiment of the present invention.
  • the apparatus for estimating a state of charge of a battery may include a sensing unit 10, an initial current charge state estimator 100, an initial voltage charge state estimator 110, and a final charge state.
  • the estimator 120 and the memory 130 are included.
  • the sensing unit 10 measures and outputs a voltage, a current, and a temperature of the battery.
  • the sensing unit 10 includes a voltage meter 11 measuring a battery voltage, a current meter 12 measuring a battery current, and a temperature meter 13 measuring a battery temperature.
  • the initial current state of charge estimator 100 estimates the initial state of charge by performing current integration using a nominal capacity reference (Nomimal SOH_C) and an actual capacity reference (Real SOH_C) according to temperature.
  • Nomimal SOH_C nominal capacity reference
  • Real SOH_C actual capacity reference
  • the initial current charge state estimator 100 corrects the nominal capacity reference stored in the memory 130 by using the temperature sensed by the sensing unit 10 and calculates an actual capacity reference calculator 101. And a current integrator 102 for calculating an initial current state of charge SOCi by integrating the measured current using the actual capacitance reference calculated by the actual capacitance reference calculator 101.
  • the initial voltage charge state estimator 110 estimates the open voltage OVC using an internal resistance, and estimates the initial voltage charge state SOCv in consideration of the estimated open voltage OVC and the battery state. .
  • the initial voltage charge state estimator 110 determines an open voltage calculator 111 that calculates an open voltage using a measured voltage, an internal resistance, and a measured current, and determines whether the battery state is in a charged state or a discharge state.
  • a battery state detector 112 and an estimator 113 estimating an initial voltage charge state using an open voltage-initial voltage charge state table stored in the memory 130.
  • the final charge state estimator 120 determines the battery current state for a predetermined time period and sets the state of charge (SOC) of the battery using at least one of the initial current charge state and the initial voltage charge state.
  • SOC state of charge
  • the final state of charge estimator 120 determines the time to stabilize in consideration of the degree of degradation when determining the time to stabilize.
  • the final charge state estimator 120 sets the average value of the discharge state and the charge state as the final charge state when the initial voltage charge state is the final charge state.
  • the final state of charge estimator 120 includes a low current determiner 121 that determines whether the low current section has been entered, a stabilization time detector 122 that detects the stabilization time of the low current section, and a low current section before entry.
  • the initial current charging state is set as the final charging state, and when the low current section is reached and the stabilization state is reached, the initial voltage charging state is set as the final charging state, and when the initial voltage charging state is the final charging state,
  • a setter 123 for setting the average value of the state of charge to the final state of charge.
  • the memory 130 stores a voltage-charge state table (V-SOC table) so that the final state of charge according to the measured voltage can be known.
  • V-SOC table voltage-charge state table
  • the memory 130 stores an initial voltage charge state (SOCv) -open voltage (OCV) table so that the initial voltage charge state according to the open voltage may be known, and the initial voltage charge state may indicate that the battery is in the charge state. Different values are used when the battery is in a discharge state.
  • SOCv initial voltage charge state
  • OCV open voltage
  • the memory 130 also stores an average value of different values when the battery is in a charged state and when it is in a discharged state.
  • FIG. 1 the operation of the battery charge state estimating apparatus according to the first exemplary embodiment of the present invention will be described.
  • the initial current charge state estimator 100 calculates an actual capacity criterion using a nominal capacity reference and a temperature, and then estimates the initial current charge state by integration.
  • the actual capacity reference (Real SOH_C) is changed according to the temperature.
  • the temperature when calculating the nominal capacity reference and the temperature when estimating the state of charge using the calculated nominal capacity reference are If different, the actual capacity reference calculator 101 of the initial current charge state estimator 100 corrects the nominal capacity reference to the actual capacity reference according to the current temperature.
  • the actual capacity reference calculator 101 of the initial current charge state estimator 100 may change the temperature from 97% to 101% based on 98% (percent) capacity when there is a temperature change from the initial 0 degree to 25 degrees. Gradually adjust the capacity criteria.
  • the current accumulator 102 of the initial current charge state estimator 100 estimates the initial current state of charge SOCi by integration integration using Equation 1 below.
  • Ah (T) represents the actual capacity reference with respect to temperature
  • i represents the current.
  • SOCi (n) represents the current initial current state of charge
  • SOCi (n-1) represents the previous initial current state of charge.
  • the initial voltage charge state estimator 110 calculates the open voltage in consideration of the internal resistance, and then estimates the initial voltage charge state using the calculated open voltage, wherein the battery state is in the charged state and the discharge state. Estimate different initial voltage charge states depending on whether
  • the open voltage calculator 111 of the initial voltage charge state estimator 110 calculates the open voltage using an internal resistance.
  • the open voltage calculator 111 uses the correction voltage SOH_V corrected by the final charging state SOC and the reference resistance considering the final charging state SOC as the internal resistance SOC_IR. do.
  • the correction voltage is SO, when the measured voltage is V, the measured current is I, and the final state of charge referred to in the voltage-charge state table (V-SOC table) stored in the memory 130 is SOC. It is determined by 2, and the correction resistance is determined by the following equation (3) when the voltage is referred to as the reference voltage V_Reference when the SOC is 50%.
  • the reference voltage means a voltage that varies according to the state of charge when the battery is charged or discharged, and means a middle value at that time (ie, when the final state of charge is SOC, the voltage when the SOC becomes 50%). For example, 270.36V may be used.
  • the open voltage calculator 111 of the initial voltage charge state estimator 110 selects the open voltage using the internal resistance set as described above.
  • the SOCv-OCV table according to the prior art is used as the average value of the charge / discharge value and the difference in SOC value of the charge and discharge value is about 2 to 3%.
  • the initial voltage charge state estimator 110 corrects the initial voltage charge state in consideration of the battery state to enable accurate SOCv calculation.
  • the battery state detector 112 of the initial voltage charge state estimator 110 detects a change in the state of charge of the battery and recognizes the state of charge as the state of charge increases.
  • the estimator 113 stores the memory 130.
  • the initial voltage charge state of the battery charge state is corrected to the initial voltage charge state.
  • the battery state detector 112 of the initial voltage charge state estimator 110 detects a change in the state of charge of the battery and identifies the discharge state when the state of charge decreases.
  • the estimator 113 stores the memory 130.
  • the initial voltage charge state of the battery discharge state is corrected to the initial voltage charge state.
  • the final charge state estimator 120 determines the battery current state for a predetermined time period and sets the state of charge (SOC) of the battery using at least one of the initial current charge state and the initial voltage charge state.
  • SOC state of charge
  • the final state of charge estimator 120 determines the time to stabilize in consideration of the degree of degradation when determining the time to stabilize.
  • the final charge state estimator 120 sets the average value of the discharge state and the charge state as the final charge state when the initial voltage charge state is the final charge state.
  • the low current determiner 121 of the final charge state estimator 120 determines whether the current state of the battery enters the low current section and informs the setter 123 of the determination result. Does not enter the low current section and sets the initial current charging state to the final charging state, and when entering the low current section sets the initial voltage charging state to the final charging state.
  • the stabilization time detector 122 of the final state of charge estimator 120 determines the stabilized time in consideration of the temperature when the current state of the battery enters the low current section, when the stabilization time detector 122 enters the stabilized section, Set the voltage charge state to the final charge state.
  • the setter 123 of the final state of charge estimator 120 determines the time to stabilize in consideration of the degree of deterioration.
  • the reason why the setter 123 of the final state of charge estimator 120 considers the degree of deterioration is because the time to stabilize depends on the degree of deterioration. In other words, as deterioration progresses, more time is required for stabilization.
  • the setter 123 of the final state of charge estimator 120 corrects the average value of the state of charge and the state of discharge to the final state of charge with reference to the SOCv-OCV, table.
  • the present invention may determine the correct state of charge of the battery according to the state of the battery as the initial state of charge is determined in consideration of the state of the battery.
  • the present invention can determine whether the stabilization in consideration of the deterioration of the battery to determine the state of charge of the battery corresponding to the actual stabilization state.
  • the present invention allows the battery to determine the state of charge by considering the actual capacity of the temperature according to the temperature, the battery state, and the degree of deterioration to determine the exact state of charge.
  • FIG. 5 is a flowchart of a charging state estimation method according to a first embodiment of the present invention.
  • an initial current charging state estimator first calculates an actual capacity reference using a nominal capacity reference and a temperature, and then uses a current calculated using the actual capacity reference.
  • the initial current state of charge is estimated by integration (S100).
  • the initial current charge state estimator corrects the nominal capacity reference according to temperature to calculate an actual capacity reference (S110).
  • the initial current charge state estimator estimates the initial current charge state by performing current integration using the actual capacity reference (S120).
  • the initial voltage charge state estimator calculates the open circuit voltage (OCV) using the correction resistance calculated by using the correction voltage SOH_V corrected by the charge state and the reference voltage considering the charge state as an internal resistance, and calculates the calculated open voltage.
  • OCV open circuit voltage
  • the initial voltage charging state is estimated in consideration of the voltage of the battery (S200).
  • the initial voltage charge state estimating unit uses the correction voltage SOH_V corrected by the state of charge and the reference resistance considering the state of charge as the internal resistance SOC_IR. (S202).
  • the correction voltage is determined by Equation 2 when the measured voltage is V, and the state of charge referred to in the voltage-charge state table (V-SOC table) stored in the memory is SOC, and the correction resistance is SOC.
  • V-SOC table voltage-charge state table
  • V_Reference the reference voltage
  • the initial voltage charge state estimator selects an open voltage using the internal resistance set as described above (S204).
  • the equation used is equation (4).
  • the initial voltage charge state estimator determines the initial voltage charge state by using the SOCv-OCV table stored in the memory (S208).
  • the initial voltage state of charge at the same open voltage is different depending on the state of charge and discharge.
  • the initial voltage charge state estimating unit corrects the initial voltage charge state in consideration of the battery state to enable accurate SOCv calculation.
  • the initial voltage charge state estimator detects a change in the state of charge of the battery and identifies the state of charge as the state of charge increases, and corrects the initial voltage state of charge accordingly. Calibrate the initial voltage charge.
  • the initial voltage charge state estimator must check whether the state of the battery is in the charged state or the discharge state, which will be described below with reference to FIG. 8.
  • the initial voltage charge state estimator increases the calculation period after performing initialization (S210) (S211).
  • the initial voltage charge state estimator determines whether the charge state indicator is 4 or more, and the state of the previous battery state (State (n-1)) is in the state of charge (if 1) (S215), and is 4 or more and all the batteries. If the state value is a charge state, it is determined that the state of charge (S216), and if it is not more than 4, and the entire battery state value is not the state of charge, it is determined as a neutral state (S217).
  • the initial voltage charge state estimator determines whether the initial voltage charge state is decreased by -0.5 or more (S220).
  • the initial voltage charge state estimator determines whether the discharge state indicator is 4 or more and the entire battery state value is the discharge state (-1) (S222). If it is determined in step S223 that the value is not more than 4 and all battery state values are not discharged, the battery state is determined to be neutral (S217).
  • the initial voltage charge state estimator initializes the indicator when the amount of change in the initial voltage charge state is not between -0.5 and 0.5 (S230).
  • the initial voltage charge state estimator determines that the initial state of charge state does not decrease by 0.2 and that the entire battery state is in the state of charge (S231).
  • the initial voltage charge state estimator does not decrease by 0.2, the initial voltage charge state estimator does not increase by 0.2, and if the entire battery state is in the discharge state (S233), it is determined as a discharge state (S234).
  • the initial voltage charge state estimator determines that it is a neutral state.
  • the initial voltage charge state estimation unit repeats from S211.
  • the final charge state estimator determines whether the output of the battery is in the low current section, if not in the low current section, the initial current charge state is the final charge state, and if it is in the low current section, if it is stabilized The entire initial voltage state is set as the final output state (S300).
  • the final charging state estimating unit sets the average value of the discharge state and the charging state as the final charging state when the initial voltage charging state is the final charging state.
  • the final charge state estimator determines whether the current of the battery is in the low current section (S302).
  • the final charging state estimating unit sets the initial current charging state as the final charging state when the battery current is not in the low current section (S304).
  • the final state of charge estimator determines whether the battery current is in a stable state in a low current section (S306).
  • the final state of charge estimator determines the time to reach the stable state in consideration of the degree of degradation and the temperature in determining the time to reach the stable state.
  • the degree of deterioration indicates how deteriorated the battery is. As the deterioration progresses, the lower the temperature, the longer it takes to stabilize.
  • the degree of degradation may be determined according to the internal resistance in the low current section. That is, it may be determined that the degree of deterioration increases as the internal resistance increases.
  • the final state of charge of the battery is determined based on the average value of the state of charge and the state of discharge (S308).
  • the present invention may determine the correct state of charge of the battery according to the state of the battery as the initial state of charge is determined in consideration of the state of the battery.
  • the present invention can determine whether the stabilization in consideration of the deterioration of the battery to determine the state of charge of the battery corresponding to the actual stabilization state.
  • the present invention allows the battery to determine the state of charge by considering the actual capacity of the temperature according to the temperature, the battery state, and the degree of deterioration to determine the exact state of charge.

Abstract

본 발명은 배터리 충전 상태 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 온도에 따른 실제 용량 기준과 배터리 상태를 고려하고, 열화 정도를 고려하여 배터리 충전 상태를 파악할 수 있도록 한 배터리 충전 상태 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 따르면, 배터리 상태 정보를 센싱하여 출력하는 센싱부; 온도에 따른 배터리 용량 기준, 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 저장하고 있는 메모리부; 상기 센싱부에서 센싱된 배터리 상태 정보와 상기 메모리부에 저장된 배터리 용량 기준을 이용하여 배터리 실제 용량 기준을 산출하고, 상기 배터리 실제 용량 기준 및 배터리 전류 적산을 이용해 초기 전류 충전 상태를 산출하는 초기 전류 충전 상태 추정부; 상기 센싱부에서 센싱된 배터리 전압과 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 초기 전압 충전 상태 추정부; 및 저 전류 구간 여부에 따라 초기 전류 충전 상태 또는 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 정하는 최종 충전 상태 추정부를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 장치 및 그 방법을 제공한다.

Description

배터리 충전 상태 추정 장치 및 그 방법
[관련출원의 상호참조]
본 출원은 2012년 11월 27일 출원된 한국특허 출원번호 제10-2012-0135426호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
본 발명은 배터리 충전 상태 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 온도에 따른 배터리 용량 기준과 배터리 상태를 고려하고, 열화 정도를 고려하여 배터리 충전 상태를 파악할 수 있도록 한 배터리 충전 상태 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기 자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다.
이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 엔진을 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 성능이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 배터리의 온도, 셀전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 배터리의 충방전을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
종래 배터리 관리 시스템에서 배터리의 충전 상태(state of charge : 이하 'SOC')를 판단하기 위해서 전류 적산에 의해 SOC를 추정하는 방식을 사용하였다.
또한, 개방 전압(open loop voltage, 이하 'OCV'라함) 또는 방전 전압, 내부저항, 온도, 방전 전류 등의 인자들과 SOC의 관계를 미리 파악하고, 적어도 2가지 인자를 검출하여 검출된 인자에 대응되는 SOC를 검출하는 방식을 사용하였다.
이와 같은 종래 방식에 따른 SOC 추정 방법은 공칭 용량 기준을 사용하는데, 실제 용량 기준은 온도에 따라 변화되어 이처럼 공칭 용량 기준을 사용하면 전류 적산에 의한 오차가 발생할 수 있다.
또한 OCV 등과 SOC의 관계를 파악하더라도 배터리의 충전 상태와 방전 상태 그리고 열화 정도에 따라 특성의 차이가 있어 정확한 충전 상태를 측정하기 어렵다는 문제점이 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 국내특허공개공보 2008-0039655호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 온도에 따른 실제 배터리 용량 기준과 배터리 상태를 고려하고, 열화 정도를 고려하여 배터리 충전 상태를 파악할 수 있도록 한 배터리 충전 상태 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 배터리 상태 정보를 센싱하여 출력하는 센싱부; 온도에 따른 배터리 용량 기준, 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 저장하고 있는 메모리부; 상기 센싱부에서 센싱된 배터리 상태 정보와 상기 메모리부에 저장된 배터리 용량 기준을 이용하여 배터리 실제 용량 기준을 산출하고, 상기 배터리 실제 용량 기준 및 배터리 전류 적산을 이용해 초기 전류 충전 상태를 산출하는 초기 전류 충전 상태 추정부; 상기 센싱부에서 센싱된 배터리 전압과 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 초기 전압 충전 상태 추정부; 및 저 전류 구간 여부에 따라 초기 전류 충전 상태 또는 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 정하는 최종 충전 상태 추정부를 포함한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 최종 충전 상태 추정부는 저전류 구간이 아닐 경우에 상기 초기 전류 충전 상태 추정부에서 추정된 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 최종 충전 상태 추정부는 저 전류 구간에 진입한 경우에 상기 초기 전압 충전 상태 추정부에서 추정한 초기 전압 충전상태를 최종 충전 상태로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 초기 전압 충전 상태 추정부는 측정 전압과 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출하는 개방 전압 산출기; 및 상기 메모리에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 추정기를 포함한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 개방 전압 산출기는 충전 상태에 의해 보정된 보정 전압(SOH_V)과 충전 상태를 고려한 기준 전압(V-Reference) 이용하여 산출한 보정 저항을 내부 저항(SOC_IR)으로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 메모리부는 충전 상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블과 방전상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 저장하고 있으며, 상기 초기 전압 충전 상태 추정기는 배터리의 충전 상태와 방전 상태를 파악하는 배터리 상태 검출기를 더 포함하고 있으며, 상기 추정기는 상기 배터리 상태 검출기에 의해 파악된 배터리 상태가 충전 상태에 있으며 상기 메모리에 저장된 충전 상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하고, 배터리가 방전 상태에 있으면 방전상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 최종 충전 상태 추정부는 상기 센싱부에서 측정된 전류가 저전류 구간에 진입하였는지를 판단하는 저전류 판단기; 상기 저전류 판단기가 전류 상태를 저전류로 판단하는 경우에 안정화 시간을 산출하는 안정화 시간 검출기; 및 상기 저전류 판단기의 판단 결과 저전류 구간이 아닐 경우에 상기 초기 충전 상태 추정부에서 추정된 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 하고, 저전류 구간이면 상기 안정화 시간 검출기에서 검출된 안정화 시간 이후에 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 하는 설정기를 포함한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 설정기는 충전 상태와 방전 상태의 평균값을 최종 충전 상태로 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 안정화 시간 검출기는 열화 정도를 고려하여 안정 상태의 도달 시간을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 센싱부는 상기 배터리 전압을 측정하는 전압 측정기; 상기 배터리 전류를 측정하는 전류 측정기; 및 상기 배터리 온도를 측정하는 온도 측정기를 포함한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 초기 전류 충전 상태 추정부는 상기 센싱부에서 센싱된 온도를 이용하여 메모리부에 온도에 따른 배터리 용량 기준을 참조하여 실제 용량 기준을 산출하는 실제 용량 기준 산출기; 및 상기 실제 용량 기준 산출기에서 산출된 실제 용량 기준을 이용하여 상기 측정된 전류의 적산에 의한 초기 전류 충전 상태를 산출하는 전류 적산기를 포함한다.
한편, 본 발명의 방법은 (A) 센싱부가 배터리 상태를 센싱하는 단계; (B) 초기 충전 상태 추정부가 상기 센싱부에서 센싱된 배터리 상태 정보와 메모리에 저장된 배터리 용량 기준을 이용하여 배터리 실제 용량 기준을 산출하고, 상기 배터리 실제 용량 기준 및 배터리 전류 적산을 이용해 초기 전류 충전 상태를 산출하는 단계; (C) 초기 전압 충전 상태 추정부는 상기 센싱부에서 센싱된 배터리 전압과 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출하고 메모리부에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 단계; 및 (D) 최종 충전 상태 추정부가 저 전류 구간 여부에 따라 초기 전류 충전 상태 또는 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 방법의 상기 (D)단계에서 상기 최종 충전 상태 추정부는 저전류 구간이 아닐 경우에 상기 초기 전류 충전 상태 추정부에서 추정된 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 한다.
또한, 본 발명의 방법의 상기 (D)단계에서 상기 최종 충전 상태 추정부는 저 전류 구간에 진입한 경우에 상기 초기 전압 충전 상태 추정부에서 추정한 초기 전압 충전상태를 최종 충전 상태로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방법의 상기 (C) 단계는, (C-1) 초기 전압 충전 상태 추정부가 측정 전압과 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출하는 단계; 및 (C-2) 초기 전압 충전 상태 추정부가 메모리에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 방법의 상기 (C-1) 이전에 (C-3) 상기 초기 전압 충전 상태 추정부가 충전 상태에 의해 보정된 보정 전압(SOH_V)과 충전 상태를 고려한 기준전압을 이용하여 산출한 보정 저항을 내부 저항(SOC_IR)로 하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 방법은 상기 (C) 단계는 (C-4) 상기 초기 전압 충전 상태 추정부는 배터리의 충전 상태와 방전 상태를 파악하는 단계; (C-5) 상기 초기 전압 충전 상태 추정부는 배터리가 충전 상태에 있으며 상기 메모리에 저장된 충전 상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하는 단계; 및 (C-6) 상기 초기 전압 충전 상태 추정부는 배터리가 방전 상태에 있으면 방전상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 방법은 상기 (C) 단계는 상기 (C-6)단계 이후에, (C-7)상기 최종 충전 상태 추정부는 충전 상태와 방전 상태의 평균값을 최종 충전 상태로 결정하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 방법은 (E) 상기 최종 충전 상태 추정부가 저전류 구간에 진입한 경우에 안정 상태 이후에 상기 초기 전압 충전 상태 추정부에서 추정한 초기 전압 충전상태를 최종 충전 상태로 하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 방법의 상기 (E) 단계에서 상기 최종 상태 추정부가 열화 정도와 온도를 고려하여 안정 상태의 도달 시간을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방법의 상기 (B) 단계는 (B-1) 초기 전류 충전 상태 추정부가 상기 센싱부에서 센싱된 온도를 이용하여 메모리에 저장된 온도에 따른 배터리 용량 기준을 따라 실제 용량 기준을 산출하는 단계; 및 (B-2) 초기 전류 충전 상태 추정부가 산출된 실제 용량 기준을 이용하여 상기 측정된 전류의 적산에 의한 초기 전류 충전 상태를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 온도에 따른 실제 용량 기준을 고려하여 전류 적산을 수행하기 때문에 공칭 용량 기준에 의한 초기 전류 충전 상태의 오차를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 상태를 고려하여 초기 전압 충전 상태를 파악함에 따라 배터리 상태에 따라 정확한 배터리 충전 상태를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 열화 정도를 고려하여 안정화 여부를 판단할 수 있어 실제 안정화 되는 상태에 부합하는 배터리 충전 상태를 파악할 수 있도록 한다.
이처럼, 본원 발명은 온도에 따른 실제 용량 기준과, 배터리 상태를 고려하고, 열화 정도를 고려하여 배터리 충전 상태를 파악할 수 있도록 하여 정확한 충전 상태를 파악할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치의 구성도이다.
도 2는 온도에 따른 용량 기준의 변화를 예시한 그래프이다.
도 3은 SOCv-OSV 테이블과 그래프를 예시한 도면이다.
도 4는 배터리 상태에 따른 전압 차이를 예시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 방법의 흐름도이다.
도 6은 도 5의 초기 전류 충전 상태 추정 과정의 흐름도이다.
도 7은 도 5의 초기 전압 충전 상태 추정 과정의 흐름도이다.
도 8은 도 7에서 배터리 상태를 검출하는 과정의 흐름도이다.
도 9는 도 5에서 최종 충전 상태를 설정하는 과정의 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치는 센싱부(10), 초기 전류 충전 상태 추정부(100), 초기 전압 충전 상태 추정부(110), 최종 충전 상태 추정부(120) 및 메모리(130)를 포함한다.
여기에서, 상기 센싱부(10)는 배터리의 전압, 전류 그리고 온도를 측정하여 출력한다. 이러한 센싱부(10)는 배터리 전압을 측정하는 전압 측정기(11)와, 배터리 전류를 측정하는 전류 측정기(12)와, 배터리 온도를 측정하는 온도 측정기(13)로 이루어져 있다.
그리고, 상기 초기 전류 충전 상태 추정부(100)는 공칭 용량 기준(Nomimal SOH_C)과 온도에 따른 실제 용량 기준(Real SOH_C)을 이용하여 전류 적산을 수행하여 초기 충전 상태를 추정한다.
이러한 초기 전류 충전 상태 추정부(100)는 센싱부(10)에서 센싱된 온도를 이용하여 메모리(130)에 저장된 공칭 용량 기준을 보정하여 실제 용량 기준을 산출하는 실제 용량 기준 산출기(101)과, 상기 실제 용량 기준 산출기(101)에서 산출된 실제 용량 기준을 이용하여 상기 측정된 전류의 적산에 의한 초기 전류 충전 상태(SOCi)를 산출하는 전류 적산기(102)를 포함한다.
그리고, 상기 초기 전압 충전 상태 추정부(110)는 내부 저항을 이용하여 개방 전압(OCV)을 추정하고, 추정된 개방 전압(OCV)과 배터리 상태를 고려하여 초기 전압 충전 상태(SOCv)를 추정한다.
이와 같은 초기 전압 충전 상태 추정부(110)는 측정 전압, 내부 저항 그리고 측정 전류를 이용하여 개방 전압을 산출하는 개방 전압 산출기(111)과, 배터리 상태가 충전 상태에 있는지 방전 상태에 있는지를 파악하는 배터리 상태 검출기(112)와, 메모리(130)에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 추정기(113)를 포함한다.
한편, 최종 충전 상태 추정부(120)는 일정 시간 구간 동안 배터리 전류 상태를 판단하여 상기 초기 전류 충전 상태 및 초기 전압 충전 상태 중 적어도 하나를 이용하여 상기 배터리의 충전 상태(SOC)를 설정한다.
이때, 최종 충전 상태 추정부(120)는 안정화되는 시간을 결정할 때에 열화 정도를 고려하여 안정화되는 시간을 판단한다.
또한, 최종 충전 상태 추정부(120)는 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 할때 방전 상태와 충전 상태의 평균값을 최종 충전 상태로 한다.
이러한 최종 충전 상태 추정부(120)는 저전류 구간에 진입하였는지를 판단하는 저전류 판단기(121)와, 저전류 구간의 안정화 시간을 검출하는 안정화 시간 검출기(122)와, 저전류 구간의 진입전이면 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 설정하고, 저전류 구간에 진입하여 안정화 상태에 도달하였으면 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 설정하며, 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 할때 방전 상태와 충전 상태의 평균값을 최종 충전 상태로 하는 설정기(123)를 포함한다.
한편, 메모리(130)는 전압-충전 상태 테이블(V-SOC Table)을 저장하고 있어 측정 전압에 따른 최종 충전 상태를 알수 있다.
또한, 메모리(130)는 초기 전압 충전 상태(SOCv)-개방 전압(OCV) 테이블을 저장하고 있어 개방 전압에 따른 초기 전압 충전 상태를 알 수 있으며, 이때 초기 전압 충전 상태는 배터리가 충전 상태에 있을 때와 방전 상태에 있을 때 서로 다른 값을 갖도록 한다.
물론, 상기 메모리(130)는 배터리가 충전 상태에 있을 때와 방전 상태에 있을 때 서로 다른 값의 평균값도 저장하고 있다.
이제, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 초기 전류 충전 상태 추정부(100)는 공칭 용량 기준과 온도를 이용하여 실제 용량 기준을 산출한 후에 적류 적산에 의해 초기 전류 충전 상태를 추정한다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 온도에 따라 실제 용량 기준(Real SOH_C)이 변화되는데, 공칭 용량 기준을 산출할 때의 온도와 산출된 공칭 용량 기준을 이용하여 충전 상태를 추정할 때의 온도가 다를 경우에 초기 전류 충전 상태 추정부(100)의 실제 용량 기준 산출기(101)는 공칭 용량 기준을 현재 온도에 따른 실제 용량 기준으로 보정한다.
일예로, 초기 전류 충전 상태 추정부(100)의 실제 용량 기준 산출기(101)가 초기 0도에서 25도로 온도변화가 있을 경우 98% (퍼센트) 용량 기준으로 97%에서 101%로 온도 변화에 따라 점차 용량 기준을 보정한다.
그리고, 초기 전류 충전 상태 추정부(100)의 전류 적산기(102)는 다음 (수학식 1)을 사용하여 적류 적산에 의한 초기 전류 충전 상태(SOCi)를 추정한다.
[수학식 1]
SOCi(n) = SOCi(n-1) + i(n)/Ah(T)/3600*계산주기*100
여기에서, Ah(T)는 온도에 따른 실제 용량 기준을 나타내며, i는 전류를 의미한다. 또한, SOCi(n)은 현재 초기 전류 충전 상태를 나타내고, SOCi(n-1)은 이전 초기 전류 충전 상태를 나타낸다.
다음으로, 초기 전압 충전 상태 추정부(110)는 내부 저항을 고려해서 개방 전압을 산출한 후에, 산출된 개방 전압을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는데, 이때 배터리 상태가 충전 상태에 있는지 방전 상태에 있는지에 따라 서로 다른 초기 전압 충전 상태를 추정한다.
이를 좀더 상세히 살펴보면, 초기 전압 충전 상태 추정부(110)의 개방 전압 산출기(111)는 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출한다.
이때, 개방 전압 산출기(111)는 최종 충전 상태(SOC)에 의해 보정된 보정 전압(SOH_V)과 최종 충전 상태(SOC)를 고려한 기준전압을 이용하여 산출한 보정 저항을 내부 저항(SOC_IR)으로 한다.
여기에서 보정 전압은 측정 전압이 V이고, 측정 전류가 I이며, 그에 따른 메모리(130)에 저장된 전압-충전 상태 테이블(V-SOC Table)에서 참조된 최종 충전 상태를 SOC라고 할때 다음 수학식 2에 의해 결정되며, 보정저항은 SOC가 50%일때 전압을 기준전압V_Reference라고 할 때 다음 수학식 3에 의해 결정된다. 여기에서, 기준 전압이란 배터리가 충전되거나 방전될 때 충전 상태에 따라 전압이 가변되는데 그 때의 중간값을 의미하며(즉, 최종 충전 상태를 SOC라 할 때, SOC가 50%가 될 때의 전압), 일예로 270.36V가 사용될 수 있다.
[수학식 2]
SOH_V=V-(SOC*0.4978-24.543)
[수학식 3]
SOC_IR= |(SOH_V-V_Reference)| /I
그리고, 초기 전압 충전 상태 추정부(110)의 개방 전압 산출기(111)는 개방 전압을 선택하는데 있어서 이와 같이 설정된 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 선택한다.
이때, 이용되는 수식은 다음 수학식 4로서, 여기에서 OCV는 개방 전압이고, V는 측정 전압이며 I는 측정 전류이다.
[수학식 4]
OCV= V-SOC_IR*I
일반적으로, 동일한 개방 전압에서 초기 전압 충전 상태는 충전 상태와 방전 상태에 따라 도 3에 도시된 SOCv-OCV 테이블에 보는 바와 같이 차이가 존재한다.
즉, 종래 기술에 따른 SOCv-OCV 테이블은 충전/ 방전값의 평균값으로 사용되며 충방전값의 SOC값의 차이는 대략 2~3%정도이다.
본 발명에서는 초기 전압 충전 상태 추정부(110)는 배터리 상태를 고려해서 초기 전압 충전 상태를 보정하도록 하여 정확한 SOCv산출이 가능하도록 한다.
즉, 초기 전압 충전 상태 추정부(110)의 배터리 상태 검출기(112)는 배터리 충전 상태의 변화를 검출하여 충전 상태가 증가되면 충전 상태로 파악하며, 이경우에 추정기(113)는 메모리(130)를 참조하여 배터리 충전 상태의 초기 전압 충전 상태를 초기 전압 충전 상태로 보정한다.
이와 달리 초기 전압 충전 상태 추정부(110)의 배터리 상태 검출기(112)는 배터리 충전 상태의 변화를 검출하여 충전 상태가 감소하면 방전 상태로 파악하며, 이경우에 추정기(113)는 메모리(130)를 참조하여 배터리 방전 상태의 초기 전압 충전 상태를 초기 전압 충전 상태로 보정한다.
한편, 최종 충전 상태 추정부(120)는 일정 시간 구간 동안 배터리 전류 상태를 판단하여 상기 초기 전류 충전 상태 및 초기 전압 충전 상태 중 적어도 하나를 이용하여 상기 배터리의 충전 상태(SOC)를 설정한다.
이때, 최종 충전 상태 추정부(120)는 안정화되는 시간을 결정할 때에 열화 정도를 고려하여 안정화되는 시간을 판단한다.
또한, 최종 충전 상태 추정부(120)는 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 할때 방전 상태와 충전 상태의 평균값을 최종 충전 상태로 한다.
즉, 최종 충전 상태 추정부(120)의 저전류 판단기(121)는 상기 배터리의 전류 상태가 저전류 구간에 진입하였는지를 판단하여 판단 결과를 설정기(123)로 알려주면, 설정기(123)는 저전류 구간에 진입하지 않았으며 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 설정하고, 저전류 구간에 진입하였으면 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 설정한다.
이때, 최종 충전 상태 추정부(120)의 안정화 시간 검출기(122)는 상기 배터리의 전류 상태가 저전류 구간에 진입하였으면 온도를 고려하여 안정화된 시간을 결정한 후에 안정화된 구간에 진입하였다고 판단되면, 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 설정한다.
이는 도 4를 보면 알 수 있는 바와 같이, 배터리의 충전 상태와 방전 상태에 따라 전압 차이가 존재하며 안정화되는 과정 또한 온도에 따라서 차이가 있다.
또한, 최종 충전 상태 추정부(120)의 설정기(123)는 열화 정도를 고려하여 안정화되는 시간을 결정한다. 이처럼 최종 충전 상태 추정부(120)의 설정기(123)가 열화 정도를 고려하는 이유는 열화 정도에 따라 안정화되는 시간이 달라지기 때문이다. 즉, 열화가 진행되면 될수록 안정화되는데 시간이 더 필요하다.
이때, 최종 충전 상태 추정부(120)의 설정기(123)은 SOCv-OCV ,테이블을 참조하여 충전 상태와 방전 상태의 평균값을 최종 충전 상태로 보정한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 온도에 따른 실제 용량 기준을 고려하여 전류 적산을 수행하기 때문에 공칭 용량 기준에 의한 초기 전류 충전 상태의 오차를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 상태를 고려하여 초기 전압 충전 상태를 파악함에 따라 배터리 상태에 따라 정확한 배터리 충전 상태를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 열화 정도를 고려하여 안정화 여부를 판단할 수 있어 실제 안정화 되는 상태에 부합하는 배터리 충전 상태를 파악할 수 있도록 한다.
이처럼, 본원 발명은 온도에 따른 온도에 따른 실제 용량 기준과, 배터리 상태를 고려하고, 열화 정도를 고려하여 배터리 충전 상태를 파악할 수 있도록 하여 정확한 충전 상태를 파악할 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 충전 상태 추정 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 충전 상태 추정 방법은 먼저 초기 전류 충전 상태 추정부가 공칭 용량 기준과 온도를 이용하여 실제 용량 기준을 산출한 후에 산출된 실제 용량 기준을 이용한 전류 적산에 의해 초기 전류 충전 상태를 추정한다(S100).
이는 좀더 세부적으로 도 6을 참조하면, 초기 전류 충전 상태 추정부가 공칭 용량 기준을 온도에 따라 보정하여 실제 용량 기준을 산출한다(S110).
그리고, 초기 전류 충전 상태 추정부는 실제 용량 기준을 사용하여 전류 적산을 하여 초기 전류 충전 상태를 추정한다(S120).
한편, 초기 전압 충전 상태 추정부는 충전 상태에 의해 보정된 보정 전압(SOH_V)과 충전 상태를 고려한 기준전압을 이용하여 산출한 보정 저항을 내부 저항으로 하여 개방 전압(OCV)을 산출하고, 산출된 개방전압을 배터리 상태를 고려하여 초기 전압 충전 상태를 추정한다(S200).
이를 도 7을 참조하여 좀더 세부적으로 살펴보면, 초기 전압 충전 상태 추정부는 충전 상태에 의해 보정된 보정 전압(SOH_V)과 충전 상태를 고려한 기준전압을 이용하여 산출한 보정 저항을 내부 저항(SOC_IR)로 한다(S202).
여기에서 보정 전압은 측정 전압이 V이고, 그에 따른 메모리에 저장된 전압-충전 상태 테이블(V-SOC Table)에서 참조된 충전 상태를 SOC라고 할때 수학식 2에 의해 결정되며, 보정저항은 SOC가 50%일때 전압을 기준전압V_Reference라고 할 때 수학식 3에 의해 결정된다.
이후에, 초기 전압 충전 상태 추정부는 이와 같이 설정된 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 선택한다(S204). 이때, 이용되는 수식은 수학식 4이다.
다음에, 초기 전압 충전 상태 추정부는 개방 전압을 저역통과 필터를 통과시킨 후에(S206), 메모리에 저장된 SOCv-OCV 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 결정한다(S208).
일반적으로, 동일한 개방 전압에서 초기 전압 충전 상태는 충전 상태와 방전 상태에 따라 차이가 존재한다.
이에 따라 본 발명에서는 초기 전압 충전 상태 추정부는 배터리 상태를 고려해서 초기 전압 충전 상태를 보정하도록 하여 정확한 SOCv산출이 가능하도록 한다.
즉, 초기 전압 충전 상태 추정부는 배터리 충전 상태의 변화를 검출하여 충전 상태가 증가되면 충전 상태로 파악하여 이에 따른 초기 전압 충전 상태를 보정하고, 이와 달리 충전 상태가 감소되면 방전 상태로 파악하여 이에 따른 초기 전압 충전 상태를 보정한다.
이를 위하여 초기 전압 충전 상태 추정부는 배터리의 상태가 충전 상태에 있는지 방전 상태에 있는지를 확인해야 하는데 이는 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 초기 전압 충전 상태 추정부는 초기화를 수행한 후에(S210) 계산 주기를 증가시킨다(S211).
이후에, 초기 전압 충전 상태가 0.5이상 증가하였는지를 판단하여(S213), 증가하였으면 충전 상태를 나타내는 인디케이터(C_charge)를 1증가시킨다(S214).
이후에, 초기 전압 충전 상태 추정부는 충전 상태 인디케이터가 4 이상이고, 전 배터리 상태값(State(n-1))이 충전 상태에 있었는지 판단하여(1이라면)(S215), 4이상이고 전 배터리 상태값이 충전 상태이면 충전 상태로 판단하고(S216), 4이상이 아니고 전 배터리 상태값이 충전 상태가 아니면 중립 상태로 판단한다(S217).
이와 달리, 초기 전압 충전 상태 추정부는 초기 전압 충전 상태가 0.5이상 증가하지 않았으면 -0.5이상 감소하였는지를 판단한다(S220).
판단 결과, 감소하였으면 방전 상태를 나타내는 인디케이터(C-discharge)를 1증가시킨다(S221).
이후에, 초기 전압 충전 상태 추정부는 방전 상태 인디케이터가 4이상이고, 전 배터리 상태값이 방전 상태(-1)인지를 판단하여(S222), 4이상이면 전 배터리 상태가 방전 상태에 있었다면 방전 상태로 판단하고(S223), 4이상이 아니고, 전 배터리 상태값이 방전 상태가 아니면 배터리 상태를 중립으로 판단한다(S217).
이와 달리 초기 전압 충전 상태 추정부는 초기 전압 충전 상태의 변화량이 -0.5~0.5사이에 있지 않으면 인디케이터를 초기화한다(S230).
이후에, 초기 전압 충전 상태 추정부는 초기 전압 충전 상태가 0.2 감소하지 않고, 전 배터리 상태가 충전 상태에 있었다면(S231) 충전 상태로 판단한다(S232).
이와 달리 초기 전압 충전 상태 추정부는 초기 전압 충전 상태가 0.2 감소하지 않았다면, 초기 전압 충전 상태가 0.2 증가하지 않고, 전 배터리 상태가 방전 상태에 있었다면(S233) 방전 상태로 판단한다(S234).
이러한 조건을 만족하지 않으면 초기 전압 충전 상태 추정부는 중립 상태로 판단한다.
이와 같은 과정을 수행한 후에 초기 전압 충전 상태 추정부는 S211부터 반복한다.
한편, 최종 충전 상태 추정부는 배터리의 출력이 저전류 구간에 있는지를 판단하여 저전류 구간에 있지 않으면 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 하고 저전류 구간에 있으면 안정화 상태에 있는지를 판단하여 안정화되어 있으면 초기 전압 전 상태를 최종 출력 상태로 한다(S300).
이때, 최종 충전 상태 추정부는 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 할때 방전 상태와 충전 상태의 평균값을 최종 충전 상태로 한다.
이를 좀더 구체적으로 도 9를 참조하며 살펴보면, 최종 충전 상태 추정부는 배터리의 전류가 저전류 구간에 있는지를 판단한다(S302).
판단 결과, 최종 충전 상태 추정부는 배터리 전류가 저전류 구간에 있지 않으면 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 한다(S304).
이와 달리 최종 충전 상태 추정부는 배터리 전류가 저전류 구간에 있으면 안정 상태에 있는지를 판단한다(S306).
이때, 최종 충전 상태 추정부는 안정 상태에 도달하는 시간을 결정하는데 있어서 열화 정도와 온도를 고려하여 안정 상태에 도달하는 시간을 결정한다.
여기에서, 열화 정도는 배터리가 얼마나 열화되었는지를 나타내는 것으로, 열화가 진행될수록, 온도가 낮은 수록 안정화되는데 걸리는 시간이 길어진다. 이러한 열화 정도는 저전류 구간에서 내부 저항에 따라 정해질 수 있다. 즉, 내부 저항이 증가할수록 열화 정도가 증가하는 것으로 판단할 수 있다.
이후에, 최종 충전 상태 추정부는 안정 상태에 있으면, 충전 상태와 방전 상태의 평균값으로(S308) 최종 배터리 충전 상태를 결정한다(S310).
상기와 같은 본 발명에 따르면, 온도에 따른 실제 용량 기준을 고려하여 전류 적산을 수행하기 때문에 공칭 용량 기준에 의한 초기 전류 충전 상태의 오차를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 상태를 고려하여 초기 전압 충전 상태를 파악함에 따라 배터리 상태에 따라 정확한 배터리 충전 상태를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 열화 정도를 고려하여 안정화 여부를 판단할 수 있어 실제 안정화 되는 상태에 부합하는 배터리 충전 상태를 파악할 수 있도록 한다.
이처럼, 본원 발명은 온도에 따른 온도에 따른 실제 용량 기준과, 배터리 상태를 고려하고, 열화 정도를 고려하여 배터리 충전 상태를 파악할 수 있도록 하여 정확한 충전 상태를 파악할 수 있도록 한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
[부호의 설명]
10 : 센싱부
11 : 전압 측정기
12 : 전류 측정기
13 : 온도 측정기
100 : 초기 전류 충전 상태 추정부
101 : 실제 용량 기준 산출기
102 : 전류 적산기
110 : 초기 전압 충전 상태 추정부
111 : 개방 전압 산출기
112 : 배터리 상태 검출기
113 : 추정기
120 : 최종 충전 상태 추정부
121 : 저전류 판단기
122 : 안정화 시간 검출기
123 : 설정기
130 : 메모리

Claims (21)

  1. 배터리 상태 정보를 센싱하여 출력하는 센싱부;
    온도에 따른 배터리 용량 기준, 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 저장하고 있는 메모리부;
    상기 센싱부에서 센싱된 배터리 상태 정보와 상기 메모리부에 저장된 배터리 용량 기준을 이용하여 배터리 실제 용량 기준을 산출하고, 상기 배터리 실제 용량 기준 및 배터리 전류 적산을 이용해 초기 전류 충전 상태를 산출하는 초기 전류 충전 상태 추정부;
    상기 센싱부에서 센싱된 배터리 전압과 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출하고 상기 메모리부에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 초기 전압 충전 상태 추정부; 및
    저 전류 구간 여부에 따라 초기 전류 충전 상태 또는 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 정하는 최종 충전 상태 추정부를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 최종 충전 상태 추정부는 저전류 구간이 아닐 경우에 상기 초기 전류 충전 상태 추정부에서 추정된 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 최종 충전 상태 추정부는 저 전류 구간에 진입한 경우에 상기 초기 전압 충전 상태 추정부에서 추정한 초기 전압 충전상태를 최종 충전 상태로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 초기 전압 충전 상태 추정부는
    측정 전압과 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출하는 개방 전압 산출기; 및
    상기 메모리에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 추정기를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 개방 전압 산출기는 충전 상태에 의해 보정된 보정 전압(SOH_V)과 충전 상태를 고려한 기준 전압(V-Reference)을 이용하여 산출한 보정 저항을 내부 저항(SOC_IR)으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 메모리부는 충전 상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블과 방전상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 저장하고 있으며,
    상기 초기 전압 충전 상태 추정기는 배터리의 충전 상태와 방전 상태를 파악하는 배터리 상태 검출기를 더 포함하고 있으며,
    상기 추정기는 상기 배터리 상태 검출기에 의해 파악된 배터리 상태가 충전 상태에 있으며 상기 메모리에 저장된 충전 상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하고, 배터리가 방전 상태에 있으면 방전상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 최종 충전 상태 추정부는
    상기 센싱부에서 측정된 전류가 저전류 구간에 진입하였는지를 판단하는 저전류 판단기;
    상기 저전류 판단기가 전류 상태를 저전류로 판단하는 경우에 안정화 시간을 산출하는 안정화 시간 검출기; 및
    상기 저전류 판단기의 판단 결과 저전류 구간이 아닐 경우에 상기 초기 충전 상태 추정부에서 추정된 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 하고, 저전류 구간이면 상기 안정화 시간 검출기에서 검출된 안정화 시간이후에 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 하는 설정기를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 설정기는 충전 상태와 방전 상태의 평균값을 최종 충전 상태로 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 안정화 시간 검출기는 열화 정도를 고려하여 안정 상태의 도달 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱부는
    상기 배터리 전압을 측정하는 전압 측정기;
    상기 배터리 전류를 측정하는 전류 측정기; 및
    상기 배터리 온도를 측정하는 온도 측정기를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 초기 전류 충전 상태 추정부는
    상기 센싱부에서 센싱된 온도를 이용하여 메모리부에 온도에 따른 배터리 용량 기준을 참조하여 실제 용량 기준을 산출하는 실제 용량 기준 산출기; 및
    상기 실제 용량 기준 산출기에서 산출된 실제 용량 기준을 이용하여 상기 측정된 전류의 적산에 의한 초기 전류 충전 상태를 산출하는 전류 적산기를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 장치.
  12. (A) 센싱부가 배터리 상태를 센싱하는 단계;
    (B) 초기 충전 상태 추정부가 상기 센싱부에서 센싱된 배터리 상태 정보와 메모리에 저장된 배터리 용량 기준을 이용하여 배터리 실제 용량 기준을 산출하고, 상기 배터리 실제 용량 기준 및 배터리 전류 적산을 이용해 초기 전류 충전 상태를 산출하는 단계;
    (C) 초기 전압 충전 상태 추정부는 상기 센싱부에서 센싱된 배터리 전압과 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출하고 메모리부에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 단계; 및
    (D) 최종 충전 상태 추정부가 저 전류 구간 여부에 따라 초기 전류 충전 상태 또는 초기 전압 충전 상태를 최종 충전 상태로 정하는 단계를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 (D)단계에서
    상기 최종 충전 상태 추정부는 저전류 구간이 아닐 경우에 상기 초기 전류 충전 상태 추정부에서 추정된 초기 전류 충전 상태를 최종 충전 상태로 하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 (D)단계에서
    상기 최종 충전 상태 추정부는 저 전류 구간에 진입한 경우에 상기 초기 전압 충전 상태 추정부에서 추정한 초기 전압 충전상태를 최종 충전 상태로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 (C) 단계는,
    (C-1) 초기 전압 충전 상태 추정부가 측정 전압과 내부 저항을 이용하여 개방 전압을 산출하는 단계; 및
    (C-2) 초기 전압 충전 상태 추정부가 메모리에 저장된 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 단계를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 (C) 단계는 상기 (C-1) 이전에
    (C-3) 상기 초기 전압 충전 상태 추정부가 충전 상태에 의해 보정된 보정 전압(SOH_V)과 충전 상태를 고려한 기준전압을 이용하여 산출한 보정 저항을 내부 저항(SOC_IR)로 하는 단계를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 (C) 단계는
    (C-4) 상기 초기 전압 충전 상태 추정부는 배터리의 충전 상태와 방전 상태를 파악하는 단계;
    (C-5) 상기 초기 전압 충전 상태 추정부는 배터리가 충전 상태에 있으며 상기 메모리에 저장된 충전 상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하는 단계; 및
    (C-6) 상기 초기 전압 충전 상태 추정부는 배터리가 방전 상태에 있으면 방전상태의 개방 전압-초기 전압 충전 상태 테이블을 이용하여 초기 전압 충전 상태를 추정하는 단계를 더 포함하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 (C) 단계는 상기 (C-6)단계 이후에,
    (C-7)상기 최종 충전 상태 추정부는 충전 상태와 방전 상태의 평균값을 최종 충전 상태로 결정하는 단계를 더 포함하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
  19. 청구항 12에 있어서,
    (E) 상기 최종 충전 상태 추정부가 저전류 구간에 진입한 경우에 안정 상태 이후에 상기 초기 전압 충전 상태 추정부에서 추정한 초기 전압 충전상태를 최종 충전 상태로 하는 단계를 더 포함하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 (E) 단계에서 상기 최종 상태 추정부가 열화 정도와 온도를 고려하여 안정 상태의 도달 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
  21. 청구항 12에 있어서,
    상기 (B) 단계는
    (B-1) 초기 전류 충전 상태 추정부가 상기 센싱부에서 센싱된 온도를 이용하여 메모리에 저장된 온도에 따른 배터리 용량 기준을 따라 실제 용량 기준을 산출하는 단계; 및
    (B-2) 초기 전류 충전 상태 추정부가 산출된 실제 용량 기준을 이용하여 상기 측정된 전류의 적산에 의한 초기 전류 충전 상태를 산출하는 단계를 포함하는 배터리 충전 상태 추정 방법.
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