WO2021107220A1 - 배터리 상태 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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WO2021107220A1
WO2021107220A1 PCT/KR2019/016717 KR2019016717W WO2021107220A1 WO 2021107220 A1 WO2021107220 A1 WO 2021107220A1 KR 2019016717 W KR2019016717 W KR 2019016717W WO 2021107220 A1 WO2021107220 A1 WO 2021107220A1
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voltage
battery
value
state
cell
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PCT/KR2019/016717
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홍영진
명희경
이재훈
박상언
김재규
황인재
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주식회사 민테크
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method capable of estimating a battery state of charge and a state of life.
  • a battery module or battery pack made to perform a specific role by combining a plurality of battery cells together to protect them from physical impacts from the external environment and generally simply referred to as a 'battery'.
  • a typical battery is a rechargeable battery installed in a smartphone, walkie-talkie, laptop, etc., and in the case of high power consumption such as electric bicycles and electric vehicles, as few as one or two to as many as tens of batteries are bundled together to form a single battery. You can also design pack structures.
  • the state of charge of the battery that is, the state of charge (SOC) is, for example, a measure capable of displaying the fuel amount of a storage battery used in a hybrid vehicle, a battery-type electric vehicle, or a battery-type electric vehicle.
  • SOC state of charge
  • the battery is full, and when the SOC is 0%, the battery is exhausted.
  • the state of health (SOH) of the battery estimated according to a preset criterion may be different from the remaining capacity life reflecting the voltage unequal state according to the actual use of the battery.
  • SOH state of health
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method for calculating a state of balance (SOB) by voltage of cells constituting a battery and accurately estimating a lifespan state of a battery by applying the SOB.
  • SOB state of balance
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus and method capable of accurately estimating the state of charge (ie, residual capacity SOC) of a battery by reflecting the state of balance (SOB) of cells constituting the battery.
  • SOC state of charge
  • SOB state of balance
  • An apparatus for estimating a battery life state calculates a voltage balance state value of a plurality of cells constituting a battery, and a life state value of the battery to which the voltage balance state value is applied.
  • the processor sets a voltage difference tolerance value within the voltage difference between the fully charged state voltage and the discharged state voltage of the battery, and based on the average voltage value derived from the measured voltage value of the cells to set an allowable limit quantile that subdivides the allowable limit range to which the voltage difference tolerance value is applied into one or more analysis sections, and calculates the voltage drop rate in the allowable limit range based on the average voltage value, but as the voltage drop rate Calculate the quantile drop rate based on the permissible limit quantile, derive the quantile order, which is the order of the analysis section in which the measured voltage values for each cell are included first, within the permissible limit quantile, and the voltage balance state based on the quantile drop rate and the quantile order A value may be calculated, and the balanced life state value may be estimated by applying the voltage balance state value to the life state value calculated based on the remaining capacity of the battery.
  • the processor may provide a user interface that allows the user to set at least one of the voltage difference tolerance limit value and the tolerance limit quantile.
  • the processor calculates a reference deviation voltage value that is a voltage difference per permissible threshold quantile, and a correction factor based on the standard deviation calculated based on the average voltage and the number of cells, the reference deviation voltage value, and the quantile order Calculate the value, and calculate the secondary voltage balance state value obtained by adding the product of the correction factor value and the quantile drop rate to the primary voltage balance state value, which is the voltage balance state value calculated based on the quantile drop rate and the quantile order, and
  • the balanced life state value may be estimated by applying the voltage balance state value to the life state value.
  • the processor when calculating the secondary voltage balance state value, when the calculated value of the correction factor is negative, changes it to a zero (0) value and applies it, and when it is a positive number, applies the calculated value of the correction factor as it is can do.
  • the voltage difference allowable limit value is greater than a value obtained by dividing a value of a used voltage range, which is a difference between the buffer state voltage and the discharge state voltage, by the number of the plurality of cells, and a value obtained by dividing the used voltage range value by two It can be set smaller.
  • the processor sequentially increases the quantile order, which is a variable, in integer units within a range from 1 to the permissible limit quantile, and for the average voltage value, sets the voltage difference permissible limit value as the permissible limit quantile.
  • the processor sequentially increases the quantile order, which is a variable, in integer units within a range from 1 to the permissible limit quantile, and for the average voltage value, sets the voltage difference permissible limit value as the permissible limit quantile.
  • the processor determines the voltage balance state value to be zero (0) when the measured voltages for each cell are not all included within the calculated range while the variable quantile order is increased up to the permissible limit quantile.
  • the battery life state estimation method by the battery life state estimation apparatus is to set a voltage difference tolerance value within the voltage difference between the fully charged state voltage and the discharged state voltage of a battery composed of a plurality of cells step; setting a permissible limit quantile for subdividing an tolerance range to which the voltage difference tolerance value is applied into one or more analysis sections based on the average voltage value derived from the measured voltage values of the cells; calculating a voltage drop rate in the allowable limit range based on the average voltage value, and calculating a percentile drop rate based on the allowable limit quantile as the voltage drop rate; deriving a quantile order, which is an order of an analysis section in which all the measured voltage values for each cell are initially included within the permissible limit quantiles; and calculating a voltage balance state value based on the quantile drop rate and quantile order, and estimating the balanced life state value by applying the voltage balance state value to the life state value calculated based on the remaining capacity of the battery. do.
  • the method for estimating a battery life state may include, before setting the voltage difference tolerance limit value, providing a user interface that allows a user to set at least one of the voltage difference tolerance limit value and the tolerance limit quantile; and receiving at least one of the voltage difference tolerance limit value and the tolerance limit quantile through the user interface.
  • the estimating of the balanced life state value may include: calculating a reference deviation voltage value that is a voltage difference per permissible threshold quantile; calculating a correction factor value based on the standard deviation calculated based on the average voltage and the number of cells, the reference deviation voltage value, and the quantile order; calculating a secondary voltage balance state value obtained by adding a product of the correction factor value and the quantile decreasing rate to a primary voltage balance state value that is a voltage balance state value calculated based on the quantile drop rate and the quantile order; and estimating the balanced life state value by applying the secondary voltage balance state value to the life state value.
  • an apparatus for estimating a battery state of charge includes: a memory for loading a program for correcting a voltage-remaining capacity correlation in which a battery voltage for each remaining capacity is matched based on a voltage balance state of a battery; and a processor executing instructions included in the program loaded into the memory.
  • the processor estimates the charging state to which the voltage balance state of the battery is applied based on the previous voltage-remaining capacity correlation table and the actual measured voltage of the battery composed of a plurality of cells according to the execution of the program, , a new voltage-remaining capacity correlation table may be generated by correcting a battery voltage value corresponding to each remaining capacity on the previous voltage-remaining capacity correlation table by reflecting the estimated state of charge.
  • the processor derives a cell maximum voltage, a cell minimum voltage, and a cell average voltage from the measured voltage for each cell of the battery, and based on the previous voltage-remaining capacity correlation table, the cell maximum voltage, the cell minimum voltage and Deriving the cell maximum remaining capacity, the cell minimum remaining capacity, and the cell average remaining capacity respectively corresponding to the cell average voltage, calculating a charge balance factor based on the cell maximum remaining capacity and the cell average remaining capacity, and the cell average remaining capacity and calculating a discharge balance factor based on the lowest remaining capacity of the cell, and the previous voltage-remaining capacity based on a reference voltage corresponding to a preset reference remaining capacity, the measured voltage of the battery, the charge balance factor, and the discharge balance factor A battery voltage value corresponding to each remaining capacity in the correlation table may be corrected.
  • the processor may set the reference residual capacity and the reference voltage, which are standards for classifying the charging period and the discharging period of the battery, from a standard voltage-remaining capacity correlation table in which a preset standard voltage is matched for each remaining capacity. .
  • the processor may provide a user interface that allows the user to set the reference remaining capacity.
  • the processor when the magnitude of the actual measured voltage of the battery exceeds the reference voltage, the charge balance factor based on the battery voltage value measured in the upper limit of charge step according to the previous voltage-remaining capacity correlation table , and when the actual measured voltage is less than the reference voltage, the discharge balance factor may be calculated based on the battery voltage value measured in the lower discharge limit step according to the previous voltage-remaining capacity correlation table.
  • a method for estimating a battery state of charge includes deriving a cell maximum voltage, a cell minimum voltage, and a cell average voltage based on voltages measured for each battery cell; deriving a cell maximum remaining capacity, a cell minimum remaining capacity, and a cell average remaining capacity respectively corresponding to the cell maximum voltage, the cell minimum voltage, and the cell average voltage, based on a preset previous voltage-remaining capacity correlation; calculating a charge balance factor based on the cell maximum remaining capacity and the cell average remaining capacity; calculating a discharge balance factor based on the cell average remaining capacity and the cell minimum remaining capacity; estimating a state of charge according to a voltage balance state of the battery based on a reference voltage corresponding to a preset reference residual capacity, the measured voltage of the battery, the charge balance factor, and the discharge balance factor; and generating a new voltage-remaining capacity correlation table by applying the estimated state of charge and correcting a battery voltage value corresponding to each remaining capacity on the previous voltage-remaining
  • the reference residual capacity and the reference voltage which are standards for classifying the charging period and the discharging period of the battery, may be set from the standard voltage-remaining capacity correlation table in which a preset standard voltage is matched for each residual capacity.
  • the method may further include providing a user interface that allows the user to set the reference remaining capacity.
  • the charging balance factor is calculated based on the battery voltage value measured in the upper limit of charging step according to the previous voltage-remaining capacity correlation table
  • the discharge balance factor may be calculated based on the battery voltage value measured in the lower discharge limit step according to the immediately preceding voltage-remaining capacity correlation table.
  • the present invention based on the initial value of the voltage-SOC standard table for estimating the state of charge of the battery by measuring the battery voltage, the cell voltage, and the temperature, using voltage data measured in real time for the battery By calibrating the voltage-SOC table and calculating the state of health (SOH) of the battery, it is possible to estimate the state of charge when using the battery based on this. information can be provided.
  • FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for estimating a battery life state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a battery life estimation method based on a voltage equalization degree according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an example of a graph for explaining a method of estimating a battery life reflecting a cell voltage balance state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an example of a graph comparing voltage balance states of a plurality of battery cells.
  • 5 and 6 are examples showing a cell voltage balance state calculation result according to an embodiment of the present invention, respectively.
  • FIG. 7 is a block diagram of an apparatus for estimating a state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of estimating a state of charge of a battery based on a degree of voltage equalization according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an example of a battery charge/discharge state graph for explaining a method for estimating a battery state of charge reflecting a cell voltage balance according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is another example of a battery charge/discharge state graph for explaining a method for estimating a battery state of charge reflecting a cell voltage balance according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for estimating a battery life state according to an embodiment of the present invention.
  • the battery life state estimation apparatus 100 illustrated in FIG. 1 may be a computing device operated by at least one processor.
  • the battery life device 100 may execute a program including instructions described to execute an operation according to the present invention.
  • the hardware of the apparatus 100 for estimating the battery life state may include at least one processor 110 , a memory 120 , a storage 130 , and a communication interface 140 , and each component can be connected via a bus.
  • the battery life state estimation apparatus 100 may further include hardware such as a separate input device and an output device.
  • various software including an operating system capable of driving a program may be loaded in a storage device such as the storage 130 .
  • the processor 110 is a device that controls the operation of the computing device 100 , and includes various types of processors (eg, a central processing unit (CPU), a micro processor unit (MPU), a micro processor unit (MCU) that process instructions included in a program. Controller Unit), GPU (Graphic Processing Unit), etc.).
  • processors eg, a central processing unit (CPU), a micro processor unit (MPU), a micro processor unit (MCU) that process instructions included in a program. Controller Unit), GPU (Graphic Processing Unit), etc.
  • the memory 120 may load a corresponding program so that the instructions described to execute the operation according to the present invention are processed by the processor 110 .
  • the memory 120 may be a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), or the like.
  • the storage 130 may store various data and programs required to execute the operation according to the present invention. At this time, the storage 130 matches the result data processed according to the execution of the program and the measurement data input through a previously interlocked or connected device (eg, a battery management system (BMS), etc.) for each battery for each battery. It can be stored as a database.
  • a previously interlocked or connected device eg, a battery management system (BMS), etc.
  • BMS battery management system
  • the communication interface 140 may be a wired/wireless communication module that processes communication between each component of the computing device 100 and communication with an externally interlocked device.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a process in which an apparatus for estimating a battery life state according to an embodiment of the present invention accurately estimates a battery life based on a voltage equalization degree of a battery cell.
  • FIG. 3 is an example of a graph for explaining a battery life estimation method reflecting the cell voltage balance state according to an embodiment of the present invention.
  • the battery life state estimation apparatus 100 calculates a state of balance by voltage (SOB voltage ) between battery cells, and a thermodynamic reference capacity for the battery (ie, State Of Charge, SOH balance by applying the voltage balance state (SOB voltage ) of the battery cell to the reference life state (State Of Halth, SOH capacity ) according to the SOC) may be calculated.
  • SOB voltage state of balance by voltage
  • SOH capacity state of Halth
  • the voltage balance state is a factor indicating the degree of voltage equalization of the unit cells. That is, it is a value that can confirm how much the voltage state of each cell of the battery differs from the average voltage at any point in time.
  • the battery life estimation method determines whether the voltage balance between the battery cells is the extent to which stable battery operation is possible. It can also be applied to estimate the battery life.
  • the processor 110 may process the following operations by executing a series of instructions included in the program, and through this, estimate the SOH balance in which the voltage balance of the battery cells is reflected. can be printed out.
  • values of preset parameters are derived based on basic information and actually measured measurement information among information for each battery stored in the storage 140 ( S201 ).
  • the preset parameters are the 'buffer state voltage V cha ' applied to the battery cells, the 'discharge state voltage V dis ' applied to the battery cells, and the 'maximum voltage V max ' among the measured voltages of each battery cell.
  • the 'minimum voltage V min ' among the measured voltages of each battery cell the 'average voltage V avg ' for the measured voltage of the battery cells, the 'number n' of the cells constituting the battery, and the maximum 'operation of the battery
  • the voltage range V f ' may include a 'voltage standard deviation ⁇ n' for battery cells.
  • the voltage range that can use the battery that is, the maximum operating voltage range V f may be defined as in Equation 1 below.
  • V cha is the fully charged state voltage of the unit cells constituting the battery
  • V dis is the unit cell discharged state voltage. That is, the difference between the maximum charging voltage and the maximum discharging voltage of the battery may be defined as a voltage range value (V f ) in which the battery can be used.
  • the operating voltage range V f is calculated as 1.2V can be
  • the following two parameters dV and X are determined in order to estimate the voltage balance state value SOB for the unit cells of the corresponding battery (S202).
  • the voltage difference tolerance limit dV is determined.
  • This voltage difference tolerance limit dV is a parameter that can be specified by a user to set an appropriate voltage balance state (SOB) range, and the range value is not limited.
  • the processor 110 may provide a user interface that allows a user (eg, a battery examiner or a battery use system designer) to select a voltage difference tolerance limit dV.
  • the user interface provided through the processor 110 is a concept including a graphical user interface (GUI).
  • GUI graphical user interface
  • the value of the voltage difference tolerance limit dV may be input in real time or in advance through the user interface provided by the processor 110, and this user interface includes the recommended value of the voltage difference tolerance limit dV, so that the user can select one of the recommended dV values. It is also possible to select a dV value suitable for the desired degree of battery cell voltage balance.
  • This voltage difference tolerance limit dV may be determined according to the condition of Equation 2 below.
  • the allowable voltage difference dV between the battery cells may be set to be equal to or greater than the value obtained by dividing the used voltage range V f by the number of cells n, but not to exceed 0.5 times the used voltage range.
  • the operating voltage range V f is 1.2V
  • V f the operating voltage range
  • dV the voltage difference tolerance limit
  • the average voltage V avg derived from the measured voltage of the cells is 3.6 V, and the voltage difference is in the range of 0.6 V in the negative direction and 0.6 V in the positive direction based on the average voltage V avg , respectively. It can be determined within the allowable limit range.
  • the tolerance quantile X which is the number of analysis sections within the voltage difference tolerance range, is determined.
  • the permissible limit quantile X may be determined according to the condition of Equation 3 below.
  • the permissible limit quantile X may be set to a number equal to or less than the square of the number n of 3 or more single cells.
  • the processor 110 may provide a user interface that allows a user (eg, a battery examiner or a battery use system designer) to select the number of permissible threshold quantiles X.
  • a user eg, a battery examiner or a battery use system designer
  • the user interface provided through the processor 110 is a concept including a graphical user interface (GUI).
  • GUI graphical user interface
  • the value of the tolerance quantile X may be input in real time or in advance through the user interface provided by the processor 110, and the user interface includes a recommended value of the tolerance quantile X, so that the user wants the desired precision among the recommended X. You can choose an appropriate value for X.
  • the quantile drop rate Y is determined ( S203 ).
  • the percentile drop rate Y means the voltage drop rate in the allowable limit range based on the average voltage.
  • the quantile descending rate Y may be defined as in Equation 4 below.
  • the permissible limit quantile X is determined to be 25
  • the quantile drop rate Y is 4.
  • the average voltage V avg and the standard deviation ⁇ n are calculated based on the measured voltage values V cells of each of the unit cells V1 to Vn of the battery.
  • the standard deviation ⁇ n may be calculated using Equation 5 below.
  • the average voltage V avg calculated based on the measured voltage V cell measured for each cell is 3.6V, so the standard deviation ⁇ n is calculated as 0.187 can be
  • the quantile order N means an integer that sequentially increases from 1 to the tolerance quantile X.
  • the quantile order N may be determined using Equation 6 below.
  • the quantile order N may be determined based on the average voltage value V avg of the unit cells and the reference deviation voltage dV/X.
  • the first quantile order N including the measured voltages of all cells may be 5 .
  • the initial quantile order N including the voltage values of all individual cells is the condition of Equation 7 below when the variable quantile order N is sequentially increased from 1 to X in integer units. It can be obtained by calculating the number of V cells that satisfy
  • Equation 6 When the result value in Equation 6 is expressed as a percentage with respect to n, it is possible to derive the quantile order N that is 100 (that is, the measured voltages of all unit cells are included within the range). That is, while dividing the quantiles by increasing the quantiles N by 1, the first quantiles N including the measured voltages of all cells within the range from the average voltage V avg to the determined tolerance dV are determined.
  • a voltage equalization state value SOB voltage for the unit cells is calculated based on the quantile order N calculated through Equations 6 and 7 (S206).
  • SOB1 voltage which is the primary voltage balance value
  • Equation 8 Equation 8
  • the quantile N which is a variable
  • the first quantile N which becomes 100
  • the quantile order N is 10 and Y is 25, so SOB1 voltage is calculated to be 60 as “100-4 * 10”.
  • an intraquantile balance correction factor A is calculated from the standard deviation ⁇ n and the reference deviation voltage dV/X (S207), and the secondary voltage balance state value SOB2 voltage is calculated using the correction factor A (S208).
  • the correction factor A can be obtained using Equation 9 below, and the secondary voltage balance value SOB2 voltage can be obtained using Equation 10.
  • the correction factor A is the balance correction factor for each quantile.
  • the quantile order N is 10
  • the reference deviation voltage dV/X is 0.024
  • the standard deviation ⁇ n is 0.187
  • the correction factor A is "(10*0.024-0.187)/(10 *0.024)", which is determined to be 0.22.
  • the secondary voltage balance value SOB2 voltage is calculated based on the product of the primary voltage balance state SOB1 voltage value, the correction factor A, and the quantile drop rate Y. At this time, if the correction factor A is negative, A' is set to 0, and if the value of A is positive, A' is set to the value A.
  • the correction factor A is a positive number of 0.22 and A' is set to 0.22, and as a result, the secondary voltage balance value SOB2 voltage is "60.88" as "60+4*0.22" is determined by
  • the balanced life state SOH balance to which the voltage balance state is applied is calculated (S209).
  • the battery life SOH balance to which the voltage balance of the battery is applied can be calculated using Equation 11 below.
  • SOH capacity represents the lifespan based on the remaining capacity (SOC) of the battery
  • SOH balance represents the lifespan obtained by applying the voltage balance state to the lifespan based on the remaining capacity of the battery.
  • the correction factor A is reflected Since SOB2 voltage, which is the voltage balance value, is 60.88, the balanced life state SOH balanc is "60.88*90/100", which is calculated as "54.79%”.
  • the user sets the reference deviation of the desired level of accuracy and precision and sets the quantile within the reference deviation to obtain a more accurate voltage balance. It is possible to estimate the battery life state to which ?
  • FIG. 4 is an example of a graph comparing voltage balance states of a plurality of battery cells.
  • the first to fourth battery cell voltage balance states (1 to 4) can be checked, and the voltage balance state SOB is the second battery cell voltage balance state (2) and the first battery cell voltage balance. It can be seen that the higher value in the order of the state (1), the fourth battery cell voltage balance state (4), and the third battery cell voltage balance state (3), that is, the voltage balanced state with higher safety and efficiency.
  • Fig. 4 it can be seen that the number of battery cells close to the average voltage V avg is large in the first voltage balanced state (1), but has a higher quantile order N than the quantile order N of the second voltage balanced state (2). can That is, it can be seen that there exists a battery having a measured voltage farther from the average voltage V avg within the voltage difference allowable limit dV in the first voltage balance state (1) compared to the second voltage balance state (2).
  • the SOB in the voltage balance state may be lower than that of a battery with a high degree of voltage equalization
  • 5 and 6 are examples showing a cell voltage balance state calculation result according to an embodiment of the present invention, respectively.
  • the first battery of FIG. 5 and the second battery of FIG. 6 each have 10 cells (ie, single cells), the user sets the allowable threshold difference dV to 0.6V, and sets the allowable threshold quantile X to 50
  • the state set to is shown as an example.
  • the difference between the maximum voltage V max and the minimum voltage V min among the measured voltages for each cell of the first battery is 0.0013, and the measured voltages of all cells are all included in the first section of the quantile section.
  • the primary voltage balance state SOB1 is calculated as a value of 98, and SOB2 applied with the correction factor to this SOB1 is calculated as 99.6922. Accordingly, a value of 99.69% of the life state SOH based on the remaining capacity of the first battery may be estimated as the balanced life state SOH balance.
  • the difference between the maximum voltage V max and the minimum voltage V min among the measured voltages for each cell of the second battery is 0.33, which is very large compared to the 0.0013 difference between the maximum voltage V max and the minimum voltage V min of the first battery described above. It can be seen that In addition, it can be seen that the measured voltages of all cells of the second battery are included only in the 48th section of the quantile section.
  • the value of R in the primary voltage balance state SOB1 is It is calculated as 4
  • SOB2 applying the correction factor to this SOB1 is calculated as 4.94625. Accordingly, a value of about 4.95% of the life state SOH based on the remaining capacity of the second battery can be estimated as the balanced life state SOH balance.
  • the voltages of the battery cells of the second battery are spread over a very wide range based on the average voltage, and accordingly, it can be seen that the voltage balance state is very low.
  • the second battery has a full charge voltage V cha a slightly lower voltage than the battery cell voltage in the charging ability of the near 4.1V to 4.2V exists, and a number, the first battery is relatively fully charged voltage V cha 4.2V There are batteries with a voltage charging capacity of 3.712 V.
  • the cells of the second battery have a relatively low level of voltage equalization between the cells compared to the level of the first battery, so that the efficiency of the actual battery life state is considerably lower than that of the first battery having a high level of voltage equalization between the battery cells. .
  • FIG. 7 is a block diagram of an apparatus for estimating a state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • the apparatus 100 ′ for estimating a battery state of charge illustrated in FIG. 7 may be a computing device operated by at least one processor.
  • the battery life device 100 ′ may execute a program including instructions described to execute an operation according to the present invention.
  • the hardware of the apparatus 100 ′ for estimating the battery state of charge may include at least one processor 110 ′, a memory 120 ′, a storage 130 ′, and a communication interface 140 ′. and each component may be connected through a bus.
  • the battery charge state estimation apparatus 100 ′ may further include hardware such as a separate input device and an output device.
  • various software including an operating system capable of driving a program may be loaded in a storage device such as the storage 130 ′.
  • the processor 110 ′ is a device that controls the operation of the computing device 100 ′, and various types of processors (eg, a central processing unit (CPU), a micro processor unit (MPU), an MCU that process instructions included in a program). (Micro Controller Unit), GPU (Graphic Processing Unit), etc.).
  • processors eg, a central processing unit (CPU), a micro processor unit (MPU), an MCU that process instructions included in a program). (Micro Controller Unit), GPU (Graphic Processing Unit), etc.).
  • the memory 120' may load a corresponding program so that instructions described to execute an operation according to the present invention are processed by the processor 110'.
  • the memory 120 ′ may be a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), or the like.
  • the storage 130' may store various data and programs required to execute the operation according to the present invention.
  • the storage 130 ' is inputted through the result data processed according to the execution of the program and the previously interlocked or connected device (eg, voltage/current/temperature sensor, Battery Management System (BMS), etc.) Measured data can be matched for each battery and stored in a database.
  • the storage 130 ′ stores a “voltage-SOC correlation table” in which a state of charge (SOC) value corresponding to a battery voltage measured for each battery can be checked.
  • SOC state of charge
  • the communication interface 140 ′ may be a wired/wireless communication module that handles communication between components of the computing device 100 ′ and communication with an externally interlocked device.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a process in which an apparatus for estimating a battery state of charge according to another embodiment of the present invention estimates an accurate state of charge of a battery based on a voltage equalization degree of a battery cell.
  • FIG. 9 is an example of a graph for explaining a method of estimating a battery state of charge reflecting a cell voltage balance state according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is another example of a graph for explaining a method for estimating a battery state of charge reflecting a cell voltage balance state according to another embodiment of the present invention.
  • the battery state of charge estimation apparatus 100 ′ estimates the state of charge of the battery by measuring the voltage of the battery, the voltage and temperature of each battery cell, and stores the result data as a standard state of charge table, The state of charge table is corrected by applying the degree of equalization of the cell voltage of the battery based on the initial value of the standard table.
  • the apparatus 100 ′ for estimating the state of charge of the battery may divide and display the SOC into predetermined units so that the expected battery usage period according to the SOC information of the battery may be checked. Based on these units of expected battery life, the battery can be used stably until the battery is recharged.
  • the lifespan of the battery ie, usable capacity
  • the inaccuracy of the expected product use time according to the battery SOC information increases compared to that of a new product.
  • the voltage deviation of a battery cell increases when the battery life is reduced, charging is stopped before the battery's usable capacity is fully charged, or discharging is stopped before the battery's usable capacity is completely discharged. phenomena may occur.
  • the inaccuracy of the expected battery usage period according to the SOC information is further increased, and the SOC information and the expected battery usage period are unreliable.
  • the processor 110 ′ can process the following operations by executing a series of instructions included in the program, and through this, by estimating the battery state of charge (SOC) reflecting the voltage balance state of the battery cells, can be printed out.
  • SOC battery state of charge
  • the processor 110 ′ processes the following operations.
  • n of cells in real time measures the voltage V of the cell voltage V batt of the battery with each cell consisting of a (i.e., unit cell) (S801).
  • the values of the battery voltage V batt and the cell voltage V cell may be respectively obtained from the battery management system (BMS).
  • the highest cell voltage V cell.max that is the voltage of the cell with the highest measured voltage value among the plurality of cells and the lowest voltage V that is the voltage of the cell with the smallest measured voltage value cell.min is derived, and the calculated cell average voltage V cell.avg is calculated based on the measured voltage values for each of the plurality of cells (S802).
  • the cell maximum remaining capacity SOC cell.max the cell minimum remaining capacity SOC corresponding to each value cell.min , and the cell average remaining capacity SOC cell.avg are derived (S803).
  • cell.avg voltage V can be drawn up to the cell residual capacity SOC cell.max, cell minimum remaining capacity SOC cell.min, and the cell average remaining capacity SOC cell.avg matched to each.
  • Table 3 below includes "standard voltage-residual capacity correlation table”. That is, in Table 3, a correlation table in which battery voltage values of the “V batt standard” item are matched for each SOC value from 0 to 100 may be a “standard voltage-remaining capacity correlation table”. In this case, as shown in Table 3, battery voltage values matched for each SOC value in the "V batt standard” item may mean a preset ideal voltage, that is, a standard voltage.
  • the section of the residual capacity may be divided into 10 units (eg, percentage %) as shown in Table 3, for example, the residual capacity section and the real-time change state of the battery voltage corresponding to each section may be visualized and output so that the user can intuitively grasp it.
  • the processor 110 ′ may provide a user interface that displays the real-time remaining capacity state of the battery, which is a concept including a graphic user interface (GUI).
  • GUI graphic user interface
  • Table 3 not only the correlation between the standard voltage and the remaining capacity preset for the battery, but also the time of battery release is set as the 0th order and then changed according to the sequential battery voltage measurement cycles (i.e., 1st and 2nd, etc.)
  • a voltage-remaining capacity correlation table is further included.
  • the correlation table changed for each battery voltage measurement cycle up to the second time is shown as an example value, but the cycle of the voltage-remaining capacity correlation table is not limited.
  • the highest remaining cell voltage matched to each of the cell highest voltage V cell.max , the cell lowest voltage V cell.min and the cell average voltage V cell.avg A capacity SOC cell.max , a cell minimum remaining capacity SOC cell.min , and an average cell remaining capacity SOC cell.avg can be derived.
  • any battery (eg, lithium ion battery) described in Table 3 is It may be a battery module in which eight single cells are connected in series.
  • SOB voltage balance state
  • a charging section in which the voltage of the battery rises and a discharging section in which the voltage of the battery falls are separated, but a reference residual capacity SOC std is set for setting a fixed standard of the residual capacity and voltage for each battery voltage measurement cycle ( S804).
  • a standard voltage corresponding to the reference residual capacity SOC std is derived from the "standard cell voltage-remaining capacity correlation table" and set as the reference voltage V std ( S804 ).
  • the reference residual capacity SOC std may be set as the residual capacity value at the point where the charge/discharge section is changed in the first voltage measurement, and may be set to a central value such as, for example, the residual capacity 40 or 50, but is not limited thereto. does not
  • the processor 110 ′ may provide a user interface that allows the user to directly set the reference residual capacity SOC std to which the fixed reference voltage is to be applied for each battery measurement cycle.
  • the reference residual capacity SOC std is set to 40 as an example, and accordingly, the value of the battery voltage V batt is set to 29.03 on the standard voltage-remaining capacity correlation table of Table 3 .
  • a voltage change state ie, a charging/discharging state of the battery may be displayed in a graph form as shown in FIGS. 9 and 10 .
  • the state of balance (SOB) of the battery is changed, and accordingly, the same residual capacity (SOC) for each cycle is changed.
  • the value (ie, the measured voltage) of the battery charge/discharge graph is changed. That is, as the voltage balance state (SOB) of the battery is lowered, the battery measured voltage V batt value for the same residual capacity (SOC) in the charging section is lowered in the charging section based on the reference residual capacity SOC std , and the same residual capacity section in the discharging section
  • the battery measured voltage V batt value for (SOC) may increase.
  • the charge balance factor C and the discharge balance factor D are factors for correcting the voltage-remaining capacity by applying the change in the voltage balance state (SOB) as described above for each battery voltage measurement cycle when estimating the remaining capacity (SOC).
  • the charge balance factor C is for applying the current voltage balance state (SOB) of the battery to the charging section, and can be calculated through Equation 12 below.
  • the charge balance factor C refers to the ratio of the cell maximum residual capacity SOC cell.max and the cell average residual capacity SOC cell.avg derived from the cell maximum voltage V cell.max value and the cell average voltage V cell.avg value, respectively.
  • the charge balance factor C may satisfy the condition of 0 ⁇ C ⁇ 1.
  • the discharge balance factor D is for applying the current voltage balance state (SOB) of the battery to the discharge period, and can be calculated through Equation 13 below.
  • the discharge balance factor D refers to the ratio of the cell minimum remaining capacity SOC cell.min and the cell average remaining capacity SOC cell.avg derived from the cell minimum voltage V cell.min value and the cell average voltage V cell.avg value, respectively.
  • the discharge balance factor D may satisfy the condition of 0 ⁇ D ⁇ 1.
  • the battery state of charge (SOC) estimation to which the voltage balance state according to the currently measured battery voltage is applied is performed (S806).
  • SOC battery state of charge
  • the battery voltage of the previous "voltage-remaining capacity correlation table” is corrected according to the currently measured voltage balance state (SOB) of the battery to generate and provide a balanced voltage-remaining capacity correlation table (S807).
  • Equation 14 in order to correct the battery voltage corresponding to each remaining capacity SOC by applying the current voltage balance state (SOB) of the battery, Equation 14 below may be applied.
  • V X means a voltage value at SOC X.
  • the measured battery voltage V X exceeds the preset reference voltage V std (that is, when V X > V std ), it is the charging period of the battery, and the previous voltage corresponding to the remaining capacity SOC X - Residual capacity correlation table
  • the battery voltage V X at is corrected (ie, changed) to the balanced battery voltage V′ X by applying the reference voltage V std and the charge balance factor C .
  • the measured battery voltage V X is less than the preset reference voltage V std (that is, when V X ⁇ V std ), it is the discharge period of the battery, and the immediately preceding voltage corresponding to the residual capacity SOC X - in the residual capacity correlation table
  • the battery voltage V X is corrected (ie, changed) to the balanced battery voltage V′ X by applying the reference voltage V std and the discharge balance factor D .
  • FIG. 10 is a graph showing data according to each voltage-remaining capacity correlation table included in Table 3.
  • the highest cell voltage V cell.max measured in the battery release stage is 3.63
  • the cell lowest voltage V cell.min is 3.57
  • the cell average voltage V cell.avg is 3.62
  • the maximum remaining capacity of the cell SOC cell.max the lowest remaining capacity of the cell SOC cell.min
  • the average remaining capacity of the cell derived from the previous voltage-remaining capacity correlation table that is, the standard voltage-remaining capacity correlation table
  • the dose SOC cell.avg is SOC 40, SOC 25 and SOC 35, respectively.
  • the corresponding residual capacity SOC in the previous voltage-remaining capacity correlation table ie, standard voltage-residual capacity correlation table
  • SOC X is 35 and V X is 28.88 can be derived.
  • the voltage balance state SOB of the battery corresponding to the standard voltage-remaining capacity correlation table is 100
  • the voltage balance state SOB in the first battery voltage measurement ie, release stage
  • the battery voltage measurement 2 The state in which the voltage balance state SOB in the cycle is 90 is shown as an example.
  • the voltage balance state SOB is lowered to 96 compared to the previous one, and the voltage value corresponding to the residual capacity SOC 100 on the standard voltage-remaining capacity correlation table is lowered to the first voltage P10, As a result, in the corrected balanced voltage-remaining capacity correlation table, the upper limit of charging becomes lower than in the standard voltage-residual capacity correlation table.
  • the charge balance factor C based on the battery voltage measured in each of the charging section (ie, V X > V std ) and the discharging section (ie, V X ⁇ V std ) divided around the set reference residual capacity SOC std . and a discharge balance factor D can be calculated.
  • the charge balance factor C calculated based on the battery voltage measured at the stage where the battery voltage is close to within the range set in SOC 100, that is, the battery voltage value measured at the upper limit stage of charging can be used to recalibrate the balanced voltage-residual capacity correlation table.
  • the balanced voltage-remaining capacity using the discharge balance factor D calculated based on the battery voltage value measured at the stage where the battery voltage is close to within a preset range to SOC 0, that is, the lower discharge limit stage
  • the dose correlation table can be recalibrated.
  • the step (S807) of estimating the state of charge of the battery by applying the voltage balance state (SOB) described above the step of calculating the reference balance factor S may be further processed.
  • the reference balance factor S means the degree of balance between the reference residual capacity SOC std and each SOC, and can be used to assign a weight to the voltage balance state (SOB) calculated based on the reference residual capacity SOC std.
  • the reference balance factor S can be calculated using Equation 15 below.
  • the reference balancing factor S when the reference residual capacity SOC std is set to 50, the reference balancing factor S may be 0.5, and when the reference residual capacity SOC std is set to 30, the reference balancing factor S may be 0.3.
  • the battery voltage balance state (SOB ) can be calculated through Equation 16 below.
  • the battery state estimation methods according to the embodiments of the present invention described above may also be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as a program module executed by a computer.
  • Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media.
  • Computer-readable media may include computer storage media, which are volatile and volatile embodied in any method or technology for storage of information, such as computer-readable instructions, data structures, program modules, or other data. Includes all non-volatile, removable and non-removable media.

Landscapes

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Abstract

배터리 수명 상태 추정 장치 및 방법을 제공한다. 배터리 수명 상태 추정 장치는 배터리를 구성하는 복수의 셀들의 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값이 적용된 상기 배터리의 수명상태 값인 균형수명상태 값을 추정하기 위한 프로그램을 로드하는 메모리, 및 메모리에 로드된 프로그램에 포함된 명령들을 실행하는 프로세서를 포함한다. 또한, 배터리 충전 상태 추정 장치 및 방법을 제공한다. 배터리 충전 상태 추정 장치는 잔존용량 별 배터리 전압이 매칭된 전압-잔존용량 상관관계를 배터리의 전압균형상태에 기반하여 보정하기 위한 프로그램을 로드하는 메모리, 및 메모리에 로드된 프로그램에 포함된 명령들을 실행하는 프로세서를 포함한다.

Description

배터리 상태 추정 장치 및 방법
본 발명은 배터리 충전 상태 및 수명 상태를 추정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
복수의 배터리 셀(cell)을 하나로 합쳐 외부 환경의 물리적 충격으로부터 보호하며 특정한 역할을 수행하도록 만든 것을 배터리 모듈 또는 배터리 팩이라고 하며, 일반적으로 '배터리'라고 간단하게 지칭한다. 예를 들어, 배터리는 스마트폰, 무전기, 노트북 등에 장착된 충전지가 대표적이며, 전동 자전거 및 전기 자동차와 같이 높은 전력을 소비하는 경우 적게는 한두 개에서 많게는 수십 개에 달하는 배터리를 한데 묶어 하나의 배터리 팩 구조물을 설계할 수도 있다.
배터리의 수명이 감소할 때 배터리를 구성하는 셀들의 전압 편차의 정도가 커지면 일부 셀의 과충전 또는 과방전을 초래하게 된다. 이처럼 배터리의 셀들 중에서 과충전 또는 과방전되는 셀이 발생되면 안전성이 크게 떨어지며 이상 상황에서 화재 또는 폭발로 이어질 수 있는 위험이 있다. 또한, 배터리의 셀들 중 일부가 상한한계전압 또는 하한한계전압에 도달하면 잔존 용량이 더 있음에도 불구하고 사용이 제한되어 배터리의 용량을 모두 구현할 수 없다는 한계가 있다.
한편, 배터리의 충전 상태 즉, 잔존용량(State Of Charge, SOC)은, 예를 들어 하이브리드 차량이나 배터리식 전기자동차, 또는 배터리식 전기자동차 등에 쓰이는 축전지의 연료량을 표시할 수 있는 척도이다. SOC가 100%일 때는 축전지가 가득찬 상태를 나타내고, 0%일 때는 축전지가 모두 소모된 상태를 나타낸다.
이러한 배터리에 있어서, 기설정된 기준에 따라 추정된 배터리의 잔존용량수명(State of Health, SOH)은 배터리의 실제 사용에 따른 전압불균등 상태를 반영한 잔존용량수명과 상이할 수 있다. 즉, 배터리 셀의 전압불균등 상태로 인해 일부 셀이 사전에 설정되어 있던 상한전압 또는 하한전압에 먼저 도달할 경우 전체 셀이 상한전압 또는 하한전압에 도달하지 않았더라도 배터리가 작동을 중지하여 실제적인 배터리 용량을 모두 구현하지 못하는 문제점이 있다.
기존의 배터리의 SOC를 추정하기 위한 방법으로는 배터리의 개방전압(Open Circuit Voltage, OCV)을 측정하고, 이를 기반으로 배터리의 SOC를 추정하는 기법이 사용되었다. 그러나 이러한 종래의 기법으로는 배터리 충전 상태 추정 시 위와 같은 배터리 전압불균등 상태에 따른 문제를 해결하는데 어려움이 있다.
본 발명은 배터리를 구성하는 셀들의 전압 균등화 정도(State Of Balance (SOB) by voltage)를 계산하고, SOB를 적용하여 배터리의 수명 상태를 정확하게 추정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 배터리를 구성하는 셀들의 전압 균등화 정도(State Of Balance, SOB)를 반영하여 배터리의 충전 상태(즉, 잔존용량 SOC)를 정확하게 추정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치는, 배터리를 구성하는 복수의 셀들의 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값이 적용된 상기 배터리의 수명상태 값인 균형수명상태 값을 추정하기 위한 프로그램을 로드하는 메모리; 및 상기 메모리에 로드된 프로그램에 포함된 명령들을 실행하는 프로세서를 포함한다.
이때, 상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라, 상기 배터리의 완충상태전압 및 방전상태전압 간의 전압차 내에서 전압차 허용한계 값을 설정하고, 상기 셀들의 측정전압 값으로부터 도출된 평균전압 값을 기준으로 상기 전압차 허용한계 값을 적용한 허용한계범위를 하나 이상의 분석구간으로 세분화하는 허용한계분위수를 설정하고, 상기 평균전압 값을 기준으로 상기 허용한계범위에서의 전압하강율을 산출하되 상기 전압하강율로서 상기 허용한계분위수에 기반한 분위하강율을 산출하고, 상기 허용한계분위수 내에서 상기 셀 별 측정전압 값이 최초로 모두 포함되는 분석구간의 차수인 분위차수를 도출하고, 상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값을 상기 배터리의 잔존 용량에 기반하여 산출된 수명상태 값에 적용하여 균형수명상태 값을 추정할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 사용자가 상기 전압차 허용한계 값 및 허용한계분위수 중 적어도 하나를 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 허용한계분위 당 전압차인 기준편차전압 값을 산출하고, 상기 평균전압 및 셀의 개수에 기초하여 산출된 표준편차, 상기 기준편차전압 값 및 상기 분위차수에 기초하여 보정인자 값을 산출하고, 상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 산출된 전압균형상태 값인 1차 전압균형상태 값에 상기 보정인자 값 및 분위하강율의 곱을 더한 2차 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 2차 전압균형상태 값을 상기 수명상태 값에 적용하여 상기 균형수명상태 값을 추정할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 2차 전압균형상태 값 산출 시, 상기 산출된 보정인자의 값이 음수인 경우 영(0) 값으로 변경하여 적용하고, 양수인 경우 상기 산출된 보정인자의 값을 그대로 적용할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 전압차 허용한계 값을 상기 완충상태전압과 상기 방전상태전압의 차인 사용전압범위 값을 상기 복수의 셀의 개수로 나눈 값보다 크고 상기 사용전압범위 값을 2로 나눈 값보다 작게 설정할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 변수인 상기 분위차수를 1부터 상기 허용한계분위수까지의 범위 내에서 순차적으로 정수 단위로 증가시키되, 상기 평균전압 값에 대해, 상기 전압차 허용한계값을 상기 허용한계분위수로 나눈 값에 상기 분위차수를 곱한 값을 감한 값 내지 가한 값의 범위를 산출하고, 상기 산출된 범위 내에 상기 셀 별 측정전압이 모두 포함되는 최초의 분위차수를 도출하고, 상기 도출된 분위차수에 기초하여 상기 전압균형상태 값을 산출할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 변수인 상기 분위차수가 상기 허용한계분위수까지의 증가되는 동안 상기 산출된 범위 내에 상기 셀 별 측정전압이 모두 포함되지 않는 경우, 상기 전압균형상태 값을 영(0)으로 결정할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치에 의한 배터리 수명 상태 추정 방법은, 복수의 셀들로 구성된 배터리의 완충상태전압 및 방전상태전압 간의 전압차 내에서 전압차 허용한계 값을 설정하는 단계; 상기 셀들의 측정전압 값으로부터 도출된 평균전압 값을 기준으로 상기 전압차 허용한계 값을 적용한 허용한계범위를 하나 이상의 분석구간으로 세분화하는 허용한계분위수를 설정하는 단계; 상기 평균전압 값을 기준으로 상기 허용한계범위에서의 전압하강율을 산출하되 상기 전압하강율로서 상기 허용한계분위수에 기반한 분위하강율을 산출하는 단계; 상기 허용한계분위수 내에서 상기 셀 별 측정전압 값이 최초로 모두 포함되는 분석구간의 차수인 분위차수를 도출하는 단계; 및 상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값을 상기 배터리의 잔존 용량에 기반하여 산출된 수명상태 값에 적용하여 균형수명상태 값을 추정하는 단계를 포함한다.
이때, 배터리 수명 상태 추정 방법은, 상기 전압차 허용한계 값을 설정하는 단계 이전에, 사용자가 상기 전압차 허용한계 값 및 허용한계분위수 중 적어도 하나를 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공하는 단계; 및 상기 사용자 인터페이스를 통해 상기 전압차 허용한계 값 및 허용한계분위수 중 적어도 하나를 입력받는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 균형수명상태 값을 추정하는 단계는, 상기 허용한계분위 당 전압차인 기준편차전압 값을 산출하는 단계; 상기 평균전압 및 셀의 개수에 기초하여 산출된 표준편차, 상기 기준편차전압 값 및 상기 분위차수에 기초하여 보정인자 값을 산출하는 단계; 상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 산출된 전압균형상태 값인 1차 전압균형상태 값에 상기 보정인자 값 및 분위하강율의 곱을 더한 2차 전압균형상태 값을 산출하는 단계; 및 상기 2차 전압균형상태 값을 상기 수명상태 값에 적용하여 상기 균형수명상태 값을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치는, 잔존용량 별 배터리 전압이 매칭된 전압-잔존용량 상관관계를 배터리의 전압균형상태에 기반하여 보정하기 위한 프로그램을 로드하는 메모리; 및 상기 메모리에 로드된 프로그램에 포함된 명령들을 실행하는 프로세서를 포함한다.
이때, 상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라, 보정의 기초가 되는 이전 전압-잔존용량 상관관계표 및 복수의 셀로 구성된배터리의 실제 측정 전압에 기반하여 배터리의 전압균형상태가 적용된 충전 상태를 추정하고, 상기 추정된 충전 상태를 반영하여 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표 상의 잔존용량 별로 대응하는 배터리 전압 값을 보정하여 새로운 전압-잔존용량 상관관계표를 생성할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 배터리의 셀 별 측정전압으로부터 셀 최고전압, 셀 최저전압 및 셀 평균전압을 도출하고, 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표에 기반하여 상기 셀 최고전압, 셀 최저전압 및 셀 평균전압에 각각 대응하는 셀 최고잔존용량, 셀 최저잔존용량 및 셀 평균잔존용량을 도출하고, 상기 셀 최고잔존용량 및 셀 평균잔존용량에 기초하여 충전균형인자를 산출하고, 상기 셀 평균잔존용량 및 셀 최저잔존용량에 기초하여 방전균형인자를 산출하고, 기설정된 기준 잔존용량에 대응하는 기준 전압, 상기 배터리의 측정 전압, 상기 충전균형인자 및 상기 방전균형인자에 기초하여 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표 상의 잔존용량 별로 대응하는 배터리 전압 값을 보정할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 잔존용량 별로 기설정된 표준 전압이 매칭된 표준 전압-잔존용량 상관관계표로부터 배터리의 충전구간 및 방전구간을 구분하는 기준이 되는 상기 기준 잔존용량 및 상기 기준전압을 설정할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 사용자가 상기 기준 잔존용량을 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 배터리의 실제 측정 전압의 크기가 상기 기준 전압을 초과할 경우, 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표에 따른 충전상한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 상기 충전균형인자를 산출하고, 상기 실제 측정 전압의 크기가 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표에 따른 방전하한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 상기 방전균형인자를 산출할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 방법은, 배터리 셀 별로 측정된 전압에 기초하여 셀 최고전압, 셀 최저전압 및 셀 평균전압을 도출하는 단계; 기설정된 이전 전압-잔존용량 상관관계에 기반하여 상기 셀 최고전압, 셀 최저전압 및 셀 평균전압에 각각 대응하는 셀 최고잔존용량, 셀 최저잔존용량 및 셀 평균잔존용량을 도출하는 단계; 상기 셀 최고잔존용량 및 셀 평균잔존용량에 기초하여 충전균형인자를 산출하는 단계; 상기 셀 평균잔존용량 및 셀 최저잔존용량에 기초하여 방전균형인자를 산출하는 단계; 기설정된 기준 잔존용량에 대응하는 기준 전압, 상기 배터리의 측정 전압, 상기 충전균형인자 및 상기 방전균형인자에 기초하여 상기 배터리의 전압균형상태에 따른 충전 상태를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 충전 상태를 적용하여 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표 상의 잔존용량 별로 대응하는 배터리 전압 값을 보정하여 새로운 전압-잔존용량 상관관계표를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 잔존용량 별로 기설정된 표준 전압이 매칭된 표준 전압-잔존용량 상관관계표로부터 배터리의 충전구간 및 방전구간을 구분하는 기준이 되는 상기 기준 잔존용량 및 상기 기준전압을 설정할 수 있다.
또한, 사용자가 상기 기준 잔존용량을 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리의 실제 측정 전압의 크기가 상기 기준 전압을 초과할 경우, 상기 직전 전압-잔존용량 상관관계표에 따른 충전상한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 상기 충전균형인자를 산출하고, 상기 실제 측정 전압의 크기가 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 직전 전압-잔존용량 상관관계표에 따른 방전하한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 상기 방전균형인자를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리의 셀 간 전압 균등화 정도를 항상 관리할 수 있으며, 셀의 전압 균등화 정도가 무너진 배터리가 위험한 상황에 도달하기 전에 미리 예상 및 조치할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리전압, 단전지전압, 온도를 측정하여 배터리의 충전상태를 추정하는 전압-SOC 표준테이블의 초기값을 기반으로, 배터리를 실시간 측정한 전압 데이터를 이용하여 전압-SOC 테이블을 보정하고 배터리의 잔존용량수명(State of Health, SOH)을 계산함으로써, 이를 기반으로 배터리의 사용 시 충전 상태를 추정할 수 있어 실제 사용 조건에 따른 배터리 충전 상태를 보다 정확하게 추정하여 정보를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 균등화 정도에 기반한 배터리 수명 추정 방식을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압균형상태를 반영한 배터리 수명 추정 방법을 설명하기 위한 그래프의 일례이다.
도 4는 복수의 배터리 셀 전압균형상태를 비교한 그래프의 일례이다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압균형상태 산출 결과를 나타낸 일례이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압균등화정도에 기반한 배터리 충전 상태 추정 방식을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 전압균형상태를 반영한 배터리 충전 상태 추정 방법을 설명하기 위한 배터리 충방전 상태 그래프의 일례이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 전압균형상태를 반영한 배터리 충전 상태 추정 방법을 설명하기 위한 배터리 충방전 상태 그래프의 또 다른 예이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 장치 및 방법의 실시 예들을 설명한다. 이때, 본 발명은 아래의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 배터리 수명 상태 추정 장치(100)는 적어도 하나의 프로세서에 의해 동작하는 컴퓨팅 장치일 수 있다. 그리고 배터리 수명 장치(100)는 본 발명에 따른 동작을 실행하도록 기술된 명령들(instructions)이 포함된 프로그램을 실행할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 배터리 수명 상태 추정 장치(100)의 하드웨어는 적어도 하나의 프로세서(110), 메모리(120), 스토리지(130), 통신 인터페이스(140)를 포함할 수 있으며, 각 구성은 버스를 통해 연결될 수 있다. 이외에도, 배터리 수명 상태 추정 장치(100)는 별도의 입력 장치 및 출력 장치 등의 하드웨어를 더 포함할 수 있다.
또한, 배터리 수명 상태 추정 장치(100)는 프로그램을 구동할 수 있는 운영 체제를 비롯한 각종 소프트웨어가 스토리지(130)와 같은 저장 장치에 탑재될 수 있다.
프로세서(110)는 컴퓨팅 장치(100)의 동작을 제어하는 장치로서, 프로그램에 포함된 명령들을 처리하는 다양한 형태의 프로세서(예: CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 등)일 수 있다.
메모리(120)는 본 발명에 따른 동작을 실행하도록 기술된 명령들이 프로세서(110)에 의해 처리되도록 해당 프로그램을 로드할 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 ROM(read only memory), RAM(random access memory) 등 일 수 있다.
스토리지(130)는 본 발명에 따른 동작을 실행하는데 요구되는 각종 데이터 및 프로그램 등을 저장할 수 있다. 이때, 스토리지(130)는 프로그램의 실행에 따라 처리된 결과 데이터 및 사전에 연동되거나 연결된 장치(예: 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 등)를 통해 입력된 측정 데이터들을 각 배터리 별로 매칭하여 데이터베이스화하여 저장할 수 있다.
통신 인터페이스(140)는 컴퓨팅 장치(100)의 각 구성 요소들 간의 통신 및 외부 연동된 장치와의 통신을 처리하는 유/무선 통신 모듈일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치가 배터리 셀의 전압 균등화 정도에 기반하여 정확한 배터리 수명을 추정하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압균형상태를 반영한 배터리 수명 추정 방법을 설명하기 위한 그래프의 일례이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 상태 추정 장치(100)는 배터리 셀 간의 전압균형상태(State Of Balance by voltage, SOB voltage)를 계산하고, 배터리에 대한 열역학적 기준 용량(즉, State Of Charge, SOC)에 따른 기준 수명상태(State Of Halth, SOH capacity)에 배터리 셀의 전압균형상태(SOB voltage)를 적용한 균형수명상태(SOH balance)를 계산할 수 있다.
복수의 단전지(즉, 셀(cell))로 이루어진 배터리에 있어서, 전압균형상태(SOB)는 단전지들의 전압 균등화 정도를 나타내는 팩터이다. 즉, 임의의 시점에 배터리의 단전지 별 전압 상태가 평균전압으로부터 어느 정도 차이가 나는지를 확인할 수 있는 값이다.
실제 단전지 간의 전압균형상태가 적용된 균형수명상태 SOH balance를 계산함으로써, 실제 사용 환경하에서 좀 더 정확한 배터리의 수명 추정이 가능하다. 즉, 기존에는 배터리 수명 추정 시 단순히 셀들의 전압 평균값 및 표준편차 등의 정보에만 한정되었다면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 추정 방식은 배터리 셀 간에 전압균형상태가 안정적인 배터리 운용이 가능한 정도인지 여부까지 적용하여 배터리 수명을 추정할 수 있다.
도 2을 참조하면, 프로세서(110)는 프로그램에 포함된 일련의 명령들을 실행하여 아래의 동작들을 처리할 수 있으며, 이를 통해 배터리 셀의 전압균형상태가 반영된 배터리 균형수명상태(SOH balance)를 추정하여 출력할 수 있다.
먼저, 스토리지(140)에 저장되어 있던 배터리 별 정보 중 기본 정보와 실측정된 측정 정보에 기반하여 기설정된 파라미터들의 값을 도출한다(S201).
이때, 기설정된 파라미터들은, 배터리 단전지들에 적용되는 '완충상태전압 V cha', 배터리 단전지들에 적용되는 '방전상태전압 V dis', 배터리 단전지 각각의 측정된 전압 중 '최대 전압 V max', 배터리 단전지 각각의 측정된 전압 중 '최소 전압 V min', 배터리 단전지들의 측정된 전압에 대한 '평균 전압 V avg', 배터리를 구성하는 단전지들의 '개수 n', 배터리의 최대 '동작 전압 범위 V f', 배터리 단전지들에 대한 '전압 표준 편차 σn'를 포함할 수 있다.
구체적으로, 배터리를 사용할 수 있는 전압 범위 즉, 최대 동작 전압범위 V f는 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
<수학식 1>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000001
앞서 설명한 바와 같이, V cha는 배터리를 구성하는 단전지의 완충상태전압이고, V dis는 단전지 방전상태전압이다. 즉, 배터리의 최대충전전압과 최대방전전압 간의 차를 배터리를 사용할 수 있는 전압범위 값(V f)으로 정의할 수 있다.
위와 같이 정의된 배터리 사용전압범위 V f를 산출한다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 임의의 리튬이온전지에 있어서 완충상태전압 V cha이 4.2V로 설정되고 방전상태전압 V dis이 3.0V로 설정된 경우, 사용전압범위 V f는 1.2V로 산출될 수 있다.
이처럼 도출된 각 파라미터에 기반하여, 해당 배터리의 단전지들에 대한 전압균형상태 값 SOB를 추정하기 위하여 다음의 두 파라미터 dV 및 X를 결정한다(S202).
앞서 결정된 사용전압범위 V f 내에서 단전지들의 전압 차이를 최대로 허용할 수 있는 한계 즉, 전압차 허용한계 dV를 결정한다. 이러한 전압차 허용한계 dV는 적절한 전압균형상태(SOB) 범위 설정을 위해 사용자가 지정할 수도 있는 파라미터로서, 그 범위 값은 한정되지 않는다.
이때, 프로세서(110)는 사용자(예: 배터리 검진자 또는 배터리 사용 시스템 설계자 등)가 전압차 허용한계 dV를 선택할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다. 프로세서(110)를 통해 제공되는 사용자 인터페이스는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함하는 개념이다.
이처럼 프로세서(110)가 제공한 사용자 인터페이스를 통해 전압차 허용한계dV의 값이 실시간 또는 사전에 입력될 수 있으며, 이러한 사용자 인터페이스에는 전압차 허용한계 dV의 추천 값이 포함되어 사용자가 추천된 dV 중 원하는 배터리 셀 전압균형정도에 적합한 dV 값을 선택할 수도 있다.
이러한 전압차 허용한계 dV는 아래의 수학식 2의 조건에 따라 결정될 수 있다.
<수학식 2>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000002
즉, 배터리 단전지들 간의 전압차 허용한계 dV는, 사용전압범위 V f를 단전지 개수 n으로 나눈 값 이상이되 사용전압범위의 0.5배를 넘지 않도록 설정될 수 있다.
도 3의 예시에 따른 리튬이온전지의 경우, 사용전압범위 V f가 1.2V이며, 전압차 허용한계 dV의 값을 전압차 허용한계범위 중 최대치인 "1.2V/2=0.6V"로 결정한 것을 나타냈다. 도 3에서는 dV가 최대치인 V f/2인 것을 예로서 도시하였으나 이에 한정되지 않으며, 평균전압 V avg을 기준으로 dV를 적용한 허용한계범위는 더 좁게 설정될수록 전압균형상태를 적용하는 효율이 더 커질 수 있다.
도 3을 참조하면, 단전지들의 측정전압으로부터 도출된 평균전압 V avg은 3.6V 이며, 평균전압 V avg을 기준으로 음의 방향으로 0.6V, 양의 방향으로 0.6V까지의 범위를 각각 전압차 허용한계범위로 결정할 수 있다.
다음으로, 전압차 허용한계범위 내의 산포의 균형정밀도를 결정하기 위해, 전압차 허용한계범위 내의 분석 구간의 수인 허용한계분위수 X를 결정한다.
예를 들어, 허용한계분위수 X는 아래의 수학식 3의 조건에 따라 결정될 수 있다.
<수학식 3>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000003
수학식 3에서와 같이, 허용한계분위수 X는 3이상 단전지 개수 n의 2제곱 이하의 수로 설정될 수 있다.
이때, 프로세서(110)는 사용자(예: 배터리 검진자 또는 배터리 사용 시스템 설계자 등)가 허용한계분위수 X의 개수를 선택할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
프로세서(110)를 통해 제공되는 사용자 인터페이스는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함하는 개념이다. 이처럼 프로세서(110)가 제공한 사용자 인터페이스를 통해 허용한계분위수 X의 값이 실시간 또는 사전에 입력될 수 있으며, 이러한 사용자 인터페이스에는 허용한계분위수 X의 추천 값이 포함되어 사용자가 추천된 X 중 원하는 정밀도에 적합한 X 값을 선택할 수 있다.
이처럼, 전압차 허용한계범위 dV 및 허용한계분위수 X가 결정된 상태에서, 분위하강율 Y를 결정한다(S203). 분위하강율 Y는 평균전압을 기준으로 허용한계범위에서의 전압하강율을 의미한다.
예를 들어, 분위하강율 Y는 다음의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.
<수학식 4>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000004
도 3의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서, 허용한계분위수 X를 25로 결정한 경우, 분위하강율 Y는 4가 된다.
또한, 도 3의 예시에 따른 리튬이온전지에서 사용전압범위 V f가 1.2V이고, 전압차 허용한계 dV가 0.6V이므로, 허용한계분위 당 전압차를 의미하는 기준편차전압 dV/X는 "0.6/25=0.024"로 계산될 수 있다.
그런 다음, 배터리의 단전지들 V1 내지 Vn 각각의 측정 전압값 V cell들에 기반하여 평균 전압 V avg과 표준편차 σn를 계산한다.
예를 들어, 표준편차 σn은 아래의 수학식 5를 이용하여 산출할 수 있다.
<수학식 5>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000005
도 3의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서, 각 셀(즉, 단전지)들에 대해 측정된 측정 전압 V cell에 기반하여 산출한 평균전압 V avg은 3.6V이므로, 표준편차 σn은 0.187로 계산될 수 있다.
다음으로, 측정된 각 셀의 모든 전압 값이 포함되는 분위차수 N을 계산한다(S205). 분위차수 N은 1부터 허용한계분위수 X까지 순차적으로 증가하는 정수를 의미한다.
이때, 분위차수 N은 다음의 수학식 6을 이용하여 결정할 수 있다.
<수학식 6>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000006
수학식 6에서와 같이, 분위차수 N은 단전지들의 전압 평균값 V avg과 기준편차전압 dV/X에 기초하여 결정할 수 있다.
도 3의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서, 평균 전압 V avg가 3.6V이고, 기준편차전압 dV/X는 0.024일 때, 모든 셀의 측정전압이 포함되는 최초의 분위차수 N는 5일 수 있다.
구체적으로, 모든 개별 셀(즉, 단전지)의 전압값이 포함되는 최초의 분위차수 N는, 변수인 분위차수 N을 1부터 X까지 순차적으로 정수 단위로 증가시킬 때 아래의 수학식 7의 조건의 만족하는 V cell 의 개수를 산출하여 구할 수 있다.
<수학식 7>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000007
앞선 수학식 6에서의 결과 값을 n에 대한 백분율로 표기할 때 최초로 100이 되는(즉, 모든 단전지의 측정전압이 범위 내 포함되는) 분위차수 N을 도출할 수 있다. 즉, 분위차수 N을 1씩 증가시켜 분위를 나눠가는 동안 평균전압 V avg으로부터 결정된 허용한계 dV까지의 범위 내에 모든 단전지의 측정 전압이 포함되는 최초의 분위차수 N을 결정한다.
다음으로, 앞서 수학식 6 및 7을 통해 계산된 분위차수 N에 기반하여 단전지들에 대한 전압균등상태값 SOB voltage를 계산한다(S206).
1차 전압균형상태 값인 SOB1 voltage는 아래의 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다.
<수학식 8>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000008
참고로, 변수인 분위차수 N이 X가 될 때까지 n에 대한 백분율로 표기할 때 최초로 100이 되는 분위차수가 나오지 않는 경우, SOB1 voltage는 0으로 결정한다.
반면에, 변수인 분위차수 N이 X가 될 때까지 n에 대한 백분율로 표기할 때 최초로 100이 되는 분위차수 N이 1~X 중 어느 하나의 값일 경우 SOB1 voltage는 수학식 8에서와 같이 100-Y*N로 계산되며, Y=100/X이다.
도 3의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서 분위차수 N은 10이며, Y는 25이므로, SOB1 voltage는 "100-4*10"로써 60으로 산출된다.
그런 다음, 표준편차 σn과 기준편차전압 dV/X로부터 분위 내 균형보정인자 A를 계산하고(S207), 보정인자 A를 이용하여 2차 전압균형상태값 SOB2 voltage를 계산한다(S208).
아래의 수학식 9를 이용하여 보정인자 A를 구할 수 있으며, 수학식 10을 이용하여 2차 전압균형상태값 SOB2 voltage를 구할 수 있다.
<수학식 9>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000009
보정인자 A는 각 분위의 균형보정인자이다.
도 3의 예시에 따른 리튬이온전지에서, 분위차수 N은 10이고, 기준편차전압 dV/X는 0.024이며, 표준편차 σn은 0.187이므로, 보정인자 A는 "(10*0.024-0.187)/(10*0.024)"로써 0.22로 결정된다.
<수학식 10>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000010
수학식 10에서와 같이, 2차 전압균형상태 값 SOB2 voltage는 1차 전압균형상태 SOB1 voltage값과, 보정인자 A 및 분위하강율 Y의 곱에 기초하여 산출된다. 이때, 보정인자 A가 음수이면 A'는 0으로 설정하고, A 값이 양수이면 A'를 A값으로 설정한다.
도 3의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서, 보정인자 A는 양수인 0.22인 바 A'는 0.22로 설정되며, 그 결과 2차 전압균형상태 값 SOB2 voltage는 "60+4*0.22"로써 "60.88"로 결정된다.
다음으로, 2차 전압균형상태 값 SOB2 voltage를 이용하여 배터리의 수명상태 SOH(State of Health)를 보정함으로써, 전압균형상태가 적용된 균형수명상태 SOH balance를 계산한다(S209).
배터리의 전압균형상태를 적용한 배터리 수명 SOH balance는 아래의 수학식 11을 이용하여 계산할 수 있다.
<수학식 11>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000011
이때, SOH capacity는 배터리의 잔존 용량(SOC) 기준의 수명을 나타내며, SOH balance는 배터리 잔존 용량 기준의 수명에 전압균형상태를 적용한 수명을 나타낸다.
도 3의 예시에 따른 리튬이온전지에 있어서, 해당 리튬이온전지(즉, 배터리)의 열역학적 기준 용량(즉, 잔존 용량 SOC)에 기반한 수명상태 SOH capacity가 90%인 경우, 보정인자 A가 반영된 최종 전압균형상태 값인 SOB2 voltage는 60.88므로, 균형 수명 상태 SOH balanc는 "60.88*90/100"인 바 "54.79%"로 계산된다.
이상에서와 같이, 평균값과 표준편차만으로는 해당 배터리의 셀들의 균형 상태를 정확하게 표현할 수 없으므로, 사용자가 원하는 정확도 및 정밀도 수준의 기준편차를 설정하고 해당 기준편차 내 분위를 설정하여 좀 더 정확한 전압균형상태가 적용된 배터리 수명 상태를 추정할 수 있다.
도 4는 복수의 배터리 셀 전압균형상태를 비교한 그래프의 일례이다.
도 4를 참조하면, 제 1 내지 제 4의 배터리 셀 전압균형상태(① 내지 ④)를 확인할 수 있으며, 전압균형상태 SOB는, 제2 배터리 셀 전압균형상태(②), 제 1 배터리 셀 전압균형상태(①), 제4 배터리 셀 전압균형상태(④), 제3 배터리 셀 전압균형상태(③)의 순으로 더 높은 값 즉, 더 안전성 및 효율성이 높은 전압균형상태인 것을 알 수 있다.
구체적으로, 도 4에서 제 1 전압균형상태(①)는 평균전압 V avg에 근접한 배터리 셀이 수가 많은 것으로 보이나, 제 2 전압균형상태(②)의 분위차수 N보다 높은 분위차수 N를 갖는 것을 알 수 있다. 즉, 제 1 전압균형상태(①)는 제 2 전압균형상태(②)에 비해 전압차 허용한계 dV 내에서 평균전압 V avg으로부터 더 멀리 떨어진 측정전압을 갖는 배터리가 존재하는 것을 알 수 있다.
이처럼, 배터리 셀들 중 전압 충방전 능력이 양호한 셀들이 다수 존재하더라도 해당 셀들에 비해 전압차가 큰 배터리 셀이 소수라도 존재할 경우, 배터리 셀의 전압 충방전 능력은 다소 떨어지나 셀간의 전압차가 고루 분포된(즉, 전압균등화 정도가 높은) 배터리에 비해 상대적으로 전압균형상태 SOB가 더 낮을 수 있다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압균형상태 산출 결과를 나타낸 일례이다.
도 5 및 도 6에서는 서로 상이한 배터리의 전압균형상태 값을 도출한 결과를 비교할 수 있도록 나타냈다.
이때, 도 5의 제 1 배터리 및 도 6의 제 2 배터리는 각각 셀(즉, 단전지)의 개수가 10개이며, 사용자가 허용한계차 dV를 0.6V로 설정하고, 허용한계분위수 X를 50으로 설정한 상태를 예로서 나타냈다.
먼저 도 5 및 아래의 표 1을 참조하여 제 1 배터리의 전압균형상태 SOB를 살펴보도록 한다.
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000012
표 1을 살펴보면, 제1 배터리의 셀 별 측정 전압 중 최대전압 V max와 최소전압 V min 간의 차이는 0.0013이며, 모든 셀의 측정전압은 분위구간 중 제1구간에 모두 포함되는 것을 알 수 있다.앞서 도 2 내지 4를 통해 설명한 방식을 적용하면, 1차 전압균형상태 SOB1은 98의 값으로 계산되며, 이러한 SOB1에 보정인자를 적용한 SOB2는 99.6922로 계산된다. 이에 따라, 제1 배터리의 잔존 용량에 기반한 수명상태 SOH의 99.69%값이 균형수명상태 SOH balance로서 추정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 배터리의 배터리 셀들은 평균전압을 기준으로 좁은 범위 내에 모두 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 전압균형상태가 매우 높은 것을 알 수 있다.
다음으로 도 6 및 아래의 표 2을 참조하여 제 2 배터리의 전압균형상태 SOB를 살펴보도록 한다.
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000013
표 2를 살펴보면, 제2 배터리의 셀 별 측정 전압 중 최대전압 V max와 최소전압 V min 간의 차이는 0.33으로서 앞서 설명한 제1 배터리의 최대전압 V max와 최소전압 V min 간의 차이 0.0013에 비해 매우 큰 것을 알 수 있다. 또한, 제2 배터리의 모든 셀의 측정전압은 분위구간 중 제48구간에서야 모두 포함되는 것을 알 수 있다.앞서 도 2 내지 4를 통해 설명한 방식을 적용하면, 1차 전압균형상태 SOB1의으로 값은 4로 계산되며, 이러한 SOB1에 보정인자를 적용한 SOB2는 4.94625로 계산된다. 이에 따라, 제2 배터리의 잔존 용량에 기반한 수명상태 SOH의 약 4.95%값이 균형수명상태 SOH balance로서 추정될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2 배터리의 배터리 셀들의 측전전압은 평균전압을 기준으로 매우 넓은 범위에 퍼져 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 전압균형상태가 매우 낮은 상태인 것을 알 수 있다.
결과적으로, 제2 배터리는 완전충전전압 V cha인 4.2V에 가까운 4.1V의 전압충전능력이 있는 배터리 셀들이 다수 존재하고, 제1 배터리에는 상대적으로 완전충전전압 V cha인 4.2V 보다 다소 낮은 전압인 3.712 V의 전압충전능력이 있는 배터리들이 존재한다. 그러나 제2 배터리의 셀들은 제1 배터리에 비해 상대적으로 셀들 간의 전압 균등화 정도가 매우 낮아 실제로 배터리 수명 상태의 효율은, 배터리 셀들 간의 전압 균등화 정도가 높은 제1 배터리에 비해 상당히 떨어진다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치의 구성도이다.
도 7에 도시된 배터리 충전 상태 추정 장치(100')는 적어도 하나의 프로세서에 의해 동작하는 컴퓨팅 장치일 수 있다. 그리고 배터리 수명 장치(100')는 본 발명에 따른 동작을 실행하도록 기술된 명령들(instructions)이 포함된 프로그램을 실행할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 배터리 충전 상태 추정 장치(100')의 하드웨어는 적어도 하나의 프로세서(110'), 메모리(120'), 스토리지(130'), 통신 인터페이스(140')를 포함할 수 있으며, 각 구성은 버스를 통해 연결될 수 있다. 이외에도, 배터리 충전 상태 추정 장치(100')는 별도의 입력 장치 및 출력 장치 등의 하드웨어를 더 포함할 수 있다.
또한, 배터리 충전 상태 추정 장치(100')는 프로그램을 구동할 수 있는 운영 체제를 비롯한 각종 소프트웨어가 스토리지(130')와 같은 저장 장치에 탑재될 수 있다.
프로세서(110')는 컴퓨팅 장치(100')의 동작을 제어하는 장치로서, 프로그램에 포함된 명령들을 처리하는 다양한 형태의 프로세서(예: CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 등)일 수 있다.
메모리(120')는 본 발명에 따른 동작을 실행하도록 기술된 명령들이 프로세서(110')에 의해 처리되도록 해당 프로그램을 로드할 수 있다. 예를 들어, 메모리(120')는 ROM(read only memory), RAM(random access memory) 등 일 수 있다.
스토리지(130')는 본 발명에 따른 동작을 실행하는데 요구되는 각종 데이터 및 프로그램 등을 저장할 수 있다. 이때, 스토리지(130')는 프로그램의 실행에 따라 처리된 결과 데이터 및 사전에 연동되거나 연결된 장치(예: 전압/전류/온도 센서, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 등)를 통해 입력된 측정 데이터들을 각 배터리 별로 매칭하여 데이터베이스화하여 저장할 수 있다. 이때, 스토리지(130')에는 각 배터리 별로 측정된 배터리 전압이 해당하는 잔존용량(SOC: State OF Charge) 값을 확인할 수 있는"전압-SOC 상관관계표"가 저장되어 있다.
통신 인터페이스(140')는 컴퓨팅 장치(100')의 각 구성 요소들 간의 통신 및 외부 연동된 장치와의 통신을 처리하는 유/무선 통신 모듈일 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치가 배터리 셀의 전압 균등화 정도에 기반하여 정확한 배터리 충전 상태를 추정하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다. 그리고 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 전압균형상태를 반영한 배터리 충전 상태 추정 방법을 설명하기 위한 그래프의 일례이다. 또한, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 전압균형상태를 반영한 배터리 충전 상태 추정 방법을 설명하기 위한 그래프의 또 다른 예이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 상태 추정 장치(100')는 배터리의 전압, 배터리 셀 별 전압 및 온도를 측정하여 배터리의 충전 상태를 추정한 결과 데이터들을 표준충전 상태 테이블로 저장하고, 이러한 표준테이블의 초기값을 기반으로 배터리의 셀 전압 균등화 정도를 적용하여 충전 상태 테이블을 보정한다.
이를 통해 배터리에 대한 실제 사용 조건이 반영된 배터리 충전 상태를 정확하게 추정하여 사용자가 확인할 수 있도록 표시할 수 있다. 참고로, 배터리 충전 상태 추정 장치(100')는 배터리의 SOC 정보에 따른 배터리 사용 예상 기간을 확인할 수 있도록 SOC를 소정의 단위로 분할하여 표시할 수 있다. 이러한 배터리 사용 예상 기간 단위에 기반하여 해당 배터리를 재충전하기 전까지 배터리를 안정적으로 사용할 수 있다.
배터리의 사용이 반복됨에 따라 배터리의 수명(즉, 사용 가능한 용량)이 감소하고 배터리 SOC 정보에 따른 제품 사용 예상 시간이 신품 대비 부정확도가 증가하게 된다. 특히 배터리의 수명이 감소할 때 배터리 셀의 전압 편차 정도가 커지면, 배터리의 사용 가능 용량이 모두 충전(full charge)되기 전에 충전이 중단되거나, 배터리의 사용 가능 용량을 모두 방전되기 전에 방전이 중단되는 현상이 발생될 수 있다. 이로 인해 SOC 정보에 따른 배터리 사용 예상 기간의 부정확도는 더욱 증가되며, SOC 정보와 배터리 사용 예상 기간을 신뢰할 수 없게 된다.
따라서, 배터리 셀의 실제 전압편차정도를 적용하여 SOC 판단 기준을 보정하고, 보정된 SOC 기준에 대한 정보와 이에 기반한 배터리 사용 예상 기간을 재표시 함으로써 사용자의 불편을 감소시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 프로세서(110')는 프로그램에 포함된 일련의 명령들을 실행하여 아래의 동작들을 처리할 수 있으며, 이를 통해 배터리 셀의 전압균형상태가 반영된 배터리 충전상태(SOC)를 추정하여 출력할 수 있다.
구체적으로, 도 8를 참조하면, 프로세서(110')는 다음의 동작들을 처리한다.
n개의 셀(즉, 단전지)로 구성된 배터리의 전압 V batt과 각 셀의 전압 V cell을 실시간 측정한다(S801). 이때, 배터리 전압 V batt과 셀 전압 V cell의 값은 각각 배터리 관리 시스템(BMS)로부터 획득할 수 있다.
그리고 셀 별 측정전압(즉, V cell)에 기초하여, 복수의 셀 중 측정전압 값이 가장 높은 셀의 전압인 셀 최고전압 V cell.max 및 측정전압 값이 가장 작은 셀의 전압인 최저전압 V cell.min 을 도출하고, 복수의 셀 별 측정전압 값에 기초하여 산출된 셀 평균전압 V cell.avg 을 계산한다(S802).
다음으로, 셀 최고전압 V cell.max, 셀 최저전압 V cell.min 및 셀 평균전압 V cell.avg 값에 기반하여, 각 값에 대응하는 셀 최고잔존용량 SOC cell.max, 셀 최저잔존용량 SOC cell.min, 및 셀 평균 잔존용량 SOC cell.avg을 도출한다(S803).
이때, 사전에 설정된 복수의 표준 셀 전압 별로 해당하는 잔존용량이 매칭 저장되어 있는 "표준 셀 전압-잔존용량 상관관계표"로부터 셀 최고전압 V cell.max, 셀 최저전압 V cell.min 및 셀 평균전압 V cell.avg 각각에 매칭된 셀 최고잔존용량 SOC cell.max, 셀 최저잔존용량 SOC cell.min, 및 셀 평균 잔존용량 SOC cell.avg을 도출할 수 있다.
일례로, 아래의 표 3은 "표준 전압-잔존용량 상관관계표"를 포함하고 있다. 즉, 표 3에서 0 부터 100까지의 잔존용량(SOC) 값 별로 "V batt 표준"항목의 배터리 전압값들이 매칭된 상관관계표가 "표준 전압-잔존용량 상관관계표"일 수 있다. 이때, 표 3에서와 같이 "V batt 표준"항목에서 잔존용량(SOC) 값 별로 매칭된 배터리 전압값들은 사전에 설정된 이상적인 전압 즉, 표준전압을 의미할 수 있다.
참고로, 잔존용량의 구간은 예를 들어, 표 3에서와 같이 10 단위(예를 들어, 퍼센테이지 %)로 구간이 구분될 수 있으며, 잔존용량 구간 및 각 구간 별로 대응하는 배터리 전압의 실시간 변화 상태는 사용자가 직관적으로 파악할 수 있도록 시각화되어 출력될 수 있다. 이를 위해 프로세서(110')는 배터리의 실시간 잔존용량 상태를 표시하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있으며, 이는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함하는 개념이다.
한편, 표 3에는 배터리에 대해 기설정된 표준전압 및 잔존용량의 상관관계뿐만 아니라, 배터리 출시 당시를 0차로 설정한 후 순차적인 배터리 전압 측정 회차(즉, 1차 및 2차 등)에 따라 변동된 전압-잔존용량 상관관계표가 더 포함되어 있다. 표 3에서는 2차까지의 배터리 전압 측정 회차 별로 변화된 상관관계표를 예시값으로 나타내었으나, 전압-잔존용량 상관관계표의 회차는 한정되지 않는다.
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000014
이와 같이 표 3에 포함된"전압-잔존용량 상관관계표"에 기반하여, 셀 최고전압 V cell.max, 셀 최저전압 V cell.min 및 셀 평균전압 V cell.avg 각각에 매칭된 셀 최고잔존용량 SOC cell.max, 셀 최저잔존용량 SOC cell.min, 및 셀 평균 잔존용량 SOC cell.avg을 도출할 수 있다.예를 들어, 표 3에서 설명하는 임의의 배터리(예, 리튬이온전지)는 8개의 단전지가 직렬로 연결된 배터리 모듈일 수 있다.
이때, 배터리의 출시(즉, 1차) 당시에 측정된 배터리의 셀 최고전압 V cell.max이 3.63일 경우 배터리의 측정전압 V batt은 "3.63*8=29.04"이므로, 직전 전압-잔존용량 상관관계표(즉, 보정 이전의 표준 전압-잔존용량 상관관계표)에서 잔존용량은 40이 도출되어, 셀 최고잔존용량 SOC cell.max의 값은 40으로 설정된다. 또한, 동일한 배터리에 대해서 출시 당시에 측정된 셀 최저전압 V cell.min이 3.57일 경우 배터리의 측정전압 V batt은 "3.57*8=28.56"이므로, 표준 전압-잔존용량 상관관계표에서 잔존용량은 25가 도출되어, 셀 최저잔존용량 SOC cell.min의 값은 25로 설정된다. 또한, 동일한 배터리에 대해서 출시 당시에 측정된 셀 평균전압 V cell.avg이 3.62일 경우 배터리의 측정 전압 V batt은 "3.62*8=28.96"이므로, 표준 전압-잔존용량 상관관계표에서 잔존용량은 35가 도출되어, 셀 평균잔존용량 SOC cell.avg의 값은 35로 설정된다. 즉, 동일한 측정 회차에 하나의 배터리에서 셀 간의 전압균등화정도 즉, 전압균형상태(SOB)가 매우 낮은 것을 알 수 있다.
그런 다음, 배터리의 전압이 상승하는 충전구간 및 배터리의 전압이 하강하는 방전구간을 구분하되, 배터리 전압 측정 회차마다 잔존용량 및 전압의 고정된 기준을 설정하기 위한 기준 잔존용량 SOC std 을 설정한다(S804). 그리고 "표준 셀전압-잔존용량 상관관계표"상에서 기준 잔존용량 SOC std에 대응하는 표준 전압을 도출하여 기준 전압 V std으로 설정한다(S804).
이때, 기준 잔존용량 SOC std은 전압 측정 1회차에서 충방전 구간이 바뀌는 지점의 잔존용량 값으로 설정될 수 있으며, 예를 들어 잔존용량 40 또는 50과 같이 중심 값으로 설정될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 프로세서(110')는 사용자가 배터리 측정회차 마다 고정된 기준전압을 적용할 기준 잔존용량 SOC std을 직접 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
도 9에서는 기준 잔존용량 SOC std을 40으로 설정한 것을 예로서 나타냈으며, 이에 따라 표 3의 표준 전압-잔존용량 상관관계표 상에서 배터리 전압 V batt의 값은 29.03으로 설정된다.
배터리 사용 시에, 기설정된 방전상태전압 V dis 으로부터 완충상태전압 V cha까지의 배터리 사용 범위 내에서 각 셀의 전압이 변화된다. 즉, 배터리의 사용에 따라 도 9 및 도 10에서와 같이 배터리의 전압 변화 상태(즉, 충방전 상태)가 그래프 형태로 나타날 수 있다.
이때, 도 9을 참조하면 기준 잔존용량 SOC std 및 기준 배터리 전압 측정 회차가 증가함에 따라 배터리의 전압균형상태(State Of Balance, SOB)가 변경되며, 이에 따라 회차 별로 동일 잔존용량(SOC)에 대한 배터리 충방전 그래프의 값(즉, 측정전압)이 변경되는 것을 알 수 있다. 즉, 배터리의 전압균형상태(SOB)가 낮아짐에 따라, 기준 잔존용량 SOC std을 기준으로 충전구간에서 동일 잔존용량(SOC)에 대한 배터리 측정전압 V batt값이 낮아지며, 방전구간에서 동일 잔존용량 구간(SOC)에 대한 배터리 측정전압 V batt값이 높아질 수 있다.
다음으로, 충전균형인자 C와 방전균형인자 D를 계산한다(S805).
충전균형인자 C와 방전균형인자 D는, 배터리 전압 측정 회차마다 이상에서 설명한 바와 같은 전압균형상태(SOB)의 변화를 잔존용량(SOC) 추정 시 적용하여 전압-잔존용량을 보정하기 위한 인자이다.
충전균형인자 C는 배터리의 현재 전압균형상태(SOB)를 충전구간에 적용하기 위한 것으로서, 아래의 수학식 12를 통해 산출할 수 있다.
<수학식 12>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000015
충전균형인자 C는 셀 최고전압 V cell.max 값과 셀 평균전압 V cell.avg 값으로부터 각각 도출된 셀 최고잔존용량 SOC cell.max 과 셀 평균잔존용량 SOC cell.avg의 비율을 의미한다. 이때, 충전균형인자 C는 0≤C≤1의 조건을 만족할 수 있다.
방전균형인자 D는 배터리의 현재 전압균형상태(SOB)를 방전구간에 적용하기 위한 것으로서, 아래의 수학식 13을 통해 산출할 수 있다.
<수학식 13>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000016
방전균형인자 D는 셀 최저전압 V cell.min 값과 셀 평균전압 V cell.avg 값으로부터 각각 도출된 셀 최저잔존용량 SOC cell.min 과 셀 평균잔존용량 SOC cell.avg의 비율을 의미한다. 이때, 방전균형인자 D는 0≤D≤1의 조건을 만족할 수 있다.
그런 다음, 앞서 산출된 각 파라미터들을 적용하여 현재 측정된 배터리 전압에 따른 전압균형상태가 적용된 배터리 충전 상태(SOC) 추정을 수행한다(S806). 이를 통해, 직전 "전압-잔존용량 상관관계표"의 배터리 전압을 현재 측정된 배터리의 전압균형상태(SOB)에 따라 보정하여 균형 전압-잔존용량 상관관계표를 생성 및 제공한다(S807).
이때, 배터리의 현재 전압균형상태(SOB)를 적용하여 각 잔존용량 SOC에 대응하는 배터리 전압을 수정하기 위해서, 아래의 수학식 14를 적용할 수 있다.
<수학식 14>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000017
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000018
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000019
수학식 14에서 V X는 SOC X에서의 전압값을 의미한다.
이때, 측정된 배터리 전압 V X 이 기설정된 기준 전압 V std 을 초과할 경우(즉, V X > V std 경우) 배터리의 충전구간이며, 잔존용량 SOC X에 대응하는 직전 전압-잔존용량 상관관계표에서의 배터리 전압 V X을 기준 전압 V std 및 충전균형인자 C를 적용하여 균형 배터리 전압 V' X로 보정(즉, 변경)한다.
또한, 측정된 배터리 전압 V X 이 기설정된 기준 전압 V std 미만인 경우(즉, V X < V std 경우) 배터리의 방전구간이며, 잔존용량 SOC X에 대응하는 직전 전압-잔존용량 상관관계표에서의 배터리 전압 V X을 기준 전압 V std 및 방전균형인자 D를 적용하여 균형 배터리 전압 V' X로 보정(즉, 변경)한다.
예를 들어, 도 10은 표 3에 포함된 각 전압-잔존용량 상관관계표에 따른 데이터를 나타낸 그래프이다.
표 3 및 도 10를 참조하면, 배터리 출시 단계(즉, 1회차)에서 측정된 셀 최고전압 V cell.max이 3.63이고, 셀 최저전압 V cell.min 이 3.57이고, 셀 평균전압 V cell.avg이 3.62인 경우, 직전 전압-잔존용량 상관관계표(즉, 표준 전압-잔존용량 상관관계표)에서 도출된 셀 최고잔존용량 SOC cell.max, 셀 최저잔존용량 SOC cell.min, 및 셀 평균 잔존용량 SOC cell.avg은 각각 SOC 40, SOC 25 및 SOC 35이다.
이에 따라, 수학식 1 및 2를 이용하면 해당 배터리 측정 회차에서 충전균형인자 C는 "(40-35)/100=0.05"이고 방전균형인자 D는 "(35-25)/100=0.1"이다. 이때, 배터리의 측정전압 V batt이 28.96인 경우 직전 전압-잔존용량 상관관계표(즉, 표준 전압-잔존용량 상관관계표)에서 대응하는 잔존용량 SOC는 35이므로, SOC X는 35이고 V X는 28.88이 도출될 수 있다.
이상에 따른 SOC X=35, VX=28.88, C=0.05 및 D=0.1의 조건을 수학식 3에 적용하면, "V' X = 29.03+(1-0.1)(28.88-29.03) = 28.89"이므로　잔존용량 SOＣ 35에서 배터리 전압 28.88은 28.89로 보정된다. 즉，　출시　단계（１차）의　전압-잔존용량 상관관계표는 SOC 35에　대응하는　전압이 28.89로　변경된다． 이러한 방식으로 보정된 출시 단계(1차)의 전압-잔존용량 상관관계표의 각 SOC 별 전압 값은 충전균형인자 C 및 방전균형인자 D가 적용된(즉, 전압균형상태가 반영된) 균형 전압-잔존용량 상관관계표이며, 다음 회차(즉, 2차)의 전압-잔존용량 상관관계표 보정 시 초기 값으로 사용될 수 있다.
도 9에서는 표준 전압-잔존용량 상관관계표에 대응하는 배터리의 전압균형상태 SOB를 100이라하면, 배터리 전압 측정 1회차(즉, 출시 단계)에서의 전압균형상태 SOB는 96이고, 배터리 전압측정 2회차에서의 전압균형상태 SOB는 90인 상태를 예로서 나타냈다.
이처럼, 배터리 측정 1회차에서는 전압균형상태 SOB가 이전에 비해 96으로 낮아지게 되어, 표준 전압-잔존용량 상관관계표 상의 잔존용량 SOC 100에 대응하는 전압 값이 제1전압(P10)까지 낮아지므로, 결과적으로 보정된 균형 전압-잔존용량 상관관계표에서는 표준 전압-잔존용량 상관관계표에 비해 충전상한이 낮아지게 된다.
또한, 표준 전압-잔존용량 상관관계표 상의 잔존용량 SOC 0에 대응하는 전압 값이 제2전압(P20)까지 높아지므로, 결과적으로 보정된 균형 전압-잔존용량 상관관계표에서는 표준 전압-잔존용량 상관관계표에 비해 방전하한이 높아지게 된다.
한편，설정된 기준 잔존용량 SOC std을 중심으로 하여 구분되는 충전 구간(즉, V X > V std) 및 방전 구간(즉, V X < V std) 각각에서 측정된 배터리 전압에 기초하여 충전균형인자 C 및 방전균형인자 D를 산출할 수 있다.
즉, 출시 이후에 최종적으로 보정된 전압-잔존용량 상관관계표에서　배터리 전압이 SOC 100에 기설정된 범위 이내로 가까운 단계 즉, 충전상한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 산출된 충전균형인자 C를 사용하여 균형 전압-잔존용량 상관관계표를 재보정할 수 있다.
또한, 최종 전압-잔존용량 상관관계표에서 배터리 전압이 SOC 0에 기설정된 범위 이내로 가까운 단계 즉, 방전하한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 산출된 방전균형인자 D를 사용하여 균형 전압-잔존용량 상관관계표를 재보정할 수 있다. 　　 　
이와 같이 충전균형인자 C 및 방전균형인자 D를 각각 충전상한단계 및 방전하한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 따라 산출함으로써 좀 더 정확한 배터리 충전 상태 추정이 가능하다.
한편, 앞서 설명한 전압균형상태(SOB)를 적용하여 배터리 충전 상태를 추정하는 단계(S807) 이전에, 기준균형인자 S를 계산하는 단계를 더 처리할 수 있다.
기준균형인자 S는 기준 잔존용량 SOC std 과 각 SOC 사이의 균형정도를 의미하는 것으로서, 기준 잔존용량 SOC std 를 기준으로 산출된 전압균형상태(SOB)에 대해 가중치를 부여하기 위해 사용할 수 있다.
이때, 기준균형인자 S는 다음의 수학식 15를 이용하여 산출할 수 있다.
<수학식 15>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000020
예를 들어, 기준 잔존용량 SOC std 이 50으로 설정된 경우 기준균형인자 S는 0.5일 수 있으며, 기준 잔존용량 SOC std이 30으로 설정된 경우 기준균형인자 S는 0.3일 수 있다.
이때, 방전구간 즉 SOC 0 ~ SOC std에서의 배터리 전압균형상태를 SOB low-라 하고, 충전구간 즉 SOC std ~ SOC 100에서의 배터리 전압균형상태를 SOB high라 하면, 배터리의 전압균형상태(SOB)는 아래의 수학식 16을 통해 산출할 수 있다.
<수학식 16>
Figure PCTKR2019016717-appb-img-000021
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법들은, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있으며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
이상 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 배터리 수명 상태 추정 장치에 있어서,
    배터리를 구성하는 복수의 셀들의 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값이 적용된 상기 배터리의 수명상태 값인 균형수명상태 값을 추정하기 위한 프로그램을 로드하는 메모리; 및
    상기 메모리에 로드된 프로그램에 포함된 명령들을 실행하는 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라, 상기 배터리의 완충상태전압 및 방전상태전압 간의 전압차 내에서 전압차 허용한계 값을 설정하고, 상기 셀들의 측정전압 값으로부터 도출된 평균전압 값을 기준으로 상기 전압차 허용한계 값을 적용한 허용한계범위를 하나 이상의 분석구간으로 세분화하는 허용한계분위수를 설정하고, 상기 평균전압 값을 기준으로 상기 허용한계범위에서의 전압하강율을 산출하되 상기 전압하강율로서 상기 허용한계분위수에 기반한 분위하강율을 산출하고, 상기 허용한계분위수 내에서 상기 셀 별 측정전압 값이 최초로 모두 포함되는 분석구간의 차수인 분위차수를 도출하고, 상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값을 상기 배터리의 잔존 용량에 기반하여 산출된 수명상태 값에 적용하여 균형수명상태 값을 추정하는, 배터리 수명 상태 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    사용자가 상기 전압차 허용한계 값 및 허용한계분위수 중 적어도 하나를 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공하는 것인, 배터리 수명 상태 추정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 허용한계분위 당 전압차인 기준편차전압 값을 산출하고,
    상기 평균전압 및 셀의 개수에 기초하여 산출된 표준편차, 상기 기준편차전압 값 및 상기 분위차수에 기초하여 보정인자 값을 산출하고,
    상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 산출된 전압균형상태 값인 1차 전압균형상태 값에 상기 보정인자 값 및 분위하강율의 곱을 더한 2차 전압균형상태 값을 산출하고,
    상기 2차 전압균형상태 값을 상기 수명상태 값에 적용하여 상기 균형수명상태 값을 추정하는, 배터리 수명 상태 추정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 2차 전압균형상태 값 산출 시,
    상기 산출된 보정인자의 값이 음수인 경우 영(0) 값으로 변경하여 적용하고, 양수인 경우 상기 산출된 보정인자의 값을 그대로 적용하는 것인, 배터리 수명 상태 추정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전압차 허용한계 값을 상기 완충상태전압과 상기 방전상태전압의 차인 사용전압범위 값을 상기 복수의 셀의 개수로 나눈 값보다 크고 상기 사용전압범위 값을 2로 나눈 값보다 작게 설정하는 것인, 배터리 수명 상태 추정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    변수인 상기 분위차수를 1부터 상기 허용한계분위수까지의 범위 내에서 순차적으로 정수 단위로 증가시키되,
    상기 평균전압 값에 대해, 상기 전압차 허용한계값을 상기 허용한계분위수로 나눈 값에 상기 분위차수를 곱한 값을 감한 값 내지 가한 값의 범위를 산출하고,
    상기 산출된 범위 내에 상기 셀 별 측정전압이 모두 포함되는 최초의 분위차수를 도출하고,
    상기 도출된 분위차수에 기초하여 상기 전압균형상태 값을 산출하는, 배터리 수명 상태 추정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    변수인 상기 분위차수가 상기 허용한계분위수까지의 증가되는 동안 상기 산출된 범위 내에 상기 셀 별 측정전압이 모두 포함되지 않는 경우, 상기 전압균형상태 값을 영(0)으로 결정하는, 배터리 수명 상태 추정 장치.
  8. 배터리 수명 상태 추정 장치에 의한 배터리 수명 상태 추정 방법에 있어서,
    복수의 셀들로 구성된 배터리의 완충상태전압 및 방전상태전압 간의 전압차 내에서 전압차 허용한계 값을 설정하는 단계;
    상기 셀들의 측정전압 값으로부터 도출된 평균전압 값을 기준으로 상기 전압차 허용한계 값을 적용한 허용한계범위를 하나 이상의 분석구간으로 세분화하는 허용한계분위수를 설정하는 단계;
    상기 평균전압 값을 기준으로 상기 허용한계범위에서의 전압하강율을 산출하되 상기 전압하강율로서 상기 허용한계분위수에 기반한 분위하강율을 산출하는 단계;
    상기 허용한계분위수 내에서 상기 셀 별 측정전압 값이 최초로 모두 포함되는 분석구간의 차수인 분위차수를 도출하는 단계; 및
    상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 전압균형상태 값을 산출하고, 상기 전압균형상태 값을 상기 배터리의 잔존 용량에 기반하여 산출된 수명상태 값에 적용하여 균형수명상태 값을 추정하는 단계를 포함하는, 배터리 수명 상태 추정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압차 허용한계 값을 설정하는 단계 이전에,
    사용자가 상기 전압차 허용한계 값 및 허용한계분위수 중 적어도 하나를 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공하는 단계; 및
    상기 사용자 인터페이스를 통해 상기 전압차 허용한계 값 및 허용한계분위수 중 적어도 하나를 입력받는 단계를 더 포함하는, 배터리 수명 상태 추정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 균형수명상태 값을 추정하는 단계는,
    상기 허용한계분위 당 전압차인 기준편차전압 값을 산출하는 단계;
    상기 평균전압 및 셀의 개수에 기초하여 산출된 표준편차, 상기 기준편차전압 값 및 상기 분위차수에 기초하여 보정인자 값을 산출하는 단계;
    상기 분위하강율 및 분위차수에 기초하여 산출된 전압균형상태 값인 1차 전압균형상태 값에 상기 보정인자 값 및 분위하강율의 곱을 더한 2차 전압균형상태 값을 산출하는 단계; 및
    상기 2차 전압균형상태 값을 상기 수명상태 값에 적용하여 상기 균형수명상태 값을 추정하는 단계를 포함하는, 배터리 수명 상태 추정 방법.
  11. 배터리 충전 상태 추정 장치에 있어서,
    잔존용량 별 배터리 전압이 매칭된 전압-잔존용량 상관관계를 배터리의 전압균형상태에 기반하여 보정하기 위한 프로그램을 로드하는 메모리; 및
    상기 메모리에 로드된 프로그램에 포함된 명령들을 실행하는 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라,
    보정의 기초가 되는 이전 전압-잔존용량 상관관계표 및 복수의 셀로 구성된배터리의 실제 측정 전압에 기반하여 배터리의 전압균형상태가 적용된 충전 상태를 추정하고, 상기 추정된 충전 상태를 반영하여 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표 상의 잔존용량 별로 대응하는 배터리 전압 값을 보정하여 새로운 전압-잔존용량 상관관계표를 생성하는, 배터리 충전 상태 추정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 배터리의 셀 별 측정전압으로부터 셀 최고전압, 셀 최저전압 및 셀 평균전압을 도출하고, 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표에 기반하여 상기 셀 최고전압, 셀 최저전압 및 셀 평균전압에 각각 대응하는 셀 최고잔존용량, 셀 최저잔존용량 및 셀 평균잔존용량을 도출하고,
    상기 셀 최고잔존용량 및 셀 평균잔존용량에 기초하여 충전균형인자를 산출하고,
    상기 셀 평균잔존용량 및 셀 최저잔존용량에 기초하여 방전균형인자를 산출하고,
    기설정된 기준 잔존용량에 대응하는 기준 전압, 상기 배터리의 측정 전압, 상기 충전균형인자 및 상기 방전균형인자에 기초하여 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표 상의 잔존용량 별로 대응하는 배터리 전압 값을 보정하는, 배터리 충전 상태 추정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    잔존용량 별로 기설정된 표준 전압이 매칭된 표준 전압-잔존용량 상관관계표로부터 배터리의 충전구간 및 방전구간을 구분하는 기준이 되는 상기 기준 잔존용량 및 상기 기준전압을 설정하는, 배터리 충전 상태 추정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    사용자가 상기 기준 잔존용량을 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공하는 것인, 배터리 충전 상태 추정 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 배터리의 실제 측정 전압의 크기가 상기 기준 전압을 초과할 경우, 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표에 따른 충전상한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 상기 충전균형인자를 산출하고,
    상기 실제 측정 전압의 크기가 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표에 따른 방전하한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 상기 방전균형인자를 산출하는, 배터리 충전 상태 추정 장치.
  16. 배터리 충전 상태 추정 장치의 충전 상태 추정 방법에 있어서,
    배터리 셀 별로 측정된 전압에 기초하여 셀 최고전압, 셀 최저전압 및 셀 평균전압을 도출하는 단계;
    기설정된 이전 전압-잔존용량 상관관계에 기반하여 상기 셀 최고전압, 셀 최저전압 및 셀 평균전압에 각각 대응하는 셀 최고잔존용량, 셀 최저잔존용량 및 셀 평균잔존용량을 도출하는 단계;
    상기 셀 최고잔존용량 및 셀 평균잔존용량에 기초하여 충전균형인자를 산출하는 단계;
    상기 셀 평균잔존용량 및 셀 최저잔존용량에 기초하여 방전균형인자를 산출하는 단계;
    기설정된 기준 잔존용량에 대응하는 기준 전압, 상기 배터리의 측정 전압, 상기 충전균형인자 및 상기 방전균형인자에 기초하여 상기 배터리의 전압균형상태에 따른 충전 상태를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 충전 상태를 적용하여 상기 이전 전압-잔존용량 상관관계표 상의 잔존용량 별로 대응하는 배터리 전압 값을 보정하여 새로운 전압-잔존용량 상관관계표를 생성하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 상태 추정 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    잔존용량 별로 기설정된 표준 전압이 매칭된 표준 전압-잔존용량 상관관계표로부터 배터리의 충전구간 및 방전구간을 구분하는 기준이 되는 상기 기준 잔존용량 및 상기 기준전압을 설정하는 것인, 배터리 충전 상태 추정 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    사용자가 상기 기준 잔존용량을 설정할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공하는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 상태 추정 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 배터리의 실제 측정 전압의 크기가 상기 기준 전압을 초과할 경우, 상기 직전 전압-잔존용량 상관관계표에 따른 충전상한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 상기 충전균형인자를 산출하고,
    상기 실제 측정 전압의 크기가 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 직전 전압-잔존용량 상관관계표에 따른 방전하한단계에서 측정된 배터리 전압 값에 기초하여 상기 방전균형인자를 산출하는 것인, 배터리 충전 상태 추정 방법.
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