WO2021230579A1 - 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정장치 및 방법 - Google Patents

쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정장치 및 방법 Download PDF

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WO2021230579A1
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김대순
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for estimating the state of charge of a battery based on a coulomb counter. Specifically, the present invention can reduce the state of charge estimation error due to the accumulation of errors in current detection in the estimation of the state of charge of the battery based on the coulomb counter, and improve the accuracy of the estimate of the state of charge by compensating for characteristics according to the battery temperature and aging.
  • the present invention relates to an apparatus and method for estimating a state of charge of a battery.
  • a coulomb counter-based technique is widely used to estimate the state of charge of a battery.
  • the battery state of charge estimation technology based on a coulomb counter detects the battery current and accumulates the detected battery current to estimate the amount of charge of the battery, and may estimate the state of charge of the battery based on the estimated amount of charge of the battery.
  • the coulomb counter-based battery state of charge estimation technology also known as the current integration method, is widely used due to the advantage of being able to estimate the state of charge relatively accurately with a simple method.
  • the general coulomb counter-based battery charge state estimation technology is a method of predicting the amount of residual charge of the battery by continuously accumulating and summing the measured currents. There is a possibility that a significant error may occur in the prediction of the amount of residual charge.
  • the general coulomb counter-based battery state of charge estimation technique does not reflect changes in battery characteristics according to the temperature and aging of the battery. For example, if the battery is in a low temperature state or aging progresses, the full charge capacity (or usable capacity) of the battery may be significantly reduced compared to the design capacity. can be lowered
  • the present invention aims to improve a problem in which the accuracy of the state of charge estimation is deteriorated due to the accumulation of errors such as current measurement in the estimation of the state of charge of the battery based on the coulomb counter.
  • the present invention aims to improve the accuracy of the state of charge estimation by reflecting changes in battery characteristics according to the temperature and aging of the battery in the estimation of the state of charge of the battery based on the coulomb counter.
  • the present invention intends to estimate the state of charge of the battery based on the full charge capacity changed according to the temperature and aging of the battery in the estimation of the state of charge of the battery based on the coulomb counter.
  • the present invention is to simplify the structure of the battery state-of-charge estimation based on a coulomb counter and reduce power consumption used for state-of-charge estimation.
  • a first coulomb counter for calculating a first charge change amount ( ⁇ Q) for each period by integrating the battery current (Im) for each period; a compensator for compensating the first charge change amount ⁇ Q to calculate a second charge change amount ⁇ Q_comp; a second coulomb counter (CCE) for accumulating the second charge change amount ( ⁇ Q_comp) to calculate a first predicted charge amount (Qe); and a state of charge estimator for estimating the state of charge of the battery based on the first predicted amount of charge Qe.
  • STCC first coulomb counter
  • the compensator calculates a predicted open circuit voltage OCVe using the first predicted charge amount Qe, and uses the predicted open circuit voltage OCVe to calculate the second charge change amount ( ⁇ Q_comp) can be calculated.
  • the compensator may reduce the difference between the predicted open circuit voltage OCVe and the battery terminal voltage Vm when the level of the battery current Im is less than a first threshold value.
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp may be calculated by compensating for one charge change amount ⁇ Q.
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp is based on a value obtained by multiplying a value obtained by subtracting the predicted open circuit voltage OCVe from the battery terminal voltage Vm by a first constant C1 can be calculated by
  • the first constant C1 may be predetermined based on an internal resistance value of the battery.
  • the compensator decreases the difference between the first predicted overpotential value Vds_e and the first overpotential reference value Vds_ref when the battery current Im is greater than a second threshold value.
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp may be calculated by compensating for the first charge change amount ⁇ Q.
  • the first predicted overpotential value Vds_e is calculated based on a value obtained by subtracting the predicted open circuit voltage OCVe from the battery terminal voltage Vm, and a first overpotential reference value (Vds_ref) may be calculated using the second lookup table LUT2 including information on the internal resistance R and the second overpotential Vov of the battery.
  • the information on the internal resistance R and the second overpotential Vov of the battery included in the second lookup table LUT2 is stored at room temperature with respect to the battery in an unaged state. It may be data obtained through an experiment in which an intermittent constant current pulse is applied.
  • the compensator calculates a charge change amount compensation coefficient (comp_rate) and multiplies the charge change amount compensation coefficient (comp_rate) by the first charge change amount ( ⁇ Q) to obtain the second charge change amount ( ⁇ Q_comp) can be calculated.
  • the charge change compensation coefficient comp_rate may be set to 1.
  • the charge change compensation coefficient comp_rate when the first overpotential predicted value Vds_e is greater than the first overpotential reference value Vds_ref, as the first overpotential ratio Vds_rate increases, the charge change compensation coefficient comp_rate also increases.
  • the first overpotential ratio Vds_rate may be proportional to a value obtained by dividing the first overpotential predicted value Vds_e by the first overpotential reference value Vds_ref.
  • the charge change amount compensation coefficient comp_rate may also increase. have.
  • the compensator further includes a third coulomb counter (CCM) configured to calculate a second predicted charge amount Qm by accumulating the first charge change amount ⁇ Q, and the charge change rate Qm_rate ) may be determined based on a rate of change of the second predicted charge amount Qm.
  • CCM third coulomb counter
  • Another aspect of the present invention provides a method for estimating a battery state of charge performed by an apparatus for estimating a state of charge of a battery, comprising: calculating a first charge change amount ⁇ Q by accumulating a battery current Im; calculating a second charge change amount ⁇ Q_comp by compensating for the first charge change amount ⁇ Q; calculating a first predicted charge amount Qe by integrating the second charge change amount ⁇ Q_comp; and estimating the state of charge of the battery based on the first predicted amount of charge Qe.
  • the predicted open circuit voltage ( OCVe) and compensating for the first charge change amount ⁇ Q using the predicted open circuit voltage OCVe to calculate the second charge change amount ⁇ Q_comp in the step of compensating for the first charge change amount ⁇ Q to calculate the second charge change amount ⁇ Q_comp, the predicted open circuit voltage ( OCVe) and compensating for the first charge change amount ⁇ Q using the predicted open circuit voltage OCVe to calculate the second charge change amount ⁇ Q_comp.
  • the battery current Im is greater than the first threshold value TH1
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp may be calculated by compensating the first charge change amount ⁇ Q so that the difference between the predicted open circuit voltage OCVe and the battery terminal voltage Vm is reduced.
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp is based on a value obtained by multiplying a value obtained by subtracting the predicted open circuit voltage OCVe from the battery terminal voltage Vm by a first constant C1 can be calculated by
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp may be calculated by compensating the first charge change amount ⁇ Q so that the difference between the first overpotential predicted value Vds_e and the first overpotential reference value Vds_ref is reduced.
  • the present invention it is possible to improve the problem that the accuracy of the state of charge estimation is deteriorated due to the accumulation of errors such as current measurement in the estimation of the state of charge of the battery based on the coulomb counter.
  • the present invention it is possible to increase the accuracy of estimating the state of charge by reflecting the change in battery characteristics according to the temperature and aging of the battery in the estimation of the state of charge of the battery based on the coulomb counter.
  • the state of charge of the battery may be estimated based on the full charge capacity changed according to the temperature and aging of the battery.
  • the structure of the battery state-of-charge estimation based on the coulomb counter can be simplified and the power consumption used for the state-of-charge estimation can be reduced.
  • FIG. 1 illustrates an apparatus for estimating a state of charge of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates an apparatus for estimating a state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates an apparatus for estimating the state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates an apparatus for estimating the state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a method for estimating the state of charge of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 illustrates a method for estimating the state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates a method for estimating the state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 illustrates an apparatus 100 for estimating a state of charge of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • the battery state of charge estimator 100 includes a first coulomb counter 110, STCC, a compensator 120, a compensator, a second coulomb counter 130, CCE, and a state of charge estimator 140, SOC Estimator. ) may be included.
  • the battery state of charge estimating apparatus 100 may be used to estimate the state of charge of a battery in various devices using batteries.
  • the battery state of charge estimating apparatus 100 may have high utility in portable electronic devices such as mobile phones, tablets, and notebooks, but the use of the battery state of charge estimating apparatus 100 is not limited thereto.
  • the battery state of charge estimation apparatus 100 is implemented as a separate device in various devices using batteries, or implemented as a single functional element in another device (eg, a controller, etc.) that is originally installed in the device. can be implemented as
  • the first coulomb counter 110 may calculate the first charge change amount ⁇ Q for each period by integrating the battery current Im at every predetermined period.
  • the battery current Im may be a value obtained by detecting a current for charging or discharging the battery.
  • a conventional current detection means may be used for detecting the battery current Im.
  • a current sensing resistor or a current transformer may be used, but is not limited thereto.
  • the battery current Im detecting means may be a component included in the battery state of charge estimating device 100, but the battery state of charge estimating device 100 receives battery current Im information from an external battery current Im detecting means. may be obtained.
  • the first coulomb counter 110 may perform an integration function for each cycle of the battery current Im. That is, the first coulomb counter 110 is reset after calculating the first charge change amount ⁇ Q by accumulating the battery current Im at every predetermined period, and then accumulating the battery current Im for a predetermined period again. It can operate by repeating the process. For example, the first coulomb counter 110 may calculate the first charge change amount ⁇ Q by accumulating and summing the digitized sampling data of the battery current Im by a predetermined number. In this case, a value obtained by multiplying the sampling period of the battery current Im by the number of integrated data may be understood as the integration period of the first coulomb counter 110 .
  • the first coulomb counter 110 performs the integration function for each cycle.
  • the second charge change amount in the second coulomb counter 130 may be integrated to calculate the first predicted charge amount Qe.
  • the compensator 120 must perform a compensation operation for each of the sampled battery currents Im. In this case, when noise is included in each of the sampled battery currents Im, the operation of the compensator 120 may not be smooth, and power consumption may increase as the number of operations of the compensator 120 increases.
  • a first charge change amount ⁇ Q for each cycle is generated by integrating the battery current Im at every predetermined cycle using the first coulomb counter 110, and the compensator 120 is the first value for each cycle.
  • a compensation operation may be performed with respect to one charge change amount ⁇ Q.
  • the first charge change amount ( ⁇ Q) is the integration of a plurality of battery current (Im) sampling values, the effect of noise is reduced as well as the operating frequency of the compensator 120 is reduced, so power consumption is reduced. have.
  • the integration period of the first coulomb counter 110 is preferably set to such an extent that changes in the battery state such as the battery current Im, the battery voltage Vm, and the state of charge SOC are not significant.
  • the compensator 120 performs an appropriate compensation function for the first charge change ⁇ Q due to the change in the battery state. Because it may not be easy.
  • the battery current Im is sampled through an analog-digital converter (ADC) with a cycle of about 0.3 seconds and the first coulomb counter 110 is set to accumulate 4 to 8 sampled battery current Im , while reducing the influence of noise and power consumption, it is possible to increase the accuracy of estimating the state of charge by appropriately compensating for the first charge change amount ⁇ Q.
  • ADC analog-digital converter
  • the compensator 120 may calculate the second charge change amount ⁇ Q_comp by compensating for the first charge change amount ⁇ Q.
  • the compensator 120 compensates the first charge change amount ⁇ Q using the battery current Im, the battery terminal voltage Vm, and the first predicted charge amount Qe, thereby compensating for the second charge change amount ⁇ Q_comp. can be calculated.
  • the compensator 120 calculates the predicted open circuit voltage OCVe using the first predicted charge amount Qe, and compensates the first charge change amount ⁇ Q using the predicted open circuit voltage OCVe. By doing so, the second charge change amount ⁇ Q_comp can be calculated.
  • the compensator 120 (Compensator) will be described in more detail below.
  • the second coulomb counter 130 may calculate the first predicted charge amount Qe by integrating the second charge change amount ⁇ Q_comp. If the first coulomb counter 110 performs an integration function for each period, it may be understood that the second coulomb counter 130 does not have a special period and accumulates and sums the battery current Im. Compared with the general current integration method, the second coulomb counter 130 does not integrate the battery current Im as it is, but accumulates the second charge change amount ⁇ Q_comp, which is a value compensated by the compensator 120 . have.
  • the state of charge estimator 140 may estimate the state of charge of the battery based on the first predicted amount of charge Qe.
  • the state of charge of the battery output by the state of charge estimator 140 may be a state of charge (SOC), but is not limited thereto.
  • the state of charge of the battery may be a value corresponding to a value obtained by dividing the first predicted amount of charge Qe by the design capacity of the battery.
  • FIG. 2 illustrates an apparatus 200 for estimating a state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • the battery state of charge estimator 200 may include a first coulomb counter 110 , a compensator 220 , a second coulomb counter 130 , and a state of charge estimator 140 .
  • the first coulomb counter 110 , the second coulomb counter 130 , and the state of charge estimator 140 may operate similarly to those described with reference to FIG. 1 , unless they are arranged as described below.
  • the compensator 220 may include a first compensator 221 , a second compensator 222 , a multiplier 223 , and a multiplexer 224 .
  • the first compensator 221 may operate to resolve the accumulated error of the first predicted charge amount Qe when the battery is in a relaxation state.
  • the first compensator 221 may reduce the difference between the predicted open circuit voltage OCVe and the battery terminal voltage Vm when the level of the battery current Im is less than the first threshold value.
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp may be calculated by compensating for the first charge change amount ⁇ Q.
  • the magnitude of the battery current Im may be an average of the absolute values of the battery current Im during the integration period of the first coulomb counter 110 , but is not limited thereto.
  • the first compensator 221 may be set to operate only when it is determined that the level of the battery current Im is smaller than the first threshold value for a predetermined number of times or more.
  • the first threshold value may be set to a value such that it can be determined that the battery is in a relaxed state to some extent.
  • the battery terminal voltage Vm When the battery is in a sufficiently relaxed state, the battery terminal voltage Vm may be substantially equal to the actual open circuit voltage OCV of the battery.
  • OCV open circuit voltage
  • the predicted open circuit voltage OCVe in this embodiment is a value simply calculated from the first predicted charge amount Qe through a lookup table, etc., and the predicted open circuit voltage OCVe is an actual open circuit It is assumed that there will be some difference with the voltage (OCV).
  • the battery terminal voltage Vm under this recognition, when the magnitude of the battery current Im is smaller than the first threshold value, the battery terminal voltage Vm is more similar to the actual open circuit voltage OCV than the predicted open circuit voltage OCVe.
  • the first predicted charge amount Qe is accumulated by compensating the first charge change amount ⁇ Q so that the predicted open circuit voltage OCVe tracks the battery terminal voltage Vm to calculate the second charge change amount ⁇ Q_comp. error can be corrected.
  • the battery When the state in which the magnitude of the battery current Im is smaller than the first threshold value continues for a long period of time (eg, several hours), the battery is in a sufficiently relaxed state. Although it will be substantially equal to the voltage OCV, in this embodiment, when the level of the battery current Im becomes smaller than the first threshold value, the battery terminal voltage Vm is the actual open circuit voltage even if a sufficient time has not elapsed. Assuming that it is similar to (OCV), the predicted open circuit voltage (OCVe) may operate to follow the battery terminal voltage (Vm).
  • the error of the first predicted charge amount Qe when the accumulated error of the first predicted electric charge amount Qe increases during operation of the battery (even if the battery is not sufficiently relaxed), it can be reduced, and when the battery is sufficiently relaxed, it is automatically performed by the same algorithm. Thus, the error of the first predicted charge amount Qe can be almost eliminated.
  • the error of the first predicted charge amount Qe is accumulated in a simple way without using a complex system for accurately estimating the actual open circuit voltage (OCV) using a battery equivalent model or the like. This can increase the accuracy of estimating the state of charge of the battery.
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp is based on a value obtained by multiplying a value obtained by subtracting the predicted open circuit voltage OCVe from the battery terminal voltage Vm by the first constant C1 can be calculated by
  • the first constant C1 is a constant that affects the speed at which the predicted open circuit voltage OCVe tracks the battery terminal voltage Vm, and may be determined based on the internal resistance value of the battery.
  • Equation 1 exemplifies a case in which the second charge change amount ⁇ Q_comp is determined independently of the first charge change amount ⁇ Q, but unlike this, the second charge change amount ⁇ Q_comp affects the first charge change amount ⁇ Q
  • the predicted open circuit voltage OCVe may be set to follow the battery terminal voltage Vm while receiving .
  • the first compensator 221 determines that the predicted open circuit voltage OCVe is the battery terminal voltage Vm. ), it is possible to prevent an error in the first predicted charge amount Qe from accumulating.
  • the second compensator 222 may use the first overpotential Vds to estimate the state of charge by reflecting the full charge capacity that varies depending on the temperature and aging of the battery in a situation in which charge and discharge current flows through the battery.
  • the overpotential When a current flows through an electrode in a balanced state, the electrode potential deviates from the equilibrium potential, and the degree of deviation may be referred to as overpotential.
  • the overpotential can be understood as a combination of the effects of internal resistance of the battery and other effects (slow electrochemical reaction of the electrolyte, diffusion rate, non-uniformity of current distribution, etc.).
  • the overall overpotential in which the effect of the internal resistance of the battery and other influences are combined is referred to as the first overpotential (Vds), and the overpotential caused by other influences except for the internal resistance of the battery.
  • Vds the first overpotential
  • Vov the second overpotential
  • the first overpotential Vds may be understood as the sum of the voltage due to the internal resistance and the second overpotential Vov.
  • the first overpotential (Vds) may be calculated using the battery internal resistance and the second overpotential (Vov) as shown in Equation 2, but depending on circumstances, the terminal voltage Vm of the battery and the battery as shown in Equation 3 as shown in Equation 3 It can also be calculated using the difference in the open circuit voltage (OCV) of .
  • the second compensator 222 may reduce the difference between the first overpotential predicted value Vds_e and the first overpotential reference value Vds_ref.
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp may be calculated by compensating for the first charge change amount ⁇ Q.
  • the magnitude of the battery current Im may be an average of the absolute values of the battery current Im during the integration period of the first coulomb counter 110 , but is not limited thereto.
  • the second compensator 222 may be set to operate only when it is determined that the magnitude of the battery current Im is greater than the second threshold value for more than a predetermined number of times.
  • the second threshold value may be set to a value sufficient to determine that the battery is in a charging or discharging operation state.
  • the first overpotential reference value Vds_ref is a reference value for the first overpotential, and may be a value previously measured at room temperature with respect to a reference battery (eg, a new battery or a battery in an unaged state). According to an embodiment, the first overpotential reference value Vds_ref may be calculated using internal resistance and the second overpotential Vov previously measured at room temperature with respect to the reference battery. Equation 2 may be used when calculating the first overpotential reference value Vds_ref using the internal resistance and the second overpotential Vov.
  • the first overpotential predicted value Vds_e is a value calculated during the operation of the battery state of charge estimating apparatus 200, and according to an embodiment, the predicted open circuit voltage OCVe from the battery terminal voltage Vm as shown in Equation 4 may be calculated based on a value obtained by subtracting .
  • the first overpotential predicted value Vds_e is a value calculated using the detected battery terminal voltage Vm and the predicted open circuit voltage OCVe, and the first overcharged state estimating device 200 currently predicts. up can be understood.
  • the full charge capacity of the current battery may have decreased compared to the design capacity due to low temperature or aging.
  • the second compensator 222 compensates the first charge change amount ⁇ Q in the direction in which the first overpotential predicted value Vds_e follows the first overpotential reference value Vds_ref to obtain the second charge change amount ⁇ Q_comp. By calculating, it is possible to estimate the state of charge by reflecting the change in the full charge capacity.
  • the first overpotential Vds increases compared to the battery in the reference state, while the fully charged capacity (available capacity) of the battery decreases.
  • the calculated state of charge may be less accurate. For example, if the full charge capacity of the battery is reduced to 50% of the design capacity due to low temperature, etc., the SOC calculated based on the design capacity can be calculated as 50% as the battery is charged to 100% of the full capacity. . In this way, when the state of charge is calculated based on the design capacity without taking into account the change in the full charge capacity due to temperature or aging, and the result is provided to the user, it may cause confusion to the user.
  • the state of charge may be calculated by reflecting the change in the full charge capacity according to the temperature or aging. For example, when the full charge capacity is reduced due to a low temperature or aging of the battery, the second charge change amount ⁇ Q_comp is increased by increasing the charge change amount compensation factor (comp_rate) to make the second charge change amount ⁇ Q_comp greater than the first charge change amount ⁇ Q,
  • the first predicted charge amount Qe which is the output of the 2 coulomb counter 130, may have a larger value.
  • the SOC which is a value obtained by dividing the first predicted charge amount Qe by the design capacity, has a larger value, it is possible to effectively reflect the decrease in the full charge capacity. That is, in the case of the prior art, when the full charge capacity is reduced according to temperature or aging, there may be a problem that the estimated SOC does not approach 0% or 100%. This problem can be solved according to the present embodiment.
  • the charge change compensation coefficient comp_rate may be increased.
  • An increase in the first overpotential rate (Vds_rate) means that the first overpotential predicted value (Vds_e) increases compared to the first overpotential reference value (Vds_ref), which indicates that a decrease in the full charge capacity due to temperature or aging is intensified.
  • Vds_rate the first overpotential rate
  • Vds_ref the first overpotential reference value
  • the multiplier 223 may calculate the third charge change amount ⁇ Q_cr by multiplying the first charge change amount ⁇ Q by the charge change amount compensation coefficient comp_rate, which is the output of the second compensator 222 .
  • the multiplexer 224 may output a value selected according to the mode among the fourth charge change amount ⁇ Q_track that is the output of the first compensator 221 and the third charge change amount ⁇ Q_cr generated by the second compensator 222. .
  • the multiplexer 224 receives a mode selection signal (mode) from a controller (not shown), and a value selected according to the mode selection signal (mode) from among the third charge change amount ⁇ Q_cr and the fourth charge change amount ⁇ Q_track. may be output as the second charge change amount ⁇ Q_comp.
  • the multiplexer 224 when the mode selection signal (mode) is '0', the multiplexer 224 outputs the third charge change amount ⁇ Q_cr, and when the mode selection signal (mode) is '1' The multiplexer 224 may output the fourth charge change amount ⁇ Q_track. That is, the multiplexer 224 may selectively operate the first compensator 221 and the second compensator 222 according to a mode selection signal (mode).
  • FIG. 2 exemplifies a case in which the first compensator 221 and the second compensator 222 are used together. Any one of them may be selectively used. In this case, the multiplexer 224 may be omitted or used for selecting whether to operate the corresponding controller.
  • the first threshold value used to determine whether the first compensator 221 is operated and the second threshold value used to determine whether the second compensator 222 is operated may be the same as each other.
  • the second threshold value may have a value greater than the first threshold value.
  • the first compensator 221 operates when the magnitude of the battery current Im is less than the first threshold value, and when the magnitude of the battery current Im is greater than the first threshold value and smaller than the second threshold value, the first compensator 221 is operated. Neither the first compensator 221 nor the second compensator 222 operates, and when the battery current Im is greater than the second threshold value, the second compensator 222 may operate.
  • FIG. 3 illustrates an apparatus 300 for estimating the state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • the battery state of charge estimator 300 may include a first coulomb counter 110 , a compensator 320 , a second coulomb counter 130 , and a state of charge estimator 140 .
  • the compensator 320 includes a first compensator 321 , a second compensator 322 , a multiplier 323 , a multiplexer 324 , a first lookup table 325 , LUT1 , a second lookup table 326 , LUT2 and a second It may include a 3 coulomb counter (327, CCM).
  • the first coulomb counter 110 , the second coulomb counter 130 , and the state of charge estimator 140 may operate similarly to those described with reference to FIGS.
  • first compensator 321 the second compensator 322 , the multiplier 323 , and the multiplexer 324 included in the compensator 320 are provided with reference to FIG. 2 unless they are arranged with the contents described below. It may operate similarly to that described.
  • the first lookup table 325 ( LUT1 ) may include data on the relationship between the open circuit voltage OCV of the battery and the amount of charge Q.
  • the compensator 320 may calculate the predicted open circuit voltage OCVe based on the first predicted charge amount Qe using the first lookup table 325 .
  • the predicted open circuit voltage OCVe calculated using the first lookup table 325 may be utilized by the first compensator 321 and the second compensator 322 as described above.
  • the second lookup table 326 may include data on the internal resistance R and the second overpotential Vov of the battery according to the open circuit voltage OCV and the battery current Im.
  • the compensator 320 uses the second lookup table 326 to provide information on the internal resistance R and the second overpotential Vov of the reference battery based on the predicted open circuit voltage OCVe and the battery current Im. may be extracted, and the first overpotential reference value Vds_ref may be calculated therefrom.
  • the first overpotential reference value Vds_ref may be calculated by adding the second overpotential Vov to a value obtained by multiplying the battery current Im by the internal resistance R of the battery. In this way, the compensator 320 calculates the first overpotential reference value Vds_ref using the second lookup table 326 including information on the internal resistance R of the battery and the second overpotential Vov. can
  • the data on the internal resistance (R) and the second overpotential (Vov) of the battery included in the second lookup table 326 is a method of applying an intermittent constant current pulse at room temperature to a battery (reference battery) in an unaged state. It can be obtained through experimentation. In this case, there is an advantage in that data on the internal resistance (R) and the second overpotential (Vov) of the battery can be obtained through a simple experiment.
  • Data on the internal resistance (R) and/or the second overpotential (Vov) of the battery may vary depending on the magnitude of the battery current (Im), and the internal resistance (R) of the battery according to the magnitude of the various battery currents (Im) ) and/or it is difficult to store all of the data on the second overpotential (Vov) in the second lookup table 326 , so the data on the predetermined battery current Im is stored in the second lookup table 326 .
  • data on the internal resistance (R) and/or the second overpotential (Vov) of the battery may be calculated using a curve fitting function.
  • the third coulomb counter 327 may calculate the second predicted charge amount Qm by integrating the first charge change amount ⁇ Q. Unlike the second coulomb counter 130 , the third coulomb counter 327 may integrate the uncompensated first charge change amount ⁇ Q as it is.
  • the accumulated error may be included in the second predicted charge amount Qm, which is the output of the third coulomb counter 327 .
  • the charge change amount compensation coefficient (comp_rate) is calculated by extracting the charge change rate (Qm_rate) rather than estimating the state of charge using the second predicted charge amount (Qm). Therefore, the accumulated error included in the second predicted charge amount Qm is not a problem.
  • the first predicted charge amount Qe which is the output of the second coulomb counter 130, accumulates the second charge change amount ⁇ Q_comp, there is no abrupt change due to the operation of the first compensator 321 or the second compensator 322 .
  • the second predicted charge amount Qm does not have a sudden change by accumulating the first charge change amount ⁇ Q in an uncompensated state, it is necessary to extract the rate of change of the charge amount Qm_rate.
  • the charge amount Qm may be more appropriate than the first predicted charge amount Qe.
  • the first compensator 321 may calculate the fourth charge change amount ⁇ Q_track based on the predicted open circuit voltage OCVe and the battery voltage Vm.
  • the first compensator 321 may operate when the magnitude of the battery current Im is less than the first threshold value.
  • the first compensator 321 may calculate the value of the fourth charge variation ⁇ Q_track differently according to the magnitude of the battery voltage Vm and the predicted open circuit voltage OCVe. For example, when the battery voltage Vm is greater than the predicted open circuit voltage OCVe, the fourth charge change amount ⁇ Q_track is set to '0' as in Equation 6 so that the predicted open circuit voltage OCVe does not change. And, when the battery voltage Vm is smaller than the predicted open circuit voltage OCVe, the fourth charge change amount ⁇ Q_track is calculated as in Equation 7 so that the predicted open circuit voltage OCVe follows the battery voltage Vm. can
  • the reason for setting the fourth charge change amount ⁇ Q_track to '0' when the battery voltage Vm is greater than the predicted open circuit voltage OCVe in Equation 6 is that a positive value is applied to the fourth charge change amount ⁇ Q_track. This is to prevent a problem in that the first predicted charge amount Qe and the state of charge calculated thereby increase in a situation in which the battery is maintained in a discharged state when the predicted open circuit voltage OCVe is increased.
  • the first constant C1 is a constant that affects the speed at which the predicted open circuit voltage OCVe tracks the battery terminal voltage Vm.
  • the circuit voltage OCVe may gradually follow the battery terminal voltage Vm.
  • the first constant C1 is set based on the internal resistance R value of the battery, so that the predicted open circuit voltage OCVe tracks the battery terminal voltage Vm at a rate matching the time constant of the battery. can make it
  • the second compensator 322 decreases the difference between the first overpotential prediction value Vds_e and the first overpotential reference value Vds_ref when the battery current Im is greater than the second threshold value.
  • the second charge change amount ⁇ Q_comp may be calculated by compensating the first charge change amount ⁇ Q.
  • the second compensator 322 includes the predicted open circuit voltage OCVe obtained using the first lookup table 325 , the internal resistance R obtained using the second lookup table 326 , and the second The charge change compensation factor (comp_rate) is calculated by selectively using the overpotential (Vov), the second predicted charge amount (Qm) obtained using the third Coulomb counter (327), and the battery voltage (Vm) and the current (Im) can be calculated.
  • the charge change amount compensation coefficient comp_rate calculated by the second compensator 322 may be multiplied by the first charge change amount ⁇ Q and used to calculate the second charge change amount ⁇ Q_comp.
  • the second compensator 322 may set the charge change amount compensation coefficient comp_rate to 1 when the first overpotential predicted value Vds_e is smaller than the first overpotential reference value Vds_ref.
  • the full charge capacity is greater than the design capacity, and may occur at high temperatures, etc., but the difference is generally not large and can be ignored.
  • the second compensator 322 may include the charge change amount compensation coefficient ( comp_rate) can be increased.
  • the first overpotential ratio Vds_rate may be proportional to an absolute value of a value obtained by dividing the first overpotential predicted value Vds_e by the first overpotential reference value Vds_ref (refer to Equation 9).
  • the charge change compensation coefficient (comp_rate) is increased so that the compensator 320 reflects the change in the full charge capacity more. There is an advantage of improving the accuracy of the state of charge estimation.
  • the charge change amount compensation coefficient comp_rate increases.
  • the charge change rate Qm_rate may be determined based on the change rate of the second predicted charge amount Qm. According to this method, as the recent change in the amount of charge increases, the charge change compensation coefficient (comp_rate) is increased to reflect more changes in the full charge capacity, thereby increasing the accuracy of the estimation of the state of charge.
  • the second compensator 322 calculates the charge change amount compensation coefficient comp_rate through the processes of Equations 7 to 12 below.
  • Equations 7 to 12 are only examples, and the present embodiment is not limited thereto.
  • Equation 10 The constants C2, C3, C4, etc. used in Equations 10 to 12 may be appropriately set according to circumstances.
  • Qm(nT) is the previous T-th second predicted charge amount (Qm).
  • Qm(n-10) the previous tenth second predicted charge amount (Qm(n-10)) and the current
  • the charge change rate Qm_rate may be calculated using the degree of change between the second predicted electric charges Qm(n).
  • Q_max is the maximum amount of charge
  • the SF smoothing factor
  • the second compensator 322 may increase the charge variation compensation coefficient comp_rate as the first overpotential ratio Vds_rate increases.
  • the second compensator 322 may increase the charge change amount compensation coefficient comp_rate as the charge change rate Qm_rate increases. Through this, the second compensator 322 can effectively reflect the change in the full charge capacity to increase the accuracy of the charge state estimation.
  • FIG. 4 illustrates an apparatus 400 for estimating a state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • the device for estimating the state of charge of the battery 400 illustrated in FIG. 4 is different from the apparatus for estimating the state of charge of the battery 300 illustrated in FIG. 3 in that the third coulomb counter 327 is not used. Since the battery state of charge estimation apparatus 400 does not use the third coulomb counter 327, the second predicted charge amount Qm is not calculated.
  • the second compensator 322 may calculate the charge change amount compensation coefficient comp_rate by using the first predicted charge amount Qe instead of the second predicted charge amount Qm. For example, when calculating the rate of change Qm_rate of the charge amount in Equation 11, the first predicted charge amount Qe may be used instead of the second predicted charge amount Qm. According to the battery state of charge estimation apparatus 400 illustrated in FIG. 4 , since the third coulomb counter 327 is not used, the compensator 420 can be implemented more simply and power consumption is reduced.
  • FIG. 5 illustrates a method for estimating the state of charge of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • the method of estimating the state of charge of the battery illustrated in FIG. 5 may be performed by the apparatus for estimating the state of charge of the battery illustrated with reference to FIGS. 1 to 4 .
  • the step of calculating the first charge change amount ⁇ Q by integrating the battery current Im ( S510 ), and calculating the second charge change amount ⁇ Q_comp by compensating the first charge change amount ⁇ Q (S520), calculating the first predicted charge amount Qe by integrating the second charge change amount ⁇ Q_comp (S530), and estimating the state of charge of the battery based on the first predicted charge amount Qe (S540) ) may be sequentially performed.
  • the predicted open circuit voltage OCVe is calculated using the first predicted charge amount Qe and compensating the first charge change amount ⁇ Q using the predicted open circuit voltage OCVe to calculate the second charge change amount ⁇ Q_comp.
  • FIG. 6 illustrates a method for estimating the state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • the method for estimating the state of charge of the battery illustrated in FIG. 6 may be performed by the apparatus for estimating the state of charge of the battery illustrated with reference to FIGS. 1 to 4 .
  • battery voltage (Vm) and battery current (Im) information can be obtained (S611), a conventional current detection means such as a current detection resistor or a current transformer can be used to detect the battery current (Im). , but is not limited thereto.
  • a first charge change amount ⁇ Q may be calculated. Calculation of the first charge change amount ⁇ Q may be performed by the above-described first Coulomb counter 110 .
  • Steps S611 and S612 may correspond to step S510 of FIG. 5 .
  • the magnitude of the battery current Im is compared with the first threshold value TH1 (S621), and if the magnitude of the battery current Im is greater than the first threshold value TH1, the process proceeds to step S624, and the battery When the magnitude of the current Im is less than the first threshold value TH1, the process may proceed to step S622.
  • Step S622 When the magnitude of the battery current Im is less than the first threshold value TH1, a fourth charge change amount ⁇ Q_track is calculated in step S622, and a second charge change amount using the fourth charge change amount ⁇ Q_track in step S623 ( ⁇ Q_comp) can be calculated.
  • Steps S622 and S623 may be performed by the first compensator, and as for the detailed calculation method of the fourth charge change amount ⁇ Q_track and the second charge change amount ⁇ Q_comp, the above-described content with respect to the first compensator may be applied.
  • a charge change amount compensation coefficient comp_rate is calculated in step S624, and a second charge change amount using the charge change amount compensation coefficient comp_rate in step S625. ( ⁇ Q_comp) can be calculated.
  • Steps S624 and S625 may be performed by the second compensator, and the detailed calculation method of the charge change amount compensation coefficient comp_rate and the second charge change amount ⁇ Q_comp may be applied to the above description in relation to the second compensator.
  • Steps S621 to S625 may correspond to steps S520 of FIG. 5 .
  • the first predicted charge amount Qe may be calculated by accumulating the second charge change amount ⁇ Q_comp compensated through the step S623 or S625.
  • Step S630 may be performed by the above-described second coulomb counter.
  • the state of charge of the battery may be estimated based on the first predicted amount of charge Qe.
  • a state of charge SOC
  • the SOC may be calculated based on a value obtained by dividing the first predicted amount of charge Qe by the design capacity Qd.
  • 7 illustrates a method for estimating the state of charge of a battery according to another embodiment of the present invention. 7 illustrates steps S622 to S625 of FIG. 6 in more detail.
  • steps S622 and S623 of FIG. 6 may be changed to steps S722 to S725 of FIG. 7 .
  • step S722 it may be determined whether the battery voltage Vm is smaller than the predicted open circuit voltage OCVe. If the battery voltage Vm is less than the predicted open circuit voltage OCVe, the process proceeds to step S723, otherwise, the process may proceed to step S724.
  • the fourth charge change amount ⁇ Q_track in step S723 may be calculated using the method of Equation 6 described above. In this case, as the predicted open circuit voltage OCVe tracks the battery voltage Vm, the accumulated error due to the coulomb counter may be reduced.
  • the fourth charge change amount ⁇ Q_track is set to '0' in step S724, so that the predicted open circuit voltage OCVe does not change.
  • steps S624 and S625 of FIG. 6 may be changed to steps S726 to S729 of FIG. 7 .
  • step S726 it may be determined whether the first overpotential predicted value Vds_e is greater than the first overpotential reference value Vds_ref. If the first overpotential predicted value Vds_e is greater than the first overpotential reference value Vds_ref, the process proceeds to step S727, otherwise, the process may proceed to step S728.
  • the charge change amount compensation coefficient comp_rate in step S727 may be calculated using the methods of Equations 7 to 12, etc. have.
  • the charge variation compensation coefficient comp_rate may increase.
  • the charge change rate Qm_rate increases, the charge change amount compensation coefficient comp_rate may increase.
  • the charge change compensation coefficient comp_rate may be set to '1' in step S728. That is, when the first predicted overpotential value Vds_e is not greater than the first overpotential reference value Vds_ref, the second charge change amount ⁇ Q_comp may be equal to the first charge change amount ⁇ Q.
  • the above-described battery charge state estimation apparatus may be implemented as software and stored in a computer-readable storage medium (memory, etc.), and the function may be performed by an arithmetic unit such as a CPU.
  • each element inside the battery state of charge estimation device is implemented as a separate module inside the software implementing the battery state of charge estimation device and can be distinguished from each other. It may be implemented in a mixed state.
  • the apparatus for estimating the state of charge of the battery may be implemented in hardware such as an application specific integrated circuit (ASIC), a field programmable gate array (FPGA), or the like.
  • ASIC application specific integrated circuit
  • FPGA field programmable gate array

Landscapes

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Abstract

본 발명은 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 전류 검출의 오차 누적에 의한 충전상태 추정 오차를 줄일 수 있고, 배터리 온도 및 노후화에 따른 특성을 보상하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있는 배터리 충전상태 추정장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면은, 소정의 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 제1 쿨롱 카운터(STCC); 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 보상기; 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 제2 쿨롱 카운터(CCE); 및 상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정기를 포함하는 배터리 충전상태 추정장치이다.

Description

쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정장치 및 방법
본 발명은 쿨롱 카운터(coulomb counter) 기반의 배터리 충전상태 추정장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 전류 검출의 오차 누적에 의한 충전상태 추정 오차를 줄일 수 있고, 배터리 온도 및 노후화에 따른 특성을 보상하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있는 배터리 충전상태 추정장치 및 방법에 관한 것이다.
배터리의 충전상태(state of charge)를 추정하기 위해 쿨롱 카운터 기반의 기술이 많이 사용되고 있다. 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정 기술은 배터리 전류를 검출하고 검출된 배터리 전류를 적산하여 배터리의 전하량을 추정하며, 추정된 배터리의 전하량에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다. 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정 기술은 전류 적산법으로도 알려져 있는 것으로서 간단한 방법으로 상대적으로 정확한 충전상태 추정이 가능하다는 장점으로 인해 많이 사용되고 있다.
그러나 일반적인 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정 기술은 측정된 전류를 계속해서 누적 합산하여 배터리의 잔류 전하량을 예측하는 방식이어서, 측정 전류 등에 약간의 오차가 있더라도 그 오차가 누적되어 시간이 경과하면 배터리의 잔류 전하량 예측에 상당한 오차가 발생할 가능성이 있다.
또한, 일반적인 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정 기술은 배터리의 온도 및 노후화에 따른 배터리 특성의 변화를 반영하지 못한다는 점에서도 개선의 여지가 있다. 예를 들어, 배터리가 저온 상태에 있거나 노후화가 진행되면 배터리의 만충용량(또는 가용용량)이 설계용량에 비해 상당히 감소될 수 있는데, 이러한 만충용량의 감소를 반영하지 않을 경우 충전상태 추정의 정확도가 낮아질 수 있다.
본 발명은, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 전류 측정 등의 오차 누적으로 인해 충전상태 추정의 정확성이 저하되는 문제를 개선하고자 한다.
본 발명은, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 배터리의 온도 및 노후화에 따른 배터리 특성의 변화를 반영하여 충전상태 추정의 정확성을 높이고자 한다.
본 발명은, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 배터리의 온도 및 노후화에 따라 변화된 만충용량을 기준으로 배터리 충전상태를 추정하고자 한다.
본 발명은, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 구조를 간략하게 하고 충전상태 추정을 위해 사용되는 전력 소모를 감소시키고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 소정의 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 제1 쿨롱 카운터(STCC); 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 보상기; 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 제2 쿨롱 카운터(CCE); 및 상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정기를 포함하는 배터리 충전상태 추정장치이다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출할 때 상기 배터리의 개방회로전압(OCV)과 전하량(Q) 사이의 관계에 대한 데이터를 포함하는 제1 룩업 테이블(LUT1)을 이용할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 경우, 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출될 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 상수(C1)는 상기 배터리의 내부저항 값에 기초하여 미리 정해질 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 기초하여 산출되고, 제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 상기 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보를 포함하는 제2 룩업 테이블(LUT2)을 이용하여 산출될 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제2 룩업 테이블(LUT2)에 포함된 상기 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보는 노화되지 않은 상태의 배터리에 대해 상온에서 간헐적인 정전류 펄스를 인가하는 실험을 통해 확보된 데이터일 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출하고, 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)에 곱하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 1로 설정할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)도 증가할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 비율(Vds_rate)은 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)을 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)으로 나눈 값에 비례할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)도 증가할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정장치에 있어서, 상기 보상기는 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 적산하여 제2 예측 전하량(Qm)을 산출하는 제3 쿨롱 카운터(CCM)를 더 포함하고, 상기 전하 변화율(Qm_rate)은 상기 제2 예측 전하량(Qm)의 변화율에 기초하여 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은, 배터리 충전상태 추정장치에 의해 수행되는 배터리 충전상태 추정방법으로서, 배터리 전류(Im)를 적산하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 단계; 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계; 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 단계; 및 상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 단계;를 포함하는 배터리 충전상태 추정방법이다.
상기 배터리 충전상태 추정방법에 있어서, 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상함으로써 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정방법에 있어서, 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 작을 경우, 상기 예측 개방회로전압(OCVe)과 상기 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정방법에 있어서, 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출될 수 있다.
상기 배터리 충전상태 추정방법에 있어서, 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 전류 측정 등의 오차 누적으로 인해 충전상태 추정의 정확성이 저하되는 문제를 개선할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 배터리의 온도 및 노후화에 따른 배터리 특성의 변화를 반영하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 배터리의 온도 및 노후화에 따라 변화된 만충용량을 기준으로 배터리 충전상태를 추정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 쿨롱 카운터 기반의 배터리 충전상태 추정에서 구조를 간략하게 하고 충전상태 추정을 위해 사용되는 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치를 예시한다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치를 예시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치를 예시한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치를 예시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치(100)를 예시한다.
도 1을 참조하면, 배터리 충전상태 추정장치(100)는 제1 쿨롱 카운터(110, STCC), 보상기(120, Compensator), 제2 쿨롱 카운터(130, CCE) 및 충전상태 추정기(140, SOC Estimator)를 포함할 수 있다.
배터리 충전상태 추정장치(100)는 배터리를 사용하는 다양한 기기에서 배터리의 충전상태를 추정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 충전상태 추정장치(100)는 휴대폰, 태블릿, 노트북 등의 휴대용 전자기기에서 그 활용도가 높을 수 있지만 배터리 충전상태 추정장치(100)의 용도가 이로 한정되는 것은 아니다. 배터리 충전상태 추정장치(100)는 배터리를 사용하는 다양한 기기 내에서 별도의 장치로 구현되거나 또는 해당 기기에 본래 장착되는 다른 장치(예, 제어기 등) 내부에 하나의 기능 요소로서 구현되는 등 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
제1 쿨롱 카운터(110)는 소정의 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출할 수 있다.
배터리 전류(Im)는 배터리를 충전 또는 방전하는 전류를 검출한 값일 수 있다. 배터리 전류(Im) 검출을 위해 통상의 전류 검출 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전류 검출 저항 또는 변류기(current transformer) 등이 사용될 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. 배터리 전류(Im) 검출 수단은 배터리 충전상태 추정장치(100)에 포함되는 구성일 수도 있지만, 배터리 충전상태 추정장치(100)는 외부의 배터리 전류(Im) 검출 수단으로부터 배터리 전류(Im) 정보를 획득할 수도 있다.
제1 쿨롱 카운터(110)는 배터리 전류(Im)에 대한 각 주기별 적산 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제1 쿨롱 카운터(110)는 소정 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출한 후 초기화(reset)되고 다시 소정 주기에 대해 배터리 전류(Im)를 적산하는 과정을 반복하는 방식으로 동작할 수 있다. 예시적으로, 제1 쿨롱 카운터(110)는 배터리 전류(Im)의 디지털화된 샘플링 데이터를 소정의 개수 누적 합산하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출할 수 있다. 이 경우, 배터리 전류(Im)의 샘플링 주기에 적산되는 데이터 개수를 곱한 값이 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기로 이해될 수 있다.
제1 쿨롱 카운터(110)가 각 주기별 적산 기능을 수행하는 이유를 살펴본다. 추후 상세히 설명할 바와 같이, 본 실시예에서는 보상기(120)를 통해 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출한 후에 제2 쿨롱 카운터(130)에서 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출할 수 있다. 제1 쿨롱 카운터(110)를 사용하지 않을 경우 보상기(120)는 샘플링된 배터리 전류(Im) 각각에 대해 보상 동작을 수행해야 한다. 이 경우, 각각의 샘플링된 배터리 전류(Im)에 노이즈가 포함될 경우 보상기(120)의 동작이 원활하지 않을 수 있고, 보상기(120)의 동작 횟수가 증가할수록 전력 소모가 커질 수 있다. 본 실시예에서는 제1 쿨롱 카운터(110)를 사용하여 소정 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 생성하고, 보상기(120)는 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)에 대하여 보상 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 전하 변화량(ΔQ)은 다수의 배터리 전류(Im) 샘플링 값을 적분한 것이므로 노이즈의 영향이 감소할 뿐만 아니라, 보상기(120)의 동작 빈도가 감소하므로 전력 소모가 감소하는 장점이 있다.
이 때, 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기는 배터리 전류(Im), 배터리 전압(Vm), 충전상태(SOC) 등 배터리 상태의 변화가 크지 않을 정도로 설정되는 것이 바람직하다. 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기를 배터리 상태의 변화가 상당할 정도로 길게 설정하는 경우, 배터리 상태의 변화로 인해 보상기(120)가 제1 전하 변화량(ΔQ)에 대한 적절한 보상 기능을 수행하기가 쉽지 않을 수 있기 때문이다. 예시적으로, ADC(analog-digital converter)를 통해 약 0.3초 주기로 배터리 전류(Im)를 샘플링하고 제1 쿨롱 카운터(110)는 4개 ~ 8개의 샘플링된 배터리 전류(Im)를 적산하도록 설정할 경우, 노이즈의 영향과 전력 소모를 줄이면서도 제1 전하 변화량(ΔQ)에 대한 적절한 보상을 통해 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.
보상기(120, Compensator)는 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 실시예에 따라, 보상기(120)는 배터리 전류(Im), 배터리 단자전압(Vm) 및 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상함으로써 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 실시예에 따라, 보상기(120)는 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상함으로써 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 보상기(120, Compensator)에 대해서는 아래에서 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
제2 쿨롱 카운터(130, CCE)는 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출할 수 있다. 제1 쿨롱 카운터(110)가 각 주기별 적산 기능을 수행한다면, 제2 쿨롱 카운터(130)는 특별한 주기를 가지지 않고 배터리 전류(Im)를 누적해서 합산하는 것으로 이해될 수 있다. 일반적인 전류 적산 방식과 비교하면, 제2 쿨롱 카운터(130)가 배터리 전류(Im)를 그대로 적산하는 것이 아니라 보상기(120)에 의해 보상된 값인 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산한다는 점에서 차이가 있다.
충전상태 추정기(140, SOC Estimator)는 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다. 실시예에 따라, 충전상태 추정기(140)가 출력하는 배터리 충전상태는 SOC(state of charge)일 수 있으나 이로 한정되는 것은 아니다. 예시적으로, 배터리 충전상태는 제1 예측 전하량(Qe)을 배터리의 설계용량으로 나눈 값에 대응되는 값일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치(200)를 예시한다.
도 2를 참조하면, 배터리 충전상태 추정장치(200)는 제1 쿨롱 카운터(110), 보상기(220), 제2 쿨롱 카운터(130) 및 충전상태 추정기(140)를 포함할 수 있다. 제1 쿨롱 카운터(110), 제2 쿨롱 카운터(130) 및 충전상태 추정기(140)는, 아래에서 설명하는 내용과 배치되지 않는 한, 도 1을 참조하여 설명한 바와 유사하게 동작할 수 있다.
보상기(220)는 제1 보상기(221, first compensator), 제2 보상기(222, second compensator), 곱셈기(223) 및 멀티플렉서(224)를 포함할 수 있다.
제1 보상기(221)는 배터리가 이완(relaxation) 상태에 있을 때 제1 예측 전하량(Qe)의 누적된 오차를 해소하도록 동작할 수 있다.
이를 위해, 실시예에 따라, 제1 보상기(221)는 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 경우, 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 실시예에 따라, 배터리 전류(Im)의 크기는 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기 동안의 배터리 전류(Im) 절대값의 평균일 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예에 따라, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작다는 판단이 소정의 회수 이상으로 지속되어야 제1 보상기(221)가 동작하도록 설정될 수 있다. 제1 임계값은 배터리가 어느 정도 이완 상태에 있다고 판단될 수 있을 정도의 값으로 설정될 수 있다.
배터리가 충분한 이완 상태에 있을 경우, 배터리 단자전압(Vm)은 배터리의 실제 개방회로전압(OCV)와 실질적으로 동일할 수 있다. 본 실시예에서는 배터리의 등가 모델 등을 사용하지 않으므로 배터리의 실제 개방회로전압(OCV)을 정확하게 추정하려고 시도하지 않는다. 본 실시예에서의 예측 개방회로전압(OCVe)은, 후술할 바와 같이, 제1 예측 전하량(Qe)으로부터 룩업 테이블 등을 통해 간단하게 산출되는 값으로서, 예측 개방회로전압(OCVe)은 실제 개방회로전압(OCV)과 어느 정도 차이가 있을 것이라는 것을 전제로 한다. 본 실시예에서는 이러한 인식 하에서, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 경우 배터리 단자전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 실제 개방회로전압(OCV)에 더 유사할 것이라는 가정 하에, 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출함으로써, 제1 예측 전하량(Qe)의 누적된 오차를 해소할 수 있다.
배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작은 상태가 장기간(예를 들면, 수 시간) 지속되면 배터리가 충분한 이완 상태에 있게 되고, 이러한 상태가 되어야 배터리 단자전압(Vm)이 실제 개방회로전압(OCV)과 실질적으로 동일하게 될 것이지만, 본 실시예에서는 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작은 상태가 되면 충분한 시간이 경과되지 않더라도 배터리 단자전압(Vm)이 실제 개방회로전압(OCV)과 유사할 것으로 가정하고 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 동작할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 배터리의 동작 중에(배터리가 충분히 이완되지 않더라도) 제1 예측 전하량(Qe)의 누적 오차가 커지는 경우 이를 감소시킬 수 있고, 배터리가 충분히 이완되는 상황이 되면 동일한 알고리즘에 의해 자동적으로 제1 예측 전하량(Qe)의 오차를 거의 해소할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면 배터리 등가 모델 등을 사용하여 실제 개방회로전압(OCV)을 정확하게 추정하기 위한 복잡한 시스템을 사용하지 않으면서도 간단한 방법으로 제1 예측 전하량(Qe)의 오차가 누적되는 것을 방지하여 배터리 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.
실시예에 따라, 아래 수학식 1과 같이, 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 배터리 단자전압(Vm)에서 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2021005739-appb-M000001
여기서, 제1 상수(C1)는 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하는 속도에 영향을 주는 상수로서, 배터리의 내부저항 값에 기초하여 정해질 수 있다.
수학식 1은 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)이 제1 전하 변화량(ΔQ)과는 무관하게 결정되는 경우를 예시하고 있지만, 이와는 다르게 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 제1 전하 변화량(ΔQ)에 영향을 받으면서 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 설정될 수도 있다.
이와 같이, 제1 보상기(221)는 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작은 상태일 때(배터리가 충분한 이완 상태가 아니더라도), 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 함으로써 제1 예측 전하량(Qe)의 오차가 누적되는 것을 방지할 수 있다.
제2 보상기(222)는 배터리에 충방전 전류가 흐르는 상황에서 제1 과전위(Vds)를 이용하여 배터리의 온도와 노후화 등에 따라 달라지는 만충용량을 반영하여 충전상태를 추정하도록 할 수 있다.
먼저, 과전위(overpotential)에 대해 설명하면, 평형 상태에 있는 전극에 전류를 흘리면 전극전위가 평형전위에서 벗어나게 되며 이 벗어난 정도를 과전위(overpotential)라 할 수 있다. 과전위(overpotential)는 배터리 내부저항에 의한 영향과 그 외 영향(전해질의 느린 전기화학반응, 확산 속도, 전류 분포의 불균일 등)이 복합적으로 작용한 것으로 이해될 수 있다. 본 명세서에서는 배터리 내부저항에 의한 영향과 그 외 영향이 복합적으로 작용한 전체 과전위(overpotential)를 제1 과전위(Vds)라고 하고, 배터리 내부저항을 제외한 그 외 영향에 의한 과전위(overpotential)를 제2 과전위(Vov)로 언급하기로 한다. 즉, 수학식 2와 같이 제1 과전위(Vds)는 내부저항에 의한 전압과 제2 과전위(Vov)의 합으로 이해될 수 있다.
Figure PCTKR2021005739-appb-M000002
제1 과전위(Vds)는 수학식 2와 같이 배터리 내부저항과 제2 과전위(Vov)를 이용하여 산출될 수 있지만, 상황에 따라, 수학식 3과 같이 배터리의 단자전압(Vm)과 배터리의 개방회로전압(OCV)의 차이를 이용하여 산출될 수도 있다.
Figure PCTKR2021005739-appb-M000003
실시예에 따라, 제2 보상기(222)는 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.
배터리 전류(Im)의 크기는 제1 쿨롱 카운터(110)의 적산 주기 동안의 배터리 전류(Im) 절대값의 평균일 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예에 따라, 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 크다는 판단이 소정의 회수 이상으로 지속되어야 제2 보상기(222)가 동작하도록 설정될 수 있다. 제2 임계값은 배터리가 충전 또는 방전 동작 상태에 있다고 판단될 수 있을 정도의 값으로 설정될 수 있다.
제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 제1 과전위에 대한 기준값으로서, 기준 배터리(예를 들어, 신규 배터리 또는 노화되지 않은 상태의 배터리)에 대해 상온에서 미리 측정된 값일 수 있다. 실시예에 따라, 제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 기준 배터리에 대해 상온에서 미리 측정된 내부저항과 제2 과전위(Vov)를 이용하여 산출될 수 있다. 내부저항과 제2 과전위(Vov)를 이용하여 제1 과전위 기준값(Vds_ref)을 산출할 때 수학식 2가 사용될 수 있다.
제1 과전위 예측값(Vds_e)은, 배터리 충전상태 추정장치(200)의 동작 중에 산출되는 값으로서, 실시예에 따라, 수학식 4와 같이 배터리 단자전압(Vm)에서 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 기초하여 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2021005739-appb-M000004
즉, 제1 과전위 예측값(Vds_e)은 검출된 배터리 단자전압(Vm)과 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 산출되는 값으로서, 배터리 충전상태 추정장치(200)가 현재 예측하는 제1 과전위로 이해될 수 있다.
제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)에 비해 클 경우 현재의 배터리가 저온이나 노후화 등으로 인해 만충용량이 설계용량에 비해 감소했을 가능성이 있다. 이 경우, 제2 보상기(222)는 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)을 추종하는 방향으로 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출함으로써 만충용량의 변화를 반영하여 충전상태를 추정할 수 있다.
온도가 낮거나 배터리가 노후화된 경우, 기준 상태의 배터리에 비해 제1 과전위(Vds)가 증가하는 반면, 배터리의 만충용량(가용용량)은 감소한다. 배터리의 온도나 노후화에 의한 만충용량 감소 특성을 반영하지 않고 충전상태를 산출할 경우, 산출된 충전상태는 그 정확성이 낮아질 수 있다. 예를 들어, 저온 등으로 인해 배터리의 만충용량이 설계용량의 50%로 감소한 경우, 배터리가 만충용량의 100%로 충전되더라로 설계용량을 기준으로 산출된 SOC는 50%로 계산될 수 있다. 이와 같이, 온도나 노후화에 따른 만충용량의 변화를 감안하지 않고 설계용량을 기준으로 충전상태를 산출하고 그 결과를 사용자에게 제공할 경우 사용자에게 혼란을 야기할 수 있다.
본 실시예에서는 이러한 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해, 온도나 노후화에 따른 만충용량의 변화를 반영하여 충전상태를 산출할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 온도가 낮거나 노후화가 진행되어 만충용량이 감소한 경우, 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시켜 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 제1 전하 변화량(ΔQ)보다 크게 함으로써, 제2 쿨롱 카운터(130)의 출력인 제1 예측 전하량(Qe)이 보다 큰 값을 가지도록 할 수 있다. 이 경우 제1 예측 전하량(Qe)을 설계용량으로 나눈 값인 SOC는 좀 더 큰 값을 가지게 되므로 만충용량의 감소를 효과적으로 반영할 수 있다. 즉, 종래 기술의 경우 온도나 노후화에 따라 만충용량이 감소한 경우 추정된 SOC가 0% 또는 100%에 근접하지 않는 문제가 발생할 수 있는데, 본 실시예에 의하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 과전위 기준값(Vds_ref)에 대한 제1 과전위 예측값(Vds_e)의 비율인 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시킬 수 있다. 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가한다는 것은 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)에 비해 증가한다는 것을 의미하고, 이는 온도나 노후화에 따른 만충용량의 감소가 심화된다는 것으로 이해될 수 있다. 이 경우, 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시켜 제1 예측 전하량(Qe)이 증가하는 정도를 크게 함으로써 만충용량의 변화를 더욱 효과적으로 반영할 수 있다.
곱셈기(223)는 제2 보상기(222)의 출력인 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 제1 전하 변화량(ΔQ)에 곱하여 제3 전하 변화량(ΔQ_cr)을 산출할 수 있다.
멀티플렉서(224)는 제1 보상기(221)의 출력인 제4 전하 변화량(ΔQ_track)과 제2 보상기(222)에 의해 생성된 제3 전하 변화량(ΔQ_cr) 중에서 모드에 따라 선택된 값을 출력할 수 있다. 이를 위해, 멀티플렉서(224)는 도시되지 않은 제어기 등으로부터 모드선택신호(mode)를 입력 받고, 제3 전하 변화량(ΔQ_cr)과 제4 전하 변화량(ΔQ_track) 중에서 모드선택신호(mode)에 따라 선택된 값을 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)으로 출력할 수 있다. 예를 들어, 수학식 5와 같이, 모드선택신호(mode)가 '0'일 경우 멀티플렉서(224)는 제3 전하 변화량(ΔQ_cr)을 출력하고, 모드선택신호(mode)가 '1'일 경우 멀티플렉서(224)는 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 출력할 수 있다. 즉, 멀티플렉서(224)는 제1 보상기(221)와 제2 보상기(222)가 모드선택신호(mode)에 따라 선택적으로 동작하도록 할 수 있다.
Figure PCTKR2021005739-appb-M000005
한편, 도 2에는 제1 보상기(221)와 제2 보상기(222)를 함께 사용하는 경우를 예시하고 있으나, 배터리 충전상태 추정장치(200)에는 제1 보상기(221)와 제2 보상기(222) 중의 어느 하나만이 선택적으로 사용될 수도 있다. 이 경우, 멀티플렉서(224)는 생략되거나 또는 해당 제어기의 동작 여부를 선택하는 용도로 사용될 수 있다.
또한, 제1 보상기(221)의 동작 여부를 결정하기 위해 사용된 제1 임계값과 제2 보상기(222)의 동작 여부를 결정하기 위해 사용된 제2 임계값은 서로 동일한 값일 수 있다. 이 경우, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(또는 제2 임계값)보다 작은 경우 제1 보상기(221)가 동작하고, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(또는 제2 임계값)보다 큰 경우 제2 보상기(222)가 동작할 수 있다. 또는, 실시예에 따라, 제2 임계값이 제1 임계값보다 큰 값을 가질 수 있다. 이 경우, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작은 경우 제1 보상기(221)가 동작하고, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 크면서 제2 임계값보다 작은 경우 제1 보상기(221)와 제2 보상기(222)의 어느 것도 동작하지 않으며, 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 큰 경우 제2 보상기(222)가 동작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치(300)를 예시한다.
도 3을 참조하면, 배터리 충전상태 추정장치(300)는 제1 쿨롱 카운터(110), 보상기(320), 제2 쿨롱 카운터(130) 및 충전상태 추정기(140)를 포함할 수 있다. 보상기(320)는 제1 보상기(321), 제2 보상기(322), 곱셈기(323), 멀티플렉서(324), 제1 룩업 테이블(325, LUT1), 제2 룩업 테이블(326, LUT2) 및 제3 쿨롱 카운터(327, CCM)를 포함할 수 있다. 제1 쿨롱 카운터(110), 제2 쿨롱 카운터(130) 및 충전상태 추정기(140)는, 아래에서 설명하는 내용과 배치되지 않는 한, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 유사하게 동작할 수 있다. 또한, 보상기(320)에 포함된 제1 보상기(321), 제2 보상기(322), 곱셈기(323) 및 멀티플렉서(324)는, 아래에서 설명하는 내용과 배치되지 않는 한, 도 2를 참조하여 설명한 바와 유사하게 동작할 수 있다.
제1 룩업 테이블(325, LUT1)은 배터리의 개방회로전압(OCV)과 전하량(Q) 사이의 관계에 대한 데이터를 포함할 수 있다. 보상기(320)는 제1 룩업 테이블(325)을 이용하여 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출할 수 있다. 제1 룩업 테이블(325)을 이용하여 산출된 예측 개방회로전압(OCVe)은 전술한 바와 같이 제1 보상기(321)와 제2 보상기(322)에서 활용될 수 있다.
제2 룩업 테이블(326, LUT2)은 개방회로전압(OCV)과 배터리 전류(Im)에 따른 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터를 포함할 수 있다. 보상기(320)는 제2 룩업 테이블(326)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 전류(Im)에 기초하여 기준 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보를 추출하고, 이로부터 제1 과전위 기준값(Vds_ref)을 산출할 수 있다. 실시예에 따라, 제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 배터리 전류(Im)에 배터리의 내부저항(R)을 곱한 값에 제2 과전위(Vov)를 더하여 산출될 수 있다. 이와 같이, 보상기(320)는 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보를 포함하는 제2 룩업 테이블(326)을 이용하여 제1 과전위 기준값(Vds_ref)을 산출할 수 있다.
제2 룩업 테이블(326)에 포함된 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터는 노화되지 않은 상태의 배터리(기준 배터리)에 대해 상온에서 간헐적인 정전류 펄스를 인가하는 실험을 통해 확보될 수 있다. 이 경우 간단한 실험을 통해 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터를 확보할 수 있는 장점이 있다.
배터리의 내부저항(R) 및/또는 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터는 배터리 전류(Im)의 크기에 따라 달라질 수 있고, 다양한 배터리 전류(Im)의 크기에 따른 배터리의 내부저항(R) 및/또는 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터를 모두 제2 룩업 테이블(326)에 저장하기는 곤란하므로, 소정의 배터리 전류(Im)에 대한 데이터를 제2 룩업 테이블(326)에 저장한 후 커브 피팅(curve fitting) 함수를 사용하여 배터리의 내부저항(R) 및/또는 제2 과전위(Vov)에 대한 데이터를 산출할 수 있다.
제3 쿨롱 카운터(327, CCM)는 제1 전하 변화량(ΔQ)을 적산하여 제2 예측 전하량(Qm)을 산출할 수 있다. 제3 쿨롱 카운터(327)는 제2 쿨롱 카운터(130)와는 달리 보상되지 않은 상태의 제1 전하 변화량(ΔQ)을 그대로 적산할 수 있다.
제3 쿨롱 카운터(327)의 출력인 제2 예측 전하량(Qm)에는, 종래 기술의 문제점으로 언급한 바와 같이, 누적된 오차가 포함될 수 있다. 그러나 제2 보상기(322)에서는, 후술할 바와 같이, 제2 예측 전하량(Qm)을 사용하여 충전상태를 추정하는 것이 아니라 전하량의 변화율(Qm_rate)을 추출하여 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산정하는데 활용하므로 제2 예측 전하량(Qm)에 포함된 누적 오차는 문제가 되지 않는다. 반면, 제2 쿨롱 카운터(130)의 출력인 제1 예측 전하량(Qe)은 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하므로 제1 보상기(321) 또는 제2 보상기(322)의 동작에 의해 급격한 변화가 있을 수 있음에 반해, 제2 예측 전하량(Qm)은 보상되지 않은 상태의 제1 전하 변화량(ΔQ)을 그대로 적산하여 급격한 변화 등이 적기 때문에, 전하량의 변화율(Qm_rate)을 추출하는 데에는 제2 예측 전하량(Qm)이 제1 예측 전하량(Qe)보다 더 적절할 수 있다.
제1 보상기(321)는, 전술한 바와 같이, 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 전압(Vm)에 기초하여 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 산출할 수 있다. 제1 보상기(321)는 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 때 동작할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 보상기(321)는 배터리 전압(Vm)과 예측 개방회로전압(OCVe)의 대소에 따라 제4 전하 변화량(ΔQ_track)의 값을 다르게 산출할 수 있다. 예시적으로, 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 큰 경우 수학식 6와 같이 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 '0'으로 설정하여 예측 개방회로전압(OCVe)이 변화하지 않도록 하고, 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 작은 경우 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 수학식 7과 같이 산출하여 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 전압(Vm)을 추종하도록 할 수 있다.
Figure PCTKR2021005739-appb-M000006
수학식 6에서 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 큰 경우에 제4 전하 변화량(ΔQ_track)을 '0'으로 설정하는 이유는, 제4 전하 변화량(ΔQ_track)에 양의 값을 부여하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 증가시킬 경우 배터리는 방전 상태를 유지하고 있는 상황에서 제1 예측 전하량(Qe) 및 그에 의해 산출되는 충전상태가 증가하는 문제가 생기는 것을 방지하기 위한 것이다.
또한, 수학식 6에서 제1 상수(C1)는 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하는 속도에 영향을 주는 상수로서, 제1 상수(C1)를 적절히 설정함으로써 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 점진적으로 따라가도록 할 수 있다. 실시예에 따라, 제1 상수(C1)는 배터리의 내부저항(R) 값에 기초하여 설정됨으로써 배터리의 시정수와 매칭되는 속도로 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 단자전압(Vm)을 추종하도록 할 수 있다.
제2 보상기(322)는, 전술한 바와 같이, 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다. 이를 위해, 제2 보상기(322)는 제1 룩업 테이블(325)을 이용하여 획득된 예측 개방회로전압(OCVe), 제2 룩업 테이블(326)을 이용하여 획득된 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov), 제3 쿨롱 카운터(327)를 이용하여 획득된 제2 예측 전하량(Qm), 및 배터리 전압(Vm)과 전류(Im)를 선택적으로 사용하여 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출할 수 있다. 제2 보상기(322)에 의해 산출된 전하 변화량 보상계수(comp_rate)는 제1 전하 변화량(ΔQ)에 곱해져서 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)의 산출에 활용될 수 있다.
실시예에 따라, 제2 보상기(322)는 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 1로 설정할 수 있다. 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우는 만충용량이 설계용량보다 증가한 상황으로서, 고온 등에서 발생할 수 있지만 일반적으로 그 차이가 크지 않아 무시할 수 있을 정도이다. 또한, 약간의 노후화가 진행되더라도 그로 인한 만충용량의 감소가 고온에 의한 만충용량의 증가를 상쇄시키므로 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우에 대한 보상은 생략될 수 있고, 이 방법에 의하면 보상 알고리즘을 간단하게 하고 보상기의 전력 소모를 줄일 수 있다.
실시예에 따라, 제2 보상기(322)는 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우, 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가하도록 할 수 있다. 여기서, 제1 과전위 비율(Vds_rate)은 제1 과전위 예측값(Vds_e)을 제1 과전위 기준값(Vds_ref)으로 나눈 값의 절대값에 비례할 수 있다(수학식 9 참조). 이 방법에 의하면, 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 커질수록(즉, 만충용량의 감소가 클수록) 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시켜 보상기(320)가 만충용량의 변화를 더 많이 반영함으로써 충전상태 추정의 정확성을 높이는 장점이 있다.
실시예에 따라, 제2 보상기(322)는 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우, 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가하도록 할 수 있다. 여기서, 전하 변화율(Qm_rate)은 제2 예측 전하량(Qm)의 변화율에 기초하여 결정될 수 있다. 이 방법에 의하면 최근의 전하량 변화가 클수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 증가시켜 만충용량의 변화를 더 많이 반영함으로써 충전상태 추정의 정확성을 높이는 장점이 있다.
실시예에 따라, 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제2 보상기(322)는 아래 수학식 7 내지 수학식 12의 과정을 통해 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출할 수 있지만, 수학식 7 내지 수학식 12는 일 예시일 뿐 본 실시예가 이로 한정되는 것은 아니다.
Figure PCTKR2021005739-appb-M000007
Figure PCTKR2021005739-appb-M000008
Figure PCTKR2021005739-appb-M000009
Figure PCTKR2021005739-appb-M000010
Figure PCTKR2021005739-appb-M000011
Figure PCTKR2021005739-appb-M000012
수학식 10 내지 수학식 12에 사용된 상수인 C2, C3, C4 등은 상황에 따라 적절히 설정될 수 있다. 수학식 10에서 Qm(n-T)는 이전 T번째의 제2 예측 전하량(Qm)으로서, 예시적으로 T=10으로 설정할 경우 이전 10번째의 제2 예측 전하량(Qm(n-10))과 현재의 제2 예측 전하량(Qm(n)) 사이의 변화 정도를 이용하여 전하 변화율(Qm_rate)을 산출할 수 있다. 수학식 11의 Q_max는 최대 전하량이며, SF(smoothing factor)는 전하 변화량 보상계수(comp_rate)의 부드러운 변화를 위해 사용되는 값으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 제2 보상기(322)는 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가하도록 할 수 있다. 또한, 제2 보상기(322)는 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가하도록 할 수 있다. 이를 통해 제2 보상기(322)는 만충용량의 변화를 효과적으로 반영하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정장치(400)를 예시한다.
도 4에 예시된 배터리 충전상태 추정장치(400)는 도 3에 예시된 배터리 충전상태 추정장치(300)에 비해 제3 쿨롱 카운터(327)를 사용하지 않는 점에서 차이가 있다. 배터리 충전상태 추정장치(400)에서는 제3 쿨롱 카운터(327)를 사용하지 않으므로 제2 예측 전하량(Qm)을 산출하지 않는다. 제2 보상기(322)는 제2 예측 전하량(Qm) 대신 제1 예측 전하량(Qe)를 활용하여 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출할 수 있다. 예를 들어, 수학식 11에서 전하량의 변화율(Qm_rate)을 산출할 때, 제2 예측 전하량(Qm) 대신 제1 예측 전하량(Qe)를 사용할 수 있다. 도 4에 예시된 배터리 충전상태 추정장치(400)에 의하면 제3 쿨롱 카운터(327)를 사용하지 않으므로 보상기(420)를 좀 더 간략하게 구현할 수 있고 전력 소모를 줄이는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다. 도 5에 예시된 배터리 충전상태 추정방법은 도 1 내지 도 4를 참조하여 예시한 배터리 충전상태 추정장치에 의해 수행될 수 있다.
도 5를 참조하면, 배터리 전류(Im)를 적산하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 단계(S510), 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계(S520), 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 단계(S530), 및 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 단계(S540)가 순차적으로 수행될 수 있다.
실시예에 따라, 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계(S520)에서, 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상함으로써 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다. 도 6에 예시된 배터리 충전상태 추정방법은 도 1 내지 도 4를 참조하여 예시한 배터리 충전상태 추정장치에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 배터리 전압(Vm)과 배터리 전류(Im) 정보가 획득될 수 있다(S611), 배터리 전류(Im) 검출을 위해 전류 검출 저항 또는 변류기(current transformer) 등 통상의 전류 검출 수단이 사용될 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다.
S612 단계로서, 제1 전하 변화량(ΔQ)이 산출될 수 있다. 제1 전하 변화량(ΔQ)의 산출은 전술한 제1 쿨롱 카운터(110)에 의해 수행될 수 있다.
S611 단계와 S612 단계는 도 5의 S510 단계에 대응될 수 있다.
다음으로, 배터리 전류(Im)의 크기를 제1 임계값(TH1)과 비교하고(S621), 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 큰 경우 S624 단계로 진행하고, 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 작은 경우 S622 단계로 진행할 수 있다.
배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 작은 경우, S622 단계에서 제4 전하 변화량(ΔQ_track)이 산출되고, S623 단계에서 제4 전하 변화량(ΔQ_track)를 이용하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)이 산출될 수 있다. S622 단계와 S623 단계는 제1 보상기에 의해 수행될 수 있고, 제4 전하 변화량(ΔQ_track)과 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)의 구체적인 산출 방법은 제1 보상기와 관련하여 전술한 내용이 적용될 수 있다.
배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 큰 경우, S624 단계에서 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 산출되고, S625 단계에서 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 이용하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)이 산출될 수 있다. S624 단계와 S625 단계는 제2 보상기에 의해 수행될 수 있고, 전하 변화량 보상계수(comp_rate)와 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)의 구체적인 산출 방법은 제2 보상기와 관련하여 전술한 내용이 적용될 수 있다.
S621 단계 내지 S625 단계는 도 5의 S520 단계에 대응될 수 있다.
다음으로, S630 단계로서, S623 단계 또는 S625 단계를 통해 보상된 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)이 산출될 수 있다. S630 단계는 전술한 제2 쿨롱 카운터에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, S640 단계로서 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다. 배터리의 충전상태로는 SOC(state of charge)가 사용될 수 있고, SOC는 제1 예측 전하량(Qe)을 설계용량(Qd)으로 나눈 값에 기초하여 산출될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 충전상태 추정방법을 예시한다. 도 7은 도 6의 S622 단계 내지 S625 단계를 좀 더 구체적으로 예시하고 있다.
먼저, 도 6의 S622 단계와 S623 단계는 도 7의 S722 단계 내지 S725 단계로 변경될 수 있다.
S722 단계에서, 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 작은지 여부가 판단될 수 있다. 배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 작다면 S723 단계로 진행하고, 아니라면 S724 단계로 진행할 수 있다.
배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 작은 경우, S723 단계에서 제4 전하 변화량(ΔQ_track)은 전술한 수학식 6의 방법을 사용하여 산출될 수 있다. 이 경우, 예측 개방회로전압(OCVe)이 배터리 전압(Vm)을 추종함에 의해 쿨롱 카운터에 의한 누적 오차가 감소되도록 할 수 있다.
배터리 전압(Vm)이 예측 개방회로전압(OCVe)보다 큰 경우, S724 단계에서 제4 전하 변화량(ΔQ_track)은 '0'으로 설정됨으로써, 예측 개방회로전압(OCVe)이 변화하지 않도록 할 수 있다.
다음으로, 도 6의 S624 단계와 S625 단계는 도 7의 S726 단계 내지 S729 단계로 변경될 수 있다.
S726 단계에서, 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰지 여부가 판단될 수 있다. 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 크다면 S727 단계로 진행하고, 아니라면 S728 단계로 진행할 수 있다.
제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우, S727 단계에서 전하 변화량 보상계수(comp_rate)는 전술한 수학식 7 내지 수학식 12의 방법 등을 사용하여 산출될 수 있다. 이 때, 실시예에 따라, 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 전하 변화량 보상계수(comp_rate)가 증가될 수 있다. 이를 통해 만충용량의 변화를 효과적으로 반영하여 충전상태 추정의 정확성을 높일 수 있다.
제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 크지 않은 경우, S728 단계에서 전하 변화량 보상계수(comp_rate)는 '1'으로 설정될 수 있다. 즉, 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 크지 않은 경우 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 제1 전하 변화량(ΔQ)과 동일할 수 있다.
실시예에 따라, 전술한 배터리 충전상태 추정장치는 소프트웨어로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체(메모리 등)에 저장된 상태에서 CPU 등의 연산장치에 의해 그 기능을 수행할 수 있다. 이 경우, 배터리 충전상태 추정장치 내부의 각 요소는 배터리 충전상태 추정장치를 구현하는 소프트웨어 내부에서 별개의 모듈로 구현되어 서로 구분이 될 수 있지만, 경우에 따라 서로 구분이 없이 각 기능이 소프트웨어 내부에 혼재된 상태로 구현될 수도 있다. 실시예에 따라, 배터리 충전상태 추정장치는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 등과 같이 하드웨어로 구현될 수도 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 소정의 주기마다 배터리 전류(Im)를 적산하여 각 주기에 대한 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 제1 쿨롱 카운터;
    상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 보상기;
    상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 제2 쿨롱 카운터; 및
    상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정기를 포함하는 배터리 충전상태 추정장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보상기는 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출할 때 상기 배터리의 개방회로전압(OCV)과 전하량(Q) 사이의 관계에 대한 데이터를 포함하는 제1 룩업 테이블을 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 보상기는 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값보다 작을 경우, 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 상수(C1)는 상기 배터리의 내부저항 값에 기초하여 미리 정해진 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 보상기는 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)은 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 기초하여 산출되고, 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)은 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보를 포함하는 제2 룩업 테이블을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 룩업 테이블에 포함된 상기 배터리의 내부저항(R)과 제2 과전위(Vov)에 대한 정보는 노화되지 않은 상태의 배터리에 대해 상온에서 간헐적인 정전류 펄스를 인가하는 실험을 통해 확보된 데이터인 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 보상기는 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 산출하고, 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)에 곱하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 작은 경우 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)를 1로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우 제1 과전위 비율(Vds_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)도 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 과전위 비율(Vds_rate)은 상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)을 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)으로 나눈 값에 비례하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 과전위 예측값(Vds_e)이 상기 제1 과전위 기준값(Vds_ref)보다 큰 경우 전하 변화율(Qm_rate)이 증가할수록 상기 전하 변화량 보상계수(comp_rate)도 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 보상기는 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 적산하여 제2 예측 전하량(Qm)을 산출하는 제3 쿨롱 카운터를 더 포함하고,
    상기 전하 변화율(Qm_rate)은 상기 제2 예측 전하량(Qm)의 변화율에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정장치.
  16. 배터리 충전상태 추정장치에 의해 수행되는 배터리 충전상태 추정방법으로서,
    배터리 전류(Im)를 적산하여 제1 전하 변화량(ΔQ)을 산출하는 단계;
    상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계;
    상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 적산하여 제1 예측 전하량(Qe)을 산출하는 단계; 및
    상기 제1 예측 전하량(Qe)에 기초하여 배터리의 충전상태를 추정하는 단계;를 포함하는 배터리 충전상태 추정방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 제1 예측 전하량(Qe)을 이용하여 예측 개방회로전압(OCVe)을 산출하고, 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 이용하여 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상함으로써 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제1 임계값(TH1)보다 작을 경우, 상기 예측 개방회로전압(OCVe)과 배터리 단자전압(Vm)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)은 상기 배터리 단자전압(Vm)에서 상기 예측 개방회로전압(OCVe)을 차감한 값에 제1 상수(C1)를 곱한 값에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정방법.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 단계에서, 상기 배터리 전류(Im)의 크기가 제2 임계값보다 클 경우, 제1 과전위 예측값(Vds_e)과 제1 과전위 기준값(Vds_ref)의 차이가 감소하도록 상기 제1 전하 변화량(ΔQ)을 보상하여 상기 제2 전하 변화량(ΔQ_comp)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태 추정방법.
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