KR102182691B1

KR102182691B1 - 배터리 저항 추정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102182691B1
Application number: KR1020170136782A
Authority: KR
Inventors: 이범진
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2020-11-24
Also published as: US11163009B2; US20200200829A1; EP3647804A4; JP6825183B2; KR20190044399A; CN110546523A; EP3647804A1; WO2019078478A1; JP2020517076A; EP3647804B1; CN110546523B

Abstract

본 발명에 따른 배터리 저항 추정 장치는 배터리의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하도록 구성된 센싱부 및 상기 센싱부와 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 배터리의 측정 저항을 산출하고, 상기 배터리의 구동 상태가 저항 보정 조건인지 여부를 판단하고, 상기 배터리의 구동 상태가 저항 보정 조건이면 충방전율에 따른 상기 배터리의 BOL 저항의 저항 증감율을 이용하여 상기 측정 저항을 보정하고, 상기 보정된 측정 저항을 상기 배터리의 저항으로 결정할 수 있다.

Description

배터리 저항 추정 장치 및 방법{Apparatus and method for estimating resistance of battery}

본 발명은 배터리 저항 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 충방전율에 따른 배터리의 BOL(Beginning Of Life) 저항의 저항 증감율을 이용하여 배터리의 저항을 추정하는 배터리 저항 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 반복적인 충전과 방전이 가능한 배터리가 화석 에너지의 대체 수단으로서 주목을 받고 있다.

배터리는 휴대폰, 비디오 카메라, 전동 공구와 같은 전통적인 핸드 헬드 디바이스에 주로 사용되었다. 하지만, 최근에는 전기로 구동되는 자동차(EV, HEV, PHEV), 대용량의 전력 저장 장치(ESS), 무정전 전원 공급 시스템(UPS) 등으로 그 응용 분야가 점차 증가하는 추세이다.

배터리는 양극 및 음극, 전극 사이에 개재된 분리막, 양극과 음극에 코팅된 활물질과 전기화학적으로 반응하는 전해질을 포함한다.

배터리는 충방전 회수가 증가할수록 용량이 감소한다. 용량의 감소는, 전극에 코팅된 활물질의 열화, 전해질의 부 반응, 분리막의 기공 감소 등에서 그 원인을 찾을 수 있다.

배터리의 용량이 감소하면 저항이 증가하여 열로 소실되는 전기 에너지가 증가한다. 따라서, 배터리의 용량이 임계치 이하로 감소하면 배터리의 성능이 현저하게 떨어지고 발열량이 증가하여 점검 또는 교체가 필요하다.

배터리 기술 분야에서, 배터리의 용량 감소 정도는 건강상태(State Of Health: SOH)라는 팩터에 의해 정량적으로 나타낼 수 있다.

SOH는, 여러 가지 방법으로 계산이 가능한데, 그 중 하나가 현재 시점을 기준으로 한 배터리의 저항이 BOL(Beginning Of Life) 상태에 있을 때의 저항 대비 증가된 정도를 정량화하는 것으로 계산이 가능하다.

예를 들어, 배터리의 저항이 BOL 상태일 때의 저항 대비 20% 증가하였다면, SOH는 80%라고 추정할 수 있다.

배터리의 저항은 충전 상태(State Of Charge: SOC)가 낮을 때 상대적으로 크고 온도가 높을 때 상대적으로 작아지는 경향이 있다.

배터리의 충전 상태가 낮아지면 작동 이온과 반응할 수 있는 활물질의 량이 감소하여 활물질 내에서 작동 이온의 확산 저항이 증가하고 배터리의 온도가 높아지면 작동 이온의 이동도(mobility)가 증가하기 때문이다.

참고로, 작동 이온은 배터리를 구성하는 화학 종(chemical)의 종류에 따라 달라지는데, 리튬 계열 전지의 경우 리튬 이온이 작동 이온에 해당한다.

배터리의 저항은 배터리의 충전 출력이나 방전 출력을 계산하는데 있어서 반드시 필요한 파라미터이다. 하지만 배터리가 충전 또는 방전되는 동안에는 활물질의 분극 때문에 배터리의 저항을 정확하게 측정하기 어렵다. 따라서, 종래에는 배터리의 전류, 전압, 온도를 이용하여 배터리의 저항을 간접적으로 추정하는 방법이 주로 사용되었다.

계산 알고리즘이 단순한 저항 추정 방법 중 하나로는 직류 추정 법(Direct Current Resistance Estimation)을 들 수 있다. 직류 추정 법은, 정전류(constant current)에 의해 배터리가 충전 또는 방전되는 조건에서 전압 변화량을 측정하고, 오옴의 법칙(R=△V/I)에 의해 저항을 계산하고, 계산된 저항을 온도에 따라 보정하는 방법이다.

하지만, 배터리가 충전 또는 방전되는 동안에는 활물질의 분극 때문에 정확하게 전압 변화량을 측정하기 어렵다. 따라서, 직류 추정 법에 의해 계산된 저항은 활물질의 분극 정도에 따라서 정확도가 떨어진다.

예를 들어, 충전 상태와 온도가 동일하여도 활물질의 분극 정도가 다르면 직류 추정 법은 배터리의 저항에 대해 다른 계산 결과를 내 놓는다.

한편, 직류 추정 법의 문제를 보완하기 위해 확장 칼만 필터 등의 적응적 알고리즘을 이용하여 배터리의 저항을 추정하는 방법도 널리 이용된다.

하지만, 적응적 알고리즘들은 계산 과정이 매우 복잡하여 안정성이 좋은 고성능 프로세서를 필요로 한다. 따라서 적응적 알고리즘의 적용은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)의 제조 원가를 증가시키는 문제가 있다.

본 발명은 배터리의 구동 상태가 저항 보정 조건이면 충방전율에 따른 배터리의 BOL 저항의 저항 증감율을 이용하여 측정 저항을 보정하고, 보정된 측정 저항을 배터리의 저항으로 결정함으로써, 충방전율에 따른 배터리 저항의 증감율을 배터리 저항을 산출하는데 이용하여 배터리 저항의 오차를 감소시킬 수 있는 배터리 저항 추정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하도록 구성된 센싱부; 상기 센싱부와 동작 가능하게 결합된 프로세서;를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 배터리의 측정 저항을 산출하고, 상기 배터리의 구동 상태가 저항 보정 조건인지 여부를 판단하고, 상기 배터리의 구동 상태가 저항 보정 조건이면 충방전율에 따른 상기 배터리의 BOL 저항의 저항 증감율을 이용하여 상기 측정 저항을 보정하고, 상기 보정된 측정 저항을 상기 배터리의 저항으로 결정할 수 있다.

바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리의 충전 상태가 미리 설정된 충전 상태 구간에 포함되는 조건 및 상기 배터리의 온도가 미리 설정된 온도 구간에 포함되는 조건 중 하나 이상을 만족하면 상기 배터리의 구동 상태가 상기 저항 보정 조건인 것으로 판단할 수 있다.

바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 배터리의 측정 충방전율을 산출하고, 미리 설정된 기준 충방전율에 따른 상기 BOL 저항 대비 상기 측정 충방전율에 따른 상기 BOL 저항의 증감율을 상기 저항 증감율로 산출할 수 있다.

바람직하게, 상기 프로세서는 하기의 수학식을 이용하여 상기 저항 증감율을 산출할 수 있다.

<수학식>

여기서, ΔR_0,BOL은 상기 저항 증감율이고, R_0,BOL1은 미리 설정된 기준 충방전율에 따른 상기 BOL 저항이고, R_0,BOL2은 미리 설정된 기준 충방전율에 따른 상기 BOL 저항이다.

바람직하게, 상기 프로세서는 상기 저항 증감율에 대응하여 상기 측정 저항을 증감시켜 상기 측정 저항을 보정할 수 있다.

바람직하게, 상기 프로세서는 하기의 수학식을 이용하여 상기 측정 저항을 보정할 수 있다.

<수학식>

여기서, R₀'은 상기 보정된 측정 저항이고, R₀는 상기 측정 저항이고, ΔR_0,BOL은 상기 저항 증감율이다.

바람직하게, 상기 프로세서는 미리 설정된 시간 동안의 상기 배터리의 전압 변화값과 상기 배터리의 전류를 이용하여 상기 측정 저항을 산출할 수 있다.

바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리의 전류를 적산하여 배터리의 충전 상태를 산출할 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 충전 상태 추정 장치를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 배터리의 구동 상태가 저항 보정 조건이면 충방전율에 따른 배터리의 BOL 저항의 저항 증감율을 이용하여 측정 저항을 보정하고, 보정된 측정 저항을 배터리의 저항으로 결정함으로써, 충방전율에 따른 배터리 저항의 증감율을 배터리 저항을 산출하는데 이용하여 배터리 저항의 오차를 감소시킬 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 저항 추정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 저항 추정 장치가 저항 증감율을 산출하는데 이용하는 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 저항 추정 장치가 충전 상태를 산출하는데 이용하는 "온도별 개방 전압 및 제1 충전 상태 룩업 테이블"의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4은 배터리의 충전 상태와 온도를 시간에 따라 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

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.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 저항 추정 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 저항 추정 장치가 저항 증감율을 산출하는데 이용하는 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"의 일 예를 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 배터리 저항 추정 장치가 충전 상태를 산출하는데 이용하는 "온도별 개방 전압 및 제1 충전 상태 룩업 테이블"의 일 예를 도시한 도면이고, 도 4는 배터리의 충전 상태와 온도를 시간에 따라 도시한 그래프이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 저항 추정 장치(100)는 배터리(B)를 포함하는 배터리 팩(1)에 포함되고, 배터리(B)와 연결되어 배터리(B)의 충전 상태를 추정할 수 있다.

이를 위하여, 상기 배터리 저항 추정 장치(100)는 센싱부(110), 메모리부(120) 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다.

상기 배터리(B)는 충전 상태가 추정되는 최소 단위의 전지로서, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 단위 셀들을 포함한다. 물론, 상기 배터리(B)가 하나의 단위 셀만을 포함하는 경우도 본 발명의 범주에 포함된다.

상기 단위 셀은 반복적인 충방전이 가능하다면 그 종류에 특별한 제한이 없는데, 일 예시로서 파우치 타입으로 이루어진 리튬 폴리머 배터리일 수 있다.

상기 배터리(B)는 외부 단자를 통해 다양한 외부 장치에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 외부 장치는, 일 예시로서 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 드론과 같은 무인 비행체, 전력 그리드에 포함된 대용량의 전력 저장 장치(ESS), 또는 모바일 디바이스일 수 있다. 이 경우, 상기 배터리(B)는 상기 외부 장치에 탑재된 모듈화된 전지 팩에 포함된 단위 셀들의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.

상기 배터리(B)의 외부 단자는 충전 장치와 선택적으로 결합될 수 있다. 상기 충전 장치는 배터리(B)가 탑재되는 외부 장치의 제어에 의해 배터리(B)에 선택적으로 결합될 수 있다.

상기 센싱부(110)는 프로세서(130)와 동작 가능하게 결합된다. 즉, 센싱부(110)는 프로세서(130)로 전기적 신호를 송신하거나 프로세서(130)로부터 전기적 신호를 수신 가능하도록 프로세서(130)에 접속될 수 있다.

상기 센싱부(110)는 미리 설정된 주기마다 배터리(B)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압과 배터리(B)로 흘러 들어가거나 흘러 나오는 전류를 반복 측정하고 측정된 전압과 전류를 나타내는 측정 신호를 프로세서(130)로 제공할 수 있다.

상기 센싱부(110)는 배터리(B)의 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서를 포함한다. 또한, 센싱부(110)는 배터리(B)의 전압을 측정하도록 구성된 전압 센서를 더 포함할 수 있다. 또한, 센싱부(110)는 배터리(B)의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 더 포함할 수 있다.

상기 프로세서(130)는 센싱부(110)로부터 측정 신호가 수신되면, 신호 처리를 통해 배터리(B)의 전압, 온도 및 전류 각각의 디지털 값을 결정하고 메모리부(120)에 저장할 수 있다.

상기 메모리부(120)는 반도체 메모리 소자로서, 상기 프로세서(130)에 의해 생성되는 데이터를 기록, 소거, 갱신하며, 배터리(B)의 저항 추정과 충전 상태 추정을 위해 마련된 복수의 프로그램 코드를 저장한다. 또한, 상기 메모리부(120)는 본 발명을 실시할 때 사용되는 미리 결정된 각종 파라미터들의 사전 설정 값들을 저장할 수 있다.

상기 메모리부(120)는 특정 실험 조건에서 충방전 실험을 통해 측정된 BOL 상태의 배터리(B)의 BOL 저항을 저장할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 메모리부(120)는 일정 충방전율의 충방전 전류가 흐르는 BOL 상태의 배터리(B)로부터 측정된 배터리(B)의 충전 상태와 배터리(B)의 BOL 저항을 상호 맵핑시켜 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"로 저장할 수 있다. 이때, 상기 메모리부(120)는 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"을 배터리(B)의 온도별로 저장할 수 있다.

예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 메모리부(120)는 배터리(B)의 온도가 "25도"이고, BOL 상태의 배터리(B)에 충방전율 "1C-rate"의 충방전 전류가 흐르는 실험 조건에서 수행되는 충방전 실험을 통해 측정되는 배터리(B)의 충전 상태와 BOL 저항을 상호 맵핑시켜 배터리(B)의 온도가 "25도"와 관련된 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"에 저장할 수 있다.

또한, 상기 메모리부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 후술되는 프로세서(130)가 배터리(B)의 충전 상태를 산출하는데 사용되는 "온도별 개방 전압-충전 상태 룩업 테이블"을 저장할 수 있다. 이러한, "온도별 개방 전압-충전 상태 룩업 테이블"은 배터리(B)의 온도 별로 배터리(B)의 충전 상태에 대응되는 배터리(B)의 전압이 상호 맵핑될 수 있다.

상기 메모리부(120)는 데이터를 기록, 소거, 갱신할 수 있다고 알려진 반도체 메모리 소자라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 메모리부(120)는 DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 상기 메모리부(120)는 상기 프로세서(130)의 제어 로직을 정의한 프로그램 코드들을 저장하고 있는 저장매체를 더 포함할 수 있다. 상기 저장매체는 플래쉬 메모리나 하드디스크와 같은 불활성 기억 소자를 포함한다. 상기 메모리부(120)는 프로세서(130)와 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 상기 프로세서(130)와 일체로 통합되어 있을 수도 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 프로세서(130)는 상기 센싱부(110)와 동작 가능하게 결합될 수 있다. 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 전압 및 전류를 이용하여 배터리(B)의 측정 저항을 산출하고, 배터리(B)의 구동 상태가 저항 보정 조건인지 여부를 결정하고, 배터리(B)의 구동 상태가 저항 보정 조건이면 충방전율에 따른 배터리(B)의 BOL 저항의 저항 증감율을 이용하여 측정 저항을 보정하고, 보정된 측정 저항을 배터리(B)의 저항으로 추정할 수 있다.

상기 프로세서(130)는, 추정된 충전 상태를 나타내는 메시지를 통신 단자(COM)를 통해 외부 장치로 전송할 수 있다.

상기 프로세서(130)는, 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 프로세서(130)에 의해 실행될 수 있는 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서(130)에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

상기 프로세서(130)는 실시간으로 배터리(B)의 전류와 전압을 이용하여 측정 저항을 산출할 수 있다. 여기서, 측정 저항은 배터리(B)의 회로 구성 등과 같은 물리적 특성으로 인해 발생하는 저항일 수 있다.

상기 프로세서(130)는 현재 구동 중인 배터리(B)로부터 미리 설정된 시간 동안 측정된 배터리(B)의 전압과 전류를 상기 메모리부(120)로부터 독출하고, 오옴(Ohm's Law)의 법칙에 의해 미리 설정된 시간 동안의 배터리(B)의 전압 변화값과 배터리(B)의 전류로 나누어 배터리(B)의 측정 저항을 산출할 수 있다.

본 발명에서, 상기 프로세서(130)는 오옴의 법칙을 통해 측정된 배터리(B)의 전압과 전류를 이용하여 측정 저항을 산출하는 것으로 설명하였으나, 배터리(B)의 측정 저항을 산출하는 한 측정 저항을 산출하는 방법은 한정도지 않는다.

한편, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태가 저항 보정 조건인지 여부를 판단하고, 판단 결과에 대응하여 산출된 측정 저항을 보정할지 여부를 결정할 수 있다.

여기서, 배터리(B)의 구동 상태는 현재 배터리(B)의 충전 상태, 배터리(B)의 온도, 배터리(B)의 전압, 배터리(B)의 전류 중 하나 이상일 수 있다.

또한, 저항 보정 조건은 배터리(B)의 특성에 따라 측정 저항의 보정이 필요한지 여부를 판단하기 위한 조건일 수 있다.

이에 따라, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 충전 상태가 미리 설정된 충전 상태 구간에 포함되는 조건 및 배터리(B)의 온도가 미리 설정된 온도 구간에 포함되는 조건 중 하나 이상을 만족하면 배터리(B)의 구동 상태가 저항 보정 조건인 것으로 판단할 수 있다.

한편, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 충전 상태가 미리 설정된 충전 상태 구간에 포함되는 조건 및 배터리(B)의 온도가 미리 설정된 온도 구간에 포함되는 조건 모두를 만족하면 배터리(B)의 구동 상태가 저항 보정 조건인 것으로 판단할 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 충전 상태 구간이 30% 내지 90%이고, 미리 설정된 온도가 0℃ 내지 45℃인 경우, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 충전 상태가 미리 설정된 충전 상태 구간에 포함되는 조건 및 배터리(B)의 온도가 미리 설정된 온도 구간에 포함되는 조건을 모두 만족하는 A 시점 3hr 내지 12hr 및 30hr 내지 39hr에 측정 저항을 보정하는 것으로 결정할 수 있다.

이를 통해, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태가 배터리 저항(B)의 변화가 많은 상태인 경우에만 측정 저항을 보정하는 것으로 결정함으로써, 불필요한 측정 저항의 보정을 방지할 수 있다.

더불어, 상기 프로세서(130)가 측정 저항을 보정하는 경우의 배터리(B)의 구동 상태를 더욱 한정하기 위하여, 미리 설정된 충전 상태 구간과 미리 설정된 온도 구간은 좁혀서 설정될 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 온도가 0℃ 내지 45℃로 동일하고, 미리 설정된 충전 상태 구간이 55% 내지 50%로 좁혀진 경우, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 충전 상태가 미리 설정된 충전 상태 구간에 포함되는 조건 및 배터리(B)의 온도가 미리 설정된 온도 구간에 포함되는 조건을 모두 만족하는 C 시점 5hr 내지 6hr 및 36hr 내지 37hr에서만 측정 저항을 보정하는 것으로 결정할 수 있다.

한편, 다른 실시예에 따른 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태가 충전에서 방전으로 변경되는 조건 또는 방전에서 충전으로 변경되는 조건을 만족하면 배터리(B)의 구동 상태가 저항 보정 조건인 것으로 판단할 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태가 방전에서 충전으로 변경되는 B 시점 21hr에서 측정 저항을 보정하는 것으로 결정할 수 있다.

이를 통해, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태가 충전에서 방전으로 변경되거나 방전에서 충전으로 변경되는 경우, 발생할 수 있는 측정 저항의 오차를 보정할 수 있다.

반대로, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태가 저항 보정 조건이 아닌 것으로 판단하는 경우, 산출된 측정 저항을 배터리(B)의 저항으로 결정하고, 결정된 배터리(B)의 저항을 메모리부(120)에 저장할 수 있다.

이를 통해, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태에 따른 배터리(B)의 특성에 따라 측정 저항의 보정이 필요하지 않은 경우, 측정된 측정 저항을 배터리(B)의 저항으로 활용할 수 있다.

한편, 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태가 저항 보정 조건인지 여부를 판단하는데 이용되는 배터리(B)의 충전 상태를 산출할 수 있다.

바람직하게, 상기 프로세서(130)는 상기 메모리부(120)에 실시간으로 측정되는 배터리(B)의 전류를 이용하여 주기적으로 전류 적산법에 의해 배터리(B)의 충전 상태를 산출할 수 있다.

구체적으로, 상기 프로세서(130)는, 배터리(B)의 충전 또는 방전이 개시될 때 센싱부(110)를 제어하여 배터리(B)의 개방 전압(Open Circuit Voltage: OCV)을 측정하고, 상기 메모리부(110)에 미리 저장되어 있는 "온도별 개방 전압-충전 상태 룩업 테이블"(도 3)을 참조하여 측정된 개방 전압에 대응되는 초기 충전 상태(SOC0)를 산출하고, 충전 또는 방전이 진행되는 동안에는 충전 전류와 방전 전류의 적산 값을 초기 충전 상태(SOC0)에 합산하여 현재의 충전 상태를 산출하고, 산출된 충전 상태를 메모리부(120)에 저장할 수 있다.

물론, 배터리(B)의 충전 상태는 전류 적산법 이외의 다른 방법으로도 산출될 수 있다. 일 예로, 상기 프로세서(130)는 주기적으로 배터리(B)의 전압, 전류 및 온도를 적응적 필터, 예컨대 확장 칼만 필터에 입력하여 배터리(B)의 충전 상태를 적응적으로 산출할 수 있다. 다른 예로, 상기 프로세서(130)는 상태 귀환 필터 및 관측 귀환 필더를 이용하여 배터리(B)의 충전 상태를 산출할 수 있다.

한편, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태가 저항 보정 조건을 만족하면 측정 저항을 충방전율에 따른 배터리(B)의 BOL 저항의 저항 증감율을 이용하여 측정 저항을 보정할 수 있다.

우선, 상기 프로세서(130)는 현 시점에 산출된 측정 저항을 보정하는 것으로 결정하면, 측정 저항을 산출한 시점에서 배터리(B)의 측정 충방전율을 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 프로세서(130)는 측정 저항을 산출한 시점에 상기 배터리(B)로부터 측정된 전압과 전류를 이용하여 배터리(B)의 측정 충방전율을 산출할 수 있다.

이후, 상기 프로세서(130)는 도 2에 도시된 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"로부터 측정 저항을 산출한 시점에 산출된 상기 배터리(B)의 온도 및 충전 상태가 매칭되고 측정 충방전율에 따른 BOL 저항을 독출할 수 있다.

예를 들어, 측정 저항을 산출한 시점에 산출된 상기 배터리(B)의 온도 및 충전 상태가 각각 "25℃", "90%"이고, 산출된 측정 충방전율이 "5C-rate"인 경우, 상기 프로세서(130)는 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"로부터 측정 충방전율에 따른 BOL 저항 "9.73Ω"을 독출할 수 있다.

또한, 상기 프로세서(130)는 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"로부터 측정 저항을 산출한 시점에 산출된 상기 배터리(B)의 온도 및 충전 상태가 매칭되고 미리 설정된 기준 충방전율에 따른 BOL 저항을 독출할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 기준 충방전율은 1C-rate일 수 있으나 이에 한정되지 않을 수 있다.

예를 들어, 측정 저항을 산출한 시점에 산출된 상기 배터리(B)의 온도 및 충전 상태가 각각 "25℃", "90%"이고, 미리 설정된 기준 충방전율이 "1C-rate"인 경우, 상기 프로세서(130)는 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"로부터 미리 설정된 기준 충방전율에 따른 BOL 저항 "10Ω"을 독출할 수 있다.

상기 프로세서(130)는 "온도별 충전 상태 및 충방전율에 따른 BOL 저항 룩업 테이블"로부터 독출된 측정 충방전율에 따른 BOL 저항과 미리 설정된 기준 충방전율에 따른 BOL 저항을 이용하여 저항 증감율을 산출할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 프로세서(130)는 미리 설정된 기준 충방전율에 따른 상기 BOL 저항 대비 상기 측정 충방전율에 따른 상기 BOL 저항의 증감율을 저항 증감율로 산출할 수 있다.

상술된 예를 이어 설명하면, 상기 프로세서(130)는 미리 설정된 기준 충방전율에 따른 BOL 저항 "10Ω" 대비 측정 충방전율에 따른 BOL 저항 "9.73Ω"의 증감율 "-2.7%"를 저항 증감율로 산출할 수 있다.

이때, 상기 프로세서(130)는 하기의 수학식 1을 이용하여 저항 증감율을 산출할 수 있다.

<수학식 1>

여기서, ΔR_0,BOL은 상기 저항 증감율이고, R_0,BOL1은 미리 설정된 기준 충방전율에 따른 상기 BOL 저항이고, R_0,BOL2은 측정 충방전율에 따른 상기 BOL 저항이다.

이후, 상기 프로세서(130)는 산출된 저항 증감율에 대응하여 측정 저항을 증감시켜 측정 저항을 보정할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 프로세서(130)는 저항 증감율 만큼 산출된 측정 저항을 증가시키거나 감소시켜 충방전율에 따른 BOL 저항의 저항 증감율을 측정 저항에 적용시킬 수 있다.

상술된 예를 이어 설명하면, 상기 프로세서(130)는 측정 저항이 "14Ω"으로 산출된 경우, 산출된 저항 증감율 "-2.7%"만큼 측정 저항 "14Ω"을 감소시켜 "13.62Ω"으로 보정할 수 있다.

이때, 상기 프로세서(130)는 하기의 수학식 2를 이용하여 측정 저항을 보정할 수 있다.

<수학식 2>

이후, 상기 프로세서(130)는 보정된 측정 저항을 배터리(B)의 저항으로 결정하고, 결정된 배터리(B)의 저항을 메모리부(120)에 저장할 수 있다.

이를 통해, 상기 프로세서(130)는 배터리(B)의 구동 상태에 따른 배터리(B)의 특성에 따라 측정 저항의 보정이 필요한 경우, 측정된 측정 저항을 저항 증감율만큼 증감시켜 배터리(B)의 저항으로 활용할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

1: 배터리 팩
B: 배터리
100: 배터리 저항 추정 장치
110: 센싱부
120: 메모리부
130: 프로세서

Claims

배터리의 전압, 전류 및 온도를 각각 측정하도록 구성된 센싱부; 및
상기 센싱부와 동작 가능하게 결합된 프로세서;를 포함하고,
상기 프로세서는
상기 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 배터리의 측정 저항을 산출하고, 상기 배터리의 구동 상태가 저항 보정 조건인지 여부를 판단하고, 상기 배터리의 구동 상태가 저항 보정 조건이면 상기 측정 저항을 산출한 시점에서의 상기 배터리의 측정 충방전율을 산출하며, BOL 상태인 상기 배터리에 대해 온도별로 충전 상태 및 충방전율 간의 대응 관계를 나타내도록 미리 설정된 BOL 저항 룩업 테이블에 기반하여, 상기 산출된 측정 충방전율에 대응되는 상기 배터리의 BOL 저항과 미리 설정된 기준 충방전율에 대응되는 상기 배터리의 BOL 저항 간의 저항 증감율을 산출하고, 산출된 저항 증감율에 기반하여 상기 산출된 측정 저항을 보정하며, 상기 보정된 측정 저항을 상기 배터리의 저항으로 결정하는 배터리 저항 추정 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 배터리의 충전 상태가 미리 설정된 충전 상태 구간에 포함되는 조건 및 상기 배터리의 온도가 미리 설정된 온도 구간에 포함되는 조건 중 하나 이상을 만족하면 상기 배터리의 구동 상태가 상기 저항 보정 조건인 것으로 판단하는 배터리 저항 추정 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 측정 저항을 산출한 시점에서의 상기 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 배터리의 상기 측정 충방전율을 산출하는 배터리 저항 추정 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는
하기의 수학식을 이용하여 상기 저항 증감율을 산출하는 배터리 저항 추정 장치.
<수학식>

여기서, ΔR_0,BOL은 상기 저항 증감율이고, R_0,BOL1은 상기 미리 설정된 기준 충방전율에 대응되는 상기 BOL 상태인 상기 배터리의 BOL 저항이고, R_0,BOL2은 상기 측정 충방전율에 대응되는 상기 BOL 상태인 상기 배터리의 BOL 저항이다.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 저항 증감율에 대응하여 상기 측정 저항을 증감시켜 상기 측정 저항을 보정하는 배터리 저항 추정 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는
하기의 수학식을 이용하여 상기 측정 저항을 보정하는 배터리 저항 추정 장치.
<수학식>

여기서, R₀'은 상기 보정된 측정 저항이고, R₀는 상기 측정 저항이고, ΔR_0,BOL은 상기 저항 증감율이다.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는
미리 설정된 시간 동안의 상기 배터리의 전압 변화값과 상기 배터리의 전류를 이용하여 상기 측정 저항을 산출하는 배터리 저항 추정 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 배터리의 전류를 적산하여 배터리의 충전 상태를 산출하는 배터리 저항 추정 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 저항 추정 장치;를
포함하는 배터리 팩.