KR20230055179A - Soc 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충방전 가능한 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 측정부; 상기 전압 및 전류의 평균을 산출하는 평균 산출부; 및 상기 평균 산출부로부터 산출된 평균 전압 및 평균 전류를 이용하여 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 포함하는 SOC 추정 장치 및 이를 이용한 SOC 추정 방법을 제시한다.

Description

SOC 추정 장치 및 방법{Apparatus and method for estimating SOC}
본 발명은 배터리의 SOC 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 교류 전류 및 전압을 이용하는 배터리 장치에 적용 가능한 SOC 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축배터리, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리를 동력으로 이용하는 전기전자 기기 등은 배터리의 동작을 제어하기 위해 배터리 관리 시스템(battery management system; BMS) 등이 구비되어야 한다. BMS는 배터리의 온도, 전압 및 전류 등의 상태를 모니터링하고, 모니터링된 배터리의 상태를 기초로 배터리의 밸런싱, 충전 상태(SOC: state of charge) 추정을 통한 충전 또는 방전 등을 제어할 수 있다. 여기서, SOC는 배터리가 완전히 충전된 때에 배터리에 저장된 전기 에너지를 나타내는 최대 용량(maximum capacity)에 대한 현재의 용량의 상대적 비율을 나타내는 파라미터로서, 0∼1(또는 0%∼100%)로 표현될 수 있다. 예컨대, 배터리의 최대 용량이 1000Ah(ampere-hour)이고, 배터리에 현재 저장된 용량이 750Ah인 경우, 배터리의 충전 상태는 0.75(또는 75%)이다.
도 1은 일반적으로 SOC 알고리즘이 SOC를 추정하는 과정으로 전압 추정 방식의 그래프이다. 도면 부호 A와 B가 전압을 추정하는 수치로 이를 보상하여 도면 부호 C의 실제 측정값과 비교하여 SOC를 추정한다. 도 2는 교류가 입력되었을 때의 전압 파형으로 도시한 그래프이다. T2에서 일반적인 상황과 동일하게 정상적으로 전압을 추정하였으나 T3에서 교류 전류에 의하여 전압이 파동 형식으로 변동되고 이에 알고리즘이 추정하는 값과 실제 측정값이 다르게 된다. 이에 잘못된 추정이 발생하고 T4에서 실측 전압을 고려한 추정 방식이 실제 측정 전압과 달라지게 된다.
SOC 알고리즘에서는 SOC 추정 시 전압의 추정 뿐만 아니라 전류 계측값을 동시에 사용하는데, 교류 전류가 입력되면 전압이 교류 전류에 의하여 파동 형식의 모양을 가지게 된다. 이때, 문제가 없으려면 입력되는 전류도 동시에 파동 형식으로 인지하고 전압과 전류의 움직임이 동기(synchronous)되면 된다. 그러나, BMIS의 특성 상 전류는 일정 기간의 평균값을 사용하고 전압은 순간 측정값을 사용하게 되어 교류 전류의 입력 시 전압은 파동 모양을 띄게 입력되고 전류는 비교적 변화가 크지 않은 선 모양으로 입력된다. 이때, 전압과 전류는 비동기(asynchronous)가 발생하고 SOC 알고리즘에서 잘못된 추정값을 내놓게 된다.
즉, 종래의 SOC 알고리즘은 직류 전류 및 전압에 대응하여 설계되어 있으며, 특히 확장 칼만 필터 SOC 추정 방식은 교류 전류 및 전압에 적합하지 않다.
한국등록특허 제10-2066702호
본 발명은 교류 전류 및 전압을 이용하는 배터리 장치에 적용 가능한 SOC 추정 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 교류 전압의 평균값을 산출하여 SOC를 추정하는 SOC 추정 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 SOC 추정 장치는 충방전 가능한 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 측정부; 상기 전압 및 전류의 평균을 산출하는 평균 산출부; 및 상기 평균 산출부로부터 산출된 평균 전압 및 평균 전류를 이용하여 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 포함한다.
상기 측정부는 교류 전압 및 교류 전류를 측정한다.
상기 평균 산출부는 상기 교류 전압 및 교류 전류로부터 평균 전압 및 평균 전류를 산출한다.
상기 평균 산출부는 상기 평균 전압을 산출하는 평균 전압 산출부와, 상기 평균 전류를 산출하는 평균 전류 산출부를 포함한다.
상기 평균 전압 산출부는 순차적으로 입력되는 교류 전압의 순간 측정 전압값들의 평균으로부터 평균 전압을 산출한다.
상기 평균 전류 산출부는 소정 시간 동안 입력되는 전류를 적산하여 평균을 산출한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 SOC 추정 방법은 충방전 가능한 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 과정; 상기 전압 및 전류의 평균을 산출하는 과정; 및 상기 산출된 평균 전압 및 평균 전류를 이용하여 SOC를 추정하는 과정을 포함한다.
상기 배터리의 교류 전압 및 교류 전류를 측정한다.
상기 교류 전압 및 교류 전류로부터 평균 전압 및 평균 전류를 산출한다.
상기 평균 전압은 순차적으로 입력되는 교류 전압의 순간 측정 전압값들의 평균으로부터 산출한다.
상기 평균 전류는 소정 시간 동안 입력되는 전류를 적산하여 평균을 산출한다.
본 발명의 일 실시 예는 SOC 추정 장치가 평균 산출부를 구비하여 배터리의 상태 데이터의 평균을 산출하고, SOC 추정부가 산출 데이터의 평균값을 이용하여 SOC를 추정할 수 있다. 즉, 평균 산출부가 배터리의 교류 전압 및 교류 전류의 평균을 산출하여 평균 전압 및 평균 전류를 생성하고, 평균 전압 및 평균 전류를 이용하여 SOC 추정부가 SOC를 추정할 수 있다. 따라서, 본 발명은 교류 전압의 평균을 산출하여 SOC를 추정하므로 전압값이 변동되지 않아 SOC 추정의 에러를 방지할 수 있다. 즉, 종래의 배터리로부터 측정된 전류 및 전압이 교류인 경우 평균 전류 및 순간 전압을 출력하는데, 교류 전압이 출력되므로 전압값이 변동하게 되어 SOC 추정 시 에러가 발생된다. 그러나, 본 발명은 교류 전압의 평균을 산출하여 SOC를 추정하므로 전압값이 변동되지 않아 SOC 추정의 에러를 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 전압 추정 방식의 SOC 추정 그래프이다.
도 2는 교류가 입력되었을 때의 전압 파형으로 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 추정 장치를 포함하는 배터리 장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 장치의 블럭도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 추정 장치의 일부 구성의 동작을 설명하기 위한 개략도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 추정 장치를 포함하는 배터리 장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 장치의 블럭도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 추정 장치의 일부 구성의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 장치는 충방전 가능한 복수의 배터리 셀을 포함하여 전기전자 장치에 에너지를 제공하는 배터리(100)와, 배터리(100)의 상태를 측정하고 그에 따라 배터리(100)의 용량, 수명 등을 추정하여 배터리(100)을 관리하는 BMS(200)를 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명은 배터리(100)가 교류 전류 및 전압을 출력하고, BMS(200)는 교류 전류 및 전압의 평균값을 산출하여 SOC를 추정한다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 장치를 각 구성별로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
배터리(100)는 충전 및 방전 가능하여 전기전자 장치의 구동에 필요한 에너지를 제공할 수 있다. 즉, 배터리(100)는 충전되어 소정 용량의 전기 에너지를 저장하고 방전되어 전기 스쿠터의 동작을 위한 전기 에너지를 제공할 수 있다. 이러한 배터리(100)는 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있으며, 배터리 모듈은 충방전 가능한 복수의 배터리 셀 포함할 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀을 포함하고, 복수의 배터리 셀을 소정 단위로 묶어 배터리 모듈을 이룰 수도 있으며, 복수의 배터리 모듈이 하나의 배터리(100)을 이룰 수 있다. 한편, 복수의 배터리 셀은 전기 스쿠터의 스펙(specification)에 부합되도록 다양한 방법으로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 물론, 복수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩 또한 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 여기서, 배터리 셀의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등으로 구성할 수 있다.
BMS(200)는 배터리(100)의 상태를 측정하고 그에 따라 배터리(100)의 용량, 수명 등을 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(100)을 관리한다. 즉, BMS(200)는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도 등의 상태를 측정하고, 상태 정보를 이용하여 배터리(100)의 용량, 수명 등의 기능을 추정할 수 있다. 또한, BMS(200)는 이러한 상태 정보를 이용하여 추정된 기능 상태에 따라 배터리(100)의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리(100)의 용량이 부족할 경우 배터리(100)의 충전이 필요함을 사용자에게 전달하여 배터리(100)가 충전되도록 할 수도 있고, 배터리(100)의 용량이 설정된 용량 이상으로 충분할 경우 전기전자 장치를 구동하기 위한 전기 에너지를 제공하도록 할 수 있다. 이러한 BMS(200)는 배터리(100)의 전압, 전류, 온도 등의 상태를 측정하는 측정부(210)와, 측정부(210)로부터 측정된 전류 및 전압의 평균을 산출하는 평균 산출부(220)와, 평균 산출부(220)를 통해 산출된 평균 전압 및 전류를 이용하여 SOC를 추정하는 SOC 추정부(230)와, SOC 추정부(230)의 추정 결과에 따라 배터리(100)를 제어하는 제어부(240)와, 배터리(100)의 정보를 저장하는 저장부(250)를 포함할 수 있다. 여기서, 측정부(210)는 배터리(100)로부터 교류 전압 및 전류를 측정할 수 있고, 평균 산출부(210)는 교류 전류 및 전압의 평균을 산출하여 평균 전류 및 평균 전압을 생성함으로써 교류 입력에 대한 보정 필터로서 기능한다. 이러한 BMS(200)를 각 구성별로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
측정부(210)는 배터리(100)의 상태를 측정하기 위해 마련될 수 있다. 측정부(210)는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도 등의 상태를 측정한다. 이를 위해 측정부(210)는 전압을 측정하는 전압 센서(211), 전류를 측정하는 전류 센서(212), 온도를 측정하는 온도 센서(213)를 포함할 수 있다. 이때, 측정부(210)는 배터리 모듈 및 배터리 셀의 전류 및 전압 등의 상태를 측정할 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 측정할 수도 있고, 복수의 배터리 셀이 묶인 배터리 모듈의 상태를 측정할 수도 있다. 이를 위해 측정부(210)는 복수의 센서를 포함할 수 있다. 즉, 적어도 하나의 전압 센서(211), 적어도 하나의 전류 센서(212) 및 적어도 하나의 온도 센서(213)를 포함할 수 있다. 전압 센서(211), 전류 센서(212) 및 온도 센서(213)는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도를 주기적으로 측정하고 측정 결과를 평균 산출부(220) 또는 추정부(230)로 제공한다. 측정 결과는 아날로그 신호 또는 디지털 신호로서 평균 산출부(220) 또는 추정부(220)에 제공될 수 있다. 전압 센서(211)는 배터리(100)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압을 측정하여 평균 산출부(220)로 제공한다. 전압 센서(211)는 일 예시로서 배터리(100)의 양극 및 음극 단자 사이의 전압 차이에 상응하는 전압 신호를 출력하는 차동 증폭 회로를 포함할 수 있다. 여기서, 전압 센서(211)는 교류 전압을 측정할 수 있다. 즉, 전압 센서(211)는 배터리(100)의 교류 전압을 측정하여 평균 산출부(220)로 제공할 수 있다. 또한, 전류 센서(212)는 센스 저항 또는 홀 센서로서 충전 전류의 크기에 상응하는 신호를 생성하여 평균 산출부(220)로 제공한다. 전류 센서(212)는 충전 전류 뿐만 아니라 방전 전류의 크기도 측정할 수 있다. 여기서, 전류 센서(212)는 교류 전류를 측정할 수 있다. 즉, 전류 센서(212)는 배터리(100)의 교류 전류를 측정하여 평균 산출부(220)로 제공할 수 있다. 그리고, 온도 센서(213)는 온도 측정에 사용되는 일 예로 써머 커플러일 수 있다. 온도 센서(213)는 배터리(100)의 온도에 상응하는 신호를 생성하여 SOC 추정부(230)로 제공한다.
평균 산출부(220)는 측정부(210)로부터 측정된 교류 전압 및 전류의 평균값을 산출한다. 즉, 평균 산출부(220)는 교류 전압의 평균값을 산출하는 평균 전압 산출부(221)와, 교류 전류의 평균값을 산출하는 평균 전류 산출부(222)를 포함할 수 있다. 평균 전압 산출부(221)는 측정부(210)의 전압 센서(211)로부터 측정된 교류 전압의 평균을 산출한다. 이를 위해 평균 전압 산출부(221)는 예를 들어 순차적으로 입력되는 교류 전압의 순간 측정 전압값들의 평균을 산출할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 BMIC/BMS의 데이터 업데이트 주기인 250ms의 간격으로 순간 측정된 전압이 측정부(210)로부터 입력되는데(in1∼in4), 순차적으로 입력되는 순간 측정 전압값들에 대하여 직전 주기 전압과의 평균을 산출하여 평균 전압을 출력할 수 있다. 즉, 제 1 입력 전압(in1)은 그대로 출력되고(out1), 제 2 입력 전압(in2)는 제 1 입력 전압(in1)과의 평균값을 산출하여 출력되며(out2), 제 3 입력 전압(in3)는 제 2 입력 전압(in2)과의 평균값을 산출하여 출력되고(out3), 제 4 입력 전압(in4)는 제 3 입력 전압(in3)과의 평균값을 산출하여 출력된다(out4). 물론, 평균 전압 산출부(221)는 이외의 다양한 방식으로 입력 전압의 평균값을 산출할 수 있는데, 예를 들어 소정 시간 동안 입력되는 전압을 적산하여 평균값을 산출할 수 있다. 평균 전류 산출부(222)는 측정부(210)의 전류 센서(212)로부터 측정된 교류 전류의 평균을 산출하여 출력한다. 이를 위해 평균 전류 산출부(222)는 소정 시간 동안 입력되는 전류를 적산하여 평균값을 출력한다. 예를 들어, 평균 전류 산출부(222)는 250ms 동안 입력되는 전류를 적산하여 평균값을 출력하게 된다. 물론, 평균 전류 산출부(222)는 다양한 방식으로 입력 전류의 평균값을 산출할 수 있는데, 예를 들어 순차적으로 입력되는 두개의 교류 전류의 평균을 산출하여 출력할 수 있다. 즉, 제 1 입력 전류는 그대로 출력되고, 제 2 입력 전류는 제 1 입력 전류와의 평균값을 산출하여 출력되는 등 순차적으로 입력되는 두개의 교류 전류의 평균을 산출할 수 있다.
SOC 추정부(230)는 배터리(100)의 SOC를 추정한다. SOC를 추정하기 위해 다양한 방식이 있을 수 있다. 첫번째 방법으로, SOH 추정부(미도시)로부터 추정된 배터리(100)의 용량과 측정부(210)로부터 측정되어 평균 산출부(220)로부터 평균값이 산출된 배터리(100)의 전류를 이용하여 배터리(100)의 SOC를 추정할 수 있다. 즉, SOC 추정부(230)는 평균 산출부(220)로부터 산출된 평균 전류값을 소정 시간 동안의 적산하고, 이를 SOH 추정부로부터 추정된 배터리 용량(Capacity)으로 나눠 배터리(100)의 SOC를 추정할 수 있다. 두번째 방법으로, SOC 추정부(230)는 배터리(100)의 OCV(Open Circuit Voltage)를 이용하여 SOC를 추정할 수 있다. 즉, 측정부(210)에서 측정된 OCV를 저장부(250)에 저장된 초기 OCV 테이블을 참고하여 그에 매칭된 SOC를 추출함으로써 SOC를 추정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(210)로부터 측정된 OCV가 3560mV라면 OCV 테이블을 참고하여 SOC가 40%임을 추정할 수 있다. 세번째 방법으로, SOC 추정부(230)는 배터리(100)의 임피던스를 측정하여 SOC를 추정할 수 있다. 네번째 방법으로, SOC 추정부(230)는 배터리(100)의 충전 및 방전 후의 측정 데이터를 이용하여 각각 배터리의 SOC를 추정한다. 예를 들어, SOC 추정부(230)는 배터리 방전이 발생하는 경우, 방전 후에 제 1 SOC를 산출하고, 방전 후 충전이 이어지는 경우, 충전 후에 제 2 SOC를 산출한다. 또한, 충전 후 재방전이 이어지는 경우, 재방전 후에 제 3 SOC를 산출한다. 그리고, 이러한 동작들을 반복하여 수행한다. 이 경우, SOC 추정부(230)는 칼만 필터(Kalman Filter) 또는 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 기반으로 전압, 전류 및 온도 측정값 정보를 이용하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 즉, SOC 추정부(230)는 배터리의 OCV, 내부 저항, 및 저항-커패시터 병렬 회로가 직렬 연결된 등가 회로로 모델링하고, 이러한 등가 회로 모델의 인자들을 변수로 하는 선형 또는 비선형 함수와 전류 적산 방법을 이용하여 SOC를 추정하고, 측정부(210)에 의해 실시간으로 생성되는 센싱 데이터와 평균 산출부(220)로부터 산출된 평균 전압 및 전류를 이용하여 추정된 SOC를 보정함으로써, 배터리에 대한 SOC를 추정할 수 있다.
제어부(240)는 SOC 추정부(230)에 따른 배터리(100)의 상태 추정 결과에 따라 배터리(100)의 관리 및 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제어부(240)는 SOC 추정부(230)의 추정 결과에 따라 배터리(100)의 충전이 필요할 경우 그에 따른 신호를 생성하여 충전 스위치(미도시)를 제어할 수 있고, 배터리(100)의 충전 상태가 충분할 경우 전기전자 장치에 전기 에너지를 제공하기 위한 제어 신호를 생성하여 방전 스위치(미도시)를 제어할 수 있다. 즉, BMS(200)는 도시되지 않았지만 충전 스위치 및 방전 스위치를 구비하여 배터리(100)의 상태에 따른 제어부(240)의 제어 신호에 따라 충전 스위치 또는 방전 스위치를 구동시켜 배터리(100)를 충전시키거나 방전시킬 수 있다.
저장부(250)는 배터리(100)의 관리를 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(250)는 배터리(100)의 종류, 충방전을 위한 전압, 전류 및 그에 따른 SOC, SOH, SOP 등의 데이터가 저장될 수 있다. 따라서, 저장부(250)의 이러한 데이터를 이용하여 배터리(100)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 이러한 저장부(250)는 플래시 메모리, EEPROM(Electrically erasable programmable read-only memory), SRAM(Static RAM), FRAM (Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리가 이용될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 추정 장치는 평균 산출부(220)를 구비하여 측정부(210)로부터 측정된 배터리(100)의 상태 데이터의 평균을 산출하고, 산출 데이터의 평균값을 이용하여 SOC 추정부(230)가 SOC를 추정할 수 있다. 즉, 측정부(210)에 의해 측정된 배터리(100)의 교류 전압 및 교류 전류를 평균 산출부(220)가 평균을 산출하여 평균 전압 및 평균 전류를 생성하고, 평균 전압 및 평균 전류를 이용하여 SOC 추정부(230)가 SOC를 추정할 수 있다. 따라서, 본 발명은 SOC 추정 시 에러를 방지할 수 있다. 즉, 종래의 배터리(100)로부터 측정된 전류 및 전압이 교류인 경우 평균 전류 및 순간 전압을 출력하는데, 교류 전압이 출력되므로 전압값이 변동하게 되어 SOC 추정 시 에러가 발생된다. 그러나, 본 발명은 교류 전압의 평균을 산출하여 SOC를 추정하므로 전압값이 변동되지 않아 SOC 추정의 에러를 방지할 수 있다.
다른 실시예로서, 본 발명의 BMS는 상술한 측정부(210)를 포함하는 통상의 BMS에 교류 보정 필터, 즉 평균 산출부(220)가 직렬 연결된 형태로 구성될 수도 있다. 즉, 통상의 BMS는 측정된 교류 전류 및 교류 전압값에 대하여 전류는 평균값을 출력하고, 전압은 순간 측정 전압값을 출력하는데, 교류 전압 입력값에 대하여 변동하는 순간 측정 전압값으로 인한 SOC 산출의 에러를 줄이기 위하여 순간 측정 전압값의 평균을 산출하는 교류 보정 필터, 즉 평균 산출부(220)를 측정부(210)의 출력에 직렬로 연결하고, 교류 보정 필터를 통과한 전류/전압 값을 SOC 추정부(230)으로 공급한다. 교류 보정 필터는 전류값은 BMS 측정값을 그대로 출력하고, 전압은 앞서 설명한 방식으로 순간 측정 전압값들의 평균값을 산출하여 출력한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 추정 방법은 배터리(100)의 상태를 측정하는 과정(S110)과, 배터리(100)로부터 측정된 전압 및 전류의 평균을 산출하는 과정(S120)과, 평균 전압 및 평균 전류를 이용하여 SOC를 추정하는 과정(S130)과, SOC 추정에 따라 배터리(100)의 충방전을 제어하는 과정(S140)을 포함할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 추정 방법을 각 과정별로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
S110 : 배터리(100)의 운용중, 즉 배터리(100)로부터 전기전자 장치에 전류가 공급되고 배터리(100)의 충방전 동작이 진행되는 동안 측정부(210)는 배터리(100)의 상태를 측정한다. 측정부(210)는 전압 센서(211), 전류 센서(212) 및 온도 센서(213)를 포함하여 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도 등을 측정할 수 있다. 이때, 배터리(100)는 교류 전압 및 교류 전류를 출력할 수 있고, 그에 따라 측정부(210)는 교류 전압 및 교류 전류를 측정할 수 있다. 즉, 전압 센서(211)가 배터리(100)로부터 교류 전압을 측정할 수 있고, 전류 센서(212)가 배터리(100)로부터 교류 전류를 측정할 수 있다.
S120 : 배터리(100)로부터 측정된 전압 및 전류의 평균을 산출한다. 즉, 평균 산출부(220)는 교류 전압의 평균값을 산출하는 평균 전압 산출부(221)와, 교류 전류의 평균값을 산출하는 평균 전류 산출부(222)를 포함히여 측정부(210)로부터 측정된 교류 전압 및 전류의 평균값을 산출한다. 여기서, 평균 전압 산출부(221)는 예를 들어 순차적으로 입력되는 교류 전압의 순간 측정 전압값들의 평균을 산출할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 250ms의 간격으로 측정된 전압이 측정부(210)로부터 입력되는데(in1∼in4), 제 1 입력 전압(in1)은 그대로 출력되고(out1), 제 2 입력 전압(in2)는 제 1 입력 전압(in1)과의 평균값을 산출하여 출력되며(out2), 제 3 입력 전압(in3)는 제 2 입력 전압(in2)과의 평균값을 산출하여 출력되고(out3), 제 4 입력 전압(in4)는 제 3 입력 전압(in3)과의 평균값을 산출하여 출력된다(out4). 또한, 평균 전류 산출부(222)는 소정 시간 동안 입력되는 전류를 적산하여 평균값을 출력한다. 예를 들어, 평균 전류 산출부(222)는 250ms 동안 입력되는 전류를 적산하여 평균값을 출력하게 된다.
S130 : SOC 추정부(230)는 평균 전압 및 평균 전류를 이용하여 배터리(100)의 SOC를 추정한다. SOC를 추정하기 위해 다양한 방식이 있을 수 있다. 첫번째 방법으로, SOH 추정부(미도시)로부터 추정된 배터리(100)의 용량과 측정부(210)로부터 측정되어 평균 산출부(220)로부터 평균값이 산출된 배터리(100)의 전류를 이용하여 배터리(100)의 SOC를 추정할 수 있다. 즉, SOC 추정부(230)는 평균 산출부(220)로부터 산출된 평균 전류값을 소정 시간 동안의 적산하고, 이를 SOH 추정부로부터 추정된 배터리 용량(Capacity)으로 나눠 배터리(100)의 SOC를 추정할 수 있다. 두번째 방법으로, SOC 추정부(230)는 배터리(100)의 OCV(Open Circuit Voltage)를 이용하여 SOC를 추정할 수 있다. 즉, 측정부(210)에서 측정된 OCV를 저장부(250)에 저장된 초기 OCV 테이블을 참고하여 그에 매칭된 SOC를 추출함으로써 SOC를 추정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(210)로부터 측정된 OCV가 3560mV라면 OCV 테이블을 참고하여 SOC가 40%임을 추정할 수 있다. 세번째 방법으로, SOC 추정부(230)는 배터리(100)의 임피던스를 측정하여 SOC를 추정할 수 있다. 네번째 방법으로, SOC 추정부(230)는 배터리(100)의 충전 및 방전 후의 측정 데이터를 이용하여 각각 배터리의 SOC를 추정한다. 예를 들어, SOC 추정부(230)는 배터리 방전이 발생하는 경우, 방전 후에 제 1 SOC를 산출하고, 방전 후 충전이 이어지는 경우, 충전 후에 제 2 SOC를 산출한다. 또한, 충전 후 재방전이 이어지는 경우, 재방전 후에 제 3 SOC를 산출한다. 그리고, 이러한 동작들을 반복하여 수행한다. 이 경우, SOC 추정부(230)는 칼만 필터(Kalman Filter) 또는 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 기반으로 전압, 전류 및 온도 측정값 정보를 이용하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 즉, SOC 추정부(230)는 배터리의 OCV, 내부 저항 및 저항-커패시터 병렬 회로가 직렬 연결된 등가 회로로 모델링하고, 이러한 등가 회로 모델의 인자들을 변수로 하는 선형 또는 비선형 함수와 전류 적산 방법을 이용하여 SOC를 추정하고, 측정부(210)에 의해 실시간으로 생성되는 센싱 데이터와 평균 산출부(220)로부터 산출된 평균 전압 및 전류를 이용하여 추정된 SOC를 보정함으로써, 배터리에 대한 SOC를 추정할 수 있다.
S140 : SOC 추정에 따라 배터리(100)의 충방전을 제어할 수 있다. 이를 위해 제어부(240)는 SOC 추정부(230)에 따른 배터리(100)의 상태 추정 결과에 따라 배터리(100)의 관리 및 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제어부(240)는 SOC 추정부(230)의 추정 결과에 따라 배터리(100)의 충전이 필요할 경우 그에 따른 신호를 생성하여 충전 스위치(미도시)를 제어할 수 있고, 배터리(100)의 충전 상태가 충분할 경우 전기전자 장치에 전기 에너지를 제공하기 위한 제어 신호를 생성하여 방전 스위치(미도시)를 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 배터리 200 : BMS
210 : 측정부 220 : 평균 산출부
230 : SOC 추정부 240 : 제어부
250 : 저장부

Claims (11)

  1. 충방전 가능한 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 측정부;
    상기 전압 및 전류의 평균을 산출하는 평균 산출부; 및
    상기 평균 산출부로부터 산출된 평균 전압 및 평균 전류를 이용하여 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 포함하는 SOC 추정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 측정부는 교류 전압 및 교류 전류를 측정하는 SOC 추정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 평균 산출부는 상기 교류 전압 및 교류 전류로부터 평균 전압 및 평균 전류를 산출하는 SOC 추정 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 평균 산출부는 상기 평균 전압을 산출하는 평균 전압 산출부와, 상기 평균 전류를 산출하는 평균 전류 산출부를 포함하는 SOC 추정 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 평균 전압 산출부는 순차적으로 입력되는 교류 전압의 순간 측정 전압값들의 평균으로부터 평균 전압을 산출하는 SOC 추정 장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 평균 전류 산출부는 소정 시간 동안 입력되는 전류를 적산하여 평균을 산출하는 SOC 추정 장치.
  7. 충방전 가능한 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 과정;
    상기 전압 및 전류의 평균을 산출하는 과정;
    상기 산출된 평균 전압 및 평균 전류를 이용하여 SOC를 추정하는 과정을 포함하는 SOC 추정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 배터리의 교류 전압 및 교류 전류를 측정하는 SOC 추정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 교류 전압 및 교류 전류로부터 평균 전압 및 평균 전류를 산출하는 SOC 추정 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 평균 전압은 순차적으로 입력되는 교류 전압의 순간 측정 전압값들의 평균으로부터 산출하는 SOC 추정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 평균 전류는 소정 시간 동안 입력되는 전류를 적산하여 평균을 산출하는 SOC 추정 방법.
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