KR20240025909A - 배터리 soc 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치는 제어 신호에 따라 배터리를 충방전하도록 구성된 충방전부; 상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 충방전부로 상기 제어 신호를 송신하고, 상기 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 SOC에서 미리 설정된 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 SOC 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING STATE OF CHARGE OF BATTERY}

본 발명은 배터리 SOC 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 SOC를 추정하는 배터리 SOC 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 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.

일반적으로, 배터리의 SOC는 충방전 전류량을 적산하는 전류적산법 또는 SOC(State of charge)와 OCV(Open circuit voltage) 간의 대응 관계를 고려하여 측정된 OCV로부터 추정될 수 있다. 또한, 배터리의 전압 거동을 이용한 배터리 모델의 EKF(Extended Kalman Filter)를 이용하여 SOC를 추정하는 방식도 이용된다.

한편, 니켈/망간/코발트를 사용하는 NCM 배터리의 경우 폭발의 위험성이 높기 때문에, 상대적으로 가격이 저렴하고 화재 발생 가능성이 낮은 LFP(리튬/인산/철) 배터리가 각광받고 있다. 그러나, 이러한 LFP 배터리는 NCM 배터리와는 달리 OCV 테이블에서 평탄한 구간이 많아 기존의 NCM 배터리의 SOC 추정 방식으로 SOC를 추정하기에는 한계가 있다. 여기서, 평탄한 구간은 SOC에 대한 전압(구체적으로는, OCV)의 변화율이 기준값 미만인 구간으로, Plateau 구간, Plat 구간 및 평탄 구간 등으로 표현될 수 있다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, LFP 배터리의 충전 시 휴지 구간의 전압 변화량을 이용하여 배터리의 SOC를 보다 정확하게 추정할 수 있는 배터리 SOC 추정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 SOC 추정 장치는 제어 신호에 따라 배터리를 충방전하도록 구성된 충방전부; 상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 충방전부로 상기 제어 신호를 송신하고, 상기 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 SOC에서 미리 설정된 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 적어도 하나의 SOC 중 소정의 SOC 구간에 속하는 SOC에 대하여 상기 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 소정의 SOC 구간에 속하는 상기 적어도 하나의 SOC 중 상기 전압 변화량이 가장 큰 SOC에서 상기 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 소정의 SOC 구간은, SOC 구간의 전후 구간에서 SOC에 대한 전압의 변화율이 기준값 미만으로 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 소정의 SOC 구간은, SOC 50% 이상의 SOC 구간에 속하고, 상기 전후 구간이 상기 SOC에 대한 전압의 변화율이 기준값 미만인 구간으로 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 임계값은, 상기 배터리의 SOC 구간에 따라 상이하게 설정되는 값일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 측정부는, 상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 전류를 더 측정하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 전류를 적산한 값을 이용하여 상기 배터리에 대한 SOC를 추정하고, 추정된 SOC를 상기 기준 프로파일에 기반하여 보정하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 배터리가 스텝 충전을 수행하도록 하는 제어 신호를 송신하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 배터리가 소정의 SOC 단위로 충전을 수행하고, 일정 시간 동안 휴지 구간을 갖는 방식으로 상기 스텝 충전을 수행하는 제어 신호를 송신하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 배터리가 상기 소정의 SOC 단위로 충전을 수행한 후, 상기 일정 시간 동안 휴지 구간을 갖는 것을 하나의 충전 세트로 설정하고, 상기 충전 세트 단위로 상기 배터리가 충전을 수행하도록 하는 제어 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 복수의 충전 세트 중 휴지 전압 변화량이 상기 기설정된 임계값 이상이면서 가장 큰 충전 세트에 해당하는 SOC에 대해 상기 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 SOC 추정 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 SOC 추정 방법은 제어 신호에 따라 배터리를 충방전하는 충방전 단계; 상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 및 상기 배터리의 충전시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 SOC에서 미리 설정된 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, LFP 배터리의 충전 시 휴지 구간의 전압 변화량을 이용하여 배터리의 SOC를 보다 정확하게 추정할 수 있다. 특히, 본 발명은 OCV가 평탄한 구간에 대해서도 배터리의 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 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 SOC 추정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치가 배터리의 전압 변화량을 산출하는 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치가 배터리의 SOC를 추정하는 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치가 배터리의 SOC를 추정하는 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.

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.

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.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 충방전부(110), 측정부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.

충방전부(110)는 제어부(130)로부터 배터리를 충방전하도록 하는 제어 신호를 수신하도록 구성될 수 있다.

예컨대, 충방전부(110)는 제어부(130)와 유선 및/또는 무선을 통해 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 그리고, 충방전부(110)는 제어부(130)로부터 C-rate 정보 및 충방전 시작/종료 정보가 포함된 제어 신호를 수신할 수 있다.

구체적으로, 제어 신호에 포함되는 C-rate(Current-rate) 정보의 초기값은 배터리의 사양에 따라 제어부(130)에 의해 직접 설정되거나 사용자의 입력에 의해 설정될 수 있다.

충방전부(110)는 제어 신호 따라 배터리를 충방전하도록 구성될 수 있다.

여기서, 배터리는 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지가 배터리로 간주될 수 있다. 또한, 배터리는 복수의 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 의미할 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리가 하나의 독립된 셀을 의미하는 것으로 설명한다.

구체적으로, 충방전부(110)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보를 읽고, 이에 대응되는 C-rate로 배터리를 충전 또는 방전시킬 수 있다.

예컨대, C-rate가 1C로 미리 설정된 경우, 충방전부(110)는 배터리를 1C의 C-rate로 충전하거나, 배터리를 1C의 C-rate로 방전할 수 있다.

다만, 제어 신호에 포함될 수 있는 C-rate 정보의 값은 특별히 제한되지 않음을 유의한다. 즉, C-rate 정보의 값은 0.05C 이상으로 설정될 수 있다. 바람직하게, C-rate 정보의 값은 0.05C 이상 3C 이하로 설정될 수 있다.

측정부(120)는 배터리의 충방전 과정에서 배터리의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.

구체적으로, 측정부(120)는 배터리의 양극 단자 및 음극 단자에 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(120)는 배터리의 양극 전압과 음극 전압을 각각 측정하고, 양극 전압과 음극 전압 간의 차이를 산출함으로써 배터리의 전압을 측정할 수 있다. 즉, 측정부(120)는 배터리의 충방전 과정에서 배터리의 단자 전압을 측정할 수 있다.

또한, 측정부(120)는 배터리의 충방전 과정에서 배터리의 전류를 더 측정하도록 구성될 수 있다.

제어부(130)는 충방전부(110)로 배터리를 충방전하도록 하는 제어 신호를 송신하도록 구성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제어부(130)는 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 충방전부(110)로 송신할 수 있다.

제어부(130)는 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 SOC에서 미리 설정된 기준 프로파일에 기반하여 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.

여기서, 임계값은 배터리의 SOC 구간에 따라 상이하게 설정되는 값일 수 있다. 바람직하게, 임계값은 SOC의 레벨에 따라 실험적으로 결정된 값일 수 있다. 구체적으로, 임계값은 SOC의 레벨이 높을수록 크게 설정되고, SOC의 레벨이 낮을수록 낮게 설정될 수 있다. 예컨대, SOC 10% 이상 40% 이하인 제1 SOC 구간에 대해 설정된 제1 임계값과 SOC 50% 이상 70% 이하인 제2 SOC 구간에 대해 설정된 제2 임계값은 서로 상이할 수 있다. 여기서, 제1 임계값은 제2 임계값 미만일 수 있다.

구체적으로, 제어부(130)는 충방전 과정에서 배터리의 전류를 적산한 값을 이용하여 배터리에 대한 SOC를 추정할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 측정부(120)에 의해 측정된 배터리의 전류값에 기반하여 전류 적산 방식으로 배터리의 SOC를 먼저 추정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상이면, 추정된 SOC(전류 적산 방식으로 추정된 SOC)를 기준 프로파일에 기반하여 보정하도록 구성될 수 있다. SOC가 추정된 이후, 제어부(130)는 추정된 SOC에 기초하여 전류 적산 방식으로 배터리의 SOC를 계속해서 추정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치는 휴지 구간 전후의 전압 변화량과 임계값 간의 비교 결과에 기반하여 배터리의 SOC를 보정함으로써, 배터리의 SOC를 보다 정확하게 추정할 수 있다. 예컨대, LFP 셀에 대해서도 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 임계값 이상인 시점에서 SOC가 보정될 수 있다. 따라서, 보정된 SOC에 기반하여 LFP 셀의 SOC가 보다 정확하게 추정될 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)에 구비된 제어부(130)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(130)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(130) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부와 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 저장부(140)를 더 포함할 수 있다. 저장부(140)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(140)는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부(140)는 제어부(130)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.

제어부(130)는 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 적어도 하나의 SOC 중 소정의 SOC 구간에 속하는 SOC에 대하여 기준 프로파일에 기반하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.

구체적으로, 소정의 SOC 구간은 SOC 구간의 전후 구간에서 SOC에 대한 전압의 변화율이 기준값 미만으로 구성될 수 있다. 예컨대, 소정의 SOC 구간의 이전 SOC 구간 및 이후 SOC 구간은 LFP 셀의 평탄 구간일 수 있다.

예컨대, 소정의 SOC 구간이 SOC 50% 이상의 SOC 구간에 속하고, 상기 전후 구간이 상기 SOC에 대한 전압의 변화율이 기준값 미만인 구간으로 설정되었다고 가정한다. 구체적으로는, 소정의 SOC 구간이 SOC 50% 이상 70% 이하인 중간 레벨의 SOC 구간으로 설정되었다고 가정한다. 제어부(130)는 SOC가 50% 이상 70% 이하인 중간 레벨의 SOC 구간에서, 기준 프로파일에 기반하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 이 경우, SOC 49%를 포함하는 이전 SOC 구간은 평탄 구간이고, SOC 71%를 포함하는 이후 SOC 구간은 평탄 구간일 수 있다.

다른 예로, 소정의 SOC 구간이 SOC 50% 미만의 SOC 구간에 속하고, 상기 전후 구간이 상기 SOC에 대한 전압의 변화율이 기준값 미만인 구간으로 설정되었다고 가정한다. 구체적으로는, 소정의 SOC 구간이 SOC 10% 이상 20% 이하인 하위 레벨의 SOC 구간으로 설정되었다고 가정한다. 제어부(130)는 SOC가 10% 이상 20% 이하인 하위 레벨의 SOC에 대하여 기준 프로파일에 기반하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 이 경우, SOC 9%를 포함하는 이전 SOC 구간은 평탄 구간이고, SOC 21%를 포함하는 이후 SOC 구간은 평탄 구간일 수 있다. 즉, 소정의 SOC 구간은 이전 SOC 구간과 이후 SOC 구간이 모두 평탄 구간인 경우에 한하여 설정될 수 있고, 이전 SOC 구간 및/또는 이후 SOC 구간이 비평탄 구간인 경우에는 소정의 SOC 구간으로 설정되지 않을 수 있다. 소정의 SOC 구간은 배터리의 충방전 과정에서 전압과 SOC 간의 대응 관계를 통해 확인될 수 있으며, 배터리가 퇴화됨에 따라 소정의 SOC 구간은 변경될 수도 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치는 2개의 평탄 구간 사이에 있는 비평탄 구간(소정의 SOC 구간)에서, 배터리의 SOC를 보정할 수 있다. 구체적으로는, 해당 비평탄 구간에서 전류 적산 방식에 따라 추정된 SOC를 미리 설정된 기준 프로파일에 기반하여 보정할 수 있다. 따라서, 배터리의 SOC가 적절하게 보정될 수 있으므로, 보정된 SOC에 따라 평탄 구간 및 비평탄 구간에서 LFP 셀의 SOC가 보다 정확하게 추정될 수 있다.

제어부(130)는 배터리가 스텝 충전을 수행하도록 하는 제어 신호를 충방전부(110)에 송신할 수 있다.

예를 들면, 제어부(130)는 배터리가 소정의 SOC 단위(예: SOC 3% 단위)로 충전을 수행하고, 일정 시간(예: 5분) 동안 휴지 구간을 갖는 방식으로 스텝 충전을 수행하는 제어 신호를 송신할 수 있다.

구체적으로, 제어부(130)는 배터리가 소정의 SOC 단위로 충전을 수행한 후, 일정 시간 동안 휴지 구간을 갖는 것을 하나의 충전 세트로 설정할 수 있다. 이 경우, 제어부(130)는 충전 세트 단위로 배터리가 충전을 수행하도록 하는 제어 신호를 충방전부(110)로 송신할 수 있다.

또한, 제어부(130)는 복수의 충전 세트 중 휴지 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상이면서 가장 큰 충전 세트에 해당하는 SOC에 대해 기준 프로파일에 기반하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 LFP 배터리의 충전 시 휴지 구간의 전압 변화량을 이용하여 배터리의 SOC를 보다 정확하게 추정할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 LPF 셀의 평탄 구간 대해서도 배터리의 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치가 배터리의 전압 변화량을 산출하는 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 2에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)의 제어부(130)는 배터리가 스텝 충전을 수행하도록 할 수 있다. 예를 들면, 제어부(130)는 배터리의 SOC 3% 단위 마다 충전을 수행하고 5분마다 휴지 구간을 갖도록 할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 이러한 충전 및 휴지 과정을 하나의 충전 세트로 하여 N 세트를 반복할 수 있다.

예컨대, 도 2의 실시예에서, SOC 58%, 61%, 64%, 67% 및 70%일 때 충전 세트가 반복될 수 있다.

또한, 제어부(130)는 각 충전 세트 별로 휴지 구간이 끝난 후 배터리의 전압을 측정하여 기록할 수 있다. 제어부(130)는 이에 기반하여 각 충전 세트 별로 휴지 구간 전후의 전압 변화량을 산출할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 배터리의 충전 세트를 N회 반복한 경우 휴지 구간 전후의 전압 변화량을 총 N개의 값으로 산출할 수 있다.

기존 NCM 배터리와는 달리 LFP 배터리의 경우에는 OCV가 평탄한 구간이 많기 때문에 추정한 OCV 전압의 오차가 작더라도 SOC 추정 시 오차가 크게 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)와 같이 배터리의 전압 변화량을 이용하면 평탄 구간 내에서도 전압 변화가 국소적으로 급격히 변화하는 구간을 추출할 수 있다. 따라서, 이러한 구간에 대하여 전류 적산 방식 등의 SOC 추정 방법을 이용하면 보다 정확하게 SOC를 추정할 수 있다.

또한, 제어부(130)는 각 충전 세트가 종료된 후에 전류 적산량을 기록할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 배터리의 충전 세트를 N회 반복한 경우 전류 적산량을 총 N개의 값으로 산출할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치가 배터리의 SOC를 추정하는 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)의 제어부(130)는 도 2에서 설명한 배터리의 충전 세트를 N회 반복한 경우, N회의 충전 세트 중 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 가장 큰 SOC 지점을 보정 대상으로 선정할 수 있다. 도 3의 실시예에서, SOC 프로파일은 배터리의 충방전 과정에서 획득되는 배터리의 SOC와 충방전 시간 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일일 수 있다. 그리고, 기준 프로파일은 SOC와 충방전 시간 간의 대응 관계가 미리 설정된 프로파일일 수 있다.

또한, 제어부(130)는 N회의 충전 세트 중 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값보다 큰 SOC 지점을 보정 대상으로 선정할 수 있다. 여기서, 임계값은 전술한 것과 같이 배터리의 SOC 구간에 따라 상이하게 설정되는 값일 수 있다. 예를 들면, 임계값은 SOC의 레벨에 따라 실험적으로 결정된 값일 수 있다.

제어부(130)는 배터리의 충전 세트가 모두 종료된 후에 보정 대상으로 선정된 SOC 지점에 대하여 각 충전 세트마다 기록한 적류 적산값을 이용하여 SOC값을 보정할 수 있다. 한편, 여기서 적류 적산값을 이용하는 보정 방식은 도 1에서 설명한 기준 프로파일에 포함되는 것일 수 있다.

도 3에 도시한 것과 같이, 제어부(130)는 보정 대상으로 선정된 SOC 지점(SOC 61%)에서 전류 적산값(c)을 이용하여 SOC에 대한 보정을 수행하여 실제 SOC 값에 매우 근접하도록 SOC를 추정할 수 있다.

예컨대, 도 2 및 도 3의 실시예에서, SOC 58%, 61%, 64%, 67% 및 70%일 때 충전 세트가 반복될 수 있다. 도 2의 실시예에서, SOC 61%에서 전압 변화량이 가장 크기 때문에, 제어부(130)는 SOC 61%에 해당하는 t 시점의 SOC를 k%로 보정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 SOC k%를 기준으로 전류 전삭 방식을 이용하여, 5회의 스텝 충전이 종료되는 8000s에서의 SOC를 추정할 수 있다. 즉, t 시점에서의 SOC k%를 기준으로 전류 적산값(c)이 부가됨으로써, 8000s에서의 SOC가 추정될 수 있다.

이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리의 충전 과정에서 전압 변화량이 가장 크게 나타나는 지점을 추출하고, 이에 대하여 전류 적산 방식 등의 기준 프로파일을 이용한 SOC 추정 방식으로 보정을 수행함으로써, LFP 배터리에 대해서도 보다 정밀하게 SOC를 추정할 수 있는 장점이 있다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치가 배터리의 SOC를 추정하는 다른 실시예를 도시한 도면이다.

구체적으로, 도 4 내지 도 6은 기준 프로파일과 SOC 프로파일 간의 오차가 10%로 미리 설정된 제1 내지 제3 배터리를 이용하여 SOC를 추정하는 실시예를 도시한 도면이다. 공통적으로, 제1 내지 제3 배터리는 온도 25℃에서 SOC 30%부터 0.3C로 충전되었다. 스텝 충전은 SOC 3%마다 5분간 휴지기를 갖도록 설정되었다.

또한, 제1 배터리는 SOC 52%에서부터 7회의 스텝 충전이 시작되었고, 제2 배터리는 SOC 53%에서 7회의 스텝 충전이 시작되었으며, 제3 배터리는 SOC 54%에서 7회의 스텝 충전이 시작되었다.

도 4의 실시예에서, 스텝 충전의 시작 SOC는 52%이고, 스텝 충전의 종료 SOC는 73%일 수 있다. SOC 73% 이후부터 배터리의 SOC 오차는 10%에서 약 1.8%로 감소될 수 있다.

도 5의 실시예에서, 스텝 충전의 시작 SOC는 53%이고, 스텝 충전의 종료 SOC는 74%일 수 있다. SOC 74% 이후부터 배터리의 SOC 오차는 10%에서 약 0%로 감소될 수 있다.

도 6의 실시예에서, 스텝 충전의 시작 SOC는 54%이고, 스텝 충전의 종료 SOC는 75%일 수 있다. SOC 75% 이후부터 배터리의 SOC 오차는 10%에서 약 0.8%로 감소될 수 있다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 큰 SOC 지점에 대해서 기준 프로파일에 기반한 보정을 수행함으로써, 실제 SOC 값과 매우 근접한 값으로 갖도록 SOC를 추정할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는, BMS(Battery Management System)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 배터리 SOC 추정 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 배터리 SOC 추정 장치(100)의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 SOC 추정 장치(100)의 충방전부(110), 측정부(120), 제어부(130) 및 저장부(140)는 BMS의 구성요소로서 구현될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는, 배터리 팩(1)에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상술한 배터리 SOC 추정 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(1)은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 배터리(B)의 양극은 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)에 연결되고, 배터리(B)의 음극은 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)에 연결될 수 있다.

측정부(120)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(B)의 양극과 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 음극과 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 따라서, 측정부(120)는 제1 센싱 라인(SL1)과 제2 센싱 라인(SL2)을 통해서 배터리(B)의 전압을 측정할 수 있다.

또한, 측정부(120)는 제3 센싱 라인(SL3)을 통해 배터리(B)의 충방전 경로(대전류 경로)에 구비된 전류 측정 소자(A)에 연결되어, 배터리(B)의 충방전 전류를 측정할 수 있다. 여기서, 전류 측정 소자(A)는 전류계 및/또는 션트 저항일 수 있다.

충방전부(110)의 일단은 배터리(B)의 양극과 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 연결되고, 타단은 배터리(B)의 음극과 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 그리고, 충방전부(110)는 제어부(130)로부터 수신한 제어 신호에 포함된 C-rate 정보에 기반하여 배터리(B)를 충방전시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.

바람직하게, 배터리 SOC 추정 방법의 각 단계는 배터리 SOC 추정 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 간략히 설명하거나 생략함을 유의한다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법은 충방전 단계(S100), 전압 측정 단계(S200) 및 SOC 추정 단계(S300)를 포함할 수 있다.

충방전 단계(S100)는 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하는 단계로서, 충방전부(110)에 의해 수행될 수 있다.

예컨대, 충방전부(110)는 제어부(130)로부터 C-rate 정보 및 충방전 시작/종료 정보가 포함된 제어 신호를 수신할 수 있다. 그리고, 충방전부(110)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보를 읽고, 이에 대응되는 C-rate로 배터리(B)를 충전 또는 방전시킬 수 있다.

전압 측정 단계(S200)는 배터리(B)의 충방전 과정에서 배터리(B)의 전압을 측정하는 단계로서, 측정부(120)에 의해 수행될 수 있다.

SOC 추정 단계(S300)는 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 SOC에서 미리 설정된 기준 프로파일에 기반하여 배터리의 SOC를 추정하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.

여기서, 임계값은 배터리의 SOC 구간에 따라 상이하게 설정되는 값일 수 있다. 예를 들면, 임계값은 SOC의 레벨에 따라 실험적으로 결정된 값일 수 있다.

구체적으로, 제어부(130)는 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 적어도 하나의 SOC 중 소정의 SOC 구간에 속하는 SOC에 대하여 기준 프로파일에 기반하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 추정된 SOC를 기준으로 전류 적산 방식을 이용하여 배터리의 SOC를 이어서 추정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법은 LFP 배터리의 충전 시 휴지 구간의 전압 변화량을 이용하여 배터리의 SOC를 보다 정확하게 추정할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법은 OCV가 평탄한 구간에 대해서도 배터리의 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 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
100: 배터리 SOC 추정 장치
110: 충방전부
120: 측정부
130: 제어부
140: 저장부

Claims (13)

1. 제어 신호에 따라 배터리를 충방전하도록 구성된 충방전부;
   상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및
   상기 충방전부로 상기 제어 신호를 송신하고, 상기 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 SOC에서 미리 설정된 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 배터리의 충전 시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 적어도 하나의 SOC 중 소정의 SOC 구간에 속하는 SOC에 대하여 상기 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 소정의 SOC 구간에 속하는 상기 적어도 하나의 SOC 중 상기 전압 변화량이 가장 큰 SOC에서 상기 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 소정의 SOC 구간은,
   SOC 구간의 전후 구간에서 SOC에 대한 전압의 변화율이 기준값 미만으로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 소정의 SOC 구간은,
   SOC 50% 이상의 SOC 구간에 속하고, 상기 전후 구간이 상기 SOC에 대한 전압의 변화율이 기준값 미만인 구간으로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 임계값은,
   상기 배터리의 SOC 구간에 따라 상이하게 설정되는 값인 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 측정부는,
   상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 전류를 더 측정하도록 구성되고,
   상기 제어부는,
   상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 전류를 적산한 값을 이용하여 상기 배터리에 대한 SOC를 추정하고, 추정된 SOC를 상기 기준 프로파일에 기반하여 보정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 배터리가 스텝 충전을 수행하도록 하는 제어 신호를 송신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 배터리가 소정의 SOC 단위로 충전을 수행하고, 일정 시간 동안 휴지 구간을 갖는 방식으로 상기 스텝 충전을 수행하는 제어 신호를 송신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 상기 소정의 SOC 단위로 충전을 수행한 후, 상기 일정 시간 동안 휴지 구간을 갖는 것을 하나의 충전 세트로 설정하고,
    상기 충전 세트 단위로 상기 배터리가 충전을 수행하도록 하는 제어 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    복수의 충전 세트 중 휴지 전압 변화량이 상기 기설정된 임계값 이상이면서 가장 큰 충전 세트에 해당하는 SOC에 대해 상기 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 SOC 추정 장치를 포함하는 배터리 팩.
    
13. 제어 신호에 따라 배터리를 충방전하는 충방전 단계;
    상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 및
    상기 배터리의 충전시 휴지 구간 전후의 전압 변화량이 기설정된 임계값 이상인 SOC에서 미리 설정된 기준 프로파일에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 방법.

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