KR20240044740A - 배터리 soc 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20240044740A
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김승현
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치는 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 소정의 시간 동안 상기 배터리를 방전시키는 방전부; 및 상기 배터리에 대응되는 BMS(Battery Management System)가 턴 온된 시점에 측정된 배터리의 제1 전압과 상기 배터리의 방전 과정에서 획득된 상기 배터리의 DCIR(Direct Current Internal Resistance)에 기초하여 상기 배터리의 SOC값을 추정하는 제어부를 포함한다.

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 SOC와 OCV 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, 올리빈(Olivine) 구조를 갖는 배터리의 경우, 다른 리튬 배터리와 달리 SOC 프로파일(OCV와 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일)에서 평탄한 구간이 존재한다.
예컨대, LFP(리튬인산철) 배터리는 올리빈 구조를 갖는 배터리의 대표적인 예이다. LFP 배터리의 SOC 프로파일에는 SOC에 대한 OCV 변화율이 기준값 미만인 구간인 평탄 구간이 포함될 수 있다. 이러한 평탄 구간은 Plateau 구간 또는 Plat 구간이라고 표현될 수도 있다.
이처럼, 배터리 관리 시스템(BMS, Battery management system) 또는 관련 시스템을 종료하였다가 다시 턴 온하였을 때 배터리의 SOC(또는 OCV)가 SOC 프로파일의 평탄 구간에서 속하는 경우, 초기 SOC값을 알지 못하여 SOC 오차를 관리함에 있어서 어려움이 발생할 수 있다.
자동차의 경우에는 시동을 온/오프하는 동작이 필수적이므로, 시퀀스에 맞추어서 마지막 SOC값을 저장하고, 저장된 SOC값을 읽는 방법으로 보완하고 있다. 그러나, 에너지 저장 장치(ESS, Energy storage system)의 경우에는 전원을 차단해버리는 경우가 대부분이기 때문에, 마지막 SOC값을 저장할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 관리 시스템의 초기 구동시 전압이 SOC 프로파일의 평탄 구간에 해당하는 경우에 방전 DCIR(Direct Current Internal Resistance)에 기반하여 SOC값을 추정함으로써, SOC 초기 오차를 최소화하고 시퀀스 복잡도와 비용을 절감할 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 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치는 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 소정의 시간 동안 상기 배터리를 방전시키는 방전부; 및 상기 배터리에 대응되는 BMS(Battery Management System)가 턴 온된 시점에 측정된 배터리의 제1 전압과 상기 배터리의 방전 과정에서 획득된 상기 배터리의 DCIR(Direct Current Internal Resistance)에 기초하여 상기 배터리의 SOC값을 추정하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전압에 기초하여 상기 배터리의 제1 SOC값을 산출할 수 있다.
상기 제어부는, DCIR과 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 DCIR-SOC 프로파일에 기반하여, 상기 배터리의 DCIR에 대응되는 제2 SOC값을 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전압에 기반하여, 상기 제1 SOC값 또는 상기 제2 SOC값으로 상기 배터리의 SOC값을 결정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전압이 상기 배터리의 OCV와 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 SOC 프로파일 상의 비평탄 구간에 포함되는 경우, 상기 제1 SOC값을 상기 배터리의 SOC값으로 결정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전압이 상기 배터리의 SOC 프로파일 상의 평탄 구간에 포함되는 경우, 상기 제2 SOC값을 상기 배터리의 SOC값으로 결정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전압과 상기 배터리에 대한 방전 과정에서 측정된 상기 배터리의 제2 전압 간의 전압차를 산출하고, 산출된 전압차와 상기 방전 과정에서의 방전 전류에 기반하여 상기 배터리의 DCIR을 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전압과 상기 배터리에 대응되는 방전 저항의 저항값에 기반하여 상기 방전 전류를 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 BMS의 턴 온 시점에 상기 배터리의 SOC값을 0으로 초기화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법은 배터리에 대응되는 BMS가 턴 온된 시점에 배터리의 제1 전압을 측정하는 제1 전압 측정 단계; 소정의 시간 동안 상기 배터리를 방전시키는 방전 단계; 상기 배터리의 방전 과정에서 상기 배터리의 DCIR을 산출하는 DCIR 산출 단계; 및 상기 배터리의 제1 전압과 상기 DCIR에 기초하여 상기 배터리의 SOC값을 추정하는 SOC 추정 단계를 포함할 수 있다.
상기 SOC 추정 단계는, 상기 제1 전압에 기초하여 상기 배터리의 제1 SOC값을 산출하는 제1 SOC값 산출 단계; DCIR과 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 DCIR-SOC 프로파일에 기반하여, 상기 배터리의 DCIR에 대응되는 제2 SOC값을 산출하는 제2 SOC값 산출 단계; 및 상기 제1 전압에 기반하여, 상기 제1 SOC값 또는 상기 제2 SOC값으로 상기 배터리의 SOC값을 결정하는 SOC 결정 단계를 포함할 수 있다.
상기 SOC 결정 단계는, 상기 제1 전압이 상기 배터리의 OCV와 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 SOC 프로파일 상의 비평탄 구간에 포함되는 경우, 상기 제1 SOC값을 상기 배터리의 SOC값으로 결정하는 제1 SOC 결정 단계; 및 상기 제1 전압이 상기 배터리의 SOC 프로파일 상의 평탄 구간에 포함되는 경우, 상기 제2 SOC값을 상기 배터리의 SOC값으로 결정하는 제2 SOC 결정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 관리 시스템의 초기 구동시 전압이 SOC 프로파일의 평탄 구간에 해당하는 경우에 방전 DCIR에 기반하여 SOC값을 추정함으로써, SOC 초기 오차를 최소화하고 시퀀스 복잡도와 비용을 절감할 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 배터리의 SOC 프로파일의 예시를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 DCIR-SOC 프로파일의 예시를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치가 배터리의 SOC를 추정하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 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, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 측정부(110), 방전부(120) 및 제어부(130)를 포함할 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.
측정부(110)는 배터리의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 측정부(110)는 배터리의 충방전, 방전 등의 과정에서 배터리의 전압을 측정하거나, 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 턴 온된 경우에 배터리의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 측정부(110)는 배터리의 양극 단자 및 음극 단자에 연결될 수 있다. 그리고, 측정부(110)는 배터리의 양극 전압과 음극 전압을 각각 측정하고, 양극 전압과 음극 전압 간의 차이를 산출함으로써 배터리의 전압을 측정할 수 있다.
방전부(120)는 소정의 시간 동안 배터리에 대한 방전을 수행할 수 있다.
구체적으로, 방전부(120)는 방전 저항을 포함할 수 있다. 구체적으로 방전 저항의 일단은 배터리의 양극 단자에 연결되고, 방전 저항의 타단은 배터리의 음극 단자에 연결될 수 있다. 그리고, 방전부(120)는 방전 저항에 연결된 배터리를 방전시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 방전부(120)는 방전 릴레이를 더 포함할 수 있다. 방전 릴레이의 동작 상태는 제어부(130)에 의해 제어될 수 있다. 제어부(130)는 미리 설정된 듀티비에 따라 방전 릴레이의 동작을 제어함으로써 방전 저항에 연결된 배터리를 소정의 시간 동안 방전시킬 수 있다.
제어부(130)는 배터리에 대응되는 BMS(Battery Management System)가 턴 온된 시점에 측정된 배터리의 제1 전압과 배터리의 방전 과정에서 획득된 배터리의 DCIR(Direct Current Internal Resistance)에 기초하여 배터리의 SOC값을 추정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 배터리의 제1 전압에 기초하여 배터리의 제1 SOC값을 산출할 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 배터리의 제1 전압과 해당 배터리의 SOC 프로파일(P1)에 기초하여 제1 SOC값을 산출할 수 있다. 구체적인 예로, 제어부(130)는 제1 전압을 SOC 프로파일(P1)에 대입하여 제1 SOC값을 산출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOC 프로파일(P1)의 예시를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOC 프로파일(P1)은 OCV와 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 프로파일이다. 예컨대, SOC 프로파일(P1)에서 x축은 SOC[%]를 나타내고, y축은 배터리의 전압[V]을 나타낸다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 SOC 프로파일(P1) 상에서 SOC가 35% 내지 55% 구간(a)과 SOC가 65% 내지 95% 구간(b)에서 전압 변화가 거의 발생하지 않는 평탄 구간이 존재하게 된다. 예를 들어, 도 2의 SOC 35% 내지 55% 구간(a)에서의 전압차는 5mV(3.304V-3.299V)이고, SOC 65% 내지 95% 구간(b)에서의 전압차는 9mV(3.342V-3.333V)로 나타날 수 있다.
제어부(130)는 DCIR과 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 DCIR-SOC 프로파일(P2)에 기반하여, 배터리의 DCIR에 대응되는 제2 SOC값을 산출할 수 있다.
구체적으로, 측정부(110)는 배터리의 방전이 종료된 시점에서 배터리에 대한 제2 전압을 측정할 수 있다. 예컨대, 배터리의 방전은 미리 설정된 소정의 시간 동안 진행될 수 있다. 따라서, 측정부(110)는 배터리의 방전이 시작된 시점으로부터 소정의 시간이 경과된 시점에서 제2 전압을 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 제1 전압과 배터리에 대한 방전 과정에서 측정된 배터리의 제2 전압 간의 전압차를 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 "제1 전압-제2 전압"의 수식을 계산하여 전압차를 산출할 수 있다.
제어부(130)는 산출된 전압차와 방전 과정에서의 방전 전류에 기반하여 배터리의 DCIR을 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 "전압차÷방전 전류"의 수식을 계산하여, 배터리의 DCIR을 산출할 수 있다.
여기서, 제어부(130)는 제1 전압과 배터리에 대응되는 방전 저항의 저항값에 기반하여 방전 전류를 산출할 수 있다. 제어부(130)는 옴의 법칙(Ohm's law)을 이용하여, 제1 전압과 방전 저항의 저항값에 기반하여 방전 전류를 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 "제1 전압÷방전 저항의 저항값"의 수식을 계산하여 방전 전류를 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 DCIR-SOC 프로파일(P2)의 예시를 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위해, 도 3에는 도 2의 평탄 구간(a, b)이 도시되었다.
구체적으로, 도 3의 실시예는, 1초 DCIR, 10초 DCIR 및 30초 DCIR을 SOC별로 나타낸 프로파일이다. 여기서, n초 DCIR이란, 배터리를 n초 방전시켰을 때의 전압차를 이용하여 산출되는 DCIR을 의미한다. 예컨대, 1초 DCIR은 배터리를 1초 방전시키는 과정에서의 전압차(제1 전압-제2 전압)와 방전 전류에 따라 산출되는 저항값을 의미한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 평탄 구간에서 DCIR의 변화량이 OCV의 변화량보다 클 수 있다. 즉, 평탄 구간에서 OCV에 기반하여 SOC를 추정하는 것보다 DCIR에 기반하여 SOC를 추정하는 것이 더 용이할 수 있다.
한편, 배터리의 방전 시간이 길수록 SOC에 따른 DCIR의 변화도가 크지만, DCIR 산출에 시간이 더 소요될 수 있다. 따라서, 방전 시간은 배터리가 사용되는 어플리케이션(예컨대, 가전 제품, 자동차 및 ESS 등)에 대응되도록 설정될 수 있다. 예컨대, 자동차의 경우, 시동이 켜진 후 차량의 즉각적인 운행이 요구되기 때문에, 방전 시간은 1초로 설정될 수 있다. 즉, 제어부(130)는 1초 DCIR에 기반하여 제2 SOC값을 산출할 수 있다.
따라서, 제어부(130)는 제1 전압이 SOC 프로파일(P1)의 평탄 구간에 속하는 경우에는 DCIR에 대응되는 제2 SOC값을 결정하고, 결정된 제2 SOC값을 배터리의 SOC로 결정할 수 있다.
제어부(130)는 제1 전압에 기반하여, 제1 SOC값 또는 제2 SOC값으로 배터리의 SOC값을 결정할 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 제1 전압이 SOC 프로파일(P1)의 비평탄 구간에 포함되는 경우, 제1 SOC값을 배터리의 SOC값으로 결정할 수 있다. 반대로, 제어부(130)는 제1 전압이 배터리의 SOC 프로파일(P1)의 평탄 구간에 포함되는 경우, 제2 SOC값을 배터리의 SOC값으로 결정할 수 있다.
즉, BMS의 턴 온 시점에서 측정된 제1 전압이 SOC 프로파일(P1)의 비평탄 구간에 속하면 제1 전압에 기반한 제1 SOC값이 BMS의 턴 온 시점에서의 배터리의 SOC값으로 추정될 수 있다. 반대로, BMS의 턴 온 시점에서 측정된 제1 전압이 SOC 프로파일(P1)의 평탄 구간에 속하면 DCIR에 기반한 제2 SOC값이 BMS의 턴 온 시점에서의 배터리의 SOC값으로 추정될 수 있다.
즉, 평탄 구간에서의 OCV 변화는 SOC 변화에 비해 매우 작은 값을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 평탄 구간에서의 OCV로는 SOC를 정확하게 추정할 수 없는 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리 관리 시스템의 초기 구동시 전압이 SOC 프로파일(P1)의 평탄 구간에 해당하는 경우에 방전 DCIR에 기반하여 SOC값을 추정함으로써, SOC 초기 오차를 최소화하고 시퀀스 복잡도와 비용을 절감할 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)의 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(130)와 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 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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)가 배터리의 SOC를 추정하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리 관리 시스템(BMS)이 턴 온되면(S12), 복수의 배터리의 SOC값(SOCeach)을 초기화할 수 있다(S14). 예컨대, 제어부(130)는 BMS의 턴 온 시점에 배터리의 SOC값을 0으로 초기화할 수 있다.
또한, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리 관리 시스템이 턴 온된 후에 모든 배터리의 전압(V1each)을 측정할 수 있다(S16). 이 때, 단계 S16에서 측정되는 전압은 전술한 제1 전압에 해당할 수 있다.
다음으로, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 단계 S16에서 측정된 배터리 전압에 기초하여 1차로 SOC값(SOCvoltage)을 산출할 수 있다(S18). 이 때, 단계 S18에서 산출되는 SOC값은 전술한 제1 SOC값에 해당할 수 있다. 예를 들어, 단계 S18에서는 배터리의 SOC 프로파일(P1)에 기초하여, 전압(V1each)으로부터 SOC값(SOCvoltage)을 산출할 수 있다.
또한, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 모든 배터리에 대해 방전을 수행할 수 있다(S20). 그리고, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 방전 과정에서 배터리에 대한 방전 전류(Idc)를 산출할 수 있다(S22). 예를 들어, 배터리의 방전 전류는 옴의 법칙(Ohm's law)에 기초하여 산출되는 값으로, 단계 S16에서 측정된 배터리 전압(V1each)을 방전 저항(Rdc)으로 나눈 값일 수 있다.
다음으로, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리에 대한 방전 진행 중 모든 배터리의 전압(V2each)을 측정할 수 있다(S24). 이 때, 단계 S24에서 측정되는 전압은 전술한 제2 전압에 해당할 수 있다.
그리고, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리의 방전 전후의 전압차(V1each- V2each)와 방전 전류(Idc)에 기초하여 각 배터리의 DCIR을 산출할 수 있다(S26).
단계 S28에서, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리의 전압(V1each)이 SOC 프로파일(P1)의 비평탄 구간에 포함되는 경우(YES), 해당 배터리의 초기 SOC값(SOCinit)은 단계 S18에서 산출된 SOC값(SOCvoltage)으로 결정될 수 있다(S30).
한편, 단계 S28에서, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리의 전압(V1each)이 SOC 프로파일(P1)의 평탄 구간에 포함되는 경우(NO), DCIR-SOC 프로파일(P2)에서 방전 DCIR에 대응되는 SOC값(SOCDCIR)을 결정할 수 있다(S32). 또한, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 결정된 SOC값(SOCDCIR)을 해당 배터리의 초기 SOC값(SOCinit)으로 결정할 수 있다(S34).
본 발명에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는, 배터리 관리 시스템(BMS)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 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 측정부(110), 방전부(120), 제어부(130) 및 저장부(140)는 배터리 관리 시스템의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 SOC 추정 장치(100) 및 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 배터리(B)의 양극은 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+)에 연결되고, 배터리(B)의 음극은 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-)에 연결될 수 있다.
측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(B)의 양극과 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+) 사이에 연결되고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 배터리(B)의 음극과 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 따라서, 측정부(110)는 제1 센싱 라인(SL1)과 제2 센싱 라인(SL2)을 통해서 배터리(B)의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)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.
또한, 방전부(120)는 제어부(130)로부터 수신한 제어 신호에 기반하여 배터리(B) 각각에 대한 방전을 수행할 수 있다.
그러나, 도 5에 도시된 배터리 팩(10)의 구성은 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명이 이러한 배터리 팩(10) 구성에 제한되는 것은 아니며, 도 5에 도시된 배터리 팩(10)의 구성 각각은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
한편, 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+) 및 음극 단자(P-)에는 외부 장치가 연결될 수 있다. 여기서, 외부 장치는 충방전 장치 또는 부하(예컨대, 모터 등)일 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차(600)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(610)은 전기 자동차(Electric vehicle, EV)나 하이브리드 자동차(Hybrid vehicle, HV)와 같은 자동차에 포함될 수도 있다. 그리고, 배터리 팩(610)은 전기 자동차(600)에 구비된 인버터를 통해 모터에 전력을 공급함으로써, 전기 자동차(600)를 구동시킬 수 있다.
예컨대, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 전기 자동차(600)의 시동이 꺼지면 턴 오프되고, 전기 자동차(600)의 시동이 켜지면 턴 온될 수 있다. 즉, 배터리 SOC 추정 장치(100)는 전기 자동차(600)의 시동이 켜지면 각각의 배터리에 대한 SOC를 추정할 수 있다. 전기 자동차(600)의 시동이 켜진 시점에서 배터리의 SOC의 초기값이 추정되기 때문에, 이후의 운행 과정에서 추정되는 SOC에 대한 오차가 줄어들 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ESS(700)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, ESS(700)는 랙 케이스(710) 및 복수의 배터리 모듈(720)을 포함한다. 복수의 배터리 모듈(720)은 상하 방향으로 배열된 형태로 랙 케이스(710)에 수용되도록 구성될 수 있다.
배터리 모듈(720) 각각에는 배터리 SOC 추정 장치(100)가 포함될 수 있다. 배터리 모듈(720)이 턴 온되면 대응되는 배터리 SOC 추정 장치(100)도 턴 온될 수 있다. 배터리 모듈(720)이 턴 온된 시점에서 배터리의 SOC 초기값이 추정되기 때문에, 이후의 운행 과정에서 추정되는 SOC에 대한 오차가 줄어들 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 앞서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다. 바람직하게, 배터리 SOC 추정 방법의 각 단계는 배터리 SOC 추정 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 8을 참조하면, 배터리 SOC 추정 방법은 제1 전압 측정 단계(S100), 방전 단계(S200), DCIR 산출 단계(S300) 및 SOC 추정 단계(S400)를 포함할 수 있다.
제1 전압 측정 단계(S100)는 배터리에 대응되는 BMS가 턴 온된 시점에 배터리의 제1 전압을 측정하는 단계로서, 측정부(110)에 의해 수행될 수 있다.
방전 단계(S200)는 소정의 시간 동안 배터리를 방전시키는 단계로서, 방전부(120)에 의해 수행될 수 있다.
DCIR 산출 단계(S300)는 배터리의 방전 과정에서 배터리의 DCIR을 산출하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
SOC 추정 단계(S400)는 배터리의 제1 전압과 DCIR에 기초하여 배터리의 SOC값을 추정하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
도 9를 참조하면, SOC 추정 단계(S400)는 제1 SOC값 산출 단계(S410), 제2 SOC값 산출 단계(S420) 및 SOC 결정 단계를 포함할 수 있다.
제1 SOC값 산출 단계(S410)는 제1 전압에 기초하여 배터리의 제1 SOC값을 산출하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 SOC 프로파일(P1)에 기반하여, 제1 전압에 대응되는 제1 SOC값을 산출할 수 있다.
제2 SOC값 산출 단계(S420)는 DCIR과 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 DCIR-SOC 프로파일(P2)에 기반하여, 배터리의 DCIR에 대응되는 제2 SOC값을 산출하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 제1 전압과 제2 전압 간의 전압차를 산출하고, 산출된 전압차와 방전 전류에 기반하여 DCIR을 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 DCIR-SOC 프로파일(P2)에 기반하여, 산출된 DCIR에 대응되는 제2 SOC값을 산출할 수 있다.
SOC 결정 단계는 제1 전압에 기반하여, 제1 SOC값 또는 제2 SOC값으로 배터리의 SOC값을 결정하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
여기서, SOC 결정 단계는 비교 단계(S430), 제1 SOC 결정 단계(S440) 및 제2 SOC 결정 단계(S450)(S450)로 세분화될 수 있다.
비교 단계(S430)는 제1 전압이 평탄 구간에 속하는지 여부를 판단하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 비교 단계(S430)의 결과가 NO이면 제1 SOC 결정 단계(S440)가 수행되고, 비교 단계(S430)의 결과가 YES이면 제2 SOC 결정 단계(S450)(S450)가 수행될 수 있다.
제1 SOC 결정 단계(S440)는 제1 전압이 배터리의 OCV와 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 SOC 프로파일(P1) 상의 비평탄 구간에 포함되는 경우, 제1 SOC값을 배터리의 SOC값으로 결정하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
제2 SOC 결정 단계(S450)(S450)는 제1 전압이 배터리의 SOC 프로파일(P1) 상의 평탄 구간에 포함되는 경우, 제2 SOC값을 배터리의 SOC값으로 결정하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 방법에 의하면, 배터리 관리 시스템의 초기 구동시 전압이 SOC 프로파일(P1)의 평탄 구간에 해당하는 경우에 방전 DCIR에 기반하여 SOC값을 추정함으로써, SOC 초기 오차를 최소화하고 시퀀스 복잡도와 비용을 절감할 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.
10: 배터리 팩
100: 배터리 SOC 추정 장치
110: 측정부
120: 방전부
130: 제어부
140: 저장부
600: 전기 자동차
700: 에너지 저장 장치

Claims (11)

  1. 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부;
    소정의 시간 동안 상기 배터리를 방전시키는 방전부; 및
    상기 배터리에 대응되는 BMS(Battery Management System)가 턴 온된 시점에 측정된 배터리의 제1 전압과 상기 배터리의 방전 과정에서 획득된 상기 배터리의 DCIR(Direct Current Internal Resistance)에 기초하여 상기 배터리의 SOC값을 추정하는 제어부를 포함하는 배터리 SOC 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압에 기초하여 상기 배터리의 제1 SOC값을 산출하고,
    DCIR과 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 DCIR-SOC 프로파일에 기반하여, 상기 배터리의 DCIR에 대응되는 제2 SOC값을 산출하며,
    상기 제1 전압에 기반하여, 상기 제1 SOC값 또는 상기 제2 SOC값으로 상기 배터리의 SOC값을 결정하는 배터리 SOC 추정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압이 상기 배터리의 OCV와 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 SOC 프로파일 상의 비평탄 구간에 포함되는 경우, 상기 제1 SOC값을 상기 배터리의 SOC값으로 결정하는 배터리 SOC 추정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압이 상기 배터리의 SOC 프로파일 상의 평탄 구간에 포함되는 경우, 상기 제2 SOC값을 상기 배터리의 SOC값으로 결정하는 배터리 SOC 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압과 상기 배터리에 대한 방전 과정에서 측정된 상기 배터리의 제2 전압 간의 전압차를 산출하고, 산출된 전압차와 상기 방전 과정에서의 방전 전류에 기반하여 상기 배터리의 DCIR을 산출하는 배터리 SOC 추정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압과 상기 배터리에 대응되는 방전 저항의 저항값에 기반하여 상기 방전 전류를 산출하는 배터리 SOC 추정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 BMS의 턴 온 시점에 상기 배터리의 SOC값을 0으로 초기화하는 배터리 SOC 추정 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 SOC 추정 장치를 포함하는 배터리 팩.
  9. 배터리에 대응되는 BMS가 턴 온된 시점에 배터리의 제1 전압을 측정하는 제1 전압 측정 단계;
    소정의 시간 동안 상기 배터리를 방전시키는 방전 단계;
    상기 배터리의 방전 과정에서 상기 배터리의 DCIR을 산출하는 DCIR 산출 단계; 및
    상기 배터리의 제1 전압과 상기 DCIR에 기초하여 상기 배터리의 SOC값을 추정하는 SOC 추정 단계를 포함하는 배터리 SOC 추정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 SOC 추정 단계는,
    상기 제1 전압에 기초하여 상기 배터리의 제1 SOC값을 산출하는 제1 SOC값 산출 단계;
    DCIR과 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 DCIR-SOC 프로파일에 기반하여, 상기 배터리의 DCIR에 대응되는 제2 SOC값을 산출하는 제2 SOC값 산출 단계; 및
    상기 제1 전압에 기반하여, 상기 제1 SOC값 또는 상기 제2 SOC값으로 상기 배터리의 SOC값을 결정하는 SOC 결정 단계를 포함하는 배터리 SOC 추정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 SOC 결정 단계는,
    상기 제1 전압이 상기 배터리의 OCV와 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 SOC 프로파일 상의 비평탄 구간에 포함되는 경우, 상기 제1 SOC값을 상기 배터리의 SOC값으로 결정하는 제1 SOC 결정 단계; 및
    상기 제1 전압이 상기 배터리의 SOC 프로파일 상의 평탄 구간에 포함되는 경우, 상기 제2 SOC값을 상기 배터리의 SOC값으로 결정하는 제2 SOC 결정 단계를 포함하는 배터리 SOC 추정 방법.
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