WO2023146309A1 - 배터리 soc 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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WO2023146309A1
WO2023146309A1 PCT/KR2023/001211 KR2023001211W WO2023146309A1 WO 2023146309 A1 WO2023146309 A1 WO 2023146309A1 KR 2023001211 W KR2023001211 W KR 2023001211W WO 2023146309 A1 WO2023146309 A1 WO 2023146309A1
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battery
rate
soc
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PCT/KR2023/001211
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김승현
이현철
권동근
김안수
신채빈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for estimating SOC of a battery, and more particularly, to an apparatus and method for estimating SOC of a battery.
  • the SOC of a battery can be estimated from an OCV measured by considering a current integration method for integrating charge/discharge current or a corresponding relationship between SOC and OCV.
  • a method of estimating the SOC using an Extended Kalman Filter (EKF) of a battery model using voltage behavior of the battery is also used.
  • EKF Extended Kalman Filter
  • the current integration method is mainly used in the charging and discharging process.
  • the current integration method has a disadvantage in that the SOC estimation result is inaccurate when errors accumulate during current integration or when the initial SOC value is not accurate.
  • An object of the present invention is to provide a battery SOC estimating device and method capable of more accurately estimating the SOC of a battery by changing a charge/discharge C-rate and comparing the changed charge/discharge C-rate with a cutoff value.
  • An apparatus for estimating SOC of a battery includes a charge/discharge unit configured to receive a control signal including C-rate information and charge/discharge a battery at the C-rate included in the control signal; a measuring unit configured to measure a voltage of the battery during charging and discharging of the battery; and transmitting the control signal to the charge/discharge unit, changing the C-rate included in the control signal whenever a voltage value measured by the measurer reaches a preset threshold value, and changing the C-rate and and and a controller configured to estimate the SOC of the battery based on a result of comparing a preset cutoff value.
  • the control unit may be configured to decrease the C-rate by a preset C-rate change ratio whenever the measured voltage value reaches the preset threshold value.
  • the control unit may be configured to estimate the SOC of the battery as a preset SOC when the changed C-rate is less than or equal to the cutoff value.
  • the control unit may be configured to estimate the SOC of the battery as 100% when the changed C-rate is equal to or less than the cutoff value while the battery is being charged.
  • the control unit may be configured to estimate the SOC of the battery as 0% when the changed C-rate is equal to or less than the cutoff value while the battery is being discharged.
  • the control unit when the changed C-rate exceeds the cutoff value, sets a reference SOC for the battery at the time of the first change in the C-rate, and sets the reference SOC for the battery after the first change time.
  • the SOC of the battery may be estimated based on the number of changes of the C-rate and the expected number of changes of the C-rate expected until charging and discharging of the battery is completed in the charging/discharging process.
  • the control unit may be configured to estimate the SOC of the battery based on Equation 1 below when the changed C-rate exceeds the cutoff value.
  • B SOC is the estimated SOC of the battery
  • T SOC is a SOC value previously determined according to the charge/discharge state of the battery
  • R SOC is the reference SOC
  • n is the expected number of changes in the C-rate.
  • m may be the number of changes of the C-rate.
  • the control unit may be configured to calculate the expected number of changes of the C-rate based on the changed C-rate, the cutoff value, and a preset C-rate change ratio.
  • the control unit may be configured to calculate the expected number of changes of the C-rate based on Equation 2 below.
  • n is the expected number of changes of the C-rate
  • d is the C-rate change rate
  • x is the cutoff value
  • y may be an initial C-rate value included in the control signal.
  • the measuring unit may be configured to further measure the current of the battery during the charging/discharging process.
  • the control unit may be configured to set the reference SOC by integrating the current of the battery measured by the measurement unit from the start time of charging and discharging to the first change time point.
  • the control unit may be configured to transmit a charge/discharge termination signal to the charge/discharge unit to terminate charge/discharge of the battery when the changed C-rate is less than or equal to the cutoff value.
  • the control unit may be configured to transmit the control signal including the changed C-rate to the charging/discharging unit when the changed C-rate exceeds the cutoff value.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention may include a battery SOC estimation device according to one aspect of the present invention.
  • a method for estimating SOC of a battery includes a charging and discharging step of receiving a control signal including C-rate information and charging and discharging a battery at the C-rate included in the control signal; a voltage measurement step of measuring a voltage of the battery during charging and discharging of the battery; a C-rate changing step of changing the C-rate included in the control signal whenever the voltage value measured in the voltage measuring step reaches a preset threshold value; and a SOC estimating step of estimating the SOC of the battery based on a result of comparing the C-rate changed in the C-rate changing step with a preset cutoff value.
  • the SOC of the battery can be more accurately estimated by charging and discharging the battery while changing the C-rate.
  • the present invention has the advantage of accurately estimating the SOC of the battery even if the initial C-rate and temperature are not limited to specific values.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an apparatus for estimating SOC of a battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment in which an apparatus for estimating SOC of a battery according to an embodiment of the present invention estimates SOC of a battery.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an exemplary configuration of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a method for estimating SOC of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an apparatus 100 for estimating a battery SOC according to an embodiment of the present invention.
  • an apparatus 100 for estimating SOC of a battery may include a charging/discharging unit 110, a measurement unit 120, and a control unit 130.
  • the charging/discharging unit 110 may be configured to receive a control signal including C-rate information (current rate information).
  • the charging/discharging unit 110 may be connected to the control unit 130 so as to be communicable through wired and/or wireless communication. Also, the charging/discharging unit 110 may receive a control signal including C-rate information from the control unit 130 .
  • the initial value of the C-rate information included in the control signal may be directly set by the controller 130 or set by a user's input according to specifications of the battery.
  • the charging/discharging unit 110 may be configured to charge/discharge the battery at the C-rate included in the control signal.
  • the battery means an independent cell having a negative terminal and a positive terminal and being physically separable.
  • a lithium ion battery or a lithium polymer battery may be considered a battery.
  • a battery may refer to a battery module in which a plurality of cells are connected in series and/or in parallel.
  • a battery will be described as meaning one independent cell.
  • the charging/discharging unit 110 may read the C-rate information included in the control signal and charge or discharge the battery at a corresponding C-rate.
  • the charging/discharging unit 110 may charge the battery at a C-rate of 1C or discharge the battery at a C-rate of 1C.
  • the value of C-rate information that may be included in the control signal is not particularly limited. That is, the value of C-rate information may be set to 0.05C or higher. Preferably, the value of C-rate information may be set to 0.05C or more and 3C or less.
  • the measurement unit 120 may be configured to measure the voltage of the battery during charging and discharging of the battery.
  • the measuring unit 120 may be connected to the positive and negative terminals of the battery. Also, the measurement unit 120 may measure the voltage of the battery by measuring the positive electrode voltage and the negative electrode voltage of the battery and calculating a difference between the positive electrode voltage and the negative electrode voltage. That is, the measurement unit 120 may measure the terminal voltage of the battery during charging and discharging of the battery.
  • the control unit 130 may be configured to transmit a control signal to the charging/discharging unit 110 . As described above, the controller 130 may generate a control signal including C-rate information and transmit the generated control signal to the charge/discharge unit 110 .
  • the control unit 130 may be configured to change the C-rate included in the control signal whenever the voltage value measured by the measuring unit 120 reaches a preset threshold value.
  • the preset threshold may be set in each of the charging process and the discharging process.
  • the preset threshold may be a voltage value at which constant voltage charging or constant voltage discharging starts.
  • a charging process may include a constant current (CC) charging process and a constant voltage (CV) charging process.
  • constant current charging may be performed until the voltage of the battery reaches 3.8V
  • constant voltage charging may be performed after 3.8V.
  • the threshold may be preset to 3.8V, which is a voltage value at which constant voltage charging starts.
  • a voltage value at which the constant voltage discharge starts may be set as a threshold value.
  • controller 130 may be configured to decrease the C-rate at a preset C-rate change ratio whenever the measured voltage value reaches a preset threshold value.
  • the threshold value is set to 3.8V
  • the C-rate change rate is 0.5
  • the initial C-rate is set to 1C in the process of charging the battery.
  • the charging/discharging unit 110 may receive a control signal including information on the C-rate (1C) from the control unit 130 and charge the battery at 1C.
  • the controller 130 may decrease the value of C-rate information included in the control information from 1C to 0.5C.
  • the charging/discharging unit 110 may receive a control signal including information about the C-rate (0.5C) from the control unit 130 and reduce the C-rate of the battery to 0.5C. In this case, since the C-rate is reduced from 1C to 0.5C, the voltage value measured by the measuring unit 120 may be reduced.
  • the charging current gradually decreases to maintain the battery voltage at a constant level, but in the present invention, since the C-rate is rapidly changed according to the C-rate change ratio, the measured battery voltage can be reduced
  • the controller 130 may decrease the C-rate information included in the control signal to 0.25C.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment in which the battery SOC estimating apparatus 100 according to an embodiment of the present invention estimates the SOC of a battery.
  • charging of the battery may start at time t0.
  • the control unit 130 may transmit a control signal to the charging/discharging unit 110 .
  • the charging/discharging unit 110 may read the C-rate information included in the control signal and start charging the battery at a corresponding C-rate.
  • the battery may be charged at 1C.
  • the control unit 130 may decrease the value of the C-rate information included in the control signal according to the C-rate change rate. For example, the control unit 130 may decrease the value of C-rate information included in the control signal from 1C to 0.5C.
  • the battery may be charged at 0.5C.
  • the voltage of the battery may reach the threshold value (V TH ) again.
  • the control unit 130 may decrease the value of C-rate information included in the control signal from 0.5C to 0.25C.
  • the battery may be charged at 0.25 C.
  • the voltage of the battery may reach the threshold value (V TH ) again.
  • the controller 130 may decrease the value of C-rate information included in the control signal from 0.25C to 0.125C.
  • the battery may be charged at 0.125 C.
  • the voltage of the battery may reach the threshold value (V TH ) again.
  • the control unit 130 may decrease the value of C-rate information included in the control signal from 0.125C to 0.0625C.
  • the battery may be charged at 0.0625 C.
  • the voltage of the battery may reach the threshold value (V TH ) again.
  • the control unit 130 may decrease the value of C-rate information included in the control signal from 0.0625C to 0.03125C.
  • the controller 130 may be configured to estimate the SOC of the battery based on a result of comparing the changed C-rate with a preset cutoff value.
  • the cutoff value is a predetermined C-rate value and may be a reference value for ending charging and discharging of the battery.
  • the cutoff value may be preset to 0.05C.
  • the controller 130 may change the C-rate value included in the control signal whenever the voltage value of the battery reaches the threshold value V TH , and compare the changed C-rate value with the cutoff value. Also, the controller 130 may estimate the SOC of the battery according to the comparison result.
  • the controller 130 may estimate the SOC of the battery as a preset SOC.
  • the case where the changed C-rate is equal to or less than the cutoff value may correspond to a condition in which charging or discharging of the battery is terminated.
  • the controller 130 may be configured to estimate the SOC of the battery as 100%. Conversely, when the changed C-rate falls below the cutoff value while the battery is being discharged, the controller 130 may be configured to estimate the SOC of the battery as 0%.
  • the cutoff value may be set to 0.05C in advance.
  • the voltage value of the battery reaches the threshold value (V TH ), and at time point t5, the controller 130 may change the C-rate to 0.3125C. Since the changed C-rate (0.3125C) is less than or equal to the cutoff value (0.05C), the controller 130 may estimate the SOC of the battery as 100% at time t5.
  • the current integration method used for SOC estimation has a disadvantage in that the SOC estimation result is inaccurate when errors are accumulated during current integration or when the initial SOC value is not accurate.
  • the SOC of a battery can be estimated by considering the characteristic of the battery that the final amount of charge or discharge is the same under the same cutoff condition. Due to this, the SOC estimation error according to the current integration method is corrected so that the SOC of the battery can be accurately estimated.
  • the characteristics of the battery considered in the present invention are that even if the charging and discharging C-rate and the temperature of the battery are different, charging and discharging can be performed at a uniform amount under the same cutoff condition.
  • a predetermined cutoff value eg, 0.05 C
  • the final charge or discharge amount may be the same even if the initial C-rate and the temperature of the battery are different.
  • the present invention has the advantage of accurately estimating the SOC of the battery based on the result of comparing the changed C-rate with the cutoff value.
  • control unit 130 provided in the battery SOC estimating apparatus 100 includes a processor known in the art, an application-specific integrated circuit (ASIC), other chipsets, logic circuits, Registers, communication modems, data processing devices, etc. may optionally be included.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the control unit 130 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in the memory and executed by the controller 130 .
  • the memory may be inside or outside the control unit 130, and may be connected to the control unit 130 by various well-known means.
  • the battery SOC estimating apparatus 100 may further include a storage unit 140 .
  • the storage unit 140 may store data necessary for each component of the battery SOC estimating apparatus 100 to perform operations and functions, programs, or data generated in the process of performing operations and functions.
  • the type of the storage unit 140 is not particularly limited as long as it is known information storage means capable of writing, erasing, updating, and reading data.
  • the information storage means may include RAM, flash memory, ROM, EEPROM, registers, and the like.
  • the storage unit 140 may store program codes in which processes executable by the control unit 130 are defined.
  • the controller 130 may be configured to transmit a control signal including the changed C-rate to the charge/discharge unit 110 when the changed C-rate exceeds the cutoff value. Conversely, the controller 130 may be configured to transmit a charge/discharge end signal for ending charging/discharging of the battery to the charging/discharging unit 110 when the changed C-rate is less than or equal to the cutoff value.
  • the controller 130 may be configured to set a reference SOC for the battery at the time of the first change in the C-rate.
  • the initial change time may be a time when the voltage value of the battery first reaches the threshold value (V TH ) in the charging/discharging process.
  • time t1 may be the first change time.
  • the reference SOC at the time of the first change may be set by a current integration method.
  • the measuring unit 120 may be configured to further measure the current of the battery during the charging/discharging process.
  • the controller 130 may be configured to set a reference SOC by integrating the battery current measured by the measurement unit 120 from the start of charging and discharging to the first change.
  • the measuring unit 120 may measure the charging current of the battery from the time t0 when charging of the battery starts to the time t1.
  • the battery may set the reference SOC at the time t1 to 95% by integrating the charging current from the time t0 to the time t1.
  • control unit 130 determines the number of changes in the C-rate based on the reference SOC, the number of changes in the C-rate after the initial change, and the expected number of changes in the C-rate expected until charging and discharging of the battery is completed in the charging/discharging process. It can be configured to estimate the SOC of the battery.
  • the controller 130 calculates the SOC when charge/discharge is in progress (when the changed C-rate initializes the cutoff value) by considering the ratio of the number of C-rate changes to the expected number of changes and the reference SOC. can be estimated
  • controller 130 may be configured to estimate the SOC of the battery based on Equation 1 below.
  • B SOC is the estimated SOC of the battery
  • T SOC is a SOC value determined in advance according to the charge/discharge state of the battery
  • R SOC is the reference SOC
  • n is the expected number of C-rate changes
  • m is C It can be the number of changes of -rate.
  • the controller 130 may change the C-rate from 0.25C to 0.125C at time t3.
  • the number of times (m) of changing the C-rate by the control unit 130 is twice except for the first time point of change (t1).
  • the expected number of changes in the C-rate ( n) is four times except for the first change point (t1).
  • the expected number of changes may be calculated by the controller 130 through an initial C-rate and a change ratio even if charging and discharging of the battery is not completed.
  • the controller 130 may calculate “95+ ⁇ (100-95) ⁇ 4 ⁇ 2 ⁇ ” according to Equation 1, and estimate SOC (B SOC ) as 97.5% at time t3.
  • the apparatus 100 for estimating SOC of a battery has an advantage of estimating the SOC of a battery not only when charging and discharging of the battery is completed but also when charging and discharging is in progress.
  • the expected number of changes (n) and the number of C-rate changes (m) may be the same at a point in time when the changed C-rate is equal to or less than the cutoff value. If so, the estimated SOC (B SOC ) will be equal to the predetermined SOC value (T SOC ). Therefore, even if according to Equation 1, when charging and discharging is terminated (when the changed C-rate becomes less than or equal to the cutoff value), the controller 130 may estimate the SOC of the battery with a predetermined SOC value.
  • controller 130 may be configured to calculate the expected number of C-rate changes based on the changed C-rate, the cutoff value, and a preset C-rate change ratio.
  • controller 130 may be configured to calculate the expected number of changes in the C-rate based on Equation 2 below.
  • n is the number of expected C-rate changes
  • d is a C-rate change rate
  • x is a cutoff value
  • y may be an initial C-rate value included in the control signal.
  • the floor function (floor function, ) is for excluding the number of C-rate changes at the time of initial change.
  • the C-rate change ratio (d) may be 0.5
  • the initial C-rate value (y) included in the control signal may be 1C
  • the cutoff value may be 0.05C. Therefore, the control unit 130 "
  • the expected number of changes (n) of the C-rate can be calculated as 4 times.
  • the expected number of changes (n) of the C-rate calculated in this way is applied to Equation 1 to determine the SOC of the battery. can be used to estimate
  • the battery SOC estimation apparatus 100 when a predetermined cutoff value (eg, 0.05C) is applied, even if the initial C-rate and the temperature of the battery are different, the final charge amount or discharge There is an advantage in that the SOC of the battery can be accurately estimated by considering the characteristics of batteries having the same capacity.
  • a predetermined cutoff value eg, 0.05C
  • the SOC value calculated by the current integration method can be corrected through comparison between the changed C-rate and the cutoff value, a flat section (Plateau) appears in the SOC-OCV profile of the LFP battery. It also has the advantage of being able to accurately estimate the SOC for .
  • the apparatus 100 for estimating battery SOC according to the present invention may be applied to a battery management system (BMS). That is, the BMS according to the present invention may include the battery SOC estimating device 100 described above. In this configuration, at least some of the components of the battery SOC estimating apparatus 100 may be implemented by supplementing or adding functions of components included in the conventional BMS. For example, the charge/discharge unit 110, the measurement unit 120, the control unit 130, and the storage unit 140 of the battery SOC estimating apparatus 100 may be implemented as BMS components.
  • the battery SOC estimating apparatus 100 may be included in the battery pack 1 . That is, the battery pack 1 according to the present invention may include the above-described battery SOC estimating device 100 and one or more battery cells. In addition, the battery pack 1 may further include electrical components (relays, fuses, etc.) and cases.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an exemplary configuration of a battery pack 1 according to another embodiment of the present invention.
  • the positive electrode of the battery B may be connected to the positive terminal (P+) of the battery pack 1, and the negative electrode of the battery B may be connected to the negative terminal (P-) of the battery pack 1. there is.
  • the measurement unit 120 is connected between the positive electrode of the battery B and the positive terminal P+ of the battery pack 1 through the first sensing line SL1, and the battery B through the second sensing line SL2. ) and the negative terminal P- of the battery pack 1. Accordingly, the measurement unit 120 may measure the voltage of the battery B through the first sensing line SL1 and the second sensing line SL2.
  • the measuring unit 120 is connected to the current measuring device A provided in the charging/discharging path (high current path) of the battery B through the third sensing line SL3, so that the charging/discharging current of the battery B can measure
  • the current measuring device A may be an ammeter and/or a shunt resistor.
  • One end of the charging/discharging unit 110 is connected between the positive electrode of the battery B and the positive terminal P+ of the battery pack 1, and the other end is connected between the negative electrode of the battery B and the negative terminal P of the battery pack 1. -) can be connected between them. Also, the charging/discharging unit 110 may charge/discharge the battery B based on the C-rate information included in the control signal received from the control unit 130 .
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a method for estimating SOC of a battery according to another embodiment of the present invention.
  • each step of the battery SOC estimating method may be performed by the battery SOC estimating apparatus 100 .
  • the battery SOC estimating apparatus 100 Preferably, each step of the battery SOC estimating method may be performed by the battery SOC estimating apparatus 100 .
  • overlapping contents with those described above are briefly described or omitted.
  • the battery SOC estimation method may include a charge/discharge step (S100), a voltage measurement step (S200), a C-rate change step (S300), and an SOC estimation step (S400).
  • the charging/discharging step (S100) is a step of receiving a control signal including C-rate information and charging/discharging the battery B at the C-rate included in the control signal, and may be performed by the charging/discharging unit 110. there is.
  • the charging/discharging unit 110 may receive a control signal including C-rate information from the control unit 130 .
  • the charging/discharging unit 110 may read the C-rate information included in the control signal and charge or discharge the battery B at a corresponding C-rate.
  • the voltage measuring step ( S200 ) is a step of measuring the voltage of the battery B during the charging/discharging process of the battery B, and may be performed by the measuring unit 120 .
  • the C-rate changing step (S300) is a step of changing the C-rate whenever the voltage value measured in the voltage measuring step (S200) reaches a preset threshold value (V TH ), and is performed by the controller 130 It can be.
  • the controller 130 may be configured to change the C-rate at a preset C-rate change ratio whenever the measured voltage value reaches a preset threshold value (V TH ).
  • the controller 130 may decrease the C-rate at a rate of 0.5 whenever the measured voltage value reaches a preset threshold value (V TH ).
  • the SOC estimating step (S400) is a step of estimating the SOC of the battery B based on the result of comparing the C-rate changed in the C-rate changing step (S300) with a preset cutoff value, and is performed by the controller 130. can be performed
  • the controller 130 may estimate the SOC of the battery B as a preset SOC.
  • the controller 130 may be configured to transmit a charge/discharge termination signal to the charge/discharge unit 110 to terminate charging and discharging of the battery B.
  • the controller 130 may be configured to estimate the SOC of the battery B based on Equations 1 and 2 above. Also, the control unit 130 may be configured to transmit a control signal including the changed C-rate to the charging/discharging unit 110 .
  • the embodiments of the present invention described above are not implemented only through devices and methods, and may be implemented through a program that realizes functions corresponding to the configuration of the embodiments of the present invention or a recording medium on which the program is recorded. Implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs based on the description of the above-described embodiment.
  • control unit 130 control unit

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치는 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하도록 구성된 충방전부; 상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 충방전부로 상기 제어 신호를 송신하고, 상기 측정부에 의해 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하며, 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 SOC 추정 장치 및 방법
본 출원은 2022년 01월 26일 자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2022-0011728호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
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.
OCV는 휴지 상태에서 측정이 가능한 값이기 때문에, 충방전 과정에서는 전류적산법이 주로 이용된다. 다만, 전류적산법은 전류 적산 시 오차가 누적되는 경우 또는 초기 SOC값이 정확하지 않은 경우, SOC 추정 결과가 부정확하다는 단점이 있다.
본 발명은 충방전 C-rate를 변경하고, 변경된 충방전 C-rate와 컷오프값 간의 비교를 통해 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 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하도록 구성된 충방전부; 상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및 상기 충방전부로 상기 제어 신호를 송신하고, 상기 측정부에 의해 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하며, 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 측정된 전압값이 상기 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 미리 설정된 C-rate 변경 비율로 상기 C-rate를 감소시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하인 경우, 미리 설정된 SOC로 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리가 충전되는 중 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하가 된 경우, 상기 배터리의 SOC를 100%로 추정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리가 방전되는 중 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하가 된 경우, 상기 배터리의 SOC를 0%로 추정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 상기 C-rate가 최초로 변경된 최초 변경 시점에서의 상기 배터리에 대한 기준 SOC를 설정하고, 상기 기준 SOC, 상기 최초 변경 시점 이후의 상기 C-rate의 변경 횟수 및 상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 충방전이 종료될 때까지 예상되는 상기 C-rate의 예상 변경 횟수에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 하기의 수학식 1에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2023001211-appb-img-000001
여기서, BSOC는 상기 배터리의 추정된 SOC이고, TSOC는 상기 배터리의 충방전 상태에 따라 미리 결정되는 SOC값이며, RSOC는 상기 기준 SOC이고, n은 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수이며, m은 상기 C-rate의 상기 변경 횟수일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate, 상기 컷오프값 및 미리 설정된 C-rate 변경 비율에 기반하여 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 하기의 수학식 2에 기반하여 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2023001211-appb-img-000002
여기서, n은 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수이고, d는 상기 C-rate 변경 비율이며, x는 상기 컷오프값이고, y는 상기 제어 신호에 포함된 초기의 C-rate값일 수 있다.
상기 측정부는, 상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 전류를 더 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 충방전의 시작 시점부터 상기 최초 변경 시점까지 상기 측정부에 의해 측정된 상기 배터리의 전류를 적산하여 상기 기준 SOC를 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하인 경우, 상기 배터리에 대한 충방전을 종료시키기 위한 충방전 종료 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 상기 변경된 C-rate가 포함된 상기 제어 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 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 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하는 충방전 단계; 상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 상기 전압 측정 단계에서 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하는 C-rate 변경 단계; 및 상기 C-rate 변경 단계에서 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, C-rate를 변경하며 배터리를 충방전하여 배터리의 SOC가 보다 정확하게 추정될 수 있다. 특히, 본 발명은 초기 C-rate와 온도가 특정한 값으로 제한되어 설정되지 않더라도, 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 SOC를 추정하는 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 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 C-rate 정보(Current rate 정보)가 포함된 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 정보가 포함된 제어 신호를 수신할 수 있다.
구체적으로, 제어 신호에 포함되는 C-rate 정보의 초기값은 배터리의 사양에 따라 제어부(130)에 의해 직접 설정되거나 사용자의 입력에 의해 설정될 수 있다.
충방전부(110)는 제어 신호에 포함된 C-rate로 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.
제어부(130)는 충방전부(110)로 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 측정부(120)에 의해 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 제어 신호에 포함되는 C-rate를 변경하도록 구성될 수 있다.
여기서, 미리 설정된 임계값은, 충전 과정과 방전 과정 각각에서 설정될 수 있다. 바람직하게, 미리 설정되는 임계값은 정전압 충전 또는 정전압 방전이 시작되는 전압값일 수 있다.
일반적으로, 충전 과정은 정전류(Constant current, CC) 충전과 정전압(Constant voltage, CV) 충전 과정을 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리의 전압이 3.8V에 도달할 때까지 정전류 충전이 수행되고, 3.8V 이후부터는 정전압 충전이 수행될 수 있다. 이 경우, 임계값은 정전압 충전이 시작되는 전압값인 3.8V로 미리 설정될 수 있다. 방전 과정의 경우도 마찬가지로, 정전압 방전이 시작되는 전압값이 임계값으로 설정될 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 미리 설정된 C-rate 변경 비율로 C-rate를 감소시키도록 구성될 수 있다.
예컨대, 배터리의 충전 과정에서, 임계값은 3.8V로 설정되고, C-rate 변경 비율은 0.5이며, 초기의 C-rate는 1C로 미리 설정되었다고 가정한다.
충방전부(110)는 제어부(130)로부터 C-rate(1C)에 대한 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 배터리를 1C로 충전시킬 수 있다. 측정부(120)에 의해 측정된 전압값이 3.8V에 도달하면, 제어부(130)는 제어 정보에 포함되는 C-rate 정보의 값을 1C에서 0.5C로 감소시킬 수 있다.
그리고, 충방전부(110)는 제어부(130)로부터 C-rate(0.5C)에 대한 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 배터리에 대한 C-rate를 0.5C로 감소시킬 수 있다. 이 경우, C-rate가 1C에서 0.5C로 감소되었기 때문에 측정부(120)에 의해 측정되는 전압값은 감소될 수 있다.
구체적으로, 배터리의 전압은 옴의 법칙에 기반하여 산출되는 것으로서, "V=IR"의 공식에서 "I"에 대응되는 C-rate가 감소되었기 때문에, 측정되는 배터리리의 전압이 감소될 수 있다.
보다 구체적으로, 일반적인 정전압 충전 과정에서는 배터리의 전압이 일정 수준을 유지하도록 충전 전류가 서서히 감소하는데, 본 발명에서는 C-rate 변경 비율에 따라 C-rate를 급격히 변경시키기 때문에, 측정되는 배터리의 전압이 감소될 수 있다.
이후, 배터리는 0.5C의 C-rate로 충전되고, 배터리의 전압이 다시 3.8V에 도달하면, 제어부(130)는 제어 신호에 포함되는 C-rate 정보를 0.25C로 감소시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)가 배터리의 SOC를 추정하는 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2의 실시예에서, t0 시점에서 배터리의 충전이 시작될 수 있다. 구체적으로, t0 시점에서 제어부(130)는 충방전부(110)로 제어 신호를 송신할 수 있다. 충방전부(110)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보를 읽고, 이에 대응되는 C-rate로 배터리의 충전을 시작할 수 있다.
t0 시점에서 t1 시점까지 배터리는 1C로 충전될 수 있다.
t1 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 도달할 수 있다. 이 경우, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 C-rate 변경 비율에 따라 감소시킬 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 1C에서 0.5C로 감소시킬 수 있다.
t1 시점에서 t2 시점까지 배터리는 0.5C로 충전될 수 있다.
t2 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 다시 도달할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 0.5C에서 0.25C로 감소시킬 수 있다.
t2 시점에서 t3 시점까지 배터리는 0.25C로 충전될 수 있다.
t3 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 다시 도달할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 0.25C에서 0.125C로 감소시킬 수 있다.
t3 시점에서 t4 시점까지 배터리는 0.125C로 충전될 수 있다.
t4 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 다시 도달할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 0.125C에서 0.0625C로 감소시킬 수 있다.
t4 시점에서 t5 시점까지 배터리는 0.0625C로 충전될 수 있다.
t5 시점에서, 배터리의 전압은 임계값(VTH)에 다시 도달할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는 제어 신호에 포함된 C-rate 정보의 값을 0.0625C에서 0.03125C로 감소시킬 수 있다.
그리고, t5 시점에서 배터리의 충전은 종료될 수 있다.
제어부(130)는 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 컷오프값은 미리 결정된 C-rate값으로, 배터리의 충방전을 종료할 수 있는 기준값일 수 있다. 예컨대, 컷오프값은 0.05C로 미리 설정될 수 있다.
즉, 제어부(130)는 배터리의 전압값이 임계값(VTH)이 도달할 때마다 제어 신호에 포함되는 C-rate값을 변경하고, 변경된 C-rate값을 컷오프값과 비교할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 비교 결과에 따라 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 변경된 C-rate가 컷오프값 이하인 경우, 미리 설정된 SOC로 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 여기서, 변경된 C-rate가 컷오프값 이하인 경우란 배터리의 충전 또는 방전이 종료되는 조건에 해당할 수 있다.
예컨대, 배터리가 충전되는 중 변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 된 경우, 제어부(130)는 배터리의 SOC를 100%로 추정하도록 구성될 수 있다. 반대로, 배터리가 방전되는 중 변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 된 경우, 제어부(130)는 배터리의 SOC를 0%로 추정하도록 구성될 수 있다.
앞선 실시예와 같이, 도 2의 실시예에서, t0 시점에서 배터리가 1C로 충전되기 시작한다고 가정하면, 컷오프값은 0.05C로 미리 설정될 수 있다. t1, t2, t3, t4 및 t5 시점에서 각각 배터리의 전압값은 임계값(VTH)에 도달하고, t5 시점에서 제어부(130)는 C-rate를 0.3125C로 변경할 수 있다. 변경된 C-rate(0.3125C)가 컷오프값(0.05C) 이하이므로, 제어부(130)는 t5 시점에서 배터리의 SOC를 100%로 추정할 수 있다.
일반적으로 SOC 추정에 이용되는 전류적산법은 전류 적산 시 오차가 누적되는 경우 또는 초기 SOC값이 정확하지 않은 경우, SOC 추정 결과가 부정확하다는 단점이 있다.
따라서, 본원발명에서는 동일한 컷오프 조건에서는 종국적인 충전량 또는 방전량이 동일하다는 배터리의 특성을 고려하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 이로 인해, 전류적산법에 따른 SOC 추정 오차가 보정되어 배터리의 SOC가 정확하게 추정될 수 있다.
여기서, 본원발명에서 고려한 배터리 특성이란, 충방전 C-rate와 배터리의 온도가 달라도 동일한 컷오프 조건에서는 균일한 양으로 충방전이 진행될 수 있다는 것이다. 예컨대, 본 발명과 같이 소정의 컷오프값(예컨대, 0.05C)을 적용하는 경우, 초기 C-rate와 배터리의 온도가 상이하더라도 종국적인 충전량 또는 방전량은 동일할 수 있다.
따라서, 본원발명은 변경되는 C-rate와 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 배터리의 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.
한편, 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, 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(130)에 의해 실행될 수 있다. 메모리는 제어부(130) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(130)와 연결될 수 있다.
또한, 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.
제어부(130)는 변경된 C-rate가 컷오프값을 초과한 경우, 변경된 C-rate가 포함된 제어 신호를 충방전부(110)로 송신하도록 구성될 수 있다. 이와 반대로, 제어부(130)는 변경된 C-rate가 컷오프값 이하인 경우, 배터리에 대한 충방전을 종료시키기 위한 충방전 종료 신호를 충방전부(110)로 송신하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 변경된 C-rate가 컷오프값을 초과한 경우, 제어부(130)는 C-rate가 최초로 변경된 최초 변경 시점에서의 배터리에 대한 기준 SOC를 설정하도록 구성될 수 있다.
여기서, 최초 변경 시점은 충방전 과정에서 배터리의 전압값이 임계값(VTH)에 최초로 도달한 시점일 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, t1 시점에서 배터리의 전압값이 임계값(VTH)에 도달하기 때문에, 제어부(130)는 C-rate를 변경할 수 있다. 따라서, 도 2의 실시예에서는 t1 시점이 최초 변경 시점일 수 있다.
보다 구체적으로, 최초 변경 시점에서의 기준 SOC는 전류적산법에 의해 설정될 수 있다. 이를 위해, 측정부(120)는 충방전 과정에서 배터리의 전류를 더 측정하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 충방전의 시작 시점부터 최초 변경 시점까지 측정부(120)에 의해 측정된 배터리의 전류를 적산하여 기준 SOC를 설정하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 측정부(120)는 배터리의 충전이 시작되는 t0 시점부터 t1 시점까지 배터리의 충전 전류를 측정할 수 있다. 그리고, 배터리는 t0 시점부터 t1 시점까지의 충전 전류를 적산하여 t1 시점에서의 기준 SOC를 95%로 설정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 기준 SOC, 최초 변경 시점 이후의 C-rate의 변경 횟수 및 충방전 과정에서 상기 배터리의 충방전이 종료될 때까지 예상되는 상기 C-rate의 예상 변경 횟수에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 예상 변경 횟수에 대한 C-rate의 변경 횟수의 비율과 기준 SOC를 고려하여, 충방전이 진행 중일 때(변경된 C-rate가 컷오프값을 초기할 때)의 SOC를 추정할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 하기의 수학식 1에 기반하여 배터리의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2023001211-appb-img-000003
여기서, BSOC는 배터리의 추정된 SOC이고, TSOC는 배터리의 충방전 상태에 따라 미리 결정되는 SOC값이며, RSOC는 기준 SOC이고, n은 C-rate의 예상 변경 횟수이며, m은 C-rate의 변경 횟수일 수 있다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, 제어부(130)가 t3 시점에 배터리의 SOC를 추정하는 실시예를 설명한다. 제어부(130)는 t3 시점에서 C-rate를 0.25C에서 0.125C로 변경시킬 수 있다. t3 시점에서 제어부(130)에 의한 C-rate의 변경 횟수(m)는 최초 변경 시점(t1)을 제외하고 2회이다.
그리고, 초기의 C-rate(1C)를 미리 설정된 C-rate 변경 비율(0.5)로 변경시켰을 때 변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 되는 시점은 t5 시점이기 때문에, C-rate의 예상 변경 횟수(n)는 최초 변경 시점(t1)을 제외하고 4회이다. 여기서, 예상 변경 횟수는 배터리의 충방전이 종료되지 않더라도, 초기의 C-rate와 변경 비율을 통해 제어부(130)에 의해 산출될 수 있다.
도 2의 실시예에서, 배터리는 충전 중이기 때문에 미리 결정되는 SOC값(TSOC)은 100%이고, 최초 변경 시점(t1)에서 설정되는 기준 SOC(RSOC)는 95%이다. 따라서, 제어부(130)는 수학식 1에 따라 "95+{(100-95)÷4×2}"를 계산하여, t3 시점에서의 SOC(BSOC)를 97.5%로 추정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는 배터리의 충방전이 종료되는 경우뿐만 아니라 충방전이 진행되는 경우에 있어서도, 배터리의 SOC를 추정할 수 있는 장점이 있다.
한편, 수학식 1을 참조하면, 변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 되는 시점에서, 예상 변경 횟수(n)와 C-rate 변경 횟수(m)가 동일할 수 있다. 그렇다면, 추정되는 SOC(BSOC)는 미리 결정되는 SOC값(TSOC)과 동일해질 것이다. 따라서, 수학식 1에 따르더라도 충방전이 종료되는 경우(변경된 C-rate가 컷오프값 이하가 되는 경우), 제어부(130)는 미리 결정되는 SOC값으로 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 변경된 C-rate, 컷오프값 및 미리 설정된 C-rate 변경 비율에 기반하여 C-rate의 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 하기의 수학식 2에 기반하여 C-rate의 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2023001211-appb-img-000004
여기서, n은 C-rate의 예상 변경 횟수이고, d는 C-rate 변경 비율이며, x는 컷오프값이고, y는 제어 신호에 포함된 초기의 C-rate값일 수 있다. 그리고, 수학식 2에서 바닥 함수(floor function,
Figure PCTKR2023001211-appb-img-000005
)는 최초 변경 시점에서의 C-rate 변경 횟수를 제외하기 위한 것이다.
예컨대, 도 2의 실시예에서, C-rate 변경 비율(d)은 0.5이고, 제어 신호에 포함된 초기의 C-rate값(y)은 1C이며, 컷오프값은 0.05C일 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 "
Figure PCTKR2023001211-appb-img-000006
"의 수식을 계산하여, C-rate의 예상 변경 횟수(n)를 4회로 산출할 수 있다. 이러한 방식으로 산출된 C-rate의 예상 변경 횟수(n)는 수학식 1에 적용되어 배터리의 SOC를 추정하는데 이용될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOC 추정 장치(100)는, 소정의 컷오프값(예컨대, 0.05C)을 적용하는 경우, 초기 C-rate와 배터리의 온도가 상이하더라도 종국적인 충전량 또는 방전량이 동일한 배터리의 특성을 고려하여, 배터리의 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류적산법에 의해 산출된 SOC값이 변경된 C-rate와 컷오프값의 비교를 통해 보정될 수 있으므로, SOC-OCV 프로파일에서 평탄 구간(Plateau)이 나타나는 LFP 배터리에 대해서도 SOC를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 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 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 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 4는 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 4를 참조하면, 배터리 SOC 추정 방법은 충방전 단계(S100), 전압 측정 단계(S200), C-rate 변경 단계(S300) 및 SOC 추정 단계(S400)를 포함할 수 있다.
충방전 단계(S100)는 C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리(B)를 충방전하는 단계로서, 충방전부(110)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 충방전부(110)는 제어부(130)로부터 C-rate 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.
C-rate 변경 단계(S300)는 전압 측정 단계(S200)에서 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값(VTH)에 도달할 때마다 C-rate를 변경하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값(VTH)에 도달할 때마다 미리 설정된 C-rate 변경 비율로 C-rate를 변경시키도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값(VTH)에 도달할 때마다 0.5의 비율로 C-rate를 감소시킬 수 있다.
SOC 추정 단계(S400)는 C-rate 변경 단계(S300)에서 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 배터리(B)의 SOC를 추정하는 단계로서, 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 변경된 C-rate가 컷오프값 이하인 경우, 제어부(130)는 미리 설정된 SOC로 배터리(B)의 SOC를 추정할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 배터리(B)에 대한 충방전을 종료시키기 위한 충방전 종료 신호를 충방전부(110)로 송신하도록 구성될 수 있다.
반대로, 변경된 C-rate가 컷오프값을 초과한 경우, 제어부(130)는 상술한 수학식 1 및 수학식 2에 기반하여 배터리(B)의 SOC를 추정하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 변경된 C-rate가 포함된 제어 신호를 충방전부(110)로 송신하도록 구성될 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.
(부호의 설명)
1: 배터리 팩
100: 배터리 SOC 추정 장치
110: 충방전부
120: 측정부
130: 제어부
140: 저장부

Claims (12)

  1. C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하도록 구성된 충방전부;
    상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하도록 구성된 측정부; 및
    상기 충방전부로 상기 제어 신호를 송신하고, 상기 측정부에 의해 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하며, 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 전압값이 상기 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 미리 설정된 C-rate 변경 비율로 상기 C-rate를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하인 경우, 미리 설정된 SOC로 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 충전되는 중 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하가 된 경우, 상기 배터리의 SOC를 100%로 추정하도록 구성되고,
    상기 배터리가 방전되는 중 상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하가 된 경우, 상기 배터리의 SOC를 0%로 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 상기 C-rate가 최초로 변경된 최초 변경 시점에서의 상기 배터리에 대한 기준 SOC를 설정하고, 상기 기준 SOC, 상기 최초 변경 시점 이후의 상기 C-rate의 변경 횟수 및 상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 충방전이 종료될 때까지 예상되는 상기 C-rate의 예상 변경 횟수에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 하기의 수학식 1에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하도록 구성되고,
    [수학식 1]
    여기서, BSOC는 상기 배터리의 추정된 SOC이고, TSOC는 상기 배터리의 충방전 상태에 따라 미리 결정되는 SOC값이며, RSOC는 상기 기준 SOC이고, n은 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수이며, m은 상기 C-rate의 상기 변경 횟수인 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate, 상기 컷오프값 및 미리 설정된 C-rate 변경 비율에 기반하여 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수학식 2에 기반하여 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수를 산출하도록 구성되고,
    [수학식 2]
    여기서, n은 상기 C-rate의 상기 예상 변경 횟수이고, d는 상기 C-rate 변경 비율이며, x는 상기 컷오프값이고, y는 상기 제어 신호에 포함된 초기의 C-rate값인 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 충방전 과정에서 상기 배터리의 전류를 더 측정하도록 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 충방전의 시작 시점부터 상기 최초 변경 시점까지 상기 측정부에 의해 측정된 상기 배터리의 전류를 적산하여 상기 기준 SOC를 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값 이하인 경우, 상기 배터리에 대한 충방전을 종료시키기 위한 충방전 종료 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 구성되고,
    상기 변경된 C-rate가 상기 컷오프값을 초과한 경우, 상기 변경된 C-rate가 포함된 상기 제어 신호를 상기 충방전부로 송신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 SOC 추정 장치를 포함하는 배터리 팩.
  12. C-rate 정보가 포함된 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 포함된 C-rate로 배터리를 충방전하는 충방전 단계;
    상기 배터리의 충방전 과정에서 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계;
    상기 전압 측정 단계에서 측정된 전압값이 미리 설정된 임계값에 도달할 때마다 상기 제어 신호에 포함되는 상기 C-rate를 변경하는 C-rate 변경 단계; 및
    상기 C-rate 변경 단계에서 변경된 C-rate와 미리 설정된 컷오프값을 비교한 결과에 기반하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOC 추정 방법.
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